一種光電探測(cè)器、暗電流抑制電路及可見(jiàn)光傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型適用于集成電路領(lǐng)域，提供了一種光電探測(cè)器、暗電流抑制電路及可見(jiàn)光傳感器，該光電探測(cè)器包括：在硅片上形成的第一光電二極管和第二光電二極管；第一光電二極管的上表面覆蓋一僅透過(guò)人眼能感知的可見(jiàn)光的IR濾波器；第二光電二極管的上表面覆蓋一濾除可見(jiàn)光和近紅外光的金屬膜。本實(shí)用新型在PN結(jié)結(jié)構(gòu)中通過(guò)注入增加一個(gè)NG注入?yún)^(qū)，降低了暗電流，提高了光電轉(zhuǎn)換效率，并在兩光電二極管的上表面分別用金屬膜和IR濾波器覆蓋，以隔離近紅外光，還將該抑制暗電流的光電探測(cè)器和高增益放大器集成在同一硅基上，從而得到一個(gè)高靈敏度、高線性度的可見(jiàn)光傳感器。
【專利說(shuō)明】
一種光電探測(cè)器、暗電流抑制電路及可見(jiàn)光傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于集成電路領(lǐng)域，尤其涉及一種光電探測(cè)器、暗電流抑制電路及可見(jiàn)光傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣普及，可見(jiàn)光傳感器越來(lái)越廣泛應(yīng)用于各類可見(jiàn)光檢測(cè)與控制領(lǐng)域，同時(shí)由于可見(jiàn)光傳感器能符合歐盟RoHS環(huán)保指令的要求，今后完全可能替代Cds光敏電阻，具有越來(lái)越廣闊的市場(chǎng)前景。
[0003]可見(jiàn)光傳感器是一種類似于人眼視覺(jué)范圍內(nèi)光譜的傳感器，通常采用硅光電二極管或者硅光電三極管等作為探測(cè)器，是單一的光電探測(cè)器，入射光譜范圍較人眼視覺(jué)范圍寬，因此會(huì)受到近紅外線和暗電流的影響，所謂暗電流是指在沒(méi)有光照的條件下，二極管或三極管中給PN結(jié)加反偏電壓(N區(qū)接正，P區(qū)接負(fù))，此時(shí)會(huì)有反向的電流產(chǎn)生，它是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的，由于少數(shù)載流子是本征激發(fā)產(chǎn)生的，因此受溫度的影響非常大，隨著溫度的升高，參見(jiàn)圖1，暗電流會(huì)急劇增大，從而導(dǎo)致可見(jiàn)光傳感器在低照度環(huán)境下無(wú)法使用，使其無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)量可見(jiàn)光照度的線性變化，嚴(yán)重時(shí)甚至電路會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型實(shí)施例的目的在于提供一種暗電流抑制電路，旨在解決現(xiàn)有可見(jiàn)光傳感器在低光環(huán)境下由于暗電流較大無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)量可見(jiàn)光照度的線性變化的問(wèn)題。
[0005]本實(shí)用新型實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種光電探測(cè)器，基于硅片制成，所述電路包括:
[0006]在所述娃片上形成的第一光電二極管和第二光電二極管；
[0007]所述第一光電二極管的上表面覆蓋一僅透過(guò)人眼能感知的可見(jiàn)光的IR濾波器；
[0008]所述第二光電二極管的上表面覆蓋一濾除可見(jiàn)光和近紅外光的金屬膜。
[0009]進(jìn)一步地，所述第一光電二極管和所述第二光電二極管中的PN結(jié)結(jié)構(gòu)包括:
[0010]襯底，在所述襯底上形成的阱，在所述阱中形成的NG注入?yún)^(qū)，以及在所述NG注入?yún)^(qū)形成的摻雜區(qū)；
[0011]所述阱區(qū)和所述摻雜區(qū)分別為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的兩極引出端。
[0012]更進(jìn)一步地，所述NG的結(jié)深為2.3?2.6um。
[0013]更進(jìn)一步地，所述襯底為N型襯底，所述阱為P阱，所述摻雜區(qū)為N型摻雜區(qū)，所述P阱為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的P極引出端，所述N型摻雜區(qū)為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的N極引出端。
