(57)【要約】  半導体光システムにおける色温度制御のためのシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトダイオード光監視方法およびシステム。方法は、複数のＳＯＩフォトダイオードを設けるステップであって、各ＳＯＩフォトダイオードは、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された埋込酸化物層と、埋込酸化物層上に形成されたシリコン層とを有し、各ＳＯＩフォトダイオードのシリコン層が異なる厚さを有しているステップと、波長およびシリコン層の厚さに関して、各ＳＯＩフォトダイオードを通過してシリコン基板へと向かう入射光の割合を決定するステップと、決定された上記割合に基づいて入射光の色成分強度を計算するステップとを含んでいる。
2007506090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトダイオード光監視システムを形成するための方法において、
複数のＳＯＩフォトダイオードを設けるステップであって、前記各ＳＯＩフォトダイオードは、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された埋込酸化物層と、前記埋込酸化物層上に形成されたシリコン層とを有し、前記各ＳＯＩフォトダイオードの前記シリコン層が異なる厚さを有しているステップと、
波長および前記シリコン層の厚さに関して、前記各ＳＯＩフォトダイオードを通過して前記シリコン基板へと向かう入射光の割合を決定するステップと、
決定された前記割合に基づいて、入射光の色成分強度を計算するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記各ＳＯＩフォトダイオードは、前記シリコン層上にフィールド酸化膜層を更に備え、前記フィールド酸化膜層の厚さを変えることにより、前記各ＳＯＩフォトダイオードにおいて異なる厚さの前記シリコン層が形成される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シリコン基板には、第１のタイプのドーパントがドープされ、前記各ＳＯＩフォトダイオードは、
前記シリコン層および前記埋込酸化物層を貫通してトレンチを形成することにより、前記シリコン基板の一部を露出させ、
前記シリコン基板の露出された部分に第２のタイプのドーパントをドープすることにより、ｐｎ接合を形成し、
前記トレンチ内にコンタクトを形成する、
ことによって形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記コンタクトが前記ＳＯＩフォトダイオードの開口部を形成する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
入射光の前記割合がｅ−ａλｘによって与えられ、ａλが前記シリコン層の光吸収係数であり、ｘが前記シリコン層の厚さである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記シリコン基板中に垂直ｐｎ接合を形成するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記各ＳＯＩフォトダイオードは、
前記シリコン層および前記埋込酸化物層を貫通してトレンチを形成することにより、前記シリコン基板の一部を露出させ、
前記トレンチ内にコンタクトを形成する、
ことによって形成される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記コンタクトが前記ＳＯＩフォトダイオードの開口部を形成する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
シリコンオンインシュレータフォトダイオードにおいて、
第１のタイプのドーパントがドープされた第１の部分と、第２のタイプのドーパントがドープされた第２の部分とを有し、前記第１および第２の部分がｐｎ接合を形成するシリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された埋込酸化物層と、
前記埋込酸化物層上に形成されるシリコン層であって、前記ＳＯＩフォトダイオードを通過して前記シリコン基板へと向かう入射光の波長に関する大きさが前記シリコン層の厚さに比例する、シリコン層と、
前記シリコン層上に形成されるとともに、その厚さが前記シリコン層の厚さを制御するフィールド酸化膜層と、
前記シリコン基板へと延びるトレンチと、
前記トレンチ内に形成されるコンタクトと、
