集成带隙温度传感器
阅读说明：本技术 集成带隙温度传感器 (Integrated band gap temperature sensor ) 是由 J·帕克 B·M·柯廷 于 2020-09-21 设计创作，主要内容包括：本申请的各实施例涉及集成带隙温度传感器。集成光子器件的绝对温度测量可以利用邻近光子器件的集成带隙温度传感器而被完成。在各种实施例中,光子器件的二极管结构内的有源区的温度利用集成带隙温度传感器而被测量,该集成带隙温度传感器包括一个或多个二极管结,该一个或多个二极管结在半导体器件层中在有源区下方或者横向邻近光子器件,或者在被形成在半导体器件层上方的二极管结构中并且邻近光子器件的二极管结构。(Embodiments of the present application relate to integrated bandgap temperature sensors. Absolute temperature measurement of an integrated photonic device can be accomplished with an integrated bandgap temperature sensor adjacent to the photonic device. In various embodiments, the temperature of an active region within a diode structure of a photonic device is measured with an integrated bandgap temperature sensor that includes one or more diode junctions below or laterally adjacent to the photonic device in a semiconductor device layer, or in a diode structure formed above a semiconductor device layer and adjacent to the photonic device.)
具体实施方式
本文中描述了集成在邻近要监测的光子器件的PIC中的各种带隙温度传感器结构、以及集成带隙温度传感器的制造、校准和操作的相关方法。如果传感器位于器件附近(无论是在器件下方(或上方)还是侧面)并且与PIC中的其他光子器件相比更靠近其监测的光子器件，则传感器在此处被视为“邻近”光子器件。在一些实施例中，温度传感器位于距被监测的光子器件(或更具体地，光子器件内要测量其温度的特定区域)小于100μm或者优选地小于25μm的距离处——足够靠近光子器件以使传感器位置处的温度偏离相关的光子器件温度不超过10℃。对于位于光子器件下方的传感器，到要监测的区域的距离甚至可以小于1μm(例如，大约0.5μm)，从而导致器件与传感器位置之间的温度差小于1℃。
带隙温度传感器通常包括二极管，并且利用以下事实：对于通过二极管的任何给定电流，跨二极管结的电压与绝对温度成比例(以开尔文测量)；比例常数可以在传感器校准过程中通过在已知温度下针对给定电流测量跨二极管的电压而被确定，并且随后可以用于将测量电压转换为绝对温度。跨两个二极管的电压测量还可以合并以消除温度对电流的依赖性。有利的是，与例如RTD相比，给定设计的集成带隙温度传感器之间的部分间差异会影响很多应用可接受的裕度内的温度测量，在RTD中，电阻的部分间差异通常会导致RTD不适合绝对温度测量，除非每个部分都经过单独校准，这可能会导致成本过高。因此，可以一次校准集成带隙温度传感器设计，并且然后对共享同一设计的所有部分使用已校准参数(例如，温度与结电压之间的比例常数)。
尽管带隙温度传感器长期以来被用于电子集成电路(IC)中，但是它们在PIC中的实现是具有挑战性的。在电子IC中，带隙温度传感器的二极管结构通常是通过掺杂硅层来生成的。但是，在PIC中掺杂会在导光区域中导致大量的光损耗——电子IC根本不存在这个问题。另外，有源光子器件(其精确的温度测量尤其重要)通常会通过添加接合的III-V器件结构、相关联的金属连接等来增加PIC的复杂度，这会占用衬底上的空间并且可能导致进入任何温度传感器二极管结构都很难。在光子器件中使用的III-V二极管本身通常会生成较差的带隙温度传感器，因为它们会由于芯片上光产生的光生载流子而遭受额外的噪声，并且典型的大量层数和二极管的异质结构中的掺杂水平的变化会增加结构的不确定性，从而破坏准确的绝对温度测量。
