有机半导体图像传感器制造技术

公布了由有机半导体构成的，具有单色或多种颜色响应的图像传感器。图像传感器由图像传感元件（像素）构成，其中图像传感元件（像素）个个都包含夹在导电电极之间的一个（或多个）有机半导体薄层。这些图像传感器可以与电子或光学器件集成或混成在同一或不同衬底上。来自图像传感器的由输入图像引起的电输出信号，由与电极相连接的电路探测。通过材料选择，通过器件厚度调整和／或通过光学过滤等方法，可以将图像传感元件的光谱响应修正或调节到希望的光谱区域。公布了实现红，绿和蓝全色探测的几种方法。类似的方法可应用于在希望的响应范围和其他希望的光谱范围内的多波段探测（波长复用技术）。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术要求提交于1998年2月2日，序号为No.60/73,374的美国临时申请中的权利，该申请作为一项参考文献完整地包含在本申请中。本专利技术部分地受政府支持，由国防部提供资金，项目号为No.N00421-97-C-1075。本专利技术涉及到在电子相机和其他相关应用中有用的固态成像元件。它提供了一类可以装配到单色或全色图像传感器件阵列中的高灵敏度图像传感元件。这些图像元件是由夹在两层功函数不同或相似的导电电极之间的一个(或几个)有机半导体薄层构成的。图像信号由与两个电极相连接的一个电路探测。通过材料选择、器件厚度调整和/或光学滤波等方法，可以将图像传感器的谱响应修正或调节到希望的谱分布。这里公布了实现红，绿和蓝颜色探测或在其他希望的光谱范围内的多种颜色探测的一些方法。这些传感元件可以与其他电子或光学器件集成或混成在一起。以固态材料的光电效应为基础，已经发展了几种类型的传感器件。例子有电荷耦合器件(CCD)，利用CMOS技术制作的有源光传感器阵列，和将无定形硅光电池矩阵和薄膜场效应晶体管TFT矩阵组合在一起构成的大尺寸图像传感器，[R.A.Street，J.Wu,R.Weisfield,S.E.Nelson and P.Nylen，材料协会春季会议(SpringMeeting of Materials Research Society),San Francisco,April 17-21(1995);J.Yorkston et al.,Mat Res.Soc.Sym.Proc.116，258(1992);R.A.Street，材料协会公报(Bulletin of Materials Research Society)11(17),20(1992);L.E.Antonuk and R.A.Street,U.S.Patent No.5,262,649(1993);R.A.Street,U.S.Patent No.5,164,809(1992)]。CCD为集成器件，由入射光强产生的积累电荷依次传送到每行像素的末端。这种运行机制对材料质量和工艺条件有很严格的要求。这些要求造成CCD阵列价格昂贵(每个尺寸为0.75″-1″的CCD像机价值～$103-104)，并将商业CCD限制在亚英寸尺寸量级上。近来，随着CMOS技术达到了亚微米级的分辨率，使用该技术在硅片上制作的有源像素光传感器的研究和发展又重新活跃了起来[关于最近进展的综述，请看Eric J.Lerner，激光聚焦世界(Laser FocusWorld)32(12)54,1996]。CMOS技术允许将光电池与驱动器和定时电路同时集成在一起，从而实现单芯片成像相机。不过，既使使用现有的CMOS技术(＜0.3微米的分辨率)，留给光电池的仍旧是有限的空间(典型地小于像素区域的50％)。像素区域的绝大部分是由驱动电路的必需电子组件(场效应晶体管等)占据。用在高像素密度(＞100dpi)图像传感应用中的有源TFT矩阵也存在同样的问题。为了将填充系数(传感器面积/间距面积的比率)增加到接近100％，希望有高灵敏度的、可处理的、薄膜光传感器阵列(每个传感器常常被称为一个图像元件)，以便使上述阵列的每个元件都能够混成在利用CMOS技术或TFT技术制作的驱动器像素的上面。