CN1519957A - 硅光电器件及其制造方法以及图像输入和/或输出设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种制造硅光电器件的方法、由该方法制造的硅光电器件以及包含该硅光电器件的图像输入和/或输出设备。该方法包括准备n或p型硅基衬底，通过蚀刻沿衬底表面形成微缺陷图形，在微缺陷图形上形成具有开口的控制薄膜，以及在具有微缺陷图形的衬底表面上以如下方式形成掺杂区域，通过控制薄膜的开口将与衬底相反类型的预定杂质注入到衬底中并掺杂到一定深度，以便通过p－n结中的量子限制效应产生引起光发射和/或接收的光电转换效应。该硅光电器件具有优越的发光效率，至少可以作为光发射器件和光接收器件之一使用，并且具有高的波长选择性。

Description

硅光电器件及其制造方法以及图像输入和/或输出设备
技术领域
本发明涉及制造硅光电器件的方法、以该方法制造的硅光电器件以及具有该硅光电器件的图像输入和/或输出设备。
背景技术
使用硅半导体衬底的优点在于，它提供优越的可靠性并允许逻辑器件、运算器件和驱动器件在衬底上以高密度集成。同样，由于廉价硅的使用，硅半导体材料能够以比化合物半导体材料低得多的成本应用于高集成电路的制造中。这也是许多集成电路以硅为基本材料的原因。
在这方面，关于硅基发光器件制造的研究已经扩展到将它们兼容地应用于集成电路的制造中以获得廉价的光电器件。已经证实，多孔硅和纳米晶硅具有光发射特性。
图1绘出了形成在体单晶硅表面上的多孔硅区域的截面，以及多孔硅区域价带和导带之间的能量带隙。
多孔硅是体单晶硅表面阳极电化学溶解的产物，例如，在包含氢氟酸(HF)的电解液中。
当体硅在HF溶液中受到阳极电化学溶解作用时，在体硅表面会形成具有许多孔隙70a的多孔硅区域70，如图1所示。相对于没有在HF溶液中溶解的未动区域70b，孔隙70a具有更多的Si-H键。多孔硅区域70的价带能量(Ev)和导带能量(Ec)之间的能量带隙具有与多孔硅区域70形成反差的形状。
能带中突出部分之间的凹陷部分，即多孔硅区域70中孔隙70a之间的未动区域70b，显示出量子限制效应。因此，凹陷部分的能量带隙变得比体硅的能量带隙大，电子和空穴被俘获在未动区域70b中，从而引起发光复合。
例如，在多孔硅区域70中，当孔隙70a之间的未动区域70b以显示量子限制效应的单晶硅线的形状形成时，电子和空穴被俘获在线中，从而引起了发光复合。发光波长可以根据线的尺寸(宽度和长度)从近红外光区域改变到蓝光区域的波长。在这种情况下，孔隙70a的周期可以约为5nm并且多孔硅区域的最大厚度可以为3nm，如图1所示。
因此，当向多孔硅基发光器件中具有多孔硅区域70的单晶硅施加预定的电压时，根据孔隙率能够发出具有预定波长带的光。
然而，作为发光器件，如上所述的多孔硅基发光器件仍不能提供可靠性，并且显示出低至0.1％的外部量子效率(EQE)。
图2是纳米晶硅发光器件的一个示例的示意性截面图。
参照图2，纳米晶硅发光器件包括如下叠层结构：p型单晶硅衬底72，形成在衬底72上的非晶硅层73，形成在非晶硅层73上的绝缘层75，以及分别形成在衬底72下表面和绝缘层75上表面上的下电极和上电极76和77。纳米晶硅量子点74形成在非晶硅层73中。
当非晶硅层73在氧气氛中通过700℃快速热处理再结晶时，形成纳米晶硅量子点74。在这种情况下，非晶硅层73具有3nm的厚度，纳米晶硅量子点74具有约2到3nm的直径。
在使用如上所述的纳米晶硅量子点74的发光器件中，当向上、下电极77和76施加反向电压时，将在硅衬底72和纳米晶硅量子点74之间的非晶硅层的两端产生强电场，从而产生高能态的电子和空穴。由此，所产生的电子和空穴发生进入纳米晶硅量子点74的隧穿，从而造成发光复合。在这种情况下，使用纳米晶硅量子点74的发光器件的发光波长随着纳米晶硅量子点尺寸的减小而缩短。
然而，使用纳米晶硅量子点74的发光器件的问题在于，难以控制纳米晶硅量子点的尺寸和获得纳米晶硅量子点的均匀性，并且发光效率非常低。
发明内容
本发明提供一种制造硅光电器件的方法，该硅光电器件具有优越的发光效率，至少可以作为光发射器件和光接收器件之一使用，并且具有高的波长选择性。本发明还提供由该方法制造的硅光电器件和使用硅光电器件的图像输入和/或输出设备。
根据本发明的一个方案，所提供的制造硅光电器件的方法包括：准备n或p型硅基衬底，通过蚀刻沿衬底表面形成微缺陷图形，在微缺陷图形上形成具有开口的控制薄膜，以及在具有微缺陷图形的衬底表面上以如下方式形成掺杂区域，通过控制薄膜的开口将与衬底相反类型的预定杂质注入到衬底中并掺杂到一定深度，以便通过p-n结中的量子限制效应产生引起光发射和/或光接收的光电转换效应。
