CN106323897B - 集成发光器件、集成传感器器件以及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成发光器件、集成传感器器件以及制造方法。本公开涉及一种集成发光器件（200）。该集成发光器件（200）包括半导体材料的衬底（205）、集成到半导体材料中的发光单元（210）、以及形成在衬底（205）与发光单元（210）之间的半导体材料中的至少一个腔体（215）。该至少一个腔体（215）的至少部分可以由空洞层上的硅（SON）工艺步骤形成。

Description

集成发光器件、集成传感器器件以及制造方法
技术领域
实施例总体上涉及半导体器件和用于制造半导体器件的方法，并且更具体地涉及集成发光器件和相关的集成传感器器件。
背景技术
电子传感器通常测量物理量并将测量的物理量转换成信号，该信号被提供给电子仪器（例如，集成的芯片处理器）。近年来，使用传感器的领域数量已经大大扩大。例如，可以在不同的应用中发现传感器，比如化学试剂检测单元、医疗诊断设备、工业过程控制、污染监测、汽车等等。
红外传感器，比如，例如中红外（MIR）传感器，测量从具有高于绝对零度的温度的物体在电磁谱的红外（IR）部分中发射的辐射。中红外光谱覆盖具有在约2 - 25 µm的范围内的波长的电磁辐射。通过测量MIR光谱的变化，传感器能够测量例如样品的化学性质或温度的变化。
光程长度（现在是毫米和厘米范围）的减小是在去单片集成IR传感器的途中的一个中心任务。一个有希望的方法是消散表面场在亚波长直径的波导中的应用。为了充分利用这个概念，高效的准直和红外光耦合到光纤中以及光发射器的优良热隔离是必不可少的。
发明内容
本公开的实施例涉及基于半导体的集成发光器件。该器件包括包含半导体材料的衬底，即半导体衬底。该集成器件进一步包括集成到半导体材料中的发光单元、和形成在衬底与发光单元之间的半导体材料中的至少一个腔体。
特别地，至少部分的该腔体可以形成在发光单元的部分下面和半导体衬底的部分上面。通常，这类腔体被称为空洞层上的硅（SON）腔体。
在一些实施例中，发光单元包括形成在半导体材料中的导电结构作为光源。该导电结构被配置成当供给电压被施加到该导电结构的端子时发射光。
在一些实施例中，该导电结构包括结晶、多晶或非晶半导体材料。
在一些实施例中，该导电结构包括垂直于从发光单元发射的光束的方向延伸的导电丝。
在一些实施例中，发光单元进一步包括被配置成使从导电结构发射的光准直的光束整形部分。光束整形部分可以包括发光单元的半导体材料的光反射圆形或抛物线边缘。
在一些实施例中，该导电结构基本上延伸穿过该圆形或抛物线边缘的焦点。
在一些实施例中，发光单元进一步包括形成在半导体材料中的滤波器部分。滤波器部分可以被配置成在光谱红外区中具有至少一个通带。
在一些实施例中，滤波器部分包括形成在发光单元的半导体材料中的一个或多个沟槽。
在一些实施例中，发光单元被布置在半导体材料的密封离开环境的部分中。在密封部分中的发光单元可以至少部分地被真空腔体包围。
在一些实施例中，集成发光器件进一步包括形成在发光单元上面的密封层以及在发光单元和密封层之间的至少一个腔体。
在一些实施例中，集成发光器件进一步包括耦合到发光单元的光出口的波导。该波导可以被配置成在被引导的光和包围该波导的测量介质之间提供相互作用。
在一些实施例中，波导和发光单元整体形成在半导体材料中。
在一些实施例中，波导被布置在半导体材料的对环境敞开的部分中。发光单元可以布置在半导体材料的密封离开环境的部分中。
在一些实施例中，波导的宽度小于所发射的光的波长。可选地，波导的高度可以大于所述光的波长。
根据本公开的另一方面，提供一种集成传感器器件。该集成传感器器件包括半导体衬底、形成在半导体衬底中的发光单元、形成在半导体衬底中的光检测单元以及形成在发光单元和光检测单元之间的半导体衬底中的波导。该波导形成在半导体衬底的对环境敞开的部分中以在被引导的光和包围该波导的测量介质之间提供相互作用。发光单元形成在半导体衬底的密封离开环境的部分中。进一步地，在密封部分中的发光单元至少部分地被真空腔体包围。
特别地，真空腔体的至少部分可以形成在发光单元的部分下面和半导体衬底的部分上面。通常，这类腔体被称为空洞层上的硅（SON）腔体。
根据本公开的另一方面，提供一种用于形成集成发光器件的方法。该方法包括将发光单元集成到半导体衬底的半导体材料中以及在半导体衬底与发光单元之间的半导体材料中形成至少一个腔体。注意，所述至少一个腔体可以实际上在创建发光单元之前形成在半导体材料中。
