DE102022122954A1

DE102022122954A1 - Optoelektronisches Bauelement mit integrierter Aperturmaske

Info

Publication number: DE102022122954A1
Application number: DE102022122954.8A
Authority: DE
Inventors: Rico Meerheim; David Wynands; Matthias Jahnel; Robert Brückner
Original assignee: Senorics GmbH
Current assignee: Senorics GmbH
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2022-09-09
Publication date: 2024-03-14
Also published as: WO2024052162A1

Abstract

Um den inhomogenen Randbereich (503) organischer optoelektronischer Bauelemente (1, 1'), durch den Artefakte im Photosignal der Bauelemente verursacht werden, abzuschatten, wird bekanntermaßen nach Abscheidung aller Schichten eines Bauelements eine Aperturmaske auf dessen Verkapselung aufgeklebt. Die Ausrichtung der Aperturmaske stellt nicht nur einen zusätzlichen Arbeitsschritt, sondern auch eine erhebliche Fehlerquelle dar. Diese Nachteile werden bei der Erfindung dadurch überwunden, dass mindestens eine strahlungsabweisende Schicht (3), die den Randbereich (503) eines Photodetektors (5) des optoelektronischen Bauelements (1, 1'), aber nicht mehr als 30 % dessen selektiver Fläche (502) abdeckt, bevorzugt mittels eines Beschichtungsverfahrens direkt auf eine die gesamte sensitive Fläche (501) bedeckende Strahlungseinkoppelungsschicht (4) abgeschieden wird, so dass die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht (3) stoffschlüssig mit der Strahlungseinkoppelungsschicht (4) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement in Form eines Schichtstapels, aufweisend einen Photodetektor mit einer sensitiven Fläche, die aus einer selektiven Fläche und einem die selektive Fläche umschließenden Randbereich gebildet ist, wobei der Photodetektor zumindest eine photoaktive Schicht zwischen zwei voneinander beabstandeten Elektroden umfasst, wobei die in Beleuchtungsrichtung vor der zweiten Elektrode angeordnete erste Elektrode zumindest semitransparent für elektromagnetische Strahlung mit zu detektierenden Wellenlängen ist.
Photodetektoren dienen dem qualitativen und/oder quantitativen Nachweis elektromagnetischer Strahlung. Die Detektion kann spektral selektiv erfolgen, wobei Strahlung in einem vordefinierten, spezifischen Wellenlängenbereich nachgewiesen wird. In der photoaktiven Schicht eines Photodetektors wird elektromagnetische Strahlung in Ladungsträgerpaare aus Elektronen und Defektelektronen (Löchern) umgewandelt. Organische Photodetektoren weisen typischerweise eine photoaktive Schicht auf, die eine organische Elektrondonor-Verbindung (kurz Donor-Verbindung oder Donor, D), also ein Material, welches Elektronen abgibt und Defektelektronen bzw. Löcher aufnimmt, und eine organische Elektronakzeptor-Verbindung (kurz Akzeptor-Verbindung oder Akzeptor, A), also ein Material, welches Elektronen aufnimmt, enthält. Die zur Erzeugung eines elektrischen Signals notwendige Trennung der Ladungsträgerpaare kann an der Grenzfläche zwischen Donor und Akzeptor erfolgen. Nach der Trennung eines Ladungsträgerpaars werden die Löcher im Donor und die Elektronen im Akzeptor zu den Elektroden transportiert.
Die photoaktive Schicht des Photodetektors kann z. B. eine Mischschicht aus einem Donor- und einem Akzeptor-Material, häufig als „D:A blend“ oder „bulk heterojunction blend“ bezeichnet, enthalten.
Ein Photodetektor ist üblicherweise zur Detektion einer bestimmten oder mehrerer bestimmter Wellenlängen bzw. eines bestimmten oder mehrerer bestimmter Wellenlängenbereiche des Gesamtspektrums der elektromagnetischen Strahlung ausgelegt, welche im Folgenden als „zu detektierende Wellenlängen“ oder „zu detektierender Wellenlängenbereich“ bezeichnet werden. Die zu detektierenden Wellenlängen werden z. B. durch die Bandlücke zwischen dem höchsten besetzten Orbital (HOMO) und dem niedrigsten unbesetzten Orbital (LUMO) der Donor- und der Akzeptor-Verbindung bestimmt. Auch eine direkte optische Anregung eines intermolekularen Ladungstransfer-Zustands (CT-Zustands) an einer Grenzfläche zwischen einer Donor- und einer Akzeptor-Verbindung kann erfolgen. Die Donor- und die Akzeptor-Verbindung müssen dabei nicht notwendigerweise für sich genommen im zu detektierenden Wellenlängenbereich absorbieren, d. h. die Bandlücke zwischen dem höchsten besetzten Orbital (HOMO) und dem niedrigsten unbesetzten Orbital (LUMO) sowohl der Donor- als auch der Akzeptor-Verbindung müssen nicht notwendigerweise einem im zu detektierenden Wellenlängenbereich liegenden Energieäquivalent entsprechen. Vielmehr entspricht die über den CT-Zustand absorbierbare Energie eines Photons der elektromagnetischen Strahlung im Wesentlichen der Differenz zwischen dem energetisch höher liegenden HOMO der einen Verbindung und dem energetisch niedriger liegenden LUMO der anderen Verbindung, oder liegt sogar etwas niedriger als diese Differenz.
