[发明专利]红外光与可见光转换器件

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件领域，尤其涉及一种利用电荷转移复合材料(Charge Transfer Complex, CTC)作为红外探测材料，与有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode, OLED）集成，实现信号光从红外波段到可见光波段转换的器件。

发明背景

近几十年来，科学工作者在探索一种可以将人眼无法看到的红外辐射转换成可视化的器件，并与现有的微电子器件集成，应用在光电探测、通讯、军事、卫星等领域。1995 年，H. C.Liu 首先报道了用量子阱红外探测器（QWIP）与LED 集成QWIP-LED 的光电-电光转换器，它能将波长为1.5 μm的近红外光转换成波长为927 nm的近红外光。这种光电-电光转换器简称光-光转换器。2000年，英国剑桥大学的J.S. Sandhua等人用类似结构的光-光转换器，把波长为1.5μm的红外辐射转换成波长为818nm 的近红外光。

现有的红外探测材料与LED 集成的光-光转换器是在芯片上直接外延生长，或者利用晶圆融合技术把LED 集成到红外探测器上的。 然而，由于LED 和红外光电探测材料的能带差异非常大，加之外延生长对晶格参数匹配要求非常高，致使红外探测器与LED 集成的光-光转换器只能实现由近红外（1.5 μm）到近红外（约1.0 μm）的转换。2002 年，日本的Masayuki Chikamatsu 等人将TiOPc 薄膜与OLED集成光电-电光转换器，实现了近红外到可见光的转换。但由于红外探测材料（TiOPc薄膜）在近红外的探测范围非常窄，只在600nm-900nm，而且光转换效率低，因此限制了它的应用。2007年，加拿大吕正红等人则率先提出新型InP 红外探测器与OLED集成的红外光-可见光转换技术，实现了所探测的信号从红外波段(1.5μm)到可见光波段(520 nm)的转换。

发明内容

本发明提出了一种新的红外光与可见光转换器件，该器件采用一种新型的有机复合红外吸收材料，并在红外吸收材料上直接蒸镀OLED材料构成。

本发明的红外光与可见光转换器件，由基底、阳极层、红外吸收材料层、OLED有机材料层和阴极层构成，其特征在于红外吸收材料层是由有机小分子与MoO₃或HAT-CN掺杂形成的CTC材料。

所述的有机小分子为CBP、NPB、TPD、TCTA、2-TNATA或m-MTDATA。

本发明所采用的红外探测材料在受到红外光照射时，有机小分子最高占据轨道（HOMO）能级上的电子吸收红外光子的能量，跃迁到MoO₃的导带（CB）底部，这样在有机小分子的HOMO能级与MoO₃的CB之间就形成了空穴-电子对，在外电场的作用下，空穴与电子将挣脱库伦引力的束缚，各自向着芯片的阴极与阳极转移，从而形成光生载流子。当MoO₃与CBP的质量掺杂比例大于3:1以后，该CTC材料在840nm波长附近有明显的吸收。对于有机小分子与HAT-CN形成的CTC材料，当受到红外光照射时，有机小分子HOMO能级上的电子吸收红外光子的能量，跃迁到HAT-CN分子的最低未被占据轨道（LUMO）能级上，这样在有机小分子的HOMO能级与HAT-CN的LUMO能级之间就形成了空穴-电子对，在外电场的作用下，空穴与电子将挣脱库伦引力的束缚，各自向着芯片的阴极与阳极转移，从而形成光生载流子。对于CTC材料，其有机小分子HOMO能级与MoO₃ CB（或有机小分子HOMO能级与HAT-CN LUMO能级）之间的能量差要求为零点几电子伏特到1.5电子伏特之间，以保证其对入射光的吸收波长位于红外波段。

所述的OLED材料是直接蒸镀在红外吸收材料层上的。

本发明中的OLED与传统结构的OLED相比不同的地方是：其空穴注入层没有直接与阳极材料接触，而是与红外探测复合材料接触，空穴通过红外探测材料吸收红外光产生，并直接注入到OLED，而不是通过阳极材料来注入。

本发明中的红外探测器与OLED的制作工艺完全相同，红外吸收材料与OLED有机材料都是采用真空热蒸镀的方式，蒸镀过程可以在同一个真空腔室内完成，这也就使得红外光-可见光转换器的集成工艺变得简单。而传统的光-光转换器红外探测器部分与OLED分别采用不同的制作工艺，这使得二者的集成工艺变得相对复杂。