DE102004042175A1 - Sensor element for converting radiation energy into an electric signal has a semiconductor component/transistor with an active semiconductor material area as a sensor zone - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement sowie einen daraus gebildeten Sensor.The The present invention relates to a sensor element and to a device formed sensor.
Bei der Konstruktion von Sensorelementen zur Wandlung von Strahlungsenergie in ein elektrisches Signal werden z. B. Halbleiterbauelemente eingesetzt, um den Wandlungsprozess besonders einfach und zuverlässig zu gestalten. Obwohl herkömmliche Halbleiterbauelemente und deren Integration in Sensorelemente und Sensoren basierend auf herkömmlichen Halbleitertechnologien ein breites Anwendungsspektrum bieten, entstehend auf Grund steigender Kundenansprüche und auf Grund der Notwendigkeit einer höheren Flexibilität hinsichtlich gewünschter Materialkombinationen Anforderungsprofile, denen herkömmliche Halbleitermaterialien nicht gerecht werden können.at the construction of sensor elements for the conversion of radiant energy in an electrical signal z. B. Semiconductor devices used, to make the conversion process particularly easy and reliable shape. Although conventional Semiconductor devices and their integration into sensor elements and Sensors based on conventional Semiconductor technologies offer a wide range of applications arising due to increasing customer demands and because of the need for greater flexibility in terms of desired Material combinations requirement profiles, which are conventional Semiconductor materials can not meet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement sowie einen Sensor zu schaffen, die bei unveränderter Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit besonders vielseitig eingesetzt und in bestehende Gerätekonzepte integriert werden können.Of the Invention is therefore based on the object, a sensor element and to create a sensor with unchanged reliability and sensitivity particularly versatile and used in existing device concepts can be integrated.
Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Sensorelement mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ferner durch einen Sensor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 17. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensorelements sowie des erfindungsgemäßen Sensors sind jeweils Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.Is solved the object underlying the invention by a sensor element with the characteristics of the independent Claim 1. Solved The object underlying the invention is further by a Sensor having the features of independent claim 17. Advantageous developments of the sensor element according to the invention and the inventive sensor are each subject of the dependent Dependent claims.
Das erfindungsgemäße Sensorelement ist zur Wandlung von Strahlungsenergie in ein elektrisches Signal ausgebildet und weist dazu mindestens ein Halbleiterbauelement auf, welches seinerseits einen aktiven Halbleitermaterialbereich als Sensorzone aufweist. Erfindungsgemäß ist der Halbleitermaterialbereich der Sensorzone aus oder mit einem organischen Halbleitermaterial ausgebildet.The inventive sensor element is for converting radiant energy into an electrical signal formed and has for this purpose at least one semiconductor device, which in turn has an active semiconductor material area as Sensor zone has. According to the invention, the semiconductor material region the sensor zone made of or with an organic semiconductor material educated.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines organischen Halbleitermaterials als Bestandteil oder als Grundmaterial für den aktiven Halbleitermaterialbereich der Sensorzone ergibt sich ein erweitertes und hinsichtlich der Anwendungen und Verarbeitungsmechanismen besonders flexibles Sensorelement.By the inventive provision an organic semiconductor material as a constituent or as a base material for the active semiconductor material region of the sensor zone results advanced and in terms of applications and processing mechanisms particularly flexible sensor element.
Es kann dabei zusätzlich vorgesehen sein, dass der aktive Halbleitermaterialbereich der Sensorzone mit Strahlung beaufschlagbar ist und dass der aktive Halbleitermaterialbereich der Sensorzone bei Beaufschlagung mit Strahlung in einen bestimmten Nachweisenergiebereich von einem Zustand mit einer vergleichsweise geringeren elektrischen Leitfähigkeit zu einem Zustand mit einer vergleichsweise höheren elektrischen Leitfähigkeit überführbar ist.It can additionally be provided that the active semiconductor material region of the sensor zone is acted upon by radiation and that the active semiconductor material area the sensor zone when exposed to radiation in a certain detection energy range from a state with a comparatively lower electrical conductivity to a state with a comparatively higher electrical conductivity can be transferred.
Bei einer bevorzugten Alternative des erfindungsgemäßen Sensorelements ist es vorgesehen, dass der aktive Halbleitermaterialbereich der Sensorzone im Wesentlichen direkt mit nachzuweisender Strahlung von extern beaufschlagbar ist.at a preferred alternative of the sensor element according to the invention, it is provided that the active semiconductor material region of the sensor zone substantially can be acted upon directly by external radiation to be detected.
Alternativ dazu ist es vorgesehen, dass der aktive Halbleitermaterialbereich der Sensorzone nicht direkt mit nachzuweisender Strahlung von extern beaufschlagbar ist.alternative For this purpose, it is provided that the active semiconductor material area the sensor zone is not directly with external radiation to be detected can be acted upon.
