JP2016532301A - 溶液から作製された無機半導体から空気中で安定な赤外線光検出器 - Google Patents

溶液から作製された無機半導体から空気中で安定な赤外線光検出器 Download PDF

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Abstract

光検出器は、第１の金属酸化物のホール輸送電子阻止層と第２の金属酸化物の電子輸送ホール阻止層との間に位置する半導体無機ナノ粒子の光活性層を有する。ナノ粒子は、スペクトルの少なくとも赤外線領域において、電磁放射に対し反応する。第１の金属酸化物はＮｉＯとすることができ、第２の金属酸化物はＺｎＯまたはＴｉＯ２とすることができる。金属酸化物層は、空気中で、光検出器の周りに封入被覆層がない場合でさえ、光検出器を安定にする。光検出器はＰ−Ｉ−Ｎ構造を有する。【選択図】図１Ａ

Description

［関連する出願］
この出願は、２０１３年８月２９日に出願された米国仮出願Ｎｏ．６１／８７１，５７９の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づく優先権を主張し、図形、表または図面を含むその全体は、ここに参照することで、この出願に組み込まれる。
光通信、リモートセンシング、分光学、光電子工学およびイメージングは、赤外域および広帯域の光検出器によって可能となった応用のごくわずかのものである。これらの光検出器において、感光性材料は、可視域および／または短波長赤外域（ＳＷＩＲ）において光信号を吸収し、光信号を電気信号に変換する。従来の光検出器は、高生産性や安価な製造技術とは相いれない真空処理条件のもとで典型的に製造されている。光検出器の市場浸透は、高い製造コストおよび／または光検出器の低い性能のため、制限されている。近年、溶液処理によって準備できる装置の発展によって、高い製造コストを解消するための努力が成されている。
コロイド量子ドットは溶液で処理可能であり、そのことが集積回路を含む使用できる基板のタイプを拡大するため、光検出器を含む光電子デバイスの範囲に対する材料として魅力的である。生来、量子ドットは、望ましい光吸収スペクトルを達成するために、大きさを調整できる。このことは、薄膜光検出器の形成を可能とし、低コスト、軽量、可とう性のプラットホームを構成する。従来の単結晶半導体は、半導体のために必要とされる処理状態の不適合のため、特に有機材料を含む可とう性の電子部品との統合から除外されている。コロイド量子ドットの溶液または懸濁液は、スピンコーティング、スプレーキャスティングまたはインクジェットプリンティング技術を使用して、事実上いかなる基板上でも堆積を可能とする。格子不整合の検討は発生せず、可とう性基板は広い領域の処理を可能とする。
光検出器に量子ドットを用いるいくつかの試みが成されている。Ｋｏｎｓｔａｎｔａｔｏｓ ｅｔ ａｌ．，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ ２００９，９７，（１０），１６６６−８３は、ＰｂＳ量子ドットの溶液堆積による光検出器の形成を開示している。光ダイオードは、反対のオーム接触を形成する平面透明ＩＴＯ薄膜とともに、ＰｂＳナノ粒子膜とアルミニウム接触との間に形成された。ＭａｃＤｏｎａｌｄ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２００５，４，１３８−４２は、ガラス、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）、ＭＥＨ−ＰＰＶ／ＰｂＳナノ結晶混合物、および、上部マグネシウム接触のサンドウィッチ構造が形成される、溶液処理可能な装置を開示している。ホール輸送層としての行為に加えて、ＰＰＶ層は、その上に混合膜が設けられるスムースでピンホールの無い層前駆体を形成し、上部接触から直接ＩＴＯへの破局的なショートを防止することにより、より良い電気的安定性を提供し、ＩＴＯ接触にインジェクションバリアを導入することによって暗電流を減少させ、電気絶縁破壊の前により高いバイアスを可能とし、より高い内部磁界、より効率的な光生成キャリアの抜き取り、および、より高い光電流をもたらす。
本発明の実施例は、第１の金属酸化物を備えるホール輸送層と第２の金属酸化物を備える電子輸送層との間に位置する半導体無機ナノ粒子の光活性層を備える光検出器を対象にする。光活性層は、スペクトルの赤外域（ＩＲ）における電磁放射および／またはより高いエネルギーの電磁放射に対し反応する。金属酸化物のコーティングは、低ノイズおよび封入無しでの空気中における安定性を提供できる。ホール輸送層はＮｉＯおよび／またはＣｕＯを備えることができる。電子輸送層はＺｎＯまたはＴｉＯ２を備えることができる。半導体無機ナノ粒子は、鉛カルコゲニド（例えば、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ）、鉛カルコゲニドの合金、水銀カルコゲニド（例えば、ＨｇＳ、ＨｇＳ、ｅＨｇＴｅ）、水銀カルコゲニドの合金、インジウムおよび／またはガリウムに基づくＩＩＩ−Ｖ族半導体（例えば、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ）、シリコンまたはそれらの組み合わせを備えることができる。半導体無機ナノ粒子はＰｂＳまたはＰｂＳｅとすることができる。ある実施例において、光検出器は、電磁スペクトルの少なくとも可視域および赤外線域において電磁放射に反応する広帯域光検出器とすることができる。電磁スペクトルの紫外線域および／または可視域において電磁放射に対し反応するナノ粒子を使用することができる。例えば、適切なナノ粒子の例は、制限されるものではないが、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、および、セレン化亜鉛を含む。
本発明の他の実施例は、光検出器を準備する方法を対象にする。いくつかの場合、金属酸化物前駆体の溶液または金属酸化物ナノ粒子の懸濁液は電極上に堆積され、溶媒が取り除かれ、金属酸化物層を形成する。金属酸化物層は化学的または熱的に変えることができ、層の電気特性を固定および／または増進する。半導体無機ナノ粒子のコロイド懸濁液は、次に、金属酸化物層に堆積され、溶媒が取り除かれ、半導体無機ナノ粒子を備える光活性層を形成する。光活性層は、要望通り、例えばリガンド交換によって、化学的または熱的に変えることができる。第２の金属酸化物前駆体の第２の溶液または複数の第２の金属酸化物粒子の第２の懸濁液は光活性層上に堆積され、溶液が取り除かれ、さらに化学的または熱的に変えることができる第２の金属酸化物層を形成する。電極が陽極の場合、第１の金属酸化物層はホール輸送電子阻止層であり、第２の金属酸化物層は電子輸送ホール阻止層である。電極が陰極の場合、第１の金属酸化物層は電子輸送ホール阻止層であり、第２の金属酸化物層はホール輸送電子阻止層である。
図１は、本発明の実施例に係る、Ａ）標準構造を有する光検出器およびＢ）逆構造を有する光検出器を示す。 図２は、Ａ）溶液堆積したニッケル酸化物（ＮｉＯ）層およびＢ）溶液堆積した亜鉛酸化物（ＺｎＯ）層に対する、透過率スペクトル（例えば、波長に応じた透過率のプロット）を示す。 図３は、ＰｂＳ層の２０の堆積を順次組み合わせ厚い光活性層が得られた、本発明の実施例に係る、溶液から作製された、ニッケル酸化物ホール輸送電子阻止層および亜鉛酸化物電子輸送ホール阻止層を有する典型的なＰｂＳ光検出器に対し、０Ｖ、−１Ｖ、−２Ｖまたは−３Ｖのバイアス電圧を印加した状態における、波長に応じた反応性のプロットを示す。 図４は、本発明の実施例に係る、図３の典型的なＰｂＳ光検出器の準備のために使用される約６ｎｍのＰｂＳ量子ドットの電子顕微鏡写真である。 図５は、本発明の実施例に係る、図３の典型的なＰｂＳ光検出器の準備のために使用される約６ｎｍのＺｎＯナノ粒子の電子顕微鏡写真である。 図６は、ＰｂＳ光活性層の厚さを、ＰｂＳ層を５層、１０層、１５層、２０層、２５層または３０層組み合わせることによって変化させた、本発明の実施例に係る、溶液から作製された、ニッケル酸化物ホール輸送電子阻止層および亜鉛酸化物電子輸送ホール阻止層を有するＰｂＳ光検出器の、Ａ）暗電流−電圧特性およびＢ）照明電流−電圧特性のプロットを示す。 図７は、本発明の実施例に係る、図３の典型的なＰｂＳ光検出器に対し得られた、Ａ）速度（例えば、印加されたバイアス電圧が０Ｖ、−１Ｖ、−２Ｖまたは−３Ｖの状態での時間に応じた電流密度）およびＢ）帯域幅測定値（例えば、印加されたバイアスに応じた−３ｄＢの帯域幅）および立ち上がり時間測定値（例えば、印加されたバイアスに応じた立ち上がり時間）のプロットを示す。 図８は、本発明の実施例に係る、図３の典型的なＰｂＳ光検出器に対し、−０．５Ｖ、−１Ｖ、−１．５Ｖ、−２Ｖ、−２．５Ｖまたは−３Ｖの印加バイアス電圧のもと、周波数に応じたノイズ電流スペクトル密度のプロットを示す。 図９は、本発明の実施例に係る、図３の典型的なＰｂＳ光検出器に対し、０Ｖ、−１Ｖ、−２Ｖまたは−３Ｖの印加バイアス電圧のもと、波長に応じた比検出能のプロットを示す。 図１０は、比検出能が全ノイズ電流の以下の近似：＜ｉ２＞＝２ｑＩｄａｒｋを使用して決定される、いかなる密封手段をも用いず存在時間テストの間空気と接触した状態でのＰｂＳ光検出器の空気安定性を反映する、本発明の実施例に係る、図３の典型的なＰｂＳ光検出器に対する、時間に応じた標準化性能パラメータ（例えば、外部量子効率、反応性、比検出能）のプロットを示す。
