CN101490855A - 用于分子诊断学中的探测的光二极管 - Google Patents

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Abstract

公开了一种光二极管(200)，例如PN或PIN光二极管。光二极管接收具有第一和第二谱分布的入射辐射，其中，第一谱分布从第二谱分布发生了谱移。光二极管具有第一半导体层(211)，第一半导体层(211)能够吸收具有第一谱分布的入射辐射(231)而不产生光电流，并同时透射具有第二谱分布的入射辐射到本征层(212)中用于产生光电流(213)。可以与探测目标分子的存在来结合使用光二极管，该目标分子标记有诸如荧光团或量子点的标记剂。标记剂的特征在于斯托克斯位移，并且因此它们发射具有第二谱分布的荧光辐射，第二谱分布从具有第一谱分布的照明辐射发生了谱移。

Description

用于分子诊断学中的探测的光二极管
技术领域
本发明涉及光二极管，并且尤其涉及用于分子诊断学中的探测的光二极管。
背景技术
通过利用光束照明生物样品并探测散射的光，能够分析生物样品。为了能够探测存在还是不存在特定的生物样品的生物标本或分子，荧光方法是有用的，生物标本或分子例如为DNA、RNA、细胞和抗体。荧光方法利用能够结合到生物样品的分子的特定位置的标记剂。当利用光束照明样品时，标记剂将发射波长与照明束的波长不同的光。
通过利用要分析的样品中的特定的目标分子键合到对应的探针分子的能力，能够确定存在还是不存在特定的目标分子，探针分子例如是存在于探测系统中的。例如，如果利用标记剂来标记目标分子，并且如果目标分子随后结合到探针分子，则如果探测到荧光，就能够证实存在目标分子。该目标-探针分子对的范例是抗体-抗原、细胞-抗体组合和受体-配体对。另外的范例包括例如DNA-DNA对、RNA-RNA对以及DNA-RNA混合物的键合或杂交。
为了探测从标记剂发射的光，探测系统必需能够探测源自标记的试剂的发射的辐射的具有特定波长的辐射。这是个问题，因为生物样品发射的光典型地具有照明光和从标记剂发射的光的波长。因此，能够在照明光和从标记剂发射的光的波长之间进行区别的方法将是有利的。
同时，具有用于在照明光和发射的光的波长之间进行区别的简单方法将是有益的。
US 6867420公开了用于探测电泳微芯片和微阵列中的荧光地标记的分析物的最小化光激发和探测器系统。该系统使用小型集成部件、光收集、光学荧光滤光、以及用于探测的非晶a-Si:H探测器。利用近似的聚集和/或微透镜系统实现光的收集。光学滤光由集成的光学滤光器实现。US 6867420公开了一种探测系统，其中发射的光由集成的光学滤光器滤光并利用光探测器来探测该光。然而，US 6867420中的探测系统不简单。
因此，改进的探测系统是有利的，并且尤其是更有效的和/或可靠的探测系统将是有利的。
发明内容
因此，本发明优选地寻求缓和、减轻或消除一个或多个上述缺陷，单独地或以任何组合的形式。特别是，通过提供能够在波长之间进行区别的简单的探测系统来提供解决现有技术的上述问题的探测系统可以视为本发明的目的。
通过提供光二极管，在本发明的第一方面获得了此目的和数个其它目的，所述光二极管包括：
-掺杂有第一杂质的第一半导体层，所述第一半导体层适于接收入射辐射，所述入射辐射具有中心波长至少为350nm的谱分布；
-掺杂有第二杂质的第二半导体层；
-第三半导体区，当利用所述入射辐射的至少部分来激发所述第三半导体区时，其能够产生自由电子和自由空穴，其中
-所述入射辐射包括具有第一谱分布和第二谱分布的辐射，其中，所述第一谱分布从所述第二谱分布发生了谱移；
-所述第一半导体层能够吸收具有所述第一谱分布的入射辐射，其中，对具有所述第一谱分布的辐射的所述吸收对光电流没有显著贡献；
-所述第一半导体层能够透射具有所述第二谱分布的所述入射辐射；以及
-由具有所述第二谱分布的辐射产生的所述第三半导体区中的所述自由电子和自由空穴产生光电流。
通过提供具有能够吸收具有第一谱分布的入射辐射而不产生显著的光电流并能够透射具有第二谱分布的入射辐射的第一半导体层的光二极管，对于获得能够在波长之间进行区别的简单的探测系统，本发明是特别有用的，但是不排它。因此，光二极管可以执行波长的期望的区别或过滤，因为通过使用简单的光二极管，光二极管能够在第一和第二谱分布之间进行区别。因此，光二极管能够光学地滤除具有第一谱分布的辐射，并同时探测具有第二谱分布的辐射。
第一半导体层能够吸收具有第一谱分布的入射辐射是有利的，其中，对具有第一谱分布的辐射的吸收对光电流没有显著贡献。因此，第一谱分布的光电流和第二谱分布的光电流的比率不显著，因为根据第一半导体层的吸收百分比，比率小于1/80，优选地小于1/90或更优选地小于1/99。
光二极管可以提供简单的探测系统或器件，其另外可以是易于生产的，并且由此，通过光二极管也可以实现便宜的探测系统。
期望具有的光二极管或光探测器足够简单，并且有足够的过滤能力来滤除具有第一谱分布的辐射，使得光二极管或光探测器能够制作于探测装置中或与探测装置集成，探测装置诸如是微全分析系统、片上实验室或分子诊断系统(MDx)。通过根据本发明第一方面的光二极管可以解决该期望的目的。
还期望具有的光二极管或光探测器足够简单和足够便宜，以用于诸如分子诊断系统(MDx)的手持探测装置中。通过根据本发明第一方面的光二极管可以解决该期望的目的。
光二极管可以与探测装置集成可以是优点，因为这可以消除污染敏感的探测电子设备的风险。期望具有节省成本的光二极管，其具有过滤能力而不利用昂贵的外部滤光器。通过根据本发明第一方面的光二极管可以实现该期望的目的。
