TW202315186A - 光二極體之結構 - Google Patents

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張怡鳴
蔡坤偉
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天光材料科技股份有限公司
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Abstract

本發明係為一種光二極體之結構，其包含一基板，一第一電極設置於該基板上，一電子傳遞層設置於該第一電極上，一光活性層設置於該電子傳遞層上，該光活性層係包含一P型半導體層及一N型半導體層，該P型半導體層及該N型半導體層具有一組成比例，該組成比例介於1:0.5至1:1.5之間，該光活性層具有一厚度，該厚度係介於1μm至15μm，該光活性層具有一第一能隙值，一第二電極設置於該光活性層上。

Description

光二極體之結構
本發明係關於一種結構，特別是一種可自體過濾特定波長之光二極體之結構。
泛見之光感測器Photodetector (PD)主要由一光二極體(Photodiode)構成。在過去主要以Silicon為主流使用之材料。而隨著近年來，在更高靈敏度、更長之感應波長範圍、更具高性價比之製造成本等需求增加下。
許多新世代材料系統所衍生之光二極體元件亦嶄露頭角。如有機光感測器(organic photodetector, OPD)、量子點光感測器(quantum dot photodetector, QDPD)、鈣鈦礦光感測器(Perovskite photodetector, PPD)等。
光感測器屬於影像感測器產品中的組件之一，結構上能夠有效將光感測器所產生之電流訊號轉為數位訊號，一般則需要搭配一讀取電路(readout integrated circuit, ROIC)。
在應用屬性分類上，ROIC可分為兩大類，互補式金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor， CMOS）晶片或薄膜電晶體（Thin-Film Transistor，縮寫：TFT）面板，在生產與供應鏈上分屬於半導體晶片廠與顯示器面板廠。而影像感測器之出貨量隨著產品種類多元化而增加，在相機手機和新嵌入式應用迅速普及的推動下，影像感測器在過去十年中，成為成長最快的半導體產品類別。
未來新一波的成長將是由嵌入式數位影像系統所發起，包括更多用於汽車安全的相機和車輛中的駕駛員輔助功能、內建自動化和智慧化系統的機器視覺、醫療應用、人類以及臉部辨識、穿戴式相機、3D視訊、虛擬/擴增實境以及其他用途。最重要的是，愈來愈多的具有快速高解析度影像感測裝置將內建在智慧型手機之內。
然而，一般而言光感測器在使用上會依照需求不同，對目標之感測光源進行分光，傳統上來說需要利用濾光片(filter)將白光個別轉為R/G/B/NIR(near infrared，縮寫：NIR)光源，在元件結構上勢必須導入濾光片後製程。
而技術上，若能藉由元件設計與光學調控(optical modulation)使元件在不需濾光片的輔助下即可得到窄半高寬(full width at half maximum, FWHM)，光學頻譜單一的響應，不僅能縮小感測器體積，在製程與成本上亦可得到諸多優勢，若能使光二極體元件在不需濾光片的輔助下，也就是自體濾光之功能，即可得到頻譜單一的響應，能縮小感測器體積，降低製程複雜度與成本。
綜觀現今，已有利用材料交聯與調整波長匹配性之概念，導入了可見光吸收材料作為光二極體之結構內之自體濾光層，並在交聯劑的作用下有效增加膜層厚度，最終實現了在近紅外光波段(near infrared，縮寫：NIR)具有窄半高寬響應之光二極體之結構。
同時，為加強自體濾光效果因此外加濾光層，同時使濾光層作為電洞傳遞層之作用，前述之實施方法係利用P3HT分子使其交聯，並扮演光二極體之結構之電洞傳遞層，由於P3HT為一可見光吸收材料，因此在交聯作用下，可有效減少可見光區域之量子效率 (Quantum Efficiency, QE)產生，而在目標NIR波段得到較純淨窄半高寬之響應。
而上述之交聯方法，為了增加膜厚或提升光二極體元件內材料的自體濾光效率，通常會導入適當之交聯劑參與作用。
然而，導入交聯劑作用之方法，不但增加光二極體之結構製作之複雜度，且導入交聯劑勢必對參與交聯反應之半導體分子有所選擇限制，無法適用於所有材料體系。
為此，如何製作一種可自體濾光之窄半高寬響應之光二極體之結構，為本領域技術人員所欲解決的問題。
