光电检测半导体器件、光电检测器和图像显示装置的制作方法

专利名称：光电检测半导体器件、光电检测器和图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电检测半导体器件、光电检测器和图像显示装置， 以及例如涉及用于通过使用光接收元件来测量外部明亮度的装置。
背景技术：
外部的照度通过照度计来测量，以便根据测量值来控制对象，使 得附于蜂窝电话的液晶显示屏幕的背光的亮度根据外部的明亮度来 调整。
在照度计中使用由例如将接收光的强度(光强度)转换成对应电 流的光电二极管等的半导体器件所构成的光接收元件。
而由于作为光接收元件的材料的硅(Si)在红外光处具有灵敏度的 峰值，因此，使得具有不同光镨特性的光接收元件之间的电流有差别 以获得预期的光谱特性，以便实现对于可见光至紫外光的传感器。
例如，将具有不同光语特性的光接收元件适当的组合以检测可见 光范围中的光线，由此能够实现接近肉眼的光谱特性。
JP 01 -207640 A中公开的"半导体光电检测器"提出 一种用于通过 如上所述将两个光接收元件组合在一起来获得预期光i普特性的技术。
在这种技术中，在p型衬底上形成深度不同的两个n型层，以便 形成光语特性不同的两个光电二极管，以及取那些光电二极管之间的 电流的差以检测紫外线区中的光线。
但是，在常规技术中，检测值可受到从外部对光电二极管的入射 电磁波影响
发明内容
按照上述情况，本发明的目的是提供能够降低电磁波的影响的光 电检测半导体器件和光电检测器。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种光电检测
半导体器件，包括第一光接收元件，其具有第一导电类型的半导体 衬底以及由第二导电类型半导体形成的以距离半导体衬底表面的给 定深度设置的第一导通层；第二光接收元件，其具有半导体衬底以及
由第二导电类型半导体形成的以距离半导体衬底表面的比该给定深 度更深的深度设置的第二导通层，并且具有与第 一光接收元件的光语
特性不同的光语特性；以及透射光并且具有导电性的电磁波屏蔽层， 其设置在第一导通层表面和第二导通层表面上，其中根据第一光接收 元件中积累的电荷与第二光接收元件中积累的电荷之间的差来检测 光强度。
根据本发明的第二方面，提供根据本发明的第一方面的光电检测 半导体器件，其中电磁波屏蔽层由第一导电类型半导体来形成。
根据本发明的第三方面，提供根据本发明的第 一 方面的光电检测 半导体器件，其中电磁波屏蔽层由多晶硅形成。
根据本发明的第四方面，提供一种光电检测器，包括积累部件， 其与根据本发明的第一、第二或第三方面的光电检测半导体器件连
接，且其用于将分别在光电检测半导体器件的第一光接收元件和第二 光接收元件中产生的电荷各在其每个中积累；取差部件，用于获取积 累电荷之间的差；以及差输出部件，用于发送所获取的差。
根据本发明的第五方面，提供一种图像显示装置，包括根据本 发明的第四方面的光电^:测器；图像显示部件，其用于显示图像；明 亮度确定部件，其用于借助来自光电检测器的输出来确定外部的明亮 度；以及亮度调整部件，其用于根据所确定的明亮度来调整图像显示 部件的亮度。
根据本发明，电磁波屏蔽层的提供使电磁波的影响能够降低。


附图中
图1是示出形成光电二极管的半导体器件的结构的示例简图； 图2是示意示出光电二极管的光谱特性的图表； 图3是用于描述光电检测器的配置的简图； 图4A和图4B是用于描述光电二极管的输出的饱和的示意图表; 图5是示出根据一种修改的光电检测器的配置的简图； 图6是示出根据另 一种修改的光电检测器的配置的简图； 图7是示出根据又一种修改的光电检测器的配置的简图； 图8A和图8B是示出根据另一个实施例的半导体器件的结构的 筒图9A和图9B是示出根据一种修改的半导体器件的结构的简图； 图IOA至图IOC是示出根据另一个实施例的半导体的结构的简
图IIA和图IIB是示出根据一种修改的半导体器件的结构的简
图12A和图12B是示出数字化电路和数字输出光电检测电路的 配置的简图13A至图13D是数字化电路的时序图14A和图14B是示出根据另一个实施例的数字化电路和数字 输出光电检测电路的配置的简图；以及
图15A至图15D是根据另一个实施例的数字化电路的时序图。
具体实施例方式
(1) 实施例相克述 光电检测器的实施例
光电检测器IO(图3)根据在给定时间周期中具有不同光谱特性的 光电二极管1和2中积累的电荷的差来检测预期波长区域的光强度，同时使阴极端子处于开端状态。
由于电荷在光电二极管1和2中积累，因此，即使光电流很小， 也能够通过光电流的积累获得进行;险测所需的电荷。所以还能够采用 光电二极管1和2来实现半导体器件的小型化和高检测性能。
此外，能够通过根据光强度改变电荷积累时间来获得大动态范 围，通过在差检测时间断地驱动进行差检测所需的元件来抑制电力消 耗，或者通过使输出平均来减少闪烁。
光电检测半导体器件的实施例
允许待检测的光线的透过的导电屏蔽设置在光电二极管1和 2(图8A)的光接收表面上，以便抑制光电二极管1和2中由于外部的 电i兹波而感生的电荷。
此外，其透光率取决于波长的两种滤光件(图IOA)分别设置在光 电二极管1和2的光接收表面上，由此使其光语特性之间能够出现差 异。
屏蔽和滤光件可由，例如多晶硅或给定导电的半导体薄膜来形 成，其制造工艺结合到半导体制造工艺中，从而毫无困难地制造半导 体器件。
数字输出光电检测电路的实施例
光电二极管1和2中积累的电荷量与时钟进行对照，以生成与电 荷量对应的计数值，以便将积累电荷量转换成数字值。
提供两种方法来实现上述操作，其中对时钟脉冲的数量计数，直 至积累电荷的变化达到给定量(图12A和图12B),以及其中在给定参 考脉冲周期中对光电二极管1和2中的电荷重复积累与复位的循环次 数进行计数(图14A和图14B)。