在一些实施例中，形成至少一个腔体包括通过使用空洞层上的硅（SON）处理顺序（processing sequence）在发光单元下面形成腔体。
在一些实施例中，集成发光单元包括将波导与发光单元一起整体形成在半导体材料中。
在一些实施例中，集成发光单元包括将导电丝结构形成在集成的发光单元中。
在一些实施例中，集成发光单元包括将具有一个或多个沟槽的滤波器结构形成在半导体材料中。
在一些实施例中，集成发光单元包括将光反射弯曲或抛物线边缘形成在发光单元的半导体材料中，所述弯曲或抛物线边缘用作光束整形元件。
实施例可以将集成的光发射器、准直单元和光谱滤波器组合在单个半导体元件上。该元件可以通过真空腔体与周围材料热隔离。由此，可以提供高效的准直和红外（IR）光到光学亚波长光纤中的耦合以及发射器的优良热隔离。
附图说明
设备和/或方法的一些实施例将在下面仅作为实例以及参考附图来描述，在附图中：
图1a图示通风率作为参数、随时间的变化的通风房间中的二氧化碳浓度；
图1b图示占用量（occupation）作为参数、在停止通风的情况下随时间的变化的上层（upper class）车中的二氧化碳浓度；
图1c示出具有在厘米范围内的光程长度的线性非色散气体传感器的示意图；
图2图示根据实施例的基于半导体的集成发光器件；
图3示出根据实施例的用于IR光谱传感器的发光单元的透视图；
图4示出如图3中粗略画出的硅/真空层堆叠的模拟透射谱；
图5图示用于制造根据实施例的基于半导体的集成发光器件的方法的高级流程图；
图6示出形成空洞层上的硅（SON）腔体的多种原理；
图7图示在密封和抽真空之后基于半导体的集成发光器件的最终结构；以及
图8示出用于制造图7的基于半导体的集成发光器件的方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考其中示出一些实例实施例的附图来更全面地描述各种实例实施例。在各图中，为了清楚可以放大线、层和/或区的厚度。
因此，虽然更多的实施例能够进行各种修改及替代形式，但是其一些实例实施例在各图中借助实例被示出并且在本文中将被详细描述。然而，应当理解，并不打算将实例实施例局限于所公开的特定形式，而是相反，实例实施例将涵盖落入本公开的范围内的所有修改、等效物及替代物。贯穿各图的描述，相似编号指代相似或类似的元件。
将理解，当称一元件“连接”或“耦合”到另一元件时，其可直接连接或耦合到该另一元 件，或者可以存在居间元件。相比之下，当称一元件“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在居间元件。用以描述元件之间的关系的其它词应当以相似的方式来解释(例如，“在......之间”对比“直接在......之间”，“邻近”对比“直接邻近”等)。
本文中所使用的术语仅是出于描述特定实例实施例的目的并且并非打算是对另外的实例实施例的限制。如本文中所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”打算也包含复数形式，除非上下文另外明确指示。将进一步理解，当在本文中使用时，术语“包括”、“包含”、“含有”和/或“具有”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、 部件和/或其群组的存在或添加。
除非另有定义，否则本文中所使用的所有术语(包含技术和科学术语)都具有与由实例实施例所属于的领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解，术语(例如，常用字典中所定义的那些术语)应解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，除非本文中另有明确定义。
不断增加数量的出版物和概念涉及气体和其他流体中化学物质的检测和表征。这些测量系统的部件的逐步小型化为开拓新市场铺平了道路。一个实例是在封闭环境中二氧化碳（CO2）浓度的测量。美国采暖 、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)在建筑物的按需求控制通风的作用中提供了一些见识。
图1a和图1b图示车内和建筑物内的随时间的变化的CO2浓度（通风率、占用量作为参数）。图1a示出通风率作为参数、通风房间中的随时间的变化的实例CO2浓度。图1b描绘了占用量作为参数、在停止通风的情况下上层车中的随时间的变化的实例CO2浓度。
