專利名稱：硅光電器件和使用該器件的光信號輸入和/或輸出裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅光電器件和一種使用該器件的光信號輸入和/或輸出裝置。具體而言，本發(fā)明涉及一種既能發(fā)射又能接收光線的硅光電器件和一種使用該器件的光信號輸入和/或輸出裝置。
背景技術(shù)：
使用硅半導(dǎo)體襯底的一個優(yōu)點在于，在該襯底上集成邏輯器件、操作器件和驅(qū)動器件的時候，能夠確保良好的可靠性，并能夠?qū)崿F(xiàn)很高的集成密度。而且，由于使用了廉價的硅，所以與化合物半導(dǎo)體材料相比，使用硅半導(dǎo)體材料可以以很低的成本制造高度集成電路。這就是大多數(shù)集成電路使用硅(Si)作為它們的基材的原因。
不過，由于硅具有造成發(fā)光困難的間接躍遷能帶隙，因此諸如發(fā)光二極管(LED)這樣的發(fā)光器件通常是使用化合物半導(dǎo)體材料制造的，化合物半導(dǎo)體材料具有直接躍遷能帶隙，因此，給出了易發(fā)光性能。
僅當(dāng)高于臨界電流的電流施加到發(fā)光器件上時，該發(fā)光器件才會發(fā)光。因此，通常為了給發(fā)光器件施加具有適當(dāng)強(qiáng)度的電流，需要使用一個放大電路和/或一個開關(guān)電路。該放大電路將低強(qiáng)度的電流放大為適于起振發(fā)光器件的電流強(qiáng)度，而該開關(guān)電路控制用于發(fā)光的開/關(guān)操作。
不過，由于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，通過一系列半導(dǎo)體制造工藝集成地制造由化合物半導(dǎo)體材料制成的發(fā)光器件和由硅制成的放大電路和/或開關(guān)電路是不切實際的。
因此，必須與由化合物半導(dǎo)體材料制成的發(fā)光器件分開地制造放大電路和/或開關(guān)電路，并且將這些電路安裝在該發(fā)光器件的外部。
不過，在這種情況下，由于外部輸電線中的電抗和電容的寄生效應(yīng)，難以實現(xiàn)高速切換。
此外，當(dāng)使用由化合物半導(dǎo)體材料制成的發(fā)光器件陣列作為顯示裝置時，需要在發(fā)光器件的外部設(shè)置開關(guān)電路，以致可以在一個像素接一個像素的基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)光。不過，這造成了在一個像素接一個像素的基礎(chǔ)上使用的電流的導(dǎo)通和截止時間難以得到控制，這妨礙了對發(fā)光持續(xù)時間的控制。
同時，近來，隨著在互聯(lián)網(wǎng)上和使用移動電話進(jìn)行通訊的出現(xiàn)，對拍攝期望的對象并將其發(fā)送給其他的用戶以及在顯示器上顯示其它用戶發(fā)送過來的圖像以對其進(jìn)行觀看的需求已經(jīng)日益增高。
為了滿足這一日益增高的需求，除了用于顯示圖像的顯示器1外，一般傾向于在計算機(jī)系統(tǒng)上安裝一個分立的相機(jī)2，從而操作者可以對打算發(fā)送給其它用戶的期望對象進(jìn)行拍攝，如圖1所示。在圖1中，附圖標(biāo)記3和4分別表示一個主機(jī)和一個用于輸入字符的鍵盤。
由于象計算機(jī)顯示器這樣的傳統(tǒng)的顯示裝置僅能夠顯示圖像，所以需要分立的相機(jī)來拍攝與其它用戶進(jìn)行可視通訊的操作者所期望的對象。
為了拍攝操作者自己的照片同時不致無法觀察顯示裝置上的圖像，必須將相機(jī)放置在遠(yuǎn)離顯示裝置的地方。這就產(chǎn)生了一個問題，無法拍攝到正在觀看顯示裝置上的圖像的操作者的完整臉部。由于這個原因，降低了交互式可視通訊的生動性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種形成在一個硅基襯底上的硅光電器件，它具有執(zhí)行放大功能的內(nèi)建電路、能夠選擇性地進(jìn)行光線的發(fā)射和接收并且能夠容易地控制光線的發(fā)射和接收的持續(xù)時間。
本發(fā)明還提供了一種光信號輸入和/或輸出裝置，它通過使用前面提到的硅光電器件的陣列能夠雙向地傳送信息。
按照本發(fā)明的一個方面，給出了一種硅光電器件，包括n或p型硅基襯底；摻雜區(qū)，在襯底的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型而形成，并且光線的發(fā)射和接收發(fā)生于該摻雜區(qū)中；和光線發(fā)射器件部分和光線接收器件部分，它們共同使用摻雜區(qū)，并且形成在形成有摻雜區(qū)的同一襯底表面上。
按照本發(fā)明的一個具體實施例，其中光線發(fā)射器件部分具有柵極截止(GTO)閘流管結(jié)構(gòu)。
光線發(fā)射器件部分可以包括第一半導(dǎo)體材料區(qū)，與摻雜區(qū)隔開一定距離，并且是在襯底的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型且到達(dá)比摻雜區(qū)更深的深度而形成的；第二半導(dǎo)體材料區(qū)，與第一半導(dǎo)體材料區(qū)鄰接并且是在襯底的表面內(nèi)摻雜成第一半導(dǎo)體材料區(qū)的相反型而形成的；和電極結(jié)構(gòu)，輸入用于控制光線的發(fā)射作業(yè)和/或光線發(fā)射電源的電信號。該電極結(jié)構(gòu)可以包括第一電極，與摻雜區(qū)電連接；第二電極，與第二半導(dǎo)體材料區(qū)電連接；和第一柵極電極，與第一半導(dǎo)體材料區(qū)電連接。
光線接收器件部分可以與襯底和摻雜區(qū)一同形成金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管結(jié)構(gòu)。
光線接收器件部分可以包括第三半導(dǎo)體材料區(qū)，與摻雜區(qū)隔開一定距離，并且是在襯底的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型且到達(dá)比摻雜區(qū)更深的深度而形成的；氧化物膜，形成在襯底的表面上，并位于第三半導(dǎo)體材料區(qū)和摻雜區(qū)之間；第三電極，形成在第三半導(dǎo)體材料區(qū)上；和第二柵極電極，形成在氧化物膜上。
摻雜區(qū)可以形成為這樣一個深度使得硅光電器件在摻雜區(qū)和襯底之間的p-n結(jié)處的量子約束效應(yīng)的作用下表現(xiàn)出光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。
硅光電器件還可以包括開關(guān)電路，該開關(guān)電路選擇性地控制光線發(fā)射電源與光線發(fā)射器件部分的連接、以及用于光線接收的反偏電源和/或負(fù)載電阻與光線接收器件部分的連接。
該開關(guān)電路可以包括第一開關(guān)，用于選擇性地對光線發(fā)射電源與光線發(fā)射器件部分進(jìn)行連接；和第二開關(guān)，用于選擇性地對用于光線接收的反偏電源和/或負(fù)載電阻與光線接收器件部分進(jìn)行連接，并且將開關(guān)電路形成為按照互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)邏輯電路進(jìn)行工作，它是以這樣一種方式進(jìn)行工作的當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)接通時，第二開關(guān)斷開，而當(dāng)?shù)诙_關(guān)接通時，第一開關(guān)斷開。
第一和第二開關(guān)可以是整體地形成在襯底上的。
硅光電器件還可以包括閉塞區(qū)，該閉塞區(qū)從襯底的表面開始以預(yù)定深度圍繞著摻雜區(qū)形成，以阻擋泄漏電流。