本發明之一目的，在於提供一種光二極體之結構，其係藉由光活性層內之P型半導體層、N型半導體層以及其厚度的搭配，並結合透明電極使用，使其形成一種具有自體濾光之窄半高寬響應之光二極體之結構，達到自體濾光之效果，並減少光感測器之體積。
針對上述之目的，本發明提供一種光二極體之結構，其係將一外部光源轉換一電流值，其包含：一基板、一第一電極、一電子傳遞層、一光活性層以及一第二電極，該第一電極係設置於該基板上，該電子傳遞層係設置於該第一電極上，該光活性層係設置於該電子傳遞層上，該光活性層係包含一P型半導體層及一N型半導體層，該P型半導體層及該N型半導體層具有一組成比例，該組成比例介於1:0.5至1:1.5之間，該光活性層具有一厚度，該厚度係介於1μm至15μm，該第二電極係設置於該光活性層上。
本發明提供一實施例，其中該基板係使用矽基板、聚醯亞胺基板、玻璃基板、聚苯二甲酸乙二酯基板、聚對苯二甲酸乙二醇酯基板、藍寶石基板、石英基板或陶瓷基板。
本發明提供一實施例，其中該第一電極係為一透明電極或一金屬電極，其中，該透明電極係選自於金屬氧化物、導電高分子、石墨烯(graphene)、奈米碳管、金屬奈米線、金屬網格，或上述材料任意搭配組合所構成，該金屬電極係選自於鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈦(Ti)或上述金屬材料以不同比例或搭配不同元素製作的複合金屬電極。
本發明提供一實施例，其中該第一電極更包含一第一活性金屬層，其係設置於該第一電極內，該第一活性金屬層係選自於鎂(Mg)、鈣(Ca)、鋰(Li)、銫(Cs)及其組成物所組成之群組之其中之一。
本發明提供一實施例，其中該電子傳遞層係選自於有機高分子、有機小分子及金屬氧化物所組成之材料群組或其上述材料任意搭配組合之群組，其中有機高分子係使用PFN-DOF、PFN-Br或PDMAEMA，有機小分子係使用PDIN、PDINO、PDINN或NDI-N，金屬氧化物係使用SnO 2、ZnO、TiO 2、Cs 2CO 3或Nb 2O 5。
本發明提供一實施例，更包含一電洞傳遞層，其係設置於該光活性層及該第二電極之間。
本發明提供一實施例，該電洞傳遞層係選自於有機高分子、有機小分子、金屬氧化物及金屬化合物所組成之材料群組或其上述材料任意搭配組合之群組，其中有機高分子係使用PEDOT:PSS或PTAA，有機小分子係使用spiro-MeOTAD或m-MTDATA，金屬氧化物或金屬化合物係使用MoO 3、NiO、V 2O 5、WO 3或CuSCN。
本發明提供一實施例，其中該第二電極係為一透明電極或一金屬電極，其中，該透明電極係選自於金屬氧化物、導電高分子、石墨烯、奈米碳管、金屬奈米線、金屬網格，或上述材料任意搭配組合所構成，該金屬電極係選自於鋁、銀、金、銅、鎢、鉬、鈦或上述金屬材料以不同比例或搭配不同元素製作的複合金屬電極。
本發明提供一實施例，其中該第二電極更包含一第二活性金屬層，其係設置於該第二電極內，該第二活性金屬層係選自於鎂、鈣、鋰、銫及其組成物所組成之群組之其中之一。
本發明提供一實施例，其中該光活性層之該P型半導體層係選自於D1至D29所組成之群組之其中之一。
本發明提供一實施例，其中該光活性層之該N型半導體層係選自於A1至A39所組成之群組之其中之一。
為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
習知之自體濾光之窄半高寬響應之光二極體元件中，為了增加膜厚或提升光二極體元件內材料的自體濾光效率，通常會導入適當之交聯劑參與作用，然而，上述導入交聯劑之作法，不但增加整體元件製作之複雜度，且導入交聯劑勢必對參與交聯反應之半導體分子有所選擇限制，無法適用於所有材料體系。
本發明製作一種藉由光活性層內之P型半導體層、N型半導體層以及其厚度的搭配，並結合透明電極使用，使其形成具有自體濾光之窄半高寬響應之光二極體之結構，達到自體濾光之效果，並減少光感測器之體積。
在下文中，將藉由圖式來說明本發明之各種實施例來詳細描述本發明。然而本發明之概念可能以許多不同型式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。
首先，請參閱第1圖，其為本發明之一實施例之光二極體之結構示意圖，如第1圖所示，本實施例之光二極體之結構係包含一基板10、一第一電極20、一電子傳遞層30、一光活性層40以及一第二電極50。
於本實施例中之光二極體結構，該第一電極20係設置於該基板10之上方，該電子傳遞層30係設置於該第一電極20之上方，其中，該基板10係使用矽基板、聚醯亞胺基板、玻璃基板、聚苯二甲酸乙二酯基板、聚對苯二甲酸乙二醇酯基板、藍寶石基板、石英基板或陶瓷基板。
