本章節為嘗試各種匹配於人眼日視曲線之模擬：改變多層光學鍍 膜厚度、彩色濾光膜塗佈厚度、矽薄膜沈積厚度。最佳化相似之結果：
利用皮耳森相關係數法，得出與人眼視覺之日視曲線的相似度。最後 將環境光感測元件做系統整合。
3-1 創意之元件結構
如圖 3-1 所示，為本元件之結構表示圖。如下分別說明在光二極 體(Photodiode, PD)上，加上紅外線截止(infrared-cutoff, IRC)光學鍍 膜、綠色濾光膜(Green Filter, GF)，觀察頻譜響應是否與日視曲線(即 V(λ), 曲線 102)相似。
圖3-1 測試感測器元件結構示意圖。
1. 紅外線截止(infrared-cutoff, IRC)光學鍍膜＋光二極體 (Photodiode, PD)：
矽光二極體(silicon photodiode)的紅外線靈敏度是使用紅外線截 止(infrared-cutoff, IRC)光學鍍膜之單邊截止(曲線 202)。紅外線截止 光學多層鍍膜技術實行，以廣泛地在現代化鏡片工業中使用。
圖3-2 所示，為曲線 202 之紅外線截止(IRC)光學鍍膜的傳遞在
645 nm 處被截止邊緣。當此塗佈放置在矽光二極體(曲線 108)表面 上時，結果如同曲線204 的靈敏度光譜(編號 IRC+PD 曲線)。雖然此 紅外線截止光學鍍膜檢光裱對所看不見的紅外光沒有任何的感光 度，所產生的靈敏度光譜仍與人眼視覺曲線(即 V(λ), 曲線 102)不相 似。
圖3-2 模擬 IRC 加上 PD 光譜，所得之結果為 IRC+PD 光譜曲線。
2. 綠色濾光膜(Green Filter, GF)＋光二極體(Photodiode, PD)：
在圖3-3 中，藉由結合特殊的綠色濾光膜(如曲線 302 所示)與裸 矽光二極體，而得到相似於人眼視覺曲線102 之光譜形狀，此結果 如圖3-3 所示之曲線 304 之光譜靈敏度。
這種由日本富士軟片(FUJIFILM)公司[14]或是美國Brewer Science 公司[15]製造的濾光膜可廣泛利用與使用在電子之電壓耦合 元件(charge coupling devices, CCD)或互補型金屬氧化半導體 (complementary metal oxide semiconductor, CMOS)與綠色檢光裱
所構成的影像感應器中。這種綠色濾光膜的光譜形狀如曲線302 所 示，其接近人眼視覺的日視曲線之峯值在波長為555 nm 處。
圖3-3 模擬 GF 加上 PD 光譜，所得之結果為 GF+PD 曲線。
然而，幾乎每種的綠色濾光膜在紅外線的波長中是可穿透的。因 此，儘管在可見光的範圍內使形狀相似於日視曲線之綠色濾光膜組成 的光二極體，對於環境光感測的用途其仍非有效的抑制紅外線傳遞。
3-2 模擬分析 CASE--1
在圖3-4 中，完成修改之矽光二極體其接近相似於日視曲線形狀 之方法為結合上述的二個濾光膜，即紅外線截止光學多層鍍膜和綠色 濾光膜，所以兩者會消除彼此的缺點。如圖3-4 所示之 ALS(曲線 402) 為上述的二個濾光膜放置在矽光二極體上之響應光譜結果。
將ALS 曲線標準化形成 ALS'(曲線 404)，使其為一致。並且我 們了解所抑制的表現相當類似於日視曲線(曲線 102)的形狀。當調整 些許綠色濾光膜的厚度，它幾乎完全地相似於日視曲線之光譜峯值的 藍光側壁，而在紅光側壁則有一些差異。此緊密地匹配優於目前市場 上大部份商業產品之環境光感應器(Ambient Light Sensor, ALS)，且 確實比傳統硫化鎘(Cadmium Sulfide, CdS)檢波器(圖 1-2,曲線 106) 好很多。
圖3-4 將 ALS 標準化形成 ALS’，並與日視光譜曲線比較。
