專利名稱：有機(jī)半導(dǎo)體圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明要求提交于1998年2月2日，序號(hào)為No.60/73,374的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)中的權(quán)利，該申請(qǐng)作為一項(xiàng)參考文獻(xiàn)完整地包含在本申請(qǐng)中。
本發(fā)明部分地受政府支持，由國(guó)防部提供資金，項(xiàng)目號(hào)為No.N00421-97-C-1075。
本發(fā)明涉及到在電子相機(jī)和其他相關(guān)應(yīng)用中有用的固態(tài)成像元件。它提供了一類可以裝配到單色或全色圖像傳感器件陣列中的高靈敏度圖像傳感元件。這些圖像元件是由夾在兩層功函數(shù)不同或相似的導(dǎo)電電極之間的一個(gè)(或幾個(gè))有機(jī)半導(dǎo)體薄層構(gòu)成的。圖像信號(hào)由與兩個(gè)電極相連接的一個(gè)電路探測(cè)。通過(guò)材料選擇、器件厚度調(diào)整和/或光學(xué)濾波等方法，可以將圖像傳感器的譜響應(yīng)修正或調(diào)節(jié)到希望的譜分布。這里公布了實(shí)現(xiàn)紅，綠和藍(lán)顏色探測(cè)或在其他希望的光譜范圍內(nèi)的多種顏色探測(cè)的一些方法。這些傳感元件可以與其他電子或光學(xué)器件集成或混成在一起。
以固態(tài)材料的光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，已經(jīng)發(fā)展了幾種類型的傳感器件。例子有電荷耦合器件(CCD)，利用CMOS技術(shù)制作的有源光傳感器陣列，和將無(wú)定形硅光電池矩陣和薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管TFT矩陣組合在一起構(gòu)成的大尺寸圖像傳感器，[R.A.Street，J.Wu,R.Weisfield,S.E.Nelson and P.Nylen，材料協(xié)會(huì)春季會(huì)議(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，材料協(xié)會(huì)公報(bào)(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為集成器件，由入射光強(qiáng)產(chǎn)生的積累電荷依次傳送到每行像素的末端。這種運(yùn)行機(jī)制對(duì)材料質(zhì)量和工藝條件有很?chē)?yán)格的要求。這些要求造成CCD陣列價(jià)格昂貴(每個(gè)尺寸為0.75″-1″的CCD像機(jī)價(jià)值～$103-104)，并將商業(yè)CCD限制在亞英寸尺寸量級(jí)上。
近來(lái)，隨著CMOS技術(shù)達(dá)到了亞微米級(jí)的分辨率，使用該技術(shù)在硅片上制作的有源像素光傳感器的研究和發(fā)展又重新活躍了起來(lái)[關(guān)于最近進(jìn)展的綜述，請(qǐng)看Eric J.Lerner，激光聚焦世界(Laser FocusWorld)32(12)54,1996]。CMOS技術(shù)允許將光電池與驅(qū)動(dòng)器和定時(shí)電路同時(shí)集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)單芯片成像相機(jī)。不過(guò)，既使使用現(xiàn)有的CMOS技術(shù)(＜0.3微米的分辨率)，留給光電池的仍舊是有限的空間(典型地小于像素區(qū)域的50％)。像素區(qū)域的絕大部分是由驅(qū)動(dòng)電路的必需電子組件(場(chǎng)效應(yīng)晶體管等)占據(jù)。用在高像素密度(＞100dpi)圖像傳感應(yīng)用中的有源TFT矩陣也存在同樣的問(wèn)題。為了將填充系數(shù)(傳感器面積/間距面積的比率)增加到接近100％，希望有高靈敏度的、可處理的、薄膜光傳感器陣列(每個(gè)傳感器常常被稱為一個(gè)圖像元件)，以便使上述陣列的每個(gè)元件都能夠混成在利用CMOS技術(shù)或TFT技術(shù)制作的驅(qū)動(dòng)器像素的上面。
對(duì)于這種應(yīng)用，用有機(jī)半導(dǎo)體制作的光電二極管是一種很有希望的候選者。盡管早在20世紀(jì)80年代就有使用有機(jī)分子和共軛聚合物制作二極管的是期報(bào)道，但只能觀察到相對(duì)小的光響應(yīng)[有關(guān)有機(jī)光電二極管的早期綜述，請(qǐng)看G.A.Chamberlain，太陽(yáng)能電池(SolarCells)8,47(1983)]。在20世紀(jì)90年代，在使用共軛聚合物作光傳感材料方面就已有了進(jìn)展；作為例子，可以看下列有關(guān)聚亞苯基亞乙烯基，PPV及其衍生物的光響應(yīng)報(bào)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)。
最近的進(jìn)展證明，反向電壓可增加光電二極管的光敏性；在ITO/MEH-PPV/Ca薄膜器件中，觀察到10V反向電壓下光敏性為～90mA/Watt(430nm)，對(duì)應(yīng)的量子效率為＞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電二極管，在絕大部分的可見(jiàn)光譜區(qū)域中，觀察到-15V偏壓下光敏性大于0.3A/Watt，而且在藍(lán)光光譜區(qū)域中量子效率超過(guò)80％el/ph[G.Yu,H.Pakbaz and A.J.Heeger,Appl.Phys.Lett.64,3422(1994)]。
低偏壓電場(chǎng)下有機(jī)半導(dǎo)體的光敏性可以通過(guò)激發(fā)態(tài)電荷遷移來(lái)得到加強(qiáng)，例如，可以通過(guò)使用類似C60及其衍生物的受主來(lái)敏化具有半導(dǎo)體特性的聚合物[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)]。光致電荷遷移可以阻止早期復(fù)合，并能穩(wěn)定電荷的分離，因此可為后續(xù)聚集增加載流子的量子效率[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);B.Kraabel,D.McBranch,N.S.Saricftci,D.Moses,andA.J.Heeger,Phys.Rev.B 50,18543(1994);C.H.Lee,G.Yu,D.Moses,K.Pakbaz,C.Zhang,N.S.Sariciftic,A.J.Heeger and F.Wudl,Phys.Rev.B.48,15425(1993)]。在光電二極管中使用電荷遷移摻合物作為光敏材料，在430nm處只用2V偏壓下就得到了0.2-0.3A/W的外部光敏性和50-80％El/ph的外部量子效率[G.Yu,J.Gao,J.C.Hummelen,F.Wudl and A.J.Heeger,Science 270,1789(1995);G.Yu and A.J.Heeger,J.Appl.Phys.78,4510(1995)]。而在同一波長(zhǎng)，紫外增強(qiáng)的硅光電二極管的光敏性與偏壓電壓無(wú)關(guān)，為～0.2A/Watt[S.M.Sze,Physics of Semiconductor Devices(Wiley,New York,1981)Part 5]。因此，用聚合物電荷遷移摻合物制作的薄膜光電二極管的光敏性完全可與用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體制作的光電二極管相媲美。除了它們的高光敏性之外，這些有機(jī)光電二極管還顯示出大的動(dòng)態(tài)范圍；據(jù)報(bào)道，相對(duì)平坦的光敏性可從100mW/cm2一直降低到nW/cm2，換句話說(shuō)，下降幅度超過(guò)8個(gè)數(shù)量級(jí)[G.Yu,H.Pakbaz and A.J.Heeger,Appl.Phys.Lett.64,3422(1994);G.Yu,J.Gao,J.C.Hummelen,F.Wudl and A.J.Heeger,Science 270,1789(1995);G.Yu,and A.J.Heeger,J.Appl.Phys.78,4510(1995)]。因此，其動(dòng)態(tài)范圍也可與用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體制作的二極管相媲美。聚合物光電探測(cè)器可在室溫下工作，其光敏性對(duì)工作溫度相對(duì)不敏感[G.Yu,K.Pakbaz and A.J.Heeger,Appl.Phys.Lett.64,3422(1994)]。
與聚合物發(fā)光器件中的情形相同，可以在室溫下用溶液處理技術(shù)大面積制作高靈敏度聚合物光電探測(cè)器，并且可以具有不尋常的形狀(舉例來(lái)說(shuō)，與光學(xué)部件或光學(xué)系統(tǒng)耦合在一個(gè)半球上)，或者具有可彎曲或可折疊的形狀[G.Gustafsson,Y.Cao,G.M.Treatcy,F.Klavetter,N.Colaneri,and A.J,Heeger,Nature 357,477(1992)；A.J.Heeger and J.Lond，Optics&Photonics,Aug.1996,p24]。這些加工優(yōu)點(diǎn)也使在光纖上直接制作光傳感器成為可能。類似地，聚合物光電二極管可以與光學(xué)器件或類似于集成電路的電子器件混成在硅片上。這些獨(dú)有的特點(diǎn)使聚合物光電二極管對(duì)很多新應(yīng)用都有吸引力。
在用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體制作的圖像傳感器件中，光傳感層必須像素化，以防止光致電荷沿水平方向擴(kuò)散。由于有機(jī)半導(dǎo)體具有相對(duì)低的載流子遷移率，因此在絕大多數(shù)圖像傳感應(yīng)用中，光傳感層的構(gòu)圖便不再是必需的，從而大大簡(jiǎn)化了制作工藝。
本發(fā)明公開(kāi)了使用了有機(jī)光傳感器的單色和多色圖像傳感元件的幾種結(jié)構(gòu)。這些圖像元件用夾在兩個(gè)導(dǎo)電電極之間的一個(gè)薄層(或多層)有機(jī)半導(dǎo)體制作的。圖像信號(hào)的探測(cè)由與電極相連接的一個(gè)電路來(lái)完成。這些圖像傳感器可以與電子或光學(xué)器件集成或混成在相同或不同的襯底上。利用材料選擇、器件厚度調(diào)整和/或光學(xué)濾波等方法，可以將圖像傳感元件的譜響應(yīng)修正或調(diào)整到希望的譜分布。公開(kāi)了一些實(shí)現(xiàn)紅、綠和藍(lán)多色探測(cè)的方法。這些方法也適用于實(shí)現(xiàn)多色選擇性探測(cè)(波長(zhǎng)多路復(fù)用技術(shù))和實(shí)現(xiàn)從紫外到紅外之間希望的光譜范圍內(nèi)的探測(cè)。
本發(fā)明提供了具有電極/有機(jī)物/電極三層結(jié)構(gòu)的有機(jī)光傳感器，可用作像素化的光傳感器的傳感元件，特別地，這些傳感器具有探測(cè)多種波段入射光的能力。
另一方面，本發(fā)明提供了按照如圖2到7所示的結(jié)構(gòu)制作的，包括紅、綠和藍(lán)色亞像素(或具有它們的互補(bǔ)顏色青色、品紅和黃色的亞像素)的全色圖像元件。
這些傳感器能夠提供在包括紅外、可見(jiàn)光區(qū)和紫外在內(nèi)的不同光譜范圍內(nèi)具有希望的光響應(yīng)的多波段光傳感器和傳感像素元件。在光或圖像傳感器中，兩接觸電極之間的光敏傳感層可以是單層或多層形式的有機(jī)分子，有機(jī)金屬分子，具有半導(dǎo)電特性的聚合物，共軛聚合物，以及含有上述材料的混合物。
導(dǎo)電電極可由摻雜的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，或摻雜的具有半導(dǎo)體特性的化合物以及其他類似材料組成，也可以包括插入在一個(gè)或多個(gè)電極/有機(jī)物界面間的緩沖層。緩沖層可以包括導(dǎo)電的聚合物，有機(jī)或有機(jī)金屬分子薄層和無(wú)機(jī)化合物，如LiF,NaF,BaO,Li2O，其他金屬氟化物，金屬氧化物和金屬硫化物，金屬或金屬合金。在圖像傳感器中，夾持有機(jī)光傳感層的電極也相當(dāng)于光學(xué)鏡。鏡/有機(jī)層/鏡形成一個(gè)微腔，并在共振波長(zhǎng)處具有選擇響應(yīng)。在一種推薦結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)具有不同介電常數(shù)的電介質(zhì)層交替出現(xiàn)，形成一個(gè)DBR鏡。當(dāng)兩個(gè)接觸電極用作光學(xué)鏡時(shí)，面對(duì)入射光的電極應(yīng)相對(duì)薄一些，以便使部分入射光可透過(guò)該電極。金屬/有機(jī)層/金屬結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)微腔器件(光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具)，并在共振波長(zhǎng)處具有選擇響應(yīng)。
