具有可变光谱响应的固态光探测器的制造方法
【专利说明】具有可变光谱响应的固态光探测器
[0001] 背景
[0002] 1.领域
[0003] 本公开一般地涉及光传感器，更具体地，涉及具有电压可变光谱响应的固态光探 测器。
[0004] 2.【背景技术】
[0005] 光传感器或光探测器具有从科学仪器到消费者电子的各种领域中的许多应用。光 传感器可被用于测量在感兴趣的特定波长处或一个波长范围上的光的属性。例如，颜色分 析器可确定入射光的颜色属性。颜色分析器可被用于比较材料的颜色等级或诸如计算机监 视器或电视机之类的显示器的颜色基准。
[0006] 光谱分析仪测量一个范围的光波长上的光的属性。光谱分析仪可被用于对光源进 行光谱分析以确定光源的光谱属性。光谱分析仪还可被用于光谱分析中（例如，Raman光 谱分析、红外光谱分析等）以确定被照亮的样本的化学或物理属性。
[0007] 许多当前的光传感器使用对一个频率范围中的光敏感的光电二极管。通过使用颜 色过滤器或衍射光栅可检测特定的光分量（即光的颜色、频率、或频率范围）。例如，颜色分 析器可具有带有红色、绿色以及蓝色过滤器的三个光电二极管来分离入射光的各分量。为 了在一个波长范围上感测光强度，光谱分析仪通常使用光学棱镜或衍射光栅来将光分离成 分量波长，并且使用检测经折射或衍射的光的光电二极管阵列来测量光谱分量。
【发明内容】
[0008] 本文中描述的各个实施例涉及具有可变光谱响应的固态光检测器。一些实施例包 括具有电压可变耗尽区厚度的光电二极管，其可在从长波UV到短波红外频带中的任意位 置处生成窄的或宽的响应光谱。一些实施例包括固态设备结构，该固态设备结构形成具有 靠近光检测器的光接受表面的第一耗尽区的第一光电二极管以及具有第二耗尽区的第二 光电二极管，其中第一耗尽区在光接受表面和第二耗尽区之间。第一耗尽区和第二耗尽区 可通过第一和第二光电二极管的公共阳极区分开。
[0009] 第一光电二极管和第二光电二极管的偏置电压可确定耗尽区和公共阳极区的厚 度，以基于入射光的吸收深度来改变第一光电二极管的光谱响应。在各实施例中，第一光电 二极管的第一耗尽区和公共阳极区的厚度是基于公共阳极区的多个接触之间的阻抗测量 来控制。在各实施例中，第一光电二极管的耗尽区和公共阳极区的厚度基于第一光电二极 管耗尽区和/或第二光电二极管耗尽区的电容来控制。
[0010] 测得的第一光电二极管的光电流可在对应于第一光电二极管的第一耗尽区的各 个厚度的多个电压偏置设置下被处理以确定针对入射光的各个范围的光谱依赖的光电流 测量。测得的第二光电二极管的光电流可被用于调整测得的第一光电二极管的光电流以生 成想要的响应。可变光谱响应光检测器可被用于光感测应用，包括人眼响应传感器、颜色分 析器、光谱分析仪等。
[0011] 一些实施例包括用于感测入射光的装置，其包括在光接受表面接收入射光的光检 测器。光检测器可包括在第一耗尽区中吸收入射光的第一部分并响应于所吸收的入射光的 第一部分生成光电流的第一光电二极管。光检测器可包括在第二耗尽区中吸收入射光的第 二部分的第二光电二极管。第一光电二极管的第一耗尽区可位于第二光电二极管的第二耗 尽区和光接受表面之间。装置可包括与光检测器耦合的检测器驱动模块，检测器驱动模块 被配置成对第一光电二极管施加第一偏置电压，其中第一耗尽区的厚度至少部分地基于第 一偏置电压来控制，对第一光电二极管施加与第一偏置电压不同的第二偏置电压，其中第 一耗尽区的厚度至少部分地基于第二偏置电压来控制，在第一和第二偏置电压的每一个下 测量第一光电二极管的光电流以获得至少两个光电流测量，以及至少部分地基于所述至少 两个光电流测量来确定入射光的光谱分量。