形成微缺陷图形可以包括：在该衬底表面上形成掩模层；在该掩模层中
形成具有期望尺寸和周期的开口；蚀刻与该掩模层开口相应的衬底表面，以便沿该衬底表面形成微缺陷图形；以及去除该掩模层。
掩模层中的具有期望尺寸和周期的开口的形成可以通过使用单个探针或具有多个探针阵列的多探针实现。
探针可以是原子力显微镜(AFM)探针。
控制薄膜是二氧化硅薄膜，该二氧化硅薄膜允许该掺杂区域形成该深度，以便通过掺杂区域和衬底之间的p-n结中的量子限制效应产生光电转换效应。
微缺陷图形可以具有与所发射和/或接收的光的波长相应的周期。
微缺陷图形可以形成单一周期，以便发射和/或接收单一波长的光。
当在微缺陷图形上形成具有多个开口的控制薄膜并通过这些开口形成多个掺杂区域时，可以获得多个硅光电器件的阵列。
当微缺陷图形形成具有不同周期的多个微缺陷图形区域，控制薄膜形成与该周期相应的多个开口以及通过这些开口形成多个掺杂区域时，可以获得发射和/或接收多种波长的光的多个硅光电器件的阵列。
根据本发明的另一方案，所提供的硅光电器件至少通过上述方法之一制造。
根据本发明的又一方案，所提供的图像输入和/或输出设备包括具有硅光电器件二维阵列的硅光电器件板，其中每个硅光电器件都输入和/或输出图像，并形成在n或p型硅基衬底上，每个硅光电器件包括：通过蚀刻沿衬底表面形成的微缺陷图形；以及在具有微缺陷图形的衬底表面上使用与衬底相反类型的预定杂质形成的掺杂区域，该掺杂区域掺杂到一定深度，以便通过p-n结中的量子限制效应产生引起光发射和/或接收的光电转换效应。
当图像的输入和输出都发生时，一些硅光电器件可以输入图像而其余的硅光电器件可以输出图像。
当图像的输入和输出都发生时，每个硅光电器件都可以输入并输出图像。
可以在衬底上构图电极，以便实现从硅光电器件板逐像素地输入和/或输出图像。
硅光电器件板的每个像素可以包含三个或更多硅光电器件。
再这种情况下，相应于每个像素的三个或更多硅光电器件可以具有不同周期的微缺陷图形，并可以发射和/或接收表示彩色图像的不同波长的光。
附图说明
本发明的上述及其他特征和优点将通过参照附图详细描述其典型实施例而变得更加明显，其中：
图1绘出了形成在体单晶硅表面上的多孔硅区域的截面，以及多孔硅区域价带和导带之间的能量带隙；
图2是纳米晶硅发光器件的一个示例的示意性截面图；
图3到图6绘出了根据本发明的实施例制造硅光电器件的工艺；
图7是使用原子力显微镜(AFM)的探针在掩模层中形成开口的原理示意图；
图8A和8B绘出了用于AFM探针的不同的尖头；
图9是使用AFM单探针或AFM多探针在掩模层中形成的布图开口的示意图；
图10是在二维上观察的沿衬底表面形成的具有三角形突起的微缺陷图形的示意图，即三角形微缺陷图形；
图11是在二维上观察的沿衬底表面形成的具有梯形突起的微缺陷图形的示意图；
图12是根据本发明实施例的硅光电器件的示意性截面图；
图13绘出了沿根据本发明的硅光电器件的衬底表面人为形成的微缺陷图形，该微缺陷图形具有分别与红光波长带、绿光波长带和蓝光波长带相应的周期TR、TG和TB；
图14绘出了如同美国专利申请No.10/122,421中的沿衬底表面的自组织微缺陷图形；
图15是表示硅光电器件的光发射特性模拟结果的曲线图，它们是分别具有如图10和11所示的、沿衬底1表面形成的周期性三角形和梯形微缺陷的两种硅光电器件以及无微缺陷的硅光电器件，即具有平面衬底表面的硅光电器件；
图16是根据本发明第一实施例的图像输入和/或输出设备的示意性平面图；
图17是根据本发明第二实施例的图像输入和/或输出设备的示意性分解透视图；
图18是如图17所示的图像输入和/或输出设备中滤色器的结构的示意性平面图；
图19是根据本发明第三实施例的图像输入和/或输出设备的示意性平面图；
图20是根据本发明的图像输入和/或输出设备的一个实施例在图像输入和输出方面的示意图；
图21A和21B是根据本发明的图像输入和/或输出设备的另一个实施例在图像输入和输出方面的示意图；以及
图22是使用根据本发明的图像输入和/或输出设备的数字电视的示意图。
具体实施方式
本申请人已经在2002年4月16日提交的、名称为“硅光电器件及应用该器件的发光设备”的美国专利申请No.10/122,421中提出了一种具有超浅掺杂区域的硅光电器件，以在硅基衬底的p-n结中形成量子结构。在上述申请的硅光电器件中，表面弯曲，即用于提高波长选择性的、具有所期望的尺寸和周期的微缺陷，在特定的氧化条件和特定的扩散工艺中自组织形成。因此，表面弯曲的均匀形成和再现非常困难。