按照本發(fā)明的另一個方面，給出了一種光信號輸入和/或輸出裝置，該裝置包括硅光電器件面板，包含排布在n或p型硅基襯底上的多個能夠輸入和輸出光信號的硅光電器件的一維或二維陣列；和電極結(jié)構(gòu)，形成為能夠使每個硅光電器件選擇性地輸入和輸出光信號的圖案，其中各個硅光電器件包括摻雜區(qū)，在襯底的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型而形成，并且光線的發(fā)射和接收發(fā)生于該摻雜區(qū)中；和光線發(fā)射器件部分和光線接收器件部分，它們共同使用摻雜區(qū)，并且形成在形成有摻雜區(qū)的同一襯底表面上。
按照本發(fā)明的具體實施例，硅光電器件面板的每個像素可以包含三個或更多的硅光電器件，并且光信號輸入和/或輸出裝置可以被用作圖像輸入和/或輸出裝置。
硅光電器件面板的每個像素可以包括三個或更多個用于光線發(fā)射和光線接收的硅光電器件，并且對應(yīng)于各個像素的硅光電器件可以發(fā)射和接收不同波長的光線，以表現(xiàn)出彩色圖像。
硅光電器件面板的每個像素可以包括三個或更多個用于光線發(fā)射和光線接收的硅光電器件，并且光信號輸入和/或輸出裝置還可以包括彩色濾光器，該彩色濾光器安裝在硅光電器件面板的前部，以表現(xiàn)出彩色圖像。


通過參照附圖對本發(fā)明的詳細(xì)的示范性實施例進(jìn)行介紹，本發(fā)明的上述的和其它的特征和優(yōu)點將會變得顯而易見，其中圖1是一個通用計算機(jī)系統(tǒng)的示意圖；圖2表示按照本發(fā)明的硅光電器件及其外部電路的組合結(jié)構(gòu)；圖3表示圖2所示的硅光電器件中的光線的發(fā)射和接收所需的區(qū)域的結(jié)結(jié)構(gòu)以及用于光線發(fā)射作業(yè)的外部電路的工作狀態(tài)；圖4表示圖2中所示的硅光電器件中的光線發(fā)射器件部分的等效結(jié)構(gòu)；圖5表示圖2中所示的硅光電器件中的具有兩級晶體管的光線發(fā)射器件部分的等效符號；圖6表示圖2中所示的本發(fā)明的硅光電器件中的光線發(fā)射和接收所需的區(qū)域的結(jié)結(jié)構(gòu)和用于光線接收作業(yè)的外部電路的工作狀態(tài)；圖7是按照本發(fā)明的第一個實施例的圖像輸入和/或輸出裝置的示意圖；圖8是按照本發(fā)明的第二個實施例的圖像輸入和/或輸出裝置的示意圖；圖9是圖8中所示的圖像輸入和/或輸出裝置中的彩色濾光器的結(jié)構(gòu)的示意性平面圖；
圖10是按照本發(fā)明的第三個實施例的圖像輸入和/或輸出裝置的示意圖；和圖11是使用按照本發(fā)明的圖像輸入和/或輸出裝置的數(shù)字電視的示意圖。
具體實施例方式
圖2表示按照本發(fā)明的硅光電器件10及其外部電路40的組合結(jié)構(gòu)。
參照圖2，該硅光電器件10包括一個n或p型硅基襯底11；一個摻雜區(qū)25，其中進(jìn)行光線的發(fā)射和接收；和一個光線發(fā)射器件部分20及一個光線接收器件部分30，它們共同擁有所述摻雜區(qū)25并設(shè)置在與形成所述摻雜區(qū)25的襯底11的表面相同的表面上。
優(yōu)選地，所述硅光電器件10還包括一個電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)輸入用于控制光線的發(fā)射和接收的電信號或者輸入一個光線發(fā)射電源V1和/或一個用于接收光線的反偏電源V2，并且輸出一個光線接收信號。
優(yōu)選地，所述硅光電器件10還包括一個開關(guān)電路，它選擇性地對光線發(fā)射電源V1與光線發(fā)射器件部分20之間的連接、和反偏電源V2及負(fù)載電阻R與光線接收器件部分30之間的連接進(jìn)行控制。
襯底11是一個硅基半導(dǎo)體襯底，它由含有硅元素(Si)，例如含有Si、碳化硅(SiC)或金剛石，并進(jìn)行了n或p型摻雜的預(yù)定半導(dǎo)體材料制成。例如，襯底11可以是具有n型摻雜的單晶硅晶片。
最好，使用襯底11的相反型摻雜物在襯底11的表面內(nèi)將摻雜區(qū)25形成為一個超淺深度。該摻雜區(qū)25是通過利用不均衡擴(kuò)散或注入工藝注入摻雜物而形成的，以從而引發(fā)光線的接收和發(fā)射。
本申請人已經(jīng)在中國專利申請第02120168.4號、相應(yīng)的韓國專利申請為2002年1月10日提交的名稱為《硅光電器件以及利用這種器件的發(fā)光設(shè)備(silicon optoelectronic device and light-emitting apparatus using thesame)》的第2002-1431號中，提出了一種具有用以在硅基襯底的p-n結(jié)中形成一個量子結(jié)構(gòu)的超淺摻雜區(qū)域的硅光電器件。
如上面的申請中所提到的，借助通過控制膜(未示出)的開口向襯底11中非均衡擴(kuò)散諸如硼和磷這樣的預(yù)定摻雜物，可以將摻雜區(qū)25摻雜為襯底11的相反型，例如，p++型。
當(dāng)將襯底11摻雜為n型時，則將摻雜區(qū)25摻雜為p++型。因此，另一方面，如果將襯底11摻雜為p型，則將相應(yīng)摻雜區(qū)25摻雜為襯底11的相反型。
最好，控制膜是具有適當(dāng)厚度的二氧化硅(SiO2)膜，以使摻雜區(qū)形成為超淺摻雜深度。例如，控制膜21可以以這樣一種方式形成圖樣在襯底11上打算形成摻雜區(qū)25的表面部分上形成一個SiO2膜，然后通過光刻工藝進(jìn)行蝕刻，以形成用于擴(kuò)散工藝的開口。由于這些開口使得這樣形成的控制膜具有掩膜結(jié)構(gòu)。
在形成摻雜區(qū)25的時候，這個控制膜起到了掩膜的作用，從而能夠?qū)诫s區(qū)25形成為超淺深度。圖2表示沒有控制膜的情況，這是因為形成了摻雜區(qū)25之后除去了所述控制膜。
當(dāng)利用(例如)非均衡擴(kuò)散工藝通過控制膜的開口將諸如硼和磷這樣的預(yù)定摻雜物注入到襯底11中時，摻雜區(qū)25是超淺地?fù)诫s為襯底11的相反型，例如，p++型。同時，在摻雜區(qū)25和襯底11之間的邊界面處形成了具有量子結(jié)構(gòu)的p-n結(jié)24。在p-n結(jié)24的量子結(jié)構(gòu)處，相反導(dǎo)電型的摻雜部分彼此交替地分布。這里阱和勢壘的寬度分別約為2和3nm。
雖然為了形成摻雜區(qū)25，這里使用了非均衡擴(kuò)散工藝，但是也可以使用諸如注入工藝這樣的其它工藝，只要能夠?qū)诫s區(qū)25形成為所需的淺深度就可以。
如上面所介紹的，在對摻雜工藝進(jìn)行控制從而能夠?qū)诫s區(qū)25形成為超淺深度的情況下，在摻雜區(qū)25和襯底11之間的邊界面處形成了包括量子阱、量子點和量子線中的至少一種的量子結(jié)構(gòu)，即，p-n結(jié)24。因此，產(chǎn)生了量子約束效應(yīng)，并且因而，硅光電器件10能夠表現(xiàn)出光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。
這里，量子阱大部分都形成在p-n結(jié)24處。也可能形成量子點或量子線。在p-n結(jié)24處，也可能形成包括量子阱、量子點和量子線中的兩種或兩種以上的類型的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
這種用于在p-n結(jié)24處形成量子結(jié)構(gòu)的超淺摻雜可以通過對控制膜的厚度和擴(kuò)散工藝的條件進(jìn)行優(yōu)化控制而實現(xiàn)。
在擴(kuò)散工藝過程中，通過適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散溫度和由于襯底11表面上的微觀缺陷圖案所造成的變形電位，可以將擴(kuò)散側(cè)面輪廓的厚度調(diào)節(jié)到(例如)10-20nm。量子結(jié)構(gòu)是通過這樣形成的超淺擴(kuò)散側(cè)面輪廓而產(chǎn)生的。這里，襯底11的表面電位的變化取決于控制膜的初始厚度和表面預(yù)處理。表面電位隨著擴(kuò)散工藝的進(jìn)行而增加。
