專利名稱：光敏結構和包括這種結構的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光敏結構以及包括這種光敏結構的裝置。例如，這樣的裝置可以 包括被集成到有源矩陣液晶器件(AMLCD)中的光傳感器器件。
背景技術：
如附圖中的

圖1所示，可以將環(huán)境光 傳感器(ALS)集成在AMIXD顯示器基板上。附圖中的圖2示出了典型AMIXD的簡化截面圖。背光101是用于照射顯示器的光 源，從背光101到觀看者102的、通過顯示器的光的傳輸受到由薄膜晶體管(TFT)制成電路 的使用的控制。TFT是制造在玻璃基板上的(該玻璃基板被稱作TFT玻璃103)，并且被操作 為改變通過液晶(LC) 104層的電場。而這將改變LC材料的光屬性，并因此實現(xiàn)從背光101 到觀看者102的、通過顯示器的光的選擇性傳輸。在使用顯示器的許多產品(例如，移動電話、個人數(shù)字助理(PDA))中，發(fā)現(xiàn)根據環(huán) 境照明條件來控制背光的光輸出是有用的。例如，在低環(huán)境照明條件下，期望降低顯示器背 光的亮度，并因此也降低顯示器的亮度。這也保持了顯示器輸出圖像的最優(yōu)質量，使得背光 所消耗的功率最小化。為了根據環(huán)境照明條件改變背光的強度，需要具有用于感測環(huán)境光級的裝置。用 于該目的的環(huán)境光傳感器可以與TFT玻璃基板分離。然而，通常將ALS集成到TFT玻璃基 板上(“單片集成”)在例如減小包含顯示器在內的產品的尺寸、重量以及制造成本方面有 若干優(yōu)點。如附圖中圖1所示的典型實際環(huán)境光傳感器系統(tǒng)包含以下元件(a)光檢測元件，能夠將輸入光轉換成電流。這樣的光檢測元件的示例是光電二極管2。(b)偏壓電路(環(huán)境光傳感器驅動電路3)，控制光檢測元件并感測光產生的電流。(c)輸出電路4，提供表示測量的環(huán)境光級的輸出信號(模擬或數(shù)字信號)。(d)調整顯示操作的裝置(背光控制器5)，基于測量的環(huán)境光級，例如通過控制背 光101的強度，來調整顯示操作。在具有單片集成的環(huán)境光傳感器的AMLCD的情況下，所使用的基本光檢測器件必 須與在顯示器基板的制造中所使用的TFT工藝兼容。與標準TFT工藝兼容的公知光檢測器 件是橫向、薄膜、多晶硅P-I-N 二極管，即具有陽極8和陰極9的二端子器件，其電路表示在 附圖中的圖3中示出。這種器件的典型結構如附圖中的圖4所示。該器件由形成器件陽 極8的ρ-型半導體材料(在這種情況下，半導體材料是多晶硅)區(qū)以及形成器件陰極9的 η-型半導體材料區(qū)組成。在η-和P-型區(qū)之間是本征或輕摻雜的半導體材料(硅)7的區(qū) 域。這形成了該器件中能夠將輸入光轉換成電流的光敏部分。為了操作這樣的光電二極管，必須在兩個光電二極管端子(陽極8和陰極9)之間 施加電勢差。在附圖的圖5中示出了光電二極管的典型電流-電壓(IV)特性，其中，示出 了器件處于黑暗中的情況12，和用某光級A照射器件的情況13。這里所施加的光電二極管偏壓是陽極與陰極之間的電勢差。
從附圖的圖5可以看出，對器件進行照射改變了任何給定工作偏壓下流經該器件 的電流。對于給定偏壓下的器件的工作，處于黑暗中的器件所產生的電流可以被稱作器 件的“漏電流”(或“暗電流”)。被照射的器件所產生的電流可以被稱作“亮電流(light current) 這由漏電流和電流中響應于入射光而產生的那部分之和(該后一部分電流被 稱作“光電流(photocurrent)”)組成。用多晶硅TFT工藝制造的光電二極管通常具有低靈敏度，這有兩個主要原因1.光電流通常較小，典型地受到薄膜半導體材料厚度的限制。2.漏電流通常較大，典型地，由于半導體材料中存在高密度的缺陷態(tài)。在許多應用中，光電二極管的靈敏度極限由光電流和漏電流的相對貢獻確定。如 果光電流小于漏電流，則很難檢測到該光電流。此外，漏電流通常極大地依賴于溫度，隨著 溫度的升高而增加。相應地，其中的感測元件是薄膜多晶硅光電二極管的環(huán)境光傳感器可 能呈現(xiàn)相對低的靈敏度，尤其在較高工作溫度下。