如上述申请所提及的，具有光接收和/或发射特性的硅光电器件的波长取决于沿硅光电器件表面形成的微弯曲(microflection)，该硅光电器件的光接收和/或发射特性是由通过超浅扩散工艺形成的量子结构产生的。鉴于此，为了选择所期望的波长带，具有期望尺寸的微弯曲必须以期望的周期排列。
与上述申请中沿硅光电器件表面的弯曲在硅光电器件制造期间自组织形成不同，根据本发明的硅光电器件的特征在于，期望的弯曲结构，即微缺陷图形通过控制硅光电器件的表面形状而人为地形成，从而提高了所期望的波长带的选择性。当然，与上述申请中披露的硅光电器件一样，根据本发明的硅光电器件既能发射又能接收光。
选定的波长带和放大程度取决于表面弯曲的尺寸和形状，以及表面弯曲之间的间隙，即表面弯曲的周期。鉴于此，当根据硅光电器件的应用优化表面突起的图形时，可以提高发光效率。而且，只有特定波长带的光才能被有效地发射和/或接收。
图3到6示出了根据本发明的实施例制造硅光电器件的工艺。
参照图3，首先，准备n或p型硅基衬底1。衬底1由包含硅(Si)的预定的半导体材料构成，如Si、SiC或金刚石，并被掺杂成n型。
然后，通过蚀刻沿衬底1的表面人为地形成具有期望的尺寸、形状和周期的微缺陷图形7，如图4A到4E所示。在图4B中开口5已经被放大，在图4C到4E中微缺陷图形7也被放大，并且稍后将在图12中进行描述。
图4A到4E示出了形成具有期望的形状和尺寸的表面弯曲的方法的实施例。
为了人为地形成微缺陷图形7，首先，在预备的衬底1的表面上形成掩模层3，如图4A所示。掩模层3是通过在衬底1的表面上涂敷具有期望厚度的光致抗蚀剂层并随后硬化烘干而形成的。
接下来，在掩模层3中形成具有期望尺寸和周期的开口5，如图4B所示。
开口5可以使用原子力显微镜(AFM)的探针形成。
AFM是一种扫描探针显微镜(SPM)，它可以获得关于物质表面结构的立体信息，甚至可以在埃()级范围内相对容易地获得表面原子排列的有关信息。AFM可以通过使用称为尖头的小而尖的探针在二维上扫描物质表面而获得三维表面信息。在保持探针与样品表面之间的恒定推斥力，即探针与样品表面之间的距离不变的同时，AFM应用了使探针顶点的空间分布成像的原理。由于推斥力是普遍作用于所有物质上的力，所以AFM也可以应用于不导电的绝缘体中。
当AFM用于在掩模层3中形成开口5而不是表面信息检测时，可以以期望的尺寸和周期构图开口5。
在掩模层3中形成开口5时，可以使用具有单个探针的AFM，或使用具有多探针的AFM，其多个探针在一维或二维上排列。
图7示意性地示出了使用AFM探针11在掩模层3中形成开口5的原理。当AFM探针11的尖头13在上下方向上至少移动一次或多次时，就可以在掩模层3上形成具有期望深度的开口5。
图8A和8B示出了用于AFM探针11的不同的尖头。形成于掩模层3中的开口5的形状根据尖头的形状而改变。
可以使用具有许多一维排列的AFM探针11的多探针悬臂或具有许多二维排列的AFM探针11的多探针悬臂在掩模层3中形成开口5。图9示意性地示出了使用具有单个探针或多个探针的AFM在掩模层3中形成的开口5。
具有多个探针的AFM可以简化工艺并提供均匀的开口图形。
再次参照图4B，使用具有单个探针或多个探针的AFM可以在掩模层3中形成具有期望深度、形状和周期的开口5。
为了获得单一波长带的硅光电器件，开口5形成单一周期。在这种情况下，硅光电器件仅发射和/或接收特定波长带的光。另一方面，为了获得多波长带的硅光电器件，例如对于白光，开口5形成相应于波长带的不同周期。在这种情况下，硅光电器件发射和/或接收多种波长带的光。
通过蚀刻形成的弯曲的形状可以根据形成在掩模层3中的开口5的深度而改变。图4B表示在掩模层3的某些区域中形成深开口5a并在掩模层3的其余区域中形成浅开口5b。
在这种情况下，根据所期望的波长来选择开口5的深度、形状和周期。
在如上所述的掩模层3中形成具有期望深度、形状和周期的开口5后，当进行如图4C和4D所示的蚀刻时，微弯曲图形，即微缺陷图形7形成了。优选地，采用干法蚀刻工艺。也可以采用湿法蚀刻工艺。
薄光致抗蚀剂区，即形成深开口5a的部分比厚光致抗蚀剂区，即形成浅开口5b的部分被蚀刻并打开得更快。与开口相应的衬底1的暴露部分在蚀刻期间也被蚀刻，从而形成衬底1的弯曲表面。由此，沿衬底1的表面人为地形成了微缺陷图形7。
在这种情况下，与掩模层3的深开口5a相应的衬底1的表面被蚀刻得又深又宽，从而形成了具有三角形顶端形状(以三维观察时，与锥体或多棱锥相似)的弯曲。另一方面，与掩模层3的浅开口5b相应的衬底1的表面被蚀刻得又浅又窄，从而形成了具有梯形顶端形状(以三维观察时，与截锥体或截多棱锥相似)的弯曲。
图10是弯曲的示意图，即在二维上观察的、沿衬底1表面形成的、具有三角形顶端形状的微缺陷图形7’。图11是在二维上观察的、沿衬底1表面形成的、具有梯形顶端形状的微缺陷图形7’的示意图。