Durch laterale Abweichungen in der Dicke der photoaktiven Schicht eines Photodetektors kann es, ganz besonders, wenn dessen photoaktive Schicht zwischen zwei Spiegelflächen, also innerhalb einer optischen Mikrokavität, angeordnet ist, zu Artefakten in der spektralen Antwort des Photodetektors kommen, was wiederum zu Ungenauigkeiten oder Fehlern bei der Auswertung des Photosignals führen kann. Als „Dicke“ einer Schicht wird dabei die Ausdehnung der Schicht in der Richtung parallel zur Oberflächennormalen der Schicht bezeichnet, die im Wesentlichen auch der Beleuchtungsrichtung entspricht.
Als „laterale Richtung“ wird dementsprechend eine Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Dicke bestimmt wird, bezeichnet.
Die Beleuchtungsrichtung entspricht der Haupteinstrahlungsrichtung der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung auf das optoelektronische Bauelement nach deren Wechselwirkung mit der zu untersuchenden Probe.
Bei der Abscheidung organischer Schichten, z. B. durch ein PVD-Verfahren wie das thermische Verdampfen, kommt es besonders häufig zu unkontrollierbaren Dickenabweichungen im Randbereich der photoaktiven Schicht, da die Abscheidung der organischen Schicht nicht so erfolgen kann, dass sie sich mit ideal gleichbleibendem, z.B. ideal quaderförmigen, Querschnitt ausbildet. Der Randbereich umfasst einen Übergangsbereich bis zum Erreichen der vollständigen, gewünschten Schichtdicke, wobei der Anstieg der Schichtdicke regelmäßig nicht notwendigerweise linear, aber homogen erfolgt. Der Bereich, in dem Dickenabweichungen bei der Abscheidung auftreten, hat üblicherweise eine laterale Ausdehnung von einigen 10 µm bis ca. 150 µm, z. B. 50 µm. Die Ausrichtung von Schichtabscheidungsmasken kann typischerweise allerdings nur mit einer Genauigkeit von wenigen 100 µm, z. B. 200 µm, erfolgen, so dass es zu einer unerwünschten Schichtdickenvariation durch einen Versatz von Abscheidungsmasken untereinander in einem Randbereich mit einer lateralen Ausdehnung zwischen etwa 50 µm bis etwa 300 µm kommen kann. Diese Abweichungen können zu Artefakten führen und damit das Photosignal negativ beeinflussen. Insbesondere bei Photodetektoren mit optischen Mikrokavitäten kann ein unerwünschter, nichtselektiver Anteil am Photosignal auch durch Einstrahlung in Bereiche des Photodetektors, die nicht zwischen den Spiegelflächen angeordnet sind, entstehen. Um die vorgenannten unerwünschten Effekte zu vermeiden, wird der Randbereich bekanntermaßen durch eine im zu detektierenden Wellenlängenbereich strahlungsundurchlässige Maske abgedeckt. Die Maske besteht üblicherweise aus einem metallischen Material und weist Aperturen in Form und Abmessungen der selektiven Fläche des Photodetektors auf, um die selektive Fläche des Photodetektors und damit die zur Detektion zur Verfügung stehende Strahlungsleistung im Wesentlichen nicht zu verringern.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Aperturmasken werden nachträglich, also nach vollständiger Abscheidung aller Schichten des Photodetektors und dessen Verkapselung, auf dem Photodetektor angeordnet, müssen also mikrometergenau platziert und befestigt, z. B. auf die Verkapselung geklebt, werden.
Nachteilig daran ist der hohe Nachbearbeitungsaufwand, der nach der Fertigung der Photodetektoren entsteht, wobei die Platzierung der Aperturmaske außerdem eine signifikante Fehlerquelle darstellt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die genannten Nachteile zu überwinden und ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen, das keinen Nachbearbeitungsaufwand durch nachträgliches Platzieren einer Aperturmaske erfordert.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1, eine zugehörige Anordnung von optoelektronischen Bauelementen nach Anspruch 5, ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach Anspruch 6 und die Verwendung des optoelektronischen Bauelements oder der Anordnung nach Anspruch 7. Weiterbildungen der Erfindung sind in untergeordneten Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung erfüllt die Aufgabe dadurch, dass die Aperturmaske nicht mehr extern auf dem verkapselten Schichtstapel des Photodetektors angeordnet wird, sondern in den Schichtstapel integriert ist.
Das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement in Form eines Schichtstapels enthält mindestens einen Photodetektor, der zumindest eine photoaktive Schicht aufweist, die zwischen zwei voneinander beabstandeten Elektroden angeordnet ist. Durch die erste der beiden Elektroden erfolgt die Beleuchtung der photoaktiven Schicht, weshalb die erste Elektrode zumindest semitransparent für elektromagnetische Strahlung im zu detektierenden Wellenlängenbereich ausgebildet ist. Die sensitive Fläche des Photodetektors ist unterteilt in eine selektive Fläche und einen diese rahmenförmig umschließenden Randbereich.
