光敏结构和包括这种结构的装置的制作方法

专利名称：光敏结构和包括这种结构的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光敏结构以及包括这种光敏结构的装置。例如，这样的装置可以 包括被集成到有源矩阵液晶器件(AMLCD)中的光传感器器件。
背景技术：
如附图中的

图1所示，可以将环境光 传感器(ALS)集成在AMIXD显示器基板上。附图中的图2示出了典型AMIXD的简化截面图。背光101是用于照射显示器的光 源，从背光101到观看者102的、通过显示器的光的传输受到由薄膜晶体管(TFT)制成电路 的使用的控制。TFT是制造在玻璃基板上的(该玻璃基板被称作TFT玻璃103)，并且被操作 为改变通过液晶(LC) 104层的电场。而这将改变LC材料的光属性，并因此实现从背光101 到观看者102的、通过显示器的光的选择性传输。在使用显示器的许多产品(例如，移动电话、个人数字助理(PDA))中，发现根据环 境照明条件来控制背光的光输出是有用的。例如，在低环境照明条件下，期望降低显示器背 光的亮度，并因此也降低显示器的亮度。这也保持了显示器输出图像的最优质量，使得背光 所消耗的功率最小化。为了根据环境照明条件改变背光的强度，需要具有用于感测环境光级的装置。用 于该目的的环境光传感器可以与TFT玻璃基板分离。然而，通常将ALS集成到TFT玻璃基 板上(“单片集成”)在例如减小包含显示器在内的产品的尺寸、重量以及制造成本方面有 若干优点。如附图中图1所示的典型实际环境光传感器系统包含以下元件(a)光检测元件，能够将输入光转换成电流。这样的光检测元件的示例是光电二极管2。(b)偏压电路(环境光传感器驱动电路3)，控制光检测元件并感测光产生的电流。(c)输出电路4，提供表示测量的环境光级的输出信号(模拟或数字信号)。(d)调整显示操作的装置(背光控制器5)，基于测量的环境光级，例如通过控制背 光101的强度，来调整显示操作。在具有单片集成的环境光传感器的AMLCD的情况下，所使用的基本光检测器件必 须与在显示器基板的制造中所使用的TFT工艺兼容。与标准TFT工艺兼容的公知光检测器 件是横向、薄膜、多晶硅P-I-N 二极管，即具有阳极8和阴极9的二端子器件，其电路表示在 附图中的图3中示出。这种器件的典型结构如附图中的图4所示。该器件由形成器件阳 极8的ρ-型半导体材料(在这种情况下，半导体材料是多晶硅)区以及形成器件阴极9的 η-型半导体材料区组成。在η-和P-型区之间是本征或轻掺杂的半导体材料(硅)7的区 域。这形成了该器件中能够将输入光转换成电流的光敏部分。为了操作这样的光电二极管，必须在两个光电二极管端子(阳极8和阴极9)之间 施加电势差。在附图的图5中示出了光电二极管的典型电流-电压(IV)特性，其中，示出 了器件处于黑暗中的情况12，和用某光级A照射器件的情况13。这里所施加的光电二极管偏压是阳极与阴极之间的电势差。
从附图的图5可以看出，对器件进行照射改变了任何给定工作偏压下流经该器件 的电流。对于给定偏压下的器件的工作，处于黑暗中的器件所产生的电流可以被称作器 件的“漏电流”(或“暗电流”)。被照射的器件所产生的电流可以被称作“亮电流(light current) 这由漏电流和电流中响应于入射光而产生的那部分之和(该后一部分电流被 称作“光电流(photocurrent)”)组成。用多晶硅TFT工艺制造的光电二极管通常具有低灵敏度，这有两个主要原因1.光电流通常较小，典型地受到薄膜半导体材料厚度的限制。2.漏电流通常较大，典型地，由于半导体材料中存在高密度的缺陷态。在许多应用中，光电二极管的灵敏度极限由光电流和漏电流的相对贡献确定。如 果光电流小于漏电流，则很难检测到该光电流。此外，漏电流通常极大地依赖于温度，随着 温度的升高而增加。相应地，其中的感测元件是薄膜多晶硅光电二极管的环境光传感器可 能呈现相对低的灵敏度，尤其在较高工作温度下。