[0014]更進(jìn)一步地，所述襯底為P型襯底，所述阱為N阱，所述摻雜區(qū)為P型摻雜區(qū)，所述N阱為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的N極引出端，所述P型摻雜區(qū)為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的P極引出端。
[0015]本實(shí)用新型實(shí)施例的另一目的在于，提供一種暗電流抑制電路，所述電路包括:
[0016]第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第三開(kāi)關(guān)管和如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的光電探測(cè)器；
[0017]所述第一、第二、第三開(kāi)關(guān)管的輸入端均與電源電壓連接，所述第一開(kāi)關(guān)管的輸出端與所述第二光電二極管的陰極連接，所述第二光電二極管的陽(yáng)極接地，所述第一開(kāi)關(guān)管的控制端同時(shí)與所述第一開(kāi)關(guān)管的輸出端和所述第三開(kāi)關(guān)管的控制端連接，所述第三開(kāi)關(guān)管的輸出端與所述第一光電二極管的陰極連接，所述第一光電二極管的陽(yáng)極接地，所述第二開(kāi)關(guān)管的控制端為所述電路的輸出端同時(shí)與所述第二開(kāi)關(guān)管的輸出端和所述第三開(kāi)關(guān)管的輸出端連接。
[0018]進(jìn)一步地，所述第一光電二極管的受光面積為所述第一光電二極管的兩倍。
[0019]更進(jìn)一步地，所述第一、第二、第三開(kāi)關(guān)管均為P型MOS管，所述P型MOS管的柵極為所述第一、第二、第三開(kāi)關(guān)管的控制端，所述P型MOS管的源極為所述第一、第二、第三開(kāi)關(guān)管的輸入端，所述P型MOS管的漏極為所述第一、第二、第三開(kāi)關(guān)管的輸出端。
[0020]更進(jìn)一步地，所述第三開(kāi)關(guān)管的寬長(zhǎng)比為第一開(kāi)關(guān)管的寬長(zhǎng)比的兩倍。
[0021]本實(shí)用新型實(shí)施例的另一目的在于，提供一種可見(jiàn)光傳感器，該可見(jiàn)光傳感器包括光電流放大器和上述實(shí)施例中的暗電流抑制電路；
[0022]該暗電流抑制電路的輸出端與光電流放大器的輸入端連接，光電放大器的輸出端輸出可見(jiàn)光傳感信號(hào)。
[0023]本實(shí)用新型實(shí)施例在PN結(jié)結(jié)構(gòu)中通過(guò)注入增加一個(gè)NG注入?yún)^(qū)，降低了暗電流，提高了光電轉(zhuǎn)換效率，并在兩光電二極管的上表面分別用金屬膜和IR濾波器覆蓋，以隔離近紅外光，還將該抑制暗電流的光電探測(cè)器和高增益放大器集成在同一硅基上，從而得到一個(gè)高靈敏度、高線性度的可見(jiàn)光傳感器。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為現(xiàn)有可見(jiàn)光傳感器在不同溫度下的暗電流示意圖；
[0025]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的光電探測(cè)器中PN結(jié)的結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的暗電流抑制電路的結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖4為采用本實(shí)用新型實(shí)施例提供的暗電流抑制電路后可見(jiàn)光傳感器在不同溫度下的暗電流示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0029]本實(shí)用新型實(shí)施例在PN結(jié)結(jié)構(gòu)中通過(guò)注入增加一個(gè)NG注入?yún)^(qū)，降低了暗電流，提高了光電轉(zhuǎn)換效率，并在兩光電二極管的上表面分別用金屬膜和IR濾波器覆蓋，以隔離近紅外光，還將該抑制暗電流的光電探測(cè)器和高增益放大器集成在同一硅基上，從而得到一個(gè)高靈敏度、高線性度的可見(jiàn)光傳感器。