其中該第一電極20係為一透明電極或一金屬電極，較佳的為透明電極，但不以此為限，其中，當前述之該第一電極20選用該透明電極時，該透明電極係選自於金屬氧化物(metal oxide)、導電高分子(conducting polymer)、石墨烯(graphene)、奈米碳管(carbon nanotubes)、金屬奈米線(metal nanowire)、金屬網格(metal mesh)，或上述材料任意搭配組合所構成。
其中，當該第一電極20係選用該金屬電極時，該金屬電極係選自於鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈦(Ti)或上述金屬材料以不同比例或搭配不同元素製作的複合金屬電極，例如：TiN或類似概念。
於本實施例中，該電子傳遞層30係選自於有機高分子、有機小分子及金屬氧化物所組成之材料群組或其上述材料任意搭配組合之群組，其中：
有機高分子係使用
PDMAEMA
Figure 02_image001
PFN-DOF
Figure 02_image003
或
PFN-Br
Figure 02_image005
有機小分子係使用
NDI-N
Figure 02_image007
PDIN
Figure 02_image009
PDINO
Figure 02_image011
或
或PDINN
Figure 02_image013
金屬氧化物係使用SnO 2、ZnO、TiO 2、Cs 2CO 3或Nb 2O 5。
於本實施例之該光活性層40係設置於該電子傳遞層30之上方，該光活性層40係包含一P型半導體層41及一N型半導體層43，該P型半導體層41及該N型半導體層43具有一組成比例，該組成比例介於1:0.5至1:1.5之間，該光活性層40具有一厚度45，該厚度係介於1μm至15μm，而該第二電極50係設置於該光活性層40之上方。
其中，該光活性層40係選自於有機高分子(polymer)，有機寡聚物(oligomer)、有機小分子(small molecule)、無機化合物半導體、有機無機複合半導體、無機半導體奈米粒子與量子點(quantum dots) 所組成之群組之其中之一。
且於本實施例中，該光活性層40之該P型半導體層41與該N型半導體層43係由上述材料交互搭配形成。
其中，該P型半導體層41係選自於D1至D29所組成之群組之其中之一，而D1至D29之結構如下表1。 表1  D1至D29之結構
D1
Figure 02_image015
D2
Figure 02_image017
D3
Figure 02_image019
D4
Figure 02_image021
D5
Figure 02_image023
D6
Figure 02_image025
D7
Figure 02_image027
D8
Figure 02_image029
D9
Figure 02_image031
D10
Figure 02_image033
D11
Figure 02_image035
D12
Figure 02_image037
D13
Figure 02_image039
D14
Figure 02_image041
D15
Figure 02_image043
D16
Figure 02_image045
D17
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D18
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D19
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D20
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D21
Figure 02_image053
D22
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D23
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D24
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D25
Figure 02_image061
D26
Figure 02_image063
D27
Figure 02_image065
D28
Figure 02_image067
D29