具有单片集成的环境光传感器的AMIXD需要进行一些规定，以防止显示器背光 101直接照射光传感器元件2。实现该目的的最便利的方式是通过附6所示的置于背 光与光传感器元件之间的不透明遮光(LS)层501。用于实现适合的LS层的一种可能手段是，使用置于TFT玻璃基板与背光之间的 附加材料，例如，黑胶带或黑涂料。这种方法的缺点在于，会增加厚度或者增加显示器模块 的成本。另一显著缺点在于，很难以足够的精度机械地对准背光与光传感器元件之间的LS 层。这在接近显示器有源区域放置光传感器元件的情况下尤其如此，这是因为需要使LS层 所覆盖的区域不会侵入到有源区域中，以免影响显示器的性能。因此通常发现，如附图的图7所示，将LS层单片集成到TFT玻璃基板上是有利的， 如在EP1511084A2中所公开的。在US6750476中描述了用于制造具有集成LS层的TFT玻 璃基板的可能方法。为了便于与标准TFT工艺兼容，通常发现，从沉积金属(例如，铝或钼) 层来形成遮光层是方便的。在附图的图8中示意了示出包括LS层的典型AMLCD工艺的流 程图。US6750476还描述了一种在标准TFT工艺中可用的、用于在LS层与其他金属层之 间实现接触的方法。此外，已知LS层除了阻挡从背光到光传感器元件的光路径之外还可以具有其他 应用。US6556265描述了如何使用遮光层来减少显示器像素TFT中的光致漏电流。LS层可 以与所有其他导电层电绝缘，并且还可以形成从LS层到工艺中可用的其他金属或半导体 层的接触。US6556265还描述了 一种通过实现从源极驱动器线到LS层的接触来减小显示器 驱动器电路中总线的阻抗的方法。US7199853描述了如何使用LS层来形成可以用于显示器 像素的电荷存储的电容器板中的一个。如上所述的薄膜光电二极管可以由附图的图9的等同电路来表示，其中，压敏电 流源I (V) 502与电阻元件R 504串联布置，并且电容器C 506与这些元件并联布置。电容元件C由以下两个主要源产生(i)在半导体材料本身内所形成的二极管元件的电容。这通常被称作二极管“结 电容”，并且在标准半导体物理教材中也描述了计算该电容的方法。
(ii)寄生电容元件。这些是由于例如用于在传感器的阴极和阳极处接触半导体的源电极金属之间的电容而引起。对于设计良好的薄膜光电二极管而言，与寄生阳极到阴极电容相比，结电容通常 较小，因而寄生电容主导。在薄膜光电二极管具有单片集成的LS层的情况下，该寄生电容 则被由于该LS层的存在而引起的电容效应主导。在附图的图11中示出了这一点。光电二 极管阳极和光电二极管阴极到LS层均具有较大寄生电容。最终结果是，LS层在阳极和阴 极之间引入了寄生电容，该寄生电容等同于串联的阳极-LS和阴极-LS电容器。包括LS层所引入的额外寄生电容对于并不意在作为光传感器元件的、包括LS结 构以限制光致漏电流的器件的性能还有有害的影响。这种器件的示例是被设计为具有最小 漏电流的薄膜晶体管(TFT)。这种器件的示例是“像素TFT”，被合并到AMLCD矩阵的每个像 素元件中的开关元件。这种器件通常包括轻掺杂漏极(LDD)结构，以最小化通过电场的热 产生的漏电流的增强。此外，通常使用串联的多个TFT器件来实现开关。在附图的图10中 示出了串联的LDD-TFT的简图。LDD-TFT包括重度掺杂η-型(N+)硅区160、中等掺杂η-型 (N)硅区162、以及轻掺杂ρ-型(Ρ-)硅区164。栅电极结构166在整个P-区上延伸且在每 一侧在部分N区上延伸。在US6310670中给出了利用多个串联器件并且还具有LDD结构的像素TFT结构的 示例。该结构的缺点在于，尽管可以将热致漏电流降低至极低水平，但是所得到的结构 是光敏的，并且来自显示器背光的照射可以引入不期望的光产生的漏电流。LS结构通过阻挡从背光入射的光的路径，在减小光产生的漏电流方面是有效的。 然而，与额外器件电容相关联的附带缺点会超过该优点，该额外器件电容会有害地增加寄 生电荷注入，并还增加器件的开关时间。