CN113285024A - 具有量子点的半导体器件、显示装置、成像系统、和移动体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有量子点的半导体器件、显示装置、成像系统、和移动体。一种半导体器件，其包括阳极、阴极、在阳极和阴极之间的第一功能层、和在第一功能层和阴极之间的第二功能层。第一功能层包含具有第一配体的第一量子点，和第二功能层包含具有与第一配体不同的第二配体的第二量子点。第二配体为具有硫键和酯键的芳香族化合物。

Description

具有量子点的半导体器件、显示装置、成像系统、和移动体
技术领域
本发明的一个公开的方面涉及半导体器件、显示装置、成像系统、和移动体。
背景技术
在例如照相机等许多成像系统中，将形成在单晶硅基板上的包括杂质扩散层的光电二极管用于光电转换。另一方面，最近开发出具有包含有机材料或胶体量子点的光电转换层的光电转换元件。光电转换层的此类材料在长波长区域中具有比硅更高的感光度。US2016/0133463描述了包括使用胶体量子点的光电转换层的高感光度光电转换元件，胶体量子点具有1,3-苯二硫醇(1,3-benzenedithiol)或4-巯基苯甲酸配体。
U.S.专利申请公开No.2016/0133463中记载的光电转换元件使得当受光时产生的电荷残留在其中。在该状态下，在用光照射之后即刻，光电转换元件的电流值有时高于由光照射产生的电流，并且电流值变得不稳定。在半导体器件中，特别是光电转换元件中的此类电流不稳定会引起噪声。
发明内容
本发明的一个公开的方面提供当用光照射时具有稳定的电流值的半导体器件。
根据本发明的一个方面，半导体器件包括阳极、阴极、在阳极和阴极之间的第一功能层、和在第一功能层和阴极之间的第二功能层。第一功能层包含具有第一配体的第一量子点，和第二功能层包含具有与第一配体不同的第二配体的第二量子点。第二配体为具有硫键和酯键的芳香族化合物。
参照附图，从以下示例性实施方案的描述，本公开的进一步特征将变得显而易见。
附图说明
图1是示出量子点的导带最低能级(conduction band minimum)(CBM)和量子点的配体的三重态激发能级(T1)之间的能量差的图。
图2A是根据本公开的一个实施方案的半导体器件的示意性截面图。图2B是图2A中描述的半导体器件的示意性局部截面图，示出从第一电极至第二电极的半导体的部分。
图3是根据本公开的一个实施方案的半导体器件的局部示意性平面图，示出多个第一电极和中间层的配置。
图4A至图4C是示出根据本公开的一个实施方案的半导体器件的生产方法的示意性截面图。
图5A是包括根据本公开的一个实施方案的显示装置的成像装置的示例。图5B是包括显示装置的电子设备的示例。图5C和图5D是根据本公开的一个实施方案的各自包括发光装置的显示装置的示例。
图6A和图6B是分别示出根据一个实施方案的成像系统和移动体的结构的图。
图7是示出根据一个实施方案的成像系统的结构的示意性框图。
图8A和图8B是各自根据一个实施方案的装置中产生的电子的残留和电流的变动的测量图。
具体实施方式
本文中公开的半导体器件包括在阳极和阴极之间的第一功能层和第二功能层。第一功能层和第二功能层包含量子点。阳极是当驱动半导体器件时电位比阴极高的电极。另一方面，当驱动半导体器件时，阴极的电位低于阳极。阴极可以接地。第二功能层中的量子点具有与第一功能层中的量子点的配体不同的配体。第一功能层中的量子点可以具有比第二功能层中的量子点高的外部量子效率或光电转换效率。第二功能层中的量子点具有包含硫键和酯键的芳香族化合物配体。第二功能层中此类配体的存在使得能够减少第一功能层中无意地残留的电子数。因此，半导体器件当用光照射时可以具有稳定的电流值。在本文中公开的描述中，具有硫键是指具有经由硫原子的键，并且硫键可以源自硫醇基(thiolgroup)。硫键可以以硫醇根阴离子的形式存在。本文中提及的酯键由碳原子、由其间的双键结合至碳原子的氧原子、和由其间的单键结合至碳原子的另一个氧原子来构成(defined)。酯键可以源自羧基。羧基可以以羧酸盐的形式存在。具有硫键和酯键二者的芳香族化合物的实例包括巯基苯甲酸(MBA)、巯基萘羧酸、和巯基菲羧酸。在一些实施方案中，可以使用巯基苯甲酸或巯基萘羧酸。
光照射其间的电流不稳定引起例如，图像滞后或光电流波动。图像滞后是其中光电转换层中产生的电子没有通过一次扫描完全转移并且残存到下一次扫描的现象。在该情况下，器件不能响应入射光强度的突然变化，在实际视频(video)拍摄时形成看上去像拖尾的图片。应当减少图像滞后。光电流波动是其中即使当入射光强度保持恒定时光电流也波动的现象。尽管光强度恒定，但是在实际图像拍摄时形成明亮的图片。减少的光电流波动是期望的。
在发光装置的情况下，如果发生图像滞后或光电流波动，则可以发射具有比期望的亮度更高的亮度的光。为了也在发光装置中使用，降低的电流不稳定是期望的。
MBA在图像滞后减少中的作用
在根据本公开的一个实施方案的半导体器件中，使用巯基苯甲酸(MBA)以减少电子向相邻层的迁移，由此使光电流稳定以减少图像滞后。
当将偏压施加至光电转换元件时，从电极注入或通过光照射产生的电荷载流子残存在光电转换元件中，并且甚至在中断光照射之后的黑暗状态下也作为信号检出。由此产生图像滞后。光电流波动可能是由光照射期间空穴或电子的经时积累引起的。在本文中公开的实施方案中，在功能层133C(图2B中所示)中使用MBA，以减少电子从主要用以施加负偏压的第二电极注入至功能层133B(图2B中所示)中，由此减少图像滞后。
换言之，在第二电极134和主要起吸收光作用的功能层133B之间具有包含MBA的量子点膜的半导体器件阻碍功能层133B中产生的电子到达收集空穴的第二电极134。另外，此类半导体器件使得功能层133B中产生的电子有效地到达收集电子的第一电极131。相对地，在第一电极131和功能层133B之间包括包含MBA的量子点膜的半导体器件不阻碍功能层133B中产生的电子到达收集空穴的第二电极134。
可能的是，MBA的存在导致层之间的电子迁移减少的理由不是能级差，而是电子迁移的能力低。这是通过不能有效地减少图像滞后的巯基丙酸(MPA)的能级与MBA同等的事实而表明的。为了支持该理由，用大气中光电子分光光度计AC-3(由Riken Keiki制造)测量分别配位有4-MBA、3-MBA、2-MBA、1,3-苯二硫醇(1,3-BDT)、MPA、和PbI2的量子点膜的HOMO能级。
4-MBA配位的量子点膜在5.3eV处显示HOMO能级；3-MBA配位的量子点膜，在5.2eV处显示HOMO能级；2-MBA配位的量子点膜，在5.2eV处显示HOMO能级；1,3-BDT配位的量子点膜，在5.2eV处显示HOMO能级；MPA配位的量子点膜，在5.3eV处显示HOMO能级；和PbI2配位的量子点膜，在5.6eV处显示HOMO能级。由于MBA和MPA之间的HOMO能级差小，因而这些配体物质基本上没有由能级差导致的电荷阻挡性能的差异。因此，减少图像滞后的效果的原因不是MPA和MBA之间的能级差。本发明人认为，MBA的电子移动性小会产生减少图像滞后的效果。因此，在包括第一功能层和第一功能层和阴极之间的第二功能层的结构的情况下，有益的是，赋予第二功能层比第一功能层低的电子移动性。
根据本发明人的研究，为了形成可以减少电子迁移、可以作为MBA配位的量子点膜的量子点膜，有效的是，减小量子点的导带最低能级(CBM)和量子点的配体的三重态激发能级(T1)之间的能量差。另外，有益的是，减小量子点的CBM和量子点的配体的单重态激发能级(S1)之间的能量差。换言之，有益的是，第二功能层中量子点的配体的T1和量子点的CBM之间的能量差小于第一功能层中量子点的配体的T1和量子点的CBM之间的能量差。另外，有益的是，第二功能层中量子点的配体的S1和量子点的CBM之间的能量差小于第一功能层中量子点的配体的S1和量子点的CBM之间的能量差。
更具体地，第二功能层中的量子点的CBM能量与量子点的配体的T1能量的差可以为0.8eV以下。在一个实施方案中，第二功能层中量子点的CBM能量和量子点的配体的T1能量的差可以为0.3eV以下。另外，量子点的CBM能量和量子点的配体的S1能量之间的差可以为0.3eV以下。S1能量是指最低激发单重态能量或单重态激发能量，和T1能量是指最低激发三重态能量或三重态激发能量。
图1是表示取决于配体物质的CBM和T1之间的能量差的图。CBM是PbS的CBM。图的纵轴表示CBM和T1之间的近似的差，并且横轴表示配体：MBA、BDT、和MPA。MBA给出三种配体的最小差，并且CBM和T1之间的能量差小于0.3eV。BDT给出在三种配体当中约0.9eV的中间能量差。MPA给出三种配体的最大差，并且CBM和T1之间的能量差为1.0eV以上。图中的实线表示1.0eV的能级，和虚线表示0.8eV的能级。在CBM和T1之间的能量差为0.8eV以下的化合物与MBA具有相同的效果。
可能的是，CBM和T1之间的能量差具有减少电子迁移的下述关系。例如，MBA除了具有芳香环以外，还具有与MPA相同的化学结构，并且如上所述，其间的HOMO能级的差不大。然而，MBA的外部量子效率(EQE)低，并且MPA的EQE高于MBA。MBA和MPA之间的EQE差可能引起电荷输送性的差异。使用作为有机配体的电子态的基态(S0)、单重激发态(S1)、和三重态激发态(T1)中的能级来说明有机配体的电荷输送性。