对于这种应用，用有机半导体制作的光电二极管是一种很有希望的候选者。尽管早在20世纪80年代就有使用有机分子和共轭聚合物制作二极管的是期报道，但只能观察到相对小的光响应[有关有机光电二极管的早期综述，请看G.A.Chamberlain，太阳能电池(SolarCells)8,47(1983)]。在20世纪90年代，在使用共轭聚合物作光传感材料方面就已有了进展；作为例子，可以看下列有关聚亚苯基亚乙烯基，PPV及其衍生物的光响应报道S.Karg,W.Riess,V.Dyakonov,M.Schwoerer,Synth.Matals 54,427(1993);H.Antoniadis,B.R.Hsieh,M.A.Abkowitz,S.A.Jenekhe,M.Stolka,Synth.Matals 64,625(1994);G.Yu，C.Zhang,A.J.Heeger,Appl.Phys.Lett.64,1450(1994);R.N.Marks,J.J.M.Halls,D.D.C.Bradley,R.H.Frield,A.B.Holmes,J.Phys.Condens.Matter 6,1379(1994);A.J.Heeger and G.Yu,U.S.Patent No.5,504,323(April,1996);R.H.Friend,A.B.Homes,D.D.C.Bradely,R.N.Marks,U.S.Patent No.5,523,555(June,1996)。最近的进展证明，反向电压可增加光电二极管的光敏性；在ITO/MEH-PPV/Ca薄膜器件中，观察到10V反向电压下光敏性为～90mA/Watt(430nm)，对应的量子效率为＞20％el/ph[G.Yu,C.Zhangand A.J.Heeger,Appl.Phys.Lett.64,1540(1994);A.J.Heeger and G.Yu,U.S.Patent No.5,504,323(April 2,1996)]。用聚3-十二烷基噻吩制作的光电二极管，在绝大部分的可见光谱区域中，观察到-15V偏压下光敏性大于0.3A/Watt，而且在蓝光光谱区域中量子效率超过80％el/ph[G.Yu,H.Pakbaz and A.J.Heeger,Appl.Phys.Lett.64,3422(1994)]。低偏压电场下有机半导体的光敏性可以通过激发态电荷迁移来得到加强，例如，可以通过使用类似C60及其衍生物的受主来敏化具有半导体特性的聚合物[N.S.Saricftci and A.J.Heeger，US Patent 5,331,183(July 19,1994);N.S.Saricftci and A.J.Heeger,US Patent 5,454,880(Oct 3,1995);N.S.Saricftci,L.Smilowitz,A.J.Heeger and F.Wudl,Science 258,1474(1992);L.Smilowitz,N.S.Saricftci,R.Wu,C.Gettinger,A.J.Heeger and F.Wudl,Phys.Rev.B 47,13835(1993);N.S.Saricftciand A.J.Heeger,Intern.J.Mod.Phy.B 8,237(1994)]。光致电荷迁移可以阻止早期复合，并能稳定电荷的分离，因此可为后续聚集增加载流子的量子效率[B.Kraabel,C.H.Lee,D.McBranch,D.Moses,N.S.Sariciftci and A.J.Heeger,Chem.Phys.Lett.213,389(1993);N.S.Saricftci,D.Braun,C.Zhang and A.J.Heeger,Appl.Phys.Letters62,585(1993本文档来自技高网...