光二极管的第一半导体层具有厚度，所述厚度适于在所述第一半导体层的体积内吸收具有所述第一谱分布的辐射。因为期望具有具备过滤能力的简单的光二极管，此目的可以如下来实现：调整第一半导体层的厚度以吸收具有第一谱分布的辐射，使得获得仅归因第一半导体层的厚度的过滤能力。
第一半导体层的该厚度可以大于100nm，优选地大于200nm或更优选地大于300nm，以使得光二极管能够在第一和第二谱分布之间进行区别。
换句话说，能够将第一半导体层的厚度选择成使得第一半导体层能够吸收具有所述第一谱分布的所述入射辐射的至少80％，优选地至少90％或更优选地至少99％。具有具备能够吸收例如入射辐射的至少99％的第一半导体层的光二极管是有利的，因为至少99％的吸收对应于第一谱分布的至少99％的滤除。
在实施例中，第三半导体区是安置于所述第一半导体层和所述第二半导体层之间的本征半导体材料的第三层。该光二极管称作PIN二极管或NIP二极管。光二极管为PIN或NIP光二极管是有利的，因为归因于产生较高光电流、具有较低暗泄漏以及对具有第二谱分布的入射辐射的较高的灵敏度的能力，该光二极管可以具有改善的性能。
根据本发明第一方面的光二极管可以具有掺杂有受主杂质、为p掺杂层的第一半导体层以及相应地掺杂有施主杂质、为n掺杂层的第二半导体。替代地，光二极管可以具有掺杂有施主杂质、为n掺杂层的第一半导体层以及相应地掺杂有受主杂质、为p掺杂层的第二半导体层。p掺杂层和n掺杂层相对于各自的第一和第二半导体层的顺序的选择同时适用于第一类型的光二极管(其中第三半导体区由第一半导体层的部分和第二半导体层的部分构成)和第二类型的光二极管(其中第三半导体区是安置于第一半导体层和第二半导体层之间的本征半导体材料的第三层)。
第一谱分布和第二谱分布之间的谱移可以是至少50nm，优选地至少100nm，或更优选地至少200nm。谱移或斯托克斯位移是至少200nm是有益的，因为大的谱移改善了光二极管作出的对波长的区别或过滤的效果。
第一半导体层和/或第二半导体层可以由诸如非晶硅(a-Si)、非晶碳化硅(a-SiC)、微晶Si以及低温多晶Si的半导体材料制成。不同的半导体材料能够用于半导体层是有利的，因为不同的半导体材料可以具有不同的吸收能力。因此，通过选择特定的半导体材料，可以优化光二极管滤除具有第一谱分布的辐射，同时探测具有第二谱分布的辐射的能力。不同的半导体材料还可以具有其它优点，例如关于探测灵敏度、噪声、成本、产品品质等。
光二极管可以具有施加于第一半导体层的顶面上的抗反射涂层。在第一半导体层的顶面上具有抗反射涂层是有利的，因为抗反射涂层可以提高透射到第一半导体层中的入射辐射的量。
在第二方面，本发明涉及一种探测装置，其能够探测生物物质的样品的目标分子的存在或不存在，并且可选地探测所述目标分子的量，所述探测装置包括：
-处理器件，适于设置有包含目标分子的所述样品，所述处理器件还适于设置有用于与所述目标分子键合的探针分子，其中，利用具有发光性质的标记剂来标记所述目标分子和/或探针分子，其中，当利用具有对应于所述第一谱分布的谱分布的辐射来照明所述标记剂时，所述标记剂发射具有第二谱分布的辐射；
-照明器，能够利用具有对应于所述第一谱分布的谱分布的辐射来照明所述样品；以及
-根据本发明第一方面的光二极管，能够接收包括所述第一谱分布和所述第二谱分布的发射的辐射，所述发射的辐射是从所述样品发射的，其中
-所述第一谱分布从所述第二谱分布发生了谱移；
-所述光二极管能够吸收具有所述第一谱分布的辐射，而对光电流没有显著贡献，所述辐射在所述第一半导体层中被吸收，并且所述吸收是具有所述第一谱分布的所述辐射的至少80％；以及
-所述光二极管能够产生可探测的光电流，所述可探测的光电流对应于具有所述第二谱分布的所述辐射，所述可探测的光电流是利用具有所述第二谱分布的所述辐射来激发所述第三半导体区时，由所述第三半导体区中自由电子和自由空穴的产生而引起的。
期望具有的探测装置能够通过探测例如来自标记的目标的荧光辐射来探测目标分子的存在或不存在，并且可选地探测所述目标分子的量。通过包括根据本发明第一方面的光二极管的探测装置实现了该期望的目的，因为该光二极管能够在具有第一谱分布的辐射和具有第二谱分布的辐射之间进行区别。
生物物质的样品可以包括诸如细胞、阻止截面、DNA、蛋白质、血液以及尿的物质。然而，样品也可以包括其它生物物质。因此，目标分之可以是生物物质的样品的分子。
来自照明器的辐射的方向可以垂直于第一半导体层的表面的法线，这是有利的，因为这减小了入射到光二极管上的具有第一谱分布的辐射的量。
探测装置可以包括第二处理器件，第二处理器件能够通过聚合酶链反应来放大DNA的浓度。将诸如聚合酶链反应的其它处理能力集成到探测装置是有利的，因为这可以提高探测装置的可用性。
在第三方面，本发明涉及一种用于探测生物物质的样品中的目标的方法，所述方法包括：
-给探测装置设置用于与目标分子键合的探针分子，其中，利用具有发光性质的标记剂来标记所述目标分子和/或探针分子，其中，当利用具有对应于所述第一谱分布的谱分布的辐射来照明所述标记剂时，所述标记剂发射具有第二谱分布的辐射；
-给所述探测装置设置包含目标分子的所述样品；
-利用具有对应于所述第一谱分布的谱分布的辐射来照明所述样品；
-通过使用根据本发明第一方面的光二极管来接收从所述样品发射的辐射，所述发射的辐射包括所述第一谱分布和所述第二谱分布，其中
-所述第一谱分布从所述第二谱分布发生了谱移；
-所述光二极管吸收具有所述第一谱分布的辐射，而对光电流没有显著贡献，所述辐射在所述第一半导体层中被吸收，并且所述吸收是具有所述第一谱分布的所述辐射的至少80％；以及
