(57)【要約】  読み出しトランジスタアレイであって、その上に赤外光検出器の多層アレイを形成した読み出しトランジスタアレイである基板上に画像センサーが構築されている。赤外光検出器は基板の遠位側に、赤外線透明電極を持つ多数の層と、基板に直接接触している対電極と、多数のナノ粒子を含む赤外線感光層を具える。この層は、無機材料、又は有機材料でもよい。電極と感光層に加えて、重なった多層構造が、正孔阻止層、電子阻止層、及び反射防止層を具えていてもよい。赤外線感光層は、ＰｂＳ又はＰｂＳｅ量子ドットであってもよい。【選択図】なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
読み出しトランジスタアレイを具える基板と；
前記基板遠位側の赤外線透明電極と、前記基板に直接接触している対電極と、多数のナノ粒子を含む赤外線検出層を具える赤外線光検出機アレイと；
を具えることを特徴とする画像センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の画像センサーにおいて、前記赤外線透明電極が、Ｃａ／Ａｇ二重層、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、アルミニウムスズ酸化物（ＡＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、カーボンナノチューブ、銀ナノワイヤー、またはマグネシウムとアルミニウムの混合層を具えることを特徴とする画像センサー。
【請求項３】
請求項１に記載の画像センサーにおいて、前記ナノ粒子がＰｂＳ量子ドット、ＰｂＳｅ量子ドット、ＰｂＳＳｅ量子ドット、Ｃ６０をもつスズＩＩフタロシアニン（ＳｎＰｃ）（ＳｎＰｃ：Ｃ６０）、Ｃ６０をもつフタロシアニン塩化アルミニウム（ＡｌＰｃＣｌ）（ＡｌＰｃＣｌ：Ｃ６０)又は、Ｃ６０をもつチタニールフタロシアニン（ＴｉＯＰｃ）（ＴｉＯＰｃ：Ｃ６０）を含むことを特徴とする画像センサー。
【請求項４】
請求項１に記載の画像センサーにおいて、前記ナノ粒子がＰｂＳ量子ドット及び／又はＰｂＳｅ量子ドットを含むことを特徴とする画像センサー。
【請求項５】
請求項１に記載の画像センサーにおいて、前記対電極がＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＴＯ、ＡＺＯ、カーボン・ナノチューブ、銀、アルミニウム、金、モリブデン、タングステンまたはクロムを含むことを特徴とする画像センサー。
【請求項６】
請求項１に記載の画像センサーにおいて、前記赤外光検出器アレイが更に電子阻止層（ＥＢＬ）を具えることを特徴とする画像センサー。
【請求項７】
請求項６に記載の画像センサーにおいて、前記電子阻止層（ＥＢＬ）がポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−Ｎ−（４−ブチルフェニル）ジフェニルアミン）（ＴＦＢ）、１，１−ビス[（ジ−４−トリルアミノ）フェニル]シクロヘキサン（ＴＡＰＣ）、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’（ ２−ナフチル）−（１，１’−フェニル）−４，４’−ジアミン（ＮＰＢ）、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ'−ジ（ｍ−トリル）ベンジジン（ＴＰＤ）、ポリ−Ｎ，Ｎ−ビス−４−ブチルフェニル−Ｎ，Ｎ−ビス−フェニルベンジジン（ｐｏｌｙ−ＴＰＤ）、ポリスチレン−Ｎ，Ｎ−ジフェニル−Ｎ，Ｎ−ビス（４−ｎ−ブチルフェニル）−（１，１０−ジフェニル）−４，４−ジアミンペルフルオロシクロブタン（ＰＳ−ＴＰＤ−ＰＦＣＢ）、及び／又はＮｉＯを含むことを特徴とする画像センサー。
【請求項８】
請求項１に記載の画像センサーにおいて、前記赤外光検出器アレイが更に正孔阻止層（ＨＢＬ）を具えることを特徴とする画像センサー。
【請求項９】
請求項８に記載の画像センサーにおいて、前記正孔阻止層（ＨＢＬ）が２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン（ＢＣＰ）、ｐ−ビス（トリフェニルシリル）ベンゼン（ＵＧＨ２）、４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン (ＢＰｈｅｎ)、トリス−(８−ヒドロキシ  キノリン)アルミニウム（Ａｌｑ３）、３，５’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾリルベンゼン（ｍＣＰ）、Ｃ６０、トリス［３−（３−ピリジル）−メシチル］ボラン（３ＴＰＹＭＢ）、ＺｎＯ及び／又はＴｉＯ２を含むこと特徴とする画像センサー。