Unter einer direkten Beaufschlagung sei im Folgenden ein Vorgang verstanden, bei welchem die nachzuweisende Strahlung als solche auf den aktiven Halbleitermaterialbereich der Sensorzone auftritt, wobei eine Änderung der Strahlungscharakteristik, außer im Hinblick auf Intensität und Phase, nicht beinhaltet sein soll. Unter einer indirekten Beaufschlagung des aktiven Halbleitermaterialbereichs der Sensorzone mit nachzuweisender Strahlung sei verstanden ein Beaufschlagen mit einer Strahlung, die von der nachzuweisenden Strahlung abgeleitet wurde, z. B. durch Frequenzwandlung von einem höher frequenten Bereich in einen niedriger frequenten Bereich oder durch Umwandlung von einer Strahlungsart, z. B. Teilchen- oder Korpuskelstrahlung, in eine andere Strahlungsart, z. B. elektromagnetische Strahlung.Under a direct application is understood below to mean a process in which the radiation to be detected as such on the active Semiconductor material region of the sensor zone occurs, with a change the radiation characteristics, except in terms of intensity and phase, not meant to be included. Under an indirect charge of the active semiconductor material region of the sensor zone to be detected Radiation is understood to be exposure to radiation, which was derived from the radiation to be detected, z. B. by Frequency conversion from a higher frequency Range in a lower frequency range or by conversion of a kind of radiation, e.g. B. particle or corpuscular radiation, in a different kind of radiation, e.g. B. electromagnetic radiation.
Bei den Ausführungsformen, bei denen keine direkte Beaufschlagung des aktiven Halbleitermaterialbereichs der Sensorzone mit nachzuweisender Strahlung von extern vorgesehen ist, ist es von Vorteil, dass die aktive Halbleitermaterialschicht oder der aktive Halbleitermaterialbereich der Sensorzone mit einem Materialbereich abgedeckt oder in diesen eingebettet ist.at the embodiments, where no direct loading of the active semiconductor material region the sensor zone with radiation to be detected provided externally It is advantageous that the active semiconductor material layer or the active semiconductor material region of the sensor zone with a Material area is covered or embedded in these.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der den aktiven Halbleitermaterialbereich der Sensorzone abdeckende oder einbettende Materialbereich ein Wandlermaterial aufweist oder aus einem solchen gebildet ist, durch welches die nachzuweisende Strahlung im Wesentlichen direkt als Primärstrahlung empfangbar und in eine Sekundärstrahlung wandelbar und im Wesentlichen zum aktiven Halbleitermaterialbereich der Sensorzone aussendbar ist, insbesondere im Nachweisenergiebereich des aktiven Halbleitermaterialbereichs der Sensorzone.there it is particularly advantageous if the active semiconductor material region the sensor zone covering or embedding material area a transducer material has or is formed from such, through which the radiation to be detected essentially directly as primary radiation receivable and convertible into secondary radiation and substantially to the active semiconductor material region of the sensor zone can be emitted, especially in the detection energy range of the active Semiconductor material region of the sensor zone.
Bei einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements ist ein Substrat mit einem Oberflächenbereich vorgesehen, wobei das Halblei terbauelement auf oder oberhalb des Oberflächenbereichs des Substrats ausgebildet ist.In another alternative or add According to the embodiment of the sensor element according to the invention, a substrate is provided with a surface area, wherein the semicon terbauelement is formed on or above the surface region of the substrate.
In diesem Fall ist es vorgesehen, dass der aktive Halbleitermaterialbereich der Sensorzone von dem dem Oberflächenbereich des Substrats zugewandten Raumbereich her direkt oder indirekt mit nachzuweisender Strahlung beaufschlagbar ist.In In this case, it is provided that the active semiconductor material area the sensor zone of the surface facing the surface region of the substrate Spaces directly or indirectly with radiation to be detected can be acted upon.
In diesem Fall ist es von besonderem Vorteil, wenn das gegebenenfalls auszubildende Wandlermaterial oberhalb des Oberflächenbereichs des Substrats ausgebildet ist.In In this case it is of particular advantage, if necessary trainee transducer material above the surface area of the substrate is formed.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der aktive Halbleitermaterialbereich der Sensorzone von dem dem Oberflächenbereich des Substrats abgewandten Raumbereich her direkt oder indirekt mit nachzuweisender Strahlung beaufschlagbar ist, also insbesondere von einer Unterseite des Substrats her.alternative it can be provided that the active semiconductor material area the sensor zone of the surface facing away from the surface region of the substrate Spaces directly or indirectly with radiation to be detected can be acted upon, ie in particular from a bottom of the substrate ago.
In diesem Fall ist es von besonderem Vorteil, wenn das gegebenenfalls vorzusehende Wandlermaterial unterhalb des Oberflächenbereichs des Substrats vorgesehen ist, insbesondere auf oder unterhalb der Unterseite des Substrats.In In this case it is of particular advantage, if necessary to be provided transducer material below the surface area the substrate is provided, in particular on or below the Bottom of the substrate.
