整合集成电路、发光元件及传感元件的单衬底器件

摘要

本发明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，结构简单紧凑，降低成本。具体的，在一个单衬底电子器件中包含一个半导体衬底，一个或多个构建于所述半导体衬底上的发光元件，一个或多个构建于所述半导体衬底上的传感元件，一个或多个组装在所述半导体衬底上的集成电路，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。发光元件通过响应一个电流信号而发光。传感元件通过响应其邻近范围内的光亮，输出一个图像传感信号。三维运动/加速定位仪给出与器件的位置变化情况相匹配的运动传感信息。集成电路对图像传感信号或运动传感信号进行处理，并给发光元件发送所述电流信号。

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。

另一方面，本发明还涉及一种单衬底电子器件，其包含一个以（100）晶面作为上表面的硅衬底，在上表面位置开设有一个或多个凹槽，并将凹槽的一部分限定为硅衬底的（111）晶面；一个或多个发光元件，其包含位于其中一个（111）晶面上的GaN晶体结构，GaN晶体结构具有一个非极性平面，和一个平行于该非极性平面的第一平面；第一平面上有发光层，该发光层具有至少一个含GaN的量子阱。所述发光层设置为通过响应一个电流信号而发光；所述单衬底电子器件还包含一个或多个构建在所述硅衬底上的传感元件，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硅衬底上的集成电路，所述一个或多个集成电路设置为能够响应并处理来自传感元件的图像传感信号，并将形成的所述电流信号输送给所述发光元件。

所述单衬底电子器件的实施包含下述的一个或多个方面。所述一个或多个集成电路从所述传感元件接收到图像传感信号，并对此做出响应，产生所述电流信号，以触发所述发光元件发光。所述发光元件和所述传感元件可构建在所述半导体衬底的第一表面上。一个或多个集成电路可形成在所述半导体衬底的第二表面上。所述第二表面位于所述半导体衬底的一侧，与所述第一表面相对。所述发光元件可发出光脉冲，在光脉冲存在的周期内，所述传感元件关闭。在发光元件发出的光脉冲的间隔期间，所述传感元件可在所述单衬底电子器件邻近区域探测光信号。

所述半导体衬底可以是一个具有一个（111）晶面的硅衬底，其中所述发光元件包含：一个位于（111）晶面上的GaN晶体结构，所述GaN晶体结构包含一个非极性平面，一个平行于该非极性平面的第一平面，和位于第一平面上的发光层。该发光层具有至少一个含GaN的量子阱。所述发光元件还可包含如下所述的一个或多个部分：第一平面可基本垂直于硅基底的（111）晶面。第一平面以硅基底的（111）晶面的一侧边缘为边界。第一平面还可基本垂直于GaN晶体结构（1-100）方向的m轴。GaN晶体结构也可以包含一个半极性平面，和一个平行于该非极性平面的第二平面，其中GaN晶体结构可以包含一个极性平面和一个平行于该极性平面的第三平面，第二平面位于第一平面与第三平面之间。所述GaN晶体结构是可掺杂的，并具有导电性。所述单衬底电子器件还可包含一个位于所述发光层上的上电极层，所述发光层位于所述GaN晶体结构与所述上电极层之间，当施加有穿过所述发光层的电场时，该发光层发光。所述发光元件可进一步包含有位于所述硅衬底的（111）晶面与所述GaN晶体结构之间的反射层。所述发光元件可进一步包含有位于所述反射层与所述硅衬底的（111）晶面之间的缓冲层。所述硅衬底可进一步包含一个（100）晶面的上表面和成形于所述（100）晶面上表面的一个凹槽，该凹槽的一部分被限定为硅衬底的（111）晶面。所述凹槽的形状是沟槽形、倒金字塔形，或截短的倒金字塔形。所述量子阱可包含若干个InGaN层和GaN层。

所述单衬底电子器件可以进一步包含在所述半导体衬底上以二维阵列排布的若干个传感元件，所述的一个或多个集成电路通过处理图像传感信号来产生一个图像信号，所述图像信号用以描绘在所述的若干个传感元件附近呈现的画面。所述传感元件可以是构建在所述半导体衬底上的互补型金属氧化物半导体式的摄像头。所述单衬底电子器件还可以设置基于微机电系统的三维运动/加速定位仪，来产生与其位置移动情况相匹配的运动传感信号。在同一个半导体衬底上，可以同时构建所述的发光元件、传感元件、三维运动/加速定位仪，及集成电路中用以响应图像或运动传感信号的微处理器，也可以将上述四种元件中任意组合的两种或三种元件，同时构建在一个半导体衬底上，两种元件的组合包含但不限于：发光元件与传感元件，发光元件与三维运动/加速定位仪，发光元件与微处理器，传感元件与三维运动/加速定位仪，等等；三种元件的组合包含但不限于：发光元件及三维运动/加速定位仪及微处理器，发光元件及传感元件及微处理器。