MPA和MBA的S1能级高于量子点的CBM。比较这两种配体，具有芳香环的MBA的S1能级低于MPA的S1能级。MBA的T1能级也低于MPA的T1能级。因此，MBA的T1能级比MPA的T1能级更接近量子点的CBM能级。与MPA不同，具有芳香环的MBA由于量子点和MBA之间的轨道间的相互作用而稳定。因此，MBA的S1和T1能级可以进一步降低，促进量子点和有机配体之间的能量共振。
如上所述，与MBA相比，MPA给出的量子点的CBM和T1能级之间的能量差更大。因此，在量子点中产生的电子迁移至相邻的量子点，而不会激发MPA配体。
在具有MBA配体的量子点中，与具有MPA配体的量子点相比，在量子点中产生的电子更可能激发MBA，并且迁移至相邻的量子点的电子减少。结果，具有MPA配体的量子点显示高EQE，而具有MBA配体的量子点显示低EQE。
在第一电极131和功能层133B之间包括包含MBA的量子点膜的半导体器件中，单位时间在功能层133B中产生并且到达第一电极131的电子数由此减少，并且EQE显著降低。
在上述实施方案中，将MBA用作具有苯骨架的配体。在一个实施方案中，配体可以是具有多个苯环的化合物，例如可以使用萘骨架或蒽骨架。这是因为此类骨架的分子在S0和S1态之间的能隙(energy gap)比苯骨架的小，并且具有降低的S1和T1能级，并且因此，可以引起量子点中的电子迁移至配体。因此，层之间的电子迁移减少；因此，产生与上述相同的效果。
因为量子点的CBM根据量子点的粒径而变化，因而量子点的CBM和配体的T1之间的能量差可以通过选择适当的量子点粒径来控制。例如，可以通过将量子点的粒径减小至小于3.0mm来提高CBM，只要量子点可以在期望的波长范围内充分地吸收光即可。高CBM意味着浅CBM。有益地，CBM能级高于T1能级。
本发明人由此发现，使用MBA作为具有硫醇基和羧基作为官能团的有机配体的多层元件在减少图像滞后方面是有效的。通常，单独4-MBA配位的量子点膜因为EQE低而不适合作为光电转换元件的主要光吸收层。然而，在使用4-MBA配位的量子点膜作为为多层元件的部件的功能层133C的情况下，不仅在EQE方面而且在图像滞后和光电流波动方面提供改善的性能。
现在将参照附图描述本公开的示例性实施方案。以下描述的实施方案仅仅是本公开的概念的一些示例性实施方式，并且本公开不限于公开的值和结构，包括形状、形式、材料、和部件或构件的配置或连接关系。例如，尽管以下描述的实施方案将本发明的概念的半导体器件实现为光电转换装置，但是在其它实施方案中，可以将半导体器件实现为发光装置。另外，在以下实施方案中使用的晶体管和半导体区域的导电类型可以根据需要而改变。
相同的部件或元件在全部附图中由相同的附图标记或符号表示，并且由此在一些情况下可以将描述省略或简化。另外，在配置或结构中存在多个相同元件或部件的图中，可以省略相同元件的附图标记或符号及其描述。
半导体器件的结构
图2A是根据本公开的一个实施方案的半导体器件的示意性截面图。图2A示出在由Z方向(图的向上方向)和X方向(图的向右方向)构成的平面处截取的半导体器件的截面。所示的实施方案的半导体器件是将入射光转换为电以根据入射光的量生成电荷的光电转换装置。图2A示出半导体器件的三个单位单元(unit cell)120。通常将单位单元120称为子像素。三个单位单元120可以具有彼此相同的电路结构。各单位单元120包括至少一个光电转换元件。
在一个实施方案中，半导体器件可以是发光装置。在此类情况下，单位单元120包括至少一个发光元件。半导体器件取决于单位单元120的功能层的材料而起光电转换装置或发光装置的作用。
半导体器件包括基板100。在所示的实施方案中的基板100是单晶硅基板或任意的其它半导体基板，但是在其它实施方案中，可以是由玻璃、或陶瓷等制成的绝缘体基板。基板100具有主面P1。基板100在主面P1处设置有晶体管101和元件分离部113。在主面P1处设置晶体管意味着在半导体基板的表面处形成杂质区域以限定可以在其中形成沟道的区域。
晶体管101可以是包括源/漏区域102、栅绝缘膜103、栅电极104、和源/漏区域105的N型MOS晶体管。栅绝缘膜103和栅电极104形成在主面P1上。栅绝缘膜103配置在栅电极104和主面P1之间。源/漏区域102和105配置在基板100内部。对于N型MOS晶体管101，源/漏区域102和105是N型半导体区域。元件分离部113可以具有用于浅沟槽分离(shallowtrench isolation(STI))的结构。
布线结构体106配置在基板100的主面P1上。布线结构体106包括接触插塞107、布线层108、导通插塞(via plug)109、布线层110、导通插塞111、和绝缘层112。绝缘层112可以由单个层或多个层而构成。这些构件可以由通常在半导体工艺中使用的任意的金属、绝缘材料、和其它材料来形成。
接触插塞107以及导通插塞109和111可以由选自包括铝、铜、钨、钛、和氮化钛的组的材料制成。典型地，接触插塞107以及导通插塞109和111可以在由钛、氮化钛、和钨形成的多层结构中形成。布线层108和110可以由选自包括铝、铜、钨、钛、氮化钛、和钽的组的材料制成。
典型地，布线层108和110可以在由钽和铜制成的多层结构中形成。绝缘层112可以由氧化硅或氮化硅制成。
布线结构体106包括彼此隔开配置的多个第一电极131。多个第一电极131配置在各单位单元120的每一个中。分离区域130存在于各第一电极131和下一个第一电极131之间。分离区域130可以由布线结构体106的结构层112限定。各第一电极131耦接至(coupledto)对应的导通插塞111。第一电极131可以由铜、或铝等制成。
半导体器件进一步包括中间层132、功能层133、和第二电极134。中间层132、功能层133、和第二电极134依次设置在布线结构体106上。第二电极134可以跨越三个单位单元120连续地形成。在所示的实施方案中，第二电极134具有平坦的上表面和下表面。因此，半导体器件具有多个第一电极、功能层、和第二电极，并且功能层由多个第一电极共用(shared)。换言之，半导体器件包括一个功能层、一个第二电极、和多个第一电极。第一电极可以是阳极，而第二电极可以是阴极。阳极是在驱动时电位高于其它电极、阴极的电位的电极。阳极收集电子并且也称为正电极。
功能层133配置在多个第一电极131和第二电极134之间。功能层133是光电转换层并且可以检出光。可以使用第一电极131以读出基于由光电转换产生的电荷而产生的信号。
在其中将半导体器件应用为发光装置的实施方案中，驱动功能层133以发射光。在该情况下，为了控制是否发光并且控制发光强度，使用第一电极131以将控制信号传输至功能层133。
中间层132配置在分立的第一电极131和功能层133之间。中间层132使得第一电极131和功能层133之间的空穴或电子之一能够电绝缘，并且使得空穴或电子另一个能够导电。因此，中间层132可以称为载流子注入/阻挡层。在其中第一电极131是用于收集空穴的阴极(负电极)的实施方案中，中间层132可以是用以阻挡电子并且传导空穴的电子阻挡层。在其中第一电极131是用于收集电子的阳极(正电极)的实施方案中，中间层132可以是用以阻挡空穴并且传导电子的空穴阻挡层。在中间层132用作电子阻挡层的情况下，空穴阻挡层(未示出)可以设置在功能层133和第二电极134之间。在中间层132用作空穴阻挡层的情况下，电子阻挡层(未示出)可以设置在功能层133和第二电极134之间。
中间层132在各第一电极131和功能层133之间可以起密合层的作用。配置在第一电极131和功能层133之间的中间层132可以减少第一电极131和功能层133之间由其间的低润湿性导致的剥离。在一些实施方案中，从增大中间层132和功能层133之间的接触面积并且由此减少剥离的观点，中间层132形成在布线结构体106的整个表面上。从第一电极中的任意一个至第二电极的部分称为光电转换元件。光电转换元件可以包括光电转换层和配置在光电转换层和电极之一之间的中间层。更具体地，中间层是电子阻挡层和空穴阻挡层。
半导体器件还包括绝缘层136、滤色器层137、平坦化层138、和微透镜层139。绝缘层136、滤色器层137、平坦化层138、和微透镜层139依次配置在第二电极134上。绝缘层136可以起保护层和密封层的作用。滤色器层137包括用于多种颜色中的任意者的各滤色器。各单位单元120包括用于对应颜色的滤色器。平坦化层138具有适合用于形成微透镜层139的平坦的上表面。微透镜层139包括多个微透镜。单个单位单元120包括单个微透镜。滤色器可以配置在拜耳阵列中。
图2B是图2A中描述的半导体器件的示意性局部截面图，示出从第一电极的任意一个至第二电极的部分。如上所述，依次形成第一电极(阳极)131、中间层132、功能层133(第三功能层133A、第一功能层133B、和第二功能层133C)、和第二电极(阴极)134。如图2A中所描述的，半导体器件具有多个第一电极131。各第一电极共用第一电极上形成的各个其它构件。更具体地，对于多个第一电极，设置单个功能层结构和单个第二电极。在其中由第一电极共用这些层的所示结构是一个实例，并且在一个实施方案中，多个第一电极可以设置有它们各自的功能层结构和第二电极。