因此，使用低成本的矽光二極體，藉由適當波長的紅外線截止光 學多層鍍膜來截止波長的邊緣和適當厚度的綠色濾光膜，能把矽質感 測器的光譜靈敏度形狀轉變成接近相似於人眼類視覺的日視曲線。此 獨特方法對於本論文之環境光感測是非常有用。
CASE--2
在圖3-5 所示，為不同的波長和厚度之多晶矽或單晶矽的矽薄膜 (Poly-silicon Filter, PF)傳遞百分率。可以從曲線了解到長波長比短波 長之薄膜更加容易穿透。這完全由於矽材料之大量吸收短波長之光 源。此描述矽材料的光吸收特性如同吸收濾光膜般抑制短波長。
圖3-5 說明不同波長及厚度之矽晶濾光膜(PF)傳遞百分率。
此濾光膜特性亦成為我們所利用的目的：製造出更好的環境光感 測器，因為多晶矽方便於矽鑄造廠的製程中得到。
當然，矽薄膜的藍光抑制特性如同吸收濾光膜般同樣地存在於所 有其他半導體材料中，像鍺或矽-鍺，且我們的藍光過濾的效果也能 取代矽材。
CASE--3
在圖3-6 中，曲線 602 為多晶矽薄膜沈積於矽光二極體上的效
應，將適當的紅外線截止光學鍍膜和綠色濾光膜組成而放置在矽光二 極體之上於圖3-4 之曲線 404 所示。
當加上裸矽時，能了解到光譜靈敏度在較短之藍光波長處更為傾 斜，如曲線602 所示；當其沈積在元件上時，使檢光裱響應峯值的 藍光側壁消減且紅光側壁變胖之結果，峯值稍微地被位移到較長之波 長處，如曲線604 所示。
圖3-6 沈積矽晶濾光膜(PF)在 PD 外層上，因而改變原始之 PD 與 ALS 曲線。
這種輕鬆將峯值位移的效果是非常有用而且使我們能進一步地 修改檢光裱響應光譜，其表現更加接近如圖 1-2 中之曲線 102 的日視 效應，因為此綠色濾光膜是目前在市場上得到唯一接近日視曲線555 nm 光譜峯值。綠色濾光膜是聚合物材料與綠色染料混合而成的。描 述其化學成分之光譜特性是無變化的。幾乎所有商業的綠光濾光膜產
品所得其峯值大約在540 nm，如圖 3-3 之曲線 302 所示，非準確地 在我們需要的日視感測器之峯值555 nm 處。因此檢光裱峯值波長的 微調能力，對我們此發明之目的是非常重要的。
圖3-6 所示之微調的結果：曲線 604 說明沈積厚度為 0.25 微米 的多晶矽薄膜將峯值波長位移至紅光且同時將光譜的紅光側壁變 胖。此極佳地補償曲線404 之不足的紅光響應。
CASE--4
在圖3-7 中，依照半導體材料所發表出版的資料，利用多晶矽薄 膜厚度的改變，決定檢光裱響應光譜的塑造(修整)和位移程度。
圖3-7 改變矽晶濾光膜(PF)之厚度，其曲線峯值位移的變化。
當固定綠色濾光膜的厚度，分別塗佈厚度250 nm 與厚度 1000 nm 的多晶矽薄膜在矽光二極體上，如圖 3-7 所示，其厚度較薄的光
譜曲線(曲線 702)峯值與厚度較厚的光譜曲線(曲線 704)峯值相比 較，來得更接近人眼日視曲線(曲線 102)。這些薄膜厚度容易在一般 的半導體鑄造廠或實驗室中製作。
CASE--5
然而在圖 3-8 所示，利用綠色濾光膜厚度的改變，也有塑造(修
整)響應光譜的胖瘦和峯值的效果。
圖3-8 改變彩色濾光膜(GF)之厚度，其曲線的變化。
當固定多晶矽薄膜的厚度，分別塗佈厚度500 nm 與厚度 750 nm 的綠色濾光膜在矽光二極體上，如圖3-8 所示，較薄的綠色濾光膜使 光譜曲線變成更胖且將峯值紅移，如同曲線 802；而較厚的則使光譜 曲線可較為苗條(微薄)且將峯值藍移，如同曲線 702。
CASE--6
在圖3-9 中，為修正矽光二極體對日視效應之匹配最佳化選擇，
學生嘗試訂立模擬規則為：首要順序為利用多晶矽薄膜厚度來匹配 (對準)峯值；次要順序則為利用綠色濾光膜來調整靈敏度光譜的胖 瘦。
圖中所示為一些我們匹配的結果例子。在這些曲線之中其最佳地 匹配是曲線902，其為使用厚度 100 nm 的多晶矽薄膜和 820 nm 厚 度的綠色濾光膜。而所有模擬之邊緣645 nm 處皆由紅外線截止所致。