In diesen Fällen ist es von besonderem Vorteil, wenn das Substrat selbst für die nachzuweisende Strahlung, also für die Primärstrahlung, oder aber für die Sekundärstrahlung im Wesentlichen transparent ausgebildet ist.In these cases it is particularly advantageous if the substrate itself for the nachweisende Radiation, so for the primary radiation, or for the secondary radiation is formed substantially transparent.
Bei einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements ist es vorgesehen, dass das Halbleiterbauelement als Transistor ausgebildet ist, dessen Kanalbereich gebildet ist von oder mit dem aktiven Halbleitermaterialbereich der Sensorzone. Dies bedeutet also insbesondere, dass der Kanalbereich des Transistors mit oder aus einem organischen Halbleitermaterial gebildet ist.at another alternative or additional embodiment of the sensor element according to the invention it is provided that the semiconductor device as a transistor is formed, whose channel region is formed by or with the active semiconductor material region of the sensor zone. this means in particular, that the channel region of the transistor with or is formed of an organic semiconductor material.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements ist es dagegen vorgesehen, dass das zugrunde liegende Halbleiterbauelement als Diode ausgebildet ist, deren Kathodenbereich und/oder deren Anodenbereich gebildet ist von oder mit dem aktiven Halbleitermaterialbereich der Sensorzone. Dies bedeutet also insbesondere, dass der Kathodenbereich und/oder dass der Anodenbereich der Diode mit oder aus einem organischen Halbleitermaterial gebildet ist oder sind.at an alternative embodiment of the sensor element according to the invention On the other hand, it is envisaged that the underlying semiconductor device is formed as a diode whose cathode region and / or their Anode region is formed by or with the active semiconductor material region the sensor zone. This means in particular that the cathode area and / or that the anode region of the diode with or from an organic Semiconductor material is or are formed.
In diesem Fall ist vorteilhafterweise zusätzlich ein Auswahltransistor in elektrischer Verbindung mit der Diode vorgesehen, um dadurch ein aktives Sensorelement zu schaffen.In In this case is advantageously additionally a selection transistor provided in electrical connection with the diode to thereby to create an active sensor element.
Von besonderem Vorteil ist es dabei, dass der zusätzliche Auswahltransistor als organischer Feldeffekttransistor ausgebildet ist, dessen Kanalbereich mit einem organischen Halbleitermaterial gebildet ist. Dabei können der organische Halbleitermaterialbereich für den Auswahltransistor und der organische Halbleitermaterialbereich für die Diode identisch oder auch verschieden sein.From It is particularly advantageous in this case that the additional selection transistor as organic field effect transistor is formed, the channel region is formed with an organic semiconductor material. It can the organic semiconductor material region for the selection transistor and the organic semiconductor material region for the diode is identical or also be different.
Zur elektrischen Kontaktierung der Diode mit dem Auswahltransistor ist es insbesondere vorgesehen, dass der Kathodenbereich oder der Anodenbereich der Diode mit dem Sourcebereich oder dem Drainbereich des Auswahltransistors verbunden ist.to electrical contacting of the diode with the selection transistor is it is especially provided that the cathode region or the anode region the diode to the source region or the drain region of the selection transistor connected is.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sensor zur Wandlung von Strahlungsenergie in ein elektrisches Signal bereitzustellen. Erfindungsgemäß ist dieser Sensor mit einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Sensorelemente ausgebildet.One Another aspect of the present invention is a Sensor for converting radiant energy into an electrical signal provide. According to the invention, this sensor with a plurality of sensor elements according to the invention educated.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors sind die Sensorelemente derart verschaltet, dass durch sie voneinander unabhängige elektrische Signale auf den Empfang einer entsprechenden Strahlung hin erzeugbar sind.at a particularly advantageous embodiment of the sensor according to the invention the sensor elements are connected in such a way that by them from each other independent electrical signals to the reception of a corresponding radiation can be generated.
Bei einer anderen vorteilhaften zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist es vorgesehen, dass die Mehrzahl Sensoren in einer eindimensionalen Aneinanderreihung angeordnet ist, insbesondere in im Wesentlichen linearer und/oder in im Wesentlichen planarer Form. Es kann sich dabei also um eine Aneinanderreihung in Form einer geraden Linie handeln, die in einer bestimmten Ebene liegt. Denkbar sind aber auch gekrümmte eindimensionale Anordnungen, die entweder in einer planaren Ebene liegen oder aber auch auf einer gekrümmten oder gewölbten Fläche.at another advantageous additional or alternative embodiment the sensor according to the invention it is envisaged that the majority of sensors in a one-dimensional Sequence is arranged, in particular in essence linear and / or in a substantially planar form. It may be in this case, a sequence in the form of a straight line act that lies in a certain level. Are conceivable but also curved one-dimensional arrangements, either in a planar plane lie or even on a curved or curved surface.