全色圖像像素或結(jié)構(gòu)可由傳感波長(zhǎng)位于紅、綠和藍(lán)光光譜范圍的堆棧結(jié)構(gòu)(類似于圖3,3′,4)或平板結(jié)構(gòu)的微腔傳感亞像素形成。另一方面，圖像傳感器元件的支持襯底也是一個(gè)光學(xué)器件。
本發(fā)明的圖像傳感器元件也能夠支持包括與各個(gè)傳感像素混成在一起的開(kāi)關(guān)電路的襯底。這些開(kāi)關(guān)電路可包括金屬-氧化物-半導(dǎo)體類型的薄膜晶體管。半導(dǎo)體的例子包括單晶硅，多晶硅，不定形硅，蒽及其衍生物，并五苯及其衍生物，低聚物噻吩和P3ATs。支持襯底可以包括用于列-行選擇和信號(hào)讀出的大規(guī)模集成電路。
本發(fā)明也提供了一種像素化的光電探測(cè)器，該光電探測(cè)器中至少有一個(gè)或全部傳感元件的結(jié)構(gòu)如上面所述。光電探測(cè)器可以有一個(gè)由陣列中至少一部分光電探測(cè)器共享的共用電極。它們可以對(duì)可見(jiàn)光譜中的至少兩個(gè)不同波長(zhǎng)產(chǎn)生響應(yīng)，并通過(guò)擁有依照?qǐng)D3,3′，或4所示的堆棧結(jié)構(gòu)互相層集的至少兩個(gè)不同的傳感器的方法來(lái)得到增加的像素密度。這些光電探測(cè)器陣列和矩陣可具有一個(gè)位于放置在傳感面板前的傳感像素之間的空隙中的黑色矩陣覆蓋層。光電探測(cè)器陣列包括波長(zhǎng)選擇設(shè)備，其中每個(gè)(或部分)像素可響應(yīng)不同光譜區(qū)域中的入射光。
波長(zhǎng)選擇設(shè)備可以包括干涉濾波器，介電堆棧層，光學(xué)微腔(標(biāo)準(zhǔn)具)，或液晶濾波器。本發(fā)明公開(kāi)了包括鏡/光敏層/鏡結(jié)構(gòu)的傳感像素。每個(gè)傳感像素都具有位于不同波長(zhǎng)處的窄帶響應(yīng)。傳感器可包括具有波長(zhǎng)選擇功能的窄帶光學(xué)濾波器，如液晶濾波器，而且通過(guò)一定的機(jī)制，如加偏置電壓，加壓等，可調(diào)諧光學(xué)濾波器的中心波長(zhǎng)。
對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步描述將結(jié)合下列附圖進(jìn)行

圖1A是用在電路中安裝有機(jī)光電二極管方法制作的單色圖像元件(10A)的剖面圖。通過(guò)電流表或其他插入回路的讀出電路可以讀出光電流。
圖1B是具有所謂的反向結(jié)構(gòu)的單色圖像元件(10B)的剖面圖。其中的透明電極與有源層的自由面相接觸。
圖2是由具有共用電極(2D)的紅、綠和藍(lán)亞像素組成的全色圖像元件的剖面圖；其制作過(guò)程如圖2A到圖2D所示。該結(jié)構(gòu)的一種具有單獨(dú)電極接觸的替代結(jié)構(gòu)如圖2E所示。
圖3A顯示的是由紅、綠和藍(lán)有機(jī)傳感器按照一種堆棧結(jié)構(gòu)構(gòu)成的全色圖像元件(30A)的剖面結(jié)構(gòu)；圖3B顯示的是具有與圖3A所示結(jié)構(gòu)相反的反向結(jié)構(gòu)的全色圖像元件(30B)的剖面結(jié)構(gòu)；圖3′A顯示的是由紅、綠和藍(lán)有機(jī)傳感器按照一種堆棧結(jié)構(gòu)構(gòu)成的全色圖像元件(30′A)的剖面結(jié)構(gòu)，該堆棧結(jié)構(gòu)類似于圖3A中所示的堆棧結(jié)構(gòu)，只是其中的介電層將不同顏色的傳感器相互隔開(kāi)；圖3′B顯示的是具有與圖3′A中所示結(jié)構(gòu)相反的反向結(jié)構(gòu)的全色圖像元件(30′B)的剖面結(jié)構(gòu)。
圖4A顯示的是由可變色液晶顏色濾波器和寬帶有機(jī)光傳感器按照一種堆棧結(jié)構(gòu)組成的全色圖像元件(40)的剖面結(jié)構(gòu)。
圖4B和4C顯示的是用于與液晶顏色濾波器面板結(jié)合在一起的全色圖像元件的兩種其他堆棧結(jié)構(gòu)40′和40″的剖面結(jié)構(gòu)。
圖5A顯示的是由紅、綠和藍(lán)光有機(jī)傳感器組成的全色圖像元件(50A)的剖面結(jié)構(gòu)，其中的傳感器由三個(gè)相同的寬帶有機(jī)光傳感器和三個(gè)光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具構(gòu)成。
圖5B顯示的是具有與圖5A所示結(jié)構(gòu)相反的反向結(jié)構(gòu)的全色圖像元件(50B)的剖面結(jié)構(gòu)。
圖6顯示的是由紅、綠和藍(lán)色亞像素組成的全色圖像元件(60)的剖面結(jié)構(gòu)，其中的亞像素由三個(gè)相同的寬帶有機(jī)傳感器和一個(gè)顏色濾波器/ITO襯底構(gòu)成。
圖7顯示的是由紅、綠和藍(lán)色亞像素組成的全色圖像元件(70)的剖面結(jié)構(gòu)，其中的亞像素由三個(gè)相同的寬帶有機(jī)傳感器和一個(gè)光學(xué)發(fā)散器件(棱鏡或光柵)構(gòu)成。
圖8是一個(gè)具有ITO/P3OT/Au結(jié)構(gòu)的圖像元件的光響應(yīng)曲線，作為對(duì)比，圖中也給出了用非晶硅制作的光伏電池的光響應(yīng)曲線。
圖9是一個(gè)具有ITO/P3OT∶C60摻合物(blend)/Al結(jié)構(gòu)的圖像元件的光響應(yīng)曲線。
圖10是一個(gè)具有ITO/MEH-PPV/MEH-PPV∶PCBM摻合物/Al結(jié)構(gòu)(方塊)的圖像元件的光響應(yīng)曲線，作為對(duì)比，圖中也給出了沒(méi)有MEH-PPV層(圓圈)的器件的光響應(yīng)曲線。
圖11是一個(gè)具有ITO/PPV/C60/Al結(jié)構(gòu)的圖像元件的光響應(yīng)曲線。
圖12A是具有ITO/6P/Al和ITO/6P/C60/Al結(jié)構(gòu)的圖像元件的光響應(yīng)曲線。
圖12B是一個(gè)具有ITO/6P/C60/Al與紫外濾波器和ITO/6P/PPOPH/Al相耦合結(jié)構(gòu)的圖像元件的光響應(yīng)曲線，該元件對(duì)可見(jiàn)光沒(méi)有響應(yīng)，而對(duì)紫外光有響應(yīng)。
圖13是一個(gè)具有PPV/PANI-CSA/P3OT/Al結(jié)構(gòu)的圖像元件的光響應(yīng)曲線，作為對(duì)比，圖中也給出了標(biāo)準(zhǔn)的人眼視覺(jué)響應(yīng)曲線V(λ)。
圖14是一個(gè)由紅、綠和藍(lán)色像素按照?qǐng)D2D所示結(jié)構(gòu)構(gòu)成的全色圖像元件的光響應(yīng)曲線。
圖15是一個(gè)由紅、綠和藍(lán)色像素按照?qǐng)D5A所示結(jié)構(gòu)構(gòu)成的全色圖像元件的光響應(yīng)曲線。
圖16A和16B分別是(a)一個(gè)由紅，綠和藍(lán)色像素按照?qǐng)D6所示結(jié)構(gòu)構(gòu)成的全色圖像元件的光響應(yīng)曲線和(b)使用的顏色濾波器的透射特征曲線。
圖17是用來(lái)得到圖16A中數(shù)據(jù)的測(cè)試電路的示意剖面圖。
圖18是一個(gè)具有對(duì)紫外和可見(jiàn)光區(qū)域中的兩個(gè)光譜波段敏感的圖像元件的光響應(yīng)曲線。
圖19是一個(gè)具有窄帶譜響應(yīng)的有機(jī)光傳感器的譜響應(yīng)曲線。
定義首先必須定義在對(duì)推薦具體實(shí)施例的描述和權(quán)利要求書(shū)中要引用的一些術(shù)語(yǔ)。其中一組術(shù)語(yǔ)是有關(guān)圖像元件結(jié)構(gòu)的。使用有機(jī)半導(dǎo)體制作的圖像傳感元件的兩個(gè)具體實(shí)施例的剖面圖如圖1所示。圖像傳感元件(10A和10B以及10′)使用了金屬-半導(dǎo)體-金屬(M-S-M)薄膜器件結(jié)構(gòu)。更具體地，器件10A包括一個(gè)“光敏層”(層12)，其構(gòu)成材料為有機(jī)物，具有半導(dǎo)體特性的金屬，比如共軛聚合物，聚合物摻合物，聚合物/分子高分子共聚物，有機(jī)分子層，有機(jī)金屬分子或分子摻合物；或者由上述材料混合構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。這些材料在下面還要進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
兩個(gè)“接觸電極”(層11,13)，分別作光電二極管的陽(yáng)極和陰極，其作用為從光敏層中吸取電子和空穴。其中的至少一個(gè)電極(例如圖1A中的層11)為透明或半透明，以便使有源層(12)可以吸收入射光18。這些電極在下面還要進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
陽(yáng)極電極定義為功函數(shù)高于陰極材料的導(dǎo)電材料。
正如圖1所示，器件可以包括一個(gè)可選擇的襯底或支座14。這是一個(gè)固態(tài)的、剛性的或柔性的層，其設(shè)計(jì)目的是為了給光傳感器和/或圖像元件的矩陣陣列提供強(qiáng)度。當(dāng)光從襯底一側(cè)入射時(shí)，襯底在工作波長(zhǎng)應(yīng)該是透明或半透明的。玻璃石英，聚合物薄片，或者柔性的塑料膜都常用作襯底。由于對(duì)于光子能量小于其光學(xué)能隙的光是透明的，因此在一些應(yīng)用中也會(huì)使用寬帶半導(dǎo)體晶片(如SiC,SiN)。在此情況下，也可以使用一個(gè)薄的摻雜區(qū)域作接觸電極11。
具有如圖1B所示的“反轉(zhuǎn)”幾何結(jié)構(gòu)的器件也很有用。在這種結(jié)構(gòu)中，光透過(guò)與自由面相接觸的電極13入射；因此可以使用光學(xué)不透明材料作襯底。例如，使用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶片(如硅)作襯底14，而且將半導(dǎo)體摻雜到“導(dǎo)電”的量級(jí)(在下面將給出定義)，則半導(dǎo)體晶片可同時(shí)作襯底14和接觸電極11。反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)具有可以將光傳感器與直接制作在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體襯底上的驅(qū)動(dòng)/讀出電路集合在一起(使用集成電路技術(shù))的優(yōu)點(diǎn)。
入射光18通常定義為包括可見(jiàn)光波長(zhǎng)(400-700nm)，紫外波長(zhǎng)(200-400nm)，真空紫外波長(zhǎng)(＜200nm)，和近紅外波長(zhǎng)(700-2500nm)。
有一些層被指明為透明或半透明。這些術(shù)語(yǔ)是指材料的一種屬性入射在其上的入射光中的絕大部分能夠透過(guò)該材料。術(shù)語(yǔ)“透明”常用來(lái)描述透射率高于20％的襯底，而術(shù)語(yǔ)“半透明”常用于描述透射率在20％和1％之間的襯底或?qū)印?br> “導(dǎo)電的”層或材料具有的電導(dǎo)率典型地大于0.1S/cm。具有半導(dǎo)體特性的材料的電導(dǎo)率介于10-14到10-1S/cm。
“介電”或“絕緣”層或材料的電導(dǎo)率曲型地低于10-10S/cm。
“正”(或“負(fù)”)偏壓指的是在陽(yáng)極電極(陰極電極)上加了比較高的電勢(shì)。在引用負(fù)電壓的值時(shí)，就像加反向偏壓電壓以得到增加的光敏性的情形，相對(duì)值將以絕對(duì)值的形式陳述；舉例來(lái)說(shuō)，這意味著-10V(反向)偏壓將大于-5V(反向)偏壓。
正如在本電請(qǐng)的具休實(shí)施例中證明的那樣，決定圖像傳感元件的譜響應(yīng)的因素有傳感材料的光學(xué)帶隙和電子特性(如載流子遷移率)，傳感元件的結(jié)構(gòu)，光學(xué)濾波器的透射特性，襯底和位于光路中的其他覆蓋層的透射特性。
除了單波段，可見(jiàn)光圖像探測(cè)(常常指黑/白，或單色圖像傳感器)之外，對(duì)具有全色探測(cè)能力的圖像傳感器的需求也很大。全色探測(cè)常常通過(guò)將可見(jiàn)光譜拆分為三個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，紅(600-700nm)，綠(500-600nm)和藍(lán)(400-500nm)三種基色來(lái)實(shí)現(xiàn)。全色信號(hào)可以由入射光在這三個(gè)波段的強(qiáng)度來(lái)表征。因此全色圖像元件指的是具有位于紅，綠和藍(lán)光譜范圍中(有時(shí)是它們的互補(bǔ)色青色，品紅和黃色)的三個(gè)光譜通道，并能夠提供正確的入射光的顏色和光強(qiáng)信息的圖像器件。
在光探測(cè)面板的前面，可以在傳感像素之間的區(qū)域中放置一個(gè)“黑色”材料(在感興趣的光譜范圍內(nèi)是不透明的)覆蓋層，從而形成一個(gè)“黑色”矩陣。在一些情況下，該覆蓋層有助于進(jìn)一步減少具有非模式化的光敏有機(jī)層的器件中相鄰像素之間的相互影響。黑色矩陣已經(jīng)應(yīng)用于CRT顯示器和其他平面顯示，以增加顯示的對(duì)比度，因此在顯示工業(yè)中廣為人知?！昂谏仃嚒钡哪Ｊ交梢岳脴?biāo)準(zhǔn)的光刻，用印模沖壓，噴墨或屏蔽印刷等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