[0030]本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種抑制暗電流的光電探測(cè)器，該抑制暗電流的光電探測(cè)器基于硅片制成，采用CMOS集成電路工藝實(shí)現(xiàn)，可以應(yīng)用于任何可見(jiàn)光傳感器中，后續(xù)可以搭建高放大倍數(shù)的電流放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光的檢測(cè)。
[0031]作為本實(shí)用新型一實(shí)施例，該抑制暗電流的光電探測(cè)器包括:
[0032]在硅片上形成的第一光電二極管和第二光電二極管；
[0033]第一光電二極管的上表面覆蓋一僅透過(guò)人眼能感知的可見(jiàn)光的IR濾波器；
[0034]第二光電二極管的上表面覆蓋一濾除可見(jiàn)光和近紅外光的金屬膜。
[0035]在本實(shí)用新型實(shí)施例中，在硅片上同時(shí)做兩個(gè)光電二極管，其中一個(gè)光電二極管上面覆蓋一個(gè)IR光學(xué)濾波器，使其只能透過(guò)人眼能感知的可見(jiàn)光，另一個(gè)光電二極管上面覆蓋一層金屬，以濾除所有的可見(jiàn)光和近紅外光。再配合電路技術(shù)處理，使兩個(gè)光電二極管本身固有的暗電流能基本消除，同時(shí)對(duì)可見(jiàn)光產(chǎn)生的光電流進(jìn)行放大處理，使傳感器能夠在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供高精度的輸出電流，即使在低光照環(huán)境下(光照環(huán)境的入射光低至1lux)也能可靠工作。
[0036]作為本實(shí)用新型一實(shí)施例，結(jié)合圖2，第一光電二極管和第二光電二極管中的PN結(jié)結(jié)構(gòu)包括:
[0037]襯底，在襯底上形成的阱，在阱中形成的NG注入?yún)^(qū)，以及在NG注入?yún)^(qū)形成的摻雜區(qū)；
[0038]阱區(qū)和摻雜區(qū)分別為該P(yáng)N結(jié)結(jié)構(gòu)的兩極引出端。
[0039]當(dāng)襯底為N型襯底時(shí)，講為P阱，摻雜區(qū)為N型摻雜區(qū)，P阱為該P(yáng)N結(jié)結(jié)構(gòu)的P極引出端，N型摻雜區(qū)為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的N極引出端。
[0040]當(dāng)襯底為P型襯底時(shí)，阱為N阱，摻雜區(qū)為P型摻雜區(qū)，N阱為該P(yáng)N結(jié)結(jié)構(gòu)的N極引出端，所述P型摻雜區(qū)為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的P極引出端。
[0041 ] 以N型襯底為例，先在襯底N-SUB上形成的P阱PWELL，再在P阱PWELL中形成的NG注入?yún)^(qū)NG，該NG注入?yún)^(qū)為推結(jié)深結(jié)構(gòu)，結(jié)深為2.3?2.6um，最后在NG注入?yún)^(qū)中形成N型摻雜區(qū)N
+ ο
[0042]采用上述結(jié)構(gòu)的PN結(jié)后，暗電流的測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)圖4，可以看出，暗電流隨溫度變化比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)緩慢了許多。
[0043]本實(shí)用新型實(shí)施例在PN結(jié)結(jié)構(gòu)中通過(guò)注入增加一個(gè)NG注入?yún)^(qū)，相對(duì)N+來(lái)說(shuō)，NG注入的濃度較低，同時(shí)NG做了推結(jié)深，NG的結(jié)深約為2.3?2.6um，這樣NG和PWELL形成的PN結(jié)濃度較淺，因此降低了暗電流，同時(shí)提高了光電轉(zhuǎn)換效率。
[0044]圖3為采用本實(shí)用新型實(shí)施例提供的暗電流抑制電路的結(jié)構(gòu)圖，為了便于說(shuō)明，僅示出了與本實(shí)用新型相關(guān)的部分。
[0045]作為本實(shí)用新型一實(shí)施例，該暗電流抑制電路可以應(yīng)用于可見(jiàn)光傳感器中，包括:
[0046]第一開(kāi)關(guān)管P1、第二開(kāi)關(guān)管P2、第三開(kāi)關(guān)管P3、二極管D1和二極管D2;