附图说明

附图所示作为对本发明具体的说明实施例进行描述的一部分，与描述一起用于对发明原理进行解释。

图1是先有技术中LED结构的横截面图。

图2是本发明的一个实施例中GaN发光元件的横截面图。

图3是图2所示发光元件的多层结构横截面的图解说明。

图4A、图4B与图4C所示的截面图详细描述了图2所示的Si（111）晶面上GaN晶体的生长。

图5A是图2、图3和图4C所示发光元件的横截面立体图。

图5B是图5A所示的发光元件的立体图。

图6A描述了从半极性和极性GaN晶面看的光发射方向。

图6B是在发光过程中，图2、图3和图5A所示发光元件的照片。

图7是形成于同一个衬底上，将与图5A和5B中所示的发光元件类似的若干个发光元件排列后的立体图。

图8是与图7所示发光元件具有不同形状尺寸的一种发光元件的立体图。

图9是形成于同一个衬底上的，将与图8所示发光元件类似的若干个发光元件排列后的立体图。

图10是本发明的一个实施例中一个单衬底器件的横截面图，其包含了发光元件、传感元件和集成电路。

图11是图10所示的单衬底器件中发光元件和传感元件运行的例证时序图。

具体实施方式

参见图2所示，发光元件900包含一个硅衬底210，其具有一个位于（100）晶面的上表面201，位于（100）晶面的上表面201上具有一层SiN掩模265，一个至少有一部分被限定为（111）晶面202的凹槽220、位于（111）晶面202上的缓冲与反射层230、一个位于缓冲与反射层230上的有掺杂的GaN晶体结构240，以及发光层；发光层进一步包含位于有掺杂的GaN晶体结构240上的量子阱层250，以及一层位于量子阱层250上的有掺杂的GaN层260。有掺杂的GaN晶体结构240与有掺杂的GaN层260具有导电性，并且能够分别作为量子阱层250的下电极与上电极。在SiN掩模265上形成有一个电极层205，其还与有掺杂的GaN层260电性连接，用来接收从一个外部电源提供的电压。

其中，所述SiN掩模265在发光元件200的成形过程中承担多种任务：在硅衬底210的蚀刻过程中，它可抑制GaN结晶在所述（100）晶面上生长，并用于确定凹槽220的位置和尺寸（下段将具体描述）。在发光元件200的运行过程中，所述SiN掩模265还在电极层205与硅衬底之间起到绝缘隔离作用。在某些实施例中，所述电极层205使用一种透明的导电材料制成，比如铟锡氧化物（ITO），可使其在有掺杂的GaN层260上大面积覆盖，从而使电流均匀分布并穿过量子阱层250。

发光元件900内的凹槽220形成于硅衬底210的（100）晶面（即，上表面201）。在形成于该上表面201的SiN掩模265上，可具有正方形的或长方形的开口。这些开口每一侧的面积可以从10多微米到几毫米不等。所述开口可以通过刻蚀方法形成，例如是使用已在2008年7月21日由Shaoher.Pan登记备案的名为“发光元件”的美国专利申请12/177,144中提出的刻蚀方法来实现，在此将其所公开的内容以引用的方式结合在本文中。通过在SiN掩模的开口位置蚀刻，来形成具有（111）晶面202的凹槽220。（111）晶面202相对于硅衬底210的（100）晶面（即，上表面201）呈54.7°角。

将如图2所示的缓冲与反射层230在图3中表示。参见图3，这些层次包含一层第一缓冲层231、一层第二缓冲层232和一层反射层235。参见图3和表1，第一缓冲层231也称作高温缓冲层，包含硅掺杂的AlN。厚度为30nm、高温硅掺杂AlN的第一缓冲层231，通过在介于1120℃至1170℃之间的温度和大约为25mbar的压力下保持15分钟，来沉积到衬底210（如图2所示）的（111）晶面202上。10nm厚的第二缓冲层232也称作低温缓冲层，也包含硅掺杂的AlN。第二缓冲层232通过在755℃这一较低的温度和大约50mbar的压力下保持5分钟，来沉积到第一缓冲层231上。400nm厚的反射层235包含掺杂有硅的AlGaN，其通过在介于1220℃至1030℃之间的温度和大约25mbar的压力下保持50分钟，来沉积到第二缓冲层232上。