具有單片集成的環(huán)境光傳感器的AMIXD需要進行一些規(guī)定，以防止顯示器背光 101直接照射光傳感器元件2。實現(xiàn)該目的的最便利的方式是通過附6所示的置于背 光與光傳感器元件之間的不透明遮光(LS)層501。用于實現(xiàn)適合的LS層的一種可能手段是，使用置于TFT玻璃基板與背光之間的 附加材料，例如，黑膠帶或黑涂料。這種方法的缺點在于，會增加厚度或者增加顯示器模塊 的成本。另一顯著缺點在于，很難以足夠的精度機械地對準背光與光傳感器元件之間的LS 層。這在接近顯示器有源區(qū)域放置光傳感器元件的情況下尤其如此，這是因為需要使LS層 所覆蓋的區(qū)域不會侵入到有源區(qū)域中，以免影響顯示器的性能。因此通常發(fā)現(xiàn)，如附圖的圖7所示，將LS層單片集成到TFT玻璃基板上是有利的， 如在EP1511084A2中所公開的。在US6750476中描述了用于制造具有集成LS層的TFT玻 璃基板的可能方法。為了便于與標準TFT工藝兼容，通常發(fā)現(xiàn)，從沉積金屬(例如，鋁或鉬) 層來形成遮光層是方便的。在附圖的圖8中示意了示出包括LS層的典型AMLCD工藝的流 程圖。US6750476還描述了一種在標準TFT工藝中可用的、用于在LS層與其他金屬層之 間實現(xiàn)接觸的方法。此外，已知LS層除了阻擋從背光到光傳感器元件的光路徑之外還可以具有其他 應用。US6556265描述了如何使用遮光層來減少顯示器像素TFT中的光致漏電流。LS層可 以與所有其他導電層電絕緣，并且還可以形成從LS層到工藝中可用的其他金屬或半導體 層的接觸。US6556265還描述了 一種通過實現(xiàn)從源極驅動器線到LS層的接觸來減小顯示器 驅動器電路中總線的阻抗的方法。US7199853描述了如何使用LS層來形成可以用于顯示器 像素的電荷存儲的電容器板中的一個。如上所述的薄膜光電二極管可以由附圖的圖9的等同電路來表示，其中，壓敏電 流源I (V) 502與電阻元件R 504串聯(lián)布置，并且電容器C 506與這些元件并聯(lián)布置。電容元件C由以下兩個主要源產生(i)在半導體材料本身內所形成的二極管元件的電容。這通常被稱作二極管“結 電容”，并且在標準半導體物理教材中也描述了計算該電容的方法。
(ii)寄生電容元件。這些是由于例如用于在傳感器的陰極和陽極處接觸半導體的源電極金屬之間的電容而引起。對于設計良好的薄膜光電二極管而言，與寄生陽極到陰極電容相比，結電容通常 較小，因而寄生電容主導。在薄膜光電二極管具有單片集成的LS層的情況下，該寄生電容 則被由于該LS層的存在而引起的電容效應主導。在附圖的圖11中示出了這一點。光電二 極管陽極和光電二極管陰極到LS層均具有較大寄生電容。最終結果是，LS層在陽極和陰 極之間引入了寄生電容，該寄生電容等同于串聯(lián)的陽極-LS和陰極-LS電容器。包括LS層所引入的額外寄生電容對于并不意在作為光傳感器元件的、包括LS結 構以限制光致漏電流的器件的性能還有有害的影響。這種器件的示例是被設計為具有最小 漏電流的薄膜晶體管(TFT)。這種器件的示例是“像素TFT”，被合并到AMLCD矩陣的每個像 素元件中的開關元件。這種器件通常包括輕摻雜漏極(LDD)結構，以最小化通過電場的熱 產生的漏電流的增強。此外，通常使用串聯(lián)的多個TFT器件來實現(xiàn)開關。在附圖的圖10中 示出了串聯(lián)的LDD-TFT的簡圖。LDD-TFT包括重度摻雜η-型(N+)硅區(qū)160、中等摻雜η-型 (N)硅區(qū)162、以及輕摻雜ρ-型(Ρ-)硅區(qū)164。柵電極結構166在整個P-區(qū)上延伸且在每 一側在部分N區(qū)上延伸。在US6310670中給出了利用多個串聯(lián)器件并且還具有LDD結構的像素TFT結構的 示例。該結構的缺點在于，盡管可以將熱致漏電流降低至極低水平，但是所得到的結構 是光敏的，并且來自顯示器背光的照射可以引入不期望的光產生的漏電流。LS結構通過阻擋從背光入射的光的路徑，在減小光產生的漏電流方面是有效的。 然而，與額外器件電容相關聯(lián)的附帶缺點會超過該優(yōu)點，該額外器件電容會有害地增加寄 生電荷注入，并還增加器件的開關時間。