CN108288625B - 包括石墨烯量子点的光学传感器和图像传感器 - Google Patents

包括石墨烯量子点的光学传感器和图像传感器 Download PDF

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Abstract

提供包括石墨烯量子点的光学传感器和图像传感器。所述光学传感器可包括石墨烯量子点层，所述石墨烯量子点层包括与第一官能团结合的多个第一石墨烯量子点且可进一步包括与不同于所述第一官能团的第二官能团结合的多个第二石墨烯量子点。可基于与相应的石墨烯量子点结合的官能团的类型和/或所述石墨烯量子点的尺寸调节所述光学传感器的吸收波长带。

Description

包括石墨烯量子点的光学传感器和图像传感器
技术领域
本公开内容涉及光学传感器、图像传感器，和/或更具体地，涉及包括结合有官能团的石墨烯量子点的光学传感器和图像传感器。
背景技术
在光学传感器和/或图像传感器中通常使用的硅半导体呈现出与其对于可见光带(波段，band)的量子效率相比显著更低的对于红外线带的量子效率。因此，正开发其它材料用于光学传感器和/或图像传感器。光学传感器可用于多种用途，包括作为生物验证(认证)传感器、低光敏感性增强器件、夜视传感器、和自主导航传感器。
发明内容
根据一些实例实施方式，光学传感器包括第一电极、在第一电极上的光学感测层、和在光学感测层上的第二电极。光学感测层包括石墨烯量子点层，石墨烯量子点层包括与第一官能团结合(键合)的多个第一石墨烯量子点。优选地，所述石墨烯量子点层进一步包括与不同于第一官能团的第二官能团结合的多个第二石墨烯量子点。
在一些实例实施方式中，第一官能团可与在所述多个第一石墨烯量子点的最外面部分处的一个或多个碳原子结合，并且第二官能团可与在所述多个第二石墨烯量子点的最外面部分处的一个或多个碳原子结合。
在一些实例实施方式中，所述多个第一石墨烯量子点可配置成吸收第一波长带的光，并且所述多个第二石墨烯量子点可配置成吸收不同于第一波长带的第二波长带的光。
在一些实例实施方式中，石墨烯量子点层可进一步包括与不同于第一官能团和第二官能团的第三官能团结合的多个第三石墨烯量子点，并且所述多个第三石墨烯量子点可配置成吸收不同于第一和第二波长带的第三波长带的光。
在一些实例实施方式中，石墨烯量子点层可进一步包括与不同于第一官能团到第三官能团的第四官能团结合的多个第四石墨烯量子点，并且所述多个第四石墨烯量子点可配置成吸收不同于第一波长带到第三波长带的第四波长带的光。
在一些实例实施方式中，第一官能团和第二官能团各自可包括如下的至少一种：-NO2、-NH2、-CH3、-OH、-COOH、＝O、-CHO、-COCH3、-C(＝O)-、-F、-H、-CO-N(CH3)2、-CH2-OH、-CO-NH2、-N(CH3)2、烷基胺基团、苯胺基团、或聚乙二醇(PEG)基团。
在一些实例实施方式中，第三官能团和第四官能团各自可包括如下的至少一种：-NO2、-NH2、-CH3、-OH、-COOH、＝O、-CHO、-COCH3、-C(＝O)-、-F、-H、-CO-N(CH3)2、-CH2-OH、-CO-NH2、-N(CH3)2、烷基胺基团、苯胺基团、或聚乙二醇(PEG)基团。
在一些实例实施方式中，所述多个第一石墨烯量子点可具有第一尺寸，并且所述多个第二石墨烯量子点可具有不同于第一尺寸的第二尺寸。
在一些实例实施方式中，光学感测层可具有范围为例如约50nm-约100μm的厚度。
在一些实例实施方式中，光学感测层可进一步包括在第一电极和石墨烯量子点层之间的半导体层。
在一些实例实施方式中，半导体层可包括如下的至少一种半导体材料：硅、化合物半导体材料、有机半导体材料、以及具有带隙和2维晶体结构的2维半导体材料，并且所述半导体材料可在半导体层和第一电极之间形成肖特基势垒。
在一些实例实施方式中，石墨烯量子点层的最低未占分子轨道(LUMO)能级与半导体层的价带之间的能量差可小于第一电极的功函与半导体层的导带之间的能量差。
在一些实例实施方式中，所述2维半导体材料可包括过渡金属二硫属化物(例如，过渡金属与硫属元素的化合物)。
在一些实例实施方式中，所述过渡金属可包括如下的至少一种：锡(Sn)、铌(Nb)、钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)、铪(Hf)、钛(Ti)、或铼(Re)，和所述硫属元素可包括如下的至少一种：硫(S)、硒(Se)、或碲(Te)。
在一些实例实施方式中，半导体层可包括在第一电极上的第一半导体层和在第一半导体层上的第二半导体层。第一半导体层可被掺杂成第一导电性类型，并且第二半导体层可被掺杂成与第一导电性类型在电学上相反的第二导电性类型。
在一些实例实施方式中，第二电极可为透明电极。
根据一些实例实施方式，光学传感器包括第一电极、在第一电极上的半导体层、在半导体层上的石墨烯量子点层、和在石墨烯量子点层上的第二电极。石墨烯量子点层包括与第一官能团结合的多个第一石墨烯量子点，半导体层的材料在半导体层和第一电极之间形成肖特基势垒。
在一些实例实施方式中，石墨烯量子点层的最低未占分子轨道(LUMO)能级与半导体层的价带之间的能量差可小于第一电极的功函与半导体层的导带之间的能量差。
在一些实例实施方式中，石墨烯量子点层可进一步包括与不同于第一官能团的第二官能团结合的多个第二石墨烯量子点。所述多个第一石墨烯量子点可配置成吸收第一波长带的光，并且所述多个第二石墨烯量子点可配置成吸收不同于第一波长带的第二波长带的光。