图3是根据本公开的一个实施方案的半导体器件的局部示意性平面图，示出多个第一电极131和中间层132的配置。示意性平面图示出从垂直于主面P1的方向上观察的半导体器件的部分。对于光电转换装置，单位单元120以具有多行和多列的矩阵的方式配置，对应于由各个第一电极131限定的区域。中间层132配置在全部第一电极131和分离区域130上并且跨越全部第一电极131和分离区域130。因此，如上所述，中间层132和功能层133之间的接触面积增大，有效地减少其间的剥离。
半导体器件的功能层和中间层的材料
现在将描述本文中公开的半导体器件的功能层133的材料。如上所述，功能层133起光电转换层的作用，并且包括其材料和生产方法在内不受另外的限制。功能层133可以包括由例如，化合物半导体等纳米颗粒的聚集体构成的胶体量子点膜。
量子点的配体
在本文中公开的半导体器件中使用的量子点具有配体。配体具有硫醇基，但是不限于1,3-苯二硫醇(BDT)。包括1,4-BDT和1,2-BDT等的具有苯环的配体物质的沸点为200℃以上。此类配体即使在140℃的条件下也不太可能从量子点表面脱离或挥发，并且在提高量子点的耐热性方面是有效的。量子点的配体结合至构成量子点的无机颗粒。换言之，量子点的配体可以称为量子点的组分。具有硫醇基的配体的实例包括4-甲基-1,2-苯二硫醇、1,3,5-苯三硫醇、5-溴-1,3-苯二硫醇、4-氯-1,3-苯二硫醇、3,6-二氯-1,2-苯二硫醇、4,6-二氯-1,3-苯二硫醇、2,5-二氨基-1,4-苯二硫醇、4,6-二氨基-1,3-苯二硫醇、1,2,4,5-苯四硫醇、3,4,5,6-四氯-1,2-苯二硫醇、3,4,5,6-四氟-1,2-苯二硫醇、3-甲基-1,2-苯二硫醇、4,5-二巯基-1,2-苯二甲腈、和4-氟-1,2-苯二硫醇。具有硫醇基的配体可以具有萘骨架，并且其实例包括2,6-萘二硫醇、1,5-萘二硫醇、2,7-萘二硫醇、1,8-萘二硫醇、和1,4-萘二硫醇。外部量子效率EQE(或光电转换效率)取决于各胶体量子点和下一个胶体量子点之间的距离，并且该距离根据使用的配体而改变。因此，有益的是，减小配体分子的尺寸。
配体可以具有硫醇基和具有羧基的芳香环。此类配体可以是但不限于4-巯基苯甲酸(4-MBA)。此类配体的实例包括5-溴-2-巯基苯甲酸、4-氟-2-巯基苯甲酸、4-氨基-3-巯基苯甲酸、5-氯-2-巯基苯甲酸、5-氟-2-巯基苯甲酸、4-溴-2-巯基苯甲酸、2,3,5,6-四氟-4-巯基苯甲酸、4-氨基-5-巯基-2-甲氧基苯甲酸、2-溴-4-巯基苯甲酸、4-氯-2-巯基苯甲酸、4-氟-3-巯基苯甲酸、2-氯-4-巯基苯甲酸、2-氯-5-巯基苯甲酸、2-巯基-3-甲基苯甲酸、4-巯基-2-甲氧基苯甲酸、2-巯基-5-甲氧基苯甲酸、5-巯基-2-甲氧基-4-甲基苯甲酸、5-巯基-2-硝基苯甲酸、3-氯-4-巯基苯甲酸、4-氨基-3-巯基-5-甲氧基苯甲酸、2-氟-5-巯基苯甲酸、2-巯基-5-甲基苯甲酸、2-巯基-5-硝基苯甲酸、2-溴-5-巯基苯甲酸、4-巯基-1,3-苯二甲酸、2-氯-6-巯基苯甲酸、2-氟-4-巯基苯甲酸、2-巯基-4-甲基苯甲酸、3,5-二氯-2-巯基苯甲酸、3-巯基-4-硝基苯甲酸、2-巯基-4-甲氧基苯甲酸、5-氨基-2-巯基苯甲酸、4-巯基-1,2-苯二甲酸、3,5-二巯基苯甲酸、2-巯基-3,5-二甲基苯甲酸、2-巯基-4,5-二甲氧基苯甲酸、4-巯基-3-硝基苯甲酸、3-羟基-5-巯基-4-甲氧基苯甲酸、3-氯-2-巯基苯甲酸、2,5-二巯基-1,4-苯二甲酸、2-巯基-1,4-苯二甲酸、4-氨基-2-巯基苯甲酸、5-巯基-2-甲氧基苯甲酸、2-氟-6-巯基苯甲酸、5-巯基-1,3-苯二甲酸、4-溴-3-巯基苯甲酸、4-巯基-3-甲基苯甲酸、2-巯基-6-甲基苯甲酸、4-氯-3-巯基苯甲酸、3,5-二溴-2-巯基苯甲酸、3-巯基-4-甲氧基苯甲酸、5-巯基-2-甲基苯甲酸、5-乙酰基-2-巯基苯甲酸、5-氯-2-巯基-3-甲基苯甲酸、3-巯基-2-甲基苯甲酸、5-巯基-1,3-苯二甲酸1-甲基酯、3-巯基-4-甲基-5-硝基苯甲酸、3-氟-2-巯基苯甲酸、3-氨基-4-巯基苯甲酸、2-巯基-5-(三氟甲基)苯甲酸、2,4-二氯-5-巯基苯甲酸、4-氨基-2-乙氧基-5-巯基苯甲酸、4-羟基-3-巯基苯甲酸、2-巯基-3,6-二甲基苯甲酸、3-氟-4-巯基苯甲酸、5-羟基-2-巯基苯甲酸、5-巯基-2,4-二甲基苯甲酸、5-碘-2-巯基苯甲酸、5-巯基-2,3-二甲氧基苯甲酸、4-氟-5-巯基-2-硝基苯甲酸、2-氨基-3-巯基苯甲酸、4-氯-3-巯基-5-甲基苯甲酸、2,3-二氟-5-巯基苯甲酸、3-氯-2-氟-5-巯基苯甲酸、5-氰基-2-巯基-4-甲基苯甲酸、2-(氨基甲基)-4-氰基-6-巯基苯甲酸、2-氰基-6-巯基-4-甲基苯甲酸、4-(溴甲基)-2-氰基-6-巯基苯甲酸、5-氯-2-氰基-4-巯基苯甲酸、2-氰基-6-乙基-4-巯基苯甲酸、4-氰基-5-乙基-2-巯基苯甲酸、2-(溴甲基)-4-氰基-3-巯基苯甲酸、6-(溴甲基)-3-氰基-2-巯基苯甲酸、6-氯-2-氰基-3-巯基苯甲酸、2-氰基-5-乙基-3-巯基苯甲酸、4-(氨基甲基)-2-氰基-3-巯基苯甲酸、5-(氨基甲基)-2-氰基-4-巯基苯甲酸、2-氰基-3-乙基-6-巯基苯甲酸、3-氰基-4-乙基-5-巯基苯甲酸、6-氰基-2-乙基-3-巯基苯甲酸、2-(氨基甲基)-5-氰基-4-巯基苯甲酸、2-(溴甲基)-5-氰基-4-巯基苯甲酸、2-(溴甲基)-3-氰基-6-巯基苯甲酸、5-(溴甲基)-2-氰基-3-巯基苯甲酸、4-(溴甲基)-3-氰基-5-巯基苯甲酸、5-氯-4-氰基-2-巯基苯甲酸、3-(氯甲基)-2-氰基-6-巯基苯甲酸、4-(氯甲基)-5-氰基-2-巯基苯甲酸、2-(溴甲基)-6-氰基-3-巯基苯甲酸、2-(氯甲基)-3-氰基-4-巯基苯甲酸、3-(氯甲基)-2-氰基-5-巯基苯甲酸、3-氯-2-氰基-5-巯基苯甲酸、3-氰基-5-巯基-2-甲基苯甲酸、2-(氨基甲基)-6-氰基-3-巯基苯甲酸、3-氰基-2-乙基-6-巯基苯甲酸、3-(溴甲基)-2-氰基-5-巯基苯甲酸、2-氯-3-氰基-5-巯基苯甲酸、3-氯-6-氰基-2-巯基苯甲酸、2-(氨基甲基)-5-氰基-3-巯基苯甲酸、5-(溴甲基)-3-氰基-2-巯基苯甲酸、3-氯-2-氰基-4-巯基苯甲酸、4-氰基-3-乙基-2-巯基苯甲酸、2-(氯甲基)-3-氰基-5-巯基苯甲酸、3-(氯甲基)-4-氰基-2-巯基苯甲酸、4-氯-3-氰基-5-巯基苯甲酸、2-(氯甲基)-5-氰基-3-巯基苯甲酸、2-氰基-4-巯基-5-甲基苯甲酸、5-氰基-3-巯基-2-甲基苯甲酸、2-氰基-4-乙基-5-巯基苯甲酸、3-氰基-5-乙基-4-巯基苯甲酸、4-氰基-3-巯基-2-甲基苯甲酸、2-(氨基甲基)-6-氰基-4-巯基苯甲酸、2-(溴甲基)-3-氰基-4-巯基苯甲酸、6-(溴甲基)-2-氰基-3-巯基苯甲酸、4-(氯甲基)-3-氰基-2-巯基苯甲酸、3-(溴甲基)-6-氰基-2-巯基苯甲酸、3-(溴甲基)-4-氰基-5-巯基苯甲酸、5-(溴甲基)-4-氰基-2-巯基苯甲酸、6-(氯甲基)-3-氰基-2-巯基苯甲酸、5-氰基-2-乙基-3-巯基苯甲酸、2-氯-3-氰基-6-巯基苯甲酸、3-氯-4-氰基-2-巯基苯甲酸、6-氰基-2-巯基-3-甲基苯甲酸、3-(氯甲基)-4-氰基-5-巯基苯甲酸、2-氰基-4-乙基-6-巯基苯甲酸、6-氰基-3-乙基-2-巯基苯甲酸、2-氯-3-氟-4-巯基苯甲酸、5-巯基-2,4-二甲氧基苯甲酸、2-巯基-6-甲基-3-(1-甲基乙基)苯甲酸、2-巯基-3-甲氧基苯甲酸、2-羟基-4-巯基苯甲酸、2-巯基-3,6-二甲氧基苯甲酸、4,5-二乙氧基-2-巯基苯甲酸、3-巯基-2-硝基苯甲酸、3,5-二氟-4-巯基苯甲酸、3-巯基-4-甲基苯甲酸、4-乙基-3-巯基苯甲酸、4-巯基-3-甲氧基苯甲酸、4,5-二氟-2-巯基苯甲酸、2,5-二氯-3-巯基苯甲酸、2-溴-3-巯基-5-甲基苯甲酸、5-氯-2-碘-3-巯基苯甲酸、3-氟-5-巯基-4-甲氧基苯甲酸、3-氯-4-氟-5-巯基苯甲酸、2-溴-5-氟-3-巯基苯甲酸、2,6-二氟-3-巯基苯甲酸、3,4-二氯-5-巯基苯甲酸、3-氟-5-巯基-4-甲基苯甲酸、3-溴-5-巯基-4-甲基苯甲酸、2,3-二氯-5-巯基苯甲酸、3-氯-4-碘-5-巯基苯甲酸、3-氯-5-巯基-2-甲基苯甲酸、5-巯基-4-甲基-2-硝基苯甲酸、2-巯基-4-(三氟甲基)苯甲酸、2,3-二氯-4-巯基苯甲酸、2-羟基-5-巯基苯甲酸、5-(1,1-二甲基乙基)-2-巯基-1,3-苯二甲酸、5-(氨基磺酰基)-2-巯基苯甲酸、3-氨基-2-巯基苯甲酸、4-巯基-2-硝基苯甲酸、3-巯基-4-甲基-2-硝基苯甲酸、2-巯基-6-(甲硫基)苯甲酸、5-巯基-2,3-二甲基苯甲酸、2-巯基-4,6-二甲基苯甲酸、3-巯基-4,5-二甲基苯甲酸、3-(1,1-二甲基乙基)-4-巯基苯甲酸、和4-氯-3-巯基-2-甲基苯甲酸。具有硫醇基和包含羧基的芳香环的配体可以具有萘骨架，并且此类配体的实例包括3-巯基-2-萘甲酸和6-巯基-1-萘甲酸。外部量子效率EQE取决于各胶体量子点之间的距离，并且该距离根据使用的配体而改变。因此，有益的是，减小配体分子的尺寸。