-所述光二极管产生对应于具有所述第二谱分布的所述辐射的可探测的光电流，所述可探测的光电流是利用具有所述第二谱分布的所述辐射来激发所述第三半导体区时，由所述第三半导体区中自由电子和自由空穴的产生而引起的。
本发明的第一、第二以及第三方面的每个方面都可以与任何其它方面组合。本发明的这些和其它方面将从以下描述的实施例变得明显并且将参照以下描述的实施例来阐述这些和其它方面。
附图说明
现在参照附图仅以范例的方式来解释本发明，其中
图1是荧光探测系统的示例；
图2是根据本发明的PIN光二极管的示例；
图3示出了示出根据本发明的p层半导体厚度和入射辐射的波长之间的关系的曲线图；
图4a示出了根据本发明的、透射通过p掺杂的非晶硅第一半导体层的入射辐射功率的光透射；
图4b示出了根据本发明的、透射通过p掺杂的碳化硅第一半导体层的入射辐射功率的光透射；
图4c示出了根据本发明的、波长为600nm和400nm的辐射透射通过具有不同的光学带隙的半导体层的光透射比率；
图5是根据本发明的PN型光二极管的示例；
图6是能够探测样品中目标分子的存在的探测装置的基本简图；
图7根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1是荧光探测系统的示例，其中，利用照明束120来照明放置在某个板111上或容器111中的生物材料的样品或分析物110。由探测器140来探测来自样品110和板111的散射的、反射的、衍射的、发光和/或荧光辐射130形式的发射的辐射。
样品110包含目标分子，该目标分子与探针分子起反应，使得目标结合到探针上。在将样品110施加到板111上之前，可以将探针分子设置在板111上，使得探针粘附到板111上。目标分子和探针分子对的范例是抗体-抗原对、细胞-抗体组合、DNA对的链、RNA对的链、抗体-抗原对和受体-配体对。
目标分子或探针分子能够设置或联接有具有发光或荧光性质的标记剂。因此，如果目标分子与探针分子匹配，则目标分子将键合到探针分子。通过洗掉任何未反应的目标分子，使得仅剩下反应的目标-探针分子对(假定包含样品的目标能够键合到粘附的探针)，能够通过探测来自标记剂的发光或荧光发射的辐射来确证目标分子的存在、不存在、以及可选地数量。
替代地，探针能够设置或联接有具有发光或荧光性质的标记剂。附着于探针的标记剂具有仅在对应的探针与匹配目标已发生反应时才发射荧光辐射的性质。
当已经利用荧光标记剂标记了样品110时，发射的辐射130包含源自标记的试剂的荧光辐射形式的辐射。然而，发射的辐射130还包含散射、反射和/或衍射辐射形式的辐射。照明束120的部分由标记剂吸收，并且由于荧光而作为与照明束120的波长具有不同波长的辐射重新发射。照明束120的其它部分例如从板或容器111或从生物样品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，发射的辐射130将包含具有第一谱分布Wi的辐射，并且由于荧光，发射的光130还将包含具有第二谱分布Wf的光。这里以及下面，当参照已经标记的样品时，这等同地理解为已经标记了样品的目标。
第一谱分布Wi可以等同于或对应于照明束120的谱分布Wib。由于样品110和板111或容器111中的光吸收，第一谱分布Wi可以不同于照明束120的谱分布Wib。然而，照明束120的谱分布Wib能够对应于第一谱分布Wi或反之亦然。
标记剂具有吸收来自具有谱分布Wib的照明束120的入射辐射，并且随后响应于吸收光而发射具有第二谱分布Wf的光的能力。
因此，发射的辐射130同时包含具有第一谱分布Wi和第二谱分布Wf的辐射。
照明束120的谱分布Wib和第二谱分布Wf之间的谱移是由标记剂的荧光性质引起的。谱移也称作斯托克斯(Stokes)位移。
标记剂的特征在于波长区间，在该波长区间中，标记剂能够被最有效地激发使得它们以荧光发射来进行响应。因此，当照明束120的谱分布Wib对应于其中标记剂被最有效地激发的波长区间时，标记剂被最有效地激发。荧光发射产生具有第二谱分布Wf的散射辐射。
可以例如在包括400nm的波长的波长区间中激发标记剂。如果标记剂具有例如200nm的谱移，则当利用具有中心波长约为400nm的谱分布的辐射来照明标记剂时，标记剂将利用具有位于600nm附近的第二谱分布的荧光发射来进行响应。
谱分布的中心波长可以例如理解为谱分布的辐射具有最大强度的波长。
不同的标记剂能够用于标记生物材料的样品110的分子。例如，量子点、荧光团、发色团、染料、发光纳米粒子、纳米棒、珠子以及金粒子能够用作标记剂。
量子点能够是任一半导体纳米粒子的金属，其中，粒子直径小，以致量子限制效应引起在分离的原子或固体中不可得到的独特的光学和电子学性质以及不可得到的电子性质。与例如荧光团相比，量子点具有宽带吸收谱的优点。对能量在带隙能量以上的光子的吸收导致产生电子-空穴对(或激子)。在较高的能量(即较短波长)处，吸收的可能性增大并因此导致宽带吸收谱。激子的辐射复合导致以窄的对称能带发射光子。激子的长寿命(通常大于10ns)和量子点的窄的发射谱优于例如荧光团。
存在大量类型的量子点；例如可调谐为发射915nm以下任何地方的波长的InP量子点；硅量子点；由诸如CdS、CdSe、以及CdTe(II-VI材料)，InP和InAs(III-V材料)，PbSe(IV-IV材料)的半导体材料合成的量子点。
标记剂的类型不限于上述那些类型，因此，可以等同地使用其它类型的发光剂用于标记样品110。类似地，量子点的列表不限于上述那些，因为可以等同地使用由其它材料合成的量子点。