[0047]第一開(kāi)關(guān)管Pl、第二開(kāi)關(guān)管P2、第三開(kāi)關(guān)管P3的輸入端均與電源電壓VDD連接，第一開(kāi)關(guān)管Pl的輸出端與二極管D2的陰極連接，二極管D2的陽(yáng)極接地，第一開(kāi)關(guān)管Pl的控制端同時(shí)與第一開(kāi)關(guān)管Pl的輸出端和第三開(kāi)關(guān)管P3的控制端連接，第三開(kāi)關(guān)管P3的輸出端與二極管Dl的陰極連接，二極管Dl的陽(yáng)極接地，第二開(kāi)關(guān)管P2的控制端同時(shí)與第二開(kāi)關(guān)管P2的輸出端和第三開(kāi)關(guān)管P3的輸出端連接；
[0048]其中二極管Dl、二極管D2的PN結(jié)結(jié)構(gòu)完全，均為上述實(shí)施例中記載的第一光電二極管、第一光電二極管。
[0049]優(yōu)選地，D1、D2可以采用光電二極管實(shí)現(xiàn)，二極管Dl的受光面積為二極管D2的兩倍。D2的上表面用金屬膜(例如鋁膜)完全覆蓋，因此D2對(duì)可見(jiàn)光以及近紅外光和紫外光都是隔離的，Dl的表面覆蓋有抗紅外的透光膜，也就是IR濾波器，因此Dl只能透過(guò)可見(jiàn)光。
[0050]作為本實(shí)用新型一實(shí)施例，第一開(kāi)關(guān)管Pl、第二開(kāi)關(guān)管P2、第三開(kāi)關(guān)管P3均為P型MOS管，P型MOS管的柵極為第一開(kāi)關(guān)管Pl、第二開(kāi)關(guān)管P2、第三開(kāi)關(guān)管P3的控制端，P型MOS管的源極為第一開(kāi)關(guān)管P1、第二開(kāi)關(guān)管P2、第三開(kāi)關(guān)管P3的輸入端，P型MOS管的漏極為第一開(kāi)關(guān)管P1、第二開(kāi)關(guān)管P2、第三開(kāi)關(guān)管P3的輸出端。
[0051 ]當(dāng)電路工作時(shí)，D2和Pl組成的通路流過(guò)的電流是Id2，Id2就是D2的暗電流;Dl和P3組成的通路流過(guò)的電流是11，11為流過(guò)DI的暗電流和可見(jiàn)光電流之和，由于D2和DI的PN結(jié)結(jié)構(gòu)相同，而Dl的面積是D2的兩倍，因此Il = 2*Id2+Ir，其中Ir為可見(jiàn)光產(chǎn)生的光電流。
[0052]P3和Pl組成了鏡像電流源，由于P3的寬長(zhǎng)比為Pl的兩倍，因此P3輸出至P2的電流12中，暗電流成分被抵消，12 = Ir，12再送至后級(jí)放大器被放大處理，最后作為傳感器的輸出信號(hào)。
[0053]因此，當(dāng)DO和Dl做到結(jié)構(gòu)完全相同時(shí)，光電二極管產(chǎn)生的暗電流能被完全消除，SP使考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在的各種誤差，也至少可以把暗電流降低I?2個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0054]本實(shí)用新型實(shí)施例的另一目的在于，提供一種可見(jiàn)光傳感器，該可見(jiàn)光傳感器包括光電流放大器和上述實(shí)施例中的暗電流抑制電路；
[0055]該暗電流抑制電路的輸出端與光電流放大器的輸入端連接，光電放大器的輸出端輸出可見(jiàn)光傳感信號(hào)。
[0056]本實(shí)用新型實(shí)施例在PN結(jié)結(jié)構(gòu)中通過(guò)注入增加一個(gè)NG注入?yún)^(qū)，由于NG注入的濃度較低，因此NG和PWELL形成的PN結(jié)濃度較淺，從而降低了暗電流，同時(shí)提高了光電轉(zhuǎn)換效率。并在兩光電二極管的上表面分別用金屬膜和IR濾波器覆蓋，以隔離近紅外光，還將該抑制暗電流的光電探測(cè)器和高增益放大器集成在同一硅基上，從而得到一個(gè)高靈敏度、高線性度的可見(jiàn)光傳感器。該可見(jiàn)光傳感器工作安全、可靠，可廣泛用于光控玩具、自動(dòng)燈具開(kāi)關(guān)、LED燈控制、電腦顯示器自動(dòng)調(diào)光、手機(jī)屏幕的自動(dòng)亮度檢測(cè)等領(lǐng)域。
[0057]本實(shí)用新型實(shí)施例具有如下有益效果:
[0058]1、解決了現(xiàn)有技術(shù)暗電流過(guò)大，引起誤操作的問(wèn)題，使傳感器能夠在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供高精度的輸出電流;使在低光照環(huán)境下(光照環(huán)境的入射光低至1lux)也能可靠工作；
[0059]2、IR濾波器覆蓋光電二極管的裝置，使傳感器對(duì)紅外具有高抑制特性，達(dá)到人眼特點(diǎn)的光譜響應(yīng)特性；
[0060]3、內(nèi)部集成高增益光電流放大器，使在低光照環(huán)境下(光照環(huán)境的入射光低至1lux)也能可靠工作；
