专利名称：在固态照明系统中用于色温控制的硅绝缘体光电二极管光学监测系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种固态照明系统，更特别地是，涉及一种在固态照明系统中用于色温控制的硅绝缘体光电二极管光学监测系统。
通过混合三种(红、绿和蓝)或四种(红、绿、蓝和琥珀色)不同颜色的发光二极管(LED)的输出而制成固态白灯。各种颜色的LED的强度(电流)决定灯的颜色(即“白度”)。目前，由于LED的随时间改变的输出的特性，在LED中仅通过电流监测(电感测)的颜色控制是不可能的。因此，需要一种能鉴别各个LED的强度(即颜色)的光学监测(光感测)系统。
现有的光学监测系统通常利用分立的光电二极管来监测固态白灯的各个LED的强度。通过感测各LED的各种颜色(以时间顺序)或通过对于光电二极管使用滤光器来完成色温确定。不幸地，对于分立的光电二极管和外部滤光器的应用增加了灯的部件数、制造该灯所需要的制造步骤的数目并且最终增加了该灯的最终成本。
因此，需要一种光学监测系统，该系统能够在固态白灯的所有LED都同时照明的情况下确定固态白灯的色温而不需要利用外部滤光器。此外，需要一种光学监测系统，该系统包括多个可以与固态灯的驱动电子装置集成在一起并且以相同工艺形成的光电二极管，从而降低灯的部件数和成本。此外，需要一种光学监测系统，该系统包括多个可以利用硅绝缘体(SOI)工艺制造并且具有由入射光波长确定的输出信号的光电二极管。该信号可以用来唯一地确定并调节来自灯的各LED的混合光的彩色含量。
本发明提供一种在固态照明系统中用于色温控制的硅绝缘体光电二极管光学监测系统。本发明同样提供一种形成硅绝缘体光电二极管光学监测系统的方法。
在第一方面，本发明提供一种形成硅绝缘体(SOI)光电二极管光学监测系统的方法，包括提供多个SOI光电二极管，其中每个SOI光电二极管包括硅衬底、形成在硅衬底上的埋入氧化层、以及形成在埋入氧化层上的硅层，并且其中每个SOI光电二极管的硅层具有不同的厚度；关于波长和硅层的厚度确定穿过每个SOI光电二极管到达硅衬底的入射光的比例；以及基于所确定的比例计算入射光的彩色分量强度。
在第二方面，本发明提供一种硅绝缘体(SOI)光电二极管，包括具有掺杂有第一掺杂剂类型的第一部分和掺杂有第二掺杂剂类型的第二部分的硅衬底，该第一和第二部分形成p-n结；形成在该硅衬底上的埋入氧化层；形成在该埋入氧化层上的硅层，其中穿过SOI光电二极管到达硅衬底的入射光的数量关于波长而与硅层的厚度成比例；形成在该硅层上的场氧化层，其中该场氧化层的厚度控制该硅层的厚度；在该硅衬底上延伸的沟槽；以及形成在该沟槽中的接触件。
在第三方面，本发明提供一种形成硅绝缘体(SOI)光电二极管的方法，包括提供SOI结构，该SOI结构包括硅衬底、形成在硅衬底上的埋入氧化层、形成在埋入氧化层上的硅层以及形成在硅层上的场氧化层；通过调节场氧化层的厚度来调节硅层的厚度，其中穿过SOI光电二极管到达硅衬底的入射光的数量关于波长而与硅层的厚度成比例；形成沟槽以暴露硅衬底的一部分；以及在该沟槽内形成接触件。
下面，根据结合附图进行的对本发明的不同方面的详细描述，本发明的这些和其他的特征将变得更加明白易懂，其中
图1是根据本发明一个实施例制造的SOI光电二极管的截面图；图2说明的是包含三个根据本发明的SOI光电二极管的光学监测系统；图3是根据本发明另一实施例制造的SOI光电二极管的截面图；图4和5说明的是用来将本发明的SOI光电二极管两端的电压转化为适于处理的电学量的典型电路。
需要注意的是，附图仅仅是示意图，并非意图描绘本发明的具体参数。附图意在描述本发明的典型方面，因此并不能认为是对本发明范围的限定。
