基于平板显示TFT基板的大面积红外探测器件及其驱动方法与流程

本发明属于红外探测技术领域，具体涉及一种基于平板显示TFT基板的大面积红外探测器件及其驱动方法。

背景技术：

红外探测技术是利用红外光电转换器件将探测物体所辐射的红外信号转换为电流或者电压信号，并经过读出电路对电信号进行放大和输出等一系列操作，从而获取探测物体和背景的红外图像信息。红外探测技术广泛应用于军事国防、工业控制、刑事侦查、医疗卫生、资源勘查等关系到国计民生的各个领域。

从二十世纪四十年代出现了高灵敏度的红外探测器至今，红外光电探测器大体可分为三代：第一代采用单元或小规模线列探测器，它使用二维机械扫描系统来获取红外图像。制冷型探测器通过引线穿过低温系统后与室温下前置放大器连接，其内部并没有集成读出电路。

第二代红外探测器的特征是大规模的探测器阵列和硅工艺读出集成电路(ROIC,Readout Integrated Circuit)采用机械联结的方式形成焦平面阵列(FPA，Focal Plane Array)。整个红外探测器可以分为红外探测阵列和读出电路两个部分。红外探测阵列的主要功能是将辐射红外图像信号变成在空间与其对应的电信号阵列，而读出电路则将所获取的空间电信号阵列按一定次序输出。第三代红外探测器是第二代探测器进一步发展的结果，其主要代表型器件为大规模、超大规模高性能的凝视型探测器。

红外探测器根据结构的不同又可将其分为单片式和混成式。单片式红外探测阵列和读出电路制作在同一衬底上，一般来说衬底需要采用特定的具有合适光谱效应的红外探测材料。混成式红外探测器的探测阵列和读出电路分别制作在不同的衬底上，然后通过铟柱倒焊互联。混成式红外探测器的探测阵列和读出电路可以分别选用最合适自身的材料和工艺制作，而且可以分别进行测试筛选，确定其最优性能，挑选出最好的芯片进行倒焊互联，所以能够有效保证整个器件的性能处于较为理想的状态。现阶段普遍采用这种混成式结构，

在红外探测器中，探测阵列大都采用HgCdTe、InGaAs等三元半导体化合物做为光电转换材料，以提高光电转换效率和获得较好的波长响应特性。读出电路是红外探测器的重要组成部分，它通常是采用标准CMOS硅工艺制作的集成电路，其基本功能是对红外探测阵列所产生的空间分布电流信号或者电压信号按一定的次序输出，以及片上数字化处理等。

在现有的红外探测器件中，由于读出电路大都是基于CMOS硅工艺的集成电路，所以其探测阵列的面积非常有限，需要一定的光学系统对探测图像进行聚焦成像，无法实现直接大面积平板探测成像。另外，无论是硅基的读出电路，还是三元半导体探测阵列，都需要采用高温的扩散、掺杂等工艺，所以无法制备于玻璃、塑料、聚合物等衬底上。因此现有的红外探测器结构和制备方法等，都无法满足人们对柔性器件以及可穿戴设备的要求。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于平板显示TFT基板的红外探测器及其驱动方法。与红外阵列探测器相似，平板显示器件，如TFT-LCD和TFT-OLED等，也需要一个阵列型的驱动电路向各个显示像素提供所需要的电压或者电流信号。不同之处在于为了实现大面积显示，平板显示的阵列驱动电路不是基于CMOS工艺的硅基集成电路，而是在玻璃基板上采用低温薄膜技术制备的非晶硅薄膜晶体管电路、或者多晶硅薄膜晶体管电路、或者氧化物薄膜晶体管电路。本发明提出利用平板显示器的TFT基板向每一个像素的源极金属层提供一定的偏压，再在源极金属层上制备红外光电转换层，在光电转换层上制备阴极电极，从而构成光电探测阵列，并从阴极输出每个像素探测的光电流或者光电压。

由于平板显示器的TFT基板都采用玻璃衬底，所以必须在TFT基板上常温制备光电转换层。本发明提出首先采用化学溶液法制备PbS或者Ge量子点，然后再采用旋涂、喷墨打印或者转印等方法在TFT基板上沉积量子点，并将其做为光电转换层。

