专利名称：光学传感器及其制作方法
技术领域：
本发明是关于一种光学传感器及其制作方法，尤指 一种使用富硅介电层(Silicon rich dielectric layer)作为感光层的富硅介电光学传感器及其制作方法。
技术背景由于光纤通讯与各类型薄膜晶体管显示器的应用推陈出新，使得光学传感 器或接收器的需求急速增加。现行的光学传感器以利用三A族元素与五A族 元素材料形成的PN(正掺杂/负掺杂)接面传感器或是PIN(正掺杂/未掺杂/负掺 杂)接面传感器为主，然而PN/PIN接面传感器为非直接能隙(indirect energy gap) 架构，因此光接收效率偏低，且容易受到非目标光源的影响，使得信号噪声较 大。此外对于薄膜晶体管显示器内而言，PN/PIN接面传感器使用的三A族与 五A族材料与薄膜晶体管工艺上具有兼容性问题，且PN/PIN接面传感器的位 置与周边电路毗邻，不仅容易相互干扰，在设计上亦造成开口率与感光效能之 间的取舍。基于上述种种原因，PN/PIN接面传感器已无法满足传感器在光电 领域上的应用，因此新一代的传感器已成为研发的重点。发明内容本发明的目的之一在于提供一种富硅介电层的光学传感器及其制作方法， 以提升光学传感器的应用性及兼容性。为达上述目的，本发明提供一种光学传感器，其包括一富硅介电感光元件 与一信号读取元件。该富硅介电感光元件包括一第一电极、 一第二电极与一感光富硅介电层设置于该第一电极与该第二电极之间，其中该感光富硅介电层中 包含一富硅的氧化硅层(SiOx)、 一富硅的氮化硅层(SiNy)、 一富硅的氮氧化硅 层(SiOxNy)、 一富硅的碳氧化硅层(SiOxCz)或一富硅的碳化硅(SiCz)层。该信 号读取元件与该富硅介电感光元件的该第一电极电性连接，用以读取该感光富 硅介电层产生的一光电信号。为达上述目的，本发明另提供一种光学传感器的制作方法，其包括下列歩 骤。首先提供一基板，并于该基板上形成一信号读取元件。接着于该基板上形 成一第一电极，电性连接该信号读取元件。随后于该第一电极上形成一感光富 硅介电层，其中该感光富硅介电层中包含有多个硅纳米晶粒。之后再于该感光 富硅介电层上形成一第二电极。本发明的具有富硅介电层的光学传感器利用富硅介电层作为感光层，其辅 以硅纳米晶粒架构作为光吸收与电流转换媒介，因此相较于使用的晶格硅的传 统PN/PIN接面传感器，硅纳米晶粒具有直接能隙且其吸收效率与转换效率较 高。另外，本发明具有富硅介电层的光学传感器的制作方法与标准半导体工艺 具有极高兼容性。
图1为本发明的光学传感器的一较佳实施例的示意图；图2为本发明的光学传感器整合于一显示装置的一实施例的示意图；图3为本发明的光学传感器整合于一显示装置的另一实施例的示意图； 图4至图7为本发明光学传感器的制作方法示意图；图8为本发明光学传感器的实验结果图。主要元件符号说明10光学传感器20富硅介电感光元件22第一电极24第二电极26感光富硅介电层30信号读取元件40显示装置42阵列基板44彩色滤光片基板46液晶层48非显示区50显示区52栅极54数据线56像素电极58框胶60基板62信号读取元件64第一电极66感光富硅介电层68第二电极具体实施方式
为更进一步了解本发明的目的、方案及功效，下文特列举本发明的数个较 佳实施例，并配合所附图标、元件符号等，详细说明本发明的构成内容及所欲 达成的功效。请参考图l。图l为本发明的光学传感器的一较佳实施例的示意图。如图1所示，本实施例的光学传感器10包括一富硅介电(silicon-rich dielectric)感光 元件20与一信号读取元件(read out device)30。富硅介电感光元件20的结构类 似电容结构，包括一第一电极22、 一第二电极24，以及一感光富硅介电层 (photo-sensitive silicon-rich dielectric layer)26设置于第一电极22与第二电极24 之间，其中该感光富硅介电层26包含有多个硅纳米晶粒(nanocrystalline silicon)。其中，第一电极22与第二电极24其中之一较佳可包含透明电极，或 由透明电极所构成。于本实施例中，硅纳米晶粒感光元件20可设置于信号读 取元件30的上方，且第一电极24与信号读取元件30电性连接。