下面描述用于带隙温度传感器的各种二极管结构，其解决了这些挑战，从而促进了在要监测其温度的光子器件附近的绝对温度测量。所描述的实施例具体地涉及形成在衬底上方的二极管结构中的有源区的温度测量(例如，在接合到衬底的III-V管芯中)，如可以在激光器、SOA、光学调制器(例如，电光调制器或电吸收调制器)或对温度变化特别敏感的其他有源光子器件中使用的。然而，应当理解，所公开的带隙温度传感器结构的变化也可以用于测量其他光子组件的温度，包括例如无源器件，诸如硅波导。例如，阵列波导光栅(AWG)可以受益于精确的温度测量以补偿温度引起的波长响应变化。
进一步地，随后的讨论专门针对用绝缘体上硅(SOI)衬底和接合的III-V化合物半导体材料(例如，磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、砷化铝(AlAs)、氮化镓(GaN)和/或锑化铟(InSb))实现的PIC。然而，如将容易理解的，在不脱离发明构思的情况下，可以进行各种材料替代。例如，代替硅，可以将锗或甚至化合物半导体用于衬底的器件层。此外，对于接合材料，可以使用II-VI化合物半导体代替III-V材料。
在各个实施例中，用于带隙温度传感器的二极管结构在衬底的硅器件层中实现。二极管结例如可以在位于邻近光子器件的区域中的嵌套的n型掺杂阱和p型掺杂阱之间被竖直地形成。备选地，可以在光子器件二极管正下方的两个相邻的n型区域和p型区域之间形成水平二极管结。后一种方法使传感器非常靠近要测量其温度的光子器件区域，例如通常是在光子器件二极管的本征层内的有源区，在该有源区可以产生“热点”。同时，由于大部分光学模式位于有源区中，因此对下面的硅层进行掺杂不会引起任何显著的光学损耗。
在各种替代实施例中，带隙温度传感器的二极管结构在硅器件层上方并且在光子器件二极管旁边以III-V材料实现。这可以通过以下方式最直接地进行：将两个彼此相邻的III-V管芯相互接合到SOI衬底上，并且对两个管芯图案化以在一个管芯中产生光子器件二极管，而在另一管芯中产生温度传感器二极管。一个更复杂但又可能成本更低且功能更多的替代方案是提供具有足够层数的单个III-V管芯以产生传感器二极管和光子器件二极管两者，并且对该单个管芯图案化和蚀刻以产生水平地分隔并且也包含不同层的两个二极管结构。
通过以下参考附图对各种示例实施例的更详细描述，将能够更好地理解前述内容。
图1A和1B是根据各个实施例的在制造期间的两个不同阶段的在PIC 100的硅器件层中具有竖直二极管结的示例带隙温度传感器的示意性截面图。PIC 100形成在SOI衬底102上，该SOI衬底102包括在掩埋氧化物(BOX)或其他绝缘层106之上的硅器件层104，该掩埋氧化物(BOX)或其他绝缘层106又设置在衬底手柄108(例如，硅的)上。如图1A所示，用于带隙温度传感器的二极管结构被形成在硅器件层104中，并且包括三个嵌套的掺杂阱110、112、114，掺杂阱110、112、114的掺杂类型交替变化，例如，如电子IC中的二极管和晶体管结构所熟悉的。例如，最浅的最内阱110可以是n掺杂的，周围的阱112可以是p掺杂的，而最深的最外阱114也可以是n掺杂的，阱110、112、114共同形成NPN晶体管结构。备选地，对于PNP晶体管，可以颠倒掺杂类型。无论哪种方式，形成在阱110、112的界面之间的PN结116都可以用作带隙温度传感器的二极管结，其中外部阱114提供电屏蔽(或者，被省略)。阱110、112和114可选地一起形成带隙温度传感器的二极管结构117。
阱110、112、114可以通过一系列公知的掩蔽和离子注入步骤在硅器件层104中产生，开始于产生外部阱114并且以产生内部阱110结束。对每个阱，对不掺杂的衬底区域进行掩蔽(例如，用二氧化硅、光致抗蚀剂或某种其他合适的掩模材料)；在未掩蔽区域中形成的阱的深度由注入的离子能量控制，并且掺杂浓度由注入剂量(离子数/面积)控制。
