专利名称：具有提高的灵敏度的有机像素化平板探测器的制作方法
具有提高的灵敏度的有机像素化平板探测器
本发明涉及一种具有提高的灵敏度的有机像素化平板探测器. 基于无机的平板探测器是已知的，其通过光电探测器和闪烁器以 高灵敏度探测辐射.
在商业上可得到的平板探测器(用于X射线輻射和其它辐射)中， 将a-Si薄膜晶体管和a-Si PIN 二极管相组合.但尤其由于PIN 二极管， 这些探测器在制造方面成本很高，即贵.基于有机半导体材料的光电 二极管提供以下可能性制造在可见光讲范围内具有高外部量子效率 (50至85% )的像素化平板探测器(pixelierter Flachdetektor).这 里所使用的薄有机层系统可以利用已知的制造工艺、如旋涂 (Spin-Coating)、刮(Rakeln)或印刷工艺成本低廉地来制造，因此 可以实现价格优势，特别是对于大面积的平板探测器来说.例如由US 2003/0025084已知这种有机平板探测器例如在医学图像识别中作为X 射线平板探测器的很多有前景的应用，因为这里典型地在至少几厘米 的较大面上探测闪烁器层的光.
由US 2004/0135911已知一种基于无机的平板探测器，该文献公开 了例如具有包括非晶躡的光敏层的无机p-i-n光电二极管，该无机p-i-n 光电二极管与包括多个薄膜晶体管的放大器电路连接.其缺点在于， 除了使用昂贵的PIN 二极管外，在每一列中还必需有附加的电阻R,。ad.
此外由出版物US 6600160 B2已知一种常规的基于PIN二极管的 平板探测器，该平板探测器除了光敏元件、即PIN二极管在制造方面 不经济的显著缺点外，还具有只包括一个放大器的电路，但为此表明 一种装置，在该装置中对于每个待读取的列都需要附加的精确的电流 源.
本发明的任务是，克服现有技术的缺点，并提供成本低廉的平板 探测器。
该任务通过权利要求书、说明书和附图的主題及
得以解决.
本发明的主题是具有由像素构成的行和列的像素化平板探测器， 所述像素分别至少包括有机光电二极管、复位晶体管、放大晶体管和
读取晶体管.
"像素(Pixel)"系指由光电二极管、晶体管和所属的线路构成 的当前单元.基本上将本发明主題与已知的平板探测器相区别的可成 本低廉地制造的有机光电二极管属于像素.
根据本发明，像素化平板探测器包括具有超过200，例如超过IOOO 行的大的有源矩阵探测器阵列.就这种大的阵列而言，读取电子系统 的噪声份額(也称为"放大器噪声")和线路的噪声份額(数据线处 的热噪声以及由与外部电压源的电容性耦合引起的外来噪声)相比于 单个像素的噪声份额典型地占优势.
根据本发明规定，这些噪声份額通过预放大每个单个像素、即放 大所产生的信号已经在像素层面上有效地得以减小，因此可以将有机 光电二极管应用在平板探测器工业中.为此，每像素需要两个附加的 晶体管放大晶体管和复位晶体管.
根据本发明在每个像素中所含有的不同的晶体管既可以基于无机 来构造，又可以基于有机来构造.因此此外可能使用基于无机的晶体 管，因为由非晶硅构成的薄膜晶体管通过平板屏幕工业在技术上得以 广泛发展，因此可成本低廉地得到.
但根据本发明也规定，部分地或完全地使用基于有机的晶体管.
根据本发明的一种有益扩展方案规定，有机二极管与对于所有像 素共同的供电电压Vi连接，在照明时，该有机二极管导致电压Vsignal 的改变，该电压Vsignal在每个照明周期之前利用复位晶体管的栅极上的
电压脉冲Vreset被复位成电压V2.根据本发明的一种有益实施形式，
在像素中，有机光电二极管直接与放大器晶体管和复位晶体管连接.
根据本发明的一种有益实施形式，在像素中，读取晶体管与放大 器晶体管连接，所述放大器晶体管又与复位晶体管和光电二极管连接.