如擴(kuò)散技術(shù)領(lǐng)域中所公知的，當(dāng)二氧化硅膜形成為大于一個適當(dāng)厚度的厚度(例如，數(shù)千埃)或者擴(kuò)散溫度較低時，主要是空位對擴(kuò)散產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致了較深的擴(kuò)散。另一方面，當(dāng)二氧化硅膜形成為小于一個適當(dāng)厚度的厚度或擴(kuò)散溫度較高時，主要是Si自填隙原子對擴(kuò)散產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致了較深的擴(kuò)散。因此，當(dāng)將二氧化硅膜形成為一個使得Si自填隙原子和空位以相同的比例產(chǎn)生的適當(dāng)厚度時，Si自填隙原子和空位的結(jié)合延緩了摻雜物擴(kuò)散。結(jié)果，實現(xiàn)了所需的淺摻雜。此處所利用的空位和自填隙原子的物理特性在擴(kuò)散技術(shù)領(lǐng)域是公知的，因此將省略對它們的詳細(xì)介紹。
如上面所述，在將摻雜區(qū)25形成為超淺深度的過程中，量子結(jié)構(gòu)是形成在摻雜區(qū)25和襯底11之間的p-n結(jié)24處的。結(jié)果，產(chǎn)生了量子約束效應(yīng)，并因此，通過量子約束效應(yīng)，即，電子-空穴對的產(chǎn)生和湮滅產(chǎn)生了具有高量子效率的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。據(jù)此，硅光電器件10進(jìn)行光線的發(fā)射和接收。
例如，當(dāng)給摻雜區(qū)25施加了用于發(fā)光的電流時，載流子，即，電子和空穴于是被注入到了p-n結(jié)24的量子結(jié)構(gòu)中，并在量子結(jié)構(gòu)的次能帶能級發(fā)生復(fù)合(湮滅)。在這種情況下，根據(jù)載流子的復(fù)合狀態(tài)以預(yù)定波長發(fā)生了電致發(fā)光(EL)，并且所發(fā)射的光量的變化取決于所施加的電流的大小(magnitude)。
當(dāng)光線入射到摻雜區(qū)25中時，光子被吸收到p-n結(jié)24中，從而產(chǎn)生了電子-空穴對。電子和空穴被激發(fā)到在p-n結(jié)24處所形成的量子結(jié)構(gòu)的次能帶能級。因此，當(dāng)負(fù)載電阻R連接到輸出端時，如圖2所示，產(chǎn)生了一個與所照射的光量成比例的輸出信號Vout。
在這種情況下，摻雜區(qū)25處的光線發(fā)射和吸收波長是由形成在襯底11表面上(明確地講，是在摻雜區(qū)25的表面上)的微缺陷所致的微腔決定的。在這方面，可以通過在制造過程中調(diào)節(jié)微腔的尺寸來得到具有所需光吸收和發(fā)射波長范圍的硅光電器件10。
這里，當(dāng)硅光電器件10的光吸收和發(fā)射波長范圍與由形成在襯底11表面上的微缺陷所帶來的微腔的諧振波長良好匹配時，電致發(fā)光(EL)的強(qiáng)度和吸收率可得到增強(qiáng)。
因此，通過借助制造工藝對微腔的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，本發(fā)明的硅光電器件10能夠發(fā)射和接收指定波長的光線。改變微腔的尺寸使得該硅光電器件10能夠發(fā)射和吸收白光。就是說，當(dāng)所有的微腔都具有統(tǒng)一的尺寸時，該硅光電器件10輸出和吸收一個特定波長的光線，例如，紅、綠或藍(lán)光。另一方面，如果這些微腔具有各種不同的尺寸，該硅光電器件10輸出和吸收具有各種不同波長的光線，即，白光。
按照本發(fā)明的硅光電器件10能夠在覆蓋了短波長到長波長的很寬的光譜內(nèi)輸出和吸收光線，例如，從紫外線(UV)到紅外線(IR)。在這方面，硅光電器件10能輸出和吸收白光。
這里，利用由于在摻雜區(qū)25的表面上形成微缺陷造成的變形電位來形成微腔。變形電位的調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)量子阱的變形，并因此微腔得以確定。因此，通過調(diào)節(jié)微腔，就能夠發(fā)射或吸收具有所需波長的光線，例如紅、綠和藍(lán)光，或者白光。
具有如上所述的超淺摻雜區(qū)25的硅光電器件10具有高的量子效率，這是因為由p-n結(jié)24處電荷分布的電位局部變化導(dǎo)致產(chǎn)生了量子約束效應(yīng)，并且在量子結(jié)構(gòu)中形成了次能帶能級。
同時，硅光電器件10具有一個平面結(jié)構(gòu)，從而光線發(fā)射器件部分20和光線接收器件部分30分布在與摻雜區(qū)25形成處相同的襯底11表面上。
最好，所述光線發(fā)射器件部分20具有一個柵極截止(GTO)閘流管(thyristor)結(jié)構(gòu)。
該GTO閘流管是一種閘流管族，并且也稱作GTO晶體管。即使當(dāng)陽極電流流過時，也可以截止該GTO閘流管。這里，閘流管是對具有pnpn結(jié)的四層半導(dǎo)體器件的總稱。
按照本發(fā)明的一個具體實施例，光線發(fā)射器件部分20包括一個第一半導(dǎo)體材料區(qū)21和一個第二半導(dǎo)體材料區(qū)23，其中所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)21與摻雜區(qū)25間隔一定距離，并且是在所述襯底11的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型，例如p+型，且到達(dá)比較深的深度而形成的，而所述第二半導(dǎo)體材料區(qū)23與所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)21相鄰接并將其摻雜為所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)21的相反型，例如，n+型。
所述第一和第二半導(dǎo)體材料區(qū)21和23可以通過向襯底11表面內(nèi)比摻雜區(qū)25更加深入地注入摻雜物而形成。
例如，所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)21是通過使用保證擴(kuò)散得比摻雜區(qū)25更加深入的常規(guī)擴(kuò)散工藝，向打算形成第一半導(dǎo)體材料區(qū)21的襯底11中的位置注入摻雜物以將其摻雜為襯底11的相反型而形成的。然后，所述第二半導(dǎo)體材料區(qū)23是通過使用與所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)21的形成過程中相同的擴(kuò)散工藝，向第一半導(dǎo)體材料區(qū)21的一部分中注入摻雜物以將其摻雜為第一半導(dǎo)體材料區(qū)21的相反型而形成的。
作為備選方案，所述第一和第二半導(dǎo)體材料區(qū)21和23可以通過使用注入工藝進(jìn)行的摻雜物的注入而形成。
這里，所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)21可以是通過蝕刻襯底11以形成溝槽，然后在所述溝槽中疊加襯底11的相反導(dǎo)電型材料，例如，p+型半導(dǎo)體材料而形成的。另一方面，所述第二半導(dǎo)體材料區(qū)23可以是通過蝕刻掉第一半導(dǎo)體材料區(qū)21的一部分，然后在所述蝕刻掉的部分中疊加(例如)n+型半導(dǎo)體材料而形成的，或者是通過向第一半導(dǎo)體材料區(qū)21的一部分中注入摻雜物以將其摻雜成第一半導(dǎo)體材料區(qū)21的相反型而形成的。
用于控制光線發(fā)射作業(yè)和/或用于輸入光線發(fā)射電源的電極結(jié)構(gòu)包括一個與摻雜區(qū)25電連接的第一電極26、一個與第二半導(dǎo)體材料區(qū)23電連接的第二電極27以及一個與第一半導(dǎo)體材料區(qū)21電連接的第一柵極電極28。