在该实施例中，由于带隙温度传感器的二极管结116由通常沿着竖直方向布置的掺杂区形成(衬底102位于水平平面中)，如轴118所示，并且由于所得到的结116(形成在阱110、112之间的界面处)具有竖直法线(表示界面本身是水平的，忽略了阱110边缘周围的小的竖直界面部分)，所以该二极管结116在本文中也被称为“竖直结”(与图2A至图2D的实施例中的结相比，为了便于参考)。
参考图1B，在硅器件层104中产生带隙温度传感器的二极管结构117之后，可以在邻近二极管结116的区域中将III-V材料的管芯(通常包括被竖直布置的多个不同掺杂的材料层)接合到衬底102。III-V晶片可以例如包括n型底层120、形成将在其中操纵光的有源区的本征中间层122、以及p型顶层124；p型底层和n型顶层也是可能的。而且，层120、122、124中的每个可以包括多个子层，子层使得能够微调要在III-V晶片中形成的器件的特性。在一些情况下，在多次迭代中，对III-V晶片图案化和蚀刻，以形成光子器件的二极管结构126。如图所示，二极管结构126可以包括台面，该台面包括在底层120的较宽条带之上的本征中间层122和顶层124。尽管未示出，但是光子器件还可以包括在光子器件的二极管结构126下方的硅波导，硅波导在结合III-V管芯之前在器件层104中形成。
在形成光子器件的二极管结构126之后，通常在任何器件金属化之后，例如在光子器件的二极管台面之上沉积金属层130之后，在电介质覆层128中覆盖二极管结构126和衬底102。然后产生金属通孔132、134、136、138，金属通孔132、134、136、138形成用于带隙温度传感器和光子器件的二极管结构117、126的电连接。例如，可以对覆层128图案化和蚀刻以形成要用金属填充以形成金属通孔132、134、136、138的竖直通道。接触阱110、112从而形成温度传感器的二极管结116的通孔132、134在使用时连接到电流源的相对端子(参考图5A至图5B进一步解释)；接触屏蔽外部阱114的通孔136可以例如接地。与光子器件的二极管结构126的顶层124和底层120接触的金属层130和通孔138可以连接到偏置和射频(RF)电压源的相对端子，例如，用于信号生成、调制或放大。
图2A和2B是根据各个实施例的在制造期间的两个不同阶段的在PIC 200的硅器件层中具有水平二极管结的带隙温度传感器的示意性截面图。首先，如图2A所示，在硅器件层104中形成用于带隙温度传感器的二极管结构202。这里，二极管结构202包括两个水平邻近的掺杂区204、206，一个掺杂区是n掺杂的，一个掺杂区是p掺杂的，掺杂区204、206在该界面处形成结208，结208的法线210的方向在水平方向上并且平行于衬底102的平面。该二极管结208因此在本文中也被称为“水平结”。可以通过在未掺杂的区域中掩蔽硅器件层104并且然后进行离子注入来连续地形成掺杂区204、206。
参考图2B，一旦已经在硅器件层104中形成水平二极管结208，就对硅器件层104图案化以在掺杂区204、206中产生波导212，波导212沿着二极管结208(或换言之，位于结208的平面中)以其纵轴(对应于光的传播方向)取向，使得结208位于波导212内部。如图所示，波导212可以是例如通过部分蚀刻硅器件层104以形成两个平行沟槽214而限定的肋形波导；然后可以用氧化物或其他绝缘材料填充这些沟槽214。接下来，可以按照如上关于图1B所述的方式在接合到衬底102的III-V管芯内产生光子器件的二极管结构126。重要的是，光子器件二极管结构126直接形成在波导212上方，并且因此形成在带隙温度传感器的二极管结208上方。沿着硅波导212传播的光可以耦合到III-V二极管结构126中，然后在此处进行调制；或者，相反，在III-V二极管结构126中生成或放大的光可以耦合到硅波导212中。波导212和III-V二极管结构可以被配置为使得耦合主要发生在二极管结构126的有源区之前或之后(应当理解为在其上施加电压的区域)，使得在有源区中，光学模式216的大部分位于III-V二极管结构126中，几乎没有光强度在下面的波导212中。因此，光学模式216基本上不与温度传感器的水平二极管结208相互作用，从而减轻了对光学损耗的担忧。被施加以生成、放大或吸收光学模式216的电流和电压例如在激光器中生成光，倾向于加热有源区(主要是本征层122，但也包括底层120)，并且监测所得到的热点是理想的。有利的是，直接位于III-V二极管结构下方的温度传感器的水平二极管结208紧邻有源区，并且因此紧邻热点，从而可以进行非常精确的温度测量。在一些实施例中，温度传感器的二极管结208在有源区的1μm内，并且以约1℃的精度测量有源区中的绝对温度。
