專利名稱：光感測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光感測系統(tǒng)，例如用作環(huán)境光傳感器或用于感測
光輸入信號。例如，這種傳感器與有源矩陣液晶顯示器(AMLCD) 一起使用。
背景技術(shù)：
例如，AMLCD可以是一種由放置在顯示器與觀察者相反的一側(cè) 上的背光來點亮的透射顯示器?？蛇x地，AMLCD可以是一種在低環(huán) 境光照條件下由背光點亮或在明亮的環(huán)境光照條件下由反射的環(huán)境光 點亮的透反顯示器。在這兩種情況下，都期望根據(jù)環(huán)境光照條件來控 制背光強度，使得在AMLCD上顯示的圖像對觀察者而言總是清晰可 見而又不會明亮得使人不適。另一種考慮在于，尤其在移動設(shè)備(如 移動電話)中結(jié)合了 AMLCD的情況下，非常期望減小背光的功率消 耗以使電池壽命最大化。相應(yīng)地，在透反顯示器的情況下，優(yōu)選地， 背光在非常低的環(huán)境光照條件下以低強度來操作；在中等環(huán)境光照條 件下以較高強度來操作，以確保圖像仍對觀察者可見；以及在明亮到 足以僅使用反射的環(huán)境光來提供顯示圖像的環(huán)境光照條件下關(guān)閉。
因此，如圖1所示，已知為移動AMLCD設(shè)備提供一種環(huán)境光傳 感器(ALS)系統(tǒng)，并根據(jù)ALS系統(tǒng)的輸出來控制背光的功率電平。 AMLCD設(shè)備1包括顯示器像素矩陣2 (在其上顯示圖像)、顯示器 柵極驅(qū)動器電路3、顯示器源極驅(qū)動器電路4、顯示器控制器5、背光 6、背光控制器7、環(huán)境光傳感器(ALS)系統(tǒng)8、以及ALS控制器9。 在圖1中，在顯示器基板10 (可以是例如TFT基板)上提供顯示器 像素矩陣2、顯示器柵極驅(qū)動器3、顯示器源極驅(qū)動器4以及ALS5。
在操作中，在顯示控制器5的控制下，由柵極和源極驅(qū)動器電路 3、 4驅(qū)動的顯示器像素矩陣2操作用于以正常方式顯示圖像。顯示器的光源是背光6，背光6典型地是由背光控制器7驅(qū)動并控制的白光 LED陣列。
ALS系統(tǒng)8檢測入射到AMLCD設(shè)備1上的環(huán)境光電平，并以周 期性的時間間隔向ALS控制器9提供輸出。ALS控制器9與背光控 制器7通信，背光控制器7繼而根據(jù)來自ALS系統(tǒng)8的輸出來控制背 光6的強度。因此，這種布置能夠根據(jù)環(huán)境光照強度來調(diào)整顯示圖像 的亮度。
為了能夠檢測從明亮的陽光到接近黑暗的完整范圍的環(huán)境光照條 件，這種ALS系統(tǒng)需要高動態(tài)范圍，并且這需要跨越寬的操作溫度范 圍來檢測低光電平。典型地，ALS系統(tǒng)需要在寬的入射光電平范圍上 和移動LCD設(shè)備的典型操作溫度范圍上敏感。
此外，已知為AMLCD設(shè)備(例如個人數(shù)字助理(PDA))提供 光傳感器，以允許用戶使用光筆來向PDA輸入信息。圖2 (a)示出 了這種AMLCD。
圖2 (a)的AMLCD1在像素矩陣2中具有光傳感器矩陣。如圖 2 (b)所示，這些光傳感器可以是例如光電二極管，圖2 (b)示出了 針對像素矩陣2中一個像素的電路。(圖2 (b)示出了具有紅、綠和 藍子像素的全色像素，每個子像素具有由相應(yīng)像素開關(guān)晶體管M3r、 M3g和M3b控制的相應(yīng)液晶元件CLCr、 CLCg和CLCb。 ) AMLCD 1 具有行驅(qū)動器ll，用于驅(qū)動光傳感器的傳感器；以及傳感器讀出驅(qū) 動器12，用于確定由用戶輸入點亮哪些傳感器。傳感器讀出驅(qū)動器12 的輸出允許確定用戶輸入在像素矩陣2上的位置。
用作環(huán)境光傳感器或圖像傳感器的傳統(tǒng)光傳感器系統(tǒng)可以采用離 散的或集成的光電檢測元件。在離散光電檢測元件的情況下，對用于 制造元件的工藝技術(shù)進行優(yōu)化，以使器件靈敏度最大化，但是需要額 外的制造步驟來為AMLCD提供光傳感器。在集成光電檢測元件的情 況下，如在CMOSIC (互補金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路)上，工藝技 術(shù)在使光電檢測元件的靈敏度最大化與使外圍電路的性能最大化之間 進行折衷。
在具有單片集成光傳感器電路的AMLCD的情況下，所使用的基礎(chǔ)光電檢測器件必須與顯示器基板制造中使用的TFT工藝兼容。 一種 公知的、與標(biāo)準TFT工藝兼容的光電檢測器件是橫向薄膜多晶硅p-i-n 二極管，其構(gòu)造如圖5所示。簡而言之，多晶硅p-i-n二極管21的制 造中，將基極涂層(BC)沉積在基板13 (如玻璃基板)上。將多晶 硅層沉積在基極涂層上，并將所述多晶硅層構(gòu)圖為留下期望形成光電 二極管的多晶硅區(qū)域14。將n型摻雜物注入該多晶硅區(qū)域的一部分 14a，將p型摻雜物注入該多晶硅區(qū)域的另一部分14c，以獲得由本征 硅區(qū)域14b分隔的n-Si區(qū)域和p-Si區(qū)域。將柵極絕緣層(GI)和層間 絕緣體(IL)沉積在多晶硅區(qū)域14上，并構(gòu)成穿過柵極絕緣層和層間 絕緣體的孔，以允許構(gòu)成至n-Si區(qū)域以及至p-Si區(qū)域的電觸點15。
圖5還示出了薄膜晶體管22。 一般而言，這與p-i-n二極管相似， 但是柵極電極(GE)沉積在本征硅區(qū)域14b上的柵極絕緣層上。在 TFT中，至n-Si區(qū)域以及至p-Si區(qū)域的觸點15分別構(gòu)成了TFT的源 極電極(SE)和漏極電極。
圖4示意了在AMLCD中結(jié)合的圖5的TFT。圖4是AMLCD的 像素的截面，并示意了 AMLCD中像素包含反射部分和透射部分。簡 而言之，將樹脂層16沉積在圖5所示的TFT結(jié)構(gòu)上，并對其進行平 面化(樹脂層16僅存在于像素的反射部分而不存在于像素的透射部 分)。構(gòu)成通過樹脂層16至TFT的電極SE、 GE的接觸孔(圖4中未 示出)。
將透明電極層(ITO)，例如氧化錫銦(ITO)層沉積在樹脂層16 上，以及不存在樹脂的層間絕緣體IL外露區(qū)域上。然后，將反射層(例 如金屬層)沉積在覆蓋樹脂層16的ITO層部分上，以形成反射像素 電極(RE)。在覆蓋不存在樹脂的層間絕緣體IL外露區(qū)域的ITO層部 分上不沉積反射層，ITO層的這部分形成透射像素電極。產(chǎn)生的結(jié)果 是有源矩陣基板17，具有像素電極的矩陣，每個像素電極具有用于控 制所施加的電壓的相應(yīng)TFT。
通過在另一透明基板13，上布置透明對立電極(counter electrode) (例如ITO層)、顏色過濾器陣列(CF)和黑色掩模(BM)，來制備 對立基板18。然后將TFT基板17和對立基板18組裝在一起，并以液晶材料(LC)來填充。
圖3是列出圖4的AMLCD的主要制造步驟的方框流程圖。 p-i-n光電二極管的詳細操作(在大量教科書和論文中描述)有些 復(fù)雜。然而，簡而言之，以多晶硅TFT工藝制作的光電二極管的主要 問題在于，其靈敏度遠低于以體效應(yīng)技術(shù)制作的光電二極管(如 CMOS)。這主要有兩個原因
1. 首先，光敏的半導(dǎo)體材料的體積(器件的損耗區(qū)域) 一般相當(dāng) 小。具體而言，材料的薄膜層的深度典型地被設(shè)計為幾十納米，因此， 大部分光照輻射直接穿過器件而未被吸收并從而未被檢測到。
2. 其次，薄膜器件所產(chǎn)生的暗電流往往比在體效應(yīng)器件中更高。 暗電流(定義為無光照條件下的二極管漏電流)高度依賴于溫度和跨 過器件的電場。
