一示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的截面視圖的示圖。在圖 5所示的示例性器件中，半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)（31)通過(guò)外延工藝（而不是倒裝芯片接合）與襯 底（21)單片集成。在這里，單片集成的半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)（31)仍被視為接合層（13)的一部 分。
[0033] 圖6是示出又一示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的截面視圖的示圖。在圖 6所示的示例性器件中，照明元件（32)通過(guò)外延工藝（而不是倒裝芯片接合）與襯底（21) 單片集成。在這里，單片集成的照明元件（32)仍被視為接合層（13)的一部分。
[0034] 圖7是示出又一示例性器件的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的截面視圖的示圖。在圖 7所示的示例性器件中，半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)（31)和照明元件（32)均通過(guò)外延工藝（而不是倒 裝芯片接合）與襯底（21)單片集成。
[0035] 圖8A至圖8G是示出制造具有根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的集成化功率片上系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)的器件的步驟的示圖。
[0036] 圖8A不出了初始襯底（21)。在不例性實(shí)施例中，襯底為諸如娃的單晶半導(dǎo)體。圖 8B示出了用于信號(hào)處理及電源管理控制的集成電路的形成，所述集成電路包括矩陣電路 (22'）和電源管理電路（24)?？衫脗鹘y(tǒng)集成電路技術(shù)在襯底（21)上形成這些電路。圖 8C示出了在襯底（21)中形成過(guò)孔?？衫弥T如深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE)工藝的干法刻蝕來(lái) 制造所述過(guò)孔。然后，通過(guò)沉積的電介質(zhì)材料將所述過(guò)孔從襯底（21)隔離。在此之后，用 導(dǎo)電材料（例如銅或高摻雜多晶硅）填充所述過(guò)孔。
[0037] 圖8D示出了在襯底背面形成溝槽（41)。通過(guò)刻蝕來(lái)制造所述溝槽。濕法刻蝕和 干法刻蝕均可用于形成溝槽。例如，濕法各向異性刻蝕（例如，使用TMAH或者Κ0Ν)可用于 形成具有傾斜側(cè)壁的溝槽。干法刻蝕可用于形成具有垂直側(cè)壁的溝槽?；叶裙饪炭捎糜谛?成具有可控斜率的側(cè)壁的溝槽。形成在襯底中的溝槽的深度足夠大，以至于能夠暴露過(guò)孔 (28) 的末端。圖8E示出了在所述溝槽中形成無(wú)源元件。所述無(wú)源元件包括磁性元件（26) (例如，變壓器、電感器）以及電容器（27)。由于溝槽體積較大，因此集成磁性元件（26)的 電感可以很大，并且對(duì)于電容器而言，利用溝槽中的較大可用空間可顯著提高電容密度。
[0038] 圖8F示出了半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)（25)的形成。半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)（25)通過(guò)焊料凸塊 (29) 以倒裝芯片的形式接合至襯底（21)。圖8G示出了照明元件（22)(例如，SSL照明/顯 示元件）的形成。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，照明元件（22)為諸如LED矩陣的SSL照明元件， 它通過(guò)焊料凸塊（29)以倒裝芯片的形式接合至襯底（21)。在其他實(shí)施例（未示出）中，應(yīng) 當(dāng)理解，半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)（25)和照明元件（22)可通過(guò)外延工藝與襯底單片集成而不使用 焊料凸塊。
[0039] 可在 Κ· M. Lau 等人的發(fā)表論文 "Cost-effective and Eco-friendly LED System-on-a-Chip'，，China Solid State Lighting, Beijing, China (Nov. 2013)(在本文中 被稱作"Lau的發(fā)表論文"）中得到包含上述發(fā)明原理的照明器件的具體示例，該論文的全 部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文中。
