WO2016015077A1 - Optoelectronic infrared sensor - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an optoelectronic infrared sensor with two each connected to an electrode, a heterojunction forming semiconductor layers, namely a silicon layer and an organic semiconductor layer on the silicon layer.
- Infrared sensors are major components in many optoelectronic devices used in telecommunications, sensor technology and image technology. Near-infrared sensors are commonly fabricated using low-band-gap semiconductors, with indium gallium arsenide prevalent in most applications, although the toxicity of the starting materials and integration into silicon-based microelectronics leads to difficulties. Silicon-based near-infrared sensors would therefore represent an advantageous alternative to infrared indium gallium arsenide sensors. Many attempts have therefore been made to provide near-infrared sensors based on silicon, but the known infrared sensors of this type could not compete with the sensors based on indium gallium arsenide due to various disadvantages.
- 09/023881 A1 which have an inorganic semiconductor layer forming a heterojunction with an organic semiconductor layer, wherein the inorganic semiconductor layer preferably consists of a p-doped silicon layer which, with a semiconductor layer based on a fullerene, forms the heterojunction forms.
- a disadvantage of these known infrared sensors is that the two semiconductor layers must be cooled. With increasing cooling, the photocurrent based on absorption of the infrared radiation increases and can be used to detect infrared radiation. Infrared sensors for the near infrared range have also been proposed (Mateusz Bednorz, Gebhard J. Matt, Eric D. Glowacki, Thomas Fromherz, Christoph J. Brabec, Markus C.
- the achievable increase in performance depends in particular on the structure of the nanowire field and the upper contact points between the nanowire field and the organic semiconductor layer and is attributed on the one hand to the scattered by the wire structure light scattering and thereby improved light absorption and on the other hand to the new contact points.
- low charge carrier mobility and thus overall poor electrical properties result.
- the invention is thus based on the object, an optoelectronic infrared sensor with a heterojunction between a silicon layer and an organic semiconductor layer in such a way that a high sensitivity for a caused by a near infrared radiation photocurrent can be ensured without having to make a cooling of the semiconductor layers.
- the invention achieves the stated object in that the organic semiconductor layer is provided on a nanostructured and / or microstructured surface layer of the silicon layer and covers it over its entire area.
- the heterojunction resulting boundary layer between the inorganic and organic semiconductor layers is increased by the nano- and / or microstructure of the silicon layer accommodating the organic semiconductor layer, this interfacial increase can be compared to the detectable increase in the sensitivity of an infrared sensor according to the invention by ten to five hundred times to known infrared sensors with a un-structured interface between the inorganic and organic semiconductor layers and the functionality of the infrared sensors according to the invention also at room temperature do not explain, especially since these effects are not observed in an n-doped silicon layer.
- the organic semiconductor layer is the structured surface of the silicon layer while maintaining a largely constant
- Suitable organic semiconductor layers are molecular or polymeric organic semiconductors, the polarity of their majority charge carriers having to be negative.
- Preferred semiconductor materials are organic molecules which have good stability due to hydrogen bonds. Due to the chemical and operational stability of such organic semiconductors given by the hydrogen bonds, the prerequisite for many different applications is created.
- R 1, R 2 is H, an alkyl, alkoxyl, aryl or an aryloxyl group
- R 3 , R 4 is a halogen, an alkyl or alkoxy group or an aromatic
- R 5 indicates an alkyl or alkoxy group or an aromatic group such as phenyl or thienyl substituent.
- a p-doped, momokristallines, but also polycrystalline silicon can be used for the silicon layer.
- the nanostructure of the surface layer of the silicon layer can be produced by a chemical or electrochemical etching process in a manner known per se. Microstructures can be obtained by expanding the pores of a nanostructure by a subsequent chemical etching step or the formation of micropyramids by means of anisotropic etching. Particularly favorable conditions for structuring can be achieved when using a silicon having a ⁇ 100> or a ⁇ 1 1 1> orientation, because the etching processes are carried out using appropriate etching methods ⁇ 1 1 1> crystal facets of silicon are selectively released to form a pyramidal pattern.
- Fig. 1 an optoelectronic infrared sensor according to the invention in one
- FIG. 2 shows the silicon layer with a nanostructured surface layer receiving the organic semiconductor layer
- the optoelectronic infrared sensor forms a photodiode, which is composed of an inorganic semiconductor layer formed by a p-doped silicon layer 1 and an organic semiconductor layer 2 applied to this silicon layer 1 to form a heterojunction the silicon layer 1 and the organic semiconductor layer 2 are each connected to an electrode 3, 4, for example of vapor-deposited aluminum.
- the exposure of the photodiode with a near infrared radiation 5 takes place from the side of the silicon layer 1.
- the silicon layer 1 acts as a filter for the exciting radiation, so that due to the size of the band gap of the silicon, the radiation range only up to about 1, 1 eV can be used.
- the detectable radiation is limited by the electronic structure formed by the boundary layer between the silicon layer 1 and the organic semiconductor layer 2 used in each case.
- the silicon layer 1 is provided with a nano- and / or microstructured surface layer 6, as indicated in FIG.
- Such a pore structure can be achieved for example by an electrochemical etching of the monocrystalline silicon layer by known methods.
- other known methods for surface structuring can also be used, as the following examples show.
- a p-doped, monocrystalline, ⁇ 100> -oriented silicon with a carrier density in the range of 10 13 to 10 15 cm "3 is used as a substrate, wherein an electrode preferably made of aluminum on one side of the silicon substrate is applied so that The silicon substrate is provided with a nanostructured surface layer in the form of pores formed by electrochemical anodization in 48% hydrofluoric acid
- the silicon substrate was vacuum heated to 580 ° C. by flashlamp annealing and then cooled to 70 ° C.
- An organic semiconductor layer of 6,6'-dibromindigo in a thickness of 20 to 40 nm was applied to the silicon substrate prefabricated in this manner a hot wall epitaxial process to form a conformal coating of the structure to reach the silicon layer.
