專利名稱：用于分子診斷學(xué)中的探測的光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光二極管，并且尤其涉及用于分子診斷學(xué)中的探測的光二 極管。
背景技術(shù)：
通過利用光束照明生物樣品并探測散射的光，能夠分析生物樣品。為 了能夠探測存在還是不存在特定的生物樣品的生物標(biāo)本或分子，熒光方法
是有用的，生物標(biāo)本或分子例如為DNA、 RNA、細胞和抗體。熒光方法利 用能夠結(jié)合到生物樣品的分子的特定位置的標(biāo)記劑。當(dāng)利用光束照明樣品 時，標(biāo)記劑將發(fā)射波長與照明束的波長不同的光。
通過利用要分析的樣品中的特定的目標(biāo)分子鍵合到對應(yīng)的探針分子的 能力，能夠確定存在還是不存在特定的目標(biāo)分子，探針分子例如是存在于 探測系統(tǒng)中的。例如，如果利用標(biāo)記劑來標(biāo)記目標(biāo)分子，并且如果目標(biāo)分 子隨后結(jié)合到探針分子，則如果探測到熒光，就能夠證實存在目標(biāo)分子。 該目標(biāo)-探針分子對的范例是抗體-抗原、細胞-抗體組合和受體-配體對。另 外的范例包括例如DNA-DNA對、RNA-RNA對以及DNA-RNA混合物的 鍵合或雜交。
為了探測從標(biāo)記劑發(fā)射的光，探測系統(tǒng)必需能夠探測源自標(biāo)記的試劑 的發(fā)射的輻射的具有特定波長的輻射。這是個問題，因為生物樣品發(fā)射的 光典型地具有照明光和從標(biāo)記劑發(fā)射的光的波長。因此，能夠在照明光和 從標(biāo)記劑發(fā)射的光的波長之間進行區(qū)別的方法將是有利的。
同時，具有用于在照明光和發(fā)射的光的波長之間進行區(qū)別的簡單方法 將是有益的。
US 6867420公開了用于探測電泳微芯片和微陣列中的熒光地標(biāo)記的分 析物的最小化光激發(fā)和探測器系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用小型集成部件、光收集、 光學(xué)熒光濾光、以及用于探測的非晶a-Si:H探測器。利用近似的聚集和/或微透鏡系統(tǒng)實現(xiàn)光的收集。光學(xué)濾光由集成的光學(xué)濾光器實現(xiàn)。US 6867420 公開了一種探測系統(tǒng)，其中發(fā)射的光由集成的光學(xué)濾光器濾光并利用光探 測器來探測該光。然而，US 6867420中的探測系統(tǒng)不簡單。
因此，改進的探測系統(tǒng)是有利的，并且尤其是更有效的和/或可靠的探 測系統(tǒng)將是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明優(yōu)選地尋求緩和、減輕或消除一個或多個上述缺陷，單 獨地或以任何組合的形式。特別是，通過提供能夠在波長之間進行區(qū)別的 簡單的探測系統(tǒng)來提供解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題的探測系統(tǒng)可以視為本發(fā) 明的目的。
通過提供光二極管，在本發(fā)明的第一方面獲得了此目的和數(shù)個其它目
的，所述光二極管包括
-摻雜有第一雜質(zhì)的第一半導(dǎo)體層，所述第一半導(dǎo)體層適于接收入射輻 射，所述入射輻射具有中心波長至少為350nm的譜分布；
-摻雜有第二雜質(zhì)的第二半導(dǎo)體層；
-第三半導(dǎo)體區(qū)，當(dāng)利用所述入射輻射的至少部分來激發(fā)所述第三半導(dǎo) 體區(qū)時，其能夠產(chǎn)生自由電子和自由空穴，其中
-所述入射輻射包括具有第一譜分布和第二譜分布的輻射，其中，所 述第一譜分布從所述第二譜分布發(fā)生了譜移；
-所述第一半導(dǎo)體層能夠吸收具有所述第一譜分布的入射輻射，其 中，對具有所述第一譜分布的輻射的所述吸收對光電流沒有顯著貢獻； -所述第一半導(dǎo)體層能夠透射具有所述第二譜分布的所述入射輻射；
以及
-由具有所述第二譜分布的輻射產(chǎn)生的所述第三半導(dǎo)體區(qū)中的所述 自由電子和自由空穴產(chǎn)生光電流。
通過提供具有能夠吸收具有第一譜分布的入射輻射而不產(chǎn)生顯著的光 電流并能夠透射具有第二譜分布的入射輻射的第一半導(dǎo)體層的光二極管， 對于獲得能夠在波長之間進行區(qū)別的簡單的探測系統(tǒng)，本發(fā)明是特別有用 的，但是不排它。因此，光二極管可以執(zhí)行波長的期望的區(qū)別或過濾，因為通過使用簡單的光二極管，光二極管能夠在第一和第二譜分布之間進行
區(qū)別。因此，光二極管能夠光學(xué)地濾除具有第一譜分布的輻射，并同時探
測具有第二譜分布的輻射。
第一半導(dǎo)體層能夠吸收具有第一譜分布的入射輻射是有利的，其中， 對具有第一譜分布的輻射的吸收對光電流沒有顯著貢獻。因此，第一譜分
布的光電流和第二譜分布的光電流的比率不顯著，因為根據(jù)第一半導(dǎo)體層
的吸收百分比，比率小于1/80，優(yōu)選地小于1/90或更優(yōu)選地小于1/99。
光二極管可以提供簡單的探測系統(tǒng)或器件，其另外可以是易于生產(chǎn)的， 并且由此，通過光二極管也可以實現(xiàn)便宜的探測系統(tǒng)。
期望具有的光二極管或光探測器足夠簡單，并且有足夠的過濾能力來 濾除具有第一譜分布的輻射，使得光二極管或光探測器能夠制作于探測裝 置中或與探測裝置集成，探測裝置諸如是微全分析系統(tǒng)、片上實驗室或分 子診斷系統(tǒng)(MDx)。通過根據(jù)本發(fā)明第一方面的光二極管可以解決該期望 的目的。
還期望具有的光二極管或光探測器足夠簡單和足夠便宜，以用于諸如 分子診斷系統(tǒng)(MDx)的手持探測裝置中。通過根據(jù)本發(fā)明第一方面的光 二極管可以解決該期望的目的。
光二極管可以與探測裝置集成可以是優(yōu)點，因為這可以消除污染敏感 的探測電子設(shè)備的風(fēng)險。期望具有節(jié)省成本的光二極管，其具有過濾能力 而不利用昂貴的外部濾光器。通過根據(jù)本發(fā)明第一方面的光二極管可以實 現(xiàn)該期望的目的。
光二極管的第一半導(dǎo)體層具有厚度，所述厚度適于在所述第一半導(dǎo)體 層的體積內(nèi)吸收具有所述第一譜分布的輻射。因為期望具有具備過濾能力 的簡單的光二極管，此目的可以如下來實現(xiàn)調(diào)整第一半導(dǎo)體層的厚度以 吸收具有第一譜分布的輻射，使得獲得僅歸因第一半導(dǎo)體層的厚度的過濾 能力。
第一半導(dǎo)體層的該厚度可以大于100nm，優(yōu)選地大于200nm或更優(yōu)選 地大于300nm，以使得光二極管能夠在第一和第二譜分布之間進行區(qū)別。
換句話說，能夠?qū)⒌谝话雽?dǎo)體層的厚度選擇成使得第一半導(dǎo)體層能夠 吸收具有所述第一譜分布的所述入射輻射的至少80%，優(yōu)選地至少90%或更優(yōu)選地至少99%。具有具備能夠吸收例如入射輻射的至少99%的第一半 導(dǎo)體層的光二極管是有利的，因為至少99%的吸收對應(yīng)于第一譜分布的至 少99%的濾除。