另外，信号 读取元件30可为任何现行具信号读取功能的元件，例如薄膜晶体管信号读取 元件，其与富硅介电感光元件20的第一电极22电性连接，用以读取感光富硅 介电层26产生的光电信号。本实施例的感光富硅介电层26包含有多个硅纳米晶粒，其中硅纳米晶粒 为直接能隙架构，且感光富硅介电层26的能隙介于1.2至4电子伏特之间， 因此相较于传统PN/PIN接面传感器使用的晶格硅，硅纳米晶粒的感光效率(吸 收效能)与转换效率更高。感光富硅介电层26的材料使用富硅化合物所形成的 富硅材料层，其中富硅化合物的含硅比例大于硅化合物的正当化学计量比例 (stoichiometric ratio),而形成富硅化合物。以硅氧化合物(SiOx)为例，硅化合 物的正当比例为二氧化硅(Si02)，其中硅含量过量超过例如三分之一而形成富 硅化合物(SiOx)， x介于0.1至2之间。在本实施例中，感光富硅介电层26可 以是无内含纳米颗粒型态(Non-nanoparticale-type)的非晶相(amorphous phase) 富硅介电层，此外感光富硅介电层26内亦可包含的硅纳米晶粒的直径介于 0.5~200纳米。感光富硅介电层26的材质选用富硅的氧化硅层(SiOx)、富硅的 氮化硅层(SiNy)、富硅的氮氧化硅层(SiOxNy)、富硅的碳氧化硅层(SiOxCz)、 或富硅的碳化硅(SiCz)层，或上述材料的叠层。若感光富硅介电层26的材料选用硅富氮化硅层(分子式为SiNy)，则y大于0.75且小于1.33，而若感光富硅 介电层26的材料选用富硅氮氧化硅层(分子式为SiOxNy)，则x介于0.1至2 之间，而y介于O.l至1.33_之间。若感光富硅介电层26的材料选用富硅碳氧 化硅层，则其分子式为SiOxCz，且x介于0.1至2之间，而z介于0.1至l之 间。形成的感光富硅介电层26，以富硅的氧化硅层(SiOx)为例，其折射率 (refractive index)约介于1.5至3.75之间，以富硅的氮化硅层(SiNy)为例，其折 射率约介于1.7至3.8之间，以富硅的氮氧化硅层(SiOxNy)为例，其折射率约 介于1.6至3.8之间。感光富硅介电层26的材料除了上述的富硅化合物之外， 感光富硅介电层26亦可使用其它的富硅化合物。在本实施例中，第一电极22选用一金属电极，而第二电极26选用一透明 电极，藉此富硅介电感光元件20可感测由第二电极26方向射入的光线(正面 光)，而由第一电极22方向射入的光线(背面光)则会被第一电极22遮蔽，而可 避免产生干扰。当正面光照射到感光富硅介电层26时，会激发出电子-电洞对 而形成光电流，且光电流可为信号读取元件30所读取。请参考图2。图2为本发明的光学传感器整合于一显示装置的一实施例的 示意图。如图2所示，本实施例中，光学传感器10整合于一显示装置40(例如 一薄膜晶体管液晶显示装置)内，其中显示装置40包括一阵列基板42、 一彩色 滤光片基板44与一液晶层46设置其间。显示装置40包括一非显示区48与一 显示区50，其中光学传感器10设置于非显示区48内。光学传感器10在显示 装置40内作为环境光传感器(ambient light sensor)之用，藉此在显示装置40运 作时可检测环境光的亮度变化而改变显示装置40的背光亮度，使显示画面的 亮度最佳化。值得说明的是光学传感器10的制作可与薄膜晶体管液晶显示装 置的工艺整合，因此信号读取元件30可制作于显示装置40的阵列基板42上， 并与显示装置40的显示区48的薄膜晶体管工艺或周边电路工艺整合。例如， 信号读取元件30的栅极32可与显示区48的薄膜晶体管的栅极52的工艺整合。 另外，设置于信号读取元件30上方的富硅介电感光元件20则可与显示装置 40的像素结构工艺整合。例如在本实施例中，硅纳米晶感光元件20的第一电 极22可为金属电极，并可与显示区44的薄膜晶体管的数据线54的工艺整合、 而第二电极24则可为透明电极，并与显示区48的像素电极56的工艺整合。 另外，在本实施例中，显示装置40具有一框胶58设置于阵列基板42与彩色滤光片基板44之间，且作为环境光传感器的光学传感器10设置于框胶58的 外侧。