此外，由于工藝條件的變化，使用TFT制造工藝制作的光電二極 管將在電和光特性方面展現(xiàn)出較大的變化。 一般而言，兩個器件之間 的相對物理位置確定了這兩個器件特性的變化水平。因此，相鄰的器 件比兩個相距較遠的器件可能匹配得更好，并且比兩個分離AMLCD 板上的器件匹配得要好得多。
在使用光電二極管作為AMLCD內(nèi)的光傳感器時，另一個問題是 使入射在器件上的、不期望的雜散光最小化。這種雜散光可能源自顯 示器背光，并通過玻璃基板內(nèi)的反射耦合入光電二極管器件，或源自 周圍的結(jié)構(gòu)。
因此，從AMLCD內(nèi)的單個光電二極管獲得對入射光強度的精確 絕對度量需要知道精確的溫度和偏置條件、工藝條件以及進入器件的 雜散光量。
美國專利申請No. 2005/0045881描述了一種在具有光輸入功能的 顯示器中使用的薄膜多晶硅p-i-n光電二極管結(jié)構(gòu)。所描述的光電二極 管結(jié)構(gòu)包括在光電二極管本征區(qū)域上的柵極鍍層，用于在氫化過程 中阻止氫原子進入該區(qū)域。氫化過程提供了一種終止多晶硅薄膜中的 懸空鍵(dangling bond)并從而減小TFT漏電流的方式。然而，在光 電傳感器件中，懸空鍵應(yīng)保持未終止，以使光電轉(zhuǎn)換效率最大化。如在該文獻中描述的，柵極電極的長度與氫化過程密切相關(guān)，使得對于 小的柵極長度，氫原子從柵極邊緣擴散到柵極層之下的區(qū)域中。然而， 對于大的柵極長度，氫原子不能完全擴散到該區(qū)域中。因此，柵極鍍
層提供了一種以相同的工藝創(chuàng)建低泄漏TFT器件(具有小的柵極長 度)和高效光電二極管(具有長的柵極長度)的方式。此外，由于柵 極電極的長度與光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率密切相關(guān)，因此，具有不 同柵極長度的器件將在類似條件下產(chǎn)生不同的光電流。因此，可以通 過使用長度不同的兩個光電二極管來獲得不受溫度和工藝變化影響的 差分讀數(shù)。然而，這種補償方法的缺點在于，不同長度的光電二極管 在電學(xué)上不等效，具有例如不同的內(nèi)部電場和不同的寄生電容。因此， 在兩個器件之間暗漏電流將存在差別。
圖6示出了美國專利申請No. 2005/0045881的基本構(gòu)思，該申請 描述了一種結(jié)合了遮光物的薄膜多晶硅光電二極管結(jié)構(gòu)，該遮光物由 柵極鍍層19和源極鍍層15'組成。在圖6的光電二極管結(jié)構(gòu)中，硅區(qū) 域14包括n+區(qū)域14a、 n-區(qū)域14d (摻雜的n型，但摻雜程度低于n+ 區(qū)域14a)、光敏p-區(qū)域14e以及p+區(qū)域14c。柵極金屬鍍層19用作 遮光物并如上所述用于控制光敏p-區(qū)域14e中的氫化過程。通過延伸 用于光電二極管陰極的鍍層15使其延伸至n-區(qū)域14d上，來創(chuàng)建針 對光電二極管n-區(qū)域14d的遮光物。
來自EP 1511084的圖7示出了一種類似器件，在光電二極管之下 還包括另一遮光層20。該遮光層20的用途是阻止來自顯示器背光的 光進入光電二極管。
日本專利申請JP2005-132938描述了一種環(huán)境光傳感器電路，如 圖8所示，該電路結(jié)合了兩個光電二極管21、 21': —個光電二極管 21外露于環(huán)境光下并且沒有柵極結(jié)構(gòu)("亮".結(jié)構(gòu))；另一光電二極管 21'("暗結(jié)構(gòu)")具有柵極結(jié)構(gòu)，以阻止輸入的環(huán)境光到達有源區(qū)域。 這兩個器件的用途是允許對溫度和雜散光的效應(yīng)進行補償，這是在輸 出環(huán)境光強度的精確絕對讀數(shù)的環(huán)境光傳感器的生產(chǎn)過程中的一個重 要步驟。這種理論在于，溫度的改變或雜散光將均等地影響兩個光電 二極管，使得"亮"光電二極管的輸出與"暗"光電二極管的輸出之間的任何差異必定是由環(huán)境光(僅入射在"亮"光電二極管上而沒有 入射在"暗"光電二極管上)引起的。例如，該文獻中公開的環(huán)境光 傳感器電路被布置為輸出差分信號，該差分信號包括兩個光電二極管 的輸出之差。在沒有這種補償?shù)那闆r下，由于溫度的變化(對于給定 的照度級，溫度的變化直接導(dǎo)致光電二極管電流的變化)和/或例如來 自顯示器背光的雜散光，將導(dǎo)致顯著的系統(tǒng)性誤差。此外，面板與面 板之間的工藝條件的變化為絕對光強度的測量造成了更大的困難。使 用暗光電二極管結(jié)構(gòu)和差分電路方法可以將這種變化問題的范圍從面 板間(S口 ，來自不同制造批次的面板之間)變化問題縮小到面板內(nèi)(即， 一個面板上位置互相靠近的兩個器件之間)變化問題。以下將更詳細 描述圖8的電路。
US 2005/0275616還公開了一種具有兩個光電傳感器的顯示器件。 該顯示器件具有背光單元； 一個光電傳感器測量環(huán)境光和來自背光單 元的光，另一光電傳感器被遮蔽了環(huán)境光因而僅接收來自背光單元的 光。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供了一種光感測系統(tǒng)，包括布置在基板上 的第一光傳感器；布置在所述基板上的第二光傳感器；布置在第一光 傳感器之上但不在第二光傳感器之上的第一遮光層；布置在第一遮光 層與第一光傳感器之間的第一導(dǎo)電材料；以及布置在第二光傳感器之 上的第二導(dǎo)電材料，第二導(dǎo)電材料至少部分透射；其中，第一導(dǎo)電材 料和第二導(dǎo)電材料布置在所述基板上。
這里所使用的術(shù)語"布置在基板上"并不要求元件直接布置在基 板上，并不排除在元件與基板之間存在一個或更多個中間層的可能性。
第二光傳感器檢測環(huán)境光，因而用作"亮"傳感器。第一光傳感 器被第一遮光層遮蔽了環(huán)境光，因而用作"暗"傳感器。假定第一光 傳感器與第二光傳感器良好電匹配，并假定第一光傳感器與第二光傳
感器靠近，則由于溫度變化和雜散光均等地影響兩個傳感器，因此第 一光傳感器的輸出與第二光傳感器的輸出之差是環(huán)境光的度量。"良好電匹配"意味著第一光傳感器和第二光傳感器被制作為在制造容限的 范圍內(nèi)具有相同的布局、朝向、大小、有源區(qū)域的尺寸、有源區(qū)域的 摻雜等等，以使它們的電學(xué)特性盡可能彼此接近。第一光傳感器被放 置在靠近第二光傳感器的位置，使得溫度變化和雜散光均等地影響這 兩個傳感器，但是不一定要求在設(shè)計規(guī)則和/或制造工藝允許的范圍內(nèi) 將兩個傳感器放置地盡可能靠近在一起。
為了提供對溫度和雜散光的精確補償，"亮"和"暗"光電二極管 結(jié)構(gòu)必須良好電匹配，在溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生相同的電流-電壓特性。發(fā)明 人已經(jīng)認識到，在現(xiàn)有技術(shù)中根據(jù)"亮"光電二極管和"暗"光電二
極管的輸出之差來確定光強度的光感測系統(tǒng)(如圖6或7所示在"暗" 光電二極管之上提供遮光層)將寄生電容Cp引入"暗"光電二極管， 而在"亮"光電二極管中不存在該寄生電容。圖9 (b)示出了這一點。 寄生電容Cp建立在遮光層與"暗"光電二極管結(jié)構(gòu)的有源區(qū)域之間， 這意味著圖9 (b)的"暗"光電二極管結(jié)構(gòu)和"亮"光電二極管結(jié)構(gòu) 在電學(xué)上不彼此等效。因此，不能認為圖9 (b)的"暗"光電二極管 的輸出與圖9 (b)的"亮"光電二極管的輸出之差完全由入射在"亮" 光電二極管結(jié)構(gòu)上的環(huán)境光引起。