由于采用成熟的平板显示器TFT基板，本发明提出的红外传感器具有探测面积大、成本低廉、可以扩展到塑料等柔性衬底的特点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于平板显示TFT基板的大面积红外探测器件，采用TFT基板，其结构为：以玻璃衬底为基板，上设栅极电极，以及漏级电极和源级电极；

所述栅极电极的上部及外侧覆盖有绝缘介质层，所述漏级电极和源级电极分别位于所述绝缘介质层两侧并与其上部及两侧连接，所述漏级电极和源级电极之间设有半导体沟道；

所述源极电极上设有量子点光电转换层，所述量子点光电转换层上部设有公共电极。

进一步的，所述量子点光电转换层所用的红外光电转换材料为PbS或者Ge半导体量子点。

进一步的，所述PbS半导体量子点采用化学溶液法制备，具体如下：

a)按摩尔质量比为2:5将氧化铅(PbO)粉末分散于油酸(OA)有机溶液，将该分散液溶于十八胺(ODA)溶液配置成为14.5wt％的混合溶液；将该混合溶液置于三颈圆底烧瓶中，抽真空；其次通入氮气，在烧瓶中形成氮气保护氛围，在氮气保护下将混合溶液充分搅拌并加热至180℃，直至PbO完全溶于溶液；

b)将上述反应得到的溶液自然冷却，当温度降至140℃时，将与液体体积比为0.02的六甲基二硅硫烷(TMS)和0.13的正十八烷(ODE)混合溶液注入到步骤a)得到的反应液体中并充分搅拌；

c)向步骤b)得到的溶液注入液体体积比为0.4的正己烷溶液混合均匀，并将混合完全的溶液转移到室温温度的水浴器中，将液体温度降低到室温，获得PbS量子点溶液；

d)所述PbS量子点溶液采用清洗溶液进行离心清洗，取下层溶液，获得清洗后的PbS量子点溶液；所述清洗溶液依次分别为异丙醇与丙酮溶液的混合溶液、甲醇溶液和丙酮溶液混合；

e)最后将步骤d)获得的PbS量子点溶液放置于真空腔体中，在60℃条件下烘干约10个小时，获得PbS量子点粉体。

进一步的，所述步骤d)的清洗方法，具体为：

初次清洗：首先异丙醇与丙酮溶液按照体积比1:2混合，形成清洗溶液，将步骤c)得到的PbS量子点溶液注入清洗溶液，离心机7000转/分钟离心5分钟，得到分层的离心溶液；将分层的离心溶液的上层溶液倒掉，重新加入清洗溶液，重复离心清洗过程3～4次，取最后一次离心后的下层溶液，即获得经过初次清洗的PbS量子点溶液；

二次清洗：将甲醇溶液和丙酮溶液按照体积比1:2混合，形成清洗溶液，将经过初次清洗的PbS量子点溶液注入该清洗溶液，并按照初次清洗的离心清洗方法，再清洗3到4次，获得经过两次清洗的PbS量子点溶液。

因为通过步骤(a)、(b)、(c)获得的PbS量子点溶液存在残存溶剂杂质，且这些杂质不溶于甲醇，因此采用两次清洗去除杂质。

进一步的，所述Ge半导体量子点采用化学溶液法制备，具体如下：

a)将GeO₂粉末溶于NaOH碱液中，得到Ge酸根离子前驱液，将前驱液的pH值调节为6～8，将天然生物大分子壳聚糖溶入该溶液中，采用磁搅拌器100～300rpm的搅拌速度混合均匀，过滤掉不溶物，得到分散良好的反应液体；

b)按照NaBH₄与GeO₂摩尔比4：1的比例将NaBH₄加入所述反应液体中；混合液体在氮气保护中以800～1000rpm速度搅拌2～4h，得到红棕色样品溶液；

c)将所述红棕色样品溶液透析24h，离心冷冻干燥得到粉体，并将粉体溶于甲苯之中形成黄色溶液，获得Ge纳米颗粒稀释液；

d)将所述Ge纳米颗粒稀释液置于聚四氟乙烯烧杯中，并进行超声振荡；采用微量进液器以10s一次，每次2μL体积的速率将氢化与氧化剂溶液滴入至Ge纳米颗粒稀释液，产生氢化和氧化反应；

e)步骤d)所获得的反应液用100nm孔径的PVDF(Polyvinylidenefluoride)滤纸过滤，收集量子点材料，烘干后将量子点溶于甲苯之中，获得Ge量子点溶液。

