一种光电探测器、暗电流抑制电路及可见光传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型适用于集成电路领域，提供了一种光电探测器、暗电流抑制电路及可见光传感器，该光电探测器包括：在硅片上形成的第一光电二极管和第二光电二极管；第一光电二极管的上表面覆盖一仅透过人眼能感知的可见光的IR滤波器；第二光电二极管的上表面覆盖一滤除可见光和近红外光的金属膜。本实用新型在PN结结构中通过注入增加一个NG注入区，降低了暗电流，提高了光电转换效率，并在两光电二极管的上表面分别用金属膜和IR滤波器覆盖，以隔离近红外光，还将该抑制暗电流的光电探测器和高增益放大器集成在同一硅基上，从而得到一个高灵敏度、高线性度的可见光传感器。
【专利说明】
一种光电探测器、暗电流抑制电路及可见光传感器
技术领域
[0001]本实用新型属于集成电路领域，尤其涉及一种光电探测器、暗电流抑制电路及可见光传感器。
【背景技术】
[0002]随着物联网技术的推广普及，可见光传感器越来越广泛应用于各类可见光检测与控制领域，同时由于可见光传感器能符合欧盟RoHS环保指令的要求，今后完全可能替代Cds光敏电阻，具有越来越广阔的市场前景。
[0003]可见光传感器是一种类似于人眼视觉范围内光谱的传感器，通常采用硅光电二极管或者硅光电三极管等作为探测器，是单一的光电探测器，入射光谱范围较人眼视觉范围宽，因此会受到近红外线和暗电流的影响，所谓暗电流是指在没有光照的条件下，二极管或三极管中给PN结加反偏电压(N区接正，P区接负)，此时会有反向的电流产生，它是由少数载流子的漂移运动形成的，由于少数载流子是本征激发产生的，因此受温度的影响非常大，随着温度的升高，参见图1，暗电流会急剧增大，从而导致可见光传感器在低照度环境下无法使用，使其无法准确地测量可见光照度的线性变化，严重时甚至电路会产生误动作。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型实施例的目的在于提供一种暗电流抑制电路，旨在解决现有可见光传感器在低光环境下由于暗电流较大无法准确地测量可见光照度的线性变化的问题。
[0005]本实用新型实施例是这样实现的，一种光电探测器，基于硅片制成，所述电路包括:
[0006]在所述娃片上形成的第一光电二极管和第二光电二极管；
[0007]所述第一光电二极管的上表面覆盖一仅透过人眼能感知的可见光的IR滤波器；
[0008]所述第二光电二极管的上表面覆盖一滤除可见光和近红外光的金属膜。
[0009]进一步地，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管中的PN结结构包括:
[0010]衬底，在所述衬底上形成的阱，在所述阱中形成的NG注入区，以及在所述NG注入区形成的掺杂区；
[0011]所述阱区和所述掺杂区分别为所述PN结结构的两极引出端。
[0012]更进一步地，所述NG的结深为2.3?2.6um。
[0013]更进一步地，所述衬底为N型衬底，所述阱为P阱，所述掺杂区为N型掺杂区，所述P阱为所述PN结结构的P极引出端，所述N型掺杂区为所述PN结结构的N极引出端。
[0014]更进一步地，所述衬底为P型衬底，所述阱为N阱，所述掺杂区为P型掺杂区，所述N阱为所述PN结结构的N极引出端，所述P型掺杂区为所述PN结结构的P极引出端。
[0015]本实用新型实施例的另一目的在于，提供一种暗电流抑制电路，所述电路包括:
[0016]第一开关管、第二开关管、第三开关管和如权利要求1至5任一项所述的光电探测器；
[0017]所述第一、第二、第三开关管的输入端均与电源电压连接，所述第一开关管的输出端与所述第二光电二极管的阴极连接，所述第二光电二极管的阳极接地，所述第一开关管的控制端同时与所述第一开关管的输出端和所述第三开关管的控制端连接，所述第三开关管的输出端与所述第一光电二极管的阴极连接，所述第一光电二极管的阳极接地，所述第二开关管的控制端为所述电路的输出端同时与所述第二开关管的输出端和所述第三开关管的输出端连接。