相反，在本發(fā)明的光感測系統(tǒng)中，布置在第一遮光層與第一光傳 感器("暗"傳感器)之間的導(dǎo)電材料防止在第一遮光層與第一光傳感 器的有源層之間建立任何寄生電容。因此，第一光傳感器的電學(xué)特性 與第二光傳感器的電學(xué)特性良好匹配，并且第一光傳感器的輸出與第 二光傳感器("亮"傳感器)的輸出之差完全由入射在第二光傳感器上 的環(huán)境光引起。
在第二光傳感器之上提供第二導(dǎo)電材料確保了第一光傳感器與第 二光傳感器盡可能緊密地電匹配。通過使第二導(dǎo)電材料至少部分光透 射，不明顯影響第二光傳感器的操作。(第二導(dǎo)電材料的所需光透射率 程度將取決于第二光傳感器的性質(zhì)以及光感測系統(tǒng)的預(yù)期應(yīng)用。在一 些應(yīng)用中，優(yōu)選地，第二導(dǎo)電材料是透明或?qū)嵸|(zhì)上透明的，但是不總 是如此。)
應(yīng)注意，第二導(dǎo)電材料至少部分光透射的要求需要僅與光感測系統(tǒng)操作的預(yù)期波長或波長范圍相關(guān)。在預(yù)期將光感測系統(tǒng)用于檢測環(huán) 境光的情況下，第二導(dǎo)電材料在可見光波長范圍內(nèi)至少部分透明就足 夠了。確實，在一些情況下，第二導(dǎo)電材料在光感測系統(tǒng)操作的預(yù)期 波長或波長范圍之外具有較低的光透射率是有利的，例如，在預(yù)期將 光感測系統(tǒng)用于檢測環(huán)境光的情況下，第二導(dǎo)電材料對UV光具有較 低透射率是有利的，這使第二導(dǎo)電材料能夠濾除入射光中不期望的 UV分量。
類似地，在第二導(dǎo)電材料透明或?qū)嵸|(zhì)上透明的實施例中，第二導(dǎo) 電材料在光感測系統(tǒng)操作的預(yù)期波長處或在預(yù)期波長范圍上透明或?qū)?質(zhì)上透明就足夠了。
本發(fā)明的第二方面提供了一種顯示器，包括第一方面的光感測系統(tǒng)。
在從屬權(quán)利要求中闡述了本發(fā)明的優(yōu)選特征。
參照附圖，現(xiàn)在通過示意示例來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，附圖
中
圖1示出了具有集成環(huán)境光傳感器的現(xiàn)有技術(shù)AMLCD;
圖2(a)和2(b)示出了具有集成圖像傳感器的現(xiàn)有技術(shù)AMLCD;
圖3示出了典型的現(xiàn)有技術(shù)的AMLCD制造工藝；
圖4示出了典型的現(xiàn)有技術(shù)AMLCD像素的截面；
圖5示出了典型的現(xiàn)有技術(shù)TFT和光電二極管的截面；
圖6示出了在光電二極管上具有阻光層的現(xiàn)有技術(shù)的光電二極
管；
圖7示出了現(xiàn)有技術(shù)的光電二極管，在所述光電二極管上下都具 有阻光層；
圖8示出了結(jié)合了 "亮"電二極管器件和"暗"光電二極管器件 的現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)境光傳感器；
圖9 (a)示出了根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的基本構(gòu)思； 圖9 (b)示意了根據(jù)本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)光傳感器的問題；圖9 (C)示出了圖9 (a)的實施例的修改；
圖10示出了現(xiàn)有技術(shù)光電二極管和本發(fā)明的光電二極管的暗電 流-電壓特性；
圖11示意了本發(fā)明所基于的基本物理原理；
圖12示意了本發(fā)明的第二實施例；
圖13示意了本發(fā)明的第三實施例；
圖14示意了適于與本發(fā)明一起使用的測量電路；
圖15示出了描述圖14的測量電路的操作的時間圖16示意了適于與本發(fā)明一起使用的另一測量電路；
圖17示出了描述圖14的測量電路的操作的時間圖18示意了適于與本發(fā)明一起使用的另一測量電路；以及
圖19示意了根據(jù)本發(fā)明的顯示器。
具體實施例方式
發(fā)明人已經(jīng)認識到，如圖9 (b)所示，添加導(dǎo)電性遮光層(例如 柵極結(jié)構(gòu))，可能通過引入寄生電容Cp而明顯修改光電二極管的電學(xué)特 性。參照圖10進一步解釋這種效果，圖10示出了光電二極管中作為光 電二極管兩端偏置電壓的函數(shù)的暗電流。(暗電流是在沒有任何環(huán)境 光的情況下在光電二極管中流動的電流。)在圖10中，由"A"表示的數(shù) 據(jù)點示出了沒有遮蔽層或柵極層(例如，圖9 (b)中左側(cè)的晶體管) 的光電二極管的特性，由"Q"表示的數(shù)據(jù)點示出了具有布置在有源層之 上并靠近有源層的柵極電極(例如圖7的柵極電極19)的光電二極管的 特性，由"O"表示的數(shù)據(jù)點示出了具有延伸至有源層之上的源極電極 (例如圖7的柵極電極19)并且不具有遮蔽層或柵極層(例如圖7中延 伸的源極電極15')的光電二極管的特性，由"o"表示的數(shù)據(jù)點示出了 根據(jù)本發(fā)明的光電二極管的特性，其中在遮光層與有源層之間提供了 透明導(dǎo)電層。除了在遮光層方面的區(qū)別之外，用于獲得圖10的結(jié)果的 光電二極管彼此相同。
可以看出，與未提供遮光層的光電二極管相比，提供柵極電極或 源極電極光作為遮光層具有增大光電二極管暗電流的效果。認為在添加了柵極結(jié)構(gòu)的情況下光電二極管暗電流的增大是由于光電二極管結(jié) 構(gòu)中柵極材料與"I"區(qū)域中的硅之間功函數(shù)的差異所引起的平帶
(flat-band)電壓偏移而導(dǎo)致的。功函數(shù)的差異導(dǎo)致電荷在光電二極 管"I"區(qū)域中累積，這從而減小了損耗區(qū)域的寬度。圖ll示出了這一 點，圖11是硅光電二極管具有柵極層GE、柵極絕緣體層G1和"I"區(qū) 域SI的結(jié)構(gòu)的能級的示意。假定柵極層GE為金屬層，使得柵極層中能 量在Fermi能級以下的所有電子狀態(tài)都被占據(jù)(由對角線陰影表示)， 而能量在Fermi能級以上的電子狀態(tài)未被占據(jù)。Ev和Ee分別表示硅光電 二極管的"I"區(qū)域SI的價帶邊緣和導(dǎo)帶邊緣?？梢钥闯觯怆姸O管 的"I"區(qū)域的價帶邊緣和導(dǎo)帶邊緣在"I"區(qū)域與柵極絕緣體GI之間 的界面附近"彎曲"。平帶電壓偏移VpB是以下兩方面之差 一方面是 "I"區(qū)域與柵極絕緣體GI之間的界面處"I"區(qū)域的導(dǎo)帶邊緣的實際 值，另一方面是在未發(fā)生帶彎曲并且導(dǎo)帶邊緣保持平坦的情況下，導(dǎo) 帶邊緣在該界面處應(yīng)具有的值。
損耗區(qū)域?qū)挾鹊臏p小導(dǎo)致跨過損耗區(qū)域的場相應(yīng)增大，并且與該 場直接相關(guān)的光電二極管暗電流增大。因此，光電二極管"I"區(qū)域與 柵極的垂直分離以及兩種材料的相對功函數(shù)確定了平帶電壓偏移，并 因此確定了光電二極管暗電流的增大。
在上述所有現(xiàn)有技術(shù)中，光電二極管包括在本征區(qū)域的至少一部 分之上的柵極層。如上所述，包括這一層對本征區(qū)域中存在的電場有 顯著影響，其結(jié)果是與沒有柵極鍍層的相同器件相比，光電二極管的 暗漏電流增大。這種大的暗漏電流限制了光電二極管的靈敏度，而光 電二極管的靈敏度對于必須對非常低的光電平進行測量的環(huán)境光傳感 器或圖像傳感器系統(tǒng)而言尤其重要。
本發(fā)明的第一實施例描述了本發(fā)明的基本構(gòu)思使用透明導(dǎo)電層 來創(chuàng)建"亮"光電二極管結(jié)構(gòu)和"暗"光電二極管結(jié)構(gòu)的匹配對。將 參照使用薄膜光電二極管作為光傳感器的示例來描述該實施例，但是 本發(fā)明本質(zhì)上不限于此。