在實施例中，第三半導(dǎo)體區(qū)是安置于所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半 導(dǎo)體層之間的本征半導(dǎo)體材料的第三層。該光二極管稱作PIN 二極管或NIP 二極管。光二極管為PIN或NIP光二極管是有利的，因為歸因于產(chǎn)生較高 光電流、具有較低暗泄漏以及對具有第二譜分布的入射輻射的較高的靈敏 度的能力，該光二極管可以具有改善的性能。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的光二極管可以具有摻雜有受主雜質(zhì)、為p摻雜 層的第一半導(dǎo)體層以及相應(yīng)地摻雜有施主雜質(zhì)、為n摻雜層的第二半導(dǎo)體。 替代地，光二極管可以具有摻雜有施主雜質(zhì)、為n摻雜層的第一半導(dǎo)體層 以及相應(yīng)地摻雜有受主雜質(zhì)、為p摻雜層的第二半導(dǎo)體層。p摻雜層和n摻 雜層相對于各自的第一和第二半導(dǎo)體層的順序的選擇同時適用于第一類型 的光二極管(其中第三半導(dǎo)體區(qū)由第一半導(dǎo)體層的部分和第二半導(dǎo)體層的 部分構(gòu)成)和第二類型的光二極管(其中第三半導(dǎo)體區(qū)是安置于第一半導(dǎo) 體層和第二半導(dǎo)體層之間的本征半導(dǎo)體材料的第三層)。
第一譜分布和第二譜分布之間的譜移可以是至少50nm，優(yōu)選地至少 100nm，或更優(yōu)選地至少200nm。譜移或斯托克斯位移是至少200nm是有 益的，因為大的譜移改善了光二極管作出的對波長的區(qū)別或過濾的效果。
第一半導(dǎo)體層和/或第二半導(dǎo)體層可以由諸如非晶硅(a-Si)、非晶碳化 硅(a-SiC)、微晶Si以及低溫多晶Si的半導(dǎo)體材料制成。不同的半導(dǎo)體材 料能夠用于半導(dǎo)體層是有利的，因為不同的半導(dǎo)體材料可以具有不同的吸 收能力。因此，通過選擇特定的半導(dǎo)體材料，可以優(yōu)化光二極管濾除具有 第一譜分布的輻射，同時探測具有第二譜分布的輻射的能力。不同的半導(dǎo) 體材料還可以具有其它優(yōu)點，例如關(guān)于探測靈敏度、噪聲、成本、產(chǎn)品品 質(zhì)等。
光二極管可以具有施加于第一半導(dǎo)體層的頂面上的抗反射涂層。在第 一半導(dǎo)體層的頂面上具有抗反射涂層是有利的，因為抗反射涂層可以提高 透射到第一半導(dǎo)體層中的入射輻射的量。
在第二方面，本發(fā)明涉及一種探測裝置，其能夠探測生物物質(zhì)的樣品的目標(biāo)分子的存在或不存在，并且可選地探測所述目標(biāo)分子的量，所述探 測裝置包括
-處理器件，適于設(shè)置有包含目標(biāo)分子的所述樣品，所述處理器件還適 于設(shè)置有用于與所述目標(biāo)分子鍵合的探針分子，其中，利用具有發(fā)光性質(zhì) 的標(biāo)記劑來標(biāo)記所述目標(biāo)分子和/或探針分子，其中，當(dāng)利用具有對應(yīng)于所 述第一譜分布的譜分布的輻射來照明所述標(biāo)記劑時，所述標(biāo)記劑發(fā)射具有 第二譜分布的輻射；
-照明器，能夠利用具有對應(yīng)于所述第一譜分布的譜分布的輻射來照明 所述樣品；以及
-根據(jù)本發(fā)明第一方面的光二極管，能夠接收包括所述第一譜分布和所 述第二譜分布的發(fā)射的輻射，所述發(fā)射的輻射是從所述樣品發(fā)射的，其中 -所述第一譜分布從所述第二譜分布發(fā)生了譜移； -所述光二極管能夠吸收具有所述第一譜分布的輻射，而對光電流沒 有顯著貢獻，所述輻射在所述第一半導(dǎo)體層中被吸收，并且所述吸收是 具有所述第一譜分布的所述輻射的至少80%;以及
-所述光二極管能夠產(chǎn)生可探測的光電流，所述可探測的光電流對應(yīng) 于具有所述第二譜分布的所述輻射，所述可探測的光電流是利用具有所 述第二譜分布的所述輻射來激發(fā)所述第三半導(dǎo)體區(qū)時，由所述第三半導(dǎo)
體區(qū)中自由電子和自由空穴的產(chǎn)生而引起的。 期望具有的探測裝置能夠通過探測例如來自標(biāo)記的目標(biāo)的熒光福射來 探測目標(biāo)分子的存在或不存在，并且可選地探測所述目標(biāo)分子的量。通過 包括根據(jù)本發(fā)明第一方面的光二極管的探測裝置實現(xiàn)了該期望的目的，因 為該光二極管能夠在具有第一譜分布的輻射和具有第二譜分布的輻射之間 進行區(qū)別。
生物物質(zhì)的樣品可以包括諸如細胞、阻止截面、DNA、蛋白質(zhì)、血液 以及尿的物質(zhì)。然而，樣品也可以包括其它生物物質(zhì)。因此，目標(biāo)分之可 以是生物物質(zhì)的樣品的分子。
來自照明器的輻射的方向可以垂直于第一半導(dǎo)體層的表面的法線，這 是有利的，因為這減小了入射到光二極管上的具有第一譜分布的輻射的量。
探測裝置可以包括第二處理器件，第二處理器件能夠通過聚合酶鏈反應(yīng)來放大DNA的濃度。將諸如聚合酶鏈反應(yīng)的其它處理能力集成到探測裝 置是有利的，因為這可以提高探測裝置的可用性。
在第三方面，本發(fā)明涉及一種用于探測生物物質(zhì)的樣品中的目標(biāo)的方 法，所述方法包括
-給探測裝置設(shè)置用于與目標(biāo)分子鍵合的探針分子，其中，利用具有發(fā)
光性質(zhì)的標(biāo)記劑來標(biāo)記所述目標(biāo)分子和/或探針分子，其中，當(dāng)利用具有對
應(yīng)于所述第一譜分布的譜分布的輻射來照明所述標(biāo)記劑時，所述標(biāo)記劑發(fā) 射具有第二譜分布的輻射；
-給所述探測裝置設(shè)置包含目標(biāo)分子的所述樣品； -利用具有對應(yīng)于所述第一譜分布的譜分布的輻射來照明所述樣品； -通過使用根據(jù)本發(fā)明第一方面的光二極管來接收從所述樣品發(fā)射的輻 射，所述發(fā)射的輻射包括所述第一譜分布和所述第二譜分布，其中 -所述第一譜分布從所述第二譜分布發(fā)生了譜移； -所述光二極管吸收具有所述第一譜分布的輻射，而對光電流沒有顯 著貢獻，所述輻射在所述第一半導(dǎo)體層中被吸收，并且所述吸收是具有 所述第一譜分布的所述輻射的至少80%;以及
-所述光二極管產(chǎn)生對應(yīng)于具有所述第二譜分布的所述輻射的可探 測的光電流，所述可探測的光電流是利用具有所述第二譜分布的所述輻 射來激發(fā)所述第三半導(dǎo)體區(qū)時，由所述第三半導(dǎo)體區(qū)中自由電子和自由 空穴的產(chǎn)生而引起的。
本發(fā)明的第一、第二以及第三方面的每個方面都可以與任何其它方面 組合。本發(fā)明的這些和其它方面將從以下描述的實施例變得明顯并且將參 照以下描述的實施例來闡述這些和其它方面。


現(xiàn)在參照附圖僅以范例的方式來解釋本發(fā)明，其中
圖1是熒光探測系統(tǒng)的示例；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的PIN光二極管的示例；
圖3示出了示出根據(jù)本發(fā)明的p層半導(dǎo)體厚度和入射輻射的波長之間 的關(guān)系的曲線圖；圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明的、透射通過p摻雜的非晶硅第一半導(dǎo)體層的 入射輻射功率的光透射；
圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明的、透射通過p摻雜的碳化硅第一半導(dǎo)體層的 入射輻射功率的光透射；
