CN104956483A - 使用溶液处理pbs光探测器的新型ir图像传感器 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器，其构建在基底上，该基底为读出晶体管阵列及形成在其上的红外探测器的多层膜阵列。所述红外探测器包括多个层，所述多个层包括远离所述基底的透红外电极、直接接触所述基底的对电极、以及包括大量纳米颗粒的红外敏化层。所述层可为无机材料或有机材料。除所述电极和敏化层外，所述多层堆叠体可包括空穴阻挡层、电子阻挡层以及减反射层。所述红外敏化层可为PbS或PbSe量子点。
Description
关于本申请的交叉引用
本申请要求2013年1月25日提交的第61/756730号的美国临时申请的权益，包括附图、表格或图片的全部内容通过引入并入本申请。
背景技术
红外探测器是探测红外辐射的装置。由于这类装置在夜视、测距、安保和半导体晶片检测方面的潜在应用，已经对这类装置进行了大量研究。近来，在Koch等的美国专利第6906326号中已经公开了利用量子点(QD)作为光敏材料的光探测器，其中在全无机光探测器中采用了通过传统外延生长工艺制备的InAs和GaAs量子点，其通过凸点接合至读出电路来连接读出电路并组装成阵列。
QD是晶体纳米颗粒，通常为第III-V族半导体材料的晶体纳米颗粒，例如，InAs/GaAs。QD具有三维局部吸引势，其中电子被局限在具有电子波长尺寸的QD中，QD具有不连续能级。通过控制QD的大小，获得对于特定波长的光的敏感性。当光子波长的能量为量子点基态与通常为第一激发态之间的能量差时，入射到QD上的光子被吸收。当向QD施加电场时，QD处于其激发态时电流流动，其允许检测促进电子激发的该波长处的光。
对应用于图像传感器的可同时检测一个或更多波长的光的高性能和低成本的量子点红外探测器(QDIP)仍存在需求。
发明内容
本发明的各实施方案涉及包括红外探测器阵列的图像传感器，其中光探测器的敏化层包括纳米颗粒。所述的红外探测器阵列可为量子点红外探测器阵列(QDIPA)，其中敏化层包括PbS或PbSe量子点。所述红外探测器具有透红外电极。此外，所述红外探测器包括对电极，并且可包括增强所述图像传感器性能的空穴阻挡层、电子阻挡层和/或减反射层。
附图说明
图1示出了按照本发明的一个实施方案的图像传感器的图，其中包括量子点红外探测器(QDIP)的阵列的量子点红外探测器阵列(QDIPA)构建在CMOS读出晶体管阵列的基底上。
图2示出了按照本发明的一个实施方案的沉积在常规晶体管读出阵列上的QDIPA的截面图。
图3示出了按照本发明的一个实施方案的对于Ca/Ag双层电极的透过率相对红外波长的曲线，该电极可以作为QDIPA的QDIP的顶电极。
图4示出了按照本发明的一个实施方案的对于不同尺寸PbSe QD的红外吸光度的交叠曲线，该量子点可以用作图像传感器中QDIP的红外敏化层。
图5示出了按照本发明的一个实施方案的在图像传感器中使用的具有ITO和Ca/Ag透明电极和作为红外敏化层的PbS QD的无机-有机QDIP，该无机-有机QDIP用于通过不同电极的比较检测质量。
图6是按照本发明的一个实施方案的当光照穿过用于图像传感器中的QDIP的两个透明面时，图5的装置的I-V特性曲线。
图7是按照本发明的一个实施方案的当光照穿过用于图像传感器中的QDIP的两个透明面时，图5的装置的EQE特性曲线。
图8是按照本发明的一个实施方案的当光照穿过用于图像传感器中的QDIP的两个透明面时，图5的装置的检测能力特性曲线。
具体实施方式
本发明的一个实施方案是用作图像传感器的量子点红外探测器阵列(QDIPA)。本发明的另一实施方案是制备该图像传感器的方法，其中用于量子点红外探测器的基底是读出晶体管。如图1所示，该QDIPA是与基于常规晶体管的读出阵列与有机或无机纳米粒子光探测器串联连接的组合体。图2示出了QDIPA的示例性量子点红外探测器(QDIP)。