在其他的一些实施例（图中未示出）中，也可以将反射层设置在第一缓冲层与硅衬底之间；或者，反射层本身就可以同时起到缓冲层的作用，则不需要另外设置独立的第一缓冲层或第二缓冲层。在这些实施例中，可以通过与上述类似的方法，来沉积反射层（和缓冲层）；具体沉积的厚度则可以根据实际的应用需要设定。

表1  发光元件中不同层次的材料组成和形成条件

有掺杂的GaN晶体结构240厚度大于1μm，其通过在大约970℃的温度，和 250mbar的压力下保持1个多小时，来沉积到反射层235上。所述有掺杂的GaN晶体结构240是包含硅掺杂的GaN。参照图4C和图3，在沉淀过程中，有掺杂的GaN晶体结构240沿一个c轴生长（例如，以（0001）方向），从而构成大体上与（0001）晶面平行并垂直于c轴的表面242。表面242也大体上与衬底210的（111）晶面202平行。有掺杂的GaN晶体结构240的表面242是一个电极性表面。有掺杂的GaN晶体结构240具有一个沿（1-100）方向的m轴，其限定了电的非极性表面。m轴或（1-100）方向与衬底210的（111）晶面202基本平行。

有掺杂的GaN晶体结构240还沿着（1-101）方向自然生长，该（1-101）方向限定了一个平行于（1-101）晶面的表面241。该表面241是半极性的，其具有比表面242更低的电极性。表面241与表面242，以介于108°到128°之间的一个角度，例如是118°，交叉设置。参见图5A，有掺杂的GaN晶体结构240还包含位于凹槽220深处中心区域的表面245。表面245的方向，部分取决于在凹槽220深处中心区域内使用的量子阱层250的沉积物质。

参见图4C所示，在表面241生长到硅衬底210的（111）晶面的边缘215时，半极性表面的晶体生长受到抑制。在GaN晶体结构240的生长过程中，一个非极性表面244形成在边缘215及半极性表面241之间，该非极性表面244的晶体生长速率高于半极性表面241。非极性表面244大体上是没有电极性的，而GaN晶体沿其生长，并且，非极性表面244还垂直于m轴（1-100）。如图2所示，表面241和表面244以142°到162°之间的某一角度，例如是以152°，相互截取。表面244相对于衬底210的（111）晶面202呈直角。

然后，量子阱层250包含多个（例如是八个）重复交错的GaN与InGaN层，每层分别约有20nm和3nm厚。如图3和表1所示，量子阱层250大约在740℃温度，约200mbar压力下形成。缓冲层231和232（图3）可减少（111）硅晶面202和有掺杂的GaN晶体结构240之间的机械应变，从而使得有掺杂的GaN晶体结构240在硅衬底210的（111）晶面202上外延生长。缓冲层231和232也可预防量子阱层250内的破裂和分离，从而提高发光元件200的发光效率。随后，50nm厚的GaN层260（即，上电极），并掺杂有例如Mg，通过在870℃温度和200mbar压力下保持4分钟，来沉积到量子阱层250上面。

缓冲层231和232、反射层235，以及量子阱层250可通过使用原子层沉积（ALD）、金属有机化合物蒸汽沉积（MOCVD）、等离子增强化学蒸汽沉积（PECVD）、化学蒸汽沉积（CVD），或物理蒸汽沉积（PVD）等方法构成。有掺杂的GaN晶体结构240与有掺杂的GaN层260，可通过物理蒸汽沉积（PVD）、等离子增强化学蒸汽沉积（PECVD）、或化学蒸汽沉积（CVD）沉积形成。

在光发射操作中，向分别包含有掺杂的GaN晶体结构240与有掺杂的GaN层260的下电极和上电极之间，施加一个电压。穿过量子阱层250的电流，可引起电子和空穴的重新组合，从而发光。

如图4A、4B和4C所示详细说明了有掺杂的GaN晶体结构240的生长。GaN晶体结构240最初由半极性表面241和243限定。用来确定非极性平面的m轴（即，（1-100）方向）与硅衬底的表面202基本平行。在GaN晶体结构240的生长期间，与m轴平行的电极性表面242在生长阵面形成。半极性表面241相对于硅衬底的（111）晶面202呈62°角。GaN沿c轴（例如，在（0001）方向）的生长速率高于沿m轴（1-100）方向的生长速率。