- An electrode made of aluminum, the size of which determines the active area of the infrared sensor, is then deposited on the organic semiconductor layer. The responsiveness of such an infrared sensor begins at 2700 ⁇ .
- FIG. 3 shows the current density profile versus an infrared sensor with a comparable heterojunction, but without nanostructuring Surface of the silicon layer clearly.
- the voltage in V and on the ordinate the current density in mA / cm 2 is plotted on a logarithmic scale.
- the current density profile 7 of the infrared sensor according to Example 1 is shown with a full thicker line compared to the current density profile 8 of the unstructured comparative example.
- the infrared radiation was in each case with 40 mW / cm 2 at a wavelength of 1, 48 ⁇ .
- the p-doped silicon substrate with a ⁇ 100> crystal orientation is not subjected to an electrochemical anodization in hydrofluoric acid, but to anisotropic etching using a KOH-isopropanol-water mixture, to give micropyramides with a high content at the surface to produce facing ⁇ 1 1 1> facets.
- the silicon substrate is vacuum heated to 580 ° C by flash-annealing and then cooled to 70 ° C before the substrate of Example 1 with an organic semiconductor layer of 6,6'-dibromoindigo in thickness between 20 and 40 nm is coated.
- the infrared sensor manufactured in this way has a response sensitivity beginning at 2700 ⁇ with a peak sensitivity in the range of 1.5 ⁇ . 4, in turn, the course 9 of the current density of the infrared sensor according to Example 2 is compared with the current density curve 10 of a comparison sensor without a structured surface layer of silicon, wherein the irradiation conditions were selected according to Example 1.
- Example 3 A silicon substrate according to Examples 1 and 2 is subjected to electrochemical anodization in an electrolyte consisting of 0.25M tetrabutylammonium perchlorate in 2M HF acetonitrile to form a porous surface layer. After drying and cleaning according to known methods, the silicon substrate is heated to 580 ° C. in vacuo by flash-lamp annealing and then cooled to 70 ° C. before the substrate has reacted in the same way. In previous examples, an organic semiconductor layer of 6,6'-dibromindigo is coated to a thickness between 20 and 40 nm. The manufactured infrared sensor has a responsiveness beginning at 2700 ⁇ .
- Example 4 A silicon substrate according to Examples 1 and 2 is subjected to electrochemical anodization in an electrolyte consisting of 0.25M tetrabutylammonium perchlorate in 2M HF acetonitrile to form a porous surface layer. After drying and cleaning according to known methods,
- a p-doped, ⁇ 100> -oriented silicon with a charge carrier density in the range from 10 17 to 10 20 cm -3 is coated with an organic semiconductor layer according to Example 1.
- the structuring of the surface layer of the silicon substrate takes place by an anisotropic etching method according to Example 2.
- the current density profile 1 1 of an infrared sensor fabricated on the basis of this example is shown by dash-dotted lines.
- the p-doped, monocrystalline, ⁇ 100> -oriented silicon substrate with a charge carrier density in the range between 10 17 to 10 20 cm -3 is provided with a structured surface layer according to Example 1.
- an organic semiconductor layer an N, N ' Dimethyl-3,4,9,10-perylenetetracarboxylic diimide used as an organic semiconductor layer.
- a polycrystalline silicon is deposited on a substrate, preferably quartz glass or a glass of high optical quality, by a chemical vapor deposition method or by a method other than silicon.
- the desired p-type doping is initiated and an ohmic metal contact is applied.
- the porous surface layer of the silicon layer is provided by means of electrochemical or chemical processes in a region which determines the active range of the infrared sensor. According to a standardized cleaning method, an organic semiconductor layer of 6,6'-dibromoindigo is applied before the semiconductor layer is provided with a metal contact.
- Example 7 A polycrystalline silicon is used as the active layer of a substrate according to Example 6. After the porous surface layer is formed, an existing pore-expanding method is used to enlarge the pores so that the incident light can be better utilized at the desired near-wavelength wavelength.
- Example 8 A p-doped, ⁇ 100> oriented silicon with a carrier density in the range of 10 17 to 10 20 cm -3 is provided with an electrode of vapor-deposited aluminum, a metal-supported etch using metallic nanoparticles, preferably silver , which are physically or chemically deposited on the silicon surface to be subsequently exposed to a solution of hydrogen peroxide and fluorine ions, this method results in nanowire-like column surface morphology After this nanostructuring of the surface layer, the substrate becomes again after drying and cleaning a vacuum heating by flash lapping to 580 ° C and subsequent cooling to 70 ° C exposed before an organic semiconductor layer of N, N'-dimethyl-3,4,9,10 perylenetetracarboxylic diimide is applied in a thickness between 20 and 200 nm An infrared sensor manufactured in this way r has a high sensitivity in the range of 1, 5 ⁇ .
- the dashed line current density curve 12 of an infrared sensor fabricated on the basis of this example can be taken.
- Example 8 It is provided as in Example 8, a nanowire structure of the silicon substrate. However, a monocrystalline, ⁇ 1 1 1> -oriented silicon is used.
Abstract
Disclosed is an optoelectronic infrared sensor comprising two semiconductor layers, a p-doped silicon layer (1) and an organic semiconductor layer (2) on the silicon layer (1), each layer being connected to one electrode (3, 4) and the two layers forming a heterojunction. In order to achieve advantageous design conditions, the organic semiconductor layer (2) is provided on a nanostructured and/or microstructured surface layer (6) of the silicon layer (1) and covers the entire area of said surface layer.
Description
Optoelektronischer Infrarotsensor Optoelectronic infrared sensor
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektronischen Infrarotsensor mit zwei je an eine Elektrode angeschlossenen, einen HeteroÜbergang bildenden Halbleiter- schichten, nämlich einer Siliziumschicht und einer organischen Halbleiterschicht auf der Siliziumschicht. The invention relates to an optoelectronic infrared sensor with two each connected to an electrode, a heterojunction forming semiconductor layers, namely a silicon layer and an organic semiconductor layer on the silicon layer.