进一步的，所述步骤d)中的氢化与氧化剂溶液为：采用质量分数为69wt％硝酸(HNO₃)与46wt％氢氟酸(HF)以体积比1:4混合而成。

进一步的，所述步骤d)的反应时间为10～40分钟，由此控制量子点的尺寸大小；在该反应过程之中，Ge量子点的表面将首先被硝酸氧化为锗氧化物并被氢氟酸氢化为Ge_xO_yH_z壳层结构，并阻止Ge材料继续被氧化。

进一步的，所述量子点光电转换层的制备方法为：在所述源极电极上方于常温下沉积可传感红外信号的PbS或者Ge量子点光电转换层，采用包括低温旋涂、喷墨打印或者转印的方法。

进一步的，所述公共电极的制备方法为：在所述量子点光电转换层上利用包括溅射在内的薄膜沉积方法制备透红外的导电电极，包括透明的氧化铟锡导电层，即为公共电极。

上述的基于平板显示TFT基板的大面积红外探测器件的驱动方法，包括以下步骤：

1)在栅极电极上施加行选信号，在漏极电极上施加列选信号，实现传感单元寻址；

2)在公共电极上按时序输出每个探测单元的光电转换电流，并通过放大器进行输出信号放大，从而完成红外图像的探测。

有益效果：本发明提供的一种基于平板显示TFT基板的红外探测器及其驱动方法，与现有技术相比，具有以下优势：

1.本发明采用平板显示器件的TFT基板电路做为探测阵列的读出电路，制备工艺非常成熟，而且避免了现有技术中硅基读出电路与红外焦平面阵列之间的倒铟焊等复杂工艺，降低了制备成本。

2.本发明所述的基于平板显示TFT基板的红外探测器，由于采用薄膜工艺在玻璃基板上制备TFT驱动和读出电路，所以TFT基板尺寸可以增大到50英寸以上，由此可以获得相同的红外图像探测面积。而在现有的红外探测技术中，由于受到红外焦平面为加工工艺以及读出电路CMOS工艺的限制，其图像探测面积通常在2英寸以下，因此需要额外的光学系统对红外图像聚焦成像。

3.本发明所述的基于平板显示TFT基板的红外探测器，其TFT基板采用低温薄膜工艺制备，光电转换层则采用旋涂、喷墨打印或者转印等方法在常温下沉积，公用电极通过溅射制备。因此，本发明提出的探测器结构和制备方法，可以适用于塑料、聚合物等柔性衬底，制备柔性的红外探测器件，满足穿戴式设备的需要。

附图说明

图1为本发明的基于平板显示TFT基板的红外探测器截面图；

其中有：玻璃衬底1、栅极电极2、绝缘介质层3、半导体沟道4、漏极电极5、源极电极6、量子点光电转换层7、公共电极8；

图2为图1的俯视剖面图；

图3为本发明的基于平板显示TFT基板的红外探测器的探测阵列的行列选址和驱动信号；

图4为本发明的基于平板显示TFT基板的红外探测器单个探测像素的电路结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明为一种基于平板显示薄膜晶体管(TFT)基板的大面积红外探测器件，包括器件结构、制备方法和驱动方法。因为平板显示器的TFT基板技术成熟，所以本发明提出的红外探测器件成像面积大，且成本低廉，可用于工业探测、安全检查以及医疗检查等。该红外探测器的发明点包括：1.TFT基板。为了简化器件结构，降低制作成本，本发明采用与TFT-LCD相同的薄膜晶体管基板。2.采用化学溶液法制备PbS或者Ge半导体量子点，并将其作为光电转换材料3.在薄膜晶体管基板上方采用低温旋涂、喷墨打印或者转印等方法，沉积可传感红外信号的PbS或者Ge量子点层。4.在量子点光电转换层上利用溅射方法制备对红外吸收较少的公共导电层，如透明的氧化铟锡导电层；5.薄膜晶体管背板的像素源电极、量子点光电转换层，以及透明电极构成红外光敏电阻结构。该光敏电阻吸收红外信号后，产生光生载流子，从而改变电阻的阻值。由于采用薄膜晶体管基板，量子点层与透明公共电极层皆不需要图案化。