现在请参照图4C所示，在GaN晶体结构240生长的过程中，其表面243到达硅衬底210的一侧边缘215，GaN晶体结构的生长在该边缘215处受到抑制，而此时其他晶体材料则继续在表面243上生长。一个新的非极性表面244形成在边缘215及半极性表面243之间。新的表面244，垂直于m轴（例如是（1-100）晶轴）并以边缘215为边界，其生长的方向与m轴相平行。新的表面244基本垂直于GaN晶体的m轴，也基本垂直于硅衬底210的（111）晶面202。新的表面244与硅衬底210的（100）晶面的夹角大约为125°。图2中上表面201位于（100）晶面。沟槽内的倾斜表面位于（111）晶面。为了便于查看，在图10A-10C中将（111）晶面设定为水平方向。

需要注意的是，在无限制的晶体生长环境下，非极性表面一般不形成在生长阵面（growth front），这是因为GaN沿m轴（即，在（1-100）方向）的生长速率高于沿（1-101）方向的生长速率。本发明中对于非极性表面的具体实现，首先是形成GaN晶体结构直到其邻近硅衬底（111）晶面的表面边缘，接着生长GaN晶体结构直到所述非极性表面和半极性表面形成的尺寸达到预期的要求。

图5A和图5B所示是发光元件900的立体图（为了表达清晰，电极层205未在图中显示）。量子阱层250上的有掺杂的GaN层260，包含一个在半极性表面214上的发光表面261，一个在极性表面242上的发光表面262，和一个在非极性表面244上的发光表面264。图6A图示说明了来自半极性表面241和极性GaN晶体表面242的光发射方向。图6B是在光发射期间，上述发光元件的照片。发光元件的中心被一个电极末端部分遮挡，该电极与上电极彼此按压在一起形成接触，以提供穿过量子阱层的电压。从半极性表面241上的量子阱层250发出的光，强于从极性表面242上的量子阱层250发出的光；而从非极性表面244上的量子阱层250发射的光是最强的。并且，分别位于非极性和半极性表面244、241上的表面264和261，在图5A、5B中是朝上的，也就是顺着最主要的发光方向。需要注意的是，在所公开的发光元件中，凹槽与GaN结构的生长是经过设置而使GaN结构的非极性表面和半极性表面在主要的发光方向上向外暴露，从而使来自较强发光表面的光照最大化。因此，这里公开的发光元件的重大优势是，通过在一个有掺杂的GaN结构的非极性表面和半极性表面上构成光发射层，来提供更高的光照强度。

如图7所示，发光元件900A-900D的排列1300中，所述的各个发光元件900A-900D都具有如图2-5B所示的结构，并且这些发光元件900A-900D的排列可在一个共同的衬底210上构成。可以为所述排列1300设置具有不同数量的发光结构，以适应不同发光和显示设备的需要，例如，2×1，2×2，3×2，3×3，4×4等?

发光元件可制成不同的形状尺寸。硅衬底的凹槽的形状可以为倒金字塔形或截短的倒金字塔形，从而提供一个大体上为正方形的发光元件。硅衬底的凹槽的形状可以是如图2的截面图中所示的一个狭长的沟槽，来形成一个线条状的发光元件。如图8所示的发光元件1400中在表面261、262和264外，形成一个线条状的发光区域。狭长的沟槽首先形成于衬底210，接着构成缓冲层、反射层、有掺杂的GaN结构、量子阱层和上电极层，以与上述发光元件900、图7中900A-900D相同的步骤制成。此外，多个直线形的发光元件1400A-1400D可形成于一个共同的衬底210上，如图9所示。

如图10所示，一个单衬底器件1000的具体实施例包含一个或多个发光元件1010（如上所述），一个或多个传感元件1050，一个或多个集成电路1030，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1080（3D accelerometer），所有这些都形成在一个衬底1005上。所述发光元件1010和所述传感元件1050可构建在所述衬底1005的第一表面1011上，而所述集成电路1030和所述三维运动/加速定位仪1080则构建在所述衬底1005的第二表面1012上，所述第二表面1012与所述第一表面1011相对。在其他一些实施例中，所述发光元件1010和所述传感元件1050也可构建在一个衬底的不同侧面。