光电二极管不是将输入光转换成电流的唯一可能的光传感器器件。一种备选的公 知可能是光电晶体管，光电晶体管的漏极-源极电流是入射光级的函数。可以通过将栅极 连接至漏极、源极、或一些其他外部偏压电源的栅极，或者将其栅极浮置，来操作光电晶体管。另一种可能的光敏器件是光敏电阻(电阻是入射光级的函数的器件)，并且还存 在各种其他可能性。为了最大化诸如薄膜光电二极管之类的光检测元件的灵敏度，对光检测元件施加 偏压是有利的，以使得最大化光电流与漏电流的比值，即，在器件的内置电压处。附图的图12示出了 一种用于对处于0伏特的光传感器器件施加偏压、并且测量所 产生的电流的公知电路实现方式。该电路包含以下元件 暴露于环境光的光电二极管7。寄生光电二极管电容由120示出，并表示为 Cpar0 标准结构的运算放大器51。 积分电容器Cint 52。 开关 Sl 53。 标准结构的模数转换器(ADC)81。电路元件连接如下。运算放大器51的非反相端连接至光电二极管7的阳极，光电二极管7的阳极连接至地。运算放大器51的反相端连接至光电二极管7的阴极。积分电 容器52连接在运算放大器51的反相端与输出之间。开关Sl 53连接在积分电容器52的 端子之间。ADC 81连接至运算放大器51的输出。该电路的操作如下
在积分周期开始之前，开关Sl 53闭合。将积分电容器Cint 52上的电势复位到 0伏特。 在积分周期开始处，开关Sl 53断开。 运算放大器51进行操作，使得(在理想情况下)反相与非反相输入端之间的电 势差为零。因此，在运算放大器51的非反相输入处形成零伏特的电势。 由于光电二极管7的阴极处于0伏特，在光电二极管7的端子之间形成零伏特 的电势差。 在积分周期期间，检测光电二极管根据入射在其上的环境光的强度产生电流 Ip0然后将在积分电容器Cint上对该电流积分。 然后对在积分周期的开始和结束之间运算放大器51的输出处的电压变化进行 采样。该电压变化等于Ip/CINT乘以积分时间。 然后通过ADC 81将放大器输出处的电压电平转换成数字输出。该数字数字则 表示测量的环境光级。寄生电容Cpar 120可以以两种方式来阻碍该电路的操作。首先，该寄生电容Cpar 120可以从运算放大器51的反相端到地以高频产生低阻抗路径。这可以使放大器在复位开 关Sl 53闭合的情况下变得不稳定。其次，如果Cpar大于Cint，则例如从AMLCD驱动器电路 耦合到运算放大器51的反相端上的任何噪声会根据比值Cpar/CINT，倍增到运算放大器51 的输出上。因此，为了使图12的电路工作良好，且能够检测小量光电流，期望Cpar尽可能 小。图12的电路的实际实现方式通常需要光电二极管的端子上的偏压以相当高的精 确程度保持为零，以便最大化对输入环境光的灵敏度。实际上，由于电路组件并非理想，图 12的电路的精确实现方式是困难的。尤其在需要将电路组件集成到TFT基板上的情况下是 如此。GB2443204公开了一种如附图的图13所示的用于通过将许多光电二极管元件串联 来放松精确施加偏压的要求的方法。通过多个传感器器件的串联，可以放松施加偏压要求。 在附图的图14中示出了一种已知的用于串联多个光传感器器件的方法。通过创建P+掺杂 半导体区122、轻掺杂半导体区124 (可以是P-或N-)以及N+掺杂半导体区126，来在薄膜 半导体层中形成P-I-N光电二极管。半导体层通过绝缘氧化层136与LS层501分离。可 以通过绝缘中间层电介质138形成接触130，以将源电极(SE) 132连接至N+和P+掺杂半导 体区。因此，通过SE层的适当图案化，可以形成所示的串联器件。在未公开的专利申请中还公开了使用附图的图15所示的结构形成串联光电二极 管的备选方法。这里，通过形成相邻的P+和N+掺杂区，一个光电二极管的阳极连接至下个 光电二极管的阴极。所得到的结构因此是在单个硅岛内形成的P-I-N-P-I-N-…等等。多个 这样的器件的串联使得在每个单独P-N区上施加的偏压较小，这些P-N结(尽管实际上是 二极管)具有类似于电阻器的IV特性，使得P-N区近似接触结构。