CN108831905B - 一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统、制备方法及成像方法 - Google Patents

一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统、制备方法及成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半导体量子点的红外探测‑可见光显示集成系统、制备方法及成像方法，该系统从下往上依次包括透明基板、透明电极、空穴传输层、量子点发光层、电子传输层、网格电极、绝缘介质层、P型掺杂层、量子点红外光电转换层、N型掺杂层和后收集电极，还包括红外探测结构电源和可见光发光结构电源；透明电极与可见光发光结构电源的正极相连接；网格电极与可见光发光结构电源和红外探测结构电源的负极相连接；后收集电极与红外探测结构电源的正极相连接。本发明将探测结构和显示结构集成，实现了探测单元对显示像素的直接耦合，将入射的红外图像直接转换为可见光图像；制备时不需要像素化电极，极大地简化了制备过程，降低了制备成本。

Description

一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统、制 备方法及成像方法
技术领域
本发明涉及一种红外图像探测、并形成可见光图像显示的方法和系统结构，尤其涉及一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统、制备方法及成像方法。
背景技术
红外探测和成像在安全监控、医疗诊断、国家安全以及目标制导等领域有重要的应用。因为红外光子的波长超出了人的肉眼敏感区域，所以人眼不能直接观察到红外图像。在红外探测和成像过程中，需要利用探测器或者传感器阵列将接收到的红外光子信号转换为电信号，并通过信号的传递和信息处理，再将该电信号通过显示器转换为可见光图像。
目前商用化的红外探测器大都以II-VI族或者III-V族化合物半导体晶体，如HgCdTe和InGaAs等，作为光电转换活性材料，通过倒装焊等将探测靶面连接CMOS读出电路。这些探测器件都需要经过晶体材料外延生长和其它一些高温制备过程。而光电显示器件的基础材料和器件制备则与探测器大不相同。以代表平板显示技术发展方向的有机发光显示器件为例，其发光材料为小分子有机发光材料或者高分子聚合物发光材料，器件主要制备工艺为低温真空镀膜或者室温喷墨打印等。由于现有的光探测器件和光电显示器件的基础功能材料、基本器件结构和制备工艺都不兼容，所以无法将光电探测器件和光电显示器件集成在同一衬底上。
发明内容
发明目的：针对现有技术中由于功能材料、器件结构和制备工艺不兼容的原因，导致无法将红外探测器与可见光显示器集成的问题，本发明提出将入射的短波红外图像直接转换为可见光图像的方法，以及基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统及制备方法。
技术方案：本发明提供了一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统，该系统从下往上依次包括透明基板、透明电极、空穴传输层、量子点发光层、电子传输层、网格电极、绝缘介质层、P型掺杂层、量子点红外光电转换层、N型掺杂层和后收集电极，还包括红外探测结构电源和可见光发光结构电源；
所述透明电极与可见光发光结构电源的正极相连接；
所述网格电极与可见光发光结构电源的负极，以及红外探测结构电源的负极相连接；
所述后收集电极与红外探测结构电源的正极相连接。
优选的，所述透明基板为玻璃基板或者柔性塑料基板。
优选的，所述透明电极为透明的氧化铟锡(ITO)电极或者掺氟氧化锡(FTO)电极。
优选的，所述量子点发光层为CdSe量子点、MAPbIxBr3-x有机无机复合钙钛矿量子点或CsPbIxBr3-x无机钙钛矿量子点。
优选的，所述网格电极由Al金属材料构成，或由石墨烯二维材料构成，该网格电极设有若干电极膜孔，红外探测部分形成的信号电场通过电极膜孔对量子点发光性能进行调控。
优选的，所述绝缘介质层厚度小于100nm。