Figure 02_image069
其中，該光活性層40之該N型半導體層43係選自於A1至A39所組成之群組之其中之一，而A1至A39之結構如下表2。 表2  A1至A39之結構
A1
Figure 02_image071
A2
Figure 02_image073
A3
Figure 02_image075
A4
Figure 02_image077
A5
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A6
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A7
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A8
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A9
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A10
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A11
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A12
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A13
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A14
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A15
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A16
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A17
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A18
Figure 02_image105
A19
Figure 02_image107
A20
Figure 02_image109
A21
Figure 02_image111
A22
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A23
Figure 02_image115
A24
Figure 02_image117
A25
Figure 02_image119
A26
Figure 02_image121
A27
Figure 02_image123
A28
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A29
Figure 02_image127
A30
Figure 02_image129
A31
Figure 02_image131
A32
Figure 02_image133
A33
Figure 02_image135
A34
Figure 02_image137
A35
Figure 02_image139
A36
Figure 02_image141
A37
Figure 02_image143
A38
Figure 02_image145
A39
Figure 02_image147
其中，如上所述，本實施例之該光活性層40之組成中含有該P型半導體層41(主要吸光之P type材料)與該N型半導體層43(主要吸光之N type材料)，其中該P型半導體層41與該N型半導體層43之能隙不相同，兩者其中之一為寬能隙材料，其係用以吸收短波長(＜800 nm)之光子，另一其中之一為窄能隙材料，其係用以吸收長波長(＞800 nm)之光子。
其中，於本實施例中，該P型半導體層41與該N型半導體層43之該組成比例介於1:0.5至1:1.5之間，較佳之該組成比例之優選範圍為1:0.6至1:1.2之間。
其中，於本實施例中，該P型半導體層41與該N型半導體層43兩者之間之能隙差值 ≤ 0.50 eV，其中寬能隙材料之存在比例大於窄能隙材料之存在比例。
另外，於本實施例內之該光活性層40係為接收外部光源(可為特定波長或全波長之光源)，並將外部光源轉換為電流之作用，其中，可將外部光源轉換為電流之原因在於，該光活性層40所使用之材料會導致光致電子響應，並且會具有電荷傳遞能力。