现在将描述使用由包括半导体纳米颗粒的胶体量子点构成的功能层133的实施方案。胶体量子点包括平均粒径为0.5nm以上且小于100nm的纳米颗粒。纳米颗粒的材料可以是单元素半导体(IV族半导体)或化合物半导体。化合物半导体可以是III-V族半导体化合物、II-VI族半导体化合物、或由选自II、III、IV、V、和VI族的三种以上元素的组合构成的半导体化合物。更具体地，纳米颗粒的材料的实例包括PbS、PbSe、PbTe、InN、InAs、InP、InSb、InAs、InGaAs、CdS、CdSe、CdTe、Ge、CuInS、CuInSe、CuInGaSe、和Si。这些半导体的带隙相对窄。胶体量子点可以由相同种类的纳米颗粒或两种以上的纳米颗粒而构成。由此类材料制成的胶体量子点也称为半导体量子点。纳米颗粒可以具有包括包含半导体的核、和覆盖核的壳的核-壳结构。
可以将纳米颗粒设定为小于或接近半导体的激子波尔半径(exciton Bohrradius)的尺寸。在该情况下，出现量子尺寸效应并且根据颗粒的尺寸给出纳米颗粒期望的带隙。因此，光吸收波长或发光波长通过形成具有控制至预定尺寸的纳米颗粒的量子点膜来控制。
在一些实施方案中，从合成的容易性的观点，纳米颗粒由PbS或PbSe制成。由于PbS的激子波尔半径为约18nm，从控制晶体生长和出现量子尺寸效应的观点，纳米颗粒的平均粒径可以在2nm至15nm的范围内。在晶体生长的控制方面，平均粒径为2nm以上的纳米颗粒是容易合成的。纳米颗粒的尺寸可以在透射电子显微镜下测量。
对功能层133的厚度没有特别限定，但是从实现高光吸收性的观点，可以为10nm以上，或50nm以上。另外，从容易形成的观点，功能层133的厚度可以为800nm以下。
现在将描述在本文中公开的半导体器件的中间层132的材料。如上所述，根据通过第一电极131控制的载流子的种类，中间层132可以是电子阻挡层或者空穴阻挡层。另外，中间层132具有密合层的作用，以减少功能层133的剥离。
首先将描述在其中将中间层132用作电子阻挡层的实施方案。电子阻挡层可以由能够有效地将用作光电转换层的功能层133中产生的空穴输送至阴极并且阻碍功能层中产生的电子迁移至阴极的材料制成。电子阻挡层的材料可以具有高的空穴迁移率和高的电导率，并且使得空穴注入阴极的势垒低和电子从光电转换层注入电子阻挡层的势垒低。对于其中光经由电子阻挡层进入光电转换层的半导体器件，电子阻挡层可以由透明材料制成。在该情况下，电子阻挡层的可见光透过率可以为60％以上或80％以上。因此，电子阻挡层可以由例如氧化钼(MoO3)或氧化镍(NiO)等P型无机半导体，或者例如PEDOT:PSS等P型有机半导体制成。
对于用作发光装置的半导体器件，电子阻挡层可以配置在阳极和功能层之间。在该情况下，电子阻挡层起阻碍电子从功能层迁移至阳极的层的作用。
接下来，将描述其中将中间层132用作空穴阻挡层的实施方案。与电子阻挡层相反，空穴阻挡层具有阻挡功能层中产生的空穴并且将电子输送至阳极的功能。因此，可以将空穴阻挡层的有利性质解释为上述其中阳极和P型半导体分别用阴极和N型半导体来代替的电子阻挡层的性质。对于其中光经由阳极进入或者使用从阳极反射的光的半导体器件，可以使用透明的材料以形成空穴阻挡层。因此，空穴阻挡层可以由例如氧化钛(TiO2)或氧化锌(ZnO)等N型宽带半导体，或者例如富勒烯(C60)等N型半导体制成。无机氧化物半导体在制造过程中涂布在表面上的量子点分散液中不太可溶，并且因此是有益的。
对于用作发光装置的半导体器件，空穴阻挡层可以配置在阴极和功能层之间。在该情况下，空穴阻挡层起阻碍空穴从功能层迁移至阳极的层的作用。
中间层132的厚度可以是，但不限于，约1nm至100nm。薄的中间层132使施加至功能层133的电压减小。相对地，厚的中间层132使引起电子或空穴穿过中间层132的隧道效应的风险减少。另外，厚的中间层132减少针孔和其它膜缺陷的发生。例如，厚度大于第一电极131的表面粗糙度的中间层132可以减少膜缺陷。从这些观点，可以适当地设定中间层132的厚度。
半导体器件的其它部件
现在将描述在本文中公开的半导体器件的第一电极131和第二电极134的材料。第一电极131和第二电极134可以由任意的导电性材料制成。第一电极131和第二电极134的材料的实例包括例如铂、金、银、铝、铬、镍、铜、钛、和镁等元素金属，以及包含两种以上此类金属的合金。可选地，第一电极131和第二电极134可以由例如氧化铟或氧化锡等金属氧化物，或者例如，ITO(氧化铟锡)或IZO(氧化铟锌)等包含此类金属氧化物的复合氧化物制成。第一电极131和第二电极134的材料可以是导电性颗粒，例如炭黑、富勒烯、碳纳米管、或石墨烯。还可以使用通过将此类导电性颗粒分散在例如聚合物粘结剂等基质中制备的复合材料。第一电极131和第二电极134的材料可以是上述材料的单独一种或组合。
在一些实施方案中，第一电极131或第二电极134的至少之一可以是透明的。透明电极可以透过光，以由功能层133吸收。在用作发光装置的半导体器件中，透明电极透过从功能层133发出的光。
第一电极131和第二电极134收集功能层133中产生的电子或空穴。因此，有益的是，选择适合用于收集电子或空穴的材料作为第一电极131和第二电极134的材料。功函数高的材料适合用于收集空穴，并且此类材料包括金和ITO。功函数低的材料适合用于收集电子，并且铝是此类材料的一个实例。
对第一电极131和第二电极134的厚度没有特别限定，并且可以根据例如，导电性和透明性来设定。典型地，第一电极和第二电极的厚度为约10nm至10μm。
半导体器件的制造工艺
图4A至4C是示出在本文中公开的半导体器件的制造方法的示意性截面图。
首先将参照图4A描述形成布线结构体106的工艺步骤。首先，准备基板100。接下来，元件分离部113和晶体管101形成在基板100中。然后，布线结构体106形成在基板100上。布线结构体106可以由例如，氧化硅形成。然后第一电极131形成在导通孔(via hole)111的正上方。形成第一电极131之后，可以另外再次形成绝缘层112。在该情况下，使绝缘层112和第一电极平坦化，使得绝缘层112的上表面变得与第一电极131的上表面齐平。平坦化可以通过刻蚀或化学机械抛光(CMP)来进行。到此为止描述的各层可以通过常规的半导体工艺来形成。
接下来将参照图4B描述形成中间层132的工艺步骤。中间层132通过气相沉积法或溅射法形成在绝缘层112和第一电极131上，由此完成图4B中所示的结构。例如，为了形成氧化钛中间层132，通过使用TiO2靶材和溅射设备，例如，在500W的RF功率下沉积氧化钛。导入的气体可以通过将以100标准立方厘米(sccm)/分钟的速率流动的氩气与以5sccm至15sccm的速率流动的氧气混合来制备。腔室中的压力可以为0.5Pa。
接下来，将参照图4C描述形成功能层133的工艺步骤。在完成图4B中描述的结构之后，功能层133通过主要形成量子点来形成。在形成功能层133的以下描述中，将通过实例的方式描述硫化铅(PbS)量子点的形成工艺。以下描述的具体工艺条件仅仅是实例并且不限定半导体器件的制造工艺。
首先，将描述PbS量子点的示例性合成工艺。将892mg氧化铅(PbO)、40mL十八碳烯、和4mL油酸投入三颈烧瓶中，并且将烧瓶放置在油浴中。将油浴加热至90℃。此时，以0.5mL/m的流速将氮气引入三颈烧瓶中，以形成氮气气氛，由此抑制反应期间量子点的氧化。将在放置在油浴之前微黄色的反应下的溶液搅拌30分钟以上，直到溶液变成透明为止。
同时，在氮气气氛下的手套箱中制备20mL 1.9mM的双(三甲基甲硅烷基)硫化物在十八碳烯中的溶液。该溶液为硫源。迅速将硫源溶液添加至三颈烧瓶中的透明溶液中。添加硫源一分钟之后，将三颈烧瓶从油浴移出并且在室温下冷却2小时。在溶液温度达到室温之后，进行接下来的步骤，纯化。合成之后的溶液为黑色，表示生产出具有由油酸保护的表面的硫化铅(PbS)量子点。
接下来，将描述纯化步骤。将所得的量子点在十八碳烯中的分散液从三颈烧瓶转移到离心管中。将作为极性溶剂的丙酮添加至分散液中，并且然后，量子点变得不能保持分散在十八碳烯中。在离心机中，对其中添加有丙酮的离心管进行离心分离，以使量子点沉淀。在例如，17000rpm下进行离心分离20分钟。
随后，在将离心管从离心机取出之后，弃去透明上清液丙酮，并且将作为非极性溶剂的甲苯添加至沉淀在离心管底部上的量子点中。然后，摇动离心管以使量子点再次分散在甲苯中。在将丙酮添加至量子点在甲苯中的分散液中之后，以15000rpm将量子点分散液再次离心5分钟，由此再次沉淀。
将用丙酮沉淀和分散在甲苯中的一系列步骤重复三次。可以使用甲醇、乙醇、或任意其它极性溶剂代替丙酮。然而，不太影响保护量子点的油酸，也不使油酸从量子点的表面脱离的极性溶剂是适合的。
现在将描述待涂布在基板的表面上用于形成量子点膜的量子点液体的制备。在将丙酮添加至甲苯的量子点分散液中的情况下，通过离心分离使量子点沉淀。然后，量子点最终不是分散在甲苯中，而是辛烷中，并且将分散液调节至量子点含量为80mg/mL。使用该液体作为在随后的步骤中涂布的量子点液体。