标记剂不必理解为仅包括诸如量子点的发光或荧光剂。即，为了使标记剂联接或结合到样品110的分子，可以将标记剂的发光剂与能够结合到样品110的分子的标签接合。该标签包括识别半族(moiety)、配体、以及带电的适配器分子，其经由静电相互作用与发光或荧光剂接合。其它联接方法包括共价附着和硫醇-交换反应。如何联接生物分子到量子点的范例包括50μl量子点溶液(2μM)、30μl EDC(100mM)、30μl sNHS(100mM)以及90μl蛋白质(15μM)，接着培养2小时并随后利用旋转过滤器纯化。能够例如在参考文献中找到标记剂如何结合到分子、目标或探针的细节：Nanotechnologies for the lifesciences，Volume 1：“Biofunctionalization ofNanomaterials”，Edited by Challa Kumar，Wiley-VCH，2005。
图2示例了PIN光二极管200，其包括掺杂有第一类杂质的第一半导体层211、本征(未掺杂的)半导体层212以及掺杂有第二类杂质的第二半导体层213。
当第一半导体层211掺杂有受主杂质(其具有的电子比将它键合到半导体材料所需的电子少)时，第一半导体层211称作p掺杂层，因为受主杂质能够接收来自价带的一个或多个电子。从而，受主杂质成为负离子，并且在价带中产生自由空穴。
当第二半导体层213掺杂有施主杂质(其具有的价电子比将它键合到半导体材料所需的价电子多)时，第二半导体层213称作n掺杂层。施主杂质成为正离子，并且在导带中产生自由电子。
本征层212不包含净受主或施主杂质，并且因此在价带中没有自由空穴，或在导带中不具有自由电子。这使得其电学上为高阻材料。
价带顶和导带底在能量上由所谓的带隙Eg分开。在晶体半导体中，这是禁止的能量区，即电子不可以具有存在于此带隙内的能量。在非晶半导体中，在带隙中存在连续的态密度，但是态密度非常小，典型地比带边的幅度小五或六个量级。当光子入射到半导体上时，如果光子能量能够将电子从价带提升到容许的能态，则光子将被吸收。在晶体半导体中，有效地在带隙中不存在容许的态，而在非晶半导体中，带隙中的态密度低，以致带隙内容许的跃迁非常不可能。这意味着对于晶体和非晶半导体，仅当光子能量大得足够将电子从价带直接激发到导带边以上时，才会发生强的光吸收。此激发将电子移动到导带中，并在价带中留下自由空穴，电子在导带中成为自由电子。这是公知的电子-空穴对的产生。
应当理解，光子或辐射可以在第一半导体层211、本征层212或第二半导体层213的任一层中被吸收。
如果电子-空穴对形成于没有电场或几乎没有电场的区中，则电子和空穴往往会保持在靠近的空间附近并复合，不给予传感器有用的信号。如果它们产生于具有强电场的区中，则在它们能够复合之前它们会有好的机会分开并在电极处被提取，对探测器信号有贡献。电场能够是从外部施加的或是归因于掺杂区和本征硅之间的电接触的本征层212中的带弯曲的结果。在重掺杂区中产生的电子-空穴对不产生可以感知的电流，重掺杂区诸如是器件的n和p区。在n区的情况下，这是因为导带已经包含由杂质离子施予的高密度电子，并且这些电子中的一个与空穴非常迅速地复合，从而消除了对的产生。另外，n区中的场非常弱，因为其是高导电的，并且所以对在空穴复合前将空穴移向导线起作用的力是非常小的。同样，在p区中，高密度的空穴产生由光子产生的电子的迅速复合。然而，在本征区中，没有自由载流子来复合电子-空穴对，并且因为材料不如掺杂区那么导电并因此具有较高的场梯度，所以载流子分开快。因此，在本征层212中，自由电子241能够迁移到n掺杂层并且自由空穴242能够迁移到p掺杂层，在那里它们被收集并然后作为电流I通过导线221和222，电流I的方向由箭头223表示。
在图2中，光二极管布置成使得从生物材料的样品110发射的入射辐射231和232撞击p掺杂层211的顶面214。因此，顶面214可以适于接收入射辐射。
抗反射涂层245也可以施加于p层的顶面214上。抗反射涂层245能够增加透射到p掺杂层中的入射辐射的量。抗反射涂层是可选的并且不必设置在层的顶面214上。
图2中，入射辐射231示例具有第一谱分布Wi的入射辐射，而入射辐射232示例具有第二谱分布Wf的辐射。由于第一和第二谱分布的波长中的差异，并且由于光二极管的p层、n层以及本征层的吸收性质的波长依赖性，所以不同的波长将透射至光二极管的不同层和层内的不同深度。如图2中示例的，具有第一谱分布Wi的入射辐射231(例如朝向谱的蓝端)将在p层211中被完全吸收，或至少基本上被完全吸收。具有第二谱分布Wf的入射辐射232(例如朝向谱的红端)将透射通过p层并进入本征层。从而，入射辐射232将在p层中被部分吸收，而剩余的辐射232将透射至本征层212中，在本征层中它将被吸收。
p层中对具有第一和第二谱分布的入射辐射231和232的吸收的百分比依赖于p层的厚度Tp和第一和第二谱分布Wi和Wf的波长。
能够例如通过用等离子增强化学气相沉积(PECVD)沉积非晶硅来制造光二极管200的半导体层211-213。用于制作光二极管200的非晶硅层211-213的沉积速率能够例如在10nm/min和100nm/min之间变化。
可以利用具有中心空隙的金属环接触部或通过在表面上沉积透明导电材料来设置导线221-222和第一及第二导体层211及213之间的电接触。例如，透明导电材料可以是氧化铟锡。
能够在例如以下文献中找到光二极管的物理细节：SemiconductorDevices，Physics and Technology，2nd edition，S.M.Sze。能够在例如以下参考文献中找到氢化非晶硅光二极管的尤其深入的考虑：Hydrogenatedamorphous silicon，R.A.Street.
