一种基于径向结叠层结构的三原色光电探测方法
一种基于径向结叠层结构的三原色光电探测方法
【专利说明】
一、技术领域
[0001]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_S1:H)就可以实现对至少三种颜色可见光的探测。
二、技术背景
[0002]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。
[0003]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】
[0004]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。
[0005]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-1-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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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?lOOnm)来获得相对于平面结构(I?2)同样大小甚至更大的光电响应，大大节约了材料使用。
[0012]所述娃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。
[0013]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，溶胶一凝胶法等。
[0014]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？成或者B 2H6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。
[0015]所述多层薄膜的掺杂方式可以是淀积过程中通入？成或B 2H6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。
[0016]具体而言，用于视网膜三原色区分的径向结叠层结构制备方法(基于径向结叠层结构的三原色光电探测器制备)，其步骤包括:
[0017]I)采用厚度为0.2?0.5mm的普通玻璃片或者重掺硅片作为基底；
[0018]2)采用常规清洗方法基底表面，如果是玻璃衬底，清洗后溅射一层(1nm左右)的掺铝氧化锌(AZO)薄膜作为底电极；
[0019]3)在基底表面蒸镀一层I?2nm的Sn作为催化剂；
[0020]4)在PECVD中氢气plasma处理从而形成约20?40nm的Sn颗粒；升温用VLS方法生长；在520°C下通入硅烷和硼烷生长直径40nm左右，长度I微米左右的P型硅纳米线阵列；
[0021]5)在PECVD中200°C下依次沉积大约50nm的本征氢化非晶硅和1nm的N型非晶硅构成内层的PIN结构；然后再用磁控溅射溅射一层大约50nm厚的ITO作为中间透明电极；
[0022]6)然后再在PECVD中200°C下依次沉积约1nm的P型非晶硅、约30nm的本征氢化非晶硅和约1nm的N型非晶硅构成外层的PIN结构；接着再用磁控溅射溅射一层大约50nm的ITO薄膜作为顶电极；
[0023]7)最后再用shadow mask蒸镀Ag作为栅线。
[0024]本发明有益效果:本发明结构仅需要一种成本低廉且制备工艺成熟的制备半导体材料非晶硅(a_S1:H)的结结构，就可以实现对红绿蓝三种颜色的光电探测。用径向结结构的腔体模式耦合特性，在PECVD硅烷和掺杂气体氛围下，用低熔点金属(Sn或In等)在廉价衬底上诱导生长大规模的竖直硅纳米线阵列，并包裹多层不同掺杂类型的非晶硅形成叠层的P-1-n结构，并用氧化铟锡(ITO)作为透明电极，由于内外层本征非晶硅对不同波段入射光的光谱响应不同，可以通过采集并比较内外层的电流响应，从而实现可见光全波段内三原色的光电探测。由于该结构的工作电压由PIN结构的开路电压决定，所以工作电压较低；并且灵敏度较好。
[0025]本发明工作电压低于IV，并且灵敏度较高，即使在弱光环境下也能有较好的分辨率。该技术巧妙地利用径向结结构的腔体模式耦合特性，利用PECVD薄膜淀积技术在低熔点金属(Sn或In等)诱导生长的竖直硅纳米线上包裹多层不同掺杂浓度的非晶硅形成叠层的p-1-n结构，并用氧化铟锡(ITO)作为透明电极。本发明采用一种基于纳米线阵列的径向结叠层结构，实现仅用一种探测材料达到至少三种颜色的光电探测需求。在该结构中，竖直硅纳米线阵列提供了一种大规模的三维结构，制备工艺成熟。非晶硅作为沉积工艺简单方便且廉价的半导体材料在光电探测和光电集成方面被广泛使用。通过在纳米线阵列周围包裹叠层PIN结构，由于以纳米线或纳米柱为支架的三维径向结结构对不同波段入射光在腔模式耦合和模式选择方面的物理特性，短波段的入射光首先会被外层的本征非晶硅吸收产生一个外层PIN结构的光生电流；长波段的入射光会更容易被耦合进内层更靠近纳米线阵列的本征非晶硅层从而产生一个内层PIN结构的光生电流；而当探测该器件上下两端时，整体的感应电流是内外层两 个PIN结光生电流的较小值，来源于内外两层本征非晶硅的吸收交集，即中波段区域。基于这个原理，就实现了仅仅使用一种探测材料对不同波段入射光的探测。除此之外，由于该结构的厚度主要由纳米线的长度决定，所以大大减小了器件厚度和尺寸，节约了所覆盖材料的使用。另外，由于该探测器件的工作电压由内外结的开压大小决定，低于IV。综上所述，该种径向结叠层结构在新型三原色光电探测方面展示出了较大的优势。
