實(shí)施例總體上涉及半導(dǎo)體器件和用于制造半導(dǎo)體器件的方法，并且更具體地涉及集成發(fā)光器件和相關(guān)的集成傳感器器件。

背景技術(shù)：

電子傳感器通常測量物理量并將測量的物理量轉(zhuǎn)換成信號，該信號被提供給電子儀器（例如，集成的芯片處理器）。近年來，使用傳感器的領(lǐng)域數(shù)量已經(jīng)大大擴(kuò)大。例如，可以在不同的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)傳感器，比如化學(xué)試劑檢測單元、醫(yī)療診斷設(shè)備、工業(yè)過程控制、污染監(jiān)測、汽車等等。

紅外傳感器，比如，例如中紅外（MIR）傳感器，測量從具有高于絕對零度的溫度的物體在電磁譜的紅外（IR）部分中發(fā)射的輻射。中紅外光譜覆蓋具有在約2 - 25 μm的范圍內(nèi)的波長的電磁輻射。通過測量MIR光譜的變化，傳感器能夠測量例如樣品的化學(xué)性質(zhì)或溫度的變化。

光程長度（現(xiàn)在是毫米和厘米范圍）的減小是在去單片集成IR傳感器的途中的一個(gè)中心任務(wù)。一個(gè)有希望的方法是消散表面場在亞波長直徑的波導(dǎo)中的應(yīng)用。為了充分利用這個(gè)概念，高效的準(zhǔn)直和紅外光耦合到光纖中以及光發(fā)射器的優(yōu)良熱隔離是必不可少的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開的實(shí)施例涉及基于半導(dǎo)體的集成發(fā)光器件。該器件包括包含半導(dǎo)體材料的襯底，即半導(dǎo)體襯底。該集成器件進(jìn)一步包括集成到半導(dǎo)體材料中的發(fā)光單元、和形成在襯底與發(fā)光單元之間的半導(dǎo)體材料中的至少一個(gè)腔體。

特別地，至少部分的該腔體可以形成在發(fā)光單元的部分下面和半導(dǎo)體襯底的部分上面。通常，這類腔體被稱為空洞層上的硅（SON）腔體。

在一些實(shí)施例中，發(fā)光單元包括形成在半導(dǎo)體材料中的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)作為光源。該導(dǎo)電結(jié)構(gòu)被配置成當(dāng)供給電壓被施加到該導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的端子時(shí)發(fā)射光。

在一些實(shí)施例中，該導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括結(jié)晶、多晶或非晶半導(dǎo)體材料。

在一些實(shí)施例中，該導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括垂直于從發(fā)光單元發(fā)射的光束的方向延伸的導(dǎo)電絲。

在一些實(shí)施例中，發(fā)光單元進(jìn)一步包括被配置成使從導(dǎo)電結(jié)構(gòu)發(fā)射的光準(zhǔn)直的光束整形部分。光束整形部分可以包括發(fā)光單元的半導(dǎo)體材料的光反射圓形或拋物線邊緣。

在一些實(shí)施例中，該導(dǎo)電結(jié)構(gòu)基本上延伸穿過該圓形或拋物線邊緣的焦點(diǎn)。

在一些實(shí)施例中，發(fā)光單元進(jìn)一步包括形成在半導(dǎo)體材料中的濾波器部分。濾波器部分可以被配置成在光譜紅外區(qū)中具有至少一個(gè)通帶。

在一些實(shí)施例中，濾波器部分包括形成在發(fā)光單元的半導(dǎo)體材料中的一個(gè)或多個(gè)溝槽。

在一些實(shí)施例中，發(fā)光單元被布置在半導(dǎo)體材料的密封離開環(huán)境的部分中。在密封部分中的發(fā)光單元可以至少部分地被真空腔體包圍。

在一些實(shí)施例中，集成發(fā)光器件進(jìn)一步包括形成在發(fā)光單元上面的密封層以及在發(fā)光單元和密封層之間的至少一個(gè)腔體。

在一些實(shí)施例中，集成發(fā)光器件進(jìn)一步包括耦合到發(fā)光單元的光出口的波導(dǎo)。該波導(dǎo)可以被配置成在被引導(dǎo)的光和包圍該波導(dǎo)的測量介質(zhì)之間提供相互作用。

在一些實(shí)施例中，波導(dǎo)和發(fā)光單元整體形成在半導(dǎo)體材料中。

在一些實(shí)施例中，波導(dǎo)被布置在半導(dǎo)體材料的對環(huán)境敞開的部分中。發(fā)光單元可以布置在半導(dǎo)體材料的密封離開環(huán)境的部分中。

在一些實(shí)施例中，波導(dǎo)的寬度小于所發(fā)射的光的波長?？蛇x地，波導(dǎo)的高度可以大于所述光的波長。

根據(jù)本公開的另一方面，提供一種集成傳感器器件。該集成傳感器器件包括半導(dǎo)體襯底、形成在半導(dǎo)體襯底中的發(fā)光單元、形成在半導(dǎo)體襯底中的光檢測單元以及形成在發(fā)光單元和光檢測單元之間的半導(dǎo)體襯底中的波導(dǎo)。該波導(dǎo)形成在半導(dǎo)體襯底的對環(huán)境敞開的部分中以在被引導(dǎo)的光和包圍該波導(dǎo)的測量介質(zhì)之間提供相互作用。發(fā)光單元形成在半導(dǎo)體襯底的密封離開環(huán)境的部分中。進(jìn)一步地，在密封部分中的發(fā)光單元至少部分地被真空腔體包圍。