第一電極26、第二電極27和第一柵極電極28是以這樣一種方式形成的分別將第一電極26、第二電極27和第一柵極電極28的至少一部分定位在摻雜區(qū)25、第二半導(dǎo)體材料區(qū)23和第一半導(dǎo)體材料區(qū)21之上。而且，第一電極26、第二電極27和第一柵極電極28可以以考慮了它們與另外的開關(guān)電路和外部電路40之間的電連接的適當(dāng)方式在襯底11的表面上形成圖案。
可以使用諸如金屬這樣的不透明電極材料在摻雜區(qū)25的一部分上形成第一電極26。另外一種方案是，第一電極26也可以由諸如氧化銦錫(ITO)這樣的透明電極材料制成，以覆蓋摻雜區(qū)25的至少一部分。
第二電極27和第一柵極電極28可以由諸如金屬這樣的不透明電極材料制成。
如圖2所示，開關(guān)電路電連接在第一和第二電極26和27之間，用以選擇性地輸入光線發(fā)射電源。第一柵極電極28用作第一柵極G1，并因此能夠輸出用于控制光線發(fā)射作業(yè)的第一柵極G1信號。
如上面所介紹的，當(dāng)對光線發(fā)射作業(yè)做出貢獻(xiàn)的摻雜區(qū)25、襯底11、第一半導(dǎo)體材料區(qū)21和第二半導(dǎo)體材料區(qū)23分別具有p++、n、p+和n+導(dǎo)電型時，如圖2所示，本發(fā)明的硅光電器件中對光線發(fā)射作業(yè)做出貢獻(xiàn)的光線發(fā)射器件部分20具有pnpn結(jié)的四層結(jié)構(gòu)。在這種情況下，該光線發(fā)射器件部分20的pnpn結(jié)的四層結(jié)構(gòu)處于一種平面分布狀態(tài)，如圖3所示。就是說，在本發(fā)明的光電器件中，硅光電器件10具有這樣的結(jié)構(gòu)GTO閘流管以平面結(jié)構(gòu)排布。圖3表示在圖2所示的硅光電器件10中對光線的發(fā)射和接收做出貢獻(xiàn)的區(qū)域的結(jié)結(jié)構(gòu)以及相對于光線發(fā)射作業(yè)的外部電路的工作狀態(tài)。
在將光線發(fā)射電源V1施加給具有上述結(jié)構(gòu)的硅光電器件10的光線發(fā)射器件部分20的狀態(tài)下，當(dāng)?shù)谝粬艠OG1導(dǎo)通時，發(fā)射光線，而當(dāng)?shù)谝粬艠OG1截止時，光線發(fā)射作業(yè)中止。
在這種情況下，與摻雜區(qū)25電連接的第一電極26和與第一半導(dǎo)體材料區(qū)21電連接的第二電極27分別作為陽極和陰極使用。圖4表示光線發(fā)射器件部分20的等效結(jié)構(gòu)。
在摻雜區(qū)25、襯底11和第二半導(dǎo)體材料區(qū)23形成一個pnp晶體管結(jié)構(gòu)的同時，襯底11、第二半導(dǎo)體材料區(qū)23和第一半導(dǎo)體材料區(qū)21形成了一個npn晶體管結(jié)構(gòu)。因此，硅光電器件10的光線發(fā)射器件部分20具有內(nèi)置兩級晶體管結(jié)構(gòu)。
具有這種內(nèi)置兩級晶體管的光線發(fā)射器件部分20能夠?qū)νㄟ^第一柵極G1提供的微電流進(jìn)行放大，同時阻斷反向電流的流動。此外，該光線發(fā)射器件部分20能夠?qū)-n結(jié)24處所發(fā)出的光量進(jìn)行控制，并且能夠根據(jù)通過第一柵極G1提供的電流來啟動或停止這一光線發(fā)射過程。因此，如圖5所示，該光線發(fā)射器件部分20具有用于通過一個開關(guān)進(jìn)行電流放大的二極管的總體結(jié)構(gòu)。圖5表示具有如上面所述的兩級晶體管的光線發(fā)射器件部分20的等效符號。
這里，當(dāng)襯底11是p型時，于是將摻雜區(qū)25及第一和第二半導(dǎo)體材料區(qū)21和23摻雜成與上面所給出的導(dǎo)電型相反的導(dǎo)電型。在這種情況下，第一和第二電極26和27分別用作陰極和陽極，而第一柵極電極28用作第一柵極G1。
最好，硅光電器件10的光線接收器件部分30與襯底11和摻雜區(qū)25一起形成一個金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明的一個具體實施例，光線接收器件部分30包括一個第三半導(dǎo)體材料區(qū)31，它離開摻雜區(qū)25一定距離，并且是在所述襯底11的表面內(nèi)摻雜成該襯底的相反型，例如p+型，且到達(dá)比所述摻雜區(qū)更深的深度而形成的；一個氧化物膜33，它形成在襯底11的表面上并位于第三半導(dǎo)體材料區(qū)31和摻雜區(qū)25之間；一個第三電極35，形成在第三半導(dǎo)體材料區(qū)31上；和一個第二柵極電極37，形成在氧化物膜33上。
和光線發(fā)射器件部分20的第一個第二半導(dǎo)體材料區(qū)21和23一樣，第三半導(dǎo)體材料區(qū)31可以通過向比摻雜區(qū)25更加深入的襯底11中的位置注入摻雜物來形成。
例如，第三半導(dǎo)體材料區(qū)31可以通過使用保證得到比摻雜區(qū)25更深的擴(kuò)散的常規(guī)擴(kuò)散工藝，向打算形成該第三半導(dǎo)體材料區(qū)31的襯底11中的位置注入摻雜物以將其摻雜為襯底11的相反型而形成。
作為備選方案，第三半導(dǎo)體材料區(qū)31還可以按照注入工藝通過注入摻雜物來形成。
這里，第三半導(dǎo)體材料區(qū)31可以通過對襯底11進(jìn)行蝕刻來形成溝槽，然后在該這些溝槽中疊加襯底11的相反導(dǎo)電型材料，例如p+型來形成。
氧化物膜33是以這樣一種狀態(tài)形成在襯底11的表面上的該氧化物膜33跨越(span)了彼此分開的第三半導(dǎo)體材料區(qū)31和摻雜區(qū)25。
第三電極35是使用一種不透明金屬電極材料形成的，并與第三半導(dǎo)體材料區(qū)31電連接。第二柵極電極37是使用不透明金屬電極材料形成在氧化物膜33上的。
第三電極35和第二柵極電極37是以同樣的方式形成的第三電極35和第二柵極電極37的至少一部分分別位于第三半導(dǎo)體材料區(qū)31和氧化物膜33上。它們以考慮了它們與另外的開關(guān)電路和外部電路40之間的電連接的適當(dāng)方式在襯底11的表面上形成圖案。
如圖2所示，為了進(jìn)行光線接收作業(yè)，用于輸入反偏電壓的反偏電源V2和負(fù)載電阻R中的至少一個選擇性地電連接于第三電極35和襯底11之間。第二柵極電極37用作第二柵極G2，并因此能夠輸入一個用于控制光線接收作業(yè)的第二柵極G2信號。
光線接收器件部分30實質(zhì)上具有一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)結(jié)構(gòu)。MOSFET是這樣一種場效應(yīng)晶體管其中柵極是通過一個薄的二氧化硅(SiO2)，即氧化物膜33與形成電流通道的半導(dǎo)體層絕緣的。
能夠依照施加到第二柵極G2上的電壓的存在與否對第三半導(dǎo)體材料區(qū)31和摻雜區(qū)25之間的電流通道的開通和切斷進(jìn)行控制。就是說，在按照本發(fā)明的光電器件10中，在負(fù)載電阻R連接在第三電極35和接地襯底11之間的狀態(tài)下，通過向第二柵極G2施加電壓或不施加電壓，實現(xiàn)了選擇性的光線接收性能。
圖6表示圖2中所示的本發(fā)明的硅光電器件中的光線發(fā)射和接收所需的區(qū)域的結(jié)結(jié)構(gòu)、和用于光線接收作業(yè)的外部電路的工作狀態(tài)。
在具有上述結(jié)構(gòu)的硅光電器件10的光線接收器件部分30中，在負(fù)載電阻R電連接在第三電極35和襯底11之間的狀態(tài)下，當(dāng)?shù)诙艠OG2導(dǎo)通時，則發(fā)生了光線接收行為。通過這一光線接收行為檢測到了一個與入射到摻雜區(qū)25中的光量成比例的信號。另一方面，當(dāng)?shù)诙艠OG2截止時，光線接收行為終止。