与二极管和/或晶体管器件相关联的概念"有机的(organisch)" 在这里具有完全一般的含义，且包括英文"plastics (塑料)"的含义， 因此尤其还应该一起包括不是必然含有碳的其它化合物和聚合物以及 金属有机材料、所有种类的混杂物和聚合物混合物或者以非聚合方式 存在的化合物的混合物、如齐聚物和单体.为此例如还出现硅树脂或 其它常见的合成材料，也即除了以常见的方式形成常规的p-i-n二极管 的无机半导体之外的所有材料.根据本发明的有机光电二极管至少包括衬底层、下电极、光敏层、
上电极和必要时封装.衬底可以由厚度范闺在50pm至2mm的玻璃、 由柔性合成材料或金属膜或者其它常见材料制成.在此如果在衬底上 除了有机光电二极管之外还布置有其它器件，如晶体管，則是有利的. 通过在村底上的布置，缩短了线路，简化了生产步骤，且基本上节省 了成本.
根据本发明对具有有机光电二极管的像素的预放大当然不排除平 板探测器还具有用于放大信号的其它装置.例如可以使用还放大信号 的电阻、电容器、其它二极管和/或晶体管.
下面还将根据涉及本发明的优选实施形式的4个附图详细说明本 发明
图1示出有源像素的开关电路的示意困；
图2示出由平板探测器的两行和两列构成的阵列的示意困；
图3示出有源有机像素的俯视困；和
图4示出在困3中标出的通过有源像素的剖视图.
在困1中示出了根据本发明的有源放大像素1.每个像素1都含有 有机光电二极管2、复位晶体管3、放大晶体管4和读取晶体管5.有 机光电二极管2与供电电压VI连接，在这里所示的实例中供电电压 Vl对于所有像素来说是共同的.在照明时，有机光电二极管2导致电 压Vsignal的改变，所述电压Vsignal在每个照明周期之前利用在复位晶体 管3的栅极6上的电压脉冲Vrewt被复位为电压V2.在照明之后，信号 通过放大器晶体管4被读出，在所述放大器晶体管4的漏极側7施加 电压V3，所述放大器晶体管4的源极側8通过读取晶体管5与数据线 9连接并最终通过该数据线与读取电子系统连接.供电电压V2和V3 对于所有像素来说同样是共同的.所述供电电压可以处于相同的电压 电平，和通过共同的线路来连接.但为了优化信号放大，有利的是通 过两个分开的线路施加不同的电压V2和V3.
如可以看到，光电二极管直接与放大器晶体管的栅极接触和复位 晶体管的源极接触相连接.读取晶体管5的漏极接触与放大器晶体管4 的源极接触8相连接，所述放大晶体管4又通过其栅极与复位晶体管3 和光电二极管2相连接，
示例性的电压值对于VI为+15V，对于V2为+10V，对于V3为+20V.电压Vreset和Vread形成脉动信号，所述脉动信号例如在值 -5V(OFF)和+15V(ON)之间切换.
困2示意性地示出由多个如图1中所示的有源像素1所构成的阵 列的开关电路.每一行需要用于脉动供电电压Vreset和Vread的两个 驱动器IO、 11.信号放大器通过线路9连接在每一列上.另外，每个 像素都连接到用于V1、 V2和V3的在本实例中共同的供电线路上.用 于供电电压VI的端子这里例如是全面电极，所述全面电极与整个阵列 重叠且在困中未示出.共同的供电电压V2和V3这里例如分别以列的 方式联合，其中各个支路在阵列边缘处分别联合成共同的端子.原则 上，这些支路也可以首先以行的方式联合，并相应地在右边缘与引线 相连接.同样可以建立不同于所示的供电电压VI.
供电电压V2和/或V3可以针对所有的像素被连接，如困中所示， 但所述供电电压V2和/或V3也可以针对单个像素来设计.V2的电位 可以与V3相等或不相等.
图3示意性示出有源有机像素的俯视图，图4示出在图3所示位 置处通过有源有机像素的剖视图.
在该实例中，用于V2和V3的供电电压联合在一个垂直线路中， 因此这两个电位在此相同.
根据另一实施形式，两个电位V2和V3不相等.