本発明者らは、外部密封コーティングが無い状態で空気安定性である光検出器の望ましさを認識して理解していた。本発明者らは、また、溶液処理を介して製造できる光検出器の望ましさを認識して理解していた。さらに、本発明者らは、これらの特性を有する装置およびそれらを作製するため、また、使用するための方法に対する設計を認識して理解していた。
本発明の実施例は、無機材料を備える光活性層を備える光検出器を対象とし、ここで、光活性層は、第１の金属酸化物を備えるホール輸送層と第２の金属酸化物を備える電子輸送層との間に位置する。光活性層は、通常、電磁放射を吸収して、電荷担体（例えば、ホール、電子）を発生できる材料を備える層を参照する。ここで更に詳細に記載するように、ホール輸送層は、通常、装置（例えば光検出器）の２つあるいはそれ以上の層の間でホール輸送を促進する層を参照し、電子輸送層は、通常、装置（例えば光検出器）の２つあるいはそれ以上の層の間で電子輸送を促進する層を参照する。光検出器は、通常、赤外および／または可視光検出器であり、ここで、光活性層は、例えば、４００−７０００ｎｍの波長を有する電磁スペクトルの少なくとも一部を含む電磁放射を吸収する。光検出器は、あるケースにおいて、赤外感受性のナノ粒子を備える。ある実施例において、光検出器はＰ−Ｉ−Ｎ構造（例えば、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合）を有する。Ｐ−Ｉ−Ｎ構造は、通常、ｐ型の半導体領域、ｎ型の半導体領域、および、ｐ型の領域とｎ型の領域との間に位置する真性半導体を備える構造を参照する。例えば、一方の金属酸化物層がｐ型の半導体領域を構成でき、他方の金属酸化物層がｎ型の半導体領域を構成でき、光活性層がｐ型の領域とｎ型の領域との間に位置する真性半導体領域を構成できる。本発明の他の実施例は、ここに記載された光検出器の、金属酸化物層および光活性層を形成するための全溶液方法を対象にする。
以下に更に詳細に記載するように、ここに記載された光検出器は、有利であると認識されているある特性を有する。例えば、光検出器は、外部密封コーティングが無い状態で空気安定である（例えば、空気に曝された光検出器の性能は長年にわたり相対的に安定である）。また、光検出器は、高い検出能力、高い外部量子効率、および／または、高い反応性などの、有利であると認識された他の特性を表す。
ある実施例において、光検出器は標準または通常の構造を有する。標準構造を有する光検出器の典型的な概略図を図１Ａに示す。図１Ａにおいて、光検出器１００は、基板１０２、陽極１０４、ホール輸送層１０６、光活性層１０８、電子輸送層１１０および陰極１１２を含む複層構造である。操作中、逆バイアス電圧が光検出器１００に印加される。ある実施例において、逆バイアス電圧の大きさは、少なくとも約０Ｖ、少なくとも約１Ｖ、少なくとも約２Ｖ、少なくとも約３Ｖ、少なくとも約４Ｖ、少なくとも約５Ｖ、少なくとも約６Ｖ，少なくとも約８Ｖ、または、少なくとも約１０Ｖである。あるケースにおいて、逆バイアス電圧の大きさは、約０Ｖから約２Ｖの範囲内、約０Ｖから約３Ｖの範囲内、約０Ｖから約５Ｖの範囲内、約０Ｖから約１０Ｖの範囲内、約１Ｖから約２Ｖの範囲内、約１Ｖから約５Ｖの範囲内、約１Ｖから約１０Ｖの範囲内、約２Ｖから約５Ｖの範囲内、約２Ｖから１０Ｖの範囲内、または、約５Ｖから約１０Ｖの範囲内である。電磁放射は、基板１０２を介して光検出器１００に入り、陽極１０４およびホール輸送層１０６を通過する。電磁放射は、次に、光活性層１０８内の電子を励起し、自由な電子−ホールペアが生成される。電子は続いて電子輸送層１１０を介して陰極１１２に輸送され、一方ホールはホール輸送層１０６を介して陽極１０４に輸送され、それによって測定可能な光電流を発生する。
図１Ａに示すように、光検出器１００は光活性層１０８を備える。ある実施例において、光検出器の光活性層は、赤外線放射（例えば、約７００ｎｍから約１ｍｍの範囲の波長を有する放射）を吸収することができる無機ナノ粒子を備える。ある実施例において、無機ナノ粒子は、少なくとも約７００ｎｍ、少なくとも約８００ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約１．５μｍ、少なくとも約２μｍ、少なくとも約３μｍ、少なくとも約４μｍ、少なくとも約５μｍ、または、少なくとも約７μｍの波長を有する放射を吸収することができる。ある実施例において、無機ナノ粒子は、約７００ｎｍから約１μｍの範囲内、約７００ｎｍから約１．５μｍの範囲内、約７００ｎｍから約２μｍの範囲内、約７００ｎｍから約４μｍの範囲内、約７００ｎｍから約７μｍの範囲内、約７００ｎｍから約１４μｍの範囲内、約８００ｎｍから約２μｍの範囲内、約８００ｎｍから約４μｍの範囲内、約８００ｎｍから約７μｍの範囲内、約８００ｎｍから約１４μｍの範囲内、約１μｍから約３μｍの範囲内、約１μｍから約４μｍの範囲内、約１μｍから約７μｍの範囲内、約１μｍから約１４μｍの範囲内、約２μｍから約４μｍの範囲内、約２μｍから約７μｍの範囲内、約２μｍから約１４μｍの範囲内、または、約５μｍから１４μｍの範囲内の波長を有する放射を吸収することができる。ナノ粒子に適した材料は、限定されるものではないが、鉛カルコゲニド（例えば、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ）およびその合金；水銀基カルコゲニド（ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ）およびその合金；インジウムおよび／またはガリウムに基づくＩＩＩ−Ｖ族半導体（例えば、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ）；シリコン；銀カルコゲニド（例えば、Ａｇ２Ｓ、Ａｇ２Ｓｅ、Ａｇ２Ｔｅ）；またはそれらの組み合わせを含む。ある実施例において、ナノ粒子はＰｂＳおよび／またはＰｂＳｅを備える。
ある実施例において、光活性層は、可視光（例えば、約４００ｎｍから約７００ｎｍの範囲の波長を有する放射）および／または紫外線（ＵＶ）放射（例えば、約４００ｎｍ未満の波長を有する放射）を吸収することができる無機ナノ粒子を備える。ある実施例において、無機ナノ粒子は、約２００ｎｍから約４００ｎｍの範囲内、約２００ｎｍから約７００ｎｍの範囲内、約２００ｎｍから約１μｍの範囲内、約２００ｎｍから約２μｍの範囲内、約４００ｎｍから約７００ｎｍの範囲内、約４００ｎｍから約１μｍの範囲内、約４００ｎｍから約１．３μｍの範囲内、または、約４００ｎｍから約２μｍの範囲内の波長を有する光を吸収することができる。ある実施例において、光活性層の無機ナノ粒子は、カドミウムおよび／または亜鉛化合物を備えることができる。適切なカドミウムおよび／または亜鉛化合物の例は、限定されるものではないが、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、および、セレン化亜鉛を含む。