然后，计算光电二极管l和2的数字化输出，以使得以数字值输 出所得的差。
在上述方法中，数字值可采用计数器、时钟等的简单组合来获得， 并且无需使用例如A/D转换器等复杂逻辑。(2) 实施例细节
实施例构成"光电检测器"、"光电检测半导体器件"和"数字输出光 电检测电路"，下面按照顺序对它们进行描述。
在以下描述中，使用光电二极管作为光接收元件来给出描述，但 是也可采用其它元件、如光电晶体管。
光电检测器的实施例
常规光电检测器使用光电二极管中产生的电流之间的差来检测
光强度。但是，为了提高信噪(SN)比以及获得充分的灵敏度，需要增 加光接收元件中的电流，这通过增加光接收元件的面积来实现。
相应地，灵敏度的提高需要半导体器件的大小以及在其上形成半 导体器件的IC芯片的大小的增加，从而导致传感器的小型化的难题。
因此，在该实施例中，光电二极管中产生的并且在给定时间周期
积累的电荷由放大器进行放大，以便取它们之间的差。
图1是示出在其上形成用于这个实施例的光电二极管的半导体 器件的 一个示例的简图。
半导体器件6由，例如单晶硅制成，并且包括形成以具有p型导 电特性的p型村底3以及作为n型区域的n型层4、 5。
n型层4和5以距离p型衬底3的正面的给定深度来形成，以及 n型层4达到位置的深度比n型层5的更深。
然后，n型层4和p型衬底3构成光电二极管1,而n型层5和 p型衬底3构成光电二极管2。
当入射光落到半导体器件6的光接收表面(正面)时，借助于光能 在p-n结中产生电子和空穴，可获取它们以作为电压或电流输出。
光线在进入光接收表面之后，透过n型层直至到达p-n结。由于 n型层的透光率取决于光波长和n型层的厚度，所以光电二极管l和 2呈现不同的光谱特性。
在这里，"光谱特性"表示光电二极管的输出与入射光的波长之间 的对应关系(依赖关系)，它又可称作"光谱灵敏度"或"光语灵敏特性"。
8如上所述，光电二极管1用作通过所接收光线来产生电荷的第一
光接收元件，而光电二极管2用作通过所接收光线来产生电荷的第二 光接收元件，并且其具有与第 一光接收元件不同的光谱特性。
图2示出示意说明光电二极管l(PDl)和光电二极管2(PD2)的光 语特性的图表。注意，由于图2的图表为示意性绘制以用于描述概念， 所以没有进行必要的准确图示。
垂直轴表示由光电二极管产生的输出(电流、电压等)，而水平轴 表示入射光的波长。假定入射光的光强度是恒定的。
在这个示例中，光电二极管2的光谱灵敏特性的峰值波长位于光 电二极管1的较短波长侧，使光电二极管2的峰值处的灵敏度比光电 二极管1大，以及光电二极管2的红外线区(其波长大于大约70 [nm]) 的灵敏度与光电二极管l相同。
相应地，可通过取光电二极管1和2之间的差以消除来自红外线 区的输出来获得可见光区的灵敏度。
由于光电二极管1和2的光语特性可通过n型层的厚度单独调 整，因此，可通过适当确定光电二极管1和2的光语特性以取其输出 之间的差，来获得预期光语特性。
图3示出用于描述根据本实施例的光电检测器10的配置的简图。
例如，光电检测器10用作检测外部的照度的照度计，并且使用 光电检测器10以便调整蜂窝电话的液晶显示屏幕的背光的亮度。
光电二极管1和2是光谱特性彼此不同的光电二极管，并且配置 成使得其输出之间的差呈现与肉眼的光谱特性相似的光谱特性。
光电二极管1的阳极端子接地，以及其阴极与放大器13连接， 并且还通过开关17与DC电源19连接。
开关17由例如晶体管等开关元件形成，并且根据来自复位电路 16的复位信号接通/断开光电二极管1和DC电源19的连接。
由例如运算放大器等放大器电路进行配置的放大器13检测光电 二极管1的阴极端子的电压，以便放大并向差分电路15输出电压。例如，放大器13具有无穷大的输入阻抗以便阻止来自光电二极 管1的电流，并且可放大该电流而没有影响光电二极管1中形成的电压。
DC电源19例如由恒压电路形成，并且在开关17接通时将光电 二极管1的阴极端子设置到参考电压。
另一方面，当开关17断开时，使阴极端子的电力处于开端状态(浮 态)，在光电二极管1中积累与光强度对应的电荷。
在这种情况下，由于通过DC电源19〗吏光电二^f及管l反向偏置， 阴极端子的电压由于光电二极管1中产生的电子而降低。
如上所述，可以以电压来4企测光电二^L管1中积累的电荷量。电 压降低的速率与产生电子的速率、即光强度成反比。
当开关17再次接通时，已经在光电二极管1中积累的电荷复位 为初始状态，并且阴极端子的电压变为参考电压。
开关18、光电二极管2和放大器14具有分别与开关17、光电二 极管1和放大器13相同的配置。
复位电路16以失见则间隔向开关17和18传送复位信号，并且同 时接通和断开那些开关17、 18。
然后，在接通开关17和18时，复位电路16将光电二极管1、 2 的阴极端子的电压复位为参考电压(即，将已经在光电二极管1和2 中积累的电荷复位为初始值)，并且在断开开关17、 18时开始在光电 二极管1、 2中积累电荷。
如上所述，复位电路16和开关17、 18用作积累部件，使第一光 接收元件和第二光接收元件的端子处于开端状态以便积累光接收元 件中产生的电荷，并且还用作复位部件，将第一光接收元件和第二光 接收元件的给定电极(本例中为阴极端子)与给定恒压源(DC电源19) 连接以便使已经在光接收元件中积累的电荷复位。
差分电路15接收从放大器13和放大器14发送的电压以便生成 它们之间的差，并且将该差值发送给照度确定单元12。
10如上所述，差分电路15用作取差部件，其获取已经在第一光接 收元件(光电二极管l)和第二光接收元件(光电二极管2)中积累的电荷 之间的差，并且还用作差输出部件进行操作，发送获取的差(发送给 照度确定单元12)。
此外，差分电路15获取由于第一光接收元件(光电二极管l)和第 二光接收元件(光电二极管2)的给定电极之间(在阴极之间)的电压差 引起的它们之间的积累电荷的差。