在一些实例实施方式中，半导体层可包括在第一电极上的第一半导体层和在第一半导体层上的第二半导体层。第一半导体层可被掺杂成第一导电性类型，并且第二半导体层可被掺杂成与第一导电性类型在电学上相反的第二导电性类型。
根据一些实例实施方式，光学传感器包括彼此面对的第一电极和第二电极、以及交替地设置于第一电极和第二电极之间的多个半导体层和多个石墨烯量子点层。第二电极可在第一电极上。石墨烯量子点层可包括与第一官能团结合的多个第一石墨烯量子点。所述多个半导体层可包括在第一电极上的第一半导体层和在所述多个石墨烯量子点层之中的两个相邻的石墨烯量子点层之间的第二半导体层。第一半导体层的材料可在所述多个半导体层和第一电极之间形成肖特基势垒。
在一些实例实施方式中，石墨烯量子点层的最低未占分子轨道(LUMO)能级与第一半导体层的价带之间的能量差可小于第一电极的功函与第一半导体层的导带之间的能量差，和石墨烯量子点层的最高占据分子轨道(HOMO)能级与第二半导体层的导带之间的能量差可小于第一电极的功函与第一半导体层的导带之间的能量差。
在一些实例实施方式中，第二半导体层各自的厚度可配置成容许在第二半导体层的每一个中隧穿。
根据一些实例实施方式，图像传感器包括光学感测层和配置成将由光学感测层探测到的光学信号处理成电信号的信号处理层。光学感测层包含配置成感测第一波长带的光的第一光学感测层和配置成感测不同于第一波长带的第二波长的光的第二光学感测层。第一光学感测层包含包括与第一官能团结合的多个第一石墨烯量子点的第一石墨烯量子点层，并且第二光学感测层包含包括与不同于第一官能团的第二官能团结合的多个第二石墨烯量子点的第二石墨烯量子点层。
在一些实例实施方式中，光学感测层可进一步包含包括与不同于第一和第二官能团的第三官能团结合的多个第三石墨烯量子点的第三石墨烯量子点层；和包括与不同于第一到第三官能团的第四官能团结合的多个第四石墨烯量子点结合的第四石墨烯量子点层。
在一些实例实施方式中，第一到第四石墨烯量子点的尺寸可彼此不同。
根据一些实例实施方式，光学传感器包括第一电极、在第一电极上的石墨烯量子点层、和在石墨烯量子点层上的第二电极。石墨烯量子点层包括与第一官能团结合的多个第一石墨烯量子点以及与不同于第一官能团的第二官能团结合的多个第二石墨烯量子点。
在一些实例实施方式中，所述多个第一石墨烯量子点可配置成吸收第一波长带的光，并且所述多个第二石墨烯量子点可配置成吸收不同于所述第一波长带的第二波长带的光。
在一些实例实施方式中，第一官能团和第二官能团各自可包括如下的至少一种：-NO2、-NH2、-CH3、-OH、-COOH、＝O、-CHO、-COCH3、-C(＝O)-、-F、-H、-CO-N(CH3)2、-CH2-OH、-CO-NH2、-N(CH3)2、烷基胺基团、苯胺基团、或聚乙二醇(PEG)基团。
在一些实例实施方式中，第三官能团和第四官能团各自可包括如下的至少一种：-NO2、-NH2、-CH3、-OH、-COOH、＝O、-CHO、-COCH3、-C(＝O)-、-F、-H、-CO-N(CH3)2、-CH2-OH、-CO-NH2、-N(CH3)2、烷基胺基团、苯胺基团、或聚乙二醇(PEG)基团。
在一些实例实施方式中，光学传感器可进一步包括在第一电极和石墨烯量子点层之间的半导体层。
在一些实例实施方式中，图像传感器可包括所述光学传感器和配置成将由所述光学传感器探测到的光学信号处理成电信号的信号处理层。
附图说明
由结合附图考虑的一些实例实施方式的以下描述，这些和/或其它方面将变得明晰和更容易领会，其中：
图1为根据一些实例实施方式的光学传感器的结构的示意性横截面图；
图2为显示包括石墨烯量子点的光学感测层的吸收特性根据光学感测层的处理温度和厚度的实例变化的图；
图3为根据一些实例实施方式的光学传感器的结构的示意性横截面图；
图4为提供图3中所示的光学传感器的光学感测层的吸收特性的实例的图；
图5为根据一些实例实施方式的光学传感器的结构的示意性横截面图；
图6A和6B为图5中所示的光学传感器的实例能带图；
图7为根据一些实例实施方式的光学传感器的结构的示意性横截面图；
图8为根据一些实例实施方式的光学传感器的结构的示意性横截面图；
图9A为根据一些实例实施方式的图像传感器的一个像素的结构的示意性横截面图；
图9B和9C为显示图9A中所示的图像传感器的一个像素中的子像素的实例布置的平面图；
图10为根据一些实例实施方式的图像传感器的一个像素的结构的示意性横截面图；和
图11为根据一些实例实施方式的图像传感器的一个像素的结构的示意性横截面图。
具体实施方式
现在将详细地介绍实施方式，其实例示于附图中，其中相同的附图标记始终是指相同的元件(要素)。在这点上，实例实施方式可具有不同的形式并且不应被解释为限于本文中阐述的描述。因此，以下仅通过参照附图描述实施方式，以解释各方面。表述例如“......的至少一种(个)”当在要素列表之前或之后时修饰整个要素列表而不修改该列表的单独要素。此外，在以下描述的层结构中，表述“在......上方”或者“在......上”可不仅表示一个元件在另一元件上方与其直接接触，而且表示一个元件在另一元件上方而在其间没有任何接触。
图1为根据一些实例实施方式的光学传感器的结构的示意性横截面图。参照图1，根据一些实例实施方式的光学传感器10可包括第一电极11、设置于第一电极11上的光学感测层12、和设置于光学感测层12上的第二电极14。第一电极11和第二电极14可包括任何导电材料，所述导电材料包括金属、石墨烯、透明导电氧化物、或者透明导电氮化物。例如，设置于光入射侧处的第二电极14可包括透明导电材料。换而言之，第二电极14可为对于待探测的波长带的光具有透明性的透明电极。