圖4c示出了根據(jù)本發(fā)明的、波長為600nm和400nm的輻射透射通過 具有不同的光學(xué)帶隙的半導(dǎo)體層的光透射比率； 圖5是根據(jù)本發(fā)明的PN型光二極管的示例； 圖6是能夠探測樣品中目標(biāo)分子的存在的探測裝置的基本簡圖； 圖7根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1是熒光探測系統(tǒng)的示例，其中，利用照明束120來照明放置在某 個板111上或容器111中的生物材料的樣品或分析物110。由探測器140來 探測來自樣品110和板111的散射的、反射的、衍射的、發(fā)光和/或熒光輻 射130形式的發(fā)射的輻射。
樣品110包含目標(biāo)分子，該目標(biāo)分子與探針分子起反應(yīng)，使得目標(biāo)結(jié) 合到探針上。在將樣品IIO施加到板111上之前，可以將探針分子設(shè)置在板 111上，使得探針粘附到板111上。目標(biāo)分子和探針分子對的范例是抗體-抗原對、細胞-抗體組合、DNA對的鏈、RNA對的鏈、抗體-抗原對和受體 -配體對。
目標(biāo)分子或探針分子能夠設(shè)置或聯(lián)接有具有發(fā)光或熒光性質(zhì)的標(biāo)記 劑。因此，如果目標(biāo)分子與探針分子匹配，則目標(biāo)分子將鍵合到探針分子。 通過洗掉任何未反應(yīng)的目標(biāo)分子，使得僅剩下反應(yīng)的目標(biāo)-探針分子對(假 定包含樣品的目標(biāo)能夠鍵合到粘附的探針)，能夠通過探測來自標(biāo)記劑的發(fā) 光或熒光發(fā)射的輻射來確證目標(biāo)分子的存在、不存在、以及可選地數(shù)量。
替代地，探針能夠設(shè)置或聯(lián)接有具有發(fā)光或熒光性質(zhì)的標(biāo)記劑。附著 于探針的標(biāo)記劑具有僅在對應(yīng)的探針與匹配目標(biāo)已發(fā)生反應(yīng)時才發(fā)射熒光 輻射的性質(zhì)。
當(dāng)已經(jīng)利用熒光標(biāo)記劑標(biāo)記了樣品110時，發(fā)射的輻射BO包含源自 標(biāo)記的試劑的熒光輻射形式的輻射。然而，發(fā)射的輻射130還包含散射、反射和/或衍射輻射形式的輻射。照明束120的部分由標(biāo)記劑吸收，并且由
于熒光而作為與照明束120的波長具有不同波長的輻射重新發(fā)射。照明束 120的其它部分例如從板或容器111或從生物樣品110的其它部分引起散 射、反射、衍射。因此，主要由于散射、反射以及衍射，發(fā)射的輻射130 將包含具有第一譜分布Wi的輻射，并且由于熒光，發(fā)射的光130還將包含 具有第二譜分布Wf的光。這里以及下面，當(dāng)參照己經(jīng)標(biāo)記的樣品時，這等 同地理解為己經(jīng)標(biāo)記了樣品的目標(biāo)。
第一譜分布Wi可以等同于或?qū)?yīng)于照明束120的譜分布Wib。由于樣 品llO和板lll或容器lll中的光吸收，第一譜分布Wi可以不同于照明束 120的譜分布Wib。然而，照明束120的譜分布Wib能夠?qū)?yīng)于第一譜分布 Wi或反之亦然。
標(biāo)記劑具有吸收來自具有譜分布Wib的照明束120的入射輻射，并且 隨后響應(yīng)于吸收光而發(fā)射具有第二譜分布Wf的光的能力。
.因此，發(fā)射的輻射130同時包含具有第一譜分布Wi和第二譜分布Wf 的輻射。
照明束120的譜分布Wib和第二譜分布Wf之間的譜移是由標(biāo)記劑的 熒光性質(zhì)引起的。譜移也稱作斯托克斯(Stokes)位移。
標(biāo)記劑的特征在于波長區(qū)間，在該波長區(qū)間中，標(biāo)記劑能夠被最有效 地激發(fā)使得它們以熒光發(fā)射來進行響應(yīng)。因此，當(dāng)照明束120的譜分布Wib 對應(yīng)于其中標(biāo)記劑被最有效地激發(fā)的波長區(qū)間時，標(biāo)記劑被最有效地激發(fā)。 熒光發(fā)射產(chǎn)生具有第二譜分布Wf的散射輻射。
可以例如在包括400nm的波長的波長區(qū)間中激發(fā)標(biāo)記劑。如果標(biāo)記劑 具有例如200nm的譜移，則當(dāng)利用具有中心波長約為400nm的譜分布的輻 射來照明標(biāo)記劑時，標(biāo)記劑將利用具有位于600nm附近的第二譜分布的熒 光發(fā)射來進行響應(yīng)。
譜分布的中心波長可以例如理解為譜分布的輻射具有最大強度的波長。
不同的標(biāo)記劑能夠用于標(biāo)記生物材料的樣品110的分子。例如，量子 點、熒光團、發(fā)色團、染料、發(fā)光納米粒子、納米棒、珠子以及金粒子能 夠用作標(biāo)記劑。量子點能夠是任一半導(dǎo)體納米粒子的金屬，其中，粒子直徑小，以致量子限制效應(yīng)引起在分離的原子或固體中不可得到的獨特的光學(xué)和電子學(xué)性質(zhì)以及不可得到的電子性質(zhì)。與例如熒光團相比，量子點具有寬帶吸收譜的優(yōu)點。對能量在帶隙能量以上的光子的吸收導(dǎo)致產(chǎn)生電子-空穴對(或激子)。在較高的能量(即較短波長)處，吸收的可能性增大并因此導(dǎo)致寬帶吸收譜。激子的輻射復(fù)合導(dǎo)致以窄的對稱能帶發(fā)射光子。激子的長壽命
(通常大于10ns)和量子點的窄的發(fā)射譜優(yōu)于例如熒光團。
存在大量類型的量子點；例如可調(diào)諧為發(fā)射915nm以下任何地方的波長的InP量子點；硅量子點；由諸如CdS、 CdSe、以及CdTe (II-VI材料)，InP和InAs (III-V材料)，PbSe (IV-IV材料)的半導(dǎo)體材料合成的量子點。
標(biāo)記劑的類型不限于上述那些類型，因此，可以等同地使用其它類型的發(fā)光劑用于標(biāo)記樣品110。類似地，量子點的列表不限于上述那些，因為可以等同地使用由其它材料合成的量子點。
標(biāo)記劑不必理解為僅包括諸如量子點的發(fā)光或熒光劑。即，為了使標(biāo)記劑聯(lián)接或結(jié)合到樣品110的分子，可以將標(biāo)記劑的發(fā)光劑與能夠結(jié)合到樣品IIO的分子的標(biāo)簽接合。該標(biāo)簽包括識別半族(moiety)、配體、以及帶電的適配器分子，其經(jīng)由靜電相互作用與發(fā)光或熒光劑接合。其它聯(lián)接方法包括共價附著和硫醇-交換反應(yīng)。如何聯(lián)接生物分子到量子點的范例包括50jil量子點溶液(2nM)、 30^1 EDC (100mM)、 30^1 sNHS (100mM)以及90pl蛋白質(zhì)(15pM)，接著培養(yǎng)2小時并隨后利用旋轉(zhuǎn)過濾器純化。能夠例如在參考文獻中找到標(biāo)記劑如何結(jié)合到分子、目標(biāo)或探針的細節(jié)Nanotechnologies for the life sciences, Volume 1: "BiofUnctionalization ofNanomaterials", Edited by Challa Kumar， Wiley-VCH, 2005。
圖2示例了 PIN光二極管200，其包括摻雜有第一類雜質(zhì)的第一半導(dǎo)體層211、本征(未慘雜的)半導(dǎo)體層212以及摻雜有第二類雜質(zhì)的第二半導(dǎo)體層213。