在形成III-V二极管结构126(具有任何金属化)之后，可以在二极管结构126和衬底102上施加介电覆层128，并且然后在覆层128中传输用于电连接的通孔138、218、220。接触p掺杂和n掺杂区204、206的通孔218、220被放置在光子器件的波导112和III-V二极管结构126的两侧。III-V二极管结构的连接可以通过接触底层120和在二极管结构126的顶层124之上的金属层130的通孔138来提供。
图2C是根据各种实施例的包括如图2A至图2B所示的水平二极管结208的示例带隙温度传感器的示意性俯视图。图中的水平方向对应于波导212的纵轴(光传播的方向)。可以看出，温度传感器的二极管结构202的掺杂区204、206沿着垂直于波导212的轴被布置，并且二极管结208完全在波导212内部。
图2D是根据各种实施例的包括两个如图2A至图2B所示的水平二极管结208、230的示例带隙温度传感器的示意性俯视图，其中两个二极管结208、230具有不同的结面积。第二二极管结230形成在另外的一对n掺杂和p掺杂区232、234之间，它们通过另外的一对通孔236、238接触。在图2A和2B中的横截面视图中，两个结208、230看起来相同，但是一个结230沿着波导212比另一结208延伸得更远，并且因此具有更大的结面积。如下面参考图5B解释的，如果由相等的恒定电流馈电，则具有不同面积的两个二极管结使所测量的电压差与电流无关并且仅取决于结面积之间的比率，这可以通过设计来定义并且可以高精度地制造。因此，有利的是，具有面积不同的两个二极管结的带隙温度传感器可以提供非常精确的测量。
图3A至3D是根据各个实施例的在制造的各个阶段的与PIC 300的光子器件二极管一起由单个III-V管芯形成的示例带隙温度传感器的示意性截面图。在这种情况下，光子器件和带隙温度传感器的二极管结构都以III-V材料在硅器件层104上方产生。如图3A所示，制造可以例如开始于以与以上参考图2B描述的相同的方式在衬底102的硅器件层104中产生波导212。然后，如图3B所示用薄的介电材料层302涂覆衬底102，并且将III-V材料的管芯304接合到涂覆的衬底。管芯304从硅波导212上方的区域延伸到将形成带隙温度传感器的邻接区域，并且包括形成多个二极管结的五层306、308、310、312、314的叠层。例如，底层306可以是n掺杂的，而其上的第二层可以是p掺杂的，从而形成NP二极管结315(在图3C中指示)；温度传感器的二极管结构将形成在这两层306、308中。三至五层可以依次包括n型层310、本征层312和p型层314；光子器件的二极管结构将形成在这三层中。(如将理解的，n型掺杂和p型掺杂备选地在层306、308、310、314之间交换。)因此，层310、312、314可以对应于用于有源光子器件的外延层的常规叠层，其由用于温度传感器的两个底层306、308增强。底部两层306、308之间形成的附加结可以被设计为在光子器件中使用的光波长处具有可忽略的吸收，从而避免增加光损耗。
在多个步骤中对III-V管芯304图案化和蚀刻，以分别为带隙温度传感器和光子器件产生单独的二极管结构320、322。从图3C中可以看出，两个二极管结构320、322通过对整个管芯的完全蚀刻一直向下直到涂覆的衬底而水平地分开。薄介电层302有助于将III-V接合到下面的SOI晶片，并且另外用于使二极管结构320、322彼此电隔离。对于温度传感器的二极管结构320，顶部三层310、312、314被完全去除，并且第二层308的一部分被蚀刻掉以形成阶梯状结构，从而暴露底层306的一部分以方便电连接；二极管结315形成在第一层306和第二层308之间。对于光子器件二极管结构322，在顶部的两层中形成有台面，并且在底部的三层中留有较宽的条带。