材料光敏層光敏層由一個(gè)具有半導(dǎo)體特性的有機(jī)材料薄片構(gòu)成。有源層可以包含一種或多種單獨(dú)或與非共軛材料混合的具有半導(dǎo)體特性的共軛聚合物，一種或多種有機(jī)分子，或低聚物。有源層可以是兩種或多種具有相似或不同電子親和力和不同電子能隙的共軛聚合物的摻合物。有源層可以是兩種或多種具有相似或不同電子親和力和不同電子能隙的有機(jī)分子的摻合物。有源層可以是兩種或多種具有相似或不同電子親和力和不同能隙的共軛聚合物和有機(jī)分子的摻合物。后一種情形具有特定的優(yōu)點(diǎn)組份的電子親和力差異可以引起光致電荷的遷移和電荷分離，這是一種可增加光敏性的現(xiàn)象[N.S.Sariciftci and A.J.Heeger,US Patent 5,333,183(July 19,1994);N.S.Sariciftci and A.J.Heeger,US Patent 5,454,880(Oct 3,1995);N.S.Sariciftci,L.Smilowitz,A.J.Heeger,and F.Wudl,Science 258,1474(1992);L.Smilowitz,N.S.Sariciftci,R.Wu,C.Gettinger,A.J.Heeger,and F.Wudl,Phys.Rev.B 47,3835(1993);N.S.Sariciftci and A.J.Heeger,Intern.J.Mod.Phys.B 8,237(1994)]。有源層也可以是使用了上述有機(jī)材料或摻合物層構(gòu)成的一系列異質(zhì)結(jié)。
光響應(yīng)的啟動(dòng)與有機(jī)膜的光學(xué)吸收隙有關(guān)。有機(jī)半導(dǎo)體的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是其帶隙工程相對(duì)容易。共軛聚合物或短鏈長(zhǎng)低聚物的帶隙與其主鏈中重復(fù)單元的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如，聚對(duì)亞苯基PPP或六苯基6P有一個(gè)400nm的光學(xué)帶隙。在相鄰亞苯基環(huán)之間插入一個(gè)亞乙烯基單元，就會(huì)形成聚亞苯基亞乙烯基PPV或低聚物-PV，并且其帶隙遷移到～550nm。用噻吩環(huán)取代苯環(huán)，就可形成聚噻吩，并且其光學(xué)帶隙遷移到～630nm。在相鄰噻吩環(huán)之間插入亞乙烯基，就會(huì)形成聚亞噻吩基亞乙烯基PTV，并且?guī)哆w移到～700nm。
對(duì)于給定主鏈的聚合物和低聚物，也可通過(guò)在側(cè)鏈上附加不同的分子團(tuán)來(lái)調(diào)節(jié)其光學(xué)帶隙。以PPV為例，對(duì)于沒(méi)有側(cè)鏈的普通PPV，或具有烷基側(cè)鏈的PPV，其光學(xué)帶隙為～500nm。它們可用于制作藍(lán)色像素。在PPV的苯環(huán)上(比如在2,6位)附加烷氧基側(cè)鏈，光學(xué)帶隙就會(huì)遷移到～600nm。這些分子都是制作綠色像素的好材料。在PPV鏈的每個(gè)乙烯基單元上附加氰基，就可以形成CN-PPV，并且光學(xué)帶隙遷移到～700nm。CN-PPV是制作紅色像素的好材料。通過(guò)側(cè)鏈工藝來(lái)遷移能隙的實(shí)踐不僅僅對(duì)PPV系統(tǒng)有效，而且對(duì)所有的具有半導(dǎo)體特性的有機(jī)分子普遍有效。
眾所周知，通過(guò)側(cè)鏈工藝也能夠調(diào)節(jié)有機(jī)分子的加工性能。使用設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膫?cè)鏈，可以得到具有希望的紅，綠和藍(lán)色像素的光敏響應(yīng)的一套有機(jī)分子，并能夠提供顏色像素制作所需的加工兼容性。
使用熱蒸發(fā)，化學(xué)氣相沉積(CVD)以及類似技術(shù)便可制造有機(jī)分子，低聚物和分子摻合物薄膜。而共軛聚合物，聚合物/聚合物摻合物，聚合物/低聚物和聚合物/分子摻合物薄膜常常采用從常規(guī)溶劑的溶液中直接澆鑄或其他類似的流體相處理技術(shù)來(lái)制造。當(dāng)使用聚合物或高分子共混物作有源層時(shí)，可將器件制作在易變形的襯底上，從而產(chǎn)生獨(dú)特的，機(jī)械柔性的光傳感器。
典型的具有半導(dǎo)體特性的共軛聚合物的例子包括，但不僅僅局限于，聚乙炔(″PA″)及其衍生物；聚異硫茚(polyisothianaphene)及其衍生物；聚噻吩(″PT″)及其衍生物；聚吡咯(″PPr″)及其衍生物；聚2，5-亞噻嗯基亞乙烯基(″PTV″)及其衍生物，聚對(duì)亞苯基(″PPP″)及其衍生物，聚氟烯(″PF″)及其衍生物；聚亞苯基亞乙烯基(″PPV″)及其衍生物；聚咔唑及其衍生物；聚1,6-庚二炔；聚異硫茚(polyisothianaphene)及其衍生物；聚亞氫醌基和具有半導(dǎo)體特性的聚苯胺(即白翠綠亞胺和/或翠綠亞胺堿)。代表性的聚苯胺材料在作為本申請(qǐng)的一項(xiàng)參考文獻(xiàn)，US Patent 5,196,144中有描述。在這些材料中，推薦使用那些可溶于有機(jī)溶劑的材料，因?yàn)樗鼈兙哂屑庸?yōu)勢(shì)。
可溶于普通有機(jī)溶劑的PPV衍生物的例子包括，聚2-甲氧基-5-(2′-乙基-己氧基)-1,4-亞苯基亞乙烯基，(″MEH-PPV″)[F.Wudl,P.-M.Allemand,G.Srdanov,Z.Ni and D.McBranch，非線性光學(xué)材料化學(xué)前途(in Materials for Nonlinear OpticsChemical Perspectives),Editedby S.R.Marder,J.E.Sohn and Stucky(The American ChemicalSociety,Washington DC,1991),P.683]，聚2-丁基-5-(2-乙基-己基)-1,4亞苯基亞乙烯基，(″BuEH-PPV″)[M.A.Andersson,G.Yu,A.J.Heeger,Synth.Matals 85,1275(1997)]，聚2,5-二膽甾烷氧基-1,4-亞苯基亞乙烯基，(″BCHA-PPV″)[參閱本申請(qǐng)的一項(xiàng)參考文獻(xiàn)美國(guó)專利申請(qǐng)U.S.No.07/800,555]及其他類似的PPV衍生物?？扇艿腜T的例子包括聚3-烴基噻吩，(″P3AT″)，這里的烴基側(cè)鏈包含有4個(gè)以上的碳，比如含有5到30個(gè)碳。
可以使用施主/受主高分子共混物作為光敏層來(lái)制作有機(jī)圖像傳感器。高分子共混物可以是具有半導(dǎo)體特性的聚合物/聚合物摻合物，也可以是具有半導(dǎo)體特性的聚合物與合適的有機(jī)分子和/或有機(jī)金屬分子的摻合物。施主/受主高分子共混物中施主的例子包括，但不僅僅局限于剛剛提及的共軛聚合物，即PPV,PT,PTV，和聚亞苯基及其可溶衍生物。施主/受主高分子共混物中受主的例子包括，但不僅僅局限于，聚氰基亞苯基亞乙烯基(″CN-PPV″)，富勒烯分子，如C60，及其功能衍生物，以及迄今為止在光感受器和電子輸運(yùn)層技術(shù)中應(yīng)用的有機(jī)分子和有機(jī)金屬分子。
使用兩種具有半導(dǎo)體特性的有機(jī)層，按照施主/受主雙異質(zhì)結(jié)(即雙層)結(jié)構(gòu)或交替層結(jié)構(gòu)也能得到光敏層。在這些結(jié)構(gòu)中，施主層典型地是一個(gè)共軛聚合物層，而受主層是由聚氰基亞苯基亞乙烯基(″CN-PPV″)，富勒烯分子，如C60，及其功能衍生物(例如PCBM和PCBCR)，和迄今為止在光感受器和電子輸運(yùn)層技術(shù)中應(yīng)用的有機(jī)分子組成。光敏層的這種雙異質(zhì)結(jié)層結(jié)構(gòu)的例子包括，但不僅僅局限于，PPV/C60,MEH-PPV/C60,PT/C60,P3AT/C60,PTV/C60等等。
有源層也可由寬帶聚合物構(gòu)成，例如用染料分子摻雜的聚-N-乙基咔唑，以增加在可見(jiàn)光譜范圍中的光敏性。在此情況下，寬帶有機(jī)物既是主粘合劑，又是空穴(電子)輸運(yùn)材料。其例子包括，但不僅僅局限于，PVK/氧氯醌，PVK/若丹明B和PVK/六苯并苯以及其他類似物質(zhì)。
光敏層可以采用有機(jī)分子，低聚物或分子摻合物。在這個(gè)具體實(shí)施例中，光敏材料可以利用化學(xué)氣相沉積，分子外延或其他已知的薄膜沉積技術(shù)制作為薄膜。合適材料的例子包括，但不僅僅局限于，蒽及其衍生物，并四苯及其衍生物，酞菁及其衍生物，頻哪氰醇及其衍生物，富勒烯(″C60″)及其衍生物，噻吩低聚物(比如六噻吩″6T″和八噻吩″8T″)及其衍生物，苯基低聚物(比如六亞苯基″6P″和八亞苯基″8P″)及其衍生物，螯合鋁(Alq3)和其他金屬螯合物分子(m-q3)，PBD，螺旋PBD，惡二唑及其衍生物和諸如6T/C60,6P/C60,6P/PBD,6P/Alq3,6T/頻哪氰醇，酞菁/氧氯醌，蒽/C60，蒽/氧氯醌的摻合物。對(duì)于其中含兩種以上分子類型的光敏層，有機(jī)層可以是摻合物形式，雙層形式或多交替層形式。
在一些具體實(shí)施例中，有源層包括一類或多類有機(jī)添加劑(都是非光學(xué)敏感的)，以修正并改善器件性能。添加劑分子的例子包括陰離子表面活性劑，比如具有共同結(jié)構(gòu)R(OCH2CH2)nOSO3-M+的醚硫酸鹽，這里R代表alkyl alkyllaryl，M+代表質(zhì)子，金屬或銨平衡離子，n是氧化乙烯分子，典型地n=2-40。
應(yīng)用這種陰離子表面活性劑作為添加劑來(lái)改善聚合物發(fā)光電二極管的性能已經(jīng)由Y.Cao證明[參閱本申請(qǐng)的參考文獻(xiàn)美國(guó)專利申請(qǐng)No.08/888,316]。
其他類型的添加劑包括固態(tài)電解質(zhì)或有機(jī)鹽。例子包括聚氧化乙烯，三氟甲磺酸鋰和它們的摻混合物，十二烷基苯磺酸四丁基銨以及類似物質(zhì)。這種電解質(zhì)在發(fā)光聚合物中的應(yīng)用以及新型發(fā)光器件的發(fā)明已經(jīng)在美國(guó)專利No.5,682,0243和5,677,546中得到證明。
在有源層由具有不同電子親和力和光學(xué)能隙的兩個(gè)或多個(gè)相的有機(jī)摻合物組成的情況下，一般會(huì)發(fā)生納米量級(jí)的相分離。而且會(huì)在界面區(qū)域形成異質(zhì)結(jié)。具有較高電子親和力的相起電子受主的作用，而具有較低電子親和力或較低離子化能量的相則起電子施主的作用。這些有機(jī)摻合物形成一類電荷遷移材料，并使由以下步驟定義的光生電荷的分離成為可能[N.S.Saricftci and A.J.Heeger,Intern.J.Mod.Phys.B 8,237(1994)]步驟1D+A“1,3D*+A，(發(fā)生在D上的激發(fā))；步驟21,3D*+A“1,3(D--A)*，(發(fā)生在D-A復(fù)合體以外區(qū)域中的激發(fā))步驟31,3(D--A)*“1,3(Dd+-Ad-)*，(電荷遷移開(kāi)始)；步驟41,3(Dd+--Ad-)*“1,3(D+o-A-o)，(形成離子基對(duì))；步驟51,3(D+o--A-o)“D+o+A-o，(電荷分離)其中(D)表示有機(jī)施主，(A)表示有機(jī)受主；1,3分別表示單重簡(jiǎn)并或三重簡(jiǎn)并激發(fā)態(tài)。
有源層典型厚度值范圍為幾百到幾千，也就是100-5000(1=10-8cm)。盡管有源膜的厚度不是決定性的，但器件性能可以典型地通過(guò)使用更薄的，在感興趣的光譜區(qū)域中的光強(qiáng)小于2的膜來(lái)改善。
電極在圖1A所示的結(jié)構(gòu)中，使用一個(gè)透明襯底和一個(gè)透明電極作接觸電極。使用銦-錫-氧化物(″ITO″)作電極。其他透明電極材料包括鋁摻雜的氧化鋅(″AZO″)，鋁摻雜的氧化錫(″ATO″)，氧化錫以及其他類似物質(zhì)。這些導(dǎo)電的覆蓋層是由從近紫外到中紅外都透明的摻雜金屬氧化物構(gòu)成的。
電極也可由其他摻雜的無(wú)機(jī)化合物或合金構(gòu)成。通過(guò)改變所含元素的組份，元素的價(jià)位或膜的表面形態(tài)等方法，可以將這些化合物摻雜到金屬(或近金屬)狀態(tài)。這些具有半導(dǎo)體特性或金屬性的化合物在技術(shù)中是已知的，并在文獻(xiàn)中廣為報(bào)道[例如，N.F.Mott，金屬-絕緣體躍遷(Metal-Insulating Transitions),2nd edition(Taylor & Francis,London,1990);N.F.Mott and E.A.Davis，非晶體材料的電加工(Electronic Processes in Non-crystalline Materials)(Claredon,Oxford,1979)]。此類化合物的例子包括在低溫下具有超導(dǎo)性能的銅酸鹽材料(所謂的高溫超導(dǎo)體)。
這個(gè)電極可以由導(dǎo)電的聚合物形成，如使用在美國(guó)專利5,232,631和Appl.Phys.Lett.60,2711(1992)中公布的抗衡離子感生加工性能技術(shù)或其他合適的技術(shù)準(zhǔn)備的翠綠亞胺鹽的聚苯胺。用作電極的聚苯胺膜可以在室溫下從高度均勻的溶液中澆鑄出來(lái)。將有機(jī)導(dǎo)電電極與聚合物襯底和有機(jī)有源層結(jié)合在一起，可以將這些光傳感器制作為完全柔性的形態(tài)?？梢杂糜谥谱魍该骰虬胪该麟姌O(圖1中的11或圖2中的13)的其他導(dǎo)電聚合物包括聚亞乙基二氧基噻吩聚苯乙烯磺酸酯，(″PEDT/PSS″)[Y.Cao,G.Yu,C.Zhang,R.Menon and A.J.Heeger,Synth.Metals,87,171(1997)]，聚吡咯及其用十二烷基苯磺酸(″DBSA″)或其他酸摻雜的功能衍生物[J.Gao,A.J.Heeger,T.Y.Leeand C.Y.Kim,Synth.Metals 82,21(1996)]和其他類似物質(zhì)。