當(dāng)?shù)谝话雽?dǎo)體層211摻雜有受主雜質(zhì)(其具有的電子比將它鍵合到半導(dǎo)體材料所需的電子少)時，第一半導(dǎo)體層211稱作p摻雜層，因為受主雜質(zhì)能夠接收來自價帶的一個或多個電子。從而，受主雜質(zhì)成為負離子，并且在價帶中產(chǎn)生自由空穴。當(dāng)?shù)诙雽?dǎo)體層213摻雜有施主雜質(zhì)(其具有的價電子比將它鍵合到半導(dǎo)體材料所需的價電子多)時，第二半導(dǎo)體層213稱作n摻雜層。施主雜質(zhì)成為正離子，并且在導(dǎo)帶中產(chǎn)生自由電子。
本征層212不包含凈受主或施主雜質(zhì)，并且因此在價帶中沒有自由空穴，或在導(dǎo)帶中不具有自由電子。這使得其電學(xué)上為高阻材料。
價帶頂和導(dǎo)帶底在能量上由所謂的帶隙Eg分開。在晶體半導(dǎo)體中，這是禁止的能量區(qū)，即電子不可以具有存在于此帶隙內(nèi)的能量。在非晶半導(dǎo)體中，在帶隙中存在連續(xù)的態(tài)密度，但是態(tài)密度非常小，典型地比帶邊的幅度小五或六個量級。當(dāng)光子入射到半導(dǎo)體上時，如果光子能量能夠?qū)㈦娮訌膬r帶提升到容許的能態(tài)，則光子將被吸收。在晶體半導(dǎo)體中，有效地在帶隙中不存在容許的態(tài)，而在非晶半導(dǎo)體中，帶隙中的態(tài)密度低，以致帶隙內(nèi)容許的躍遷非常不可能。這意味著對于晶體和非晶半導(dǎo)體，僅當(dāng)光子能量大得足夠?qū)㈦娮訌膬r帶直接激發(fā)到導(dǎo)帶邊以上時，才會發(fā)生強的光吸收。此激發(fā)將電子移動到導(dǎo)帶中，并在價帶中留下自由空穴，電子在導(dǎo)帶中成為自由電子。這是公知的電子-空穴對的產(chǎn)生。
應(yīng)當(dāng)理解，光子或輻射可以在第一半導(dǎo)體層211、本征層212或第二半導(dǎo)體層213的任一層中被吸收。
如果電子-空穴對形成于沒有電場或幾乎沒有電場的區(qū)中，則電子和空穴往往會保持在靠近的空間附近并復(fù)合，不給予傳感器有用的信號。如果它們產(chǎn)生于具有強電場的區(qū)中，則在它們能夠復(fù)合之前它們會有好的機會分開并在電極處被提取，對探測器信號有貢獻。電場能夠是從外部施加的或是歸因于慘雜區(qū)和本征硅之間的電接觸的本征層212中的帶彎曲的結(jié)果。在重摻雜區(qū)中產(chǎn)生的電子-空穴對不產(chǎn)生可以感知的電流，重摻雜區(qū)諸如是器件的n和p區(qū)。在n區(qū)的情況下，這是因為導(dǎo)帶已經(jīng)包含由雜質(zhì)離子施予的高密度電子，并且這些電子中的一個與空穴非常迅速地復(fù)合，從而消除了對的產(chǎn)生。另外，n區(qū)中的場非常弱，因為其是高導(dǎo)電的，并且所以對在空穴復(fù)合前將空穴移向?qū)Ь€起作用的力是非常小的。同樣，在p區(qū)中，高密度的空穴產(chǎn)生由光子產(chǎn)生的電子的迅速復(fù)合。然而，在本征區(qū)中，沒有自由載流子來復(fù)合電子-空穴對，并且因為材料不如摻雜區(qū)那么導(dǎo)電并因此具有較高的場梯度，所以載流子分開快。因此，在本征層212中，自由電子241能夠遷移到n摻雜層并且自由空穴242能夠遷移到p摻雜層，在 那里它們被收集并然后作為電流I通過導(dǎo)線221和222，電流I的方向由箭 頭223表示。
在圖2中，光二極管布置成使得從生物材料的樣品110發(fā)射的入射輻 射231和232撞擊p摻雜層211的頂面214。因此，頂面214可以適于接收 入射輻射。
抗反射涂層245也可以施加于p層的頂面214上?？狗瓷渫繉?45能 夠增加透射到p摻雜層中的入射輻射的量?？狗瓷渫繉邮强蛇x的并且不必 設(shè)置在層的頂面214上。
圖2中，入射輻射231示例具有第一譜分布Wi的入射輻射，而入射輻 射232示例具有第二譜分布Wf的輻射。由于第一和第二譜分布的波長中的 差異，并且由于光二極管的p層、n層以及本征層的吸收性質(zhì)的波長依賴性， 所以不同的波長將透射至光二極管的不同層和層內(nèi)的不同深度。如圖2中 示例的，具有第一譜分布Wi的入射輻射231 (例如朝向譜的藍端)將在p 層211中被完全吸收，或至少基本上被完全吸收。具有第二譜分布Wf的入 射輻射232 (例如朝向譜的紅端)將透射通過p層并進入本征層。從而，入 射輻射232將在p層中被部分吸收，而剩余的輻射232將透射至本征層212 中，在本征層中它將被吸收。
P層中對具有第一和第二譜分布的入射輻射231和232的吸收的百分比 依賴于p層的厚度Tp和第一和第二譜分布Wi和Wf的波長。
能夠例如通過用等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積非晶硅來制 造光二極管200的半導(dǎo)體層211-213。用于制作光二極管200的非晶硅層 211-213的沉積速率能夠例如在10nm/min和100nm/min之間變化。
可以利用具有中心空隙的金屬環(huán)接觸部或通過在表面上沉積透明導(dǎo)電 材料來設(shè)置導(dǎo)線221-222和第一及第二導(dǎo)體層211及213之間的電接觸。例 如，透明導(dǎo)電材料可以是氧化銦錫。
能夠在例如以下文獻中找到光二極管的物理細節(jié)Semiconductor Devices, Physics and Technology, 2nd edition, S.M. Sze。 能夠在例如以下參 考文獻中找到氫化非晶硅光二極管的尤其深入的考慮Hydrogenated amorphous silicon, R.A. Street.圖3示出了示出對于p層中吸收的輻射的不同的百分比，p層211的厚 度Tp和入射輻射的波長W之間的關(guān)系的曲線圖。圖3中的曲線圖表示由p 摻雜的非晶硅a-Si制成的p層。橫坐標(biāo)示出了入射光的波長W，而縱坐標(biāo) 示出了p層的厚度。標(biāo)記有百分比50%、 90%以及99%的三條曲線示出了 在有50%、 90%以及99%的入射輻射被吸收時，作為波長W的函數(shù)的厚 度Tp。如關(guān)于圖2所概述的，p層中的吸收不對光電流起顯著作用。
從圖3可以看到，如果具有第一譜分布Wi的入射輻射231靠近400nm 的波長W，如果具有第二譜分布Wf的入射輻射232靠近600nm的波長W， 并且如果p層的厚度Tp是100nm，則波長400nm的入射輻射的99%將在 p層中被吸收，而波長約580nm的入射輻射的僅50X將被吸收。換句話說， 400nm和580nm輻射的1 %和50%將透射至本征層212中。
取500nm的厚度Tp，則基本上波長400nm的所有入射輻射都會在p 層211中被吸收，而將分別吸收和透射波長600nm的入射輻射的90%和10 %。
應(yīng)當(dāng)理解，即使參照具有例如400nm波長的入射輻射，也應(yīng)當(dāng)理解此 入射輻射實際上具有對應(yīng)于400nm的波長的譜分布。g卩，例如，峰幅度、 平均譜值或譜分布的中心值可以靠近或等于400nm的波長。
從而，通過選擇p層211的合適的厚度，例如300nm，具有特定輻射 的入射輻射將被完全吸收，或至少在第一半導(dǎo)體層，例如p層211，的體積 內(nèi)基本上被吸收。
根據(jù)圖3，評估第一半導(dǎo)體211的合適的厚度，以便第一半導(dǎo)體能夠吸