其中，於本實施例中，該第二電極50係為一透明電極或一金屬電極，其中，該透明電極係選自於金屬氧化物、導電高分子、石墨烯、奈米碳管、金屬奈米線、金屬網格，或上述材料任意搭配組合所構成，該金屬電極係選自於鋁、銀、金、銅、鎢、鉬、鈦或上述金屬材料以不同比例或搭配不同元素製作的複合金屬電極。
於本實施例中，該第一電極20及該第二電極50兩者之間至少有一者為透明電極，其中，選用之透明電極與該光活性層40中之窄能隙材料(該P型半導體層41或該N型半導體層43所選用之材料)之響應波段互補，使該第一電極20或該第二電極50於響應波段具有較佳之穿透度，藉以於其長波段處取得較佳之光致電子頻譜響應，獲得較佳之長波長光譜。
進一步，請參考第2圖，其為本發明之一實施例之第一活性金屬層及第二活性金屬層之結構示意圖，如第2圖所示，該第一電極20及該第二電極50於本實施例中進一步分別包含一第一活性金屬層22及一第二活性金屬層52，該第一活性金屬層22及該第二活性金屬層52係分別設置於該第一電極20及該第二電極50內，該第一活性金屬層22及該第二活性金屬層52係選自於鎂、鈣、鋰、銫及其組成物所組成之群組之其中之一，其中，該第一活性金屬層22及該第二活性金屬層52係用於更有效將內部載子分別傳遞至第一電極20與第二電極50。
本實施例之光二極體之結構，其製作方式係為於該基板10上以濺鍍方式製作ITO透明電極或熱蒸鍍方式製作金屬電極，將該第一電極20設置於該基板10上方，接著，透過使用可溶於極性溶劑的高分子電子傳輸材料或金屬氧化物溶於醇類溶劑後，再經由旋轉塗佈的方式於該第一電極20上形成該電子傳遞層30，其中，上述之極性溶劑係包含醇類、水性溶劑、二甲基亞碸（Dimethyl sulfoxide，簡稱DMSO）或二甲基甲醯胺（英語：Dimethylformamide，縮寫DMF），上述係以醇類溶劑進行說明，但不以此為限。
接著，將有機光活性材料溶於一般有機溶劑中(如xylene, toluene, tetrahydrofuran, chloroform, chlorobenzene, dichlorobenzene等)後，再塗佈至該電子傳遞層30上形成該光活性層40，該光活性層40位於該電子傳遞層30之上方，接著，利用濺鍍之鍍膜程序製作該第二電極50，其中前述之鍍膜程序係包含濺鍍(Sputtering)、蒸鍍(Evaporation)或物理氣象沉積法(Physical Vapor Deposition)，前述係以濺鍍進行說明，但不以此為限。
進一步，請參考第3圖，其為本發明之另一實施例之光二極體之結構示意圖，如第3圖所示，本實施例之光二極體之結構，進一步包含一電洞傳遞層60，其係設置於該光活性層40及該第二電極50之間，本實施例係與前一實施例之元件結構相同，因此不在此進行贅述。
其中，該電洞傳遞層60係選自於有機高分子、有機小分子、金屬氧化物及金屬化合物所組成之材料群組或其上述材料任意搭配組合之群組。
其中，有機高分子係使用PEDOT:PSS或
PTAA
Figure 02_image149
有機小分子係使用
spiro-MeOTAD
Figure 02_image151
或
m-MTDATA
Figure 02_image153
金屬氧化物或金屬化合物係使用MoO 3、NiO、V 2O 5、WO 3或CuSCN。
其中，該電洞傳遞層60 (hole transporting layer，HTL) 其主要功用為幫助電洞傳輸至該第二電極50，並有阻擋電子傳遞之功用。
接著，下列所舉之實施範例係參照第3圖所揭示之光二極體結構進行說明，藉由實施範例1至5之光二極體之結構，說明並解釋如何透過調整光二極體內之該光活性層40內之該P型半導體層41、該N型半導體層43之該組成比例以及該光活性層40形成之該厚度45之搭配，形成一種具有自體濾光之窄半高寬響應之光二極體之結構，下列列舉實施例以說明透過改變該組成比例以及該厚度後，所產生之自體濾光之效果。
實施範例之實驗條件：
1. 結構組成：參照第3圖之光二極體之結構。
2. 光照方式：由該基板10向該第二電極50照射。
3. 該光活性層40組成：取D5(該P型半導體層41)及A26(該N型半導體層43)，該組成比例介於1:0.6~1:1.5之間，其中，該P型半導體層41及該N型半導體層43之能隙不相同，進一步，該P型半導體層41為寬能隙材料，吸收短波長(＜800 nm)，該N型半導體層43為窄能隙材料，吸收長波長(＞800 nm)。
4. 該厚度45：≤1000 nm。
實施範例1之實驗結果如表3，其為實施例1之實驗結果，相關如第4A圖，其為本發明之另一實施例之光二極體之電流通量之示意圖，以及第4B圖，其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖。 表3  實施例1之實驗結果