該硅光電器件10還包括開關(guān)電路，該開關(guān)電路選擇性地將光線發(fā)射電源V1連接到光線發(fā)射器件部分20、以及將用于光線接收的反偏電源V2和/或負(fù)載電阻R連接到光線接收器件部分30。該開關(guān)電路包括用于選擇性地將光線發(fā)射電源V1與光線發(fā)射器件部分20連接起來的第一開關(guān)SW1；用于選擇性地將用于光線接收的反偏電源V2和/或負(fù)載電阻R與光線接收器件30連接起來的第二開關(guān)SW2。
最好，該開關(guān)電路是由互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)邏輯電路構(gòu)成的，并因此當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)SW1導(dǎo)通時，第二開關(guān)SW2截止，反之亦然。CMOS開關(guān)邏輯電路是普遍熟知的，并且可以在硅晶片上形成。
因此，第一和第二開關(guān)SW1和SW2可以整體地形成在襯底11上。最好，第一和第二開關(guān)SW1和SW2是與光線發(fā)射器件部分20和光線接收部分30一起整體地形成在襯底11上的。
圖2表示這樣一個例子，當(dāng)硅光電器件10作為光線接收器件使用時，用于為光線接收器件部分30施加反偏的電源V2和負(fù)載電阻R與光線接收器件部分30串聯(lián)地連接。配置反偏電源V2是為了提高光線接收靈敏度，但也可以省略。
硅光電器件10還可以具有這樣的結(jié)構(gòu)省去附加開關(guān)電路，光線發(fā)射電源V1與光線發(fā)射器件部分20電連接，并且負(fù)載電阻R與光線接收器件部分30電連接。即使這種情況，硅光電器件10也是通過第一和第二柵極G1和G2的通/斷狀態(tài)對光線的發(fā)射和接收進(jìn)行控制的。
同時，硅光電器件10可能還包括一個閉塞區(qū)39，它圍繞著摻雜區(qū)25形成在襯底11的表面以下的預(yù)定深度處，用以阻擋泄漏電流。最好，閉塞區(qū)39是通過圍繞著摻雜區(qū)25注入O2形成在襯底11的表面下面的預(yù)定深度處。
具有上述結(jié)構(gòu)的硅光電器件10是依照下述各步進(jìn)行工作的。下文中，最為例子，將會參照圖3和6對具有圖2中所示的結(jié)構(gòu)的硅光電器件10的工作過程進(jìn)行介紹。
首先，如圖3所示，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)SW1閉合時，并且第一和第二柵極G1和G2分別為導(dǎo)通和截止時，激勵電流從光線發(fā)射電源V1施加給光線發(fā)射器件部分20。結(jié)果，電子和空穴在摻雜區(qū)25的p-n結(jié)24處進(jìn)行復(fù)合。這樣就實現(xiàn)了光線的發(fā)射。就是說，當(dāng)施加了光線發(fā)射電源V1時，并且第一和第二柵極G1和G2分別為導(dǎo)通和截止時，光線發(fā)射電源V1被施加給光線發(fā)射器件部分20，并因此，實現(xiàn)了光線發(fā)射。
當(dāng)電流被施加給第一柵極電極28時，第一和第二電極26和27，即，陽極和陰極的兩端電壓增大。當(dāng)向第一柵極電極28施加了一個特定的電流時，陽極和陰極的兩端電壓的存在導(dǎo)致電流迅速流過光線發(fā)射器件部分20。這樣的兩端電壓被稱為穿通電壓(break-over voltage)。
當(dāng)向第一柵極電極28施加一個電流以致陽極和陰極的兩端電壓超過了穿通電壓時，陽極和陰極變成了導(dǎo)體，從而為光線發(fā)射器件部分20提供了光線發(fā)射所需的電流。因此，即使為第一柵極電極28施加了很小的電流，在具有兩級晶體管的硅光電器件10的光線發(fā)射器件部分20中也能夠借助由p-n結(jié)24處的量子約束效應(yīng)所引發(fā)的電子-空穴對復(fù)合來實現(xiàn)光線發(fā)射。
在這種情況下，光線發(fā)射量的變化取決于施加給第一柵極電極28的第一柵極G1電流。因此，可以通過調(diào)節(jié)第一柵極G1電流對光線發(fā)射量進(jìn)行控制。光線發(fā)射的持續(xù)時間可以通過調(diào)節(jié)第一柵極G1電流的施加來進(jìn)行控制。
當(dāng)附加的開關(guān)電路被形成為CMOS邏輯電路時，如果第一開關(guān)SW1閉合，則第二開關(guān)SW2打開。因此，在這種情況下，用于向光線接收器件部分施加反偏的電源V2和負(fù)載電阻R中的至少一個不與光線接收器件部分30電連接。
另一方面，如圖6所示，當(dāng)閉合第二開關(guān)SW2以向光線接收器件部分30施加反向電壓時，第二柵極G2處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且第一柵極G1處于截止?fàn)顟B(tài)，通過入射外界光線，光線在摻雜區(qū)25和摻雜有預(yù)定導(dǎo)電型，例如，n型的襯底11中得以吸收。結(jié)果，產(chǎn)生了光電動勢。通過接收光線而產(chǎn)生的電子經(jīng)摻雜區(qū)25和負(fù)載電阻R流入接地端，這取決于第二柵極G2電壓的大小。另一方面，空子經(jīng)襯底11流入接地端。結(jié)果，形成了一個具有反向電壓的閉合電路。在這種情況下，經(jīng)放大的輸出信號Vout根據(jù)第二柵極G2電壓的大小流動。
輸出信號Vout的放大的程度取決于第二柵極G2電壓的大小而有所不同，并且光線接收作業(yè)可以依照第二柵極G2電壓的施加情況進(jìn)行控制。
因此，在本發(fā)明的硅光電器件10中，光線的發(fā)射和接收以及光線的發(fā)射和接收持續(xù)時間可以通過借助對第一和第二柵極G1和G2的信號進(jìn)行調(diào)節(jié)而實現(xiàn)的選擇性地閉合和斷開第一和第二開關(guān)SW1和SW2而進(jìn)行控制。
由于光線接收器件部分20具有兩級晶體管以致能夠借助p-n結(jié)處的量子約束效應(yīng)產(chǎn)生光線發(fā)射，所以按照本發(fā)明的硅光電器件10借助使用很少量的第一柵極G1電流就能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行放大。
而且，由于光線接收器件部分30具有MOS晶體管結(jié)構(gòu)，所以硅光電器件10能夠放大并輸出光線接收信號。在這種情況下，光線接收靈敏度是借助第二柵極G2電壓和開關(guān)電壓，即，反偏電壓的選擇性應(yīng)用來控制的。
由于硅光電器件10能夠?qū)τ糜诠饩€發(fā)射的電流和用于光線接收的信號進(jìn)行放大，所以沒有必要單獨制造外部放大電路，這與使用化合物半導(dǎo)體的傳統(tǒng)發(fā)光器件不同。因此，外部輸電線中所存在的電抗和電容的寄生效應(yīng)明顯得到了降低，因此實現(xiàn)了高速切換。
本發(fā)明的硅光電器件10具有光線的發(fā)射和接收的切換功能，并且可以用一個單晶硅晶片作為襯底11。就這方面來說，CMOS邏輯型開關(guān)電路可以整體地形成在襯底11上，該CMOS邏輯型開關(guān)電路選擇性地對光線發(fā)射電源V1及反偏電源V2和/或負(fù)載電阻R的連接關(guān)系進(jìn)行切換。因此，硅光電器件10以及用于切換該硅光電器件10中的光線發(fā)射和接收的所有開關(guān)結(jié)構(gòu)可以通過一系列的半導(dǎo)體加工工藝來制造。從而，當(dāng)硅光電器件10形成為一個陣列，以應(yīng)用于圖像輸入和/或輸出裝置中時，例如，就沒有必要在外部安裝用于在一個像素接一個像素的基礎(chǔ)上控制光線發(fā)射作業(yè)和/或光線接收作業(yè)的開關(guān)電路了。而且，可以在一個像素接一個像素的基礎(chǔ)上輕松地對光線發(fā)射和接收的持續(xù)時間進(jìn)行控制。
光線發(fā)射器件部分20和光線接收器件部分30共同擁有摻雜區(qū)25，并且是形成在對應(yīng)于形成有摻雜區(qū)25的襯底11表面的平面結(jié)構(gòu)內(nèi)的。因此，硅光電器件10具有用于光線發(fā)射和接收的開關(guān)器件的水平排列。當(dāng)光線發(fā)射和接收的切換操作與電源切換同步進(jìn)行時，硅光電器件10能夠最優(yōu)地進(jìn)行光線的發(fā)射和接收。
