硅光电器件以及利用该硅光电器件的图像输入/输出装置

摘要

一种硅光电器件和使用该器件的图像输入/输出装置。该器件包含有一个或多级晶体管的光电器件部分和在该光电器件部分的一个侧面上形成并公用衬底的开关部分，该开关部分用于在光电器件部分中选择性地产生光的发射和接收。光电器件部分包含：与n－型或p－型衬底相反类型的超浅掺杂区，其中由于量子抑制效应在掺杂区和衬底之间的p－n结处产生光的发射和接收；及在衬底的背面上形成的一或多个半导体材料区，至少一部分半导体材料区与掺杂区形成叠置结构。具有用于执行开关切换和/或放大功能的内置电路的硅光电器件能够选择性地产生光的发射和接收而不必使用任何一种外围放大电路和开关电路、易于控制发光和光接收的持续时间、并可连续制造。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅光电器件以及利用该硅光电器件的图像输入/输出装置，更具体地，本发明涉及一种能够发射并接收光的硅光电器件以及利用该硅光电器件以便在逐个像素的基础上输入/输出图像信号的图像输入/输出装置。

背景技术

利用硅半导体衬底的一个优点是硅半导体衬底能够在衬底之中集成逻辑元件、运算元件和驱动元件中确保优良的可靠性和高集成度。硅半导体衬底的另一个优点是由于硅的低价格、因此硅半导体衬底与化合物半导体相比能够以更低的成本获得高档的集成电路。这就是为什么大多数集成电路采用硅(Si)作为基底材料的原因。

因为硅具有使光发射困难的间接跃迁(transition)能带带隙，因此通常采用具有直接跃迁能带带隙并提供优良发光特性的化合物半导体材料来制造发光器件例如LED。

只有当施加超过预定阈值的电流时，这些发光器件才会发射光。因此，为了提供适合电平下的电流，每一个发光器件都需要一个放大电路和/或一个开关电路。放大电路将小电流放大至使发光器件产生振荡的电平并且开关电路控制光发射的开/关操作。

由于混合式结，在半导体制造工艺中集成制造具有由硅制造的放大电路和/或开关电路并由化合物半导体材料制造的发光器件是不切实际的。因此，必须建立在由化合物半导体材料制造的发光器件之外的单独工艺中制造的放大电路和/或开关电路。

然而，由于在外围电源线中的电抗和寄生电容效应，因此在发光元件之外提供单独制造的放大电路就难于实现高速开关。

此外，当使用由化合物半导体材料制造的发光元件阵列作为显示器件，例如必须在每个发光元件之外提供开关电路时，那么就在逐个像素的基础上产生光发射。然而，这就难于控制在逐个像素的基础上的用作光发射的电流的接通和关断时间，其防碍对发光持续时间的控制。

同时，为了对所需物体照相并将它的照片传输到其它方以及在监视器上显示从其它方发送的图像，考虑到Internet(互连网)上的通信和移动电话的使用，就存在渐增的需求。

为了满足这些渐增的需求，如图1所示，已经非常普及地安装了计算机系统中的除了用于显示图像的监视器1之外的单独的照相机2，其使操作者能对所需物体照相并将它的照片转送到其它方。在图1中，附图标记3和4分别表示主机和用于输入字符的键盘。

由于常规的显示器例如典型的计算机显示器只能显示图像，因此为了与其它方进行可视通信，就需要单独的照相机来通过操作者对所需的物体照相。

为了给他自己/她自己照相并不防碍在显示器上观看该图像，操作者必须远离显示器安置照相机。这就产生一个问题，其中就不能给在显示器上正前方观看图像的操作者进行照相，降低了交互式可视通信中的逼真性。

发明内容

本发明提供一种在硅基底衬底上形成所述的硅光电器件，并且其具有用于执行开关和/或放大功能的内置电路，以便可以选择性地进行光的发射和接收、易于控制光的发射和接收的持续时间并可在连续的半导体制造工艺中进行制造。

本发明还提供一种使用能够用于每个象素的光发射和光接收的硅光电器件阵列的图像输入/输出装置。图像输入/输出装置能够在单一屏上显示图像、通过给所需物体照相并能观察显示的图像来产生电图像信号、或者将光信息直接输入显示屏，由此实现双向信息传输。

根据本发明的一个方面，提供一种硅光电器件，包括：n-型或p-型硅基底衬底；光电器件部分，包含在衬底的一部分上以预定的与衬底相反类型的杂质超浅掺杂以便产生光的发射和接收的掺杂区和在衬底的背面的一部分上形成的半导体材料区，半导体材料区具有与衬底相反的导电类型由此形成叠置结构和掺杂区，由此光电器件具有内置的一级晶体管(one-steptransistor)；在光电器件部分的一个侧面上形成并公用衬底的开关部分，用于在光电器件部分选择性地产生光的发射和接收；以及电极结构，将用于控制光的发射和接收的电信号和/或电源输入到光电器件部分和开关部分和/或输出光接收信号。

这里，电极结构包括：当位于具有叠置结构的光电器件部分最外侧部分处的半导体材料区是第一半导体材料区，并且靠近第一半导体材料区内侧的半导体材料区是第二半导体材料区时，第一控制极电连接到第二半导体材料区；第一控制极电连接到掺杂区；并且第二控制极电连接到第二半导体材料区。

其中电极结构还包括：绝缘膜、高阻材料层和第二半导体材料区，绝缘膜形成在第二半导体材料区的一部分上，第一控制极形成在高阻材料层上，高阻材料层形成在绝缘膜和第二半导体材料区上，其中第一控制极通过绝缘膜与狭窄区域上的第二半导体材料区电连接、高阻材料层形成在第一控制极和第二半导体材料区之间。