四、【附图说明】
[0026]图1为本发明中径向结叠层结构的三维示意图和剖视图。
五、【具体实施方式】
[0027]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1，对本发明进一步详细说明。图中A、B、C为电极，具有叠层PIN结构。
[0028]I)采用厚度约为1_的普通玻璃片作为基底；
[0029]2)采用常规清洗方法基底表面，清洗后溅射一层I左右的掺铝氧化锌(AZO)薄膜作为底电极；
[0030]3)在基底表面蒸镀一层I?2nm的Sn薄膜作为催化剂；
[0031]4)在PECVD中在320，功率10W，30Pa下氢气处理5分钟，形成直径大小约20?40nm大小的Sn颗粒；升温到520下通入硅烷和硼烷，功率20W下生长直径40nm左右，长度约I的P型硅纳米线阵列。
[0032]5)在PECVD中200，20W，30Pa下依次沉积大约50nm的本征氢化非晶硅和通入磷烷沉积约1nm的N型非晶硅构成内层的PIN结构；然后再用磁控溅射溅射一层大约50nm厚的ITO作为中间透明电极；
[0033]6)然后再在PECVD中200，20W，30Pa下依次沉积约1nm的P型非晶硅(通入硼烷掺杂)、约30nm的本征氢化非晶硅和约1nm的N型非晶硅(通入磷烷掺杂)构成外层的PIN结构；接着再用磁控溅射溅射一层大约50nm的ITO薄膜作为顶电极。
[0034]7)最后再用shadow mask蒸镀Ag作为栅线。
[0035]该种径向结叠层结构巧妙地利用了光的腔模式效应，通过结构的整体控制仅利用一种禁带宽度的探测材料实现了三种颜色的光电探测。实际上，我们可以通过调节两个本征非晶硅层的厚度，来使内外PIN结的吸收差更明显从而获得更高的探测分辨率。
[0036]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于三原色光电探测的径向结叠层结构，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；利用的是两层p-1-n结构对不同波段的响应差。2.根据权利要求所述的径向结叠层结构，其特征在于:所述用于感光的半导体材料的非晶硅由多晶硅、纳米晶硅或非晶锗取代；是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。3.根据权利要求所述的径向结叠层结构，其特征在于:所述竖直硅纳米线是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。4.根据权利要求3所述的径向结叠层结构，其特征在于: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。5.根据权利要求3所述的径向结叠层结构，其特征在于:所述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。6.用于三原色光电探测的径向结叠层结构的制备方法，其特征在于所述用于构成径向结叠层构架的纳米线阵列结构由自下而上的诱导方式生长而成，或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。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述诱导方式生长的方法中，诱导硅纳米线生长的金属可以是Sn，In，Au，Fe，Ni，Ga，Al等常用催化剂。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于纳米线阵列结构由自下而上的诱导方式生长为纳米线结构和薄膜制备，采用等离子化学气相沉积(PECVD)、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，溶胶一凝胶法等。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于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B 2H6从而实现N型或P型掺杂；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；所述纳米线和薄膜制备采用等离子化学气相沉积(PECVD)、低压气相沉积(LPCVD)Jt学气相沉积(CVD)、激光烧蚀沉积(LAD)、电子束蒸发(EBE)或磁控溅射，溶胶一凝胶法；所述多层薄膜的掺杂方式可以是淀积过程中通入？