光学感测层12可包括作为用于吸收光以产生光电流的材料的多个石墨烯量子点15。图1为光学感测层12中的一个石墨烯量子点15的结构的放大图。石墨烯量子点15为具有约2nm-20nm的小的尺寸的石墨烯并且可具有与通常的量子点相同的特性。例如，与不具有任何带隙的通常的石墨烯不同，石墨烯量子点15可由于量子限制效应而具有带隙并且可根据其尺寸控制带隙。因此，可抑制当光未入射时产生的暗电流，从而减少光学传感器10中的噪声。由于石墨烯量子点15具有2维(2D)结构，因此与具有3维(3D)结构的通常量子点相比，可相对容易控制石墨烯量子点15的尺寸和每单位面积的密度。因此，可容易地控制光学感测层12的吸收波长带和敏感性。
此外，可根据光学感测层12的处理温度控制光学感测层12的吸收特性。光学感测层12可通过如下形成：将包括石墨烯量子点15的糊(糊剂)施加到第一电极11上，然后将所述糊通过经由热处理从其除去溶剂而干燥。在光学感测层12的形成期间，可根据加热温度和加热时间调节光学感测层12的吸收特性。例如，图2为显示根据包括石墨烯量子点15的光学感测层12的处理温度和厚度，光学感测层12的吸收特性的实例变化的图。参照图2，当光学感测层12的厚度为100nm并且光学感测层12在300℃的温度下形成时，光学感测层12在红外线带中的吸收率显著增加。例如，根据波长的吸收率的变化在红外带中是小的。例如，具有100nm的厚度并且在300℃的温度下形成的光学感测层12对于具有850nm波长的入射光呈现出约9354.2/cm的吸收系数和对于具有2000nm波长的入射光呈现出约8523.1/cm的吸收系数。光学感测层12的厚度可在50nm-100μm的范围内选择以充分地改善用于探测入射光的效率。
此外，根据本实施方式，光学感测层12可包括结合有官能团16的石墨烯量子点15。官能团16可与在石墨烯量子点15的最外面部分处的一个或多个碳原子结合。通过将官能团16与石墨烯量子点15的最外面部分结合，可限制和/或防止石墨烯量子点15彼此直接电接触。结果，可进一步抑制暗电流。此外，由于石墨烯量子点15的带隙取决于与石墨烯量子点15结合的官能团16的类型而变化，因此可有效地控制光学感测层12的吸收波长带。例如，可与石墨烯量子点15结合的官能团16可包括如下的至少一种：-NO2、-NH2、-CH3、-OH、-COOH、＝O、-CHO、-COCH3、-C(＝O)-、-F、-H、-CO-N(CH3)2、-CH2-OH、-CO-NH2、-N(CH3)2、烷基胺基团、苯胺基团、和聚乙二醇(PEG)基团。结合有官能团16的石墨烯量子点15的带隙可取决于官能团16的类型而变化。例如，当与石墨烯量子点15结合的官能团16为-NH2、-OH、-COOH、-CHO、和-COCH3之一时，石墨烯量子点15的带隙可为如下顺序：-NH2>-OH>-CHO>-COCH3>-COOH。带隙和吸收波长带彼此成反比。因此，根据期望的吸收波长带，可将提供相应带隙的官能团16与石墨烯量子点15结合。此外，可将多个相同的官能团16与一个石墨烯量子点15结合，但是也可将两个或更多个不同的官能团16与一个石墨烯量子点15结合。
图3为根据一些实例实施方式的光学传感器20的结构的示意性横截面图。参照图3，光学感测层22可包括至少两种类型的石墨烯量子点例如三种类型的量子点15a、15b、和15c，其分别吸收不同波长带的光。例如，光学感测层22可包括与第一官能团A结合的多个第一石墨烯量子点15a、与第二官能团B结合的多个第二石墨烯量子点15b、以及与第三官能团C结合的多个第三石墨烯量子点15c。第一官能团A与在各第一石墨烯量子点15a的最外面部分处的一个或多个碳原子结合，第二官能团B与在各第二石墨烯量子点15b的最外面部分处的一个或多个碳原子结合，并且第三官能团C与在各第三石墨烯量子点15c的最外面部分处的一个或多个碳原子结合。虽然为了便于说明，图3显示了三种类型的石墨烯量子点15a、15b和15c，但是光学感测层22也可包括仅两种类型的石墨烯量子点或者四种或更多种类型的石墨烯量子点。
第一石墨烯量子点15a、第二石墨烯量子点15b、和第三石墨烯量子点15c可具有不同的尺寸。例如，第一石墨烯量子点15a可具有第一官能团A以及第一尺寸以吸收第一波长带的光，第二石墨烯量子点15b可具有不同于第一官能团A的第二官能团B以及不同于第一尺寸的第二尺寸以吸收不同于第一波长带的第二波长带的光，并且第三石墨烯量子点15c可具有不同于第一和第二官能团A和B的第三官能团C以及不同于第一和第二尺寸的第三尺寸以吸收不同于第一和第二波长带的第三波长带的光。此处，第一到第三官能团A、B、和C各自可从如上所述的-NO2、-NH2、-CH3、-OH、-COOH、＝O、-CHO、-COCH3,-C＝(O)-、-F、-H、-CO-N(CH3)2、-CH2-OH、-CO-NH2、-N(CH3)2、烷基胺基团、苯胺基团、和聚乙二醇(PEG)基团之中选择。
图4为提供图3中所示的光学传感器20的光学感测层22的吸收特性的实例的图。例如，光学感测层22可包括配置成吸收蓝色波长带B中的光的多个第一石墨烯量子点15a、配置成吸收绿色波长带G中的光的多个第二石墨烯量子点15b、和配置成吸收红色波长带R中的光的多个第三石墨烯量子点15c。基于具有不同吸收特性的多种类型的石墨烯量子点15a、15b、和15c的组合，光学感测层22对于可见光带可具有恒定的吸收率。此外，当光学感测层22进一步包括配置成吸收红外线带中的光的多个石墨烯量子点时，光学感测层22可在包括可见光带和红外线带的宽的光谱范围内呈现出相对均匀的吸收率。