现在将描述量子点膜的形成。首先，通过以将量子点液体滴下至放置在旋涂机中的基板的中央的方式旋涂来涂布量子点液体。旋涂在例如，2500rpm下进行30秒。所得的通过旋涂形成的量子点膜是由具有长分子长度的油酸保护的量子点的聚集体，并且因此，量子点在各点之间的距离大。结果，量子点的光载流子传导性差，并且由此光电转换差。所得的量子点膜在本文中称为油酸保护的量子点膜。
油酸保护的量子点膜在光电转换方面差，并且已知替换与量子点配位的分子。更具体地，用分子长度比油酸短的物质来代替油酸。在下文中，该代替称为配体交换，并且在一些情况下，用于配体交换的物质可以简称为配体。另外，用于配体交换的溶液可以称为配体溶液。此处描述的实施方案使用1,3-苯二硫醇(1,3-BDT)或4-巯基苯甲酸(4-MBA)作为有机配体。1,3-苯二硫醇的官能团仅为硫醇基，而4-MBA具有硫醇基和羧基。用于配体交换的配体溶液可以是1,3-BDT在乙腈中的3mM溶液或4-MBA在甲醇中的10mM溶液。在使用此类有机配体的配体交换之后，可以添加卤素(氟、氯、溴、或碘)作为无机配体。如果添加碘，例如，可以使用碘化铅在N,N-二甲基甲酰胺中的10mM溶液。作为无机配体添加的卤素配位至由于空间位阻导致的难以仅通过有机配体钝化的量子点表面处的铅或硫缺陷部位，由此使得能够钝化。
对于配体交换，将上述配体溶液涂布在形成在基板上的油酸保护的量子点膜上。更具体地，将配体溶液涂布在油酸保护的量子点膜的整个表面上，用于预定时间的配体交换反应。在使用1,3-BDT或4-MBA的配体交换反应中，反应时间可以是30秒。然而，反应时间可以根据例如，配体溶液的浓度来适当地设定。在经过预定时间的反应之后，以200rpm旋转基板60秒以从基板除去剩余的配体溶液。然后，用作为用于溶解配体的溶剂的乙腈或甲醇冲洗基板，以除去残留在量子点处的过量的配体。此外，用辛烷冲洗基板以除去从量子点脱离的油酸。
另一层油酸保护的量子点膜可以进一步形成在配体交换量子点膜上，用于配体交换，随后冲洗。可以将这一系列步骤重复多次以形成多层量子点膜。由此形成的具有预定厚度的1,3-BDT或4-MBA量子点膜结构体可以用作功能层133。在此类功能层133形成时，可以使用一些配体物质，使得功能层133可以由使用不同配体的量子点膜构成。例如，功能层可以通过形成一种或多种1,3-BDT量子点膜作为功能层133A和133B以及一种或多种4-MBA量子点膜作为功能层133C来形成。在本文中公开的半导体器件中，图像滞后和光电流波动可以通过适当地设计功能层的内部各层来减少。
随后，形成第二电极134。如上所述，电子阻挡层可以形成在功能层133和第二电极134之间。在一个实施方案中，电子阻挡层可以通过气相沉积法由氧化钼形成。然后，依次形成绝缘层136、滤色器层137、平坦化层138、和微透镜层139。这些层可以在常规的半导体工艺中形成，并且由此省略其描述。因此，可以生产如上所述的图2A中描述的半导体器件。
通过上述工艺，结合至在油酸保护的量子点膜的纳米颗粒的表面处的原子的油酸分子脱离，并且用预定的配体分子代替。因此，形成1,3-BDT或4-MBA量子点膜。配体交换之后的1,3-BDT或4-MBA量子点膜的厚度为40nm至60nm。在使用有机配体的配体交换之后，可以添加卤素作为无机配体。例如，碘化铅溶液可以用于添加作为卤素的碘。用于添加碘的反应时间可以为3分钟。反应时间可以根据条件来改变。可以仅使用无机配体而不使用任何有机配体来进行配体交换。
使用半导体器件的显示装置
根据本公开的一个实施方案的半导体器件可以用在显示装置中。显示装置包括具有在本文中公开的功能层的发光元件。发光元件连接至例如晶体管等有源元件，用于控制发光时间和发光亮度。
图5A至图5D示出根据本公开的显示装置的用途。图5A是包括根据本公开的一个实施方案的显示装置的成像装置的示意图。成像装置300可以包括取景器301、后显示器302、操作部303、和壳体304。取景器301可以包括根据本公开的一个实施方案的显示装置。在该情况下，显示装置不仅可以显示拍摄的图片，还可以显示环境信息、或成像指令等。环境信息可以包括，例如，外部光的强度和方向、待拍摄的被摄体的移动速度、和由遮蔽物遮蔽被摄体的可能性。在一个实施方案中，显示装置可以用在后显示器302中。
成像装置300包括光学系统(未示出)。光学系统包括多个透镜，并且在壳体304中的成像元件上形成图像。可以通过调节多个透镜的相对位置来调节焦点。这可以自动进行。成像装置可以称为光电转换装置。光电转换设备可以不通过一个接一个地形成图像，而是通过检出与先前的图像的差异或者通过从始终记录的图像中切出一个或多个图像来形成图像。
图5B是包括根据本公开的一个实施方案的显示装置的电子设备的示意图。电子设备307包括显示部305、操作部308、和壳体306。壳体306包括电路、具有电路的印刷板、电池、和通信部。操作部308可以是按钮或触控面板反应部。反应部可以产生或接受超声波等，用于使用指纹等生物认证。操作部308可以具有生物认证功能以识别指纹并且解锁。包括通信部的电子设备可以称为通信设备。电子设备可以进一步包括透镜和成像元件，由此起相机的作用，以及其它作用。通过起相机的作用而拍摄的图像显示在显示部305上。此类电子设备可以是智能手机、或移动PC等。
图5C是根据本公开的一个实施方案的显示装置的示意图。图5C描述例如TV监视器或PC监视器等显示装置。该显示装置309包括框架312和显示部310。显示部310可以包括根据本公开的一个实施方案的发光装置。
显示单元还包括支承框架312和显示部310的基座311。基座311不限于图5C中描述的形式。框架312的下边可以用作基座，或者显示单元可以是壁挂型或卷取型的，而不使用基座311。
框架312和显示部310可以弯曲。其曲率半径可以在5000mm至6000mm的范围内。
图5D是根据本公开的另一个实施方案的显示装置的示意图。图5D中描述的显示装置313是可折叠的显示装置。显示装置313包括第一显示部317、第二显示部314、和壳体315，并且具有折线316。第一显示部317和第二显示部314各自可以包括根据本公开的一个实施方案的发光装置。第一显示部317和第二显示部314可以构成一件式连续显示，而不使用接缝。第一显示部317和第二显示部314可以沿着折线316彼此分离。第一显示部317和第二显示部314可以显示彼此不同的图像，或者单一图像可以跨越第一显示部和第二显示部来显示。
使用半导体器件的成像系统
现在将参照图6A和图6B描述根据一个实施方案的成像系统和移动体。
图6A和图6B分别是示出成像系统和移动体的结构的框图。图6A示出用于车载相机的成像系统400。成像系统400包括成像装置410。成像装置410可以是根据本公开的一个实施方案的成像装置。成像系统400还包括作为可操作以处理通过成像装置410获得的多个图像数据的装置的图像处理器412，和作为可操作以由通过成像装置410获得的多个图像数据计算视差(视差图像之间的相位差)的处理器的视差采集装置414。另外，成像系统400包括作为基于计算的视差来计算与对象物的距离的处理器的距离采集装置416，和作为基于计算的距离判定是否存在碰撞的可能性的处理器的碰撞可能性判定装置418。视差采集装置414和距离采集装置416仅仅是可操作以获得例如与对象物的距离数据等信息的信息采集装置的实例。距离数据包括视差、散焦值、和与对象物的距离。碰撞可能性判定装置418可以通过使用任意的此类距离数据来判定碰撞的可能性。上述处理器可以通过专用硬件或者通过基于硬件模块可用于计算的通用软件来实现。可选地，处理器可以通过FPGA(现场可编程门阵列)、或ASIC(专用集成电路)等或其组合来实现。
成像系统400连接至车辆信息采集装置420，使得系统可以接受包括车速、偏航率、和舵角等的车辆信息。成像系统400还连接至根据碰撞可能性判定装置418的判定结果输出控制信号以产生对车辆的制动力的车辆ECU(电子控制单元)430。因此，ECU430是控制器，以根据距离数据控制移动体。成像系统400还连接至根据碰撞可能性判定装置418的判定结果向驾驶员发出警告或警报的警报装置440。例如，如果碰撞可能性判定装置418判定碰撞可能性高，则车辆ECU430控制车辆以制动，释放加速器，并且减少发动机输出，由此避免碰撞和减少损坏。警报装置440例如，通过发出警报、在汽车导航系统等的屏幕上显示警报信息，或使安全带或方向盘振动来警告驾驶员。
在公开的一个实施方案中，成像系统400拍摄车辆的周围，例如，前方或后方。图6B示出拍摄车辆的前方(摄像范围450)的成像系统400。车辆信息采集装置420命令成像系统400进行拍摄。通过使用根据本公开的一个实施方案的成像装置作为成像装置410，本公开的成像系统400可以改善距离测量的精度。
在所示的实施方案中，在本文中公开的成像系统控制车辆以避免与其它车辆碰撞。然而，在另一个实施方案中，成像系统可以通过跟随其它车辆或自动驾驶来控制自动驾驶，以便不走出车道。成像系统也可以用在例如船舶、飞行器、和工业机器人等其它移动体(运输装置)中。在此类移动体(运输装置)中使用的移动装置的实例包括发动机、电动机、车轮、和螺旋桨。成像系统不仅可以用在移动体中，还可以用在能够在例如，智能道路交通系统(ITS)等广泛的领域中识别物体的设备或系统中。
