CN101361188B - 具有提高的灵敏度的有机像素化平板探测器 - Google Patents

具有提高的灵敏度的有机像素化平板探测器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有提高的灵敏度的有机像素化平板探测器。这通过在像素层面上的预放大来实现。

Description

具有提高的灵敏度的有机像素化平板探测器
技术领域
本发明涉及一种具有提高的灵敏度的有机像素化平板探测器。
背景技术
基于无机的平板探测器是已知的，其通过光电探测器和闪烁器以高灵敏度探测辐射。
在商业上可得到的平板探测器(用于X射线辐射和其它辐射)中，将a-Si薄膜晶体管和a-Si PIN二极管相组合。但尤其由于PIN二极管，这些探测器在制造方面成本很高，即贵。基于有机半导体材料的光电二极管提供以下可能性：制造在可见光谱范围内具有高外部量子效率(50至85％)的像素化平板探测器(pixelierter Flachdetektor)。这里所使用的薄有机层系统可以利用已知的制造工艺、如旋涂(Spin-Coating)、刮(Rakeln)或印刷工艺成本低廉地来制造，因此可以实现价格优势，特别是对于大面积的平板探测器来说。例如由US 2003/0025084已知这种有机平板探测器例如在医学图像识别中作为X射线平板探测器的很多有前景的应用，因为这里典型地在至少几厘米的较大面上探测闪烁器层的光。
由US 2004/0135911已知一种基于无机的平板探测器，该文献公开了例如具有包括非晶硒的光敏层的无机p-i-n光电二极管，该无机p-i-n光电二极管与包括多个薄膜晶体管的放大器电路连接。其缺点在于，除了使用昂贵的PIN二极管外，在每一列中还必需有附加的电阻Rload。
此外由出版物US 6600160B2已知一种常规的基于PIN二极管的平板探测器，该平板探测器除了光敏元件、即PIN二极管在制造方面不经济的显著缺点外，还具有只包括一个放大器的电路，但为此表明一种装置，在该装置中对于每个待读取的列都需要附加的精确的电流源。
发明内容
本发明的任务是，克服现有技术的缺点，并提供成本低廉的平板探测器。
该任务通过权利要求书、说明书和附图的主题及附图说明得以解决。
根据本发明的具有由像素构成的行和列的像素化平板探测器，其中所述像素分别至少包括有机光电二极管、复位晶体管、放大晶体管和读取晶体管，其中有机光电二极管的材料从以下材料组中选出：
-像素阳极：Au、Pd、Pt或ITO；
-有机半导体：由C60和苯基-C61-丁酸甲酯其中之一与聚3-烷基噻吩和聚苯乙炔其中之一构成的混杂物；
-半透明阴极：Ba、Ca、Mg、LiF或CsF。
本发明的主题是具有由像素构成的行和列的像素化平板探测器，所述像素分别至少包括有机光电二极管、复位晶体管、放大晶体管和读取晶体管。
“像素(Pixel)”系指由光电二极管、晶体管和所属的线路构成的当前单元。基本上将本发明主题与已知的平板探测器相区别的可成本低廉地制造的有机光电二极管属于像素。
根据本发明，像素化平板探测器包括具有超过200，例如超过1000行的大的有源矩阵探测器阵列。就这种大的阵列而言，读取电子系统的噪声份额(也称为“放大器噪声”)和线路的噪声份额(数据线处的热噪声以及由与外部电压源的电容性耦合引起的外来噪声)相比于单个像素的噪声份额典型地占优势。
根据本发明规定，这些噪声份额通过预放大每个单个像素、即放大所产生的信号已经在像素层面上有效地得以减小，因此可以将有机光电二极管应用在平板探测器工业中。为此，每像素需要两个附加的晶体管：放大晶体管和复位晶体管。
根据本发明在每个像素中所含有的不同的晶体管既可以基于无机来构造，又可以基于有机来构造。因此此外可能使用基于无机的晶体管，因为由非晶硅构成的薄膜晶体管通过平板屏幕工业在技术上得以广泛发展，因此可成本低廉地得到。
