[其他]光学传感器

说明书

本发明总的说来涉及各种光敏器件，尤其涉及由氢化非晶硅组成的光敏二极管元件。

当今，光电子学研究工作由于运用光敏器件而获得了许多进展。大量研究工作是通过研制由许多这类光敏探测器组成的光敏或光电阵列进行的。光敏阵列在远距离通信（如光纤、积成光学或图象发送装置）、民用图象处理（如固体摄象机）和工业运用（如光复印和传真设备）等领域具有大量的应用。

先有技术的光敏阵列一般采用由单晶硅制作的电荷耦合器件（CCD）。这种阵列结构复杂，光敏面积小，以及一般需要繁锁的制作工艺过程。同时，业已发现，对于短波长的光（兰光和紫外光）来说，CCD阵列的灵敏度也很差。此外，CCD阵列还具有以下一系列缺点：需要复杂的时钟控制电路，有限的动态范围，有限的光谱和照度灵敏度，阵列中相邻元件之间的串扰敏感性由于最大的允许光强很低因而容易饱和，对照度响应的线性差以及为克服高的暗电流而带来的补偿问题等。

本发明提供一种由氢化非晶硅（a-Si∶H）制作的光敏二极管元件，它克服了上面讨论的先有技术CCD器件的各种缺点。氢化非晶硅是一种具有很高光电导率的半导体材料，其典型值为10⁴左右。随着所采用的制作工艺的不同，a-Si∶H的光学能带宽度可以在1.5电子伏特（ev）和2.2ev之间改变，而单晶硅的光学能带宽度为一个常数，约等于1.1ev左右。因此，在给定光照条件下，可将氢化非晶硅对不同光波长的灵敏度调至最佳状态。

由于其非晶结构的特点，a-Si∶H的光学吸收性能与典型地制作先有技术CCD元件的单晶硅的光学吸收性能相比较为优越。在可见光范围，为吸收给定量的光，采用a-Si∶H比采用单晶硅所需的膜层厚度差不多要薄一百倍。例如，厚度为1微米的a-Si∶H层，差不多将吸收95%的可见光，而为了获得同样大小的吸收，则要求单晶硅层的厚度约为100微米。

由于利用氢化非晶硅制作光敏元件只需要比较薄的膜层，因此利用这种材料可以制作出高效率的光敏阵列。各金属化接点可以排列在每一阵列单元的下面，从而导致了阵列单元的相互绝缘以及对每一单元的直接访问和寻址。

参考以下的详细描述并结合有关附图，将对本发明有更好的了解，这些附图是：

图1A是根据本发明第一实施例的光敏二极管单元简化截面图的最一般形式，

图1B是图1A所示的二极管单元的I-V特性的简化曲线，

图1C是根据本发明第二实施例的光敏二极管单元的简化截面图，

图2是根据本发明的一个优选实施例的光敏二极管单元的详细截面图，

图3是由根据本发明的光敏二极管单元组成的光敏二极管阵列的方框示意图。

参照图1A，可以对光敏二极管单元作如下说明，该二极管由一个阴极1和一个阳极2组成，阴极1由n型氢化非晶硅制作而成，阳极2为P⁺型氢化非晶硅，它最好是采用熟知的离子注入法注入n型阴极中。

高温玻璃层（pyroglass）3在P⁺型阳极2外面提供一透明涂层，外部接点4经过高温玻璃层3连接至阳极2上。

接点5排列在二极管单元的下面，经过一重掺杂的n⁺多晶硅层6与阴极1连接，在阴极和组成接点5的金属之间形成欧姆接触。

众所周知，根据半导体电子理论，由于在结点两侧扩散长度内热生成少数载流子的漂移，将有电流流过p-n结。少数载流子（如电子和空穴）扩散至结点周围的过渡区，并由此越过结点电场。当结点被能量大于半导体材料能带宽度（Eg）的光子照射时，由于电子-空穴对（EHP）的产生将有附加电流流过。

因此，当图1A所示的光敏二极管两端开路，且阳极2和阴极1受到透过高温玻璃层3的光照射时，光生少数载流子就会在接点4和5之间产生开路电压。随着光生EHP的增多，少数载流子浓度不断增加，开路电压亦不断增加，直至达到等于平衡接触电位的极限值，这是在结点两侧可能出现的最大正向偏压。在被光照射的结点两侧出现正向电压这一现象被称作光伏效应。

根据计划中的应用领域不同，图1A的光敏二极管单元可以工作在其I-V特性曲线的第三或第四象限，如图1B所示。在第四象限，结点电压为正，流过二极管单元的电流为页，这就是前述的光生电流。在此情况下，由二极管单元给出的功率正比于照度的大小。所产生的功率可以加至连接到接点4和5的外部电路上。