收特定波長的入射輻射是可能的。從而，如果具有第一譜分布的入射輻射 對應(yīng)于例如400nm的波長，則圖3示出了大于100nm的厚度Tp將引起至 少99%的吸收。類似地，大于200nm的厚度將引起甚至更大的吸收，并且 大于300nm的厚度可能引起大于99.9%的吸收。通過選擇lpm的厚度Tp， 波長400nm或靠近400nm (諸如405nm的波長)的所有或基本上所有入射 輻射將被吸收。
從而，即使第一半導(dǎo)體層211的厚度Tp在從100nm至lpm的區(qū)間中 選擇，也將會有足夠量的具有例如波長600nm的第二譜分布的輻射透射到 本征層212中，并引起可探測的光電流I。換句話說，第一導(dǎo)體層應(yīng)當(dāng)能夠吸收至少80%，優(yōu)選90%或更優(yōu)選99
%的具有第一譜分布的入射輻射。這將確保將充分吸收具有第一譜分布(例
如400nm)的輻射，同時將具有第二譜分布的輻射充分透射到本征層212 中。
例如，生物材料的樣品110已經(jīng)標(biāo)記有標(biāo)記劑，該標(biāo)記劑能夠有效地 吸收來自具有對應(yīng)于405nm的波長的譜分布Wib的照明束120的輻射。標(biāo) 記劑具有約200nm的譜移，或斯托克斯位移，使得標(biāo)記劑發(fā)射具有對應(yīng)于 約600nm的波長的第二譜分布。如果第一半導(dǎo)體層具有例如300nm的厚度， 則將僅探測到具有600nm的波長的發(fā)射的輻射，因為具有405nm的波長的 輻射將被在第一半導(dǎo)體層中吸收。
從而，即使與具有600nm的波長的入射輻射相比，具有405nm的波長 的入射輻射具有較大的強度，405nm的輻射也將不會干擾對600nm的輻射 的探測。因此，能夠以高分辨率探測具有對應(yīng)于600nm波長的第二譜分布 的入射輻射。
照明束120的入射輻射的譜分布的波長或中心波長可以對應(yīng)于具有 350nm、 375nm、 473nm、 405nm、 442nm以及490nm的波長的藍或紫-藍色， 這些波長能夠由激光器、半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管產(chǎn)生。也能夠?qū)?yīng) 于紫外或紫色的入射輻射的譜分布的中心波長，其波長在從380nm下至 200nm或甚至下至10nm的范圍中，用于樣品110的照明。能夠由iw激光 器、uv半導(dǎo)體激光器或uv發(fā)光二極管產(chǎn)生從380nm下至200nm范圍中的 波長，例如262nm、 266nm、 349nm、 351nm或355nm。波長從500nm至 830nm并且可能上至1555nm的綠、紅以及紅外色區(qū)中的較大的波長也可以 用于激發(fā)標(biāo)記劑。
產(chǎn)生照明束120的照明源可以是半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、放電燈 或發(fā)光二極管。照明源的列表不是窮舉的，并且可以等同地使用其它照明 源。
由于第一半導(dǎo)體層211的吸收性質(zhì)，光二極管200能夠探測與入射高 強度輻射混合的入射低強度輻射，其中，低強度輻射具有的譜分布從高強 度輻射的譜分布發(fā)生了譜移。從而，光二極管具有譜過濾能力，使得光二 極管能夠濾出具有特定譜分布的輻射。即使不使用昂貴的濾光器，例如濾色器、二向色濾光器或法布里-帕羅
標(biāo)準(zhǔn)具，光二極管200也能夠執(zhí)行對應(yīng)于該濾光器的光學(xué)濾光。同時，實
現(xiàn)了簡單和便宜的光探測器，因為不需要附加的濾光器，并且不需要安裝
該濾光器。從而，通過利用第一半導(dǎo)體層211的吸收能力，實現(xiàn)了簡單、 緊湊的光和便宜的光探測器。
第一半導(dǎo)體層211、本征層212以及第二半導(dǎo)體層213能夠由不同的半 導(dǎo)體材料制成，例如非晶硅(a-Si)、非晶碳化硅(a-SiC)、微晶Si、用于 塑料/聚合電子技術(shù)中的材料、以及從用于集成電路生產(chǎn)的傳統(tǒng)晶體技術(shù)所 知的晶體硅。通過例如對非晶硅進行激光退火而生產(chǎn)的低溫多晶Si也可以 用于半導(dǎo)體層。對半導(dǎo)體材料的選擇不限于上述材料，能夠使用例如其它 的非晶硅合金。例如第一半導(dǎo)體層211也能夠由不同于用于第二半導(dǎo)體層 213的材料制成。
用于摻雜第一半導(dǎo)體層211和第二半導(dǎo)體層213的材料能夠分別是受 主和施主雜質(zhì)，且分別來自周期表的3和5族。最常用的受主摻雜劑是B、 Al、 Ga以及In，并且最常用的施主摻雜劑是P、 As以及Sb。這些能夠在 沉積期間從氣相最容易地引入到非晶硅中，例如通過在PECVD反應(yīng)器中加 入乙硼烷或磷化氫氣體。替代地，有時通過固態(tài)擴散來進行摻雜，例如從 與非晶硅接觸的A1電極。
能夠通過選擇用于第一半導(dǎo)體層211中的材料來調(diào)整透射通過第一半 導(dǎo)體層的具有第一譜分布的入射輻射和具有第二譜分布的入射輻射的輻射 功率的比率。
圖4a示出了針對400nm的入射輻射和600nm的入射輻射，透射通過 厚度為Tp的第一半導(dǎo)體層211的入射輻射功率的光透射Tr。圖4a中，第 一半導(dǎo)體層211的材料是p摻雜的非晶硅(pa-Si)，其典型地具有對應(yīng)于約 775nm的輻射波長的光學(xué)帶隙，1.6-1.65eV的Eg。
圖4b示出了類似的曲線圖，其中，第一半導(dǎo)體材料是p摻雜的非晶碳 化硅(p a-SiC)，其典型地具有對應(yīng)于約650nm的輻射波長的光學(xué)帶隙， 1.9eV的Eg。從而，圖4b示出了針對400nm和600nm的入射輻射，透射 通過厚度為Tp的第一半導(dǎo)體層211的入射輻射功率的光透射Tr。
因為非晶碳化硅(p a-SiC)的光學(xué)帶隙Eg比非晶硅(p a-Si)的光學(xué)帶隙大，所以對于相等厚度Tp，圖4b中光學(xué)透射Tr比圖4a中的大。與 a-SiC材料相比，在a-Si材料中，針對600nm的輻射的光透射Tr作為厚度 Tp的函數(shù)下降更迅速。因此，透射的600nm的輻射和透射的400nm的輻 射的比率在p摻雜的非晶碳化硅(pa-SiC)中比在p摻雜的非晶硅(pa-Si) 中大。
當(dāng)入射輻射包含400nm和600nm的輻射時，與600nm的輻射的透射相 比，如果期望提高入射的400nm的輻射的吸收，以優(yōu)化濾光效果，并且以 便提高探測分辨率，則可以優(yōu)選p摻雜的非晶碳化硅用于第一半導(dǎo)體層211。
圖4c作為層厚Tp的函數(shù)示出了透射通過具有1.6eV和1.9eV的光學(xué)帶 隙Eg的半導(dǎo)體層的波長為600nm和400nm的輻射的光透射比率 Tr(600)/Tr(400)。標(biāo)記有Eg 1.6eV的曲線給出了通過非晶硅層的光透射比率 Tr(600)/Tr(400)，而標(biāo)記有Eg 1.9eV的曲線給出了通過非晶碳化硅層的光透 射比率Tr(600)/Tr(400)。從而，從圖4c，清楚地，針對非晶碳化硅的第一半 導(dǎo)體層的光透射比率Tr(600)/Tr(400)比針對非晶硅的第一半導(dǎo)體層的光透 射比率Tr(600)/Tr(400)增加更迅速。
在入射輻射具有對應(yīng)于400nm的第一譜分布和入射輻射具有對應(yīng)于 600nm的第二譜分布的范例中，譜移或斯托克斯位移為約200nm。當(dāng)使用 具有更小譜移的其它類型的標(biāo)記劑時，具有第二和第一譜分布的透射的輻 射的比率將降低。例如，如果第一譜分布的波長對應(yīng)于400nm，而第二譜 分布的波長對應(yīng)于500nm，由于100nm的斯托克斯位移，對于給定的半導(dǎo) 體材料和給定的厚度Tp，光透射比率Tr(500)/Tr(400)將小于光透射比率 Tr(600)/Tr(400)。