【技术保护点】
由排列在一个共同衬底上的多个有机光传感器构成的一种高像素密度光学图像传感器，每个上述光传感器都包含一个由具有半导体特性的有机材料构成的一个有源层，该有源层一侧由第一电极限定，而另一侧由第二电极限定，用一个探测器桥接第一电极和第二电极，该探测器具有探测响应由光传感器传感到的入射光的、来自光传感器的电流输出的能力。

【技术特征摘要】
US 1998-2-2 60/0733471由排列在一个共同衬底上的多个有机光传感器构成的一种高像素密度光学图像传感器，每个上述光传感器都包含一个由具有半导体特性的有机材料构成的一个有源层，该有源层一侧由第一电极限定，而另一侧由第二电极限定，用一个探测器桥接第一电极和第二电极，该探测器具有探测响应由光传感器传感到的入射光的、来自光传感器的电流输出的能力。2权利要求1所述的图像传感器，其中所述入射光具有多个光谱波段，而且其中多于一个的光谱波段被传感到。3一种具有传感多于一个光波长能力的光传感元件，包括以下部件a一个衬底；b部署在衬底上的第一电极；c部署在第一电极的第一部分上的，具有对应于多于一个的波长中的第一个波长的一个光学带隙的第一层第一光敏有机材料；d部署在第一光敏有机材料层之上的透明第二电极，上述第一电极，第一层第一光敏有机材料以及上述第二电极构成第一传感器，该传感器具有在第一个波长的光入射到上述第一类传感器上时产生电信号的能力；e部署在第一电极的第二部分上的具有对应于多于一个的波长中的第二个波长的一个光学带隙的第二层第二光敏有机材料；f部署在第二光敏有机材料层之上的透明第三电极，上述第一电极，上述第二光敏有机材料层以及上述第三电极构成第二传感器，该传感器具有在第二个波长的光入射到上述第二类传感器上时产生电信号的能力。4权利要求3所述的传感元件，可用于完全可见彩色成像，包括a一个衬底；b部署在衬底上的第一电极；c部署在第一电极的第一部分上的，具有位于700nm附近的一个光学带隙的第一层第一光敏有机材料；d部署在第一光敏有机材料层之上的透明第二电极，上述第一电极，第一层第一光敏有机材料以及上述第二电极构成一种红光传感器，该传感器具有在红光入射到上述红光传感器上时产生电信号的能力；e部署在第一电极的第二部分上的，具有位于600nm附近的一个光学带隙的第二层第二光敏有机材料；f部署在第二光敏有机材料层之上的透明第三电极，上述第一电极，上述第二光敏有机材料层以及上述第三电极构成一种绿光传感器，该传感器具有在绿光入射到上述绿光传感器上时产生电信号的能力；g部署在上述第一电极的第三部分上的，具有位于500nm附近的一个光学带隙的第三层第三光敏有机材料；h部署在第三光敏有机材料层之上的透明第四电极；上述第一电极，上述第三光敏有机材料层以及上述第四电极构成一种蓝光传感器，该传感器具有在蓝光入射到上述蓝光传感器上时产生电信号的能力。5权利要求4所述的图像传感元件，其中上述第一电极的第一，第二和第三部分是连续的。6权利要求4所述的图像传感元件，其中上述第一电极的第一，第二和第三部分是分开的。7权利要求4所述的图像传感元件，其中上述第二光敏有机材料层覆盖了红光传感器，并起到短波长截止滤波器的作用，而且其中上述第三光敏有机材料层覆盖了绿光传感器，并起到中波长截止滤波器的作用。8具有传感多于一个光波长能力的一种传感元件，包括a一个透明衬底；b部署在衬底上的透明第一电极；c部署在第一电极的第一部分上的，具有对应于多于一个的波长中的第一个波长的一个光学带隙的第一层第一光敏有机材料；d部署在第一光敏有机材料层之上的透明第二电极；上述第一电极，第一层第一光敏有机材料以及上述第二电极构成第一传感器，该传感器具有在第一个波长的光入射到上述第一类传感器上时产生电信号的能力；e部署在第一电极的第二部分上的，层具有对应于多于一个的波长中的第二个波长的一个光学带隙的第二第二光敏有机材料；f部署在第二光敏有机材料层之上的第三电极，上述第一电极，上述第二光敏有机材料层以及上述第三电极构成第二传感器，该传感器具有在第二个波长的光入射到上述第二类传感器上时产生电信号的能力。9权利要求8所述的传感元件，用于全色可见图像传感，包括a一个透明衬底；b部署在衬底上的第一透明电极；c部署在第一电极的第一部分上的，第一层具有位于500nm附近的一个光学带隙的第一光敏有机材料；d部署在第一光敏有机材料层之上的透明第二电极；上述第一电极，第一层第一光敏有机材料以及上述第二电极构成一种蓝光传感器，该传感器具有在蓝光入射到上述蓝光传感器上时产生电信号的能力。