由于按照本發(fā)明的硅光電器件10所具有的選擇性地進(jìn)行光線發(fā)射和接收的開關(guān)結(jié)構(gòu)是按照一個平面結(jié)構(gòu)形成在一個硅晶片上的，因此硅光電器件10易于制造，并且易于對CMOS邏輯電路的切換進(jìn)行有效設(shè)計。
如上面所述，因為硅光電器件10具有用于光線的發(fā)射和接收的開關(guān)電路并且使用硅基襯底作為襯底11，所以能夠?qū)⒏郊拥拈_關(guān)電路整體地形成在襯底11上，該開關(guān)電路選擇性地控制光線發(fā)射電源V1、和用于光線接收的反偏電源V2和/或負(fù)載電容R的電連接。因此，在硅光電器件10以平面單位元件的形式進(jìn)行集成從而形成硅光電器件面板的情況下，由于可以在元件單元內(nèi)對光線的發(fā)射和接收持續(xù)時間進(jìn)行控制，并且內(nèi)建了放大電路，因此可以實現(xiàn)高速切換，并且硅光電器件面板的體積和使用該面板的裝置的體積可以得到減小。從而，包括多個硅光電器件10的一維或二維陣列的硅光電器件面板能夠應(yīng)用在要求小尺寸和薄厚度的光信號輸入和/或輸出裝置中。
能夠在使用包括硅光電器件10的一維或二維陣列的硅光電器件面板的同一元件中輸入和輸出光信號的光信號輸入和/或輸出裝置的形成過程中，電極結(jié)構(gòu)是以這樣的方式形成圖案的每個硅光電器件10能夠選擇性地輸入和輸出一個光信號。
下文中，作為使用本發(fā)明的硅光電器件陣列的光信號輸入和/或輸出裝置的一個說明性的例子，將會對能夠通過相同的像素輸入和輸出圖像的圖像輸入和/或輸出裝置進(jìn)行介紹。
圖7是使用按照本發(fā)明的硅光電器件的圖像輸入和/或輸出裝置的第一個實施例的示意圖。
參照圖7，按照本發(fā)明的第一個實施例的圖像輸入和/或輸出裝置包括由一個n或p型硅基襯底11上的硅光電器件125的二維陣列組成的硅光電器件面板120。每個硅光電器件125都能夠?qū)崿F(xiàn)光線的發(fā)射和接收以及這兩種作業(yè)間的切換。
如上面所述的按照本發(fā)明的硅光電器件10可以用作此處的硅光電器件125。
由于每個硅光電器件125都能夠?qū)崿F(xiàn)光線的發(fā)射和接收以及這兩種作業(yè)之間的容易切換，所以圖像的輸入和輸出能夠通過同一個硅光電器件125得以進(jìn)行。
因此，硅光電器件面板120能夠通過相同的像素實現(xiàn)圖像的輸入和輸出。
而且，硅光電器件125能夠控制光線發(fā)射和接收的持續(xù)時間、使用小量的電流激勵光線的發(fā)射、以及放大并輸出光線接收信號。因此，硅光電器件面板120能夠根據(jù)要求控制圖像的輸入和輸出，并且實現(xiàn)低功耗型圖像輸入/輸出裝置。
這里，硅光電器件125可以采用半導(dǎo)體制造工藝、使用半導(dǎo)體材料以微陣列形式形成。因此，可以通過一系列的半導(dǎo)體制造工藝在一個單一的n或p型硅基襯底11上制成硅光電器件面板120。
同時，由硅光電器件125的二維陣列組成的硅光電器件面板120中的電極結(jié)構(gòu)可以在襯底11上以這樣一種方式形成圖案能夠在一個像素接一個像素的基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像的輸入和輸出。
在按照本發(fā)明的圖像輸入和輸出裝置中，硅光電器件面板120可以是如此形成的各個硅光電器件125對應(yīng)于各個像素P，如圖7所示。
在這種情況下，可以將每個硅光電器件125設(shè)計為輸出和/或檢測單波長光或白光。
當(dāng)將各個硅光電器件125設(shè)計為輸出和檢測單波長光或白光的時候，按照本發(fā)明的圖像輸入和/或輸出裝置能夠顯示單色圖像并產(chǎn)生拍攝對象的單色圖像電信號。
同時，圖8中所示的按照本發(fā)明的第二個實施例的圖像輸入和/或輸出裝置包括具有多個硅光電器件125的硅光電器件面板120，每個硅光電器件125設(shè)計為輸出和檢測白光。該圖像輸入和/或輸出裝置還包括一個彩色濾光器130，該彩色濾光器130安裝在硅光電器件面板120的前部(在用于輸入和輸出光線的一側(cè))以顯示全色圖像。因此，該圖像輸入和/或輸出裝置能夠顯示全色圖像并能為拍攝對象的全部顏色產(chǎn)生全色圖像電信號。
在這種情況下，彩色濾光器130是如此設(shè)計的全部R、G、B彩色分量對應(yīng)于每個像素P，如圖9所示。
彩色濾光器130的R、G、B彩色分量的排列方式與按照本發(fā)明的另一個實施例的硅光電器件面板中的硅光電器件的二維陣列相似，如稍后將要介紹的那樣?？梢詫Σ噬珵V光器130中的R、G、B彩色分量的排列方式進(jìn)行各種改變。
這樣，包括位于硅光電器件面板120前部的彩色濾光器130的圖像輸入和/或輸出裝置就能夠輸出和輸入彩色圖像了。就是說，這個裝置使得將所拍攝的圖像轉(zhuǎn)換為彩色圖像電信號并且根據(jù)彩色圖像電信號來顯示全色圖像成為可能。
圖10是按照本發(fā)明的第三個實施例的圖像輸入和/或輸出裝置的示意圖。
一個硅光電器件面板140是如此設(shè)計的至少三個硅光電器件對應(yīng)于每個像素P。圖10給出了一個硅光電器件面板140的每個像素具有三個硅光電器件145R、145G和145B的例子。
在這種情況中，硅光電器件10可以用作對應(yīng)于各個像素P的這三個硅光電器件145R、145G和145B，用以分別輸出和檢測(例如)紅光R、綠光G和藍(lán)光B，并且用以將檢測到的彩色光轉(zhuǎn)換為各自的彩色圖像電信號。
這樣，當(dāng)將硅光電器件面板設(shè)計成為每個像素都配置了用于輸出和檢測諸如紅光R、綠光G和藍(lán)光B這樣的特定的顏色的三個硅光電器件145R、145G和145B時，就可以將全部的RGB顏色表現(xiàn)出來，而不用彩色濾光器。在這種情況下，硅光電器件145R、145G和145B在微腔的長度上彼此之間存在著差別，從而發(fā)射和檢測不同波長的光線。
使用圖10中所示的硅光電器件面板140使得無需一個單獨的彩色濾光器就能夠顯示彩色圖像。
為了表現(xiàn)出更加清晰的圖像，可以將圖8和9中所示的彩色濾光器130放置在硅光電器件面板140的前部。
可以針對對應(yīng)于每個像素的三個或更多的硅光電器件的顏色排列方式和/或彩色濾光器中的R、G、B分量的排列方式進(jìn)行各種改變。
如上面所述，由于按照本發(fā)明的圖像輸入和/或輸出裝置能夠在一個像素接一個像素的基礎(chǔ)上選擇性地輸入和輸出單色或彩色圖像，因此可以將它們應(yīng)用于需要進(jìn)行雙向可視通訊的設(shè)備中，例如計算機(jī)顯示器、電視和手持終端。
在這種情況下，由于按照本發(fā)明的圖像輸入和/或輸出裝置實現(xiàn)了在一個單個面板內(nèi)輸入和輸出圖像，因此在進(jìn)行可視通訊的時候就不需要使用單獨的相機(jī)了。
手持終端可以是各種不同類型的便攜式通信設(shè)備，例如移動電話和個人數(shù)字助理(PDA)。
此外，按照本發(fā)明的圖像輸入和/或輸出裝置能夠在單個面板內(nèi)輸入和輸出圖像，因此，可以拍攝到操作者的整個面部，并將其發(fā)送出去。因此，提高了可視通訊中的生動性。
至此，已經(jīng)從包括具有硅光電器件的二維陣列的單一硅光電器件面板的圖像輸入和/或輸出裝置的角度出發(fā)對本發(fā)明進(jìn)行了介紹，不過并不僅限于此。就是說，按照本發(fā)明的圖像輸入和/或輸出裝置可以包括多個硅光電器件面板的組合結(jié)構(gòu)，以提供更大的屏幕。
圖11表示一個使用按照本發(fā)明的圖像輸入和/或輸出裝置的數(shù)字電視。
