专利名称：用于红外检测和显示的方法和设备的制作方法
用于红外检测和显示的方法和i殳备
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年5月14日提交的美国申请60/930,225和2006年9 月29日提交的美国申请60/848,581的优先权，在此引入其包括任何附图、 表格或图形的整体内容作为参考。
背景技术：
存在用于检测红外(IR)辐射的多种应用。IR可以指波长长于可见光 (>0.7nm )直到约14nm的辐射，其中近IR是指波长为约0.7nm至约LO^im 的子集。 一种应用是在具有低环境光的环境中检测IR，这种情况可能在例 如夜晚发生。还可用于以对于用户可见的波长向用户显示检测的IR的图 像。 一种用于检测IR图像以及向用户显示检测的图像的常用装置是夜视 镜(night-vision goggles )。
常规夜视镜是可能要求非常高的工作电压并且耗费数千美元的复杂电 光器件。典型的夜视镜增强原有的光而不是依靠其自身的光源，并且对于 从可见光到红外的宽光谱每感。被称为物镜的常规透镜捕获包括一些近红 外光的环境光。聚集的光然后被发送到图像增强管。该管向图像管元件输 出例如约5000伏的高电压。图像增强管具有光电阴极，其用于将光能的光 子转换成电子。通过在所述管中使用微通道板(MCP)，当电子通过所述 管时，从管中的原子释放出类似的电子，从而将电子的原始数目增加数千 倍。当来自光电阴极的电子击中MCP的第一电极时，他们通过在电极对 之间传送的5000V的脉沖(burst)而被加速进入玻璃微通道。当电子通过 微通道时，利用称为级联二次发射的过程使得在每个通道中释放数千的其 他电子。这些新电子也与其他原子碰撞，产生链反应，导致其中只进入数
6个电子的通道中留下数千电子。在图像增强管的末端，电子击中涂布有荧 光物质的屏幕。这些电子保持其相对于其通过的通道的位置，由于电子与 原始的光子具有相同的排列，这提供了完美的图像。电子的能量使荧光物 质进入激发态并释放光子。这些荧光物质在屏幕上形成用于表征夜视的绿 色图像。该绿色荧光物质图像通过称为目镜的另一个透镜观察，所述目镜 允许放大和聚焦图像。夜视装置可以连接到例如监视器的电子显示器，或 者可以通过目镜直接观察图像。
因此，需要一种ir传感器/检测器以及ir传感器/检测器-显示器組合， 其在低工作电压下工作，并且重量轻、制造成本低。
发明内容
本发明实施例涉及一种用于红外(ir)检测的方法和"i殳备。特定实施
例利用有机层形成光电晶体管以检测m辐射。ir检测器的波长范围可以 通过包含对不同波长的光子敏感的材料而调节。在特定实施例中，可以在 吸收层中包含这样的材料的量子点，所述材料对具有与光电晶体管的吸收 层的基质有机材料不同的波长的光子敏感，从而增强具有与量子点的材料 相关的波长的光子的吸收。
在另一个实施例中，可以使用光电导体结构代替光电晶体管。在一个
实施例中，光电导体可以包含PbSe或PbS量子点。在另一个实施例中， 光电导体可以包含有机材料。
特定实施例还涉及向用户显示检测的ir图像。在一个特定实施例中， 可以使用有机材料形成有机发光器件。可以向发光层中加入另外的发射不 同波长的材料。在特定实施例中，可以在发光层中包含与其波长不同于发 光层的基质有机材料的波长的光子的发射相关的材料的量子点，以增强有 机发光器件向用户的输出显示。在优选实施例中，利用光电晶体管进行ir 检测，并利用诸如有机发光二极管(OLED)的有机发光器件进行对检测 的ir图像的显示。在更优选的实施例中，串联光电晶体管和OLED。
本发明实施例涉及用于夜视的方法和设备。在一个实施例中，通过沉积有机薄膜层形成夜视装置。本发明实施例可以在例如10-15V的低工作电 压下工作。另外，制造本发明装置的特定实施例的成本可以低于制造常规 夜视系统的成本。在本发明夜视装置的实施例中，有机光电晶体管可以与 诸如有机发光二极管(OLED)的有机发光器件串联。
