[发明专利]整合集成电路、发光元件及传感元件的单衬底器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域中一种装配在单个半导体衬底上的电子器件，特别涉及一种在单个衬底上整合集成电路、发光元件及传感元件的器件。

背景技术

固态光源，例如发光二极管（LED）和激光二极管，与白炽灯或荧光灯相比具有非常大的优势。固态光源通常比传统的白炽灯或荧光灯的效率更高且产热更少。当发光二级管（LED）或激光二极管被置于红、绿、蓝元件列时，它们可作白光源或多彩显示。尽管固态发光具有某些优势，但传统的用于固态发光的半导体结构和设备价格相对昂贵。固态发光元件的高成本部分归因于其相对复杂和耗时的生产工艺。

根据图1所示，一种先有技术的LED结构100包含一个衬底105，例如蓝宝石衬底。缓冲层110位于衬底105上。缓冲层110主要作为一个润湿层，以促进蓝宝石衬底光滑且均匀覆盖。缓冲层310通常是经金属有机化学气相沉积法（MOCVD）形成的一个薄的非结晶层。有n型掺杂的III-V族化合物层120位于缓冲层110上。所述有n型掺杂的III-V族化合物层120通常是由氮化镓（GaN）组成。氮化铟镓（InGaN）的量子阱层130位于有n型掺杂的III-V族化合物层120上。一个活性III-V族化合物层140形成于氮化铟镓（InGaN）的量子阱层130上。有p型掺杂的III-V族化合物层150形成于活性III-V族化合物层140上。p电极160（正极）形成于有p型杂质的III-V族化合物层150上。n电极170（负极）形成于有n型杂质的III-V族化合物层120上。

GaN晶体在不同的晶体方向上具有不同的导电性。（0001）晶面垂直于c轴，与其他平面相比具有最高的电极性。（1-100）晶面垂直于m轴，是非极性的。其他GaN晶面，例如（1-101），都是半极性的，其电极性小于（0001）晶面。

GaN晶体的不同晶面，也具有不同的光学性质。非极性（1-100）晶面的内部量子效率（IQE）最高；而半极性晶面，例如（0001）平面的量子效率稍低。极性的（0001）晶面的量子效率最低。在发光元件中，需要从非极性或半极性晶面产生发光，从而获得较高的光强度。

早期的GaN LED在蓝宝石、碳化硅或尖晶石衬底（图1中的105）上成形。最近，试图在LiAlO2衬底上生长具有非极性发光面的GaN发光元件。尽管这些LED结构的光发射是光谱稳定且极化的，但由于在LiAlO2衬底上生长的过程中，GaN晶体内会产生很多瑕疵，其发光强度较低。

发明内容

本发明公开了一种电子器件，包含构建在单半导体衬底上的集成电路、发光元件比如发光二极管（LED）和传感元件，以及利用微机电系统（MEMS）技术构建的一个或多个三维运动/加速定位仪。本发明所述的电子器件能将多个常规器件的功能综合到一块独立的衬底上，因此相比常规器件，结构更简单、更紧凑，成本也更低。

本发明的单衬底器件使用LED发光元件，能降低能源消耗。所述单衬底器件上的LED作为光源使用时，传感元件可用来感知光源附近的运动。只有感知到光源周围有运动时，LED发光元件才被点亮。本发明的单衬底器件也可作为图像传感器使用或用在带有光源的相机上。

一方面，本发明涉及一种单衬底电子器件，其包含一个半导体衬底；构建在所述半导体衬底上的一个或多个发光元件，所述发光元件设置为通过响应一个电流信号而发光；构建在所述半导体衬底上的一个或多个传感元件，所述传感元件设置为通过响应单衬底电子器件邻近区域的光信号，来输出一个图像传感信号；还有一个或多个形成在所述半导体衬底上的集成电路。所述的一个或多个集成电路可处理来自传感元件的图像传感信号，并对从传感元件接收到的图像传感信号做出响应，从而产生一个电流信号。

另一方面，本发明涉及一个单衬底电子器件，其包含一个半导体衬底，所述半导体衬底含有一个第一表面和一个第二表面；一个或多个发光元件构建在所述第一表面上，所述发光元件设置为通过响应一个电流信号而发光；一个或多个传感元件构建在所述第一表面上，所述传感元件设置为通过响应单衬底电子器件邻近区域的光信号，来输出一个图像传感信号；还有一个或多个形成在所述半导体衬底第二表面上的集成电路。所述一个或多个集成电路可处理来自传感元件的图像传感信号，并对从传感元件接收到的图像传感信号做出响应，从而产生一个电流信号。