圖9 (a)示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的光感測系統(tǒng)。如圖9 (a)所示，該光感測系統(tǒng)包括布置在基板13 (例如玻璃基板)上的兩個薄膜光電二極管器件
第一光電二極管器件21，外露于環(huán)境光下；以及 第二光電二極管器件21'，被遮蔽了環(huán)境光，在該光電二極管的 有源區(qū)域14之上包括阻光層24。在該實施例中，將該阻光層示為
反射電極(RE)，但是阻光層不限于此。
根據(jù)本發(fā)明，導(dǎo)電材料層23布置在基本13上暗光電二極管器件21' 的遮光層24與有源區(qū)域之間。在圖9 (a)的實施例中，層23在實質(zhì)上 光感測系統(tǒng)的整個區(qū)域上延伸，具體地在"亮"光電二極管器件21上 延伸，并且，在這種實施例中導(dǎo)電層23是至少部分光透射的，使得"亮 光電二極管"的操作不受顯著影響。優(yōu)選地，導(dǎo)電層23是透明或?qū)嵸|(zhì) 上透明的，使得導(dǎo)電層23對于"亮"光電二極管21對環(huán)境光的靈敏度
只有很小影響或沒有影響，但是，根據(jù)光感測系統(tǒng)的預(yù)期應(yīng)用，可能 不需要完全透明或近似透明的導(dǎo)電層23。例如，層23可以是ITO (氧 化錫銦)層。
如上所述，導(dǎo)電層23至少部分光透射的要求需要僅與光感測系統(tǒng) 操作的預(yù)期波長或波長范圍相關(guān)。類似地，在導(dǎo)電層23透明或?qū)嵸|(zhì)上 透明的實施例中，導(dǎo)電層23在光感測系統(tǒng)操作的預(yù)期波長處或在預(yù)期 波長范圍上透明或?qū)嵸|(zhì)上透明就足夠了。
導(dǎo)電材料層23 (以下為了方便稱為"導(dǎo)電層")有效抑制了在圖9 (b)的現(xiàn)有技術(shù)器件中出現(xiàn)的寄生電容Cp。有效地，導(dǎo)電層23形成了 "法拉第籠(Faraday cage)"，將遮光層(一般而言是金屬層)建立的 任何電場屏蔽在"暗"光電二極管21'的有源區(qū)之外。由于消除了圖9 (b)的寄生電容Cp，假定"亮"光電二極管21的物理特性與"暗" 光電二極管21，的物理特性相同，則"亮"光電二極管21的電學(xué)特性將 與"暗"光電二極管21'的電學(xué)特性相同。(然而，應(yīng)注意，本發(fā)明不
要求在提供對電噪聲的抵御的意義上形成"法拉第籠"。)本發(fā)明的目 的是確保將圖9 (b)的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中放置在"暗"光電二極管之上 的導(dǎo)電阻光層的電效應(yīng)復(fù)制到"亮"光電二極管中，使得"亮"光電 二極管和"暗"光電二極管電匹配或?qū)嵸|(zhì)上匹配。
在所有實際情況下，層23都將電連接至另一元件而不是浮動的。原則上，層23可以連接至電路中的外部接地點、連接至光電二極管之 一的端子(例如，連接至光電二極管之一的陽極或光電二極管之一的
陰極)或連接至恒定DC偏置電位。如果層23電連接至光電二極管之一 的陽極或陰極，則可以利用穿過樹脂層25的"通孔"來實現(xiàn)層23與形 成光電二極管源極/漏極的金屬層SE的接觸。這些通孔可以在圖3的流 程圖中的"創(chuàng)建至SE層的接觸孔"步驟期間形成，同時，由于通孔的
形成使得可以實現(xiàn)與光電二極管的源極/漏極進行電連接。
然而，盡管一般而言優(yōu)選將導(dǎo)電層23連接至某個已知的和/或恒定
的電位，但是，(在多數(shù)情況下)不必這樣做來實現(xiàn)對在"亮"光電二 極管上沒有導(dǎo)電層的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的改進。在允許導(dǎo)電層23的電位浮 動的情況下，導(dǎo)電層23將采取由該層與結(jié)構(gòu)中的其他導(dǎo)電層的相對電 容所確定的某個電位。在許多情況下，影響該電位的"支配"導(dǎo)電層 將是光電二極管的陽極和陰極，因此，對于"亮"光電二極管和"暗" 光電二極管而言該電位實質(zhì)上是類似的，使得如所期望的那樣使"亮" 光電二極管21的電學(xué)特性將與"暗"光電二極管21'的電學(xué)特性相同或 相似。
因此，通過使兩個光電二極管21、 21'彼此良好電匹配("良好電 匹配"意味著兩個光電二極管被制作為在制造容限的范圍內(nèi)具有相同 的布局、朝向、大小、有源區(qū)域的尺寸、有源區(qū)域的摻雜等等，使得 和兩個光電二極管的電學(xué)特性盡可能彼此接近)，使兩個光電二極管的 位置互相靠近以使兩個光電二極管之間的溫度或雜散光強度沒有顯著 差異，以及提供導(dǎo)電層23來抑制圖9 (b)的寄生電容，可以提供一種 光感測系統(tǒng)，其中光電二極管21的輸出與光電二極管21'的輸出之差是 入射到這兩個光電二極管上的環(huán)境光的真實度量。由于這兩個光電二 極管彼此良好電匹配，因此，這些器件的輸出之差可以用于提供與溫 度和工藝變化的效應(yīng)無關(guān)的、對光強度的精確度量。此外，由于兩個 器件受到來自相反側(cè)的近似相同電平的雜散光，因此也可以消除該影 響。
可以使用標(biāo)準的薄膜晶體管制造工藝來制作該實施例的光感測 系統(tǒng)，圖3的流程圖示出了該制造工藝的關(guān)鍵步驟。典型AMLCD的制作涉及沉積ITO層以形成顯示器像素電極的透射部分，并且，該ITO層 可以用于形成導(dǎo)電層23。在制造過程中，可以沉積ITO層并將其構(gòu)圖 為形成顯示器像素電極的透射部分，除了顯示器像素電極之外，該構(gòu) 圖步驟還可以適于形成圖9 (a)的透明導(dǎo)電層。類似地，典型AMLCD 的制作涉及沉積金屬層以形成顯示器像素電極的反射部分，并且，該 金屬層可以用于形成遮光層24。在制造中，可以沉積金屬層并將其構(gòu)
圖為形成顯示器像素電極的反射部分，除了顯示器像素電極之外，該 構(gòu)圖步驟還可以適于形成圖9 (a)的遮光層24。圖4示出了作為參考的 典型顯示器像素結(jié)構(gòu)；層RE是形成顯示器像素電極反射部分的金屬 層，ITO層23，形成了顯示器像素電極的透射部分。
圖9 (a)的實施例的另一特征在于，在樹脂平面化層25之上提供 透明導(dǎo)電層23和遮光層24，而樹脂平面化層25是在層間絕緣體IL之上 提供的。(實際上，可以提供兩個或更多樹脂層，但是為了方便在圖9
(a)中示出了單個樹脂層。)因此，遮光層24 (以及透明導(dǎo)電層23) 與光電二極管21'的有源區(qū)域距離相對較遠，并且與傳統(tǒng)柵極電極(如 圖7的柵極電極19)或由源極鍍層(如圖7的源極鍍層15')形成的遮光 層相比，該遮光層24 (以及透明導(dǎo)電層23)與該有源區(qū)域的距離要明 顯更遠。即使導(dǎo)電層23在屏蔽光電二極管21的有源區(qū)域方面不是完全 有效，然而有源區(qū)域與遮光層24之間相對大的距離將意味著對光電二 極管21'的電學(xué)特性的任何影響都是小的。如圖10所示，與柵極電極(如 圖7的柵極電極19 (圖10中由"口"表示))相比，源極鍍層(如圖7的鍍 層15'(在圖10中由"0"表示))對該電學(xué)特性的影響更小，而源極鍍層 與有源區(qū)域的距離增大是其中的重要因素。
圖10中使用"o"符號示出了圖9 (a)的光電二極管21'的電學(xué)特性， 在該光電二極管中，在有源區(qū)域與遮光層之間提供了ITO層。可以看 到，這與沒有遮光層的光電二極管的電學(xué)特性(由"A"符號表示)非常 接近，在本發(fā)明中，圖9 (a)的光電二極管21'的電流-電壓特性明顯 與沒有柵極層的光電二極管的電流-電壓特性相同。
