CN108541346A - 包括全局电子快门的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子设备。在各种实施方案中，电子设备包括例如至少一个光敏层和至少一个载流子选择层。在设备的一个偏压范围下，该光敏层在被照明时产生光电流。在设备的另一个偏压范围下，该光敏层在被照明时不产生光电流。载流子选择层扩大了光敏层在被照明时不产生任何光电流的偏压范围。在各种实施方案中，电子设备包括例如至少一个光敏层和至少一个载流子选择层。在设备的第一偏压范围下，该光敏层被配置为在被照明时收集光电流。在设备的第二偏压范围下，该光敏层被配置为在被照明时与在第一偏压范围下相比收集至少1/M的光电流。

Description

包括全局电子快门的图像传感器
相关专利申请
本专利申请要求于2016年1月15日提交的标题为“High-performance imagesensors including those providing global electronic shutter”的美国专利申请No.62/279,611的优先权，该专利申请据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及包括光敏材料诸如纳米晶体或其他光敏材料的光学和电子设备、系统和方法，以及制造和使用设备和系统的方法。
背景技术
光电设备诸如图像传感器和光伏设备可包括光敏材料。示例性图像传感器包括将硅用于感测功能并且读出电子器件和多路复用功能两者的设备。在一些图像传感器中，可在单个硅晶片上形成光敏硅光电二极管和电子器件。其他示例性图像传感器可采用不同的材料诸如InGaAs(用于短波红外感测)或非晶硒(用于X射线感测)，以用于感测(光子到电子转换)功能。示例性光伏设备包括使用晶体硅晶片进行光子到电子转换的太阳能电池。其他示例性光伏设备可使用独立的材料层，诸如非晶硅或多晶硅或者用于光子到电子转换的不同的材料。然而，已知这些图像传感器和光伏设备具有许多限制。
以引用方式并入
本说明书中提及的每项专利、专利申请和/或公开全文以引用方式并入本文，其程度如同每项单独的专利、专利申请和/或公开被具体地且单独地指示为以引用方式并入。
附图说明
图1A和图1B示出了根据一个实施方案的材料叠层，该材料叠层包括叠层内的量子点；
图2示出了根据一个实施方案的位于像素的一部分上方的材料叠层的横截面；
图3示出了根据一个实施方案的位于像素上方的材料叠层的横截面；
图4示出了所公开的主题的具有两个像素的实施方案的横截面；
图5A和图5B示出了像素的电压确实随光电流收集而变化的实施方案的图示；
图6示出了即使对于阵列中的像素的电压之间存在较大差异的高动态范围图像但在全局快门模式下具有高快门效率的实施方案的图示；
图7示出了光电流与电压的关系曲线的图示；
图8A至图8C示出了各种实施方案的能带图；
图9A至图9C示出了其中材料为良好的空穴阻挡件的实施方案的能带图；和
图10示出了用于通过材料进行空穴转移的三个机构。
具体实施方式
下面描述了光敏设备的各种实施方案。该设备包括各自具有功函数的第一接触件和第二接触件，以及位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料。该光敏材料包括p型半导体，并且该光敏材料具有功函数。该设备包括在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压的电路。光敏材料的功函数的量值比第一接触件的功函数的量值大至少约0.4eV，并且还比第二接触件的功函数的量值大至少约0.4eV。当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，光敏材料具有大于从第一接触件到第二接触件的电子渡越时间的电子寿命。第一接触件提供电子注入并阻止对空穴的提取。第一接触件和光敏材料之间的界面提供小于约1cm/s的表面复合速度。
下面描述了光敏设备。该设备包括第一触点、n型半导体、包括p型半导体的光敏材料、以及第二接触件。光敏材料和第二接触件各自具有低于约4.5eV的功函数。该设备包括在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压的电路。当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，光敏材料具有大于从第一接触件到第二接触件的电子渡越时间的电子寿命。第一接触件提供电子注入并阻止对空穴的提取。第一接触件和光敏材料之间的界面提供小于约1cm/s的表面复合速度。
下面描述了光电探测器。光电探测器包括各自具有功函数的第一接触件和第二接触件。光电探测器包括位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料，该光敏材料包括p型半导体，并且该光敏材料具有功函数。该光电探测器包括在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压的电路。光敏材料的功函数的量值比第一接触件的功函数的量值大至少约0.4eV，并且还比第二接触件的功函数的量值大至少约0.4eV。该光电探测器包括在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压的电路。当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，光敏材料提供至少约0.8A/W的响应度。
在下面的描述中，引入了许多具体细节，以提供对系统和方法的实施方案的彻底理解并实现对系统和方法的实施方案的说明。然而，相关领域的技术人员将认识到，这些实施方案可在没有一个或多个特定细节的情况下被实践或者与其他部件、系统等一起被实践。在其他情况下，未示出熟知的结构或操作，或者未进行详细描述，以避免模糊所公开的实施方案的各个方面。
图像传感器包含光电探测器阵列。这些光电探测器感测光线，将其从光学信号转换成电子信号。以下是对许多特征的描述，其中的任何一个特征或其组合可在实施方案的光电探测器中找到；然而，本文中的实施方案不仅限于这些特征。
实施方案中的光电探测器可容易地与和图像感测功能相关的其他电路集成在一起，诸如存储电荷的电路、将信号电平中继到阵列的外围的电路、操纵模拟域中的这些信号电平的电路、将模拟信号转换为数字信号的电路、以及处理数字域中的图像相关数据的电路。
实施方案中的光电探测器提供对感兴趣的一个或多个波段内的光的最大灵敏度并且提供低暗电流。通常在给定的照度下使用测量信噪比(SNR)来对灵敏度进行量化。当使设备的响应度、量子效率或增益最大化时，信号被最大化。当使电子信号中的随机波动最小化时，受到由给定温度下的电流和电压的自然波动所规定的限制的噪声被最小化。相关地，当暗电流的量值被减小或最小化时，背景信号中的噪声和其他不可控或难以预测的变化通常被减小或最小化。
与使用常规处理方法形成的传统光电探测器相比，实施方案的光电探测器提供相对较快的响应时间。应用程序诸如视频成像和无快门静止图像采集通常需要光电探测器，该光电探测器的信号电平响应于小于100毫秒(每秒10帧)或小于33毫秒(每秒30帧)或甚至小于1毫秒(静止图像的1/1000秒曝光)的时间内的瞬态而基本上完全改变。
实施方案的光电探测器以可由常规电子电路方便地处理的方式来提供对宽范围光强度的检测。该特征被称为提供高动态范围(HDR)。提供高动态范围的一种方法是将所测量的电子响应作为入射光刺激的函数进行压缩。此类压缩可被称为次线性，例如斜率减小的非线性、电信号对入射强度的依赖性。高动态范围还可通过采用增益可被控制的光电探测器来促成，诸如通过选择已知产生特定增益的电压偏置。
实施方案的光电探测器可提供电磁辐射的不同光谱带之间的区分。特别感兴趣的是X射线、紫外线、可见光(包括蓝光、绿光和红光)、近红外线和短波长红外波段。
下面描述了用于创建、集成(例如，与电路)并且在各种应用程序中利用顶面光电探测器或光电探测器阵列的方法和过程。
在此描述的光电探测器和光电探测器阵列可容易地通过一些方法诸如旋涂、喷涂、滴涂、溅射、物理气相沉积、化学气相沉积、以及自组装等与图像传感器电路和系统的其他部分集成在一起。实施方案包括交换配体钝化纳米粒子表面以获取较短配体，一旦形成膜，该较短配体便将提供适当的电荷载流子迁移率。实施方案包括溶液相交换能够实现对于实现跨阵列具有可接受的一致暗电流和光响应的图像传感器所必需的平滑形态膜。
本文描述的光电探测器提供相对最大的灵敏度。这些光电探测器通过提供光电导增益来使信号最大化或增加。光电导增益的值在1至50的范围内，从而导致例如在约0.4A/W至约20A/W范围内的可见光波长的响应度。在实施方案中，本文描述的光电探测器通过熔合纳米晶核来使噪声最小化，诸如以确保构成电流流过的光敏层的粒子之间的基本上不降低噪声的电通信。在实施方案中，本文描述的光电探测器通过使活性层的净掺杂最小化来使暗电流减小或最小化，从而确保使这些光敏材料的暗载流子密度并且因此暗电导最小化或减小。在实施方案中，本文所述的光电探测器通过提供电极与纳米晶层的电连接来使暗电流最小化或减少，该电极与纳米晶层电连接在平衡时阻挡例如潜在地包括大多数载流子的一种类型的载流子。在实施方案中，采用交联分子，该交联分子利用用于去除负责p型掺杂的氧化物、硫酸盐和/或氢氧化物的化学官能团。因此，在实施方案中，可提供更加本征的n型光敏层或者甚至是n型光敏层，从而导致暗电流降低。在实施方案中，量子点合成和/或处理和/或设备封装中的许多步骤可在受控环境下诸如舒伦克线或手套箱中执行；并且可使用基本上不可渗透的层诸如氧化物、氮氧化物或聚合物诸如聚苯二甲基或环氧化物来封装光敏层，以防止反应性气体诸如氧或水显著渗透光敏层。通过这种方式，性质诸如增益、暗电流和滞后的组合可在图像传感器的有效寿命期间保持不变。
本文描述的光电探测器提供的时域响应可快至约100亚毫秒、30亚毫秒、以及1亚毫秒。在实施方案中，这通过提供与光敏层相关联的增益提供(和持久性提供)陷阱态来实现，该增益提供陷阱态仅在有限时间段诸如100毫秒、30毫秒或者1亚毫秒内捕获至少一种类型的载流子。在实施方案中，PbS纳米粒子利用PbS03(一种PbS的氧化物)进行修饰，该PbS03被示出为具有约在约20毫秒至约30毫秒附近的陷阱态寿命，从而提供适合于许多视频成像应用程序的瞬态响应。在实施方案中，基于胶体量子点层来替代地提供光电二极管，其中采用具有略微不同的功函数的两个电接触件来接触活性层。在实施方案中，可通过在不施加可观的外部电压偏置的情况下操作此类设备来使暗电流最小化或减小。在实施方案中，可使用交联部分诸如苯二硫酚、双齿连接体，以去除和/或钝化在此类材料中可能存在或可能出现的某些陷阱态。
本文所述的光电探测器通过产生电信号(诸如光电流)的次线性依赖性来提供增强的动态范围。在低到中等强度的区域中，陷阱态能够被填充，并且在一些适度的持久性或陷阱态、寿命诸如约30毫秒之后发生逸出。在较高强度下，这些陷阱态基本上被填充，使得载流子经历与较低的差分增益对应的较短的寿命或持续时间。因此，这些设备在低至中等强度范围内表现出基本上恒定的增益，随后在较高强度下该增益略微衰减。换句话讲，在低到中等强度下，光电流与强度具有大致线性的依赖关系，但在较高强度下，光电流与强度表现出次线性依赖关系。在实施方案中，提供光电探测器，其中光电导增益取决于施加到设备的偏压。这是因为增益与载流子寿命除以载流子渡越时间成正比，并且渡越时间与所施加的场成反比地变化。在实施方案中，开发了利用增益对偏差的依赖性来增加动态范围的电路。
在实施方案中，本文描述的光电探测器易于被改变或“调谐”，以提供对于不同光谱带的灵敏度。本文通过量子尺寸效应来提供调谐，由此在通过合成控制的情况下减小纳米粒子直径，以增加所得的量子点的有效带隙。通过选择材料成分来提供另一种调谐方法，其中使用具有较大体积带隙的材料通常有助于实现在相对较高的光子能量下具有响应性起始的光电探测器。在实施方案中，可叠加具有不同吸收起始的光电探测器以形成垂直像素，其中较靠近光信号源的像素吸收并感测电磁辐射的较高能带，而距离光信号源较远的像素吸收并感测较低能带。
图1A和图1B示出了根据一个实施方案的包括叠层内的量子点的材料叠层。该材料叠层与互补金属氧化物半导体(CMOS)硅电路集成在一起，但不限于此。使用CMOS硅电路来读取由光电导光电探测器(包括顶面光电探测器，并且包括基于包含PbS的胶体量子点的光电探测器)转换的信号包括将顶面光电导材料与硅CMOS电子设备集成在一起。下面更详细地描述了光电导光电探测器的结构和组成。
图2示出了根据一个实施方案的位于像素的一部分上方的材料叠层的横截面。图2在左右侧或区域中描绘了与图1A中引用的材料叠层相同的材料叠层。在设备的侧面中间并入材料金属“1”中的不连续部分，该不连续部分由材料“7”替代。材料“7”通常可为例如绝缘体，诸如SiO2或SiOxNy。图2的实施方案可被称为横向像素的一部分。在实施方案中，电流基本上在金属“1”至材料“2”(界面)、材料“3”(粘附物)和材料“”(光敏层)之间流动。本文所述的材料叠层的不同部分或区域在本文中被称为“材料”或“层”，但不限于此。