光電二極管不是將輸入光轉換成電流的唯一可能的光傳感器器件。一種備選的公 知可能是光電晶體管，光電晶體管的漏極-源極電流是入射光級的函數(shù)?？梢酝ㄟ^將柵極 連接至漏極、源極、或一些其他外部偏壓電源的柵極，或者將其柵極浮置，來操作光電晶體管。另一種可能的光敏器件是光敏電阻(電阻是入射光級的函數(shù)的器件)，并且還存 在各種其他可能性。為了最大化諸如薄膜光電二極管之類的光檢測元件的靈敏度，對光檢測元件施加 偏壓是有利的，以使得最大化光電流與漏電流的比值，即，在器件的內置電壓處。附圖的圖12示出了 一種用于對處于0伏特的光傳感器器件施加偏壓、并且測量所 產生的電流的公知電路實現(xiàn)方式。該電路包含以下元件 暴露于環(huán)境光的光電二極管7。寄生光電二極管電容由120示出，并表示為 Cpar0 標準結構的運算放大器51。 積分電容器Cint 52。 開關 Sl 53。 標準結構的模數(shù)轉換器(ADC)81。電路元件連接如下。運算放大器51的非反相端連接至光電二極管7的陽極，光電二極管7的陽極連接至地。運算放大器51的反相端連接至光電二極管7的陰極。積分電 容器52連接在運算放大器51的反相端與輸出之間。開關Sl 53連接在積分電容器52的 端子之間。ADC 81連接至運算放大器51的輸出。該電路的操作如下
在積分周期開始之前，開關Sl 53閉合。將積分電容器Cint 52上的電勢復位到 0伏特。 在積分周期開始處，開關Sl 53斷開。 運算放大器51進行操作，使得(在理想情況下)反相與非反相輸入端之間的電 勢差為零。因此，在運算放大器51的非反相輸入處形成零伏特的電勢。 由于光電二極管7的陰極處于0伏特，在光電二極管7的端子之間形成零伏特 的電勢差。 在積分周期期間，檢測光電二極管根據入射在其上的環(huán)境光的強度產生電流 Ip0然后將在積分電容器Cint上對該電流積分。 然后對在積分周期的開始和結束之間運算放大器51的輸出處的電壓變化進行 采樣。該電壓變化等于Ip/CINT乘以積分時間。 然后通過ADC 81將放大器輸出處的電壓電平轉換成數(shù)字輸出。該數(shù)字數(shù)字則 表示測量的環(huán)境光級。寄生電容Cpar 120可以以兩種方式來阻礙該電路的操作。首先，該寄生電容Cpar 120可以從運算放大器51的反相端到地以高頻產生低阻抗路徑。這可以使放大器在復位開 關Sl 53閉合的情況下變得不穩(wěn)定。其次，如果Cpar大于Cint，則例如從AMLCD驅動器電路 耦合到運算放大器51的反相端上的任何噪聲會根據比值Cpar/CINT，倍增到運算放大器51 的輸出上。因此，為了使圖12的電路工作良好，且能夠檢測小量光電流，期望Cpar盡可能 小。圖12的電路的實際實現(xiàn)方式通常需要光電二極管的端子上的偏壓以相當高的精 確程度保持為零，以便最大化對輸入環(huán)境光的靈敏度。實際上，由于電路組件并非理想，圖 12的電路的精確實現(xiàn)方式是困難的。尤其在需要將電路組件集成到TFT基板上的情況下是 如此。GB2443204公開了一種如附圖的圖13所示的用于通過將許多光電二極管元件串聯(lián) 來放松精確施加偏壓的要求的方法。通過多個傳感器器件的串聯(lián)，可以放松施加偏壓要求。 在附圖的圖14中示出了一種已知的用于串聯(lián)多個光傳感器器件的方法。通過創(chuàng)建P+摻雜 半導體區(qū)122、輕摻雜半導體區(qū)124 (可以是P-或N-)以及N+摻雜半導體區(qū)126，來在薄膜 半導體層中形成P-I-N光電二極管。半導體層通過絕緣氧化層136與LS層501分離?？?以通過絕緣中間層電介質138形成接觸130，以將源電極(SE) 132連接至N+和P+摻雜半導 體區(qū)。因此，通過SE層的適當圖案化，可以形成所示的串聯(lián)器件。在未公開的專利申請中還公開了使用附圖的圖15所示的結構形成串聯(lián)光電二極 管的備選方法。這里，通過形成相鄰的P+和N+摻雜區(qū)，一個光電二極管的陽極連接至下個 光電二極管的陰極。