【請求項１０】
請求項１に記載の画像センサーが、更に、前記赤外線透明電極の外側に反射防止層を具えることを特徴とする画像センサー。
【請求項１１】
請求項１０に記載の画像センサーにおいて、前記反射防止層が、Ａｌｑ３、ＭｏＯ３、及び／又はＴｅＯ２を含むことを特徴とする画像センサー。
【請求項１２】
請求項１に記載の画像センサーにおいて、前記読み出しトランジスタアレイがＳｉトランジスタベースの読み出しアレイ、酸化物トランジスタベースの読み出しアレイ、又は有機トランジスタベースの読み出しアレイを具えることを特徴とする画像センサー。
【請求項１３】
請求項１に記載の画像センサーにおいて、前記読み出しトランジスタアレイがＣＭＯＳ読み出しアレイ、ａ−Ｓｉ：Ｈ  ＴＦＴアレイ、又はｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴアレイを具えることを特徴とする画像センサー。
【請求項１４】
請求項１に記載の画像センサーにおいて、前記読み出しトランジスタアレイがＺｎＯ  ＴＦＴ読み出しアレイ、ＧＩＺＯ  ＴＦＴアレイ、又はＩＺＯ  ＴＦＴアレイを具えることを特徴とする画像センサー。
【請求項１５】
請求項１に記載の画像センサーにおいて、前記読み出しトランジスタアレイがペンタセンＴＦＴ読み出しアレイ、Ｐ３ＨＴ ＴＦＴアレイ、又はＤＮＴＴ  ＴＦＴアレイを具えることを特徴とする画像センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１３年１月２５日に出願された米国仮出願第６１／７５６,７３０号の利益を主張しており、図、表、図面を含むその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
赤外線光検出器は、赤外線放射を検出する装置である。暗視、測距、セキュリティ、及び半導体ウエハ検査において潜在的な用途があるため、これらの装置に関して有意量の研究が行われてきた。近年、光活性材料に量子ドット（ＱＤｓ）を用いた光検出器がＫｏｃｈ ｅｔ ａｌ，の米国特許第６，９０６，３２６号に開示されている。ここでは、ＧａＡｓ量子ドット中のＩｎＡｓが、従来のエピタキシャル成長プロセスによって作成したすべての無機光検出器で使用されている、読み出し回路への接合突起によって読み出し回路に接続され、一つのアレイを組み立てている。
【０００３】
量子ドット（ＱＤ）は、一般的に、例えばＩｎＡｓ／ＧａＡｓのような、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料でできた結晶性のナノ粒子である。ＱＤｓは、３ｄ局在化引力ポテンシャルを持ち、電子波長の寸法を持つＱＤに電子が閉じ込められており、分散したエネルギーレベルを有する。ＱＤのサイズを制御することによって、特異的波長の光に対する感度を得られる。ＱＤｓに入射する光子は、光の波長が基底状態と、通常量子ドットの第一励起状態との間のエネルギー差である場合に、吸収される。ＱＤｓに電場が印加されると、ＱＤｓが励起状態にあれば、電流が流れ、これによって電子の励起を促進する波長において光の検出が可能になる。
【０００４】
１又はそれ以上の波長が同時に検出される、画像センサーのアプリケーション用に、高性能で費用対効果の高い量子ドット赤外光検出器（ＱＤＩＰｓ）が求められている。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の実施形態は、赤外光検出器アレイを具える画像センサーに関し、ここでは光検出器の感光層がナノ粒子を含んでいる。ここではこの赤外光検出器アレイは、感光層がＰｂＳ（硫化鉛）又は、ＰｂＳｅ（セレン化鉛）量子ドットを含む、量子ドット赤外光検出器アレイ（ＱＤＩＰＡ）であってもよい。このＩＲ光検出器はＩＲ透明電極を有する。また、ＩＲ光検出器は対電極を具えており、正孔阻止層、電子阻止層、及び／又は反射防止層を具えており、画像センサーの性能を向上させている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本発明の実施形態による画像センサーを示しており、これは量子ドット赤外光検出器（ＱＤＩＰｓ）のアレイを具える量子ドット赤外光検出器アレイ（ＱＤＩＰＡ）が、ＣＭＯＳ読み出しトランジスタアレイの基板上に構築されている。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、従来のトランジスタ読み出しアレイ上に設けたＱＤＩＰＡの断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態による、透過率対ＱＤＩＰＡのＱＤＩＰｓの上部電極として使用するＣａ／Ａｇの二層電極のＩＲ波長をプロットしたグラフである。
