CN108896171A - 一种光探测传感器 - Google Patents

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邱鑫茂
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庄子华
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Abstract

本发明实施例公开了一种光探测传感器。光探测传感器包括：依次连接的上转换器、光电二极管、薄膜晶体管(TFT)和读取电路；上转换器，用于接收非可见光，并将非可见光转换为可见光后发出；光电二极管，用于吸收上转换器发出的可见光，并产生电子流；TFT，用于接收从光电二极管流出的电子流；读取电路，用于从TFT中读取所述电子流，并将读取的模拟信息转换为数据信息后输出。本发明实施例解决了现有技术中的CCD、CMOS等传感器，由于难以捕捉波长大于1um的红外波段，而造成该类传感器的应用范围受限较大的问题。

Description

一种光探测传感器
技术领域
本申请涉及但不限于光电子技术领域，尤指一种光探测传感器。
背景技术
随着光电子技术的发展和应用，已经发展处出技术较为成熟的光电转换传感器。
目前常用的电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称为：CCD)传感器和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，简称为：CMOS)传感器，其原理都是采用高感光度的半导体材料制作，将光信号转换为电信号后，进行读取和应用。位于可见光和微波之间的红外光区在军事、医疗和光伏等行业都存在着较大的应用前景，然而，现有的CCD、CMOS等传感器难以捕捉波长大于1微米(um)的红外波段，使得这类传感器的应用范围受限较大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光探测传感器，以解决现有技术中的CCD、CMOS等传感器，由于难以捕捉波长大于1um的红外波段，而造成该类传感器的应用范围受限较大的问题。
本发明实施例提供一种光探测传感器，包括：依次连接的上转换器、光电二极管、薄膜晶体管TFT和读取电路；
所述上转换器，用于接收非可见光，并将所述非可见光转换为可见光后发出；
所述光电二极管，用于吸收所述上转换器发出的所述可见光，并产生电子流；
所述TFT，用于接收从所述光电二极管流出的所述电子流；
所述读取电路，用于从所述TFT中读取所述电子流，并将读取的模拟信息转换为数据信息后输出。
可选地，如上所述的光探测传感器中，所述上转换器包括：有机发光二极管OLED，以及所述OLED的阳极和阴极；
所述OLED，用于在所述阳极电极和所述阴极电极之间施加电压，使得所述阳极通过接收的所述非可见光产生空穴、所述阴极产生电子，且所述阳极注入到所述OLED的空穴和所述阴极注入到所述OLED的电子在所述OLED的发光层复合，从而发出所述可见光。
可选地，如上所述的光探测传感器中，所述阳极包括：异质结光电晶体管HPT和金属电极层，所述HPT包括：依次连接的发射区、基区和集电区；
所述HPT，用于由所述基区和所述集电区吸收所述非可见光以产生电子空穴对，电子在所述基区聚集，使得所述基区与所述发射区之间的正向电压增大，所述基区与所述集电区之间的反向电压增大，以将空穴注入到所述OLED中。
可选地，如上所述的光探测传感器中，所述HPT的所述发射区为P型磷化铟InP，所述基区为N型铟砷化镓InGaAs，所述集电区为P型InGaAs。
可选地，如上所述的光探测传感器中，所述光电二极管为PIN型光电二极管，所述PIN型光电二极管包括依次连接的P层、I层和N层；
所述PIN型光电二极管，用于吸收所述非可见光后，所述I层激发出电子，所述电子从所述N层流出形成所述电子流。
可选地，如上所述的光探测传感器中，所述TFT包括控制线和数据线，所述TFT接收从所述光电二极管流出的所述电子流，包括：
通过所述控制线控制所述TFT开启后，所述数据线接收从所述光电二极管流出的所述电子流，使得所述数据线的电荷量发生变化。
可选地，如上所述的光探测传感器中，所述读取电路中包括模数转换器ADC，所述读取电路从所述TFT中读取所述电子流，并将读取的模拟信息转换为数据信息后输出，包括：
所述读取电路读取所述TFT中数据线的电荷变化量，将所述电荷变化量由所述ADC转换为低压差分信号LVDS后输出。
可选地，如上所述的光探测传感器中，所述上转换器接收的非可见光包括红外光。
可选地，如上所述的光探测传感器中，所述上转换器转换得到的所述可见光为绿光。
可选地，如上所述的光探测传感器中，所述TFT接近所述上转换器的一侧，且位于所述光电二极管接收所述可见光以外的区域，设置有遮蔽金属层。