Stand der Technik State of the art
Infrarotsensoren sind Hauptkomponenten in vielen optoelektronischen Vorrichtungen, wie sie in der Telekommunikation, in der Sensortechnik und in der Bild- technik verwendet werden. Sensoren für nahes Infrarot werden üblicherweise unter Einsatz von Halbleitern mit einer niedrigen Bandlücke gefertigt, wobei Indi- umgalliumarsenid in den meisten Anwendungsfällen vorherrscht, obwohl die Toxizität der Ausgangsmaterialien und die Integration in eine Mikroelektronik auf Basis von Silizium zu Schwierigkeiten führt. Sensoren für nahes Infrarot auf Siliziumba- sis würden daher eine vorteilhafte Alternative zu den Infrarotsensoren auf Basis von Indiumgalliumarsenid darstellen. Es wurden daher vielfach Versuche unternommen, Sensoren für nahes Infrarot auf der Basis von Silizium anzugeben, doch konnten die bekannten Infrarotsensoren dieser Art aufgrund unterschiedlicher Nachteile nicht mit den Sensoren auf Basis von Indiumgalliumarsenid konkurrie- ren. Infrared sensors are major components in many optoelectronic devices used in telecommunications, sensor technology and image technology. Near-infrared sensors are commonly fabricated using low-band-gap semiconductors, with indium gallium arsenide prevalent in most applications, although the toxicity of the starting materials and integration into silicon-based microelectronics leads to difficulties. Silicon-based near-infrared sensors would therefore represent an advantageous alternative to infrared indium gallium arsenide sensors. Many attempts have therefore been made to provide near-infrared sensors based on silicon, but the known infrared sensors of this type could not compete with the sensors based on indium gallium arsenide due to various disadvantages.
So sind beispielsweise optoelektronische Infrarotsensoren bekannt (WO For example, optoelectronic infrared sensors are known (WO
09/023881 A1 ), die eine mit einer organischen Halbleiterschicht einen HeteroÜbergang bildende anorganische Halbleiterschicht aufweisen, wobei die anorganische Halbleiterschicht bevorzugt aus einer p-dotierten Siliziumschicht besteht, die mit einer Halbleiterschicht auf der Basis eines Fullerens den HeteroÜbergang
bildet. Nachteilig bei diesen bekannten Infrarotsensoren ist allerdings, dass die beiden Halbleiterschichten gekühlt werden müssen. Mit zunehmender Kühlung steigt der auf einer Absorption der Strahlung im Infrarotbereich beruhende Photostrom an und kann zum Detektieren infraroter Strahlung genützt werden. Darüber hinaus wurden bereits Infrarotsensoren für den nahen Infrarotbereich vorgeschlagen (Mateusz Bednorz, Gebhard J. Matt, Eric D. Glowacki, Thomas Fromherz, Christoph J. Brabec, Markus C. Scharber, Helmut Sitter, N. Serdar Sa- riciftci: Silicon/organic hybrid heterojunction infrared photodetector operating in the telecom regime; Organic Electronics, Volume 14, Mai 12013, S. 1344-1350 ), die auf einem HeteroÜbergang zwischen einer p-dotierten Siliziumhalbleiterschicht und einem organischen Halbleiter auf der Basis eines Perylenderivats aufbauen und eine photovoltaische Wirkung bis zu 2,7 μιη (0,46 eV) zeigen, also einem Wert, der deutlich niedriger als die Bandlücke der beiden Halbleitermaterialien ist. Trotzdem bleibt die Ansprechempfindlichkeit für einen industriellen Einsatz zu ge- ring. 09/023881 A1), which have an inorganic semiconductor layer forming a heterojunction with an organic semiconductor layer, wherein the inorganic semiconductor layer preferably consists of a p-doped silicon layer which, with a semiconductor layer based on a fullerene, forms the heterojunction forms. A disadvantage of these known infrared sensors, however, is that the two semiconductor layers must be cooled. With increasing cooling, the photocurrent based on absorption of the infrared radiation increases and can be used to detect infrared radiation. Infrared sensors for the near infrared range have also been proposed (Mateusz Bednorz, Gebhard J. Matt, Eric D. Glowacki, Thomas Fromherz, Christoph J. Brabec, Markus C. Scharber, Helmut Sitter, N. Serdar Sariciftci: Silicon / organic hybrid heterojunction infrared photodetector operating in the telecom regime; Organic Electronics, Volume 14, May 12013, pp. 1344-1350), which rely on a heterojunction between a p-type silicon semiconductor layer and an organic semiconductor based on a perylene derivative, and a photovoltaic effect show up to 2.7 μιη (0.46 eV), that is, a value that is significantly lower than the band gap of the two semiconductor materials. Nevertheless, the sensitivity remains too low for industrial use.
Schließlich ist es bei einer Solarzelle zur Energieumwandlung ohne Bezug auf einen Infrarotsensor bekannt (Xiaojuan Shen et al.: Hybrid Heterojunction Solar Cell Based on Organic-Inorganic Silicon Nanowire Array Architecture, J. Am. Chem. Soc, 201 1 , 133 (48), pp 19408-19415), die Siliziumhalbleiterschicht durch ein metallunterstütztes, nasschemisches Ätzverfahren der ebenen Oberfläche mit einem Nanodrahtfeld auszubilden, das durch eine dünne organische Halbleiterschicht abgedeckt wird. Die dadurch erreichbare Leistungssteigerung hängt insbesondere von der Struktur des Nanodrahtfeldes und den oberen Kontaktstellen zwischen dem Nanodrahtfeld und der organischen Halbleiterschicht ab und wird einerseits auf die durch die Drahtstruktur bedingte Lichtstreuung und dadurch verbesserte Lichtabsorption und anderseits auf die neuen Kontaktstellen zurückgeführt. Allerdings ergeben sich eine niedrige Ladungsträgermobilität und damit insgesamt schlechte elektrische Eigenschaften. Finally, in a solar cell for energy conversion without reference to an infrared sensor, it is known (Xiaojuan Shen et al .: Hybrid Heterojunction Solar Cell Based on Organic-Inorganic Silicon Nanowire Array Architecture, J. Am. Chem. Soc, 201 1, 133 (48) , pp 19408-19415) to form the silicon semiconductor layer by a metal-assisted, wet-chemical etching process of the planar surface with a nanowire field, which is covered by a thin organic semiconductor layer. The achievable increase in performance depends in particular on the structure of the nanowire field and the upper contact points between the nanowire field and the organic semiconductor layer and is attributed on the one hand to the scattered by the wire structure light scattering and thereby improved light absorption and on the other hand to the new contact points. However, low charge carrier mobility and thus overall poor electrical properties result.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Infrarotsensor mit einem HeteroÜbergang zwischen einer Siliziumschicht und einer organischen Halbleiterschicht so auszugestalten, dass eine hohe Ansprechempfindlichkeit für einen durch eine nahe Infrarotstrahlung bedingten Photostrom sichergestellt werden kann, ohne eine Kühlung der Halbleiterschichten vornehmen zu müssen. Presentation of the invention The invention is thus based on the object, an optoelectronic infrared sensor with a heterojunction between a silicon layer and an organic semiconductor layer in such a way that a high sensitivity for a caused by a near infrared radiation photocurrent can be ensured without having to make a cooling of the semiconductor layers.