所得到的結構因此是在單個硅島內形成的P-I-N-P-I-N-…等等。多個 這樣的器件的串聯(lián)使得在每個單獨P-N區(qū)上施加的偏壓較小，這些P-N結(盡管實際上是 二極管)具有類似于電阻器的IV特性，使得P-N區(qū)近似接觸結構。由于僅要求串聯(lián)器件傳 遞相對小的光電流，從而其上的電勢下降較小，因此PN結構的有效“電阻”有多大是無關緊要的。與圖14的結構相比該結構的優(yōu)點在于，可以將大量光電二極管封裝到給定區(qū)域中， 這是因為形成P-N結構所需的空間比創(chuàng)建到SE層的接觸所需的空間小。在串聯(lián)光電二極管258、260、262、264具有形成附圖的圖16所示的連續(xù)導電島的 LS層的情況下，可以如下估計寄生電容。假定對稱結構，從而每個光電二極管陽極和每個光 電二極管陰極到LS層的電容C。首先，由于第一電容器154與最后一個電容器156串聯(lián)，第 一光電二極管258的陽極150與第N個光電二極管264的陰極152之間的總電容CTOT等 于

權利要求
1.一種光敏結構，包括電串聯(lián)的多個光敏區(qū)；以及第一遮光層，包括被放置于用于遮 蔽光敏區(qū)以避開在所述結構的第一主表面上入射的光的多個導電區(qū)，所述導電區(qū)彼此電絕緣。
2.根據權利要求1所述的結構，其中，光敏區(qū)平行于第一主表面橫向延伸。
3.根據權利要求2所述的結構，其中，光敏區(qū)包括多個橫向半導體結。
4.根據權利要求3所述的結構，其中，光敏區(qū)包括PIN二極管。
5.根據權利要求3所述的結構，其中，光敏區(qū)包括薄膜晶體管。
6.根據權利要求5所述的結構，其中，薄膜晶體管包括有源矩陣器件的像素電路的一 部分。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的結構，其中，光敏區(qū)包括光傳感器元件。
8.根據前述權利要求中任一項所述的結構，包括第二遮光層，包括被放置用于遮蔽 光敏區(qū)以避開在所述結構的第二主表面上入射的光的多個導電區(qū)，并且所述多個導電區(qū)彼 此電絕緣。
9.根據前述權利要求中任一項所述的結構，其中，導電區(qū)包括金屬噴鍍件。
10.根據前述權利要求中任一項所述的結構，其中，導電區(qū)與所述結構的其余部分電絕緣。
11.根據前述權利要求中任一項所述的結構，其中，至少一個導電區(qū)被布置為連接至預 定電勢。
12.根據權利要求11所述的結構，其中，所述至少一個導電區(qū)經由電容性連接而連接。
13.根據前述權利要求中任一項所述的結構，其中，第一遮光層的每個導電區(qū)與光敏區(qū) 中的相應一個相關聯(lián)。
14.根據權利要求1至12中任一項所述的結構，其中，第一遮光層的導電區(qū)中的至少一 個被布置為遮蔽至少兩個光敏區(qū)以避開在第一主表面上入射的光。
15.根據前述權利要求中任一項所述的結構，其中，所述結構形成在有源矩陣基板上。
16.一種包括根據前述權利要求中任一項所述的結構的環(huán)境光傳感器。
17.根據權利要求16所述的傳感器，包括根據前述權利要求中任一項所述的、被布置 為用作基準的另一結構。
18.—種包括根據權利要求1至15中任一項所述的結構或根據權利要求16或17所述 的傳感器的裝置。
19.根據權利要求18所述的裝置，包括液晶器件。
20.根據權利要求18或19所述的裝置，包括顯示器。
21.根據權利要求20所述的裝置，包括背光，第一遮光層置于光敏區(qū)與背光之間。
全文摘要
一種光敏結構，包括電串聯(lián)的多個光敏區(qū)(124)。第一遮光層，包括被放置用于遮蔽光敏區(qū)(124)以避開在結構的第一主表面上入射的光的多個導電區(qū)(501)。導電區(qū)(501)彼此電絕緣。
文檔編號H01L31/10GK102007607SQ20098011305
公開日2011年4月6日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權日2008年4月28日
發(fā)明者本杰明·詹姆斯·哈德文, 邁克爾·保羅·考爾森 申請人:夏普株式會社