由于仅要求串联器件传 递相对小的光电流，从而其上的电势下降较小，因此PN结构的有效“电阻”有多大是无关紧要的。与图14的结构相比该结构的优点在于，可以将大量光电二极管封装到给定区域中， 这是因为形成P-N结构所需的空间比创建到SE层的接触所需的空间小。在串联光电二极管258、260、262、264具有形成附图的图16所示的连续导电岛的 LS层的情况下，可以如下估计寄生电容。假定对称结构，从而每个光电二极管阳极和每个光 电二极管阴极到LS层的电容C。首先，由于第一电容器154与最后一个电容器156串联，第 一光电二极管258的阳极150与第N个光电二极管264的阴极152之间的总电容CTOT等 于

权利要求
1.一种光敏结构，包括电串联的多个光敏区；以及第一遮光层，包括被放置于用于遮 蔽光敏区以避开在所述结构的第一主表面上入射的光的多个导电区，所述导电区彼此电绝缘。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，光敏区平行于第一主表面横向延伸。
3.根据权利要求2所述的结构，其中，光敏区包括多个横向半导体结。
4.根据权利要求3所述的结构，其中，光敏区包括PIN二极管。
5.根据权利要求3所述的结构，其中，光敏区包括薄膜晶体管。
6.根据权利要求5所述的结构，其中，薄膜晶体管包括有源矩阵器件的像素电路的一 部分。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的结构，其中，光敏区包括光传感器元件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的结构，包括第二遮光层，包括被放置用于遮蔽 光敏区以避开在所述结构的第二主表面上入射的光的多个导电区，并且所述多个导电区彼 此电绝缘。
9.根据前述权利要求中任一项所述的结构，其中，导电区包括金属喷镀件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的结构，其中，导电区与所述结构的其余部分电绝缘。
11.根据前述权利要求中任一项所述的结构，其中，至少一个导电区被布置为连接至预 定电势。
12.根据权利要求11所述的结构，其中，所述至少一个导电区经由电容性连接而连接。
13.根据前述权利要求中任一项所述的结构，其中，第一遮光层的每个导电区与光敏区 中的相应一个相关联。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的结构，其中，第一遮光层的导电区中的至少一 个被布置为遮蔽至少两个光敏区以避开在第一主表面上入射的光。
15.根据前述权利要求中任一项所述的结构，其中，所述结构形成在有源矩阵基板上。
16.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的结构的环境光传感器。
17.根据权利要求16所述的传感器，包括根据前述权利要求中任一项所述的、被布置 为用作基准的另一结构。
18.—种包括根据权利要求1至15中任一项所述的结构或根据权利要求16或17所述 的传感器的装置。
19.根据权利要求18所述的装置，包括液晶器件。
20.根据权利要求18或19所述的装置，包括显示器。
21.根据权利要求20所述的装置，包括背光，第一遮光层置于光敏区与背光之间。
全文摘要
一种光敏结构，包括电串联的多个光敏区(124)。第一遮光层，包括被放置用于遮蔽光敏区(124)以避开在结构的第一主表面上入射的光的多个导电区(501)。导电区(501)彼此电绝缘。
文档编号H01L31/10GK102007607SQ20098011305
公开日2011年4月6日 申请日期2009年4月15日 优先权日2008年4月28日
发明者本杰明·詹姆斯·哈德文, 迈克尔·保罗·考尔森 申请人:夏普株式会社