[发明专利]一种基于径向结叠层结构的三原色光电探测方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种用于区分可见光波段不同颜色的视网膜光电探测技术，特别是关于利用径向结叠层结构的腔体模式耦合特性、仅仅使用一种半导体材料(非晶硅a-Si:H)就可以实现对至少三种颜色可见光的探测。

二、技术背景

随着电子技术的飞速发展，人们对图像采集和图像处理的要求越来越高。颜色区分在图像采集中起着至关重要的作用，现代电子型社会对颜色检查和颜色品质控制提出了严格的要求。所以，颜色传感技术是现代颜色测量仪器的核心技术之一，它不仅可以在工业领域代替人眼对产品颜色差异做出客观评价实现统一的工业检测标准，甚至可以在仿生领域实现人造视网膜等医学性功能。

现阶段典型的RGB(红绿蓝三原色)颜色区分方法可以分为两种，一种是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红绿蓝滤光片，分析通过不同滤光片的颜色比例来确定颜色；另一种就是利用至少两种不同禁带宽度的感光材料构成几个不同的结区对不同波段的入射光探测，然后得到入射光内的波段分布。这两种方法，要么是在器件复杂度，外接电路模块，电路复杂性上存在较大劣势，要么就是材料制备比较复杂，结区制作比较繁琐，探测性能更会随着使用时间的增长而降低。

三、发明内容

针对上述问题，本发明的目的是，提供一种用于视网膜三原色光电探测的新型径向结叠层结构，该种结构有如下几个明显的优点：所用探测材料便宜且容易制备；灵敏度较高；工作电压低；同时有望提高器件稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于三原色光电探测的新型径向结叠层结构，其特征在于：在竖直硅纳米线表面覆盖生长多层不同掺杂类型的非晶硅，形成两层由内而外的PIN结构；并在两层结构之间淀积一层ITO透明导电膜以探测内外两层的光电探测响应电流；基于得到的径向结结构的腔体模式耦合特性，外层PIN结构的本征非晶硅作为吸收层对短波段(偏蓝)的入射光有较强响应；内层PIN结构的的本征非晶硅对长波段(偏红)的光有较强响应；当内外两层串联时，光响应波段是两者的交集部分，实现只用一种探测材料对可见光波段内三原色的分别探测；而且由于该探测技术利用的是两层p-i-n结构对不同波段的响应差，所以即使在弱光条件下也可以很好地区分。

所述用于感光的半导体材料的非晶硅可以由多晶硅、纳米晶硅或非晶锗取代；只要在目标探测波段内能产生光生载流子的任意一种半导体材料。

进一步的，用于视网膜三原色区分的径向结叠层结构光电探测结构：以P型掺杂的竖直硅纳米线构成三维支架，并包覆多层不同掺杂类型的非晶硅构成叠层PIN结构；纳米支架的形貌可以是纳米线，纳米柱或纳米金字塔结构中的一种或几种的组合。

衬底使用重掺硅片，普通玻璃片，石英片或不锈钢金属片等一系列廉价衬底。

所述用于三原色光电探测的径向结叠层结构的纳米支架的形貌是纳米线，纳米柱，纳米棒或纳米金字塔结构中的一种或几种的组合。

所述用于构成径向结叠层构架的纳米线阵列结构可以由自下而上的诱导方式生长而成，也可以使用自上而下的刻蚀方式形成纳米线阵列，刻蚀方式包括溶液法湿法刻蚀或者RIE干法刻蚀等。

利用径向结结构的陷光效应(light-trapping)，可大大增强该叠层p-i-n结构对入射光的吸收响应，提高响应电流从而提高探测灵敏度。这意味着可以使用更薄的吸收层(<100nm)来获得相对于平面结构(1～2)同样大小甚至更大的光电响应，大大节约了材料使用。

所述硅纳米线的诱导金属是Sn，也可以是In，Au，Fe，Ni，Ga，Al等常用催化剂。此处用Sn诱导是因为Sn的熔点较低，这样可以便于在玻璃等廉价衬底上制备纳米线径向结叠层结构。

所述纳米线结构和薄膜制备的方法是，等离子化学气相沉积(PECVD)也可以是低压气相沉积(LPCVD)，化学气相沉积(CVD)，激光烧蚀沉积(LAD)，热蒸发，电子束蒸发(EBE)，磁控溅射，溶胶－凝胶法等。

所述作为三维构架的硅纳米线和外层薄膜的掺杂技术是在生长过程或者薄膜沉积过程中通入掺杂气体PH₃或者B₂H₆从而实现N型或P型掺杂。也可以利用扩散或离子注入等方法获得不同掺杂类型的薄膜从而获得叠层PIN结构。

所述多层薄膜的掺杂方式可以是淀积过程中通入PH₃或B₂H₆等掺杂气源，也可以是沉积后利用扩散或离子注入等方式实现掺杂分别生长N型非晶硅或P型非晶硅。