图1示出二维红外图像传感器/检测器、未像素化(pixdation )的二维 红外图像传感器/显示器阵列以及所述传感器/显示器阵列的电路模型的实 施例；
图2示出根据本发明实施例的PNP双极光电晶体管和NPN双极光电 晶体管；
图3示出在吸收层中使用PbSe量子点的红外图^象/传感器显示器阵列 的实施例；
图4示出在发光层中包含CdSe量子点的本发明显示器件的实施例； 图5示出可以用于本发明各个实施例中的材料； 图6示出使用PbSe量子点作为光电导体的实施例； 图7示出使用有机材料作为光电导体的实施例；以及 图8示出使用光电导体作为光传感器的实施例。
具体实施例方式
本发明实施例涉及用于红外(1R)检测的方法和设备。特定实施例使 用有机层形成用于检测IR辐射的光电晶体管。IR检测器的波长范围可以 通过包含对不同波长的光子敏感的材料而调节。在特定实施例中，可以在 吸收层中包含这样的材料的量子点，所述材料对其波长与光电晶体管的吸 收层的基质有机材料不同的光子敏感，从而增强具有与量子点的材料相关 的波长的光子的吸收。
在另一个实施例中，可以使用光电导体结构代替光电晶体管。在一个 实施例中，光电导体可以包含PbSe或PbS量子点。在另一个实施例中，光电导体可以包含有机材料。
特定实施例还涉及向用户显示检测的IR图像。在一个特定实施例中， 可以使用有机材料形成有机发光器件。可以向发光层中加入另外的发射不 同波长的材料。在特定实施例中，可以在发光层中包含与其波长不同于发 光层的基质有机材料的波长的光子的发射相关的材料的量子点，以增强有 机发光器件向用户的输出显示。在优选实施例中，利用光电晶体管进行IR 检测，并利用诸如有机发光二极管(OLED)的有机发光器件进行对检测 的IR图像的显示。在更优选的实施例中，串联光电晶体管和OLED。
本发明实施例涉及用于夜视的方法和设备。在一个实施例中，通过沉 积有机薄膜层形成夜视装置。本发明实施例可以在例如10-15V的低工作电 压下工作。另外，制造本发明装置特定实施例的成本可以低于制造常规夜 视系统的成本。在本发明夜视装置的实施例中，有机光电晶体管可以与诸 如有机发光二极管(OLED)的有机发光器件串联。
优选地，使用对红外光透明的电极，以允许IR辐射ii7v光电晶体管。 图1中示出IR传感器/检测器的实施例、1R传感器-显示器组合的实施例、 以及用于IR传感器-显示器组合的电路模型的示意图。在图1的左侧示出 了利用多层有机材料形成的PNP双极光电晶体管。这里，CuPc是n层， PTCBl是p层。虽然表示光的弯曲箭头(吸收IR和发射绿光)示出为分 别指向吸收层和发光层，IR光从图1中示出的器件的顶部进入，可见光从 该器件的底部发射。在图1的中部，示出了左侧所示的光电晶体管与OLED 的集成。IR图像可以在光电晶体管的电极层(NiO)的顶部上入射并且穿 过CuPc层进入吸收层(PTCBI)。
当用红外光光激发时，电荷载流子在光电晶体管中产生，并被注入 OLED， OLED然后产生可见光范围的光子。因为有机薄膜的低电导率， 电场将被约束在受到光激发的区域，并且可见光光子将在受激区域内产生。 从而，如果大面积器件暴露于红外图像，将产生可见图像。优选地，在发 射输出图像的底部处使用对可见光透明的电极。在所示的实施例中，使用 1TO作为电极，其对可见光透明。还可以使用其他材料。图l右侧示出在
9中间所示的集成器件的电路图。在特定实施例中，不需要电子设备操作所
述器件。在实施例中，光电晶体管和发光器件的工作电压低于IOV，从而 总的工作电压可低于20V。该器件可以制成为具有非常轻的重量。
在一个实施例中，可以使用玻璃作为用于制造的衬底。整个光电晶体 管和OLED组合可以非常薄，例如小于lnm。然后具有该薄层的玻璃衬底 可以被形成为夜视镜的部分，其中定位该薄层以接收IR图像，并且用户 #1定位以观察从玻璃或塑料衬底发射的可见图像。