光活性層の無機ナノ粒子は比較的大きさを小さくできる。ある実施例において、ナノ粒子は、約１００ｎｍ以下、約５０ｎｍ以下、約２０ｎｍ以下、約１０ｎｍ以下、約８ｎｍ以下、約６ｎｍ以下、約４ｎｍ以下、または、約１ｎｍ以下の最大断面寸法（例えば、半径）を有する。ある実施例において、ナノ粒子は、約１ｎｍから約５ｎｍの範囲内、約１ｎｍから約１０ｎｍの範囲内、約１ｎｍから約２０ｎｍの範囲内、約１ｎｍから約５０ｎｍの範囲内、約１ｎｍから約１００ｎｍの範囲内、約４ｎｍから１０ｎｍの範囲内、約４ｎｍから約２０ｎｍの範囲内、約５ｎｍから約１０ｎｍの範囲内、約５ｎｍから約２０ｎｍの範囲内、約５ｎｍから約５０ｎｍの範囲内、約５ｎｍから約１００ｎｍの範囲内、約６ｎｍから約１０ｎｍの範囲内、約６ｎｍから約２０ｎｍの範囲内、約１０ｎｍから約５０ｎｍの範囲内、約１０ｎｍから約１００ｎｍの範囲内、または、約５０ｎｍから約１００ｎｍの範囲内の半径を有する。
あるケースにおいて、ナノ粒子はナノ結晶（例えば、約１００ｎｍ以下の最大断面寸法を有する結晶粒子）である。特定の実施例において、ナノ粒子は量子ドットである。量子ドットは、通常、量子機構特性（例えば、離散的エネルギー準位）を表すよう十分に小さい寸法を有する半導体ナノ粒子（例えば、ナノ結晶）を参照する。例えば、量子ドットの励起子は三次元空間（例えば、量子閉じ込め）に閉じ込められ、離散的エネルギー準位が観測される。あるケースにおいて、量子ドットは、約１０ｎｍ以下、約８ｎｍ以下、約６ｎｍ以下、約４ｎｍ以下、または、約１ｎｍ以下の最大断面寸法（例えば、半径）を有する。ある実施例において、量子ドットは、約１ｎｍから約４ｎｍの範囲内、約１ｎｍから約６ｎｍの範囲内、約１ｎｍから約８ｎｍの範囲内、約１ｎｍから約１０ｎｍの範囲内、約４ｎｍから約６ｎｍの範囲内、約４ｎｍから約８ｎｍの範囲内、約４ｎｍから約１０ｎｍの範囲内、約６ｎｍから約８ｎｍの範囲内、約６ｎｍから約１０ｎｍの範囲内、または、約８ｎｍから約１０ｎｍの範囲内の最大断面寸法を有する。
量子ドットの吸収特性は通常それらの寸法に依存するため、量子ドットは望ましいスペクトル吸収に調整することができる。例えば、より大きい量子ドットは、より長い波長を有する電磁放射を吸収することができる。あるケースにおいて、量子ドットは、例えば、準備された量子ドットの寸法および寸法分布を決定する合成的変更を行うことによって、および／または、種々の合成体から異なる寸法または異なる化合物のナノ結晶を組み合わせることによって、広スペクトル帯域を吸収するよう調整される。これらの半導体量子ドットは、低ノイズレベルのため、高い信号対ノイズ比で低レベルの信号を検出する能力の結果となる、逆バイアスにおける大変低い暗電流の光検出器の準備を可能とする。また、半導体量子ドットは、コロイド合成によって効果的に合成され、溶液処理によって光検出器の準備の間堆積される。
図１Ａに示すように、光検出器１００は、光活性層１０８の近傍に位置する層１０６を、更に備えることができる。ある実施例において、層１０６は第１の金属酸化物（例えば、第１の金属酸化物層）を備える。第１の金属酸化物層は、あるケースにおいて、ホール輸送層（例えば、第１の金属酸化物がホール輸送材料である）とすることができる。ホール輸送層は、通常、装置（例えば、光検出器）の２つあるいはそれ以上の層の間のホール輸送を促進する層を参照する。例えば、光検出器１００が動作中において、ホール輸送層１０６は光活性層１０８から陽極１０４へのホールの輸送を促進する。ホール輸送層１０６、光活性層１０８、および、電子輸送層１１０は、それぞれ、価電子帯エネルギー（例えば、イオン化ポテンシャル）を有する価電子帯（例えば、最も高い占有エネルギーレベル）、および、伝導帯エネルギー（例えば、電子親和力）を有する伝導帯（例えば、最も低い不占有エネルギーレベル）によって、特徴付けられている。あるケースにおいて、ホール輸送層１０６の価電子帯エネルギーは光活性層１０８の価電子帯エネルギーと実質的に整列しているため、ホール輸送層１０６は光活性層１０８からのホールの輸送を促進することができる。例えば、ある実施例において、光活性層の価電子帯エネルギーとホール輸送層の価電子帯エネルギーとの間の相違の大きさは、約１ｅＶ以下、約０．８ｅＶ以下、約０．６ｅＶ以下、約０．５ｅＶ以下、約０．４ｅＶ以下、約０．３ｅＶ以下、約０．２５ｅＶ以下、約０．２ｅＶ以下、約０．１５ｅＶ以下、約０．１ｅＶ以下、または、約０．０５ｅＶ以下である。あるケースにおいて、光活性層の価電子帯エネルギーとホール輸送層の価電子帯エネルギーとの間の相違の大きさは、約０．０５ｅＶから約０．１ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．２ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．３ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．５ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約１ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．２ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．３ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから０．５ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから１ｅＶの範囲内、０．２ｅＶから０．３ｅＶの範囲内、約０．２ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．２ｅＶから約０．５ｅＶの範囲内、または、約０．２ｅＶから約１ｅＶの範囲内である。
あるケースにおいて、ホール輸送層１０６の価電子帯エネルギーが陽極１０４の仕事関数（例えば、電子を取り除くために必要な最小エネルギー）と実質的に整列しているため、ホール輸送層１０６は陽極１０４へのホールの輸送を促進することができる。例えば、陽極の仕事関数とホール輸送層の価電子帯エネルギーとの間の相違の大きさは、約１ｅＶ以下、約０．８ｅＶ以下、約０．６ｅＶ以下、約０．５ｅＶ以下、約０．４ｅＶ以下、約０．３ｅＶ以下、約０．２５ｅＶ以下、約０．２ｅＶ以下、約０．１５ｅＶ以下、約０．１ｅＶ以下、または、約０．０５ｅＶ以下である。あるケースにおいて、陽極の仕事関数とホール輸送層の価電子帯エネルギーとの間の相違の大きさは、約０．０５ｅＶから約０．１ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．２ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．３ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．５ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約１ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．２ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．３ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．５ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約１ｅＶの範囲内、約０．２ｅＶから約０．３ｅＶの範囲内、約０．２ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．２ｅＶから約０．５ｅＶの範囲内、または、約０．２ｅＶから約１ｅＶの範囲内である。
ある実施例において、ホール輸送層は相対的に高いホール移動度を有する。例えば、あるケースにおいて、ホール輸送層は、約−０．５Ｖから約−１０Ｖの範囲内の印加バイアス電圧のもと、少なくとも約１０−６ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−５ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−４ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−３ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−２ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−１ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、または、少なくとも約１０ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）のホール移動度を有することができる。