D5：A26之該組成比例 暗電流通量 (A/cm 2) at -4V 光電流通量 (mA/cm 2) at -4V 外部量子效率 at 940 nm(%)
0V -2V -4V
1:0.6 1.2 x 10 -8 27.7 32.4 46.9 49.1
1:0.8 2.6 x 10 -8 28.5 46.1 51.5 52.9
1:1.0 5.7 x 10 -8 30.0 38.6 54.9 55.5
1:1.2 1.0 x 10 -7 28.4 47.3 49.1 50.0
1:1.5 2.2 x 10 -7 25.6 39.5 44.8 45.1
如表3、第4A圖及第4B圖所示，該組成比例為D5 ≤ A26或D5 ≥ A26條件下之其外部量子效率(External Quantum Efficiency，EQE)展現出明顯寬帶之光譜，在400 nm至1000 nm之間具有較佳之光響應。
在該組成比例為1:0.6~1:1.5(D5  ≤ A26或D5 ≥ A26)之間，該光活性層40擁有良好之外部量子效率與光電流(Photocurrent density)表現，並具有良好的暗電流(Dark current density)特徵。
而其中該組成比例較為顯著之條件為介於1:0.6~1:1.2之間，以該組成比例為1:1.0時，於940 nm處的外部量子效率獲得最突出之表現，且其暗電流可維持在10 -8mA/cm 2等級，且由表3之實驗結果顯示，本實施例之暗電流、光電流與外部量子效率並不會因為改變D5與A26之該組成比例，而於光特性上有大幅改變。
實施範例2之實驗條件：
1. 結構組成：參照第3圖之光二極體之結構。
2. 光照方式：由該基板10向該第二電極50照射。
3. 該光活性層40組成：如下表4，其包含D5及A26之材料比例。 表4  D5與A26之比例參數表
D5 : A26 之組成比例 外部量子效率 (%)
600 nm 800 nm 1000 nm
1:1.2 19.5 24.0 28.2
1:1.0 3.7 10.7 13.9
1:0.8 2.6 3.4 8.9
1:0.6 0.03 0.03 0.04
由上表可知，本實施例係取D5(該P型半導體層41)及A26(該N型半導體層43)，該組成比例介於1:0.6~1:1.2之間，其中該P型半導體層41及該N型半導體層43之能隙不相同，進一步，該P型半導體層41為寬能隙材料，吸收短波長(＜800 nm)，該N型半導體層43為窄能隙材料，吸收長波長(＞800 nm)。
4. 該厚度45：8 μm。
實施範例2之實驗結果請參考第5圖，其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖。
其中，由第5圖之實驗結果以及上表4之實驗數值所顯示，當該光活性層40之該厚度45增加至8 μm 時，此時當A26(該N型半導體層43)於該組成比例逐漸調降，在可見光至近紅外光區段(400-1000 nm)間之光致電子響應表現越弱，代表其自體濾光效果越明顯。
而同時間因為該光活性層40之該厚度45的增加，使載子傳遞距離增加，進而使該光活性層40之外部量子效率之整體強度減弱，但相對的是增加其長波長區段之感測靈敏度。
實施範例3之實驗條件：
1. 結構組成：參照第3圖之光二極體之結構。
2. 光照方式：由該基板10向該第二電極50照射。
3. 該光活性層40組成：取D5(該P型半導體層41)及A26(該N型半導體層43)，該組成比例為1:0.6，其中該P型半導體層41及該N型半導體層43之能隙不相同，進一步，該P型半導體層41為寬能隙材料，吸收短波長(＜800 nm)，該N型半導體層43為窄能隙材料，吸收長波長(＞800 nm)。
4. 該厚度45：0.7 μm，5 μm與10 μm。
實施範例3之實驗結果請參考第6A圖、第6B圖以及第6C圖，其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖。
其中，由第6A圖至第6C圖之實驗結果所顯示，當該厚度45由0.7 μm增加至5 μm時，本實施例之光二極體之結構之該光活性層40表現出顯著的自體濾光效果，在短波長部份的光響應已可大幅降低。
而本實施例之光二極體之結構之該光活性層40之該厚度45增加至10 μm時，其自體濾光效果可進一步提升。
由第6B圖及第6C圖所示，於該光活性層40為5 μm與10 μm的外部量子效率之光譜中，可發現特徵峰的半高寬均小於200 nm，但因該厚度45的增加也使載子傳遞距離增加，同時使該光活性層40之外部量子效率之整體強度上減弱，但相對的是增加長波長區段的感測靈敏度。