根据一个实施方案的光电转换装置可以用在成像装置或成像系统中。以下将参照图7描述成像系统。
图7是示出根据一个实施方案的成像系统的结构的示意性框图。
在本文中公开的光电转换装置可以用在各种成像系统中。此类成像系统包括但不限于，数码相机、数字摄像机、监控相机、复印机、传真机、移动电话、车载相机、观察卫星、和医用相机。包括例如透镜等光学系统和光电转换装置的相机模块也是一种成像系统。图7示出作为成像系统的一个实例的数码相机的框图。
数码相机、或成像系统500包括光电转换装置200、成像光学系统502、中央处理单元(CPU)510、透镜控制器512、成像装置控制器514、图像处理器516、光圈/快门控制器518、显示部520、操作开关522、和记录介质524。
成像光学系统502旨在形成被摄体的光学图像，并且包括透镜和光圈504。光圈504具有其直径可以改变以调节拍摄期间光的量的开口(aperture)，并且另外起快门的作用以调节当拍摄静态图像时的曝光时间。保持透镜和光圈504使得能够在光轴的方向上伸缩，并且此类透镜和光圈的连动使得能够实现可变的放大倍率(变焦)和焦点调节。可以将成像光学系统502集成在成像系统中，或者可以是可以附接至成像系统的成像透镜单元。
光电转换装置200以成像光学系统502的成像面位于光学系统的图像空间中的方式来配置。作为用作根据本公开的一个实施方案的光电转换装置的半导体器件的光电转换装置200包括互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器(像素部)和外围电路(外围电路区域)。光电转换装置200包括具有多个光电转换部的二维配置的像素，和与像素对应配置的滤色器，由此构成二维单板颜色传感器。光电转换装置200将由成像光学系统502形成的被摄体的光学图像光电转换为图像信号或焦点检出信号，并且输出转换的信号。
透镜控制器512控制成像光学系统502的透镜的伸缩连动，以改变放大倍率或调节焦点，并且包括构成以实现该功能的电路或处理器。光圈/快门控制器518改变光圈504的开口直径(可变开口值)以调节成像光的量，并且包括构成以实现该功能的电路或处理器。
作为相机中的控制器的CPU510在各个方面控制相机，并且包括处理器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、(模拟至数字)A/D转换器、D/A(数字至模拟)转换器、和通信界面电路。CPU510根据ROM等中存储的计算机程序来控制相机内的装置的操作或各部分的操作，并且执行一系列成像操作，例如包括成像光学系统502的调焦状态的检测(焦点检测)的自动调焦操作、成像、图像处理、和记录。CPU510还起信号处理器的作用。
成像装置控制器514控制光电转换装置200的操作，并且另外，将从光电转换装置200输出的信号A/D转换，并且将转换的信号传输至CPU510。成像装置控制器514包括构成以实现该功能的电路或控制器。A/D转换可以是光电转换装置200的功能。图像处理器516对A/D转换的信号施加例如γ转换或颜色插值等图像处理，由此产生图像信号。图像处理器516包括构成以实现该功能的电路或控制器。显示部520为例如，液晶显示(LCD)装置，并且显示在相机的拍摄模式下相关的信息、拍摄前的预览图像、拍摄后的检查图像、和当检测焦点时的聚焦状态。操作开关522包括电源开关、脱扣(拍摄触发)开关、变焦开关、和拍摄模式选择开关。其上记录有拍摄的图片或图像的记录介质524可以包括在成像系统中，或者可以是可移动存储卡。
使用根据本公开的一个实施方案的光电转换装置200的成像系统500可以实现高性能。
光电转换装置可以是前面照射型或后面照射型。光电转换装置可以具有包括具有多个光电转换部的第一半导体芯片和具有外围电路的第二半导体芯片的多层结构(芯片的堆叠)。第二半导体芯片的外围电路可以是与第一半导体芯片的像素布置的列相对应的列电路。可选地，第二半导体芯片的外围电路可以是与第一半导体芯片的像素或像素块相对应的矩阵电路。第一半导体芯片和第二半导体芯片可以通过使用硅通孔(TSV)、使用例如铜导线等导体的布线、使用微凸点、或引线结合而耦接。
以上公开的实施方案仅仅是本公开的一些实施方式，并且本公开的范围不限于公开的实施方案。
实施例
将进一步参照实施例描述本公开的主题。在实施例中，评价具有使用一些配体物质的多层结构的元件，以示出特定的多层结构对减少图像滞后和光电流波动是有效的。
图像滞后和光电流波动的评价
图像滞后是其中电荷通过一次扫描没有完全转移并且残存到下一次扫描的现象。在该情况下，装置不能响应入射光强度的突然变化，由此在实际视频拍摄时形成看上去像拖尾的图片。应当减少图像滞后。光电流波动是其中即使当入射光强度保持恒定时光电流也会波动的现象。尽管在实际图像拍摄期间光强度恒定，也形成明亮的图片。应当使光电流波动最小化。图像滞后和光电流波动可以通过测量图像传感器中在第一电极131和第二电极134之间的光电转换元件在用光照射的亮状态下和在没有光照射的暗状态下的瞬态电流响应来评价。
图8A和图8B各自是根据一个实施方案的光电转换元件中产生的电子的残留和电流的波动的测量图。图8A表示在对应于功能层133C的层中使用MBA作为配体的情况下的测量。图8B表示在对应于功能层133C的层中使用除了MBA以外的配体的情况下的测量。
如下评价测量。当将元件通电一定时间直到暗电流变得稳定为止的初始暗电流由A表示。然后，用光照射元件。从照射起经过预定时间之后的光电流由B表示。然后，将光关闭。关闭光一分钟之后的暗电流由C表示，并且开始光照射之后即刻的电流由D表示。当测量瞬态电流响应时，施加4.8V的电压。
在本文中公开的说明书中，通过下式(1)量化图像滞后：
图像滞后(％)＝|(C-A)|/|(B-A)| (1)
在本文中公开的说明书中，通过下式(2)量化光电流波动：
光电流波动(％)＝D/B (2)
在图8A和图8B中，由
Figure BDA0002924013660000281
示出的电流差相当于观察到的图像滞后。有两种图像滞后：当光照射结束之后的暗电流高于初始暗电流时产生的"白化"，如图8A中所示；和当光照射结束之后的暗电流低于初始暗电流时产生的"黑化"，如图8B中所示。
以下描述的电极和配体的材料以及样品元件中各层的厚度和构成仅仅是实例，并且本公开不限于公开的实施例。第一电极131由厚度为60nm的氮化钛制成。中间层132由厚度为50nm的氧化钛制成并且用作密合层和空穴阻挡层。功能层133由PbS量子点构成。量子点的平均粒径为约3.0nm并且带隙能量为约1.34eV。使用碘化铅溶液用于添加卤素。第二电极134是厚度为40nm的透明ITO电极。如上所述制备样品元件。如上所述测量各元件的瞬态响应。对于测量，从开始施加电压起，在关闭光的状态下将元件通电5分钟，并且然后用光照射4分钟。再次关闭光之后，继续测量1分钟。施加的电压为4.8V。对于施加电压和测量电流，使用由Agilent制造的半导体参数分析仪4156B。对于光照射，使用由CCS Inc.制造的表面发光白色LED TH-100X100SW。
表中将实施例和比较例一起显示。除了功能层使用表中所示的配体以外，在相同的条件下制备实施例1至5和比较例1至5的样品元件。现在将描述表中的符号。形成功能层以改变厚度并且用改变的配体进行处理。EQE(500nm)表示作为可见光区域中代表性的入射光波长的500nm处的外部量子效率(％)。EQE(940nm)表示作为红外光区域中代表性的入射光波长的940nm处的外部量子效率(％)。暗电子数(60℃)由"/s·μm2"表示。表中所示的值是通过在2V的施加电压下的独立试验中获得的测量值。图像滞后(％)和光电流波动(％)如上定义。暗电子数、图像滞后、和光电流波动根据以下标准来评价。等级A>B>C依次表示更好的评价。
暗电子数
A：小于5000/s·μm2
B：5000/s·μm2至小于10000/s·μm2
C：10000/s·μm2以上
图像滞后
A：小于0.01％
B：0.01％至小于0.1％
C：0.1％以上
光电流波动
A：小于5％
B：5％至小于10％
C：10％以上
表
Figure BDA0002924013660000291
形成表中的功能层133A、133B、和133C以改变厚度并且用改变的配体物质进行处理。对于表中所示的配体物质，1,3-BDT表示1,3-苯二硫醇；4-MBA表示4-巯基苯甲酸；3-MBA表示3-巯基苯甲酸；2-MBA表示2-巯基苯甲酸；MPA表示3-巯基丙酸；并且PbI2表示碘化铅。有机物质的分子结构表示如下。例如，在比较例1的情况下，各自厚度为约50nm的四个量子点膜形成为多层结构，由此构成200nm厚的功能层133。功能层133A和功能层133C的列中的"无"表示元件不具有与功能层133B不同并且对应于功能层133A或133C的量子点膜。因此，比较例5的功能层仅由具有一种配体的一个功能层构成，并且功能层133B与中间层和电极接触。
Figure BDA0002924013660000301
在比较例1中，功能层仅由作为使用1,3-BDT和PbI2作为配体的量子点膜的一个功能层133构成。结果，图像滞后和光电流波动二者不会充分地减少。