4或B 2H6等掺杂气源，或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。10.根据权利要求6-9之一所述的制备方法，其特征在于步骤包括: 1)采用厚度为0.2-0.5mm的普通玻璃片或者重掺硅片作为基底； 2)采用常规清洗方法基底表面，如果是玻璃衬底，清洗后溅射一层的掺铝氧化锌(AZO)薄膜作为底电极； 3)在基底表面蒸镀一层I?2nm的Sn作为催化剂； 4)在PECVD中氢气plasma处理从而形成约20?40nm的Sn颗粒；升温用VLS方法生长；在520°C下通入硅烷和硼烷生长直径40nm左右，长度I微米左右的P型硅纳米线阵列；5)在PECVD中200°C下依次沉积大约50nm的本征氢化非晶硅和1nm的N型非晶硅构成内层的PIN结构；然后再用磁控溅射溅射一层大约50nm厚的ITO作为中间透明电极； 6)然后再在PECVD中200°C下依次沉积约1nm的P型非晶硅、约30nm的本征氢化非晶硅和约1nm的N型非晶硅构成外层的PIN结构；接着再用磁控溅射溅射一层大约50nm的ITO薄膜作为顶电极； 7)最后再用shadowmask蒸镀Ag作为栅线。
【专利摘要】本发明公开了一种用于三原色光电探测的径向结叠层结构，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，实现对可见光波段内三原色的分别探测；而且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。该径向结叠层结构用于视网膜三原色的光电探测技术在节约材料，缩减工艺，降低电压，提高灵敏度，以及工作稳定性等方面展示出了极大的优势。
【IPC分类】H01L31/0352, H01L31/20, H01L31/105
【公开号】CN104900746
【申请号】CN201510246893
【发明人】余林蔚, 钱晟一, 于忠卫, 陆嘉文, 朱光耀
【申请人】南京大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月14日
【专利说明】
一、技术领域
[0001]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_S1:H)就可以实现对至少三种颜色可见光的探测。
二、技术背景
[0002]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。
[0003]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】
[0004]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。
[0005]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-1-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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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?lOOnm)来获得相对于平面结构(I?2)同样大小甚至更大的光电响应，大大节约了材料使用。
[0012]所述娃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。
[0013]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，溶胶一凝胶法等。
[0014]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？成或者B 2H6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。
[0015]所述多层薄膜的掺杂方式可以是淀积过程中通入？成或B 2H6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。
[0016]具体而言，用于视网膜三原色区分的径向结叠层结构制备方法(基于径向结叠层结构的三原色光电探测器制备)，其步骤包括:
[0017]I)采用厚度为0.2?0.5mm的普通玻璃片或者重掺硅片作为基底；
[0018]2)采用常规清洗方法基底表面，如果是玻璃衬底，清洗后溅射一层(1nm左右)的掺铝氧化锌(AZO)薄膜作为底电极；