照度确定单元12对与复位电路16的复位信号同步(例如就在复 位之前即刻)从差分电路15发送的电压差进行取样和获取，并确定外 部的照度。
例如，照度确定单元12记住差值与照度之间的对应性，由此实 现外部的照度的确定。
确定单元12用作明亮度确定部件，借助于光电检测器IO(在这个 示例中除了照度确定单元12以外的光电检测器10的配置)来确定外 部的明亮度。
此外，虽然未示出，但是照度确定单元12例如与调整液晶显示 装置的背光亮度的亮度调整单元连接，并且亮度调整单元配置成用于 根据来自照度确定单元12的确定结果来调整液晶显示装置的背光的 亮度。
在这个示例中，液晶显示装置用作显示图像的图像显示部件，以 及亮度调整单元用作亮度调整部件进行操作以根据由照度确定单元 12确定的照度来调整图像显示部件的亮度。
描述如上所述配置的光电检测器10的操作。
首先描述光电二极管1的操作。
当复位电路16接通开关17时，光电二极管1的阴极端子由于 DC电源19而变为参考电压，以及已经在光电二极管1中积累的电荷 复位为初始值。
随后，当复位电路16断开开关17时，光电二极管1与DC电源
ii19断开连接，并且由于放大器13的无穷大输入阻抗，使阴极端子处 于开端状态，其中阴极端子与电路断开电连接。
在那种情况下，如虚线框所示，光电二极管1具有像电容器工作 的p-n接面，并且积累由于光所产生的电荷。然后，阴极端子的电压 已被DC电源19反向偏置，由于光电二极管1中积累的电荷，阴极 端子的电压降低，其降低的速率对应于光强度。
由于复位电路16重复进行开关17的通/断操作，因此，光电二 极管1的阴极端子的电压重复由参考电压(电荷复位)、电压降低(电荷 积累)的循环，如图13A所示。
类似地，光电二极管2的阴极端子的电压与光电二极管1同步地 重复由参考电压、电压降低组成的循环。但是，电压降低的速率由于 光电二极管1和2的不同光谱特性而有所不同。
相应地，在已经放大光电二极管1和2的输出之后，由差分电路 15取那些输出之间的差。然后，差值成为已经在光电二极管1和2 中积累的电荷之间的差，即与照度对应的值。
因此，当照度确定单元12在复位后的给定时间(例如就在下一个 复位之前即刻)检测差分电路15的输出，则照度确定单元12可检测 已经在光电二极管1、 2中在复位与检测之间的期间积累的电荷之间 的差，从而使得确定照度。
如上所述，在光电检测器10中，光谱特性不同的两个光接收元 件(光电二极管1和2)的输出与放大器的输入连接，并且可使光接收 元件处于浮态。
此外，光电检测器10具有通过使用DC电源19和复位电路16 以给定间隔使光接收元件的电荷复位的机构，使得能够以给定间隔在 光接收元件中积累电荷以及输出由放大器所放大的信号的差。
另外，可通过获得两个光i普特性不同的光接收元件的电压之间的 输出差，来提供预期光谱特性。
由于放大器的输入电压Vin根据光接收元件的总电容C以及光
12照所产生的电荷Q通过等式Vin=Q/C来确定，所以传感器灵敏度可 通过减小光接收元件的电容得到增强。
这个事实意味着，传感器的灵敏度与传感器的小型化一起进行改 进，这从传感器的小型化角度来看是有利的性质。
光电检测器10配置成用于例如测量室内的照度，但是这个实施 例是一个示例，并且光电二极管1和2的光镨特性经过适当确定，以 便用作紫外光传感器。
第一修改
接收强光引起光电二极管1和2中的电荷的快速积累，因此大照 度使光电二极管1和2的输出在由照度确定单元12检测到来自差分 电路15的输出之前饱和，由此使得对准确值的测量不正确。
在这种修改中，则针对强接收光缩短复位间隔，以便缩短电荷的 积累周期，从而防止光电二极管l和2的饱和，由此使得能够扩大动 态范围。
图4A是用于描述在复位时使光电二极管2的输出饱和的情况的 示意图表。
首先，在将光电二极管1、 2与DC电源19连接以便将阴极端子 的电压设置为参考电压之后，当开关17、 18断开，阴极端子的电压 开始降低，如图4A所示。在这个示例中，假定光电二极管2的电压 因光语特性的差异而比光电二极管1更快地降低。
在图4A中，光电二极管2的输出因大光强度而在达到复位时间 tl之前饱和。当假定照度确定单元12就在复位之前检测差分电路15 的输出时，在复位时间tl由于输出的饱和而在光电二极管2中无法 通过电压E1得到与光强度对应的检测值，而在光电二极管1中检测 到与光强度对应的检测值。
在这种修改中，如图4B所示，当具有较大电压降的光电二极管 (本例中为光电二极管2)两端的电压达到进行比较的给定参考电压(以 下称作"比较电压")时进行复位。
13在图4B的一个示例中，当光电二^ l管2达到比较电压时的时间 t2进行复位，以及在这种情况下，光电二极管1两端的电压变成E2。 因此，光电二极管1和2均可输出与光强度对应的电压。
图5是示出进行上述操作的光电检测器10a的配置的简图。与图 3相同的配置通过相同参考标号来表示，并且筒化或省略对它们的描 述。
除了光电检测器10的配置之外，光电检测器10a还包括DC电 源22和比较器21。
DC电源22是恒压源，它为比较器21提供比较电压。在这个示 例中，DC电源22配置成具有固定比较电压的输出，或者可配置成具 有可变的比较电压，其选择适合于光强度的比较电压。
例如，比较器21在放大器14的输出大于比较电压时提供"l"， 而在放大器14的输出等于或小于比较电压时提供"0"。因此，比较器 21将通过放大器14所放大的光电二极管2两端的电压与比较电压进 行比较，并将它的比较结果以数字信号提供。
复位电路16监视比较器21的输出，并且在复位电路16检测到 经过放大器14的电压下降到比较电压(在上述示例中，复位电路16 检测到输出从'T，变化到"O")时使开关17和18复位，由此使得光电检 测器1 Oa在来自光电二极管1和2的输出饱和之前将电荷复位。