特別地，真空腔體的至少部分可以形成在發(fā)光單元的部分下面和半導(dǎo)體襯底的部分上面。通常，這類腔體被稱為空洞層上的硅（SON）腔體。

根據(jù)本公開的另一方面，提供一種用于形成集成發(fā)光器件的方法。該方法包括將發(fā)光單元集成到半導(dǎo)體襯底的半導(dǎo)體材料中以及在半導(dǎo)體襯底與發(fā)光單元之間的半導(dǎo)體材料中形成至少一個(gè)腔體。注意，所述至少一個(gè)腔體可以實(shí)際上在創(chuàng)建發(fā)光單元之前形成在半導(dǎo)體材料中。

在一些實(shí)施例中，形成至少一個(gè)腔體包括通過使用空洞層上的硅（SON）處理順序（processing sequence）在發(fā)光單元下面形成腔體。

在一些實(shí)施例中，集成發(fā)光單元包括將波導(dǎo)與發(fā)光單元一起整體形成在半導(dǎo)體材料中。

在一些實(shí)施例中，集成發(fā)光單元包括將導(dǎo)電絲結(jié)構(gòu)形成在集成的發(fā)光單元中。

在一些實(shí)施例中，集成發(fā)光單元包括將具有一個(gè)或多個(gè)溝槽的濾波器結(jié)構(gòu)形成在半導(dǎo)體材料中。

在一些實(shí)施例中，集成發(fā)光單元包括將光反射彎曲或拋物線邊緣形成在發(fā)光單元的半導(dǎo)體材料中，所述彎曲或拋物線邊緣用作光束整形元件。

實(shí)施例可以將集成的光發(fā)射器、準(zhǔn)直單元和光譜濾波器組合在單個(gè)半導(dǎo)體元件上。該元件可以通過真空腔體與周圍材料熱隔離。由此，可以提供高效的準(zhǔn)直和紅外（IR）光到光學(xué)亞波長光纖中的耦合以及發(fā)射器的優(yōu)良熱隔離。

附圖說明

設(shè)備和/或方法的一些實(shí)施例將在下面僅作為實(shí)例以及參考附圖來描述，在附圖中：

圖1a圖示通風(fēng)率作為參數(shù)、隨時(shí)間的變化的通風(fēng)房間中的二氧化碳濃度；

圖1b圖示占用量（occupation）作為參數(shù)、在停止通風(fēng)的情況下隨時(shí)間的變化的上層（upper class）車中的二氧化碳濃度；

圖1c示出具有在厘米范圍內(nèi)的光程長度的線性非色散氣體傳感器的示意圖；

圖2圖示根據(jù)實(shí)施例的基于半導(dǎo)體的集成發(fā)光器件；

圖3示出根據(jù)實(shí)施例的用于IR光譜傳感器的發(fā)光單元的透視圖；

圖4示出如圖3中粗略畫出的硅/真空層堆疊的模擬透射譜；

圖5圖示用于制造根據(jù)實(shí)施例的基于半導(dǎo)體的集成發(fā)光器件的方法的高級流程圖；

圖6示出形成空洞層上的硅（SON）腔體的多種原理；

圖7圖示在密封和抽真空之后基于半導(dǎo)體的集成發(fā)光器件的最終結(jié)構(gòu)；以及

圖8示出用于制造圖7的基于半導(dǎo)體的集成發(fā)光器件的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將參考其中示出一些實(shí)例實(shí)施例的附圖來更全面地描述各種實(shí)例實(shí)施例。在各圖中，為了清楚可以放大線、層和/或區(qū)的厚度。

因此，雖然更多的實(shí)施例能夠進(jìn)行各種修改及替代形式，但是其一些實(shí)例實(shí)施例在各圖中借助實(shí)例被示出并且在本文中將被詳細(xì)描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，并不打算將實(shí)例實(shí)施例局限于所公開的特定形式，而是相反，實(shí)例實(shí)施例將涵蓋落入本公開的范圍內(nèi)的所有修改、等效物及替代物。貫穿各圖的描述，相似編號指代相似或類似的元件。

將理解，當(dāng)稱一元件“連接”或“耦合”到另一元件時(shí)，其可直接連接或耦合到該另一元 件，或者可以存在居間元件。相比之下，當(dāng)稱一元件“直接連接”或“直接耦合”到另一元件時(shí)，不存在居間元件。用以描述元件之間的關(guān)系的其它詞應(yīng)當(dāng)以相似的方式來解釋(例如，“在......之間”對比“直接在......之間”，“鄰近”對比“直接鄰近”等)。

本文中所使用的術(shù)語僅是出于描述特定實(shí)例實(shí)施例的目的并且并非打算是對另外的實(shí)例實(shí)施例的限制。如本文中所使用的，單數(shù)形式的“一”、“一個(gè)”和“該”打算也包含復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外明確指示。將進(jìn)一步理解，當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語“包括”、“包含”、“含有”和/或“具有”指定所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、 部件和/或其群組的存在或添加。

除非另有定義，否則本文中所使用的所有術(shù)語(包含技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)都具有與由實(shí)例實(shí)施例所屬于的領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同的含義。將進(jìn)一步理解，術(shù)語(例如，常用字典中所定義的那些術(shù)語)應(yīng)解釋為具有與其在相關(guān)領(lǐng)域的上下文中的含義一致的含義，除非本文中另有明確定義。

不斷增加數(shù)量的出版物和概念涉及氣體和其他流體中化學(xué)物質(zhì)的檢測和表征。這些測量系統(tǒng)的部件的逐步小型化為開拓新市場鋪平了道路。一個(gè)實(shí)例是在封閉環(huán)境中二氧化碳（CO₂）濃度的測量。美國采暖 、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(ASHRAE)在建筑物的按需求控制通風(fēng)的作用中提供了一些見識。

