一种图像传感装置及其制备方法与使用方法
【专利摘要】本发明属于光电子领域，所述的一种图像传感装置，包括设置在同一基板的若干有机光敏单元，相邻所述有机光敏单元之间设置有用于分隔各所述有机光敏单元，并对相邻所述有机光敏单元进行光隔离的绝缘隔离柱。采用有机光敏单元作为信号转换元件，集成度高，能够实现柔性。同时，通过逐行逐列扫描的方式对各有机光敏单元进行信号读取和采集，不但有效简化了所述图像传感装置的结构，而且制备工艺和流程极为简单，产品良率高。
【专利说明】
一种图像传感装置及其制备方法与使用方法
技术领域
[0001]本发明涉及光电子领域，具体涉及一种图像传感装置及其制备与使用方法。
【背景技术】
[0002]图像传感装置是在光电技术基础上发展起来的，利用光电器件的光一电转化功能，将其感光面上的光信号转换为与光信号成对应比例关系的电信号“图像”的一门技术，该技术将光学图像转换成电信号，其关键在于是光敏器件的集成以及输出信号的采集。
[0003]现有的主要应用光敏器件的图像探测系统包括固态光图像传感系统、红外光成像系统等，已广泛应用于视频、测量、监控、医疗、人工智能等领域。
[0004]常见的固态光图像传感系统需要在同一半导体衬底上布设光敏元件阵列和电荷转移器件(Charge Transfer Device，CTD)，其中CTD包括了电荷親合器件(Charge CoupledDevice ,CCD)、电荷注入器件(Charge Injected Device，CID)、金属氧化物半导体器件(Metal Oxide Semiconductor，MOS)等，最常用的是CO)。但是，其光谱响应通常只能限定在400?1200nm(可见光与近红外光)范围内，对于红外波段的图像需要研究专门的红外图像传感技术及器件来实现红外波段的图像探测与采集，应用有一定的局限性。
[0005]同时，不管是基于MOS器件的图像传感器还是基于CCD的图像传感器，它们除了包含光敏元件之外，还需要电荷寄存单元。因此，器件整体的制备工艺和流程极为复杂，而且各像素点中包含了较多的功能单元，其中任何一个功能单元出现问题就会影响该像素点的正常工作，增加了出现坏点的可能性。
[0006]目前，已经有一些关于集成的有机图像传感器件的应用研究，但是在这些研究中通常需要基于集成的MOS器件作为基底，光敏器件与MOS器件中的各像素点一一对应，同时为了实现对各像素点输出信号的逐一采集，需要在每个像素点后置晶体管开关电路来分别控制各像素点的开关，这进一步增加了光敏单元的制备工艺难度，限制了其在集成电路中的应用，并没有有效发挥有机薄膜器件在高分辨率集成方面的优势。
【发明内容】
[0007]为此，本发明所要解决的现有图像传感器件无法较为简单地实现高度集成以及输出信号读取和采集的技术问题。
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:
[0009]本发明所述的一种图像传感装置，包括设置在同一基板的若干有机光敏单元，相邻所述有机光敏单元之间设置有用于分隔各所述有机光敏单元，并对相邻所述有机光敏单元进行光隔离的绝缘隔离柱。
[0010]所述有机光敏单元为具有含有光电导效应或光敏性的有机半导体材料的有机光敏器件。
[0011]所述有机光敏器件为有机光敏二极管，包括层叠设置的第一电极、有机光敏功能层、第二电极，其中所述第一电极或所述第二电极为透明电极。
[0012]所述第一电极和/或所述第二电极与所述有机光敏功能层的界面为非欧姆接触。
[0013]所述隔离柱为氮化硅、碳化硅、氧化硅、聚酰亚胺或者光刻胶中的一种或多种的堆叠结构;所述第一电极、所述第二电极独立的为锂、镁、钙、锶、铝、铟、铜、金、银中的一种或多种的合金，或锂、镁、钙、锶、铝、铟、铜、金、银中的一种或多种与其氟化物交替形成的电极层，或氧化铟锡、聚噻吩/聚乙烯基苯磺酸钠、聚苯胺、碳纳米管、石墨烯中的一种;所述基板为柔性基板。
[0014]可选地，还包括用于所述有机光敏器件封装的封装层。
[0015]可选地，所述有机光敏器件的反偏电压区光电流大于暗电流，并大于O偏压和正偏电压区光电流。
[0016]本发明所述的图像传感装置的制备方法，包括如下步骤:
[0017]在基板上形成不透光的隔离柱，各所述隔离柱形成连续的网格图案；
[0018]在所述网格图案的网格中形成有机光敏单元。
[0019]可选地，本发明所述的图像传感装置的制备方法，包括如下步骤:
[0020]在所述基板上形成第一电极，以及第二电极引脚；
[0021]在所述第一电极之间形成多组隔离柱，同组中隔离柱相互平行，不同组隔离柱所在直线相交，形成露出所述第一电极的凹槽阵列；
[0022]在所述凹槽中形成光敏功能层和所述第二电极，所述第二电极与所述第二电极引脚连接。
