繼蘋果、三星在手機和平板電腦上應用了光傳感器之后，光傳感器開始大范圍的應用在了消費類電子產品上。全球各品牌的手機平板廠商，包括中國手機廠商如中興，華為，酷派，聯想等，紛紛推出了應用組合或獨立的光傳感器的產品。激增的終端應用，帶動了光傳感器市場的迅速成長。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商，其中奧地利微電子(AMS)和來自臺灣的凌耀科技(Capella)在整體光傳感器市場的占有率之和超過五成。

光傳感器在消費類電子產品中主要有四種應用類型：環(huán)境光傳感器，接近傳感器，RGB傳感器和手勢傳感器。環(huán)境光傳感器(ALS)，可用來測量手機或平板電腦周圍的環(huán)境光強度，以調整屏幕亮度并節(jié)省電池電量；接近傳感器，當手機放到頭部附近時禁用手機的觸屏，以避免不需要的輸入，并關掉顯示屏燈光從而節(jié)省電量；RGB傳感器，通過紅、綠和藍色波長測量空間的色溫，以校正設備現實的白平衡；手勢傳感器，可以在用戶不使用觸控功能的情況下也能操作手機或平板電腦，大大提升了用戶體驗。

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

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的芯片實現。

圖一 TMD2771開封概貌圖

TMD2771的ASIC芯片采取了SOI工藝，工藝節(jié)點為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

四個象限的PD陣列，都采用相同的結構，但在N阱的尺寸上有所差別。N阱與P型外延（襯底）構成光電二極管，金屬與N+注入區(qū)相連構成器件一端，另外一端通過旁邊的P阱接觸孔，連接到模擬地。N阱之間的P+注入區(qū)沒有參與構成光電二極管，而是為了加強對表面光生載流子的收集, 在感光單元周圍設置了一圈P+ 注入保護環(huán), 與地電平相連，同時可以防止寄生晶體管N阱-P型外延（襯底）-N阱導通。 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紅外光，金屬層未覆蓋的二極管檢測可見光和紅外光。這兩個二極管的摻雜形貌一致。根據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，相比擴散工藝，成本較高。

臺灣凌耀科技Capella Microsystems，原本專職研發(fā)光電相關應用晶片，后來在與電視客戶合作時，順勢切入光感測IC技術領域，并由此再分出距離感測IC等產品線。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，目前市場占有率僅次于奧地利微電子。

被應用在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的芯片實現。

圖五 CM36682 封裝縱向結構

其ASIC芯片也采取了SOI工藝，工藝節(jié)點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

該芯片內包含有7個光電二極管，PD4~PD7結構一致，PD1,PD2和PD3各不相同。

圖七 CM36682 PD平面染色

除PD3以外，其余6個均覆蓋有Ag。

圖八 PD1縱向圖

自今年4月份Samsung推出帶有手勢識別功能的Galaxy S4后，該機型迅速占領了智能手機高端市場，截止到今年10月底，S4的全球出貨量已達到4000萬部。S4的手勢識別功能由Maxim提供的MAX88920實現。

MAX88920為手勢識別，接近傳感器和紅外LED的三合一傳感器，同樣采用了開孔封裝，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，其手勢識別和接近傳感器由同一顆集成了PD和ASIC的芯片實現。

圖九 MAX88920封裝縱向結構[!--empirenews.page--]

其ASIC芯片工藝節(jié)點為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

四個象限的PD陣列，都采用相同的結構，并且阱的尺寸一致。橫向尺寸較大的N阱與P型襯底構成光電二極管。橫向尺寸較小的N阱沒有參與構成光電二極管，起到隔離左右兩個光電二極管的作用。 阱深約1.7um，構成二極管的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

該芯片內的光電二極管的結構是MAXIM專利US2012/0280904 A1中所提到的檢測手勢的實現方法之一。

上面介紹的三款產品都為組合產品。組合產品相比單一功能的產品，具有技術優(yōu)勢，有助于系統開發(fā)綜合控制，同時能降低成本。市面上出現了組合程度越來越高的產品，如Sharp的GP2AP050A00F和Silicon Labs的Si114x，前者為手勢、接近和RGB傳感器三者的組合，后者則為手勢、接近和光線傳感器三者的組合。封裝的開孔設計、如何提高檢測靈敏度和抗干擾能力仍然是光傳感器面臨的技術挑戰(zhàn)，我們將持續(xù)關注該領域的技術革新。

作者：張文燕

長期從事電子產品分析工作，關注領域包括消費類電子，半導體產品以及各類先進傳感器。 對集成電路、MEMS以及先進傳感器技術、市場有超過10年的深入研究。張文燕現任上海微技術工業(yè)研究院工程信息部總監(jiān)。曾供職Techinsights公司，任產品分析部經理。wyzhang@sitrigroup.com