图1中示出了根据本发明的SOI光电二极管10。该SOI光电二极管10利用标准的SOI结构制造，所述结构包括n型硅衬底12、形成在n型硅衬底12上的埋入氧化(BOX)层14、形成在BOX层14上的硅层16以及形成在硅层16上的场氧化层18。SOI结构典型地提供在SOI晶片上。需要注意的是，用于这些LED的控制电子装置通常形成在SOI晶片的其他部分的硅层16中。SOI结构由已知技术制造，此处不再详细描述。
利用标准蚀刻技术在SOI结构中形成沟槽20。该沟槽20向下延伸穿过SOI结构到达n型硅衬底12。利用已知技术通过沟槽20将一个P+区域22注入n型硅衬底12。在p+区域22和n型硅衬底12的界面处形成SOI光电二极管10的p-n结，其中p+区域22形成光电二极管10的阳极，而n型硅衬底12形成光电二极管10的阴极。随后，利用已知技术在p+区域22上形成P+金属接触件24，该P+金属接触件24沿着SOI结构的侧面并且部分地位于场氧化层18的顶部表面上。如图1中所示，该P+金属接触件24形成SOI光电二极管10的光电二极管孔径26。该P+金属接触件24同样提供到p+区域22(即，SOI光电二极管10的阳极)的接触。对n型硅衬底12(即，SOI光电二极管10的阳极)也提供相应的接触件(未示出)。
SOI光电二极管10的硅层16用作滤光器(长波通过)。具有相关波长的光穿过光电二极管孔径26、场氧化层18、硅层16、BOX层14而进入n型衬底，并在SOI光电二极管10的n型硅衬底12中产生电子-空穴对(EHP)。这些EHP随后由它们各自的接触件(电子到阴极接触件(未示出)以及空穴到p+金属接触件26)收集，从而产生电压(.开路)或电流(短路)。电流量与所产生的EHP数量成比例，而所产生的EHP数量与入射光强度成比例。
在本发明的SOI光电二极管10中，通过利用作为长波通过滤光器的硅层16而实现彩色辨别，其中，硅层16的厚度确定到达n型硅衬底12的入射光的比例。通过调节在硅层16中生长的场氧化层18所到达的深度，可以制造具有不同厚度的硅层16。如图2中所示，根据本发明的一个实施例，可以通过标准SOI工艺来制造分别具有0.4、0.9和1.4μm的厚度的硅层16，以制造包括三个SOI光电二极管101、102和103的光学监测系统。这种光学监测系统可以用来监测利用三个LED(即蓝、绿和红色)产生的白光。需要注意的是，这些厚度仅代表可用于实施本发明的多个可能的厚度设置的其中一个。此外，虽然图2中所示的光学监测系统包括三个SOI光电二极管101、102和103，但是，如果白光是利用四个LED(即蓝、绿、红和琥珀色)产生的，则可以利用第四个SOI光电二极管(未示出)。
到达n型硅衬底12的入射光的比例与波长λ和硅层16的厚度x有关，该比例等于e-aλx，其中aλ是硅层16的吸收系数。下表针对具有0.4、0.9和1.4μm厚度的硅层16的三个SOI光电二极管10列出了对于不同入射光波长λ和不同硅层16的厚度x的这种比例
由于其导致一个具有三个等式和三个未知量的系统，所以可以从入射到具有不同硅层16的厚度的三个SOI光电二极管10上的光中提取彩色分量。换言之，如果将上面的滤光系数矩阵表示为Λ，并且将表示入射光的彩色含量的矢量标记为c，则光电二极管信号的矢量i将是i＝Λ*c。为了恢复彩色分量，可以应用等式c＝Λ-1*i。