请参考图3。图3为本发明的光学传感器整合于一显示装置的另一实施例 的示意图，其中为比较两实施例的不同，两实施例使用相同元件符号标注，且 以下仅针对两实施例不同处加以说明，而不作其它重复赘述。如图3所示，与 前述实施例不同处为在本实施例中，作为环境光传感器的光学传感器10设置 于框胶58的内侧，而非如前述实施例设置于框胶58的外侧。请再参考图4至图7。图4至图7为本发明光学传感器的制作方法示意图。 如图4所示，首先提供一基板60，并于基板60上形成一信号读取元件62，其 中于本实施例中信号读取元件62为一薄膜晶体管信号读取元件，但并不限于 此而可视电路设计不同而为其它各类型信号读取元件。如图5所示，接着于基板60与信号读取元件62上形成一第一电极64， 并使第一电极64电性连接信号读取元件62的一端点(node)，例如源极。于本 实施例中，第一电极64选用金属电极，其材质可为任何适合的金属，并利用 物理气相沉积、化学气相沉积或其它方式形成。如图6所示，随后于第一电极64上形成一感光富硅介电层66，并使感光 富硅介电层66中包含有直径介于0.5 200纳米的硅纳米晶粒。本发明的感光 富硅介电层66例如可为富硅氮化硅层或富硅氮氧化硅层，而不论富硅氮化硅 层或富硅氮氧化硅层皆可利用电浆增加化学气相沉积工艺形成，但工艺条件有 所不同，以下分别针对富硅氮化硅层或富硅氮氧化硅层两种材料的形成方式进 行举例说明，但并不以此为限1.使用富硅氮化硅层作为感光富硅介电层进行一电浆增加化学气相沉积工艺形成富硅氮化层，其中反应气体硅甲垸(SiH4; silane)，以及一氮氧来源气体，其中硅甲垸与氮气来源气体的比例介于15至1之间，氮气来源气体可为氨气(NH3)或氮气(N2)其中至少之一；或其它含氮的气体；反应温度250至400。C之间；上下功率300至1700W之间； 压力800至1500 mtorr;以及 反应时间15至120sec。在上述工艺条件下，可利用电浆增加化学气相沉积工艺形成富硅氮化硅层，其分子式为SiNx，且x介于0.75至1.33之间。2.使用富硅氮氧化硅层作为感光富硅介电层进行一电浆增加化学气相沉积工艺形成富硅氮化层，其中反应气体硅甲烷，以及一氮氧来源气体，且硅甲烷与氮氧来源气体的比 例介于5至0.3之间，氮氧来源气体可为例如一氧化二氮； 一氧化二氮，以及 氨气、氮气或氧气其中至少之一；氨气或氮气其中至少之一，以及氧气；或其 它含氮与含氧的气体；反应温度250至400。C之间； .上下功率300至1700W;压力800至1500mtorr;以及反应时间15至120sec。在上述工艺条件下，藉由电浆增加化学气相沉积工艺可形成富硅氮氧化硅 层，其分子式为SiOxNy，且x介于0.1至2之间，y介于0.1至1.33之间。利用上述电浆增加化学气相沉积工艺可直接形成非结晶的感光富硅介电 层66，或是内含有硅纳米晶粒的感光富硅介电层66。在形成感光富硅介电层 66之后可选择性地进行回火工艺，例如是加热回火或是激光回火工艺，在感 光富硅介电层66中形成硅纳米晶粒，或者是增加感光富硅介电层66中硅纳米 晶粒的大小，使感光富硅介电层66的感光效果更佳。如图7所示，最后于感光富硅介电层66上形成一第二电极68。于本实施 例中，第二电极68选用透明电极，其材质可为任何适合的透明导电材质，并 利用物理气相沉积、化学气相沉积或其它方式形成。以本发明的光学传感器对不同环境光强度进行感测，实验结果如图8所 示，在图标中IphotoN22EL曲线显示光学传感器所测出的光电流随环境光强度 增加而增加，另外SNRn22ELA曲线表示信噪比(Signal Noise Ratio; SNR)，也 就是光电流对暗电流(Iphoto/Idark)的比例，图中显示SNR随着光强度增加而增 加，因此环境光强度愈强，本发明的光学传感器的灵敏度愈高。由图8可知， 本发明的光学传感器有更佳的光感测效果。综上所述，本发明的光学传感器及其制作方法具有如下特点1.富硅介电感光元件较佳可设置于最上层，且不与周边电路相邻，因此可降低周边电路与富硅介电感光元件间相互干扰，并可提升开口率。2. 富硅介电感光元件较佳可设置于最上层，因此光线所受到的阻挡较少 而可提高光吸收率。