QDIP包括在红外接收面上的透明电极，其中，在本发明的一个示例性的实施方案中，所述透明电极可以是Ca(10nm)/Ag(10nm)双层。如图3插图中所示，测试了关于该Ca(10nm)/Ag(10nm)双层对红外辐射的透明度，如图3的曲线中所示，其中在2000nm处的透射率约40％。Ca层的厚度可以为5nm至50nm，而Ag层的厚度可以为5nm至30nm。可替代的，所述透红外电极可为铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锡氧化物(ATO)、铝锌氧化物(AZO)、碳纳米管、银纳米线，或Mg:Al组成比为10:1且总厚度为10nm至30nm的Mg:Al混合层。可在电极外表面上采用Mg:Al混合层以及另外的高达100nm的三-(8-羟基喹啉)铝(Alq3)层，该层用作减反射层。
红外敏化层包括纳米颗粒。在本发明的一个实施方案中，纳米颗粒可以为量子点，例如PbS QD或PbSe QD。QD可以为单一尺寸或可以为多个尺寸。QD可以为单一化学组成或多个化学组成。在本发明另外的实施方案中，纳米颗粒包括例如酞菁锡(II)(SnPc)与C60(SnPc:C60)、酞菁氯铝(AlPcCl)与C60(AlPcCl:C60)或酞菁氧钛(TiOPc)与C60(TiOPc:C60)。
在本发明的一个示例性实施方案中，红外敏化层可为PbS QD，该PbSQD可为任意尺寸或多个尺寸的混合以使得被QD吸收的波长为从0.7μm至2.0μm光谱的任意部分。以类似的方式，如图4所示，可以制备出在近红外光谱的任意部分上显示出吸收的PbSe QD。
相邻于QDIP的电极可以设置电子阻挡层(EBL)。EBL可以为聚(9,9-二辛基-芴-共-N-(4-丁基苯基)二苯基胺)(TFB)、1,1-双[(二-4-甲苯基氨基)苯基]环己烷(TAPC)、N,N′-二苯基-N,N′(2-萘基)-(1,1′-苯基)-4,4′-二胺(NPB)、N,N′-二苯基-N,N′-二(间甲苯基)联苯胺(TPD)、聚-N,N-双-4-丁基苯基-N,N-双-苯基联苯胺(聚TPD)、聚苯乙烯-N,N-二苯基-N,N-双(4-正丁基苯基)-(1,10-联苯基)-4,4-二胺-全氟环丁烷(PS-TPD-PFCB)或任意其他EBL材料。所述电子阻挡层(EBL)可为包括例如NiO的无机EBL，并且可以为纳米颗粒的膜。
相邻于QDIP的电极可以为空穴阻挡层(HBL)。HBL可以为有机HBL，包括例如2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲咯啉(BCP)、对-双(三苯基甲硅烷基)苯(UGH2)、4,7-二苯基-1,10-菲咯啉(BPhen)、三-(8-羟基喹啉)铝(Alq3)、3,5′-N,N′-二咔唑-苯(mCP)、C60或三[3-(3-吡啶基)-基]硼烷(3TPYMB)。所述空穴阻挡层(HBL)可为包括例如ZnO或者TiO2的无机HBL，并且可以为纳米颗粒的膜。
透红外电极的对电极构建在包括图像传感器的基底的读出晶体管阵列的表面上。对电极可为透红外的、半透红外的或不透红外的。对电极可以为ITO、IZO、ATO、AZO、碳纳米管、Ag、Al、Au、Mo、W或Cr。
读出阵列可以为基于硅晶体管的读出阵列，基于氧化物晶体管的读出阵列，或基于有机晶体管的读出阵列。所述读出阵列可以为CMOS读出阵列、a-Si:H TFT阵列，多晶硅TFT阵列或任意其他硅晶体管读出阵列。所述读出晶体管阵列可为ZnO TFT读出阵列、GIZO TFT阵列、IZO TFT阵列或任意其他氧化物晶体管读出阵列。所述读出阵列可以为并五苯TFT读出阵列、P3HT TFT阵列、DNTT TFT阵列或任意其他有机晶体管读出阵列。
方法和材料