Erfindungsgemäß ist vor dem Photodetektor mindestens eine Strahlungseinkoppelungsschicht angeordnet, die die sensitive Fläche des Photodetektors, also sowohl die selektive Fläche als auch den Randbereich, vollständig bedeckt. Vor der Strahlungseinkoppelungsschicht ist mindestens eine strahlungsabweisende Schicht angeordnet. „Strahlungsabweisend“ bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Schicht einen hohen Absorptionsgrad oder vorzugsweise einen hohen Reflexionsgrad für die auf das optoelektronische Bauelement auftreffende elektromagnetische Strahlung mit zu detektierenden Wellenlängen aufweist, bevorzugt einen Absorptionsgrad oder Reflexionsgrad von mindestens 80 %, besonders bevorzugt von mindestens 90 %, ganz besonders bevorzugt von mindestens 95 %. Die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht ist stoffschlüssig mit der Strahlungseinkoppelungsschicht verbunden. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht durch ein Beschichtungsverfahren untrennbar mit der Strahlungseinkoppelungsschicht verbunden, z. B. durch thermisches Verdampfen. Die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht ist so angeordnet, dass sie zumindest Anteile des Randbereichs des Photodetektors, aber nicht mehr als 30 % dessen selektiver Fläche bedeckt. Dem Fachmann ist dabei klar, dass typische Ausrichtungsgenauigkeiten der Masken für die Schichtabscheidung es nicht zulassen, eine geringe Bedeckung auch der selektiven Fläche zu verhindern. Bevorzugt bedeckt die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht nicht mehr als 20 % der selektiven Fläche des Photodetektors, besonders bevorzugt nicht mehr als 10 %.
Ein erfindungsgemäßes optoelektronisches Bauelement kann mehrere lateral zueinander versetzt angeordnete strahlungsabweisende Schichten aufweisen.
Die strahlungsabweisende Schicht schirmt den durch sie abgedeckten Randbereich des Photodetektors gegen elektromagnetische Strahlung ab, so dass dieser im Wesentlichen nicht zur Signalgenerierung im Photodetektor beiträgt. Durch die strahlungsabweisende Schicht wird also eine definierte Apertur bereitgestellt, durch die die selektive Fläche des Photodetektors beleuchtet wird, wobei die photoaktive Schicht des Photodetektors unterhalb der selektiven Fläche eine hinreichend homogene Dicke aufweist.
Unter der „selektiven Fläche“ des Photodetektors ist im Sinne der Erfindung die für die einfallende elektromagnetische Strahlung mit zu detektierenden Wellenlängen empfindliche, lateral ausgedehnte Fläche des Photodetektors zu verstehen, unterhalb derer die photoaktive Schicht des Photodetektors eine hinreichend homogene Dicke aufweist, so dass keine Artefakte aufgrund von Dickenabweichungen in der spektralen Antwort verursacht werden.
Die „sensitive Fläche“ des Photodetektors ist im Sinne der Erfindung die für die einfallende elektromagnetische Strahlung mit zu detektierenden Wellenlängen empfindliche, lateral ausgedehnte Fläche des Photodetektors, innerhalb der einfallende elektromagnetische Strahlung zu einem messbaren Photosignal führt. Dieses messbare Photosignal kann sowohl von elektromagnetischer Strahlung mit zu detektierenden Wellenlängen hervorgerufen werden als auch einen unerwünschten Anteil enthalten, der von elektromagnetischer Strahlung mit anderen als den zu detektierenden Wellenlängen hervorgerufen wird.
In diesem Sinne entspricht der „Randbereich“ dem Anteil der sensitiven Fläche des Photodetektors, der nicht der selektiven Fläche zuzuordnen ist.
Die Richtungs- bzw. Ortsangaben „vor“, „nach“ und „unterhalb“ beziehen sich auf die Beleuchtungsrichtung. Ist eine erste Schicht also „vor“ einer zweiten Schicht angeordnet, trifft die einfallende elektromagnetische Strahlung zuerst die erste Schicht und danach die zweite Schicht.
Einem optoelektronischen Bauelement oder einer Anordnung von mehreren optoelektronischen Bauelementen kann ein Beleuchtungssystem zugeordnet sein, das elektromagnetische Strahlung, z. B. mit zu detektierenden Wellenlängen, emittiert. Die Detektion der elektromagnetischen Strahlung erfolgt mit dem optoelektronischen Bauelement entweder nach Reflexion an der zu untersuchenden Probe oder nach Transmission durch diese.
Eine der beiden Elektroden des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements, im Sinne der Erfindung als „erste Elektrode“ bezeichnet, ist so ausgebildet, dass eine Beleuchtung des optoelektronischen Bauelements durch diese Elektrode erfolgen kann. Zum Beispiel ist die erste Elektrode transparent zumindest für die zu detektierenden Wellenlängen ausgebildet.
Falls die erste Elektrode eine spiegelnd ausgebildete Fläche aufweist, die eine Spiegelfläche einer optischen Mikrokavität darstellt, kann die erste Elektrode semitransparent zumindest im zu detektierenden Wellenlängenbereich ausgebildet sein, so dass zumindest Strahlung im zu detektierenden Wellenlängenbereich durch die erste Elektrode transmittieren kann, aber auch von der spiegelnd ausgebildeten Fläche der Elektrode reflektiert wird.
Je nach Beleuchtungsrichtung und Konfiguration des optoelektronischen Bauelements kann die erste Elektrode die Bottom-Elektrode, also die Elektrode, die am nächsten am Substrat angeordnet ist, oder die Top-Elektrode, also die Elektrode, die weiter vom Substrat entfernt ist, sein.
Die erste und die zweite Elektrode können aus einem Schichtsystem aus mehreren übereinander angeordneten Einzelschichten bestehen. Beispielsweise kann eine Elektrode oder können beide Elektroden eine Spiegelschicht und/oder eine Schicht zur Verbesserung des Nukleationsverhaltens angrenzender Schichten aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes optoelektronisches Bauelement kann mit einer Ausleseeinheit zum Auslesen, bevorzugt auch zur Weiterverarbeitung, elektrischer Signale, die durch das optoelektronische Bauelement erzeugt werden, verbunden sein.
