具有增强的增益和灵敏度的量子点光学器件制造技术

光学和光电子器件及其制造方法。在一个方面，光学器件包括：导电区域阵列的集成电路；和在至少一部分集成电路上并与导电区域阵列的至少一个导电区域电连通的光敏材料。在另一个方面，一种形成纳米晶体膜的方法包括：制造多个其外表面附着有多个第一配体的纳米晶体；用具有与第一配体不同化学组成的第二配体交换第一配体；形成配体交换的纳米晶体膜；除去第二配体；和熔合在所述膜中相邻的纳米晶体的核以形成熔合纳米晶体的电网络。在另一个方面，膜包含熔合纳米晶体的网络，所述纳米晶体具有核和外表面，其中至少一部分所述熔合纳米晶体的核与至少一个相邻熔合晶体的核直接物理接触和电连通，并且其中所述膜在熔合纳米晶体的核的区域内基本没有缺陷态。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有增强的增益和灵^t度的量子点光学器件及其制造方法 相关申请的交叉引用本申请根据35 U.S.C.§119(e),要求2005年8月25日提交的名为 Method for Increasing Gain and Sensitivity from Spin-Cast Colloidal Quantum Dot Photodetectors，，的美国临时申请序列号60〃10,944的Hl， 该申请的全部内容通过引用并入本文。本申请还是2006年1月9日提交的 美国申请序列号11/325,655的部分继续申请，该申请要求2005年1月7 日提交的美国临时申请序列号60/641,766的优先权，二者均通过引用并入 本文。本申请还涉及下列申请，其整个内容通过引用并入本文与本申请在同一 日期提交的名为Quantum Dot Optical Devices with Enhanced Gain and Sensitivity and Methods of Making Same，，的 美国专利申请序列号(TBA);与本申请在同一日期提交的名为Methods of Making Quantum DotFilms的美国专利申请序列号(TBA);与本申请在同一日期提交的名为Electronic and Optoelectronic Devices with Quantum Dot Films的美国专利申请序列号(TBA);2005年4月19日提交的名为Optically Regulated Optical Emission Using Colloidal Quantum Dot Nanocrystals的美国专利申请序列号 11/108,900;和2004年4月19日提交的名为Multi-Color Optical and Infrared Emission Using Colloidal Quantum Nanocrystals的美国临时专利申请 序列号60/563,012。
技术介绍
专利
本专利技术通常涉及包含纳米晶体例如量子点的光学和电子器件。 现有技术的描述当前用于短波长红外(SWIR)光探测和成像的许多系统是通过化 合物半导体例如inGaAs的外延生长或者多晶PbS或PbSe的化学浴生 长来实现。这些技术可产生特别灵敏的探测器，例如在室温下来自PbS 的高达8xl0 Jones的归一化探测灵敏度，D*，但是它们的沉积与成熟 的硅集成电路制造技术通常不相容。在这样的系统中，硅电子读出阵列 和红外敏感光电探测器阵列是分别制造的。这种非单片工艺于是必需复 杂的装配程序，导致成品率低、分辨率差(例如，低成本商业化的硅相 机像素数是它的至少10倍)和高成本(例如，是硅相机至少100倍)。使用量子点作为光敏材料也可实现SWIR光探测和成像；然而，使 用量子点的成像系统通常具有相对低的增益和灵敏度。在下面给出的并 入的参考文献中可发现使用量子点的成像系统的一些实例及其应用。在图1中说明了配体-包覆的QD纳米晶体。该QD包括核100，其 包括尺寸相对小(例如约l-10nm，例如在该图中所示的约5nm)的高 结晶半导体区域。所述核是通常高度结晶的或甚至可以是完美结晶的，已知具有基本均匀的结构和组成。QD被附着在其外表面的多个配体120 所包围。具体地，每个配体120包括用锯齿状线表示的长链和用三角形 表示的末端官能团150，该末端官能团使得配体连接于QD的外表面。QD在溶液中的制备、用合适的配体稳定QD以及典型QD特性例 如尺寸可调的吸收和发射是公知的。与外延-生长(例如 Stranski-Krastanov-模式生长)或其它方式沉积的QD相比，溶液-制备 的QD可称为胶体的。进一步的细节可在下面包含的并入的参考文献 中找到。
技术实现思路