本发明实施例提供的光探测传感器，通过依次连接的上转换器、光电二极管、TFT和ROIC等模块结合在一起，其中，上转换器作为非可见光转换器件，将其接收到的非可见光转换为可见光，将该上转换器得到的可见光被光电二极管吸收后产生电子流，并且该电子流到达TFT后，由ROIC读取TFT中的电子流，并将读取的模拟信号转换为数字信号后输出；本发明提供的光探测传感器，通过合理的配置上述光敏器件的组合方式，实现了可以将红外光和近红外光等波段的非可见光转换为数字信号的功能，从而可以将光探测传感器应广泛用于军事，医疗，光伏等行业，解决现有技术中的CCD、CMOS等传感器，由于难以捕捉波长大于1um的红外波段，而造成该类传感器的应用范围受限较大的问题。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例提供的一种光探测传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光探测传感器中一种上转换器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的光探测传感器中另一种上转换器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的光探测传感器中一种光电二极管的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种光探测传感器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1为本发明实施例提供的一种光探测传感器的结构示意图。本实施例提供的光探测传感器10可以包括：依次连接的上转换器110、光电二极管120、薄膜晶体管(Thin FilmTransistor，简称为：TFT)130和读取电路(Read Out Integrated Circuit，简称为：ROIC)140。
其中，上转换器110，用于接收非可见光，并将非可见光转换为可见光后发出。
本发明实施例提供的光探测传感器，主要包括串联的上转换器110、光电二极管120、TFT130和ROIC140。上转换器110中包括光敏材料，可以接收非可见光，例如为红外光、近红外光等，并且可以在接收非可见光之后，将其转换为可见光，并将转换而成的可见光发出，使得与其连接的光电二极管可以接收到可见光。
在实际应用中，上转换器110吸收的非可见光例如可以为对人体无伤害的红外光(Infrared，简称为：IR)，例如包括：近红外光(Near Infrared，简称为：NIR)、中红外光(Middle Infrared，简称为：MIR)和远红外光(Infrared，简称为：MIR)，本发明以下实施例以上转换器110吸收近红外光为例予以说明，该上转换器110例如可以将其吸收的近红外光转换为波长约为520纳米(nm)的绿光。
光电二极管120，用于吸收上转换器110发出的可见光，并产生电子流；
TFT130，用于接收从光电二极管120流出的电子流；
ROIC140，用于从TFT130中读取电子流，并将读取的模拟信息转换为数据信息后输出。
在本发明实施例中，上转换器110可以将其转换而成的可见光发出后，该可见光可以被光电二极管120接收到，并且该光电二极管120在吸收接收的可见光后，内部激发出电子。由于光电二级管120通常包括P层和N层，电子无法穿越P层，即电子从该光电二级管120的N层流出，形成从该光电二级管120流出的电子流。由光电二级管120流出的电子流到达TFT130，随后，由与TFT130连接的ROIC140从TFT130中读取电子流，并将读取的模拟信号转换为数字信号后输出，从而实现了一种用于探测非可见光的间接式探测传感器。
需要说明的是，由于本发明实施例中的上转换器110可以实现将红外光和近红外光转换为数字信号，因此，可将发明实施例提供的光探测传感器10应用于军事，医疗，光伏等行业。
本发明实施例提供的光探测传感器，通过依次连接的上转换器、光电二极管、TFT和ROIC等模块结合在一起，其中，上转换器作为非可见光转换器件，将其接收到的非可见光转换为可见光，将该上转换器得到的可见光被光电二极管吸收后产生电子流，并且该电子流到达TFT后，由ROIC读取TFT中的电子流，并将读取的模拟信号转换为数字信号后输出；本发明提供的光探测传感器，通过合理的配置上述光敏器件的组合方式，实现了可以将红外光和近红外光等波段的非可见光转换为数字信号的功能，从而可以将光探测传感器应广泛用于军事，医疗，光伏等行业，解决现有技术中的CCD、CMOS等传感器，由于难以捕捉波长大于1um的红外波段，而造成该类传感器的应用范围受限较大的问题。
可选地，图2为本发明实施例提供的光探测传感器中一种上转换器的结构示意图。本发明实施例提供的上转换器110可以包括：有机发光二极管(Organic Light-EmittingDiode，简称为：OLED)111，以及该OLED111的阳极112和阴极113。