Das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement kann auf einem Substrat angeordnet sein, das steif, teilflexibel oder flexibel sein kann. Je nachdem, aus welcher Richtung das optoelektronische Bauelement beleuchtet werden soll, ist es zweckdienlich, das Substrat transparent zumindest für die zu detektierenden Wellenlängen auszuführen, um das optoelektronische Bauelement durch das Substrat hindurch beleuchten zu können.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements besteht darin, dass die Aperturmaske in Form der mindestens einen strahlungsabweisenden Schicht nicht extern auf das optoelektronische Bauelement aufgelegt und ausgerichtet werden muss, sondern dass die Aperturmaske als integraler Teil des Schichtstapels untrennbar in das optoelektronische Bauelement integriert ist. Es entsteht also kein Nachbearbeitungsaufwand durch nachträgliche Anordnung der Aperturmaske auf dem Schichtstapel, z. B. auf der Verkapselung, des optoelektronischen Bauelements.
Ein zusätzlicher Nutzen entsteht bei der Erfindung dadurch, dass die Strahlungseinkoppelungsschicht, die zur elektrischen Isolierung der ersten Elektrode des Photodetektors und der strahlungsabweisenden Schicht zwischen diesen beiden angeordnet ist, durch die Beeinflussung der Verteilung des optischen Felds und seiner Amplitude in der photoaktiven Schicht zu einer Erhöhung des Photosignals führt. Außerdem kann durch die Strahlungseinkoppelungsschicht die externe Reflexion der ersten Elektrode verringert werden.
Für die Strahlungseinkoppelungsschicht eignen sich Materialien, die im zu detektierenden Wellenlängenbereich eine möglichst hohe Transparenz sowie einen zur Erhöhung des Photosignals geeigneten Brechungsindex aufweisen, so wie beispielsweise, aber nicht ausschließlich, organische Halbleitermaterialien wie Alq₃ (Tris(8-hydroxyquinoline)aluminum(III)), BF-DPB (N,N'-Bis(9,9-dimethyl-9H-fluoren-2-yl)-N,N'diphenylbenzidine), C₆₀, etc.
Die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht besteht bevorzugt aus einem metallischen Material, besonders bevorzugt aus Aluminium. Alternativ bevorzugt besteht die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht aus einem dielektrischen Spiegelmaterial.
Vorzugsweise überragt eine strahlungsabweisende Schicht den Anteil des Randbereichs des Photodetektors, den sie abdeckt, typischerweise um einige 100 µm, beispielsweise 250 µm, aber ohne signifikant in die selektive Fläche des Photodetektors hineinzuragen, also z. B. ohne die selektive Fläche um mehr als 30 %, bevorzugt ohne sie um mehr als 20 %, besonders bevorzugt ohne sie um mehr als 10 % zu verkleinern.
Vorzugsweise überragt die Strahlungseinkoppelungsschicht die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht, typischerweise um einige 100 µm, beispielsweise 250 µm.
Der Photodetektor kann weitere Schichten aufweisen, die zwischen den beiden Elektroden des Photodetektors angeordnet sind. Vorzugsweise weist der Photodetektor als weitere Schichten Ladungsträgertransportschichten auf, z. B. eine Löchertransportschicht (HTL), die zwischen der photoaktiven Schicht und der löchersammelnden Elektrode, typischerweise der Top-Elektrode, angeordnet ist, und/oder eine Elektronentransportschicht (ETL), die zwischen der photoaktiven Schicht und der elektronensammelnden Elektrode, typischerweise der Bottom-Elektrode, angeordnet ist. Zur Verbesserung der Transporteigenschaften weist die ETL häufig eine n-Dotierung auf; die HTL eine p-Dotierung. Zwischen der photoaktiven Schicht und einer dotierten Transportschicht kann zur Verbesserung der Ladungsträgerextraktion aus der photoaktiven Schicht eine undotierte Transportschicht eingefügt sein.
Das optoelektronische Bauelement kann eine Verkapselung aufweisen, um das Einwirken schädlicher Umwelteinflüsse zu vermindern. Durch Verkapselung und Substrat ist der Schichtaufbau des optoelektronischen Bauelements gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Der gesamte Schichtaufbau des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements befindet sich innerhalb der Verkapselung.
Außer den bereits erwähnten kann ein erfindungsgemäßes optoelektronisches Bauelement auch weitere Schichten aufweisen, z. B. optisch transparente Abstandshalterschichten.
Es gibt zwei wesentliche Konfigurationen zur Anordnung des Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements, die im Wesentlichen aus der Beleuchtungsrichtung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung resultieren.
In der Konfiguration „bottom illumination“ erfolgt die Beleuchtung des optoelektronischen Bauelements durch das Substrat und die Bottom-Elektrode hindurch. Die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht kann direkt auf ein Substrat, z. B. aus Glas oder Kunststoff, abgeschieden, z. B. aufgedampft, werden. Die Abscheidung erfolgt dabei nur dort, wo sich zumindest Anteile des Randbereichs des Photodetektors ausbilden, und, im Rahmen der Ausrichtungsgenauigkeit der Abscheidemasken, nicht dort, wo die selektive Fläche des Photodetektors angeordnet ist. Daran anschließend erfolgt die Abscheidung der Strahlungseinkoppelungsschicht, die sowohl auf der strahlungsabweisenden Schicht als auch auf dem Substrat erfolgt. Nachfolgend sind die erste, zumindest semitransparente Elektrode, hier die Bottom-Elektrode, sowie die weiteren Schichten des Photodetektors, abschließend mit der zweiten Elektrode, hier der Top-Elektrode, die undurchsichtig im zu detektierenden Wellenlängenbereich sein kann, angeordnet.