所述衬底1005倾向采用一种半导体材料比如硅来制作。所述衬底1005在（100）晶向具有一个上表面。在所述单衬底器件1000上的所述发光元件1010可兼容不同的结构和物质组成。所述发光元件1010可以是各种固态发光器件，例如是LED或激光装置。优选的实施例中，所述发光元件1010可采用与图2-9所示的所述发光元件200相似的形式构建。一个电极层1015可在所述量子阱层（即图2和图3中编号250）的上电极（即图2和图3中所示有掺杂的GaN层260）上形成。与上述图2所描述结构相似，所述电极层1015可通过一个SiN掩模层与所述硅衬底1005实现绝缘分离。通常使用一层透明的导电层，比如铟锡氧化物（ITO）覆盖在所述有掺杂的GaN层260上表面，以使电流能均匀分布并穿过整个激活的量子阱层；之后，所述电极层1015有选择性地形成于所述透明导电ITO层的上表面。可通过外部电源或接地的方式，在所述电极层1015设定一个恒定的电压。

所述集成电路1030可以包含晶体管、二极管、电阻、电容以及其它半导体器件，还包含有独立的微处理器1100（CPU）。所述集成电路1030还包含有若干个驱动电路1200，所述驱动电路1200通过连接线1020与所述发光元件1010上的下电极（即，如图2和图3所示的所述有掺杂的GaN晶体结构240）连接。所述连接线1020的实现方式在本技术领域很常见。在不同的实施例中，可以是由所述驱动电路1200独立控制并驱动所述发光元件1010发光；也可以是在收到所述微处理器1100发出的控制命令后，再由所述驱动电路1200点亮发光元件1010。所述发光元件1010能够响应在所述上电极和所述下电极之间穿过的电流信号，从而发光。

所述发光元件1010和所述集成电路1030通常需要在真空处理室内，经不同温度处理才能制成。若所述发光元件1010使用如图2-9所述的II-V族材料构造，则需要的处理温度高达1500℃（如表1所示）。另一方面，由于硅集成电路的最高制造温度通常为800℃左右，温度过高会损坏集成电路。所以，所述发光元件1010应首先构建在衬底上。之后才构建所述集成电路1030。构建所述集成电路1030时使用的较低的处理温度，并不会损坏所述发光元件1010。

所述传感元件1050可以是多种摄像头或称图像传感器（Image sensor），用来将其捕捉的影像转化为数字信号，比如可以直接在半导体衬底上构建互补型金属氧化物半导体式（CMOS）的摄像头来实现，这在技术上是十分常见的。所述传感元件1050探测光子后，可通过连接线1040向所述集成电路1030的微处理器1100输出图像传感信号；所述微处理器1100对包括所述图像传感信号在内的数字量或模拟量数据信号进行处理，并产生一个图像信号，该图像信号用于描绘围绕所述传感元件1050的一个画面。在一些实施例中，所述单衬底器件1000可包含所述传感元件1050的二维阵列。由所述传感元件的二维阵列送出的图像传感信号，可由所述集成电路1030处理，用以识别位于所述传感元件1050前面的物体。所述集成电路1030的微处理器1100可以根据传感元件1050或其阵列发送的图像传感信号来形成控制命令，驱动电路1200则可以根据该控制命令来驱动发光元件1010进行发光。

所述的三维运动/加速定位仪1080可以用来量测设置了该定位仪的器件沿某个特定方向的运动及加速度变化，一些定位仪还可以进一步处理得到器件的地理位置信息。所述集成电路1030还通过连接线1090向所述三维运动/加速定位仪1080发送指示其进行量测的相关控制指令，并接收所述三维运动/加速定位仪1080反馈的运动传感信号。集成电路1030的微处理器1100也可以根据所述运动传感信号来形成控制命令，使驱动电路1200根据该控制命令来驱动发光元件1010进行发光。在其他的一些实施例中，图像传感信号或运动传感信号也可以直接作为控制指令，以控制驱动电路1200点亮或熄灭发光元件1010。

在图11中显示了所述传感元件1050的图像灵敏度周期，窄带LED发出的光可进一步将通过调频或强度调制的形式表现的通信信号传输给另一个集成电路，从而对图像传感或发光功能进行控制或做信号传递。

如图10及图11所示，所述发光元件1010发出光脉冲“LP1”、“LP2”、“LP3”、“LP4”、“LP5”……等，脉冲宽度在0.1ms至5ms之间，间隔时间长度为1ms到50ms，间隔时间足够长，以使人眼能够分辨光照的中断。发光脉冲“LP1”、“LP2”、“LP3”、“LP4”、“LP5”……等的频率（f）和强度（I）决定了所述发光元件1010的光照度。