在比较例2中，功能层通过由作为使用1,3-BDT和PbI2作为配体的量子点膜的功能层133B和作为使用4-MBA和PbI2作为配体的量子点膜的功能层133A构成的多层结构构成。其它层与比较例1中的相同。虽然在暗电子数方面的评价良好，但是图像滞后和光电流波动二者不会充分地减少。
比较例3和4的光电转换元件使用美国专利申请公开No.2016/0133463中描述的量子点。在比较例3和4的光电转换元件的生产工艺中，从稳定性的观点，不进行退火。
在比较例3中，功能层由仅具有PbI2配体的量子点构成。其它层与比较例1中的相同。具有PbI2配体的量子点不设定有机配体。结果，虽然在图像滞后方面的评价相当好，但是光电流波动不会充分地减少。
在比较例4中，功能层通过由功能层133B和功能层133C构成的多层结构构成，该功能层133B由一些使用PbI2的量子点膜构成，和该功能层133C由一些使用MPA的量子点膜构成。比较例4的光电转换元件在暗电子数方面不令人满意，但是显示在500nm处为66％和在940nm处为43％的高EQE。然而，图像滞后和光电流波动二者不会充分地减少。
在比较例5中，功能层仅通过由一些使用4-MBA的量子点膜构成的一个功能层133而构成。其它层与比较例1中的相同。由于该光电转换元件使用作为包含苯环并且沸点高的配体物质的4-MBA，因而暗电子数充分地减少，但是EQE低：在500nm处为3％和在940nm处为4％。另外，图像滞后和光电流波动二者不会充分地减少。
在实施例1中，功能层通过由功能层133B和功能层133C构成的多层结构构成，该功能层133B由一些使用1,3-BDT和PbI2作为配体的量子点膜构成，和该功能层133C由使用4-MBA和PbI2作为配体的量子点膜构成。即使在170℃下退火一小时之后，所得的元件也显示在500nm处为70％和在940nm处为29％的EQE，并且在60℃下的暗电子数评级为A。因此，光电转换性能高。另外，在图像滞后和光电流波动方面的评价高于比较例1至5中的任意者的评价。
实施例1的结构在使用4-MBA作为配体的功能层的位置方面与比较例2的结构不同。更具体地，在实施例1中，使用4-MBA的层配置在功能层133B和阴极之间。相对地，在比较例2中，使用4-MBA的层配置在阳极和功能层133B之间。因此，有益的是，使用4-MBA的功能层C配置在功能层133B和阴极之间。功能层B可以是主要用于光电转换的光电转换层。功能层B的光电转换效率可以高于功能层A和C的光电转换效率。
实施例2和3分别使用3-MBA和2-MBA代替4-MBA。3-MBA和2-MBA各自在由硫醇取代的苯甲酸的位置方面与4-MBA不同。
在实施例2中，功能层通过由功能层133B和功能层133C构成的多层结构构成，该功能层133B由一些使用1,3-BDT和PbI2作为配体的量子点膜构成，和该功能层133C由使用3-MBA和PbI2作为配体的量子点膜构成。其它层与实施例1中的相同。即使在170℃下退火一小时之后，所得的元件也显示在500nm处为42％和在940nm处为14％的EQE，并且在60℃下的暗电子数评级为A。另外，光电流波动不会充分地减少，而在图像滞后方面的评价高。
在实施例3中，功能层通过由功能层133B和功能层133C构成的多层结构构成，该功能层133B由一些使用1,3-BDT和PbI2作为配体的量子点膜构成，和该功能层133C由使用2-MBA和PbI2作为配体的量子点膜构成。其它层与实施例1中的相同。即使在170℃下退火一小时之后，所得的元件也显示在500nm处为38％和在940nm处为17％的EQE，并且在60℃下的暗电子数评级为A。另外，光电流波动不会充分地减少，而在图像滞后方面的评价高。
实施例1至3的结果示出，在功能层133C中，具有与硫醇基和羧基结合的芳香环的MBA的存在减少图像滞后，与取代位置无关。
相对地，其中功能层133C使用具有硫醇基和羧基但没有芳香环的MPA的比较例4不会充分地减少图像滞后。这表示具有硫醇基和羧基的芳香族化合物在减少图像滞后方面是有效的。特别地，4-MBA在图像滞后以及减少光电流波动方面是有效的，由此作为光电转换元件的材料是有用的。
此外，在实施例1至3当中比较光电流波动。MBA具有与量子点的表面处的Pb配位的硫醇基和羧基。4-MBA由硫醇基和羧基对位取代；并且3-MBA和2-MBA分别间位和邻位取代。因此，4-MBA可以在量子点之间交联，而3-MBA和2-MBA比4-MBA更可能增加量子点之间的距离。量子点之间的距离越大，载流子输送的特性越低。如果功能层133B使用1,3-BDT并且功能层133C使用3-MBA或2-MBA，则空穴可能在这些功能层之间的界面处积累，基于功能层中产生的电子而阻碍电流。这可能是照射期间光电流减少的原因。因此，具有由硫醇基和羧基对位取代的芳香环的有机配体是更有益的。
除了改变使用1,3-BDT和PbI2作为配体的功能层133B和使用4-MBA和PbI2的功能层133C的厚度以外，以与实施例1中相同的方式制备实施例4和5的样品元件。在实施例1中，150nm厚的功能层133B和50nm厚的功能层133C的总厚度为200nm。相对地，实施例4和5中功能层的总厚度为400nm。由于光电转换层、或功能层133配置在第一电极和第二电极之间，功能层的总厚度相当于电极之间的距离。如果例如中间层132或电子阻挡层(未示出)等边界层设置在电极和光电转换层之间，则光电转换层133的总厚度由从电极之间的距离减去此类边界层的厚度而构成。
各层之间的边界可以通过使用例如，截面透射电子显微镜(截面TEM)或时间飞行二次离子质谱(TOF-SIMS)在厚度方向上的组成分析来确定。通过(功能层133C的厚度)/(总厚度)×100计算的功能层133C相对于总厚度的百分比表示从第二电极朝向第一电极功能层133C占据元件结构的比例。
在实施例4中，功能层133C的百分比为12.5％。即使在170℃下退火一小时之后，所得的元件也显示在500nm处为73％和在940nm处为44％的EQE，并且在60℃下的暗电子数评级为A。另外，图像滞后和光电流波动二者充分减少。实施例4中功能层133C的百分比小至12.5％，小于实施例1中的25％。然而，实施例4的元件在图像滞后和光电流波动方面产生基本相同的效果。此外，在940nm处的EQE提高。这是因为通过增加主要涉及用于光电转换的光吸收的功能层133B的厚度来增加光吸收。
在实施例5中，功能层133C的百分比为37.5％。即使在170℃下退火一小时之后，所得的元件也显示在500nm处为53％和在940nm处为33％的EQE，并且在60℃下的暗电子数评级为A。尽管图像滞后充分减少，但是与实施例1和4相比，光电流波动没有太大减少。这是因为与实施例4相比，功能层B的厚度较小，功能层C的厚度较大。
实施例1(功能层133C厚度的百分比：25％)、实施例4(功能层133C厚度的百分比：12.5％)、和实施例5(功能层133C的百分比：37.5％)的结果示出，在功能层B和阴极之间使用4-MBA的功能层133C的存在导致图像滞后的减少。结果表示，当使用MBA的功能层的厚度占功能层的总厚度的25％以下时，元件可以显示高电流特性，以及减少的图像滞后。功能层133C至少包括4-MBA配位的量子点膜并且厚度与3nm的量子点粒径一样大，占总厚度的1.5％。换言之，在其中第二功能层设置在阴极和光电转换效率高的第一功能层之间的实施方案中，第二功能层的厚度相对于电极之间的距离为1.5％至25％。
如上所述，本公开可以提供当用光照射时具有稳定的电流的半导体器件。
尽管已经参考示例性实施方案描述了本公开，但是应当理解，本公开不限于公开的示例性实施方案。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有此类修改以及等同的结构和功能。

Claims (19)

1.一种半导体器件，其特征在于，其包括：
阳极；
阴极；
在所述阳极和所述阴极之间的第一功能层，所述第一功能层包含具有第一配体的第一量子点；和
在所述第一功能层和所述阴极之间的第二功能层，所述第二功能层包含具有与所述第一配体不同的第二配体的第二量子点，所述第二配体为具有硫键和酯键的芳香族化合物。
2.一种半导体器件，其特征在于，其包括：
阳极；
阴极；
在所述阳极和所述阴极之间的第一功能层，所述第一功能层包含具有第一配体的第一量子点；和
在所述第一功能层和所述阴极之间的第二功能层，所述第二功能层包含具有与所述第一配体不同的第二配体的第二量子点，
其中所述第二量子点的导带最低能量和所述第二配体的三重态激发能的差小于所述第一量子点的导带最低能量和所述第一配体的三重态激发能之间的差。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述第二量子点的导带最低能量高于所述第二配体的三重态激发能。
4.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述第二量子点的导带最低能量和所述第二配体的三重态激发能的差为0.8eV以下。
5.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述第二量子点的导带最低能量和所述第二配体的三重态激发能的差为0.3eV以下。
6.一种半导体器件，其特征在于，其包括：
阳极；
阴极；
在所述阳极和所述阴极之间的第一功能层，所述第一功能层包含具有第一配体的第一量子点；和