為了避免導(dǎo)電層23與光電二極管有源層的"i"區(qū)域("I區(qū)域") 之間的平帶電壓增大，導(dǎo)電層23應(yīng)連接至與地電位接近的電壓。可選地，導(dǎo)電層23可以連接至光電二極管陽極或陰極端子中的任一個。
在圖9 (a)中，將導(dǎo)電層23示為在兩個光電二極管21、 21'之上和 之間連續(xù)延伸。然而，本發(fā)明不限于此，可以在遮光層24之下的基板 上提供導(dǎo)電材料的第一區(qū)域23a，可以在"亮"光電二極管21之上的基 板上提供導(dǎo)電材料的第二區(qū)域23b。圖9 (c)中示出了這一點。(不再 重復(fù)描述圖9 (c)中與圖9 (a)中元件相對應(yīng)的元件。)在該實施例中， 在"亮"光電二極管21之上提供的導(dǎo)電材料的第二區(qū)域23b是至少部分 光透射的，并且優(yōu)選地是透明或?qū)嵸|(zhì)上透明的，使其對于"亮"光電 二極管21對環(huán)境光的靈敏度只有很小影響或沒有影響。然而，要在遮 光層24之下提供的導(dǎo)電材料的第一區(qū)域23a原則上不需要是透明或?qū)?質(zhì)上透明或甚至是光透射的，使得導(dǎo)電材料的第一區(qū)域23a原則上可以 由與導(dǎo)電材料的第二區(qū)域23b不同的材料制成(盡管實際上對導(dǎo)電材料 的第一和第二區(qū)域23a、 23b使用不同的材料將需要額外的制作步驟)。 在所有實際情況下區(qū)域23a、 23b都將電連接至另一元件而不是浮 動的。如上所述，原則上它們可以連接至電路中的外部接地點、連接 至光電二極管之一的陽極或光電二極管之一的陰極、或連接至恒定DC 偏置電位。然而，還如上所述，在許多情況下，在許多情況下原則上 可以允許區(qū)域23a、 23b浮動。
在圖9 (c)中，導(dǎo)電材料的第一區(qū)域23a被示為具有與遮光層24 相同的大小和形狀，使得導(dǎo)電材料的第一區(qū)域23a與遮光層24精確同延 (co-extensive)。然而，圖9 (c)的實施例不限于此，導(dǎo)電材料的第 一區(qū)域23a只要形成了有效的法拉第籠，則不需要具有與遮光層24相同 的大小和形狀。
圖9 (a)中的導(dǎo)電材料層23和圖9 (c)中的導(dǎo)電材料的第一和第 二區(qū)域23a、 23b被示為連續(xù)的，具有均勻的厚度。然而，本發(fā)明不限 于此。例如，已知可以使用導(dǎo)電網(wǎng)格來形成法拉第籠，原則上可以通 過使圖9 (a)中的導(dǎo)電材料層23或圖9 (c)中的導(dǎo)電材料的第一和第 二區(qū)域23a、 23b形成導(dǎo)電網(wǎng)格，來實現(xiàn)本發(fā)明(盡管實際上將導(dǎo)電材 料制作成連續(xù)區(qū)域可能被證明是最簡單的制作方法)。
在圖9 (a)和9 (c)中，將遮光層24示為直接布置在導(dǎo)電層23或?qū)щ姴牧系牡谝粎^(qū)域23a上。但是，本發(fā)明不限于此，原則上，在遮光 層24與導(dǎo)電層23或?qū)щ姴牧系牡谝粎^(qū)域23a之間可以有一個或更多個 中間層。此外，盡管在圖9 (a)和9 (c)中將導(dǎo)電層23或?qū)щ姴牧系?第一區(qū)域23a示為直接布置在樹脂平面化層25上，但是，原則上在導(dǎo)電 層23或?qū)щ姴牧系牡谝粎^(qū)域23a與樹脂平面化層25之間可以有一個或 更多個中間層。
在顯示器件中結(jié)合了圖9 (a)或9 (c)的光感測系統(tǒng)的情況下， 圖9 (a)或9 (c)所示的結(jié)構(gòu)可以形成該顯示器件的一個基板。例如， 在該結(jié)構(gòu)包括顯示器像素電極(例如，如上所述參照圖9 (a)而制造 的)的情況下，圖9 (a)或9 (c)中所示的結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成有源矩陣基 板，按照圖4中總體所示的方式，該基板可以與對立基板相對布置，在 對立基板與有源矩陣基板之間布置有液晶層。
在本發(fā)明的第二實施例中，第一實施例中描述的匹配的光電二極 管結(jié)構(gòu)與第二阻光結(jié)構(gòu)BL1、 BL2的使用相結(jié)合，以阻止光從位于基 板13 (顯示器TFT基板)之下的顯示器背光入射。圖12是根據(jù)本發(fā)明 的第二實施例的、結(jié)合了這種第二阻光結(jié)構(gòu)的光感測系統(tǒng)的截面視圖。 除了第二阻光結(jié)構(gòu)之外，圖12的實施例與圖9 (a)的實施例相對應(yīng)， 并且不再重復(fù)描述圖12中與圖9 (a)中元件相對應(yīng)的元件。)如圖12 所示，"暗"和"亮"光電二極管結(jié)構(gòu)均包括該第二阻光結(jié)構(gòu)，并因此 電匹配。該第二阻光結(jié)構(gòu)BL1、 BL2可以由任何合適的不透明材料形 成，并且可以例如由金屬形成。
除了提供第二阻光結(jié)構(gòu)BL1、 BL2外，圖12的實施例總體上與圖9 (c)的實施例相對應(yīng)，不再重復(fù)描述圖12的實施例中與圖9 (c)的實 施例共有的特征。
該實施例的優(yōu)點在于使來自顯示器背光的雜散光的影響最小化。
圖12示出了在每個光電二極管21、21'之后提供的分離的后阻光結(jié) 構(gòu)BL1、 BL2。該實施例不限于此，可以可選地提供連續(xù)的后阻光結(jié) 構(gòu)，如圖12中的虛線所示，該結(jié)構(gòu)在兩個光電二極管2K 21'之后和之 間延伸。
圖12示出了應(yīng)用至圖9 (c)的實施例的后阻光結(jié)構(gòu)，但是該后阻光結(jié)構(gòu)不限于此，可以應(yīng)用至其他實施例，例如圖9 (a)的實施例。
在圖9 (a)、 9 (c)和12的實施例中，阻光層24布置在與光電二極 管21、 21，相同的基板13上。然而，本發(fā)明不限于此。在另一實施例中， 如圖13所示，"暗"光電二極管的阻光層24未布置在與光電二極管21、 21'相同的基板上。
圖13是顯示器件的截面視圖，包括有源矩陣基板17、對立基板18 以及布置在有源矩陣基板17與對立基板18之間的液晶層LC。光電二極 管21、 21，布置在有源矩陣基板17上，用于遮蔽"暗"光電二極管21' 的遮光層布置在對立基板18上。典型AMLCD的制作可以涉及在對立 基板上沉積不透明層(例如金屬層BM)以形成"黑矩陣"，該黑矩陣 通過防止來自顯示器像素部分外圍周圍的電路的、不期望的反射(或 者在透射顯示器中，防止光通過顯示器的非像素部分)來提高顯示圖 像質(zhì)量，并且，該不透明層BM可以用于形成用于遮蔽"暗"光電二 極管21'的遮光層，從而無需提供獨立的遮光層。在制造中，金屬層或 其他不透明層可以沉積在對立基板上，并被構(gòu)圖為形成黑矩陣，除了 黑矩陣之外，該構(gòu)圖步驟可以適于從不透明層BM形成圖13的遮光層。
在圖13的實施例中，有源矩陣基板總體上與圖9 (c)所示的有源 矩陣基板相對應(yīng)(除了省去了圖9 (c)中的遮光層24之外)，不再對其 重復(fù)描述。除了遮光層之外，圖13的對立基板18還包括布置在基板13' 上的對立電極26。
P13的實施例可以可選地應(yīng)用到圖9 (a)中具有在亮光電二極管 和暗光電二極管兩者上延伸的導(dǎo)電材料層23的器件。
例如，圖13的實施例可以用于僅透射并從而在有源矩陣基板上不 包括像素反射電極的AMLCD器件。
本發(fā)明的光感測系統(tǒng)提供了第一輸出和第二輸出，第一輸出來自 "亮"光電二極管21，由環(huán)境光、雜散光、環(huán)境溫度等確定；第二輸 出來自"暗"光電二極管21'，由雜散光、環(huán)境溫度等確定。"亮"光 電二極管21的輸出與"暗"光電二極管21'的輸出之差指示了 "亮"光 電二極管的入射環(huán)境光的電平，優(yōu)選地，本發(fā)明的光感測系統(tǒng)還包括 用于產(chǎn)生指示"亮"光電二極管21的輸出與"暗"光電二極管21'的輸出之差的信號的裝置。
