CN1897311A - 有机光耦器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型光耦器件，包括接收已知电信号并将其转换成光信号的部件A部分，接收部件A发出的光信号并将其转换成可检测电信号的部件B部分，以及位于部件A部分和部件B部分之间的连接部分，部件A部分和部件B部分均为有机半导体器件。本发明克服了现有光耦器件由于使用的材料及其结构上存在的缺陷和不足，提出利用全有机半导体器件组成的光耦，其制备工艺简单，可大面积制备而降低成本，还可制备全柔性光耦。本发明开拓了光耦在生物仿真、医疗机械方面的应用，特别是在柔性和纤维智能领域有广阔应用前景，还可以应用于智能军装、武器等方面，更具有特殊的意义。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光耦器件，特别是一种新型的有机光耦器件，属光电子领域。
背景技术：
光耦是一种通常用于电隔离时能传输信号的光电子器件。它可以把一种信号转化为光信号，再把光信号转化为一种可以探索的信号，一般它至少包含两个功能部件，即能输出光的功能部件(输入端功能部件)和以光信号为输入而输出为可探测信号的功能部件(输出端功能部件)。最常用的光耦是利用一个电致发光器件把一个电信号转化为光信号，再利用一个光敏器件，比如光敏电阻、光敏电容、光敏二极管或者光敏三极管等把光信号转化为电信号。光耦器件可以应用到高压电隔离控制中，比如，可以在低压端把控制电信号加载到发光二极管上，得到反映电信号的光信号，然后光照射到处于高电压的光敏器件上得到加载于高压上的电信号，该电信号就可以用来控制高压端的电路、设备等；光耦器件还可以用到光计算机上，作为输入和输出器件。
目前光耦多数是由无机发光器件和无机光敏器件组成，是建立在无机单晶半导体技术上的器件，不但成本比较高，而且很难集成到柔性基底上。
随着有机半导体材料的迅速发展，有机半导体器件的性能得到了大幅度的提高，在一定范围可以与无机半导体器件相媲美，相关的有机半导体器件有很多已经大批量商品化，比如利用有机光导材料的复印机上光导鼓、有机发光二极管阵列显示器件和有机薄膜晶体管以及有机太阳能电池。
有机电致发光显示器件和有机晶体管器件的发展使得有机光耦的实现成为可能。
有一篇Motorola公司申请并于2002年3月7日公开的专利US20020027206，其中介绍了用有机发光显示器作为电转化为光的部件的一种光耦器件，但是该光耦器件的光转换为电的部分仍旧使用无机半导体功能部件。
发明内容：
结合上文中提到的现有光耦器件由于使用的材料及其结构上存在的缺陷和不足，本发明要解决的技术问题是利用有机半导体材料代替无机半导体材料制备高性能的有机光耦器件。
本发明的有机光耦器件，其组成部分包括：把已知控制信号转换成光信号的部件A部分，把部件A发出的光信号转换成可检测电信号的部件B部分，以及位于部件A部分和部件B部分之间的连接部分，其中部件A部分和部件B部分均为有机半导体器件。
本发明的有机光耦器件，部件A部分优选为有机电致发光器件，可以为有机小分子电致发光器件或者为有机聚合物电致发光器件。
本发明的有机光耦器件，部件B部分优选为有机光敏电阻、有机光敏二极管、有机光敏三极管或有机光敏晶体管中的一种。
本发明的有机光耦器件，可以应用在生物仿真领域、医疗机械领域、纤维智能领域、智能军装和武器领域。
本发明涉及的有机光耦是一种利用全有机半导体的器件，制备工艺简单，可大面积制备，因此会极大地降低成本，另外还可以集成在柔性基底上，本发明开拓了光耦在生物仿真、医疗机械方面的应用，特别是在柔性和纤维智能领域有广阔应用前景，还可以应用于智能军装、武器等方面，更具有特殊的意义。
附图说明：
图1为有机光耦器件的信号传输流程图；
图2为有机电致发光器件结构图；
图3为有机光敏电阻的器件结构图；
图4为有机光敏晶体管的结构图；
图5为实施例1的有机光耦器件结构图及其表示符号；
图6为实施例1中有机电致发光器件的输入电流和输出光亮度特性图；
图7为实施例1中并五苯光敏电阻的输入光亮度和输出光电流特性图；
图8为实施例1中有机光耦输入—输出电流密度特性图；
图9中(a)、(b)、(c)是三种有机光敏二极管结构；
图10为有机光敏三极管结构图。
具体实施方式：
本发明的有机光耦器件的信号传输流程图如附图1所示，其的制备方法如下：