图5为根据一些实例实施方式的光学传感器的结构的示意性横截面图。参照图5，光学传感器30可包括第一电极11、设置在第一电极11上的光学感测层32、和设置在光学感测层32上的第二电极14。此外，光学感测层32可包括设置在第一电极11上的半导体层33和设置在半导体层33上的石墨烯量子点层34。此处，像图1中所示的光学感测层12或者图3中所示的光学感测层22一样，石墨烯量子点层34可包括多个石墨烯量子点。如以上参照图1和3描述的，石墨烯量子点层34可包括至少一种或者至少两种各自与至少一种(个)官能团结合的石墨烯量子点。换而言之，图1和3中所示的光学感测层12和22的描述可照样适用于石墨烯量子点层34。在这点上，可认为，图1和3中所示的光学感测层12和22各自包括一个石墨烯量子点层。
半导体层33在半导体层33和第一电极11之间的界面处形成肖特基势垒。由于肖特基势垒，可限制和/或防止在光未入射时电子容易地从第一电极11通过半导体层33移动至石墨烯量子点层34。因此，半导体层33可进一步抑制暗电流。
例如，图6A和6B显示图5中所示的光学传感器30的实例能带图。图6A为当向第一和第二电极11和14施加电压并且光未入射至光学传感器30时的能带图。图6B为当向第一和第二电极11和14施加电压并且光入射至光学传感器30时的能带图。在图6A和6B，假定第一和第二电极11和14包括石墨烯。首先，参照图6A，电子可几乎不从第一电极11移动至半导体层33，因为第一电极11的功函与半导体层33的导带之间的能量差ΦB是大的。因此，在其中没有光入射至光学传感器30的状态下可抑制暗电流。相反，如图6B中所示，当光入射至光学传感器30时，在石墨烯量子点层34中产生电子e和空穴h，并且因此光电流流动。例如，在石墨烯量子点层34中产生的电子e可沿着在第一电极11和第二电极14之间施加的电场移动至第二电极14。此外，在石墨烯量子点层34中产生的空穴h可通过半导体层33移动至第一电极11。当选择使得实现在石墨烯量子点层34的最低未占分子轨道(LUMO)能级与半导体层33的价带之间的足够小的能量差的材料作为半导体层33时，在量子点层34中产生的空穴h可容易地移动至半导体层33。例如，石墨烯量子点层34的LUMO能级与半导体层33的价带之间的能量差可小于第一电极11的功函与半导体层33的导带之间的能量差。例如，石墨烯量子点层34的LUMO能级与半导体层33的价带之间的能量差可为第一电极11的功函与半导体层33的导带之间的能量差的一半或更小。
构成半导体层33的材料可为能够满足半导体层33与第一电极11之间以及半导体层33与石墨烯量子点层34之间的上述关系的任何半导体材料。例如，除了包括硅(Si)和/或锗(Ge)的通常的半导体材料之外，还可使用化合物半导体材料、有机半导体材料、或者具有带隙和2D晶体结构的2D半导体材料作为构成半导体层33的材料。例如，由于石墨烯量子点层34包括具有2D结构的石墨烯量子点，因此，通过使用2D半导体材料来构成半导体层33，石墨烯量子点层34的多个石墨烯量子点可容易地对齐(排列)。2D半导体材料的实例为过渡金属二硫属化物(TMD)，其为过渡金属与硫属元素的化合物。例如，所述过渡金属可包括如下的至少一种：锡(Sn)、铌(Nb)、钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)、铪(Hf)、钛(Ti)、和铼(Re)，而所述硫属元素可包括如下的至少一种：硫(S)、硒(Se)、和碲(Te)。例如，所述TMD可包括MoS2、WS2、TaS2、HfS2、ReS2、TiS2、NbS2、SnS2、MoSe2、WSe2、TaSe2、HfSe2、ReSe2、TiSe2、NbSe2、SnSe2、MoTe2、WTe2、TaTe2、HfTe2、ReTe2、TiTe2、NbTe2、SnTe2。除了所述TMD之外还存在多种2D半导体材料。例如，所述2D半导体材料可包括h-BN(六方BN)、磷烯、TiOx(1≤x≤2)、NbOx(1≤x≤2)、MnOx(1≤x≤2)、VaOx(1≤x≤2)、MnO3、TaO3、WO3、MoCl2、CrCl3、RuCl3、BiI3、PbCl4、GeS、GaS、GeSe、GaSe、PtSe2、In2Se3、GaTe、InS、InSe、和InTe。h-BN是基于硼(B)和氮(N)的组合的六方晶体结构。磷烯是黑磷的2D同素异形体。
此外，除了暗电流的抑制之外，半导体层33还可吸收光。虽然图5显示半导体层33直接设置在第一电极11上面并且石墨烯量子点层34直接设置在透明第二电极14下面，但是半导体层33和量子点层34的位置可互换。换而言之，石墨烯量子点层34可设置在第一电极11上，半导体层33可设置在石墨烯量子点层34上，并且透明第二电极14可设置在半导体层33上。在此情况下，在半导体层33和第二电极14之间的界面处形成肖特基势垒。
此外，当将半导体层33设置在石墨烯量子点层34上面时，半导体层33可从入射光吸收一定波长带的光并且透射另外的波长带的光，使得透射的光到达石墨烯量子点层34。例如，半导体层33可包括吸收可见光带的光并且透射红外线带的光的半导体材料。在此情况下，石墨烯量子点层34可配置成吸收红外线带的光。替代地，石墨烯量子点层34可配置成吸收可见光带和红外线带两者的光以感测未被半导体层33完全吸收的可见光带的光。