In der Konfiguration „top illumination“, in der die einfallende elektromagnetische Strahlung durch die Top-Elektrode in den Photodetektor eintritt, erfolgt die Abscheidung der Schichten des optoelektronischen Bauelements entgegengesetzt zur Beleuchtungsrichtung. Auf dem Substrat wird zunächst die zweite Elektrode, hier die Bottom-Elektrode, des Photodetektors abgeschieden, und auf der zweiten Elektrode die übrigen Schichten des Photodetektors, abschließend mit der ersten, zumindest semitransparenten Elektrode, hier der Top-Elektrode. An dieser ist, die selektive Fläche und den Randbereich des Photodetektors bedeckend, die Strahlungseinkoppelungsschicht angeordnet. An der Strahlungseinkoppelungsschicht ist im Randbereich des Photodetektors die strahlungsabweisende Schicht angeordnet. Da die Beleuchtung nicht durch das Substrat erfolgt, sondern durch die Top-Elektrode, kann dieses, genauso wie die Bottom-Elektrode, undurchsichtig im zu detektierenden Wellenlängenbereich sein.
Mehrere erfindungsgemäße optoelektronische Bauelemente können zu einer z. B. raster- oder zeilenförmigen oder beliebig anders ausgestalteten Anordnung zusammengefasst sein. Vorzugsweise unterscheiden sich die erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelemente der Anordnung in ihren zu detektierenden Wellenlängen, d. h. die Bauelemente sind zur Detektion sich voneinander unterscheidender Wellenlängenbereiche optimiert. Bevorzugt sind die mehreren optoelektronischen Bauelemente auf demselben Substrat angeordnet. Bei einer solchen Anordnung kann eine Strahlungseinkoppelungsschicht die sensitiven Flächen mehrerer Photodetektoren bedecken. Ebenso kann die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht die Randbereiche mehrerer Photodetektoren abdecken. Es können z. B. mehrere strahlungsabweisende Schichten lateral versetzt zueinander auf der Strahlungseinkoppelungsschicht oder auf dem Substrat abgeschieden werden. Eine erste strahlungsabweisende Schicht kann dann z. B. einen ersten Anteil des Randbereichs mehrerer Photodetektoren abdecken, und eine lateral versetzt zu der ersten angeordnete, zweite strahlungsabweisende Schicht kann einen zweiten Anteil des Randbereichs derselben mehreren Photodetektoren abdecken.
Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements werden eine Strahlungseinkoppelungsschicht und eine strahlungsabweisende Schicht durch ein Beschichtungsverfahren, z. B. das thermische Verdampfen, untrennbar miteinander verbunden. Erst danach erfolgt eine Verkapselung des optoelektronischen Bauelements.
Das erfindungsgemäße optoelektronische Bauelement oder die erfindungsgemäße Anordnung von optoelektronischen Bauelementen wird bevorzugt zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und NIR-Wellenlängenbereich (Wellenlängen zwischen 380 und 3000 nm) verwendet.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand von Figuren erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Dabei zeigt die

1 eine schematische Seitenansicht des Schichtstapels eines erfindungsgemäßen, durch das Substrat und die Bottom-Elektrode beleuchteten optoelektronischen Bauelements (bottom illumination);
2 eine schematische Seitenansicht des Schichtstapels eines erfindungsgemäßen, durch die Top-Elektrode beleuchteten optoelektronischen Bauelements (top illumination);
3 eine schematische Draufsicht auf eine rasterförmige Anordnung von vier erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementen;
4 einen Vergleich von Messungen der EQE an einer ersten rasterförmigen Anordnung von 16 erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementen mit unterschiedlichen zu detektierenden Wellenlängen, zum einen ohne Strahlungseinkoppelungsschicht und ohne integrierte Aperturmaske (4a), und zum anderen mit Strahlungseinkoppelungsschicht und mit integrierter Aperturmaske (4b);
5 einen Vergleich von Messungen der EQE an einer zweiten rasterförmigen Anordnung von 16 erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementen mit unterschiedlichen zu detektierenden Wellenlängen, zum einen mit Strahlungseinkoppelungsschicht und ohne integrierte Aperturmaske (5a), und zum anderen mit Strahlungseinkoppelungsschicht und mit integrierter Aperturmaske (5b).

1 zeigt eine Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements 1 mit bottom illumination. Das optoelektronische Bauelement 1 ist als Schichtstapel ausgebildet. Die Beleuchtung des optoelektronischen Bauelements 1 erfolgt mittels einer Beleuchtungsquelle (nicht dargestellt) nach Wechselwirkung mit der zu untersuchenden Probe (nicht dargestellt) durch das Substrat 2 hindurch in Beleuchtungsrichtung 100. Das Substrat 2, das z. B. ein Glas- oder Kunststoff- oder Silizium-Substrat sein kann, ist dementsprechend transparent für die auf das optoelektronische Bauelement 1 einfallende elektromagnetische Strahlung mit zu detektierenden Wellenlängen, z. B. Wellenlängen im NIR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums, ausgebildet.
