具有电微开关的传感器阵列及其驱动方法技术

本发明专利技术一般涉及制造包括薄半导体膜的两端电微开关，利用这些微开关构成列－行（ｘ－ｙ）可寻址微开关矩阵。这些微开关是两端器件，电流和电位（或它们的导数或积分）通过这些器件根据外部偏置的大小或极性导通和截止。微开关按薄膜结构由电极／半导体／电极形式的半导电薄膜构成。列－行可寻址电微开关矩阵可以在大面积上制造，具有高像素密度。这种矩阵可与电特性响应于外部物理条件（例如光辐射，温度，压力，磁场等）变化的探测层集成，从而形成各种探测矩阵。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及制造具有薄半导体膜的电微开关及用这种微开关构成的列-行(x-y)可寻址电开关矩阵。这些微开关是两端器件，电流、电位或它们的导数或积分可以通过该器件根据外部偏置的大小或极性而开和关。它们按金属/半导体/金属薄膜结构的半导电薄膜构成。列-行可寻址电微开关矩阵可以制造成为覆盖大面积，具有高像素密度。这种矩阵可以与电特性响应于外部物理条件(例如，光子辐射，温度，压力，X射线，磁场等)变化的一个(或数个)附加层成一体，从而形成各种探测器矩阵。传统的电开关是例如大电流、高功率应用的继电器等电机械装置。另一方面，人们普遍对用于各种传感器应用的高像素密度、列-行可寻址电微开关感兴趣。由分立机械继电器构成的开关体积太大，应用时其开关速度经常太慢。在自动控制领域中，单个控制板一般少于102个信道。互补金属氧化物半导体(CMOS)技术和场效应晶体管已用来在半导体晶片上制造大规模集成电路(LSIC)的开关电路。一般开关电路由一系列场效应晶体管构成，已知为有源矩阵阵列。这种微开关已用于制造高像素密度2D图像传感器和存储器件。然而，材料和工艺成本限制了在大尺寸传感器应用中使用这种有源矩阵阵列。由于液晶显示器(LCD)的需要而开发的玻璃或石英基片上的薄膜晶体管(TFT)技术提供了有源模式(AM)微开关基片的另一例子。除在AM-LCD使用外，近来已证明可用于由a-Si TFT屏板上的非晶硅(a-Si)p-i-n光电池构成的大尺寸全色图像传感器(J.Yorkstin等人，Mat.Res.，Soc.Sym.Proc.116，258(1992)；R.A.Street，Bulletin ofMaterials Research Society 11(17)，20(1992)；L.E.Antonuk和R.A.Street美国专利5262649(1993)；R.A.Street，美国专利5164809(1992))。FET是一种三端有源器件。由这种开关单元构成的微开关屏板一般称作有源矩阵。每个FET的漏电流由其栅电压开关。开/关比一般是104-108。如该专利技术中所证明的，固态微开关也可由例如金属/半导体肖特基二极管、金属/半导体/金属(MSM)器件、p型半导体/n型半导体(p-n)结器件、或p型半导体/绝缘体或未掺杂半导体/n型半导体(p-i-n)结器件等两端无源器件构成。可以根据外部偏置的大小或极性开关电流。该专利技术公开了包括MSM结构或其变形结构的无源器件的大尺寸高像素密度微开关矩阵。该专利技术还公开了一种制造这种大尺寸高像素密度微开关矩阵的方法。可以是有机或无机的半导体为薄膜结构。几十年来，已开发出了利用无机材料(例如硒、锗、硅、Ge-Si合金、ZuS、CdS或CdSe)构成的薄膜器件，它们已应用于许多应用，例如包括光伏能量开关。还已研制出了金属-有机物-金属MSM薄膜结构的有机二极管(对由有机分子和共轭聚合物构成的MSM器件的回顾，见James C.W.Chien，PolyacetyleneChemistry，Physics andMaterial Science，第12章(Academic，Orlando，1978)；G.A.Chamberlain，Solar Cells 8，47(1983)；J.Kanicki，in Handbook ofConducting Polymers，T.A.Skotheim，Ed.(Dekker，New York，1986))。然而，这些早期器件的性能(如它们的I-V特性所确定的)不能够使它们用作电开关。由于材料性质和器件制造工艺的改进，近来已表明有机MSM器件的整流比已达到105-106(D.Braun and A.J.Heeger，Appl.Phys.Letters 58，1982(1991)；G.Yu，C.Zhang and A.J.Heerger，Appl.Phys.Lett.64，1540(1994))。通过引入合适的混合工艺和器件结构上作变化，例如利用双分子层半导体膜，或通过选择不同的金属作接触改善载流子注入(I.Parker，J.Appl.Phys.75，1665(1994))，可以进一步提高整流比。这种有机MSM器件可在10mA/cm2的电流密度下连续工作超过104小时(G.Yu.C.Zhang，Y.Yang and A.J.Heeger，Annual Conference ofMaterials Research Society，San Francisco，April 1995)。如该专利技术所公开的，这些具有高整流比的薄膜MSM器件可用于制造高像素密度的大面积固态微开关板(屏板)。本专利技术公开了包括薄半导体膜的电微开关器件及其制造方法。本专利技术还公开了一种制造带有这种微开关作各像素单元的列-行(x-y)可寻址电微开关阵列(矩阵屏板)的方法。这些微开关是两端器件，根据外部偏置的大小或极性可以通过该器件进行电流、或电位(或它们的导数或积分)的开关。它们由电极/半导体/电极薄膜结构的半导电薄膜构成。可以大面积高像素密度制造列-行可寻址电开关矩阵。这种矩阵可以与其电特性响应于外部物理条件(例如光子辐射，高能粒子辐射，温度，表面压力，磁场等)改变的探测层集成，因而可以形成各种探测器矩阵。