如上所述，通过改变形成在掩模层3中的开口5的深度就可以改变弯曲的深度和顶端形状。在此，除了形成在掩模层3中的开口5的深度之外，弯曲的顶端形状还可以依据开口5的蚀刻深度、形状、尺寸和/或周期而改变。
被发射和/或接收的光的波长取决于弯曲的周期，即沿衬底1的表面形成的微缺陷图形7的周期。取决于波长的光场强度特性根据弯曲的形状和周期而改变。
鉴于此，弯曲的周期和形状被优化时，就可以获得所期望的波长和场强特性。
上述蚀刻后，优选的，干法蚀刻停止后，在去除掩模层3时，具有微缺陷图形7的衬底1的表面被暴露出来，如图4E所示。
由于在如图4A到4E所示的工艺中可以控制微缺陷图形7的形状、周期和深度，因此，所期望的波长可以得到控制。
如果微缺陷图形7的周期，即微空腔(microcavities)的长度长，长波长光就被放大。另一方面，如果微空腔的长度短，短波长光就被放大。
鉴于此，当产生期望波长和谐振的微空腔的长度设计好时，可以获得硅光电器件，该硅光电器件与美国专利申请No.10/122,421所披露的具有自组织微空腔的硅光电器件相比具有增强的光效率。
更进一步说，当产生期望波长和谐振的微空腔的长度设计得能够实现例如在硅基晶片上逐像素地放大和/或吸收具有期望波长的光时，就可以获得用于高效图像输入和/或输出设备的硅光电器件阵列，该设备将在以后描述。
然后，在通过如图4A到4E所示的工艺沿衬底1的表面形成的微缺陷图形7上，形成如图5A和5B所示的具有开口9a的控制薄膜(control film)9。虽然图5A和5B示出了形成单一周期的微缺陷图形7，但是在需要时可以通过如图4B到4E所示的工艺形成具有不同周期的微缺陷图形，从而发射和/或接收多种波长的光。
优选的，控制薄膜是具有适当厚度的二氧化硅(SiO2)薄膜，以便形成超浅掺杂深度的掺杂区域。例如，控制薄膜9可以以这种方式构图，如图5A所示在微缺陷图形7上形成SiO2薄膜，然后通过光刻工艺蚀刻形成用于扩散工艺的开口9a。这样构图的控制薄膜具有如图5B所示的掩模结构。
优选的，SiO2薄膜通过干法氧化工艺形成。虽然进行干法氧化工艺需要长的持续时间，但是衬底1将具有良好的表面弯曲。
在掺杂区域形成过程中，控制薄膜9充当掩模，以便使掺杂区域形成超浅深度。在掺杂区域形成后，可以去除控制薄膜9。
接下来，以这样的方式在具有微缺陷图形7的衬底1表面中形成超浅深度的掺杂区域10，通过控制薄膜9的开口9a将与衬底1相反类型的预定杂质注入到衬底1中，如图6所示。
当通过控制薄膜9的开口9a以非平衡扩散工艺(例如)将诸如硼和磷的预定杂质注入到衬底1中时，沿着微缺陷图形7的纹理对掺杂区域10进行与衬底1相反类型的超浅掺杂，例如p+型。同时，在掺杂区域10和衬底1之间的界面形成具有量子结构的p-n结8。
虽然在这里采用非平衡扩散工艺形成超浅掺杂区域10，诸如注入工艺的其他工艺也可以用于提供掺杂区域10，该掺杂区域可以形成期望的浅深度。
衬底1可以掺杂成p型而掺杂区域10可以掺杂成n+型。
如上所述，当控制掺杂工艺使掺杂区域10形成超浅深度时，会在掺杂区域10和衬底1之间的界面形成至少包含量子阱、量子点和量子线之一的量子结构，即p-n结8。因此，在p-n结8产生量子限制效应，从而显示出光电转换效应。
量子阱主要形成在p-n结8中，也可以形成量子点或量子线。在p-n结8中也可以形成包含量子阱、量子点和量子线中两类或更多类的复合结构。由于形成在p-n结8的量子结构已经在上述专利申请中公开了，将省略其详细描述。
在p-n结8的量子结构中，相反导电类型的掺杂部分彼此交替。势阱和势垒可以分别约厚2到3nm。
这种用于在p-n结8形成量子结构的超浅掺杂可以通过优化控制控制薄膜9的厚度和扩散工艺的条件来完成。
在扩散工艺期间，可以通过适当的扩散温度和由沿衬底1表面形成的微缺陷图形7产生的形变势能将扩散剖面(profile)的厚度调节到10到20nm(例如)。如此形成的超浅扩散剖面产生量子结构。
正如扩散技术领域中所熟知的，当SiO2薄膜厚于适当的厚度(如几千埃)或扩散温度低时，空位主要影响扩散，从而造成深扩散。另一方面，当SiO2薄膜薄于适当的厚度或扩散温度低时，Si的自填隙原子主要影响扩散，从而造成深扩散。因此，当SiO2薄膜形成适当的厚度时，其中Si的自填隙原子和空位以近似的比率产生，Si的自填隙原子和空位的结合阻止了杂质扩散。结果，完成了超浅掺杂。这里所利用的空位和自填隙原子的物理性质在扩散技术领域已被很好地公开了，在此将不再详述。
当具有多个开口9a的控制薄膜9形成在微缺陷图形7上并通过开口9a形成多个掺杂区域10时，可以获得具有多个硅光电器件的阵列。