Ausgehend von einem optoelektronischen Infrarotsensor der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die organische Halbleiterschicht auf einer nanostrukturierten und/oder mikrostrukturierten Oberflächenschicht der Siliziumschicht vorgesehen ist und diese vollflächig abdeckt. Durch die Nano- und/oder Mikrostruktur der die organische Halbleiterschicht aufnehmenden Siliziumschicht wird zwar die den HeteroÜbergang ergebende Grenzschicht zwischen der anorganischen und der organischen Halbleiterschicht vergrößert, doch kann diese Grenzschichtvergrößerung den feststellbaren Anstieg der Ansprechempfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Infrarotsensors um das Zehn- bis Fünfhundertfache im Vergleich zu bekannten Infrarotsensoren mit einer un strukturierten Grenzfläche zwischen den anorganischen und organischen Halbleiterschichten sowie die Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Infrarotsensoren auch bei Raumtemperatur nicht erklären, zumal diese Effekte bei einer n-dotierten Siliziumschicht nicht beobachtet werden. Es hat sich vielmehr ge- zeigt, dass die Lichtabsorption im nahen Infrarotbereich zwischen 2 und 1 ,2 μιη durch die strukturierte Siliziumschicht im Vergleich zu einer ebenen Siliziumschicht sogar um 1 bis 5 % niedriger ausfällt, was im Gegensatz zu der feststellbaren, außergewöhnlichen Steigerung des Photokurzschlussstroms durchschnittlich um das Hundertfache steht. Obwohl eine Erklärung der überraschenden Wir- kung der erfindungsgemäßen Maßnahmen in erster Linie von einem zufriedenstellenden Verständnis der Ladungsträgeranregung im HeteroÜbergang zwischen dem p-dotierten Silizium und dem organischen Halbleiter abhängt, wird derzeit angenommen, dass die durch die Strukturierung der Siliziumschicht bedingte Änderung der elektrischen Feldstärke im Bereich der strukturbedingten Kanten und Spitzen des HeteroÜbergangs einen maßgebenden Einfluss nimmt. Vorausset-
zung hierfür ist, dass die organische Halbleiterschicht die strukturierte Oberfläche der Siliziumschicht unter Beibehaltung einer weitgehend gleichbleibenden Starting from an optoelectronic infrared sensor of the type described above, the invention achieves the stated object in that the organic semiconductor layer is provided on a nanostructured and / or microstructured surface layer of the silicon layer and covers it over its entire area. Although the heterojunction resulting boundary layer between the inorganic and organic semiconductor layers is increased by the nano- and / or microstructure of the silicon layer accommodating the organic semiconductor layer, this interfacial increase can be compared to the detectable increase in the sensitivity of an infrared sensor according to the invention by ten to five hundred times to known infrared sensors with a un-structured interface between the inorganic and organic semiconductor layers and the functionality of the infrared sensors according to the invention also at room temperature do not explain, especially since these effects are not observed in an n-doped silicon layer. On the contrary, it has been shown that the light absorption in the near infrared range between 2 and 1.2 μm by the structured silicon layer is even lower by 1 to 5% compared to a planar silicon layer, which, in contrast to the noticeable, extraordinary increase in the Photocurrent current is on average a hundredfold. Although an explanation of the surprising effect of the inventive measures depends primarily on a satisfactory understanding of the charge carrier excitation in the heterojunction between the p-doped silicon and the organic semiconductor, it is currently assumed that the change in the electric field strength caused by the structuring of the silicon layer in the area of the structure-related edges and peaks of the heterojunction plays a decisive influence. presuppose For this purpose, the organic semiconductor layer is the structured surface of the silicon layer while maintaining a largely constant
Schichtdicke vollflächig abdeckt, also der Nano- oder Mikrostrukturierung der Siliziumschicht weitgehend folgt. Mit dem auch ohne Kühlung nachhaltig gesteigerten Signal-Rauschverhältnis werden vorteilhafte Voraussetzungen geschaffen, die erfindungsgemäßen Infrarotsensoren an unterschiedliche Anwendungsfälle anzupassen, weil hierfür organische Halbleitermaterialen mit unterschiedlichen Eigenschaften eingesetzt werden können, ohne befürchten zu müssen, dass die Ansprechempfindlichkeit auf ein für technische Anwendungen ungenügendes Ausmaß abfällt. Layer thickness covers the entire surface, so the nano- or microstructuring of the silicon layer largely follows. With the signal-to-noise ratio, which is sustainably increased even without cooling, advantageous prerequisites are created for adapting the infrared sensors according to the invention to different applications because organic semiconductor materials having different properties can be used for this without having to fear that the sensitivity drops to an insufficient level for technical applications ,
Als organische Halbleiterschichten kommen molekulare oder polymere organische Halbleiter in Frage, wobei die Polarität ihrer Majoritätsladungsträger negativ sein muss. Bevorzugte Halbleitermaterialien sind organische Moleküle, die eine gute Stabilität aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen aufweisen. Aufgrund der durch die Wasserstoffbrückenbindungen gegebenen chemischen und operativen Stabilität solcher organischer Halbleiter wird die Voraussetzung für viele unterschiedliche Anwendungen geschaffen. Suitable organic semiconductor layers are molecular or polymeric organic semiconductors, the polarity of their majority charge carriers having to be negative. Preferred semiconductor materials are organic molecules which have good stability due to hydrogen bonds. Due to the chemical and operational stability of such organic semiconductors given by the hydrogen bonds, the prerequisite for many different applications is created.