[0019]3)在基底表面蒸镀一层I?2nm的Sn作为催化剂；
[0020]4)在PECVD中氢气plasma处理从而形成约20?40nm的Sn颗粒；升温用VLS方法生长；在520°C下通入硅烷和硼烷生长直径40nm左右，长度I微米左右的P型硅纳米线阵列；
[0021]5)在PECVD中200°C下依次沉积大约50nm的本征氢化非晶硅和1nm的N型非晶硅构成内层的PIN结构；然后再用磁控溅射溅射一层大约50nm厚的ITO作为中间透明电极；
[0022]6)然后再在PECVD中200°C下依次沉积约1nm的P型非晶硅、约30nm的本征氢化非晶硅和约1nm的N型非晶硅构成外层的PIN结构；接着再用磁控溅射溅射一层大约50nm的ITO薄膜作为顶电极；
[0023]7)最后再用shadow mask蒸镀Ag作为栅线。
[0024]本发明有益效果:本发明结构仅需要一种成本低廉且制备工艺成熟的制备半导体材料非晶硅(a_S1:H)的结结构，就可以实现对红绿蓝三种颜色的光电探测。用径向结结构的腔体模式耦合特性，在PECVD硅烷和掺杂气体氛围下，用低熔点金属(Sn或In等)在廉价衬底上诱导生长大规模的竖直硅纳米线阵列，并包裹多层不同掺杂类型的非晶硅形成叠层的P-1-n结构，并用氧化铟锡(ITO)作为透明电极，由于内外层本征非晶硅对不同波段入射光的光谱响应不同，可以通过采集并比较内外层的电流响应，从而实现可见光全波段内三原色的光电探测。由于该结构的工作电压由PIN结构的开路电压决定，所以工作电压较低；并且灵敏度较好。
[0025]本发明工作电压低于IV，并且灵敏度较高，即使在弱光环境下也能有较好的分辨率。该技术巧妙地利用径向结结构的腔体模式耦合特性，利用PECVD薄膜淀积技术在低熔点金属(Sn或In等)诱导生长的竖直硅纳米线上包裹多层不同掺杂浓度的非晶硅形成叠层的p-1-n结构，并用氧化铟锡(ITO)作为透明电极。本发明采用一种基于纳米线阵列的径向结叠层结构，实现仅用一种探测材料达到至少三种颜色的光电探测需求。在该结构中，竖直硅纳米线阵列提供了一种大规模的三维结构，制备工艺成熟。非晶硅作为沉积工艺简单方便且廉价的半导体材料在光电探测和光电集成方面被广泛使用。通过在纳米线阵列周围包裹叠层PIN结构，由于以纳米线或纳米柱为支架的三维径向结结构对不同波段入射光在腔模式耦合和模式选择方面的物理特性，短波段的入射光首先会被外层的本征非晶硅吸收产生一个外层PIN结构的光生电流；长波段的入射光会更容易被耦合进内层更靠近纳米线阵列的本征非晶硅层从而产生一个内层PIN结构的光生电流；而当探测该器件上下两端时，整体的感应电流是内外层两 个PIN结光生电流的较小值，来源于内外两层本征非晶硅的吸收交集，即中波段区域。基于这个原理，就实现了仅仅使用一种探测材料对不同波段入射光的探测。除此之外，由于该结构的厚度主要由纳米线的长度决定，所以大大减小了器件厚度和尺寸，节约了所覆盖材料的使用。另外，由于该探测器件的工作电压由内外结的开压大小决定，低于IV。综上所述，该种径向结叠层结构在新型三原色光电探测方面展示出了较大的优势。
四、【附图说明】
[0026]图1为本发明中径向结叠层结构的三维示意图和剖视图。
五、【具体实施方式】
[0027]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1，对本发明进一步详细说明。图中A、B、C为电极，具有叠层PIN结构。
[0028]I)采用厚度约为1_的普通玻璃片作为基底；
[0029]2)采用常规清洗方法基底表面，清洗后溅射一层I左右的掺铝氧化锌(AZO)薄膜作为底电极；
[0030]3)在基底表面蒸镀一层I?2nm的Sn薄膜作为催化剂；
[0031]4)在PECVD中在320，功率10W，30Pa下氢气处理5分钟，形成直径大小约20?40nm大小的Sn颗粒；升温到520下通入硅烷和硼烷，功率20W下生长直径40nm左右，长度约I的P型硅纳米线阵列。
[0032]5)在PECVD中200，20W，30Pa下依次沉积大约50nm的本征氢化非晶硅和通入磷烷沉积约1nm的N型非晶硅构成内层的PIN结构；然后再用磁控溅射溅射一层大约50nm厚的ITO作为中间透明电极；
[0033]6)然后再在PECVD中200，20W，30Pa下依次沉积约1nm的P型非晶硅(通入硼烷掺杂)、约30nm的本征氢化非晶硅和约1nm的N型非晶硅(通入磷烷掺杂)构成外层的PIN结构；接着再用磁控溅射溅射一层大约50nm的ITO薄膜作为顶电极。
[0034]7)最后再用shadow mask蒸镀Ag作为栅线。
[0035]该种径向结叠层结构巧妙地利用了光的腔模式效应，通过结构的整体控制仅利用一种禁带宽度的探测材料实现了三种颜色的光电探测。实际上，我们可以通过调节两个本征非晶硅层的厚度，来使内外PIN结的吸收差更明显从而获得更高的探测分辨率。
