TW201403800A - 光偵測器及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供光偵測器，其包含光致變色玻璃以及設置於光致變色玻璃下方的感光半導體元件，其中光致變色玻璃接收第一波段的光而變色，進而影響可見光波段的通過量，感光半導體元件感測通過光致變色玻璃的可見光波段，據以產生感測信號，以偵測環境中第一波段的光強度。此外，本發明還提供光偵測器的製造方法，其係採用晶圓級製程製造出光偵測器。

Description

光偵測器及其製造方法

本發明係有關於光偵測器，特別有關於結合光致變色玻璃的光偵測器。

目前被應用於製備紫外光偵測器的材料主要為三五族(III-V)金屬之半導體材料，例如氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)等，然而這些材料的價格昂貴，導致紫外光偵測器的製造成本無法降低。因此，有一些研究嘗試以矽基材料取代三五族(III-V)金屬之半導體材料來製備紫外光偵測器，然而，由於紫外光只能在矽基材料很淺的表面產生電子電洞對，並且這些電子電洞對很容易被矽基材料吸收，導致紫外光不容易被矽基材料製備的感測器偵測到。

此外，因為矽的能隙(band gap)很小，導致矽基材料製備的紫外光偵測器不能濾除可見光與紅外光，進而很難準確地偵測紫外光。雖然有一些紫外光偵測器使用濾光片來濾除可見光與紅外光，但是紫外光不容易被矽基材料製備的感測器偵測的問題仍存在。

本發明之實施例提供光偵測器及其製造方法，此光偵測器係由光致變色玻璃與感光半導體元件組合而成，並且光偵測器的製造方法是採用晶圓級製程製造出光偵測器。

依據本發明之一實施例，光偵測器包括：光致變色玻璃，其接收第一波段的光而變色，進而影響可見光波段的 通過量；以及感光半導體元件設置於光致變色玻璃下方，其感測通過光致變色玻璃的可見光波段，據以產生感測信號，以偵測環境中第一波段的光之強度。

依據本發明之另一實施例，光偵測器包括：光致變色玻璃，其接收第一波段的光而變色，進而影響可見光波段的通過量；第一感光半導體元件設置於光致變色玻璃下方，其感測通過光致變色玻璃的可見光波段，據以產生第一感測信號；透明玻璃鄰接光致變色玻璃而設置，讓環境中的可見光波段的光通過；以及第二感光半導體元件設置於透明玻璃下方，其感測通過透明玻璃的環境中的可見光波段，據以產生第二感測信號，其中經由第一感測信號與第二感測信號之間的差異值，以偵測環境中第一波段的光之強度。

此外，依據本發明之一實施例，光偵測器的製造方法包括：提供光致變色玻璃；提供晶圓，其具有複數個感光半導體元件形成於其上；將光致變色玻璃與晶圓接合；以及切割光致變色玻璃與晶圓，以分離這些感光半導體元件，形成複數個光偵測器。

依據本發明之另一實施例，光偵測器的製造方法包括：提供包含複數個光致變色玻璃區與複數個透明玻璃區的玻璃基板，其中每一個光致變色玻璃區至少鄰接一個透明玻璃區；提供晶圓，其具有複數個感光半導體元件形成於其上；將玻璃基板與晶圓接合，其中每一個光致變色玻璃區分別對應至一個感光半導體元件，並且每一個透明玻璃區也分別對應至一個感光半導體元件；以及以一個光致 變色玻璃區和一個透明玻璃區為一個切割單位，切割玻璃基板與晶圓，形成複數個光偵測器。

為了讓本發明之上述目的、特徵、及優點能更明顯易懂，以下配合所附圖式，作詳細說明如下：

參閱第1圖，其係顯示依據本發明之一實施例，光偵測器100的剖面示意圖。光偵測器100包含光致變色玻璃(photochromic glass)107以及在矽基底101中形成的感光半導體元件103，感光半導體元件103例如為互補式金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor；CMOS)感測器或其他可在矽基底中形成並且可感測可見光的半導體元件。另外，在光致變色玻璃107與矽基底101之間還可以設置間隔層(spacer)105，在一實施例中，間隔層105可以在光致變色玻璃107與感光半導體元件103之間產生被間隔層105圍繞的空隙105C。