Alternativ dazu ist es denkbar, dass die Mehrzahl Sensorelemente des erfindungsgemäßen Sensors in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind, insbesondere als Matrix, in rechteckiger Form und/oder in planarer Form.alternative For this purpose, it is conceivable that the plurality of sensor elements of the sensor according to the invention are arranged in a two-dimensional arrangement, in particular as a matrix, in rectangular form and / or in planar form.
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Sensor als Bildsensor ausgebildet ist. Dies setzt eine bestimmte Anordnung der einzelnen Sensorelemente und deren Verschaltung voraus, wobei eine planare und rechteckige Matrixanordnung mit unabhängig verschalteten Sensorelementen von besonderem Vorteil ist.Further It is advantageous if the sensor is designed as an image sensor. This sets a specific arrangement of the individual sensor elements and their interconnection preceded, being a planar and rectangular Matrix arrangement with independent interconnected sensor elements is of particular advantage.
Nachfolgend
werden diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung weiter
erläutert:
Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Anordnungen zur Realisierung
von aktiven Bildsensoren zur Digitalisierung photonischer Informationen mit
Hilfe organischer Feldeffekttransistoren.Hereinafter these and other aspects of the present invention will be further explained:
The present invention particularly relates to arrangements for the realization of active image sensors for digitizing photonic information by means of organic field effect transistors.
Die Herstellung großflächiger Bildsensoren zur zweidimensionalen Abbildung photonischer Informationen (einschließlich Röntgenstrahlung, UV-Strahlung, sichtbares Licht, nahes Infrarot, Infrarot) erfordert einerseits gegebenenfalls die Umwandlung der entsprechenden photonischen Strahlungen in eine elektronisch auswertbare Form (zum Beispiel die Umwandlung von Röntgenquanten in sichtbares Licht) und andererseits die Umwandlung dieser elektronisch auswertbaren Strahlung in einer zweidimensionalen Detektormatrix in elektronische Signale. Zu diesem Zweck wird die Sensorfläche derart in einzelne Bildelemente oder so genannte Pixel aufgeteilt, dass die Bildinformation jedes einzelnen Pixels elektronisch aufgelöst und erfasst werden kann. Um die vielen einzelnen Pixel elektronisch voneinander zu entkoppeln, ist es dabei in der Regel notwendig, in jedes einzelne Pixel einen Auswahltransistor zu integrieren. Diese Form des Bildsensors wird auch als aktive Matrix "active matrix image sensor" bezeichnet, im Gegensatz zu einer passiven Matrix, bei der die Pixel nicht über Auswahltransistoren verfügen.The Production of large-scale image sensors for two-dimensional imaging of photonic information (including X-rays, UV radiation, visible light, near infrared, infrared) requires one hand optionally the conversion of the corresponding photonic radiations into an electronically evaluable form (for example, the transformation of X-ray quanta in visible light) and on the other hand the conversion of these electronically evaluable radiation in a two-dimensional detector matrix in electronic signals. For this purpose, the sensor surface is so divided into individual picture elements or so-called pixels that the image information of each pixel electronically resolved and detected can be. To the many individual pixels electronically from each other To decouple, it is usually necessary in every single one Pixel to integrate a selection transistor. This form of image sensor is also called active matrix "active matrix image sensor ", unlike a passive matrix, where the pixels do not have select transistors feature.
Hier sollen verschiedene Integrationsvarianten und Herstellungsmöglichkeiten aktiver Bildsensoren basierend auf organischen Feldeffekttransistoren und gegebenenfalls unter Verwendung organischer Fotodioden in Kombination mit gegebenenfalls notwendigen Umwandlern, zum Beispiel Szintillatoren zur Umwandlung von Röntgenquanten in sichtbares oder ultraviolettes Licht, beschrieben werden. Entscheidend ist dabei die potentiell preiswerte Realisierung solcher aktiver Bildsensoren auf großen Flächen und die Möglichkeit, dank der bei der Her stellung organischer Halbleiterbauelemente verwendeten relativ niedrigen Prozesstemperaturen, in der Regel unterhalb etwa 200 °C, die Sensoren auf flexiblen Substraten zu realisieren.Here should different integration variants and production possibilities active image sensors based on organic field effect transistors and optionally using organic photodiodes in combination with optionally necessary converters, for example scintillators for Conversion of X-ray quanta in visible or ultraviolet light. critical is the potentially inexpensive realization of such active Image sensors on large surfaces and the possibility thanks to those used in the manufacture of organic semiconductor devices relatively low process temperatures, usually below about 200 ° C, to realize the sensors on flexible substrates.