图2示出了图1的PNP双极晶体管以及根据本发明也可以使用的NPN 光电晶体管。
现在将描述用于本发明IR检测器-显示器组合的特定实施例的制造工 序。该制造工序不需要任何构图。根据本发明还可以使用其他制造技术以 及其他材料，这对于受益于本公开的本领域技术人员将是显而易见的。在 玻璃或塑料衬底上生长器件，所述衬底被预涂布有100nm厚的具有20欧 姆/平方的表面电阻的铟锡氧化物层。衬底用溶剂去油污，然后通过暴露于 氧等离子体和UV臭氧环境中进行清洁。连续真空沉积生长所有的层而不 中断真空。在用于在铟锡氧化物(ITO)层顶部上制造在图1中间所示的 集成PNP光电晶体管和OLED的第一沉积步骤中，沉积10nm厚的CuPc 作为空穴注入层。然后生长50nm厚的NPD层作为空穴传输层。然后，沉 积60nm厚的Alq3发光层。然后沉积LiF ( 2nm ) /NiO ( 10nm )电荷生成 层。这形成OLED。然后，为了在发光器件的顶部制造光电晶体管，沉积 40nm厚的CuPc层、50nm厚的PTCBI层、40nm厚的CuPc层以及1000nm 的NiO层。
在另一个特定实施例中，参考图3,用PbS或PbSe量子点层替代光 电晶体管的PTCBI层。PbS或PbSe吸收与PTCBI层波长不同的光子。 例如，可以形成这样的PTCBI层，其吸收波长最大为约lpm的光子，并 且可以形成这样的PbSe量子点层或PbS量子点层，其也吸收波长在约lpm 至约3pm的光子，从而扩展到用于检测的波长范围。通过适当的选择吸收 层中的材料，可以实现其他波长范围。
10在另一个实施例中，参考图4，用50nm的Alq3层和CdSe量子点层 替代图1或图3的发光器件的60nm的Alq3层。量子点层的材料可以便于 发射具有不同于由Alq3层发射的光的波长的光。因此，根据本发明也可以 使用其他材料。
图5示出可以用于本发明的实施例的材料的结构。图5示出三-(8-羟基 奮啉)铝(AIq3) 、 4-4，-二[N-(l-萘基)-N-苯基-^J^l联苯(NPD )、酞菁铜 (CuPc)、以及菲-3，4!8，10-四羧二酰亚胺-二~2，6-异丙基~苯(PTCDI) 的结构。
尽管已经描述了旨在主要由有机材料层制造的光电晶体管和光电晶体 管/OLED组合的示例性实施例，其他实施例可以将无机材料用于光电晶体 管和/或发光器件。可以用于制造根据本发明的光电晶体管和/或发光器件的 无机材料的实例包括但不限于非晶硅、锗、以及类金刚石碳。薄膜非晶 珪可以具有PbSe或PbS以吸收IR。无机OLED可以将ZnO用于发射可 见光。在吸收层中无机材料的使用可以检测波长在约lnm至4nm范围内 的IR。这些制造具有与图l、 2、 3和4所示的结构类似的结构的光电晶体 管和/或OLED的材料和技术对于本领域技术人员来说都是已知的。这样， 无机光电晶体管可以与有机OLED结合，有机光电晶体管可以与无机 OLED结合。
本发明的实施例可包含光电导体。在特定实施例中，光电导体可以替 替代在上述实施例中描述的光电晶体管。图6示出包含PbSe量子点的光 电导体器件。PbSe量子点可以用于感测波长在l^m至3nm的光子。光电 导体结构可以由设置在两个电极之间的光电导体材料形成。在一个实施例
中， 一个电极可以由金(Au)形成，第二电极可以由ITO形成。在一个 实施例中，可以在PbSe量子点层的位置(in the place of)使用PbS量子 点。在工作时，通过1R射线的吸收可以在量子点(QD)层中光激发栽流 子。载流子可以移动到OLED元件以发射例如绿光。特别是，电子可以被 注入到OLED元件的发光层并与空穴复合以发出光。