Das Substrat 2 ist bereichsweise mit zwei lateral versetzt zueinander angeordneten, strahlungsabweisenden metallischen Schichten 3, z. B. aus Aluminium mit einer Dicke von 200 nm, bedampft. Zwischen den strahlungsabweisenden Schichten 3 und dem Photodetektor 5 ist eine Strahlungseinkoppelungsschicht 4 angeordnet, die aus einem organischen Halbleitermaterial besteht, z. B. aus dem Elektronentransportmaterial C₆₀, und typischerweise eine Dicke in der Größenordnung 100 nm, z. B. 200 nm oder 500 nm, hat. Der Photodetektor 5 weist eine erste Elektrode 51 (Bottom-Elektrode, elektronensammelnd) und eine zweite Elektrode 52 (Top-Elektrode, löchersammelnd) auf, zwischen denen, in Beleuchtungsrichtung 100 nacheinander folgend, eine Elektronentransportschicht (ETL) 53, die photoaktive Schicht 54 und eine Löchertransportschicht (HTL) 55 angeordnet sind. Die senkrecht zur Bildebene ausgerichtete sensitive Fläche 501 des Photodetektors 5 ist in eine selektive Fläche 502 und einen die selektive Fläche 502 umschließenden Randbereich 503 gegliedert. Dabei ist die strahlungsabweisende Schicht 3 zumindest an Anteilen des Randbereichs 503 angeordnet und überlappt diese, im Rahmen der Abscheidegenauigkeit, nur so, dass die selektive Fläche 502 nicht überstrichen wird. Der Randbereich 503 kann auch nur teilweise von der strahlungsabweisenden Schicht 3 bedeckt sein, d. h. nur Anteile des Randbereichs 503 sind abgedeckt, während andere Anteile des Randbereichs, insbesondere Anteile, die nur geringe Artefakte im Photosignal hervorrufen, da vor diesen Anteilen z. B. eine Elektrode angeordnet ist, nicht abgedeckt sein können. Die Strahlungseinkoppelungsschicht 4 bedeckt hingegen mindestens die gesamte sensitive Fläche 501 und überlappt diese zu allen Seiten.
Eine strahlungsabweisende Schicht 3 weist im zu detektierenden Wellenlängenbereich einen Reflexionsgrad von mindestens 80 %, besonders bevorzugt von mindestens 90 %, ganz besonders bevorzugt von mindestens 95 %, auf, so dass ein überwiegender Anteil der elektromagnetischen Strahlung, der auf den Bereich des optoelektronischen Bauelements 1 trifft, in dem eine strahlungsabweisende Schicht 3 angeordnet ist, reflektiert wird und somit nicht auf die der strahlungsabweisenden Schicht 3 nachgeordneten Schichten auftrifft, insbesondere nicht auf die photoaktive Schicht 54.
Bei dem in 2 dargestellten optoelektronischen Bauelement 1' fungiert die Top-Elektrode als erste Elektrode 51 und die Bottom-Elektrode als zweite Elektrode 52, d. h. das optoelektronische Bauelement 1' wird in Beleuchtungsrichtung 100 durch die Top-Elektrode 51 beleuchtet. Die Strahlungseinkoppelungsschicht 4 ist auf der Top-Elektrode 51 abgeschieden und bedeckt mindestens die gesamte sensitive Fläche 501. Die Strahlungseinkoppelungsschicht 4 kann z. B. das Löchertransportmaterial BF-DPB enthalten. Zwischen den beiden Elektroden 51, 52 des Photodetektors 5 ist die photoaktive Schicht 54 angeordnet. Zwischen der photoaktiven Schicht 54 und der löchersammelnden Top-Elektrode 55 enthält der Photodetektor 5 eine Löchertransportschicht (HTL) 55; zwischen der elektronensammelnden Bottom-Elektrode 52 und der photoaktiven Schicht 54 eine Elektronentransportschicht (ETL) 53. Die beiden strahlungsabweisenden Schichten 3 sind lateral versetzt zueinander auf der Strahlungseinkoppelungsschicht 4 angeordnet und bedecken nur zwei Anteile des Randbereichs 503 des Photodetektors 5, die sie lateral leicht überragen, aber, im Rahmen der Abscheidegenauigkeit, nicht in Richtung der selektiven Fläche 502. Es erfolgt eine Beleuchtung der photoaktiven Schicht 54 also nur unterhalb der selektiven Fläche 502 und nicht unterhalb des Randbereichs 503.
Ein erfindungsgemäßes optoelektronisches Bauelement mit top illumination kann z. B. folgende Abfolge von Schichten in den angegebenen Dicken aufweisen (Aufzählung entgegen der Beleuchtungsrichtung):

Substrat (1,1 mm Glas) - undurchsichtige Bottom-Elektrode mit Spiegelfläche (3 nm MoO₃ - 1 nm Au - 100 nm Ag) - ETL (50 nm n-dotiertes C₆₀ - photoaktive Schicht (300 nm C₆₀:ZnPc) - HTL (50 nm p-dotiertes MeO-TPD) - teiltransparente Top-Elektrode (3 nm MoO₃ - 1 nm Au - 20 nm Ag) - Strahlungseinkoppelungsschicht (200 nm C₆₀) - strahlungsabweisende Schicht (200 nm AI).

Nach vollständiger Abscheidung wird die Schichtenabfolge in inerter Atmosphäre mit einem Deckglas gegen die Umgebung abgeschlossen.