此外，例如，照度确定单元12记住;改大器13与14间的电压差、 复位间隔和光强度之间的对应性，以便根据来自差分电路15的输出 来确定照度。
比较器21和DC电源22用作改变部件，其根据光强度来改变积 累部件在期间积累电荷的时间段。
如上所述，在这种修改中，提供有一种根据照度来改变光接收元 件在期间积累电荷的周期(更具体来说，由大照度则缩短积累周期)的 功能，由此使得能够实现具有大动态范围的照度传感器(它能够测量 大范围的照度)。
14第二修改
光电检测器IO(图3)的放大器13、 14和差分电路15从电源(未示 出)接收电力供应，以进行放大过程和差分过程。
在这种修改中，放大器13、 14和差分电路15不是一直处于被驱 动，而是间断地、仅在照度确定单元12检测光电二极管1与2之间 的差别以便进行确定的时候被驱动(即在必要时)，从而节省功耗。
图6是示出根据这种修改的光电检测器10b的配置的简图。应当 注意，与图3相同的配置通过相同参考标号来表示，并且简化或省略 对它们的描述。此外，为了附图的筒洁起见，省略了光电二极管2、 放大器14和开关18。
除了光电检测器10的配置之外，光电检测器10b还包括定时器 31和开关32、 33。开关32和开关33由例如晶体管等开关元件形成， 并且接通/断开分别对差分电路15和放大器13的电源供应。此外， 虽然未示出，放大器14配备了相似开关。
定时器31是以给定时间间隔接通/断开开关32和33的时钟，其 还向照度确定单元12提供时钟。
定时器31可形成为例如通过借助分频器电路分割内部时钟来生 成低周期的时钟。
照度确定单元12与定时器31所提供的时钟同步操作，并且在定 时为开关32和33接通时检测差分电路15的输出。
复位电路16与定时器31同步操作，并且例如在照度确定单元 12进行;险测之后即刻将光电二极管1和2的电荷复位。
如上所述，定时器31、开关32和33以及设置在放大器14中的 开关(未示出)充当驱动部件，它在定时为差输出部件输出差时驱动差 输出部件。
如上所述，光电4企测器10b间断地、仅在照度确定单元12检测 并确定光电二极管1与2的输出之间的差时才操作放大器13、 13和 差分电路15，由此使得功耗与光电检测器IO相比降低。第三修改
进行这种修改以便减小光源中闪烁的影响。
例如萸光灯等光源可按照50[Hz]或60[Hz]的周期重复接通和断 开或者闪烁。
在光电检测器IO(图3)中，当测量其中发生闪烁的光源的光强度 时，照度的测量值，根据照度确定单元12检测到差异时的瞬时所在 闪烁中的位置而有所不同。
例如，蜂窝电话频繁地在采用荧光灯照明的室内使用，因此需要 适当地测量存在闪烁的情况下的光强度。
在这种修改中，因此，对光电二极管1与2之间的差别进行时间 的平均以减小闪烁的影响。
图7是示出采用针对闪烁的对策而设计的光电检测器10c的配置 的筒图。与图3相同的配置通过相同参考标号来表示，并且简化或省 略对它们的描述。此外，为了附图的简洁起见，省略了光电二极管2、 放大器14和开关18。
光电检测器10c配置成包括光电检测器10的配置中的差分电路 15与照度确定单元12之间的积分器电路41，并且采用积分电路41 对差分电路15的输出进行积分。
积分电路41对差分电路15的输出进行对时间的积分，并提供结 果所得的积分值。积分值是多个检测值的累计值，因此通过取平均来 减小差值的变化。
如上所述，积分器电路41充当减小部件，它减小当光源发出的 光强度因闪烁而改变时差分电路15的差分出现的变化。
照度确定单元12关联复位电路16的复位信号进行操作，并且检 测在积分器电路41开始积分之后在复位电路16进行给定次数的复位 时的时刻的积分值。
当照度确定单元12进行检测时，进行初始化，例如将积分器电 路41的积分值设置为零。
16如上所述，在这个实施例中，甚至当差分电路15的输出由于闪 烁而改变时，由积分器电路41通过添加多个测量值使得输出的变化 平均化，由此使得提供其中已经抑制了闪烁影响的检测值。
在这种修改中，积分用于抑制闪烁的影响。备选地，可应用可减 小因闪烁引起的检测值的变化的任何方法。
以上所述的实施例和^^改可获得以下优点。
(1) 积累由于由光电二极管l和2所检测的光线所产生的电荷。
(2) 对具有不同光语特性的两个光电二极管1和2中产生的电 荷进行取差，以获得预期光i普特性。
(3) 以电压来检测光电二极管1和2中产生的电荷量。
(4) 光强度通过光电二极管1和2中积累的电荷来测量，因此 不需要大的光感生电流，从而使得光电二极管1和2的小型化。
(5) 减小光电二极管1和2的电容以获得大灵敏度，因此减小 光电二极管1和2的面积，从而使得实现低成本传感器。
(6) 根据外部光的强度改变已经在光电二极管1和2中积累的 电荷的复位间隔，由此允许实现大动态范围。
(7) 仅在必要时才驱动放大器13、 14和差分电路15，由此使 得功耗的降低。
(8) 闪烁导致的影响由积分电路41来减小。
(9) 在包括具有不同光语特性的两个光接收元件、与光接收元 件的输出连接的放大器和对光接收元件在使光接收元件已处于浮态 之后在给定周期内的电荷复位的机构的集成电路(IC)中，在给定周期 内在光接收元件中积累电荷，并且提供经过放大器放大的信号之间的 差，从而使得实现小型化照度传感器。
光电检测半导体器件的实施例
光电检测器10可使用具有图1所示结构的半导体器件6,备选 地，可^f吏用具有不同结构的半导体器件。
下面给出关于适用于根据另一个实施例的光电检测器10的半导
17体器件的描述。
光电检测半导体器件的第 一 实施例
光电检测器10在光电二极管1和2中积累电荷以测量照度。为
此，与常规j支术中对电流差分的情况相比，t旦心来自外部的电/f兹波的 影响会影响测量结果。
在上述情况下，在这个实施例中，具有光学透明度的薄膜电极设 置在光电二极管上，并且屏蔽光电二极管免受来自外部的电磁噪声 (例如从电气设备产生的往来的电波或电磁噪声)的影响。