当微缺陷图形7形成不同的周期，具有多个开口9a的控制薄膜9以相应的周期形成，并通过开口9a形成多个掺杂区域10时，可以获得具有多个硅光电器件的阵列，该硅光电器件发射和/或接收多种波长的光。
而且，当在衬底1上形成用于与如此形成的掺杂区域10电气连接的电极图形时，会获得如图12所示的硅光电器件20。
参照图12，在与形成掺杂区域10的衬底1的相同表面上形成第一电极15，并在衬底1的下表面上形成第二电极17。在如上所述的附图中，相同的标记表示实际上相同组成的元件。图12表示由不透明金属构成的第一电极15以与掺杂区域10的外侧相接触的方式形成。第一电极也可以由诸如氧化铟锡(ITO)的透明电极材料构成。在这种情况下，第一电极15可以形成在掺杂区域10的整个表面上。
如图12所示，根据本发明的硅光电器件20的衬底1表面具有所期望的弯曲结构，即通过上述工艺形成的微缺陷图形7。除三角形(参见图10)或梯形(参见图11)之外，微缺陷图形7还可以形成不同的形状。
由于掺杂区域10和衬底1之间的p-n结8具有量子结构，在该量子结构中发生电子-空穴对的产生和复合，因此，如图12所示的根据本发明的硅光电器件20可以用作光发射和/或接收器件。
也就是说，硅光电器件20作为光发射器件以如下方式起作用。例如，如果在第一和第二电极15和17上施加电能(电压或电流)，载流子，即电子和空穴将注入到p-n结8的量子阱中，并在量子阱的次能带能级上复合(湮灭)。在这种情况下，根据载流子的复合状态在不同的波长发生电致发光(EL)，并且根据微缺陷图形7的周期，只有特定波长带的光被放大并输出。所产生的光量依据施加在第一和第二电极15和17上的电能(电压或电流)的大小而改变。
硅光电器件20也可以作为光接收器件以如下方式起作用。当仅有取决于人为形成的微缺陷图形7的周期的特定波长带的光入射并且光子在具有量子阱的p-n结8中被吸收时，电子和空穴在形成于p-n结8的量子阱的次能带能级上被激发。因此，当外部电路，如负载电阻(未示出)连接于输出端子时，与接收的光量成比例的电流被输出。
由于p-n结8的电荷分布电势的局部变化和在量子阱中产生的次能带能级而产生量子限制效应，因此，具有如上所述的超浅掺杂区域10的硅光电器件20具备高量子效率。
如图13所示，根据本发明，当具有期望周期的微缺陷图形7人为地沿衬底1的表面形成时，例如具有分别与红光波长带R、绿光波长带G和蓝光波长带B相应的周期TR、TG和TB时，就可以获得硅光电器件20，该硅光电器件20能够发射和/或接收所期望的特定波长带的光，例如红光、绿光和蓝光。
另一方面，与美国专利申请No.10/122,421中的一样，在沿衬底表面自组织微缺陷图形7的情况下，微缺陷具有不规则的图形，如图14所示，从而降低了波长带的选择性。
图15是表示硅光电器件的光发射特性模拟结果的曲线图，它们是分别具有如图10和11所示的、沿衬底1表面形成的周期性三角(“三角形”)和梯形(“梯形”)微缺陷7’和7”的两种硅光电器件以及无微缺陷的硅光电器件，即具有平面衬底表面(“平面”)的硅光电器件。这里，具有不同尺寸的自组织不规则微缺陷的硅光电器件显示出与具有平面衬底表面的硅光电器件相似的光发射特性。
在图15中，横轴以纳米(nm)表示生成光的波长，纵轴以任意单位表示生成光的场强。
如图15所示，与其他硅光电器件相比，根据本发明的具有人为形成的微缺陷图形7的硅光电器件显示出改进的波长带选择性和发光效率。
也就是说，如图15所示，当沿衬底表面人为形成的微缺陷具有特定的形状和周期时，能够大大提高特定波长带的发光效率。如果微缺陷的周期和尺寸改变了，峰(即表示超出预定强度的发光效率的波长带的位置(Δλ))及峰值的大小都将改变。
图15表示如图10和11所示的微缺陷图形模型的二维模拟结果。在这方面，很明显的，三维微缺陷图形可以提供更高的波长带选择性和发光效率。也就是说，与具有平面表面的衬底相比，根据本发明的具有二维微缺陷图形的衬底提供大于20到30％的发射放大作用。因此，可以预见，当微缺陷图形被优化成三维时，发射放大作用将比它的两倍更大。
如上所述，当微缺陷图形7沿衬底1的表面人为地形成期望的形状和周期时，可以确保良好的选择和特定波长带的放大率。
在上述美国专利申请No.10/122,421中所披露的硅光电器件中，由于微缺陷是自组织的，因此决定波长选择性的微缺陷的尺寸难以控制。与美国专利申请No.10/122,421一样，在微空腔自然形成的情况下，即自组织微空腔，不同波长的多种微空腔容易混合，这样一来，就难以调整用于波长选择的特定工艺条件。
然而，根据本发明，可以采用如图4A到4E所示的非常简单的工艺在期望的位置上人为地形成所期望的微空腔。因此，可以容易地获得特定波长带的硅光电器件，从而提高均匀性和再现性。