图3示出了根据一个实施方案的位于像素上方的材料叠层的横截面。图3的实施方案可被称为垂直像素的一部分。图3示出了与上面参考图1A所述的材料“1”、“2”、“3”、“4”、“5”和“6”大致相同的材料叠层。界面材料或层“8”被并入或集成在设备的顶部或区域上。材料“8”包括在本文被描述为材料“2”的一组材料的一个或多个构件。金属或接触层或材料“9”被并入或集成在设备的顶部或区域上。金属或接触层“9”包括在本文被描述为材料“1”的一组材料的一个或多个构件。在实施方案中，材料“9”在材料“1”下方包括透明导电材料(诸如氧化铟锡、氧化锡)或者薄(基本上不吸收可见光的)金属，诸如TiN、Al、TaN、或下面列举的其他金属。
材料“1”是位于衬底(未示出)上方的金属并且可为硅CMOS集成电路。在加工期间，其可为例如200mm或300mm的晶片；一般而言，其为尚未被分割以形成管芯的晶片或其他衬底。材料“1”是指存在于CMOS集成电路晶片的顶面处的金属，其被呈现并可用于与后续层进行物理连接、化学连接和电连接。金属可包括例如TiN、TiO2、TixNy、Al、Au、Pt、Ni、Pd、ITO、Cu、Ru、TiSi、WSi2、以及它们的组合。材料“1”被称为接触件或电极，但是本文中将讨论该接触件的行为可能受到可驻留在金属和材料“4”之间的薄层、光电导量子点层的影响。
金属可被选择以实现特定的功函数并可影响是否相对于该金属所接近的层形成欧姆接触件或非欧姆(例如肖特基)接触件。例如，可选择金属以提供低功函数，诸如通常介于约-2.0eV和约-4.5eV之间的值，例如介于约-2.0eV和约-4.2eV之间的值。
该金属可实现小于5nm均方根的表面粗糙度。
该金属可以0.18微米或更小的关键尺寸而被图案化。该金属可被图案化，使得像素到像素的电极间距(诸如在像素中心电极和栅格之间)的变化不超过约1％的标准偏差。
在该金属为TiN的情况下，该金属可利用氧化物诸如自然氧化物诸如TiOxNy而被封端。一般而言，这种氧化物或其上面的其他材料诸如有机残留物、无机残留物(诸如“聚合物”)等具有一致且已知的组合物厚度。
该金属可为导电材料，其中构成该金属的大部分材料可具有小于100微欧姆*厘米的电阻率。
可对该金属进行处理，使得金属跨晶片在要形成感光像素的所有区域中不被任何附加氧化物或有机物或污染物覆盖。
在形成界面层之前或之后，晶片的顶面可包括金属和绝缘材料(诸如绝缘氧化物)的区域，使得该表面上的特征部的峰-谷距离小于50nm。
在引入光敏半导体层之前，在1.1μm×1.1μm或1.4μm×1.4μm的方栅电极的中心的像素电极之间流动的漏电流在3V偏压下应小于约0.1fA。
材料“1”上方的层或材料形成界面或界面层。下面将依次更详细地描述形成界面的层中的每个层。
材料“2”为界面层的第一段或一部分，并且包括驻留在金属顶部的材料。材料“2”可包括金属的纯净清洁表面。该层的材料可包括氧化物，该氧化物包括通常通过由于存在暴露的金属而暴露于水、氧或其他氧化物质而形成的那些氧化物；或者可诸如通过暴露于受控的氧化环境以及暴露于升高的温度诸如在快速热处理过程中而刻意形成氧化物。自然氧化物包括例如以下各项：TiN顶部的TiO2和TiOxNy；Al顶部的Al203；Au顶部的Au2O3；Pt上的PtO或PtO2；Ni顶部的Ni2O3；W顶部的WO3；Pd顶部的PdO；以及ITO顶部的富氧ITO。此类自然氧化物可能将(诸如使用蚀刻)被去除，并且被另一个层替代。例如，可(使用工艺诸如氩溅射)蚀刻自然氧化物诸如TiOxNy，并且然后可在其顶部沉积一个层，诸如受控氧化物，诸如TiO2、TiOx或TiOxNy。自然氧化物和刻意沉积的氧化物的厚度之和可介于约2nm和约20nm之间。
材料“2”的一部分可以是对可见光的大部分或全部波长基本上透明的材料。该材料可具有大于约2eV或大于约2.5eV或大于约3eV的带隙。该材料可大带隙掺杂的半导体。该材料可(诸如在TiOx的情况下)通过化学计量法来实现掺杂，其中x在材料“2”的下方或上方变化以实现净掺杂。x的值通常可为约1.9，以实现对化学计量TiO2的Ti的超越。x的值通常可为约2.1，以实现对化学计量TiOx的O的超越。其中x小于约2的TiOx可通过将化学计量TiO2暴露于还原环境来实现。通过增加初始化学计量TiO2减少的程度(例如通过相对于值2更显著地降低TiOx中的x)可增加自由电子的密度，这对应于更大的n型掺杂。可利用氮来掺杂TiO2以改变其自由载流子浓度、功函数和电子亲和力。TiO2或TiOx可利用例如B、C、Co、Fe掺杂。其可为轻度掺杂的n型材料，诸如具有1010cm-3的平衡载流子密度的轻掺杂的TiOx。其可为中等掺杂的n型材料，诸如具有1016cm-3的平衡载流子密度的TiOx。其可为更强烈掺杂的n型材料，诸如具有1018或l019cm-3的平衡载流子密度的TiOx。其电子亲和力可以在能量上基本上密切符合金属的功函数。其功函数可以基本上密切符合金属的功函数。其电离电位可驻留在比光学吸收层(本文描述的材料“4”)的电离电位高得多的能量处。其可通过退火工艺、气相处理或化学处理诸如暴露于有机分子而被封端，诸如以当与相邻半导体层诸如光学吸收层(下面讨论的层“4”)接触时实现空穴的低表面复合速度。
材料“3”还可存在于界面层中并且包含可被定位或驻留在界面层的第一部分顶部的材料。材料“3”包括被吸收的有机物，诸如有意或无意地或通过其某种组合引入的有机分子，其存在于金属上方，与金属直接接触或与金属氧化物直接接触。在本文中对这些分子进行详细讨论。
实施方案包括材料“2”，而不存在材料“3”。此类实施方案包括对其中不需要粘附层(诸如由材料“3”提供的粘附层)的材料的选择。举例来讲，如果材料“2”包含金属诸如钛，诸如如果材料“2”包含TiOx并且如果材料“4”包含交联剂诸如巯基苯甲酸，则其中巯基苯甲酸上的一个官能团与TiOx结合，然后可提供材料“4”和材料“2”之间的粘附性而不明确包含材料“3”。
在实施方案中，材料“1”、材料“2”和材料“3”全部存在。实施方案包括其中在未有意引入异质结的情况下经由金属“1”制成与材料“4”的肖特基接触件的情况。实施方案包括其中TiN或TiOxNy形成金属“1”的设备，层“2”为金属“1”的清洁封端(其未显著形成自然氧化物)，在材料“3”中提供粘附层诸如六甲基二硅氮烷。
在实施方案中，材料“1”、材料“2”和材料“3”全部存在。实施方案包括其中通过将材料“2”中的大带隙氧化物用于光敏层“4”而形成异质结的情况。实施方案包括其中TiN或TiOxNy形成金属“1”的设备，层“2”包括大带隙半导体诸如TiOx(其可为结构掺杂的、杂质掺杂的、两者、或两者都不)，并且在材料“3”中可提供粘附层诸如六甲基二硅氮烷。
在实施方案中，材料“1”可为铝金属，材料“2”可包括铝的自然氧化物并且可包括掺杂的导电氧化物诸如掺杂的Al2O3，和/或可包括大带隙半导体诸如TiO(其可为结构掺杂的、杂质掺杂的、两者、或两者都不)，并且材料“3”可包括可在材料“3”中提供的粘附层诸如六甲基二硅氮烷。
在实施方案中，材料“1”可包括铝、镓、铟、锡、铅、铋、镁、钙、锌、钼、钛、钒、镧、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锆、铌、钯、银、铪、钽、钨、铱、铂、金。在实施方案中，可利用标准CMOS中使用的金属，诸如铝、钨、钽、钛、铜。
在实施方案中，材料“2”可包括金属的表面并且可包括以下金属的氧化物、氮化物或氮氧化物：铝、镓、铟、锡、铅、铋、镁、钙、锌、钼、钛、钒、镧、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锆、铌、钯、银、铪、钽、铱、铂、金。在实施方案中，该材料可包括在标准CMOS中使用的金属(诸如铝、钨、钽、钛、铜)的氧化物、氮化物、或氮氧化物。
在实施方案中，材料“2”可包括多个子层。在实施方案中，该材料可包括由金属构成的子层，该金属为诸如铝、镓、铟、锡、铅、铋、镁、钙、锌、钼、钛、钒、镧、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锆、铌、钯、银、铪、钽、钨、铱、铂、金。在实施方案中，该子层可包括在标准CMOS中使用的金属，诸如铝、钨、钽、钛、铜。在实施方案中，材料“2”可包括另外的子层，其由以下金属的氧化物、氮化物或氮氧化物组成：铝、镓、铟、锡、铅、铋、镁、钙、锌、钼、钛、钒、镧、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锆、铌、钯、银、铪、钽、铱、铂、金。在实施方案中，可优选的是，该另外的子层包括在标准CMOS中使用的金属(诸如铝、钨、钽、钛、铜)的氧化物、氮化物或氮氧化物。
被称为材料“4”的层是指包括纳米晶体或量子点的光学吸收层。在图1B中“1220”所示的量子点(QD)可为纳米结构，例如半导体纳米结构，其在所有三个空间方向上约束导带电子、价带空穴或激子(导带电子和价带空穴的结合对)。该约束可为由于(例如，由外部电极、掺杂、应变、杂质产生的)静电势、在(例如，在图1B的“1221”中并入的核-壳纳米晶体系统中的)不同的半导体材料或半导体与另一种材料(例如，半导体，该半导体由有机配体修饰；或由电介质诸如氧化物(诸如PbO)、亚硫酸盐(诸如PbSO3)、硫酸盐(诸如PbSO4)、或并入图1B的“1221”中的SiO2修饰)之间存在界面、存在并入图1B的“1221”中的半导体表面、或者这些中的一者或多者的组合而造成的。量子点在其吸收光谱中表现出理想化零维系统的离散量子化能谱的效果。与该离散能谱对应的波函数在量子点内在空间上基本上被局域化，但延伸跨越材料的晶格的许多周期。在一个示例性实施方案中，QD可具有半导体或化合物半导体材料的核诸如PbS。在一些实施方案中，配体可被附接到一些或全部外表面或可被去除。在一些实施方案中，相邻QD的核可熔合在一起，以形成具有纳米级特征的纳米晶体材料的连续膜。在其他实施方案中，核可通过接头分子彼此连接。在一些实施方案中，可在纳米晶体材料的外表面上形成陷阱态。在一些示例性实施方案中，核可为PbS，并且可通过被形成在核的外表面上的氧化物诸如PbSO3来形成陷阱态。
QD层可包括融合的QD核的连续网络，这些融合的QD核具有在组成上与核不同的外表面，该QD核的组成为例如氧化核材料诸如PbS03，或不同种类的半导体。膜中的单个QD核紧密接触，但继续表现出各个量子点的许多性质。例如，单独的(未融合的)量子点具有被充分表征的激子吸收波长峰值，其由与其尺寸(例如1nm至10nm)相关的量子效应产生。膜中融合的QD的激子吸收波长峰值不会明显偏离在融合前存在的中心吸收波长。例如，当融合时，中心吸光度波长可改变约10％或更少。因此，尽管它们可成为宏观结构的组成部分，但膜中的QD仍然保留其量子效应。在一些实施方案中，如下文进一步描述的，QD核通过接头分子而被链接在一起。这允许电流与流经未链接且未融合的QD相比更容易流动。然而，使用接头分子形成QD的连续膜而不是将核熔合可减少一些光导体和图像传感器实施方案的暗电流。
在一些实施方案中，QD层对辐射特别敏感。这种敏感度对于低辐射成像应用特别有用。同时，设备的增益可被动态地调整，使得QDPC饱和，即附加光子继续提供可由读出电子电路识别的附加有用信息。对增益的调谐可通过改变电压偏置并且因此跨给定设备例如像素改变合成电场来方便地实现。QD设备的一些实施方案包括QD层和定制设计的或预制的电子读出集成电路。然后将QD层直接形成到定制设计的或预制的电子读出集成电路上。QD层可另外地被图案化，使得其形成单独的岛状物。在一些实施方案中，无论QD层在哪里覆盖电路，其始终连续重叠并接触电路的至少一些特征部。在一些实施方案中，如果QD层覆盖电路的三维特征部，则QD层可符合这些特征部。换句话讲，在QD层和底层电子读出集成电路之间存在基本上连续的界面。电路中的一个或多个电极接触QD层并且能够将关于QD层的信息(例如，与QD层上的辐射量有关的电子信号)中继到读出电路。QD层可以连续方式被提供，以覆盖整个底层电路诸如读出电路或被图案化。如果以连续方式来提供QD层，则填充因子可接近约100％，通过图案化，填充因子将减少，但对于使用硅光电二极管的一些示例性CMOS传感器，填充因子仍然可远大于典型的35％。在许多实施方案中，使用在通常用于制造常规CMOS设备的设施的过程中可用的技术而容易地制造QD光学设备。例如，使用例如作为标准CMOS工艺的旋涂来将一层QD溶液涂覆到预制电子读出电路上，并且可选地利用其他CMOS兼容技术而被进一步处理，以提供在设备中使用的最终的QD层。由于QD层不需要特殊的或困难的技术来制造，而是可使用标准CMOS工艺来制造，因此可大批量生产QD光学设备，并且与目前的CMOS工艺步骤相比，资本成本(材料除外)没有显著增加。
QD材料可具有约在可见波长范围的边缘诸如圆650nm处的吸收截止。QD材料可在较长波长处具有吸收截止，以便确保在整个可见光下的高吸光度，诸如当吸收截止在700nm至900nm范围内时。
可使用常规旋涂工艺、喷墨打印工艺、Langmuir-Blodgett膜沉积、电动喷雾或纳米压印来沉积QD膜。可使用QD溶液以约30RPM在晶片上分配QD溶液来沉积QD膜，随后进行三步旋涂工艺。