本专利技术在此描述的实施方案具有多个方面，包括成像系统、焦平面阵列，焦平面阵列包括在底层电路(例如，包括集成电路的读出结构) 上形成的光敏层，该光敏层被图案化以基于逐个像素来测量和传送光学 信号、电子信号或二者，其中信号指示在制造焦平面阵列的介质中吸收 的光。电路实现将从各自像素读入的值多路传输到通过电极运送的数据 行或列中。通常由具有合适界面的溶液相处理的后续层使底层焦平面阵 列敏化从而变得对这些新层所吸收的波长响应。利用底层芯片对它们的 所产生的电子信号进行寄存和传送。在读出结构集成电路上可形成一 系列结构，该读出结构能够对制造 芯片本身的介质以及光敏层施加电偏压并且通过电路读出它们所产生 的信号。本专利技术提供位于底层芯片上面的 一 系列的溶液-处理的光敏层。在特 定实施方案中，本专利技术提供利用包含旋涂量子点纳米晶体的薄膜敏化硅CCD (电荷耦合器件)或CMOS焦平面阵列以对红外镨范围敏感的方 法。本专利技术包括利用旋涂量子点纳米晶体和半导体聚合物敏化预制的焦 平面阵列以对可见和红外谱范围敏感的方法。因此，产生基于溶液-处理的量子点、随后溶液相和气相热处理的高 效、高探测灵敏度的光电探测器。而且可制造基于两种(或更多)类型 溶液-处理的量子点的组合的高度灵敏光电探测器，其中每种类型的溶 液-处理的量子点均由不同的半导体材料构成。另外，可构造基于不同 处理的溶液处理的量子点组合的高效、高探测灵敏度光电探测器。在一些实施方案中，成像器件是在光谱的x-射线、紫外、可见光、 近红外、远红外区中能起作用的的高效光导光学探测器，并且基于溶液 -处理的纳米晶体量子点。这些实施方案中的某些在制造用于安全、夜 视和导弹追踪应用的低成本红外成像系统上具有潜在应用，而另一些实 施方案在其它种类的成像系统中具有潜在应用。在其它方面，本专利技术包括用于形成通常为膜状的有用的QD结构的 方法和结构。该方法包括制造多个纳米晶体，每个纳米晶体具有核和外 表面，该外表面附着有具有第一长度的多个第一配体。利用具有小于第 一长度的第二长度的多个第二配体替代附着于纳米晶体外表面的配体。 形成配体交换的纳米晶体膜，从而使得至少一部分配体-交换的纳米晶体邻近于至少一个其它配体-交换的纳米晶体。将附着于配体-交换纳米 晶体膜的纳米晶体外表面的第二配体部分地、基本全部地或全部地除 去，从而使得邻近纳米晶体的外表面更加紧密接近，并甚至导致纳米晶体之间的颈缩(necking)或接触。邻近纳米晶体的核可进一步熔合 以形成熔合纳米晶体的电网络。所述膜可例如通过氧化过程在没有熔合 或形成核的外表面上具有缺陷态(defect state )。由此制备的膜可用作 传感器的一部分，或在用作传感器的一部分的器件上形成。在其它方面，本专利技术包括具有改善的性能的器件。在一个实施方案 中，提供在波长为400 ~ 800 nm之间具有小于10 —11 J/cn^和进一步在400 ~ 1400 nm之间具有小于10 1() J/cm2的噪声等效啄光(noise equivalent exposure, NEE)的器件。在其它的实施方案中，器件具有以A/W测量的 约1 ~约1000，或甚至约1 ~ 10000，例如至少100或优选大于1000，或甚 至更优选大于10000的响应度。响应度在某种程度上是施加的偏压的函数， 更高的偏压具有更高的响应度。在其它一些实施方案中，器件为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种器件，包括：具有导电区域阵列的集成电路；和在至少一部分所述集成电路上并与所述导电区域阵列的至少一个导电区域电连通的光敏材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-8-25 60/710,944;US 2006-1-9 11/327,6551.一种器件，包括具有导电区域阵列的集成电路；和在至少一部分所述集成电路上并与所述导电区域阵列的至少一个导电区域电连通的光敏材料。2. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层包含光敏材料的岛阵列， 其中多个所述岛覆盖相应的多个所述导电区域。3. 根据权利要求1所述的器件，其中所述集成电路包括三维部件并且其 中所述光敏材料与至少 一部分所述三维部件共形。4. 根据权利要求1所述的器件，还包括覆盖至少一部分所述光敏层并与 之电连通的电极。5. 根据权利要求4所述的器件，其中所述电极是至少部分透明的。6. 根据权利要求4所述的器件，其中所述电极包含带通和带阻材料中的 至少一种。7. 根据权利要求1所述的器件，其中所述导电区域在所述集成电路上排 列成一行或多行。8. 根据权利要求7所述的器件，其中所述导电区域在所述集成电路上还 排列成一列或多列。9. 根据权利要求1所述的器件，其中所述导电区域在所述集成电路上排 列成多行和多列。