优选的，所述P型掺杂层为poly(Nvinylcarbazole)PVK、NN'-bis(4-butylphenyl)-N、N'-bis(phenyl)-benzi poly-TPD或Spiro-OMeTAD层。
本发明还提供了一种制备上述基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统的方法，首先在透明基板上采用溅射的方法制备透明电极，进一步在透明电极上旋涂制备空穴传输层，进一步在空穴传输层上旋涂制备量子点发光层，进一步在量子点发光层上旋涂制备电子传输层，进一步通过掩膜蒸镀的方法在电子传输层上制备网格电极或者旋涂石墨烯片形成网格电极，进一步通过旋涂法在网格电极上制备PMMA有机绝缘介质层或者用溅射法制备无机绝缘介质层，进一步通过旋涂法在绝缘介质层上制备P型掺杂层，进一步通过旋涂法在P型掺杂层上制备量子点红外光电转换层，进一步通过旋涂法在量子点红外光电转换层上制备N型掺杂层，进一步通过真空蒸发的方法在N型掺杂层上制备后收集电极。
本发明还提供了一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统的成像方法，该方法采用上述的基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统，当短波红外光子入射到量子点红外光电转换层时，产生光生电子/空穴对，在红外探测结构电源反向偏压的电场作用下，光生电子向上漂移，被红外探测结构电源所接收；光生空穴向下漂移，受到绝缘介质层的阻隔，光生空穴在绝缘介质层上端产生电荷积累，该电荷积累通过电荷感应在绝缘介质层下端产生感应电子，感应电子透过网格电极的电极膜孔对量子点发光层的电场产生调控；可见光发光结构电源作用下，感应电子从上向下漂移，空穴则通过透明电极从下向上漂移；电子和空穴在量子点发光层复合，产生可见光发射。
优选的，网格电极、透明电极和后收集电极分别为垂直沟道薄膜晶体管结构的源极、漏极和栅极，通过红外光子的入射强度来调制垂直沟道薄膜晶体管的电荷积累，实现探测信号的放大，进而调控源极和漏极之间的电流，从而改变可见光显示亮度。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明提出的基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统结构的绝大部分电路都在片内集成，所以外围驱动电路得以很大地简化。同时，基于量子点纳米材料的探测单元(即红外探测部分)、显示单元(即可见光显示部分)以及薄膜晶体管(垂直沟道薄膜晶体管)都可以通过溶胶-凝胶法以及薄膜蒸镀的方法在塑料等柔性衬底上制备，实现大面积的探测/显示阵列集成，减轻系统的重量和厚度。
2、本发明提出的基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统结构可以实现探测单元和显示单元的片内集成，可以形成探测单元-显示单元的一一对应，避免了分离式光电探测-显示系统探测信号需要并行探测-串行读出-串行传输-并行信号转换-显示驱动的复杂过程，有更多的有效时间用于光探测信号的积累，从而极大地提高光探测灵敏度。
3、穿戴式设备客观要求电子系统集成在塑料等柔性衬底上。本发明提出的基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统结构以胶体半导体量子点为探测和显示材料，以常温制备的薄膜晶体管作为基本电路单元，避免了高温制备工艺，可以适应塑料或者聚合物柔性衬底对制备温度的技术要求，从而推动可穿戴式装备的发展。
附图说明
图1是本发明的基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统结构截面图；
图2为图1的俯视剖面图；
图3为红外探测部分的光生电子空穴对分离和电荷积累；