圖1a和圖1b圖示車內(nèi)和建筑物內(nèi)的隨時(shí)間的變化的CO₂濃度（通風(fēng)率、占用量作為參數(shù)）。圖1a示出通風(fēng)率作為參數(shù)、通風(fēng)房間中的隨時(shí)間的變化的實(shí)例CO₂濃度。圖1b描繪了占用量作為參數(shù)、在停止通風(fēng)的情況下上層車中的隨時(shí)間的變化的實(shí)例CO₂濃度。

可接受的CO₂水平在600 ppm（百萬分之）范圍內(nèi)，僵硬度和氣味的申訴（complaint）發(fā)生在600-1000 ppm，全身性困倦（general drowsiness）與1000-2500 ppm相關(guān)聯(lián)。對于車內(nèi)CO₂濃度的實(shí)例，通風(fēng)成為安全的問題。另一方面，燃料效率是汽車自動化的驅(qū)動因素之一。當(dāng)使用按需求的傳感器控制的通風(fēng)來代替常規(guī)通風(fēng)設(shè)置時(shí)已經(jīng)評估了在高達(dá)0.9l/100km水平下的燃料消耗的降低。

在住宅和公共建筑物處的采暖是溫帶地區(qū)的國家中CO₂排放的一個(gè)主要貢獻(xiàn)因素。在德國，例如，相關(guān)聯(lián)的能源消耗目前大致為每人每年7000kWh。這關(guān)聯(lián)到約3.5噸的CO₂排放（假設(shè)石油或天然汽油作為主要的能源來源）。盡管建筑物的采暖僅是德國的整個(gè)能源消耗的三分之一，但是建筑物采暖的CO₂排放已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于關(guān)系到全球變暖的可接受的每人每年2噸的水平。努力降低建筑物采暖與作為高效絕熱的基礎(chǔ)的氣密結(jié)構(gòu)和按需求控制的通風(fēng)密切相關(guān)。

上面舉例說明的事實(shí)示出了對例如傳感器控制的空氣質(zhì)量管理的需要。兩種傳感器方式可以被認(rèn)為是建筑物中廣泛使用的有希望的候選者：非色散紅外（NDIR）感測系統(tǒng)和光聲傳感器。盡管兩個(gè)系統(tǒng)都表現(xiàn)出足夠的分辨率和關(guān)鍵參數(shù)，但是一些主要缺點(diǎn)仍是未解決的-首先是傳感器尺寸和成本。

針對流體或氣體檢測的寬范圍的感測原理在過去幾十年已經(jīng)被研究。例如，可以利用在電磁譜的紅外區(qū)中的輻射（即具有約2-25μm的波長的輻射）執(zhí)行紅外光譜分析。例如，許多現(xiàn)代社會的傳感器，諸如非色散紅外（NDIR）CO₂傳感器，使用電磁譜的紅外區(qū)來測量流體和/或氣體樣品的性質(zhì)。這樣的傳感器產(chǎn)生IR輻射，其當(dāng)與樣品接觸時(shí)與所述樣品發(fā)生反應(yīng)以在IR輻射中引起變化（例如衰減）。

圖1c示出了常規(guī)線性非色散傳感器100的示意圖。傳感器100包括寬帶紅外光源102、樣品室103、一個(gè)或多個(gè)濾光器108和紅外檢測器110。樣品室103可以包括用于樣品（例如氣體或流體）的入口104和出口106。傳感器100在光色散的意義上是非色散的，因?yàn)樵试S紅外能量通過大氣樣品室103而沒有變形。這里，常規(guī)傳感器100的光程長度可以在厘米范圍內(nèi)。

傳感器100測量IR輻射譜的變化以確定樣品室103中樣品的性質(zhì)。在IR輻射譜中樣品的特性吸收的測量（其代表作為特殊物質(zhì)的化學(xué)指紋）表現(xiàn)出作為該物質(zhì)的特性的在特定波長的更強(qiáng)吸收?？梢酝ㄟ^將該物質(zhì)暴露于寬帶IR輻射并且在該輻射已經(jīng)通過或部分地滲透該樣品之后確定在該光譜中的吸收來使用該特征。

針對NDIR傳感器的目標(biāo)研究主題之一已經(jīng)是優(yōu)化和減小在100ppm范圍內(nèi)CO₂檢測所需的光程長度。一些研究產(chǎn)生了NDIR傳感器的單個(gè)部件作為硅芯片的集成部分。原則上，所有部件已經(jīng)被分開證明是硅管芯。然而，關(guān)于紅外波導(dǎo)和光譜濾波的硅物理性質(zhì)的全部優(yōu)點(diǎn)在多于一個(gè)部件中很少被采用。

光程長度（現(xiàn)在是毫米和厘米范圍）的減小是在去單片集成（氣體）傳感器的途中的一個(gè)中心任務(wù)。一個(gè)有希望的方法是消散表面場在亞波長直徑的波導(dǎo)中的應(yīng)用。為了充分利用這個(gè)概念，高效的準(zhǔn)直和紅外光耦合到亞波長光纖中以及光發(fā)射器的優(yōu)良熱隔離是必不可少的。本公開的實(shí)施例解決了這個(gè)問題。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2，其圖示根據(jù)實(shí)施例的集成半導(dǎo)體發(fā)光器件200的示意橫截面視圖。