根据本发明的如图3所示的SOI光电二极管30的可选实施例具有比SOI光电二极管10更好的光灵敏度。该SOI光电二极管30包括n型硅衬底32、埋入氧化(BOX)层34、形成在BOX层34上的硅层36以及形成在硅层36上的场氧化层38。在该实施例中，一个垂直p-n结早于对硅层36的处理(例如，在制造SOI晶片的过程中)被形成在n型硅衬底32之中。特别地，利用任何合适的掺杂技术通过对n型硅衬底32的顶部进行p+掺杂而形成p+区域42。随后，通过已知方式在p+区域42之上形成BOX层34、硅层36以及场氧化层38，以便形成SOI结构。SOI光电二极管30的p-n结具有比SOI光电二极管10的p-n结更大的面积，这使得SOI光电二极管30对入射光更灵敏。通过适当地模制p+区域42或蚀刻到n型硅衬底32，可以使利用该方法制造的SOI光电二极管30与相邻电路隔离。
利用标准蚀刻技术在SOI结构中形成沟槽40。该沟槽40向下延伸穿过SOI结构到达p+区域42。随后，利用已知技术，沿着SOI结构的侧面在p+区域42上形成P+金属接触件44，并且该接触件部分地位于场氧化层38的顶部表面上。如图3中所示，该P+金属接触件44形成SOI光电二极管30的光电二极管孔径46。该P+金属接触件44同样提供到p+区域42(即，SOI光电二极管30的阳极)的接触。对于n型硅衬底32(即，SOI光电二极管30的阴极)也提供相应接触件(未示出)。
SOI光电二极管30的硅层36被用作滤光器(长波通过)。具有相关波长的光穿过光电二极管孔径46、硅层36和BOX层34，并在SOI光电二极管30的n型硅衬底32中产生电子-空穴对(EHP)。这些EHP随后由它们各自的接触件(电子到阴极接触件(未示出)，以及空穴到p+金属接触件44)收集，从而产生电压(.开路)或电流(短路)。电流量与所产生的EHP数量成比例，而所产生的EHP数量则与入射光的强度成比例。在本发明的SOI光电二极管30中，通过利用作为长波通过滤光器的硅层36、以与类似于上面针对SOI光电二极管10所述的方式实现彩色辨别。
图4中示出了用于将SOI光电二极管10、30两端的电荷转换为适于处理的电学量的第一电路50。在电路50中，利用开关电容器延迟元件Cf执行离散时间电荷读出。Vb是确保将SOI光电二极管10、30保持反偏置的电压源。电路50的操作具有两个阶段。在阶段一，开关Φ2打开而开关Φ1闭合。这使得电容CF放电。在第二阶段，开关Φ1打开而开关Φ2闭合。结果，将累积在SOI光电二极管10、30上的电荷转移到电容CF，并根据等式Vo＝Q/CF将所述电荷转换成输出电压Vo，其中Q是电荷。如果需要，可重复该循环。
对SOI光电二极管10、30两端的电荷进行连续读出，从而将电流转换成电压。图5中示出了用于此目的的简单电路60。在该电路中，输出电压Vo等于Vo＝I*RF，其中I是来自SOI光电二极管10、30的电流。
为了说明和描述的目的，上文已经介绍了本发明的各方面。这并非意味着对本发明公开内容进行精确地穷举或限定，并且明显地可对其做出各种修改和改变。这些对于本领域技术人员来说显而易见的修改和改变将包括在由所附权利要求书限定的本发明的范围之内。
权利要求
1.一种形成硅绝缘体(SOI)光电二极管光学监测系统的方法，包含提供多个SOI光电二极管(10；30)，其中每个SOI光电二极管包括硅衬底(12；32)、形成在硅衬底上的埋入氧化层(14；34)以及形成在埋入氧化层上的硅层(16；36)，并且其中每个SOI光电二极管的硅层具有不同的厚度；关于波长和硅层(16；36)的厚度确定穿过每个SOI光电二极管(10；30)到达硅衬底(12；32)的入射光的比例；以及基于所确定的比例计算入射光的彩色分量强度。
2.根据权利要求1的方法，其中每个SOI光电二极管(10；30)还包括在硅层(16；36)上的场氧化层(18；38)，并且其中通过改变该场氧化层的厚度来提供每个SOI光电二极管的硅层的不同厚度。