3 zeigt die Draufsicht in Beleuchtungsrichtung (z-Richtung, in die Zeichenebene hinein) einer 2x2-Anordnung 10 von vier Photodetektoren 5a, 5b, 5c, 5d mit top illumination auf demselben Substrat 2. Die sensitiven Flächen 501 aller vier Photodetektoren 5a, 5b, 5c, 5d werden vollständig von einer gemeinsamen Strahlungseinkoppelungsschicht 4 abgedeckt, welche die vier Photodetektoren 5a, 5b, 5c, 5d lateral in alle Richtungen (x, -x, y, -y) überragt. Die sensitive Fläche 501 jedes Photodetektors 5a, 5b, 5c, 5d ist in eine selektive Fläche 502 und einen rahmenförmigen Randbereich 503, der die selektive Fläche 502 umgibt, unterteilt, wie exemplarisch für den rechten oberen Photodetektor 5b gezeigt. Auf der gemeinsamen Strahlungseinkoppelungsschicht 4 sind drei strahlungsabweisende Schichten 3a, 3b, 3c angeordnet. Die strahlungsabweisende Schicht 3a deckt einen ersten der sich in x-Richtung erstreckenden Anteile des Randbereichs 503 der zwei in x-Richtung lateral zueinander versetzt angeordneten Photodetektoren 5a und 5b ab und überragt diesen in x-, -x- und -y-Richtung so, dass die selektive Fläche 502 der Photodetektoren 5a und 5b, im Rahmen der Abscheidegenauigkeit, nicht bedeckt, sondern vollständig beleuchtet wird. Die strahlungsabweisende Schicht 3c deckt einen ersten der sich in x-Richtung erstreckenden Anteile des Randbereichs 503 der zwei in x-Richtung lateral zueinander versetzt angeordneten Photodetektoren 5c und 5d ab und überragt diesen in x, -x- und y-Richtung so, dass die selektive Fläche 502 der Photodetektoren 5c und 5d, im Rahmen der Abscheidegenauigkeit, nicht bedeckt, sondern vollständig beleuchtet wird. Die strahlungsabweisende Schicht 3b deckt einen zweiten der sich in x-Richtung erstreckenden Anteile des Randbereichs 503 aller Photodetektoren 5a, 5b, 5c, 5d ab und überragt diesen jeweils in x- und -x-Richtung sowie in y-Richtung für die Photodetektoren 5c und 5d und in -y-Richtung für die Photodetektoren 5a und 5b, ohne, im Rahmen der Abscheidegenauigkeit, die selektive Fläche 502 der Photodetektoren 5a, 5b, 5c, 5d zu bedecken. Der sich in y-Richtung erstreckende Anteil des Randbereichs 503 der Photodetektoren 5a, 5b, 5c, 5d ist in 3 nicht von strahlungsabweisenden Schichten abgedeckt, da die Top-Elektrode zumindest teilweise vor diesem Anteil angeordnet ist, wodurch der sich in y-Richtung erstreckende Anteil deutlich weniger Artefakte hervorruft als der sich in x-Richtung erstreckende Anteil des Randbereichs, der nicht von der Top-Elektrode abgedeckt ist. Es versteht sich, dass eine Abdeckung dieses Anteils des Randbereichs 503 ebenfalls im Sinne der Erfindung ist.
Die 4a und 4b zeigen Messungen der EQE in Abhängigkeit von der Wellenlänge an einer ersten rasterförmigen Anordnung von 16 optoelektronischen Bauelementen, wobei jedes der Bauelemente für eine andere zu detektierende Wellenlänge optimiert ist, d. h., für jedes optoelektronische Bauelement weist die EQE ein Maximum bei einer anderen Wellenlänge auf, insgesamt also bei den 16 verschiedenen, in den beiden Fig. angegebenen Wellenlängen. Dabei zeigt 4a Messungen der EQE einer Anordnung ohne Strahlungseinkoppelungsschicht und ohne strahlungsabweisende Schicht, also ohne integrierte Aperturmaske. Die 4b zeigt Messungen der EQE derselben Anordnung mit einer die gesamte Anordnung, d. h. die sensitive Fläche jedes der 16 Photodetektoren der zugehörigen optoelektronischen Bauelemente, vollständig bedeckenden Strahlungseinkoppelungsschicht und mehreren, jeweils Anteile des Randbereichs mehrerer Photodetektoren der zugehörigen optoelektronischen Bauelemente bedeckenden strahlungsabweisenden Schicht. Der Vergleich der 4a und 4b zeigt zum einen, dass das EQE-Maximum für alle optoelektronischen Bauelemente in 4b höher ist als in 4a, was als ein Effekt der Strahlungseinkoppelungsschicht interpretiert werden kann. Die Erhöhung beträgt dabei zwischen 7 % bei optoelektronischen Bauelementen, die auf eine niedrigere zu detektierende Wellenlänge ausgelegt sind, bis zu 40 % bei optoelektronischen Bauelementen, die auf eine höhere zu detektierende Wellenlänge ausgelegt sind. Zum anderen zeigt der Vergleich, dass insbesondere die in 4a sichtbaren Artefakte in den EQE-Kurven bei niedrigen Wellenlängen durch eine integrierte Aperturmaske wie in 4b abgemildert werden.