可将QD溶液吸收中的峰的光谱位置指定为位于约740nm，+/-10nm处。可将740nm附近的QD吸收峰处的吸光度与略接近该峰的蓝色的谷处的吸光度的比率指定为约1.2。
量子点层的厚度可被指定为300nm+/-50nm。可选择量子点层的厚度，以确保在约400nm至约640nm的光谱范围内吸收入射在膜上的多于90％的全部光线。量子点膜的粗糙度(均方根)可被指定为小于约5nm。
在合适的偏压诸如3V偏压下，在1.1μm×1.1μm像素中的暗电流可小于约0.5fA。1.1μm×1.1μm像素中的增益可大于10。
碱金属杂质在量子点膜中的浓度可低于5E17cm-3。跨200mm的晶片，尺寸大于约0.16微米的缺陷部可少于约20。流动载流子的流动性可超过1E-5cm2/Vs。纳米晶体在膜中的负载分数可超过约30体积％。
并入材料“4”的可为化学物质，诸如PbO、PbSO4、PbSO3、聚硫酸盐；还可包括物理吸附物质诸如O2、N2、Ar、H2、CO2、H2O和H2S。
并入材料“4”的可为与至少一个纳米粒子或纳米晶体或量子点的表面结合的分子。这些可包括硫醇封端的配体，诸如苯硫醇、乙硫醇；羧酸盐封端的分子诸如油酸和甲酸；胺封端的配体诸如吡啶、丁胺、辛胺。它们还可包括二齿交联剂，诸如苯二硫酚、乙二硫醇和丁二硫醇。它们还可包括多齿分子，该多齿分子包括(1)骨架；(2)与纳米粒子表面结合的某些侧基和/或端基，包括硫醇、胺、羧酸盐；以及(3)其他官能团，诸如在极性、非极性和部分极性溶剂中赋予溶解度的官能团。
材料“5”可包括位于“4”顶部的层，这些层可提供底层材料的钝化，包括使材料叠层的层“1”至“4”和材料叠层的外部之间的物质移动的程度最小化。该层还可促进与覆盖层诸如密封剂层的良好物理粘附。
材料“6”是指可被包括在材料叠层的顶部上并且可用于使材料叠层的层“1”至“4”和材料叠层的外部之间的物质移动的程度最小化的一个或多个层。在平面电池配置中，可使用用于提供适于与CFA进一步集成的光学透明膜的低温(小于约100℃)PECVD SiO2、SiN或SiOCN工艺来封装量子点膜层，以防止氧气和湿气扩散。该膜可被指定为具有约200nm+/-10nm的厚度。其可被指定为具有小于约5nm rms的表面粗糙度。光学透射率可超过约99％。可提供至底层的粘附。一个实施方案可跨200mm的晶片具有少于约20个的大于0.1μm的粒子缺陷部。一个实施方案可在200毫米晶片上具有少于约20个的大于0.1μm的的针孔。
电接触件和光敏半导体之间的界面的性质为设备稳定性和性能的重要决定因素。例如，接触件是否为欧姆对肖特基，以及接触件和半导体是否由钝化{半导体和接触件}中的至少一者的薄界面层隔开对稳定性和性能很重要。
光电导层的组成—例如在构成光电导体的半导体材料上存在表面陷阱态—是设备性能和稳定性的重要决定因素。特别地，光电导材料通常对物理吸附或化学吸附物质的存在敏感，这些物质可能最初以纳米粒子表面上的气体(例如O2、H2O、CO2)被呈现—因此在处理过程中必须小心控制这些物质，并且可在光电导层的上方和/或下方使用一个或多个封装层和/或钝化层，以随时间的推移保持一致的光电导特征。下面进一步描述实施方案的金属和半导体之间的界面以及实施方案的封装。
层“4”可由硅制成，该硅包括单晶硅、多晶硅、纳米晶硅、或非晶硅(包括氢化非晶硅)。
层“4”可包括基本上不受量子约束而是基本上保持体半导体的带隙的材料。实施方案包括材料的结晶或多晶或纳米晶或无定形实施方案，诸如硅、砷化镓、碳、PbS、PbSe、PbTe、Bi2S3、In2S3、铜铟镓硒(或硫化物)、SnS、SnSe、SnTe，其中任何结晶或部分结晶亚单元的特征尺寸典型地不小于所采用的半导体材料中的玻尔激子半径(电子保持对的特征空间范围)。
实施方案的界面形成可包括对材料“1”的清洁和封端。
实施方案的界面可包含在材料“1”上形成的氧化物，包括作为材料“2”的一部分的自然氧化物。该氧化物的厚度为设备性能的重要决定因素。过大的氧化物厚度(例如，超过约10nm至约20nm的厚度)可提供与光电导膜串联的过大接触电阻，从而需要从偏置电路施加不期望的增加的偏压。在实施方案中，该自然氧化物的厚度保持在小于约5nm的范围内。
一个实施方案的界面可包括作为材料“2”的一部分的另外的薄层诸如TiO2，其通常被包括，以修改与要被放置在顶部上的半导体的界面的功函数。在实施方案中，该层可提供有利于一种类型的电荷载流子的选择性：例如，TiO2可被配置为使得在工作偏压下将电子高效地注入到光电导半导体层的导带中；但是在该相同的偏压下，其以低得多的效率从光电导半导体层的价带中抽取空穴。TiO2可被配置为使得在工作偏压下从光电导半导体层的导带中高效地提取电子；但是在该相同的偏压下，其以低得多的效率将空穴注入到光电导半导体层的价带中。
一个实施方案的界面可包括作为材料“2”的一部分的另外的薄层诸如MEH-PPV，其通常被包括，以使得一种类型的电荷载流子(诸如空穴)能够流动，同时阻止另一种类型的电荷载流子(诸如电子)的流动。
一个实施方案的界面可包括作为材料“3”的一部分的薄层，其可能为自组织的分子单层，被设计成在分子的一侧上被锚定到底层，并且在分子的另一端处被锚定到要被放置在顶部的半导体，以便确保受控的电子通信，并且还确保机械稳定性，例如构成多层设备的材料之间的良好粘附性。
实施方案的分层结构通过界面来提供高效的电荷载流子转移。在实施方案中，分层结构可形成与光电导半导体层的基本欧姆接触，从而在界面附近对提供半导体的很少耗尽或不耗尽，并且提供至少一种类型的电荷载流子(例如电子、空穴)的高效注入和提取。在实施方案中，分层结构可形成与光电导半导体层的肖特基接触，从而提供对于要注入和/或抽取的电荷载流子必须克服的能量势垒。在实施方案中，分层结构可形成选择性接触，从而与其提供其他类型的电荷载流子(例如，空穴)的提取相比提供一种类型的电荷载流子(例如，电子)的更加高效的注入；和/或与其提供其他类型的电荷载流子(例如，空穴)的注入相比提一种类型的电荷载流子(例如，电子)的更加高效的抽取；
实施方案的分层结构提供接触表面的功函数，其中有效功函数由电极材料、界面层材料及其厚度来确定。
例如在p-半导体光电探测器设备的情况下，作为在金属电极的表面上提供电子陷阱态的层，实施方案的分层结构提供阻挡能力，以抑制不期望的载流子转移。
实施方案的分层结构提供了光敏半导体材料至金属电极的强力结合。
实施方案的分层结构提供了金属电极-半导体材料界面的高温稳定性。
具有工程化界面层的实施方案的电子设备的结构和组成包括但不限于金属电极，该金属电极包括在半导体制造中使用的易于氧化或氮化或以选定的化学计量组合氧化和氮化的常规材料，诸如Ti、W、Ta、Hf、Al、Cu、Cr、Ag；或包括抗氧化或氮化的常规材料，诸如Au、Pt、Rh、Ir、Ru、石墨、无定形碳、石墨烯、或碳纳米管。这些金属电极还可由合金、导电玻璃和各种导电金属间化合物形成。所得电极的功函数可通过暴露于例如氧、氮或其组合在特定温度下特定时间来进行调整。
一个实施方案的电子设备的结构和组成包括金属接触件的表面上的界面层。实施方案的界面层包括电极元件的氧化物或金属间化合物，其最大厚度足以保持接触件的欧姆特性，但其最小厚度足以产生电子陷阱态。可使用物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、离子簇、离子束沉积、离子注入、退火、或其他膜沉积方法来产生或生成该结构。此外，此类膜可由水性和非水性液体制剂形成，其中可包括电化学技术以形成氢氧化物、氧化物、氟化物、硫化物、硫酸盐、亚硫酸盐、鎓盐、磷酸盐、膦酸盐、磷化物、硝酸盐、亚硝酸盐、氮化物、碳酸盐、碳化物和其他类型的盐或金属络合物。取决于最终界面层的电导率和金属电极本身的功函数，界面层的平均厚度可在约0.1nm至约0.2nm到约10nm至约50nm之间变化。
实施方案的界面层包括沉积在电极表面上的另一种氧化物，该氧化物已掺杂了TiO2、HfO2、Al203、SiO2、Ta2O5、ZnxAlyO、ZnxGayO、ZnInxSnyO、以及类似的p型导电材料。同样，这些材料可使用前面提到的方法进行沉积。
界面层的附加性质由形成与半导体光敏层的组成部分的相对强的化学键优选地形成共价键的必要性来确定。在光敏层的组成部分未提供与界面层的化学键合的情况下，界面层的表面使用有机副功能分子而被改性，其中一种类型的官能团提供与界面层表面的选择性键合，而第二种类型的官能团提供与任一配体的键合或与半导体纳米晶体的直接键合。这些键合分子可在非导电链烷烃或芳基骨架上形成，或者可在导电主链上形成，该导电主链包括苯胺、乙炔或其他类型的sp2杂化碳。提供与电极的氧化表面或界面层表面的键合的官能团包括但不限于硅烷、硅氧烷、硅氮烷、伯胺、仲胺或叔胺、酰亚胺、磷酸酯、肟、羧酸酯。形成界面层的有机分子的平均长度通常可在约2个碳原子至约16个碳原子之间变化。
如果电极的金属为无源的(例如，Au、Pt、Cu、Ag等)，则界面层可由包括两个相似官能团的分子形成，该两个相似官能团在一侧上提供与金属表面的直接键合并且在另一侧上提供与纳米晶体的直接键合。一个示例为形成Au-S-R-S-NC键。同样，有机界面层的厚度和电导率可由所需的电子设备性质来限定。
如果界面层的电导率超过电子设备参数(例如，针对平面电极元件)所要求的容许极限，则可使用常规图案化技术来对连续膜进行图案化。
在具有至少两个电极的每个电子设备中，其中的一个电极可由具有一个功函数的金属制成，而另一电极可被制成具有不同的功函数和/或导电类型(电子或空穴)。
对于电子设备的竖直构型，针对底部电极使用与上述方法相同的方法，而顶部的界面层通过沉积有机分子或半导体材料的薄透明层来形成。
上述分子为具有约1至约10,000之间的聚合度的聚合物。
在形成本文所述的设备时，通常可将设备形成为包括材料“1”和材料“2”的一致且可靠的组合，然后可为受控的形成或材料“3”和光学吸收层“4”。例如，一个实施方案可通过材料“1”来提供具有小于100微欧姆·厘米的电阻率的高导电接触件，以及介于约-2eV与约-4.5V之间以及介于约-2eV与约-4.2eV之间的功函数。一个实施方案可通过材料“2”来提供大带隙层，该大带隙层允许电子注入到随后的光敏半导体层中，但阻止从该层提取空穴。一个实施方案可实现作为材料“2”的第一部分的一部分的掺杂的基本上透明的氧化物诸如n型TiOx的受控厚度。例如，一个实施方案可实现约2nm至约20nm范围内的TiOx厚度，其被控制在约1nm至5nm内；并且其中TiOx具有1×1018cm-3的特别选择的载流子密度，具有对载流子密度的严密控制带，诸如约+/-10％。
本文所述的设备的层的制造或层的构型可包括例如：(1)诸如经由在氮气中溅射钛来形成金属，由此形成TiN；(2)随后的处理导致形成界面层，诸如自然氧化物，诸如TiOxNy或TiOx(可能的是，该随后的处理导致可能的氧化物厚度和掺杂以及载流子浓度的范围)。(3)通过蚀刻来去除自然氧化物层，该蚀刻诸如硫酸-过氧化氢-去离子水蚀刻、或过氧化铵蚀刻、或物理蚀刻诸如氩溅射、或反应性溅射蚀刻诸如氩和氢；在一个实施方案中，这种蚀刻完全去除氧化物；可实施适度的过蚀刻，以确保彻底去除；(4)实施方案沉积氧化物诸如TiOx、TiOxNy或其他界面层的受控厚度、受控掺杂和受控表面封端层。可采用方法诸如物理气相沉积(包括例如在O2、N2或其组合的存在下的TiOx源、TiN源或Ti源的DC溅射、RF溅射)来沉积这些层。方法还包括CVD和ALD，其中前体首先沉积在晶片的表面上，并且反应在受控的温度下进行。在要形成TiOx的情况下，可使用前体。
对本文所述的设备的层的制造或层的构型可包括例如：(1)诸如经由在氮气中溅射钛来形成金属，由此形成TiN；(2)原位过渡到界面层的这种金属的顶部上的沉积。这些可包括TiOx或TiOxNy。该层可具有受控厚度、受控掺杂以及氧化物的受控表面封端层诸如TiOx、TiOxNy或其他界面层。可采用方法诸如物理气相沉积(包括例如在O2、N2或其组合的存在下的TiOx源、TiN源或Ti源的DC溅射、RF溅射)来沉积这些层。方法还包括CVD和ALD，其中前体首先沉积在晶片的表面上，并且反应在受控的温度下进行。在要形成TiOx的情况下，可使用化学前体。
如上所述，可在光电导层上和/或下使用一个或多个封装和/或钝化层，以随时间的推移保持一致的光电导特征部。本文描述的实施方案确保光电导层中的一致的气体环境(或缺乏显著的气体存在)。例如，真空、氩气、氮气、氧气、氢气、二氧化碳可以各种比例和不同的程度被包含或排除。实施方案可排除氧气、H2O、CO2，并且不存在气体分子或非反应性材料诸如氩气和/或氮气。为了保持随时间的推移的一致的光电导特征部，可包括密封剂层，其目的是避免光电导膜与该膜外部区域之间的气体交换。在用于此目的的实施方案中使用的材料包括但不限于：聚亚二甲苯基；As2S3或As2Se3；Si3N4、SiO2及其混合物，例如SiOxNy；氧化物诸如TiO2、HfO2、Al2O3、SiO2、Ta2O5、ZnxAlyO、ZnxGayO、ZnInxSny。
密封剂材料在钝化层之前，其可能呈基本上单分子单层的形式。该第一层可用于在密封剂沉积期间保护封装结构：例如，可首先使用不会不利地改变光电导层的光电行为的过程来沉积材料层诸如聚苯二甲基，并且在随后的封装过程中提供对光电导层的保护。其可例如保护膜免受在用于沉积含氧封装剂诸如SiOx、SiOxNy等的某些工艺期间存在的由氧及其自由基产生的反应的影响。
