熱門光傳感器產(chǎn)品分析

繼蘋果、三星在手機(jī)和平板電腦上應(yīng)用了光傳感器之后，光傳感器開(kāi)始大范圍的應(yīng)用在了消費(fèi)類電子產(chǎn)品上。全球各品牌的手機(jī)平板廠商，包括中國(guó)手機(jī)廠商如中興，華為，酷派，聯(lián)想等，紛紛推出了應(yīng)用組合或獨(dú)立的光傳感器的產(chǎn)品。激增的終端應(yīng)用，帶動(dòng)了光傳感器市場(chǎng)的迅速成長(zhǎng)。奧地利微電子(AMS) 、凌耀科技(Capella) 、安華高(Avago)、夏普(Sharp) 、英特矽爾(Intersil) 、美信(Maxim)等廠商是光傳感器的主要供應(yīng)商，其中奧地利微電子(AMS)和來(lái)自臺(tái)灣的凌耀科技(Capella)在整體光傳感器市場(chǎng)的占有率之和超過(guò)五成。

光傳感器在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中主要有四種應(yīng)用類型：環(huán)境光傳感器，接近傳感器，RGB傳感器和手勢(shì)傳感器。環(huán)境光傳感器(ALS)，可用來(lái)測(cè)量手機(jī)或平板電腦周圍的環(huán)境光強(qiáng)度，以調(diào)整屏幕亮度并節(jié)省電池電量；接近傳感器，當(dāng)手機(jī)放到頭部附近時(shí)禁用手機(jī)的觸屏，以避免不需要的輸入，并關(guān)掉顯示屏燈光從而節(jié)省電量；RGB傳感器，通過(guò)紅、綠和藍(lán)色波長(zhǎng)測(cè)量空間的色溫，以校正設(shè)備現(xiàn)實(shí)的白平衡；手勢(shì)傳感器，可以在用戶不使用觸控功能的情況下也能操作手機(jī)或平板電腦，大大提升了用戶體驗(yàn)。

奧地利微電子(AMS)于2011年收購(gòu)了總部位于美國(guó)德州的光傳感技術(shù)創(chuàng)新廠商Taos，為其奠定了成為首席光傳感器解決方案供應(yīng)商的基礎(chǔ)。奧地利微電子(AMS)的環(huán)境光與接近傳感器的組合產(chǎn)品TMD2771被廣泛地應(yīng)用在眾多國(guó)內(nèi)外智能手機(jī)品牌中，如國(guó)外品牌三星的Galaxy終端系列、LG的Optimus系列、Nokia的Lumia系列、Pantech、NEC、Fujistu、Xolo等，國(guó)內(nèi)品牌華為Ascend系列、聯(lián)想樂(lè)Phone系列、中興中高端機(jī)型、步步高vivo系列等等，其應(yīng)用涵蓋了高中低端全線產(chǎn)品。

TMD2771為環(huán)境光，接近傳感器和紅外LED的三合一傳感器，采用了開(kāi)孔封裝，封裝尺寸為3.94 mm x 2.4 mm x 1.35 mm。環(huán)境光和接近傳感器由同一顆集成了PD和ASIC的芯片實(shí)現(xiàn)。

圖一 TMD2771開(kāi)封概貌圖

TMD2771的ASIC芯片采取了SOI工藝，工藝節(jié)點(diǎn)為0.35um，由三層鋁布線和一層多晶硅組成，芯片面積約1.85mm2。外延層厚度約為18um。

圖二 TMD2771 芯片全圖以及PD區(qū)域

四個(gè)象限的PD陣列，都采用相同的結(jié)構(gòu)，但在N阱的尺寸上有所差別。N阱與P型外延（襯底）構(gòu)成光電二極管，金屬與N+注入?yún)^(qū)相連構(gòu)成器件一端，另外一端通過(guò)旁邊的P阱接觸孔，連接到模擬地。N阱之間的P+注入?yún)^(qū)沒(méi)有參與構(gòu)成光電二極管，而是為了加強(qiáng)對(duì)表面光生載流子的收集, 在感光單元周圍設(shè)置了一圈P+ 注入保護(hù)環(huán), 與地電平相連，同時(shí)可以防止寄生晶體管N阱-P型外延（襯底）-N阱導(dǎo)通。 I和II象限的N阱尺寸一致，N阱深約3.0um，N阱寬約3.2um；III和IV象限的N阱尺寸一致，N阱深約1.8um，N阱寬約2.5um。

圖三 I和II象限PD的摻雜形貌

圖四 III和IV象限PD的摻雜形貌

金屬層覆蓋的二極管主要是檢測(cè)紅外光，金屬層未覆蓋的二極管檢測(cè)可見(jiàn)光和紅外光。這兩個(gè)二極管的摻雜形貌一致。根據(jù)PD的摻雜形貌推斷，該區(qū)域的N阱摻雜由多次離子注入形成，相比擴(kuò)散工藝，成本較高。