此外，本发明提供硅光电器件的另一个实施例，该硅光电器件包括：n-型或p-型硅基底衬底；光电器件部分，包含在衬底的一部分上以预定的与衬底相反类型的杂质超浅掺杂以便产生光的发射和接收的掺杂区和在衬底的背面的一部分上形成的半导体材料区，其中半导体材料区具有与衬底相反的导电类型由此与掺杂区形成叠置结构，由此光电器件具有内置的一级晶体管；在光电器件部分的一个侧面上形成并公用衬底的开关部分，用于在光电器件部分中选择性地产生光的发射和接收；以及电极结构，其将用于控制光的发射和接收的电信号和/或电源输入到光电器件部分和开关部分并输出光接收信号。

这里，开关部分具有金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)结构，并且电极结构还包含所有都在开关部分上设置的第二控制极以及第三和第四控制极。此外，第三电极或第四电极其中之一可以电连接到掺杂区。

作为一种替换，开关部分可以具有双极结型晶体管结构，并且电极结构还包含在开关部分中设置的基极电极、发射极电极和集电极电极。

这里，可以通过掺杂在衬底上形成基极、通过掺杂在基极上形成发射极并通过掺杂在基极的一个侧面上形成集电极来形成开关部分。

在此情况下，希望集电极一个侧面上的基极和发射极的边界之间的间隙足够窄。

根据本发明的另一个方面，提供一种具有由多个硅光电器件组成能够输入并输出图像的在n-型或p-型硅基底衬底上以二维阵列排列的硅光电器件屏的图像输入/输出装置。每一个硅光电器件包含：光电器件部分，包含在衬底的一部分上以预定的与衬底相反类型的杂质超浅掺杂以产生光的发射和接收的掺杂区和在衬底的背面上形成的多个半导体材料区，半导体材料区的至少一部分半导体材料区与掺杂区形成叠置结构，靠近衬底的半导体材料区具有与衬底相反的导电类型并且邻近的半导体材料区彼此具有彼此相反的导电类型以便光电器件具有内置的两个或多级晶体管；在光电器件部分的一个侧面上形成并公用衬底的开关部分，用于在光电器件部分中选择性地产生光的发射和接收；以及将用于控制将光的发射和接收的电信号和/或电源输入到光电器件部分和开关部分和/或输出光接收信号的电极结构，由此能够通过相同的硅光电器件输入并输出图像。形成电极图案以便能够在逐个像素的基础上选择性地将图像输入到硅光电器件屏并从硅光电器件屏中输出图像。

可选地，本发明提供具有由多个硅光电器件组成、能够输入并输出图像的在n-型或p-型硅基底衬底上以二维阵列排列的硅光电器件屏的图像输入/输出装置的另一个实施例。每一个硅光电器件包含：具有内置的一级晶体管的光电器件部分；在光电器件部分的一个侧面形成并公用衬底的开关部分，用于在光电器件部分中选择性地产生光的发射和接收；以及将用于控制将光的发射和接收的电信号和/或电源输入到光电器件部分和开关部分和/或输出光接收信号，由此能够通过相同的硅光电器件输入并输出图像的电极结构。这里，光电器件部分包含在衬底的一部分上以预定的与衬底相反类型的杂质超浅掺杂以便产生光的发射和接收的掺杂区以及在衬底的背面上形成的半导体材料区，半导体材料区具有与衬底相反的导电类型并由此与掺杂区形成叠置结构以便光电器件具有内置的一级晶体管。形成电极图案以便能够在逐个像素的基础上选择性地将图像输入到硅光电器件屏并从硅光电器件屏中输出图像。

这里，在硅光电器件屏中，可以设置对于每个象素的用于发射并接收光的三个或多个硅光电器件。在此情况下，希望设计对应于每个象素的三个或多个硅光电器件以便发射和/或接收用于表示彩色图像的不同波长的光。

此装置还包含用于在硅光电器件屏的正面上显示特定彩色图像的滤色器。此外，此装置还用于数字电视，其中光遥控器用于将信息输入到显示屏或选择显示屏上的菜单。

附图说明

通过参考附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的上述目的和优点将变得更加明显，其中：

图1简要示出典型的计算机系统；

图2示出根据本发明的第一实施例的硅光电器件及其外围驱动电路；

图3示出当利用非均匀扩散将图2的掺杂区形成为超浅深度时的p-n结中形成的纵向和横向量子阱(QW′)的能带；

图4示出图2中所示的光电器件部分的等效结构；

图5示出图2中所示的光电器件部分的等效电路；

图6示出用于图2中所示的具有内置两级晶体管的光电器件部分的等效符号表示；

图7示出图2硅光电器件的等效符号表示和用于驱动硅光电器件的外围驱动电路；

图8是说明图2的硅光电器件工作的时序图；

图9简要示出根据本发明的第二实施例的硅光电器件；

图10简要示出根据本发明的第三实施例的硅光电器件；

图11示出图10中所示的光电器件部分的等效电路；

图12示出根据本发明的第四实施例的硅光电器件及其外围驱动电路；

图13是图12的硅光电器件的等效电路图；

图14简要示出根据本发明的第一实施例的图像输入/输出装置；

图15是简要示出根据本发明的第二实施例的图像输入/输出装置的分解透视图；

图16是简要示出图5中所示的滤色器结构的平面图；

图17简要示出根据本发明的第三实施例的图像输入/输出装置；

图18示出根据本发明的实施例用作数字电视的图像输入/输出装置。

具体实施方式

参照图2，根据本发明的第一实施例的硅光电器件10包含：n-型或p-型硅基底衬底11；光电器件部分20，用于产生光的发射和接收；在光电器件部分20的一个侧面形成的、与光电器件部分20共用衬底11的开关部分30，用于选择性地产生光的发射和接收；以及电极结构，将用于控制光的发射和接收的电信号和/或电源输入到光电器件部分20和开关部分30并输出光接收信号。

衬底11是由含有硅(Si)例如Si、碳化硅(SiC)或金刚石并且由n-型或p-型材料掺杂的预定半导体材料构成的硅基半导体衬底。

光电器件部分20由与衬底11的相反导电类型的超浅掺杂区25和在衬底11的背面形成的多个半导体材料区21和23组成，浅掺杂区25形成在衬底11的一部分上，半导体材料区21和23的至少一部分半导体材料区与掺杂区25形成叠置结构(由图2中的虚线表示的部分A)。光电器件部分20构成为具有内置的两个或多级晶体管。