部件A部分优选是一种有机电致发光器件，可以是一种有机小分子电致发光器件，也可以是一种有机聚合物电致发光器件，器件结构如附图2所示：
其中21基底，通常的基底为透明基片，可以是玻璃或是柔性基片，柔性基片采用聚酯类、聚酰亚胺类化合物中的一种材料，可以包括聚碳酸脂(PC)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等；如果制备使用从阴极发光的OLED器件，其基底可为不透明的基片，如金属、陶瓷、半导体基片等。
22为基底上的阳极层，可以采用无机材料或有机导电聚合物，无机材料一般为氧化铟锡(以下简称ITO)、氧化锌、氧化锡锌等金属氧化物或金、铜、银等功函数较高的金属，最优化的选择为ITO，有机导电聚合物优选为聚噻吩/聚乙烯基苯磺酸钠(以下简称PEDOT:PSS)、聚苯胺(以下简称PANI)中的一种材料；如果想制备从阴极发光的OLED器件，也可使用金属薄膜作为阳极材料；
23是空穴注入层，其材料可以采用铜酞菁(CuPc)；
24是空穴传输层，可以采用芳胺类和枝聚物族类低分子材料，优选为N，N’-二-(1-萘基)-N，N’-二苯基-1，1-联苯基-4，4-二胺(NPB)；
25是发光层，一般采用小分子材料，可以为荧光材料，如金属有机配合物，可选自三(8-羟基喹啉)铝(Alq3)、(水杨醛缩邻胺苯酚)-(8-羟基喹啉)合铝(III)(Al(Saph-q))类化合物，该小分子材料中可掺杂有染料，掺杂浓度为小分子材料的0.01wt％～20wt％，染料一般为芳香稠环类材料，如5，6，11，12-四苯基并四苯(简称rubrene)，香豆素类材料，如N，N’-二甲基喹吖啶酮(简称DMQA)、10-(2-苯并噻唑)-1，1，7，7，-四甲基-2，3，6，7-四氢-1H，5H，11H-苯并[1]吡喃[6，7，8-ij]喹啉嗪(简称C545T)，或为双吡喃类材料，如4-4-二氰基亚甲基-2-叔丁基-6-(1，1，7，7-四甲基-久洛尼定-9-乙烯基)-4H-吡喃(简称DCJTB)；发光层材料也可采用咔唑衍生物如4，4’-N，N’-二咔唑-联苯(简称CBP)、聚乙烯咔唑(PVK)，该材料中可掺杂磷光染料，如三(2-苯基吡啶)铱(Ir(ppy)3)，二(2-苯基吡啶)(乙酰丙酮)铱(Ir(ppy)2(acac))，八乙基卟啉铂(PtOEP)等；
26是阴极金属层，其材料一般采用锂、镁、钙、锶、铝、铟等功函数较低的金属或它们与铜、金、银的合金，或金属与金属氟化物交替形成的电极层，如果将该阴极金属层制备得足够薄，或者也使用ITO作为阴极，有机电致发光器件所发出的光就可以透过该层射出。
部件B部分可以是有机光敏电阻、有机光敏二极管、有机光敏三极管、有机光敏晶体管。
有机光敏电阻的结构如附图3所示，包括基底31、有机绝缘层32、光敏电阻层33和金属电极34、35。其中，基底可为玻璃也可为聚酯类、聚酰亚胺类的柔性材料。
当入射光照射到有机光敏半导体上时，光敏半导体吸收入射光子的能量通过本征激发产生电子—空穴对，使载流子浓度增加，从而使得半导体的电导率增加。这种由光照引起半导体导电率增加的现象称为光电导效应。光敏电阻就是利用半导体材料的光电导效应制成的光敏元件。
有机光敏晶体管的结构如附图4中所示，包括基底41、辅助栅极42、有机绝缘层43、有机光敏半导体44、漏极金属层45和源极金属层46。其中，基底可为玻璃也可为聚酯类、聚酰亚胺类的柔性材料；辅助栅极，可为无机材料或有机导电聚合物，优选为ITO；有机绝缘层材料可选用聚酯类材料，优选为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；有机光敏半导体材料可选用铜酞菁；漏极金属和源极金属材料可使用金属金。
当光照到光敏晶体管中的有机半导体铜酞菁上时产生光生载流子，使得晶体管导电沟道中的载流子浓度增加，从而使得在相同漏源电压下的漏极电流增加。附图4中有辅助栅极，该电极对源极加正电压可以在晶体管的导电沟道中感生出更多空穴载流子，使得输出电流增加，还会使得器件的光灵敏度增加。有些光敏晶体管也可能没有辅助栅极。
有机光敏二极管的结构中有多种，其中可以包括p-n结型光敏二极管、金属—有机半导体型光敏二极管和p-i-n型有机光敏二极管等。附图9中(a)、(b)、(c)是三种有机光敏二极管结构图。