Gegenwärtig werden
aktive Bildsensoren ausschließlich
auf der Grundlage von Silizium hergestellt, und zwar entweder in
einkristalliner, in polykristalliner oder in amorpher Form. Die
Ausführung
eines kommerziell erhältlichen
zweidimensionalen Bildsensors auf der Basis von Fotodioden und Auswahltransistoren
auf der Grundlage amorphen Siliziums auf einem Glassubstrat ist
in den
Diese Herstellung großflächiger Bildsensoren auf der Basis von Silizium ist vergleichsweise aufwendig und teuer und erfordert bei der Herstellung relativ hohe Prozesstemperaturen, in der Regel oberhalb etwa 300 °C. Aus diesem Grund ist die Herstellung solcher Bildsensoren auf flexiblen Substraten, also auf Polymerfolien, die in der Regel eine Glastemperatur unterhalb von 150 °C haben, derzeit nicht realisierbar.These Production of large-scale image sensors On the basis of silicon is relatively expensive and expensive and requires relatively high process temperatures during production, usually above about 300 ° C. For this reason, the production of such image sensors is flexible Substrates, so on polymer films, which is usually a glass transition temperature below 150 ° C currently not feasible.
Verfahren zur Realisierung großflächiger Bildsensoren auf der Basis organischer Halbleiterbauelemente, das heißt, auf der Grundlage organischer Feldeffekttransistoren oder organischer Fotodioden, sind derzeit nicht bekannt.method for the realization of large-scale image sensors on the basis of organic semiconductor devices, that is, on the basis of organic field effect transistors or organic Photodiodes are currently unknown.
Die Erfindung beschreibt Anordnungen und Integrationskonzepte für die Realisierung aktiver Bildsensoren zur ein- oder zweidimensionalen Erfassung photonischer Informationen mithilfe organischer Feldeffekttransistoren. Dabei bildet eine Matrix bestehend aus organischen Feldeffekttransistoren die Grund komponente zum Erzeugen und zur örtlichen Zuordnung der elektronischen Information.The The invention describes arrangements and integration concepts for implementation active image sensors for one- or two-dimensional detection of photonic Information using organic field effect transistors. there forms a matrix consisting of organic field effect transistors the basic component for generating and local allocation of electronic Information.
Im Folgenden werden unterschiedliche Integrationskonzepte zur Realisierung aktiver Bildsensoren mit organischen Bauelementen vorgestellt:
- (a) Direkte Umwandlung photonischer Information in digitale Information (Primärstrahlun, Primärsignal) Bei diesem Konzept wird ausgenutzt, dass sich der Drainstrom eines organischen Feldeffekttransistors bei Bestrahlung des Transistors erhöht, sofern die Wellenlänge der Strahlung in das Absorptionsspektrums des organischen Halbleiters fällt. Die Absorption von Photonen im organischen Halbleiter führt zur Generation von Ladungsträgerpaaren, die zum Drainstrom beitragen. Dieses Konzept beschränkt sich in der Regel auf einen relativ kleinen Wellenlängenbereich der photonischen Informationen als Primärsignal oder Primärstrahlung. Außerdem eignet sich dieses Konzept bevorzugt zum Aufbau von Einzelsensoren, weil ein Auslesen in einer Matrixanordnung ohne Zwischenspeichern der Information nicht zuverlässig erfolgen kann.
- (b) Direkte Umwandlung photonischer Information in digitale Information mit Fotodiode (Primärstrahlung, Primärsignal) Bei diesem Konzept wird ausgenutzt, dass sich die über einer organischen Fotodiode anstehende Spannung bei Bestrahlung der Diode ändert, sofern die Wellenlänge der Strahlung in das Absorptionsspektrums des organischen Halbleiters fällt. Die Absorption von Photonen im organischen Halbleiter führt zur Generation von Ladungsträgerpaaren, die unter dem Einfluss des internen elektrischen Feldes getrennt und zu den Elektroden abgeführt werden, wo sie die über der Diode anstehende Spannung verändern. Dieses Konzept beschränkt sich in der Regel auf einen relativ kleinen Wellenlängenbereich der photonischen Informationen als Primärsignal oder Primärstrahlung. Die Photodiode stellt gleichzeitig eine Kapazität dar, an der die getrennten und abgeführten Ladungen und damit die elektronische Information so lange gespeichert bleiben, bis das Auslesen über den Auswahltransistor erfolgt. Zu diesem Zweck muss die Fotodiode in elektrischen Kontakt zum Transistor stehen. Die zu detektierenden Wellenlängen der photonischen Information werden von den Eigenschaften der organischen Halbleiterschicht(en) der Diode bestimmt. Im Allgemeinen lassen sich mit dieser Anordnung photonische Informationen vom UV-Bereich bis zum NIR-Bereich detektieren und digitalisieren. Eine Anpassung der Absorptionseigenschaften des Diodenmaterials ist in Grenzen mit Hilfe von Sensibilisatorfarbstoffen möglich.