【図４】図４は、本発明の実施形態による、画像センサーにおけるＱＤＩＰｓのＩＲ感光層として用いることができる、サイズが異なるＰｂＳｅ  ＱＤｓについてのＩＲ吸光度を重ねてプロットしたグラフである。
【図５】図５は、本発明の実施形態による、画像センサー用の、ＩＲ感光層としてのＰｂＳ  ＱＤｓを用い、ＩＴＯとＣａ／Ａｇの透明電極を有する無機−有機のＱＤＩＰを示す図であり、これは異なる電極を通した場合の検出品質の比較のためのものである。
【図６】図６は、本発明の実施形態による、画像センサー用の、ＱＤＩＰの透明な両面を介して光をあてた時の、図５に示す装置のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の実施形態による、画像センサー用の、ＱＤＩＰの透明な両面を介して光をあてた時の、図５で示す装置のＥＱＥの特性を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の実施形態による、画像センサー用の、ＱＤＩＰの透明な両面を介して光をあてた時の、図５に示す装置の検出能特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の実施形態は、画像センサーとして機能する量子ドット赤外光検出器アレイ（ＱＤＩＰＡ）である。本発明の別の実施形態は、この画像センサーの製造方法であり、ここでは量子ドット赤外光検出器の基板が読み出し用トランジスタである。図１で示すように、ＱＤＩＰＡは従来のトランジスタベースの読み出しアレイと直列に接続した、有機又は無機ナノ粒子光検出器のアッセンブリである。例示的なＱＤＩＰＡの量子ドット赤外光検出器（ＱＤＩＰ）が、図２に示されている。
【０００８】
ＱＤＩＰは赤外線受光面に透明電極を具えており、本発明の例示的実施形態では、この透明電極がＣａ(１０ｎｍ)／Ａｇ(１０ｎｍ)の二重層である。Ｃａ(１０ｎｍ)／Ａｇ(１０ｎｍ)の二重層は、図３のグラフに示すように、赤外線放射の透過性に関して試験され、透過率は２０００ｎｍで約４０％である。カルシウム層の薄さは５〜５０ｎｍであり、銀層の薄さは５〜３０ｎｍである。代替的に、赤外線透明電極は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、アルミニウムスズ酸化物（ＡＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、カーボンナノチューブ、銀ナノワイヤー、又は組成比１０：１で、総厚１０乃至３０ｎｍのマグネシウムとカルシウムの混合層であってもよい。マグネシウムとアルミニウムの混合層は、反射防止層として作用する電極の外面に設けた最大１００ｎｍの追加のトリス(８−ヒドロキシ  キノリン)アルミニウム（Ａｌｑ３）層と共に使用してもよい。
【０００９】
赤外線感光層はナノ粒子を含んでいる。本発明の実施形態では、このナノ粒子はＰｂＳ  ＱＤｓ又はＰｂＳｅ  ＱＤｓのような量子ドットであってもよい。ＱＤｓは単一サイズ又は複数サイズでもよい。ＱＤｓは単一の化学組成物又は複数の化学組成物であってもよい。本発明の他の実施形態では、このナノ粒子にはＣ６０を含むスズ（ＩＩ）フタロシアニン（ＳｎＰｃ）（ＳｎＰｃ：Ｃ６０）で、Ｃ６０を含むアルミニウム塩化フタロシアニン（ＡｌＰｃＣｌ）（ＡｌＰｃＣｌ：Ｃ６０）、又はＣ６０を含むオキシチタニールフタロシアニン（ＴｉＯＰｃ）（ＴｉＯＰｃ：Ｃ６０）などがある。
【００１０】
本発明の例示的実施形態では、赤外線感光層がＰｂＳ  ＱＤｓであり、ＱＤｓによる吸光波長が０．７μｍから２．０μｍのスペクトルの任意の部分であるようなサイズ又は、混合サイズである。このように、図４に示すように近赤外線スペクトルの任意部分をこえて吸収を表示するＰｂＳｅ  ＱＤｓが作成される。
【００１１】