在发出光脉冲“LP1”、“LP2”、“LP3”、“LP4”、“LP5”……等的期间，所述传感元件1050关闭，以避免光子饱和及由于强光照射而引起的损坏。所述传感元件1050只在光脉冲“LP1”、“LP2”、“LP3”、“LP4”、“LP5”……等之间的间隔时间才启动，正如图像传感周期“SP1”、“SP2”、“SP3”、“SP4”、“SP5”……等所示。每个传感周期“SP1”、“SP2”、“SP3”、“SP4”、“SP5”……等的宽度决定了所述传感元件1050的灵敏度。所述传感元件1050可探测到可见光、红外线、紫外线光谱范围内的光子。图像传感信号的测量强度可以是在一个图像传感周期内变化，也可以跨越不同的几个图像传感周期。光照强度信号的变化可被用来探测所述传感元件1050临近区域内物体的运动。

在一些实施例中，在所述发光元件1010不工作，或者光脉冲“LP1”、“LP2”、“LP3”、“LP4”、“LP5”……等之间的间隔时间里，所述传感元件1050可探测位于所述单衬底器件1000邻近区域的人体运动。当探测到有人体运动时，所述传感元件1050便生成图像传感信号；人体运动还可能同时令三维运动/加速定位仪1080产生位移变化而生成运动传感信号。其结果是，使得集成电路1030处的微处理器，对所述图像传感信号和/或运动传感信号进行响应，进而驱动所述发光元件1010发光。优选的，只要所述传感元件1050在预先设定的周期内探测到人体运动，所述集成电路1030就控制所述发光元件1010持续发光。当人体运动不再被探测到时，图像传感信号或者运动传感信号不再生成，所述集成电路1030会关闭所述发光元件1010，停止照明以节约能源。

本发明提供的单衬底电子器件的一个优点是能将多个常规器件的功能综合到一块单衬底上，比起常规器件来，结构更简单、更紧凑，成本也更低。本发明的单衬底器件，是通过已有的微加工技术，将发光元件、传感元件、集成电路的微处理器，和微机械系统的三维运动/加速定位仪同时构建在同一块硅衬底上，或者仅仅是同时构建其中任意组合的两种或三种元件。例如，两种元件的组合可以是：发光元件与传感元件，发光元件与三维运动/加速定位仪，发光元件与微处理器，传感元件与三维运动/加速定位仪，等等；三种元件的组合可以是：发光元件及三维运动/加速定位仪及微处理器，发光元件及传感元件及微处理器，等等。本发明的单衬底器件还可提供一体的运动监测功能，将发光元件的能源消耗降低。值得注意的是，虽然传统的照明产品可能包含运动感应功能，但是这些光传感和运动传感都是在不同模块上的，每个都有不同的电路板，或者至少是受不同衬底上的集成电路控制的。通过将图像传感和发光功能集中到一块单独的半导体衬底上（或芯片上），本发明所述元件比传统系统显示出更高的集成性和小型化。

上述说明和附图仅作为本发明原理说明。所描述的装置可有多种形状和尺寸，本发明的涉及范围也不是仅限于最佳实施例的范围。技术人员可想到本发明的众多应用。因此，本发明并不会限制在所公开的具体例子上，或上图所示和上文所述的确切结构、运行方式或尺寸规格上。而所有适当的修改结构和相等结构都属于本发明的范围之内。比如，发光元件和传感元件可构建在同一块衬底的同侧表面或异侧表面。每一个发光元件可由位于集成电路内单独的一个激励晶体管触发，这样可通过点亮不同数量的发光元件来调整发光强度。或者，所有的发光元件都由集成电路内同一个激励晶体管控制，这样，它们可以同时亮同时灭。此外，除了上述例子中所示的方形脉冲，发光脉冲还可采用其它不同的形式。还有，衬底可采用其它半导体材料制成，比如锗、III-V族和II-VI族半导体材料等。

还有，其中一个GaN晶体结构以及有掺杂的GaN层可以是n型掺杂的而其他的是p型掺杂的。这两种掺杂形式可以更换，而仍兼容本发明的发光元件。本发明的LED结构适合于发出绿光、蓝光和其它颜色光的灯。除此以外，凹槽也可具有其它形状，而不同于上述例子。比如，上表面上掩模层的开口可以不是正方形或长方形，而是其它形状。另一个例子中，可使用一个有（111）晶面的硅片作为衬底，在上面刻蚀具有（100）晶面的沟槽。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。