在实施方案中，总包封物叠层(其可包括多个层)的典型厚度可在单个单层(通常约为nm或略微亚nm，例如约)至通常约1微米之间。在实施方案中，总密封剂叠层的典型厚度可小于约1μm至约2μm，以便最小限度地干扰阵列的光学性质。
在实施方案中，被包括在层“1”、“2”、“3”、“4”、“5”中的至少一者中的材料可为用于吸气分子的材料，其可与设备中的材料发生反应，该设备中的材料包括如果进行反应则可改变设备的光电特性的材料。可进入设备的反应分子的示例包括O2和H2O以及O3。设备中的可通过此类反应来改变其光电特性的材料的示例包括材料“4”NC、材料“3”粘附物、材料“2”界面、以及“1”金属。吸气部分的示例包括环硼氮烷、包括四氢硼酸盐的硼氢化物、儿茶酚硼烷、L-硒化锂、硼氢化锂、三乙基硼氢化锂、硼氢化钠、和铀硼氢化物。吸气部分的示例包括可水解硅氧烷。
一个实施方案的设备可包括与半导体光敏层的组成部分的强化学键(例如，共价键)。在光敏层的组成部分未提供与界面层的化学键合的情况下，界面层的表面使用有机副功能分子进行改性，其中一种类型的官能团提供与界面层表面的选择性键合，而第二种类型的官能团提供与任一配体的键合或提供与半导体纳米晶体的直接键合。这些键合分子可在非导电链烷烃或芳基骨架上形成，或者可在导电主链上形成，该导电主链包括苯胺、乙炔、或其他类型的sp2杂化碳。提供与氧化物的键合的官能团可包括硅烷、硅氧烷、硅氮烷、伯胺、仲胺或叔胺、酰亚胺、磷酸酯、肟、羧酸酯。
一个实施方案的设备的制造过程可包括例如使用SC1在清洁的干燥空气环境中在20℃下持续约30秒的晶片预清洁。一个实施方案的设备的制造过程可包括在清洁的干燥空气环境中在去离子水中在20℃下持续约30秒的冲洗。一个实施方案的设备的制造过程可包括在规定的环境中(诸如清洁的干燥空气、真空、氮气、氩气或还原气氛诸如氢气、或包含惰性气体诸如N2或Ar以及氧化气体诸如O2的受控氧化气氛)在规定的温度下(诸如20℃、70℃、150℃或200℃)将涉及烘烤的晶片干燥持续规定的时间段(诸如约30秒至约24小时)。
一个实施方案的设备的制造过程可包括规定其他过程之间的最大和最小以及平均排队时间。
一个实施方案的设备的制造过程可包括对衬底和量子点膜的处理，包括在规定的温度诸如在约25℃下在规定的气体诸如N2中暴露于乙腈中的乙二硫醇持续规定的时间诸如20秒。一个实施方案的设备的制造过程可包括对衬底和量子点膜的处理，包括在规定的温度诸如约25℃下在规定的气氛诸如N2中暴露于乙腈中的己二硫醇持续规定的时间诸如约20秒。
一个实施方案的设备的制造过程可包括在某个温度下或低于某个温度(诸如约100℃)，沉积电介质封盖层(诸如SiO2)，并达到特定厚度的电介质封盖层(诸如100℃)。
一个实施方案的设备的制造过程可包括光刻定义要蚀刻的区域，然后蚀刻包括SiO2的材料。
一个实施方案的设备的制造过程可包括在某个温度下或在低于某个温度(诸如100℃)的情况下沉积电介质封盖层(诸如SiN)并沉积达到电介质封盖层的特定厚度(诸如100℃)。
一个实施方案的设备的制造过程可包括光刻定义要蚀刻的区域，然后蚀刻包括SiN的材料。
一个实施方案的设备的制造过程可包括例如硅CMOS制造，包括在沉积量子点层之前在200mm Si晶片上进行的处理和在0.11微米节点处的标准Al/SiO2材料技术。CMOS制造流程可利用图案化金属接触件诸如TiN来完成。
一个实施方案的设备的制造过程可包括在通孔层的顶部上集成一个Cu/TEOS/SiNHM单镶嵌层，然后进行对Ni/Au叠层的选择性无电沉积。
一个实施方案的设备的制造过程可包括衬底预处理。可利用金属电极和/或电介质表面改性来改善层与层之间的电接触件或粘附。除了湿法预清洁之外，晶片可利用等离子体或液相或气相工艺进行处理，以形成具有受控高度和表面状态密度的粘附单层。
一个实施方案的设备的制造过程可包括沉积光敏膜，其中提供对环境大气的严密控制，以最小化和/或控制氧气和湿气对膜性能的影响。这些过程可包括使用配备有O2和H2O过程监测器的生产工具。可提供标准操作程序，以确保对材料(如量子点及其层)与空气的最小限度的或受控的且一致的暴露(包括在化学品储存过程中)，以及将流体从储存容器转移到处理工具箱中。制造过程可与氯仿和其他溶剂兼容。
一个实施方案的设备的制造过程可包括使量子点层稳定。这些可包括使用二硫醇在乙腈中的稀释溶液进行化学后处理。
由于QF对环境中氧气和水分的高灵敏度，应减少或最小化QF沉积和后处理之间的排队时间，并且应在N2覆盖层下进行。相同的条件适用于后处理B和电介质帽沉积之间的排队时间。
一个实施方案的设备的制造过程可包括密封QF膜，以防止在设备的寿命期间的氧气和湿气扩散。可采用对SiO2/SiN叠层的低温沉积。此类过程应在低于约100℃的衬底温度下、在大气压下、或尽可能高的压力下进行。其他过程选项可包括将不影响封盖层的光学透射率的低温旋涂玻璃工艺或超薄金属膜。
一个实施方案的设备的过程控制可包括在量子点膜沉积之前进行入料晶片检查。实施方案的检查步骤可包括，例如：a)诸如使用亮视野检查对缺陷密度进行检查；b)诸如使用紫外光电子能谱法(UPS)(UPS方法过程控制程序可在毯覆式过程监测晶片上执行)来进行金属电极功函数检查；以及c)在TLM(测试像素阵列)结构上执行的漏电流和介电压击穿。设备的光电响应和膜性质可被用作过程控制的一部分。
在实施方案中，材料“4”可包括具有带隙的材料，并且提供对感兴趣的波长范围内的光的吸收。在实施方案中，光敏层可包括材料诸如Si、PbS、PbSe、CdS、CdSe、GaAs、InP、InAs、PbTe、CdTe、Ge、In2S3、Bi2S3、以及它们的组合。在实施方案中，光敏层可包括强吸光材料，诸如卟啉。在实施方案中，光敏层可包括钝化有机配体，诸如乙硫醇、乙二硫醇、苯硫醇、苯二硫酚、二苯二硫醇、吡啶、丁胺。
在实施方案中，一个实施方案的光电探测器包括采用用于控制至少一种类型的电荷载流子的流动的光敏能量势垒的光敏设备。
在实施方案中，光电探测器可表现出增益，其中每秒流动的附加电荷单元的数量与每秒钟照射在设备上的光子的数量的比率可超过一个单位，例如值大致在约2至约60的范围内。
在实施方案中，光电探测器可表现出高归一化响应，即，即使在低光水平下的光电流与暗电流的高比率。例如，当150nW/cm2的可见光照射到光电探测器上时，光电流与弱电流的比率可超过20。一般来讲，这个值应该尽可能高(同时满足其他规格，诸如滞后和暗电流均匀性以及光响应均匀性)。对于150nW/cm2的归一化响应，最高至100或更高的值为可能的。
在实施方案中，光电探测器可表现出快速的时间响应，其中光电流(包括接下来的强光照，诸如像素上的1μW/cm2以及更大的值)在不到约1秒的时间内稳定到接近暗电流的值(诸如来自暗电流的一个最低有效位)。在理想情况下，光电流在一个曝光周期内稳定到该值，该曝光周期可为1/15秒、1/30秒、1/200秒、1/1000秒、或类似值。
在实施方案中，黑暗中的电流-电压特性可在零和已知为饱和电压的第一电压之间表现出单调增加的函数关系。该范围可被称为打开阶段。电流-电压可在第一电压和已知为穿透电压的第二较大电压之间表现出具有比在零至第一电压范围期间低的平均斜率的单调递增关系。该第一电压至第二电压范围可被称为饱和范围。在大于第二电压或穿透电压的电压下，电流-电压关系可表现出相对于第一电压-第二电压范围的斜率的增加。该最高电压范围可被称为后穿透范围。
在实施方案中，当处于偏压下时，流动电荷载流子(例如电子)渡越设备的时间(例如，在两个接触件之间行进的时间，诸如在图2中的左侧材料“1”和右侧材料“1”之间，或在图3中的材料“1”和材料“9”之间行进的时间)超过该电荷载流子的平均寿命时，当注入流动电荷载流子(例如，电子)的接触件还阻止可被称为阻挡载流子(例如空穴)的其他类型的电荷载流子的提取时，以及当提供流动电荷载流子(例如电子)的接触件与半导体膜之间的界面提供阻挡载流子(例如空穴)的低表面复合速度时，可实现增益。该界面可在图1A中的材料“2”和材料“3”、图2中的材料“2”和材料“3”以及图2中的材料“7”和材料“3”，以及图3中的材料“2”、材料“3”、材料“5”和材料“8”中被实施。
更具体地，当处于偏压下时，流动电荷载流子(例如电子)渡越设备的时间超过该电荷载流子的平均寿命时，可实现增益。在数量上，可以说基区传输因子αt小于但接近于一个单位。如果流动载流子的少数载流子扩散长度超过界面层之间的间隔，则可实现这一点。
此外，当处于偏压下时，在注入流动电荷载流子(例如电子)的接触件还阻止提取可被称为阻挡载流子的其他类型电荷载流子(例如空穴)的情况下，可实现增益。在数量上，可以说发射极注入效率γ小于但接近于一个单位。这可通过在流动载流子注入接触件附近使用阻挡对另一种电荷载流子的提取的界面层来实现。这可通过利用大带隙材料制造界面层来实现，其中一个带(例如导带)在能量上与所接近的金属接触件的功函数基本上紧密对准；并且其在能量上与半导体中的阻挡从其中提取电荷载流子的带基本上不对准。
此外，当处于偏压下时，在提供流动电荷载流子(例如电子)的接触件与半导体膜之间的界面提供阻挡载流子(例如空穴)的低表面复合速度的情况下，可实现增益。在数量上，可以说复合因子小于但接近于一个单位。这在如果在流动载流子(例如电子)的少数载流子寿命内只有一小部分阻挡载流子(例如空穴)在提供流动电荷载流子(例如电子)的接触件与半导体膜之间的界面附近复合时可实现。这可要求阻挡载流子的表面复合速度小于约0.1cm/s，例如约0.01cm/s或更小。
参考图2，实施方案可包括用于减少在最左侧材料“1”和最右侧材料“1”之间穿过的暗电流的方法和结构。实施方案可包括去除材料“3”的一部分中的驻留在接触件最左侧材料“1”和最右侧材料“1”之间的导电部分。实施方案可包括去除导电部分，诸如驻留在接触件最左侧材料“1”和最右侧材料“1”之间的金属氧化物、金属氢氧化物、有机污染物、聚合物、以及导电氧化物。参考图2，实施方案可包括对材料“7”与材料“4”之间的界面的修改，以便控制复合速率、俘获电荷、粘附或该界面处的多个此类特性。
再次参考图1A，实施方案包括控制表面状态，诸如在界面层“2”和界面层“3”中存在的那些表面状态。实施方案包括利用氙或其他物质来撞击材料“1”中的金属(诸如TiN)或材料“2”中的金属氢氧化物(诸如TiOx)，或采用氩气进行溅射，以便控制或修改表面上的复合率。实施方案可包括将一种类型的电荷载流子的表面复合速度降低至在该界面处小于约0.1cm/s或小于约0.01cm/s。
实施方案包括在每个横向尺寸中实现具有约0.9μm的像素间距的小像素。实施方案包括使用窄通孔，诸如约0.15μm。实施方案包括使用约0.14μm的金属-金属间距。
本文描述的实施方案包括光敏设备，该光敏设备包括例如：各自具有功函数的第一接触件和第二接触件；位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料，该光敏材料包括p型半导体，并且该光敏材料具有功函数；电路，该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；光敏材料的功函数的量值比第一接触件的功函数的量值大至少约0.4eV，并且还比第二接触件的功函数的量值大至少约0.4eV；当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，光敏材料具有大于从第一接触件到第二接触件的电子渡越时间的电子寿命；第一接触件提供电子的注入并阻止空穴的提取；第一接触件和光敏材料之间的界面提供小于约1cm/s的表面复合速度。
本文描述的实施方案包括光敏设备，该光敏设备包括例如：第一接触件；n型半导体；光敏材料，该光敏材料包括p型半导体；第二接触件；光敏材料和第二接触件各自具有低于约4.5eV的功函数；电路，该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，光敏材料具有大于从第一接触件到第二接触件的电子渡越时间的电子寿命；第一接触件提供电子的注入并阻止空穴的提取；第一接触件和光敏材料之间的界面提供小于约1cm/s的表面复合速度。
本文描述的实施方案包括光电探测器，该光电探测器包括例如：各自具有功函数的第一接触件和第二接触件；位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料，该光敏材料包括p型半导体，并且该光敏材料具有功函数；电路，该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；光敏材料的功函数的量值比第一接触件的功函数的量值大至少约0.4eV，并且还比第二接触件的功函数的量值大至少约0.4eV；该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；并且该光敏材料被配置为当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时提供至少约0.8A/W的响应度。
一个实施方案的光电探测器的第一接触件为注入接触件，并且第二接触件为抽取接触件。