ＱＤＩＰの電極近傍には、電子阻止層（ＥＢＬ）を設けてもよい。ＥＢＬは、ポリ（９，９−ジオクチル−フルオレン−コ−Ｎ−（４−ブチルフェニル）ジフェニルアミン）（ＴＦＢ）、１，１−ビス［（ジ−４−トリルアミノ）フェニル］シクロヘキサン（ＴＡＰＣ）、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’（２−ナフチル）−（１，１’−フェニル）−４，４’−ジアミン（ＮＰＢ)、Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ジ（ ｍ−トリル）ベンジジン（ＴＰＤ）、ポリ−Ｎ，Ｎ−ビス−４−ブチルフェニル−Ｎ，Ｎ−ビス−フェニルベンジジン（ｐｏｌｙ−ＴＰＤ）、ポリスチレン−Ｎ，Ｎ−ジフェニル−Ｎ，Ｎ−ビス（４−ｎ−ブチルフェニル）−（１，１０−ジフェニル）−４，４−ジアミン−ペルフルオロシクロブタン（ＰＳ−ＴＰＤ−ＰＦＣＢ)、又はその他の電子阻止層（ＥＢＬ）材料であってもよい。電子阻止層（ＥＢＬ）は、例えばＮｉＯ（酸化ニッケル）を含む無機ＥＢＬ、及びナノ粒子フィルムであってもよい。
【００１２】
ＱＤＩＰの電極近傍には、正孔阻止層（ＨＢＬ）を設けてもよい。ＨＢＬは、例えば、２,９−ジメチル−４,７−ジフェニル−１,１０−フェナントロリン（ＢＣＰ）、ｐ−ビス（トリフェニルシリル）ベンゼン（ＵＦＨ２）、４,７−ジフェニル−１,１０−フェナントロリン（ＢＰｈｅｎ）、トリス(８−ヒドロキシ  キノリン)アルミニウム（Ａｌｑ３）、 ３,５’−Ｎ,Ｎ'−ジカルバゾール−ベンゼン（ｍＣＰ）、Ｃ６０又はトリス［３−（３−ピリジル）−メシチル］ボラン（３ＴＰＹＭＢ）を含む有機ＨＢＬであってもよい。ＨＢＬは例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ)、及び酸化チタン（ＴｉＯ２）を含む無機ＨＢＬでもよく、ナノ粒子又、フィルムでもよい。
【００１３】
赤外線透明電極の対電極は、画像センサーの基板を具える読み出しトランジスタアレイの表面に構築される。対電極は赤外線透過性、赤外線半透過性、又は赤外線不透過性であってもよい。対電極はＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＴＯ、ＡＺＯ、カーボンナノチューブ、銀、アルミニウム、金、モリブデン、タングステン、又はクロムであってもよい。
【００１４】
読み出しアレイはＳｉトランジスタベースの読み出しアレイ、酸化物トランジスタをベースの読み出しアレイ、又は有機トランジスタベースの読み出しアレイでもよい。読み出しアレイはＣＭＯＳ読み出しアレイ、ａ−Ｓｉ：Ｈ  ＴＦＴアレイ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴアレイ、又はその他のシリコントランジスタ読み出しアレイであってもよい。読み出しアレイはＺｎＯ ＴＦＴ読み出しアレイ、ＧＩＺＯ ＴＦＴアレイ、ＩＺＯ ＴＦＴアレイ、又はその他の酸化物トランジスタ読み出しアレイであってもよい。読み出しアレイは、ペンタセンＴＦＴ読み出しアレイ、Ｐ３ＨＴ ＴＦＴアレイ、ＤＮＴＴ  ＴＦＴアレイ、又はその他の有機トランジスタ読み出しアレイであってもよい。
【００１５】
方法と材料
図５に示す構造でＱＤＩＰをガラス基板上に構築して、Ｃａ／Ａｇの赤外線透明電極とＰｂＳ  ＱＤｓ赤外線感光層を有する装置の性能を試験した。図６は、暗所で赤外線を照射したときの、赤外線透明上部電極を有する赤外線検出器のＩ−Ｖ特性を示す。暗所における電流密度は、ＱＤＩＰの赤外光底面（ガラス面）から上面（Ｃａ／Ａｇ）まで、−３Ｖで約１×１０−４ｍＡ／ｃｍ２と測定された。１．２μｍの赤外線を照射した場合は、約１×１０−２ｍＡ／ｃｍ２、又は約２桁分の電流密度の増加が起こった。図７及び図８に示すように、ＥＱＥ及び赤外線透明上部電極を有する赤外線検出器の検出能は、Ｃａ／Ａｇ上部電極を介して赤外線を照射した場合に、−４Ｖでそれぞれ４％及び１.５×１０−１１Jｏｎｅｓである。照射量のわずかな違い、ＥＱＥとＣａ／Ａｇ電極及びＩＴＯ電極を介する検出能によって、有機装置を、装置の有機ＥＢＬにＣａ／Ａｇ電極を直接配置して製造することが可能となる。
【００１６】
本明細書に記載の実施例および実施形態は、説明のためのものであり、当業者は様々な改変又は変更を示唆することができ、これは本出願の精神および範囲に含まれること理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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