Nachstehend sind die Strukturformeln solcher unterschiedlicher organischer Halb- leitermaterialien angegeben, die vorteilhaft in erfindungsgemäßen Infrarotsenso- ren eingesetzt werden können, wobei The structural formulas of such different organic semiconductor materials are given below, which can be advantageously used in infrared sensors according to the invention, wherein
Ri , R2 für H, ein Alkyl, Alkoxyl, Aryl oder eine Aryloxylgruppe, R 1, R 2 is H, an alkyl, alkoxyl, aryl or an aryloxyl group,
R3, R4 für ein Halogen, eine Alkyl- oder Alkoxygruppe oder eine aromatischeR 3 , R 4 is a halogen, an alkyl or alkoxy group or an aromatic
Gruppe, wie Phenyl- oder Thienylsubstituenten, stehen und Group, such as phenyl or thienyl, stand and
R5 eine Alkyl- oder Alkoxygruppe oder eine aromatische Gruppe, wie Phenyl- oder Thienylsubstituenten, anzeigt. R 5 indicates an alkyl or alkoxy group or an aromatic group such as phenyl or thienyl substituent.
(1 )
(1 )
125 (8)125 (8)
Die angegebenen Strukturformeln (1 ) bis (16), zeigen, dass unterschiedliche, sehr stabile Moleküle insbesondere der Indigofamilie eingesetzt werden können, um mit Hilfe der unterschiedlichen organischen Halbleiter unterschiedlichsten Anwendungen Rechnung tragen zu können. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz dieser Halbleitermaterialien beschränkt. The given structural formulas (1) to (16) show that different, very stable molecules, in particular of the Indigo family, can be used in order to be able to take into account a wide variety of applications with the aid of the different organic semiconductors. However, the invention is not limited to the use of these semiconductor materials.
Für die Siliziumschicht kann ein p-dotiertes, momokristallines, aber auch polykris- tallines Silizium eingesetzt werden. Die Nanostruktur der Oberflächenschicht der Siliziumschicht kann durch ein chemisches oder elektrochemisches Ätzverfahren in an sich bekannter Weise hergestellt werden. Mikrostrukturen können durch ein Aufweiten der Poren einer Nanostruktur durch einen nachfolgenden chemischen Ätzschritt oder die Ausbildung von Mikropyramiden mit Hilfe anisotroper Ätzver- fahren erhalten werden. Besonders günstige Voraussetzungen für eine Strukturierung können bei der Verwendung eines Siliziums mit einer <100>- oder einer <1 1 1 >- Orientierung erreicht werden, weil durch entsprechende Ätzverfahren die
<1 1 1 >-Kristallfacetten des Siliziums zur Ausbildung einer pyramidenförmigen Strukturierung selektiv freigesetzt werden. Entscheidend bei der Strukturierung der Oberflächenschicht des Siliziums ist, dass durch die gewählte Strukturierung Kanten, Spitzen und/oder Ecken gebildet werden, die eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke bedingen, wie dies insbesondere bei Mikropyramiden der Fall ist. Die Tiefe der Strukturierung kann dabei zwischen einigen nm bis zu einigen μιη reichen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen For the silicon layer, a p-doped, momokristallines, but also polycrystalline silicon can be used. The nanostructure of the surface layer of the silicon layer can be produced by a chemical or electrochemical etching process in a manner known per se. Microstructures can be obtained by expanding the pores of a nanostructure by a subsequent chemical etching step or the formation of micropyramids by means of anisotropic etching. Particularly favorable conditions for structuring can be achieved when using a silicon having a <100> or a <1 1 1> orientation, because the etching processes are carried out using appropriate etching methods <1 1 1> crystal facets of silicon are selectively released to form a pyramidal pattern. Decisive in the structuring of the surface layer of the silicon is that edges, tips and / or corners are formed by the selected structuring, which cause an increase in the electric field strength, as is the case in particular with micropyramids. The depth of structuring can range between a few nm to a few μιη. Brief description of the drawings
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen In the drawing, the subject invention is shown, for example. Show it
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen optoelektronischen Infrarotsensor in einem Fig. 1 an optoelectronic infrared sensor according to the invention in one
schematischen Querschnitt, schematic cross section,
Fig. 2 die Siliziumschicht mit einer die organische Halbleiterschicht aufnehmenden, nanostrukturierten Oberflächenschicht und die FIG. 2 shows the silicon layer with a nanostructured surface layer receiving the organic semiconductor layer and FIG
Fig. 3 und 4 den Stromdichteverlauf über der Spannung verschiedener erfindungsgemäßer Infrarotsensoren im Vergleich zu entsprechenden Infrarotsensoren ohne strukturierte Oberfläche der Siliziumhalbleiterschicht. Weg zur Ausführung der Erfindung 3 and 4 show the current density profile versus the voltage of various infrared sensors according to the invention in comparison to corresponding infrared sensors without a structured surface of the silicon semiconductor layer. Way to carry out the invention
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, bildet der optoelektronische Infrarotsensor eine Photodiode, die aus einer durch eine p-dotierten Siliziumschicht 1 gebildeten, anorganischen Halbleiterschicht und einer unter Ausbildung eines HeteroÜbergangs auf diese Siliziumschicht 1 aufgebrachten organischen Halbleiterschicht 2 zu- sammengesetzt ist, wobei die Siliziumschicht 1 und die organische Halbleiterschicht 2 je an eine Elektrode 3, 4, beispielsweise aus aufgedampftem Aluminium, angeschlossen sind. Die Beaufschlagung der Photodiode mit einer nahen Infrarotstrahlung 5 erfolgt von der Seite der Siliziumschicht 1 her. Dies bedeutet, dass die Siliziumschicht 1 als Filter für die anregende Strahlung wirksam wird, sodass wegen der Größe der Bandlücke des Siliziums der Strahlungsbereich nur bis etwa