一个实施方案的光电探测器的注入接触件被配置为以高于注入接触件从光敏材料中抽取捕获的载流子的效率来将流动载流子注入到光敏材料中。
一个实施方案的光电探测器的注入接触件被配置为以高于抽取载流子将捕获的载流子注入光敏材料中的效率来从光敏材料中抽取流动载流子。
一个实施方案的光电探测器的光敏材料为p型半导体材料。
一个实施方案的光电探测器的第一接触件包含金属，并且其中第二接触件包含金属。
一个实施方案的光电探测器的偏压在约-0.1伏至约-2.8伏的范围内，并且流动载流子为电子。
实施方案的光电探测器的光敏材料包括选自由以下各项组成的组的纳米粒子：PbS、PbSe、PbTe、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge或C。
一个实施方案的光电探测器的每个纳米粒子在纳米粒子的表面上包括氧化物。
一个实施方案的光电探测器的光敏层包括选自由以下各项组成的组的材料：PbSO4、PbO、PbSeO4、PbTeO4、SiOxNy、In2O3、硫、硫酸盐、亚砜、碳和碳酸盐。
一个实施方案的光电探测器的纳米粒子互相连接。
实施方案的光电探测器的注入接触件和抽取接触件均包括选自由以下各项组成的组的材料：Al、Ag、In、Mg、Ca、Li、Cu、Ni、NiS、TiN或TaN。
一个实施方案的光电探测器的光敏层具有与约100nm至约3000nm的范围内的光的入射方向垂直的尺寸。
一个实施方案的光电探测器的第一载流子类型在黑暗中占大多数，并且第二载流子类型在照明下占大多数。
一个实施方案的光电探测器的第一载流子类型为空穴，并且第二载流子类型为电子。
一个实施方案的光电探测器的第一接触件和第二接触件包括低功函数金属。
实施方案的光电探测器的第一接触件和第二接触件各自具有低于约4.5eV的功函数。
实施方案的光电探测器的第一接触件和第二接触件之间的距离在约200nm至约2μm的范围内。
一个实施方案的光电探测器的流动载流子至少具有至少约lE-5cm2/Vs的迁移率。
一个实施方案的光电探测器的p型半导体材料为掺杂的p型材料。
一个实施方案的光电探测器的偏压在约+0.1伏至约+2.8伏的范围内，并且流动载流子为空穴。
实施方案的光电探测器的注入接触件和抽取接触件均包括选自由以下各项组成的组的材料：Au、Pt、Pd、Cu、Ni、NiS、TiN以及TaN。
实施方案的光电探测器的第一载流子类型在黑暗中占大多数，并且实施方案的光电探测器的第二载流子类型在光照下占大多数。
一个实施方案的光电探测器的第一载流子类型为电子，并且第二载流子类型为空穴。
一个实施方案的光电探测器的第一接触件和第二接触件包括高功函数金属。
实施方案的光电探测器的第一接触件和第二接触件各自具有高于约4.5eV的功函数。
一个实施方案的光电探测器的n型半导体材料为掺杂的n型材料。
实施方案的光电探测器的光敏材料具有比第一接触件和第二接触件的功函数高至少约0.3eV的功函数。
实施方案的光电探测器的第一接触件和第二接触件各自包括选自由以下各项组成的组的材料：Al、Ag、In、Mg、Ca、Li、Cu、Ni、NiS、TiN、TaN、n型多晶硅以及n型非晶硅。
本文描述的实施方案包括光电探测器，该光电探测器包括例如：第一接触件和第二接触件；位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料，该光敏材料包括n型半导体；第一接触件和第二接触件各自具有高于约4.5eV的功函数；电路，该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；并且该光敏材料被配置为当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时提供光电导增益和至少约0.4A/W的响应度。
实施方案的光电探测器的光敏材料具有比第一接触件和第二接触件的功函数低至少约0.3eV的功函数。
实施方案的光电探测器的第一接触件和第二接触件各自包括选自由以下各项组成的组的材料：Au、Pt、Pd、Cu、Ni、NiS、TiN、TaN、p型多晶硅以及p型非晶硅。
本文描述的实施方案包括光电晶体管，该光电晶体管包括例如：第一接触件和第二接触件；位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料，该光敏材料包括n型半导体；第一接触件和第二接触件各自具有肖特基接触或高于约4.5eV的功函数；电路，该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；并且当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，光敏材料具有大于从第一接触件到第二接触件的空穴渡越时间的空穴寿命。
一个实施方案的光电探测器的流动载流子为空穴，并且被捕获的载流子为电子。
本文描述的实施方案包括光电晶体管，该光电晶体管包括例如：第一接触件和第二接触件；位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料，该光敏材料包括p型半导体；第一接触件和第二接触件各自具有肖特基接触或低于约4.5eV的功函数；电路，该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；并且当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，该光敏材料具有电子寿命；其中选择光敏材料的电子迁移率、第一接触件和第二接触件之间的距离以及偏置电压，以使得当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，从第一接触件到第二接触件的电子渡越时间小于电子寿命。
一个实施方案的光电探测器的流动载流子为电子，并且被捕获的载流子为空穴。
本文描述的实施方案包括光电晶体管，该光电晶体管包括例如：第一接触件和第二接触件；位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料，该光敏材料包括n型半导体；第一接触件和第二接触件各自具有肖特基接触或高于约4.5eV的功函数；电路，该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，光敏材料具有空穴寿命；其中选择光敏材料的空穴迁移率、第一接触件和第二接触件之间的距离以及偏置电压，以使得当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，从第一接触件到第二接触件的空穴渡越时间小于空穴寿命。
一个实施方案的光电探测器的流动载流子为空穴，并且被捕获的载流子为电子。
一个实施方案的光电探测器包括包含p掺杂硅的p型半导体。
一个实施方案的光电探测器包括包含GaAs的p型半导体。
一个实施方案的光电探测器包括包含量子点/纳米晶体的p型半导体。
一个实施方案的光电探测器包括包含互连纳米晶体网络的p型半导体。
一个实施方案的光电探测器包括包含纳米晶体和接头分子的p型半导体。
一个实施方案的光电探测器包括包含化合物半导体的p型半导体。
一个实施方案的光电探测器包括包含PbS、PbS以及PBSO3的p型半导体。
本文描述的实施方案包括光敏设备，该光敏设备包括例如：各自具有功函数的第一接触件和第二接触件；位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料，该光敏材料包括p型半导体，并且该光敏材料具有功函数；电路，该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；光敏材料的功函数的量值比第一接触件的功函数的量值大至少约0.4eV，并且还比第二接触件的功函数的量值大至少约0.4eV；当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，光敏材料具有大于从第一接触件到第二接触件的电子渡越时间的电子寿命；第一接触件提供电子的注入并阻止空穴的提取；并且第一接触件和光敏材料之间的界面提供小于约1cm/s的表面复合速度。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件的功函数各项低于约4.5eV。
一个实施方案的设备的偏压在约-0.1伏至约-2.8伏的范围内。
一个实施方案的设备的光敏材料包括多个纳米粒子，其中每个纳米粒子在相应纳米粒子的表面上具有氧化物。
实施方案的设备的光敏材料包括选自由以下各项组成的组的纳米粒子：PbS、PbSe、PbTe、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge或C。
一个实施方案的设备的光敏层包括选自由以下各项组成的组的材料：PbSO4、PbO、PbSeO4、PbTeO4、SiOxNy、In2O3、硫、硫酸盐、亚砜、碳和碳酸盐。
一个实施方案的设备的光敏材料包括多个互连的纳米粒子。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件各自包括选自由以下各项组成的组的材料：Al、Ag、In、Mg、Ca、Li、Cu、Ni、NiS、TiN或TaN、TiO2、TixNy、ITO、Ru、TiSi、WSi2、掺杂B的TiOx、掺杂C的TiOx、掺杂Co的TiOx、掺杂Fe的TiOx、掺杂Nd的TiOx、掺杂N的TiOx。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件分开在约200nm至约2μm范围内的距离，并且光敏材料中的电子迁移率为至少约1E-5cm2/Vs。
一个实施方案的设备的光敏材料被配置为当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时提供至少约0.8A/W的响应度。
本文描述的实施方案包括光敏设备，该光敏设备包括例如：第一接触件；n型半导体；光敏材料，该光敏材料包括p型半导体；第二接触件；光敏材料的功函数的量值比第二接触件的功函数的量值大至少约0.4eV；当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，光敏材料具有大于从第一接触件到第二接触件的电子渡越时间的电子寿命；n型半导体提供电子的注入并阻止空穴的提取；并且n型半导体和光敏材料之间的界面提供小于1cm/s的表面复合速度。
一个实施方案的设备的n-型半导体包括选自由以下各项组成的组的材料：TiO2、化学还原的TiO2、已被氧化的TiO2、CdTe、CdS、CdSe、Si，或选自由以下各项组成的组的纳米粒子：PbS、PbSe、PbTe、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge或C。
一个实施方案的设备的偏压在约-0.1伏至约-2.8伏的范围内。
一个实施方案的设备的光敏材料包括多个纳米粒子，其中每个纳米粒子在相应纳米粒子的表面上具有氧化物。
实施方案的设备的光敏材料包括选自由以下各项组成的组的纳米粒子：PbS、PbSe、PbTe、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge或C。
一个实施方案的设备的光敏材料包括多个互连的纳米粒子。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件分开约200nm至约2μm范围内的距离。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件各自包括选自由以下各项组成的组的材料：Al、Ag、In、Mg、Ca、Li、Cu、Ni、NiS、TiN、TaN、TiO2、TixNy、ITO、Ru、TiSi、WSi2、掺杂B的TiOx、掺杂C的TiOx、掺杂Co的TiOx、掺杂Fe的TiOx、掺杂Nd的TiOx、掺杂N的TiOx。
本文描述的实施方案包括光电探测器，该光电探测器包括例如：各自具有功函数的第一接触件和第二接触件；位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料，该光敏材料包括p型半导体，并且该光敏材料具有功函数；电路，该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；光敏材料的功函数的量值比第一接触件的功函数的量值大至少约0.4eV，并且还比第二接触件的功函数的量值大至少约0.4eV；该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；并且该光敏材料被配置为当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时提供至少约0.8A/W的响应度。
一个实施方案的光电探测器的第一接触件和第二接触件的功函数各自低于约4.5eV。
一个实施方案的光电探测器的偏压在约-0.1伏至约-2.8伏的范围内。