参考图3D，在从III-V管芯304形成二极管结构320、322之后，基本上以关于图1B和2B的实施例描述的方式，可以进行器件金属化以在结构322的二极管台面之上形成金属层130，沉积覆层128，以及产生金属通孔138以用于光子器件二极管和金属通孔324、326与温度传感器的二极管结构320的n型层接触和p型层接触，以得到如图所示的PIC 300。
图4A至4D是根据各个实施例的在制造的各个阶段的与PIC 400的光子器件二极管分开地由化合物半导体管芯形成的示例带隙温度传感器的示意性截面图。如图4A所示，制造可以开始于在衬底102的硅器件层104中产生波导212，例如，以与以上参考图2B和3A描述的相同的方式。然后如图4B所示，用薄的介电材料层302涂覆衬底102，并且将两个分开的III-V材料的管芯402、404彼此相邻地(但是在其间具有间隙而不是连续地)接合到涂覆的衬底。一个管芯402设置在硅波导212上方，并且用于形成光子器件的二极管结构406(如图4C所示)；另一管芯404用于形成温度传感器的二极管结构408(如图4C所示)。管芯402、404可以从不同的晶片切割，并且其相应外延层结构不同，这允许针对其相应使用来优化每个管芯。用于光子器件的管芯402可以包括通常的掺杂(例如，n型)底层410、本征层412和掺杂(例如，p型)顶层414，并且可以被结构化，如图4C所示，以在底层410的较宽条带上方形成本征层412和顶层414的较窄台面。用于温度传感器的管芯404可以包括掺杂的(例如，n型)底层416以及相反地掺杂的(例如，p型)层418、420以在其上方形成二极管结421，并且可以被图案化以在n型层416的更宽的底部条带上方形成p型层418、420的较窄台面(其可以具有相同的材料)。有利地，如果厚度和某些材料属性(例如，蚀刻速率)匹配，则可以对管芯402、404进行共处理，从而可以减少处理步骤的总数(与顺序处理相比)。匹配不一定是精确的。实际上，用于光子器件的管芯402的层412可以包括十层或更多层的略有不同的材料(例如，包括量子阱和势垒)，并且管芯404的层418(其可以达到与层412相同的高度)可以仅具有蚀刻速率等于层412的平均值的一种材料。
参考图4D，在形成光子器件和带隙温度传感器的III-V二极管结构406、408之后，在沉积在二极管结构406、408和衬底102上方的覆层128中形成相关联的金属连接。在所示示例中，金属连接包括在光子器件二极管结构406的顶层414和底层410上的金属层130、422、以及类似地在温度传感器的二极管结构408的顶层420和底层416上的金属层424、426。此外，形成接触光子器件二极管406中的金属层422、130的通孔427、428以及接触温度传感器的二极管结构408中的金属层424、426的通孔430、432。图4D示出了PIC 400中的所得到的结构。(注意，各个实施例之间的金属连接的变化不一定与相应的二极管结构相关。例如，金属层在图3C至图3D也可以被包括在二极管结构320的各层中，或者可以从图4D的结构中省略。)
已经描述了集成带隙温度传感器的各种结构实施例，现在将讨论用于利用这样的传感器进行温度测量的操作原理和相关的电路相同。
图5A是根据各种实施例的用于操作带隙温度传感器的电路500的简化电路图。电路500包括用于向温度传感器的二极管504提供恒定电流Idiode的恒定电流源502、以及用于测量跨二极管504的所得到的电压Vdiode的读出电路506。实际上，除了跨二极管结的电压(例如，由二极管结116、208、315、421中的任何一个实现的)，由读出电路506测量的电压还包括与形成二极管结的p型层和n型层接触的金属层和通孔的(不可避免的)串联电阻508、510(RPcontact，RNcontact，RPvia，RNvia)、以及掺杂的p型半导体层和n型半导体层本身的电阻(RPsemi，RNsemi)(总和为串联电阻Rs)上的电压降。为了精确地读出二极管，该串联电阻Rs被设计为可以忽略不计(例如，小于1Ω)。注意，读出电路506通常测量从通孔到通孔的电压，并且因此，所测量的电压不包括电流源502与二极管通孔之间的金属互连的电阻512(Rtrace)上的电压降。对于二极管电流Idiode，通常选择接近二极管导通电压的低恒定电流，以提供足够的读出信号，同时引起可忽略的二极管自发热(对应的串联电阻贡献可以忽略不计)。在一些实施例中，二极管电流Idiode在0.1mA到1mA之间。