を備える、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトダイオード。
【請求項１０】
前記ｐｎ接合が垂直ｐｎ接合である、請求項９に記載のＳＯＩフォトダイオード。
【請求項１１】
前記ＳＯＩフォトダイオードを通過して前記シリコン基板へと向かう入射光の前記割合がｅ−ａλｘによって与えられ、ａλが前記シリコン層の光吸収係数であり、ｘが前記シリコン層の厚さである、請求項９に記載のＳＯＩフォトダイオード。
【請求項１２】
前記コンタクトが前記ＳＯＩフォトダイオードの開口部を形成する、請求項９に記載のＳＯＩフォトダイオード。
【請求項１３】
シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトダイオードを形成するための方法において、
シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された埋込酸化物層と、前記埋込酸化物層上に形成されたシリコン層と、前記シリコン層上に形成されたフィールド酸化膜層とを有する、ＳＯＩ構造を設けるステップと、
前記フィールド酸化膜層の厚さを調整することにより、前記シリコン層の厚さを調整するステップであって、前記ＳＯＩフォトダイオードを通過して前記シリコン基板へと向かう入射光の波長に関する大きさが前記シリコン層の厚さに比例するステップと、
トレンチを形成することにより、前記シリコン基板の一部を露出させるステップと、
前記トレンチ内にコンタクトを形成するステップと、
を含む方法。
【請求項１４】
前記コンタクトを形成する前に、前記シリコン基板の露出された部分をドーパントでドープすることにより、ｐｎ接合を形成する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記シリコン基板が垂直ｐｎ接合を備えている、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に半導体光システムに関し、特に、半導体光システムにおける色温度制御のためのシリコンオンインシュレータフォトダイオード光監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体白色ランプは、３つ（赤、緑、青）または４つ（赤、緑、青、琥珀）の異なる色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の出力を混合することにより形成される。個々の色のＬＥＤの強度（電流）は、ランプの色（すなわち、「白色度」）を決定する。現在、ＬＥＤにおける電流モニタリング（電気的な検出）だけによる色の制御は不可能である。これは、ＬＥＤの出力特性が時間と共に変化するからである。したがって、個々のＬＥＤの強度（すなわち、色）を識別できる光監視（すなわち、光検出）システムが必要である。
【０００３】
現在の光監視システムは、しばしば、別個のフォトダイオードを使用して、半導体白色ランプの個々のＬＥＤの強度を監視する。色温度決定は、（時間的に連続する）ＬＥＤの個々の色を検出することにより、あるいは、フォトダイオードにおいてフィルタを使用することにより行なわれる。残念ながら、別個のフォトダイオードおよび外部フィルタを使用すると、ランプの部品点数や、ランプを製造するために必要な製造工程の数が増大し、最終的には、ランプの製造コストが増大する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、半導体白色ランプの色温度を決定できるとともに、全てのランプＬＥＤを同時に照明することができ、また、外部フィルタを使用しないで済む光監視システムが必要である。また、半導体ランプの駆動エレクトロニクスと一体を成すことができるとともに、同じプロセスを使用して形成することができ、それにより、ランプの部品点数およびコストを低減することができる複数のフォトダイオードを備える光監視システムが必要である。更に、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）プロセスを用いて形成することができ且つ入射光の波長に依存する出力信号を有する複数のフォトダイオードを備える光監視システムが必要である。この信号は、ランプのＬＥＤからの混合光の色含有量を独自に決定して調整するために使用できる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、半導体光システムにおける色温度制御のためのシリコンオンインシュレータフォトダイオード光監視システムを提供する。また、本発明は、シリコンオンインシュレータフォトダイオード光監視システムを形成するための方法も提供する。
【０００６】