ある実施例において、ホール輸送層１０６は、また、電子阻止層である（例えば、層１０６はホール輸送電子阻止層である）。電子阻止層は、通常、装置（例えば、光検出器）の２つまたはそれ以上の層の間の電子輸送を阻止する層を参照する。例えば、光検出器１００が動作している場合、ホール輸送電子阻止層１０６は陽極１０４から光活性層１０８への電子の注入を阻止することができる。そのような注入を阻止することが暗電流（例えば、光活性層による電磁放射の吸収無しで光検出器を介して流れる電流）を減少できるため、陽極から光活性層への電子の注入を阻止することが有利であることが理解される。暗電流の減少は、光検出器の検出能の増加という有利な結果となる。
あるケースにおいて、陽極１０４の仕事関数とホール輸送電子阻止層１０６の伝導帯エネルギーとの間に実質的に大きなギャップが存在するため、ホール輸送電子阻止層１０６は、逆バイアスのもと、陽極１０４から光活性層１０８への電子の注入を阻止することができる。例えば、陽極の仕事関数とホール輸送電子阻止層の伝導帯エネルギーとの間の差の大きさは、少なくとも約０．５ｅＶ、少なくとも約１ｅＶ、少なくとも約１．５ｅＶ、少なくとも約２ｅＶ、少なくとも約２．５ｅＶ、少なくとも約３ｅＶ、少なくとも約４ｅＶ、または、少なくとも約５ｅＶである。あるケースにおいて、陽極の仕事関数とホール輸送電子阻止層の伝導帯エネルギーとの間の差の大きさは、約０．５ｅＶから約１ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約１．５ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約２ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約２．５ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約３ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約４ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約５ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約２ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約２．５ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約３ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約４ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約５ｅＶの範囲内、約１．５ｅＶから約２．５ｅＶの範囲内、約１．５ｅＶから約３ｅＶの範囲内、約１．５ｅＶから約４ｅＶの範囲内、約１．５ｅＶから約５ｅＶの範囲内、約２ｅＶから約３ｅＶの範囲内、約２ｅＶから約４ｅＶの範囲内、または、約２ｅＶから約５ｅＶの範囲内である。
あるケースにおいて、ホール輸送電子阻止層の伝導帯エネルギーは相対的に低い。あるケースにおいて、ホール輸送電子阻止層の伝導帯エネルギーの大きさは、約３ｅＶ以下、約２．５ｅＶ以下、約２ｅＶ以下、約１．５ｅＶ以下、約１ｅＶ以下、または、約０．５ｅＶ以下である。あるケースにおいて、ホール輸送電子阻止層の伝導帯エネルギーの大きさは、約０．５ｅＶから約１ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約１．５ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約２ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約２．５ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約３ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約１．５ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約２ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約２．５ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約３ｅＶの範囲内、約１．５ｅＶから約２ｅＶの範囲内、約１．５ｅＶから約２．５ｅＶの範囲内、約１．５ｅＶから約３ｅＶの範囲内、約２ｅＶから約２．５ｅＶの範囲内、または、約２．５ｅＶから約３ｅＶの範囲内である。
ある実施例において、ホール輸送（そして、あるケースでは、電子阻止）層はｐ型の半導体金属酸化物を備える。ｐ型の半導体金属酸化物は、通常、電子よりも高いホール濃度を有する金属酸化物を参照する（例えば、フェルミ準位は伝導帯よりも価電子帯により近くに存在する）。ある実施例において、ｐ型の半導体金属酸化物は広い帯域ギャップ半導体である（例えば、約１ｅＶより大きい約１．５ｅＶの帯域ギャップを有する半導体）。典型的な実施例において、ｐ型の半導体金属酸化物は酸化ニッケル（ＮｉＯ）である。ＮｉＯは、空気安定性および／または光透過性などの、好ましいと認識されてきた特性を有することができる。例えば、図２Ａに示すように、ＮｉＯ層は、バルク帯域ギャップエネルギー未満の入力光エネルギーで、厚い堆積層に対し優れた光透過性を有する。図２Ａによれば、ＮｉＯ層に対し、透過率は約５００ｎｍから約２５００ｎｍの範囲の波長に対し８５％より大きい。例えば、透過率は５００ｎｍの波長で８５％より大きく、透過率は１ミクロンの波長で９０％より大きい。ある実施例において、ｐ型の半導体金属酸化物は酸化銅（ＣｕＯ）を備える。ｐ型の半導体金属酸化物は、あるケースにおいて、１つ以上のドーパントでドープされる。あるケースにおいて、ｐ型の半導体金属酸化物は、溶液処理による光検出器の製造中、堆積される。ある実施例において、ｐ型の半導体金属酸化物層の厚さは、約１０ｎｍから約３０ｎｍの範囲内、約１０ｎｍから約５０ｎｍの範囲内、約１０ｎｍから約１００ｎｍの範囲内、約３０ｎｍから約５０ｎｍの範囲内、約３０ｎｍから約１００ｎｍの範囲内、または、約５０ｎｍから約１００ｎｍの範囲内である。
ある実施例において、光検出器１００は、陽極１０４とホール輸送層１０６との間に位置するホール抽出層（図１Ａで記載せず）を更に備えることができる。ホール抽出層は、あるケースにおいて、ホール抽出を増進して、陽極１０４へのホールの輸送を更に促進することができる。あるケースにおいて、ホール抽出層は高度にｎ型の材料を備えることができる。ｎ型の材料は、通常、ホールよりも高い電子濃度を有する材料を参照する（例えば、フェルミ準位は価電子帯よりも伝導帯により近くに存在する）。あるケースにおいて、ホール抽出層は大きい仕事関数を有する（例えば、陽極１０４の仕事関数に実質的に近似の仕事関数）。ホール抽出層に適切な材料は、限定するものではないが、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、酸化タングステン（ＷＯ３）および酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）を含む。