薄的半透明金屬(如Au,Ag,Al,In等)層也可以用作電極。這種半透明金屬電極的典型厚度值的范圍為50-1000，其光透射率在80％和1％之間。合適的介電覆蓋層(常常為多層介電物質(zhì)堆積形態(tài))可以增加在感興趣的光譜范圍內(nèi)的透明度[作為例子，參看S.M.Sze，半導(dǎo)體器件物理(Physics of Semiconductor Devices)(John Wiley &Sons,New York,1981)Chapter 13]。
透明電極也可用金屬/導(dǎo)電聚合物，導(dǎo)電聚合物/金屬/導(dǎo)電聚合物或介電層/金屬/導(dǎo)電聚合物結(jié)構(gòu)來(lái)制作。與同樣厚度的單個(gè)金屬層電極相比，這些復(fù)合式電極的透射性能得到了改善。
對(duì)于譜響應(yīng)在興趣范圍之外特定波長(zhǎng)處的一些應(yīng)用，可使用具有低的光學(xué)透射率的金屬層作電極。按照微腔結(jié)構(gòu)制作器件可以增加其光敏性，其中兩個(gè)金屬電極11和13也起光學(xué)鏡的作用。兩電極間的光共振可以增加某個(gè)波長(zhǎng)處的光敏性，從而得到選擇譜響應(yīng)，這與光學(xué)微腔(光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具)器件中的情形類似。
圖1中的“后”電極13典型地由Ca,Sm,Y,Mg,Al,In,Cu,Ag,Au等金屬制作。金屬合金也可用作電極材料。這些金屬電極可以用，舉例來(lái)說(shuō)，熱蒸發(fā)，電子束蒸發(fā)，濺射，化學(xué)氣相沉積，熔化處理或其他技術(shù)來(lái)制作。圖1中電極13(和圖2中的電極11)的厚度并不關(guān)鍵，可以是幾百到幾百微米甚至更厚?？梢酝ㄟ^(guò)控制厚度得到希望的表面導(dǎo)電性。
如果希望，舉例來(lái)說(shuō)，光電二極管的前面和背面都有探測(cè)能力，可用上述的透明和半透明材料作“后”電極。
器件構(gòu)造結(jié)合圖1A和1B已對(duì)一對(duì)基本的器件構(gòu)造作了說(shuō)明。在如圖2所示的結(jié)構(gòu)中，全色圖像元件可以用有機(jī)半導(dǎo)體制作，但沒(méi)有額外的光學(xué)濾波器。這些圖像元件由三個(gè)有機(jī)光電探測(cè)器組成，每個(gè)有機(jī)光電探測(cè)器都有不同的長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)。這些器件可以制作在硅片上，并使用金屬電極或摻雜硅電極。因此它們適合于與制作在硅片上的讀出電路混成在一起。對(duì)于制作在光學(xué)不透明襯底14上的器件，如圖2D所示，紅色傳感器像素使用光學(xué)帶隙為～700nm的有機(jī)半導(dǎo)體膜(r)制作在電極(21)的上面。然后薄的半透明金屬電極(22)(或透明ITO電極，或透明導(dǎo)電聚合物電極)可制作在紅色像素區(qū)域的上面。去除位于為綠色和藍(lán)色像素保留區(qū)域(參看圖2A)內(nèi)的紅色傳感膜r(例如用激光蒸發(fā)或等離子腐蝕)，便可確定紅色聚合物的區(qū)域。綠色傳感器可用光學(xué)吸收隙在～600nm的具有半導(dǎo)體特性的有機(jī)膜(g)來(lái)制作。薄的半透明金屬電極(23)(或透明ITO電極，或透明導(dǎo)電聚合物電極)可制作在綠色像素區(qū)域的上面。綠色有機(jī)傳感器的有機(jī)層也起紅色傳感器的短波長(zhǎng)截止濾波器的作用(參看圖2B)。然后去除位于藍(lán)色像素區(qū)域內(nèi)的綠色傳感器的有機(jī)膜，通過(guò)澆鑄光學(xué)吸收隙在500nm的有機(jī)半導(dǎo)體膜(b)制作出藍(lán)光傳感器。在藍(lán)色像素區(qū)域上沉積一個(gè)金屬(或ITO或?qū)щ娋酆衔?層(24)，便可完成藍(lán)光傳感器的制作。藍(lán)光傳感器的有機(jī)膜不需要模式化(參看圖2D)。每種顏色的像素的電極材料可以不同，也可以選擇合適的材料以優(yōu)化器件性能。
由于較短波長(zhǎng)傳感器的有源層也可以用作較長(zhǎng)波長(zhǎng)傳感器的短波長(zhǎng)截止濾波器，因此在相鄰顏色像素之間固有地存在一些光譜重疊。由此依據(jù)CIE顏色標(biāo)準(zhǔn)可以制作出具有高顏色純度的全色傳感器。使用具有不同光學(xué)隙的有機(jī)膜和/或改變有機(jī)膜的厚度，可以精細(xì)調(diào)節(jié)每種傳感器像素的短波長(zhǎng)截止。具體實(shí)施例9提供了具有如圖2D所示結(jié)構(gòu)的全色圖像傳感元件的一個(gè)實(shí)例。
利用圖2E所示的交替結(jié)構(gòu)可以制作相類似的圖像傳感器，在此結(jié)構(gòu)中，電極21被構(gòu)圖，以便為相鄰的各種像素提供一定的間距。作為一種替代方法，顏色傳感器也可以使用透明電極(如玻璃或石英)來(lái)制作。在這種情形中，傳感器的次序可以變更為B,G,R(從襯底一側(cè)開(kāi)始計(jì)算)，以允許光透過(guò)襯底進(jìn)入各個(gè)像素并被傳感到。在一個(gè)推薦的具體實(shí)施例中，襯底對(duì)紫外輻射是不透明的，因此不需要額外的紫外截止濾波器。
全色圖像傳感元件也可具有如圖3中所示的結(jié)構(gòu)，其中的紅，綠和藍(lán)光傳感器都可按照一種堆棧構(gòu)造來(lái)制作。這些傳感器是由用與上述材料類似的，具有不同長(zhǎng)波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)，分別位于500nm,600nm和700nm的三種有機(jī)光電探測(cè)器構(gòu)成的。器件制作在具有構(gòu)圖的ITO，導(dǎo)電聚合物，或半透明金屬電極(31)的透明襯底14(參看圖3A)上。藍(lán)光傳感器可以使用光響應(yīng)邊緣位于500nm，其上覆蓋有一個(gè)作為藍(lán)光傳感器(32)陰極的薄的半透明金屬(如Al)電極的有機(jī)膜(b)層來(lái)制作。電極(32)也用作綠色傳感器的陰極。綠色傳感器由光響應(yīng)邊緣位于～600nm的有機(jī)半導(dǎo)體膜(g)構(gòu)成。然后沉積薄的半透明金屬，或ITO或?qū)щ娋酆衔镪?yáng)極(33)。陽(yáng)極(33)也是綠色和紅色傳感器的共同電極。紅色傳感器是由光響應(yīng)邊緣位于～700nm的具有半導(dǎo)體特性的聚合物膜(r)構(gòu)成。最后在頂端沉積金屬電極(34)作為紅色傳感器的陰極。
紅，綠和藍(lán)顏色像素的譜響應(yīng)類似于具有如圖2所示結(jié)構(gòu)的傳感元件的譜響應(yīng)。用作較短波長(zhǎng)傳感器的有機(jī)層同時(shí)也起較長(zhǎng)波長(zhǎng)顏色傳感器的長(zhǎng)波長(zhǎng)通過(guò)(短波長(zhǎng)截止)濾波器的作用。采用改變傳感材料(從而改變光學(xué)隙)的方法可以調(diào)節(jié)譜響應(yīng)，以符合CIE顏色標(biāo)準(zhǔn)。更進(jìn)一步，這些三波段光傳感器并不僅僅局限于紅，綠和藍(lán)光譜區(qū)域，他們可以被設(shè)計(jì)為從紫外到紅外中的任何希望的光譜區(qū)域。
全色圖像元件也可以使用如圖3B所示的具有不透明襯底的堆棧構(gòu)造結(jié)構(gòu)來(lái)制作。在此情形中，顏色傳感器的堆棧次序與圖3A所示的次序相反，紅色傳感器靠近襯底。可用一個(gè)半透明聚合物電極作頂端電極(31)。
全色圖像元件也可用圖3′中所示的堆棧結(jié)構(gòu)來(lái)制作，其中紅，綠和藍(lán)有機(jī)傳感器的堆棧構(gòu)造與圖3中所示的堆棧構(gòu)造類似，只是介電層35和35′將各個(gè)顏色傳感器分隔開(kāi)來(lái)。在制作過(guò)程中的有機(jī)層之間交叉污染受到關(guān)注的情況下，或者在顏色傳感器之間需要電隔離時(shí)，圖3所示的結(jié)構(gòu)很有用。
在圖2，3和3′中所示的傳感元件的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是在得到紅，綠和藍(lán)光傳感器時(shí)，不需要額外的光學(xué)濾波器。圖3和3′所示的堆棧結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是紅，綠和藍(lán)像素元件的傳感區(qū)域等于全部顏色像素的大小，換句話說(shuō)，填充因子(單色亞像素面積與全色像素面積之比)是100％。
全色圖像元件也可以用將變色濾波器面板與寬帶有機(jī)光傳感器40集成在一起的方法來(lái)制作，如圖4A中所示。變色濾波器已用液晶技術(shù)發(fā)展出來(lái)[T.J.Scheffer,W.S.Patent 4,019,808,April 26,1987;P.J.Bos,U.S.Patent 4,635,051,Jan.6,1987;P.J.Bos et at.,Mol Cryst.Liq.Cryst.,113,329(1984);G.D.Sharp and K.M.Johnson,SEPIElectronic Imaging Conference,Jan 27-Feb.2,1996]。]。通過(guò)施加于在希望的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有一定透射分布的電極41和42之間的外置偏壓的變化可以實(shí)現(xiàn)紅，綠和藍(lán)顏色區(qū)域中的透射。在圖4A中，由電極43和44以及有機(jī)傳感層45構(gòu)成的有機(jī)光傳感器的制作使用了具有液晶濾波器的襯底14。圖4B和4C提供了另外兩種有用的構(gòu)造40′和40″，其中寬帶光傳感器矩陣制作在具有變色液晶濾波器的單獨(dú)的襯底14上。在這些構(gòu)造中，顏色濾波器不必構(gòu)圖為像素化形態(tài)。也可以使用覆蓋整個(gè)傳感器區(qū)域的單個(gè)濾波器。恰當(dāng)?shù)厥箓鞲衅骶仃嚭皖伾珵V波器面板之間的采樣脈沖序列同步，便可以實(shí)現(xiàn)R,G,B彩色圖像。液晶濾波器的另一個(gè)特征是其快門(mén)功能。當(dāng)濾波器的偏壓為零時(shí)，沒(méi)有光能夠透過(guò)濾波器。內(nèi)含液晶顏色濾波器的圖像傳感器不需要額外的快門(mén)。因此，全色數(shù)字相機(jī)可以由位于焦平面上的寬帶黑/白圖像傳感器和位于傳統(tǒng)快門(mén)平面上的液晶濾波器構(gòu)成。液晶濾波器既是快門(mén)，又是R,G,B顏色濾波器。
全色圖像元件也可按照?qǐng)D5所示的結(jié)構(gòu)50來(lái)制作。在此情形下，使用寬帶有機(jī)光傳感器作所有顏色元件的傳感元件。使用集成在傳感器前面的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具器件B,G,R可以實(shí)現(xiàn)紅，綠和藍(lán)顏色選擇。紅，綠和藍(lán)顏色像素的譜響應(yīng)主要取決于標(biāo)準(zhǔn)具器件的透射特性。通過(guò)改變介電層(52)和金屬或介電鏡層(51,53)的厚度，可以調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)具透射帶的帶寬和中心頻率，以符合CIE顏色標(biāo)準(zhǔn)。這種方法可提供具有高質(zhì)量光譜純度的全色圖像元件。當(dāng)使用金屬作鏡層(53)時(shí)，它同時(shí)是標(biāo)準(zhǔn)具的光學(xué)鏡和傳感器的接觸電極。當(dāng)鏡(53)由介電材料制成時(shí)，在53和有源有機(jī)層54之間必須添加另一個(gè)透明或半透明電極層。傳感層的要求是其光響應(yīng)應(yīng)該覆蓋整個(gè)感興趣的光譜范圍。在具體實(shí)施例11中給出了具有這種結(jié)構(gòu)的彩色圖像元件的例子。全色圖像元件也可用如圖5B所示的反向結(jié)構(gòu)來(lái)制作。在此情形下，可用光學(xué)不透明襯底(如硅片)作襯底材料14。
標(biāo)準(zhǔn)具類型的光學(xué)濾波器允許用具有低的光學(xué)透射率的金屬層作傳感器的電極。利用這種方法可得到具有低接觸/寫(xiě)入電阻(對(duì)于150厚的Au層，～0.1Ω每方塊)的顏色傳感器，該特征特別適合于接觸電極和連接都需要低電阻的高像素密度的應(yīng)用。
也可用介電光學(xué)濾波器(如介電堆?；蜓苌洳祭穹瓷淦?，DBR)，或光學(xué)工業(yè)中其他常用干涉濾波器取代標(biāo)準(zhǔn)具類型的光學(xué)濾波器。
當(dāng)有機(jī)光敏層具有相對(duì)低的吸收率(比如，C60或PCBM層在可見(jiàn)光譜區(qū)域)時(shí)，依照?qǐng)D1所示的器件結(jié)構(gòu)，換句話說(shuō)，就是光敏層夾在兩個(gè)金屬電極11和13之間，就可實(shí)現(xiàn)在紅，綠或藍(lán)區(qū)域內(nèi)具有波長(zhǎng)選擇響應(yīng)的光傳感器。除作為接觸電極之外，兩個(gè)金屬電極也可起光學(xué)鏡的作用。改變光敏層的厚度便可調(diào)節(jié)中心波長(zhǎng)和帶寬。這個(gè)事實(shí)允許用相同的有機(jī)材料制作紅，綠和藍(lán)色像素。