如图1所示为一种基于平板显示TFT基板的红外探测器，该探测器典型结构包括：玻璃基板即玻璃衬底1上设有栅极电极2，栅极电极2上设有绝缘介质层3，绝缘介质层3上设有漏电极5和源电极6，漏电极5和源电极6之间设有半导体沟道4材料，在源电极6上设有用于红外光电转换的量子点层7(如PbS或者Ge量子点)，量子点层7上设有公共电极8。由于平板显示器TFT技术成熟，且可以制备大尺寸基板，因此本发明可以实现大面积的红外图像成像，不需要额外的光学成像系统。另外，TFT电路和量子点光电转换层皆可以在较低温度下工艺制备，所以本发明提供的探测器结构和制备方法适合在塑料等柔性衬底上制备传感器。

实施例

参考图1是本发明提出的一种基于平板显示TFT基板的大面积红外探测器件，该传感器包括：玻璃基板1上设有栅极电极2，栅极电极上设有绝缘介质层3，绝缘介质层上设有漏电极5和源电极6，漏电极5和源电极6之间设有半导体沟道材料4，在源电极上设有用于红外光电转换的量子点层7，量子点层上设有公共电极8，构成红外传感器。

针对平板显示TFT基板选用玻璃衬底的特点，本发明采用化学溶液法制备PbS或者Ge量子点，将其作为光电转换材料，并利用旋涂、喷墨打印或者转印等方法在玻璃TFT极板上常温沉积光电转换层。即采用旋涂、喷墨打印、以及转印等方法将PbS或者Ge量子点光电转换层常温下沉积于漏电极之上。

PbS量子点制备方法为：

a)按摩尔质量比为2:5准备氧化铅(PbO)粉末与油酸(OA)有机溶液，将PbO完全分散于OA溶液后，将该分散液溶于十八胺(ODA)溶液配置成为14.5wt％的混合溶液。将该混合溶液置于三颈圆底烧瓶中，利用真空泵将烧瓶抽真空，每20分钟抽一次，共抽三次。其次通入氮气约5分钟，在烧瓶中形成氮气保护氛围。在氮气保护下将混合溶液充分搅拌并加热至180℃，直至PbO完全溶于溶液。。

b)将上述反应得到的溶液自然冷却，当温度降至140℃时，将于液体体积比为0.02的六甲基二硅硫烷(TMS)和0.13的正十八烷(ODE)混合溶液被注入到步骤a)得到的反应液体中并充分搅拌。

c)向步骤b)得到的溶液注入液体积比为0.4的正己烷溶液，并将混合完全的溶液转移到室温温度的水浴器中，将液体温度降低到室温，获得PbS量子点溶液。

d)将足量的异丙醇与丙酮溶液按照体积比1:2混合，形成清洗溶液。将步骤(c)得到的PbS量子点溶液注入清洗溶液，利用离心机在7000转/分钟条件下离心5分钟，得到分层的离心溶液。将分层的离心溶液的上层溶液倒掉，重新加入足量的清洗溶液，重复离心清洗过程3～4次。将最后一次获得的离心层层溶液上层倒掉，获得经过初次清洗的PbS量子点溶液。

e)将甲醇溶液和丙酮溶液混合，形成清洗溶液。将步骤(d)得到的量子点溶液注入该清洗溶液，并按照(d)所示的离心清洗方法，再清洗3到4次，获得经过两次清洗的PbS量子点溶液。