- (c) Indirekte Umwandlung photonischer Information in digitale Information (Sekundärstrahlung, Sekundärsignal) Auch bei diesem Konzept wird ausgenutzt, dass sich der Drainstrom eines organischen Feldeffekttransistors bei Bestrahlung des Transistors erhöht, sofern die Wellenlänge der Strahlung in das Absorptionsspektrums des organischen Halbleiters fällt. Um eine Erfassung photonischer Informationen als Primärsignal oder Primärstrahlung zu ermöglichen, deren Wellenlänge außerhalb des Absorptionsspektrums des organischen Halbleiters liegt, zum Beispiel Röntgenstrahlung oder tiefes UV, erfolgt zunächst eine Umwandlung dieser kurzwelligen Primärstrahlung in eine geeignete Sekundärstrahlung. Hierfür ist die Integration entsprechender Wandler erforderlich. Diese müssen – ähnlich wie die Primärquelle in Konzepten (a) und (b) – zwar nicht in elektrischem Kontakt zum Transistor stehen, jedoch in optischem oder Sichtkontakt, so dass die Sekundärstrahlung als Sekundärinformation detektiert werden kann. Entsprechende Materialien für Wandler sind für eine Vielzahl von Primärsignalen bekannt. Ein Beispiel sind Cäsium-Jodid-Schichten für die Umwandlung von Röntgenstrahlung in sichtbares Licht. Dieses Konzept eignet sich bevorzugt zum Aufbau von Einzelsensoren, weil ein Auslesen in einer Matrixanordnung ohne Zwischenspeichern der Information nicht zuverlässig erfolgen kann.
- (d) Indirekte Umwandlung photonischer Information in digitale Information mit Fotodiode (Sekundärstrahlung, Sekundärsignal) Auch bei diesem Konzept wird ausgenutzt, dass sich die über einer organischen Fotodiode anstehende Spannung bei Bestrahlung der Diode ändert, sofern die Wellenlänge der Strahlung in das Absorptionsspektrums des organischen Halbleiters fällt. Um eine Erfassung photonischer Informationen als Primärsignal oder Primärstrahlung zu ermöglichen, deren Wellenlänge außerhalb des Absorptionsspektrums des organischen Halbleiters liegt, zum Beispiel Röntgenstrahlung oder tiefes UV, erfolgt zunächst eine Umwandlung dieser kurzwelligen Primärstrahlung in eine geeignete Sekundärstrahlung. Hierfür ist die Integration entsprechender Wandler erforderlich.
- (a) Direct conversion of photonic information into digital information (primary beam, primary signal) This concept utilizes that the drain current of an organic field effect transistor increases upon irradiation of the transistor as long as the wavelength of the radiation falls within the absorption spectrum of the organic semiconductor. The absorption of photons in the organic semiconductor leads to the generation of charge carrier pairs that contribute to the drain current. This concept is usually limited to a relatively small wavelength range of the photonic information as a primary signal or primary radiation. In addition, this concept is preferably suitable for the construction of individual sensors, because read-out in a matrix arrangement without temporary storage of the information can not be reliable.
- (b) Direct conversion of photonic information into digital information with a photodiode (primary radiation, primary signal) This concept makes use of the fact that the photoswitches that are present above an organic photodiode are exploited Voltage upon irradiation of the diode changes as long as the wavelength of the radiation falls within the absorption spectrum of the organic semiconductor. The absorption of photons in the organic semiconductor leads to the generation of pairs of charge carriers, which are separated under the influence of the internal electric field and dissipated to the electrodes, where they change the voltage across the diode. This concept is usually limited to a relatively small wavelength range of the photonic information as a primary signal or primary radiation. At the same time, the photodiode represents a capacitance at which the separated and discharged charges and thus the electronic information remain stored until reading takes place via the selection transistor. For this purpose, the photodiode must be in electrical contact with the transistor. The wavelengths of the photonic information to be detected are determined by the properties of the organic semiconductor layer (s) of the diode. In general, photonic information from the UV region to the NIR region can be detected and digitized with this arrangement. An adaptation of the absorption properties of the diode material is possible within limits with the help of sensitizer dyes.
- (c) Indirect conversion of photonic information into digital information (secondary radiation, secondary signal) Also in this concept, the drain current of an organic field effect transistor is increased when the transistor is irradiated, as long as the wavelength of the radiation falls within the absorption spectrum of the organic semiconductor. In order to enable detection of photonic information as a primary signal or primary radiation whose wavelength is outside the absorption spectrum of the organic semiconductor, for example X-radiation or deep UV, a conversion of this short-wave primary radiation into a suitable secondary radiation takes place first. This requires the integration of appropriate transducers. These must - like the primary source in concepts (a) and (b) - not be in electrical contact with the transistor, but in optical or visual contact, so that the secondary radiation can be detected as secondary information. Corresponding materials for transducers are known for a variety of primary signals. An example is cesium-iodide layers for the conversion of X-rays into visible light. This concept is preferably suitable for the construction of individual sensors, because read-out in a matrix arrangement without temporary storage of the information can not take place reliably.