实施方案的光电探测器的光敏材料包括选自由以下各项组成的组的纳米粒子：PbS、PbSe、PbTe、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge或C。
一个实施方案的光电探测器的光敏层包括选自由以下各项组成的组的材料：PbSO4、PbO、PbSeO4、PbTeO4、SiOxNy、In2O3、硫、硫酸盐、亚砜、碳和碳酸盐。
一个实施方案的光电探测器的第一接触件和第二接触件各自包括选自由以下各项组成的组的材料：Al、Ag、In、Mg、Ca、Li、Cu、Ni、NiS、TiN、TaN、TiO2、TixNy、ITO、Ru、TiSi、WSi2、掺杂B的TiOx、掺杂C的TiOx、掺杂Co的TiOx、掺杂Fe的TiOx、掺杂Nd的TiOx、掺杂N的TiOx。
一个实施方案的光电探测器的第一接触件和第二接触件分开约200nm至约2μm范围内的距离，并且光敏材料中的电子迁移率为至少约lE-5cm2/Vs。
本文描述的实施方案包括光敏设备，该光敏设备包括例如：各自具有功函数的第一接触件和第二接触件；位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料，该光敏材料包括N型半导体，并且该光敏材料具有功函数；电路，该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；光敏材料的功函数的量值比第一接触件的功函数的量值小至少约0.4eV，并且还比第二接触件的功函数的量值小至少约0.4eV；当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，光敏材料具有大于从第一接触件到第二接触件的空穴渡越时间的空穴寿命；第一接触件提供空穴的注入并阻止电子的提取；并且第一接触件和光敏材料之间的界面提供小于约1cm/s的表面复合速度。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件的功函数各自高于约4.5eV。
一个实施方案的设备的偏压在约0.1伏至约2.8伏的范围内。
一个实施方案的设备的光敏材料包括多个纳米粒子，其中每个纳米粒子在相应纳米粒子的表面上具有氧化物。
实施方案的设备的光敏材料包括选自由以下各项组成的组的纳米粒子：PbS、PbSe、PbTe、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge或C。
一个实施方案的设备的光敏层包括选自由以下各项组成的组的材料：PbS04、PbO、PbSe04、PbTe04、SiOxNy、In203、硫、硫酸盐、亚砜、碳和碳酸盐。
一个实施方案的设备的光敏材料包括多个互连的纳米粒子。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件各自包括选自由以下各项组成的组的材料：Au、Pd、Pt、Ag、In、Cu、Ni、NiS、NiSi、PtSi、TiN或TaN。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件分开约200nm至约2μm范围内的距离，并且光敏材料中的空穴迁移率为至少1E-5cm2/Vs。
当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，一个实施方案的设备的光敏材料提供至少0.8A/W的响应度。
本文描述的实施方案包括光敏设备，该光敏设备包括例如：第一接触件；p型半导体；光敏材料，该光敏材料包括n型半导体；第二接触件；光敏材料的功函数的量值比第二接触件的功函数的量值小至少约0.4eV；当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时，光敏材料具有大于从第一接触件到第二接触件的空穴渡越时间的空穴寿命；该p型半导体提供空穴的注入并阻止电子的提取；并且p型半导体和光敏材料之间的界面提供小于约1cm/s的表面复合速度。
一个实施方案的设备的p-型半导体包括选自由以下各项组成的组的材料：TiO2、化学还原的TiO2、已被氧化的TiO2、CdTe、CdS、CdSe、Si，或选自由以下各项组成的组的纳米粒子：PbS、PbSe、PbTe、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge或C。
一个实施方案的设备的偏压在约0.1伏至约2.8伏的范围内。
一个实施方案的设备的光敏材料包括多个纳米粒子，其中每个纳米粒子在相应纳米粒子的表面上具有氧化物。
实施方案的设备的光敏材料包括选自由以下各项组成的组的纳米粒子：PbS、PbSe、Pb Te、CdS、Cd Se、Cd Te、Si、Ge或C。
一个实施方案的设备的光敏材料包括多个互连的纳米粒子。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件分开约200nm至约2μm范围内的距离。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件各自包括选自由以下各项组成的组的材料：Au、Pd、Pt、Ag、In、Cu、Ni、NiS、NiSi、PtSi、TiN或TaN。
本文描述的实施方案包括光电探测器，该光电探测器包括例如：各自具有功函数的第一接触件和第二接触件；位于第一接触件和第二接触件之间的光敏材料，该光敏材料包括n型半导体，并且该光敏材料具有功函数；电路，该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；光敏材料的功函数的量值比第一接触件的功函数的量值小至少约0.4eV，并且还比第二接触件的功函数的量值小至少约0.4eV；该电路被配置为在第一接触件和第二接触件之间施加偏置电压；并且该光敏材料被配置为当在第一接触件和第二接触件之间施加偏压时提供至少约0.8A/W的响应度。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件的功函数各自高于约4.5eV。
一个实施方案的设备的偏压在约0.1伏至约2.8伏的范围内。
实施方案的设备的光敏材料包括选自由以下各项组成的组的纳米粒子：PbS、PbSe、PbTe、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge或C。
一个实施方案的设备的光敏层包括选自由以下各项组成的组的材料：PbS04、PbO、PbSe04、PbTe04、SiOxNy、In203、硫、硫酸盐、亚砜、碳和碳酸盐。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件各自包括选自由以下各项组成的组的材料：Au、Pd、Pt、Ag、In、Cu、Ni、NiS、NiSi、PtSi、TiN或TaN。
一个实施方案的设备的第一接触件和第二接触件分开约200nm至约2μm范围内的距离，并且光敏材料中的空穴迁移率为至少约1E-5cm2/Vs。
在各种实施方案中，该设备实现了在本文中被称为“全局快门”的特征，其中在如下所述的设备的适当偏压下，可选择性地打开和关闭光电流的收集。在下面的讨论中引用的层对应于图3中所示的材料叠层(例如，“1”、“2”、“4”、“8”和“9”)中的那些层。在全局快门的“打开”阶段期间，在实施方案中，可跨叠层来施加偏压，使得正电压被施加到叠层的材料“1”侧，并且负电压被施加到叠层的材料“9”侧。当光被吸收到材料“4”中时，产生电子-空穴对。跨叠层的偏压导致电子渡越到更正极电极(材料“1”)，并且导致空穴渡越到更负极电极(材料“9”)，这导致光电流可由读出集成电路检测到并用于生成数字图像。
在实施方案中，叠层还可通过适当的偏压而被“关闭”，如下所述。参考图3中的层，在实施方案中，电子和空穴渡越光吸收层(材料“4”)的速度可强烈依赖于材料“4”中的电场。在实施方案中，材料“4”中的电场可非线性地依赖于跨叠层的电压偏置，使得在具有大偏压例如大于约1V的情况下，材料“4”中的电场可能大到足以将所有电子和空穴从材料“4”中快速传输出去，从而产生光电流。在这种情况下，叠层被认为“打开”。在实施方案中，当跨叠层的偏压较小(例如小于约1V)时，材料“4”中的电场少得多，使得电子和空穴非常缓慢地渡越材料“4”。当电子和空穴非常缓慢地渡越材料“4”时，它们的复合寿命可能远小于传输时间，使得光电流被降低至接近于零。在这种状态中，叠层被认为“关闭”，因为在电极处没有光电流被收集。
快门效率可被定义为当叠层被偏压使得其“打开”时的光电流与当叠层被偏压使得其“关闭”时的光电流的比率。在实施方案中，快门效率可大于约100dB。
参考图3中的层，在实施方案中，可通过将偏压交替施加到材料“9”以将设备从“打开”状态切换到“关闭”状态来实现“全局快门”。对材料“9”施加偏压，使得设备在固定量的时间内“打开”。在该时间期间，可在材料“1”的电极处收集光电流。在这段时间结束时，可迅速改变材料“9”的偏压，使得设备处于“关闭”状态中。在“关闭”状态中，光电流不再被收集在材料“1”的电极处，并且光到数字信号的转换已停止。在“关闭”状态中，由图像传感器读出的信号对入射到其上的光不敏感。
在实施方案中，适当选择图3的叠层材料可基本上改变叠层处于“关闭”状态中时的偏压范围。对于将叠层与用作图像传感器的读出集成电路耦接在一起的实施方案，叠层处于“关闭”状态的偏压范围可能很重要。这是因为在图像传感器的一些实施方案中，通过整合所收集的光生电荷，使用一个电极的偏压来发信号通知所生成的光电流的量值。在光生电子将材料“9”朝向材料“1”渡越的实施方案中，材料“1”的电压开始于更正的值，并随电子的收集而减小至更低的值。
在图5A和图5B中示出了此类实施方案的示例，其示出了两个不同像素的材料“9”(V9)和材料“1”(V1)随时间推移的电压，其中材料的标记对应于图3中的标记。像素A利用昏暗的光照明，而像素B利用明亮的光照明。在较亮的光下，光电流变大，并且材料“1”的电压在较短的时间内减少。换句话讲，对于当叠层处于“打开”状态中的给定时间量，相比昏暗的光或无光的情况，较亮的光将导致材料“1”的电压较低(较小的正)。在实施方案中，“明亮的光”可为其中材料“1”的电压在“打开”周期期间变化大于约1V并且具有约8×1012cm-2s-1的光子通量。在实施方案中，“昏暗的光”可为其中材料“1”的电压在“打开”周期期间变化小于约0.25V并且具有约2×1012cm-2s-1的光子通量。
在具有图像传感器的实施方案中，图3的材料“1”可被图案化成两个或更多个单独的像素，使得可在空间上分辨图像。这在图4中示意性地示出，该图示出了具有两个像素的实施方案的横截面。图4的叠层中的材料(例如，“1”、“2”、“4”、“8”、“9”)的标记对应于图3中的标记。在像素阵列内不一定彼此相邻的两个像素暴露于不同的光量。在图4中，像素A 401暴露于昏暗的光下并对应于图5A和图5B中的曲线A，而图4中的像素B 402暴露于明亮的光下并对应于图5A和图5B中的曲线B。在此类实施方案中，材料“9”可为未被图案化的，使得其对于阵列中的所有像素为一致的。在此类实施方案中，由材料“1”组成的每个像素的电压可为独立的，而材料“9”的电压对于所有像素可为一致的。
在实施方案中，材料“4”中的电场通过偏置同一层的独立特征而产生。在实施方案中，材料“1”可被图案化为一个或多个特征部，并且一个特征部被正向偏置，而相邻特征部被反向偏置。两个特征部的相对偏置可被切换成将设备从“打开”状态变为“关闭”状态。
在图像传感器对高动态范围场景进行成像的实施方案中，由材料“1”制成的像素可在固定积分时间结束时具有一定范围的电压。暴露于图像的明亮部分(其产生更高量的光电流)的像素与暴露于图像的昏暗部分(其产生很少的(或不产生)光电流)的像素相比可具有更负的电压。在积分周期结束时，材料“9”的电压可改变，以便将设备从“打开”状态切换为“关闭”状态。当图像传感器在积分周期结束时具有此类像素电压范围时，不存在可施加到材料“9”的单个公共电压，使得材料“9”和由材料“1”形成的所有独立像素之间存在零偏压。
图5A的图501示出了此类一个示例。在“打开”周期开始时，像素A和像素B两者以1.0V的材料“1”电压(V1)开始。像素B利用明亮的光来照明，而像素A仅利用昏暗的光来照明。在“打开”周期结束时，像素B已收集大量的光生电子，使得其电压下降到0.0V。相比之下，像素A处于昏暗的光中，并且仅收集少量的光生电子；其电压下降很少并且为0.75V。在图5A中，将设备“关闭”的材料“9”的电压已被选择为0.0V。当材料“9”的电压被切换为0.0V时，跨像素B、明亮像素的电压将为ΔVB＝V1B-V9＝0.0V-0.0V＝0.0V，使得像素B完全处于“关闭”状态中。相比之下，跨像素A、昏暗像素的偏压将为ΔVA＝V1A-V9＝0.75V-0.0V＝0.75V，使得像素A仍具有用于在材料“1”处收集光生电子的驱动力；其可能不完全“关闭”。
另一方面，在图5A的示例中，如果材料“9”的电压被选择为使得其与昏暗像素(像素A)的电压相匹配，则昏暗像素将完全“关闭”，但明亮像素仍可具有驱动光电流收集的偏压。