[0036]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于三原色光电探测的径向结叠层结构，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；利用的是两层p-1-n结构对不同波段的响应差。2.根据权利要求所述的径向结叠层结构，其特征在于:所述用于感光的半导体材料的非晶硅由多晶硅、纳米晶硅或非晶锗取代；是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。3.根据权利要求所述的径向结叠层结构，其特征在于:所述竖直硅纳米线是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。4.根据权利要求3所述的径向结叠层结构，其特征在于: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。5.根据权利要求3所述的径向结叠层结构，其特征在于:所述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。6.用于三原色光电探测的径向结叠层结构的制备方法，其特征在于所述用于构成径向结叠层构架的纳米线阵列结构由自下而上的诱导方式生长而成，或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。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述诱导方式生长的方法中，诱导硅纳米线生长的金属可以是Sn，In，Au，Fe，Ni，Ga，Al等常用催化剂。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于纳米线阵列结构由自下而上的诱导方式生长为纳米线结构和薄膜制备，采用等离子化学气相沉积(PECVD)、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，溶胶一凝胶法等。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于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B 2H6从而实现N型或P型掺杂；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；所述纳米线和薄膜制备采用等离子化学气相沉积(PECVD)、低压气相沉积(LPCVD)Jt学气相沉积(CVD)、激光烧蚀沉积(LAD)、电子束蒸发(EBE)或磁控溅射，溶胶一凝胶法；所述多层薄膜的掺杂方式可以是淀积过程中通入？4或B 2H6等掺杂气源，或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。10.根据权利要求6-9之一所述的制备方法，其特征在于步骤包括: 1)采用厚度为0.2-0.5mm的普通玻璃片或者重掺硅片作为基底； 2)采用常规清洗方法基底表面，如果是玻璃衬底，清洗后溅射一层的掺铝氧化锌(AZO)薄膜作为底电极； 3)在基底表面蒸镀一层I?2nm的Sn作为催化剂； 4)在PECVD中氢气plasma处理从而形成约20?40nm的Sn颗粒；升温用VLS方法生长；在520°C下通入硅烷和硼烷生长直径40nm左右，长度I微米左右的P型硅纳米线阵列；5)在PECVD中200°C下依次沉积大约50nm的本征氢化非晶硅和1nm的N型非晶硅构成内层的PIN结构；然后再用磁控溅射溅射一层大约50nm厚的ITO作为中间透明电极； 6)然后再在PECVD中200°C下依次沉积约1nm的P型非晶硅、约30nm的本征氢化非晶硅和约1nm的N型非晶硅构成外层的PIN结构；接着再用磁控溅射溅射一层大约50nm的ITO薄膜作为顶电极； 7)最后再用shadowmask蒸镀Ag作为栅线。
【专利摘要】本发明公开了一种用于三原色光电探测的径向结叠层结构，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，实现对可见光波段内三原色的分别探测；而且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。该径向结叠层结构用于视网膜三原色的光电探测技术在节约材料，缩减工艺，降低电压，提高灵敏度，以及工作稳定性等方面展示出了极大的优势。
【IPC分类】H01L31/0352, H01L31/20, H01L31/105
【公开号】CN104900746
【申请号】CN201510246893
【发明人】余林蔚, 钱晟一, 于忠卫, 陆嘉文, 朱光耀
【申请人】南京大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月14日
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