e部署在第一电极的第二部分上的，第二层具有位于600nm附近的一个光学带隙的第二光敏有机材料；f部署在第二光敏有机材料层之上的透明第三电极；上述第一电极，上述第二光敏有机材料层以及上述第三电极构成一种绿光传感器，该传感器具有在绿光入射到上述绿光传感器上时产生电信号的能力；g部署在上述第一电极的第三部分上的，第三层具有位于700nm附近的一个光学带隙的第三光敏有机材料；h部署在第三光敏有机材料层之上的第四电极；上述第一电极，上述第三光敏有机材料层以及上述第四电极构成一种红光传感器，该传感器具有在红光入射到上述红光传感器上时产生电信号的能力。10权利要求9所述的图像传感元件，其中上述第二光敏有机材料层覆盖了蓝光传感器，并起到中波长截止滤波器的作用，而且其中上述第一光敏有机材料层覆盖了蓝光传感器和绿光传感器，并起到短波长截止滤波器的作用。11具有传感多于一个光波长能力的一种传感元件，包括a一个衬底；b部署在衬底上的第一电极；c部署在第一电极上的，第一层具有对应于多于一个的波长中的第一个波长的一个光学带隙的第一光敏有机材料；d部署在第一光敏有机材料层之上的透明第二电极；上述第一电极，上述第一层第一光敏有机材料以及上述第二电极构成第一传感器，该传感器具有在第一个波长的光入射到上述第一传感器上时产生电信号的能力；e部署在透明第二电极上的，第二层具有对应于多于一个的波长中的第二个波长的一个光学带隙的第二光敏有机材料；f部署在第二光敏有机材料层之上的透明第三电极；上述第二电极，上述第二光敏有机材料层以及上述第三电极构成第二传感器，该传感器具有在第二个波长的光入射到上述第二传感器上时产生电信号的能力。12权利要求11所述的一种传感元件，用于全色可见图像传感，包括a一个衬底；b部署在衬底上的第一电极；c部署在第一电极上的，第一层具有位于700nm附近的一个光学带隙的第一光敏有机材料；d部署在第一光敏有机材料层之上的透明第二电极；上述第一电极，第一层第一光敏有机材料以及上述第二电极构成一种红光传感器，该传感器具有在红光入射到上述红光传感器上时产生电信号的能力；e部署在第二电极上的，第二层具有位于600nm附近的一个光学带隙的第二光敏有机材料；f部署在第二种光敏有机材料层之上的透明第三电极；上述第二电极，上述第二光敏有机材料层以及上述第三电极构成一种绿光传感器，该传感器具有在绿光入射到上述绿光传感器上时产生电信号的能力；g部署在第三部分电极上的，第三层具有位于500nm附近的一个光学带隙的第三光敏有机材料；h部署在第三光敏有机材料层之上的第四电极；上述第三电极，上述第三光敏有机材料层以及上述第四电极构成一种蓝光传感器，该传感器具有在蓝光入射到上述蓝光传感器上时产生电信号的能力。13具有传感多于一个光波长能力的一种传感元件，包括a一个透明衬底；b部署在衬底上的透明第一电极；c部署在第一电极上的第一层具有对应于多于一个的波长中的第一个波长的一个光学带隙的第一光敏有机材料；d部署在第一光敏有机材料层之上的透明第二电极；上述第一电极，第一层第一光敏有机材料以及上述第二电极构成第一传感器，该传感器具有在第一个波长的光入射到上述第一传感器上时产生电信号的能力；e部署在第二电极上的，第二层具有对应于多于一个的波长中的第二个波长的一个光学带隙的第二光敏有机材料；f部署在第二光敏有机材料层之上的第三电极；上述第一电极，上述第二光敏有机材料层以及上述第三电极构成第二传感器，该传感器具有在第二个波长的电磁辐射入射到上述第二传感器上时产生电信号的能力。14权利要求13所述的一种传感元件，用于全色可见图像传感，包括a一个透明衬底；b部署在衬底上的第一透明电极；c部署在第一电极上的，第一层具有位于500nm附近的一个光学带隙的第一种光敏有机材料；d部署在第一种光敏有机材料层之上的透明第二电极；上述第一电极，第一层第一种光敏有机材料以及上述第二电极构成一种蓝光传感器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞钢，
申请(专利权)人：杜邦显示器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]