可接受的CO2水平在600 ppm（百万分之）范围内，僵硬度和气味的申诉（complaint）发生在600-1000 ppm，全身性困倦（general drowsiness）与1000-2500 ppm相关联。对于车内CO2浓度的实例，通风成为安全的问题。另一方面，燃料效率是汽车自动化的驱动因素之一。当使用按需求的传感器控制的通风来代替常规通风设置时已经评估了在高达0.9l/100km水平下的燃料消耗的降低。
在住宅和公共建筑物处的采暖是温带地区的国家中CO2排放的一个主要贡献因素。在德国，例如，相关联的能源消耗目前大致为每人每年7000kWh。这关联到约3.5吨的CO2排放（假设石油或天然汽油作为主要的能源来源）。尽管建筑物的采暖仅是德国的整个能源消耗的三分之一，但是建筑物采暖的CO2排放已经远远高于关系到全球变暖的可接受的每人每年2吨的水平。努力降低建筑物采暖与作为高效绝热的基础的气密结构和按需求控制的通风密切相关。
上面举例说明的事实示出了对例如传感器控制的空气质量管理的需要。两种传感器方式可以被认为是建筑物中广泛使用的有希望的候选者：非色散红外（NDIR）感测系统和光声传感器。尽管两个系统都表现出足够的分辨率和关键参数，但是一些主要缺点仍是未解决的-首先是传感器尺寸和成本。
针对流体或气体检测的宽范围的感测原理在过去几十年已经被研究。例如，可以利用在电磁谱的红外区中的辐射（即具有约2-25μm的波长的辐射）执行红外光谱分析。例如，许多现代社会的传感器，诸如非色散红外（NDIR）CO2传感器，使用电磁谱的红外区来测量流体和/或气体样品的性质。这样的传感器产生IR辐射，其当与样品接触时与所述样品发生反应以在IR辐射中引起变化（例如衰减）。
图1c示出了常规线性非色散传感器100的示意图。传感器100包括宽带红外光源102、样品室103、一个或多个滤光器108和红外检测器110。样品室103可以包括用于样品（例如气体或流体）的入口104和出口106。传感器100在光色散的意义上是非色散的，因为允许红外能量通过大气样品室103而没有变形。这里，常规传感器100的光程长度可以在厘米范围内。
传感器100测量IR辐射谱的变化以确定样品室103中样品的性质。在IR辐射谱中样品的特性吸收的测量（其代表作为特殊物质的化学指纹）表现出作为该物质的特性的在特定波长的更强吸收。可以通过将该物质暴露于宽带IR辐射并且在该辐射已经通过或部分地渗透该样品之后确定在该光谱中的吸收来使用该特征。
针对NDIR传感器的目标研究主题之一已经是优化和减小在100ppm范围内CO2检测所需的光程长度。一些研究产生了NDIR传感器的单个部件作为硅芯片的集成部分。原则上，所有部件已经被分开证明是硅管芯。然而，关于红外波导和光谱滤波的硅物理性质的全部优点在多于一个部件中很少被采用。
光程长度（现在是毫米和厘米范围）的减小是在去单片集成（气体）传感器的途中的一个中心任务。一个有希望的方法是消散表面场在亚波长直径的波导中的应用。为了充分利用这个概念，高效的准直和红外光耦合到亚波长光纤中以及光发射器的优良热隔离是必不可少的。本公开的实施例解决了这个问题。
现在转向图2，其图示根据实施例的集成半导体发光器件200的示意横截面视图。
集成发光器件200包括例如半导体衬底205，诸如半导体晶片。在各种实施例中，半导体衬底205可以掺杂有n型或p型掺杂剂浓度或者可以不被掺杂。在其他实施例中，半导体衬底205可以包括外延层。半导体衬底205由例如半导体材料制成，诸如硅（Si）或锗（Ge）。注意，原则上，其他半导体材料也是可以的，只要它们在价带和导带之间提供足以引导光通过该半导体材料的带隙。集成发光器件200进一步包括集成在衬底205的半导体材料中的发光单元210。换句话说，发光单元210形成在半导体衬底205的半导体材料中或者是由半导体衬底205的半导体材料构造的。也就是，发光单元210和衬底205可以单片地形成。集成发光器件200的各种实施例的特征在于至少一个腔体215形成在衬底205和发光单元210之间的半导体材料中。腔体215将基于半导体的发光单元210与其余的半导体衬底205分开，由此在发光单元210和半导体衬底205之间提供热隔离。为了最佳的热隔离，可以将腔体215抽真空。在腔体215的较低或底部部分上面的发光单元210可以被提供在所谓的空洞层上的硅（SON）片层中。因此，腔体215的在发光单元210下面的部分可以是SON腔体。