同樣，這些多顏色圖像元件不僅僅局限于紅，綠和藍(lán)光光譜區(qū)域，也不僅僅局限于三個(gè)光譜區(qū)域。它們的譜響應(yīng)可以設(shè)計(jì)為位于從紫外到近紅外之間的具有特定的帶寬的任何希望的光譜區(qū)域內(nèi)。
在有機(jī)光傳感器的前面放置一個(gè)波長(zhǎng)可變的窄帶濾波器，濾波器/寬帶傳感器就會(huì)形成一個(gè)具有攝譜儀功能的光傳感器。一種類型的波長(zhǎng)可變?yōu)V波器是由夾在兩個(gè)金屬平板或兩個(gè)具有透明電極的介電鏡之間的液晶介質(zhì)構(gòu)成的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具。當(dāng)液晶的偏壓改變時(shí)，由于介電常數(shù)的變化導(dǎo)致有效光程發(fā)生變化。由此改變了共振波長(zhǎng)。液晶可由其他具有非線性光學(xué)特性的介電材料取代。例子包括傳統(tǒng)的電光調(diào)制器中使用的電光晶體。此類波長(zhǎng)可變圖像傳感器在攝譜應(yīng)用，光通訊，生物物理和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中引起了廣泛的興趣。
全色圖像元件也可以按照?qǐng)D6所示的結(jié)構(gòu)60制作。傳感元件中可使用寬帶光傳感器。襯底64(其形式為ITO(61)/顏色濾波器(62)/玻璃襯底(63))可用作具有顏色選擇功能的電極。這類襯底起先是為彩色LCD(液晶顯示器)發(fā)展的。使用這種方法，全色圖像元件可分為兩個(gè)步驟來(lái)制作聚合物覆蓋和反電極的形成。不需要對(duì)聚合物進(jìn)行模式化。
顯示工業(yè)中商業(yè)顏色濾波器面板具有預(yù)設(shè)圖案，常常具有方形，三角形，條形，或?qū)邱R塞克等形式，并具有透明電極(如ITO)。它們的制作要用到幾種技術(shù)，包括染色，色素?cái)U(kuò)散，印刷和電鍍[M.Tani and T.Sugiura,Digest of SID 94(Orlando,Florida)]。實(shí)現(xiàn)如圖6所示的顏色濾波器的中一種方法是使用基于光學(xué)干涉原理的多層介電覆蓋。由于具有更好的穩(wěn)定性，色素?cái)U(kuò)散如今已成為大批量生產(chǎn)中的主要工藝。
全色圖像元件也可按照如圖7所示的結(jié)構(gòu)70來(lái)制作。三個(gè)相同的寬帶光傳感器被用作傳感元件。圖1和10中所示的兩種結(jié)構(gòu)可以用于傳感器像素。使用放置在器件前面的棱鏡71可以實(shí)現(xiàn)紅，綠和藍(lán)顏色選擇和三種像素的定位。使用包括排列(或集成在一起)在玻璃/ITO襯底前面的微棱鏡陣列的光學(xué)盤(pán)，可以實(shí)現(xiàn)顏色傳感器和全色圖像元件。其他光發(fā)射器件，如光柵膜，也可用于顏色選擇。改變像素的尺寸和傳感器面板和發(fā)散器件(棱鏡或光柵)之間的相對(duì)位置，就可以調(diào)節(jié)顏色像素的帶寬。改變位于發(fā)散器件前面的狹縫的寬度，也可以調(diào)節(jié)顏色像素的帶寬。這種方法特別適合于具有高顏色純度的大尺寸全色掃描陣列的制作。
在本發(fā)明中公布的多色圖像傳感器技術(shù)并不局限于紅，綠和藍(lán)光傳感器的應(yīng)用。它們可用于制作具有特殊用途和希望的譜響應(yīng)的多波段光傳感器。在具體實(shí)施例13中公布了紫外和可見(jiàn)兩波段光傳感器(可以用于制作傳感器矩陣)的一個(gè)例子。
在具體實(shí)施例8中公布了一種使用類似于圖2中所示的方法制作的，具有幾乎與人眼響應(yīng)一致的響應(yīng)的有機(jī)光傳感器和傳感元件。
具體實(shí)施例具體實(shí)施例1使用如圖1A中所示的金屬/聚合物/金屬夾層結(jié)構(gòu)制作了圖像元件。在本具體實(shí)施例中，在室溫下，在透明ITO/玻璃襯底(11/14)上旋轉(zhuǎn)澆鑄了一層～2000的薄P3OT膜(12)。然后在上面蒸發(fā)了金層作為反向電極(13)。由于金的功函數(shù)高于ITO的功函數(shù)，因此該器件的陽(yáng)極為金，而透明ITO電極則為陰極電極。該器件在可見(jiàn)區(qū)和紫外區(qū)顯示出高的光響應(yīng)。圖8中顯示的是在-15V偏壓下測(cè)得的光響應(yīng)數(shù)據(jù)系列，作為對(duì)比，圖中也給出了用非晶硅制作的光伏電池的光響應(yīng)。
本具體實(shí)施例證明，聚合物光傳感器可用于可見(jiàn)光和紫外光的探測(cè)，而且具有高的光響應(yīng)性。其量子效率與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體光電池相當(dāng)。
具體實(shí)施例2按照?qǐng)D1A所示構(gòu)造制作了具有MEH-PPV膜和具有PPV膜的圖像元件。用玻璃襯底上的模式化的ITO作襯底，而用Al作反向電極(13)。在-10V偏壓下，光子能量小于580nm時(shí)，MEH-PPV光電池的光敏性為50～100mA/Watt。由此證明了一種對(duì)可見(jiàn)光譜中的綠和藍(lán)光部分敏感的有機(jī)光傳感器。光子能量小于480nm時(shí)，PPV光電池的光敏性為50～150mA/Watt。由此證明了一種僅對(duì)藍(lán)光和紫外輻射敏感的有機(jī)光傳感器。
本具體實(shí)施例證明，適當(dāng)選擇有機(jī)光傳感材料可以改變譜響應(yīng)的長(zhǎng)波長(zhǎng)截止。
具體實(shí)施例3使用由P3OT∶PCBM制作的聚合物電荷遷移摻合物重復(fù)了具體實(shí)施例2的實(shí)驗(yàn)，其中PCBM是電子特性類似于C60的一種富勒烯分子。厚度為～2500的圖像元件的譜響應(yīng)如圖9所示。數(shù)據(jù)是在-2V的反向偏壓下得到的。在波長(zhǎng)短于650nm時(shí)，其響應(yīng)分布類似于P3OT器件。響應(yīng)曲線可一直延續(xù)至波長(zhǎng)大于800nm的近紅外。
本具體實(shí)施例證明，使用電荷遷移摻合物制作的有機(jī)光電二極管在低偏壓電壓(電場(chǎng))下可達(dá)到高的光響應(yīng)性。通過(guò)合適選擇有機(jī)材料，其譜響應(yīng)可以覆蓋紫外，可見(jiàn)和近紅外光譜區(qū)域。
實(shí)放例4制作了具有ITO/MEH-PPV(1000)/MEH-PPV∶PCBM(1000)/Al結(jié)構(gòu)的圖像元件。其譜響應(yīng)如圖10所示。這些器件中的MEH-PPV層具有多種功能。由于具有更好的膜形成特性，所以使用MEH-PPV層作緩沖層，以改善器件的穩(wěn)定性。由于有一個(gè)光學(xué)隙位于～590nm，因此它可用作光學(xué)濾波器，并能修正沒(méi)有MEH-PPV緩沖層的MEH-PPV∶PCBM器件的譜響應(yīng)。
本具體實(shí)施例證明，使用多層結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高的光響應(yīng)性。具有高的膜質(zhì)量，預(yù)先設(shè)計(jì)的光學(xué)透射特性，以及好的載流子輸運(yùn)特性的緩沖層，可以插入到器件中，并能起到多種功效。具有緩沖層的圖像元件的譜響應(yīng)會(huì)發(fā)生改變。
具體實(shí)施例5制作了具有ITO/PPV/C60/Al雙層(異質(zhì)結(jié))結(jié)構(gòu)的圖像元件。每個(gè)有機(jī)層的厚度為～1000。PPV前體膜是在室溫下從1％的ACN溶液中旋轉(zhuǎn)澆鑄得到的。然后經(jīng)過(guò)2小時(shí)200℃的熱處理，前體層轉(zhuǎn)化為共軛PPV。C60層是在10-6Torr的真空室內(nèi)使用熱蒸發(fā)方法沉積的。這些圖像元件的譜響應(yīng)如圖11所示。其中的數(shù)據(jù)是向器件加了-10V的偏壓得到的。
本具體實(shí)施例證明，在具有雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機(jī)光電二極管中可以達(dá)到高的光響應(yīng)性。通過(guò)合適選擇有機(jī)材料，其譜響應(yīng)可以覆蓋紫外，可見(jiàn)和近紅外光譜區(qū)域。
具體實(shí)施例6使用有機(jī)分子制作了具有單層和多層結(jié)構(gòu)的圖像元件。六苯基(6P)器件和6P(800)/C60(800)雙異質(zhì)結(jié)器件(夾在ITO和Al電極之間)的譜響應(yīng)如圖12A所示。他們是在-10V的反向偏壓下測(cè)得的。有機(jī)膜是在真空室內(nèi)利用熱沉積得到的。6P器件的譜響應(yīng)只位于紫外。其短波長(zhǎng)截止主要是由ITO電極的透射引起的。使用半透明聚合物電極，如PANI-CSA或PPy，代替ITO電極，其光響應(yīng)性可延伸到230nm。在6P/C60雙異質(zhì)結(jié)器件中，光響應(yīng)性幅度會(huì)增加，由于C60的吸收，敏感性的光譜區(qū)域會(huì)延伸到可見(jiàn)光譜范圍。改變C60和6P層的厚度，可以調(diào)節(jié)可見(jiàn)區(qū)內(nèi)的光敏性。在6P(800)/C60(3000)前面放置紫外透射帶通濾波器，如圖12B所示，可以實(shí)現(xiàn)只對(duì)紫外的(對(duì)可見(jiàn)光無(wú)敏感性)探測(cè)。
也可用寬帶電子受主替代C60層。ITO/6P/PPOPH/Al器件的光響應(yīng)性如圖6b所示。不使用光學(xué)濾波器可實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光為盲區(qū)的紫外探測(cè)，其光敏性超過(guò)20mA/Watt，可與用陰極材料制作的光電管(例如，Orial,#R5764,Orial Catalog,1994)相比。
本具體實(shí)施例證明，在使用有機(jī)分子制作的有機(jī)光電二極管中可以達(dá)到高的光敏性。通過(guò)合適選擇有機(jī)材料，其譜響應(yīng)可以覆蓋紫外，可見(jiàn)和近紅外光譜區(qū)域。改變有機(jī)層的厚度，可以調(diào)節(jié)譜響應(yīng)。使用只對(duì)紫外敏感的有機(jī)材料或使用與通紫外的光學(xué)濾波器耦合的寬帶傳感器，可以實(shí)現(xiàn)只對(duì)紫外的探測(cè)，并且在可見(jiàn)區(qū)內(nèi)不具有敏感性。
具體實(shí)施例7使用聚對(duì)亞苯基(PPP)，PPP衍生物，和使用一種具有改善的溶解性的C60衍生物，PCBM，重復(fù)了具體實(shí)施例6的實(shí)驗(yàn)。使用可溶于有機(jī)溶劑的PPP衍生物，利用旋轉(zhuǎn)澆鑄技術(shù)可制作單層PPP器件，PPP/C60雙層器件，和PPP∶C60摻合物器件。得到的結(jié)果類似于圖12中所示的結(jié)果。
本具體實(shí)施例證明，使用可溶分子和聚合物，利用旋轉(zhuǎn)澆鑄技術(shù)可以制作紫外探測(cè)器。
具體實(shí)施例8
按照PPV/ITO/P3OT/Al結(jié)構(gòu)制作了具有P3OT和PPV膜的圖像元件。用PPV膜作二極管前面的光學(xué)濾波器。其光響應(yīng)如圖13所示，作為對(duì)比，圖13中也給出了標(biāo)準(zhǔn)人眼的可見(jiàn)光響應(yīng)V(λ)。
本具體實(shí)施例證明，使用有機(jī)光傳感器可以制作圖像元件；所述圖像元件具有與人眼光響應(yīng)接近匹配的光響應(yīng)。因此，這種圖像傳感器的輸出正比于發(fā)光強(qiáng)度，而不是正比于輻射能量。本具體實(shí)施例與具體實(shí)施例2一起，也證明，通過(guò)選擇有機(jī)膜的厚度，有機(jī)材料的光學(xué)隙和位于圖像元件前面的光學(xué)濾波器層，可以將圖像元件的譜響應(yīng)調(diào)整到希望的波長(zhǎng)范圍。
具體實(shí)施例9使用如圖2D所示的結(jié)構(gòu)，制作了具有紅，綠和藍(lán)三色識(shí)別能力的全色圖像元件。它們由三個(gè)具有不同光學(xué)隙的有機(jī)光電探測(cè)器構(gòu)成。該器件制作在具有一個(gè)Al電極的硅片上，與具有使用硅技術(shù)制作的讀出電路的混成器件相似。紅色傳感器像素由厚度～2000的P3HT構(gòu)成。然后在紅色像素區(qū)域的上面沉積一薄層金(～200)。去除綠和藍(lán)色像素區(qū)域(參看圖2A)中的P3HT膜(使用激光蒸發(fā)或等離子腐蝕)，便可確定紅光聚合物的區(qū)域。綠光傳感器使用MEH-PPV膜(1500)制作，該膜上面有200厚的Au電極。MEH-PPV膜(位于紅光像素的上面)也起紅光傳感器的短波長(zhǎng)截止濾波器的作用(參看圖2B)。然后去除藍(lán)光像素區(qū)域中的MEH-PPV膜，并通過(guò)澆鑄BuEH-PPV層和蒸發(fā)頂端Au電極的方法制作藍(lán)光傳感器。藍(lán)光傳感器的有機(jī)膜不需要模式化(參看圖2D)。
測(cè)量了紅，綠和藍(lán)顏色像素的譜響應(yīng)，其結(jié)果如圖14所示。紅，綠和藍(lán)光響應(yīng)與對(duì)應(yīng)的CIE色度顏色標(biāo)準(zhǔn)非常接近。改變光學(xué)隙和傳感層的厚度，可以精細(xì)地調(diào)節(jié)器件的譜響應(yīng)。