图7为根据一些实例实施方式的光学传感器的结构的示意性横截面图。参照图7，光学传感器30'包括第一电极11、设置在第一电极11上的光学感测层32'、和设置在光学感测层32'上的第二电极14。此外，光学感测层32'可包括设置在第一电极11上的半导体层33和设置在半导体层33上的石墨烯量子点层34。半导体层33可包括设置在第一电极11上的第一半导体层33a和设置在第一半导体层33a上的第二半导体层33b。此处，第一半导体层33a被掺杂成第一导电性类型并且第二半导体层33b被掺杂成与第一导电性类型在电学上相反的第二导电性类型。例如，当第一电极11为阴极并且第二电极14为阳极时，第一半导体层33a可被掺杂成n-型并且第二半导体层33b可被掺杂成p-型。相反，当第一电极11为阳极并且第二电极14为阴极时，第一半导体层33a可被掺杂成p-型并且第二半导体层33b可被掺杂成n-型。因此，根据本实施方式，半导体层33具有PN结结构。由于半导体层33具有PN结结构，因此可在半导体层33中另外形成内建势垒。因此，可进一步抑制暗电流。
图8为根据一些实例实施方式的光学传感器的结构的示意性横截面图。参照图8，光学传感器40可包括第一电极11、设置在第一电极11上的光学感测层42、和设置在光学感测层42上的第二电极14。光学感测层42可包括多个半导体层43和43'以及多个石墨烯量子点层44，其交替地设置在第一电极11与第二电极14之间。
此处，直接设置在第一电极11上面的第一半导体层43可包括如参照图5描述的半导体材料。换而言之，可对构成第一半导体层43的材料进行选择，使得石墨烯量子点层44的LUMO能级与第一半导体层43的价带之间的能量差是小的并且第一电极11的功函与第一半导体层43的导带之间的能量差是大的。例如，第一电极11的功函与第一半导体层43的导带之间的能量差可大于石墨烯量子点层44的LUMO能级与第一半导体层43的价带的能量之间的能量差。另一方面，为了电子和空穴的容易移动，对构成设置在彼此相邻的两个石墨烯量子点层44之间的第二半导体层43'的材料进行选择，使得石墨烯量子点层44的最高占据分子轨道(HOMO)能级与第二半导体层43'的导带之间的能量差是小的。例如，石墨烯量子点层44的HOMO能级与第二半导体层43'的导带之间的能量差可小于第一电极11的功函与第一半导体层43的导带之间的能量差。此外，可对第二半导体层43'各自的厚度进行选择，使得在第二半导体层43'的每一个中发生隧穿。
石墨烯量子点层44可与如以上参照图1和3描述的光学感测层12和22相同。多个半导体层43和43'与多个石墨烯量子点层44可构成多量子阱(MQW)结构。例如，多个半导体层43和43'可充当势垒层并且多个石墨烯量子点层44可充当量子阱层。
上述光学传感器10、20、30、30'、和40可制造为单独的光学感测电子元件例如光电二极管，并且安装在电子器件中。此外，可制造通过使用上述光学传感器10、20、30、30'、和40拍摄2D图像的图像传感器。
例如，图9A为根据一些实例实施方式的图像传感器的一个像素的结构的示意性横截面图。参照图9A，图像传感器100的一个像素可包括信号处理层110、第一电极11、光学感测层130、第二电极14、和透明保护层120。信号处理层110可与光学感测层130耦合(结合)。
光学感测层130可包括并排设置在相同的层上的多个光学感测层12a、12b、12c、和12d。例如，光学感测层12a、12b、12c、和12d可具有与图1中所示的光学感测层12相同的结构。换而言之，第一光学感测层12a可包括具有与第一官能团A结合的多个第一石墨烯量子点15a的第一石墨烯量子点层，第二光学感测层12b可包括具有与第二官能团B结合的多个第二石墨烯量子点15b的第二石墨烯量子点层，第三光学感测层12c可包括具有与第三官能团C结合的多个第三石墨烯量子点15c的第三石墨烯量子点层，和第四光学感测层12d可包括具有与第四官能团D结合的多个第四石墨烯量子点15d的第四石墨烯量子点层。虽然图9A显示第一到第四光学感测层12a、12b、12c和12d各自包括第一到第四石墨烯量子点15a、15b、15c和15d的仅一种，但是第一到第四光学感测层12a、12b、12c和12d各自也可包括两种或更多种类型的石墨烯量子点。
可选择第一石墨烯量子点15a的第一官能团A以使第一石墨烯量子点15a吸收第一波长带的光，可选择第二石墨烯量子点15b的第二官能团B以使第二石墨烯量子点15b吸收第二波长带的光，可选择第三石墨烯量子点15c的第三官能团C以使第三石墨烯量子点15c吸收第三波长带的光，和可选择第四石墨烯量子点15d的第四官能团D以使第四石墨烯量子点15d吸收第四波长带的光。此外，第一到第四石墨烯量子点15a、15b、15c、和15d的尺寸可选择成彼此不同，与其分别的吸收波长带对应。在这样的结构中，第一光学感测层12a探测第一波长带的光，第二光学感测层12b探测第二波长带的光，第三光学感测层12c探测第三波长带的光，并且第四光学感测层12d探测第四波长带的光。例如，第一光学感测层12a可配置成探测蓝色光，第二光学感测层12b可配置成探测绿色光，第三光学感测层12c可配置成探测红色光，和第四光学感测层12d可配置成探测红外线。例如，第四光学感测层12d能够探测在例如约800nm-约900nm范围内的近红外线波长带的光。为此，第四石墨烯量子点15d可配置成具有约1.38eV或更小的带隙。
第一电极11可为像素电极，并且可设置分别连接至第一到第四光学感测层12a、12b、12c、和12d的多个第一电极11。第二电极14为公共电极，并且第一到第四光学感测层12a、12b、12c、和12d可共同地连接至该一个第二电极14。此外，第二电极14可为对于可见光和红外线是透明的透明电极。可在第二电极14上设置具有绝缘性质的透明保护层120。此外，信号处理层110将由光学感测层130探测到的光学信号处理成电信号。为此，信号处理层110连接至所述多个第一电极11。信号处理层110可包括例如集成电路。