通过非均衡扩散或注入工艺注入预定的杂质来形成掺杂区25以便产生并接收光。

例如，通过非均衡扩散、通过控制膜的开口(未示出)将预定杂质例如硼或磷注入衬底11中来形成与衬底11相反掺杂类型例如p+-型的掺杂区25。

即，如果由n-型掺杂衬底11，那么掺杂区25就由p+-型掺杂。另一方面，如果由p-型掺杂衬底11，那么掺杂区25就由n+-型掺杂。

这里，当形成掺杂区25时控制膜作为掩膜，以便掺杂区25在衬底11上形成为所需的超浅厚度。在已经形成如图2所示的掺杂区25之后，可以从衬底11去除控制膜或在衬底11的一部分上保留控制膜。

优选地，在掺杂工艺期间，掺杂区形成为超浅深度以便由于量子抑制效应、光电转换效应即电子-空穴对产生和湮灭能够产生高量子效率。通过在衬底11和掺杂区25之间的p-n结24处形成至少一个量子阱、量子点和量子线来实现这种量子抑制效应。

这里，可以在p-n结24中形成量子阱、量子点或量子线(大多数为量子阱)。在p-n结24处可以形成由两种类型或多种类型的量子阱、量子点或量子线组成的多种结构。为了简化描述，以下将描述仅在p-n结24中的量子阱的形成。然而，此处的量子阱意味着量子阱、量子点或量子线中的至少一种。

图3示出通过非均衡扩散将掺杂区2 5形成为超浅深度时的p-n结24中形成的纵向和横向量子阱(QW’)的能带。在图3中，E_c、E_v、E_f分别表示导带、价带和费米能级。由于在半导体技术领域中能级是众所周知的，所以将省略它的详细描述。

如图2的放大部分所示，p-n结24具有量子阱结构，其中交替形成相反导电类型的掺杂部分。这里，阱和阻挡层分别为大约2nm和3nm宽。

可以通过控制最佳的控制膜厚度和扩散工艺条件来形成具有量子阱的超浅p-n结。

例如，可以通过扩散工艺期间适合的扩散温度和衬底11表面的变更电位(deformed potential)来将扩散剖面的厚度调整为10-20nm。通过由此形成的超浅扩散剖面来产生量子阱系统。这里，根据控制膜的初始厚度和表面预处理来确定衬底11表面的电位变更。该电位决定于制造工艺的进行。

优选地，控制膜为具有适合于将掺杂区25形成为超浅深度的厚度的氧化硅(SiO₂)层。可以通过在衬底11的一个表面上形成氧化硅层然后利用光刻工艺蚀刻用于进行扩散的开口、以掩膜结构方式来形成控制膜。

正如扩散技术中所公知，当氧化硅膜大于适合的厚度(例如几千埃)、或扩散温度较低时，空位主要影响扩散，由此出现深扩散。当氧化硅膜低于适合的厚度或扩散温度高时，Si自填隙主要影响扩散，由此出现深扩散。因此，当氧化硅膜形成为适合厚度以相同速率产生Si自填隙和空位时，Si自填隙和空位结合在一起以便阻碍杂质扩散，由此构成浅掺杂。这里，由于在扩散技术领域中公知空位和Si自填隙的物理特性，所以将省略它的详细描述。

因为在掺杂区25和衬底11之间的p-n结24处形成其中产生电子-空穴对产生和湮灭的量子阱，因此根据本发明第一实施例的硅光电器件10进行如上所述的光的发射和接收。

即，如果在光电器件部分20上提供驱动电流，那么作为电子和空穴两者的载流子就注入p-n结24中的量子阱并在量子阱中在亚带能带下复合(湮灭)。在此情况下，根据其中载流子复合的状态产生不同波长的电致发光(EL)，并且发射的光量随提供的驱动电流的量而改变。

因此，当在光电器件部分20上入射光时，入射光中的光子就被具有量子阱结构的p-n结24吸收，以便产生电子和空穴对，并且在亚带能级下激发p-n结24中形成的量子阱中的电子和空穴。因此，如图2所示，当负载电阻R与输出端相连时，输出与辐射光量成比例地信号Vout。

在此情况下，在光电器件部分20处的吸收波长和发射波长取决于因衬底11中的微缺陷(实际为掺杂区25的表面上)产生的微孔(micro-cavity)。因此，通过在制造工艺期间调整微孔的尺寸就可以获得具有所需的吸收波长和发射波长范围的硅光电器件10。

这里，当因衬底11表面上的微缺陷产生的微孔的谐振波长相匹配时，就可以放大并提高电致发光(EL)的强度和吸收率。

因此，通过在制造工艺期间调整微孔的尺寸，根据本发明第一实施例的硅光电器件10就可以发射并接收特定波长的光。形成不同微孔尺寸就能够使硅光电器件10发射并吸收白光。就是说，如果微孔具有同一尺寸，那么硅光电器件10就发射并吸收特定波长的光例如红光、绿光或蓝光。另一方面，如果它们具有不同尺寸，那么硅光电器件10就发射并吸收不同波长的光即自光。

根据本发明的硅光电器件10可以发射并吸收具有最短波长至最长波长(例如，从紫外(UV)至红外(IR)的范围)光谱的光。这就能够使硅光电器件10发射并吸收白光。

这里，由于在掺杂区25的表面上形成的微缺陷，由变更电位引起微孔。因此，可以调整确定微孔尺寸的变更电位以便使量子阱变更。通过调整微孔的尺寸，就可以发射并吸收具有所需波长例如红光、绿光或蓝光、或白光的光。

由于因掺杂区25的p-n结24处的电荷分布的电位的局部变化而发生量子抑制效应以及在量子阱中形成亚能级，所以具有如上所述的超浅掺杂区25的硅光电器件10具有高量子效率。