二极管电压Vdiode由肖克利二极管等式给出：
其中Is是反向饱和电流，n是二极管理想因子，K是Botzmann常数，q是电子的电荷，T是温度。如果串联电阻的贡献可以忽略不计(应当根据设计)，则二极管电压降至：
在此，因子对于恒定的二极管电流Idiode是常数，并且可以通过测量参考温度rref下的二极管电压Vdiode_at_Tref而被确定。对于集成温度传感器的给定设计和制造过程，该测量仅需执行一次(例如，使用少量部分样品)，然后可以将所确定的参考温度与电压比rref/Vdiode_at_Tref用作通过相同过程制成的所有部分的校准因子以根据所测量的二极管电压来计算温度：
图5B是根据各种实施例的用于操作具有两个二极管结522、524的带隙温度传感器的电路520的简化电路图。在这种情况下，使用两个恒定电流源526、528向二极管结522、524供应相应的恒定二极管电流Idiode1和Idiode2(例如，每个在0.1mA到1mA的范围内)，并且读出电路530测量二极管结522、524之间的差分电压，即二极管电压Vdiode1和Vdiode2之间的差：
假定由于串联电阻Rs1和Rs2引起的电压降之间的差(为了简化图示在图5B中未示出)可以忽略不计，并且进一步假定二极管电流Idiode1和Idiode2分别远大于相应反向饱和电流Is1和Is2，则二极管电压降至：
为了使两个二极管522、524上的串联电阻Rs1和Rs2之间的差异可以忽略不计，可以通过使用大通孔和高材料掺杂将通孔和掺杂半导体层的电阻设计为较小，并且与二极管接触的金属层可以设计成面积较小或相等，以使它们的串联电阻抵消。
如图2D所示，可以在硅器件层中方便地实现两二极管带隙温度传感器。然而，本文中描述的其他实施例同样可以适用于两二极管设计。例如，对于在半导体器件层上方以III-V材料实现的温度传感器，可以通过适当地对单个或两个单独的III-V管芯图案化来使两个二极管彼此邻近地形成。
在一些实施例中，两个二极管522、524被供应有相等的电流Idiode1＝Idiode2，使得电流比从差分二极管电压的等式中下降。二极管的反向饱和电流与二极管结的面积成正比。因此，两个二极管522、524之间的其他所有条件都相等，因此，反向饱和电流Is1和Is2的比率等于它们的结面积Adiode1和Adiode2的比率，这可以通过设计容易地控制。因此，差分二极管电压可以从下式确定：
其中Narea是二极管2的结面积与二极管1的结面积之比在。温度现在可以从以式确定：
常数C可以测量一次(通过在参考温度rref下测量一个或少量样品部分的参考差分二极管电压ΔVdiode_at_Tref)，然后将其重新用于给定设计和制造过程的所有部分。有利地，由于常数C不取决于二极管电流，因此在测量期间使用的二极管电流可以与在校准期间使用的二极管电流不同。
在一些实施例中，两个二极管522、524被供应有不同的恒定电流Idiode1和Idiode2，但是具有相同的结面积Adiode1＝Adiode2，并且因此具有反向饱和电流Is1-Is2。在这种情况下，差分二极管电压取决于二极管电流的比率：
其中Ncurrent是二极管电流Idiode1与二极管电流Idiode2之比。现在温度可以从下式确定：
其中常数C′可以一次测量(通过在参考温度Tref下测量一个或少量样品部分的参考差分二极管电压ΔVdiode_at_Tref)，然后将其重新用于给定设计和制造过程的所有部分，只要在校准和后续测量期间使用相同的电流比Ncurrent。
图6是根据各种实施例的校准和操作带隙温度传感器的方法600的流程图。可以对一个部分进行校准(602)，并且可以将所确定的校准因子存储并且用于通过相同工艺和根据相同设计而制造的任何部分。在本文中，“部分”是指按计划的组装流程组装的PIC(例如，倒装切割到有机衬底上)。校准(602)涉及打开集成部分的带隙温度传感器的(多个)二极管(例如，504、522、524)的(多个)恒定电流源(例如，502、526、528)(动作602)；将部分置于恒定参考温度的恒温环境中(例如，烤箱或专用测试台)(动作606)；并且然后测量对应参考二极管电压Vdiode_at_Tref，或者在两二极管实施例中，测量该温度Tref下的参考差分二极管电压ΔVdiode_at_Tref(动作608)，例如通过读出电路506或530。然后，在动作610中，可以将所测量的参考温度和参考(差分)二极管电压或它们的比率(对应于常数C或两二极管实施例中的C’)保存到存储器(例如，闪存)，并且然后保存到正在生产的每个部分上的固件或集成存储器(例如，包括PIC、电子IC和倒装到有机衬底上的存储器)，以便在后续使用相应部分的带隙温度传感器时进行查找。