如图2中粗略画出的，发光单元210的半导体本体可以包括导电丝结构212作为光源-类似于灯泡的灯丝。例如其他光源实施方式，诸如导电板或发光二极管（LED），也是想得到的。然而，形成丝结构可以与例如在半导体器件200中形成其他类似结构协同组合，所述其他类似结构诸如用于滤光器、晶体管或电容器的沟槽。导电丝结构212可以例如通过使用常规深沟槽刻蚀处理技术形成在发光单元210的半导体本体中。具有几微米到几十微米的适当延伸的结构可以被刻蚀在发光单元210的半导体本体中，并且然后被填充有导电材料以获得导电丝。适合于丝212的导电材料的一些实例包括钨、多晶半导体材料、结晶半导体材料或非晶半导体材料。一些实施例使用SON硅层的一部分作为发射元件。在这种情况下，沟槽结构包围所述部分，仅在发射单元和包围材料之间留出小固定机构（small fixture）。
在图2的实例中，导电丝结构212从发光单元210的半导体本体的上表面214垂直延伸到发光单元的半导体本体的下表面216。也就是，导电丝结构212垂直于从发光单元210发射的光的方向延伸。相应电供给端子（未示出）可以被提供到导电丝结构212的上端和下端。这样，导电丝结构212可以配置成当低于1V-20V的充足供给电压被施加到供给端子时辐射（IR）光。
注意，所述至少一个腔体215在发光单元210的下表面216和半导体衬底205的上表面218之间延伸。下表面216和上表面218彼此面对。所述至少一个腔体215在发光单元210和半导体衬底205之间提供热隔离。如图2中所指示的，隔离腔体215可以基本上包围发光单元210的整个半导体本体以将发光单元210与其余的半导体衬底205（发光单元210已经从该其余的半导体衬底形成）热隔离。也就是说，腔体215不仅可以横向上分开发光单元210的半导体本体和衬底205，而且还可以垂直地分开这两者。
为了将发光单元210安装或固定在腔体215中，集成发光器件200可以包括沉积在衬底205和发光单元210之间的一个或多个支撑或固定结构240。支撑或固定结构240被配置成将发光单元210安装在腔体215中。这里，支撑结构240被配置成网。在一些实施例中，所述一个或多个支撑结构240可以包括绝缘材料，例如半导体材料的氧化物，诸如例如二氧化硅（SiO2）。注意，SiO2固定物（fixation）240具有与发光单元210的Si相比小得多的热导率。发光单元210和衬底之间的热隔离因此可以被保持。在该上下文中，技术人员将认识到支撑或固定结构240应当尽可能小地定尺寸以尽可能最大化热隔离。可以通过例如选择性地结构化/氧化半导体衬底205来获得支撑结构240。
如由图2所指示的，集成发光器件200可以进一步包括耦合到发光单元210的光出口222的可选波导220。波导220可以配置成在从发光单元210发射的并由波导220引导的光和包围波导220的测量介质（例如气体、流体）之间提供相互作用。被输送的光形成消散场，其从波导220向外延伸以与位于消散场的各部分中的样品（例如气体或流体）相互作用。当消散场与测量介质相互作用时，由波导220引导的辐射根据测量介质的一个或多个特性衰减（例如，尤其是辐射在对应于被引导的一个或多个波的波长的波长区中被吸收）。可选的光或辐射检测器260然后可以被配置成接收经衰减的IR辐射并且由经衰减的IR辐射确定样品的一个或多个特性。辐射检测器260可以包括例如基于CMOS（互补金属氧化物半导体）的红外光电检测器。在一些实施例中，可选的辐射检测器260可以包括集成在半导体衬底205中的辐射检测器，而在其他实施例中，辐射检测器260可以包括外部辐射检测器。
一些实施例可以利用消散表面场和称为“受挫全（内）反射”的现象。如果光波从光密介质折射率n1传播到较低密度折射率n2之一中，并且入射角度超过临界角（由arcsin(n2/n1)给出），则全内反射发生在两个电介质的边界处，例如在波导220和包围波导220的测量介质之间。然而，即使入射角度大于临界角，电场仍以消散波的形式渗透到邻近介质中。渗透深度约为波长，并且可以通过从第一介质以约为波长的距离添加第三光密介质“抵消”反射来测量该渗透深度，在该情况下消散波耦合到第三介质并载送能量。耦合强度随第一和第三介质之间的距离增加而近似呈指数下降。
在图2的实例实施例中，波导220和发光单元210整体或单片形成在半导体材料中。也就是说，发光单元210的本体和波导220两者可以由一片相同的由半导体衬底205提供的半导体材料形成。因此，在一些实施例中波导220可以是硅波导。这允许特别良好的光发射和引导，最小化了损耗。波导220还可以嵌入在腔体215'中。腔体215'的至少部分可以由SON工艺技术形成。腔体215'可以在波导220和半导体衬底205之间提供热隔离以及提供用于被引导的光和包围波导220的测量介质之间的相互作用的测量室。从本公开受益的技术人员将认识到发光单元210和波导的分开布置也是非常可能的。