其中(a)是p-n结型光敏二极管结构原理图，图中9a1和9a2分别表示p型和n型有机半导体，比如p型半导体可用CuPc，n型半导体可用Alq。由于p型半导体和n型半导体接触后p型半导体中的多子空穴向n型半导体中扩散，n型半导体中的多子电子向p型半导体扩散，从而形成一个内建电场区，如图中9a3所示区域。当光照射在有机半导体上时，就产生光生载流子，光生空穴和电子载流子在内建场的作用下发生分离，分别漂移到p型半导体和n型半导体端，形成光电流。如果在p-n结的两端加上和内建场一致的电压，如图中9a4所示，会收集更多的光生载流子，最后达到饱和。饱和后光电流的大小就与光照的强度相关。图中9a5和9a6表示二极管的引出电极。
图9(b)是金属—有机半导体型光敏二极管结构图，9b1表示有机光敏半导体，比如并五苯、红荧烯、偶氮苯类有机光电材料等，厚度在5-100nm之间。9b2表示金属电极，材料可用Ca:Ag或Mg:Ag合金，其厚度在20-300nm之间。由于金属的功函数和有机半导体的功函数有差异，在金属—有机半导体界面上产生了肖特基势垒，当光照有机半导体时，产生的光生载流子在势垒的作用下分离产生界面电势或形成光电流。9b3表示引出电极，材料可为透明的ITO电极或者金电极，其厚度在2-10nm之间。
图9(c)是p-i-n型有机光敏二极管结构示意，其中9c1表示传输空穴的p型半导体层，材料可用CuPc，厚度可在5-100nm之间，；9c2表示可以传输电子的n型半导体，材料可用4，7-二苯基-1，10-邻菲咯啉(简称Bphen)，其厚度在5-100nm间；9c3是一种绝缘材料，可为有机钌金属(简称N3)，厚度在10-200nm间；9c1、9c2、9c3材料的能级要匹配，使得光生空穴载流子能够自动通过绝缘层传递到p型半导体材料再传到阳极，同时使得光生电子能够自动通过绝缘层传递到n型半导体材料再传到阴极。其中9c4是透明或半透明电极可为ITO或Mg:Ag合金电极，厚度在2-10nm之间；9c5是表示二极管的电极，材料可用Ag或Au等，厚度为20-300nm之间。
有机光敏三极管的结构包括发射极半导体层、基极半导体层、基电极半导体层和两个电极。附图10是一种有机光敏三极管结构，101是发射极半导体层，材料可使用Alq3，厚度在10-100nm间；102是基极半导体层，材料可选用CuPc，厚度在10-100nm间；103是集电极半导体层，材料可选用2，3，6，7-四甲基-9，10-(2-二奈基)-蒽(以下简称β-TMADN)，厚度为10-100nm之间。发射极半导体层101和基极半导体层102组成一个光二极管结构，当有光照射时，光生电子在光二极管内建电场的作用下向发射极漂移，光生空穴向基极漂移，由于基极层很薄，光生空穴很容易就到达基极和集电极界面，在外界电压106的作用下，集电极和基极间施加的是正向电场，光生空穴载流子就在外加电场的作用下漂移到集电极。104和105分别是三极管的两个金属电极，厚度为20-300nm。
本发明的有机光耦中，部件A部分和部件B部分的连接方式有三种，一种是部件A和B共用同一个基底，A和B分别位于基底的两个面，该基底即同时作为连接A和B的电绝缘部件；另一种是部件B位于部件A的顶部，在A和B之间有一层由透光绝缘材料形成的电隔离部件，当然，部件B的基底，也可以同时作为此电隔离部件；还有一种，是部件A位于部件B的顶部，在A和B之间有一层由透光绝缘材料形成的电隔离部件，当然部件A的基底也可以同时作为此电隔离部件。当部件A和部件B均制备成柔性器件时，可以也把A和B之间的电绝缘部件制备成柔性器件，从而保证整个电耦为柔性的。
实施例1：
制备一种由有机电致发光显示器(OLED)和并五苯光敏电阻结合在一起的有机光耦器件，其结构示意图及其表示符号如附图5所示，其中51是玻璃基底，52是OLED器件，53是并五苯光敏电阻器件，54是该有机光耦的一种电路表示符号。
该有机光耦器件的制备工艺步骤如下：首先在玻璃基底51上制备OLED器件52，然后在玻璃基底51的另一面制备并五苯光敏电阻器件53。