實施範例4之實驗條件：
1. 結構組成：參照第3圖之光二極體之結構。
2. 光照方式：由該基板10向該第二電極50照射。
3. 該光活性層40組成：取D5(該P型半導體層41)、A24及A26(該N型半導體層43)，該組成比例為1:0.6，其中該P型半導體層41及該N型半導體層43之能隙不相同，進一步，該P型半導體層41為寬能隙材料，吸收短波長(＜800 nm)，該N型半導體層43為窄能隙材料，吸收長波長(＞800 nm)。
4. 該厚度45： 10 μm。
實施範例4之實驗結果請參考第7A圖及第7B圖，其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖。
由第7A圖及第7B圖所示，當D5搭配不同之該N型半導體層43時(A26與A24，Eg A24＞ Eg A26)時，在該厚度45為10 μm 時均可表現出顯著的自體濾光效果，且不論是使用A26或A24時之光二極體之結構，其特徵峰之半高寬均小於200 nm。
實施範例5之實驗條件：
1. 結構組成：參照第3圖之光二極體之結構，該第一電極20係使用ITO (習知所使用之TCF1)，該第二電極50係使用透明電極 (TCF2, Indium doped ZnO)。
2. 光照方式：由該第二電極50向該基板10照射。
3. 該光活性層40組成：取D5(該P型半導體層41)及A26(該N型半導體層43)，該組成比例為1:0.6，其中該P型半導體層41及該N型半導體層43之能隙不相同，進一步，該P型半導體層41為寬能隙材料，吸收短波長(＜800 nm)，該N型半導體層43為窄能隙材料，吸收長波長(＞800 nm)。
4. 該厚度45： 10 μm。
實施範例5之實驗結果請復參閱第6C圖以及請一併參考第8A圖，其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖。
其中，透明導電材質(transparent conductive film, TCF)，顧名思義，必須兼具有透明和導電這兩種特性，目前大多是使用金屬氧化物類的材料，稱為透明導電氧化物（Transparent Conducting Oxides，TCO），尤其是以氧化銦錫（Indium Tin Oxide，通常簡稱為ITO）材料為主流。
其中，當該光活性層40之該厚度45為10 μm時，顯示光二極體之結構(請參考第6C圖)之外部量子效率，除了因膜厚導致之載子傳遞距離增加外，當該第一電極20使用之ITO (TCF1)時，不利於紅光與紅外光波段之光穿透。
因此於本實施例中，光二極體之結構係採用另一種對於紅光與紅外光波段之光穿透較佳之材質(例如：Indium doped ZnO)來進行透明電極製作，而使用穿透度較佳之透明電極後，其結果如第8A圖所示，其外部量子效率可由實施範例3的14% (第6C圖，-8V, at 1070 nm) 提升至28% (第8A圖，-8V, at 1060 nm)，顯見其效果，同時亦能保有優良的自體濾光效果，且於此結構下，請參考第8B圖，其為本發明之另一實施例之光二極體之電流-電壓曲線之示意圖，說明光二極體之結構在照光與不照光狀態下均維持優異之光二極體特性。
以上所述之實施例，本發明係為製作一種光二極體之結構，藉由光活性層內之P型半導體層、N型半導體層以及光活性層之厚度變化，並結合透明電極使用，使其形成具有自體濾光之窄半高寬響應之光二極體之結構，達到自體濾光之效果，並減少光感測器之體積。
故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈  鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:基板 20:第一電極 22:第一活性金屬層 30:電子傳遞層 40:光活性層 41:P型半導體層 43:N型半導體層 45:厚度 50:第二電極 52:第二活性金屬層 60:電洞傳遞層