回到困3还可看出，在那里所示的实例中，像素阳极14与复位薄 膜晶体管3 (TFT)和放大器薄膜晶体管4 (TFT)重叠.此外可以识 别栅极13和源极/漏极15.这相比于在阳极和晶体管之间不重叠的设 计明显提高了栽荷因数(Ftillfaktor).有机光电二极管像素的有效栽 荷因数在这种情况下通过像素阳极14的面加上包围该面的几Mm的引 入区域来确定.为了再进一步提高栽荷因数，还可以附加地与读取晶 体管5重叠，但这随之产生了附加寄生电容的缺点.对于栽荷因数不 太临界的应用情;兑来说，也可以放弃与复位晶体管3和/或放大器晶体 管4的重叠.
就根据本发明的平板探测器而言，根据一个实施例，有机光电二 极管的结构化电极与复位晶体管和/或与放大器晶体管和/或与读取晶 体管重叠.
就根据本发明的平板探测器而言，根据另一实施形式，有机半导
体层是全面的.
就根据本发明的平板探测器而言，根据另一实施形式，有机半导 体层在像素层面上被结构化.
在困4的实例中，不仅有机半导体层16而且共用的(这里半透明 的)阴极18是全面的，且在阵列的所有像素上被结构化.有机半导体 16原则上也可以被结构化成各个像素阳极的几何形状，上电极18始终 连续地处于电位VI.
像素阳极14和像素阴极18的功能也可以相对于图4中的实例而 被互换，只有与放大器晶体管和复位晶体管相连接的电极才分别被结 构化到单个像素中，而另外的电极则是连续的(zusammenhangend). 有机半导体层16可以包括多个有机分层，且可以在有机层之上和/或之 下涂敷附加的无机阻挡层.
由非晶硅组成的晶体管结构的典型材料和层厚
-槺极金属Cr或Al,在50和500nm之间；
-第 一钝化SiNx或SiOxNy,在100和500nm之间；
-a-Si:在30和300nm之间(部分摻杂)；
-源极/漏极金属Cr或Al，在50和500nm之间；
-第二钝化SiNx、 SiOxNy或有机光刻胶，在100和500nm之间.
有机晶体管用的典型材料
导电的基于聚苯胺的聚合物，称为基于聚嚷吩的半导体聚合物 和基于聚乙烯的绝缘体聚合物.层厚视晶体管结构不同而有所不同， 通常采用薄膜层技术.
有机二极管的典型材料和层厚
-像素阳极Au、 Pd、 Pt、 ITO，在20和200nm之间； -有机半导体由有机电子移动分量(例如C60或PCBM-苯基 -C61-丁酸甲酯)和有机空穴移动分量(例如P3AT-聚3-烷基噱吩或 PPV-聚苯乙炔(Polyphenylenvinylen ))构成的混杂物，在50和500nm 之间；
-半透明阴极由Ba、 Ca、 Mg、 LiF或CsF构成的笫一层，在l 和10nm之间，和必要时层厚在3和30nm之间的由Ag、 Al或ITO构 成的覆盖层.
最后，整个部件大部分都受到封装(例如玻璃套或薄膜封装)的
保护免受氣和湿气的影响.
在另一实施例中，薄膜晶体管可以被实现为有机场效应晶体管
(OFET).这可能也为晶体管开启更廉价的制造工艺的可能性.此外， 这种结构适合于在柔性的衬底上制造可弯曲的或可变形的探测器阵 列。
本发明有源放大有机探测器阵列的优点在于，在数据线和放大器 中所产生的噪声份類的权重的减少.阵列越大，总噪声减少的效应越 高.在用于荧光镜检查和射线照相应用的X射线探测器阵列的情况下， 行数典型地在1000和3000之间.在该领域中，上述根据像素所产生 的噪声份額导致典型为总噪声的40 % -90 %的部分.在使用有源放大像 素的情况下，噪声份额的效应通过如下方式得到减小，即在产生确定 的噪声份額之前就已经将信号放大.尽管由此并不能在总体上减少噪 声，但通过较早的放大而明显提高了信噪比和探测器的灵敏度.