依據本發明之實施例，光致變色玻璃107可以接收紫外光、紅外光或其他波段的光而變色，針對不同波段的光，光致變色玻璃107可以具有不同材料的塗層或摻雜物。在一實施例中，光致變色玻璃107在接收紫外光、紅外光或其他波段的光之前的顏色較淺或為透明，但是光致變色玻璃107接收紫外光、紅外光或其他波段的光之後的顏色會變深，使得通過光致變色玻璃107的可見光波段的通過量減少；在另一實施例中，光致變色玻璃107在接收紫外光、紅外光或其他波段的光之前的顏色較深，但是光致變色玻 璃107接收紫外光、紅外光或其他波段的光之後的顏色會變淺或為透明，使得通過光致變色玻璃107的可見光波段的通過量增加。

由於光致變色玻璃107會因為接收不同強度的紫外光、紅外光或其他波段的光而產生不同深淺的顏色變化，進而影響光致變色玻璃107的可見光波段的通過量，因此環境中紫外光、紅外光或其他波段的光強度大小與通過光致變色玻璃107的可見光波段的通過量之間具有正比或反比的比例關係，藉由感光半導體元件103感測通過光致變色玻璃107的可見光波段，據以產生感測信號，以偵測出環境中紫外光、紅外光或其他波段的光強度。

參閱第2圖，其係顯示依據本發明之一實施例，光偵測器200的剖面示意圖。光偵測器200除了上述的光偵測器100之外，還增加另一個參考用光偵測器100R鄰接光偵測器100而設置。參考用光偵測器100R中的感光半導體元件103係感測通過透明玻璃109的可見光波段的通過量，參考用光偵測器100R中的感光半導體元件103與光偵測器100中使用的感光半導體元件103相同。

在此實施例中，光偵測器200使用參考用光偵測器100R偵測環境中的可見光波段的強度作為背景值，利用此背景值與光偵測器100中的感光半導體元件103所感測到的通過光致變色玻璃107的可見光波段的通過量之差異值，可以更準確地偵測出在各種不同環境中的紫外光、紅外光或其他波段的光強度。

例如，當光偵測器200在黑暗環境中，例如黑暗室內， 具有較少光線，此時雖然光致變色玻璃107不會接收到紫外光、紅外光或其他波段的光而顏色變深，但是光偵測器100中的感光半導體元件103可以感測到的通過光致變色玻璃107的可見光波段的通過量很少，此感測值與將光偵測器100設置在紫外光、紅外光或其他波段的光強度極大的環境中，光致變色玻璃107因接收紫外光、紅外光或其他波段的光而顏色變深，使得通過光致變色玻璃107的可見光波段的通過量很小時，光偵測器100中的感光半導體元件103所感測到的結果相近，如此會導致光偵測器100發生誤判的情況。

為了克服上述誤判的問題，依據本發明之一實施例，如第2圖所示，在使用光致變色玻璃107的光偵測器100旁另外增設使用透明玻璃109的參考用光偵測器100R，在黑暗環境中，參考用光偵測器100R中的感光半導體元件103所感測到的通過透明玻璃109的可見光波段的通過量也很少，光偵測器100與參考用光偵測器100R兩者的感測值之差異值很小，表示環境中的紫外光、紅外光或其他波段的光的強度很微弱。

另外，當光偵測器200在陽光強烈(可見光強度高)而且紫外光、紅外光或其他波段的光強度高的環境中操作，並且光致變色玻璃107接收紫外光、紅外光或其他波段的光之後顏色會變深，此時光致變色玻璃107因為接收紫外光、紅外光或其他波段的光而顏色變深，光偵測器100中的感光半導體元件103可以感測到的通過光致變色玻璃107的可見光波段的通過量很小，而參考用光偵測器100R 中的感光半導體元件103所感測到的通過透明玻璃109的可見光波段的通過量則很大，光偵測器100與參考用光偵測器100R兩者的感測值之差異值很大，表示環境中的紫外光、紅外光或其他波段的光的強度很高。