但根据本发明也规定，部分地或完全地使用基于有机的晶体管。基于有机的晶体管可以由非晶硅和/或由低温多晶硅LTPS来构造。
根据本发明的一种有益扩展方案规定，有机二极管与对于所有像素共同的供电电压V1连接。在照明时，该有机二极管导致电压Vsignal的改变，该电压Vsignal在每个照明周期之前利用复位晶体管的栅极上的电压脉冲Vreset被复位成电压V2。根据本发明的一种有益实施形式，在像素中，有机光电二极管直接与放大晶体管和复位晶体管连接。
根据本发明的一种有益实施形式，在像素中，读取晶体管与放大晶体管连接，所述放大晶体管又与复位晶体管和光电二极管连接。
与二极管和/或晶体管器件相关联的概念“有机的(organisch)”在这里具有完全一般的含义，且包括英文“plastics(塑料)”的含义。因此尤其还应该一起包括不是必然含有碳的其它化合物和聚合物以及金属有机材料、所有种类的混杂物和聚合物混合物或者以非聚合方式存在的化合物的混合物、如齐聚物和单体。为此例如还出现硅树脂或其它常见的合成材料，也即除了以常见的方式形成常规的p-i-n二极管的无机半导体之外的所有材料。
根据本发明的有机光电二极管至少包括衬底层、下电极、光敏层、上电极和必要时封装。衬底可以由厚度范围在50μm至2mm的玻璃、由柔性合成材料或金属膜或者其它常见材料制成。在此如果在衬底上除了有机光电二极管之外还布置有其它器件，如晶体管，则是有利的。通过在衬底上的布置，缩短了线路，简化了生产步骤，且基本上节省了成本。
根据本发明对具有有机光电二极管的像素的预放大当然不排除平板探测器还具有用于放大信号的其它装置。例如可以使用还放大信号的电阻、电容器、其它二极管和/或晶体管。
附图说明
下面还将根据涉及本发明的优选实施形式的4个附图详细说明本发明：
图1示出有源像素的开关电路的示意图；
图2示出由平板探测器的两行和两列构成的阵列的示意图；
图3示出有源有机像素的俯视图；和
图4示出在图3中标出的通过有源像素的剖视图。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的有源放大像素1。每个像素1都含有有机光电二极管2、复位晶体管3、放大晶体管4和读取晶体管5。有机光电二极管2与供电电压V1连接，在这里所示的实例中供电电压V1对于所有像素来说是共同的。在照明时，有机光电二极管2导致电压Vsignal的改变，所述电压Vsignal在每个照明周期之前利用在复位晶体管3的栅极6上的电压脉冲Vreset被复位为电压V2。在照明之后，信号通过放大晶体管4被读出，在所述放大晶体管4的漏极侧7施加电压V3，所述放大晶体管4的源极侧8通过读取晶体管5与数据线9连接并最终通过该数据线与读取电子系统连接。供电电压V2和V3对于所有像素来说同样是共同的。所述供电电压可以处于相同的电压电平，和通过共同的线路来连接。但为了优化信号放大，有利的是通过两个分开的线路施加不同的电压V2和V3。
如可以看到，光电二极管直接与放大晶体管的栅极接触和复位晶体管的源极接触相连接。读取晶体管5的漏极接触与放大晶体管4的源极接触8相连接，所述放大晶体管4又通过其栅极与复位晶体管3和光电二极管2相连接。
示例性的电压值对于V1为+15V，对于V2为+10V，对于V3为+20V。电压Vreset和Vread形成脉动信号，所述脉动信号例如在值-5V(OFF)和+15V(ON)之间切换。
图2示意性地示出由多个如图1中所示的有源像素1所构成的阵列的开关电路。每一行需要用于脉动供电电压Vreset和Vread的两个驱动器10、11。信号放大器通过线路9连接在每一列上。另外，每个像素都连接到用于V1、V2和V3的在本实例中共同的供电线路上。用于供电电压V1的端子这里例如是全面电极，所述全面电极与整个阵列重叠且在图中未示出。共同的供电电压V2和V3这里例如分别以列的方式联合，其中各个支路在阵列边缘处分别联合成共同的端子。原则上，这些支路也可以首先以行的方式联合，并相应地在右边缘与引线相连接。同样可以建立不同于所示的供电电压V1。