第１の態様において、本発明は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトダイオード光監視システムを形成するための方法において、複数のＳＯＩフォトダイオードを設けるステップであって、上記各ＳＯＩフォトダイオードは、シリコン基板と、上記シリコン基板上に形成された埋込酸化物層と、上記埋込酸化物層上に形成されたシリコン層とを有し、上記各ＳＯＩフォトダイオードの上記シリコン層が異なる厚さを有しているステップと、波長および上記シリコン層の厚さに関して、上記各ＳＯＩフォトダイオードを通過して上記シリコン基板へと向かう入射光の割合を決定するステップと、決定された上記割合に基づいて入射光の色成分強度を計算するステップとを含む方法を提供する。
【０００７】
第２の態様において、本発明は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトダイオードにおいて、第１のタイプのドーパントがドープされた第１の部分と、第２のタイプのドーパントがドープされた第２の部分とを有し、上記第１および第２の部分がｐｎ接合を形成するシリコン基板と、上記シリコン基板上に形成された埋込酸化物層と、上記埋込酸化物層上に形成されるシリコン層であって、ＳＯＩフォトダイオードを通過して上記シリコン基板へと向かう入射光の波長に関する大きさが上記シリコン層の厚さに比例するシリコン層と、上記シリコン層上に形成されるとともに、その厚さが上記シリコン層の厚さを制御するフィールド酸化膜層と、上記シリコン基板へと延びるトレンチと、上記トレンチ内に形成されるコンタクトとを備えるシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトダイオードを提供する。
【０００８】
第３の態様において、本発明は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトダイオードを形成するための方法において、シリコン基板と、上記シリコン基板上に形成された埋込酸化物層と、上記埋込酸化物層上に形成されたシリコン層と、上記シリコン層上に形成されたフィールド酸化膜層とを有するＳＯＩ構造を設けるステップと、上記フィールド酸化膜層の厚さを調整することにより、上記シリコン層の厚さを調整するステップであって、上記ＳＯＩフォトダイオードを通過して上記シリコン基板へと向かう入射光の波長に関する大きさが上記シリコン層の厚さに比例するステップと、トレンチを形成することにより、上記シリコン基板の一部を露出させるステップと、上記トレンチ内にコンタクトを形成するステップとを含む方法を提供する。
【０００９】
本発明のこれらの特徴および他の特徴は、添付図面と併せて考慮される本発明の様々な態様についての以下の詳細な説明から更に容易に理解される。
【００１０】
なお、図面は、単なる概略図であり、本発明の特定のパラメータを表現しようとするものではない。図面は、本発明の一般的な態様を単に示そうとするものであり、したがって、本発明の範囲を限定するものと見なされるべきではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係るＳＯＩフォトダイオード１０が図１に示されている。ＳＯＩフォトダイオード１０は、ｎ型シリコン基板１２と、ｎ型シリコン基板１２上に形成された埋込酸化物（ＢＯＸ）層１４と、ＢＯＸ層１４上に形成されたシリコン層１６と、シリコン層１６上に形成されたフィールド酸化膜層１８とを備えた標準的なＳＯＩ構造を使用して形成される。ＳＯＩ構造は、一般に、ＳＯＩウェーハ上に設けられる。なお、ＬＥＤのための制御エレクトロニクスは、一般に、ＳＯＩウェーハの他の部分のシリコン層１６中に形成される。ＳＯＩ構造は、良く知られた技術を使用して形成されるため、これ以上説明しない。
【００１２】
ＳＯＩ構造中には、標準的なエッチング技術を使用してトレンチ２０が形成される。トレンチ２０は、ＳＯＩ構造を貫通してｎ型シリコン基板１２に向かって下側に延びている。周知の技術を使用してｐ＋領域２２がトレンチ２０を介してｎ型シリコン基板１２中に埋め込まれる。ｐ＋領域２２とｎ型シリコン基板１２との界面にはＳＯＩフォトダイオード１０のｐｎ接合が形成される。この場合、ｐ＋領域２２がフォトダイオード１０のアノードを形成し、ｎ型シリコン基板１２がフォトダイオード１０のカソードを形成する。その後、周知の技術を使用してｐ＋金属コンタクト２４が形成される。このｐ＋金属コンタクト２４は、ｐ＋領域２２上に形成されるとともに、ＳＯＩ構造の両側に沿って且つフィールド酸化膜層１８の上面の一部にわたって形成される。図１に示されるように、ｐ＋金属コンタクト２４は、ＳＯＩフォトダイオード１０のフォトダイオード開口２６を形成する。また、ｐ＋金属コンタクト２４は、ｐ＋領域２２（すなわち、フォトダイオード１０のアノード）に対するコンタクトも形成している。ｎ型シリコン基板１２（すなわち、フォトダイオード１０のアノード）においては対応するコンタクト（図示せず）が設けられている。