參閱第3A-3B圖，其係顯示依據本發明之一實施例，利用晶圓級製程(wafer-level process)製造第1圖的光偵測器100的中間階段之剖面示意圖。如第3A圖所示，首先提供光致變色玻璃107，此光致變色玻璃107的尺寸與後續接合的晶圓102的尺寸相當。在一實施例中，先在光致變色玻璃107的內側表面上黏著間隔層105，間隔層105具有多個空隙105C。

接著，在光致變色玻璃107的內側表面下方提供晶圓102，晶圓102的材料可以是矽基底101，並且在矽基底101上形成多個感光半導體元件103。利用接合製程110將光致變色玻璃107與晶圓102接合在一起，接合後的結構如第3B圖所示，其中間隔層105係設置在光致變色玻璃107與晶圓102之間，並且在光致變色玻璃107與感光半導體元件103之間產生被間隔層105所圍繞的空隙105C。

在另一實施例中，也可以先將間隔層105黏著在晶圓102上，然後再將具有間隔層105黏著於其上的晶圓102與光致變色玻璃107接合。

之後，沿著切割線112對接合後的光致變色玻璃107與晶圓102進行切割製程，以分離這些感光半導體元件103，形成複數個如第1圖所示之光偵測器100。

參閱第3C-3D圖，其係顯示依據本發明之一實施例， 利用晶圓級製程製造第2圖的光偵測器200中的參考用光偵測器100R的中間階段之剖面示意圖。第3C-3D圖與第3A-3B圖的差別在於提供透明玻璃109與晶圓102接合，之後沿著切割線112對接合後的透明玻璃109及晶圓102進行切割製程，以分離這些感光半導體元件103，形成複數個如第2圖所示之光偵測器200中的參考用光偵測器100R。

接著，將由第3A-3B圖的製造方法所製造的一個光偵測器100與由第3C-3D圖所製造的一個參考用光偵測器100R相鄰而接合在一起，即完成如第2圖所示之光偵測器200。

參閱第4A-4B圖，其係顯示依據本發明之另一實施例，利用晶圓級製程製造第2圖的光偵測器200的中間階段之剖面示意圖。如第3A圖所示，首先提供具有多個光致變色玻璃區107與多個透明玻璃區109交錯排列的玻璃基板120，其中每一個光致變色玻璃區107至少鄰接一個透明玻璃區109，此玻璃基板120的尺寸與後續進行接合的晶圓102的尺寸相當。

在玻璃基板120的下方提供晶圓102，晶圓102的材料可以是矽基底101，並且在矽基底101上形成有多個感光半導體元件103，這些感光半導體元件103為相同的感光半導體元件，例如為互補式金氧半導體(CMOS)感光元件。在一實施例中，先於晶圓102上黏著間隔層105，間隔層105具有多個空隙105C，然後利用接合製程110將玻璃基板120與晶圓102接合在一起，接合後的結構如第4B圖所 示，其中每一個光致變色玻璃區107分別對應至一個感光半導體元件103，並且每一個透明玻璃區109也分別對應至一個感光半導體元件103，光致變色玻璃區107所對應的感光半導體元件103與透明玻璃區109所對應的感光半導體元件103是屬於相同的感光半導體元件。

於接合製程110進行之後，間隔層105位於玻璃基板120與晶圓102之間，並且在玻璃基板120的光致變色玻璃區107與感光半導體元件103之間產生被間隔層105所圍繞的空隙105C，以及在透明玻璃區109與感光半導體元件103之間也產生被間隔層105圍繞的空隙105C。

在另一實施例中，也可以先將間隔層105黏著在玻璃基板120的內側表面上，然後再將玻璃基板120與晶圓102進行接合。

之後，以一個光致變色玻璃區107和一個透明玻璃區109為一個切割單位，沿著切割線112對接合後的玻璃基板120與晶圓102進行切割製程，使得切割後的每一個單位都含有一個光偵測器100和一個參考用光偵測器100R，形成複數個如第2圖所示之光偵測器200。