多个半导体材料区21和23包含位于具有叠置结构的部分A的最外侧的第一半导体材料区21和邻近第一半导体材料区21的内侧的第二半导体材料区23。

图2示出了一个实例，其中因为多个半导体材料区21和23由第一和第二半导体材料区21和23组成，所以硅光电器件10的光电器件部分20具有两级晶体管。这里，光电器件部分20具有内置的两个或多级晶体管。

可以通过将杂质注入与掺杂区25相比更大的深度，在衬底11的背面形成第一和第二半导体材料区21和23。例如可以在衬底11的背面上通过注入使衬底11反型的杂质、利用典型的扩散、通过扩散使杂质扩散比掺杂区25更深来形成第二半导体材料区23。然后，在第二半导体材料区23的一部分上通过注入使第二半导体材料区23反型的掺杂、利用相同的用于形成第二半导体材料区23的扩散工艺来形成第一半导体材料区21。还可以利用注入方法通过注入杂质来形成第一和/或第二半导体材料区21和23。

图2示出了一个实例，其中横贯衬底11的整个背面形成第二半导体材料区23，并且形成隔离凹槽17，用于保证位于光电器件部分20一个侧面的第二半导体材料区23与开关部分30一个侧面上的第二半导体材料区23之间的电隔离。

这里，可以通过在衬底11的背面上淀积与衬底11的导电类型相反的导电类型的半导体材料例如p-型半导体材料来形成第二半导体材料区23。在此情况下，可以通过蚀刻第二半导体材料区23的一部分并将n-型半导体材料淀积到蚀刻的部分中、或通过将与第二半导体材料区23的导电类型相反的导电类型的杂质注入到第二半导体材料区23的一部分中的任何一种方法来形成第一半导体材料区21。

电极结构包含电连接到光电器件部分20的第一控制极29、第一和第二电极22和27、电连接到开关部分30的第二控制极35、以及第三和第四电极37和39。图2中的参考数字22表示用于将第一电极22与外围驱动电路40的电阻R电连接的接触电极。

当第一半导体材料区21位于具有光电器件部分20中的叠置结构的部分A的最外侧、且第二半导体材料区23邻近第一半导体材料区21的内侧时，构成第一控制极29和第二电极27以便分别电连接到第二和第一半导体材料区23和21。可以由不透明的电极金属形成第二电极27和第一控制极29。

形成第一电极22以便电连接到掺杂区25。优选由透明电极材料例如氧化铟锡(ITO)形成第一电极25以便覆盖掺杂区25。可选择性地，可以环绕用于输入并输出光的窗口区、由不透明电极金属来形成第一电极22。

在根据本发明第一实施例的上述结构的硅光电器件10的光电器件部分20中，如果衬底11由n-型掺杂，那么掺杂区25、第二半导体材料区23和第一半导体材料区21就分别由p-型、p-型和n-型掺杂。在此情况下，第一和第二电极22和27分别作为阳极和阴极。

当衬底11、掺杂区25以及第一和第二半导体材料区21和23具有图2所示的导电类型时，如图4和5所示，掺杂区25、衬底11和第二半导体材料区23就形成pnp晶体管结构25，而衬底11、第二半导体材料区23和第一半导体材料区21就形成npn晶体管结构27。图4和5分别示出了根据图2的本发明的第一实施例的硅光电器件的等效结构和等效电路。

正如图4和5的等效结构和等效电路中所示，由掺杂区25、衬底11以及第一和第二半导体材料区21和23组成的光电器件部分20具有内置的两级晶体管。

在另一方面，如果衬底11掺杂为p-型，因此，掺杂区25以及第一和第二半导体材料区21和23就掺杂为与上述出现的导电类型相反的导电类型。在此情况下，掺杂区25、衬底11和第二半导体材料区23就形成npn晶体管结构，而衬底11、第二半导体材料区23和第一半导体材料区21就形成pnp晶体管结构。第一和第二电极22和27分别作为阴极和阳极，并且第一控制极29作为第一控制极G1。

集成上述结构的两级晶体管的光电器件部分20可以放大通过第一控制极G1提供的微电流而关断反向电流的流动、在p-n结24处根据通过第一控制极G1提供的电流量来调整发光量、并起动或关断光的发射。此外，如图6所示，构成光电器件部分20以便进一步将开关添加到用于放大电流的二极管。图6示出了具有上述结构的两级晶体管的光电器件部分20的等效符号表示。

开关部分30将电源选择性地提供到光电器件部分20，以便选择性地产生光的发射和接收。当需要光发射时开关部分30就将电源提供到光电器件部分20、并且当需要光接收时开关部分30就关断电源以防止电源被提供到光电器件部分20。

图2示出了一个实例，其中根据本发明第一实施例的硅光电器件10包含具有两级晶体管的光电器件部分20和具有金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)结构的开关部分30。这里，MOSFET是场效应晶体管的一种类型，其中控制极通过薄氧化硅(SiO₂)层与形成电流通路的半导体层绝缘。

例如，在MOSFET结构的开关部分30中，一对p+-型半导体材料部分31和33彼此分离并嵌入n-型衬底11，在衬底11之上形成薄氧化硅层15。为了获得所需的电绝缘，如图2中所示，优选在除了衬底11上用于电接触和光的发射和接收的区域之外的衬底11的整个表面之上形成氧化硅层15。

分别在p+-型半导体材料区31和33上形成第三和第四电极37和39。形成第四电极39以便电接触光电器件部分20的第一电极22由此电连接到掺杂区25。第三和第四电极37和39分别作为源极S和漏极D。在第三和第四电极37和39之间的氧化硅层15上形成第二控制极35以便根据提供到第二控制极G2的电源的出现来控制源极S和漏极D之间的电流通路的接通和关断。

上述MOSFET结构的开关部分30根据提供到第二控制极G2的电压的出现来控制源极S和漏极D之间的电流通路的接通和关断，由此在光电器件部分20中选择性地产生光的发射和接收。