图8A是示出根据这个实施例的半导体器件6a的结构的简图。 半导体器件6a是其中如同半导体器件6中那样的在p型衬底3 上形成不同厚度的n型层4和5的光电检测半导体器件。
在这个示例中，光电二极管1充当第一光接收元件，它由第一导 电类型(本例中为p型)半导体所形成的半导体衬底(p型衬底3)和第二 导电类型(本例中为n型)半导体所形成的、以距离半导体衬底表面的 给定深度所形成的第一导通层(n型层4)来形成，以及光电二极管2 充当第二光接收元件，它由半导体衬底(p型衬底3)和第二导电类型 半导体所形成的、以距离半导体衬底表面比给定深度更深的深度所形 成的第二导通层(n型层5)来形成。
薄膜p型层51在n型层4和5的上表面上形成。 由于p型层51相对于检测光具有透明度，并且是导电的，因此， p型层51的每个允许透射光线以用于照度测量，但是屏蔽从外部进 入光接收表面的电磁波。
P型层51可在制造半导体器件6a时通过常规半导体制造工艺来 形成，因此p型层51能以低成本来形成。
如上所述，透射光线并且具有导电性的电磁波屏蔽层(p型层51) 在第一导通层(n型层4)和第二导通层(n型层5)的表面上形成。 P型层51通过接地可以更有效地呈现屏蔽功能。 与n型层4和5连接的铝引线52分别通过具有高浓度n型的n+层55与n型层4和5连接。
引线通孔设置在p型层51中，并且铝引线52在通孔中形成。 此外，p型衬底3通过具有高浓度的p型的p+层56与铝引线54
连接并接地。
挡光铝53在光接收表面没有形成光电二极管的区域形成，并且 挡住光线的入射。
图8B是示出光电二极管l(PDl)和光电二极管2(PD2)的光谱特性 的概览的图表。
具有更深的n型层4的光电二极管1的红外光侧的灵敏度比光电 二极管2要高。
图9A是示出根据这个实施例的修改的半导体6b的结构的简图。
半导体器件6b包括薄膜多晶硅层57。多晶硅层57的每个也可 透射待检测的光线，而屏蔽电磁波。此外，多晶硅层57可易于通过 常规半导体制造工艺来形成。
其它配置与半导体器件6a相同，并且光谱特性也与图9B所示的 半导体器件6a相同。
如上所述，在这个实施例以及修改中，具有透光性的薄膜电极(例 如大约1000[A]的多晶硅)设置在光接收元件上，并且可屏蔽来自外部 的电磁噪声。
光电检测半导体器件的第二实施例
在这个实施例中，n型层的深度是相同的，并且具有光谱特性的 滤光件设置在光接收表面上，由此提供光电二极管1与2之间的光谱 特性的差异。
图10A是示出根据这个实施例的半导体6c的结构的简图。 光电二极管2的N型层7在与n型层4相同的深度形成。为此，
光电二极管1和光电二极管2的n型层的深度所产生的光语特性彼此相同。
另一方面，多晶硅层61在n型层4的上表面上形成，而比多晶硅层61更厚的多晶硅层62在n型层7的上表面上形成。其它配置与 半导体器件6相同。
如上所述，在半导体器件6c中，其透光率依赖于光的波长的滤 光层(多晶硅层61)在第一导通层(n型层4)的表面上形成，而具有与该 滤光件不同的依赖关系的滤光件(多晶硅层62)在第二导通层(n型层 7)的表面上形成。
多晶硅随着其厚度变得更大时具有削弱(削减)从蓝光到紫外光 的范围的光线的特性，如图10B所示。换言之，形成根据光的波长 而透射率不同的滤光件。
为此，与多晶硅层61相比，多晶硅层62在从蓝光到紫外光的范 围中的透光率很低。因此，光电二极管1和光电二极管2呈现不同的 光谱特性。
如上所述，不同膜厚度的多晶硅可设置在光接收元件上，由此提 供不同的光i普特性。
图IOC是示出光电二极管1和2的光谱特性的示意图表，并且与 光电二极管1相比，光电二极管2在光线的较短波长侧的灵敏度更低。
在这个实施例中，多晶硅薄膜用作滤光件，但是例如p型层薄膜 可用作滤光件。
图11A 是示出根据这个实施例的修改的半导体6d的结构的简 图。在这个示例中，没有在光电二极管1的光接收表面上形成多晶硅 层，而在光电二极管2的光接收表面上形成多晶硅层63。
同样，在这种情况下，在由光电二极管2所接收的光线之中光线 在从蓝光到紫外光的范围中衰减，因此得到与半导体器件6c相同的 特性，如图IIB所示。
在以上描述中，在半导体器件6c和6d中，n型层4和7的深度 彼此相同，但可以彼此不同。
滤光件和n型层的厚度均可调整，以便使更多样化的光语特性能 够实现。此外，多晶硅层具有导电性以及也具有电磁波的屏蔽功能，因此 能够实现光电二极管的光语特性以及电磁波的屏蔽。 以上所述的实施例和^f，务改可获得以下优点。
(1) 进入光接收表面的电磁波可被具有导电性的薄膜来衰减或 削减。
(2) 通过在光接收表面上提供根据光的波长而透射率不同的滤 光件，光电二极管可提供光镨特性。
(3) 滤光件具有导电性，因此滤光件可同时屏蔽电磁波。 数字输出光电检测电路的实施例
光电二极管1和2的输出是模拟值，并且使用光电二极管所检测 的光强度的是例如蜂窝电话等数字装置。
为此，需要将光电二极管1和2所得到的检测值转换成数字信号。
在将光电二极管的输出转换成数字信号的情况下，到数字信号的 转换在常规技术中通过A/D转换器来执行。
对于上述技术，有提出例如JP 11-304584 A中公开的"光电传感 器电路"。
在这种技术中，提供用于检测光电二极管的输出的多个参考电 压，并且根据A/D转换器的输入范围来选择参考电压的任一个。
但是，A/D转换器的使用使逻辑的规模更大，从而导致相应的更 大电路规模。为此，存在这样一种问题IC芯片的大小增加，不满 足小型化的需求，并且制造成本增加。
在上述情况下，在这个实施例中，提供一种数字输出光电检测电 路，它借助于光电二极管l和2积累电荷的特性，不需要电路规模很 大的A/D转换器。
数字输出光电检测电路的第 一实施例
在这个实施例中，光电二极管1和2的电压下降的时间段按参考 脉冲的数量来测量，由此将光强度数字化。
图12A是示出将光电二极管1的输出数字化的数字化电路77的