依據本發明之實施例，使用光致變色玻璃與由矽基底材料形成的感光半導體元件組合成光偵測器，利用光致變色玻璃接收紫外光、紅外光或其他波段的光會變色的特性，藉由感光半導體元件感測通過光致變色玻璃的可見光波段的通過量，據以產生感測信號，以偵測出環境中紫外光、紅外光或其他波段的光之強度大小。

由矽基底材料形成的感光半導體元件對於感測可見光 波段的靈敏度高，本發明之實施例的光偵測器藉由感測通過光致變色玻璃的可見光波段的通過量進而推算出環境中紫外光、紅外光或其他波段的光之強度大小，如此可使得本發明之實施例的光偵測器更準確地偵測出環境中紫外光、紅外光或其他波段的光之強度大小。

此外，由矽基底材料形成的感光半導體元件之材料成本相較於三五族金屬之半導體材料的成本低，因此，本發明之實施例的光偵測器除了可以準確地偵測出環境中紫外光、紅外光或其他波段的光之強度大小，還可以大幅地降低光偵測器的製造成本。

雖然本發明已揭露較佳實施例如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。

100、200‧‧‧光偵測器

100R‧‧‧參考用光偵測器

101‧‧‧矽基底

102‧‧‧晶圓

103‧‧‧感光半導體元件

105‧‧‧間隔層

105C‧‧‧空隙

107‧‧‧光致變色玻璃

109‧‧‧透明玻璃

110‧‧‧接合製程

112‧‧‧切割線

120‧‧‧具有多個光致變色玻璃區與多個透明玻璃區的玻璃基板

第1圖係顯示依據本發明之一實施例，光偵測器的剖面示意圖。

第2圖係顯示依據本發明另一實施例，光偵測器的剖面示意圖。

第3A-3B圖顯示依據本發明之一實施例，製造第1圖的光偵測器的中間階段之剖面示意圖。

第3C-3D圖顯示依據本發明之一實施例，製造第2圖的光偵測器中的參考用光偵測器的中間階段之剖面示意圖。

第4A-4B圖係顯示依據本發明之另一實施例，製造第2圖的光偵測器的中間階段之剖面示意圖。

100‧‧‧光偵測器

101‧‧‧矽基底

103‧‧‧感光半導體元件

105‧‧‧間隔層

105C‧‧‧空隙

107‧‧‧光致變色玻璃

Claims (20)