3. 使用硅纳米晶粒架构辅助作为光吸收与电流转换媒介，因此相较于使用的晶格硅的传统PN/PIN接面传感器，硅纳米晶粒具有直接能隙且其吸收效 率与转换效率较高。4. 富硅介电感光元件的下电极(第一电极)为金属电极而上电极(第二电极) 为透明电极，因此于运作时金属电极可完全隔绝非接收面的光线(背面光)射入 并反射接收面的光线(正面光)，故可避免干扰并加强对接收面的光线的吸收效 果。5. 本发明利用富硅介电层作为感光层，其与标准半导体工艺具有极高兼 容性。6. 本发明利用低温(低于40(TC)电浆增加化学气相沉积工艺制作感光富硅 介电层，故可利用玻璃基板或塑料基板作为基底，因此可与显示装置如低温多 晶硅薄膜晶体管液晶显示器整合。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不 背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作 出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权 利要求的保护范围。
权利要求
1. 一种光学传感器，其特征在于，包括一富硅介电感光元件，该富硅介电感光元件包括一第一电极；一第二电极；以及一感光富硅介电层，设置于该第一电极与该第二电极之间，其中该感光富硅介电层中包含有多个硅纳米晶粒；以及一信号读取元件，该信号读取元件与该富硅介电感光元件的该第一电极电性连接，用以读取该感光富硅介电层产生的一光电信号。
2. 如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，该富硅介电感光元件包 括设置于该信号读取元件的上方。
3. 如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，该第一电极为一金属 电极，且该第二电极为一透明电极。
4. 如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，该感光富硅介电层的 该硅纳米晶粒的直径介于0.5至200纳米之间。
5. 如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，该信号读取元件包括 一薄膜晶体管信号读取元件。
6. 如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，该光学传感器包括一 环境光传感器，设置于一显示装置的一非显示区内。
7. 如权利要求6所述的光学传感器，其特征在于，该显示装置具有一框 胶，且该环境光传感器设置于该框胶的外侧。
8. 如权利要求6所述的光学传感器，其特征在于，该显示装置具有一框 胶，且该环境光传感器设置于该框胶的内侧。
9. 如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，该感光富硅介电层为 一富硅氮化硅层，该富硅氮化硅层的分子式为SiNy，且y大于0.75且小于1.33。
10. 如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，该感光富硅介电层为 一富硅氮氧化硅层，该富硅氮氧化硅层的分子式为SiOxNy，且x介于0.1至2 之间，y介于0.1至1.33之间。
11. 如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，该感光富硅介电层的能隙介于1.2至4电子伏特之间。
12. 如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，该感光富硅介电层的 折射率介于1.5至3.8之间。
13. —种光学传感器的制作方法，其特征在于，包括 提供一基板，并于该基板上形成一信号读取元件； 于该基板上形成一第一电极，电性连接该信号读取元件； 于该第一电极上形成一感光富硅介电层，其中该感光富硅介电层中包含有多个硅纳米晶粒；以及于该感光富硅介电层上形成一第二电极。