集成發(fā)光器件200包括例如半導(dǎo)體襯底205，諸如半導(dǎo)體晶片。在各種實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底205可以摻雜有n型或p型摻雜劑濃度或者可以不被摻雜。在其他實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底205可以包括外延層。半導(dǎo)體襯底205由例如半導(dǎo)體材料制成，諸如硅（Si）或鍺（Ge）。注意，原則上，其他半導(dǎo)體材料也是可以的，只要它們在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間提供足以引導(dǎo)光通過該半導(dǎo)體材料的帶隙。集成發(fā)光器件200進(jìn)一步包括集成在襯底205的半導(dǎo)體材料中的發(fā)光單元210。換句話說，發(fā)光單元210形成在半導(dǎo)體襯底205的半導(dǎo)體材料中或者是由半導(dǎo)體襯底205的半導(dǎo)體材料構(gòu)造的。也就是，發(fā)光單元210和襯底205可以單片地形成。集成發(fā)光器件200的各種實(shí)施例的特征在于至少一個(gè)腔體215形成在襯底205和發(fā)光單元210之間的半導(dǎo)體材料中。腔體215將基于半導(dǎo)體的發(fā)光單元210與其余的半導(dǎo)體襯底205分開，由此在發(fā)光單元210和半導(dǎo)體襯底205之間提供熱隔離。為了最佳的熱隔離，可以將腔體215抽真空。在腔體215的較低或底部部分上面的發(fā)光單元210可以被提供在所謂的空洞層上的硅（SON）片層中。因此，腔體215的在發(fā)光單元210下面的部分可以是SON腔體。

如圖2中粗略畫出的，發(fā)光單元210的半導(dǎo)體本體可以包括導(dǎo)電絲結(jié)構(gòu)212作為光源-類似于燈泡的燈絲。例如其他光源實(shí)施方式，諸如導(dǎo)電板或發(fā)光二極管（LED），也是想得到的。然而，形成絲結(jié)構(gòu)可以與例如在半導(dǎo)體器件200中形成其他類似結(jié)構(gòu)協(xié)同組合，所述其他類似結(jié)構(gòu)諸如用于濾光器、晶體管或電容器的溝槽。導(dǎo)電絲結(jié)構(gòu)212可以例如通過使用常規(guī)深溝槽刻蝕處理技術(shù)形成在發(fā)光單元210的半導(dǎo)體本體中。具有幾微米到幾十微米的適當(dāng)延伸的結(jié)構(gòu)可以被刻蝕在發(fā)光單元210的半導(dǎo)體本體中，并且然后被填充有導(dǎo)電材料以獲得導(dǎo)電絲。適合于絲212的導(dǎo)電材料的一些實(shí)例包括鎢、多晶半導(dǎo)體材料、結(jié)晶半導(dǎo)體材料或非晶半導(dǎo)體材料。一些實(shí)施例使用SON硅層的一部分作為發(fā)射元件。在這種情況下，溝槽結(jié)構(gòu)包圍所述部分，僅在發(fā)射單元和包圍材料之間留出小固定機(jī)構(gòu)（small fixture）。

在圖2的實(shí)例中，導(dǎo)電絲結(jié)構(gòu)212從發(fā)光單元210的半導(dǎo)體本體的上表面214垂直延伸到發(fā)光單元的半導(dǎo)體本體的下表面214。也就是，導(dǎo)電絲結(jié)構(gòu)212垂直于從發(fā)光單元210發(fā)射的光的方向延伸。相應(yīng)電供給端子（未示出）可以被提供到導(dǎo)電絲結(jié)構(gòu)212的上端和下端。這樣，導(dǎo)電絲結(jié)構(gòu)212可以配置成當(dāng)?shù)陀?V-20V的充足供給電壓被施加到供給端子時(shí)輻射（IR）光。

注意，所述至少一個(gè)腔體215在發(fā)光單元210的下表面214和半導(dǎo)體襯底205的上表面218之間延伸。下表面214和上表面218彼此面對。所述至少一個(gè)腔體215在發(fā)光單元210和半導(dǎo)體襯底205之間提供熱隔離。如圖2中所指示的，隔離腔體215可以基本上包圍發(fā)光單元210的整個(gè)半導(dǎo)體本體以將發(fā)光單元210與其余的半導(dǎo)體襯底205（發(fā)光單元210已經(jīng)從該其余的半導(dǎo)體襯底形成）熱隔離。也就是說，腔體215不僅可以橫向上分開發(fā)光單元210的半導(dǎo)體本體和襯底205，而且還可以垂直地分開這兩者。

為了將發(fā)光單元210安裝或固定在腔體215中，集成發(fā)光器件200可以包括沉積在襯底205和發(fā)光單元210之間的一個(gè)或多個(gè)支撐或固定結(jié)構(gòu)240。支撐或固定結(jié)構(gòu)240被配置成將發(fā)光單元210安裝在腔體215中。這里，支撐結(jié)構(gòu)240被配置成網(wǎng)。在一些實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)240可以包括絕緣材料，例如半導(dǎo)體材料的氧化物，諸如例如二氧化硅（SiO₂）。注意，SiO₂固定物（fixation）240具有與發(fā)光單元210的Si相比小得多的熱導(dǎo)率。發(fā)光單元210和襯底之間的熱隔離因此可以被保持。在該上下文中，技術(shù)人員將認(rèn)識到支撐或固定結(jié)構(gòu)240應(yīng)當(dāng)盡可能小地定尺寸以盡可能最大化熱隔離?？梢酝ㄟ^例如選擇性地結(jié)構(gòu)化/氧化半導(dǎo)體襯底205來獲得支撐結(jié)構(gòu)240。