【００１３】
ＳＯＩフォトダイオード１０のシリコン層１６は、光フィルタ（長い波長パス）として使用される。所定の波長を有する光は、フォトダイオード開口２６、フィールド酸化膜層１８、シリコン層１６、ＢＯＸ層１４を通過して、ｎ型基板中へと達し、ＳＯＩフォトダイオード１０のｎ型シリコン基板１２中に電子−空孔対（正孔対）（ＥＨＰ）を生成する。ＥＨＰは、その後、それらの対応するコンタクトによって集められ（電子がカソードコンタクト（図示せず）へ集められ、空孔がｐ＋金属コンタクト２６へと集められる）、これにより、電圧（開回路）または電流（閉回路）が生じる。電流の大きさは、生成されるＥＨＰの数に比例し、また、生成されるＥＨＰの数は、入射光の強度に比例する。
【００１４】
シリコン層１６をロングパスフィスタとして使用することにより、ＳＯＩフォトダイオード１０において色識別が達成される。この場合、シリコン層１６の厚さは、ｎ型シリコン基板１２を通過する入射光の割合を決定する。フィールド酸化膜層１８がシリコン層１６中へと成長する深さを調整することにより、様々な厚さのシリコン層１６を形成することができる。図２に示される本発明の一実施形態においては、３つのＳＯＩフォトダイオード１０１，１０２，１０３をそれぞれ備える光監視システム（オプティカルモニタリングシステム）を形成するために、０．４μｍ、０．９μｍ、１．４μｍという標準的なＳＯＩプロセス厚のシリコン層１６を形成することができる。そのような光監視システムは、３つのＬＥＤ（すなわち、青、緑、赤）を使用して形成される白色光を監視するために使用することができる。なお、これらの厚さは、単に、本発明の実施において使用できる多くの想定される一連の厚さのうちの１つを表すことを意図している。また、図２に示される光監視システムは３つのＳＯＩフォトダイオード１０１，１０２，１０３を有しているが、４つのＬＥＤ（すなわち、青、緑、赤、琥珀）を使用して白色光が形成される場合には、４つ目のＳＯＩフォトダイオード（図示せず）が使用されても良い。
【００１５】
波長がλで且つシリコン層１６の厚さがｘにおいて、ｎ型シリコン基板１２を通過する入射光の割合は
【数１】
2007506090.tif 000003
、即ちｅｘｐ{（−ａλ）＊ｘ}に等しい。ここで、ａλはシリコン層１６の光吸収係数である。以下の表は、シリコン層１６の厚さが０．４μｍ、０．９μｍ、１．４μｍである３つのＳＯＩフォトダイオード１０に関して、入射光の異なる波長λおよびシリコン層１６の異なる厚さｘにおけるこの割合を示している。
【表１】
2007506090.tif 000004
【００１６】
シリコン層１６の厚さが異なる３つのＳＯＩフォトダイオード１０に入射する光から色成分を抽出することができる。これは、それによって、３つの方程式および３つの未知数を有する系が得られるからである。より形式的には、光フィルタリング係数の上記行列をΛで示し、入射光の色含有量を表わすベクトルをｃで示すと、フォトダイオード信号のベクトルｉは、ｉ＝Λ＊ｃに等しい。色成分を取り戻すため、方程式ｃ＝Λ−１＊ｉが使用されても良い。
【００１７】
ＳＯＩフォトダイオード１０よりも良好な感光性を有する本発明に係るＳＯＩフォトダイオード３０の他の実施形態が図３に示されている。ＳＯＩフォトダイオード３０は、ｎ型シリコン基板３２と、埋込酸化物（ＢＯＸ）層３４と、ＢＯＸ層３４上に形成されたシリコン層３６と、シリコン層３６上に形成されたフィールド酸化膜層３８とを備えている。この実施形態では、シリコン層３６を処理する前（例えば、ＳＯＩウェーハの製造中）に、ｎ型シリコン基板３２中に垂直ｐｎ接合が形成される。特に、任意の適当なドーピング技術を使用してｎ型シリコン基板３２の上端領域をｐ＋ドープすることによりｐ＋領域４２が形成される。その後、ｐ＋領域４２上にＢＯＸ層３４とシリコン層３６とフィールド酸化膜層３８とが周知の方法で形成され、それにより、ＳＯＩ構造が形成される。ＳＯＩフォトダイオード３０のｐｎ接合は、ＳＯＩフォトダイオード１０のｐｎ接合よりも大きい面積を有しており、それにより、ＳＯＩフォトダイオード３０の入射光に対する感度を更に良くすることができる。この方法によって形成されるＳＯＩフォトダイオード３０は、ｐ＋領域４２を適切にパターニングすることにより、あるいは、ｎ型シリコン基板３２まで貫通してエッチングすることにより、隣接する回路から孤立（絶縁）させることができる。