[0040] Lau的發(fā)表論文還提供了經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)涉及本文所討論的器件結(jié)構(gòu)的示 例性實(shí)施例中嵌入式無(wú)源元件層的各種元件（例如，背面硅嵌入式電感器（BSEI)以及具有 磁芯的集成電感器）。此外，對(duì)涉及倒裝芯片接合的經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)進(jìn)行了討論。
[0041] 本文所討論的發(fā)明原理的實(shí)施例可應(yīng)用于多種情景中。如上所述，一種應(yīng)用為SSL 照明，其中照明元件（22)包括SSL照明元件，并且整個(gè)器件是具有功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高 效且緊湊的照明器件。
[0042] 另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域涉及具有光學(xué)元件的照明器件。在一個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)中，照明元件 (22)還包括光學(xué)元件，例如透鏡或者微透鏡陣列。如同Lau的發(fā)表論文中討論的那樣，所述 光學(xué)元件可通過(guò)倒裝芯片技術(shù)接合至襯底或者可與襯底單片集成。對(duì)于具有其上涂覆有二 氧化硅微球的藍(lán)寶石表面的InGaN LED的示例，其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明在上述示例性器件中添加 光學(xué)元件可提高輸出和效率。
[0043] 應(yīng)用領(lǐng)域的其他示例為感測(cè)器件（例如針對(duì)空氣污染物和水污染物的傳感器）以 及智能交通系統(tǒng)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，可通過(guò)采用本文所討論的功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 單個(gè)智能交通燈裝置完成以上兩種功能。另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的示例為可見(jiàn)光通信（VLC)。以 下將更詳細(xì)地討論這些應(yīng)用的幾個(gè)示例。
[0044] 智能奪通燈
[0045] 傳統(tǒng)的交通燈需要較大的外殼空間來(lái)容納三個(gè)獨(dú)立的燈（以及關(guān)于行人"通過(guò)" 和"等待"信號(hào)的獨(dú)立的燈），它們消耗大量功率，并且需要較高的制造成本。在涉及交通 燈應(yīng)用的本發(fā)明的實(shí)施例中，采用本文所討論的功率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小型照明器件可用于 與光學(xué)投影透鏡接合，以實(shí)現(xiàn)高效且經(jīng)濟(jì)的2合1 (使用單個(gè)照明設(shè)備示出行人信號(hào)）、3合 1 (使用單個(gè)照明設(shè)備示出交通信號(hào)）、或者甚至5合1 (使用單個(gè)照明設(shè)備示出行人信號(hào)和 交通信號(hào)這兩種信號(hào)）的交通燈裝置。圖9中示出了示例性交通燈裝置，其中所述交通燈 裝置能夠采用一個(gè)或兩個(gè)小型照明器件以及一個(gè)或兩個(gè)光學(xué)投影透鏡來(lái)提供相對(duì)更緊湊 的交通燈。
[0046] 此外，智能交通燈裝置可包括允許進(jìn)行污染物感測(cè)和可見(jiàn)光通信（VLC)的元件， 如同下文所討論的那樣。
[0047] 污染物感測(cè)
[0048] 在涉及污染物感測(cè)的本發(fā)明的實(shí)施例中，光學(xué)傳感器可嵌入到（或替代）位于功 率片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的接合層中的照明元件中。當(dāng)工作于正常功能模式時(shí)，所述裝置可執(zhí)行光 學(xué)激勵(lì)、信號(hào)檢測(cè)和處理、以及光學(xué)數(shù)據(jù)通信。除了簡(jiǎn)單地采樣周?chē)墓馑?，所述裝置還 根據(jù)空氣或水污染監(jiān)測(cè)的需要通過(guò)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的散射、吸收和/或熒光性進(jìn)行測(cè)量來(lái)完成 功能?？梢源罅坎渴疬@種裝置來(lái)用于收集較寬范圍的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)包括用于執(zhí)行動(dòng)態(tài)照 明控制的周?chē)鈴?qiáng)度以及不同地區(qū)的污染物的相對(duì)濃度。