如由圖2所指示的，集成發(fā)光器件200可以進(jìn)一步包括耦合到發(fā)光單元210的光出口222的可選波導(dǎo)220。波導(dǎo)220可以配置成在從發(fā)光單元210發(fā)射的并由波導(dǎo)220引導(dǎo)的光和包圍波導(dǎo)220的測量介質(zhì)（例如氣體、流體）之間提供相互作用。被輸送的光形成消散場，其從波導(dǎo)220向外延伸以與位于消散場的各部分中的樣品（例如氣體或流體）相互作用。當(dāng)消散場與測量介質(zhì)相互作用時(shí)，由波導(dǎo)220引導(dǎo)的輻射根據(jù)測量介質(zhì)的一個(gè)或多個(gè)特性衰減（例如，尤其是輻射在對應(yīng)于被引導(dǎo)的一個(gè)或多個(gè)波的波長的波長區(qū)中被吸收）。可選的光或輻射檢測器260然后可以被配置成接收經(jīng)衰減的IR輻射并且由經(jīng)衰減的IR輻射確定樣品的一個(gè)或多個(gè)特性。輻射檢測器260可以包括例如基于CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的紅外光電檢測器。在一些實(shí)施例中，可選的輻射檢測器260可以包括集成在半導(dǎo)體襯底205中的輻射檢測器，而在其他實(shí)施例中，輻射檢測器260可以包括外部輻射檢測器。

一些實(shí)施例可以利用消散表面場和稱為“受挫全（內(nèi)）反射”的現(xiàn)象。如果光波從光密介質(zhì)折射率n₁傳播到較低密度折射率n₂之一中，并且入射角度超過臨界角（由arcsin(n₂/n₁)給出），則全內(nèi)反射發(fā)生在兩個(gè)電介質(zhì)的邊界處，例如在波導(dǎo)220和包圍波導(dǎo)220的測量介質(zhì)之間。然而，即使入射角度大于臨界角，電場仍以消散波的形式滲透到鄰近介質(zhì)中。滲透深度約為波長，并且可以通過從第一介質(zhì)以約為波長的距離添加第三光密介質(zhì)“抵消”反射來測量該滲透深度，在該情況下消散波耦合到第三介質(zhì)并載送能量。耦合強(qiáng)度隨第一和第三介質(zhì)之間的距離增加而近似呈指數(shù)下降。

在圖2的實(shí)例實(shí)施例中，波導(dǎo)220和發(fā)光單元210整體或單片形成在半導(dǎo)體材料中。也就是說，發(fā)光單元210的本體和波導(dǎo)220兩者可以由一片相同的由半導(dǎo)體襯底205提供的半導(dǎo)體材料形成。因此，在一些實(shí)施例中波導(dǎo)220可以是硅波導(dǎo)。這允許特別良好的光發(fā)射和引導(dǎo)，最小化了損耗。波導(dǎo)220還可以嵌入在腔體215'中。腔體215'的至少部分可以由SON工藝技術(shù)形成。腔體215'可以在波導(dǎo)220和半導(dǎo)體襯底205之間提供熱隔離以及提供用于被引導(dǎo)的光和包圍波導(dǎo)220的測量介質(zhì)之間的相互作用的測量室。從本公開受益的技術(shù)人員將認(rèn)識到發(fā)光單元210和波導(dǎo)的分開布置也是非?？赡艿?。

可選地，發(fā)光單元210還可以包括形成在發(fā)光單元210的半導(dǎo)體本體中的濾波器部分230。濾波器部分230可以位于寬帶紅外光源212和發(fā)光單元的光出口222之間以便以提供窄帶紅外輻射（其將由波導(dǎo)220輸送）的方式對由光源212輻射的寬帶紅外光譜濾波。在一些實(shí)施例中，濾波器部分230包括垂直延伸到發(fā)光單元210的半導(dǎo)體材料中的一個(gè)或多個(gè)基本上平行的溝槽232。例如其他濾光器實(shí)施方式（諸如光子晶體）也是想得到的。然而，形成溝槽可以與例如在半導(dǎo)體器件200中形成其他結(jié)構(gòu)協(xié)同組合，所述其他結(jié)構(gòu)諸如晶體管或電容器。相應(yīng)溝槽的寬度可以適于提供在紅外光譜區(qū)中的濾波器部分230的通帶。從本公開受益的人員將認(rèn)識到相同的溝槽刻蝕工藝步驟可以用于形成用于導(dǎo)電絲結(jié)構(gòu)212和濾波器部分230的溝槽232的一個(gè)或多個(gè)垂直孔。

集成發(fā)光器件的實(shí)例半導(dǎo)體部件300的透視圖在圖3中被示出。注意，圖3的圖示既沒有示出任何半導(dǎo)體襯底也沒有示出在半導(dǎo)體襯底和半導(dǎo)體部件300之間的任何腔體。

所示的半導(dǎo)體部件300包括發(fā)光部分310和波導(dǎo)部分320。發(fā)光部分310和波導(dǎo)部分320由SON片層的半導(dǎo)體材料（即覆蓋SON腔體的半導(dǎo)體層）整體形成。也就是說，在所示的實(shí)例中，發(fā)光部分310和波導(dǎo)部分320構(gòu)成單片半導(dǎo)體材料。IR信號由此可以從發(fā)光部分310直接耦合到波導(dǎo)部分320?？梢杂欣氖鞘褂脕啿ㄩL尺寸用于波導(dǎo)320的寬度w和/或高度h。對于4.3 μm的實(shí)例波長，寬度w可以例如是大約2 μm。如較早前提到的，這可以將所需的吸收長度減小幾個(gè)數(shù)量級。在所示的實(shí)例中，波導(dǎo)部分320的垂直高度h大于波導(dǎo)部分320的橫向?qū)挾?i>w。這可以有益于制造目的。對于提到的“受挫全（內(nèi)）反射”效應(yīng)，w和/或h應(yīng)當(dāng)小于光的波長。波導(dǎo)320中的摻雜不應(yīng)太大。在一些實(shí)例中，n型或p型摻雜劑的濃度應(yīng)當(dāng)小于10¹⁵/cm3。