具体地说，根据本发明，由于可以沿硅光电器件20的表面形成规则的微空腔，因此可以单独滤出特定波长带的光。此外，与常规的平面器件表面或自组织的不规则微缺陷不同，这种规则的微空腔可以对特定波长带的光产生放大作用并对不必要的波长带产生衰减作用。
在下文中，作为使用本发明硅光电器件20的设备的说明性示例，将描述图像输入和/或输出设备。
图16是根据本发明第一实施例的图像输入和/或输出设备的示意性平面图。
参照图12和16，根据本发明第一实施例的图像输入和/或输出设备包括：具有硅光电器件20二维阵列的硅光电器件板25，每个硅光电器件产生图像的输入和/或输出并形成在n或p型硅基衬底1上。这里使用的术语“图像输出”泛意地表示图像显示。这里使用的术语“图像输入”泛意地表示使用摄象机产生所拍摄物体的电学图像信号。由于硅光电器件20已经在上面描述了，于是省略对其的重复描述。
如上所述，由于掺杂区域10的p-n结8上的量子限制效应而产生电子-空穴对的产生和复合，因此，每个硅光电器件20都可以用作特定波长带的或多种波长带的光发射和/或接收器件。
因此，当通过一系列半导体制造工艺在单一衬底1上形成硅光电器件20的二维阵列时，可以获得能够输入和/或输出图像的硅光电器件板25。
在这种情况下，在用作硅光电器件板25的基板的衬底11上构图第一和第二电极15和17，以便在硅光电器件板25中逐像素地执行图像的输入和/或输出，从而将拍摄的图像转换成电学图像信号和/或在二维上显示图像。
由此，具有硅光电器件20二维阵列的硅光电器件板25能够在二维上输入和/或输出图像。
如上所述，由于沿衬底1的表面人为地形成了微缺陷图形7，因此硅光电器件20中吸收或发射的光的波长取决于微空腔。鉴于此，当产生期望波长和谐振的微空腔的长度被设计得能够在晶片上实现期望波长的光的放大和/或吸收时，例如以逐像素方式，就能够获得具有硅光电器件20阵列的硅光电器件板25，该硅光电器件20具有期望的光波长带。
在这种情况下，当微空腔的尺寸不变时，硅光电器件20输出和/或吸收特定波长的光。另一方面，当微空腔的尺寸不同时，硅光电器件20输出和/或吸收不同波长的光，例如白光。
如上所述，具有硅光电器件20二维阵列的硅光电器件板25中的第一和第二电极15和17构图在硅基衬底1上，以使图像的输入和/或输出能够逐像素地执行。
在根据本发明的图像输入和或输出设备中，硅光电器件板25可以以这样的方式形成，其中一个硅光电器件125对应一个像素P，如图16所示。
在这种情况下，每个硅光电器件20可以设计得输出和/或吸收单一波长的光或白光。
当每个硅光电器件20设计得输出和/或吸收单一波长的光或白光时，根据本发明的图像输入和/或输出设备可以显示单色图像和/或产生所拍摄物体的电学单色图像信号。
同时，根据本发明第二实施例的如图17所示的图像输入和/或输出设备包括具有多个硅光电器件25的硅光电器件板25，每个硅光电器件输出和/或吸收白光。该图像输入和/或输出设备还包括一个滤色镜30，它被安装在硅光电器件25的前侧(用于光输入和/或输出的侧面)以显示全彩色图像。由此，该图像输入和/或输出设备可以显示全彩色图像和/或将所拍摄物体的全部色彩生成电学全彩色图像信号。
在这种情况下，滤色镜30以这样的方式设计，所有彩色分量R、G和B都与每个像素P相对应，如图18所示。
滤色镜30的彩色分量R、G和B的排列与根据本发明另一实施例的硅光电器件板40中的硅光电器件的二维阵列相似，该实施例将在后面描述。滤色镜30中的彩色分量R、G和B的排列也可以发生多种变化。
这样，根据本发明第二实施例的在硅光电器件板25的前侧包含滤色镜30的图像输入和/或输出设备能够输入和/或输出彩色图像。也就是说，该设备使光学图像转换成电学彩色图像信号和/或根据电学彩色图像信号显示全彩色图像成为可能。
图19是根据本发明第三实施例的图像输入和/或输出设备的示意图。
在根据本发明第三实施例的图像输入和/或输出设备中，硅光电器件板40以这样的方式设计，三个或更多的硅光电器件与每个像素P对应。图19示出了硅光电器件板40的一个示例，其中每个像素P对应三个硅光电器件20R、20G和20B。
在这种情况下，相应于每个像素P的三个硅光电器件20R、20G和20B分别输出和/或吸收红光R、绿光G和蓝光B(例如)，并将检测到的彩色光转换成各自的电学彩色图像信号。这三个硅光电器件20R、20G和20B具有微缺陷图形，该微缺陷图形具有相应于特定波长带的不同周期，例如红光R、绿光G和蓝光B。这三个硅光电器件20R、20G和20B的布置方式以及其他组成元件所使用的材料与根据本发明的上述硅光电器件20相同。
根据本发明第三实施例的如图19所示的硅光电器件板40可以不使用单独的滤色镜而显示彩色图像。