因此，如果第一譜分布和第二譜分布之間的譜移是至少30nm或50nm， 則具有第一和第二譜分布的入射輻射的光透射中的差異將提供足夠的濾光 效果來濾除具有第一譜分布的入射輻射，使得可以以足夠高的分辨率來探 測具有第二譜分布的入射輻射。
當(dāng)?shù)谝蛔V分布和第二譜分布之間的譜移是至少例如100nm時，則具有 第一和第二譜分布的入射輻射的光透射中的差異將提供甚至更強的濾光效
果射，使得可以以甚至更高的分辨率來探測具有第二譜分布的入射輻射。 結(jié)果，如果譜移是至少200nm，則濾光效果將甚至更顯著，使得可以以非常高的分辨率來探測具有第二譜分布的入射輻射。
結(jié)合圖2中所示的光探測器，入射輻射231和232入射到p摻雜的第 一半導(dǎo)體層211上。該二極管稱作PIN二極管。替代地，第一半導(dǎo)體層能 夠是n摻雜的半導(dǎo)體層，而第二半導(dǎo)體層213能夠是p摻雜的半導(dǎo)體層。 即使n摻雜的半導(dǎo)體層的吸收性質(zhì)典型地不同于相同材料(例如a-SO的p 摻雜的半導(dǎo)體層，如結(jié)合圖2、 3、 4a、 4b以及4c描述的，p摻雜的半導(dǎo)體 材料的吸收性質(zhì)也適用與n摻雜的半導(dǎo)體材料。因此，將省去n摻雜的半 導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體層的吸收性質(zhì)的詳細描述。
圖5是PN型光二極管500的示例。PN型光二極管500不同于圖2中 示例的PIN二極管，主要在于以耗盡層512替代本征層212。因此，圖2 和圖5中的光二極管共有的特征分配有相同參考符號，并且因此，將省去 圖5中的PN光二極管與圖2中的PIN光二極管的特征相同的特征的詳細描 述。
.即使PN型光二極管500具有耗盡層512而PIN型光二極管200具有本 征層212， PN型光二極管500和PIN型光二極管的例如吸收能力和產(chǎn)生光 電流213的能力的一般行為是等同的。因此，耗盡層512和本征層212能 夠共同地稱作第三半導(dǎo)體區(qū)212、 512。從而，PN型光二極管500和PIN 型光二極管200能夠稱作在第一半導(dǎo)體層211、 511和第二半導(dǎo)體層213、 513之間具有第三半導(dǎo)體區(qū)212、 515。
PN光二極管500包括由p摻雜的半導(dǎo)體材料制成的第一半導(dǎo)體層511 ， 以及由n摻雜的半導(dǎo)體材料制成的第二半導(dǎo)體層513。入射輻射231和232 直接撞擊在p摻雜的半導(dǎo)體層的頂面214上，替代地，入射輻射231和232 可以在入射輻射撞擊頂面214之前透射通過抗反射涂層245。
因為在PN光二極管中省去了本征層212，所以p摻雜的半導(dǎo)體層511 與n摻雜的半導(dǎo)體層513直接電接觸。
當(dāng)p摻雜的半導(dǎo)體層511與n摻雜的半導(dǎo)體層513直接電接觸時，產(chǎn) 生延伸至p摻雜層511和n摻雜層512中的第三半導(dǎo)體區(qū)512。第三半導(dǎo)體 區(qū)512將被稱為由第一半導(dǎo)體層的部分和第二半導(dǎo)體層的部分構(gòu)成。
第三半導(dǎo)體區(qū)512稱作耗盡層，因為耗盡了此層的自由電子和空穴。 當(dāng)入射輻射231的光子進入第三半導(dǎo)體區(qū)512時，假定光子具有足夠的能量，則光子將產(chǎn)生自由電子542和自由空穴541。自由電子541將朝向n摻 雜的第二半導(dǎo)體層513傳播并進入其中，而空穴542將朝向p摻雜的第一 半導(dǎo)體層511傳播并進入其中。從而，入射輻射231將產(chǎn)生自由電子和空 穴流，該自由電子和空穴流將產(chǎn)生具有方向213的可探測的電流I。
可以顛倒圖5中的PN光二極管的p摻雜的第一半導(dǎo)體層511和n摻雜 的第二半導(dǎo)體層513來形成NP光二極管，其中，n摻雜層成為第一半導(dǎo)體 層511，而p摻雜層成為第二半導(dǎo)體層513。從而，在NP光二極管中，入 射輻射將撞擊n摻雜的半導(dǎo)體層的頂面214。
圖6是能夠探測樣品620、 110中存在生物物質(zhì)的探測裝置600的基本 簡圖。探測裝置600也可以稱作微全分析系統(tǒng)(微-tas)、片上實驗室或分 子診斷系統(tǒng)(MDx)。探測裝置包括處理器件640。處理器件可以是設(shè)置有 例如孔的透明容器，孔用于向容器供應(yīng)標(biāo)記的樣品620，標(biāo)記的樣品620包 括例如生物物質(zhì)的物種、分子、抗原、抗體、蛋白質(zhì)、細胞、組織切片、 DNA、血液以及尿，該生物物質(zhì)標(biāo)記有具有發(fā)光或熒光性質(zhì)的標(biāo)記劑。
處理器件640設(shè)置有粘附到例如鄰近于光二極管630、 200的底面的探 針分子。因此，樣品620的標(biāo)記的目標(biāo)分子能夠與先前施加于處理器件的 探針分子反應(yīng)。隨后，能夠洗掉任何未反應(yīng)的目標(biāo)分子，使得樣品620僅 或至少主要包含鍵合的目標(biāo)-探針對，該目標(biāo)-探針對具有連接至它們的標(biāo)記 劑。
包括分子、抗原、抗體、蛋白質(zhì)、細胞、組織切片、DNA、血液以及 尿的物質(zhì)的任何分子可以具有作為目標(biāo)分子的功能。例如，抗原可以用作 目標(biāo)，而抗體可以用作探針；或相反，抗體可以用作目標(biāo)，而抗原可以用 作探針。因此，探測裝置可以用作例如DNA微陣列或免疫測定。
探測裝置600也可以包括輻射源610，例如激光器、半導(dǎo)體激光器、或 發(fā)光二極管。輻射源能夠產(chǎn)生具有對應(yīng)于第一譜分布的譜分布Wib的照明 束611。
照明束611透射通過透明容器640，使得照明束照明樣品620。樣品620、 處理器件640、以及標(biāo)記的分子、標(biāo)記的抗原、標(biāo)記的抗體、或其它標(biāo)記的 分子發(fā)射具有第一譜分布和第二譜分布Wi和Wf的輻射621。可以由來自 標(biāo)記劑的熒光輻射的發(fā)射、散射、衍射、折射以及反射引起輻射612的發(fā)射。
發(fā)射的輻射621作為包括第一和第二譜分布的入射輻射傳輸?shù)接糜谔?測具有第二譜分布的輻射的光二極管630、 200中。光二極管630、 200產(chǎn) 生對應(yīng)于具有第二譜分布的輻射的光電流I。提供光電流I用于在端子631 進行進一歩的分析。替代地，可以由設(shè)置在探測裝置600中的處理單元或 計算機來分析光電流。
從而，通過探測和分析具有第二譜分布的輻射，能夠確定樣品620中 存在或不存在諸如AID、藥物和病毒的特定生物物質(zhì)。
探測裝置也可以布置成使得處理器件640能夠通過標(biāo)記樣品620的分 子來處理生物物質(zhì)的樣品。這能夠通過給處理器件提供固體或流體形式的 標(biāo)記劑來實現(xiàn)。因此，能夠?qū)]有標(biāo)記有標(biāo)記劑的生物物質(zhì)的樣品620注 入到處理器件640中，使得處理器件640可利用的標(biāo)記劑將標(biāo)記注入的樣 品620的物種/分子/抗原。