【００１８】
ＳＯＩ構造中には、標準的なエッチング技術を使用してトレンチ４０が形成される。トレンチ４０は、ＳＯＩ構造を貫通してｐ＋領域４２に向かって下側に延びている。その後、周知の技術を使用してｐ＋金属コンタクト４４が形成される。このｐ＋金属コンタクト４４は、ｐ＋領域４２上に形成されるとともに、ＳＯＩ構造の両側に沿って且つフィールド酸化膜層３８の上面の一部にわたって形成される。図３に示されるように、ｐ＋金属コンタクト４４は、ＳＯＩフォトダイオード３０のフォトダイオード開口４６を形成する。また、ｐ＋金属コンタクト４４は、ｐ＋領域４２（すなわち、フォトダイオード３０のアノード）に対するコンタクトも形成している。ｎ型シリコン基板３２（すなわち、フォトダイオード３０のカソード）においては対応するコンタクト（図示せず）が設けられている。
【００１９】
ＳＯＩフォトダイオード３０のシリコン層３６は、光フィルタ（長い波長パス）として使用される。所定の波長を有する光は、フォトダイオード開口４６、シリコン層３６、ＢＯＸ層３４を通過して、ＳＯＩフォトダイオード３０のｎ型シリコン基板３２中に電子−空孔対（正孔対）（ＥＨＰ）を生成する。ＥＨＰは、その後、それらの対応するコンタクトによって集められ（電子がカソードコンタクト（図示せず）へ集められ、空孔がｐ＋金属コンタクト４４へと集められる）、これにより、電圧（開回路）または電流（閉回路）が生じる。電流の大きさは、生成されるＥＨＰの数に比例し、また、生成されるＥＨＰの数は、入射光の強度に比例する。ＳＯＩフォトダイオード１０に関して前述した方法と同様の方法でシリコン層３６をロングパスフィスタとして使用することにより、本発明のＳＯＩフォトダイオード３０において色識別が達成される。
【００２０】
ＳＯＩフォトダイオード１０，３０を横切る電荷を処理に適した電気量に変えるための第１の回路５０が図４に示されている。回路５０では、スイッチキャパシタ遅延素子Ｃｆを使用して、離散時間電荷読み取りが行なわれる。Ｖｂは、ＳＯＩフォトダイオード１０，３０に逆バイアスを保持させるソース電圧である。回路５０の動作には２つの段階がある。段階１では、スイッチΦ２が開かれ、スイッチΦ１が閉じられる。これにより、キャパシタＣＦが放電される。第２の段階では、スイッチΦ１が開かれ、スイッチΦ２が閉じられる。その結果、ＳＯＩフォトダイオード１０，３０に蓄積された電荷は、キャパシタＣＦへと移動されるとともに、方程式Ｖ０＝Ｑ／ＣＦ（Ｑは電荷）にしたがって出力電圧Ｖ０に変換される。このサイクルは必要に応じて繰り返されても良い。
【００２１】
ＳＯＩフォトダイオード１０，３０を横切る電荷を連続的に読み取ることにより、電流が電圧に変換されることになる。この目的のための簡単な回路６０が図５に示されている。この回路において、出力電圧Ｖ０は、Ｖ０＝Ｉ＊ＲＦに等しい。ここで、Ｉは、ＳＯＩフォトダイオード１０，３０からの電流である。
【００２２】
本発明の様々な態様についての前述した説明は、例示および説明の目的で与えられている。前述した説明は、本発明を網羅しようとするものではなく、あるいは、本発明を開示された際にその形態に限定しようとするものではなく、多くの変更および変形が可能である。当業者にとって明らかなそのような変更または変形は、添付の請求項によって規定される本発明の範囲内に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態にしたがって形成されたＳＯＩフォトダイオードの断面図である。
【図２】本発明に係る３つのＳＯＩフォトダイオードを備える光監視システムを示している。
【図３】本発明の他の実施形態にしたがって形成されたＳＯＩフォトダイオードの断面図である。
【図４】本発明のＳＯＩフォトダイオード両端間の電圧を処理に適した電気量に変えるための典型的な回路を示している。
【図５】本発明のＳＯＩフォトダイオード両端間の電圧を処理に適した電気量に変えるための典型的な回路を示している。
【符号の説明】
【００２４】
１０、３０  ＳＯＩフォトダイオード
１２、３２  ｎ型シリコン基板
１４、３４  埋込酸化物層
１６、３６  シリコン層
１８、３８  フィールド酸化膜層
２０、４０  トレンチ
２２、４２  ｐ＋領域
２４、４４  ｐ＋金属接点
２６、４６  フォトダイオード開口
５０  第１の回路
【図１】
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【図２】
2007506090.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2007506090.tif 000010
2007506090.tif 000011