具有增强的增益和灵敏度的量子点光学器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及具有增强的增益和灵敏度的量子点光学器件及其制造方法，所述量子点光学器件涉及一种图像传感器，包括：读出集成电路，其与第一像素电极和第二像素电极连通；和基本连续的光敏层；其中所述第一像素电极和所述第二像素电极二者与所述基本连续的光敏层接触。

【技术实现步骤摘要】

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。
技术介绍
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8 X IOltlJ0nes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Ι-lOnm，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，已知具有基本均勻的结构和组成。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Mranski-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谱范围敏感的方法。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 800nm之间具有小于lO-nj/cm2和进一步在400 1400nm之间具有小于KTiciJ/ cm2的噪声等效曝光(noise equivalentexposure, ΝΕΕ)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，器件为在横跨0. 2 2微米宽度或间隙的距离上施加的偏压提供了 0-10V之上的基本线性的响应。可制造具有这些性能的组合的器件。在一个方面，器件包括具有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。一个或更多的实施方案包括下面的特征中一个或更多个。光敏层包含光敏材料的岛阵列，其中多个岛覆盖相应多个导电区域。集成电路包括三维部件(three dimension feature)并且其中光敏材料与至少一部分三维部件共形。还包括覆盖至少一部分光敏层并与之电连通的电极。电极至少部分透明。电极包含带通和带阻材料中的至少一种。导电区域在集成电路上排列成一行或多行。导电区域在集成电路上还排列成一列或多列。导电区域在集成电路上排列成多行和多列。集成电路包含柔性基片并形成为非平面形状。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。光敏层包含多个纳米晶体。光敏层包含多个熔合纳米晶体，每个纳米晶体具有核和外表面。熔合纳米晶体的外表面至少部分没有配体。光敏层包含具有纳米级特征的连续膜，纳米级特征包括熔合纳米晶体的互联网络，其中基本上每个熔合纳米晶体都包含与至少一个邻近的纳米晶体的核直接物理接触和电连通的核。连续膜基本上是无机性的。连续膜在除了已熔合纳米晶体的部分之外的一部分外表面上包含配体。基本上每个熔合纳米晶体的外表面上包含与核组成不同的材料。基本上每个熔合纳米晶体的外表面上包含氧化的核材料(core material) 0基本每上个熔合纳米晶体的外表面上包含半导体材料。基本上每个熔合纳米晶体的外表面上包含至少一种缺陷态。光敏层包含光活性聚合物。该光活性聚合物包括MEH-PPV、P30T和P3HT中的至少一种。所述导电区域包括像素区，并且其中集成电路包括读出电路，该读出电路能够通过将电信号施加于与像素区连通的控制导线使得电流流过光敏层和像素区来活化像素区，其中流过光敏层和像素区的电流量与光敏层所接收的光子的数目相关。集成电路包括CMOS 有源像素。集成电路包括CCD像素。在操作期间，光敏层内流过的电流的量在其期望操作范围的一部分内相对于光敏层所接收的光本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种图像传感器，包括：读出集成电路，其与第一像素电极和第二像素电极连通；和基本连续的光敏层；其中所述第一像素电极和所述第二像素电极二者与所述基本连续的光敏层接触。

【技术特征摘要】
2005.08.25 US 60/710,944;2006.01.09 US 11...

【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·J·D·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