图4为可见光显示部分电子和空穴复合，从而产生可见光子发射。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统，从下往上依次包括透明基板1、透明电极2、空穴传输层3、量子点发光层4、电子传输层5、网格电极6、绝缘介质层7、P型掺杂层8、量子点红外光电转换层9、N型掺杂层10和后收集电极11，还包括红外探测结构电源12和可见光发光结构电源13；其中，透明电极2与可见光发光结构电源13的正极相连接；网格电极6与可见光发光结构电源13的负极，以及红外探测结构电源12的负极相连接；后收集电极11与红外探测结构电源12的正极相连接。
透明电极2既需要有很高的透光率，也需要有较高的导电率，所以其厚度通常为数十至数百纳米。空穴传输层、量子点发光层、电子传输层、网格电极、P型掺杂层、量子点红外光电转换层、N型掺杂层以及后收集电极厚度通常为数十纳米。后收集电极可以由Al金属材料构成。透明电极和后收集电极由溅射方法制备。绝缘介质层7的主要功能是在后收集电极11与网格电极6之间产生电荷感应电场，因此绝缘介质层7必须具有很高的电阻率和很小的漏电流。同时绝缘介质层7厚度需要很薄，以提高场效应电容值。通常绝缘介质层7的厚度小于100纳米。
该集成系统可以分为红外探测和可见光显示两个部分，其中红外探测部分包括网格电极6、绝缘介质层7、P型掺杂层8、量子点红外光电转换层9、N型掺杂层10、后收集电极11和红外探测结构电源12。红外探测部分主要功能是将入射的红外光子转换为探测电流信号，并利用探测电流信号(即绝缘介质层上端积累的空穴和下端感应的电子形成的电场产生的电流)调控可见光发光强度。可见光显示部分包括透明基板1、透明电极2、空穴传输层3、量子点发光层4、电子传输层5、网格电极6、绝缘介质层7和可见光发光结构电源13。可见光显示部分的功能是将从可见光发光结构电源13注入的电子和空穴在量子点发光层复合，从而产生可见光子发射。
由于红外光子的光通量远小于显示所需要的可见光光子通量，因此不能简单地将红外探测部分串联到可见光显示部分，并用探测电流直接驱动量子点发光显示。本发明提出采用垂直沟道薄膜晶体管结构将红外探测与可见光显示级联，其中网格电极6作为垂直沟道薄膜晶体管的源极，透明电极2作为垂直沟道薄膜晶体管的漏极，后收集电极11作为垂直沟道薄膜晶体管的栅极；通过绝缘介质层7两端电荷感应所产生的电场效应将红外光子所产生的探测信号放大后调控源极和漏极之间的电流，从而改变可见光显示亮度。图2是图1的俯视剖面图。
透明基板采用具有高透明度的玻璃基板或者柔性塑料基板等。透明电极可以为透明的氧化铟锡(ITO)电极或者掺氟氧化锡(FTO)电极等。网格电极可以为Al金属材料构成，或由石墨烯二维材料构成；P型掺杂层为poly(Nvinylcarbazole)PVK、N,N'-bis(4-butylphenyl)-N、N'-bis(phenyl)-benzi poly-TPD或Spiro-OMeTAD层。量子点红外光电转层由PbS量子点或Ge量子点构成，这些量子点具有较窄的带隙，吸收短波红外光子后，可以高效率地产生电子空穴对。N型掺杂层由C60、PCBM、ZnO或TiO2材料构成。空穴传输层、量子点发光层、电子传输层、P型掺杂层、量子点红外光电转换层和N型掺杂层可以通过旋涂、喷墨打印和转印等室温技术制备。网格电极可以通过掩膜版溅射Al等金属电极，也可以通过旋涂石墨烯片的方法获得具有一定密度分布的石墨烯层。绝缘介质层可以由溅射的方法沉积SiO2、SiNx等无机绝缘材料，也可以用旋涂等方法沉积PMMA有机绝缘层。
本发明提出的基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统工作的物理过程为：如图3所示，当红外光子入射到量子点红外光电转换层9，由于量子点红外光电转换层的光电效应产生光生电子空穴对，光生电子空穴对在红外探测结构电源12所形成的偏压作用下，光生电子向后收集电极11漂移，光生空穴向网格电极6漂移。在图1结构中，功能层10为N型掺杂层，功能层8为P型掺杂层，它们和量子点红外光电转换层9构成p-i-n结构，在反置偏压下有效降低探测结构(红外探测部分)的暗电流。功能层7为很薄的绝缘介质层，它可以阻挡光生空穴向网格电极6的传输，在绝缘介质层7的上表面形成正电荷积累，同时在绝缘介质层7的下表面感应出负电荷层。网格电极6具有一定的孔度，绝缘介质层7感应出的负电荷可以通过网格电极6的膜孔影响网格电极6和透明电极2之间的电场。如图4所示，在可见光发光结构电源13的作用下，电子从网格电极6注入，空穴从透明电极2注入，从而形成源漏电流，源漏电流受到绝缘介质层7上感应出的负电荷灵敏调制。分别从源极和漏极注入的电子和空穴在量子点发光层4上复合，发射出可见光子。在可见光显示部分，功能层3和功能层5分别为空穴传输层和电子传输层，其主要功能是调控可见光显示部分的能带结构，使得电子和空穴可以在量子点发光层4中高效率复合，产生可见光发射。