1 ,1 eV genützt werden kann. Nach unten wird die erfassbare Strahlung durch die elektronische Struktur begrenzt, die durch die Grenzschicht zwischen der Siliziumschicht 1 und der jeweils verwendeten organischen Halbleiterschicht 2 gebildet wird. Zum Unterschied zu bekannten Infrarotsensoren dieser Art ist die Siliziumschicht 1 mit einer nano- und/oder mikrostrukturierten Oberflächenschicht 6 versehen, wie dies in der Fig. 2 angedeutet ist. Eine solche Porenstruktur kann beispielsweise durch ein elektrochemisches Ätzen der monokristallinen Siliziumschicht nach bekannten Verfahren erreicht werden. Es sind aber auch andere bekannte Ver- fahren zur Oberflächenstrukturierung einsetzbar, wie dies die nachfolgenden Beispiele belegen. As can be seen from FIG. 1, the optoelectronic infrared sensor forms a photodiode, which is composed of an inorganic semiconductor layer formed by a p-doped silicon layer 1 and an organic semiconductor layer 2 applied to this silicon layer 1 to form a heterojunction the silicon layer 1 and the organic semiconductor layer 2 are each connected to an electrode 3, 4, for example of vapor-deposited aluminum. The exposure of the photodiode with a near infrared radiation 5 takes place from the side of the silicon layer 1. This means that the silicon layer 1 acts as a filter for the exciting radiation, so that due to the size of the band gap of the silicon, the radiation range only up to about 1, 1 eV can be used. At the bottom, the detectable radiation is limited by the electronic structure formed by the boundary layer between the silicon layer 1 and the organic semiconductor layer 2 used in each case. In contrast to known infrared sensors of this type, the silicon layer 1 is provided with a nano- and / or microstructured surface layer 6, as indicated in FIG. Such a pore structure can be achieved for example by an electrochemical etching of the monocrystalline silicon layer by known methods. However, other known methods for surface structuring can also be used, as the following examples show.
Beispiel 1 example 1
Ein p-dotiertes, monokristallines, <100>-orientiertes Silizium mit einer Ladungsträgerdichte im Bereich von 1013 bis 1015 cm"3 wird als Substrat eingesetzt, wobei eine vorzugsweise aus Aluminium bestehende Elektrode auf einer Seite des Siliziumsubstrats so aufgebracht wird, dass ein Fenster für den Durchtritt einer Infrarotstrahlung im Nahbereich freibleibt. Das Siliziumsubstrat wird mit einer nano- strukturierten Oberflächenschicht in Form von Poren versehen, die durch eine elektrochemische Anodisierung in 48 %iger Flusssäure gebildet werden. Nach ei- nem Trocknen und Reinigen entsprechend üblicher Verfahren wird das Siliziumsubstrat im Vakuum durch ein Blitzlampentempern auf 580 °C erwärmt und dann auf 70 °C abgekühlt. Auf das in dieser Art vorgefertigte Siliziumsubstrat wird eine organische Halbleiterschicht aus 6,6'-Dibromindigo in einer Dicke von 20 bis 40 nm aufgebracht, und zwar mithilfe eines Heißwand-Epitaxieverfahrens, um ei- ne konforme Beschichtung der strukturierten Siliziumschicht zu erreichen. Auf die organische Halbleiterschicht wird dann eine Elektrode aus Aluminium aufgedampft, deren Größe den aktiven Bereich des Infrarotsensors bestimmt. Die Ansprechempfindlichkeit eines solchen Infrarotsensors beginnt bei 2700 μιη. A p-doped, monocrystalline, <100> -oriented silicon with a carrier density in the range of 10 13 to 10 15 cm "3 is used as a substrate, wherein an electrode preferably made of aluminum on one side of the silicon substrate is applied so that The silicon substrate is provided with a nanostructured surface layer in the form of pores formed by electrochemical anodization in 48% hydrofluoric acid The silicon substrate was vacuum heated to 580 ° C. by flashlamp annealing and then cooled to 70 ° C. An organic semiconductor layer of 6,6'-dibromindigo in a thickness of 20 to 40 nm was applied to the silicon substrate prefabricated in this manner a hot wall epitaxial process to form a conformal coating of the structure to reach the silicon layer. An electrode made of aluminum, the size of which determines the active area of the infrared sensor, is then deposited on the organic semiconductor layer. The responsiveness of such an infrared sensor begins at 2700 μιη.
Aus der Fig. 3 wird der Stromdichteverlauf gegenüber einem Infrarotsensor mit einem vergleichbaren HeteroÜbergang, jedoch ohne Nanostrukturierung der
Oberfläche der Siliziumschicht deutlich. Auf der Abszisse ist die Spannung in V und auf der Ordinate die Stromdichte in mA/cm2 in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen. Der Stromdichteverlauf 7 des Infrarotsensors gemäß dem Beispiel 1 ist mit einer vollen dickeren Linie gegenüber dem Stromdichteverlauf 8 des unstrukturierten Vergleichsbeispiels eingezeichnet. Die Infrarotbestrahlung erfolgte jeweils mit 40 mW/cm2 bei einer Wellenlänge von 1 ,48 μιη. FIG. 3 shows the current density profile versus an infrared sensor with a comparable heterojunction, but without nanostructuring Surface of the silicon layer clearly. On the abscissa the voltage in V and on the ordinate the current density in mA / cm 2 is plotted on a logarithmic scale. The current density profile 7 of the infrared sensor according to Example 1 is shown with a full thicker line compared to the current density profile 8 of the unstructured comparative example. The infrared radiation was in each case with 40 mW / cm 2 at a wavelength of 1, 48 μιη.