具有图5所示结构的QDIP构建在玻璃基底上来测试具有Ca/Ag透红外电极和PbS QD红外敏化层的装置的性能。图6示出了在黑暗中和在红外照射下具有透红外顶电极的红外探测器的I-V特性。从QDIP的底部(玻璃面)和顶(Ca/Ag)面在-3V处测得的黑暗中的电流密度为约1×10-4mA/cm2。当照射1.2μm的红外光时，电流密度发生增加至约1×10-2mA/cm2或增加了约两个数量级。如图7和图8所示，在红外照射穿过Ca/Ag顶电极的情况下，具有透红外顶电极的红外探测器的EQE和检测能力在-4V处分别为4％以及1.5×10-11琼斯(Jones)。通过Ca/Ag电极和ITO电极的检测能力、EQE和辐照的量上的微小差别使得可以通过直接在装置的有机EBL上沉积Ca/Ag电极来制备该有机装置。
应当理解此处描述的实施例和实施方案仅用于说明的目的，本领域技术人员能够获得启示针对其进行各种调整和改变，该调整和改变将包含于本申请的精神和范围之内。
Claims (15)
1.一种图像传感器，包括：
包括读出晶体管阵列的基底；以及
红外探测器阵列，包括远离所述基底的透红外电极、直接接触所述基底的对电极、以及包括大量纳米颗粒的红外敏化层。
2.权利要求1所述的图像传感器，其中所述透红外电极包括Ca/Ag双层、铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锡氧化物(ATO)、铝锌氧化物(AZO)、碳纳米管、银纳米线，或Mg:Al混合层。
3.权利要求1所述的图像传感器，其中所述纳米颗粒包括PbS量子点、PbSe量子点、PbSSe量子点、酞菁锡(II)(SnPc)与C60(SnPc:C60)、酞菁氯铝(AlPcCl)与C60(AlPcCl:C60)、或者酞菁氧钛(TiOPc)与C60(TiOPc:C60)。
4.权利要求1所述的图像传感器，其中所述纳米颗粒包括PbS量子点和/或PbSe量子点。
5.权利要求1所述的图像传感器，其中所述对电极包括ITO、IZO、ATO、AZO、碳纳米管、Ag、Al、Au、Mo、W或Cr。
6.权利要求1所述的图像传感器，其中所述红外探测器阵列还包括电子阻挡层(EBL)。
7.权利要求6所述的图像传感器，其中所述电子阻挡层(EBL)包括聚(9,9-二辛基-芴-共-N-(4-丁基苯基)二苯基胺)(TFB)、1,1-双[(二-4-甲苯基氨基)苯基]环己烷(TAPC)、N,N'-二苯基-N,N'(2-萘基)-(1,1'-苯基)-4,4'-二胺(NPB)、N,N'-二苯基-N,N'-二(间甲苯基)联苯胺(TPD)、聚-N,N-双-4-丁基苯基-N,N-双-苯基联苯胺(聚TPD)、聚苯乙烯-N,N-二苯基-N,N-双(4-正丁基苯基)-(1,10-联苯基)-4,4-二胺-全氟环丁烷(PS-TPD-PFCB)和/或NiO。
8.权利要求1所述的图像传感器，其中所述红外探测器阵列还包括空穴阻挡层(HBL)。
9.权利要求8所述的图像传感器，其中所述HBL包括2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲咯啉(BCP)、对-双(三苯基甲硅烷基)苯(UGH2)、4,7-二苯基-1,10-菲咯啉(BPhen)、三-(8-羟基喹啉)铝(Alq3)、3,5'-N,N'-二咔唑-苯(mCP)、C60、三[3-(3-吡啶基)-基]硼烷(3TPYMB)、ZnO和/或TiO2。
10.权利要求1所述的图像传感器，还包括在所述透红外电极外部上的减反射层。
11.权利要求10所述的图像传感器，其中所述减反射层包括Alq3、MoO3和/或TeO2。
12.权利要求1所述的图像传感器，其中所述读出晶体管阵列包括基于硅晶体管的读出阵列，基于氧化物晶体管的读出阵列，或基于有机晶体管的读出阵列。
13.权利要求1所述的图像传感器，其中所述读出晶体管阵列包括CMOS读出阵列、a-Si:H TFT阵列或多晶硅TFT阵列。
14.权利要求1所述的图像传感器，其中所述读出晶体管阵列包括ZnO TFT读出阵列、GIZO TFT阵列或IZO TFT阵列。
15.权利要求1所述的图像传感器，其中所述读出晶体管阵列包括并五苯TFT读出阵列、P3HT TFT阵列或DNTT TFT阵列。
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