由于發(fā)光部分310的橫向?qū)挾却笥诓▽?dǎo)部分320的橫向?qū)挾?i>w，從發(fā)光部分310到波導(dǎo)部分320的過渡322在圖3的實(shí)施例中被形成為喇叭狀。然而，注意發(fā)光部分310和波導(dǎo)部分320的其他幾何形狀也是可以的。

如已經(jīng)參考圖2解釋的，圖3的發(fā)光部分310包括寬帶IR光源312和形成在光源312和波導(dǎo)部分320之間的半導(dǎo)體材料中的濾波器結(jié)構(gòu)330。濾波器結(jié)構(gòu)330包括形成在發(fā)光部分310的半導(dǎo)體材料中的多個(gè)溝槽332。該多個(gè)溝槽332可以被分別抽真空。不同溝槽332-1、332-2也可以具有不同的相應(yīng)厚度b₁、b₂。不同溝槽的相應(yīng)尺寸與濾光器結(jié)構(gòu)330的通帶有關(guān)。已經(jīng)使用用于交替的光層的真空和硅來計(jì)算了紅外濾波器堆疊的實(shí)例。單層的厚度完全在最先進(jìn)的深溝槽刻蝕的處理能力的活動領(lǐng)域內(nèi)。在圖4中示出如圖3中粗略畫出的硅/真空層堆疊的模擬透射譜。

如可以從圖4看出的，提供帶有具有相應(yīng)所示厚度的堆疊硅/真空層的濾波器結(jié)構(gòu)330導(dǎo)致圍繞約4.3 μm的IR波長的窄通帶。

返回圖3，發(fā)光部分310進(jìn)一步包括在與波導(dǎo)部分320相對的一端處的光束整形部分350。光束整形部分350被配置成校準(zhǔn)從光源312輻射的光。在所示的實(shí)例中，光束整形部分350包括發(fā)光單元的半導(dǎo)體材料的光反射彎曲或拋物線邊緣。優(yōu)選地，光源312，例如導(dǎo)電絲，基本上延伸穿過該圓形或拋物線邊緣的焦點(diǎn)。這里，導(dǎo)電絲312基本上對應(yīng)于從拋物線光束整形部分350的頂表面314延伸到底表面的焦線。技術(shù)人員將認(rèn)識到透鏡結(jié)構(gòu)也可以被實(shí)施為光準(zhǔn)直器。在這種情況下光源也將位于透鏡的焦點(diǎn)內(nèi)。

如由圖5示意性示出的，實(shí)施例還提供用于形成集成發(fā)光器件200的方法500。

方法500包括將發(fā)光部分210、310集成510到半導(dǎo)體襯底205的半導(dǎo)體材料中，以及在半導(dǎo)體襯底205與發(fā)光部分210、310之間的半導(dǎo)體材料中形成520至少一個(gè)腔體215。如將由從本公開受益的技術(shù)人員認(rèn)識到的，集成510發(fā)光部分210、310以及形成520至少一個(gè)腔體215是緊密相互關(guān)聯(lián)的。通過在發(fā)光部分210、310的下面和/或旁邊和/或上面形成520至少一個(gè)腔體215將發(fā)光部分210、310形成在半導(dǎo)體襯底205中，并且反之亦然。也就是說，動作510和520的次序也可以被顛倒。

一些實(shí)施例使用所謂的空洞層上的硅（SON）處理順序來形成至少一個(gè)腔體215和/或提供集成發(fā)光器件200的另外的基本結(jié)構(gòu)元件。換句話說，可以通過應(yīng)用SON處理順序來提供襯底205和發(fā)光單元210之間的至少一個(gè)腔體215，其實(shí)例將在下面被更詳細(xì)地解釋。

在形成SON片層之后，其中發(fā)光部分210、310和波導(dǎo)部分220、320可以稍后被結(jié)構(gòu)化，深溝槽刻蝕可以限定絲212、312，透射濾波器230、330和發(fā)射/吸收部分。中間的氧化工藝可以將襯底205和發(fā)光單元210、310之間的硅固定物240轉(zhuǎn)變成氧化硅層。這樣，發(fā)射器和襯底205之間的熱功率傳導(dǎo)可以被最小化。

除了在SON片層下面使用犧牲層來制造空洞層上的硅（SON）結(jié)構(gòu)以外，用于獲得具有期望大小和形狀的SON結(jié)構(gòu)的另一實(shí)用方法還可以使用所謂的硅中真空區(qū)（Empty-Space-in-Silicon，ESS）形成技術(shù)。已經(jīng)示出的是，SON結(jié)構(gòu)可以由溝槽的初始形狀和布局來精確控制。ESS的大小由(一個(gè)或多個(gè))初始溝槽的大小確定。ESS的期望形狀，諸如球形、管形和板形，可以通過改變初始溝槽的布置來制造。SON處理的一些實(shí)例利用由硅表面遷移引起的自組織再結(jié)晶。在硅襯底上圖案化的初始溝槽形狀可以被認(rèn)為是制造SON結(jié)構(gòu)的最重要的因素。當(dāng)溝槽結(jié)構(gòu)在脫氧環(huán)境（例如氫）中被退火時(shí)，該溝槽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變以便最小化表面能。