从图2可以看出，近红外光(NIR)被OLED111的阳极112接收，另外，由于OLED111的阳极112和阴极113之间施加有电压，例如为12伏特(V)，在电场的作用下，阳极112通过接收的近红外光产生空穴，空穴注入到阳极112，阴极113产生电子；再者，OLED111的常规结构包括空穴传输层(Hole Transport Layer，简称为：HTL)、发光层(Emitting Material Layer，简称为：EL)、电子传输层(Electron Transport Layer，简称为：ETL)，因此，阳极112注入到OLED111的空穴与阴极113注入到OLED111的电子在OLED111的发光层复合，从而发出可见光，例如为波长约为520nm的绿光。
可选地，图3为本发明实施例提供的光探测传感器中另一种上转换器的结构示意图。在图2所示上转换器110的结构基础上，本发明实施例中上转换器110的阳极112包括：异质结光电晶体管(Heterojunction Photo Transistor，简称为：HPT)112a和金属电极层112b，其中，该HPT112a可以包括：依次连接的发射区e、基区b和集电区c；
HPT112a，用于由基区b和集电区e吸收非可见光以产生电子空穴对，电子在基区b聚集，使得基区b与发射区e之间的正向电压增大，基区b与集电区c之间的反向电压增大，从而将空穴注入到OLED111中。
在本发明实施例的一种实现方式中，HPT112a的发射区e可以为P型磷化铟(InP)(记为P-InP)，基区b可以为N型铟砷化镓(InGaAs)(记为N-InGaAs)，集电区c可以为P型InGaAs(记为P-InGaAs)。上述结构的HPT112a为PNP型HPT112a为例予以说明，在该HPT112a的制作过程中，可以以P-InP作为衬底，并且通过外延生长P-InGaAs和N-InGaAs，形成上述PNP型的HPT112a。串联的P-InP、N-InGaAs、P-InGaAs和OLED形成了本发明实施例中HPT112a的主要结构，该结构中的基区b(N-InGaAs)和集电区c(P-InGaAs)吸收近红外光后产生载流子，在外加电压(例如为12V)的作用下，电子在基区b(N-InGaAs)聚集，使得基区b(N-InGaAs)与发射区e(P-InP)之间的正向电压增大，基区b(N-InGaAs)与集电区c(P-InGaAs)之间的反向电压增大(即HPT112a的基极-发射极结正偏，基极-集电极结反偏)，产生电流增益的效果，HPT112a工作在放大区，产生的光电流被放大后在集电区c输出，空穴注入到OLED111中。上述PNP型HPT112a主要用于吸收波长范围在0.7～2.5um的近红外光。
需要说明的是，上述HPT112a的结构作为OLED111的阳极112，该OLED111与阳极112之间还有一层金属电极层112b，该金属电极层112b有利于载流子的传输，降低HPT112a的开启电压。
可选地，图4为本发明实施例提供的光探测传感器中一种光电二极管的结构示意图。本发明实施例中的光电二极管120可以采用PIN型光电二极管120，该PIN型光电二极管120可以包括：依次连接的P层121、I层122和N层123。
该PIN型光电二极管120，用于吸收非可见光后，I层122激发出电子，电子从N层123流出形成电子流。
在本发明实施例中，上转换器110产生的可见光(例如绿光)被PIN型光电二极管120吸收，I层122产生光激发电子，由于电子无法穿越P层121，即从N层123流出从而形成电子流。
可选地，在本发明实施例中，由于TFT130通常包括控制线(Control Line)和数据线(Date Line)，控制电路可以通过控制线控制TFT130的开启和关闭，因此，TFT130接收从光电二极管120流出的电子流的实现方式，可以包括：
通过控制线控制TFT130开启后，数据线接收从光电二极管120流出的电子流，使得数据线的电荷量发生变化。
在本发明实施例中，以光电二极管120为PIN型光电二极管为例予以说明，TFT130开启后，由PIN型光电二极管的N层流出的电子可以到达TFT130的数据线，从而，其数据线中的电荷量发生变化。
可选地，在本发明实施例中，ROIC140中可以包括模数转换器(Digital to AnalogConverter，简称为：ADC)，ROIC140从TFT130中读取电子流，并将读取的模拟信息转换为数据信息后输出的实现方式，可以包括：
ROIC140读取TFT130中数据线的电荷变化量，将电荷变化量由ADC转换为低压差分信号(Low-Voltage Differential Signaling，简称为：LVDS)后输出。