为了使用已校准温度传感器(表示，共享同一设计和制造过程的一组部分中的任何一部分)(611)，打开去往带隙温度传感器的恒定电流源以向二极管供电(动作612)，并且测量跨二极管的所得到的电压(例如，使用读出电路506或530)(动作614)。基于存储在存储器中并且在存储器中查找的参考温度与电压之比(或常数C或C’)，然后可以将所测量的二极管电压转换为温度(动作616)。
已经描述了用于集成带隙温度传感器的各种二极管结构和电子电路。实施例共享的优点是便于在光子器件附近进行绝对温度测量而不需要进行逐部分校准，但是在例如复杂性、准确性和与期望的监测区域的接近度之间存在各种折衷。本领域技术人员将知道如何选择最适合特定应用需求的实施例。
具有在硅中实现的二极管结构的带隙温度传感器(在图1A至图2D中的PIC 100、200的实施例中)避免了对PIC的III-V层的任何修改，这可以节省成本，但要依靠硅层的其他工艺步骤。在水平二极管结与有源光子器件的硅波导重叠(在PIC 200中)的情况下，温度传感器的二极管结可以非常方便地位于热点附近。利用以III-V材料实现的二极管结的带隙温度传感器(在图3A至图4D中的PIC 300、400的实施例中)避免了添加硅工艺步骤的需要，但以使用附加的III-V材料为代价，并且如果光子器件和传感器二极管由同一管芯(在PIC 300中)形成，则修改III-V管芯结构。形成在III-V管芯中的带隙温度传感器与用于光子器件的III-V管芯分开(在PIC 400中)得益于简单的设计和实现，但不能放置得例如与单管芯实施例一样靠近比光子器件(在PIC 300中)。前者可以读出光子电路有源表面上的绝对温度，而后者还可以读出光子器件的结温。
在一二极管实施例与两二极管实施例之间，前者受益于较少的二极管和电流源，这简化了设计，有助于降低成本。另一方面，获取足够低的接触电阻以使由于串联电阻引起的电压降可以忽略不计使制造变得更加困难。此外，单二极管设计依赖于在校准和操作期间使用同一二极管电流；也就是说，恒流源的电流值以后不能改变。在一些实施例中，可以实现50℃+/-5℃的校准精度。采用两二极管设计时，可以达到50℃+/-1℃的校准精度。此外，对于使用不同结面积但二极管电流相同的二极管，可以在不同二极管电流下进行校准和测量，因为温度校准仅取决于结面积的比率，这是由光刻掩模上的器件图来定义的，并且在整个过程中保持稳定。此外，对于两个二极管，由于差分电压的测量，由于串联电阻而引起的过大电压贡献并不取决于低接触电阻，而是可以通过对两个二极管使用相同的接触面积(使得相关联的电压降抵消)来实现。
以下编号示例是说明性实施例。
1.一种系统，包括：衬底，包括半导体器件层；集成光子器件，包括被形成在所述半导体器件层上方的第一二极管结构；以及集成温度传感器，包括邻近所述第一二极管结构被形成在所述半导体器件层中或上方的第二二极管结构。
2.根据示例1所述的系统，其中所述第二二极管结构包括在所述半导体器件层中的两个或更多个嵌套的掺杂阱，所述两个或更多个嵌套的掺杂阱在横向邻近所述第一二极管结构的区域中形成竖直二极管结。
3.根据示例1所述的系统，其中所述第二二极管结构包括在所述半导体器件层中的一对掺杂区，所述一对掺杂区在所述第一二极管结构下方形成水平二极管结。
4.根据示例3所述的系统，其中所述第二二极管结构包括在所述半导体器件层中的两对掺杂区，所述两对掺杂区在所述第一二极管结构下方形成两个水平二极管结。
5.根据示例4所述的系统，其中所述两个水平二极管结的面积不同。
6.根据示例3至5中任一项所述的系统，其中所述集成光子器件包括在所述半导体器件层中被形成在所述第一二极管结构下方的波导，并且其中所述第二二极管结构的所述水平二极管结位于所述波导中。
7.根据示例1所述的系统，其中所述第一二极管结构和所述第二二极管结构被形成在被设置在所述半导体器件层上方的掺杂半导体材料的叠层中。