使用其他襯底，如玻璃或石英，重復(fù)了類似實(shí)驗(yàn)。器件性能(伏安特性，譜響應(yīng)等)對(duì)襯底材料不敏感。
在半透明金電極的前面添加透明覆蓋層，然后重新測(cè)量顏色像素的譜響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)位于頂端電極前面的透明介電覆蓋層可以改變譜響應(yīng)，并能增加特定波長(zhǎng)處的光響應(yīng)性。
本具體實(shí)施例證明，紅，綠和藍(lán)顏色傳感器和全色圖像像素可按照如圖2所示的結(jié)構(gòu)制作，而且不需要額外的顏色濾波器。制作過(guò)程可以在室溫下實(shí)施，而且不需要加熱襯底。
這個(gè)“反向”結(jié)構(gòu)特別適合于與制作在半導(dǎo)體晶片或絕緣襯底上的有源電路(轉(zhuǎn)換器件，驅(qū)動(dòng)器和讀出電路)的混成。
具體實(shí)施例10使用具有堆棧構(gòu)造的紅，綠和藍(lán)傳感器，按照如圖3A所示的結(jié)構(gòu)制作了全色圖像元件。它們由三個(gè)有機(jī)光電探測(cè)器構(gòu)成，其中三個(gè)有機(jī)光電探測(cè)器具有不同的長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)，分別位于500nm,600nm和700nm，類似于具體實(shí)施例9中使用的材料。器件制作在具有構(gòu)圖的ITO電極(31)的玻璃襯底上。藍(lán)光傳感器使用PPV膜層(～2000)來(lái)制作，并覆蓋有薄的(100-400)，半透明Al電極(32)。Al電極(32)也用作綠色傳感器的陰極。綠光傳感器使用MEH-PPV膜(～2000)來(lái)制作。然后真空沉積薄的(100-400)，半透明Au層(33)。Au電極用作綠光和紅光傳感器的共同陽(yáng)極。該陽(yáng)極電極也可使用具有更好的光學(xué)透射性能的有機(jī)導(dǎo)電材料來(lái)制作。紅光傳感器可用P3HT(厚度為～2000)來(lái)制作。最后在P3HT膜的上面沉積Al電極(34)，并用作紅光傳感器的陰極。
測(cè)量了紅，綠和藍(lán)顏色像素的譜響應(yīng)，其結(jié)果如圖15所示。藍(lán)光傳感器層也用作綠光傳感器和紅光傳感器的藍(lán)色截止濾波器。類似地，綠光傳感器層也用作紅光傳感器的綠色截止濾波器。由此，通過(guò)每種傳感器的光學(xué)隙調(diào)節(jié)其譜響應(yīng)，以便與CIE顏色標(biāo)準(zhǔn)精確匹配。事實(shí)上，這些多色圖像元件并不僅僅局限于紅，綠和藍(lán)光譜區(qū)域。他們可以定義到紫外到近紅外之間的任何希望的光譜區(qū)域。
也可按照如圖3B所示的堆棧結(jié)構(gòu)來(lái)制作全色圖像元件。在此情形下，可使用光學(xué)不透明材料(硅片)作襯底材料。顏色傳感器的堆棧次序與圖3A所示的次序相反，紅光傳感器離襯底最近。在此情形下，使用BuEH-PPV(一種室溫下可溶的藍(lán)光傳感器材料)作藍(lán)光傳感器。使用一個(gè)透明聚合物電極作頂端電極(31)。
全色圖像元件也可按照如圖4所示的堆棧結(jié)構(gòu)來(lái)制作，其中介電層插入到每個(gè)金屬/有機(jī)物/金屬傳感器中。
本具體實(shí)施例證明，可以按照如圖3，圖3′和圖4所示的構(gòu)造制作紅，綠和藍(lán)顏色傳感器和全色圖像像素，并且不需要額外的顏色濾波器。這些結(jié)構(gòu)不僅適合于制作列-行可尋址被動(dòng)圖像傳感器，而且也可以方便地與有源電路，比如利用金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)技術(shù)制作在半導(dǎo)體晶片或絕緣襯底上的微開(kāi)關(guān)器件，混成在一起。當(dāng)有機(jī)層在制作過(guò)程中要受交叉污染的影響，或者顏色傳感器之間需要電路隔絕時(shí)，圖4中的結(jié)構(gòu)可能會(huì)有用。
具體實(shí)施例11按照如圖5A所示的結(jié)構(gòu)制作了全色圖像元件。在此情形下，使用P3HT制作的寬帶光傳感器被用作所有顏色像素的傳感元件。使用集成在傳感器層前面的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具矩陣，可以實(shí)現(xiàn)紅，綠和藍(lán)顏色選擇。使用玻璃作襯底。在玻璃的上面沉積了一層Al(～500)作為標(biāo)準(zhǔn)具的一面鏡子。然后使用熱蒸發(fā)方法沉積一個(gè)對(duì)可見(jiàn)光透明的層(在本實(shí)驗(yàn)中為6P)。每個(gè)傳感器位置處的6P層厚度分別調(diào)節(jié)為～2nd=650nm,550nm，和450nm，其中n～1.6，是6P的折射率。然后在6P層上沉積Au膜(300-500)，并將之構(gòu)圖為像素大小。接著在室溫下從3％的甲苯溶液中旋轉(zhuǎn)澆鑄P3HT。最后沉積一層Al作傳感元件的陰極電極。
紅，綠和藍(lán)顏色像素的譜響應(yīng)為高斯型，中心分別位于～650nm，～550nm和～450nm。它們主要由標(biāo)準(zhǔn)具(在此例中，其功能相當(dāng)于光學(xué)濾波器)的透射特性決定的。改變Al和Au電極(51,53)的厚度，可以調(diào)節(jié)透射帶的精細(xì)帶寬和中心頻率，以便符合CIE顏色標(biāo)準(zhǔn)。這種方法提供了具有高質(zhì)量譜純度的全色圖像元件。這些多色圖像元件不僅僅局限于紅，綠和藍(lán)光譜區(qū)域。它們也可設(shè)計(jì)到從紫外到近紅外之間具有特定帶寬的任何希望的光譜區(qū)域。
也按照如圖5B所示的結(jié)構(gòu)制作了全色圖像元件。在此情形下，使用一種光學(xué)不透明襯底(硅片)作襯底材料。首先使用P3HT制作了傳感器元件，然后制作了在紅，綠和藍(lán)光區(qū)域具有光學(xué)透射的標(biāo)準(zhǔn)具諧振器。
本具體實(shí)施例證明，按照如圖5所示的構(gòu)造，通過(guò)將寬帶有機(jī)光傳感器與光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具器件集成在一起的方法，可以制作紅，綠和藍(lán)顏色傳感器和全色圖像像素。在制作過(guò)程中不需要對(duì)襯底作熱處理。標(biāo)準(zhǔn)具相當(dāng)于具有高顏色純度的顏色濾波器。使用一個(gè)具有有限光學(xué)透射率的金屬層作傳感器的陽(yáng)極；該構(gòu)造特別適合于其中的接觸電極和連接都需要低電阻的高像素密度應(yīng)用。本結(jié)構(gòu)不僅適合于制作列-行可尋址被動(dòng)圖像傳感器，而且也可以方便地與制作在硅片或玻璃，藍(lán)寶石，或聚合物襯底上的有源電路(比如CMOS驅(qū)動(dòng)器或TFT矩陣)混成在一起。
具體實(shí)施例12按照如圖6所示的結(jié)構(gòu)制作了全色圖像元件。使用P3HT制作的寬帶光傳感器被用作傳感元件。使用ITO/顏色濾波器/玻璃襯底作顏色選擇陽(yáng)極電極。這類襯底是一種廣泛應(yīng)用于LCD彩色顯示制作的現(xiàn)有技術(shù)。可分兩個(gè)步驟制作顏色傳感器和全色圖像元件聚合物覆蓋和反電極的形成。使用Ag作反電極。ITO/顏色濾波器/玻璃襯底的透射性能和圖像元件的對(duì)應(yīng)譜響應(yīng)都顯示在圖16中。
本具體實(shí)施例證明，可以按照如圖6所示的結(jié)構(gòu)，使用商業(yè)ITO/顏色濾波器/玻璃襯底，分兩個(gè)簡(jiǎn)單步驟制作紅，綠和藍(lán)顏色傳感器和全色圖像像素。這種圖像元件可用于建造列-行可尋址被動(dòng)光電二極管陣列以及主動(dòng)傳感器中的傳感元件。傳感器矩陣可以與制作在硅片上的CMOS驅(qū)動(dòng)器或使用無(wú)機(jī)或有機(jī)半導(dǎo)體制作的TFT矩陣混成在一起。
具體實(shí)施例13按照如圖7所示的結(jié)構(gòu)制作了全色圖像元件。使用P3HT制作的三個(gè)寬帶光傳感器被用作傳感元件。使用ITO/玻璃襯底作陽(yáng)極電極。通過(guò)在器件前面放置棱鏡的方法，實(shí)現(xiàn)紅，綠和藍(lán)顏色選擇和相對(duì)于三個(gè)像素的定位。使用位于玻璃/ITO襯底前面的具有棱鏡陣列的光學(xué)盤(pán)，分兩個(gè)步驟證明顏色傳感器和全色圖像元件聚合物覆蓋和反電極的形成。測(cè)量了圖像元件的譜響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)與測(cè)到的寬帶單色圖像元件的光響應(yīng)(作為例子，參看圖8)類似，但是在對(duì)應(yīng)的像素處，分為三個(gè)分別位于紅，綠和藍(lán)區(qū)域內(nèi)的分立部分。
本具體實(shí)施例證明，可以按照如圖7所示的構(gòu)造，使用商業(yè)ITO/顏色濾波器/玻璃襯底，并按照兩個(gè)簡(jiǎn)單步驟制作紅，綠和藍(lán)顏色傳感器和全色圖像像素。這種圖像元件可用于建造列-行可尋址被動(dòng)光電二極管陣列以及主動(dòng)傳感器中的傳感元件。傳感器矩陣可以與制作在硅片上的CMOS驅(qū)動(dòng)器或使用無(wú)機(jī)或有機(jī)半導(dǎo)體制作的TFT矩陣混成在一起。
具體實(shí)施例14
按照類似于具體實(shí)施例10的堆棧結(jié)構(gòu)制作了紫外和可見(jiàn)雙色圖像元件。從玻璃襯底開(kāi)始的層排列次序如下ITO/6P(2000)/Al(300)/P3OT∶C60(2000)/Au。括號(hào)中的數(shù)字是對(duì)應(yīng)的層的厚度。這種傳感器與如圖18所示的電路相連接。使用Al層作兩個(gè)傳感器的共同陰極。ITO/6P/Al傳感器的讀數(shù)表示紫外譜域中的輻射，而Al/P3HT/Au傳感器的讀數(shù)表示光譜中可見(jiàn)區(qū)域中的輻射。這兩個(gè)傳感器的譜響應(yīng)如圖17所示。
本具體實(shí)施例證明了具有在紫外和可見(jiàn)區(qū)域中的兩個(gè)光譜波段的圖像元件?？赏瑫r(shí)探測(cè)這兩種信號(hào)。通過(guò)為每個(gè)層選擇合適的傳感材料，使用同樣的方法可以實(shí)現(xiàn)具有位于特定波長(zhǎng)處的兩個(gè)(或更多)分離光譜區(qū)域的光傳感器。
具體實(shí)施例15制作了結(jié)構(gòu)為ITO/PPV/C60/Al的有機(jī)光傳感器，并將該器件與鏡/液晶/鏡類型的微腔濾波器按照與圖5類似的次序集成到一起。微腔液晶單元形成決定集成傳感器的譜響應(yīng)的窄帶光學(xué)濾波器。改變鏡子的反射率，便可以改變響應(yīng)分布的帶寬。使用鋁作夾持液晶層的鏡子的材料。通過(guò)液晶層的厚度可以選擇集成探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)，而改變加在夾持液晶層的Au鏡上的偏壓，可以調(diào)諧集成探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)。這種集成器件形成一種具有攝譜功能的平板單色儀。這種新型平板單色儀可用于測(cè)量入射光束的譜分布。
使用另一種類型的波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)光學(xué)濾波器-干涉濾波器重復(fù)了該實(shí)驗(yàn)。在具有ITO/MEH-PPV∶PCBM/Al結(jié)構(gòu)的寬帶有機(jī)光電探測(cè)器的前面，放置了一個(gè)類似于商業(yè)產(chǎn)品(Oriel,Catelog Number 7155)的波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)干涉濾波器。與上面使用的金屬鏡相反，這些干涉濾波器由介電絕緣覆蓋層構(gòu)成。該集成器件的譜響應(yīng)如圖19所示。其波長(zhǎng)選擇范圍為從400nm到700nm。
該結(jié)果表明，集成光傳感器擁有窄的譜響應(yīng)(～10nm)和波長(zhǎng)選擇性(400-700nm)。
權(quán)利要求
1由排列在一個(gè)共同襯底上的多個(gè)有機(jī)光傳感器構(gòu)成的一種高像素密度光學(xué)圖像傳感器，每個(gè)上述光傳感器都包含一個(gè)由具有半導(dǎo)體特性的有機(jī)材料構(gòu)成的一個(gè)有源層，該有源層一側(cè)由第一電極限定，而另一側(cè)由第二電極限定，用一個(gè)探測(cè)器橋接第一電極和第二電極，該探測(cè)器具有探測(cè)響應(yīng)由光傳感器傳感到的入射光的、來(lái)自光傳感器的電流輸出的能力。
2權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中所述入射光具有多個(gè)光譜波段，而且其中多于一個(gè)的光譜波段被傳感到。