[0018]进一步地，所述第一光电二极管的受光面积为所述第一光电二极管的两倍。
[0019]更进一步地，所述第一、第二、第三开关管均为P型MOS管，所述P型MOS管的栅极为所述第一、第二、第三开关管的控制端，所述P型MOS管的源极为所述第一、第二、第三开关管的输入端，所述P型MOS管的漏极为所述第一、第二、第三开关管的输出端。
[0020]更进一步地，所述第三开关管的宽长比为第一开关管的宽长比的两倍。
[0021]本实用新型实施例的另一目的在于，提供一种可见光传感器，该可见光传感器包括光电流放大器和上述实施例中的暗电流抑制电路；
[0022]该暗电流抑制电路的输出端与光电流放大器的输入端连接，光电放大器的输出端输出可见光传感信号。
[0023]本实用新型实施例在PN结结构中通过注入增加一个NG注入区，降低了暗电流，提高了光电转换效率，并在两光电二极管的上表面分别用金属膜和IR滤波器覆盖，以隔离近红外光，还将该抑制暗电流的光电探测器和高增益放大器集成在同一硅基上，从而得到一个高灵敏度、高线性度的可见光传感器。
【附图说明】
[0024]图1为现有可见光传感器在不同温度下的暗电流示意图；
[0025]图2为本实用新型实施例提供的光电探测器中PN结的结构图；
[0026]图3为本实用新型实施例提供的暗电流抑制电路的结构图；
[0027]图4为采用本实用新型实施例提供的暗电流抑制电路后可见光传感器在不同温度下的暗电流示意图。
【具体实施方式】
[0028]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029]本实用新型实施例在PN结结构中通过注入增加一个NG注入区，降低了暗电流，提高了光电转换效率，并在两光电二极管的上表面分别用金属膜和IR滤波器覆盖，以隔离近红外光，还将该抑制暗电流的光电探测器和高增益放大器集成在同一硅基上，从而得到一个高灵敏度、高线性度的可见光传感器。
[0030]本实用新型实施例提供了一种抑制暗电流的光电探测器，该抑制暗电流的光电探测器基于硅片制成，采用CMOS集成电路工艺实现，可以应用于任何可见光传感器中，后续可以搭建高放大倍数的电流放大电路来实现可见光的检测。
[0031]作为本实用新型一实施例，该抑制暗电流的光电探测器包括:
[0032]在硅片上形成的第一光电二极管和第二光电二极管；
[0033]第一光电二极管的上表面覆盖一仅透过人眼能感知的可见光的IR滤波器；
[0034]第二光电二极管的上表面覆盖一滤除可见光和近红外光的金属膜。
[0035]在本实用新型实施例中，在硅片上同时做两个光电二极管，其中一个光电二极管上面覆盖一个IR光学滤波器，使其只能透过人眼能感知的可见光，另一个光电二极管上面覆盖一层金属，以滤除所有的可见光和近红外光。再配合电路技术处理，使两个光电二极管本身固有的暗电流能基本消除，同时对可见光产生的光电流进行放大处理，使传感器能够在整个温度范围内提供高精度的输出电流，即使在低光照环境下(光照环境的入射光低至1lux)也能可靠工作。
[0036]作为本实用新型一实施例，结合图2，第一光电二极管和第二光电二极管中的PN结结构包括:
[0037]衬底，在衬底上形成的阱，在阱中形成的NG注入区，以及在NG注入区形成的掺杂区；
[0038]阱区和掺杂区分别为该PN结结构的两极引出端。
[0039]当衬底为N型衬底时，讲为P阱，掺杂区为N型掺杂区，P阱为该PN结结构的P极引出端，N型掺杂区为所述PN结结构的N极引出端。
[0040]当衬底为P型衬底时，阱为N阱，掺杂区为P型掺杂区，N阱为该PN结结构的N极引出端，所述P型掺杂区为所述PN结结构的P极引出端。
[0041 ] 以N型衬底为例，先在衬底N-SUB上形成的P阱PWELL，再在P阱PWELL中形成的NG注入区NG，该NG注入区为推结深结构，结深为2.3?2.6um，最后在NG注入区中形成N型掺杂区N