在由图5B的曲线图502所示的示例中，在“关闭”阶段期间材料“9”的电压被选择为0.75V。现在像素A(即昏暗像素)上的偏压将为ΔVA＝V1A-V9＝0.75V-0.75V＝0.0V，并且像素A将完全“关闭”。相比之下，跨像素B、明亮像素的偏压将为ΔVB＝V1B-V9＝0.0V-0.75V＝-0.75V；现在像素B具有偏压，使得其可收集光生空穴，并且可能不完全“关闭”。
在实施方案中，设备被设计成使得对于跨设备的宽范围的偏压，对光电流的收集接近于零。在具有高动态范围图像的实施方案中，对于施加到材料“9”的电压的单个常见选择，这允许明亮和昏暗的像素两者以高快门效率被“关闭”。这在图7中示出，其示出了两个不同实施方案的光电流与电压关系曲线。图7中的x轴上的电压(ΔV)为图3的材料“1”和材料“9”之间的电势差(ΔV＝V1-V9)。曲线B的设备仅示出了光电流为零的单个偏压(ΔV＝0V)。对于该实施方案，任何不具有0V偏压的像素均可具有大量的光电流收集。对于此类实施方案，读出所产生的光电流的良好电路为其中像素的电压不随收集光电流而改变的电路。然而，在像素的电压确实随光电流收集而改变的实施方案中，诸如在图5A和图5B中所示，高动态范围图像的并非所有像素将被“关闭”。相比之下，图7中的曲线A的设备示出了对于宽范围的偏压(V+至V-)光电流接近于零；该实施方案被称为在其光电流与电压关系曲线中具有“宽平坦区域”。在像素的电压随光电流被收集而改变的实施方案中，该实施方案中的设备可支持高动态范围图像并且仍然使所有像素“关闭”。此类实施方案可支持等于(V+至V-)的像素电压范围，该范围为图7中的平坦区域的宽度。在实施方案中，跨偏压范围(V+至V-)的光电流可比最大光电流小约100dB，使得阵列中的所有像素具有大于约100dB的快门效率。
在光电流-电压曲线中具有宽平坦区域的实施方案中，通过适当选择电极和界面材料来设计该设备。参考图3中的层，在材料“8”和材料“2”、与光吸收层材料“4”相接的两个层为金属的实施方案中，电子和空穴两者可容易地在每个电极处被收集。这在图8A至图8C中示意性地示出，其示出了此类实施方案的能带图。图8A至图8C中的材料被标记为与图3中的材料对应。
图8A的能带图801示出了处于平衡状态(在所施加的偏压为零的情况下)的实施方案。图8B的能带图802示出了偏压为“打开”(V1>V9)的实施方案，使得在材料“1”处收集电子并且在材料“9”处收集空穴。图8-03的能带图803示出了偏压的实施方案，使得将在材料“9”处收集电子并且在材料“1”(V1<V9)处收集空穴。在此类实施方案中，光电流与电压特性关系曲线将类似于图7中的未示出平坦区域的曲线B。当与其中像素电压不随光电流被收集而改变的读出电路配对时，此类实施方案可对所有像素示出良好的快门效率。在像素电压随光电流被收集而改变的实施方案中，此类实施方案将在低动态范围图像的全局快门操作中显示出良好的快门效率，使得图像中的所有像素具有相似的电压。
在图3的材料“2”为良好的空穴阻挡件的实施方案中，光电流电压曲线可实现宽的平坦区域，如图7中的曲线A所示的。即使对于阵列中的像素的电压之间存在较大差异的高动态范围图像，此类实施方案在全局快门模式下也可具有高快门效率。这在图6中示出，其示出了在不同照明条件下两个像素的材料“1”和材料“9”的电压与时间的关系。图6中的材料“1”和“9”被标记为对应于图3中相同的层。材料“9”的“关闭”阶段电压可被选择为匹配像素的最高可能电压；在该示例性实施方案中，其约1.0V。现在，当设备在“打开”周期结束时被“关闭”时，对于像素A和像素B两者具有偏压，这将驱动光生空穴朝向材料“1”。跨像素A的偏压为ΔVA＝V1A-V9＝0.75V-1.0V＝-0.25V，跨像素B的偏压为ΔVB＝V1B-V9＝0V-1.0V＝-1.0V。然而，如果光电流与电压关系曲线的平坦区域一直延伸到ΔV＝-1.0V，则尽管存在偏压，但在像素A和像素B两者的材料“1”处也将几乎没有空穴收集。因此，宽平坦区域使得高动态范围图像中的像素全部被“关闭”。
图9A至图9C示出了其中材料“2”为良好的空穴阻挡件的实施方案的能带图。图9中的层被标记为对应于图3中的层。图9A的能带图901示出了处于平衡状态中的实施方案。图9B的能带图902示出了偏压的实施方案，使得其“开启”并且在材料“1”处收集电子。图9C的能带图903示出了偏压的实施方案，使得其“关闭”，并且在材料“1”处既没有收集电子也没有收集空穴。
在实施方案中，因为材料“2”阻碍材料“1”处的空穴收集，因此可获得宽平坦区域。在此类实施方案中，当施加偏压使得空穴朝向材料“1”被驱动时，可存在通过材料“2”进行空穴转移的三种机制。这三种机制的实施方案在图10(1001,1002,1003)中示出。在具有高全局快门效率的实施方案中，期望所有三种机制尽可能慢。图10中的层(“1”，“2”，“4”，“9”)被标记为对应于图3中的层，并且以V1-<V9偏置，使得存在用于在材料“1”处收集空穴的驱动力。
继续参考图10，机制1001为空穴进入空穴阻挡层(材料“2”)的价带中的热电子发射。如果价带边缘比光吸收层(材料“4”)的价带边缘深得多，则这种空穴转移机制可能非常慢。这在图10中示出，其示出了材料“4”与材料“2”之间的大价带边缘偏移。在此类实施方案中，光电流电压曲线的平坦区域可非常宽。
在图10中，在机制1002中，空穴通过材料“2”借由与材料“2”中的电子复合而被收集。如果材料“2”的导带中的电子很少，则这个过程可能会很慢。在此类实施方案中，材料“2”为有效的空穴阻挡件，并且光电流与电压关系曲线可具有宽平坦区域。材料“2”中的电子可来自两个源。首先，如果材料“2”为n型掺杂的，则在其导带中存在可与材料“4”中的光生空穴复合的容易获得的平衡电子群。因此，在实施方案中，良好的空穴阻挡件可被完全耗尽，使得其导带中的电子密度低。为了完全耗尽，材料“2”可为薄的或轻掺杂的。例如，如果材料“2”的厚度为10纳米，则其可具有小于1×1019cm-3的自由电子密度。其次，材料“2”的导带中的电子可从材料“1”注入。此类注入的速率由材料“1”的功函数和材料“2”的导带边缘之间的能量差来控制。这由图10中的给出，并且取决于能量势垒和局部电场，注入的速率将由热电子发射或Fowler-Nordheim隧穿效应来控制。如果该能量势垒很大，则该机制可能会很慢，并且材料“2”可能为有效的空穴阻挡件。在此类实施方案中，光电流与电压的关系曲线可具有宽平坦区域。
在此类实施方案中，材料“1”的功函数可高于真空下的约4.5eV，以便使对电子注入的势垒(图10中的)变大。
继续参考图10，在机制1003中，空穴通过材料“2”经由占用的陷阱的连续带而被传导。在该机制的实施方案中，空穴陷阱在空间上紧密并且在能量上接近，使得空穴可从陷阱到陷阱跳过该膜的整个厚度。如果材料“2”没有很多的陷阱，或者如果这些陷阱在能量上是高度离域的，或者材料“2”的厚度足够大，则空穴跳跃穿过陷阱可能非常缓慢，并且材料“2”可为有效的空穴阻挡件。在此类实施方案中，光电流与电压的关系曲线可具有宽平坦区域。
在具有有效的空穴阻挡件的实施方案中，所有三个机制1001、1002、1003全部可为缓慢的。在实施方案中，“缓慢性”由入射在设备上的光的强度来确定。如果快门效率超过约100dB，则通过材料“2”的空穴转移速率必须比设备上的光子入射速率小约100dB。例如，如果相当于5440光子/秒的光强度入射到设备上，则每个光子约每18微秒通过材料“4”传输到与材料“2”的界面。为了使快门效率超过约100dB，通过材料“2”的空穴提取的时间必须大于10^(100/20)*18μs，这大于约18秒。如果光强度高于此值，则对高快门效率的要求便会放宽。
例如，如果相当于544,000光子/秒的光强度入射到设备上，则空穴提取的时间必须大于0.18s，以便使快门效率大于100dB。在此类实施方案中，所有三个机制(1001,1002,1003)的空穴提取时间独立地可大于此时间，以实现此类快门效率。
在材料“1”被图案化为单个像素以形成成像阵列的实施方案中，空穴阻挡材料“2”也可被图案化为像素。如果材料“2”的导电性足够高以将像素短接在一起，则这一点尤其重要。在实施方案中，如本领域的普通技术人员已知的，可通过掩模和光刻来将材料“2”图案化成单个像素。在实施方案中，这可通过从先前图案化的层形成材料“2”来实现，例如通过先前图案化的TiN的氧化来形成TiO2或TiOxNy。
在材料“2”为良好的空穴阻挡件的实施方案中，该材料可同时为电子的良好导体。这可允许设备在“打开”阶段的操作期间容易地在材料“1”处收集电子。在存在快速电子传导的实施方案中，材料“2”的导带接近或低于光吸收层(材料“4”)的导带。在此类实施方案中，对于穿过材料“2”的电子传输没有能量势垒。在实施方案中，材料“2”的电子迁移率可为高的(例如，大于1×10-3cm2/V-s)，从而提供电子通过材料“2”的快速传导。
以下内容是在此类实施方案中良好的空穴阻挡材料(材料“2”)可具有的特性的列表：
·在材料“4”的导带边缘上或下的约0.5eV的导带边缘；
·大于或等于材料“4”的带隙能量的带隙能量；
·小于约1×1019cm-3的自由电子密度；
·大于约1×10-5cm2/V-s的电子迁移率；
·约5nm至约100nm的膜厚度；和
·小于约1×1019cm-3的空穴阱密度。
在示例性实施方案中，当材料“4”的导带边缘在真空水平下为约4.0eV并且材料“4”的带隙为约1.5eV时，良好的空穴阻挡层(材料“2”)可具有：
·在真空水平下约3.5eV至约4.5eV的导带边缘；
·大于约2.0eV的带隙能量；
·小于约1×1017cm-3的自由电子密度；
·大于约1×10-3cm2/V-s的电子迁移率；
·约5nm至约20nm的膜厚度；和
·小于约1×1017cm-3的空穴阱密度。
在实施方案中，材料“2”可为非常宽的带隙半导体或绝缘体，使得从带图的角度来看，其为良好的空穴阻挡件并且也为电子阻挡件。在此类实施方案中，可通过如上所述的空穴阻挡性质来实现宽平坦区域。在此类实施方案中，材料“2”仍然可为电子的良好导体，使得当设备“打开”时的光电流收集非常高效。良好的电子传导可通过几种不同的机制发生。在一些实施方案中，通过宽带隙绝缘体的电子的良好传导可通过在大电场下进行隧穿来实现。当设备处于“打开”状态中时，在设备上施加的偏压可大于约1V。驱动电子隧穿穿过材料“2”的电场可通过将所施加的偏压除以材料“2”和材料“4”的总厚度而近似得到，并且可大于约1×104V/cm。相比之下，当设备被“关闭”时，在设备上施加的电压可小于约1V。驱动电子或空穴隧穿穿过材料“2”的电场可小于约1×104V/cm。在此类实施方案中，穿过材料“2”的电子和空穴的隧穿速率在不同的电场下可非常不同，使得该设备可具有大于约100dB的全局快门效率。
在材料“2”为宽带隙半导体或绝缘体的实施方案中，即使在小电场下，也可通过快速隧穿或跳跃穿过材料“2”而发生电子穿过材料“2”的良好传导。在实施方案中，对于材料“2”的低厚度例如小于约3nm，电子隧穿穿过材料“2”可为快速的。在其他实施方案中，电子穿过材料“2”的传输可通过电子跳跃通过陷阱态的分布来促成。在此类实施方案中，即使带状图示出了将抑制电子传导的大导带偏移，通过材料“2”的电子传导也可为非常高效的。在此类实施方案中，穿过材料“2”的空穴的传导仍然可非常缓慢，使得材料“2”为良好的空穴阻挡件，并且该设备可具有大于约100dB的全局快门效率。
在材料“2”为空穴阻挡件的实施方案中，该材料可为沉积层，并且可包括以下金属的氧化物、氮化物、硫化物或氮氧化物：铝、镓、铟、锡、铅、铋、镁、钙、锌、钼、钛、钒、镧、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锆、铌、钯、银、铪、钽、铱、铂、金。在实施方案中，该材料可包括在标准CMOS中使用的金属(诸如铝、钨、钽、钛、铜)的氧化物、氮化物或氮氧化物。在实施方案中，这些氧化物可为亚化学计量的，使得它们有些氧匮乏，诸如TiO2-x。
在实施方案中，当材料“2”为空穴阻挡件时，可通过原子层沉积、溅射沉积、脉冲激光沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、热蒸发、电子束蒸发或通过溶液处理技术(诸如旋涂、浸涂、刮刀涂布、狭缝涂布、电化学)而被沉积。
在实施方案中，当材料“2”为空穴阻挡件时，其可为由金属表面形成的层，并且可包括以下金属的氧化物、氮化物、硫化物或氮氧化物：铝、镓、铟、锡、铅、铋、镁、钙、锌、钼、钛、钒、镧、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锆、铌、钯、银、铪、钽、铱、铂、金。在实施方案中，该材料可包括在标准CMOS中使用的金属(诸如铝、钨、钽、钛、铜)的氧化物、氮化物或氮氧化物。
在实施方案中，当材料“2”为空穴阻挡件时，其可为包括官能化的共轭基团的半导体聚合物，该官能化的共轭基团包括噻吩、咔唑、亚乙烯基、叠氮化物、异吲哚类，诸如P3HT、MEH-PPV、PCDTBT、F8TB。
在实施方案中，当材料“2”为空穴阻挡件时，其可为半导体有机小分子，诸如Alq3、BCP、Spiro-OMeTAD、CuPc。