图7示出了根据本发明第一实施例的图2的硅光电器件10的等效符号表示和用于驱动硅光电器件10的外围驱动电路40。

如图7所示，构成硅光电器件10以便将开关添加给二极管，用于关断反向电流的流动并作为一个开关，由此选择性地将电源提供给光电器件部分20。

当反向电流提供给第一和第二电极22和27时，反向电流并不在上述图7的硅光电器件10中流动。

因此，建立外围驱动电路40的电源41以便当信号输入到第二控制极G2时就会在第一和第二电极22和27间施加正向电压。

现在将描述上述的根据本发明第一实施例的硅光电器件10的工作。

参照图8，当在第一和第二电极22和27间施加正向电压、同时信号输入到第一控制极(gate)G1时，根据本发明第一实施例的硅光电器件10作为发光元件。当在第一和第二电极22和27间没有施加电压、同时信号输入到第一控制极G1时，硅光电器件10就作为光接收元件。

更具体地，当第一控制极G1没有接通，硅光电器件10既不作为发光元件工作也不作为光接收元件工作而与第二控制极G2的开/关(on/off)状态无关。就是说，如果没有信号输入到第一控制极29，那么根据本发明第一实施例的硅光电器件10就不作为光电器件工作而不管信号是否被输入到第二控制极35。

当第一控制极G1接通时，根据本发明第一实施例的硅光电器件10就作为发光元件或光接收元件工作。

当第一和第二控制极G1和G2接通时，在开关部分30的第三和第四电极37和39之间形成电流通路。然后，电源电流通过开关部分30流入到光电器件部分20，并且硅光电器件10就发光。

当第一和第二控制极G1和G2分别接通和关断时，由于在开关部分30的第三和第四电极37和39之间没有形成电流通路，电源电流就发生关断并且硅光电器件10就处于能够执行光接收的状态。因此，在此状态下，当外界的光入射到掺杂区25上时，就通过p-n结24处光的吸收而产生的电子-空穴对来产生、放大并输出与入射光量成正比的电流。

因为在第一和第二电极22和27之间连接有负载电阻R，所以当硅光电器件10作为光接收元件工作时，它就输出信号Vout。

同时，当电流提供到第一控制极29时，第一和第二电极22和27即阳极和阴极之间的电压就提高。就存在阳极和阴极之间称之为击穿电压的电压，当特定的电压提供到第一控制极29时，显著的电流就会突然穿过根据本发明第一实施例的硅光电器件10。

如果由于阳极和阴极之间的电压超过击穿电压，电流提供到第一控制极29，那么阴极和阳极就传导以提供根据本发明第一实施例的硅光电器件10所需的电流以便执行发光。因此，由于通过p-n结24处的量子抑制效应而引起的电子-空穴对的湮灭，提供非常小的电流到第一控制极29就会在集成了两个或多级晶体管的硅光电器件10中产生发光。

由于根据本发明第一实施例的硅光电器件10在第一控制极G1电流(通过第一控制极29提供的电流)关断时不工作，为了在根据本发明的硅光电器件10中中断光的发射和接收，所以可关断第一控制极G1电流。

就是说，如果关断正接通发光的第一控制极G1电流，那么就会关断光发射。因此，当第二控制极G2接通时通过接通或关断第一控制极G1就能接通或关断光发射。因此，如果关断正接通接收的第一控制极G1电流、即分别接通并关断第一和第二控制极G1和G2，那么光接收就变为关断。

当关断第一控制极G1信号时，如图8所示，根据本发明第一实施例的硅光电器件10就处于系统关断(off)状态，其中即使提供第二控制极G2信号(通过第二控制极35提供信号)无论光的发射或光的接收都不会发生。

此外，如果执行光接收的同时没有输入第二控制极G2信号、而提供第一控制极G1电流时，如果输入具有第一控制极G1电流的第二控制极G2信号，那么根据本发明第一实施例的硅光电器件10就发光。

因此，通过按需要将方波控制脉冲添加到第一控制极G1电流以及将电源开关控制脉冲提供到第二控制极G2，就能够控制硅光电器件10中的光的发射和接收之间的发光开关的开/关(on/off)状态和光的发射或光的接收的持续时间。

在此情况下，因为根据本发明第一实施例的具有两级晶体管的硅光电器件10能够放大电流，所以由于具有较小第一控制极G1电流的p-n结24处的量子抑制效应、当放大并输出由两级晶体管放大所检测的小幅度信号时，硅光电器件10就产生发光。

此外，通过控制第一和第二控制极G1和G2信号，根据本发明的硅光电器件10就能调整光的发射和接收的持续时间。在此情况下，第一控制极G1电流作为使硅光电器件10的系统接通或关断的开关的触发信号。

这里，当电流提供到第一控制极29，电流就流入npn晶体管结构，其使pnp晶体管的基极电流流过产生光的发射和接收的p-n结24。

此外，由于当第一和第二控制极G1和G2接通时产生发光、而当第一和第二控制极G1和G2中的任何一个关断时终止发光，因此根据本发明第一实施例的硅光电器件10就可以维持所需的发光的持续时间。此外，当第一控制极G1接通且第二控制极G2由关断(off)状态切换为接通(接通)(on)状态以便从光接收切换为发光时、或者当第一控制极G1关断时，就终止光接收，由此硅光电器件10就维持所需的光接收的持续时间。

通过利用方波脉冲来调整提供到第一和第二控制极29和35的信号，就能够在根据本发明第一实施例的硅光电器件10中控制光的发射和接收并且在光的发射和接收之间进行切换。此外，通过调整方波脉冲的周期，就能够维持所需的光的发射和接收的持续时间。

图9简要示出了根据本发明第二实施例的硅光电器件50，其具有厚膜电阻类型的第一控制极结构51。这里，与图2中的相同或相似功能的元件表示为相同的参考数字，并且将省略其详细的描述。