10. 根据权利要求1所述的器件，其中所述集成电路包括柔性基片并且所 述集成电路形成为非平面形状。11. 根据权利要求10所述的器件，其中所述集成电路包含半导体有机分子 和半导体聚合物中的至少 一种。12. 根据权利要求l所述的器件，其中所述光敏层包含多个纳米晶体。13. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层包含多个熔合的纳米晶 体，每个纳米晶体具有核和外表面。14. 根据权利要求13所述的器件，其中所述熔合的纳米晶体的外表面是至少部分没有配体的。15. 根据权利要求13所述的器件，其中所述光敏层包含具有纳米级特征的 连续膜，所述纳米级特征包括熔合的纳米晶体的互联的网络，其中基本上 每一个熔合的纳米晶体都包含与至少一个邻近纳米晶体的核直接物理接 触和电连通的核。16. 根据权利要求15所述的器件，其中所述连续膜U本上无机的。17. 根据权利要求15所述的器件，其中所述连续膜在除了纳米晶体已被熔 合的部分以外的所述外表面部分上包含配体。18. 根据权利要求15所述的器件，其中基本上每一个熔合的纳米晶体的外 表面包含与所述核组成不同的材料。19. 根据权利要求18所述的器件，其中基本上每一个熔合的纳米晶体的外 表面包含氧化的核材料。20. 根据权利要求18所述的器件，其中基本上每一个熔合的纳米晶体的外 表面包含半导体材料。21. 根据权利要求18所述的器件，其中基本上每一个熔合的纳米晶体的外 表面包含至少一种缺陷态。22. 根据权利要求l所述的器件，其中所述光敏层包含光活性聚合物。23. 根据权利要求22所述的器件，其中所述光活性聚合物包括MEH-PPV、 P30T和P3HT中的至少一种。24. 根据权利要求1所述的器件，其中所述导电区域包含像素区，并且其 中所述集成电路包M出电路，所述读出电路能够通过将电信号施加于与从而活化所述像素区，其中流过所述光敏层和所述像素区的电流量与由所 述光敏层接收的光子的数目相关。25. 根据权利要求l所述的器件，其中所述集成电路包含CMOS有源像素。26. 根据权利要求l所述的器件，其中所述集成电路包含CCD像素。27. 根据权利要求1所述的器件，其中在操作期间，所述光敏层内流过的 电流量在其计划操作范围的至少一部分内与由所述光敏层接收的光的量 U本线性相关的。28. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层具有约1 ~ 1000 A/W的 光电导增益。29. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层具有约1 ~ 10000 A/W的 光电导增益。30. 根据权利要求l所述的器件，其中所述光敏层具有至少约10000 A/W 的光电导增益。31. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层具有约100 ~ 10000 A/W 的光电导增益。32. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层在400 ~ 800 nm的波长 之间具有小于约10_111 112的噪声等效啄光。33. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层在400 ~ 800 nm的波长 之间具有约10_11~10—121/0112的噪声等效曝光。34. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层在400 ~ 1400 nm的波长 之间具有小于约10-1(^/0112的噪声等效膝光。35. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层在10 nm ~ 5 jim的波长 之间的至少一部分光语中具有小于约l(T11 J/cm2的噪声等效膝光。36. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层在10 nm ~ 5 jim的波长 之间的至少 一部分光镨中具有小于约10 -12 J/cm2的噪声等效曝光。37. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层具有大于约25 k-欧姆/ f方的电阻。38. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层具有约0.001 ~约10 cmVVs的载流子迁移率。39. 根据权利要求1所述的器件，其中所述光敏层具有约0.01 ~约0.1 cmVVs的载流子迁移率。