可选地，发光单元210还可以包括形成在发光单元210的半导体本体中的滤波器部分230。滤波器部分230可以位于宽带红外光源212和发光单元的光出口222之间以便以提供窄带红外辐射（其将由波导220输送）的方式对由光源212辐射的宽带红外光谱滤波。在一些实施例中，滤波器部分230包括垂直延伸到发光单元210的半导体材料中的一个或多个基本上平行的沟槽232。例如其他滤光器实施方式（诸如光子晶体）也是想得到的。然而，形成沟槽可以与例如在半导体器件200中形成其他结构协同组合，所述其他结构诸如晶体管或电容器。相应沟槽的宽度可以适于提供在红外光谱区中的滤波器部分230的通带。从本公开受益的人员将认识到相同的沟槽刻蚀工艺步骤可以用于形成用于导电丝结构212和滤波器部分230的沟槽232的一个或多个垂直孔。
集成发光器件的实例半导体部件300的透视图在图3中被示出。注意，图3的图示既没有示出任何半导体衬底也没有示出在半导体衬底和半导体部件300之间的任何腔体。
所示的半导体部件300包括发光部分310和波导部分320。发光部分310和波导部分320由SON片层的半导体材料（即覆盖SON腔体的半导体层）整体形成。也就是说，在所示的实例中，发光部分310和波导部分320构成单片半导体材料。IR信号由此可以从发光部分310直接耦合到波导部分320。可以有利的是使用亚波长尺寸用于波导320的宽度w和/或高度h。对于4.3 µm的实例波长，宽度w可以例如是大约2 µm。如较早前提到的，这可以将所需的吸收长度减小几个数量级。在所示的实例中，波导部分320的垂直高度h大于波导部分320的横向宽度w。这可以有益于制造目的。对于提到的“受挫全（内）反射”效应，w和/或h应当小于光的波长。波导320中的掺杂不应太大。在一些实例中，n型或p型掺杂剂的浓度应当小于1015/cm³。
由于发光部分310的横向宽度大于波导部分320的横向宽度w，从发光部分310到波导部分320的过渡322在图3的实施例中被形成为喇叭状。然而，注意发光部分310和波导部分320的其他几何形状也是可以的。
如已经参考图2解释的，图3的发光部分310包括宽带IR光源312和形成在光源312和波导部分320之间的半导体材料中的滤波器结构330。滤波器结构330包括形成在发光部分310的半导体材料中的多个沟槽。该多个沟槽可以被分别抽真空。不同沟槽332-1、332-2也可以具有不同的相应厚度b1、b2。不同沟槽的相应尺寸与滤光器结构330的通带有关。已经使用用于交替的光层的真空和硅来计算了红外滤波器堆叠的实例。单层的厚度完全在最先进的深沟槽刻蚀的处理能力的活动领域内。在图4中示出如图3中粗略画出的硅/真空层堆叠的模拟透射谱。
如可以从图4看出的，提供带有具有相应所示厚度的堆叠硅/真空层的滤波器结构330导致围绕约4.3 µm的IR波长的窄通带。
返回图3，发光部分310进一步包括在与波导部分320相对的一端处的光束整形部分350。光束整形部分350被配置成校准从光源312辐射的光。在所示的实例中，光束整形部分350包括发光单元的半导体材料的光反射弯曲或抛物线边缘。优选地，光源312，例如导电丝，基本上延伸穿过该圆形或抛物线边缘的焦点。这里，导电丝312基本上对应于从抛物线光束整形部分350的顶表面314延伸到底表面316的焦线。技术人员将认识到透镜结构也可以被实施为光准直器。在这种情况下光源也将位于透镜的焦点内。
如由图5示意性示出的，实施例还提供用于形成集成发光器件200的方法500。
方法500包括将发光部分210、310集成510到半导体衬底205的半导体材料中，以及在半导体衬底205与发光部分210、310之间的半导体材料中形成520至少一个腔体215。如将由从本公开受益的技术人员认识到的，集成510发光部分210、310以及形成520至少一个腔体215是紧密相互关联的。通过在发光部分210、310的下面和/或旁边和/或上面形成520至少一个腔体215将发光部分210、310形成在半导体衬底205中，并且反之亦然。也就是说，动作510和520的次序也可以被颠倒。
一些实施例使用所谓的空洞层上的硅（SON）处理顺序来形成至少一个腔体215和/或提供集成发光器件200的另外的基本结构元件。换句话说，可以通过应用SON处理顺序来提供衬底205和发光单元210之间的至少一个腔体215，其实例将在下面被更详细地解释。