本专利技术的详细说明包括以下各部分附图简介优选实施例的介绍下面结合附图进一步介绍本专利技术，其中附图说明图1是由夹在具有不同或类似的功函数的两导电电极(11，13)间的半导电膜(12)构成的固态微开关(10)的剖面图；图2A是包括微开关和电特性(例如电导率，电位差)随外部环境条件变化的探测器件的可开关两端探测单元(20)的剖面图；图2B是图2A所示结构的替代结构的剖面图，其中探测层24靠近基片(26)设置；图2C是图2A和2B的等效电路图；图3A展示了由行电极(35)阵列和列电极(31)阵列构成的列-行可寻址传感器矩阵的结构；列和行电极间的每个结处是类似于图2所示的可开关探测单元；图3B展示了图3A所示结构的反结构；图4展示了8×14传感器矩阵的等效电路；图5A和5B是一组曲线图，展示了按ITO/MEH-PPV/Ca形式制造的微开关的I-V特性和整流比Rr(b)；图6A和6B是一组曲线图，展示了按Au/MEH-PPV/Al形式制造的微开关的I-V特性和整流比Rr(b)；图7A和7B是一组曲线图，展示了按ITO/MEH-PPVPCB/Al形式制造的微开关的I-V特性和整流比Rr(b)；图8A和8B是一组曲线图，展示了按Ag/PANI-PAAMPSA/MEH-PPV/Ca形式制造的微开关的I-V特性和整流比Rr(b)；图9A和9B是一组曲线图，展示了按ITO/p-i-n/Al形式制造的微开关的I-V特性和整流比Rr(b)，其中半导体是非晶硅膜；图10A-10C是一组曲线图，展示了按ITO/MEH-PPV/Ca形式制造的微开关的dI/dV-V(a)，G-V(b)和电流积分int IdV-V(c)；图11展示了在-73℃至+127℃(200K-400K)的温度范围内ITO/MEH-PPV/Ca器件的电流与温度特性；图12A和12B展示了10×10温度传感器矩阵(a)上的电流图像(像素电流分布)；和来自相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微开关阵列，包括多个电微开关，多个微开关的每个部件的形式是第一电极／半导体／第二电极层，半导体层是阵列的各部件共享的整体。

【技术特征摘要】
US 1998-2-2 60/0734111.一种微开关阵列，包括多个电微开关，多个微开关的每个部件的形式是第一电极/半导体/第二电极层，半导体层是阵列的各部件共享的整体。2.根据权利要求1的微开关阵列，其中多个微开关按x-y可寻址阵列构成。3.根据权利要求1的微开关阵列，其中半导体是无机半导体。4.根据权利要求1的微开关阵列，其中半导体是有机半导体。5.根据权利要求2的微开关阵列，其中半导体是有机半导体。6.根据权利要求4的微开关阵列，其中有机半导体选自共轭有机半导电聚合物、共轭有机半导电共混聚合物、半导电有机分子、半导电有机金属分子、分子混合物或半导电有机分子及这些材料的多层结构构成的组。7.根据权利要求1的微开关阵列，其中各电极中的至少一个是金属电极。8.根据权利要求1的微开关阵列，其中各电极中的至少一个包括导电有机聚合物。9.根据权利要求1的微开关阵列，其中各电极中的至少一个包括与半导体层相邻的缓冲层。10.根据权利要求1的微开关阵列，其中各电极中的至少一个是透明的。11.一种三维微开关阵列，包括多个权利要求1的阵列的叠层。12.一种三维微开关阵列，包括多个权利要求2的阵列的叠层。13.一种多单元电压开关传感器阵列，包括权利要求1的微开关阵列，阵列的各单元与多个传感器单元的各部件串联，所说传感器单元响应于所探测的激励产生电信号。14.根据权利要求13的多单元电压开关传感器阵列，其中传感器是薄层传感器，它们自身为第一探测电极/探测半导体/第二探测电极层的形式。15.根据权利要求14的多单元电压开关传感器阵列，其中探测半导体是有机半导体。16.根据权利要求15的多单元电压开关传感器阵列，其中微开关和传感器共享一个共用电极。17.一种多单元电压开关传感器阵列，包括权利要求5的微开关阵列，阵列的各单元与多个传感器单元的各部件串联，所说传感器单元响应于所探测的激励产生电信号。18.根据权利要求17的多单元电压开关传感器阵列，其中传感器是薄层传感器，它们自身为第一探测电极/探测半导体/第二探测电极层的形式。19.根据权利要求18的多单元电压开关传感器阵列，其中探测半导体是有机半导体。20.根据权利要求19的多单元电压开关传感器阵列，其中微开关和传感器共享一个共用电极。21.根据权利要求15的多单元电压开关传感器阵列，另外包括支撑基片。22.根据权利要求15的多单元电压开关传感器阵列，其中传感器对光敏感。23.根据权利要求22的多单元电压开关传感器阵列，其中第二探测电极对要探测的光是透明的。24.根据权利要求22的多单元电压开关传感器阵列，其中所说光包括可见光。25.根据权利要求22的多单元电压开关传感器阵列，其中所说光包括紫外光。26.根据权利要求22的多单元电压开关传感器阵列，其中所说光包括红外光。27.根据权利要求15的多单元电压开关传感器阵列，其中所说传感器对X射线敏感。28.根据权利要求15的多单元电压开关传感器阵列，其中所说传感器探测选自电子、β粒子和γ射线辐射的高能电离粒子。29.根据权利要求15的多单元电压开关传感器阵列，其中所说传感器对表面压力敏感。30.根据权利要求15的多单元电压开关传感器阵列，其中所说传感器对表面温度敏感。31.根据权利要求13的多单元电压开关传感器阵列，...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞钢，曹镛，
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]