参照图9，厚膜电阻类型的第一控制极结构51包含：绝缘膜53，形成在第二半导体材料区23的一部分上，例如形成本发明第一实施例中的第一控制极29处的区域的一部分；电阻材料层55，形成在绝缘膜53和第二半导体区23上；以及第一控制极59，形成在电阻材料层55上，以便与设置在第一控制极59和第二半导体材料区23之间的电阻材料层55电连接，通过绝缘膜53与狭窄区域上的第二半导体材料区23电连接。第一控制极59具有基本上与本发明第一实施例中的第一控制极29相同的功能。

如果电阻材料层55的长度、宽度、厚度和电阻率为l、w、t和ρs，那么电阻材料层55的电阻RL就是RL＝(1ρs)/(wt)。因此，通过选择电阻材料层55的长度、宽度、厚度和用于电阻材料层55的适合材料(改变材料与材料间的电阻率)，就可以获得所需的电阻材料层55电阻值。

典型地，将外电阻插入用于驱动光电器件的电路中以便防止由于过流产生的光电器件的误操作。厚膜电阻类型的其中已经埋入了电阻的第一控制极结构51消除了插入外电阻来防止误操作的需要。

虽然迄今为止已经参照具有两级晶体管的硅光电器件来展示并描述了本发明，但本发明并不限于此结构。就是说，根据本发明的硅光电器件可以具有内置的两个或多级的晶体管。可选择性地，正如此后的本发明第三实施例中所述，硅光电器件具有内置的一级晶体管。

图10简要示出了根据本发明第三实施例的硅光电器件70。

参照图10，根据本发明第三实施例的硅光电器件70具有其构成集成有一级晶体管的光电器件部分80。这里，具有基本上与图2中的相同功能的元件表示为相同的参考数字，并且将省略它的详细描述。

在本发明的第三实施例中，光电器件部分80包含：与衬底11相反类型的超浅掺杂区25，形成在衬底11的由于p-n结24处通过量子抑制效应引起的电子-空穴对湮灭而产生发光的一部分上；与衬底11相反类型的半导体材料区85，形成在衬底11的背面上；电连接到掺杂区25的第一电极22，电连接到半导体材料区85的第二电极87，以及电连接到衬底11的第一控制极89。这里，第二电极87和第一控制极89分别对应于图2中的第二电极27和第一控制极29。

如图11中所示其等效电路的光电器件部分80具有内置的一级晶体管。

可以在衬底11的背面的一部分上通过将杂质注入与掺杂区25相比更大的深度来形成半导体材料区85。例如，可以在衬底11的背面通过注入使衬底11反型的杂质、利用典型的扩散、通过扩散使杂质比掺杂区25更深地扩散进入半导体材料区85来形成半导体材料区85。这里，还可以通过使用注入方法注入杂质来形成半导体材料区85。

这里，可以通过蚀刻衬底11背面的一部分并将与衬底11相反导电类型的半导体材料例如p-型半导体材料淀积到蚀刻的部分中来形成半导体材料区85。

在根据本发明第三实施例的上述结构的硅光电器件70中，如果由n-型材料掺杂衬底11，那么就由p-型掺杂掺杂区25和半导体材料区85，由此形成如图11中所示的pnp晶体管结构81。

当掺杂区25、衬底11和半导体材料区85形成pnp晶体管结构81时，根据本发明第三实施例的硅光电器件70优选使用掺杂区25、半导体材料区85和衬底11分别作为集电极、发射极和基极，作为基极接地电路或发射极接地电路工作。在此情况下，对应于衬底11的结构81的中心处的n-型层最好很薄。

当掺杂区25、半导体材料区85和衬底11分别作为集电极、发射极和基极时，如上所述，电连接到掺杂区25、半导体材料区85和衬底11的第一电极22、第二电极87和第一控制极89就分别作为集电极电极、发射极电极和基极电极。

另一方面，如果由p-型材料掺杂衬底11并且由与上述相反的导电类型掺杂掺杂区25和半导体材料区85，由此掺杂区25、衬底11和半导体材料区85就形成npn晶体管结构。

当在发射极和基极之间并且在集电极和基极之间施加正向电压时，根据如上所述本发明第三实施例的上述硅光电器件70中的一级晶体管结构81作为脉冲开关电路工作。

当在发射极和基极之间并且在集电极和基极之间施加反向电压时，一级晶体管结构81也作为脉冲开关电路工作。

根据本发明第三实施例的具有内置的一级晶体管的硅光电器件70依据以下原理作为发光元件或光接收元件工作。

在根据本发明第三实施例的硅光电器件70的发射极和基极之间并且在集电极和基极之间施加正向电压或反向电压，就会由于在p-n结24处由量子抑制效应能产生光的发射和接收，同时控制光的发射或光的接收的开/关(on/off)状态。

此外，当分别在发射极和基极之间并且在集电极和基极之间施加正向电压和反向电压时，根据本发明第三实施例的上述硅光电器件70中的一级晶体管结构81提供单级放大。

因此，如果分别在发射极和基极之间并且在集电极和基极之间施加正向电压和反向电压，当第一和第二控制极G1和G2接通时，即使当第一控制极G1关断、第二控制极G2关断时，当施加的小幅度值、提供到第一控制极G1电流信号同时被放大并输出光检测器上检测的信号时，根据本发明第三实施例的硅光电器件70也能在p-n结24处产生发光。

当掺杂区25、衬底11和半导体材料区85形成pnp晶体管结构时，根据本发明第三实施例的硅光电器件70还提供单级放大和脉冲开关功能。

如上所述，内置到根据本发明的硅光电器件70的一级或多级晶体管结构作为能够选择放大、开关和状态(其中电流流动或终止流动)保持功能的至少一种功能的内置的有源元件，由此驱动发光元件和光接收元件。

图12示出了根据本发明第四实施例的硅光电器件90及其外围驱动电路110，并且图13示出了它的等效电路图。参照图12和13，根据本发明第四实施例的硅光电器件90的特征在于包含具有双极结型晶体管(bipolarjunction transistor)结构的开关部分100。这里，具有基本上与图2中的相同功能的元件表示为相同的参考数字，并且将省略它的详细描述。