在形成SON片层之后，其中发光部分210、310和波导部分220、320可以稍后被结构化，深沟槽刻蚀可以限定丝212、312，透射滤波器230、330和发射/吸收部分。中间的氧化工艺可以将衬底205和发光单元210、310之间的硅固定物240转变成氧化硅层。这样，发射器和衬底205之间的热功率传导可以被最小化。
除了在SON片层下面使用牺牲层来制造空洞层上的硅（SON）结构以外，用于获得具有期望大小和形状的SON结构的另一实用方法还可以使用所谓的硅中真空区（Empty-Space-in-Silicon，ESS）形成技术。已经示出的是，SON结构可以由沟槽的初始形状和布局来精确控制。ESS的大小由(一个或多个)初始沟槽的大小确定。ESS的期望形状，诸如球形、管形和板形，可以通过改变初始沟槽的布置来制造。SON处理的一些实例利用由硅表面迁移引起的自组织再结晶。在硅衬底上图案化的初始沟槽形状可以被认为是制造SON结构的最重要的因素。当沟槽结构在脱氧环境（例如氢）中被退火时，该沟槽结构转变以便最小化表面能。
通过表面迁移进行的沟槽转变导致硅中真空区（ESS）。SON结构可以通过这种方式由ESS上方的SON片层制成。在图6中示意性示出了ESS形成的典型实例，其形状是球形、管形和板形的。
隔离深沟槽601可以被转变成球形ESS 602，参见图6a。球形ESS的形成开始于深沟槽的顶部和底部拐角处，因为这些区的曲率半径是最小的。该结果指示球形ESS的直径变得大于初始沟槽的直径。由此，紧密布置成一行的沟槽603由于在每个沟槽的底部处生长的球形ESS的合并而被转变成管形ESS 604，参见图6b。板形ESS 606也可以通过开发这种技术来制造。通过将沟槽布置在格子605中，在所有沟槽底部处的球形ESS被合并，并且它们被转变成大的薄板形ESS 606，参见图6c。
现在转向图7，其图示根据另一实施例的集成半导体发光器件700的示意透视图。为了简洁起见，将省略之前已经描述的相似或类似元件的详细描述。
集成半导体器件700包括半导体衬底705。在半导体衬底705上面的SON片层707中，集成半导体器件700包括与波导320整体形成在SON片层707中的发光单元310。已经参考图3详细解释了发光单元310和波导320。在SON片层707上面，集成半导体器件700还包括密封层709。密封层709可以包括例如各种密封材料，诸如热塑性塑料、弹性体或金属材料。这里，氧化硅、氮化硅或多晶硅层也是合适的候选者。SiO2固定物740和740'将发光单元310和波导320固定在半导体衬底705和密封层709之间。同时，固定物740和740'密封发光单元310离开测量环境。换句话说，发光单元310布置在密封离开外部环境的半导体器件700的一部分中。密封部分的边界或侧壁由衬底705（底部）、密封层709（顶部）和SiO2固定物740和740'形成。在密封部分中的发光单元310被真空腔体715包围或者嵌入在真空腔体715中用于热隔离。如可以从图7的例证性实例看出的，发光单元310可以被真空腔体715从发光单元310的下面、上面、左边、前面和后面包围。只有具有向一侧的光信号出口的发光单元310的右侧可以被SiO2固定物740和740'支撑并且邻接测量环境。至少在发光单元310下面的腔体部分可以通过SON处理形成。技术人员将认识到其他几何形状也可以很好地适合于半导体衬底705和发光单元310之间的充分热隔离。
基于半导体的波导320从密封部分710中的发光单元310延伸到半导体器件700的对测量环境敞开的部分720。该敞开部分720也可以称为吸收部分或单元。延伸穿过敞开的吸收部分720的波导320被配置成在被引导的光和包围吸收部分中的波导320的测量介质（例如气体或液体）之间提供相互作用。例如，为了提供入口和/或出口，密封层709可以在吸收部分720中的波导320上面至少部分地敞开。波导320的长度，即光程长度，可以在10 µm-几百µm范围内。
集成半导体器件700的实施例可以通过使用图8中所示的实例方法800来制造。将认识到尽管方法800在下面被示为和描述为一系列动作或事件，但是这些动作或事件的所示排序并不以限制性的意义来解释。例如，除了本文所示和/或描述的那些次序之外，一些动作可以与其他动作或事件以不同的次序发生和/或同时发生。此外，不是所有图示的动作都可能被需要来实施本文公开的一个或多个方面或实施例。而且，本文描绘的动作中的一个或多个可以以一个或多个分开的动作和/或阶段来执行。