为了表现出更多不同的彩色图像，可以在硅光电器件板40的前侧设置如图18所示的滤色镜30。
针对每个像素的输出和/或吸收三种波长光的三个硅光电器件20R、20G和20B的色彩排列方式，和/或滤色镜30中R、G和B分量的排列方式，可以进行多种变化。
如上所述，在根据本发明的能够输入和/或输出单色或彩色图像的图像输入和/或输出设备中，针对图像的输入和/或输出，可以进行多种变化。这些变化可以通过改变控制图像输入和/或输出的电路结构来实现。
也就是说，根据本发明的图像输入和/或输出设备能够通过使用交替排列的图像输入像素和图像输出像素输入和/或输出图像，如图20所示。在图20中，以斜线表示的像素是图像输入像素，即在根据本发明的硅光电器件20中用作光接收器件的像素。另一方面，以空格表示的像素是图像输出像素，即在根据本发明的硅光电器件20中用作光发射器件的像素。
如图20所示，根据本发明的图像输入和/或输出设备可以以这样的方式形成，硅光电器件板25或40的一些硅光电器件20输入图像，而其他的硅光电器件输出图像。
图像输入像素和图像输出像素可以具有多种排列方式。例如，可以将位于硅光电器件板25或40的预定区域的像素用作图像输入像素，而将其他的像素用作图像输出像素。
由于硅光电器件20可以用作光发射和/或接收器件，因此必要时，根据本发明的图像输入和/或输出设备中的图像输入像素和图像输出像素可以转换，其中图像的输入和输出通过如图20所示的不同硅光电器件20来实现。图像输入像素和图像输出像素的数目也可以改变。这种改变可以通过适当地设计驱动和/或控制电路以及根据本发明的图像输入和/或输出设备的算法来实现。
根据本发明的图像输入和/或输出设备也可以以这样的方式形成，图像的输入和输出可以通过相同的硅光电器件以一定的时间差来完成，如图21A和21B所示。图21A示出了根据本发明的图像输入和/或输出设备的硅光电器件板25或40的图像输入状态，图21B示出了根据本发明的图像输入和/或输出设备的硅光电器件板25或40的图像输出状态。
图20、21A和21B所示的硅光电器件板25或40的每个像素可以对应于一个硅光电器件20(参见图16和17)，或者对应于三个或更多硅光电器件20R、20G和20B(参见图19)。
虽然已经参照示范性实施例详细说明并描述了根据本发明的图像输入和/或输出设备，但是可以在不脱离本发明的范围内进行多种改变。
由于如上所述的根据本发明的图像输入和/或输出设备可以向屏幕中直接输入光学信息，因此可以将其应用于需要交互式可视通信和/或双向信息传送的设备中，例如计算机显示器、电视，特别是数字电视和手提式终端。
在这种情况下，由于根据本发明的图像输入和/或输出设备考虑了在单个面板中图像的输入和输出，因此，在可视通信中不必单独使用摄象机。
手提式终端可以是各种类型的便携式通信设备，如移动电话和个人数字助理。
而且，根据本发明的图像输入和/或输出设备能够在单个面板中输入和输出图像，于是，可以将操作者的整个面部拍摄下来并传送。从而提高了可视通信的生动性。
至此，虽然已经结合图面描述了本发明的具有单个硅光电器件板的图像输入和/或输出设备，该硅光电器件板具有硅光电器件的二维阵列，但是并不仅限于此。也就是说，根据本发明的图像输入和/或输出设备还可以包含多个硅光电器件板的组合，以获得更大的屏幕。
图22示出了应用根据本发明的图像输入和/或输出设备的数字电视。
参照图22，根据本发明的图像输入和/或输出设备可以应用于数字电视50中，它能够向屏幕51中输入信息并使用光学无线遥控器55选择菜单。光学无线遥控器55像光学指示器一样能仅在特定区域内发光。当光学信号从光学无线遥控器55发射到屏幕51中的特定区域时，例如预定的选项53，设置在该特定区域中并作为光接收器件的硅光电器件接收该光学信号。根据所接收的光学信号，可以改变数字电视的频道或者在国际互连网工作。
此外，本发明的图像输入和/或输出设备可以应用于需要双向信息传送的各种设备中。
由以上描述可以明显看出，根据本发明的图像输入和/或输出设备具有优于使用硅的常规发光器件的发光效率，至少可以作为光发射器件和光接收器件之一使用，并且具有高的波长选择性。
此外，根据本发明的具有硅光电器件二维阵列的硅光电器件板可以应用在能够直接在屏幕中显示图像和/或输入光学信息的图像输入和/或输出设备中。
具体地说，由于根据本发明的硅光电器件既可以用作光发射器件，又可以用作光接收器件，因此，能够生产出用于双向信息传送的、能够在单个面板中显示图像并输入图像或光学信息的图像输入和输出设备。
使用根据本发明的图像输入和/或输出设备省去了可视通信中单独的摄象机的使用，从而提高了可视通信的生动性。当根据本发明的图像输入和/或输出设备应用在数字电视中时，使用光学无线遥控器直接选择菜单成为可能。