这里，设计双极结型晶体管以便利用基极电流来控制载流子从发射极103流向集电极105。根据pn结的形成方法分类的双极结型晶体管的三种类型为：合金晶体管，生长结晶体管和扩散晶体管。

图12示出了一个实例，其中开关部分100通过扩散工艺构成为具有平面结构。当应用扩散方法，通过与形成掺杂区25的相同表面上掺杂来形成n+-型基极101、通过掺杂在基极101上形成p+-型发射极103、然后通过掺杂在衬底101上形成p+-型集电极105以便集电极105与基极101隔离，就能够制造具有pnp结构的开关部分100。这里，可以将开关部分100制造为npn结构。

在此情况下，优选形成发射极103其具有明显小于基极101的杂质浓度，并且基极101的宽度w足够小以便大多数的载流子到达集电极105。这里w表示基极101和发射极103的边界之间的间隙。

如果开关部分100是pnp结构的双极结型晶体管，如图12中所示，空穴就作为载流子。相反，如果开关部分100是npn结构的双极结型晶体管，那么电子就作为载流子。

同时，在基极101、发射极103和集电极105上分别形成基极电极107、发射极电极108和集电极电极109。形成集电极电极109以便接触光电器件部分20的第一电极22并由此电连接到掺杂区25。

利用基极电极107作为第二控制极G2。为了在根据本发明第四实施例的硅光电器件90中产生发光，电压信号输入到第二控制极G2。

就是说，图12中所示的开关部分100设计为电压驱动的pnp双极结型晶体管，以便提供用于切换通过第二控制极G2即基极电极107输入的发光电源的触发信号。

根据本发明第四实施例的上述包含双极结型晶体管结构的开关部分100的硅光电器件90能选择性地产生光的发射和接收。

控制上述结构的具有双极结型晶体管结构的硅光电器件90的光的发射和接收、光的发射和接收之间的切换和它的持续时间的原理，类似于参照图2所述的根据本发明第一实施例的硅光电器件10的原理。

就是说，当第一控制极G1关断时，无论第二控制极G2的开/关(on/off)状态如何、硅光电器件90都不执行光的发射和接收。当第一和第二控制极G1和G2接通时，载流子就从发射极103移动到集电极105，然后电源电流流向光电器件部分20，其引起在掺杂区25的p-n结24处产生发光。因此，通过将第一控制极G1接通或关断同时使第二控制极G2保持接通(on)状态，就可以接通或中断发光。当第二控制极G2关断而第一控制极G1接通时，硅光电器件执行光的接收。

因为控制上述结构的硅光电器件90中的光的发射和接收、光的发射和接收之间的切换和它的持续时间的原理类似于参照图2所述的根据本发明第一实施例的控制原理，所以将省略它的详细描述。

虽然图12已经示出了根据本发明第四实施例的硅光电器件90的一个实例，其包含已经内置了两级放大晶体管的光电器件部分20，在硅光电器件90中的光电器件部分20的结构并不限于这种结构。就是说，可能具有双极结型晶体管结构和集成有两级或多级的放大晶体管的光电器件部分的开关部分。而且，开关部分具有双极结型晶体管结构，并且如本发明第二实施例所述，可以形成光电器件部分，其具有内置的一级的放大晶体管。此外，可能包含替代第一控制极29的在本发明第三实施例中所述的厚膜型的第一控制极结构51。

由于图12中所示的开关部分100仅仅作为双极结型晶体管的详细结构的一个实例，因此可以对开关部分100和用于驱动具有开关部分100的硅光电器件90的外围驱动电流110的细节进行各种改变。

根据本发明实施例的上述硅光电器件包含其中已经内置了一级或多级晶体管的光电器件部分以及用于选择控制光的发射和接收的开关部分。因此，根据本发明的硅光电器件提供内部电流的放大、由此小电流就能产生发光并放大和输出光接收信号。而且，根据本发明的硅光电器件消除了一外部提供放大电路和开关电路的传统结构中产生的外电源线中的电感和电容的寄生效应，由此能够用于高速开关。

根据本发明的上述硅光电器件可以选择性地作为发光元件和光接收元件工作。因此，利用本发明的硅光电器件就能够实现能通过相同象素输入并输出图像的图像输入/输出装置。

图14简要示出了利用根据本发明第一实施例的硅光电器件的图像输入/输出装置。参照图14，根据本发明第一实施例的图像输入/输出装置包含在n-型或p-型硅基衬底上以二维阵列排列的多个硅光电器件125组成的硅光电器件屏120，每个光电器件能够用于光的发射和接收并在两个操作之间进行开关切换。这里，可以采用根据本发明上述实施例的其中一种硅光电器件用于硅光电器件125。

硅光电器件125能够用于光的发射和接收以及易于在两个操作之间进行开关切换，因此能够通过相同的硅光电器件125来执行图像的输入和输出。因此，硅光电器件屏120就能够通过相同的像素用于图像的输入和输出。

而且，硅光电器件125可以控制发光和光的接收的持续时间、用小电流驱动发光并放大和输出光接收信号，由此能够控制图像的输入和输出而不用所需的外围放大电路和开关电路并实现低功率的图像输入/功率器件。

这里，由于利用半导体制造工艺、使用半导体材料在微阵列中形成硅光电器件125，所以可以通过半导体制造工艺在单一的n-型或p-型衬底11上制造硅光电器件屏120。

为了在逐个像素的基础上能够输入并输出图像，在衬底11中将由光电器件125的二维阵列组成的硅光电器件屏120中的电极结构形成图案。

在根据本发明的图像输入/输出装置中，如图14所示，可以形成硅光电器件屏120以便单一的硅光电器件125对应于每个像素P。在此情况下，优选构成每个硅光电器件125以便发射、检测、吸收单一波长的光或白光。