方法800开始于Si晶片的提供和适当掺杂810。例如，可以掺杂后来的发光单元310的特定区。在另一动作820中，可以处理SON腔体715、715'。这可以包括例如刻蚀牺牲层和/或ESS形成，如上面解释的。在随后的动作830中，在SON腔体715、715'上面的发光和波导部分310、320可以通过另外的深沟槽刻蚀动作来形成在半导体衬底中。为了获得发光和波导部分310、320上面的腔体715、715'的部分，在动作840中一个或多个另外的牺牲层可以沉积在SON片层707上面并且被结构化。在该动作期间，可以获得上部的SiO2固定物740'。其后，在动作850中，密封层709可以沉积在SON片层707上面并且被结构化。在另一动作860中，可以通过选择性刻蚀去除牺牲层。最后，可以结构化金属化层用于电气布线和/或接触，参见870。
当将集成发光器件200、700与集成在同一半导体衬底上的光传感器或检测器组合时，可以提供集成传感器器件。于是该集成传感器器件包括半导体衬底、形成在半导体衬底中的发光单元、形成在半导体衬底中的光检测单元以及形成在发光单元和光检测单元之间的半导体衬底中的波导。该波导形成在半导体衬底的对环境敞开的部分中以在被引导的光和包围该波导的测量介质之间提供相互作用。发光单元形成在半导体衬底的密封离开环境的部分中。进一步地，在密封部分中的发光单元至少部分地被真空腔体包围。集成传感器器件可以用作例如NDIR CO2传感器。
总之，一些实施例将集成的红外发射器、准直单元和光谱滤波器组合在单个硅元件中。该元件通过真空腔体与周围材料热隔离。一些实施例提供可以将信号直接耦合到光纤元件中的红外发射单元用于IR信号和周围流体的即时相互作用。使用硅作为发射器和波导材料可以导致准直器和滤波器元件的非常紧凑的集成。红外信号的向一侧的主要传播允许光学元件的简单方式的集成。使用组合的空洞层上的硅和密封技术通过提供包围发射器元件的真空腔体保证了最小的热损耗。
各种实施例包括：
○ 具有向一侧的信号出口的红外发射元件
○ 由SON硅制成的具有丝的元件，其被光束整形元件和滤波器包围，处于硅结构内部的相同层次
○ 被真空腔体包围的发射单元
○ 处于硅结构内部的相同层次的、将IR光束直接耦合到硅波导中的发射单元
○ 借助SON和深沟槽刻蚀工艺形成的波导元件， 在一个实施例中被形成为亚波长波导（关于宽度和/或高度）
上面所示的实例可以被配置有省略的部分，例如不具有滤波器系统的发射单元。更进一步地，可以组合其他元件。一个实例将是用于附着到发射单元的未使用的光谱部件的排出部（drain）。这种排出部可以是滤波器系统，其具有与图4中所示的滤波器相比倒转的透射功能。该第二个滤波器可以与准直器在限定的区处组合。发射丝还可以以非圆柱形方式形成（例如形成为板）。
描述和附图仅说明了本公开的原理。由此将认识到本领域技术人员将能够设计出各种布置，这些布置尽管没有在本文中明确地描述或示出，但是体现了本公开的原理并且被包括在它的精神和范围内。此外，本文中所记载的所有实例主要明确地旨在仅用于教导目的以辅助读者理解本公开的原理和由(一个或多个)发明人为了促进本领域所贡献的概念，并且将被解释为不局限于这样具体记载的实例和条件。而且，本文中记载了本公开的原理、方面和实施例的所有陈述以及它们的具体实例旨在涵盖它们的等价物。
此外，以下的权利要求由此被并入到详细描述中，其中每个权利要求可以独立作为分开的实例实施例。 虽然每个权利要求可以独立作为分开的实例实施例，但是将注意到-尽管在权利要求书中从属权利要求可以指的是与一个或多个其他权利要求的特定组合-其他实例实施例也可以包括该从属权利要求与每个其他从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。这样的组合在本文中被提出，除非表明特定的组合是不打算的。此外，旨在还将一个权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求，即使这个权利要求并不直接从属于该独立权利要求。
进一步将注意到，说明书中或者权利要求中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的相应动作中的每个动作的装置的设备来实施。
进一步地，将理解，在说明书或权利要求中公开的多个动作或功能的公开可以不被解释为是在该特定次序之内。 因此，多个动作或功能的公开将不把这些限制于特定次序，除非这样的动作或功能由于技术原因不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或者可以被分解为多个子动作。这样的子动作可以被包括并且是该单个动作的公开的一部分，除非明确排除。