通過表面遷移進(jìn)行的溝槽轉(zhuǎn)變導(dǎo)致硅中真空區(qū)（ESS）。SON結(jié)構(gòu)可以通過這種方式由ESS上方的SON片層制成。在圖6中示意性示出了ESS形成的典型實(shí)例，其形狀是球形、管形和板形的。

隔離深溝槽601可以被轉(zhuǎn)變成球形ESS 602，參見圖6a。球形ESS的形成開始于深溝槽的頂部和底部拐角處，因?yàn)檫@些區(qū)的曲率半徑是最小的。該結(jié)果指示球形ESS的直徑變得大于初始溝槽的直徑。由此，緊密布置成一行的溝槽603由于在每個(gè)溝槽的底部處生長的球形ESS的合并而被轉(zhuǎn)變成管形ESS 604，參見圖6b。板形ESS 606也可以通過開發(fā)這種技術(shù)來制造。通過將溝槽布置在格子605中，在所有溝槽底部處的球形ESS被合并，并且它們被轉(zhuǎn)變成大的薄板形ESS 606，參見圖6c。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖7，其圖示根據(jù)另一實(shí)施例的集成半導(dǎo)體發(fā)光器件700的示意透視圖。為了簡潔起見，將省略之前已經(jīng)描述的相似或類似元件的詳細(xì)描述。

集成半導(dǎo)體器件700包括半導(dǎo)體襯底705。在半導(dǎo)體襯底705上面的SON片層707中，集成半導(dǎo)體器件700包括與波導(dǎo)320整體形成在SON片層707中的發(fā)光單元310。已經(jīng)參考圖3詳細(xì)解釋了發(fā)光單元310和波導(dǎo)320。在SON片層707上面，集成半導(dǎo)體器件700還包括密封層709。密封層709可以包括例如各種密封材料，諸如熱塑性塑料、彈性體或金屬材料。這里，氧化硅、氮化硅或多晶硅層也是合適的候選者。SiO₂固定物740和740'將發(fā)光單元310和波導(dǎo)320固定在半導(dǎo)體襯底705和密封層709之間。同時(shí)，固定物740和740'密封發(fā)光單元310離開測量環(huán)境。換句話說，發(fā)光單元310布置在密封離開外部環(huán)境的半導(dǎo)體器件700的一部分中。密封部分的邊界或側(cè)壁由襯底705（底部）、密封層709（頂部）和SiO₂固定物740和740'形成。在密封部分中的發(fā)光單元310被真空腔體715包圍或者嵌入在真空腔體715中用于熱隔離。如可以從圖7的例證性實(shí)例看出的，發(fā)光單元310可以被真空腔體715從發(fā)光單元310的下面、上面、左邊、前面和后面包圍。只有具有向一側(cè)的光信號出口的發(fā)光單元310的右側(cè)可以被SiO₂固定物740和740'支撐并且鄰接測量環(huán)境。至少在發(fā)光單元310下面的腔體部分可以通過SON處理形成。技術(shù)人員將認(rèn)識到其他幾何形狀也可以很好地適合于半導(dǎo)體襯底705和發(fā)光單元310之間的充分熱隔離。

基于半導(dǎo)體的波導(dǎo)320從密封部分710中的發(fā)光單元310延伸到半導(dǎo)體器件700的對測量環(huán)境敞開的部分720。該敞開部分720也可以稱為吸收部分或單元。延伸穿過敞開的吸收部分720的波導(dǎo)320被配置成在被引導(dǎo)的光和包圍吸收部分中的波導(dǎo)320的測量介質(zhì)（例如氣體或液體）之間提供相互作用。例如，為了提供入口和/或出口，密封層709可以在吸收部分720中的波導(dǎo)320上面至少部分地敞開。波導(dǎo)320的長度，即光程長度，可以在10 μm-幾百μm范圍內(nèi)。

集成半導(dǎo)體器件700的實(shí)施例可以通過使用圖8中所示的實(shí)例方法800來制造。將認(rèn)識到盡管方法800在下面被示為和描述為一系列動作或事件，但是這些動作或事件的所示排序并不以限制性的意義來解釋。例如，除了本文所示和/或描述的那些次序之外，一些動作可以與其他動作或事件以不同的次序發(fā)生和/或同時(shí)發(fā)生。此外，不是所有圖示的動作都可能被需要來實(shí)施本文公開的一個(gè)或多個(gè)方面或?qū)嵤├６遥疚拿枥L的動作中的一個(gè)或多個(gè)可以以一個(gè)或多個(gè)分開的動作和/或階段來執(zhí)行。

方法800開始于Si晶片的提供和適當(dāng)摻雜810。例如，可以摻雜后來的發(fā)光單元310的特定區(qū)。在另一動作820中，可以處理SON腔體715、715'。這可以包括例如刻蝕犧牲層和/或ESS形成，如上面解釋的。在隨后的動作830中，在SON腔體715、715'上面的發(fā)光和波導(dǎo)部分310、320可以通過另外的深溝槽刻蝕動作來形成在半導(dǎo)體襯底中。為了獲得發(fā)光和波導(dǎo)部分310、320上面的腔體715、715'的部分，在動作840中一個(gè)或多個(gè)另外的犧牲層可以沉積在SON片層707上面并且被結(jié)構(gòu)化。在該動作期間，可以獲得上部的SiO₂固定物740'。其后，在動作850中，密封層709可以沉積在SON片層707上面并且被結(jié)構(gòu)化。在另一動作860中，可以通過選擇性刻蝕去除犧牲層。最后，可以結(jié)構(gòu)化金屬化層用于電氣布線和/或接觸，參見870。