Beispiel 2 Example 2
Zum Unterschied zu Beispiel 1 wird das p-dotierte Siliziumsubstrat mit einer <100>-Kristallorientierung nicht einer elektrochemischen Anodisierung in Fluss- säure, sondern einem anisotropen Ätzen unter Einsatz einer KOH-Isopropanol- Wassermischung ausgesetzt, um Mikropyramiden mit einem hohen Anteil an der Oberfläche zugekehrten <1 1 1 >-Facetten zu erzeugen. Nach einem Trocknen und Reinigen nach bekannten Verfahren wird das Siliziumsubstrat im Vakuum durch ein Blitzlampentempern auf 580 °C erwärmt und dann auf 70 °C abgekühlt, bevor das Substrat entsprechend dem Beispiel 1 mit einer organischen Halbleiterschicht aus 6,6'-Dibromindigo in einer Dicke zwischen 20 und 40 nm beschichtet wird. Der in dieser Weise hergestellte Infrarotsensor weist eine bei 2700 μιη beginnende Ansprechempfindlichkeit mit einer Spitzenempfindlichkeit im Bereich von 1 ,5 μιη auf. In der Fig. 4 ist wiederum der Verlauf 9 der Stromdichte des Infrarotsensors gemäß Beispiel 2 dem Stromdichteverlauf 10 eines Vergleichssensor ohne strukturierte Oberflächenschicht des Siliziums gegenübergestellt, wobei die Bestrahlungsbedingungen entsprechend dem Beispiel 1 gewählt wurden. In contrast to example 1, the p-doped silicon substrate with a <100> crystal orientation is not subjected to an electrochemical anodization in hydrofluoric acid, but to anisotropic etching using a KOH-isopropanol-water mixture, to give micropyramides with a high content at the surface to produce facing <1 1 1> facets. After drying and cleaning by known methods, the silicon substrate is vacuum heated to 580 ° C by flash-annealing and then cooled to 70 ° C before the substrate of Example 1 with an organic semiconductor layer of 6,6'-dibromoindigo in thickness between 20 and 40 nm is coated. The infrared sensor manufactured in this way has a response sensitivity beginning at 2700 μιη with a peak sensitivity in the range of 1.5 μιη. 4, in turn, the course 9 of the current density of the infrared sensor according to Example 2 is compared with the current density curve 10 of a comparison sensor without a structured surface layer of silicon, wherein the irradiation conditions were selected according to Example 1.
Beispiel 3 Ein Siliziumsubstrat nach den Beispielen 1 und 2 wird zur Ausbildung einer porösen Oberflächenschicht einer elektrochemischen Anodisierung in einem Elektrolyten unterworfen, der aus 0,25 M Tetrabutylamoniumperchlorat in Acetonitril mit 2 M HF besteht. Nach einem Trocknen und Reinigen nach bekannten Verfahren wird das Siliziumsubstrat im Vakuum durch ein Blitzlampentempern auf 580 °C erwärmt und dann auf 70 °C abgekühlt, bevor das Substrat entsprechend den vo-
rausgegangenen Beispielen mit einer organischen Halbleiterschicht aus 6,6'- Dibromindigo in einer Dicke zwischen 20 und 40 nm beschichtet wird. Der hergestellte Infrarotsensor weist eine bei 2700 μιη beginnende Ansprechempfindlichkeit auf. Beispiel 4 Example 3 A silicon substrate according to Examples 1 and 2 is subjected to electrochemical anodization in an electrolyte consisting of 0.25M tetrabutylammonium perchlorate in 2M HF acetonitrile to form a porous surface layer. After drying and cleaning according to known methods, the silicon substrate is heated to 580 ° C. in vacuo by flash-lamp annealing and then cooled to 70 ° C. before the substrate has reacted in the same way. In previous examples, an organic semiconductor layer of 6,6'-dibromindigo is coated to a thickness between 20 and 40 nm. The manufactured infrared sensor has a responsiveness beginning at 2700 μιη. Example 4
Ein p-dotiertes, <100>-orientiertes Silizium mit einer Ladungsträgerdichte im Bereich von 1017 bis 1020 cm"3 wird mit einer organischen Halbleiterschicht gemäß dem Beispiel 1 beschichtet. Die Strukturierung der Oberflächenschicht des Siliziumsubstrats erfolgt allerdings durch ein anisotropen Ätzverfahren nach Beispiel 2. In der Fig. 3 ist der Stromdichteverlauf 1 1 eines auf der Basis dieses Beispiels gefertigten Infrarotsensors strichpunktiert eingezeichnet. A p-doped, <100> -oriented silicon with a charge carrier density in the range from 10 17 to 10 20 cm -3 is coated with an organic semiconductor layer according to Example 1. However, the structuring of the surface layer of the silicon substrate takes place by an anisotropic etching method according to Example 2. In FIG. 3, the current density profile 1 1 of an infrared sensor fabricated on the basis of this example is shown by dash-dotted lines.
Beispiel 5 Example 5
Das p-dotierte, monokristalline, <100>-orientierte Siliziumsubstrat mit einer Ladungsträgerdichte im Bereich zwischen 1017 bis 1020 cm"3 wird mit einer struktu- rierten Oberflächenschicht gemäß Beispiel 1 versehen. Als organische Halbleiterschicht wird jedoch ein N,N'-Dimethyl-3,4,9,10-perylentetracarbonsäurediimid eingesetzt. The p-doped, monocrystalline, <100> -oriented silicon substrate with a charge carrier density in the range between 10 17 to 10 20 cm -3 is provided with a structured surface layer according to Example 1. However, as an organic semiconductor layer, an N, N ' Dimethyl-3,4,9,10-perylenetetracarboxylic diimide used.