图3示出了示出对于p层中吸收的辐射的不同的百分比，p层211的厚度Tp和入射辐射的波长W之间的关系的曲线图。图3中的曲线图表示由p掺杂的非晶硅a-Si制成的p层。横坐标示出了入射光的波长W，而纵坐标示出了p层的厚度。标记有百分比50％、90％以及99％的三条曲线示出了在有50％、90％以及99％的入射辐射被吸收时，作为波长W的函数的厚度Tp。如关于图2所概述的，p层中的吸收不对光电流起显著作用。
从图3可以看到，如果具有第一谱分布Wi的入射辐射231靠近400nm的波长W，如果具有第二谱分布Wf的入射辐射232靠近600nm的波长W，并且如果p层的厚度Tp是100nm，则波长400nm的入射辐射的99％将在p层中被吸收，而波长约580nm的入射辐射的仅50％将被吸收。换句话说，400nm和580nm辐射的1％和50％将透射至本征层212中。
取500nm的厚度Tp，则基本上波长400nm的所有入射辐射都会在p层211中被吸收，而将分别吸收和透射波长600nm的入射辐射的90％和10％。
应当理解，即使参照具有例如400nm波长的入射辐射，也应当理解此入射辐射实际上具有对应于400nm的波长的谱分布。即，例如，峰幅度、平均谱值或谱分布的中心值可以靠近或等于400nm的波长。
从而，通过选择p层211的合适的厚度，例如300nm，具有特定辐射的入射辐射将被完全吸收，或至少在第一半导体层，例如p层211，的体积内基本上被吸收。
根据图3，评估第一半导体211的合适的厚度，以便第一半导体能够吸收特定波长的入射辐射是可能的。从而，如果具有第一谱分布的入射辐射对应于例如400nm的波长，则图3示出了大于100nm的厚度Tp将引起至少99％的吸收。类似地，大于200nm的厚度将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。通过选择1μm的厚度Tp，波长400nm或靠近400nm(诸如405nm的波长)的所有或基本上所有入射辐射将被吸收。
从而，即使第一半导体层211的厚度Tp在从100nm至1μm的区间中选择，也将会有足够量的具有例如波长600nm的第二谱分布的辐射透射到本征层212中，并引起可探测的光电流I。
换句话说，第一导体层应当能够吸收至少80％，优选90％或更优选99％的具有第一谱分布的入射辐射。这将确保将充分吸收具有第一谱分布(例如400nm)的辐射，同时将具有第二谱分布的辐射充分透射到本征层212中。
例如，生物材料的样品110已经标记有标记剂，该标记剂能够有效地吸收来自具有对应于405nm的波长的谱分布Wib的照明束120的辐射。标记剂具有约200nm的谱移，或斯托克斯位移，使得标记剂发射具有对应于约600nm的波长的第二谱分布。如果第一半导体层具有例如300nm的厚度，则将仅探测到具有600nm的波长的发射的辐射，因为具有405nm的波长的辐射将被在第一半导体层中吸收。
从而，即使与具有600nm的波长的入射辐射相比，具有405nm的波长的入射辐射具有较大的强度，405nm的辐射也将不会干扰对600nm的辐射的探测。因此，能够以高分辨率探测具有对应于600nm波长的第二谱分布的入射辐射。
照明束120的入射辐射的谱分布的波长或中心波长可以对应于具有350nm、375nm、473nm、405nm、442nm以及490nm的波长的蓝或紫-蓝色，这些波长能够由激光器、半导体激光器或发光二极管产生。也能够将对应于紫外或紫色的入射辐射的谱分布的中心波长，其波长在从380nm下至200nm或甚至下至10nm的范围中，用于样品110的照明。能够由uv激光器、uv半导体激光器或uv发光二极管产生从380nm下至200nm范围中的波长，例如262nm、266nm、349nm、351nm或355nm。波长从500nm至830nm并且可能上至1555nm的绿、红以及红外色区中的较大的波长也可以用于激发标记剂。
产生照明束120的照明源可以是半导体激光器、气体激光器、放电灯或发光二极管。照明源的列表不是穷举的，并且可以等同地使用其它照明源。
由于第一半导体层211的吸收性质，光二极管200能够探测与入射高强度辐射混合的入射低强度辐射，其中，低强度辐射具有的谱分布从高强度辐射的谱分布发生了谱移。从而，光二极管具有谱过滤能力，使得光二极管能够滤出具有特定谱分布的辐射。
即使不使用昂贵的滤光器，例如滤色器、二向色滤光器或法布里-帕罗标准具，光二极管200也能够执行对应于该滤光器的光学滤光。同时，实现了简单和便宜的光探测器，因为不需要附加的滤光器，并且不需要安装该滤光器。从而，通过利用第一半导体层211的吸收能力，实现了简单、紧凑的光和便宜的光探测器。
第一半导体层211、本征层212以及第二半导体层213能够由不同的半导体材料制成，例如非晶硅(a-Si)、非晶碳化硅(a-SiC)、微晶Si、用于塑料/聚合电子技术中的材料、以及从用于集成电路生产的传统晶体技术所知的晶体硅。通过例如对非晶硅进行激光退火而生产的低温多晶Si也可以用于半导体层。对半导体材料的选择不限于上述材料，能够使用例如其它的非晶硅合金。例如第一半导体层211也能够由不同于用于第二半导体层213的材料制成。
用于掺杂第一半导体层211和第二半导体层213的材料能够分别是受主和施主杂质，且分别来自周期表的3和5族。最常用的受主掺杂剂是B、Al、Ga以及In，并且最常用的施主掺杂剂是P、As以及Sb。这些能够在沉积期间从气相最容易地引入到非晶硅中，例如通过在PECVD反应器中加入乙硼烷或磷化氢气体。替代地，有时通过固态扩散来进行掺杂，例如从与非晶硅接触的A1电极。
能够通过选择用于第一半导体层211中的材料来调整透射通过第一半导体层的具有第一谱分布的入射辐射和具有第二谱分布的入射辐射的辐射功率的比率。
图4a示出了针对400nm的入射辐射和600nm的入射辐射，透射通过厚度为Tp的第一半导体层211的入射辐射功率的光透射Tr。图4a中，第一半导体层211的材料是p掺杂的非晶硅(p a-Si)，其典型地具有对应于约775nm的辐射波长的光学带隙，1.6-1.65eV的Eg。