在图9A中所示的图像传感器100中，分别与第一到第四光学感测层12a、12b、12c和12d对应的区域可为子像素100a、100b、100c和100d，并且包括子像素100a、100b、100c、和100d的一个组可为一个像素。例如，第一子像素100a可为一个像素中的用于感测第一波长带的光的区域，第二子像素100b可为一个像素中的用于感测第二波长带的光的区域，第三子像素100c可为一个像素中的用于感测第三波长带的光的区域，和第四子像素100d可为一个像素中的用于感测第四波长带的光的区域。图9B和9C为显示图9A中所示的图像传感器100的一个像素中的子像素100a、100b、100c、和100d的实例布置的平面图。如图9B中所示，子像素100a、100b、100c、和100d可以一行设置。替代地，如图9C中所示，子像素100a、100b、100c、和100d可以2×2矩阵的形状2维地设置。由于图像传感器100对于可见光带和红外线带两者的光都呈现出高的探测效率，因此子像素100a、100b、100c、和100d可配置成具有相同的尺寸，如图9B和9C中所示。
图10为根据一些实例实施方式的图像传感器200的一个像素的结构的示意性横截面图。参照图10，光学感测层130可包括并排设置在相同的层上的多个光学感测层22a、22b、22c、和22d。例如，光学感测层22a、22b、22c、和22d可具有与图3中所示的光学感测层22相似的结构。换而言之，光学感测层22a、22b、22c、22d各自可至少包括分别吸收彼此不同的第一到第四波长带的光的多个第一到第四石墨烯量子点15a、15b、15c、15d。例如，光学感测层22a、22b、22c和22d各自可包括与第一官能团A结合的多个第一石墨烯量子点15a、与第二官能团B结合的多个第二石墨烯量子点15b、与第三官能团C结合的多个第三石墨烯量子点15c、和与第四官能团D结合的多个第四石墨烯量子点15d。因此，光学感测层130中的光学感测层22a、22b、22c、和22d彼此相同并且对于蓝色光带、绿色光带、红色光带、和红外线带的全部是敏感的。
图像传感器200可进一步包括设置在第二电极14和透明保护层120之间的滤色器层140。例如，滤色器层140可包括仅透射第一波长带的光的第一滤色器141、仅透射第二波长带的光的第二滤色器142、仅透射第三波长带的光的第三滤色器143、和仅透射第四波长带的光的第四滤色器144。例如，第一滤色器141可透射红色波长带的光，第二滤色器142可透射绿色波长带的光，第三滤色器143可透射蓝色波长带的光，和第四滤色器144可透射近红外线波长带的光。替代地，第一滤色器141可透射青色光，第二滤色器142可透射品红色光，第三滤色器143可透射黄色光，和第四滤色器144可透射近红外线。
第一到第四光学感测层22a、22b、22c、和22d可分别对应于第一到第四滤色器141、142、143、和144设置。例如，第一光学感测层22a可探测透射通过第一滤色器141的光，第二光学感测层22b可探测透射通过第二滤色器142的光，第三光学感测层22c可探测透射通过第三滤色器143的光，和第四光学感测层22d可探测透射通过第四滤色器144的光。
图9A中所示的图像传感器100的光学感测层130可包括图5中所示的光学感测层32、图7中所示的光学感测层32'、或者图8中所示的光学感测层40代替图1中所示的光学感测层12。类似地，图10中所示的图像传感器200的光学感测层130可包括图5中所示的光学感测层32、图7中所示的光学感测层32'、或者图8中所示的光学感测层40代替图3中所示的光学感测层22。
图11为根据一些实例实施方式的图像传感器的一个像素的结构的示意性横截面图。参照图11，图像传感器300的光学感测层130可包括用于感测可见光带的光的第一到第三光学感测层131、132、和133以及用于感测红外线带的光的第四光学感测层134。例如，第一到第三光学感测层131、132、和133可包括典型的半导体材料例如硅、化合物半导体材料、有机半导体材料、或者具有带隙并且具有2D晶体结构的2D半导体材料。第四光学感测层134可例如具有与图5中所示的光学感测层32相同的结构。换而言之，第四光学感测层134可包括设置在第一电极11上的半导体层33和设置在半导体层33上的石墨烯量子点层34。石墨烯量子点层34中的石墨烯量子点可通过与第四官能团D结合而配置成对于红外线敏感。例如，与第四官能团D结合的石墨烯量子点可具有低于或等于1.38eV的带隙。
第四光学感测层134的半导体层33可包括与构成第一到第三光学感测层131、132、和133的半导体材料相同的半导体材料。在此情况下，在遍及待形成第一到第四光学感测层131、132、133、和134之处沉积半导体材料之后，可将沉积在第四光学感测层134上的半导体材料蚀刻至一定深度，并且可在将第四光学感测层134蚀刻之后剩下的半导体材料上形成石墨烯量子点层34。
替代地，仅第一到第三光学感测层131、132和133可包括半导体材料，并且第四光学感测层134可形成为具有与图1中所示的光学感测层12、图3中所示的光学感测层22、图7中所示的光学感测层32'、或图8中所示的光学感测层42相同的结构。在此情况下，在遍及待形成第一到第四光学感测层131、132、133、和134之处沉积半导体材料之后，可将沉积在第四光学感测层134上的半导体材料完全蚀刻掉，并且可在待形成光学感测层134之处形成图3中所示的光学感测层22、图7中所示的光学感测层32'、或者图8中所示的光学感测层42。