用于產(chǎn)生指示"亮"光電二極管21的輸出與"暗"光電二極管21'
的輸出之差的信號的一個合適的電路是在JP 2005-132928中公開并且 如圖8所示的類型的電路。
圖8的電路30包括第一輸入，用于從"亮"光電二極管21接收 產(chǎn)生的電流Iught;以及第二輸入，用于從"暗"光電二極管21'接收產(chǎn) 生的電流Idadc。電路30執(zhí)行"I至V"轉(zhuǎn)換，并根據(jù)兩個輸入的所產(chǎn)生 的電流來產(chǎn)生輸出電壓。
電路30包括
部分31，將來自"亮"光電二極管的電流轉(zhuǎn)換為電壓；以及部分
32，將來自"暗"光電二極管的電流轉(zhuǎn)換為電壓。
比較器33，將"暗"和"亮"I至V轉(zhuǎn)換電路的輸出進行比較。 電路30操作如下
在第一復(fù)位階段期間，開關(guān)63和67閉合，"亮"和"暗"積分電 容器61和65復(fù)位至地電位。在該階段期間，開關(guān)71也閉合，使得
比較器72的負端Vin.被初始化至參考電壓Vref。
在第二積分階段期間，開關(guān)63、 67和71斷開，開關(guān)62和66閉合。 現(xiàn)在，分別在積分電容器61和65上對來自"亮"和"暗"光電二 極管的電流進行積分，使得比較器72的正和負輸入端處的電壓開 始升高。在該積分階段期間，在比較器的輸入端處的電壓由以下 給出
Vjn+= Ilight't/Cint
Vjn- = Vref + Idark.t/Cjnt
其中，Iught和Idd分別是來自"亮"和"暗"光電二極管的電流； Ciw是積分電容器61、 65的大小。因此，比較器72的負輸入處
的電壓以比正端子更高的值開始積分時間段，但是以更低的速率增大。
相應(yīng)地，在積分時間段的末尾處，對比較器72的輸出進行采樣，以產(chǎn)生對"亮"和"暗"光電二極管電流的相對幅度的l比特數(shù) 字度量。這種對"亮"光電二極管21上的入射光強度的度量不受
溫度、雜散光和工藝變化的影響。 通過以不同的參考電壓Vref值或以不同的積分時間W值來執(zhí)行多 個積分時間段，可以針對每個時間段獲得對入射光強度的更精確測量。 可選地，可以將多個比較器電路集成至顯示器基板上，每個比較器電 路具有不同的參考電壓。可以將來自一對光電二極管的輸出電流發(fā)送
至多個比較器電路中的每一個，來自這多個電路的結(jié)果的組合提供了 對入射光強度的更精確度量。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的顯著優(yōu)點在于，由于提供了導(dǎo)電層23， 最終的輸出指示了 "亮光電二極管"上的入射光強度，并且不受溫度、 雜散光和工藝變化的影響。
原則上，第一、第二或第三實施例的光電二極管結(jié)構(gòu)不限于僅與
圖8的特定比較器電路30—起使用?？梢允褂萌魏魏线m的比較器電路來 獲得指示"亮"光電二極管21的輸出與"暗"光電二極管21'的輸出之
差的信號。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員都應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⒈景l(fā)明的基本構(gòu)思應(yīng)用 至其他已知類型的環(huán)境光傳感器電路。
通過將光電二極管布置為使得"亮"光電二極管21接收環(huán)境光， 本發(fā)明的光感測系統(tǒng)可以用作環(huán)境光傳感器。然而，本發(fā)明的光感測 系統(tǒng)不限于用作環(huán)境光傳感器。本發(fā)明的另一實施例提供了一種圖像 傳感器有源像素電路，包含本發(fā)明的光感測系統(tǒng)(例如根據(jù)圖9 (a)、 9 (c)、 12或13中任一幅的光感測系統(tǒng))。圖14中示出了包含本發(fā)明的 光感測系統(tǒng)在內(nèi)的圖像傳感器有源像素電路。
圖14的圖像傳感器有源像素電路基于由夏普株式會社開發(fā)并在 共同待審的英國專利申請No. 0611537.2和No. 0611536.4中描述的1晶 體管像素電路。
該實施例的電路包括有源像素圖像傳感器電路，其中經(jīng)由以前 向?qū)щ妬聿僮鞯墓怆姸O管21、 21'來實現(xiàn)復(fù)位操作，并通過跨過積分 電容器的電荷注入來實現(xiàn)行選擇操作。圖14中由虛線包圍的元件是顯 示器中一個像素的元件，該元件中包括"暗"和"亮"光電二極管結(jié)構(gòu)21'、 21以及一對開關(guān)M2a、 M2b (例如由薄膜晶體管(TFT)形成) 等等，這對開關(guān)用于選擇"暗"光電二極管21'或"亮"光電二極管21。 與"亮"光電二極管相連接的開關(guān)M2a的柵極連接至承載控制信號 LSEL的控制線，與"暗"光電二極管相連接的開關(guān)M2b的柵極連接至 承載控制信號DSEL的控制線。晶體管M3對一列像素而言是公共的。 現(xiàn)在參考圖14的示意圖和圖15的波形圖來描述該實施例的操作。
在第一 "暗"積分時間段的起始處，通過使信號DSEL為高而將 開關(guān)M2b閉合，并通過使信號LSEL為低而將開關(guān)M2a斷開。因此， 暗光電二極管21'連接至積分電容器。在該第一積分時間段期間 的操作如下進行
o 現(xiàn)在通過臨時發(fā)出復(fù)位信號RST的脈沖，將積分電容器ll的電 壓復(fù)位至初始值。當(dāng)復(fù)位信號RST被置為高時，暗光電二極管21' 以前向?qū)Ｊ讲僮鳎沟梅e分節(jié)點26被復(fù)位至以下電位 Vrst — Vddr — Vd
其中V^是積分節(jié)點的復(fù)位電位；VDDR復(fù)位信號RST的高信號電 平；VD是暗光電二極管的前向電壓。復(fù)位信號的高電位VDDR必 須低于源極跟隨器晶體管M1 (用作放大器)的閾值電壓，以使
該晶體管M1在復(fù)位和隨后的積分時間段期間保持截止。 o 當(dāng)復(fù)位信號RST被置為低時，第一積分時間段開始。在該積分
時間段期間，"暗"光電二極管電流的輸出電流以與入射在"暗"
光電二極管21'上的光子通量成比例的速率對積分電容器C1放 電。在積分時間段的結(jié)尾處，積分節(jié)點26的電壓為 F/jvr = ^"z)w - & 一 "6v/oro々Ar/Cr
其中iphoto是通過"暗"光電二極管21'的電流，t!nt是積分時，
間段，CT是積分節(jié)點的總電容值(CV = C/W + C/^ + Cjrr，其中 C/AT是積分電容器C1， C^是光電二極管的寄生電容，Czv^是晶體 管M1的寄生電容)。O 當(dāng)對像素行進行采樣時，行選擇信號RS的脈沖被置為高?？?過積分電容器C1進行電荷注入，使得積分節(jié)點26的電位增大至
其中^,//和&&//分別是信號RS的高和低電位。
o 現(xiàn)在，積分節(jié)點26的電位被升高至源極跟隨器晶體管M1的閾 值電壓以上，使其形成源極跟隨器放大器，具有位于像素列末端 的偏置晶體管M3。此時，源極跟隨器放大器的輸出電壓指示了 在積分時間段期間積分的"暗"光電二極管中流動的電流。
o 在讀出時間段的結(jié)尾處，信號RS返回低電位，通過跨過積分 電容器C1的注入，將電荷從積分節(jié)點26移除。相應(yīng)地，積分節(jié)點 的電位降至源極跟隨晶體管M1的閾值電壓以下，將其截止。
o 在信號RS位于高電位的時間段期間，源極跟隨器的輸出電壓 可以用于對存儲電容器進行充電，并隨后以與共同待審的英國專 利申請No. 0611537.2和No. 06U536.4中公開的方式相似的方式 來讀出該輸出電壓。這種讀出裝置是公知的，因此在本公開中不 對其進一步描述。