図１Ａによれば、光検出器１００は、また、層１０６の側面先端の光活性層１０８の近傍に位置する層１１０を備える。ある実施例において、層１１０は第２の金属酸化物を備えることができる（例えば、第２の金属酸化物層）。第２の金属酸化物層は、あるケースにおいて、電子輸送層とすることができる。電子輸送層は、通常、装置（例えば、光検出器）の２つあるいはそれ以上の層の間の電子輸送を促進する層を参照する。例えば、光検出器１００が動作中において、電子輸送層１１０は、光活性層１０８から陰極１１２への電子の輸送を促進することができる。あるケースにおいて、電子輸送層１１０の伝導帯エネルギーが光活性層１０８の伝導帯エネルギーと実質的に整列しているため、電子輸送層１１０は光活性層１０８からの電子の輸送を促進することができる。例えば、あるケースにおいて、光活性層の伝導帯エネルギーと電子輸送層の伝導帯エネルギーとの間の差の大きさは、約１ｅＶ以下、約０．８ｅＶ以下、約０．６ｅＶ以下、約０．５ｅＶ以下、約０．４ｅＶ以下、約０．３ｅＶ以下、約０．２５ｅＶ以下、約０．２ｅＶ以下、約０．１５ｅＶ以下、約０．１ｅＶ以下、または、約０．０５ｅＶ以下とすることができる。あるケースにおいて、光活性層の伝導帯エネルギーと電子輸送層の伝導帯エネルギーとの間の差の大きさは、約０．０５ｅＶから約０．１ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．２ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．３ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．５ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約１ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．２ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．３ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．５ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約１ｅＶの範囲内、約０．２ｅＶから約０．３ｅＶの範囲内、約０．２ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．２ｅＶから約０．５ｅＶの範囲内、または、約０．２ｅＶから約１ｅＶの範囲内とすることができる。
ある実施例において、電子移送層の伝導帯エネルギーが陰極の仕事関数と実質的に整列しているため、電子輸送層１１０は陰極１１２への電子輸送を促進することができる。例えば、陰極の仕事関数と電子輸送層の伝導帯エネルギーとの間の差の大きさは、約１ｅＶ以下、約０．８ｅＶ以下、約０．６ｅＶ以下、約０．５ｅＶ以下、約０．４ｅＶ以下、約０．３ｅＶ以下、約０．２５ｅＶ以下、約０．２ｅＶ以下、約０．１５ｅＶ以下、約０．１ｅＶ以下、または、約０．０５ｅＶ以下とすることができる。あるケースにおいて、陰極の仕事関数と電子輸送層の伝導帯エネルギーとの間の差の大きさは、約０．０５ｅＶから約０．１ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．２ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．３ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約０．５ｅＶの範囲内、約０．０５ｅＶから約１ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．２ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．３ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約０．５ｅＶの範囲内、約０．１ｅＶから約１ｅＶの範囲内、約０．２ｅＶから約０．３ｅＶの範囲内、約０．２ｅＶから約０．４ｅＶの範囲内、約０．２ｅＶから約０．５ｅＶの範囲内、または、約０．２ｅＶから約１ｅＶの範囲内とすることができる。
ある実施例において、電子輸送層は相対的に高い電子移動度を有する。例えば、電子輸送層は、少なくとも約１０−８ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−７ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−６ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−５ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−４ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−３ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−２ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１０−１ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、少なくとも約１ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）、または、少なくとも約１０ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）の電子移動度を有することができる。
ある実施例において、電子輸送層は、また、ホール阻止層として作動する（例えば、層１１０は電子輸送ホール阻止層である）。ホール阻止層は、通常、装置（例えば、光検出器）の２つあるいはそれ以上の層の間のホール輸送を阻止する層を参照する。例えば、光検出器１００が動作中において、電子輸送ホール阻止層１１０は陰極１１２から光活性層１０８へのホールの注入を阻止することができる。そのような注入を阻止することが暗電流を減少できるため、陰極から光活性層へのホールの注入を阻止することが有利であることが理解される。暗電流の減少は、光検出器の検出能の増加という有利な結果となる。
あるケースにおいて、陰極１１２の仕事関数と電子輸送ホール阻止層１１０の価電子帯エネルギーとの間に実質的に大きなギャップが存在するため、電子輸送ホール阻止層１１０は、逆バイアスのもと、陰極１１２から光活性層１０８へのホールの注入を阻止することができる。例えば、陰極の仕事関数と電子輸送ホール阻止層の価電子帯エネルギーとの間の差の大きさは、少なくとも約０．５ｅＶ、少なくとも約１ｅＶ、少なくとも約１．５ｅＶ、少なくとも約２ｅＶ、少なくとも約２．５ｅＶ、少なくとも約３ｅＶ、少なくとも約４ｅＶ、または、少なくとも約５ｅＶである。あるケースにおいて、陰極の仕事関数と電子輸送ホール阻止層の価電子帯エネルギーとの間の差の大きさは、約０．５ｅＶから約１ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約１．５ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約２ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約２．５ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約３ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約４ｅＶの範囲内、約０．５ｅＶから約５ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約２ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約２．５ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約３ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約４ｅＶの範囲内、約１ｅＶから約５ｅＶの範囲内、約１．５ｅＶから約２．５ｅＶの範囲内、約１．５ｅＶから約３ｅＶの範囲内、約１．５ｅＶから約４ｅＶの範囲内、約１．５ｅＶから約５ｅＶの範囲内、約２ｅＶから約３ｅＶの範囲内、約２ｅＶから約４ｅＶの範囲内、または、約２ｅＶから約５ｅＶの範囲内である。
ある実施例において、電子輸送ホール阻止層の価電子帯エネルギーは相対的に高い。例えば、電子輸送ホール阻止層の価電子帯エネルギーの大きさは、少なくとも約５ｅＶ、少なくとも約５．５ｅＶ、少なくとも約６ｅＶ、少なくとも約６．５ｅＶ、少なくとも約７ｅＶ以下、少なくとも約７．５ｅＶ、少なくとも約８ｅＶ、少なくとも約９ｅＶ、または、少なくとも約１０ｅＶとすることができる。あるケースにおいて、電子輸送ホール阻止層の価電子帯エネルギーの大きさは、約５ｅＶから約６ｅＶの範囲内、約５ｅＶから約７ｅＶの範囲内、約５ｅＶから約８ｅＶの範囲内、約５ｅＶから約９ｅＶの範囲内、約５ｅＶから約１０ｅＶの範囲内、約６ｅＶから約７ｅＶの範囲内、約６ｅＶから約８ｅＶの範囲内、約６ｅＶから約９ｅＶの範囲内、約６ｅＶから約１０ｅＶの範囲内、約７ｅＶから約８ｅＶの範囲内、約７ｅＶから約９ｅＶの範囲内、約７ｅＶから約１０ｅＶの範囲内、約８ｅＶから約９ｅＶの範囲内、または、約８ｅＶから約１０ｅＶの範囲内である。