在信噪比方面改善的程度取决于放大像素的增益G.增益说明了 在像素中所产生的光电荷与输出放大器处的电荷量之比.所述增益由 如下公式给出
G-g*t/C，
其中g是放大晶体管的跨导，t是用于读取像素的采样时间，C是 像素电容.在使用a-Si晶体管的情况下，这些参量的典型值为 G-lxlO-6至5xlO-6A/V T=10至50jis
C=l至5pF (在80jim和200jim之间的像素间距的情况下)，
对此，典型的增益因数在3和30之间的范围内.
仿真表明，对于具有像素间距为150nm、读取时间为20网、像素 电容为4pF的有机探测器阵列来说，利用为IO的增益因数可以将信噪 比改善2至3倍(相比于无放大装置、而仅有简单的读取晶体管的像 素).
最小的可探测的信号通过与像素放大器的输入有关的总噪声来确 定。根据仿真，通过按照本发明在有机探测器阵列中使用有源放大像 素，针对1000x 1000像素的阵列的输入噪声值可以从2000电子减少到 1200电子.对于较大的阵列来说，所述因数变得更大.对于在约1500 电子以下的输入噪声值来说，可以利用X射线探测器探测到各个X射
线量子.
因此，根据本发明的改善可以实现有机光电二极管在用于低刑量
范围的X射线平板探测器中的商业应用.
本发明涉及一种具有提高的灵敏度的有机像素化平板探测器.这
通过在像素层面上预放大来实现.
权利要求
1.具有由像素构成的行和列的像素化平板探测器，其中所述像素分别至少包括有机光电二极管、复位晶体管、放大晶体管和读取晶体管。
2. 如权利要求1所述的平板探测器，其中有机二极管与对于所有 像素共同的供电电压Vi连接.
3. 如权利要求1或2中任一项所述的平板探测器，其中在像素中， 有机光电二极管直接与放大器晶体管的栅极接触和复位晶体管的源极 接触相连接.
4. 如权利要求1至3中任一项所述的平板探测器，其中在像素中， 读取晶体管的漏极接触与放大器晶体管的源极接触相连接，和/或所述放大器晶体管又通过其栅极与复位晶体管和/或光电二极管连接，
5. 如前述权利要求中任一项所述的平板探测器，其中在复位晶体 管的漏极接触处的电位V2对于所有像素是共同的.
6. 如前述权利要求中任一项所述的平板探测器，其中在放大器晶 体管的漏极接触处的电位V3对于所有像素是共同的.
7. 如前述权利要求中任一项所述的平板探测器，其中所述电位V2 和V3相等.
8. 如前述权利要求中任一項所述的平板探测器，其中所述电位V2 和V3不相等.
9. 如前述权利要求中任一项所述的平板探测器，其中一个或多个 基于有机的晶体管由非晶硅和/或由LTPS、即低温多晶硅来构造.
10. 如前述权利要求中任一项所述的平板探测器，其中有机光电二 极管的材料从以下材料组中选出-像素阳极Au、 Pd、 Pt、 ITO;-有机半导体由C60或PCBM和P3HT或PPV构成的混杂物； -半透明阴极Ba、 Ca、 Mg、 LiF或CsF.
11. 如前述权利要求中任一項所述的平板探测器，其中有机光电二 极管具有半透明阴极，该半透明阴极具有由从以下材料组中选出的材料构成的覆盖层Ag、 Al或ITO.
12. 如前述权利要求中任一项所述的平板探测器，其中有机光电二 极管的结构化电极与复位晶体管重叠，
13. 如前述权利要求中任一项所述的平板探测器，其中有机光电二 极管的结构化电极另外与放大器晶体管重叠.
14. 如前述权利要求中任一项所述的平板探测器，其中有机光电二 极管的结构化电极另外与读取晶体管重叠.
15. 如前述权利要求中任一项所述的平板探测器，其中有机半导体 层是全面的，
16. 如前述权利要求中任一项所述的平板探测器，其中有机半导体 层在像素层面上被结构化.
全文摘要
本发明涉及一种具有提高的灵敏度的有机像素化平板探测器。这通过在像素层面上的预放大来实现。
文档编号H01L51/46GK101361188SQ200680051305
公开日2009年2月4日 申请日期2006年11月9日 优先权日2005年11月17日
发明者D·亨塞勒, G·威特曼, H·克劳斯曼, J·富尔斯特, S·F·特德 申请人:西门子公司