- (d) Indirect conversion of photonic information into digital information with photodiode (secondary radiation, secondary signal) This concept also exploits the fact that the voltage across an organic photodiode changes when the diode is irradiated, as long as the wavelength of the radiation into the absorption spectrum of the organic semiconductor falls. In order to enable detection of photonic information as a primary signal or primary radiation whose wavelength is outside the absorption spectrum of the organic semiconductor, for example X-radiation or deep UV, a conversion of this short-wave primary radiation into a suitable secondary radiation takes place first. This requires the integration of appropriate transducers.
Die prinzipielle Herausforderung besteht in der Integration der Einzelkomponenten, nämlich eines organischen Transistors, eines Fotodiode, eines Wandlers, auf dem Substrat unter Gewährleistung der Funktionalität und der prozesstechnischen Realisierbarkeit. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Auswahltransistoren und die Auswerteelektronik mit den gegebenenfalls notwendigen Fotodioden in elektrischem Kontakt stehen müssen, während die photonische Information, nämlich die Primär- und die Sekundärinformation und damit auch gegebenenfalls benötigte Wandler lediglich in optischem Kontakt oder Sichtkontakt zu Transistor und Diode stehen müssen, wobei der Abstand zwischen Wandler und Fotodetektor im Interesse der Auflösung nicht zu groß sein darf, um Streulichteffekte zu vermeiden.The principal challenge is the integration of the individual components, namely an organic transistor, a photodiode, a transducer, on the substrate while ensuring the functionality and the procedural feasibility. It is important to take into account that the selection transistors and the transmitter with the possibly necessary photodiodes are in electrical contact have to, while the photonic information, namely the primary and the secondary information and thus also possibly required converter only in optical contact or visual contact with the transistor and diode must be, where the distance between the transducer and the photodetector in the interest of the resolution is not to be too big allowed to avoid stray light effects.
Integrationskonzepteintegration concepts
Aus diesen Anforderungen ergeben sich für die Integration der Einzelkomponenten zu aktiven Bildsensoren prinzipiell zwei MöglichkeitenOut These requirements arise for the integration of the individual components to active image sensors in principle two possibilities
Zum
einen ist die Realisierung eines Bildsensors auf einem beliebigen
und nicht notwendigerweise transparenten Substrat denkbar mit Einkopplung der
Strahlung entweder direkt über
die Quelle oder indirekt über
einen Wandler von der Frontseite gemäß den
Zum
anderen ist die Realisierung eines Bildsensors auf einem transparenten
Substrat denkbar mit Einkopplung der Strahlung entweder direkt über die
Quelle oder indirekt über
einen Wandler von der Rückseite
gemäß den
Zur gezielten Reduzierung von Lichtstreueffekten zwischen benachbarten Pixeln zwecks Erhöhung der räumlichen Auflösung des Sensors ist für alle beschriebenen Integrationskonzepte die Verwendung einer Dunkelmatrix oder Dunkelmaske, also einer stark absorbierenden Schicht, die lediglich im Bereich der Sensoren oder der eigentlichen Sensorzone, also je nach Konzept entweder beim Transistor oder bei der Fotodiode, geöffnet wird, vorteilhaft.For targeted reduction of Lichtstreuef For all described integration concepts, the use of a dark matrix or dark mask, ie a strongly absorbing layer, which is only in the region of the sensors or the actual sensor zone, ie depending on the concept either in the transistor or in the Photodiode, opened, beneficial.
Prinzipiell ist neben der planaren Anordnung von Auswahltransistor und Fotodiode gemäß den Ausführungsformen 3B und 3D auch eine Stapelung der Einzelkomponenten möglich, wobei die Fotodiode entweder oberhalb oder unterhalb des Transistors angeordnet sein kann. Bei der Anordnung des Transistors oberhalb der Fotodiode verringert sich zwar die zur Absorption in der Fotodiode zur Verfügung stehende Fläche. Das ist jedoch unproblematisch, weil die Fotodiode in der Regel ohnehin deutlich größer ist als der Transistor.in principle is next to the planar array of select transistor and photodiode according to the embodiments 3B and 3D also possible a stacking of the individual components, wherein the photodiode is arranged either above or below the transistor can be. In the arrangement of the transistor above the photodiode Although it reduces the available for absorption in the photodiode Area. However, this is not a problem, because the photodiode usually anyway much larger as the transistor.
Eine Kernidee der Erfindung besteht also insbesondere auch im Bereitstellen von Anordnungen zur Realisierung von ein- und zweidimensionalen aktiven Bildsensoren zur Digitalisierung photonischer Informationen mit Hilfe organischer Feldeffekttransistoren als Bestandteil einer aktiven Matrix.A Core idea of the invention is therefore also in particular in the provision of arrangements for the realization of one- and two-dimensional active image sensors for the digitization of photonic information with the help of organic field effect transistors as part of a active matrix.
Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden anhand schematischer Zeichnungen auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.These and further aspects of the present invention will become more apparent by way of schematic Drawings based on preferred embodiments of the invention explained in more detail.
Nachfolgend werden funktionell und/oder strukturell ähnliche oder äquivalente Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ohne dass in jedem Fall ihres Auftretens eine Detailbeschreibung wiederholt wird.following become functionally and / or structurally similar or equivalent Elements denoted by the same reference numerals without being in any Case of their occurrence a detailed description is repeated.
Die
Die
Bei
der Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensorelements
Die
Struktur aus Gatebereich G, Gateisolation GOX, erstem und zweitem
Source-/Drainbereich SD1, SD2 und Kanalbereich K ist in einen Puffermaterialbereich
Im
Betrieb fällt
durch das Fenster F und durch die Pufferschicht
Bei
der Ausführungsform
der
Bei
der Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensorelements
Die
Struktur aus Gatebereich G, Gateisolation GOX, erstem und zweitem
Source-/Drainbereich SD1, SD2 und Kanalbereich K ist in einen Puffermaterialbereich
Auf
der Pufferschicht
Im
Betrieb fällt
durch das Fenster F und durch die Pufferschicht
Die
Ausführungsform
der
Bei
der Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensorelements
Der
Transistor T ist ebenfalls auf dem Oberflächenbereich
Die
Diode D und der Auswahltransistor sind in einer Pufferschicht
Im
Betrieb fällt
durch das Fenster F und durch die Pufferschicht
Bei
der Ausführungsform
der
Bei
der Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensorelements
Der
Transistor T ist ebenfalls auf dem Oberflächenbereich
Die
Diode D und der Auswahltransistor sind in einer Pufferschicht
Auf
der Pufferschicht
Im
Betrieb fällt
durch das Fenster F und durch die Pufferschicht
Die
Ausführungsform
der
Die
Ausführungsform
der
Die
Ausführungsform
der
Die
Ausführungsform
der
Die
Ausführungsform
der
Zitierte LiteraturQuoted literature
- [1] R. A. Street, "Technology and Applications of Amorphous Silicon," Springer Verlag, 2000.[1] R.A. Street, "Technology and Applications of Amorphous Silicon, "Springer Publisher, 2000.
- 1010
- erfindungsgemäßes Sensorelementinventive sensor element
- 2020
- Substratsubstratum
- 20a20a
- Oberflächenbereich, OberseiteSurface area, top
- 20b20b
- Unterseitebottom
- 3030
- Materialbereich für Gateelektrodematerial area for gate electrode
- 4040
- Materialbereich für Gateisolationmaterial area for gate insulation
- 5050
- Materialbereich für Source-/Drainbereichematerial area for source / drain regions
- 6060
- PuffermaterialbereichBuffer material area
- 7070
- organisches Halbleitermaterial,organic Semiconductor material
- insbesondere für Transistorespecially for transistor
- 7575
- organisches Halbleitermaterial,organic Semiconductor material
- insbesondere für Diodeespecially for diode
- 8080
- Material für Dunkelmaske/Dunkeklmatrixmaterial for dark mask / Dunkeklmatrix
- 9090
- WandlermaterialbereichTransducer material area
- 100100
- erfindungsgemäßer Sensorinventive sensor
- 110110
- Ansteuer- und Messeinheitactuation and measurement unit
- 111111
- Ansteuer- und Messleitungactuation and measuring line
- 120120
- Zeilendecoderrow decoder
- 121121
- Ansteuerleitungdrive line
- AA
- aktiver Halbleitermaterialbereichactive Semiconductor material region
- AnAt
- Anode, Anodenbereich der Diode DAnode, Anode region of the diode D
- DD
- Diodediode
- GG
- Gateelektrode, GateGate electrode, gate
- GOXGOX
- Gateisolationgate insulation
- KK
- Kanalbereichchannel area
- Kaka
- Kathode, Kathodenbereich der Diode DCathode, Cathode region of the diode D
- Stromquellepower source
- SD1SD1
- Source-/DrainbereichSource / drain region
- SD2SD2
- Source-/DrainbereichSource / drain region
- SZSZ
- Sensorzonesensor zone
- TT
- Transistortransistor
- hνhv
- Primärstrahlungprimary radiation
- hν'hv '
- Sekundärstrahlungsecondary radiation
Claims (21)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102004042175A DE102004042175A1 (en) | 2004-08-31 | 2004-08-31 | Sensor element for converting radiation energy into an electric signal has a semiconductor component/transistor with an active semiconductor material area as a sensor zone |
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---|---|
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ID=36001531
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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WO1999049483A1 (en) * | 1998-03-26 | 1999-09-30 | Akzo Nobel N.V. | Method for making a photovoltaic cell containing a dye |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: QIMONDA AG, 81739 MUENCHEN, DE |
|
8131 | Rejection |