在图6所示的实施例中，可以在OLED元件上形成光电导体。OLED元件可以形成在玻璃衬底上，并且可以包含在衬底上形成的ITO层、在ITO 层上形成的用作空穴传输层的CuPc层、在CuPc上形成的用作空穴传输 层的NPD层、在NPD层上形成的Alq层、以及在Alq层上形成的用于电 荷生成的LiF/NiO层。光电导体可以通过以下步骤在LiF/NiO层上形成 在LiF/NiO层上沉积金层、在金层上形成光电导电材料层、以及在光电导 电材料层上形成ITO层。
图7示出包含有机材料的光电导体器件。参考图7，当包含有OLED 元件时，可以消除用于光电导体的一个电极。特别是，光电导电材料可以 直接接触OLED的空穴传输层。在一个实施例中，可以使用酞菁氧钛 (TiOPc )作为光电导体器件的光电导电材料。TiOPc可以响应于IR射线， 因为TiOPc吸收0.8微米的波长。()LED元件可以形成在玻璃衬底上并且 可以包括形成在衬底上的ITO层、形成在ITO层上的LiF/NiO层、形成 在LiF/NiO层上的Alq层以及形成在Alq层上的NPD层。光电导电材料 可以直接形成在NPD层上而不需要居间电极。
图8示出包含光电导体作为光传感器的实施例。光电导体可以具有非 常大的增益或放大率并且对于放大信号是理想的。光电导体器件包括两层， 电荷传输层和敏化剂。NPD可以用作电荷传输层，PbSe、 PbS和/或InAs 量子点可以用于光子吸收。
在工作时，可以在TiOPc层中光激发栽流子。载流子可以移动到OLED 元件以发射出例如绿光。特别是，可将空穴注入到NPD层中以与电子复合 并发出光。
在本发明实施例中，光电导体的增益可以大至100000。
对于包含光电导体替代光电晶体管的实施例，制造可以包括较少的工
艺步骤，这是因为光电导体的实施例是单层器件，而不是三层的NPN或
PNP结构。
通过参考其包括所有附图和表格的整体内容，以不与本i^L明书的清楚 教导不一致的程度引入在这里所参考或引用的全部专利、专利申请、临时 申请以及公开作为参考。应理解，这里描述的实例和实施例仅仅用于示例的目的，根据其的各 种修改或变化可以从而被启示给本领域技术人员，因此被包括在本申请的 精神和范围内。
权利要求
1.一种红外(IR)检测器，包括吸收层；以及发光层，其中所述吸收层和发光层中的至少一个包括有机材料。
2. 根据权利要求1的IR检测器，其中所述IR检测器包括光电晶体 管，其中所述光电晶体管包含所述吸收层。
3. 根据权利要求l的IR检测器，其中所述IR检测器包括光电导体， 其中所述光电导体包含所述吸收层。
4. 根据权利要求1的IR检测器，其中所述吸收层包括所述有机材料 和对具有不同于所述吸收层的第 一有机材料的波长的光子敏感的材料的量 子点。
5. 根据权利要求l的IR检测器，其中所述发光层包括所述有机材料材料的量子点。
6. 根据权利要求1的IR检测器，其中所述IR检测器包括用于向用 户显示输出图像的显示器，其中所述显示器包含所述发光层。
7. 根据权利要求6的IR检测器，其中所述显示器包括有机发光二极 管(OLED)。
8. 根据权利要求7的IR检测器，其中所述IR检测器包括光电晶体 管，其中所述光电晶体管包含所述吸收层，其中所述光电晶体管和所述 ()LEI)串联。
9. 根据权利要求2的1R检测器，其中所述光电晶体管是PNP双极晶 体管。
10. 根据权利要求2的IR检测器，其中所述光电晶体管是NPN双极晶体管。
11. 根据权利要求8的IR检测器，其中所述光电晶体管包括对IR光 透明的第一电极，其中待检测的IR光通过所述第一电极并进入所述光电晶体管的吸收层，其中在所述吸收层中吸收所述IR光以产生电荷载流子， 其中所述电荷载流子被注入到所述OLED中以产生光子，其中所述OLED 包括对所述产生的光子透明的第二电极，其中所述产生的光子通过所述第 二电极。
12. 根据权利要求ll的IR检测器，其中所述产生的光子在可见范围内。
13. 根据权利要求12的IR检测器，其中通过所述第二电极的所述产 生的光子形成输出图像，其中所述输出图像对应于入射在所述第一电极上 的红外图像。