ある実施例において、電子輸送（および、あるケースにおいて、ホール阻止）層は、ｎ型の半導体金属酸化物を備える。ｎ型の半導体金属酸化物は、通常、ホールより高い電子濃度を有する半導体金属酸化物を参照する（例えば、フェルミ準位は価電子帯よりも伝導帯により近くに存在する）。適切なｎ型の半導体金属酸化物の例は、限定されるものではないが、酸化亜鉛（ＺｎＯ）および酸化チタン（ＴｉＯ２）を含む。ある実施例において、ｎ型半導体金属酸化物は、広い帯域ギャップ（例えば、少なくとも１ｅＶ、少なくとも１．５ｅＶ）の半導体である。ある実施例において、ｎ型の半導体金属酸化物は、空気安定性および／または光透過性などの、好ましいと認識されてきた特性を有する。例えば、図２Ｂは、ＺｎＯの層に対する波長の関数として透過率の典型的なプロットを示し、ＺｎＯ層に対し、透過率は約２５０ｎｍから約２５００ｎｍの範囲の波長に対し９５％より大きいことがわかる。金属酸化物層は、前駆体から表面上に成長したフィルムとして、あるいは、金属酸化物ナノ粒子の懸濁液の堆積として、形成できる。あるケースにおいて、金属酸化物層の厚さは、約１０ｎｍから約３０ｎｍの範囲内、約１０ｎｍから約５０ｎｍの範囲内、約１０ｎｍから約１００ｎｍの範囲内、約３０ｎｍから約５０ｎｍの範囲内、約３０ｎｍから約１００ｎｍの範囲内、または、約５０ｎｍから約１００ｎｍの範囲内である。これらの金属酸化物層は、装置に対して空気安定性を提供する光活性層の封入を提供することができる。
あるケースにおいて、光検出器は、図１Ａに示すように、標準構造を有する。標準構造を有する光検出器１００では、基板１０２は、光活性層１０８によって検知される電磁放射（例えば、赤外および／または可視放射）に対し十分に透過性を示す材料を備えることができる。有機ポリマーが赤外および／または可視放射に対して十分に透過性を有するならば、基板１０２に対する適切な材料の例は、硬いか可とう性のガラスまたは石英、または、有機ポリマーを含む。この標準構造において、陽極１０４は基板１０２上に堆積できる。陽極１０４は、また、検出すべき電磁放射に対し透過性である。例えば、陽極１０４は、ＩＴＯまたは大きい仕事関数（例えば、ホール輸送層の価電子帯に近い）を有する他の透過性で伝導性の酸化物を備えており、ホール輸送層１０６との良好な接触が提供できる。陰極１１２は、しかしながら、検出すべき電磁放射に対し必ずしも透過性を有する必要はない。ある実施例において、陰極１１２は、比較的低い仕事関数（例えば、電子輸送層の伝導帯に近い）や高い反射率などの、ある有利な特性を有することができる。陰極１１２の適切な材料の例は、限定されるものではないが、アルミニウムおよび銀を含む。
あるいは、ある実施例において、光検出器は逆構造を有する。逆構造を有する光検出器の典型的な概略図は図１Ｂに示されている。図１Ｂにおいて、光検出器１００は、基板１０２、陰極１１２、電子輸送層１１０、光活性層１０８、ホール輸送層１０６および陽極１０４を含む複層構造である。逆構造において、陰極１１２は基板１０２に隣接して位置する。逆構造において、陰極１１２は、そのため、光活性層１０８によって検出すべき電磁放射に対し透過性を有することができる。陰極に対する適切な材料の例は、限定されるものではないが、カルシウム、アルミニウムおよび銀を含む。これとは逆に、陽極１０２は、電磁放射に対し必ずしも透過性を有する必要はない。あるケースにおいて、陽極１０２は金属を備えることができる。逆構造において陽極１０２に対する適切な材料の例は、限定されるものではないが、銀、金およびプラチナを含む。陽極１０２は、また、ＩＴＯまたは大きな仕事関数を有する他の透過性で伝導性の酸化物を備えることができる。
ある実施例において、光検出器は任意の光学フィルターを備える。光学フィルターは、検出すべき波長の選択を提供するために、または、さらに光検出器の安定性を高めるために、光検出器の光入射面上に配置することができる。例えば、ＵＶ放射の少なくとも一部は、ＰｂＳ量子ドットに悪影響を有する、ＵＶ−Ａ（３５０−４００ｎｍ）の放射を阻止するロングパスフィルターの挿入によって、阻止される。
あるケースにおいて、ここに記載された光検出器は、有利であると認識されているある特性を有する。例えば、光検出器は空気安定とすることができる。空気安定性は、通常、長い間空気に曝された光検出器の性能を定期的に測定することによって、決定される。例えば、性能の適切な標化基準は、限定されるものではないが、それぞれの外部量子効率（ＥＱＥ）および比検出能を含む。ＥＱＥは、通常、光検出器上の入射光子の数に対する発生した自由電荷担体の数の比を参照することができる。応答速度は、通常、光入力につき電気出力（例えば、光電流）の測定値を参照することができる。比検出能は、通常、以下の等式（１）：
Figure 2016532301
を使用して表現することができる、光検出器の検出感度に関連する性能指数を参照することができる、ここで、Ｒは応答速度であり、Ａは装置面積であり、Ｂは帯域幅であり、Ｉｄは暗電流密度であり、ｑは素電荷（１．６×１０−１９Ｃ）である。ここに使用されているように、空気安定性光検出器は、空気に対する露出により、ある一定の時間間隔に亘って、約５０％以下、約２０％以下、約１０％以下、約５％以下、または、約１％以下の相対標準偏差を有する測定した性能測定基準を有する光検出器を参照することができる。ある実施例において、空気安定性光検出器は、約１％から約５％の範囲内、約１％から約１０％の範囲内、約１％から約２０％の範囲内、約１％から約５０％の範囲内、約５％から約２０％の範囲内、約５％から約５０％の範囲内、約１０％から約２０％の範囲内、または、約１０％から約５０％の範囲内の相対標準偏差を有する測定した性能測定基準を有する。ある実施例において、時間間隔は、少なくとも約１日、少なくとも約１０日、少なくとも約３０日、少なくとも約６０日、少なくとも約９０日、少なくとも約１２０日、少なくとも約２４０日、少なくとも約１年、少なくとも約５年、または、少なくとも約１０年である。時間間隔は、約１日から約３０日の範囲内、約１日から約６０日の範囲内、約１日から約９０日の範囲内、約１日から約１２０日の範囲内、約１日から約２４０日の範囲内、約１日から約１年の範囲内、約１日から約５年の範囲内、約１日から約１０年の範囲内、約３０日から約６０日の範囲内、約３０日から約９０日の範囲内、約３０日から約１２０日の範囲内、約３０日から約１年の範囲内、約６０日から約１２０日の範囲内、約６０日から約１年の範囲内、約６０日から約５年の範囲内、約６０日から約１０年の範囲内、約９０日から約１２０日の範囲内、約９０日から約１年の範囲内、約９０日から約５年の範囲内、約９０日から約１０年の範囲内、約１２０日から約１年の範囲内、約１２０日から約５年の範内、約１２０日から約１０年の範囲内、約３６５日から約５年の範囲内、約３６５日から約１０年の範囲内、または、約５年から約１０年の範囲内とすることができる。あるケースにおいて、光検出器は、外部密封コーティング（すなわち、第１および第２の金属酸化物層以外）無しで空気安定性を有する。外部密封コーティング無しで空気安定性を有する特性は、光検出器の製造および貯蔵を有利に促進することができ、コストを削減することができる。
ある実施例において、光検出器は、有利であると認識されている他の特性を表す。例えば、光検出器は、相対的に速い反応速度（例えば、約１０μｓ未満の立ち上がり時間）および／または相対的に大きい帯域幅（例えば、少なくとも約１０ｋＨｚ、少なくとも約１５ｋＨｚ）を有することができる。あるケースにおいて、印加した逆バイアス電圧の大きさを増加させることで、反応速度は増加し（例えば、立ち上がり時間は減少する）、帯域幅は増加する。あるケースにおいて、光検出器は、逆バイアスのもとで、相対的に低いノイズ電流スペクトル密度（例えば、約１０−２３Ａ２／Ｈｚ以下）を有する。ある実施例において、光検出器は高いスペクトル応答速度を有する。例えば、あるケースにおいて、光検出器は、約４００ｎｍから約１３００ｎｍの範囲の波長に対し、少なくとも約０．１アンペア／ワット（Ａ／Ｗ）、少なくとも約０．２Ａ／Ｗ、または、少なくとも約０．３Ａ／Ｗの応答速度を有する。あるケースにおいて、光検出器は、少なくとも約−１Ｖ、少なくとも約−２Ｖ、または、少なくとも約−３Ｖの印加した逆バイアス電圧のもと、約４００ｎｍから約１３００ｎｍの範囲の波長に対し、少なくとも約０．１Ａ／Ｗ、少なくとも約０．２Ａ／Ｗ、または、少なくとも約０．３Ａ／Ｗの応答速度を有する。あるケースにおいて、光検出器は、少なくとも約０Ｖ、少なくとも約−１Ｖ，少なくとも約−２Ｖ、少なくとも約−５Ｖ、または、少なくとも約−１０Ｖの印加した逆バイアス電圧のもと、相対的に低い暗電流（例えば、約１ナノアンペア以下）を有することができる。