在实施方案中，当材料“2”为空穴阻挡件时，其可为金属有机钙钛矿，诸如包含金属卤化物的钙钛矿。这些可包括甲基碘化铅铵、甲基氯化铅铵、甲基碘化锡铵。
在实施方案中，电子阻挡层可增强空穴阻挡层的能力，以提高全局快门效率。尽管可添加空穴阻挡层作为材料“2”以减缓朝向材料“1”提取空穴的速度，但是可添加电子阻挡层作为材料“8”以减缓朝向材料“9”提取电子的速度。在实施方案中，如果在设备处于“关闭”状态中时，材料“1”处的载流子提取速率等于材料“9”处的速度，则全局快门效率可更高。在此类实施方案中，由于在短时间范围内不均匀地从设备提取电子和空穴，因此可能不存在电荷累积。其中设备在“打开”和“关闭”状态之间快速切换的实施方案中，不具有电荷累积的设备比具有大量净电荷累积的设备具有更好的滞后和迟滞。电子阻挡件可具有类似于空穴阻挡件的性质，不同之处在于电子阻挡件可减缓材料“9”处的电子收集，同时允许在材料“9”处快速收集空穴。
在实施方案中，电子阻挡件可具有以下性质：
·在材料“4”的价带边缘上或下的约0.5eV的价带边缘；
·大于或等于材料“4”的带隙能量的带隙能量；
·小于约1×1019cm-3的自由空穴密度；
·大于约1×10-5cm2/V-s的空穴迁移率；
·约5nm至约100nm的膜厚度；和
·小于约1×1019cm-3的电子阱密度。
在示例性实施方案中，当材料“4”的价带边缘在真空水平下为约5.2eV并且材料“4”的带隙为约1.5eV时，良好的电子阻挡层(材料“8”)可具有：
·在真空下约4.7eV至约5.7eV的价带边缘；
·大于约2eV的带隙能量；
·小于约1×1017cm-3的自由空穴密度；
·大于约1×10-3cm2/V-s的空穴迁移率；
·约5nm至约20nm的膜厚度；和
·小于约1×1017cm-3的电子阱密度。
在材料“8”为电子阻挡件的实施方案中，该材料可为沉积层，并且可包括以下金属的氧化物、氮化物、硫化物或氮氧化物：铝、镓、铟、锡、铅、铋、镁、钙、锌、钼、钛、钒、镧、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锆、铌、钯、银、铪、钽、铱、铂、金。在实施方案中，该材料可包括在标准CMOS中使用的金属(诸如铝、钨、钽、钛、铜)的氧化物、氮化物或氮氧化物。在实施方案中，这些氧化物可为亚化学计量的，使得它们有些氧匮乏，诸如TiO2-x。
在实施方案中，当材料“8”为电子阻挡件时，可通过原子层沉积、溅射沉积、脉冲激光沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、热蒸发、电子束蒸发或通过溶液处理技术(诸如旋涂、浸涂、刮刀涂布、狭缝涂布、电化学沉积和/或本领域的普通技术人员已知的其他技术)而被沉积。
在实施方案中，当材料“8”为电子阻挡件时，其可为由金属表面形成的层，并且可包括以下金属的氧化物、氮化物、硫化物或氮氧化物：铝、镓、铟、锡、铅、铋、镁、钙、锌、钼、钛、钒、镧、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锆、铌、钯、银、铪、钽、铱、铂、金。在实施方案中，该材料可包括在标准CMOS中使用的金属(诸如铝、钨、钽、钛、铜)的氧化物、氮化物或氮氧化物。
在实施方案中，当材料“8”为电子阻挡件时，其可为包括官能化的共轭基团的半导体聚合物，该官能化的共轭基团包括噻吩、咔唑、亚乙烯基、叠氮化物、异吲哚类，诸如P3HT、MEH-PPV、PCDTBT、F8TB。
在实施方案中，当材料“8”为电子阻挡件时，其可为半导体有机小分子，诸如Alq3、BCP、Spiro-OMeTAD、CuPc。
在实施方案中，当材料“8”为电子阻挡件时，其可为金属有机钙钛矿，诸如包含金属卤化物的钙钛矿。这些可包括甲基碘化铅铵、甲基氯化铅铵、甲基碘化锡铵。
在实施方案中，设备操作使得在“开启”状态中电子在材料“1”处被收集，并且空穴在材料“9”处被收集。在此类实施方案中，材料“2”可为空穴阻挡层，并且材料“8”可为电子阻挡层。在其他实施方案中，设备操作可颠倒，使得在“打开”状态中，在材料“1”处收集空穴，并且在材料“9”处收集电子。在此类实施方案中，材料“2”可为电子阻挡层，并且材料“8”可为空穴阻挡层。在此类实施方案中，该设备可实现大于约100dB的全局快门效率。
在实施方案中，触发材料“9”(例如，参考图3中的叠层)的电压，以将设备从“打开”状态转变为“断开”状态，或者反之亦然，可将一些电压耦合到材料“1”。从材料“9”耦合到材料“1”的电压量可取决于在图3中所示的叠层的相对电容以及读出电路的其余部分的电容。在光电流信号的读出不依赖于材料“1”的电压的实施方案中，这种耦合可能不会影响信号。在光电流的读出取决于材料“1”的电压的实施方案中诸如图5中给出的示例，该耦合可影响读出信号。
在当设备从“打开”切换为“关闭”时(如从“关闭”切换到“打开”时)，在材料“9”和材料“1”的电压耦合大致相同的实施方案中，可对读出信号没有影响。这是因为设备在读出之前可从“关闭”切换为“打开”并再次切换为“关闭”，从而完全消除耦合的影响。
在图3的叠层中的一个或多个层的电容随例如时间、偏压或曝光而改变的实施方案中，当设备从“打开”切换为“关闭”时，与设备从“关闭”切换为“打开”时相比，在材料“9”和材料“1”之间耦合的电压量可能不同。在读出光电流取决于材料“1”的电压的实施方案中，这可导致成像伪影或非线性。在此类实施方案中，可通过使读出电路的电容远大于图3中的叠层的电容来减轻成像失真。在此类实施方案中，从材料“9”到材料“1”的电压耦合可在很大程度上独立于图3中的叠层的电容。在此类实施方案中，即使图3中的叠层的电容随时间、偏压或曝光而改变，也不会影响读出信号。
在光电流的读出取决于材料“1”的电压的实施方案中，由于从材料“9”到材料“1”的电压耦合而导致的成像失真可通过最小化或减少图3的叠层中的所有材料的电容随例如时间、偏压或曝光的变化来减轻。为了使电容的此类变化最小化，从材料叠层中提取电子和空穴可非常快，使得在叠层中不存在电荷累积。在此类实施方案中，图3中的每种材料的电子和空穴迁移率可大于约1×10-4cm2/V-s。在此类实施方案中，对于电子和空穴的提取不存在能量势垒，诸如两个相邻材料之间的传导或价带能量的偏移。在此类实施方案中，当设备从“打开”切换为“关闭”时，从材料“9”到材料“1”的电压耦合可与设备从“关闭”切换为“打开”时的电压耦合相同，使得不存在由耦合引入的成像失真。
在实施方案中，当叠层材料中的任一叠层材料中的载流子捕获显著时，可发生时滞相关的成像失真。在实施方案中，电子或空穴可在照明下被深深地捕获在设备中，并且在稍后的时间被释放，从而产生残像或滞后失真。在实施方案中，残像可显示为正像残像(较早帧的微弱副本)或负像残像(较早帧的逆密度副本，其中以前明亮的区域显得黑暗并且以前的黑暗的区域显得明亮)。在实施方案中，取决于被施加到设备的偏压，载流子捕获可以不同程度发生。在设备以全局快门模式操作使得设备在“打开”和“关闭”状态之间切换的实施方案中，残像可看起来被离散化并且在空间中被高度局部化。例如，在设备处于“关闭”状态中时载流子被捕获的实施方案中，当明亮的光照射在处于“关闭”状态中的像素上时，可生成这些像素的残像。在设备处于“打开”状态中时载流子被捕获的其他实施方案中，当明亮的光照射在处于“打开”状态中的像素上时，可产生这些像素的残像，而其他像素可能不产生残像。
在实施方案中，可通过减少叠层中的所有材料(例如，材料“2”、材料“4”、材料“9”)中的陷阱的数量或深度来使时滞成像失真最小化。可通过获得高质量且纯净的材料以及通过最小化或减少夹杂物、空隙、悬挂键和/或异质界面面积的方式来处理材料来减少陷阱的数量。
在各种实施方案中，电子设备包括例如至少一个光敏层和至少一个载流子选择层。在设备的一个偏压范围下，该光敏层在被照明时产生光电流。在设备的另一个偏压范围下，该光敏层在被照明时不产生光电流。载流子选择层扩大了光敏层在被照明时不产生任何光电流的偏压范围。
在各种实施方案中，电子设备包括例如至少一个光敏层和至少一个载流子选择层。在设备的第一偏压范围下，该光敏层被配置为在被照明时收集光电流。在设备的第二偏压范围下，该光敏层被配置为在被照明时与在第一偏压范围下相比收集至少1/M的光电流。
在电子设备的各种实施方案中，至少一个载流子选择层被配置为扩大与第二偏压范围对应的电压范围。在电子设备的各种实施方案中，第一偏压范围超过约1伏特。
在电子设备的各种实施方案中，第二偏压范围超过约1伏特。
在电子设备的各种实施方案中，M大于约100。
在电子设备的各种实施方案中，M大于约1,000。
在电子设备的各种实施方案中，M大于约10,000。
在电子设备的各种实施方案中，M大于约100,000。
在电子设备的各种实施方案中，至少一个载流子选择层被配置为在第一偏压范围下收集电子。该至少一个载流子选择层在第二偏压范围下被配置为收集空穴。
在电子设备的各种实施方案中，至少一个载流子选择层被配置为在第一偏压范围下收集空穴。该至少一个载流子选择层被配置为在第二偏压范围下收集电子。
在电子设备的各种实施方案中，在一定范围的照明水平下，跨电子设备的电偏压在整个积分时间内基本上保持不变。在电子设备的各种实施方案中，电偏压变化小于约0.2伏。在电子设备的各种实施方案中，照明水平的范围在像素上跨越约0勒克斯至约10勒克斯的范围。
除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，字词“包括”、“包含”等应被解释为包含性的意义，而不是排他的或穷举的意义；即，有“包括但不限于”的意思。使用单数或复数的字词也分别包括复数或单数。此外，当在本专利申请中使用时，字词“在本文中”、“在下面”、“在……上方”、“在……下方”以及具有类似含义的字词是指作为整体的本专利申请而不是本专利申请的任何特定部分。当使用字词“或”来引用两个或更多个项目的列表时，该字词涵盖该字词的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目、以及列表中的项目的任意组合。
以上对实施方案的描述并非旨在为穷举性的或将系统和方法限制为所公开的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述了实施方案的具体实施方案和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在系统和方法的范围内各种等同修改为可能的。在本文中提供的实施方案的教导内容可被应用于其他系统和方法，而不仅用于上述系统和方法。
上述各种实施方案的元件和动作可被组合，以提供进一步的实施方案。根据以上详细描述，可对这些实施方案作出这些及其他改变。

Claims (13)

1.一种电子设备，包括：
至少一个光敏层；和
至少一个载流子选择层；
其中在所述设备上的第一偏压范围下，所述光敏层被配置为在被照明时收集光电流；其中在所述设备上的第二偏压范围下，所述光敏层被配置为在被照明时与在所述第一偏压范围下相比收集至少1/M的光电流。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述至少一个载流子选择层被配置为扩大与所述第二偏压范围对应的电压范围。
3.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一偏压范围超过约1伏特。
4.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第二偏压范围超过约1伏特。
5.根据权利要求1所述的电子设备，其中M大于约100。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中M大于约1,000。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中M大于约10,000。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中M大于约100,000。
9.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述至少一个载流子选择层被配置为在所述第一偏压范围下收集电子，并且其中所述至少一个载流子选择层在所述第二偏压范围下被配置为收集空穴。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述至少一个载流子选择层被配置为在所述第一偏压范围下收集空穴；并且其中所述至少一个载流子选择层被配置为在所述第二偏压范围下收集电子。
11.根据权利要求1所述的电子设备，其中在照明水平的范围下，在所述电子设备上的电偏压在整个积分时间内基本上保持不变。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述电偏压变化小于约0.2伏特。
13.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述照明水平的范围在像素上跨越约0勒克斯至约10勒克斯的范围。
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