图4b示出了类似的曲线图，其中，第一半导体材料是p掺杂的非晶碳化硅(p a-SiC)，其典型地具有对应于约650nm的辐射波长的光学带隙，1.9eV的Eg。从而，图4b示出了针对400nm和600nm的入射辐射，透射通过厚度为Tp的第一半导体层211的入射辐射功率的光透射Tr。
因为非晶碳化硅(p a-SiC)的光学带隙Eg比非晶硅(p a-Si)的光学带隙大，所以对于相等厚度Tp，图4b中光学透射Tr比图4a中的大。与a-SiC材料相比，在a-Si材料中，针对600nm的辐射的光透射Tr作为厚度Tp的函数下降更迅速。因此，透射的600nm的辐射和透射的400nm的辐射的比率在p掺杂的非晶碳化硅(p a-SiC)中比在p掺杂的非晶硅(p a-Si)中大。
当入射辐射包含400nm和600nm的辐射时，与600nm的辐射的透射相比，如果期望提高入射的400nm的辐射的吸收，以优化滤光效果，并且以便提高探测分辨率，则可以优选p掺杂的非晶碳化硅用于第一半导体层211。
图4c作为层厚Tp的函数示出了透射通过具有1.6eV和1.9eV的光学带隙Eg的半导体层的波长为600nm和400nm的辐射的光透射比率Tr(600)/Tr(400)。标记有Eg 1.6eV的曲线给出了通过非晶硅层的光透射比率Tr(600)/Tr(400)，而标记有Eg 1.9eV的曲线给出了通过非晶碳化硅层的光透射比率Tr(600)/Tr(400)。从而，从图4c，清楚地，针对非晶碳化硅的第一半导体层的光透射比率Tr(600)/Tr(400)比针对非晶硅的第一半导体层的光透射比率Tr(600)/Tr(400)增加更迅速。
在入射辐射具有对应于400nm的第一谱分布和入射辐射具有对应于600nm的第二谱分布的范例中，谱移或斯托克斯位移为约200nm。当使用具有更小谱移的其它类型的标记剂时，具有第二和第一谱分布的透射的辐射的比率将降低。例如，如果第一谱分布的波长对应于400nm，而第二谱分布的波长对应于500nm，由于100nm的斯托克斯位移，对于给定的半导体材料和给定的厚度Tp，光透射比率Tr(500)/Tr(400)将小于光透射比率Tr(600)/Tr(400)。
因此，如果第一谱分布和第二谱分布之间的谱移是至少30nm或50nm，则具有第一和第二谱分布的入射辐射的光透射中的差异将提供足够的滤光效果来滤除具有第一谱分布的入射辐射，使得可以以足够高的分辨率来探测具有第二谱分布的入射辐射。
当第一谱分布和第二谱分布之间的谱移是至少例如100nm时，则具有第一和第二谱分布的入射辐射的光透射中的差异将提供甚至更强的滤光效果射，使得可以以甚至更高的分辨率来探测具有第二谱分布的入射辐射。
结果，如果谱移是至少200nm，则滤光效果将甚至更显著，使得可以以非常高的分辨率来探测具有第二谱分布的入射辐射。
结合图2中所示的光探测器，入射辐射231和232入射到p掺杂的第一半导体层211上。该二极管称作PIN二极管。替代地，第一半导体层能够是n掺杂的半导体层，而第二半导体层213能够是p掺杂的半导体层。即使n掺杂的半导体层的吸收性质典型地不同于相同材料(例如a-Si)的p掺杂的半导体层，如结合图2、3、4a、4b以及4c描述的，p掺杂的半导体材料的吸收性质也适用与n掺杂的半导体材料。因此，将省去n掺杂的半导体材料的半导体层的吸收性质的详细描述。
图5是PN型光二极管500的示例。PN型光二极管500不同于图2中示例的PIN二极管，主要在于以耗尽层512替代本征层212。因此，图2和图5中的光二极管共有的特征分配有相同参考符号，并且因此，将省去图5中的PN光二极管与图2中的PIN光二极管的特征相同的特征的详细描述。
即使PN型光二极管500具有耗尽层512而PIN型光二极管200具有本征层212，PN型光二极管500和PIN型光二极管的例如吸收能力和产生光电流213的能力的一般行为是等同的。因此，耗尽层512和本征层212能够共同地称作第三半导体区212、512。从而，PN型光二极管500和PIN型光二极管200能够称作在第一半导体层211、511和第二半导体层213、513之间具有第三半导体区212、515。
PN光二极管500包括由p掺杂的半导体材料制成的第一半导体层511，以及由n掺杂的半导体材料制成的第二半导体层513。入射辐射231和232直接撞击在p掺杂的半导体层的顶面214上，替代地，入射辐射231和232可以在入射辐射撞击顶面214之前透射通过抗反射涂层245。
因为在PN光二极管中省去了本征层212，所以p掺杂的半导体层511与n掺杂的半导体层513直接电接触。
当p掺杂的半导体层511与n掺杂的半导体层513直接电接触时，产生延伸至p掺杂层511和n掺杂层512中的第三半导体区512。第三半导体区512将被称为由第一半导体层的部分和第二半导体层的部分构成。
第三半导体区512称作耗尽层，因为耗尽了此层的自由电子和空穴。当入射辐射231的光子进入第三半导体区512时，假定光子具有足够的能量，则光子将产生自由电子542和自由空穴541。自由电子541将朝向n掺杂的第二半导体层513传播并进入其中，而空穴542将朝向p掺杂的第一半导体层511传播并进入其中。从而，入射辐射231将产生自由电子和空穴流，该自由电子和空穴流将产生具有方向213的可探测的电流I。
可以颠倒图5中的PN光二极管的p掺杂的第一半导体层511和n掺杂的第二半导体层513来形成NP光二极管，其中，n掺杂层成为第一半导体层511，而p掺杂层成为第二半导体层513。从而，在NP光二极管中，入射辐射将撞击n掺杂的半导体层的顶面214。
图6是能够探测样品620、110中存在生物物质的探测装置600的基本简图。探测装置600也可以称作微全分析系统(微-tas)、片上实验室或分子诊断系统(MDx)。探测装置包括处理器件640。处理器件可以是设置有例如孔的透明容器，孔用于向容器供应标记的样品620，标记的样品620包括例如生物物质的物种、分子、抗原、抗体、蛋白质、细胞、组织切片、DNA、血液以及尿，该生物物质标记有具有发光或荧光性质的标记剂。