Dieser Effekt ist bei einem Vergleich der 5a und 5b noch deutlicher zu sehen. Die beiden Fig. zeigen Messungen der EQE in Abhängigkeit von der Wellenlänge an einer zweiten rasterförmigen Anordnung von 16 optoelektronischen Bauelementen, wobei jedes der Bauelemente für eine andere zu detektierende Wellenlänge optimiert ist, d. h., für jedes optoelektronische Bauelement weist die EQE ein Maximum bei einer anderen Wellenlänge auf, insgesamt also bei den 16 verschiedenen, in den beiden Fig. angegebenen Wellenlängen. In der Anordnung der 5a bedeckt eine gemeinsame Strahlungseinkoppelungsschicht die sensitiven Flächen aller 16 Photodetektoren der zugehörigen optoelektronischen Bauelemente vollständig. In 5b sind auf der Strahlungseinkoppelungsschicht zusätzlich mehrere strahlungsabweisende Schichten so angeordnet, dass Anteile des Randbereichs aller 16 Photodetektoren der zugehörigen optoelektronischen Bauelemente bedeckt werden. Die in 5b gezeigten Messungen ergeben eine deutlich verringerte EQE bei niedrigen Wellenlängen. Die in 5a sichtbare, durch Schichtdickeninhomogenitäten im Randbereich verursachte Schulter bei niedrigen Wellenlängen kann mit einer integrierten Aperturmaske, wie in 5b zu sehen, also deutlich abgemildert werden.
Bezugszeichen

1: Optoelektronisches Bauelement (bottom illumination)
1': Optoelektronisches Bauelement (top illumination)
10: Anordnung mehrerer optoelektronischer Bauelemente
100: Beleuchtungsrichtung
2: Substrat
3, 3a, 3b, 3c: Strahlungsabweisende Schicht
4: Strahlungseinkoppelungsschicht
5, 5a, 5b, 5c, 5d: Photodetektor
501: Sensitive Fläche des Photodetektors
502: Selektive Fläche des Photodetektors
503: Randbereich des Photodetektors
51: Erste Elektrode
52: Zweite Elektrode
53: Elektronentransportschicht (ETL)
54: Photoaktive Schicht
55: Löchertransportschicht (HTL)

Claims

Optoelektronisches Bauelement (1, 1'), aufweisend einen Photodetektor (5) mit einer sensitiven Fläche (501), die aus einer selektiven Fläche (502) und einem die selektive Fläche (502) umschließenden Randbereich (503) gebildet ist, wobei der Photodetektor (5) zumindest eine photoaktive Schicht (54) zwischen zwei voneinander beabstandeten Elektroden (51, 52) umfasst, wobei die in Beleuchtungsrichtung (100) vor der zweiten Elektrode (52) angeordnete erste Elektrode (51) zumindest semitransparent für elektromagnetische Strahlung mit zu detektierenden Wellenlängen ist, dadurch gekennzeichnet, dass - vor dem Photodetektor (5) mindestens eine Strahlungseinkoppelungsschicht (4) angeordnet ist, die die sensitive Fläche (501) des Photodetektors (5) vollständig bedeckt, und - vor der mindestens einen Strahlungseinkoppelungsschicht (4) mindestens eine mit der Strahlungseinkoppelungsschicht (4) stoffschlüssig verbundene strahlungsabweisende Schicht (3) angeordnet ist, die zumindest Anteile des Randbereichs (503) des Photodetektors (5) gegen elektromagnetische Strahlung mit zu detektierenden Wellenlängen abschirmend abdeckt, aber nicht mehr als 30 % dessen selektiver Fläche (502).
Optoelektronisches Bauelement (1, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die strahlungsabweisende Schicht (3) durch ein Beschichtungsverfahren untrennbar mit der Strahlungseinkoppelungsschicht (4) verbunden ist.
Optoelektronisches Bauelement (1, 1') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht (3) ein dielektrisches Material enthält.
Optoelektronisches Bauelement (1, 1') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht (3) ein Metall enthält.
Optoelektronisches Bauelement (1, 1') nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strahlungseinkoppelungsschicht (4) ein organisches Halbleitermaterial enthält.
Optoelektronisches Bauelement (1, 1') nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optoelektronische Bauelement (1, 1') durch eine Verkapselung gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist.
Optoelektronisches Bauelement (1, 1') nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsabweisende Schicht (3) nicht mehr als 20 % der selektiven Fläche (502) des optoelektronischen Bauelements (1, 1') abdeckt, bevorzugt nicht mehr als 10 %.
Anordnung (10) von mindestens zwei lateral zueinander versetzten optoelektronischen Bauelementen (1, 1') nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit jeweils mindestens einem Photodetektor (5a, 5b, 5c, 5d) auf demselben Substrat (2), wobei eine Strahlungseinkoppelungsschicht (4) die sensitive Fläche (501) von mindestens zwei der Photodetektoren (5a, 5b, 5c, 5d) der zugehörigen optoelektronischen Bauelemente (1, 1') Anordnung (10) vollständig bedeckt und eine strahlungsabweisende Schicht (3) Anteile des Randbereichs (503) von mindestens zwei der Photodetektoren (5a, 5b, 5c, 5d) der zugehörigen optoelektronischen Bauelemente (1, 1') der Anordnung (10) bedeckt.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements (1, 1') nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine strahlungsabweisende Schicht (3) und die mindestens eine Strahlungseinkoppelungsschicht (4) durch ein Beschichtungsverfahren untrennbar miteinander verbunden sind.
Verwendung eines optoelektronischen Bauelements (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder der Anordnung (10) nach Anspruch 8 zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich und/oder im NIR-Bereich.