首先在玻璃基底上制备一层透明的氧化铟锡(ITO)导电薄膜，利用光刻的方法把ITO制备成需要的图形作为OLED的阳极；经过清洗后，利用真空蒸镀的方法，在ITO电极上沉积100nm的铜酞菁作为空穴载流子的注入缓冲层；然后利用真空蒸镀的方法，在CuPc上沉积20nm的NPB空穴载流子的传输层；再继续利用真空中二源共蒸的方法，蒸镀30nm Alq3和C545T，C545T是一种绿光染料，它作为该OLED器件的发光材料，在Alq3中的掺杂比例为0.8％(体积)；之后，再真空蒸镀的方法蒸镀20nm的Alq3，作为阴极电子传输层；然后真空蒸镀的方法沉积0.7nm的LiF作为电子注入层；最后，再真空蒸镀150nm的Al电极，作为OLED器件的阴极。这样整个OLED器件制备完成。附图6是该OLED器件的输入电流—发光亮度特性曲线图，由图可见，输入电流信号与输出的光亮度信号成线性关系。
然后在玻璃基底的另一面先利用旋涂的方法沉积一层50nm聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为有机绝缘层，然后再利用真空蒸镀的方法沉积50nm并五苯薄膜作为光敏电阻层，最后，再利用模板，真空蒸镀沉积两个Au电极，作为并五苯光敏电阻的电极。附图7是该光敏电阻的输入光亮度—输出光电流特性曲线图，从图中可见，该光敏电阻的输入光信号和输出光电流信号有很好的线性关系。
本实施例中，作为光耦部件A的OLED器件接收了已知的电信号后，向玻璃基底面发出了光，此光信号被作为光耦部件B的并五苯光敏电阻接收，然后将其转换成了可检测的电信号再发出。附图8是整个有机光耦的输入电流密度信号和输出电流密度信号间的关系。从图可见该器件的输入和输出有非常好的线性关系，可以与现有技术中的无机光耦器件相媲美。
实施例2：
制备一种由有机电致发光显示器(OLED)和有机光敏二极管结合在一起的有机光耦器件。该有机光耦器件的制备工艺步骤如下：首先在基底上制备OLED器件，然后在基底的另一面制备有机光敏二极管。
OLED器件的制备方法可参见实施例1，除其基底部分的材料采用聚酰亚胺外，其它各部分的材料和制备工艺都与实施例1相同。有机光敏二极管可以有三种结构选择，其制备方法分别如下所述：
(a)：p-n结型光敏二极管的一种制备方法如下：在作为共用基底的聚酰亚胺的另一面上蒸镀形成一薄层透明的金电极，厚度为5nm，此作为光敏二极管的一个引线电极，再在该电极薄膜上蒸镀沉积p型半导体材料CuPc，厚度为10nm，然后在该薄膜上再沉积Alq薄膜作为n型半导体材料，厚度为10nm，再在该薄膜上沉积5nm的金电极。
(b)：金属—有机半导体型光敏二极管的一种制备方法是，在作为共用基底的聚酰亚胺的另一面上蒸镀形成一薄层透明的金电极，厚度为2nm，作为光敏二极管的一个引线电极，再在该电极上蒸镀沉积有机光敏半导体材料红荧烯薄膜，厚度为50nm，然后在再其上蒸镀沉积构成肖特基势垒的金属Ca:Ag电极，厚度为200nm。
(c)：p-i-n型有机光敏二极管结构的一种制备方法是，在作为共用基底的聚酰亚胺的另一面上蒸镀形成一层Mg:Ag电极，厚度为2nm，作为光敏二极管的一个引线电极，再在该电极上沉积n型有机半导体Bphen，厚度为80nm，再沉积有机光敏材料N3，厚度为100nm，再沉积有机p型半导体CuPc，厚度为50nm，再沉积金属Ag或Au电极，厚度为100nm。
本实施例中，作为光耦部件A的OLED器件接收了已知的电信号后，向其基底面发出了光，此光信号被作为光耦部件B的有机光敏二极管接收，然后将其转换成了可检测的电信号再发出。因为此有机光耦的基底使用了有机聚合物柔性材料，所以整个光耦都是柔性可弯曲的，大大拓展了光耦的广阔领域。
实施例3：
制备一种由有机电致发光显示器(OLED)和有机光敏晶体管结合在一起的有机光耦器件。该有机光耦器件的制备工艺步骤如下：首先使用陶瓷片作为基底，在其上制备OLED器件，然后继续在OLED器件的顶部制备有机光敏晶体管。
OLED器件的制备方法可参见实施例1，其基底部分的材料采用陶瓷片，其阳极材料采用15-200nm的Ag真空蒸镀制备而成，其阴极材料采用20nm的Mg:Ag蒸镀制备而成，其它各部分的材料和制备工艺都与实施例1相同。
有机光敏晶体管的一种制备方法包括：在有机电致发光器件的顶部透明金属电极上形成一层30nm的聚酯薄膜，再在此层薄膜上蒸镀形成10nm的ITO作为辅助栅极，再在该栅极上沉积500nm绝缘材料层PMMA作为栅极绝缘层，再沉积光敏有机半导体铜酞菁，厚度为80nm，再通过mask模板沉积漏源金属电极材料Ag或Au电极，厚度为200nm。