1. 一種光偵測器，包括：一光致變色玻璃，接收一第一波段的光而變色，進而影響一可見光波段的通過量；以及一感光半導體元件，設置於該光致變色玻璃下方，感測通過該光致變色玻璃的該可見光波段，據以產生一感測信號，以偵測環境中該第一波段的光之強度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光偵測器，其中該第一波段的光包括紫外光或紅外光。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光偵測器，其中通過該光致變色玻璃的該可見光波段的通過量與環境中該第一波段的光強度之間具有一比例關係。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光偵測器，其中該感光半導體元件包括形成在矽基底中的互補式金氧半導體元件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光偵測器，更包括一間隔層設置在該光致變色玻璃與該感光半導體元件之間，且該間隔層圍繞一介於該光致變色玻璃與該感光半導體元件之間的空隙。
6. 一種光偵測器，包括：一光致變色玻璃，其接收一第一波段的光而變色，進而影響一可見光波段的通過量；一第一感光半導體元件，設置於該光致變色玻璃下方，感測通過該光致變色玻璃的該可見光波段，據以產生 一第一感測信號；一透明玻璃，鄰接該光致變色玻璃而設置；以及一第二感光半導體元件，設置於該透明玻璃下方，感測一環境中通過該透明玻璃的該可見光波段，據以產生一第二感測信號，其中經由該第一感測信號與該第二感測信號之間的差異值，以偵測該環境中的該第一波段的光強度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光偵測器，其中該第一波段的光包括紫外光或紅外光。
8. 如申請專利範圍第6項所述之光偵測器，其中該第一感光半導體元件與該第二感光半導體元件為相同的感光半導體元件，且該第一與該第二感光半導體元件包括形成在矽基底中的互補式金氧半導體元件。
9. 如申請專利範圍第6項所述之光偵測器，更包括一間隔層設置在該光致變色玻璃與該第一感光半導體元件之間，以及設置在該透明玻璃與該第二感光半導體元件之間，其中該間隔層圍繞一介於該光致變色玻璃與該感光半導體元件之間的空隙，以及圍繞一介於該透明玻璃與該第二感光半導體元件之間的空隙。
10. 一種光偵測器的製造方法，包括：提供一光致變色玻璃；提供一第一晶圓，具有複數個第一感光半導體元件形成於其上；將該光致變色玻璃與該第一晶圓接合；以及切割該光致變色玻璃與該第一晶圓，以分離該些第一 感光半導體元件，形成複數個第一光偵測器。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光偵測器的製造方法，更包括在接合該光致變色玻璃與該第一晶圓的該步驟之前，提供一間隔層黏著於該光致變色玻璃或該第一晶圓上，並且於該光致變色玻璃與該第一晶圓接合之後，該間隔層位於該光致變色玻璃與該第一晶圓之間。
12. 如申請專利範圍第10項所述之光偵測器的製造方法，更包括：提供一透明玻璃；提供一第二晶圓，具有複數個第二感光半導體元件形成於其上；將該透明玻璃與該第二晶圓接合；切割該透明玻璃與該第二晶圓，以分離該些第二感光半導體元件，形成複數個第二光偵測器；以及將一個該第一光偵測器與一個該第二光偵測器相鄰接合在一起，使得該光致變色玻璃鄰接該透明玻璃，並且該第一感光半導體元件鄰接該第二感光半導體元件。
13. 如申請專利範圍第12項所述之光偵測器的製造方法，更包括在接合該透明玻璃與該第二晶圓的該步驟之前，提供一間隔層黏著於該透明玻璃或該第二晶圓上，並且於該透明玻璃與該第二晶圓接合之後，該間隔層位於該透明玻璃與該第二晶圓之間。
14. 如申請專利範圍第12項所述之光偵測器的製造方法，其中該些第一感光半導體元件與該些第二感光半導體元件為相同的感光半導體元件，且該些第一與該些第二感 光半導體元件包括形成在矽基底中的互補式金氧半導體元件。
15. 一種光偵測器的製造方法，包括：提供一包含複數個光致變色玻璃區與複數個透明玻璃區的玻璃基板，其中每一個該光致變色玻璃區至少鄰接一個透明玻璃區；提供一晶圓，具有複數個感光半導體元件形成於其上；將該玻璃基板與該晶圓接合，其中每一個該光致變色玻璃區分別對應至一個該感光半導體元件，並且每一個該透明玻璃區分別對應至一個該感光半導體元件；以及以一個該光致變色玻璃區和一個該透明玻璃區為一個切割單位，切割該玻璃基板與該晶圓，形成複數個光偵測器。
16. 如申請專利範圍第15項所述之光偵測器的製造方法，更包括在接合該玻璃基板與該晶圓的該步驟之前，提供一間隔層黏著於該玻璃基板或該晶圓上，並且於該玻璃基板與該晶圓接合之後，該間隔層位於該玻璃基板與該晶圓之間。
17. 如申請專利範圍第16項所述之光偵測器的製造方法，其中該間隔層具有複數個空隙，並且於該玻璃基板與該晶圓接合之後，該些空隙介於該些光致變色玻璃區與該些感光半導體元件之間，以及介於該些透明玻璃區與該些感光半導體元件之間。
18. 如申請專利範圍第15項所述之光偵測器的製造方法，其中該些感光半導體元件包括形成在矽基底中的互補 式金氧半導體元件。
19. 如申請專利範圍第15項所述之光偵測器的製造方法，其中每一個該光偵測器包含一個該光致變色玻璃區和一個該透明玻璃區，以及兩個相鄰的感光半導體元件分別對應至該光致變色玻璃區和該透明玻璃區。
20. 如申請專利範圍第19項所述之光偵測器的製造方法，其中相鄰的兩個感光半導體元件為相同的感光半導體元件。