供电电压V2和/或V3可以针对所有的像素被连接，如图中所示，但所述供电电压V2和/或V3也可以针对单个像素来设计。V2的电位可以与V3相等或不相等。
图3示意性示出有源有机像素的俯视图，图4示出在图3所示位置处通过有源有机像素的剖视图。
在该实例中，用于V2和V3的供电电压联合在一个垂直线路中，因此这两个电位在此相同。
根据另一实施形式，两个电位V2和V3不相等。
回到图3还可看出，在那里所示的实例中，像素阳极14与复位薄膜晶体管3(TFT)和放大器薄膜晶体管4(TFT)重叠。此外可以识别栅极13和源极/漏极15。这相比于在阳极和晶体管之间不重叠的设计明显提高了载荷因数(Füllfaktor)。有机光电二极管像素的有效载荷因数在这种情况下通过像素阳极14的面加上包围该面的几μm的引入区域来确定。为了再进一步提高载荷因数，还可以附加地与读取晶体管5重叠，但这随之产生了附加寄生电容的缺点。对于载荷因数不太临界的应用情况来说，也可以放弃与复位晶体管3和/或放大晶体管4的重叠。
就根据本发明的平板探测器而言，根据一个实施例，有机光电二极管的结构化电极与复位晶体管和/或与放大晶体管和/或与读取晶体管重叠。
就根据本发明的平板探测器而言，根据另一实施形式，有机半导体层是全面的。
就根据本发明的平板探测器而言，根据另一实施形式，有机半导体层在像素层面上被结构化。
在图4的实例中，不仅有机半导体层16而且共用的(这里半透明的)阴极18是全面的，且在阵列的所有像素上被结构化。有机半导体16原则上也可以被结构化成各个像素阳极的几何形状。上电极18始终连续地处于电位V1。
像素阳极14和像素阴极18的功能也可以相对于图4中的实例而被互换，只有与放大晶体管和复位晶体管相连接的电极才分别被结构化到单个像素中，而另外的电极则是连续的
Figure GA20191952200680051305901D00051
有机半导体层16可以包括多个有机分层，且可以在有机层之上和/或之下涂敷附加的无机阻挡层。
由非晶硅组成的晶体管结构的典型材料和层厚：
-栅极金属：Cr或Al，在50和500nm之间；
-第一钝化：SiNx或SiOxNy，在100和500nm之间；
-a-Si：在30和300nm之间(部分掺杂)；
-源极/漏极金属：Cr或Al，在50和500nm之间；
-第二钝化：SiNx、SiOxNy或有机光刻胶，在100和500nm之间。
有机晶体管用的典型材料：
导电的：基于聚苯胺的聚合物，称为基于聚噻吩的半导体聚合物和基于聚乙烯的绝缘体聚合物。层厚视晶体管结构不同而有所不同，通常采用薄膜层技术。
有机二极管的典型材料和层厚：
-像素阳极：Au、Pd、Pt、ITO，在20和200nm之间；
-有机半导体：由有机电子移动分量(例如C60或PCBM＝苯基-C61-丁酸甲酯)和有机空穴移动分量(例如P3AT＝聚3-烷基噻吩或PPV＝聚苯乙炔(Polyphenylenvinylen))构成的混杂物，在50和500nm之间；
-半透明阴极：由Ba、Ca、Mg、LiF或CsF构成的第一层，在1和10nm之间，和必要时层厚在3和30nm之间的由Ag、Al或ITO构成的覆盖层。
最后，整个部件大部分都受到封装(例如玻璃套或薄膜封装)的保护免受氧和湿气的影响。
在另一实施例中，薄膜晶体管可以被实现为有机场效应晶体管(OFET)。这可能也为晶体管开启更廉价的制造工艺的可能性。此外，这种结构适合于在柔性的衬底上制造可弯曲的或可变形的探测器阵列。
本发明有源放大有机探测器阵列的优点在于，在数据线和放大器中所产生的噪声份额的权重的减少。阵列越大，总噪声减少的效应越高。在用于荧光镜检查和射线照相应用的X射线探测器阵列的情况下，行数典型地在1000和3000之间。在该领域中，上述根据像素所产生的噪声份额导致典型为总噪声的40％-90％的部分。在使用有源放大像素的情况下，噪声份额的效应通过如下方式得到减小，即在产生确定的噪声份额之前就已经将信号放大。尽管由此并不能在总体上减少噪声，但通过较早的放大而明显提高了信噪比和探测器的灵敏度。