參照圖11，按照本發(fā)明的圖像輸入和/或輸出裝置可以用在一個數(shù)字電視150中，該數(shù)字電視150允許利用一個光學(xué)無線遙控器155向屏幕151中輸入信息和菜單的選擇結(jié)果?？梢詫⒃摴鈱W(xué)無線遙控器155形成為將光線象光學(xué)指針那樣照射在特定的區(qū)域中。當(dāng)從該光學(xué)無線遙控器155將光信號照射到屏幕151中的一個特定區(qū)域上，例如，一個預(yù)定的菜單153上時，位于該特定區(qū)域中并起到光線接收器件的作用的硅光電器件接收該光信號。依照所接收到的光信號，可以改變數(shù)字電視150的頻道或在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行操作。
在應(yīng)用于前述的圖像輸入和/或輸出裝置中的硅光電器件面板的形成過程中，層間配線和電源線是按照在典型的存儲器制造方法中形成位線和字線的工藝方式連接到每個像素結(jié)構(gòu)上的。這樣的硅光電器件面板是一個用于可以在一個像素接一個像素的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制的光線發(fā)射和接收集成電路。因此，光線的發(fā)射和接收的持續(xù)時間可以得到控制，并且光線的發(fā)射和接收都可以在一個像素單元中進(jìn)行。
至此，已經(jīng)從圖像輸入和/或輸出裝置的角度出發(fā)對按照本發(fā)明的光信號輸入和/或輸出裝置進(jìn)行了介紹。此外，可以將本發(fā)明的光信號輸入和/或輸出裝置應(yīng)用于需要雙向信息傳送的各種不同的領(lǐng)域，例如光學(xué)互連領(lǐng)域。
從上面的說明中顯然可以看出，本發(fā)明的硅光電器件具有執(zhí)行放大功能的內(nèi)建電路、能夠選擇性地進(jìn)行光線的發(fā)射和接收，并且能夠容易地對光線的發(fā)射和接收的持續(xù)時間進(jìn)行控制。本發(fā)明的硅光電器件是形成在一個硅基襯底上的。就此來講，當(dāng)硅光電器件還包括對選擇性地電連接光線發(fā)射電源、及用于光線接收的反偏電源和/或負(fù)載電阻進(jìn)行切換的附加開關(guān)電路時，可以通過一系列的半導(dǎo)體制造工藝將該硅光電器件和該附加開關(guān)電路形成在該襯底上。
此外，硅光電器件的陣列可以應(yīng)用在用于進(jìn)行雙向信息傳送的光信號輸入和/或輸出裝置中。在將光信號輸入和/或輸出裝置用作圖像輸入和/或輸出裝置的情況下，該光信號輸入和/或輸出裝置能夠在一個像素接一個像素的基礎(chǔ)上進(jìn)行光線的接收和發(fā)射。因此，通過一個單一的面板，該光信號輸入和/或輸出裝置可以用于顯示圖像，并且可以用于拍攝操作者的整個臉部，而不會妨礙該操作者觀看顯示的圖像，也不會妨礙隨后產(chǎn)生圖像電信號或輸入光信號。
雖然已經(jīng)參照其示范性的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了具體地展示和介紹，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，可以對其中的形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變，而不會超出后附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的主題和范圍。
權(quán)利要求
1.一種硅光電器件，包括n或p型硅基襯底；摻雜區(qū)，在所述襯底的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型而形成，并且光線的發(fā)射和接收發(fā)生于該摻雜區(qū)中；和光線發(fā)射器件部分和光線接收器件部分，它們共同使用所述摻雜區(qū)，并且形成在形成有摻雜區(qū)的同一襯底表面上。
2.按照權(quán)利要求1所述的硅光電器件，其中所述光線發(fā)射器件部分具有柵極截止(GTO)閘流管結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的硅光電器件，其中所述光線發(fā)射器件部分包括第一半導(dǎo)體材料區(qū)，與所述摻雜區(qū)隔開一定距離，并且是在所述襯底的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型且到達(dá)比所述摻雜區(qū)更深的深度而形成的；第二半導(dǎo)體材料區(qū)，與所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)鄰接并且是在所述襯底的表面內(nèi)摻雜成所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)的相反型而形成的；和電極結(jié)構(gòu)，輸入用于控制光線的發(fā)射作業(yè)和/或光線發(fā)射電源的電信號；所述電極結(jié)構(gòu)包括第一電極，與所述摻雜區(qū)電連接；第二電極；與所述第二半導(dǎo)體材料區(qū)電連接；和第一柵極電極，與所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)電連接。
4.按照權(quán)利要求1到3中任何一項所述的硅光電器件，其中所述光線接收器件部分與所述襯底和所述摻雜區(qū)一同形成金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管結(jié)構(gòu)。
5.按照權(quán)利要求1到4中任何一項所述的硅光電器件，其中所述光線接收器件部分包括第三半導(dǎo)體材料區(qū)，與所述摻雜區(qū)隔開一定距離，并且是在所述襯底的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型且到達(dá)比所述摻雜區(qū)更深的深度而形成的；氧化物膜，它形成在所述襯底的表面上，并位于所述第三半導(dǎo)體材料區(qū)和所述摻雜區(qū)之間；第三電極，形成在所述第三半導(dǎo)體材料區(qū)上；和第二柵極電極，形成在所述氧化物膜上。
6.按照權(quán)利要求1到5中任何一項所述的硅光電器件，其中所述摻雜區(qū)形成為這樣一個深度使得所述硅光電器件在所述摻雜區(qū)和所述襯底之間的p-n結(jié)處的量子約束效應(yīng)的作用下表現(xiàn)出光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。
7.按照權(quán)利要求1到5中任何一項所述的硅光電器件，還包括開關(guān)電路，該開關(guān)電路選擇性地控制光線發(fā)射電源與所述光線發(fā)射器件部分的連接、以及用于光線接收的反偏電源和/或負(fù)載電阻與所述光線接收器件部分的連接。
8.按照權(quán)利要求7所述的硅光電器件，其中所述開關(guān)電路包括第一開關(guān)，用于選擇性地對所述光線發(fā)射電源與所述光線發(fā)射器件部分進(jìn)行連接；和第二開關(guān)，用于選擇性地對用于光線接收的所述反偏電源和/或負(fù)載電阻與所述光線接收器件部分進(jìn)行連接，并且將所述開關(guān)電路形成為按照互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)邏輯電路進(jìn)行工作，該開關(guān)電路是以這樣一種方式進(jìn)行工作的當(dāng)所述第一開關(guān)接通時，所述第二開關(guān)斷開，而當(dāng)所述第二開關(guān)接通時，所述第一開關(guān)斷開。
9.按照權(quán)利要求8所述的硅光電器件，其中所述第一和第二開關(guān)是整體地形成在所述襯底上的。
10.按照權(quán)利要求9所述的硅光電器件，其中所述襯底是單晶硅晶片。
11.按照權(quán)利要求1到7中任何一項所述的硅光電器件，還包括閉塞區(qū)，該閉塞區(qū)從所述襯底的表面開始以預(yù)定深度圍繞著所述摻雜區(qū)形成，以阻擋泄漏電流。
12.按照權(quán)利要求11所述的硅光電器件，其中所述閉塞區(qū)是通過O2注入工藝形成的。
13.按照權(quán)利要求1到7中任何一項所述的硅光電器件，其中所述襯底是單晶硅晶片。