ある実施例において、ここに記載された光検出器は高い比検出能を表す。高い比検出能は、極めて低いノイズ電流、大きい帯域幅および高いスペクトル応答速度の組み合わせからの結果である。あるケースにおいて、光検出器は、少なくとも約４００ｎｍ、少なくとも約６００ｎｍ、少なくとも約８００ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約１．２μｍ、または、少なくとも約２μｍの波長に対し、少なくとも約５×１０１１Jones、少なくとも約１×１０１２Jones、または、少なくとも約２×１０１２Jonesの比検出能を有する。ある実施例において、光検出器は、少なくとも約−１Ｖ、少なくとも約−２Ｖ、または、少なくとも約−３Ｖの逆バイアス電圧もと、少なくとも約４００ｎｍ、少なくとも約６００ｎｍ、少なくとも約８００ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約１．２μｍ、または、少なくとも約２μｍの波長に対し、、少なくとも約５×１０１１Jones、少なくとも約１×１０１２Jones、または、少なくとも約２×１０１２Jonesの比検出能を有する。
ある実施例は光検出器を製造する方法に関する。あるケースにおいて、光検出器は溶液処理を使用して製造することができる。溶液処理の使用は、効果的に、製造コストを減少させ、および／または、可とう性電子機器との統合を可能とする。本発明の実施例によれば、金属酸化物前駆体の溶液、または、ナノ粒子、例えば第１または第２の金属酸化物層または光活性層のナノ粒子の懸濁液は、例えば、スピンコーティング、スプレーキャスティング、または、インクジェットプリンティングの技術を使用して、堆積される。電極上の第１の金属酸化物層の堆積で、層を安定化できる。光活性層の無機ナノ粒子は、次に、堆積され、望むならば交換される。第２の金属酸化物層は、続いて、光活性層の上に堆積される。各層の堆積は、単一層として形成することができ、あるいは、最終層の部分の繰り返された堆積によって形成することもできる。ある実施例において、層（例えば、光活性層）は、ナノ粒子層の５層、１０層、１５層、２０層、２５層、あるいは、３０層の堆積を備えることができる。各層の堆積後、曝露された層を有する装置は、加熱され、抽出され、リガンド交換され、またはそうでなければ、追加の層の続く堆積に先立って安定した望ましい構造を達成するように処理される。例えば、あるケースにおいて、リガンド交換は、ナノ粒子を「架橋」させて、層の伝導度を増加する。溶液を抽出した金属酸化物は、小さいまたは大きい領域の光検出器の容易で処理能力の高い製造を可能にすることに加えて、逆バイアス暗電流を減少させ、空気安定性を提供することができる。溶媒は、すべての互換性の要求を達成し、望むならばそれらの除去を可能とするように、および、いかなる望ましくない光学または電気的な特性を提供しないように、通常は選択される。
この実施例は、ＰｂＳ量子ドット光活性層、ＮｉＯホール輸送電子阻止層、および、ＺｎＯ電子輸送ホール阻止層を備える、広帯域マルチスペクトル光検出器における、層の製造を記載する。実施例は、また、結果として得られる光検出器の有利な特性を記載する。
ＮｉＯ層の準備
エタノール中ニッケルアセテートの０．１Ｍ溶液がエタノールアミンと１：１モル比で混合されたＮｉＯ前駆体溶液が、準備される。ＮｉＯ前駆体溶液は、陽極上にスピンコーティングされ、空気中で１時間加熱される。加熱温度は、２７５℃から５００℃あるいはそれ以上とすることができ、ＮｉＯの連続した膜を形成する。
ＰｂＳ量子ドット層
オクタデカン中のヘキサメチルジシラシアン（（ＴＭＳ）２Ｓ）の１Ｍ溶液が、１１０℃および１５０℃の温度で、オクタデカンおよびオレイン酸中でしっかり撹拌された酸化鉛の０．００４Ｍ溶液中に注入される。３−５分後、反応は冷却されたイソプロパノールの添加によって急冷される。急冷後、コロイド状のＰｂＳが沈殿し、アセトンなどの非溶剤での遠心分離で３回洗浄される。ＰｂＳナノ粒子は、トルエン中に分散され、その後乾燥させる。量子ドットの懸濁液は、望ましい膜層厚を達成するために選択された濃度で装置の製造のために準備される。異なる吸収スペクトルを有する異なる大きさの量子ドットは、注入と冷却との間の反応温度および反応時間を制御することによって準備される。１０００ｎｍと１５００ｎｍとの間の第１の励起吸収ピークを有するＰｂＳナノ粒子は、簡単に製造される。約６ｎｍの直径の疑似球形の量子ドットは、可視域を介して延びる吸収尾部で準備される。これらの量子ドットは、概ね、以下のように特徴付けられる広帯域マルチスペクトル光検出器に適している。図３は、４００ｎｍから１３００ｎｍを介しての吸収を示す、６ｎｍ直径の量子ドットの応答速度を示す。直径が約４ｎｍから約１０ｎｍの範囲の量子ドットは、この処理によって簡単に合成される。
光活性層は、図４に示すように、クロロホルムまたはヘキサン中５ｍｇ／ｍＬのＰｂＳ量子ドットの懸濁液をＮｉＯ層上にスピンコーティングすることによって準備される。オレイン酸リガンドは、アセトンニトリル中１，３−ベンゼンジチオールの溶液中に中間装置をディッピングすることによって、１，３−ベンゼンジチオールリガンドと変換される。リガンド交換は、ナノ粒子を「架橋」して、層の伝導度を増加する。層堆積およびリガンド交換は、３０回まで繰り返され、光活性層の厚さを増加させる。
ＺｎＯナノ粒子層
ジメチルサルフォキシド（ＤＭＳＯ）中水酸化テトラメチルアンモニウム五水和物（ＴＭＡＨ）の１０Ｍ溶液は、しっかり１時間撹拌されたエタノール中酢酸亜鉛ジハイドレードの１０Ｍ溶液中に添加される。約６ｎｍの直径を有するコロイド状のＺｎＯナノ粒子が形成される。図５に示される、ＺｎＯナノ粒子は、繰り返して、分散され、洗浄され、遠心分離される。コロイド状のＺｎＯナノ粒子は、エタノール中で分散され、光活性層上に直接スピンコーティングされ、ＺｎＯ層を乾燥させるために、８０℃で１０分熱される。ＺｎＯナノ粒子は、同様の大きさの多孔性ＰｂＳ膜と密接に接触する。
光検出器の特性評価
６ｎｍＰｂＳ量子ドット堆積の種々の数から形成された光活性層を備える光検出器に対し、逆バイアスでのダイオードの暗電流は、図６に示すように、１ナノアンペアのオーダーである。これは、ＮｉＯのｐ型の性質およびＺｎＯのｎ型の性質を反映する、適切な電流整流作用を有する好ましい光検出器のレベルを示している。スペクトル光応答性は、図３に示すように、光検出器が、電磁スペクトルの近赤外部分から可視部分を介して延びる（例えば、約４００ｎｍから約１３００ｎｍ）、広い吸収域を有することを示す。
図７は図３の２０層ＰｂＳ光検出器の速度および帯域幅を示す。これらの光検出器の帯域幅は、従来の画像センサーの要求を十分に超えている１０ｋＨｚのオーダーである。光帯域幅の測定は、インハウスパルスＬＥＤセットアップ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ）で行われる。セットアップは、方形波電圧パルスを有する関数発生器によって駆動されるＬＥＤから構成される。装置の電流出力は、高帯域幅モードでスタンフォードＳＲ５７０電流プリアンプによって増幅され、１チャンネルでデジタルオシロスコープで読み取られる一方、ＬＥＤドライバーは他のチャンネルでモニターされる。
図８は、ノイズ特性が測定中光検出器に引火されたバイアスに依存するノイズを有する低いコーナー周波数を含む、２０層のＰｂＳ光検出器に対し測定されたノイズ電流スペクトル密度および１／ｆフィットアンドショットノイズを示している。ノイズ測定にあたって、装置は、小さいアルミニウムのファラデーケージの内部にパックされて固定され、バイアス源および増幅器として動作する、ＳＲ５７０電流プリアンプを有する固体銅ファラデーケージの内部に（電気的に絶縁されて）位置する。固体のアルミニウムおよび銅の箱は、装置および増幅器を外部のノイズからシールドする。ＳＲ５７０増幅器は、次に、アジリエント３５６７０Ａダイナミックシグナルアナライザーのスペクトル解析器に接続され、スペクトル解析器は、データ取得セットアップに直接信号を出力する。