14. 根据权利要求1的IR检测器，其中所述吸收层包括PbSe量子点。
15. 根据权利要求1的IR检测器，其中所述吸收层包括PTCB。
16. 根据权利要求1的IR检测器，其中所述发光层包括Alq3。
17. 根据权利要求1的IR检测器，其中所述发光层包括CdSe量子点层。
18. 根据权利要求1的IR检测器，其中所述吸收层包括PbS量子点。
19. 根据权利要求1的IR检测器，其中所述吸收层包括有机材料， 其中所述发光层包括无机材料。
20. 根据权利要求1的IR检测器，其中所述发光层包括有机材料， 其中所述吸收层包括无机材料。
21. 根据权利要求19的IR检测器，其中所述IR检测器允许检测在 约lnm至约4nm范围内的波长。
22. 根据权利要求14的IR检测器，其中所述IR检测器允许检测在 约lpm至约3pm范围内的波长。
23. 根据权利要求22的1R检测器，其中所述IR检测器包括光电导 体，其中所述光电导体包含所述吸收层，其中所述光电导体和OLED串联。
24. 根据权利要求23的IR检测器，其中所述光电导体与所述OLED 的空穴传输层直接接触。
25. —种检测红外(IR)的方法，包括提供ir检测器，其包括 吸收层；以及发光层，其中所述吸收层和发光层中的至少一个包括有机材料； 使ir光入射在所述ir检测器上；以及 接收由所述发光层发射的光作为所述入射ir光的显示。
26. —种红外(ir)检测器，包括 光电晶体管，其中所述光电晶体管包括，第一电极；第一晶体管层； 第二晶体管层；第三晶体管层，其中所述第一晶体管层、所述第二晶体管层以及 所述第三晶体管层形成双极晶体管；以及第二电极，其中入射在所述第一电极上的ir光通过所述第一电极并在所述第二晶体管层中被吸收，其中电荷载流子由所述吸收的光子 产生并通过所述第一和第二电极而被收集以产生电流。
27. —种夜S见镜，包括衬底，当所述夜一见镜被用户佩戴时，所述衬底位于用户的眼睛附近； 衬底上的薄层，其用于接收入射的IR图像并向用户输出对应于所述 IR图像的可见图像； 其中所述薄层包括 吸收层；以及发光层，其中所述吸收层和发光层中的至少一个包括有机材料。
28. 根据权利要求27的夜视镜，其中所述薄层包括光电晶体管，其中 所述光电晶体管包含所述吸收层。
29. 根据权利要求27的夜视镜，其中所述薄层包括光电导体，其中所 述光电导体包含所述吸收层。
30. 根据权利要求27的夜视镜，其中所述薄层包括有机发光二极管 (oled )，其中所述oled包含所述发光层。
31.根据权利要求30的夜视镜，其中待检测的IR光通过对IR光透 明的第一电极并进入所述吸收层，其中在所述吸收层中吸收所述IR光以 产生电荷载流子，其中所述电荷栽流子被注入到所述OLED中以产生光子， 其中所述产生的光子通过对所述产生的光子透明的第二电极，其中所述产 生的光子在可见范围内，其中通过所述第二电极的所述产生的光子产生与 入射在所述第 一 电极上的红外图像对应的可见输出图像。
全文摘要
本发明实施例涉及用于红外检测的方法和设备。可以利用有机层形成用于检测IR辐射的光电晶体管。IR检测器的波长范围可以通过包含对不同波长的光子敏感的材料而调节。可以在吸收层中包含这样的材料的量子点，所述材料对具有与光电晶体管的吸收层的基质有机材料不同波长的光子敏感，从而增强具有与量子点的材料相关的波长的光子的吸收。可以使用光电导体结构替代光电晶体管。所述光电导体可以包含PbSe或PbS量子点。光电导体可以包含有机材料和OLED结构的部分。检测的IR图像可以显示给用户。有机材料可以被用于形成有机发光器件。
文档编号G02B23/12GK101558348SQ200780040324
公开日2009年10月14日 申请日期2007年10月1日 优先权日2006年9月29日
发明者F·索 申请人:佛罗里达大学研究基金公司