當(dāng)將集成發(fā)光器件200、700與集成在同一半導(dǎo)體襯底上的光傳感器或檢測器組合時(shí)，可以提供集成傳感器器件。于是該集成傳感器器件包括半導(dǎo)體襯底、形成在半導(dǎo)體襯底中的發(fā)光單元、形成在半導(dǎo)體襯底中的光檢測單元以及形成在發(fā)光單元和光檢測單元之間的半導(dǎo)體襯底中的波導(dǎo)。該波導(dǎo)形成在半導(dǎo)體襯底的對環(huán)境敞開的部分中以在被引導(dǎo)的光和包圍該波導(dǎo)的測量介質(zhì)之間提供相互作用。發(fā)光單元形成在半導(dǎo)體襯底的密封離開環(huán)境的部分中。進(jìn)一步地，在密封部分中的發(fā)光單元至少部分地被真空腔體包圍。集成傳感器器件可以用作例如NDIR CO₂傳感器。

總之，一些實(shí)施例將集成的紅外發(fā)射器、準(zhǔn)直單元和光譜濾波器組合在單個(gè)硅元件中。該元件通過真空腔體與周圍材料熱隔離。一些實(shí)施例提供可以將信號直接耦合到光纖元件中的紅外發(fā)射單元用于IR信號和周圍流體的即時(shí)相互作用。使用硅作為發(fā)射器和波導(dǎo)材料可以導(dǎo)致準(zhǔn)直器和濾波器元件的非常緊湊的集成。紅外信號的向一側(cè)的主要傳播允許光學(xué)元件的簡單方式的集成。使用組合的空洞層上的硅和密封技術(shù)通過提供包圍發(fā)射器元件的真空腔體保證了最小的熱損耗。

各種實(shí)施例包括：

○ 具有向一側(cè)的信號出口的紅外發(fā)射元件

○ 由SON硅制成的具有絲的元件，其被光束整形元件和濾波器包圍，處于硅結(jié)構(gòu)內(nèi)部的相同層次

○ 被真空腔體包圍的發(fā)射單元

○ 處于硅結(jié)構(gòu)內(nèi)部的相同層次的、將IR光束直接耦合到硅波導(dǎo)中的發(fā)射單元

○ 借助SON和深溝槽刻蝕工藝形成的波導(dǎo)元件， 在一個(gè)實(shí)施例中被形成為亞波長波導(dǎo)（關(guān)于寬度和/或高度）

上面所示的實(shí)例可以被配置有省略的部分，例如不具有濾波器系統(tǒng)的發(fā)射單元。更進(jìn)一步地，可以組合其他元件。一個(gè)實(shí)例將是用于附著到發(fā)射單元的未使用的光譜部件的排出部（drain）。這種排出部可以是濾波器系統(tǒng)，其具有與圖4中所示的濾波器相比倒轉(zhuǎn)的透射功能。該第二個(gè)濾波器可以與準(zhǔn)直器在限定的區(qū)處組合。發(fā)射絲還可以以非圓柱形方式形成（例如形成為板）。

描述和附圖僅說明了本公開的原理。由此將認(rèn)識到本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)出各種布置，這些布置盡管沒有在本文中明確地描述或示出，但是體現(xiàn)了本公開的原理并且被包括在它的精神和范圍內(nèi)。此外，本文中所記載的所有實(shí)例主要明確地旨在僅用于教導(dǎo)目的以輔助讀者理解本公開的原理和由(一個(gè)或多個(gè))發(fā)明人為了促進(jìn)本領(lǐng)域所貢獻(xiàn)的概念，并且將被解釋為不局限于這樣具體記載的實(shí)例和條件。而且，本文中記載了本公開的原理、方面和實(shí)施例的所有陳述以及它們的具體實(shí)例旨在涵蓋它們的等價(jià)物。

此外，以下的權(quán)利要求由此被并入到詳細(xì)描述中，其中每個(gè)權(quán)利要求可以獨(dú)立作為分開的實(shí)例實(shí)施例。 雖然每個(gè)權(quán)利要求可以獨(dú)立作為分開的實(shí)例實(shí)施例，但是將注意到-盡管在權(quán)利要求書中從屬權(quán)利要求可以指的是與一個(gè)或多個(gè)其他權(quán)利要求的特定組合-其他實(shí)例實(shí)施例也可以包括該從屬權(quán)利要求與每個(gè)其他從屬權(quán)利要求或獨(dú)立權(quán)利要求的主題的組合。這樣的組合在本文中被提出，除非表明特定的組合是不打算的。此外，旨在還將一個(gè)權(quán)利要求的特征包括到任何其他獨(dú)立權(quán)利要求，即使這個(gè)權(quán)利要求并不直接從屬于該獨(dú)立權(quán)利要求。

進(jìn)一步將注意到，說明書中或者權(quán)利要求中公開的方法可以由具有用于執(zhí)行這些方法的相應(yīng)動作中的每個(gè)動作的裝置的設(shè)備來實(shí)施。

進(jìn)一步地，將理解，在說明書或權(quán)利要求中公開的多個(gè)動作或功能的公開可以不被解釋為是在該特定次序之內(nèi)。 因此，多個(gè)動作或功能的公開將不把這些限制于特定次序，除非這樣的動作或功能由于技術(shù)原因不可互換。此外，在一些實(shí)施例中，單個(gè)動作可以包括或者可以被分解為多個(gè)子動作。這樣的子動作可以被包括并且是該單個(gè)動作的公開的一部分，除非明確排除。