f)最后将步骤(e)获得的PbS量子点溶液放置于真空腔体中，在60℃条件下烘干约10个小时，获得PbS量子点粉体。

Ge量子点的制备方法为：

a)将GeO₂粉末溶于NaOH碱液中，得到Ge酸根离子前驱液，将前驱液的pH值调节为6～8左右，将天然生物大分子壳聚糖溶入该溶液中，采用磁搅拌器搅拌速度约为100～300rpm，混合均匀并利用滤纸过滤掉不溶物，得到分散良好的反应液体。

b)将NaBH₄加入到步骤(a)获得的反应物中，NaBH₄与GeO₂的摩尔比为4：1。将前面得到的混合液体在氮气保护中搅拌，搅拌速度约为800～1000rpm。在搅拌的过程中将产生化学反应，将反应时间控制为2～4小时，得到红棕色的样品溶液。

c)将步骤(b)反应得到的橙红色的溶液使用透析袋透析24小时后，离心冷冻干燥得到粉体，并将粉体溶于甲苯之中形成黄色溶液，获得Ge纳米颗粒稀释液。

d)采用质量分数为69wt％硝酸HNO₃与46wt％氢氟酸HF以体积比为(1:4)混合并作为氢化与氧化剂溶液。

e)将步骤(c)获得的Ge纳米颗粒稀释液置于聚四氟乙烯烧杯中，并将烧杯置于超声清洗机中超声振荡。采用微量进液器以10s一次，每次2μL体积的速率将步骤(e)获得的氢化与氧化剂溶液滴入至Ge纳米颗粒稀释液，产生氢化和氧化反应。

f)将步骤(e)的反应时间控制在10至40分钟之间，并由此来控制量子点的尺寸大小。在该反应过程之中，Ge量子点的表面将首先被硝酸氧化为锗氧化物并很快被氢氟酸氢化为Ge_xO_yH_z壳层结构，并阻止Ge材料继续被氧化。

g)最后利用孔径尺寸为100nm的PVDF(Polyvinylidenefluoride)滤纸过滤步骤(f)所获得的反应液，取出PVDF滤纸收集滤纸中的量子点材料烘干后将量子点溶于甲苯之中，获得Ge量子点溶液。

本发明提出的红外探测器，其公共电极采用溅射制备，选用对红外吸收较少的导电材料构成，如ITO等。采用溅射等薄膜沉积的方法在光电转换层上制备透红外的导电电极，如氧化铟锡电极。

参考图2是参考图1的俯视剖面图。探测器基板的结构和制备工艺与平板显示器件基板，如TFT-LCD基板和TFT-OLED基板等完全一样，并不局限于图1和图2所示的基本结构。

参考图3是探测阵列的行列选址和驱动信号。其中行驱动器与探测阵列各个像素的栅极电极2相连接，列驱动器与各个像素的漏极电极相连接。当某一行施加一个电压脉冲时，该行像素被选中。在栅极电极2上施加行选信号，在漏极电极5上施加列选信号，实现传感单元寻址。此时，对各个列线逐次施加电压脉冲，对应该行中每一个探测像素逐次工作，由公共电极输出每个探测像素的光生电流或者电压。在公共电极8上按时序输出每个探测单元的光电转换电流，并通过放大器进行输出信号放大，从而完成红外图像的探测。

参考图4是单个探测像素的电路结构。其中场效应管是由平板显示器TFT基板提供的，而光敏电阻则是由场效应管源电极、量子点光电转换层、以及公共电极构成。

本发明采用平板显示器件的TFT基板电路做为探测阵列的读出电路，制备工艺非常成熟。和现有红外探测技术相比较，可以实现大面积和低成本制备。采用本发明的传感器结构和制备工艺，传感器阵列面积可以增大至50英寸以上，器件成本可以低于100美元/英寸。另外，在本发明中，TFT基板采用低温薄膜工艺制备，光电转换层则采用旋涂、喷墨打印或者转印等方法在常温下沉积，公用电极通过溅射制备。因此，本发明提出的探测器结构和制备方法，可以适用于塑料、聚合物等柔性衬底，制备柔性的红外探测器件，满足穿戴式设备的需要。

该发明主要优点是利用成熟的平板显示制备工艺，所以降低了成本。另外，采用薄膜晶体管技术，所以可以大面积制备。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。