40.权利要求l所述的器件，其中所述光敏层具有大于约0.01cmVVs 的载流子迁移率。41. 一种制造器件的方法，所述方法包括提供具有上表面和位于其中的电极阵列的集成电路，布置至少一部分 所述电极以将信号从所述阵列传输至输出端；和在所述集成电路的上表面的至少 一部分上溶液沉积电有源层，使得其 与所述的至少一部分直接并连续电接触。42. 根据权利要求41所述的方法，其中溶液沉积所述电有源层包括在所述 集成电路的上表面上喷涂、浸渍涂布、滴涂、蒸发、刮刀涂布或旋涂所述 共形的电有源层。43. 根据权利要求41所述的方法，还包括图案化所述电有源层。44. 根据权利要求43所述的方法，其中所述图案化包括在溶液沉积之后进 行光刻图案化。45. 根据权利要求43所述的方法，其中所述图案化包括将所述电有源层自 组装于所述的至少一部分的一个或多个所选择的区域上。46. 根据权利要求43所述的方法，其中所述图案化包括在所述集成电路的 凸起和沟槽上沉积所述电有源层，并然后平坦化所述电有源层以除去所述凸起的层部分和保留在所述沟槽内的层部分。47. 根据权利要求41所述的方法，其中所述电极阵列包括三维部件并且其 中所述电有源层与所述三维部件共形。48. 根据权利要求41所述的方法，其中溶液沉积所述导电有源层包括溶液 沉积纳米晶体，每个纳米晶体具有核和外部表面。49. 根据权利要求48所述的方法，其中所述纳米晶体具有约l-10nm的尺 寸。50. 根据权利要求48所述的方法，其中所述纳米晶体包括不同组成的纳米 晶体。51. 根据权利要求48所述的方法，其中所述纳米晶体包括不同尺寸的纳米 晶体。52. 根据权利要求48所述的方法，其中所述纳米晶体U本上单分軟的。53. 根据权利要求48所述的方法，其中所述纳米晶体包括PbS、 InAs、InP、 PbSe、 CdS、 CdSe、 InxGalxAs、 (Cd-Hg)Te、 ZnSe(PbS)、 ZnS(CdSe)、 ZnSe(CdS)、 PbO(Pbs)、和PbS(Xi(PbS)中的至少一种。54. 根据权利要求48所述的方法，还包括在溶液沉积所述纳米晶体之后使 得至少一部分所述纳米晶^^波此熔合。55. 才艮据权利要求54所述的方法，其中使得至少一部分所述纳米晶M此 熔合包括从所述至少一部分纳米晶体的的外表面上除去配体。56. 根据权利要求54所述的方法，其中使得至少一部分所述纳米晶体彼此 熔合包括(a) 从所述至少一部分纳米晶体的外表面上除去至少一部分所述配体；和(b) 退火所述纳米晶体，使得所述至少一部分纳米晶体的核与所述至少 一部分纳米晶体的其它核熔合。57. 根据权利要求56所述的方法，其中退火所述纳米晶体将至少一部分所 述配体从所述至少一部分纳米晶体的外表面上除去。58. 根据权利要求56所述的方法，其中退火所述纳米晶体包括加热所述纳 米晶体至约150'C ~约450'C的温度。59. 根据权利要求56所述的方法，其中退火所述纳米晶体包括加热所述纳 米晶体至约室温~约150'C的温度。60. 根据权利要求56所述的方法，还包括在溶液沉积之前，在至少一部分 所述纳米晶体上实施配体交换，从而在所述至少一部分纳米晶体上提供相 对短的配体。61. 根据权利要求60所述的方法，其中所^t目对短的配体包括吡啶、烯丙 胺、甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、辛胺和吡咯烷配体中的至少一种。62. 根据权利要求41所述的方法，其中所述电有源层也是光敏的。63. 根据权利要求62所述的方法，其中配置所述集成电路的至少一些所述 电极以限定通过另 一些所述电极读取的光学像素。64. 根据权利要求62所述的方法，还包括选择其中所述共形的电有源层计 划操作的电磁谦的波长区域。65. 根据权利要求64所述的方法，其中选择所述波长区域包括选择特定尺 寸的纳米晶体和将它们引入所述共形的电有源层。66. 根据权利要求64所述的方法，其中所述波长区域包括所述电磁语的x-射线、红外、可见光和紫外区域中的至少一种。67. 根据权利要求41所述的方法，其中所述电有源层包含半导体聚合物。68. 根据权利要求67所述的方法，其中所述半导体聚合物包括MEH-PPV、P30T和P3HT中的至少一种。69. 根据权利要求41所述的方法，还包括在至少一部分所述电有源层上并 与其电接触地提供至少一个电极。70. 根据权利要求69所述的方法，其中所述至少一个电极是至少部分光学 透明的。71. 根据权利要求69所述的方法，其中所述至少一个电极包含带通滤波器 和带阻滤波器中的至少一种。72. 根据权利要求69所述的方法，其中所述至少一个电极包含氧化铟锡、 氧化铟、氧化钨、铝、金、铂、银、镁、铜和其组合及其层结构中的至少 一种。