通过使用与官能团结合的石墨烯量子点，上述图像传感器100、200、和300对于可见光带和红外带的光可呈现出高的探测效率。例如，与使用硅半导体的情况相比，对于红外线带的光的光探测效率可改善。此外，可有效地抑制在光未入射时产生的暗电流。因此，可改善子像素的布置和尺寸选择的自由度，并且图像传感器100、200、300应用至其的产品的范围可变宽。例如，图像传感器100、200、和300在具有高亮度的环境中可自然地获得清晰的图像，并且即使在具有低亮度的低光环境中，也可通过将近红外线与可见光一起使用而获得高品质图像。
此外，图像传感器100、200、和300可应用于感测人的虹膜图像的情况。由于在长波长带(远红外线带)中难以将虹膜与巩膜区分开，因此对于长波长带通过使用光电探测器难以识别虹膜。相反，在短波长带(可见光带)中，光被虹膜附近的区域反射，并且因此可发生虹膜图案识别错误。例如，在基于深棕色或者棕色的瞳孔的情况下，虹膜可通过使用近红外线识别，但是通过使用可见光识别虹膜可为困难的。另一方面，在蓝色或者绿色瞳孔的情况下，虹膜可通过使用近红外线识别并且也可通过使用可见光识别。因此，虹膜可通过使用可应用于大多数瞳孔的近红外线识别。因此，在一些实例实施方式中，图像传感器100、200、300对于可适合于对虹膜进行成像的近红外带的光呈现出高的探测效率。
此外，由于图像传感器100、200、300对于红外线的敏感性(反应性)和量子效率是高的，因此光学感测层130的尺寸可减小。因此，图像传感器100、200、300可用于轻薄小巧的电子设备例如智能电话中。当图像传感器100、200、和300用于智能电话中时，虹膜识别率可提高并且虹膜识别精度可改善。因此，图像传感器100、200、和/或300可用于通过虹膜验证来验证虹用户。实例实施方式不限于此。图像传感器100、200、和/或300可用于低光敏感性增强器件、夜视传感器、太阳能电池、和/或自主导航传感器中。
应理解，本文中描述的实例实施方式应仅在描述的意义上考虑并且不用于限制目的。各实施方式内的特征或方面的描述应典型地被认为可用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。
虽然已经参照附图描述了一个或多个实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不背离如由所附权利要求定义的精神和范围的情况下，可在其中进行形式和细节上的多种变化。

Claims (31)

1.光学传感器，其包括：
第一电极；
在所述第一电极上的光学感测层，所述光学感测层包括石墨烯量子点层，所述石墨烯量子点层包括与第一官能团结合的多个第一石墨烯量子点和与不同于所述第一官能团的第二官能团结合的多个第二石墨烯量子点；和
在所述石墨烯量子点层上的第二电极，
其中所述多个第一石墨烯量子点配置成吸收第一波长带的光，且所述多个第二石墨烯量子点配置成吸收不同于所述第一波长带的第二波长带的光。
2.如权利要求1所述的光学传感器，其中所述第一官能团与在所述多个第一石墨烯量子点的最外面部分处的一个或多个碳原子结合，和
所述第二官能团与在所述多个第二石墨烯量子点的最外面部分处的一个或多个碳原子结合。
3.如权利要求1所述的光学传感器，其中
所述石墨烯量子点层进一步包括与不同于所述第一官能团和所述第二官能团的第三官能团结合的多个第三石墨烯量子点，和
所述第三石墨烯量子点配置成吸收不同于所述第一波长带和所述第二波长带的第三波长带的光。
4.如权利要求3所述的光学传感器，其中
所述石墨烯量子点层进一步包括与不同于所述第一官能团到所述第三官能团的第四官能团结合的多个第四石墨烯量子点，和
所述第四石墨烯量子点配置成吸收不同于所述第一波长带到所述第三波长带的第四波长带的光。
5.如权利要求1所述的光学传感器，其中所述第一官能团和所述第二官能团各自独立地包括如下的至少一种：-NO2、-NH2、-CH3、-OH、-COOH、＝O、-CHO、-COCH3、-C(＝O)-、-F、-H、-CO-N(CH3)2、-CH2-OH、-CO-NH2、-N(CH3)2、烷基胺基团、苯胺基团、或聚乙二醇(PEG)基团。
6.如权利要求1所述的光学传感器，其中
所述多个第一石墨烯量子点具有第一尺寸，和
所述多个第二石墨烯量子点具有不同于所述第一尺寸的第二尺寸。
7.如权利要求1所述的光学传感器，其中所述光学感测层的厚度范围为50nm-100μm。
8.如权利要求1-7任一项所述的光学传感器，其进一步包括：
在所述第一电极和所述石墨烯量子点层之间的半导体层。
9.如权利要求8所述的光学传感器，其中所述半导体层的材料在所述半导体层与所述第一电极之间形成肖特基势垒。
10.如权利要求8所述的光学传感器，其中所述半导体层包括如下的至少一种半导体材料：硅、化合物半导体材料、有机半导体材料、以及具有带隙和2维晶体结构的2维半导体材料，和
所述半导体材料在所述半导体层和所述第一电极之间形成肖特基势垒。
11.如权利要求10所述的光学传感器，其中所述石墨烯量子点层的最低未占分子轨道(LUMO)能级与所述半导体层的价带之间的能量差小于所述第一电极的功函与所述半导体层的导带之间的能量差。
12.如权利要求10所述的光学传感器，其中所述2维半导体材料包括过渡金属二硫属化物。
13.如权利要求12所述的光学传感器，其中
所述过渡金属二硫属化物包括过渡金属和硫属元素，