21配置的简图。
通过使用与图5所示的光电检测器10a相同的元件来配置数字化 电路77。与图5相同的元件由相同参考标号来表示，并且省略或简 化对它们的描述。
例如，比较器21在放大器13的输出大于比较电压时输出"l"， 而在放大器13的输出等于或小于比较电压时输出"O"。因此，比较器 21将通过放大器13所放大的光电二极管1两端的电压与比较电压进 行比较，并将它的比较结果作为数字信号输出。
复位电路16监视比较器21的输出，并且在复位电路16检测到 经过放大器13的电压下降到比较电压时(在上述示例中，当复位电路 16检测到输出从'T，变化到"0"时)接通开关17以使光电二极管1的电 荷复位。
随着光强度更大，光电二极管1两端的电压(通过放大器13进行 放大，下面也用同样的)从参考电压达到比较电压的时间段变得更短。 因此，缩短了复位电路16执行复位的间隔。
时钟72产生作为具有规律间隔的脉沖信号的时钟脉沖，并将时 钟脉沖输入计数器电路71。
时钟脉冲的脉沖宽度设置成充分小于光电二极管1两端的电压 从参考电压达到比较电压的时间段，使得可测量该时间段。
时钟72充当产生时钟信号的时钟信号生成部件。
对计数器电路71输入指示来自比较器21的比较结果的数字信 号，并且还输入来自时钟72的时钟脉沖。
然后，通过使用那些信号，计数器电路71对光电二极管1两端
量进行计数，并输出计数值。
由于直到光电二极管1的输出达到比较电压的时间段与光强度 成反比，所以更大的光强度使计数值更小，由此实现与光强度对应的 计数值的获取。
"中数如上所述，计数器电路71充当计数值生成部件，它将光电二极 管1中积累的电荷量与时钟72所产生的时钟信号关联，以生成与积 累电荷量对应的计数值，并且还充当输出所生成的计数值的计数值输 出部件。
此外，计数器电路71产生在积累电荷从初始值直到改变成给定 值已经产生的时钟信号的数量作为计数值。
图13A至图13D是数字化电路77的时序图。
光电二极管l(图13A)的输出根据复位电路16的复位信号(图13C) 被复位为参考电压，此后降低直至输出达到比较电压，随着光强度更 大其降低速率更高。
比较器21输出的比较结果(图13B)在光电二极管1两端的电压从 参考电压达到比较电压时输出"O"，结果是复位电路16输出复位信号 (图13C)。
计数器电路71测量在比较器21的比较结果为'T，时的周期(图 13D的时钟脉冲测量周期)中由时钟72产生的时钟脉沖，并输出测量 值。
通过上述方式，在数字化电路77中，测量时钟脉冲在光强度较 大时变得更小，因此得到与光强度对应的脉沖数量。
图12B是用于描述根据本实施例的数字输出光电检测电路75的 配置的筒图。
数字输出光电检测电路75包括将光电二极管1的输出数字化的 数字化电路77以及将光电二极管2的输出数字化的数字化电路78。 数字化电路78的配置与数字化电路77相同。
差分运算单元73接收已经从数字化电路77、 78转换成数字值的 光电二极管1、 2的输出，通过数字处理来计算它们之间的差，并将 所计算的差作为数字值输出。
如上所述，差分运算单元73充当计数值获取部件，用于获取与 第一光接收元件(光电二极管l)中积累的电荷量对应的第一计数值以
23及与具有不同于第 一光接收元件的光i普特性的第二光接收元件(光电
二极管2)中积累的电荷量对应的第二计数值。差分运算单元73也充 当差分运算部件，用于以数字方式来计算所获取的第 一计数值与第二 计数值之间的差，以及还充当差输出部件，它将所计算的差作为数字 值输出。
通过上述方式，在数字输出光电检测电路75中，可通过使用计 数器电路71和时钟72的简单配置将光电二极管1和2的输出之间的 差数字化，甚至无需使用例如A/D转换器等运算逻辑。
数字输出光电检测电路的第二实施例
在这个实施例中，在参考脉冲的周期中测量使光电二极管1和2 复位的次数，由此将光强度数字化。
在参考脉冲的周期中已经积累的电荷量由各积累量单元来测量， 由此将积累电荷量与所产生的时钟信号关联。
图14A是示出将光电二极管1的输出数字化的数字化电路77a 的配置的简图。
根据这个实施例的数字化电路77a的配置与第一实施例中所述 的数字化电路77相同，因此对应元件由相同参考标号表示，并且省 略或简化对它们的描述。
比较器21和复位电路16的配置与图12A中的相同。
时钟72a产生作为具有规则间隔的脉冲的参考脉冲，并将参考脉 沖输入计数器电路71a。
参考脉沖的脉沖宽度设置成充分大于复位电路16使光电二极管 1复位的时间段，使得可测量复位的次数，该复位是在光电二极管1 两端的电压从参考电压达到比较电压时进行的复位。
当参考脉沖宽度设置成大于闪烁周期(在焚光灯中大约为200 [ms])时，能够减小闪烁引起的测量误差。
对计数器71a输入指示来自比较器21的比较结果的数字信号， 并且还输入来自时钟72a的参考脉冲。然后，通过使用那些信号和脉冲，计数器电路71a对参考脉沖期 间当光电二极管1两端的电压在从参考电压降低到比较电压时复位 电路16进行复位的次数、即在参考脉冲中光电二极管1的输出达到 比较电压时的次数进行计数，并输出所计次数。
在给定时间周期中当光电二极管1达到比较电压时的次数与光 强度成比例，因此该次数指示光强度。
在根据第一实施例的数字化电路77中，随着光强度更大输出数 变为更小。另一方面，在根据这个实施例的数字化电路77a中，随着 光强度更大输出数变为更大。因此，数字化电路77a更适合于使用传 感器的用户的感觉。
如上所述，数字化电路77a包括复位部件(复位电路16、开关17 等)，每当光电二极管1中积累的电荷量达到给定量时其将积累电荷 复位为初始值，以及计数器71a用作计数值生成部件，生成通过时钟 信号所测量的在给定时间段期间复位部件进行复位的次数作为计数 值。
图15A至图15D是根据第二实施例的数字化电路77a的时序图。 光电二极管1的输出(图15A)根据复位电路16的复位信号(图15C)