有机光敏晶体管的的另一种制备方法包括：在有机电致发光器件的顶部透明电极上形成一层30nm的聚酯薄膜，再在此层薄膜上利用mask形成一种金属电极层，厚度为250nm，作为漏源电极，再沉积一层光敏有机半导体层铜酞菁，厚度为100nm，再沉积600nm绝缘层PMMA，再沉积金属层Ag电极，厚度为200nm。
本实施例中，作为光耦部件A的OLED器件接收了已知的电信号后，从其顶部电极ITO面发出了光，此光信号被作为光耦部件B的有机光敏晶体管接收，然后将其转换成了可检测的电信号再发出。如果将OLED使用基底材料换为柔性的有机聚合物材料，此有机光耦就为整体柔性的了。
实施例4：
制备一种由有机电致发光显示器(OLED)和有机光敏三级管结合在一起的有机光耦器件。该有机光耦器件的制备工艺步骤如下：首先使用玻璃作为基底，在其上制备有机光敏三极管器件，然后继续在光敏三极管器件的顶部制备有机电致发光器件。
该类有机光敏三极管的一种制备方法是，在玻璃基底上形成一层Mg:Ag电极，厚度为30nm，作为光敏三极管的发射极引线电极，再在该电极上蒸镀沉积n型有机半导体Alq3，厚度为100nm，再继续蒸镀沉积有机p型半导体材料CuPc，厚度为100nm，接着再蒸镀沉积有机n型半导体β-TMADN，厚度为100nm，最后再沉积ITO电极，厚度为100nm。
OLED器件的制备方法，在有机光敏三极管的顶部ITO电极上形成一层30nm的聚酯薄膜，再在此层薄膜上继续蒸镀形成10nm的ITO作为OLED的阳极，OLED其它各部分的材料和制备工艺都与实施例1相同。
本实施例中，作为光耦部件A的OLED器件接收了已知的电信号后，从其底部电极ITO面发出了光，此光信号被位于其底部的作为光耦部件B的有机光敏三级管接收，然后将其转换成了可检测的电信号再发出。如果将有机光敏三极管使用基底材料换为柔性的有机聚合物材料，此有机光耦就为整体柔性的了。
尽管结合优选实施例对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上述实施例，应当理解，所附权利要求概括了本发明的范围，在本发明构思的引导下，本领域的技术人员应意识到，对本发明的各实施例方案所进行的一定的改变，都将被本发明的权利要求书的精神和范围所覆盖。
Claims (9)
1.一种光耦器件，包括接收已知电信号并将其转换成光信号的部件A部分，接收部件A发出的光信号并将其转换成可检测电信号的部件B部分，以及部件A部分和部件B部分之间的电绝缘连接部分，其特征在于，所述部件A部分和部件B部分均为有机半导体器件。
2.根据权利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述部件A部分为有机电致发光器件。
3.根据权利要求2所述的光耦器件，其特征在于所述部件A部分为有机小分子电致发光器件或者为有机聚合物电致发光器件。
4.根据权利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述部件B部分为有机光敏电阻、有机光敏二极管、有机光敏三极管或有机光敏晶体管中的一种。
5.根据权利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述部件A和B共同使用一个基底，A和B分别位于基底的两个面，该基底同时作为连接部件A和部件B的电绝缘部件。
6.根据权利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述部件B位于部件A的顶部，部件B的基底同时作为连接部件A和部件B的电绝缘部件。
7.根据权利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述部件A位于部件B的顶部，部件A的基底同时作为连接部件A和部件B的电绝缘部件。
8.根据权利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述部件A和部件B均为柔性器件，部件A和部件B之间的电绝缘部件也为柔性材料。
9.根据权利要求1所述的光耦器件，可以应用在生物仿真领域、医疗机械领域、纤维智能领域、智能军装和武器领域。
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