虽然已经参照其示范性实施例详细说明并描述了本发明，但是显而易见，本领域普通技术人员可以在不脱离由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，对其形式和细节做各种变形。

Claims (21)

1.一种制造硅光电器件的方法，包括：
准备n或p型硅基衬底；
通过蚀刻沿衬底表面形成微缺陷图形；
在微缺陷图形上形成具有开口的控制薄膜；以及
在具有微缺陷图形的衬底表面上以如下方式形成掺杂区域，通过控制薄膜的开口将与衬底相反类型的预定杂质注入到衬底中并掺杂到一定深度，以便通过p-n结中的量子限制效应产生引起光发射和/或接收的光电转换效应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成微缺陷图形包括：
在该衬底表面上形成掩模层；
在该掩模层中形成具有期望尺寸和周期的开口；
蚀刻与该掩模层开口相应的衬底表面，以便沿该衬底表面形成微缺陷图形；以及
去除该掩模层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在该掩模层中的、具有期望尺寸和周期的开口的形成是通过使用单个探针或具有多个探针阵列的多探针实现的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中该探针是原子力显微镜(AFM)的探针。
5.根据权利要求1所述的方法，其中控制薄膜是二氧化硅薄膜，该二氧化硅薄膜允许该掺杂区域形成该深度，以便通过掺杂区域和衬底之间的p-n结中的量子限制效应产生光电转换效应。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在衬底上形成第一和第二电极，以便与掺杂区域电连接。
7.根据权利要求1所述的方法，其中掺杂区域的形成是通过预定杂质的非平衡扩散实现的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在掺杂区域形成后，选择性地去除控制薄膜。
9.根据权利要求1至8中任何一项所述的方法，其中该微缺陷图形具有与所发射和/或接收的光的波长相应的周期。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该微缺陷图形形成单一周期，以便发射和/或接收单一波长的光。
11.根据权利要求10所述的方法，其中当在微缺陷图形上形成具有多个开口的控制薄膜并通过这些开口形成多个掺杂区域时，形成了多个硅光电器件的阵列。
12.根据权利要求9所述的方法，其中当在微缺陷图形形成具有不同周期的多个微缺陷图形区域，控制薄膜形成与该周期相应的多个开口以及通过这些开口形成多个掺杂区域时，形成了发射和/或接收多种波长的光的多个硅光电器件的阵列。
13.通过根据权利要求1至12中任何一项所述的方法制造的硅光电器件。
14.一种图像输入和/或输出设备，包括具有硅光电器件二维阵列的硅光电器件板，其中每个硅光电器件都输入和/或输出图像，并形成在n或p型硅基衬底上，
每个硅光电器件包括：
通过蚀刻沿衬底表面形成的微缺陷图形；以及
在具有微缺陷图形的衬底表面上使用与衬底相反类型的预定杂质形成的掺杂区域，该掺杂区域掺杂到一定深度，以便通过p-n结中的量子限制效应产生引起光发射和/或接收的光电转换效应。
15.根据权利要求14所述的图像输入和/或输出设备，其中该微缺陷图形通过以下方式形成：在衬底表面上形成掩模层；在该掩模层中形成具有期望尺寸和周期的开口；以及蚀刻与该掩模层的开口相应的衬底表面。
16.根据权利要求14所述的图像输入和/或输出设备，其中该微缺陷图形具有与所发射和/或接收的光的波长相应的周期。
17.根据权利要求14所述的图像输入和/或输出设备，其中当图像的输入和输出都发生时，一些硅光电器件输入图像而其余的硅光电器件输出图像。
18.根据权利要求14所述的图像输入和/或输出设备，其中当图像的输入和输出都发生时，每个硅光电器件都输入并输出图像。
19.根据权利要求14所述的图像输入和/或输出设备，其中在衬底上构图电极，以便实现从硅光电器件板逐像素地输入和/或输出图像。
20.根据权利要求14至19所述的任一种图像输入和/或输出设备，其中硅光电器件板的每个像素包含三个或更多硅光电器件。
21.根据权利要求20所述的图像输入和/或输出设备，其中相应于每个像素的三个或更多硅光电器件具有不同周期的微缺陷图形，并发射和/或接受表示彩色图像的不同波长的光。
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