14. 如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，该第一电极为一金属 电极，且该第二电极为一透明电极。
15. 如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，该感光富硅介电层的 该硅纳米晶粒的直径介于0.5至200纳米之间。
16. 如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，该信号读取元件包括 一薄膜晶体管信号读取元件。
17. 如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，该光学传感器包括一 环境光传感器，设置于一显示装置的一非显示区内。
18. 如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，该感光富硅介电层为 一富硅氮化硅层，该富硅氮化硅层的分子式为SiNy，且y大于0.75且小于1.33 。
19. 如权利要求18所述的制作方法，其特征在于，形成该感光富硅氮化 硅层的方法包括进行一电浆增加化学气相沉积工艺，于该基板上沉积该富硅氮化硅层。
20. 如权利要求19所述的制作方法，其特征在于，该电浆增加化学气相 沉积工艺是利用硅甲垸，以及一氮气来源气体反应形成该富硅氮化硅层，且硅 甲垸与该氮气来源气体的比例介于15至1之间。
21. 如权利要求20所述的制作方法，其特征在于，该氮气来源气体包括 氨气或氮气其中至少之一。
22. 如权利要求19所述的制作方法，其特征在于，该电浆增加化学气相 沉积的反应温度介于250至40(TC之间。
23. 如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，该感光富硅介电层为一富硅氮氧化硅层，该富硅氮氧化硅层的分子式为SiOxNy，且x介于0.1至2 之间，y介于O.l至1.33之间。
24. 如权利要求23所述的制作方法，其特征在于，形成该富硅氮氧化硅 层的方法包括进行一电浆增加化学气相沉积工艺，于该基板上沉积该富硅氮氧化硅层。
25. 如权利要求23所述的制作方法，其特征在于，该龟浆增加化学气相 沉积工艺是利用硅甲垸，以及一氮氧来源气体反应形成该该富硅氮氧化硅层， 且硅甲烷与该氮氧来源气体的比例介于5至0.3之间。
26. 如权利要求25所述的制作方法，其特征在于，该氮氧来源气体包括 一氧化二氮。
27. 如权利要求26所述的制作方法，其特征在于，该氮氧来源气体包括 氨气、氮气或氧气其中至少之一。
28. 如权利要求25所述的制作方法，其特征在于，该氮氧来源气体包括 氨气或氮气其中至少之一，以及氧气。
29. 如权利要求24所述的制作方法，其特征在于，该电浆增加化学气相 沉积的反应温度介于250至40(TC之间。
30. —种光学传感器，其特征在于，包括一富硅介电感光元件，该富硅介电感光元件包括一第一电极； 一第二电极；以及一感光富硅介电层，设置于该第一电极与该第二电极之间；以及 一信号读取元件，该信号读取元件与该富硅介电感光元件的该第一电极电 性连接，用以读取该感光富硅介电层产生的一光电信号。
31. 如权利要求30所述的光学传感器，其特征在于，该感光富硅介电层 包括一非晶相(amorphous phase)富硅介电层。
32. 如权利要求30所述的光学传感器，其特征在于，该感光富硅介电层 中包含有多个硅纳米晶粒。
33. 如权利要求32所述的光学传感器，其特征在于，该感光富硅介电层 的该硅纳米晶粒的直径介于0.5至200纳米。
全文摘要
本发明公开了一种光学传感器及其制作方法，该光学传感器包括一富硅介电感光元件与一信号读取元件。富硅介电感光元件包括一第一电极、一第二电极与一感光富硅介电层设置于第一电极与第二电极之间。信号读取元件与富硅介电感光元件的第一电极电性连接，用以读取感光富硅介电层产生的光电信号。
文档编号H01L31/08GK101276828SQ20081009766
公开日2008年10月1日 申请日期2008年5月22日 优先权日2008年5月22日
发明者卓恩宗, 彭佳添, 林昆志 申请人:友达光电股份有限公司