図９はＰｂＳ光検出器に対する計算された比検出能を示す。１０１２オーダーの高い検出能が、極めて低いノイズ電流、大きい帯域幅および高いスペクトル応答速度の組合せの結果から得られている。比検出能は、キセノンＤＣアークランプ、ＯＲＩＥＬ７４１２５単色光分光器、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ４２８電流増幅器、２７０ＨｚでのＳＲ５４０チョッパーシステム、および、ＳＲＳからのＳＲ８３０ＤＳＰロックイン増幅器から成るインハウスセットアップを使用して、得られる。
これらの光検出器は、図１０に示されるように、密封されずに空気中で保持でき、性能上の明らかなロスは示されず、３か月以上明らかな安定性を有している。比検出能は、以下の全ノイズ電流に対する近似式：＜ｉ２＞＝２ｑＩｄａｒｋを使用して決定される。この式は、まず第１に、以下の式：
Figure 2016532301
を使用してノイズ等価電力（ＮＥＰ）を計算するために使用される、ここでＲはスペクトル応答速度である。比検出能Ｄ＊は、次に、式：
Figure 2016532301
を使用して計算される、ここでＡは装置領域およびＢは帯域幅である。
ここに参照され引用された全ての特許、特許出願、仮出願および公開公報は、それらがこの明細書の明確な教示と矛盾しない程度において、全ての図面および表を含むそれらの全体を参照することで組み込まれる。
ここに記載された実験例および実施例は例証のためのみであり、それを考慮することで種々の改良および変更が、当業者に対し示唆され、この出願の精神および範囲内に含まれるものであることを理解すべきである。

Claims (25)

  1. 光検出器であって：
    半導体無機ナノ粒子を備える光活性層；
    第１の金属酸化物を備えるホール輸送層；および
    第２の金属酸化物を備える電子輸送層；を備え、
    ナノ粒子はスペクトルの少なくとも赤外線領域において電磁放射に対し反応し、光活性層はホール輸送層と電子輸送層との間に位置し、光検出器は外側の封入被覆がなくても空気中で安定であることを特徴とする光検出器。
  2. 光検出器は、少なくとも約１２０日の期間に亘って、約５％未満の相対標準偏差を有する外部量子効率を有し、光検出器はその期間中空気に曝されることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  3. ホール輸送層がホール輸送電子阻止層であることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  4. 電子輸送層が電子輸送ホール阻止層であることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  5. 第１の金属酸化物がＮｉＯであることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  6. 第２の金属酸化物がＺｎＯまたはＴｉＯ２であることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  7. 第２の金属酸化物がＺｎＯであることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  8. 半導体無機ナノ粒子が、鉛カルコゲニド、鉛カルコゲニドの合金、水銀カルコゲニド、水銀カルコゲニドの合金、インジウムおよび／またはガリウムに基づくＩＩＩ−Ｖ族半導体、シリコンまたはそれらの組み合わせを備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  9. 半導体無機ナノ粒子がＰｂＳまたはＰｂＳｅを備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  10. ナノ粒子が、電磁スペクトルの可視および赤外線領域において、電磁放射に対し反応することを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  11. さらにホール抽出層を備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  12. ホール抽出層が、酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、酸化タングステン（ＷＯ３）、および／または、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）を備えることを特徴とする請求項９に記載の光検出器。
  13. さらに光検出器の光入射面上に光ファイバーを備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  14. 光ファイバーが、電磁スペクトルの紫外線領域において、電磁放射の少なくとも一部を取り除くことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  15. 請求項１に記載の光検出器を準備する方法であって：
    電極を備える基板を提供する工程；
    第１の金属酸化物前駆体の第１の溶液または複数の金属酸化物粒子の第１の懸濁液を、電極上に堆積する工程；
    第１の溶液または第１の懸濁液から溶媒を取り除き、第１の金属酸化物を備える第１の層を形成する工程；
    半導体無機ナノ粒子のコロイド懸濁液を第１の層上に堆積する工程；
    半導体無機量子ドットのコロイド懸濁液から溶媒を取り除き、半導体無機量子ドットを備える光活性層を形成する工程；
    第２の金属酸化物前駆体の第２の溶液または複数の金属酸化物粒子の第２の懸濁液を、光活性層上に堆積する工程；および
    第２の溶液または第２の懸濁液から溶媒を取り除き、第２の金属酸化物を備える第２の層を形成する工程；
    を備えることを特徴とする光検出器を準備する方法。
  16. 電極が陽極であり、第１の金属酸化物を備える第１の層がホール輸送電子阻止層であり、第２の金属酸化物を備える第２の層が電子輸送ホール阻止層であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 電極が陰極であり、第１の金属酸化物を備える第１の層が電子輸送ホール阻止層であり、第２の金属酸化物を備える第２の層がホール輸送電子阻止層であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  18. ホール輸送電子阻止層がＮｉＯを備えることを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
  19. 電子輸送ホール阻止層がＺｎＯおよび／またはＴｉＯ２を備えることを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
  20. さらに、第１の金属酸化物を備える第１の層、第２の金属酸化物を備える第２の層、および／または、光活性層を、化学的にまたは熱的に変える工程を備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  21. 第１の金属酸化物を備える第１の層、第２の金属酸化物を備える第２の層、および／または、光活性層を化学的に変える工程が、リガンド交換を備えることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
  22. 方法が、さらに、光検出器を密封する工程を含まないことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  23. さらに、光検出器を一時期空気に曝す工程であって、光検出器の性能が一時期の間安定している工程を備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  24. 一時期が少なくとも約１２０日であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
  25. 光検出器が、一時期の間約５％未満の相対標準偏差を有する外部量子効率を有することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
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