被复位为参考电压，此后降低直至光电二极管1的输出达到比较电
压，随着光强度更大其降低速率更高。
比较器21输出的比较结果(图15B)在光电二极管1两端的电压从
参考电压达到比较电压时输出"O"，结果是复位电路16输出复位信号
(图15C)。
计数器电路71a测量和输出在时钟72a所产生的参考脉沖为"l" 的周期(图15D中对光电二极管的电压达到比较电压的次数的测量的 周期)中光电二极管1的电压达到比较电压的次数，即复位电路16使 光电二极管1复位的次数。
通过上述方式，在数字化电路77a中，对光电二极管1的复位的 次数随着光强度变大则增加更多，由此得到根据光强度的脉冲数量。
25图14B是用于描述根据这个实施例的数字输出光电检测电路75a 的配置的简图。
数字输出光电检测电路75a包括将光电二极管1的输出数字化的 数字化电路77a以及将光电二极管2的输出数字化的数字化电路78a。 数字化电路78a的配置与数字化电路77a相同。
差分运算单元73接收已经从数字化电路77a、 78a转换成数字值 的光电二极管1、 2的输出，通过数字处理来计算它们之间的差，并 将所计算的差作为数字值输出。
通过上述方式，在数字输出光电检测电路75a中，可通过使用计 数器电路71a和时钟72a的简单配置将光电二极管1和2的输出之间 的差数字化，甚至无需使用例如A/D转换器等运算逻辑。
此外，根据这个实施例的数字化电路77a构成数字输出光电检测 电路，包括光接收元件，其根据所接收的光来产生电荷；复位部件， 其用于在光接收元件积累了给定电荷量时将光接收元件中积累的电 荷复位为初始值；以及次数输出部件，其用于输出在给定时间段中复 位部件使光接收元件复位的次数。
以上所述的实施例可获得以下优点。
(1) 光电二极管1和2中积累的电荷量可与时钟关联。因此， 可生成与电荷量对应的计数值，以便将光电二极管1和2中积累的电 荷量数字化。
(2) 数字化可通过使用例如计数器电路71或时钟72等简单元 件来执行，因此无需使用例如A/D转换器等大规模逻辑。
(3) 无需使用A/D转换器，因此IC芯片可小型化。
(4) 直至光接收元件的电压达到参考电压的时间段可通过时钟 脉沖来测量，并且可将脉冲数量作为数字值输出。
(5) 在由参考脉冲所产生的给定时间段期间光接收元件的电压 达到参考电压的次数可被测量并且作为数字值输出。
前面描述了各种实施例和修改，并且可提供以下配置。
26获得以下配置。
(第一配置)光电检测器，包括第一光接收元件，其根据所接 收的光产生电荷；第二光接收元件，其根据所接收的光产生电荷，并 且具有与第一光接收元件的光谱特性不同的光语特性；积累部件，其
用于在第 一光接收元件和第二光接收元件中积累所产生的电荷；取差 部件，其用于获得第一光接收元件中积累的电荷与第二光接收元件中 积累的电荷之间的差；以及差输出部件，其用于输出所得到的差。
(第二配置)根据第一配置的光电检测器，其中积累部件使第一 光接收元件和第二光接收元件的给定电极在电力上处于开端以积累 电荷。
(第三配置)根据第二配置的光电检测器，其中第一光接收元件 和第二光接收元件的给定电极与恒压源连接以用于通过给定开关来 使第一光接收元件和第二光接收元件中积累的电荷复位，以及其中积 累部件断开给定开关以便在电气上使给定电极处于开端。
(第四配置)根据第二或第三配置的光电检测器，其中取差部件 通过第 一 光接收元件和第二光接收元件的给定电极之间的电压差来 获得积累电荷之间的差。
(第五配置)根据第一配置的光电检测器，还包括复位部件，其 用于通过将第 一 光接收元件和第二光接收元件的给定电极连接到给 定恒压源，来使第一光接收元件和第二光接收元件中积累的电荷复位。
(第六配置)根据第一至第五配置的任一个的光电检测器，还包 括改变部件，其用于改变积累部件根据光强度积累电荷的时间段。
(第七配置)根据第一至第六配置的任一个的光电检测器，还包 括驱动部件，其用于在定时为差输出部件输出差值时驱动取差部件。
(第八配置)根据第一至第七配置的任一个的光电检测器，还包 括减小部件，其用于减小从差输出部件所输出的差因光源所产生的光 的强度的变化而发生的变化。
27(第九配置)图像显示装置，包括根据第一至第八配置的任一 个的光电检测器；图像显示部件，其用于显示图像；亮度确定部件， 其用于借助光电检测器的输出来确定外界的亮度；以及照度调整部 件，其用于根据所确定的亮度来调整图像显示部件的照度。
(B) 光电检测半导体器件的第 一 实施例提供以下配置。
(第一配置)光电检测半导体器件，其包括第一光接收元件； 第二光接收元件，其具有与第 一光接收元件的光语特性不同的光i普特 性；以及透射光线并且具有导电性的电磁波屏蔽层，其中，通过使用 第 一光接收元件中积累的电荷与第二光接收元件中积累的电荷之间 的差来检测光强度，其中第一光接收元件包括半导体衬底，其由第 一导电类型的半导体形成；以及第一导通层，其具有以距离半导体衬 底表面的给定深度所形成的第二导电类型半导体，其中第二光接收元 件包括半导体衬底；以及第二导通层，其具有以距离半导体衬底表 面的比该给定深度更大的深度所形成的第二导电类型半导体，并且其 中电磁波屏蔽层在第一导通层的表面和第二导通层的表面上形成。
(第二配置)根据第一配置的光电检测半导体器件，其中电磁波 屏蔽层由第一导电类型半导体形成。
(第三配置)根据第一配置的光电检测半导体器件，其中电磁波 屏蔽层由多晶硅形成。
(第四配置)光电检测器，包括积累部件，其与根据第一、第 二或第三配置的光电检测半导体器件连接，积累部件用于在光电检测 半导体器件的第 一光接收元件和第二光接收元件中积累在第 一光接 收元件和第二光接收元件中所产生的电荷；取差部件，其用于获取积 累电荷之间的差；以及差输出部件，其用于输出所获取的差。