3一種具有傳感多于一個(gè)光波長(zhǎng)能力的光傳感元件，包括以下部件a一個(gè)襯底；b部署在襯底上的第一電極；c部署在第一電極的第一部分上的，具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第一個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一層第一光敏有機(jī)材料；d部署在第一光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極，上述第一電極，第一層第一光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成第一傳感器，該傳感器具有在第一個(gè)波長(zhǎng)的光入射到上述第一類傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；e部署在第一電極的第二部分上的具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第二個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二層第二光敏有機(jī)材料；f部署在第二光敏有機(jī)材料層之上的透明第三電極，上述第一電極，上述第二光敏有機(jī)材料層以及上述第三電極構(gòu)成第二傳感器，該傳感器具有在第二個(gè)波長(zhǎng)的光入射到上述第二類傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
4權(quán)利要求3所述的傳感元件，可用于完全可見(jiàn)彩色成像，包括a一個(gè)襯底；b部署在襯底上的第一電極；c部署在第一電極的第一部分上的，具有位于700nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一層第一光敏有機(jī)材料；d部署在第一光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極，上述第一電極，第一層第一光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成一種紅光傳感器，該傳感器具有在紅光入射到上述紅光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；e部署在第一電極的第二部分上的，具有位于600nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二層第二光敏有機(jī)材料；f部署在第二光敏有機(jī)材料層之上的透明第三電極，上述第一電極，上述第二光敏有機(jī)材料層以及上述第三電極構(gòu)成一種綠光傳感器，該傳感器具有在綠光入射到上述綠光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；g部署在上述第一電極的第三部分上的，具有位于500nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第三層第三光敏有機(jī)材料；h部署在第三光敏有機(jī)材料層之上的透明第四電極；上述第一電極，上述第三光敏有機(jī)材料層以及上述第四電極構(gòu)成一種藍(lán)光傳感器，該傳感器具有在藍(lán)光入射到上述藍(lán)光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
5權(quán)利要求4所述的圖像傳感元件，其中上述第一電極的第一，第二和第三部分是連續(xù)的。
6權(quán)利要求4所述的圖像傳感元件，其中上述第一電極的第一，第二和第三部分是分開(kāi)的。
7權(quán)利要求4所述的圖像傳感元件，其中上述第二光敏有機(jī)材料層覆蓋了紅光傳感器，并起到短波長(zhǎng)截止濾波器的作用，而且其中上述第三光敏有機(jī)材料層覆蓋了綠光傳感器，并起到中波長(zhǎng)截止濾波器的作用。
8具有傳感多于一個(gè)光波長(zhǎng)能力的一種傳感元件，包括a一個(gè)透明襯底；b部署在襯底上的透明第一電極；c部署在第一電極的第一部分上的，具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第一個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一層第一光敏有機(jī)材料；d部署在第一光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極；上述第一電極，第一層第一光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成第一傳感器，該傳感器具有在第一個(gè)波長(zhǎng)的光入射到上述第一類傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；e部署在第一電極的第二部分上的，層具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第二個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二第二光敏有機(jī)材料；f部署在第二光敏有機(jī)材料層之上的第三電極，上述第一電極，上述第二光敏有機(jī)材料層以及上述第三電極構(gòu)成第二傳感器，該傳感器具有在第二個(gè)波長(zhǎng)的光入射到上述第二類傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
9權(quán)利要求8所述的傳感元件，用于全色可見(jiàn)圖像傳感，包括a一個(gè)透明襯底；b部署在襯底上的第一透明電極；c部署在第一電極的第一部分上的，第一層具有位于500nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一光敏有機(jī)材料；d部署在第一光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極；上述第一電極，第一層第一光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成一種藍(lán)光傳感器，該傳感器具有在藍(lán)光入射到上述藍(lán)光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。e部署在第一電極的第二部分上的，第二層具有位于600nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二光敏有機(jī)材料；f部署在第二光敏有機(jī)材料層之上的透明第三電極；上述第一電極，上述第二光敏有機(jī)材料層以及上述第三電極構(gòu)成一種綠光傳感器，該傳感器具有在綠光入射到上述綠光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；g部署在上述第一電極的第三部分上的，第三層具有位于700nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第三光敏有機(jī)材料；h部署在第三光敏有機(jī)材料層之上的第四電極；上述第一電極，上述第三光敏有機(jī)材料層以及上述第四電極構(gòu)成一種紅光傳感器，該傳感器具有在紅光入射到上述紅光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
10權(quán)利要求9所述的圖像傳感元件，其中上述第二光敏有機(jī)材料層覆蓋了藍(lán)光傳感器，并起到中波長(zhǎng)截止濾波器的作用，而且其中上述第一光敏有機(jī)材料層覆蓋了藍(lán)光傳感器和綠光傳感器，并起到短波長(zhǎng)截止濾波器的作用。
11具有傳感多于一個(gè)光波長(zhǎng)能力的一種傳感元件，包括a一個(gè)襯底；b部署在襯底上的第一電極；c部署在第一電極上的，第一層具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第一個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一光敏有機(jī)材料；d部署在第一光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極；上述第一電極，上述第一層第一光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成第一傳感器，該傳感器具有在第一個(gè)波長(zhǎng)的光入射到上述第一傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；e部署在透明第二電極上的，第二層具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第二個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二光敏有機(jī)材料；f部署在第二光敏有機(jī)材料層之上的透明第三電極；上述第二電極，上述第二光敏有機(jī)材料層以及上述第三電極構(gòu)成第二傳感器，該傳感器具有在第二個(gè)波長(zhǎng)的光入射到上述第二傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
12權(quán)利要求11所述的一種傳感元件，用于全色可見(jiàn)圖像傳感，包括a一個(gè)襯底；b部署在襯底上的第一電極；c部署在第一電極上的，第一層具有位于700nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一光敏有機(jī)材料；d部署在第一光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極；上述第一電極，第一層第一光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成一種紅光傳感器，該傳感器具有在紅光入射到上述紅光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；e部署在第二電極上的，第二層具有位于600nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二光敏有機(jī)材料；f部署在第二種光敏有機(jī)材料層之上的透明第三電極；上述第二電極，上述第二光敏有機(jī)材料層以及上述第三電極構(gòu)成一種綠光傳感器，該傳感器具有在綠光入射到上述綠光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；g部署在第三部分電極上的，第三層具有位于500nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第三光敏有機(jī)材料；h部署在第三光敏有機(jī)材料層之上的第四電極；上述第三電極，上述第三光敏有機(jī)材料層以及上述第四電極構(gòu)成一種藍(lán)光傳感器，該傳感器具有在藍(lán)光入射到上述藍(lán)光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
13具有傳感多于一個(gè)光波長(zhǎng)能力的一種傳感元件，包括a一個(gè)透明襯底；b部署在襯底上的透明第一電極；c部署在第一電極上的第一層具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第一個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一光敏有機(jī)材料；d部署在第一光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極；上述第一電極，第一層第一光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成第一傳感器，該傳感器具有在第一個(gè)波長(zhǎng)的光入射到上述第一傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；e部署在第二電極上的，第二層具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第二個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二光敏有機(jī)材料；f部署在第二光敏有機(jī)材料層之上的第三電極；上述第一電極，上述第二光敏有機(jī)材料層以及上述第三電極構(gòu)成第二傳感器，該傳感器具有在第二個(gè)波長(zhǎng)的電磁輻射入射到上述第二傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
14權(quán)利要求13所述的一種傳感元件，用于全色可見(jiàn)圖像傳感，包括a一個(gè)透明襯底；b部署在襯底上的第一透明電極；c部署在第一電極上的，第一層具有位于500nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一種光敏有機(jī)材料；d部署在第一種光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極；上述第一電極，第一層第一種光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成一種藍(lán)光傳感器，該類傳感器具有在藍(lán)光入射到上述藍(lán)光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；e部署在第二電極上的，第二層具有位于600nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二種光敏有機(jī)材料；f部署在第二種光敏有機(jī)材料層之上的透明第三電極；上述第二電極，上述第二種光敏有機(jī)材料層以及上述第三電極構(gòu)成一種綠光傳感器，該類傳感器具有在綠光入射到上述綠光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；g部署在第三電極上的，第三層具有位于700nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第三種光敏有機(jī)材料；h部署在第三種光敏有機(jī)材料層之上的第四電極；上述第三電極，上述第三種光敏有機(jī)材料層以及上述第四電極構(gòu)成一種紅光傳感器，該類傳感器具有在紅光入射到上述紅光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