所述过渡金属包括如下的至少一种：锡(Sn)、铌(Nb)、钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)、铪(Hf)、钛(Ti)、或铼(Re)，和
所述硫属元素包括如下的至少一种：硫(S)、硒(Se)、或碲(Te)。
14.如权利要求8所述的光学传感器，其中
所述半导体层包括在所述第一电极上的第一半导体层和在所述第一半导体层上的第二半导体层，
所述第一半导体层被掺杂成具有第一导电性类型，和
所述第二半导体层被掺杂成具有与所述第一导电性类型在电学上相反的第二导电性类型。
15.如权利要求9所述的光学传感器，其中
所述半导体层包括在所述第一电极上的第一半导体层和在所述第一半导体层上的第二半导体层，
所述第一半导体层被掺杂成具有第一导电性类型，和
所述第二半导体层被掺杂成具有与所述第一导电性类型在电学上相反的第二导电性类型。
16.如权利要求1所述的光学传感器，其中所述第二电极为透明电极。
17.如权利要求9所述的光学传感器，其进一步包括：
交替地设置于所述第一电极和所述第二电极之间的多个半导体层和多个石墨烯量子点层，其中
所述第一电极和所述第二电极彼此面对，
所述第二电极在所述第一电极上，
所述多个半导体层包括所述半导体层，
所述多个石墨烯量子点层包括所述石墨烯量子点层，
所述多个石墨烯量子点层各自包括所述与第一官能团结合的多个第一石墨烯量子点，
所述多个半导体层包括在所述第一电极上的第一半导体层和在所述多个石墨烯量子点层之中的两个相邻的石墨烯量子点层之间的第二半导体层，和
所述第一半导体层为所述半导体层，使得所述第一半导体层的材料在所述多个半导体层与所述第一电极之间形成肖特基势垒。
18.如权利要求17所述的光学传感器，其中所述石墨烯量子点层的最低未占分子轨道(LUMO)能级与所述第一半导体层的价带之间的能量差小于所述第一电极的功函与所述第一半导体层的导带之间的能量差。
19.如权利要求18所述的光学传感器，其中所述石墨烯量子点层的最高占据分子轨道(HOMO)能级与所述第二半导体层的导带之间的能量差小于所述第一电极的功函与所述第一半导体层的导带之间的能量差。
20.如权利要求17所述的光学传感器，其中所述第二半导体层各自的厚度配置成容许在所述第二半导体层的每一个中隧穿。
21.如权利要求17所述的光学传感器，其中所述第二电极为透明电极。
22.图像传感器，其包括：
如权利要求1-21任一项所述的光学传感器；和
配置成将由所述光学传感器探测到的光学信号处理成电信号的信号处理层。
23.如权利要求22所述的图像传感器，其中
所述石墨烯量子点层包括第一石墨烯量子点层，
所述光学感测层包括配置成感测第一波长带的光的第一光学感测层，
所述第一光学感测层包括所述第一石墨烯量子点层，和
所述第一石墨烯量子点层包括所述与第一官能团结合的多个第一石墨烯量子点。
24.如权利要求23所述的图像传感器，其中
所述石墨烯量子点层进一步包括第二石墨烯量子点层，
所述光学感测层进一步包括配置成感测不同于所述第一波长带的第二波长带的光的第二光学感测层，
所述第二光学感测层包括所述第二石墨烯量子点层，和
所述第二石墨烯量子点层包括与不同于所述第一官能团的第二官能团结合的多个第二石墨烯量子点。
25.如权利要求24所述的图像传感器，其中
所述石墨烯量子点层进一步包括第三石墨烯量子点层，
所述光学感测层进一步包括配置成感测不同于所述第一波长带和所述第二波长带的第三波长带的光的第三光学感测层，
所述第三光学感测层包括所述第三石墨烯量子点层，和
所述第三石墨烯量子点层包括与不同于所述第一官能团和所述第二官能团的第三官能团结合的多个第三石墨烯量子点。
26.如权利要求25所述的图像传感器，其中
所述石墨烯量子点层进一步包括第四石墨烯量子点层，
所述光学感测层进一步包括配置成感测不同于所述第一波长带到所述第三波长带的第四波长带的光的第四光学感测层，
所述第四光学感测层包括所述第四石墨烯量子点层，和
所述第四石墨烯量子点层包括与不同于所述第一官能团到所述第三官能团的第四官能团结合的多个第四石墨烯量子点。
27.如权利要求26所述的图像传感器，其中所述第一到第四光学感测层以一行设置在所述第一电极上。
28.如权利要求26所述的图像传感器，其中所述第一到第四光学感测层以2×2矩阵的形状2维地设置在所述第一电极上。
29.如权利要求23所述的图像传感器，其中所述光学感测层进一步包括与所述第一光学感测层相同的第二、第三和第四光学感测层，和其中所述第一石墨烯量子点层除了所述与第一官能团结合的多个第一石墨烯量子点之外还包括与不同于所述第一官能团的第二官能团结合的多个第二石墨烯量子点、与不同于所述第一官能团和所述第二官能团的第三官能团结合的多个第三石墨烯量子点、以及与不同于所述第一官能团到所述第三官能团的第四官能团结合的多个第四石墨烯量子点，且所述第一到第四石墨烯量子点分别吸收彼此不同的第一到第四波长带的光。
30.如权利要求23所述的图像传感器，其中所述光学感测层进一步包括与所述第一光学感测层不同的第二、第三和第四光学感测层，其中所述第一光学感测层用于感测红外线带的光且所述第二、第三和第四光学感测层用于感测可见光带的光，其中所述第二到第四光学感测层各自独立地包括选自如下的半导体材料：硅、化合物半导体材料、有机半导体材料、以及具有带隙并且具有2维晶体结构的2维半导体材料，和其中所述第一石墨烯量子点层进一步包括与不同于所述第一官能团的第二官能团结合的多个第二石墨烯量子点。
31.如权利要求26所述的图像传感器，其中所述第一石墨烯量子点到所述第四石墨烯量子点的尺寸彼此不同。
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