能夠?qū)⑻綔y裝置600布置為用于利用選自包括以下標(biāo)記劑的組的標(biāo)記 劑來進行操作量子點、熒光團、發(fā)色團、染料、發(fā)光納米粒子、納米管、 金粒子以及珠子。
包含供應(yīng)至處理器件640的生物物質(zhì)的標(biāo)記的或未標(biāo)記的分子的樣品 可以不同于諸如細胞、組織切片、DNA、蛋白質(zhì)、血液、尿的有機材料。
如圖6中所示，照明束611的方向垂直于第一半導(dǎo)體層211的表面的 法線。這是有利的，因為照明束611將不會直接撞擊到光二極管630、 200 上，并且因此，相對于不垂直于第一半導(dǎo)體層211的表面的法線的照明束 611，將入射到光二極管630、 200上的具有第一譜分布的輻射的量將被最 小化。然而，在探測裝置中也能夠使用照明束611的除垂直方向以外的其 它方向。
探測裝置600可以包括處理器件640以外的另外的處理器件，或替代 地可以在處理器件640中設(shè)置其它的功能。從而，可以使用處理器件，用 于通過聚合酶鏈反應(yīng)來放大DNA的濃度，用于通過使用微泵來產(chǎn)生樣品 620的流，通過使用電泳和用于提取DNA的細胞溶菌作用來分開樣品620。 此外，探測裝置500可以包括用于處理樣品620、 IIO的微流體通道以及用 于洗掉未反應(yīng)的目標(biāo)分子的器件。在光二極管200的應(yīng)用中，能夠利用具有不同譜移或斯托克斯位移的 不同標(biāo)記劑來標(biāo)記樣品620、 110。例如，具有區(qū)別的譜移50nm、 100nm、 150nm以及200nm的標(biāo)記劑可以用于標(biāo)記樣品620。例如，具有50nm的譜 移的標(biāo)記劑能夠連接或聯(lián)接至樣品110的第一類型的分子。具有謂nm的 譜移的另外的標(biāo)記劑能夠與樣品620的第二類型的分子連接或聯(lián)接。類似 地，其它的標(biāo)記劑能夠與其它分子聯(lián)接。
為了探測具有不同的第二譜分布Wif的熒光輻射，第二譜分布是例如 中心波長為450nm、 500nm、 550nm以及600nm的四個不同的譜分布，則 能夠使用四個不同的光二極管200，它們每個具有它們各自的第一半導(dǎo)體層 的特定厚度。例如，第一類型的光二極管200能夠具有的第一半導(dǎo)體層2H 具有吸收高達例如430nm的波長的厚度，使得探測到所有四個譜分布。第 二類型的光二極管200能夠具有的第一半導(dǎo)體層211具有吸收高達例如 480nm的波長的厚度，使得探測其余的三個譜分布(500nm、 550nm以及 600nm)。第三類型的光二極管200能夠具有的第一半導(dǎo)體層211具有吸收 高達例如530nm的波長的厚度，使得探測其余的兩個譜分布(550nm以及 600nm)。第四類型的光二極管200能夠具有的第一半導(dǎo)體層具有某一厚度， 使得僅探測譜分布的中心波長為600nm的輻射。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。用于探測生物物質(zhì)的樣品中的目 標(biāo)的方法包括步驟
Sl:提供具有用于與目標(biāo)分子鍵合的探針分子的探測裝置，其中，利 用具有發(fā)光性質(zhì)的標(biāo)記劑來標(biāo)記目標(biāo)分子或探針分子，其中，當(dāng)利用具有 對應(yīng)于第一譜分布的譜分布的輻射來照明所述標(biāo)記劑時，所述標(biāo)記劑發(fā)射 具有第二譜分布的輻射；
S2:提供包含目標(biāo)分子的樣品給探測裝置用于與探針分子鍵合；
S3:利用具有對應(yīng)于第一譜分布的譜分布的輻射來照明樣品；
S4:通過使用根據(jù)本發(fā)明的第一方面的光二極管來接收從樣品發(fā)射的 輻射，所述輻射包括第一譜分布和第二譜分布。
應(yīng)當(dāng)理解，在提到發(fā)光輻射時，這應(yīng)當(dāng)理解為包括但不限于熒光、 電致發(fā)光、磷光、反射和衍射。發(fā)射的輻射應(yīng)當(dāng)理解為包括，但不限于散 射的、反射的、衍射的發(fā)光和/或熒光輻射。還有，引用的分子應(yīng)當(dāng)?shù)韧乩斫鉃楹暧^分子、連接的分子的團、以及分子的片斷。
雖然結(jié)合具體實施例描述了本發(fā)明，但是其不是意在將其限制于于此 提出的特定形式。相反地，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限定。在權(quán)利 要求中，術(shù)語"包括"不排除存在其它元件或步驟。另外，雖然單獨的特 征可以包括在不同的權(quán)利要求中，但是有利地組合它們是可能的，并且不 同權(quán)利要求中涵蓋的內(nèi)容不暗示特征的組合不是可行的和/或有利的。另外， 單數(shù)引用不排除復(fù)數(shù)。從而，提到"一個"、"第一"、"第二"等不排除復(fù) 數(shù)。此外，權(quán)利要求中的參考符號不應(yīng)視為限制范圍。
權(quán)利要求
1、一種光二極管(200，500)，其包括-摻雜有第一雜質(zhì)的第一半導(dǎo)體層(211，511)，所述第一半導(dǎo)體層適于接收入射輻射(231，232)，所述入射輻射具有中心波長至少為350nm的譜分布；-摻雜有第二雜質(zhì)的第二半導(dǎo)體層(213，513)；-第三半導(dǎo)體區(qū)(212，512)，當(dāng)利用所述入射輻射(231，232)的至少部分來激發(fā)所述第三半導(dǎo)體區(qū)時，其能夠產(chǎn)生自由電子(241，541)和自由空穴(242，542)，其中-所述入射輻射(231，232)包括具有第一譜分布和第二譜分布的輻射，其中，所述第一譜分布從所述第二譜分布發(fā)生了譜移；-所述第一半導(dǎo)體層(211，511)能夠吸收具有所述第一譜分布的入射輻射(231)，其中，對具有所述第一譜分布的輻射的所述吸收對光電流(213)沒有顯著貢獻；-所述第一半導(dǎo)體層(211，511)能夠透射具有所述第二譜分布的所述入射輻射(232)；以及-由具有所述第二譜分布的輻射產(chǎn)生的所述第三半導(dǎo)體區(qū)(212，512)中的所述自由電子(241，541)和自由空穴(242，542)產(chǎn)生光電流(213)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光二極管，其中，所述第一半導(dǎo)體層(211， 511)具有厚度，所述厚度適于使具有所述第一譜分布的所述輻射在所述第 一半導(dǎo)體層的體積內(nèi)被吸收。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光二極管，其中，所述第一半導(dǎo)體層(211， 511)的所述厚度大于100nm，優(yōu)選地大于200nm或更優(yōu)選地大于300nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光二極管，其中，所述第一半導(dǎo)體層(211， 511)能夠吸收具有所述第一譜分布的所述入射輻射(231)的至少80%， 優(yōu)選地至少90%或更優(yōu)選地至少99% 。