[发明专利]集成IR上转换器件和CMOS图像传感器的红外成像器件

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年6月6日提交的美国临时申请序列第61/493,691号的权益，其全部内容（包括任意数字、表格或图示）都通过引用并入本文。

背景技术

最近，因为光上转换器件在夜视、测距和安全性以及半导体晶片检查中的潜在应用，所以它们吸引了极大的研究兴趣。早期的近红外（NIR）上转换器件主要基于其中光检测部件与发光部件串联的无机半导体异质结结构。上转换器件主要通过光检测的方法来区别。器件的上转换效率通常非常低。例如，一种集成了发光二极管（LED）和基于半导体的光检测器的NIR-可见光上转换器件表现出的最大外部转换效率仅为0.048（4.8%）W/W。其中将InGaAs/InP光检测器耦接至有机发光二极管（OLED）的混合有机/无机上转换器件表现出的外部转换效率为0.7%W/W。

目前，无机上转换器件和混合上转换器件的制造昂贵，并且用于制造这些器件的工艺不适宜大面积应用。正在努力实现具有更高转换效率的低成本上转换器件，然而尚未确认存在可能具有足够效率的用于实际上转换器件的器件。对于一些应用（例如，夜视器件），非常期望的是具有宽吸收光谱的红外（IR）敏化层的上转换器件。另外，期望的是在无需月光或任意额外照明源的情况下放大信号。

发明内容

本发明的一些实施方案涉及成像器件，其包括具有多层堆叠结构的透明红外（IR）-可见光上转换器件和CMOS图像感应器（CIS）。所述堆叠层结构包括透明阳极、至少一个空穴阻挡层、IR敏化层、至少一个空穴传输层（HTL）、发光层（LED）、至少一个电子传输层（ETL）和透明阴极。另外，所述上转换器件可包括抗反射层和/或IR透过的可见光阻挡层。多层堆叠体可形成在衬底上。衬底可以是CIS。衬底可以是刚性的支撑层并且上转换器件与CIS通过机械紧固件或粘合剂耦接；或者支撑层可以是柔性的并且上转换器件被层叠至CIS以形成成像器件。

附图说明

图1是根据本发明一个实施方案的待与CMOS图像传感器（CIS）一起使用的红外-可见光上转换器件的截面示意图。

图2是图1的上转换器件的能带图。

图3示出可组合为根据本发明一个实施方案的成像器件的红外（IR）敏化层的多种直径的PBSeQD的吸收光谱复合图，其中插图示出50nm厚的单分散PbSe膜的吸收光谱和该膜的TEM图像。

图4示出如在本发明一个实施方案中可使用的近红外（NIR）照明下的插图所说明的，透明上转换器件对于不同偏压的转换效率的复合曲线图。

图5举例说明了根据本发明一个实施方案的成像器件的构造，其中刚性上转换器件与CIS耦接。

图6举例说明了根据本发明一个实施方案的成像器件的构造，其中柔性上转换器件被层叠至CIS。

图7举例说明了根据本发明一个实施方案的成像器件，其中上转换器件直接在CIS衬底上形成。

具体实施方式

本发明的一些实施方案涉及红外（IR）敏化层与可见光发光层耦接的上转换器件，所述上转换器件在CMOS图像传感器（CIS）上形成或与其耦接。图1是包括多层堆叠体的上转换器件的示意图，所述多层堆叠体包括夹在阴极与阳极之间的IR敏化层和产生可见光的有机发光层（LED）。图2示出根据本发明一个实施方案的上转换器件的能带图，其中空穴阻挡层插入在IR敏化层与阳极之间以减少上转换器件中的暗电流。

在本发明的一个实施方案中，上转换器件使用多分散PbSe量子点（QD）的膜作为IR敏化层，其中多种尺寸的QD吸收如本文所用的IR或IR辐射，其多种吸收最大值在小于1μm至约2μm的波长范围内，以提供IR敏化层的广谱灵敏度。

图3示出的复合光谱中说明了不同尺寸的QD的不同吸收最大值。图3的插图示出在1.3μm处具有吸收峰的50nm厚的单分散PbSeQD膜的吸收光谱。然而，如图4所示，用图3的插图中示出的单分散QD构造的上转换器件的光子-光子转换效率对于NIR辐照没有实现多于数个百分比的效率，即使是在相对较高的20V的偏压下亦如此。因为转换效率在这个范围中小于10%，所以可通过放大IR输入信号或可见光输出信号来完成IR信号的合理探测。