一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统的成像方法，该方法采用上述的基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统，当短波红外光子入射到量子点红外光电转换层时，产生光生电子/空穴对，在红外探测结构电源12反向偏压的电场作用下，光生电子向上漂移，被红外探测结构电源所接收；光生空穴向下漂移，受到绝缘介质层7的阻隔，光生空穴在绝缘介质层上端产生电荷积累，该电荷积累通过电荷感应在绝缘介质层下端产生感应电子，感应电子透过网格电极6的电极膜孔对量子点发光层4的电场产生调控；可见光发光结构电源13作用下，感应电子从上向下漂移，空穴则通过透明电极2从下向上漂移；电子和空穴在量子点发光层4复合，产生可见光发射。
其中，网格电极、透明电极和后收集电极分别为垂直沟道薄膜晶体管结构的源极、漏极和栅极，通过红外光子的入射强度来调制垂直沟道薄膜晶体管的电荷积累，实现探测信号的放大，进而调控源极和漏极之间的电流，从而改变可见光显示亮度。
本发明提出的基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统可以采用由下自上的方法制备。具体为：首先在玻璃基板1上采用溅射的方法制备ITO或者FTO透明电极2，进一步在透明电极上旋涂制备PEDOT或者NiO等空穴传输层3，进一步在空穴传输层上旋涂制备CdSe/ZnS等量子点发光层4，进一步在量子点发光层上旋涂制备ZnO或TiO2等电子传输层5，进一步通过掩膜蒸镀的方法在电子传输层上制备网格电极6或者旋涂石墨烯片形成网格电极(通过盖板图案或者石墨烯液浓度调控网格电极孔度)，进一步通过旋涂法在网格电极上制备PMMA等有机绝缘介质层7或者用溅射法制备SiO2和SiNx等无机绝缘介质层7，进一步通过旋涂法在绝缘介质层上制备C60、PCBM、ZnO或TiO2等N型掺杂层8，进一步通过旋涂法在N型掺杂层上制备PbS量子点或Ge量子点等量子点红外光电转换层9，进一步通过旋涂法在量子点红外光电转换层上制备PVK等P型掺杂层10，进一步通过真空蒸发的方法在P型掺杂层上制备后收集电极11。
本发明以胶体半导体量子点作为光电转换材料，利用半导体量子点的尺寸限域效应，通过对半导体量子点的材料组份和量子点尺寸调控，同时实现光/电和电/光转换。以常温下制备的薄膜晶体管作为电路的基本单元结构，突破光探测/光电显示集成的载流子放大驱动、集成器件的制备技术兼容和电学驱动兼容的关键问题，以高性能薄膜晶体管做为桥梁，最终实现量子点红外探测/量子点可见光显示集成。

Claims (8)

1.一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统，其特征在于：该系统从下往上依次包括透明基板(1)、透明电极(2)、空穴传输层(3)、量子点发光层(4)、电子传输层(5)、网格电极(6)、绝缘介质层(7)、P型掺杂层(8)、量子点红外光电转换层(9)、N型掺杂层(10)和后收集电极(11)，还包括红外探测结构电源(12)和可见光发光结构电源(13)；
所述透明电极(2)与可见光发光结构电源(13)的正极相连接；
所述网格电极(6)与可见光发光结构电源(13)的负极，以及红外探测结构电源(12)的负极相连接；
所述后收集电极(11)与红外探测结构电源(12)的正极相连接；
