[发明专利]有机光检测器及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及可以用于检测红外线、可见光、或者紫外线辐射的有机光检测器。更具体地，本发明涉及具有可调谐光谱响应的有机光检测器。本发明进一步涉及一种用于生产这种有机光检测器的方法。

背景技术

光检测器(photodetector)是通过将吸收到的光子的能量转换成可测量的信号来测量光子通量或者光学功率的器件。通常，光检测器将光转换成电流，其中光检测器被连接到电流检测电路，并且可以接收偏压以便于以高灵敏度地检测或者感测光。这与在没有偏置的情况下操作并且专门用于从吸收到的光子的能量来生成电力的光伏器件形成对比。光检测器可以用作光学通信系统中的光学接收器、成像系统中的传感器、光谱测定应用中的检测器等。存在许多种类型的光检测器，例如，光敏二极管、金属-半导体-金属(MSM)光检测器、光敏晶体管、光敏电阻器、热检测器等。

光检测器的一个重要特性是响应度，响应度定义为所生成的光电流与在给定波长处的入射辐射功率之比。响应度是入射辐射的波长和材料属性(诸如，制造光检测器的材料的带隙)的函数。光检测器的光谱响应通常受材料的带隙的限制，因为只能检测到大于带隙能量的光子能量。

通常通过使用无机半导体材料(诸如，硅、砷化铟镓、锗和/或硫化铅)来制造光检测器。这种光检测器的制造是在技术上复杂并且昂贵的工艺。与无机光检测器相比较，有机光探测器由于许多优点而已经在光电检测方面引起了关注。有机半导体提供了按照简单的低温和低成本制造工艺(诸如，低材料成本的溶液工艺)来生产柔性和(半)透明器件以及大面积器件的机会。存在可以通过化学方法来制备的各种有机分子。可以按照低成本来将有源区域构造为具有低分辨率。此外，有机电子器件具有可堆叠的优点，这提供了以下可能性：将有机电子器件与其他无机或者有机器件组合以例如，在CMOS的顶部制造有机器件。类似地，可以将有机电子器件集成到晶体管结构中。

实现可调谐光谱响应的一种可能方法是：使用位于检测器元件上游的多个和/或可调谐波长滤波器。另一方法是：使用基本上由堆叠在彼此之上的两个或者更多个分离的检测器阵列组成的检测器阵列，其中，每个检测器阵列被设计为对不同的光谱带敏感。

US 2014 0001455 A1公开了在单个光检测器器件结构中使用堆叠或者串联架构的光谱可调谐宽带有机光检测器。光检测器器件包括以堆叠方式布置的多个有机光检测器子单元，其中，每个有机光检测器子单元被配置为响应于在相应波长范围内进行光吸收而生成电流。可以分别对来自每个单独的活性材料的响应进行调谐，从而实现有机光检测器的光学响应度的宽可调谐性。

所阐述的器件的缺点以及具有光敏半导体层的光检测器的一般缺点是：光敏材料的选择受到限制，因为材料必须提供合适的带隙以与感兴趣的设计波长匹配。此外，为了使入射光有效率地进入光检测器，通常需要具有高透射率的电极，例如，铟锡氧化物(ITO)。两种材料的选择必须进一步满足形成良好的肖特基势垒的要求以减少泄漏电流。除此之外，光检测器的当前制造工艺非常昂贵、复杂，并且无法与柔性衬底集成。

由于缺乏用于进行有效率的激子解离的低能隙有机材料和合适的分子组合，因此已经在材料合成、异质结设计或者量子点掺入方面付出了相当大的努力以达到与近红外至红外区域相对应的光电检测波长，这对于许多应用(诸如，光学通信、光谱学、和生物传感)而言是特别有利的。然而，预计较高的非辐射复合以及C-H、N-H、和O-H共价键的吸收会影响NIR光谱区中的行为，在使吸收边缘进一步延伸时，抑制光电流的生成。

为了规避该问题并且达到较长的光电检测波长，已经提出了肖特基势垒光检测器，其中，检测机制基于在金属与半导体或者电介质(dielectric)之间的肖特基势垒上的内部光发射(photoemission)。

众所周知，由于在金属/半导体界面处激发表面等离激元(plasmon)共振，所以在金属电极上的亚波长(subwavelength)结构可以显着提高光发射的效率。WO 2015/081327公开了LED，其中，顶部金属层是透光的并且具有横向亚波长结构以提高发射效率、对比度和亮度。在顶部金属层与底部金属层之间设置光敏发光半导体材料，这具有合适的材料的选择有限制的上述缺点。在US 2010/0206380中公开了一种在薄光敏有机半导体层上具有纳米腔体的光伏器件。