臺(tái)灣凌耀科技Capella Microsystems，原本專職研發(fā)光電相關(guān)應(yīng)用晶片，后來(lái)在與電視客戶合作時(shí)，順勢(shì)切入光感測(cè)IC技術(shù)領(lǐng)域，并由此再分出距離感測(cè)IC等產(chǎn)品線。凌耀科技于2008年推出第一顆將紅外接近傳感器與環(huán)境光傳感器整合在一起的芯片，目前市場(chǎng)占有率僅次于奧地利微電子。

被應(yīng)用在HTC One上的CM36682為環(huán)境光，接近傳感器和紅外LED的三合一傳感器，采取開(kāi)孔封裝，封裝尺寸為4.02 mm x2.02 mm x1.10 mm。環(huán)境光和接近傳感器也由同一顆集成了PD和ASIC的芯片實(shí)現(xiàn)。

圖五 CM36682 封裝縱向結(jié)構(gòu)

其ASIC芯片也采取了SOI工藝，工藝節(jié)點(diǎn)0.35um，由三層鋁布線和一層多晶硅組成，芯片面積約1.38 mm2。

圖六 CM36682芯片全圖

該芯片內(nèi)包含有7個(gè)光電二極管，PD4~PD7結(jié)構(gòu)一致，PD1,PD2和PD3各不相同。

圖七 CM36682 PD平面染色

除PD3以外，其余6個(gè)均覆蓋有Ag。

圖八 PD1縱向圖

自今年4月份Samsung推出帶有手勢(shì)識(shí)別功能的Galaxy S4后，該機(jī)型迅速占領(lǐng)了智能手機(jī)高端市場(chǎng)，截止到今年10月底，S4的全球出貨量已達(dá)到4000萬(wàn)部。S4的手勢(shì)識(shí)別功能由Maxim提供的MAX88920實(shí)現(xiàn)。

MAX88920為手勢(shì)識(shí)別，接近傳感器和紅外LED的三合一傳感器，同樣采用了開(kāi)孔封裝，封裝尺寸為5.62 mm x 2.81 mm x 1.20 mm，相比TMD2771，大了不少。同樣，其手勢(shì)識(shí)別和接近傳感器由同一顆集成了PD和ASIC的芯片實(shí)現(xiàn)。

圖九 MAX88920封裝縱向結(jié)構(gòu)[!--empirenews.page--]

其ASIC芯片工藝節(jié)點(diǎn)為0.25um,由四層布線和一層多晶硅組成，芯片面積約1.73 mm^2。

圖十 MAX88920 芯片全圖以及PD區(qū)域

四個(gè)象限的PD陣列，都采用相同的結(jié)構(gòu)，并且阱的尺寸一致。橫向尺寸較大的N阱與P型襯底構(gòu)成光電二極管。橫向尺寸較小的N阱沒(méi)有參與構(gòu)成光電二極管，起到隔離左右兩個(gè)光電二極管的作用。 阱深約1.7um，構(gòu)成二極管的N阱的阱寬約9.2um，起隔離作用的N阱寬約2.0um。

圖十一 MAX88920 PD的摻雜形貌

該芯片內(nèi)的光電二極管的結(jié)構(gòu)是MAXIM專利US2012/0280904 A1中所提到的檢測(cè)手勢(shì)的實(shí)現(xiàn)方法之一。

上面介紹的三款產(chǎn)品都為組合產(chǎn)品。組合產(chǎn)品相比單一功能的產(chǎn)品，具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有助于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)綜合控制，同時(shí)能降低成本。市面上出現(xiàn)了組合程度越來(lái)越高的產(chǎn)品，如Sharp的GP2AP050A00F和Silicon Labs的Si114x，前者為手勢(shì)、接近和RGB傳感器三者的組合，后者則為手勢(shì)、接近和光線傳感器三者的組合。封裝的開(kāi)孔設(shè)計(jì)、如何提高檢測(cè)靈敏度和抗干擾能力仍然是光傳感器面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，我們將持續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域的技術(shù)革新。

作者：張文燕

長(zhǎng)期從事電子產(chǎn)品分析工作，關(guān)注領(lǐng)域包括消費(fèi)類電子，半導(dǎo)體產(chǎn)品以及各類先進(jìn)傳感器。 對(duì)集成電路、MEMS以及先進(jìn)傳感器技術(shù)、市場(chǎng)有超過(guò)10年的深入研究。張文燕現(xiàn)任上海微技術(shù)工業(yè)研究院工程信息部總監(jiān)。曾供職Techinsights公司，任產(chǎn)品分析部經(jīng)理。wyzhang@sitrigroup.com