Claims (20)

1.集成发光器件，包括：
半导体材料的衬底，其中所述衬底包括沿横向延伸的主表面；
集成到所述衬底的半导体材料中的发光单元，其中所述衬底和发光单元由所述半导体材料单片地形成，并且其中所述发光单元被配置为发射以所述横向引向的光束；
形成在所述衬底和所述发光单元之间的所述半导体材料中的至少一个腔体；以及
至少一个绝缘支撑结构，定位在所述发光单元和所述衬底之间，
其中所述至少一个腔体和所述至少一个绝缘支撑结构被配置为使所述发光单元和所述衬底彼此绝缘。
2.根据权利要求1所述的集成发光器件，其中所述发光单元包括垂直地形成在所述半导体材料中作为光源的导电结构，其中所述导电结构被配置成当供给电压被施加到所述导电结构的端子时发射光。
3.根据权利要求2所述的集成发光器件，其中所述导电结构包括结晶、多晶或非晶半导体材料。
4.根据权利要求2所述的集成发光器件，其中所述导电结构包括垂直于从所述发光单元发射的所述光束的所述横向延伸的导电丝。
5.根据权利要求2所述的集成发光器件，其中所述发光单元进一步包括沿所述横向延伸并被配置成使从所述导电结构发射的光准直的光束整形部分。
6.根据权利要求5所述的集成发光器件，其中所述光束整形部分包括所述发光单元的半导体材料的光反射弯曲或抛物线边缘。
7.根据权利要求6所述的集成发光器件，其中所述导电结构基本上延伸穿过所述弯曲或抛物线边缘的焦点。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的集成发光器件，其中所述发光单元进一步包括形成在所述半导体材料中的滤波器部分。
9.根据权利要求8所述的集成发光器件，其中所述滤波器部分被配置成在光谱红外区中具有至少一个通带。
10.根据权利要求8所述的集成发光器件，其中所述滤波器部分包括形成在所述发光单元的半导体材料中的一个或多个沟槽。
11.根据权利要求1所述的集成发光器件，其中所述发光单元被布置在所述半导体材料的与环境密封隔离的部分中。
12.根据权利要求11所述的集成发光器件，其中在所密封的部分中的所述发光单元至少部分地被真空腔体包围。
13.根据权利要求1所述的集成发光器件，进一步包括：
形成在所述发光单元上面的密封层；和
在所述发光单元和所述密封层之间的至少一个腔体。
14.根据权利要求2所述的集成发光器件，进一步包括：
耦合到所述发光单元的光出口的波导，其中所述波导被配置成在被引导的光和包围所述波导的测量介质之间提供相互作用。
15.根据权利要求14所述的集成发光器件，其中所述波导和所述发光单元整体形成在所述半导体材料中，其中所述波导和所述发光单元由所述半导体材料单片地形成。
16.根据权利要求14所述的集成发光器件，其中所述波导被布置在所述半导体材料的对环境敞开的部分中，以及其中所述发光单元被布置在所述半导体材料的与环境密封隔离的部分中。
17.根据权利要求14所述的集成发光器件，其中所述波导的宽度小于由所述导电结构发射的光的波长。
18.集成传感器器件，包括：
半导体衬底，其中所述半导体衬底包括沿横向延伸的主表面；
形成在所述半导体衬底中的发光单元，其中所述半导体衬底和发光单元由半导体材料单片地形成，并且其中所述发光单元被配置为沿横向发射光束；
至少一个绝缘支撑结构，定位在所述发光单元和所述半导体衬底之间；
形成在所述半导体衬底中的光检测单元；和
形成在所述发光单元和所述光检测单元之间的所述半导体衬底中的波导；
其中所述波导形成在所述半导体衬底的对环境敞开的部分中以在被引导的光和包围所述波导的测量介质之间提供相互作用，
其中所述发光单元形成在所述半导体衬底的与环境密封隔离的部分中，以及
其中在所密封的部分中的所述发光单元至少部分地被真空腔体包围以使得所述发光单元和所述半导体衬底彼此绝缘。
19.用于形成集成发光器件的方法，所述方法包括：
将发光单元集成到半导体衬底的半导体材料中，其中所述衬底和所述发光单元由所述半导体材料单片地形成；
在半导体衬底上沉积至少一个绝缘支撑结构，以使得所述至少一个绝缘支撑结构定位在所述发光单元和所述衬底之间；以及
在所述半导体衬底和所述发光单元之间的所述半导体材料中形成至少一个腔体。
20.根据权利要求19所述的方法，其中形成所述至少一个腔体包括使用空洞层上的硅处理顺序。
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