15具有傳感多于一個(gè)光波長(zhǎng)能力的一種傳感元件，包括a一個(gè)襯底；b部署在襯底上的第一電極；c部署在第一電極上的，第一層具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第一個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一種光敏有機(jī)材料；d部署在第一種光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極；上述第一電極，第一層第一種光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成第一類傳感器，該類傳感器具有在第一個(gè)波長(zhǎng)的光入射到上述第一類傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；e部署在第二透明電極上的介電層；f部署在上述介電層上的透明第三電極；g部署在第三電極上的，第二層具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第二個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二種光敏有機(jī)材料；h部署在第二種光敏有機(jī)材料層之上的透明第四電極；上述第三電極，上述第二層第二種光敏有機(jī)材料以及上述第四電極構(gòu)成第二類傳感器，該類傳感器具有在第二個(gè)波長(zhǎng)的光入射到上述第二類傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
16權(quán)利要求15中的一種傳感元件，適用于全色可見(jiàn)圖像傳感，包括a一個(gè)襯底；b部署在襯底上的第一電極；c部署在第一電極上的，第一層具有位于700nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一種光敏有機(jī)材料；d部署在第一種光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極；上述第一電極，第一層第一種光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成一種紅光傳感器，該類傳感器具有在紅光入射到上述紅光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；e部署在第二透明電極上的第一介電層；f部署在上述第一介電層上的透明第三電極；g部署在第三電極上的，第二層具有位于600nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二種光敏有機(jī)材料；h部署在第二種光敏有機(jī)材料層之上的透明第四電極；上述第三電極，上述第二種光敏有機(jī)材料層以及上述第四電極構(gòu)成一種綠光傳感器，該類傳感器具有在綠光入射到上述綠光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。i部署在第四電極上的第二介電層；j部署在上述第二介電層上的透明第五電極；k部署在第五部分電極上的，第三層具有位于500nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第三種光敏有機(jī)材料；l部署在第三種光敏有機(jī)材料層之上的透明第六電極；上述第五電極，上述第三種光敏有機(jī)材料層以及上述第六電極構(gòu)成一種藍(lán)光傳感器，該類傳感器具有在藍(lán)光入射到上述藍(lán)光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
17具有傳感多于一個(gè)光波長(zhǎng)能力的一種傳感元件，包括a一個(gè)透明襯底；b部署在襯底上的第一透明電極；c部署在第一電極上的，第一層具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第一個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一種光敏有機(jī)材料；d部署在第一種光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極；上述第一電極，第一層第一種光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成第一類傳感器，該類傳感器具有在第一個(gè)波長(zhǎng)的光入射到上述第一類傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；e部署在第二透明電極上的介電層；f部署在上述介電層上的透明第三電極；g部署在第三電極上的，第二層具有對(duì)應(yīng)于多于一個(gè)的波長(zhǎng)中的第二個(gè)波長(zhǎng)的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二種光敏有機(jī)材料；h部署在第二種光敏有機(jī)材料層之上的第四電極；上述第三電極，上述第二層第二種光敏有機(jī)材料以及上述第四電極構(gòu)成第二類傳感器，該類傳感器具有在第二個(gè)波長(zhǎng)的光入射到上述第二類傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
18權(quán)利要求15所述的一種傳感元件，適用于全色可見(jiàn)圖像傳感，包括a一個(gè)透明襯底；b部署在襯底上的第一透明電極；c部署在第一電極上的，第一層具有位于700nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第一種光敏有機(jī)材料；d部署在第一種光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極；上述第一電極，第一層第一種光敏有機(jī)材料以及上述第二電極構(gòu)成一種紅光傳感器，該類傳感器具有在紅光入射到上述紅光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；e部署在第二透明電極上的第一介電層；f部署在上述第一介電層上的透明第三電極；g部署在第三電極上的，第二層具有位于600nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第二種光敏有機(jī)材料；h部署在第二種光敏有機(jī)材料層之上的透明第四電極；上述第三電極，上述第二種光敏有機(jī)材料層以及上述第四電極構(gòu)成一種綠光傳感器，該類傳感器具有在綠光入射到上述綠光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；i部署在第四電極上的第二介電層；j部署在上述第二介電層上的透明第五電極；k部署在第五部分電極上的，第三層具有位于500nm附近的一個(gè)光學(xué)帶隙的第三種光敏有機(jī)材料；l部署在第三種光敏有機(jī)材料層之上的第六電極；上述第五電極，上述第三種光敏有機(jī)材料層以及上述第六電極構(gòu)成一種藍(lán)光傳感器，該類傳感器具有在藍(lán)光入射到上述藍(lán)光傳感器上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力。
19具有傳感多于一個(gè)光波長(zhǎng)能力的一種傳感元件，包括a第一電極；b部署在第一電極上的光敏有機(jī)材料層；和c部署在光敏有機(jī)材料層之上的透明第二電極；上述第一電極，上述第一種光敏有機(jī)材料層以及上述第二電極構(gòu)成一種傳感器，該類傳感器具有在包含多個(gè)波長(zhǎng)的一束光入射到上述第二電極上時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的能力；以及用于分離上述光束中的幾種波長(zhǎng)，以便使幾種波長(zhǎng)中在一個(gè)時(shí)刻內(nèi)只有一部分入射到第二電極的設(shè)施。
20權(quán)利要求19所述的傳感元件，其中分離設(shè)施是一個(gè)濾波器。
21權(quán)利要求19所述的傳感元件，其中分離設(shè)施是多個(gè)濾波器。
22權(quán)利要求19所述的傳感元件，其中分離設(shè)施是可變色濾波器。
23權(quán)利要求19所述的傳感元件，其中可變色濾波器是由限定液晶層的第一濾波器電極和第二濾波器電極以及在第一濾波器電極和第二濾波器電極之間施加偏壓的設(shè)施構(gòu)成的液晶濾波器，上述偏壓電壓可改變穿過(guò)上述可變色濾波器的光波長(zhǎng)。
24權(quán)利要求19所述的傳感元件，其中分離設(shè)施包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具。
25權(quán)利要求19所述的傳感元件，其中分離設(shè)施包括多個(gè)可透射不同波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)具。
26權(quán)利要求19所述的傳感元件，其中分離設(shè)施由一個(gè)折射器件構(gòu)成，該折射器件將一束光分離為該束光中的單個(gè)波長(zhǎng)，以便傳感器能夠傳感分離的波長(zhǎng)中的一部分。
27權(quán)利要求26所述的傳感元件，其中折射器件由一個(gè)棱鏡構(gòu)成。
28權(quán)利要求26所述的傳感元件，其中折射器件由一個(gè)光柵構(gòu)成。
29權(quán)利要求26所述的傳感元件，其中折射器件由多個(gè)具有共同分離設(shè)施的圖像傳感器構(gòu)成，其中每個(gè)傳感器傳感一個(gè)波長(zhǎng)。
30權(quán)利要求3-29之一所述的傳感元件，其中一個(gè)或多個(gè)上述電極由一種導(dǎo)電的有機(jī)材料構(gòu)成。
31權(quán)利要求3-29之一所述的傳感元件，其中一個(gè)或多個(gè)上述電極由一種金屬構(gòu)成。
32權(quán)利要求3-29之一所述的傳感元件，其中光敏有機(jī)材料包含有從由有機(jī)金屬分子，共軛聚合物和具有半導(dǎo)體特性的聚合物構(gòu)成的組內(nèi)選擇出的一種材料。
33權(quán)利要求3-29之一所述的傳感元件，其中光敏有機(jī)材料包含一種具有半導(dǎo)體特性的共軛聚合物。
34權(quán)利要求3-29之一所述的傳感元件，另外包含位于一個(gè)電極和相鄰光敏有機(jī)材料層之間的一個(gè)緩沖層。
35權(quán)利要求34所述的傳感元件，其中緩沖層包含有導(dǎo)電聚合物，如聚苯胺(PANI)，聚吡咯(PPy)，和聚乙烯二氧噻吩聚苯乙烯磺酸鹽(PEDT-OSS)；一個(gè)有機(jī)或有機(jī)金屬分子薄層；一個(gè)無(wú)機(jī)化合物薄層，如LiF，NaF，BaO，Li2O，Na2O，其他金屬氟化物，金屬氧化物和金屬亞硫酸鹽，或者一個(gè)無(wú)機(jī)金屬或金屬合金薄層。
36權(quán)利要求3-29之一所述的傳感元件，其中光學(xué)鏡合并在電極之內(nèi)，因而使鏡有機(jī)材料層/鏡形成一個(gè)微腔，并在共振波長(zhǎng)處具有選擇響應(yīng)。
37權(quán)利要求36所述的傳感元件，其中光學(xué)鏡包含有選擇的具有不同介電常數(shù)的無(wú)機(jī)和/或有機(jī)半絕緣(介電)層，并且按交替方式排列，以形成DBR鏡。
38權(quán)利要求3-29之一所述的傳感元件，其中支持襯底包含有與傳感元件混成在一起的開(kāi)關(guān)電路。
39包含權(quán)利要求3-29之一所述的傳感元件的一種像素化光電探測(cè)器。
全文摘要
公布了由有機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成的,具有單色或多種顏色響應(yīng)的圖像傳感器。圖像傳感器由圖像傳感元件(像素)構(gòu)成,其中圖像傳感元件(像素)個(gè)個(gè)都包含夾在導(dǎo)電電極之間的一個(gè)(或多個(gè))有機(jī)半導(dǎo)體薄層。這些圖像傳感器可以與電子或光學(xué)器件集成或混成在同一或不同襯底上。來(lái)自圖像傳感器的由輸入圖像引起的電輸出信號(hào),由與電極相連接的電路探測(cè)。通過(guò)材料選擇,通過(guò)器件厚度調(diào)整和/或通過(guò)光學(xué)過(guò)濾等方法,可以將圖像傳感元件的光譜響應(yīng)修正或調(diào)節(jié)到希望的光譜區(qū)域。公布了實(shí)現(xiàn)紅,綠和藍(lán)全色探測(cè)的幾種方法。類似的方法可應(yīng)用于在希望的響應(yīng)范圍和其他希望的光譜范圍內(nèi)的多波段探測(cè)(波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù))。
文檔編號(hào)H01L27/00GK1296645SQ99804817
公開(kāi)日2001年5月23日 申請(qǐng)日期1999年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月2日
發(fā)明者俞鋼 申請(qǐng)人:優(yōu)尼愛(ài)克斯公司