在所述第一功能层和所述阴极之间的第二功能层，所述第二功能层包含具有与所述第一配体不同的第二配体的第二量子点，
其中所述第二量子点的导带最低能量和所述第二配体的单重态激发能的差小于所述第一量子点的导带最低能量和所述第一配体的单重态激发能之间的差。
7.根据权利要求6所述的半导体器件，其中所述第二量子点的导带最低能量高于所述第二配体的单重态激发能。
8.根据权利要求6所述的半导体器件，其中所述第二量子点的导带最低能量和所述第二配体的单重态激发能的差为0.3eV以下。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体器件，其中所述第一功能层的光电转换效率高于所述第二功能层的光电转换效率。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体器件，其中所述第二功能层的厚度相对于所述阳极和所述阴极之间的距离为25％以下。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体器件，其中所述第二功能层的厚度相对于所述阳极和所述阴极之间的距离为1.5％至25％。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体器件，其中所述第二功能层中包含的所述第二量子点的所述第二配体选自由4-巯基苯甲酸、3-巯基苯甲酸、和2-巯基苯甲酸组成的组。
13.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体器件，其中所述第一功能层和所述第二功能层各自为由胶体量子点构成的量子点膜。
14.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体器件，其中所述第一功能层和所述第二功能层中的至少一者包含选自由碘、氯、溴、和氟组成的组中的卤素。
15.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体器件，其中所述第一功能层和所述第二功能层用作光电转换层。
16.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体器件，其中所述第一功能层和所述第二功能层的所述第一量子点和所述第二量子点包含PbS或PbSe。
17.一种显示装置，其特征在于，其包括：
根据权利要求1至16中任一项所述的半导体器件；和
耦接至所述半导体器件的有源元件，所述有源元件可操作以控制所述半导体器件的发光亮度。
18.一种成像系统，其特征在于，其包括：
根据权利要求1至16中任一项所述的半导体器件；和
可操作以处理从所述半导体器件输出的信号的处理器。
19.一种移动体，其特征在于，其包括：
根据权利要求1至16中任一项所述的半导体器件；
移动装置；
可操作以从由所述半导体器件输出的信号获得信息的处理器；和
可操作以根据所述信息控制所述移动装置的控制器。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023044788A1 (zh) * 2021-09-24 2023-03-30 京东方科技集团股份有限公司 量子点膜层、量子点发光器件及其制作方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7007088B2 (ja) * 2016-12-07 2022-01-24 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光素子、撮像素子および電子機器
JP2021044310A (ja) * 2019-09-09 2021-03-18 キヤノン株式会社 半導体装置

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006513458A (ja) * 2002-08-02 2006-04-20 ウルトラドッツ・インコーポレイテッド 量子ドット、量子ドットを持つナノ複合材料、量子ドットを持つ光学デバイス、および関連した製造方法
JP2008214363A (ja) * 2007-02-28 2008-09-18 Canon Inc ナノ粒子発光材料、これを用いた電界発光素子及びインク組成物、並びに表示装置
CN102576747B (zh) * 2009-09-28 2016-04-13 株式会社村田制作所 纳米粒子材料的制造方法、纳米粒子材料以及光电转换器件
JP5218927B2 (ja) * 2009-09-28 2013-06-26 株式会社村田製作所 ナノ粒子材料及び光電変換デバイス
CN102666369B (zh) * 2009-12-18 2014-08-27 株式会社村田制作所 薄膜形成方法和量子点设备
CN102925138B (zh) 2012-11-06 2015-07-22 大连理工大学 一种ⅱ-ⅵ型长寿命量子点及其制备方法
JP6233417B2 (ja) * 2013-10-17 2017-11-22 株式会社村田製作所 発光デバイス
US9099663B1 (en) * 2014-04-21 2015-08-04 Massachusetts Institute Of Technology Quantum dot solar cells with band alignment engineering
EP3140247A4 (en) * 2014-05-09 2018-01-17 Massachusetts Institute of Technology Energy level modification of nanocrystals through ligand exchange
US9324562B1 (en) * 2014-11-12 2016-04-26 Alliance For Sustainable Energy, Llc Metal halide solid-state surface treatment for nanocrystal materials
CN104733180B (zh) * 2015-03-30 2017-06-16 景德镇陶瓷大学 一种水溶性过渡金属元素掺杂硫化铅量子点敏化剂的制备方法
US10897023B2 (en) * 2015-10-02 2021-01-19 Toyota Motor Europe All quantum dot based optoelectronic device
WO2017156477A1 (en) * 2016-03-11 2017-09-14 Invisage Technologies, Inc. Image sensors with electronic shutter
US10544168B2 (en) * 2016-06-15 2020-01-28 Alliance For Sustainable Energy, Llc Ligand-exchangeable nanoparticles and methods of making the same
CN106398680B (zh) * 2016-08-30 2020-07-24 Tcl科技集团股份有限公司 一种油溶性蓝光量子点及其制备方法
JP2018107725A (ja) * 2016-12-27 2018-07-05 キヤノン株式会社 光電変換装置、撮像システム
JP2019012639A (ja) * 2017-06-30 2019-01-24 株式会社ジャパンディスプレイ 表示装置
CN109935721A (zh) * 2017-12-15 2019-06-25 Tcl集团股份有限公司 反型qled器件及其制备方法
CN108230908A (zh) * 2018-01-03 2018-06-29 京东方科技集团股份有限公司 一种显示面板及显示装置
EP3544074A3 (en) * 2018-03-19 2019-11-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Electroluminescent device, and display device comprising thereof
JP2019186738A (ja) * 2018-04-10 2019-10-24 キヤノン株式会社 撮像装置
WO2021100104A1 (ja) * 2019-11-19 2021-05-27 シャープ株式会社 発光素子、発光デバイス

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023044788A1 (zh) * 2021-09-24 2023-03-30 京东方科技集团股份有限公司 量子点膜层、量子点发光器件及其制作方法
CN116171312A (zh) * 2021-09-24 2023-05-26 京东方科技集团股份有限公司 量子点膜层、量子点发光器件及其制作方法

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