图5为本发明实施例提供的另一种光探测传感器的结构示意图。图5示意出上转换器110、PIN型光电二极管120和TFT130的截面图，可以看出，PIN型光电二极管120和TFT130设置于基板上，TFT130包括栅极(Gate)、源极(S)和漏极(D)，且源极(S)和漏极(D)位于有源区(Active)之上，PIN型光电二极管120通过连接到N层123的SD与TFT130的漏极(D)相连接，用于将从N层123流出的电子流传输到TFT130的数据线，PIN型光电二极管120的P层连接有金属电极层，例如可以采用氧化铟锡(Indium Tin Oxide，简称为：ITO)电极。
需要说明的是，该光探测传感器的结构中，在TFT130接近上转换器110的一侧还具有常规的绝缘层，例如包括PVX和Resin，TFT130和PIN型光电二极管120接近上转换器110的一侧设置有缓冲层(Buffer)，用于提高整个结构的粘附性。
从图5所示光探测传感器的结构可以看出，本发明实施例提供的光探测传感器为一平板结构的探测传感器，采用上转换器110、光电二极管120、TFT130和ROIC140结构实现将非可见光转换为数字信号后输出，其结构简单、易于实现，且平板结构仅占有较小的物理空间即可实现非可见光的探测和信号转换功能。
可选地，在本发明实施例中，由于上转换器110将非可见光转换为可见光，该转换得到的可见光为散射光，即无固定的入射方向，PIN型光电二极管120覆盖范围以外的可见光无实际效果，若该可见光照射到TFT130上会影响TFT130特性，因此，可以在TFT130接近上转换器110的一侧，且位于光电二极管120接收可见光以外的区域，设置遮蔽金属(ShieldMetal)层，以遮挡照射到TFT130上的无效光线。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种光探测传感器，其特征在于，包括：依次连接的上转换器、光电二极管、薄膜晶体管TFT和读取电路；
所述上转换器，用于接收非可见光，并将所述非可见光转换为可见光后发出；
所述光电二极管，用于吸收所述上转换器发出的所述可见光，并产生电子流；
所述TFT，用于接收从所述光电二极管流出的所述电子流；
所述读取电路，用于从所述TFT中读取所述电子流，并将读取的模拟信息转换为数据信息后输出。
2.根据权利要求1所述的光探测传感器，其特征在于，所述上转换器包括：有机发光二极管OLED，以及所述OLED的阳极和阴极；
所述OLED，用于在所述阳极电极和所述阴极电极之间施加电压，使得所述阳极通过接收的所述非可见光产生空穴、所述阴极产生电子，且所述阳极注入到所述OLED的空穴和所述阴极注入到所述OLED的电子在所述OLED的发光层复合，从而发出所述可见光。
3.根据权利要求2所述的光探测传感器，其特征在于，所述阳极包括：异质结光电晶体管HPT和金属电极层，所述HPT包括：依次连接的发射区、基区和集电区；
所述HPT，用于由所述基区和所述集电区吸收所述非可见光以产生电子空穴对，电子在所述基区聚集，使得所述基区与所述发射区之间的正向电压增大，所述基区与所述集电区之间的反向电压增大，以将空穴注入到所述OLED中。
4.根据权利要求3所述的光探测传感器，其特征在于，所述HPT的所述发射区为P型磷化铟InP，所述基区为N型铟砷化镓InGaAs，所述集电区为P型InGaAs。
5.根据权利要求1所述的光探测传感器，其特征在于，所述光电二极管为PIN型光电二极管，所述PIN型光电二极管包括依次连接的P层、I层和N层；
所述PIN型光电二极管，用于吸收所述非可见光后，所述I层激发出电子，所述电子从所述N层流出形成所述电子流。
6.根据权利要求1所述的光探测传感器，其特征在于，所述TFT包括控制线和数据线，所述TFT接收从所述光电二极管流出的所述电子流，包括：
通过所述控制线控制所述TFT开启后，所述数据线接收从所述光电二极管流出的所述电子流，使得所述数据线的电荷量发生变化。
7.根据权利要求6所述的光探测传感器，其特征在于，所述读取电路中包括模数转换器ADC，所述读取电路从所述TFT中读取所述电子流，并将读取的模拟信息转换为数据信息后输出，包括：
所述读取电路读取所述TFT中数据线的电荷变化量，将所述电荷变化量由所述ADC转换为低压差分信号LVDS后输出。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的光探测传感器，其特征在于，所述上转换器接收的非可见光包括红外光。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的光探测传感器，其特征在于，所述上转换器转换得到的所述可见光为绿光。
10.根据权利要求1～7中任一项所述的光探测传感器，其特征在于，所述TFT接近所述上转换器的一侧，且位于所述光电二极管接收所述可见光以外的区域，设置有遮蔽金属层。
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