73. 根据权利要求41所述的方法，还包括提供在所述电有源层上提供抗反 射涂层。74. 根据权利要求41所述的方法，还包括在所述电有源层上提供保护涂层 以保护所述电有源层免于一种或更多种的环境影响。75. 根据权利要求41所述的方法，还包括在所述电有源层上提供滤光器涂 层，其中所述滤光器包含带通滤波器和带阻滤波器中的至少一种。76. 根据权利要求41所述的方法，其中所述集成电路包括柔性基片并且所 述集成电路形成为非平面形状。77. 根据权利要求76所述的方法，其中所述集成电路包含半导体有机分子 和半导体聚合物中的至少 一种。78. 根据权利要求41所述的方法，其中所述集成电路包含硅、绝缘体上硅、 硅-锗、磷化铟、砷化镓、砷化铟镓、玻璃和聚合物中的至少一种。79. —种器件，包括 多个电极；和在所述电极之间、与所述电极接触并电连通的光敏层，所述电极用于 提供指示由所述光敏层吸收的辐射的信号，所述光敏层提供至少约100 A/W的光电导增益。80. 根据权利要求79所述的器件，其中所述光敏层具有至少约1000 A/W 的光电导增益。81. 根据权利要求79所述的器件，其中所述光敏层具有至少约10000 A/W 的光电导增益。82. 根据权利要求79所述的器件，其中所述光敏层具有约100 ~ 10000 A/W 的光电导增益。83. —种器件，包括 多个电极；和在所述电极之间、与所述电极接触并电连通的光敏层，所述电极用于 提供指示由所述光敏层吸收的辐射的信号，其中所述光敏层在400 ~ 800 rnn的波长之间具有小于约10 —11 J/cm2的 噪声等效瀑光。84. 根据权利要求83所述的器件，其中所述光敏层在400 ~ 800 nm下具有 约10 10-uj/cm2的噪声等效瀑光。85. 根据权利要求83所述的器件，其中所述光敏层在400 ~ 1400 nm下具 有小于约10 —J/cn^的噪声等效膝光。86. 根据权利要求83所述的器件，其中所述光敏层具有至少约100 A/W的 光电导增益。87. 根据权利要求83所述的器件，其中所述光敏层具有至少约1000 A/W 的光电导增益。88. 根据权利要求83所述的器件，其中所述光敏层具有至少约10000 A/W 的光电导增益。89. —种器件，包括 多个电极；和在所述电极之间、与所述电极接触并电连通的光敏层，所述电极用于 提供指示由所述光敏层吸收的辐射的信号，其中所述光敏层具有大于约0.001 cmVVs的载流子迁移率。90.根据权利要求89所述的器件，其中所述光敏层具有约0.01 ~约0.1 cm2/Vs的载流子迁移率。91.根据权利要求89所述的器件，其中所述光敏层具有高达约IO cm2/Vs 的栽流子迁移率。92. —种形成纳米晶体膜的方法，所述方法包括(a)制造多个纳米晶体，所述纳米晶体具有核和外表面，具有第一长度的 多个第一配体附着于所述外表面；(b )利用多个具有第二长度并与所述多个第一配体具有不同化学组成的 第二配体交换附着于所述纳米晶体外表面的所述多个第一配体；(c) 形成配体交换的纳米晶体的膜，其中至少一部分所述配体交换的纳米 晶体与至少一个其它的配体交换的纳米晶体相邻近；(d) 除去附着于所述配体交换的纳米晶体膜的晶体外表面的第二配体， 从而使得相邻的纳米晶体的外表面更加接近；和(e) 熔合相邻纳米晶体的核从而形成熔合的纳米晶体的电网络。93. 根据权利要求92所述的方法，其中制造多个纳米晶体包括在基本惰性 的环境中形成所述纳米晶体，以基本防止在所述纳米晶体外表面上形成缺 陷态。94. 根据权利要求92所述的方法，其中所述第二长度小于所述第一长度。95. 根据权利要求92所述的方法，其中所述第一配体均包含大于约10个 碳长的碳链。96. 根据权利要求92所述的方法，其中所述第二配体均包含约1-10碳长 的碳链。97. 根据权利要求92所述的方法，其中所述第二配体具有小于约1 nm的 长度。98. 根据权利要求92所述的方法，其中所述第二配体包括吡咬、烯丙胺、 甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、辛胺和吡咯烷中的至少一种。99. 根据权利要求92所述的方法，其中所述第二配体结合到所述纳米晶体 的外表面，其亲合力至少与所述第一配体结合到所述纳米晶体外表面的亲 合力一样大。100. 根据权利要求92所述的方法，其中利用所述多个第二配体交换所述多 个第一配体包括沉淀所述制造的纳米晶体；洗涤所述沉淀纳米晶体；和将 所...

【专利技术属性】
技术研发人员：爱德华萨金特，贾森克利福德，耶拉西莫斯康斯坦塔托斯，伊恩霍华德，伊桑JD克莱姆，拉里莎勒维纳，
申请(专利权)人：爱德华萨金特，
类型：发明
国别省市：CA[]