[0061]4、光傳感器、IR濾波器、高增益光電流放大器內(nèi)部全集成、電路簡(jiǎn)單、工作可靠。
[0062]以上僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種光電探測(cè)器，基于硅片制成，其特征在于，所述光電探測(cè)器包括: 在所述娃片上形成的第一光電二極管和第二光電二極管； 所述第一光電二極管的上表面覆蓋一僅透過(guò)人眼能感知的可見(jiàn)光的IR濾波器； 所述第二光電二極管的上表面覆蓋一濾除可見(jiàn)光和近紅外光的金屬膜。2.如權(quán)利要求1所述的光電探測(cè)器，其特征在于，所述第一光電二極管和所述第二光電二極管中的PN結(jié)結(jié)構(gòu)包括: 襯底，在所述襯底上形成的阱，在所述阱中形成的NG注入?yún)^(qū)，以及在所述NG注入?yún)^(qū)形成的慘雜區(qū)； 所述阱區(qū)和所述摻雜區(qū)分別為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的兩極引出端。3.如權(quán)利要求2所述的光電探測(cè)器，其特征在于，所述NG的結(jié)深為2.3?2.6um。4.如權(quán)利要求2所述的光電探測(cè)器，其特征在于，所述襯底為N型襯底，所述阱為P阱，所述摻雜區(qū)為N型摻雜區(qū)，所述P阱為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的P極引出端，所述N型摻雜區(qū)為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的N極引出端。5.如權(quán)利要求2所述的光電探測(cè)器，其特征在于，所述襯底為P型襯底，所述阱為N阱，所述摻雜區(qū)為P型摻雜區(qū)，所述N阱為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的N極引出端，所述P型摻雜區(qū)為所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的P極引出端。6.一種暗電流抑制電路，其特征在于，所述電路包括: 第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第三開(kāi)關(guān)管和如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的光電探測(cè)器； 所述第一、第二、第三開(kāi)關(guān)管的輸入端均與電源電壓連接，所述第一開(kāi)關(guān)管的輸出端與所述第二光電二極管的陰極連接，所述第二光電二極管的陽(yáng)極接地，所述第一開(kāi)關(guān)管的控制端同時(shí)與所述第一開(kāi)關(guān)管的輸出端和所述第三開(kāi)關(guān)管的控制端連接，所述第三開(kāi)關(guān)管的輸出端與所述第一光電二極管的陰極連接，所述第一光電二極管的陽(yáng)極接地，所述第二開(kāi)關(guān)管的控制端為所述電路的輸出端同時(shí)與所述第二開(kāi)關(guān)管的輸出端和所述第三開(kāi)關(guān)管的輸出端連接。7.如權(quán)利要求6所述的電路，其特征在于，所述第一光電二極管的受光面積為所述第一光電二極管的兩倍。8.如權(quán)利要求6所述的電路，其特征在于，所述第一、第二、第三開(kāi)關(guān)管均為P型MOS管，所述P型MOS管的柵極為所述第一、第二、第三開(kāi)關(guān)管的控制端，所述P型MOS管的源極為所述第一、第二、第三開(kāi)關(guān)管的輸入端，所述P型MOS管的漏極為所述第一、第二、第三開(kāi)關(guān)管的輸出端。9.如權(quán)利要求6所述的電路，其特征在于，所述第三開(kāi)關(guān)管的寬長(zhǎng)比為第一開(kāi)關(guān)管的寬長(zhǎng)比的兩倍。10.—種可見(jiàn)光傳感器，其特征在于，所述可見(jiàn)光傳感器包括光電流放大器和如權(quán)利要求6至9任一項(xiàng)所述的暗電流抑制電路； 所述的暗電流抑制電路的輸出端與所述光電流放大器的輸入端連接，所述光電放大器的輸出端輸出可見(jiàn)光傳感信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H01L31/103GK205488130SQ201620159024
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年2月26日
【發(fā)明人】樊子宇
【申請(qǐng)人】深圳市樂(lè)夷微電子有限公司