圖3-9 說明本創意之匹配結果的例子。(此例主要為對準峯值) CASE--7
在圖3-10 中，為修正矽光二極體對日視效應之匹配最佳化選 擇，學生嘗試訂立模擬規則為：首要順序為利用綠色濾光膜來調整靈 敏度光譜的胖瘦；次要順序則為利用多晶矽薄膜厚度來匹配(對準)靈 敏度光譜峯值。
圖中所示為一些我們匹配的結果例子。在這些曲線之中其最佳地
匹配是曲線1004，其為使用厚度 300 nm 的多晶矽薄膜和 750 nm 厚 度的綠色濾光膜。而所有模擬之邊緣645 nm 處皆由紅外線截止所致。
圖3-10 說明本創意之匹配結果的例子。(此例主要為對準波形兩側)
3-3 最佳化結構與相似度
利用上述幾個模擬的案例，我們可以得到最佳化之結構。於圖
3-11 中所示，這些曲線之中其最佳化匹配是曲線 1102，其截止邊緣 645 nm 處為紅外線截止光學鍍膜所致，將厚度 100 nm 的多晶矽薄 膜和厚度740 nm 的綠色濾光膜塗佈覆蓋在矽光二極體的外表面上。
最後模擬得到最佳化之結構。
圖3-11 本創意求得之最佳相似於日視曲線之曲線 1102。
最後所得結論：使用多層膜塗佈來抑制裸矽光二極體的紅外線靈 敏度；使用彩色濾光膜塗佈主要為提供改善檢光裱響應光譜的肥胖能 如日視曲線般之外形；使用多晶矽或單晶矽之矽薄膜沈積，能因綠色 濾光膜的光譜不變性限制，使光譜響應峯值朝向更長之波長作微小位 移，因此能達到更接近人眼視覺之日視曲線的相同匹配。
我們可由表3-1、表 3-2 得知，本創意能明顯的改善其匹配結果 及模擬所得最佳相似度之最終參數數據。紅外線截止光學鍍膜與綠光 彩色濾光片皆必須顯露於光二極體之上，方使得皮耳森係數r 之相似 度在90%以上。附加之多晶矽薄膜塗佈，在此也顯而易見其相似平 滑度可改良於99.7%以上。
表3-1 以日視曲線為標準之皮耳森相關係數(相似度)。
Detectors Curve no. Pearson coefficient r ,or, the similarity
Photopic 102 100.00 %
Scotopic 104 51.49 %
Si_PD+GF 304 -17.97 % Si_PD+IRC 204 79.93 % Si + IRC + GF 402 98.62 % (Si+Pf) + IRC + (GfTh) 1102 99.73 %
(Si+Pf2) + IRC + (GfTh2) 1002 99.71 % (Si+Pf3) + IRC + (GfTh3) 1004 99.78 %
表3-2 最佳相似度之最終參數資料。
Simulation Tool for Photodiode, Base=Anode (p), Collector=Cathode (n) Symbol Units Data Name
Ln cm
1.60E-03
Electron diffusion length in the base layer (=sqrt(Dn*Taon))Lp cm
4.00E-03
Hole diffusion length in the collector layer (=sqrt(Dp*Taop))Dn cm^2/s
2.6
Electron diffusion constant in the base layer (=un*K*T/e)Dp cm^2/s
10.7
Hole diffusion constant in the collector layer (=up*K*T/e)Sb cm/s
5.00E+04
Base (P-type) surface recombination velocity Sc cm/s5.00E+04
Collector (N-type) surface recombination velocity wb cm3.00E-04
Base (p/n) junction depthwc cm