在第二 "亮"積分時間段期間，通過使信號LSEL為高而將開關(guān) M2a閉合，通過使信號DSEL為低而將開關(guān)M2b斷開。因此，"亮" 光電二極管21連接至積分電容器C1。該第二積分時間段期間的操 作以與如上所述類似的方式來進行，除了現(xiàn)在是"亮"光電二極 管21'對積分節(jié)點進行復(fù)位和放電。
可以使用第一積分時間段與第二積分時間段的輸出之差來產(chǎn)生 最終輸出值。
上述第一積分時間段和第二積分時間段可以形成連續(xù)的操作循 環(huán)?？蛇x地，可以僅周期性的執(zhí)行第一 "暗"積分時間段以使傳感器 幀速率的減小最小化。
在圖14中，源極跟隨器晶體管M1的漏極連接至電壓源線VDD，而晶體管M1的源極連接至源極線。線6對于該列的所有傳感器元件是
公共的，并連接至列輸出以及薄膜絕緣柵極場效應(yīng)晶體管M3的漏極。 晶體管M3用作形成針對晶體管M1源極負載的偏置布置，并且其源極 連接至另一電壓源線VSS，其柵極連接至提供參考電壓VB的參考電壓 源。
該實施例的主要優(yōu)點在于減小了圖像傳感器的固定圖案噪聲。由 于"暗"光電二極管與"亮"光電二極管在電學(xué)上彼此等效，所以第 一積分時間段與第二積分時間段的輸出值之差提供了入射光強度的度 量而不受溫度、雜散光和工藝變化的影響。
一個關(guān)鍵點在于，"暗"光電二極管和"亮"光電二極管的結(jié)構(gòu) 在電學(xué)上彼此等效，包括寄生電容。因此，在相同的光照條件下(即 在零環(huán)境光照下)，在行選擇操作期間由像素電路產(chǎn)生的值在第一積分 時間段和第二積分時間段中將是相同的。
本發(fā)明的圖像傳感器不限于圖14的特定電路。本領(lǐng)域技術(shù)人員可 以將本發(fā)明的光感測系統(tǒng)同樣應(yīng)用至任何其他合適類型圖像傳感器有 源像素電路。
圖16示出了本發(fā)明的另一實施例，其中示出了在一個AMLCD像 素內(nèi)集成的光感測系統(tǒng)和圖像顯示元件。(圖16中虛線包圍的元件是 一個像素的元件。)圖16的電路仍基于由夏普株式會社開發(fā)并在共同待 審的英國專利申請No. 0611537.2和No. 0611536.4中描述的1晶體管像 素電路。該AMLCD像素電路27包括
有源像素圖像傳感器電路28，在該實施例中，該電路28與圖14
的電路相對應(yīng)；以及 圖像顯示電路29。 圖像顯示電路29被示為包括紅、綠和藍顯示電路29R、 29G、 29B 在內(nèi)的全色圖像顯示電路。紅、綠和藍圖像顯示電路29R、 29G、 29B 中的每一個包括像素開關(guān)晶體管M3r、 M3g、 M3b、存儲電容器C2r、 C2g、 C2b以及液晶元件CLCr、 CLCg和CLCb。這些顯示元件的操作是 公知的，在本公開中不對其進一步描述。
在圖16示出的實施例中，圖14的電路與顯示元件一起集成在AMLCD的像素中。傳感器讀出驅(qū)動器包括列偏置晶體管M4 (形成具 有像素源極跟隨器晶體管的源極跟隨器放大器)以及VDD連接開關(guān) M5。列偏置晶體管M4的柵極接收參考電壓CB，列偏置晶體管M4的柵 極接收參考電壓^。在共同待審的英國專利申請No. 0611537.2和No. 0611536.4中公開了包括這些器件在內(nèi)的傳感器讀出驅(qū)動器的操作。
圖16的電路的操作總體上與圖14的電路的操作類似之處在于存 在對電容器C1兩端的電壓進行復(fù)位的復(fù)位階段，接著是積分階段，在 所述積分階段將光電二極管之一的輸出電壓(由開關(guān)M2a和M2b中哪 一個為"斷開"來確定)施加至電容器C1。這些階段之后是另一復(fù)位 階段和另一積分階段，在另一積分階段中，將光電二極管中另一個的 輸出電壓施加至電容器C1。
圖17的時間圖示意了可以如何改變顯示器和傳感器定時信號以 允許共享公共像素矩陣列線。
圖14和16的實施例的缺點在于與顯示器件的像素相關(guān)聯(lián)的電路 的大小必須增大至容納附加的開關(guān)和匹配的光電二極管結(jié)構(gòu)。具體地， 當(dāng)如圖16所示將圖像傳感器像素電路集成在顯示器像素中時，傳感器 電路的大小的增大不利地降低了顯示器的性能。另一缺點在于，圖像 傳感器幀速率必須減小至允許測量"暗"信號。
圖18示出了另一實施例的電路圖，該實施例描述了結(jié)合了 "亮" 和"暗"光電二極管的本發(fā)明的光感測系統(tǒng)與圖像顯示元件CLCr、 CLCg和CLCb在一個AMLCD像素電路27內(nèi)的集成。(圖1'8中虛線包圍 的元件是一個像素的元件。)該電路具有兩個積分電容器Cla、 Clb， 一個用于對一個光電二極管21的輸出進行積分(在積分階段中)，另一 個用于對另一光電二極管21的輸出進行積分(在該積分階段中)。在該 實施例中
圖像傳感器像素電路28包括分別如上所述的"亮"和"暗"光 電二極管結(jié)構(gòu)21、 21';"亮"源極跟隨器TFT;源極跟隨器晶體 管Mla、 Mlb，晶體管Mla、 Mlb的柵極分別連接至"亮"和"暗" 光電二極管21、 21'的輸出；"亮"積分電容器Cla;以及"暗"積分電容器Clb。
圖16的顯示器像素電路29與圖18的顯示器像素電路29相對應(yīng)，將 不再對其重復(fù)描述。
圖18的電路還包括總體上由34標(biāo)記的傳感器讀出驅(qū)動器。傳感器 讀出驅(qū)動器34包括兩個列偏置晶體管M4a、 M4b，列偏置晶體管M4a、 M4b被布置為形成具有像素源極跟隨器晶體管Mla、 Mlb的兩個分離 的"亮"源極跟隨器放大器和"暗"源極跟隨器放大器。像素源極跟 隨器晶體管Mla、 Mlb被布置為共享公共漏極連接，使得可以使用一 個像素矩陣列線36來為"暗"和"亮"源極跟隨器電路提供高電源VDD。 傳感器讀出驅(qū)動器34包括連接開關(guān)M5，以在傳感器讀出時間段期間提 供該高電源。
前一實施例的定時圖(圖17)仍示意了可以如何改變顯示器和傳 感器定時信號以允許共享公共像素矩陣列線。
本實施例的優(yōu)點在于，與前一實施例相比，圖像傳感器像素電路 的總大小減小了。盡管本實施例的圖像傳感器像素電路包括一個附加 的電容器，但是與圖16的實施例相比，可以移除一個晶體管和兩個像 素矩陣行信號線。此外，由于同時產(chǎn)生"暗"和"亮"輸出電壓，因 此不需要減小傳感器幀速率。
圖16的實施例和圖18的實施例(程度較低)的缺點在于，像素電 路的大小必須增大至容納附加的"暗"電路元件和匹配的光電二極管 結(jié)構(gòu)。另一實施例提供了一種獲得本發(fā)明益處而不增大像素電路大小 的裝置。
圖19是根據(jù)該另一實施例的顯示器(或顯示器基板)的示意平面 圖。如圖19所示，像素矩陣由交替的、匹配的"暗"和"亮"像素對 組成。每個"亮"像素Pl包括"亮"光電二極管21，每個"暗"像素 Pd包括"暗"光電二極管21'。每個像素(無論"暗"或"亮")包括 顯示器像素電路和傳感器像素電路28，傳感器像素電路28用于確定該 像素的光電二極管的輸出。傳感器像素電路28可以是任何合適的像素 電路，例如共同待審的英國專利申請No. 0611537.2和No. 06U536.4中 公開的傳感器像素電路。每個像素還包括顯示器像素電路29，顯示器像素電路29包括一個或更多個圖像顯示像素。顯示器像素電路29可以 是任何合適的像素電路，這里不再對其詳細描述。
匹配像素對包括一個"亮"像素Pl和一個"暗"像素Pd，因此包 括"亮"光電二極管和一個"暗"光電二極管。"亮"像素被形成為 其中，具有透明柵極層的光電二極管構(gòu)成像素光電二極管；"暗"像素 被形成為其中，具有透明柵極電極和阻光層的光電二極管形成像素
光電二極管。
盡管構(gòu)成本實施例的匹配對的光電二極管在物理上不如之前實 施例那樣靠近，并且從而可能不經(jīng)歷精確相似的溫度、雜散光和工藝 條件，但是，像素電路尺寸典型地足夠小以至于使該差異可忽略。因 此，本實施例仍提供了差分輸出，該差分輸出提供了入射光強度的測 量而不受溫度、雜散光和工藝變化的影響。