在信噪比方面改善的程度取决于放大像素的增益G。增益说明了在像素中所产生的光电荷与输出放大器处的电荷量之比。所述增益由如下公式给出：
G＝g*t/C，
其中g是放大晶体管的跨导，t是用于读取像素的采样时间，C是像素电容。在使用a-Si晶体管的情况下，这些参量的典型值为：
G＝1×10-6至5×10-6A/V
T＝10至50μs
C＝1至5pF(在80μm和200μm之间的像素间距的情况下)。
对此，典型的增益因数在3和30之间的范围内。
仿真表明，对于具有像素间距为150μm、读取时间为20μs、像素电容为4pF的有机探测器阵列来说，利用为10的增益因数可以将信噪比改善2至3倍(相比于无放大装置、而仅有简单的读取晶体管的像素)。
最小的可探测的信号通过与像素放大器的输入有关的总噪声来确定。根据仿真，通过按照本发明在有机探测器阵列中使用有源放大像素，针对1000×1000像素的阵列的输入噪声值可以从2000电子减少到1200电子。对于较大的阵列来说，所述因数变得更大。对于在约1500电子以下的输入噪声值来说，可以利用X射线探测器探测到各个X射线量子。
因此，根据本发明的改善可以实现有机光电二极管在用于低剂量范围的X射线平板探测器中的商业应用。
本发明涉及一种具有提高的灵敏度的有机像素化平板探测器。这通过在像素层面上预放大来实现。

Claims (15)

1.具有由像素构成的行和列的像素化平板探测器，其中所述像素分别至少包括有机光电二极管、复位晶体管、放大晶体管和读取晶体管，其中有机光电二极管的材料从以下材料组中选出：
-像素阳极：Au、Pd、Pt或ITO；
-有机半导体：由C60和苯基-C61-丁酸甲酯其中之一与聚3-烷基噻吩和聚苯乙炔其中之一构成的混杂物；
-半透明阴极：Ba、Ca、Mg、LiF或CsF。
2.如权利要求1所述的平板探测器，其中有机二极管与对于所有像素共同的供电电压V1连接。
3.如权利要求1或2所述的平板探测器，其中在像素中，有机光电二极管直接与放大晶体管的栅极接触和复位晶体管的源极接触相连接。
4.如权利要求1至2中任一项所述的平板探测器，其中在像素中，读取晶体管的漏极接触与放大晶体管的源极接触相连接，和/或所述放大晶体管又通过其栅极与复位晶体管和/或光电二极管连接。
5.如前述权利要求1所述的平板探测器，其中在复位晶体管的漏极接触处的电位V2对于所有像素是共同的。
6.如前述权利要求5所述的平板探测器，其中在放大晶体管的漏极接触处的电位V3对于所有像素是共同的。
7.如前述权利要求6所述的平板探测器，其中所述电位V2和V3相等。
8.如前述权利要求6所述的平板探测器，其中所述电位V2和V3不相等。
9.如前述权利要求1-2中任一项所述的平板探测器，其中一个或多个基于有机的晶体管由非晶硅和/或由低温多晶硅LTPS来构造。
10.如前述权利要求1-2中任一项所述的平板探测器，其中有机光电二极管具有半透明阴极，该半透明阴极具有由从以下材料组中选出的材料构成的覆盖层：Ag、Al或ITO。
11.如前述权利要求1-2中任一项所述的平板探测器，其中有机光电二极管的结构化电极与复位晶体管重叠。
12.如前述权利要求1-2中任一项所述的平板探测器，其中有机光电二极管的结构化电极另外与放大晶体管重叠。
13.如前述权利要求1-2中任一项所述的平板探测器，其中有机光电二极管的结构化电极另外与读取晶体管重叠。
14.如前述权利要求1-2中任一项所述的平板探测器，其中有机半导体层是全面的。
15.如前述权利要求1-2中任一项所述的平板探测器，其中有机半导体层在像素层面上被结构化。
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