第1圖：其為本發明之一實施例之光二極體之結構示意圖； 第2圖：其為本發明之一實施例之第一活性金屬層及第二活性金屬層之結構示意圖； 第3圖：其為本發明之另一實施例之光二極體之結構示意圖； 第4A圖：其為本發明之另一實施例之光二極體之電流通量之示意圖； 第4B圖：其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖； 第5圖：其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖； 第6A圖：其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖； 第6B圖：其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖； 第6C圖：其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖； 第7A圖：其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖； 第7B圖：其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖； 第8A圖：其為本發明之另一實施例之光二極體之外部量子效率之示意圖；以及 第8B圖：其為本發明之另一實施例之光二極體之電流-電壓曲線之示意圖。
10:基板
20:第一電極
30:電子傳遞層
40:光活性層
41:P型半導體層
43:N型半導體層
45:厚度
50:第二電極

Claims (11)

  1. 一種光二極體之結構，其係透過一外部光源轉換一電流值，其包含： 一基板； 一第一電極，其係設置於該基板上； 一電子傳遞層，其係設置於該第一電極上； 一光活性層，其係設置於該電子傳遞層上，其係包含一P型半導體層及一N型半導體層，該P型半導體層及該N型半導體層具有一組成比例，該組成比例介於1：0.5至1:1.5之間，該光活性層具有一厚度，該厚度係介於1μm至15μm；以及 一第二電極，其係設置於該光活性層上。
  2. 如請求項1所述之光二極體之結構，其中該基板係使用矽基板、聚醯亞胺基板、玻璃基板、聚苯二甲酸乙二酯基板、聚對苯二甲酸乙二醇酯基板、藍寶石基板、石英基板或陶瓷基板。
  3. 如請求項1所述之光二極體之結構，其中該第一電極係為一透明電極或一金屬電極，其中，該透明電極係選自於金屬氧化物、導電高分子、石墨烯、奈米碳管、金屬奈米線、金屬網格，或上述材料任意搭配組合所構成，該金屬電極係選自於鋁、銀、金、銅、鎢、鉬、鈦或上述金屬材料以不同比例或搭配不同元素製作的複合金屬電極。
  4. 如請求項1所述之光二極體之結構，其中該第一電極更包含一第一活性金屬層，其係設置於該第一電極內，該第一活性金屬層係選自於鎂、鈣、鋰、銫及其組成物所組成之群組之其中之一。
  5. 如請求項1所述之光二極體之結構，其中該電子傳遞層係選自於有機高分子、有機小分子及金屬氧化物所組成之材料群組或其上述材料任意搭配組合之群組，其中有機高分子係使用PFN-DOF、PFN-Br或PDMAEMA，有機小分子係使用PDIN、PDINO、PDINN或NDI-N，金屬氧化物係使用SnO 2、ZnO、TiO 2、Cs 2CO 3或Nb 2O 5。
  6. 如請求項1所述之光二極體之結構，更包含一電洞傳遞層，其係設置於該光活性層及該第二電極之間。
  7. 如請求項6所述之光二極體之結構，該電洞傳遞層係選自於有機高分子、有機小分子、金屬氧化物及金屬化合物所組成之材料群組或其上述材料任意搭配組合之群組，其中有機高分子係使用PEDOT:PSS或PTAA，有機小分子係使用spiro-MeOTAD或m-MTDATA，金屬氧化物或金屬化合物係使用MoO 3、NiO、V 2O 5、WO 3或CuSCN。
  8. 如請求項1所述之光二極體之結構，其中該第二電極係為一透明電極或一金屬電極，其中，該透明電極係選自於金屬氧化物、導電高分子、石墨烯、奈米碳管、金屬奈米線、金屬網格，或上述材料任意搭配組合所構成，該金屬電極係選自於鋁、銀、金、銅、鎢、鉬、鈦或上述金屬材料以不同比例或搭配不同元素製作的複合金屬電極。
  9. 如請求項1所述之光二極體之結構，其中該第二電極更包含一第二活性金屬層，其係設置於該第二電極內，該第二活性金屬層係選自於鎂、鈣、鋰、銫及其組成物所組成之群組之其中之一。
  10. 如請求項1所述之光二極體之結構，其中該光活性層之該P型半導體層係選自於D1至D29。
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    所組成之群組之其中之一。
  11. 如請求項1所述之光二極體之結構，其中該光活性層之該N型半導體層係選自於A1至A39。
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    Figure 03_image147
    所組成之群組之其中之一。
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