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光二極管，其中，所述第三半導(dǎo)體區(qū)(212， 512)是安置于所述第一半導(dǎo)體層(511)和所述第二半導(dǎo)體層(513)之間 的本征半導(dǎo)體材料的第三層(512)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的光二極管，其中，-所述第一半導(dǎo)體層(211， 511)是摻雜有受主雜質(zhì)的p摻雜層；以及 -所述第二半導(dǎo)體層(213， 513)是摻雜有施主雜質(zhì)的n摻雜層。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的光二極管，其中， -所述第一半導(dǎo)體層(211， 511)是摻雜有施主雜質(zhì)的n摻雜層；以及 -所述第二半導(dǎo)體層(213， 513)是摻雜有受主雜質(zhì)的p摻雜層。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的光二極管，其中，所述第一譜分布和所 述第二譜分布之間的所述譜移是至少50nm，優(yōu)選地至少100nm，或更優(yōu)選 地至少200nm。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光二極管，其中，所述第一譜分布和所述第 二譜分布之間的所述譜移由量子點引起。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的光二極管，其中，所述第一半導(dǎo)體層 (211， 511)和/或所述第二半導(dǎo)體層(213， 513)由選自包括下述材料的組中的材料制成a-Si、 a-SiC、微晶Si以及低溫多晶Si。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的光二極管，其中，在所述第一半導(dǎo)體 層(211， 511)的頂面(214)上施加抗反射涂層(245)。
12、 一種探測裝置(600)，其能夠探測生物物質(zhì)的樣品(620， 110) 的目標(biāo)分子的存在或不存在，并且可選地探測所述目標(biāo)分子的量，所述探 測裝置包括-處理器件(640)，適于設(shè)置有包含目標(biāo)分子的所述樣品(620)，所述 處理器件還適于設(shè)置有用于與所述目標(biāo)分子鍵合的探針分子，其中，利用 具有發(fā)光性質(zhì)的標(biāo)記劑來標(biāo)記所述目標(biāo)分子和/或探針分子，其中，當(dāng)利用 具有對應(yīng)于所述第一譜分布的譜分布的輻射來照明所述標(biāo)記劑時，所述標(biāo) 記劑發(fā)射具有第二譜分布的輻射；-照明器(610)，能夠利用具有對應(yīng)于所述第一譜分布的譜分布的輻射 (611)來照明所述樣品；以及-根據(jù)權(quán)利要求1所述的光二極管(630， 200)，能夠接收包括所述第一 譜分布和所述第二譜分布的發(fā)射的輻射，所述發(fā)射的輻射是從所述樣品 (620)發(fā)射的，其中-所述第一譜分布從所述第二譜分布發(fā)生了譜移； -所述光二極管能夠吸收具有所述第一譜分布的輻射，而對光電流沒 有顯著貢獻，所述輻射在所述第一半導(dǎo)體層中被吸收，并且所述吸收是 具有所述第一譜分布的所述輻射的至少80%;以及-所述光二極管(630， 200)能夠產(chǎn)生可探測的光電流(213)，所述 可探測的光電流(213)對應(yīng)于具有所述第二譜分布的所述輻射，所述 可探測的光電流是利用具有所述第二譜分布的所述輻射來激發(fā)所述第 三半導(dǎo)體區(qū)時，由所述第三半導(dǎo)體區(qū)中自由電子和自由空穴的產(chǎn)生而引起的。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的探測裝置(600)，其中，來自所述照明器 (610)的所述輻射(611)的方向垂直于所述第一半導(dǎo)體層(211)的表面的法線。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的探測裝置(600)，其中，所述標(biāo)記 劑包括量子點。
15、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的探測裝置(600)，其中，所述生物物質(zhì)的 所述樣品包括選自包括下述物質(zhì)的組中的物質(zhì)細胞、組織切片、DNA、血液、尿o
16、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的探測裝置(600)，還包括第二處理器件， 其能夠通過聚合酶鏈反應(yīng)來放大DNA的濃度。
17、 一種用于探測生物物質(zhì)的樣品(620， 110)中的目標(biāo)的方法，所 述方法包括-給探測裝置(600)設(shè)置用于與目標(biāo)分子鍵合的探針分子，.其中，利用 具有發(fā)光性質(zhì)的標(biāo)記劑來標(biāo)記所述目標(biāo)分子和/或探針分子，其中，當(dāng)利用 具有對應(yīng)于所述第一譜分布的譜分布的輻射(611)來照明所述標(biāo)記劑時， 所述標(biāo)記劑發(fā)射具有第二譜分布的輻射；-給所述探測裝置設(shè)置包含目標(biāo)分子的所述樣品(620);-利用具有對應(yīng)于所述第一譜分布的譜分布的輻射(611)來照明所述樣 品；以及-通過使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的光二極管(630， 200)來接收從所述 樣品發(fā)射的輻射，所述發(fā)射的輻射包括所述第一譜分布和所述第二譜分布， 其中-所述第 一譜分布從所述第二譜分布發(fā)生了譜移；-所述光二極管(630， 200)吸收具有所述第一譜分布的輻射，而對 光電流沒有顯著貢獻，所述輻射在所述第一半導(dǎo)體層中被吸收，并且所 述吸收是具有所述第一譜分布的所述輻射的至少80%;以及-所述光二極管(630， 200)產(chǎn)生對應(yīng)于具有所述第二譜分布的所述 輻射的可探測的光電流(213)，所述可探測的光電流是利用具有所述第 二譜分布的所述輻射來激發(fā)所述第三半導(dǎo)體區(qū)時，由所述第三半導(dǎo)體區(qū) 中自由電子和自由空穴的產(chǎn)生而引起的。
全文摘要
公開了一種光二極管(200)，例如PN或PIN光二極管。光二極管接收具有第一和第二譜分布的入射輻射，其中，第一譜分布從第二譜分布發(fā)生了譜移。光二極管具有第一半導(dǎo)體層(211)，第一半導(dǎo)體層(211)能夠吸收具有第一譜分布的入射輻射(231)而不產(chǎn)生光電流，并同時透射具有第二譜分布的入射輻射到本征層(212)中用于產(chǎn)生光電流(213)?？梢耘c探測目標(biāo)分子的存在來結(jié)合使用光二極管，該目標(biāo)分子標(biāo)記有諸如熒光團或量子點的標(biāo)記劑。標(biāo)記劑的特征在于斯托克斯位移，并且因此它們發(fā)射具有第二譜分布的熒光輻射，第二譜分布從具有第一譜分布的照明輻射發(fā)生了譜移。
文檔編號H01L31/105GK101490855SQ200780027582
公開日2009年7月22日 申請日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日
發(fā)明者I·弗倫奇, N·D·揚, P·J·范德扎格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司