Beispiel 6 Example 6
Ein polykristallines Silizium wird mittels eines chemischen Gasabscheidungsver- fahrens oder durch ein anderes Verfahren als Siliciumschicht auf ein Substrat, vorzugsweise Quarzglas oder ein Glas hoher optischer Qualität, aufgebracht. Die gewünschte p- Dotierung wird eingeleitet und ein ohmscher Metallkontakt angebracht. Die poröse Oberflächenschicht der Siliziumschicht wird mit Hilfe elektrochemischer oder chemischer Verfahren in einem Bereich vorgesehen, die den ak- tiven Bereich des Infrarotsensors bestimmt. Nach einem standardisierten Reinigungsverfahren wird eine organische Halbleiterschicht aus 6,6'-Dibromindigo aufgebracht, bevor die Halbleiterschicht mit einem Metallkontakt versehen wird. A polycrystalline silicon is deposited on a substrate, preferably quartz glass or a glass of high optical quality, by a chemical vapor deposition method or by a method other than silicon. The desired p-type doping is initiated and an ohmic metal contact is applied. The porous surface layer of the silicon layer is provided by means of electrochemical or chemical processes in a region which determines the active range of the infrared sensor. According to a standardized cleaning method, an organic semiconductor layer of 6,6'-dibromoindigo is applied before the semiconductor layer is provided with a metal contact.
Beispiel 7
Ein polykristallines Silizium wird als aktive Schicht eines Substrats entsprechend dem Beispiel 6 verwendet. Nach der Herstellung der porösen Oberflächenschicht wird ein die bestehenden Poren erweiterndes Verfahren angewandt, um die Poren zu vergrößern, sodass das einfallende Licht bei der gewünschten Wellenlänge im Nahbereich besser genützt werden kann. Example 7 A polycrystalline silicon is used as the active layer of a substrate according to Example 6. After the porous surface layer is formed, an existing pore-expanding method is used to enlarge the pores so that the incident light can be better utilized at the desired near-wavelength wavelength.
Beispiel 8 Ein p-dotiertes, <100>-orientiertes Silizium mit einer Ladungsträgerdichte im Bereich von 1017 bis 1020 cm"3 wird mit einer Elektrode aus aufgedampftem Aluminium versehen. Es wird ein metallgestütztes Ätzen unter Einsatz von metallischen Nanopartikeln, vorzugsweise aus Silber, angewendet, die auf der Siliziumoberfläche physikalisch oder chemisch abgeschieden werden, um anschließend einer Lösung aus Wasserstoffperoxid und Fluorionen ausgesetzt zu werden. Dieses Verfahren ergibt eine nanodrahtartige Säulenoberflächenmorphologie. Nach dieser Nanostrukturierung der Oberflächenschicht wird das Substrat wiederum nach einem Trocknen und Reinigen einer Erwärmung im Vakuum durch ein Blitzlam- pentempern auf 580 °C und einer anschließenden Kühlung auf 70 °C ausgesetzt, bevor eine organische Halbleiterschicht aus N,N'-Dimethyl-3,4,9,10- perylentetracarbonsäurediimid in einer Dicke zwischen 20 und 200 nm aufgebracht wird. Ein in dieser Weise hergestellter Infrarotsensor hat eine hohe Ansprechempfindlichkeit im Bereich von 1 ,5 μιη. Example 8 A p-doped, <100> oriented silicon with a carrier density in the range of 10 17 to 10 20 cm -3 is provided with an electrode of vapor-deposited aluminum, a metal-supported etch using metallic nanoparticles, preferably silver , which are physically or chemically deposited on the silicon surface to be subsequently exposed to a solution of hydrogen peroxide and fluorine ions, this method results in nanowire-like column surface morphology After this nanostructuring of the surface layer, the substrate becomes again after drying and cleaning a vacuum heating by flash lapping to 580 ° C and subsequent cooling to 70 ° C exposed before an organic semiconductor layer of N, N'-dimethyl-3,4,9,10 perylenetetracarboxylic diimide is applied in a thickness between 20 and 200 nm An infrared sensor manufactured in this way r has a high sensitivity in the range of 1, 5 μιη.
Aus der Fig. 3 kann der strichliert eingezeichnete Stromdichteverlauf 12 eines auf der Basis dieses Beispiels gefertigten Infrarotsensors entnommen werden. From FIG. 3, the dashed line current density curve 12 of an infrared sensor fabricated on the basis of this example can be taken.
Beispiel 9 Example 9
Es wird wie im Beispiel 8 eine Nanodrahtstruktur des Siliziumsubstrats vorgesehen. Allerdings wird ein monokristallines, <1 1 1 >-orientiertes Silizium verwendet.
It is provided as in Example 8, a nanowire structure of the silicon substrate. However, a monocrystalline, <1 1 1> -oriented silicon is used.
Claims
1 . Optoelektronischer Infrarotsensor mit zwei je an eine Elektrode (3, 4) angeschlossenen, einen HeteroÜbergang bildenden Halbleiterschichten, nämlich einer p-dotierten Siliziumschicht (1 ) und einer organischen Halbleiterschicht (2) auf der Siliziumschicht (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass die organische Halbleiterschicht (2) auf einer nanostrukturierten und/oder mikrostrukturierten Oberflächenschicht (6) der Siliziumschicht (1 ) vorgesehen ist und diese vollflächig abdeckt. 1 . Optoelectronic infrared sensor with two connected to one electrode (3, 4), a heterojunction forming semiconductor layers, namely a p-doped silicon layer (1) and an organic semiconductor layer (2) on the silicon layer (1), characterized in that the organic semiconductor layer (2) on a nanostructured and / or microstructured surface layer (6) of the silicon layer (1) is provided and this covers the entire surface.
2. Optoelektronischer Infrarotsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als organische Halbleiterschicht (2) ein Halbleiter mit Wasserstoffbrü- ckenbindungen eingesetzt wird. 2. Optoelectronic infrared sensor according to claim 1, characterized in that a semiconductor with hydrogen bridge bonds is used as organic semiconductor layer (2).
3. Optoelektronischer Infrarotsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Siliziumschicht (1 ) ein p-dotiertes Silizium mit einer <100>- oder <1 1 1 >-Orientierung vorgesehen ist.
3. Optoelectronic infrared sensor according to claim 1 or 2, characterized in that as silicon layer (1) a p-doped silicon having a <100> - or <1 1 1> orientation is provided.
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