[发明专利]光传感器和环境光传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光传感器，例如用于用作环境光传感器。这样的传感器例如与有源矩阵液晶显示器(AMLCD)一起使用。

背景技术

例如，AMLCD可能是透射显示器，该透射显示器由设置在该显示器背向观众的一侧上的背光进行照明。可替换地AMLCD可以是透反射显示器，该显示器可由低环境照明条件中的背光或由亮的环境光条件中所反射的环境光进行照明。希望根据环境光条件控制背光的强度，使得显示在AMLCD上的图像对观众总是清晰可见的但不是不舒服的刺眼的光。进一步考虑的是，特别在结合进例如移动电话等移动设备中的AMLCD的情况中，非常希望降低背光的功耗，以使电池寿命最大化。因此，在透反射显示器的情况中，较佳是以低强度在很低的环境光条件下操作背光，以较高强度在中度环境光条件中操作背光，以确保图像保持为对观众可见，且确保图像在明亮得足以仅采用反射的背光提供显示的图像的环境照明条件中关断背光。

因此，已知提供具有环境光传感器(ALS)系统的移动AMLCD设备，并根据ALS系统的输出控制背光的功率水平。为了能够检测从高阳光亮度至接近黑暗的整个范围的环境光条件，例如ALS系统要求高的动态范围且这使整个宽的工作温度范围的低的亮度级(light level)的检测成为必要。典型地，需要ALS系统对入射亮度级的宽的范围和移动LCD设备的典型的工作温度范围是敏感的。

根据成本和机械观点，有利的是将ALS系统的所有元件，包括光检测元件本身统一集成在显示器的TFT(薄膜晶体管)基板上。然而，对ALS系统来说，采用统一集成在显示器基板的ALS系统，难以实现所需要的敏感度，特别在低的亮度级。这是由于在多晶硅工艺中制造的光检测元件的相对差的性能，该多晶硅工艺例如是在典型的显示器FTF基板的制造中使用的多晶硅工艺。

传统的环境光传感器系统可采用离散的光检测元件或它们可采用集成在显示器基板上的光检测元件。在离散的光检测元件的情况中，确定用于制造该元件的工艺技术的最佳特性，用于使设备的灵敏性最大化。然而，在集成光检测元件的情况中，例如在集成在CMOS集成电路(IC)上的情况中的光检测元件，该工艺技术是在使光检测元件的灵敏性最大化和使外围电路的性能最大化之间的一种折中。

在具有统一集成的环境光传感器的AMLCD的情况中，所采用的基础光检测设备必须与使用在显示器TFT基板的制造中的制造工艺相兼容。所熟知的与标准TFT工艺兼容的光检测设备是横向薄膜多晶硅p-i-n二极管，其结构在图1中的剖面图中示出。

在图1的薄膜p-i-n二极管中，硅层3沉积在基板1上，在硅层和基板1之间可存在一个或多个中间层，且图1中示出这样的一个中间层2。硅层3沉积作为本征(如，没有故意掺杂)层，且随后硅层3的端部区域3a进行p-型掺杂，并且硅层3的其它端部区域3b进行n-型掺杂。硅层的剩余部分保留为本征硅的区域3c。栅绝缘层4和介质层5生长在衬底1和硅层3上，且随后通孔形成在栅绝缘层4和介质层5中，以暴露硅层的p-型和n-型掺杂区域3a、3b。最后，提供电极6、7，以分别接触硅层的p-型和n-型掺杂区域3a、3b。

图2是图1中采用的p-i-n二极管的示意图。该器件的详细操作较复杂，但简言之，当在整个电极6、7上保持的偏压V₀是作为参照的负压时(如图2所示，其中V_正极是施加至正极的负压，且该器件的负极接地)，形成光敏耗尽区A、B，一个位于p-型硅区域3a和本征区域3c之间的界面处，且另一个位于n-型硅区域3b和本征区域3c之间的界面处。当对该器件进行照明时，一些入射光子通过在光电效应吸收在半导体材料中，每个光子被吸收而产生(至少)一个电子-空穴对。这样的光生电子-空穴对，称为载流子，将在遍及该器件的所照明的体积内产生。然而，通常仅在耗尽区产生的，或者足够接近耗尽区以能够扩散进耗尽区的载流子能够对光生电流起作用，且因此由该器件检测到。在图2中，仅来自耗尽区A的电子和来自耗尽区B的空穴对光电流起作用，这是因为位于该器件中部的未耗尽的本征区域3c中的载流子寿命较短，且因此在耗尽区电场的影响下扫进未耗尽的本征区域3c中的载流子将几乎不可避免地重新结合。

在提供集成的ALS系统中的一个问题是在多晶硅TFT工艺中制造的光电二极管具有比在体效应技术(bulk technologies)(如CMOS)中制造的光电二极管具有相对低的灵敏性，这是由于两个主要原因：