8.根据示例7所述的系统，其中所述掺杂半导体材料的叠层从下到上依次包括：第一掺杂类型的掺杂第一层、第二掺杂类型的掺杂第二层、所述第一掺杂类型的掺杂第三层、本征第四层、和所述第二掺杂类型的掺杂第五层，其中所述第一掺杂类型是n型掺杂或p型掺杂中的一种并且所述第二掺杂类型是n型掺杂或p型掺杂中的另一种。
9.根据示例8所述的系统，其中所述第一二极管结构被形成在所述第三层、所述第四层和所述第五层中，并且其中所述第二二极管结构被形成在所述第一层和所述第二层中。
10.根据示例1所述的系统，其中所述第一二极管结构被形成在被设置在所述半导体器件层上方的掺杂半导体材料的第一叠层中，并且所述第二二极管结构被形成在邻近所述第一叠层被设置在所述半导体器件层上方的掺杂半导体材料的第二叠层中。
11.根据示例1至10中任一项所述的系统，其中所述半导体器件层是硅器件层，并且所述第一二极管结构包括III-V族化合物半导体材料。
12.根据示例1至11中任一项所述的系统，其中所述带隙温度传感器还包括电子电路，所述电子电路包括用于向所述第二二极管结构的二极管供应恒定电流的恒定电流源以及用于读出跨所述第二二极管结构的所述二极管的电压的读出电路。
13.根据示例12所述的系统，其中所述第二二极管结构包括两个二极管，并且所述电子电路包括用于向所述两个二极管供应恒定电流的两个恒定电流源，所述读出电路用于读出跨所述两个二极管两者的电压。
14.根据示例13所述的系统，其中所述两个二极管的二极管结面积不同。
15.根据示例13所述的系统，其中所供应的所述恒定电流在所述两个二极管之间不同。
16.一种制造具有用于测量集成光子器件的温度的集成带隙温度传感器的光子集成电路的方法，所述方法包括：半导体材料叠层接合到半导体衬底，所述掺杂半导体材料的叠层从下到上依次包括第一掺杂类型的掺杂第一层、第二掺杂类型的掺杂第二层、所述第一掺杂类型的掺杂第三层、本征第四层、和所述第二掺杂类型的掺杂第五层，其中所述第一掺杂类型是n型掺杂或p型掺杂中的一种并且第二掺杂类型是n型掺杂或p型掺杂中的另一种；图案化和蚀刻对所述掺杂半导体材料的叠层图案化和蚀刻以形成：第一二极管结构，包括在被形成在所述第一层至所述第三层中的底部条带上方被形成在所述第四层和所述第五层中的二极管台面，以及第二二极管结构，在所述第一层与所述第二层之间形成二极管结，所述第二二极管结构邻近所述第一二极管结构但是不与所述第一二极管结构相连；以及建立产生与所述第一二极管结构内的所述第三层和所述第五层的金属连接以及与所述第二二极管结构内的所述第一层和所述第二层的金属连接，其中所述第一二极管结构形成所述光子器件的一部分，并且所述第二二极管结构形成所述带隙温度传感器的一部分。
17.根据示例16所述的方法，还包括：在将所述掺杂半导体材料的叠层接合到所述衬底之前，对所述衬底的半导体器件层图案化以在所述半导体器件层中产生所述光子器件的波导，所述第一二极管结构被形成在所述波导上方。
18.根据示例16所述的方法，其中所述半导体器件层是硅器件层，并且所述掺杂半导体材料的叠层包括III-V族化合物半导体材料。
19.一种制造具有用于测量集成光子器件的温度的集成带隙温度传感器的光子集成电路的方法，所述方法包括：在衬底的半导体器件层中产生形成所述带隙温度传感器的水平二极管结的p型掺杂区和n型掺杂区；对所述半导体器件层图案化以在所述水平二极管结的平面中产生波导，并且与所述水平二极管结重叠；将掺杂半导体材料的叠层在所述波导和所述水平二极管结上方将掺杂半导体材料的叠层接合到所述衬底，所述掺杂半导体材料的叠层包括被夹在掺杂的顶层和底层之间的本征层；图案化和蚀刻对所述掺杂半导体材料的叠层图案化和蚀刻以形成所述光子器件的二极管结构；以及产生与所述水平二极管结的所述n型掺杂区和所述p型掺杂区的金属连接以及与所述光子器件的所述二极管结构的所述顶层和所述底层的金属连接。
20.根据示例19所述的方法，其中所述半导体器件层是硅器件层，并且所述掺杂半导体材料的叠层包括III-V族化合物半导体材料。
尽管已经参考特定示例实施例描述了本发明主题，但是很清楚的是，在不脱离本发明主题的更广范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应当被认为是说明性的而不是限制性的。