[0049] 在一個(gè)示例中，所述裝置包含以倒裝芯片的方式接合的LED陣列。對(duì)LED陣列進(jìn) 行單獨(dú)調(diào)制，并且嵌入到另一個(gè)LED燈中的片上檢測(cè)器將在合理距離內(nèi)收集穿過(guò)空氣的輻 射光。通過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理，信號(hào)處理電路輸出表示污染物存在（或缺失）的周?chē)鷧^(qū)域的 吸收和散射水平。
[0050] 圖10中提供了使用上文討論的智能交通燈裝置的污染物感測(cè)部署的示例。一對(duì) 相向的行人交通燈提供了合適的傳感器部署場(chǎng)景，這是由于交通燈位于適當(dāng)?shù)母叨?，并?交通部門(mén)聯(lián)網(wǎng)。因此，交通燈可提供污染物濃度的地圖數(shù)據(jù)以及時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)。
[0051] 感測(cè)應(yīng)用中的照明裝置具有調(diào)制不同顏色的光源的能力，從而能夠開(kāi)發(fā)出針對(duì)空 氣污染物執(zhí)行窄帶感測(cè)和寬帶感測(cè)的光源和檢測(cè)器對(duì)。差分光學(xué)吸收譜（D0AS)用于感測(cè) 空氣中的化學(xué)污染物，而寬帶散射測(cè)量用于感測(cè)懸浮顆粒。路徑中的顆粒物（PM)可使光發(fā) 生散射，而化學(xué)污染物則會(huì)吸收光。所述吸收和散射在球坐標(biāo)中可通過(guò)以下等式1表征：
[0053] 第一項(xiàng)是由吸收所致。第二項(xiàng)是由散射所致。吸收因子ea(X)和散射因子 ε3(λ)均與目標(biāo)分子濃度成比例，并取決于光的波長(zhǎng)。因此，通過(guò)測(cè)量不同波長(zhǎng)的衰減分 量，可估計(jì)多種不同的污染物的濃度。
[0054] 空氣中的散射主要是影響寬帶光譜的Rayleigh散射和Mie散射。而另一方面，化 學(xué)污染物只吸收窄帶光。因此，可從接收到的光譜分離出不同污染物的影響。在LED光源 的可見(jiàn)光光譜中，可測(cè)量主要化學(xué)污染物（例如〇3和NOx)的濃度。典型的空氣消光系數(shù)處 于從無(wú)污染空氣中的0.01km 1到重污染空氣中的lkm 1的范圍內(nèi)。例如，光源與所述檢測(cè)器 對(duì)相距~20m時(shí)，空氣路徑衰減可在0. 02%到2%的范圍內(nèi)。假設(shè)典型的LED交通燈的光 強(qiáng)度約為1500-2000流明（lumen)，則輻射損失之后估計(jì)在檢測(cè)器處接收到的光強(qiáng)度約為 0.41ux。同時(shí)，背景日光的強(qiáng)度可以高達(dá)lOklux。典型的光電二極管可提供0.5A/W的響 應(yīng)度。因此，當(dāng)其用作檢測(cè)器件時(shí)，將提供270-pA的信號(hào)光電流以及7- μ A的日光光電流。 可利用用于背景"噪聲"校正的反饋環(huán)路來(lái)消除緩慢且無(wú)規(guī)律變化的日光的光強(qiáng)。一種方 法是用特定的"特征（signature)頻率"（例如100kHz)來(lái)調(diào)制光源LED，以便在接收機(jī)處 進(jìn)行同步鎖定檢測(cè)。
[0055] 除了在電域（electrical domain)中執(zhí)行信號(hào)調(diào)節(jié)，也可使用光學(xué)濾波器來(lái)進(jìn)一 步消除不需要的背景日光。在傳感器設(shè)計(jì)中，光學(xué)元件可實(shí)現(xiàn)為直接安裝在照明裝置上的 定制化塑料光學(xué)元件?？梢允褂锰囟ǖ脑ㄟ^(guò)對(duì)出射和返回光輻射進(jìn)行干涉濾波或者光 柵色散來(lái)執(zhí)行光束對(duì)準(zhǔn)、視野控制和光譜分析。此外，可實(shí)現(xiàn)用于感測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)的嵌入式信 號(hào)處理1C，來(lái)確保最終的裝