处理器件640设置有粘附到例如邻近于光二极管630、200的底面的探针分子。因此，样品620的标记的目标分子能够与先前施加于处理器件的探针分子反应。随后，能够洗掉任何未反应的目标分子，使得样品620仅或至少主要包含键合的目标-探针对，该目标-探针对具有连接至它们的标记剂。
包括分子、抗原、抗体、蛋白质、细胞、组织切片、DNA、血液以及尿的物质的任何分子可以具有作为目标分子的功能。例如，抗原可以用作目标，而抗体可以用作探针；或相反，抗体可以用作目标，而抗原可以用作探针。因此，探测装置可以用作例如DNA微阵列或免疫测定。
探测装置600也可以包括辐射源610，例如激光器、半导体激光器、或发光二极管。辐射源能够产生具有对应于第一谱分布的谱分布Wib的照明束611。
照明束611透射通过透明容器640，使得照明束照明样品620。样品620、处理器件640、以及标记的分子、标记的抗原、标记的抗体、或其它标记的分子发射具有第一谱分布和第二谱分布Wi和Wf的辐射621。可以由来自标记剂的荧光辐射的发射、散射、衍射、折射以及反射引起辐射612的发射。
发射的辐射621作为包括第一和第二谱分布的入射辐射传输到用于探测具有第二谱分布的辐射的光二极管630、200中。光二极管630、200产生对应于具有第二谱分布的辐射的光电流I。提供光电流I用于在端子631进行进一步的分析。替代地，可以由设置在探测装置600中的处理单元或计算机来分析光电流。
从而，通过探测和分析具有第二谱分布的辐射，能够确定样品620中存在或不存在诸如AID、药物和病毒的特定生物物质。
探测装置也可以布置成使得处理器件640能够通过标记样品620的分子来处理生物物质的样品。这能够通过给处理器件提供固体或流体形式的标记剂来实现。因此，能够将没有标记有标记剂的生物物质的样品620注入到处理器件640中，使得处理器件640可利用的标记剂将标记注入的样品620的物种/分子/抗原。
能够将探测装置600布置为用于利用选自包括以下标记剂的组的标记剂来进行操作：量子点、荧光团、发色团、染料、发光纳米粒子、纳米管、金粒子以及珠子。
包含供应至处理器件640的生物物质的标记的或未标记的分子的样品可以不同于诸如细胞、组织切片、DNA、蛋白质、血液、尿的有机材料。
如图6中所示，照明束611的方向垂直于第一半导体层211的表面的法线。这是有利的，因为照明束611将不会直接撞击到光二极管630、200上，并且因此，相对于不垂直于第一半导体层211的表面的法线的照明束611，将入射到光二极管630、200上的具有第一谱分布的辐射的量将被最小化。然而，在探测装置中也能够使用照明束611的除垂直方向以外的其它方向。
探测装置600可以包括处理器件640以外的另外的处理器件，或替代地可以在处理器件640中设置其它的功能。从而，可以使用处理器件，用于通过聚合酶链反应来放大DNA的浓度，用于通过使用微泵来产生样品620的流，通过使用电泳和用于提取DNA的细胞溶菌作用来分开样品620。此外，探测装置500可以包括用于处理样品620、110的微流体通道以及用于洗掉未反应的目标分子的器件。
在光二极管200的应用中，能够利用具有不同谱移或斯托克斯位移的不同标记剂来标记样品620、110。例如，具有区别的谱移50nm、100nm、150nm以及200nm的标记剂可以用于标记样品620。例如，具有50nm的谱移的标记剂能够连接或联接至样品110的第一类型的分子。具有100nm的谱移的另外的标记剂能够与样品620的第二类型的分子连接或联接。类似地，其它的标记剂能够与其它分子联接。
为了探测具有不同的第二谱分布Wif的荧光辐射，第二谱分布是例如中心波长为450nm、500nm、550nm以及600nm的四个不同的谱分布，则能够使用四个不同的光二极管200，它们每个具有它们各自的第一半导体层的特定厚度。例如，第一类型的光二极管200能够具有的第一半导体层211具有吸收高达例如430nm的波长的厚度，使得探测到所有四个谱分布。第二类型的光二极管200能够具有的第一半导体层211具有吸收高达例如480nm的波长的厚度，使得探测其余的三个谱分布(500nm、550nm以及600nm)。第三类型的光二极管200能够具有的第一半导体层211具有吸收高达例如530nm的波长的厚度，使得探测其余的两个谱分布(550nm以及600nm)。第四类型的光二极管200能够具有的第一半导体层具有某一厚度，使得仅探测谱分布的中心波长为600nm的辐射。
图7是根据本发明的方法的流程图。用于探测生物物质的样品中的目标的方法包括步骤：
S1：提供具有用于与目标分子键合的探针分子的探测装置，其中，利用具有发光性质的标记剂来标记目标分子或探针分子，其中，当利用具有对应于第一谱分布的谱分布的辐射来照明所述标记剂时，所述标记剂发射具有第二谱分布的辐射；
S2：提供包含目标分子的样品给探测装置用于与探针分子键合；
S3：利用具有对应于第一谱分布的谱分布的辐射来照明样品；
S4：通过使用根据本发明的第一方面的光二极管来接收从样品发射的辐射，所述辐射包括第一谱分布和第二谱分布。
应当理解，在提到发光辐射时，这应当理解为包括但不限于：荧光、电致发光、磷光、反射和衍射。发射的辐射应当理解为包括，但不限于散射的、反射的、衍射的发光和/或荧光辐射。还有，引用的分子应当等同地理解为宏观分子、连接的分子的团、以及分子的片断。
虽然结合具体实施例描述了本发明，但是其不是意在将其限制于于此提出的特定形式。相反地，本发明的范围仅由所附权利要求限定。在权利要求中，术语“包括”不排除存在其它元件或步骤。另外，虽然单独的特征可以包括在不同的权利要求中，但是有利地组合它们是可能的，并且不同权利要求中涵盖的内容不暗示特征的组合不是可行的和/或有利的。另外，单数引用不排除复数。从而，提到“一个”、“第一”、“第二”等不排除复数。此外，权利要求中的参考符号不应视为限制范围。

Claims (16)

1、一种光二极管(200，500)，其包括：
-掺杂有第一杂质的第一半导体层(211，511)，所述第一半导体层适于接收入射辐射(231，232)，所述入射辐射具有中心波长至少为350nm的谱分布；