14.一種光信號輸入和/或輸出裝置，該裝置包括硅光電器件面板，包含排布在n或p型硅基襯底上的多個能夠輸入和輸出光信號的硅光電器件的一維或二維陣列；和電極結(jié)構(gòu)，形成為能夠使每個硅光電器件選擇性地輸入和輸出光信號的圖案，其中各個硅光電器件包括摻雜區(qū)，在所述襯底的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型而形成，并且光線的發(fā)射和接收發(fā)生于該摻雜區(qū)中；和光線發(fā)射器件部分和光線接收器件部分，它們共同使用所述摻雜區(qū)，并且形成在形成有摻雜區(qū)的同一襯底表面上。
15.按照權(quán)利要求14所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述光線發(fā)射器件部分具有GTO閘流管結(jié)構(gòu)。
16.按照權(quán)利要求14或15所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述光線發(fā)射器件部分包括第一半導(dǎo)體材料區(qū)，與所述摻雜區(qū)隔開一定距離，并且是在所述襯底的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型且到達(dá)比所述摻雜區(qū)更深的深度而形成的；和第二半導(dǎo)體材料區(qū)，與所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)鄰接，并且是在所述襯底的表面內(nèi)摻雜成所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)的相反型而形成的；和輸入用于控制光線的發(fā)射作業(yè)和/或光線發(fā)射電源的電信號的所述電極結(jié)構(gòu)，包括第一電極，與所述摻雜區(qū)電連接；第二電極，與所述第二半導(dǎo)體材料區(qū)電連接；和第一柵極電極，與所述第一半導(dǎo)體材料區(qū)電連接。
17.按照權(quán)利要求14所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述光線接收器件部分與所述襯底和所述摻雜區(qū)一同形成MOS晶體管結(jié)構(gòu)。
18.按照權(quán)利要求14或17所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述光線接收器件部分包括第三半導(dǎo)體材料區(qū)，與所述摻雜區(qū)隔開一定距離，并且是在所述襯底的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型且到達(dá)比所述摻雜區(qū)更深的深度而形成的；和氧化物膜，形成在所述襯底的表面上，并位于所述第三半導(dǎo)體材料區(qū)和所述摻雜區(qū)之間；且所述電極結(jié)構(gòu)包括第三電極，形成在所述第三半導(dǎo)體材料區(qū)上；和第二柵極電極，形成在所述氧化物膜上。
19.按照權(quán)利要求14到18中任何一項所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述摻雜區(qū)形成為這樣一個深度使得所述硅光電器件在所述摻雜區(qū)和所述襯底之間的p-n結(jié)處的量子約束效應(yīng)的作用下表現(xiàn)出光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。
20.按照權(quán)利要求14到18中任何一項所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中每個硅光電器件還包括開關(guān)電路，該開關(guān)電路選擇性地控制光線發(fā)射電源與所述光線發(fā)射器件部分的連接、以及用于光線接收的反偏電源和/或負(fù)載電阻與所述光線接收器件部分的連接。
21.按照權(quán)利要求20所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述開關(guān)電路包括第一開關(guān)，用于選擇性地對所述光線發(fā)射電源與所述光線發(fā)射器件部分進(jìn)行連接；和第二開關(guān)，用于選擇性地對用于光線接收的所述反偏電源和/或負(fù)載電阻與所述光線接收器件部分進(jìn)行連接，并且將所述開關(guān)電路形成為按照CMOS邏輯電路進(jìn)行工作，該開關(guān)電路是以這樣一種方式進(jìn)行工作的當(dāng)所述第一開關(guān)接通時，所述第二開關(guān)斷開，而當(dāng)所述第二開關(guān)接通時，所述第一開關(guān)斷開。
22.按照權(quán)利要求21所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述第一和第二開關(guān)是整體地形成在所述襯底上的。
23.按照權(quán)利要求20所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述硅光電器件面板的每個像素包含三個或更多個所述硅光電器件，并且所述光信號輸入和/或輸出裝置被用作圖像輸入和/或輸出裝置。
24.按照權(quán)利要求14到20中任何一項所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中每個硅光電器件還包括閉塞區(qū)，該閉塞區(qū)從所述襯底的表面開始以預(yù)定深度圍繞著所述摻雜區(qū)形成，以阻擋泄漏電流。
25.按照權(quán)利要求14到20中任何一項所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述襯底是單晶硅晶片。
26.按照權(quán)利要求14到20中任何一項所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述硅光電器件面板包括硅光電器件的二維陣列，并且所述光信號輸入和/或輸出裝置被用作圖像輸入和/或輸出裝置。
27.按照權(quán)利要求26所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述硅光電器件面板的每個像素包括三個或更多個用于光線發(fā)射和光線接收的所述硅光電器件，并且對應(yīng)于各個像素的所述硅光電器件發(fā)射和接收不同波長的光線，以表現(xiàn)出彩色圖像。
28.按照權(quán)利要求26所述的光信號輸入和/或輸出裝置，其中所述硅光電器件面板的每個像素包括三個或更多個用于光線發(fā)射和光線接收的所述硅光電器件，并且所述光信號輸入和/或輸出裝置還包括彩色濾光器，該彩色濾光器安裝在所述硅光電器件面板的前部，以表現(xiàn)出彩色圖像。
29.按照權(quán)利要求26所述的光信號輸入和/或輸出裝置，該裝置被用于數(shù)字電視中，在該數(shù)字電視中，向屏幕中輸入信息和菜單的選擇是通過光學(xué)無線遙控器進(jìn)行控制的。
全文摘要
一種硅光電器件和一種光信號輸入和/或輸出裝置。該硅光電器件包括n或p型硅基襯底；摻雜區(qū)，在所述襯底的表面內(nèi)摻雜成襯底的相反型而形成，并且光線的發(fā)射和接收發(fā)生于該摻雜區(qū)中；和光線發(fā)射器件部分和光線接收器件部分，它們共同使用所述摻雜區(qū)，并且形成在形成有摻雜區(qū)的同一襯底表面上。該硅光電器件具有一個執(zhí)行放大功能的內(nèi)建電路，能夠選擇性地進(jìn)行光線的發(fā)射和接收，并且能夠容易地控制光線的發(fā)射和接收持續(xù)時間。
文檔編號H01L33/00GK1525572SQ200410006620
公開日2004年9月1日 申請日期2004年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月25日
發(fā)明者金俊永, 崔秉龍, 李銀京 申請人:三星電子株式會社