[0012] 在一些实施例中，检测器驱动模块被配置为在对第一光电二极管施加第一偏置电 压的同时对第二光电二极管施加第三偏置电压，第二耗尽区的厚度至少部分地基于第三偏 置电压受控，测量第一光电二极管在第三偏置电压下的光电流，在对第一光电二极管施加 第二偏置电压的同时对第二光电二极管施加第四偏置电压，第二耗尽区的厚度至少部分地 基于第四偏置电压受控，以及至少部分地基于第三和第四偏置电压下的光电流测量来确定 入射光的光谱分量。第三和第四偏置电压可被选择为使得第一耗尽区和第二耗尽区之间的 公共阳极区的厚度与施加第一和第二偏置电压时基本相同。公共阳极区的厚度可至少部分 地响应于公共阳极区的阻抗而被控制。检测器驱动模块可被配置成至少部分地基于第一耗 尽区的电容来控制第一耗尽区在第一和第二偏置电压的每一个下的厚度。检测器驱动模块 可被配置成在第一和第二偏置电压中的一个或多个下测量响应于所吸收的入射光的第二 部分的第二光电二极管的光电流以获得一个或多个背栅光电流测量，以及至少部分地基于 至少两个光电流测量和一个或多个背栅光电流测量来确定入射光的第二光谱分量。
[0013] 在一些实施例中，检测器驱动模块包括与第一光电二极管親合的第一电压控制模 块，与第一光电二极管耦合的第一电流测量模块，以及与第一电压控制模块和第一电流测 量模块耦合的处理器模块，处理器模块被配置成至少部分地基于经由第一电流测量模块测 得的至少两个光电流测量以及光吸收深度信息来确定入射光的光谱分量。检测器驱动模 块可包括与第二光电二极管耦合的第二电压控制模块以及与所述第二光电二极管耦合的 第二电流测量模块，其中处理器模块可进一步与第二电压控制模块和第二电流测量模块耦 合，并且其中处理器模块被进一步配置成至少部分地基于经由第二电流测量模块在第一和 第二偏置电压的每一个下测得的光电流测量来确定入射光的光谱分量。
[0014] 一些实施例包括一种用于感测在光接受表面处接收的入射光的方法，所述方法可 包括：对第一光电二极管施加第一偏置电压，第一光电二极管吸收光接受表面和第二光电 二极管的第二耗尽区之间的第一耗尽区中的入射光的第一部分，第一光电二极管响应于所 吸收的入射光的第一部分生成光电流，第一耗尽区的厚度至少部分地基于第一偏置电压受 控，测量第一光电二极管在第一偏置电压处的光电流以获得第一光电流测量，对第一光电 二极管施加第二偏置电压，第一耗尽区的厚度至少部分地基于第二偏置电压受控，测量第 一光电二极管在第二偏置电压处的光电流以获得第二光电流测量，并至少部分地基于第一 光电流测量和第二光电流测量来确定入射光的光谱分量。
[0015] 在一些实施例中，方法进一步包括在对第一光电二极管施加所述第一偏置电压的 同时对所述第二光电二极管施加第三偏置电压，第二耗尽区的厚度至少部分地基于第三偏 置电压受控，测量第一光电二极管在第三偏置电压处的光电流以获得第三光电流测量，在 对第一光电二极管施加第二偏置电压的同时对第二光电二极管施加第四偏置电压，第四偏 置电压不同于第三偏置电压，第二耗尽区的厚度至少部分地基于第四偏置电压受控，以及 至少部分地基于第三光电流测量和第四光电流测量来确定入射光的光谱分量。施加第三和 第四偏置电压可包括将第一耗尽区和第二耗尽区之间的公共阳极区的厚度控制为与施加 第一和第二偏置电压时基本相等。公共阳极区的厚度可至少部分地响应于公共阳极区的阻 抗而被控制。施加第一和第二偏置电压可包括至少部分地基于第一耗尽区的电容来控制第 一耗尽区在第一和第二偏置电压的每一个下的厚度。
[0016] 在一些实施例中，方法包括在所述第一和第二偏置电压中的一个或多个下测量响 应于在所述第二耗尽区中所吸收的入射光的第二部分的背栅光电流，以及至少部分地基于 第一和第二光电流测量中的至少一个和一个或多个背栅光电流测量来确定入射光的第二 光谱分量。确定第二光谱分量可包括将第一和第二光电流测量中的至少一个减去一个或多 个背栅光电流测量的一部分，被从第一和第二光电流测量中的至少一个减去的一个或多个 背栅光电流测量的部分至少部分地基于第一偏置电压。
[0017] 在一些实施例中，方法包括测量第一多个偏置点处的光电流。第一多个偏置点处 的测量可通过迭代地执行以下步骤来进行：通过至少部分地修改第二偏置电压来使第一耗 尽区的厚度增加预定步长厚度，以及测量第一光电二极管的光电流。方法可包括通过至少 部分地基于在第一多个偏置点处测得的光电流和光吸收深度信息来求解矩阵计算来确定 在第二多个波长范围处接收的光的量。在第一多个偏置点处测得的光电流测量的数目可大 于第二多个波长区域的波长范围的数目。方法可包括调整矩阵计算以至少部分地基于一个 或多个偏置点处的测得光电流的度量来调整经计算的光谱响应。测得光电流的度量可包括 组合的