-掺杂有第二杂质的第二半导体层(213，513)；
-第三半导体区(212，512)，当利用所述入射辐射(231，232)的至少部分来激发所述第三半导体区时，其能够产生自由电子(241，541)和自由空穴(242，542)，其中
-所述入射辐射(231，232)包括具有第一谱分布和第二谱分布的辐射，其中，所述第一谱分布从所述第二谱分布发生了谱移；
-所述第一半导体层(211，511)能够吸收具有所述第一谱分布的入射辐射(231)，其中，对具有所述第一谱分布的辐射的所述吸收对光电流(213)没有显著贡献；
-所述第一半导体层(211，511)能够透射具有所述第二谱分布的所述入射辐射(232)；以及
-由具有所述第二谱分布的辐射产生的所述第三半导体区(212，512)中的所述自由电子(241，541)和自由空穴(242，542)产生光电流(213)。
2、根据权利要求1所述的光二极管，其中，所述第一半导体层(211，511)具有厚度，所述厚度适于使具有所述第一谱分布的所述辐射在所述第一半导体层的体积内被吸收。
3、根据权利要求2所述的光二极管，其中，所述第一半导体层(211，511)的所述厚度大于100nm，优选地大于200nm或更优选地大于300nm。
4、根据权利要求1所述的光二极管，其中，所述第一半导体层(211，511)能够吸收具有所述第一谱分布的所述入射辐射(231)的至少80％，优选地至少90％或更优选地至少99％。
5、根据权利要求1所述的光二极管，其中，所述第三半导体区(212，512)是安置于所述第一半导体层(511)和所述第二半导体层(513)之间的本征半导体材料的第三层(512)。
6、根据权利要求1或5所述的光二极管，其中，
-所述第一半导体层(211，511)是掺杂有受主杂质的p掺杂层；以及
-所述第二半导体层(213，513)是掺杂有施主杂质的n掺杂层。
7、根据权利要求1或5所述的光二极管，其中，
-所述第一半导体层(211，511)是掺杂有施主杂质的n掺杂层；以及
-所述第二半导体层(213，513)是掺杂有受主杂质的p掺杂层。
8、根据权利要求1或5所述的光二极管，其中，所述第一谱分布和所述第二谱分布之间的所述谱移是至少50nm，优选地至少100nm，或更优选地至少200nm。
9、根据权利要求8所述的光二极管，其中，所述第一谱分布和所述第二谱分布之间的所述谱移由量子点引起。
10、根据权利要求1或5所述的光二极管，其中，所述第一半导体层(211，511)和/或所述第二半导体层(213，513)由选自包括下述材料的组中的材料制成：a-Si、a-SiC、微晶Si以及低温多晶Si。
11、根据权利要求1或5所述的光二极管，其中，在所述第一半导体层(211，511)的顶面(214)上施加抗反射涂层(245)。
12、一种探测装置(600)，其能够探测生物物质的样品(620，110)的目标分子的存在或不存在，并且可选地探测所述目标分子的量，所述探测装置包括：
-处理器件(640)，适于设置有包含目标分子的所述样品(620)，所述处理器件还适于设置有用于与所述目标分子键合的探针分子，其中，利用具有发光性质的标记剂来标记所述目标分子和/或探针分子，其中，当利用具有对应于所述第一谱分布的谱分布的辐射来照明所述标记剂时，所述标记剂发射具有第二谱分布的辐射；
-照明器(610)，能够利用具有对应于所述第一谱分布的谱分布的辐射(611)来照明所述样品；以及
-根据权利要求1所述的光二极管(630，200)，能够接收包括所述第一谱分布和所述第二谱分布的发射的辐射，所述发射的辐射是从所述样品(620)发射的，其中
-所述第一谱分布从所述第二谱分布发生了谱移；
-所述光二极管能够吸收具有所述第一谱分布的辐射，而对光电流没有显著贡献，所述辐射在所述第一半导体层中被吸收，并且所述吸收是具有所述第一谱分布的所述辐射的至少80％；以及
-所述光二极管(630，200)能够产生可探测的光电流(213)，所述可探测的光电流(213)对应于具有所述第二谱分布的所述辐射，所述可探测的光电流是利用具有所述第二谱分布的所述辐射来激发所述第三半导体区时，由所述第三半导体区中自由电子和自由空穴的产生而引起的。
13、根据权利要求12所述的探测装置(600)，其中，来自所述照明器(610)的所述辐射(611)的方向垂直于所述第一半导体层(211)的表面的法线。
14、根据权利要求12或13所述的探测装置(600)，其中，所述标记剂包括量子点。
15、根据权利要求12所述的探测装置(600)，其中，所述生物物质的所述样品包括选自包括下述物质的组中的物质：细胞、组织切片、DNA、血液、尿。
16、根据权利要求12所述的探测装置(600)，还包括第二处理器件，其能够通过聚合酶链反应来放大DNA的浓度。
17、一种用于探测生物物质的样品(620，110)中的目标的方法，所述方法包括：
-给探测装置(600)设置用于与目标分子键合的探针分子，其中，利用具有发光性质的标记剂来标记所述目标分子和/或探针分子，其中，当利用具有对应于所述第一谱分布的谱分布的辐射(611)来照明所述标记剂时，所述标记剂发射具有第二谱分布的辐射；
-给所述探测装置设置包含目标分子的所述样品(620)；
-利用具有对应于所述第一谱分布的谱分布的辐射(611)来照明所述样品；以及
-通过使用根据权利要求1所述的光二极管(630，200)来接收从所述样品发射的辐射，所述发射的辐射包括所述第一谱分布和所述第二谱分布，其中
-所述第一谱分布从所述第二谱分布发生了谱移；
-所述光二极管(630，200)吸收具有所述第一谱分布的辐射，而对光电流没有显著贡献，所述辐射在所述第一半导体层中被吸收，并且所述吸收是具有所述第一谱分布的所述辐射的至少80％；以及
-所述光二极管(630，200)产生对应于具有所述第二谱分布的所述辐射的可探测的光电流(213)，所述可探测的光电流是利用具有所述第二谱分布的所述辐射来激发所述第三半导体区时，由所述第三半导体区中自由电子和自由空穴的产生而引起的。
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