3.根据权利要求1的方法，其中所述硅衬底(12；32)掺杂有第一类型掺杂剂，并且其中每个SOI光电二极管(10；30)如下形成穿过硅层(16；36)和埋入氧化层(14；34)形成沟槽(20；40)，以暴露硅衬底的一部分；用第二类型掺杂剂掺杂硅衬底的所暴露部分，以形成p-n结；以及在所述沟槽中形成接触件(24；44)。
4.根据权利要求3的方法，其中所述接触件(24；44)形成SOI光电二极管(10；30)的孔径(26；46)。
5.根据权利要求1的方法，其中由e-aλx给出入射光的所述比例，其中aλ是硅层(16；36)的吸收系数，而x是硅层的厚度。
6.根据权利要求1的方法，还包括在硅衬底(32)中形成垂直p-n结。
7.根据权利要求6的方法，其中每个SOI光电二极管(30)如下形成穿过硅层(36)和埋入氧化层(34)形成沟槽(40)，以暴露硅衬底(32)的一部分；以及在所述沟槽中形成接触件(44)。
8.根据权利要求6的方法，所述接触(44)形成SOI光电二极管(30)的孔径(46)。
9.一种硅绝缘体(SOI)光电二极管(10；30)，包含具有掺杂了第一掺杂剂类型的第一部分和掺杂了第二掺杂剂类型的第二部分的硅衬底(12；32)，该第一和第二部分形成p-n结；形成在硅衬底上的埋入氧化层(14；34)；形成在埋入氧化层上的硅层(16；36)，其中穿过SOI光电二极管到达硅衬底的入射光的数量关于波长而与硅层的厚度成比例；形成在硅层上的场氧化层(18；38)，其中场氧化层的厚度控制硅层的厚度；延伸到硅衬底的沟槽(20；40)；以及形成在沟槽中的接触件(24；44)。
10.根据权利要求9的SOI光电二极管(30)，其中所述p-n结是垂直p-n结。
11.根据权利要求9的SOI光电二极管(30)，其中由e-aλx给出穿过SOI光电二极管到达硅衬底(32)的入射光的比例，其中aλ是硅层(36)的吸收系数，而x是硅层的厚度。
12.根据权利要求9的SOI光电二极管(30)，其中所述接触件(44)形成SOI光电二极管的孔径(46)。
13.一种形成硅绝缘体(SOI)光电二极管(10；30)的方法，包含提供SOI结构，该SOI结构包括硅衬底(12；32)、形成在硅衬底上的埋入氧化层(14；34)、形成在埋入氧化层上的硅层(16；36)以及形成在硅层上的场氧化层(18；38)；通过调节场氧化层的厚度来调节硅层的厚度，其中穿过SOI光电二极管到达硅衬底的入射光的数量关于波长而与硅层的厚度成比例；形成沟槽(20；40)以暴露硅衬底的一部分；以及在沟槽内形成接触件(24；44)。
14.根据权利要求13的方法，其中在形成所述接触件(24)之前，用掺杂剂掺杂硅衬底(12)的所暴露部分以形成p-n结。
15.根据权利要求13的方法，其中所述硅衬底(32)包括垂直p-n结。
全文摘要
在固态照明系统中用于色温控制的硅绝缘体(SOI)光电二极管光学监测的方法和系统。该方法包括下述步骤提供多个SOI光电二极管，其中每个SOI光电二极管包括硅衬底、形成在硅衬底上的埋入氧化层以及形成在埋入氧化层上的硅层，并且其中每个SOI光电二极管的硅层具有不同的厚度；关于波长和硅层的厚度确定穿过每个SOI光电二极管到达硅衬底的入射光的比例；以及基于所确定的比例计算入射光的彩色分量强度。
文档编号G01J3/28GK1853091SQ200480026999
公开日2006年10月25日 申请日期2004年9月15日 优先权日2003年9月19日
发明者J·佩特鲁泽洛, T·莱塔维克, B·韦耶特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司