当构成硅光电器件125以便发射并检测单一波长的光或白光时，根据本发明的图像输入/输出装置就能够显示单色图像并通过给物体照相产生单色图像的电信号。

同时，如图15所示，根据本发明第二实施例的图像输入/输出装置能够显示彩色图像同时通过给物体拍彩色照片产生彩色图像电信号，图像输入/输出装置包含硅光电器件屏120以及滤色器130，在硅光电器件屏120中构成每个硅光电器件125以便发射并检测白光，滤色器130用于显示位于硅光电器件屏120的正面(光的输入和输出一个侧面)的彩色图像。

在此情况下，如图16所示，构成滤色器130以便所有的R、G、B彩色元件对应于每个像素P。

以类似于其中以二维方式排列将在以后描述的根据本发明其它实施例的硅光电器件屏中的硅光电器件的方式，来排列滤色器130的R、G、B元件。这里，关于用于表示R、G和B色彩的滤色器130的排列可以进行各种变化。

在此方式下，包含位于硅光电器件屏120的正面的滤色器130的图像输入/输出装置就能够输入并输出彩色图像。就是说，这种装置能将拍摄的图像转换为彩色图像电信号并根据彩色图像电信号显示彩色图像。

图17简要示出了根据本发明的第三实施例的图像输入/输出装置。参照图17，构成硅光电器件屏140以便至少三个硅光电器件145R、145G和145B对应于每个像素P。图17示出了一个实例，其中设计硅光电器件屏140以便三个硅光电器件145R、145G和145B对应于每个像素P。

在此情况下，对于对应于每个像素P的三个硅光电器件145R、145G和145B，采用根据本发明的该实施例设计的硅光电器件之一来发射红光R、绿光G和蓝光B，检测每种色彩的光并将它们转换为彩色图像电信号。

在此方式下，当构成硅光电器件屏以便对于每个像素提供用于发射并检测特定色彩的光例如红光R、绿光G和蓝光B的三个硅光电器件145a、145b和145c时，根据本发明的图像输入/输出装置就能够呈现全RGB色彩而不用滤色器。在此情况下，构成硅光电器件145a、145b和145c具有不同长度的微孔、以发射并检测不同波长的光。

利用图17中所示的根据本发明的硅光电器件屏140就能够不用单独的滤色器显示彩色图像。这里，为了产生更加清楚的彩色图像，图15和16中所示的滤色器130可以设置在硅光电器件屏140的正面。而且，对于用于发射并检测对应于每个像素的光的三种波长的至少三个硅光电器件145R、145G和145B中的色彩排列和/或滤色器130中的R、G和B元件的排列可以进行各种改变。

如上所述，由于根据本发明的能够输入并输出单色图像的图像输入/输出装置能够用于在逐个像素的基础上选择图像的输入和输出，可以采用这种装置作为双向可视通信例如计算机监视器、电视和手持终端所需的设备的图像输入/输出装置。在此情况下，由于根据本发明的图像输入/输出装置能够用于单屏中的图像输入和输出，因此当执行可视通信时，这种装置的使用就消除了单独照相机的需要。这里，手持终端的实例包含各种各样的便携通信设备例如移动电话和个人数字助理(PDA)。

而且，根据本发明的能够单屏输入并输出图像的图像输入/输出装置使操作者给在监视器的正前方的他自己/她自己照相并传输图像成为可能，由此提高可视通信中的逼真性。

虽然已经参考包含二维阵列排列的多个硅光电器件组成的单一硅光电器件的图像输入/输出装置，但本发明并不限于此。就是说，可以组合多个硅光电器件屏来构成根据本发明的图像输入/输出装置以便具有更大的显示屏。

图18示出根据本发明的优选实施例的用作数字电视的图像输入/输出装置。如图18所示，可以在设计的数字电视中采用根据本发明的图像输入/输出装置以便将信息输入显示屏151并用光无线遥控器155选择菜单。光的无线遥控器155设计为只照射特定范围的光如光指示器。当光信号从光无线遥控器155照射到显示屏151例如预定的菜单153内的特定区域时，位于该特定区域的作为光接收元件的硅光电器件就接收光信号并根据接收的光信号来执行它的功能，例如改变数字电视50的频道或在互连网(Internet)上的操作。

除了上面所述之外，可以在需要双向信息传输的设备的各种应用中使用图像输入/输出装置。

通过在单晶硅晶片上形成MOSFET或双极结型晶体管结构的开关部分、然后在邻近开关部分处通过超浅扩散或注入工艺形成光电器件部分来制造上述的硅光电器件。

当形成硅光电器件屏时，作为在典型的存储器制造工艺中形成字线和位线的工艺的内层布线和电源线连接到每个像素结构。作为在逐个像素的基础上控制发光IC和光接收IC的硅光电器件屏可以容易地控制光的发射和接收并在相同像素中执行发射和接收。

根据本发明上述的硅光电器件形成为具有用于执行在硅基衬底以及超浅掺杂区上的开关切换和/或放大功能的内置电路，由此能够用于光的发射和接收。

因此，根据本发明上述的硅光电器件可以选择性地执行光的发射和接收，容易控制操作的持续时间并不使用外围放大电路和开关电路来执行高速开关切换。

而且，可以通过由于使用硅基衬底的连续的半导体制造工艺，来制造根据本发明上述结构的具有内置用于开关切换和/或放大功能的电路的硅光电器件。

同时，在根据本发明的图像输入/输出装置中，使用根据本发明的硅光电器件的硅光电器件屏，通过按照单个单元集成发光元件和光接收元件、能够控制每个单个单元的发光和光接收的持续时间并具有内置的放大电路，由此降低了整个尺寸。因此，根据本发明的图像输入/输出装置可以用于需要集成较小产品的应用中。

根据本发明的图像输入/输出装置可以对于每个像素执行发光和光的接收，由此在单一屏上显示图像、通过给所需的物体照相而不妨碍观察所显示的图像来产生图像电信号、或直接将光信息输入显示屏成为可能，由此能够进行双向信息传输。

因此，利用根据本发明的图像输入/输出装置用于可视通信通过消除单独照相机的需要就提供了逼真的通信。利用这种装置用于数字TV就能够将显示屏上的菜单直接用光遥控器进行选择。