權(quán)利要求
1.一種光感測系統(tǒng)，包括布置在基板上的第一光傳感器；布置在所述基板上的第二光傳感器；布置在第一光傳感器之上但不在第二光傳感器之上的第一遮光材料；布置在第一遮光層與第一光傳感器之間的第一導(dǎo)電材料；以及布置在第二光傳感器之上的第二導(dǎo)電材料，其中，第二導(dǎo)電材料是至少部分光透射的，第一導(dǎo)電材料和第二導(dǎo)電材料布置在所述基板上。
2. 如權(quán)利要求l所述的光感測系統(tǒng)，其中，第一導(dǎo)電材料是透明 或?qū)嵸|(zhì)上透明的。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的光感測系統(tǒng)，其中，第二導(dǎo)電材料是透 明或?qū)嵸|(zhì)上透明的。
4. 如權(quán)利要求l、 2或3所述的光感測系統(tǒng)，其中，第一光傳感器與第二光傳感器良好電匹配。
5. 如權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的光感測系統(tǒng)，其中，第二導(dǎo)電材 料與第一導(dǎo)電材料相連續(xù)。
6. 如權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的光感測系統(tǒng)，其中，第二導(dǎo)電材 料與第一導(dǎo)電材料具有實質(zhì)上相同的透明度。
7. 如之前任一權(quán)利要求所述的光感測系統(tǒng)，其中，第一遮光材料 直接布置在第一導(dǎo)電材料上。
8. 如之前任一權(quán)利要求所述的光感測系統(tǒng)，還包括布置在第一 光源之后的第二遮光材料，以及布置在第二光源之后的第三遮光材料。
9. 如權(quán)利要求8所述的光感測系統(tǒng)，其中，第二遮光材料與第三 遮光材料相連續(xù)。
10. 如之前任一權(quán)利要求所述的光感測系統(tǒng)，還包括用于產(chǎn)生指示第一光傳感器的輸出與第二光傳感器的輸出之差的信號的裝置。
11. 如權(quán)利要求10所述的光感測系統(tǒng)，其中，用于產(chǎn)生指示第一光傳感器的輸出與第二光傳感器的輸出之差的信號的裝置包括第一 電容器；第二電容器；用于在復(fù)位時間段中將第一電容器兩端的電壓 復(fù)位并將第二電容器兩端的電壓復(fù)位的裝置；用于在讀出時間段中將來自第一光傳感器的輸出電流提供給第一電容器的裝置；以及用于在所述讀出時間段中將來自第二光傳感器的輸出電流提供給第二電容器 的裝置。
12. 如權(quán)利要求ll所述的光感測系統(tǒng)，包括第一半導(dǎo)體放大元件，第一電容器的第一電極連接至第一放大元件的控制電極并連接至第一 光傳感器的電極，第一電容器的第二電極連接至控制輸入，所述控制 輸入被布置為在感測階段期間接收用于禁用第一放大元件并用于允許 電容器對來自第一光傳感器的光電流進行積分的第一電壓，以及在讀出階段期間接收用于啟用第一放大元件的第二電壓；所述光感測系統(tǒng) 還包括第二半導(dǎo)體放大元件，第二電容器的第一電極連接至第二放大 元件的控制電極并連接至第二光傳感器的電極，第二電容器的第二電 極連接至控制輸入，所述控制輸入被布置為在感測階段期間接收用于 禁用第二放大元件并用于允許電容器對來自第二光傳感器的光電流進 行積分的第一電壓，以及在讀出階段期間接收用于啟用第二放大元件 的第二電壓。
13. 如權(quán)利要求10所述的光感測系統(tǒng)，其中，用于產(chǎn)生指示第一 光傳感器的輸出與第二光傳感器的輸出之差的信號的裝置包括電容 器；用于在第一操作時間段中將所述電容器兩端的電壓復(fù)位并隨后將 來自第一光傳感器的輸出電流提供給所述電容器的裝置；以及用于在 第二操作時間段中將所述電容器兩端的電壓復(fù)位并隨后將來自第二光 傳感器的輸出電流提供給所述電容器的裝置。
14. 如權(quán)利要求13所述的光感測系統(tǒng)，其中，第一光傳感器的輸 出能夠通過第一開關(guān)連接至所述電容器的第一端子，第二光傳感器的 輸出能夠通過第二開關(guān)連接至所述電容器的第二端子，所述第一開關(guān) 和第二開關(guān)能夠彼此獨立地控制。
15. 如權(quán)利要求13所述的光感測系統(tǒng)，包括半導(dǎo)體放大元件，所 述電容器的第一電極連接至所述放大元件的控制電極，并經(jīng)由相應(yīng)的 開關(guān)連接至第一光傳感器的電極和第二光傳感器的電極，所述電容器 的第二電極連接至控制輸入，所述控制輸入被布置為在感測階段期間 接收用于禁用所述放大元件并用于允許所述電容器對來自第一和第二光傳感器中所選的一個光傳感器的光電流進行積分的第一電壓，以及 在讀出階段期間接收用于啟用所述放大元件的第二電壓。
16. 如之前任一權(quán)利要求所述的光感測系統(tǒng)，其中，每個光傳感 器是光電二極管。
17. 如權(quán)利要求16所述的光感測系統(tǒng)，其中，每個光傳感器是p-i-n 光電二極管。
18. 如之前任一權(quán)利要求所述的光感測系統(tǒng)，其中，第一導(dǎo)電材 料和第二導(dǎo)電材料電連接至預(yù)定電位。
19. 如權(quán)利要求19所述的光感測系統(tǒng)，其中，第一導(dǎo)電材料和第二導(dǎo)電材料電連接至地電位。
20. 如權(quán)利要求19所述的光感測系統(tǒng)，其中，第一導(dǎo)電材料和第 二導(dǎo)電材料電連接至第一光傳感器的端子或電連接至第二光傳感器的 端子。
21. —種顯示器，包括權(quán)利要求1至20中任一項所限定的光感測系統(tǒng)。
22. 如權(quán)利要求21所述的顯示器，其中，所述光感測系統(tǒng)包括環(huán) 境光感測系統(tǒng)。
23. 如權(quán)利要求21所述的顯示器，其中，所述光感測系統(tǒng)包括用于感測輸入信號的系統(tǒng)。
24. 如權(quán)利要求21、 22或23所述的顯示器，其中，所述顯示器包括布置在第一基板與第二基板之間的顯示介質(zhì)，并且，第一光傳感器 和第二光傳感器布置在第一基板上。
25. 如權(quán)利要求24所述的顯示器，其中，第一遮光層布置在第二 基板上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光感測系統(tǒng)，包括第一光傳感器(21’)；第二光傳感器(21)；以及第一遮光材料(24)，布置在第一光傳感器(21’)之上但不在第二光傳感器(21)之上，用于阻止環(huán)境光入射至第一光傳感器(21)上。第一導(dǎo)電材料(23a)布置在第一遮光層(24)與第一光傳感器之間，第二導(dǎo)電材料(23b)布置在第二光傳感器之上。第二導(dǎo)電材料(23b)至少部分光透射。在第一遮光層(24)與第一光傳感器之間提供第一導(dǎo)電材料(23a)消除了否則將由典型為金屬層的遮光層(24)建立的任何寄生電容。在第二光傳感器之上提供第二導(dǎo)電材料(23b)確保了兩個光傳感器彼此盡可能緊密電匹配。因此，可以可靠地將第一光傳感器的輸出與第二光傳感器的輸出之差作為環(huán)境光電平的指示。可以通過布置至少部分光透射的導(dǎo)電材料層來提供第一導(dǎo)電材料(23a)和第二導(dǎo)電材料(23b)以覆蓋兩個光傳感器。
文檔編號H01L31/10GK101606245SQ20088000408
公開日2009年12月16日 申請日期2008年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月7日
發(fā)明者克里斯托弗·詹姆斯·布朗, 本杰明·詹姆斯·哈德維恩 申請人:夏普株式會社