(第五配置)图像显示装置，包括根据第四配置的光电检测器； 图像显示部件，其用于显示图像；明亮度确定部件，其用于借助光电 检测器的输出来确定外部的明亮度；以及亮度调整部件，其用于根据 所确定的亮度来调整图像显示部件的亮度。
28(C) 光电检测半导体器件的第二实施例提供以下配置。
(第一配置)光电检测半导体器件，包括第一光接收元件；第 二光接收元件，第一滤光层，其具有依赖于光的波长的透光率；以及 第二滤光层，其透光率的依赖关系与第一滤光层的依赖关系不同，其 中，通过使用第一光接收元件中积累的电荷与第二光接收元件中积累 的电荷之间的差来检测光强度，其中第一光接收元件包括半导体衬 底，其由第一导电类型的半导休形成；以及第一导通层，其具有以距 离半导体衬底表面的给定深度所形成的第二导电类型半导体，其中第 二光接收元件包括半导体衬底；以及第二导通层，其具有以距离半 导体衬底表面的给定深度所形成的第二导电类型半导体，其中第 一滤 光层在第一导通层的表面上形成，以及第二滤光层是在第二导通层的 表面上形成的和被防止在第二导通层的表面上形成的其中之一。
(第二配置)根据第一配置的光电检测半导体器件，其中第一滤 光层和第二滤光层具有导电性。
(第三配置)根据第一或第二配置的光电检测半导体器件，其中 第一滤光层和第二滤光层由第一导电类型半导体形成。
(第四配置)根据第一或第二配置的光电检测半导体器件，其中 第一滤光层和第二滤光层由多晶硅形成。
(第五配置)光电检测器，包括积累部件，其与根据第一至第 四配置的任一个的光电检测半导体器件连接，积累部件用于在光电检 测半导体器件的第 一光接收元件和第二光接收元件中积累所产生的 电荷；取差部件，其用于获取积累电荷之间的差；以及差输出部件， 其用于输出所获取的差。
(第六配置)图像显示装置，包括根据第五配置的光电检测器； 图像显示部件，其用于显示图像；光亮度确定部件，其用于借助光电 检测器的输出来确定外界的光亮度；以及照度调整部件，其用于根据 所确定的光亮度来调整图像显示部件的照度。
(D) 数字输出光电检测电路的实施例提供以下配置。
29(第一配置)数字输出光电检测电路，包括第一光接收元件； 第二光接收元件，第 一光接收元件和第二光接收元件根据所接收的光 产生电荷；积累部件，其用于积累第一光接收元件和第二光接收元件 中产生的电荷；时钟信号生成部件，其用于产生时钟信号；计数值生 成部件，其用于通过将积累电荷量与所产生的时钟信号关联来生成与
积累电荷量对应的计数值；以及计数值输出部件，其用于输出生成的 计数值。
(第二配置)根据第一配置的数字输出光电检测电路，其中，计 数值生成部件生成积累电荷从初始值直至改变成给定值所产生的时 钟信号的数量作为计数值。
(第三配置)根据第一配置的数字输出光电检测电路，还包括复 位部件，其用于每当积累电荷量达到给定量时将积累电荷复位为初始 值，其中计数值生成部件生成通过时钟信号所测量的在给定时间段期 间复位部件进行复位的次数作为计数值。
(第四配置)使用根据第一、第二或第三配置的任一个的数字输 出光电检测电路的光电检测器，光电检测器包括计数值获取部件， 其用于获取与第 一光接收元件中积累的电荷量对应的第一计数值以 及与具有与第 一光接收元件的光i普特性不同的光语特性的第二光接 收元件中积累的电荷量对应的第二计数值；差分运算部件，其用于以 数字方式计算获取的第 一计数值与获取的第二计数值之间的差；以及 差输出部件，其用于输出所计算的差作为数字值。
(第五配置)图像显示装置，包括根据第四配置的光电检测器； 图像显示部件，其用于显示图像；光亮度确定部件，其用于借助数字 输出光电检测电路的输出来确定外界的光亮度；以及照度调整部件， 其用于根据所确定的光亮度来调整图像显示部件的照度。
权利要求
1. 一种光电检测半导体器件，包括第一光接收元件，其具有第一导电类型的半导体衬底以及由第二导电类型半导体形成的以距离所述半导体衬底表面的给定深度所设置的第一导通层；第二光接收元件，其具有所述半导体衬底以及由所述第二导电类型半导体形成的以距离所述半导体衬底表面比所述给定深度更深的深度来设置的第二导通层，并且其具有与所述第一光接收元件的光谱特性不同的光谱特性；以及透射光线并且具有导电性的电磁波屏蔽层，其设置在所述第一导通层的表面和所述第二导通层的表面上，其中，由所述第一光接收元件中积累的电荷与所述第二光接收元件中积累的电荷之间的差来检测光强度。
2. 如权利要求1所述的光电检测半导体器件，其中，所述电磁 波屏蔽层由所述第一导电类型半导体形成。
3. 如权利要求1所述的光电检测半导体器件，其中，所述电磁 波屏蔽层由多晶硅形成。
4. 一种光电检测器，包括积累部件，其与如权利要求1所述的光电检测半导体器件连接， 且其用于将分别在所述光电检测半导体器件的所述第一光接收元件和所述第二光接收元件中所产生的电荷积累在其每个中； 取差部件，其用于获取所积累的电荷之间的差；以及 差输出部件，其用于发送所获取的差。
5. —种图像显示装置，包括 如权利要求4所述的光电检测器； 用于显示图像的图像显示部件；明亮度确定部件，其用于借助来自所述光电检测器的输出来确定外部的明亮度；以及亮度调整部件，其用于根据所确定的明亮度来调整所述图像显示 部件的亮度。
全文摘要
透射待检测的光并且具有导电性的屏蔽设置在光电二极管(1和2)的光接收表面上，以防止光电二极管(1和2)由于从外部进入的电磁波而感生电荷。具有取决于光的波长的透光率的两种滤光件分别设置在光电二极管(1和2)的光接收表面上，从而取它们光谱特性之间的差。屏蔽和滤光件可由例如多晶硅或者给定导电类型的半导体薄膜来制成，并且可易于通过将那些制造工艺结合到半导体制造工艺中来制造。
文档编号H01L27/144GK101471352SQ20081019077
公开日2009年7月1日 申请日期2008年12月24日 优先权日2007年12月25日
发明者中田太郎, 近江俊彦 申请人:精工电子有限公司