+ ο
[0042]采用上述结构的PN结后，暗电流的测试结果参见图4，可以看出，暗电流随温度变化比现有结构缓慢了许多。
[0043]本实用新型实施例在PN结结构中通过注入增加一个NG注入区，相对N+来说，NG注入的浓度较低，同时NG做了推结深，NG的结深约为2.3?2.6um，这样NG和PWELL形成的PN结浓度较浅，因此降低了暗电流，同时提高了光电转换效率。
[0044]图3为采用本实用新型实施例提供的暗电流抑制电路的结构图，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分。
[0045]作为本实用新型一实施例，该暗电流抑制电路可以应用于可见光传感器中，包括:
[0046]第一开关管P1、第二开关管P2、第三开关管P3、二极管D1和二极管D2;
[0047]第一开关管Pl、第二开关管P2、第三开关管P3的输入端均与电源电压VDD连接，第一开关管Pl的输出端与二极管D2的阴极连接，二极管D2的阳极接地，第一开关管Pl的控制端同时与第一开关管Pl的输出端和第三开关管P3的控制端连接，第三开关管P3的输出端与二极管Dl的阴极连接，二极管Dl的阳极接地，第二开关管P2的控制端同时与第二开关管P2的输出端和第三开关管P3的输出端连接；
[0048]其中二极管Dl、二极管D2的PN结结构完全，均为上述实施例中记载的第一光电二极管、第一光电二极管。
[0049]优选地，D1、D2可以采用光电二极管实现，二极管Dl的受光面积为二极管D2的两倍。D2的上表面用金属膜(例如铝膜)完全覆盖，因此D2对可见光以及近红外光和紫外光都是隔离的，Dl的表面覆盖有抗红外的透光膜，也就是IR滤波器，因此Dl只能透过可见光。
[0050]作为本实用新型一实施例，第一开关管Pl、第二开关管P2、第三开关管P3均为P型MOS管，P型MOS管的栅极为第一开关管Pl、第二开关管P2、第三开关管P3的控制端，P型MOS管的源极为第一开关管P1、第二开关管P2、第三开关管P3的输入端，P型MOS管的漏极为第一开关管P1、第二开关管P2、第三开关管P3的输出端。
[0051 ]当电路工作时，D2和Pl组成的通路流过的电流是Id2，Id2就是D2的暗电流;Dl和P3组成的通路流过的电流是11，11为流过DI的暗电流和可见光电流之和，由于D2和DI的PN结结构相同，而Dl的面积是D2的两倍，因此Il = 2*Id2+Ir，其中Ir为可见光产生的光电流。
[0052]P3和Pl组成了镜像电流源，由于P3的宽长比为Pl的两倍，因此P3输出至P2的电流12中，暗电流成分被抵消，12 = Ir，12再送至后级放大器被放大处理，最后作为传感器的输出信号。
[0053]因此，当DO和Dl做到结构完全相同时，光电二极管产生的暗电流能被完全消除，SP使考虑到实际应用时存在的各种误差，也至少可以把暗电流降低I?2个数量级。
[0054]本实用新型实施例的另一目的在于，提供一种可见光传感器，该可见光传感器包括光电流放大器和上述实施例中的暗电流抑制电路；
[0055]该暗电流抑制电路的输出端与光电流放大器的输入端连接，光电放大器的输出端输出可见光传感信号。
[0056]本实用新型实施例在PN结结构中通过注入增加一个NG注入区，由于NG注入的浓度较低，因此NG和PWELL形成的PN结浓度较浅，从而降低了暗电流，同时提高了光电转换效率。并在两光电二极管的上表面分别用金属膜和IR滤波器覆盖，以隔离近红外光，还将该抑制暗电流的光电探测器和高增益放大器集成在同一硅基上，从而得到一个高灵敏度、高线性度的可见光传感器。该可见光传感器工作安全、可靠，可广泛用于光控玩具、自动灯具开关、LED灯控制、电脑显示器自动调光、手机屏幕的自动亮度检测等领域。
[0057]本实用新型实施例具有如下有益效果:
[0058]1、解决了现有技术暗电流过大，引起误操作的问题，使传感器能够在整个温度范围内提供高精度的输出电流;使在低光照环境下(光照环境的入射光低至1lux)也能可靠工作；
[0059]2、IR滤波器覆盖光电二极管的装置，使传感器对红外具有高抑制特性，达到人眼特点的光谱响应特性；
[0060]3、内部集成高增益光电流放大器，使在低光照环境下(光照环境的入射光低至1lux)也能可靠工作；
[0061]4、光传感器、IR滤波器、高增益光电流放大器内部全集成、电路简单、工作可靠。
[0062]以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种光电探测器，基于硅片制成，其特征在于，所述光电探测器包括: 在所述娃片上形成的第一光电二极管和第二光电二极管； 所述第一光电二极管的上表面覆盖一仅透过人眼能感知的可见光的IR滤波器； 所述第二光电二极管的上表面覆盖一滤除可见光和近红外光的金属膜。2.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管中的PN结结构包括: 衬底，在所述衬底上形成的阱，在所述阱中形成的NG注入区，以及在所述NG注入区形成的惨杂区； 所述阱区和所述掺杂区分别为所述PN结结构的两极引出端。3.如权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述NG的结深为2.3?2.6um。4.如权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述衬底为N型衬底，所述阱为P阱，所述掺杂区为N型掺杂区，所述P阱为所述PN结结构的P极引出端，所述N型掺杂区为所述PN结结构的N极引出端。5.如权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述衬底为P型衬底，所述阱为N阱，所述掺杂区为P型掺杂区，所述N阱为所述PN结结构的N极引出端，所述P型掺杂区为所述PN结结构的P极引出端。6.一种暗电流抑制电路，其特征在于，所述电路包括: 第一开关管、第二开关管、第三开关管和如权利要求1至5任一项所述的光电探测器； 所述第一、第二、第三开关管的输入端均与电源电压连接，所述第一开关管的输出端与所述第二光电二极管的阴极连接，所述第二光电二极管的阳极接地，所述第一开关管的控制端同时与所述第一开关管的输出端和所述第三开关管的控制端连接，所述第三开关管的输出端与所述第一光电二极管的阴极连接，所述第一光电二极管的阳极接地，所述第二开关管的控制端为所述电路的输出端同时与所述第二开关管的输出端和所述第三开关管的输出端连接。7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第一光电二极管的受光面积为所述第一光电二极管的两倍。8.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第一、第二、第三开关管均为P型MOS管，所述P型MOS管的栅极为所述第一、第二、第三开关管的控制端，所述P型MOS管的源极为所述第一、第二、第三开关管的输入端，所述P型MOS管的漏极为所述第一、第二、第三开关管的输出端。9.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第三开关管的宽长比为第一开关管的宽长比的两倍。10.—种可见光传感器，其特征在于，所述可见光传感器包括光电流放大器和如权利要求6至9任一项所述的暗电流抑制电路； 所述的暗电流抑制电路的输出端与所述光电流放大器的输入端连接，所述光电放大器的输出端输出可见光传感信号。
【文档编号】H01L31/103GK205488130SQ201620159024
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月26日
【发明人】樊子宇
【申请人】深圳市乐夷微电子有限公司