其中，透明基板(1)、透明电极(2)、空穴传输层(3)、量子点发光层(4)、电子传输层(5)、网格电极(6)、绝缘介质层(7)和可见光发光结构电源(13)组成可见光显示部分，网格电极(6)、绝缘介质层(7)、P型掺杂层(8)、量子点红外光电转换层(9)、N型掺杂层(10)、后收集电极(11)和红外探测结构电源(12)组成红外探测部分，采用垂直沟道薄膜晶体管结构将红外探测部分与可见光显示部分级联，其中网格电极(6)作为垂直沟道薄膜晶体管的源极，透明电极(2)作为垂直沟道薄膜晶体管的漏极，后收集电极(11)作为垂直沟道薄膜晶体管的栅极；通过绝缘介质层(7)两端电荷感应所产生的电场效应将红外光子所产生的探测信号放大后调控源极和漏极之间的电流，从而改变可见光显示亮度；可见光显示部分将从可见光发光结构电源(13)注入的电子和空穴在量子点发光层复合，从而产生可见光子发射；
系统的成像方法为：当短波红外光子入射到量子点红外光电转换层时，产生光生电子/空穴对，在红外探测结构电源(12)反向偏压的电场作用下，光生电子向上漂移，被红外探测结构电源所接收；光生空穴向下漂移，受到绝缘介质层(7)的阻隔，光生空穴在绝缘介质层上端产生电荷积累，该电荷积累通过电荷感应在绝缘介质层下端产生感应电子，感应电子透过网格电极(6)的电极膜孔对量子点发光层(4)的电场产生调控；可见光发光结构电源(13)作用下，感应电子从上向下漂移，空穴则通过透明电极(2)从下向上漂移；电子和空穴在量子点发光层(4)复合，产生可见光发射；通过红外光子的入射强度来调制垂直沟道薄膜晶体管的电荷积累，实现探测信号的放大，进而调控源极和漏极之间的电流，从而改变可见光显示亮度。
2.根据权利要求1所述的一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统，其特征在于：所述透明基板(1)为玻璃基板或者柔性塑料基板。
3.根据权利要求1所述的一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统，其特征在于：所述透明电极(2)为透明的氧化铟锡电极或者掺氟氧化锡电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统，其特征在于：所述量子点发光层(4)为CdSe量子点、MAPbIxBr3-x有机无机复合钙钛矿量子点或CsPbIxBr3-x无机钙钛矿量子点。
5.根据权利要求1所述的一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统，其特征在于：所述网格电极(6)由Al金属材料构成，或由石墨烯二维材料构成，该网格电极设有若干电极膜孔，红外探测部分形成的信号电场通过电极膜孔对量子点发光性能进行调控。
6.根据权利要求1所述的一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统，其特征在于：所述绝缘介质层(7)厚度小于100nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统，其特征在于：所述P型掺杂层(8)为poly(Nvinylcarbazole)PVK、NN'-bis(4-butylphenyl)-N、N'-bis(phenyl)-benzi poly-TPD或Spiro-OMeTAD层。
8.一种制备权利要求1-7任一项所述的基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统的方法，其特征在于：首先在透明基板上采用溅射的方法制备透明电极，进一步在透明电极上旋涂制备空穴传输层，进一步在空穴传输层上旋涂制备量子点发光层，进一步在量子点发光层上旋涂制备电子传输层，进一步通过掩膜蒸镀的方法在电子传输层上制备网格电极或者旋涂石墨烯片形成网格电极，进一步通过旋涂法在网格电极上制备PMMA有机绝缘介质层或者用溅射法制备无机绝缘介质层，进一步通过旋涂法在绝缘介质层上制备P型掺杂层，进一步通过旋涂法在P型掺杂层上制备量子点红外光电转换层，进一步通过旋涂法在量子点红外光电转换层上制备N型掺杂层，进一步通过真空蒸发的方法在N型掺杂层上制备后收集电极。
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