[0023]本发明所述的图像传感装置的使用方法，通过逐行逐列扫描的方式对各有机光敏单元进行信号读取和采集，被读取的有机光敏单元处于反偏电压区，与其处于同行或者同列的所述有机光敏单元处于O偏压，其它各所述有机光敏单元都处于正偏电压区。
[0024]本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
[0025]1、本发明实施例所述的一种图像传感装置，包括设置在同一基板的若干有机光敏单元，相邻所述有机光敏单元之间设置有用于分隔各所述有机光敏单元，并对相邻所述有机光敏单元进行光隔离的绝缘隔离柱。采用有机光敏单元作为信号转换元件，集成度高，能够实现柔性。同时，通过逐行逐列扫描的方式对各有机光敏单元进行信号读取和采集，不但有效简化了所述图像传感装置的结构，而且制备工艺和流程极为简单，产品良率高。
[0026]2、本发明实施例所述的一种图像传感装置，各有机光敏单元之间设置有不透光的隔离柱，相邻有机光敏单元之间无光信号串扰问题，抗干扰能力强。
[0027]3、本发明实施例所述的一种图像传感装置，无需在有机光敏单元后置CCD、M0S等电荷转移和寄存单元，以及晶体管开关电路，因此不需要通过分别控制各有机光敏单元的开关来实现各点输出信号的采集，信号采集方法简单易得。
[0028]4、本发明实施例所述的一种图像传感装置的制备方法，制备工艺和流程极为简单J广品良率尚O
[0029]5、本发明实施例所述的图像传感装置的使用方法，通过逐行逐列扫描的方式对各有机光敏单元进行信号读取和采集，控制精准、电路结构简单，产品良率高。
【附图说明】
[0030]为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
[0031]图1是实施例1中图像传感装置结构示意图；
[0032]图2是实施例1中有机光敏器件的结构关系图；
[0033]图3是实施例1中有机光敏器件中各层能级结构关系图；
[0034]图4是实施例1中有机光敏器件的电流-电压关系图；
[0035]图5是实施例1中所述图像传感装置信号读取和采集方法示意图；
[0036]图6是另一实施例中图像传感装置结构示意图。
[0037]图中附图标记表示为:1_基板、21-第一电极，22-装置功能层，23-第二电极，3-隔离柱、4-封装层。
【具体实施方式】
[0038]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
[0039]本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”或“设置在”另一元件“上”时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。
[0040]实施例1
[0041]本实施例提供一种图像传感装置，如附图1所示，包括设置在同一基板I上的若干有机光敏单元，相邻有机光敏单元之间设置有用于分隔各有机光敏单元，并对相邻有机光敏单元进行光隔离的绝缘隔离柱3。
[0042]基板I可以为玻璃基板或聚合物基板，本实施例优选柔性聚酰亚胺基板。
[0043]本实施例中，有机光敏单元为含有光电导效应或光敏性的有机半导体材料的有机光敏器件，选自但不限于有机光敏二极管、有机光敏电池、有机光敏三极管、有机光敏电阻等，反偏电压区光电流大于暗电流，并大于O偏压和正偏电压区光电流的有机光敏器件均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。作为本发明的一个实施例，本实施例中，有机光敏器件为有机光敏二极管，结构如图2所示，在垂直于基板I的方向上由下至上依次包括层叠设置的第一电极21、有机光敏功能层22、以及第二电极23。
[0044]有机光敏二极管的制备材料与方法同现有技术，其中，有机光敏功能层22可以包括层叠设置的第一光敏功能层和第二光敏功能层，第一光敏功能层靠近第一电极21设置。第一光敏功能层为富勒烯C6Q、C7Q及其衍生物[6，6]_苯基-C61-丁酸甲酯(简称PC61BM)、[6，6]-苯基-C71-丁酸甲酯(简称PC71BM)、全氟铜钛菁(简称F16CuPc)等电子传输材料，作为本发明的一个实施例，本实施例中为C6q薄膜。第二光敏功能层可以为并苯类、酞菁类、芳香胺类、和偶氮苯类空穴传输材料，如N，N ’ -二-(1-萘基)-N，N ’ -二苯基-1，1-联苯基-4，4-二胺(简称NPB)、4，4，4，-三(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺(简称m-MTDATA)、并五苯、5，6，11，12 —四苯基并四苯(简称rubrene)、铜酞菁(简称CuPc)，同时也可以是N，N’ -二甲基喹吖啶酮(简称01^)、10-(2-苯并噻唑)-1，1，7，7，-四甲基-2，3，6，7-四氢-1!1，5!1，11!1-苯并[1]吡喃[6，7，8-1 j]喹啉嗪(简称C545T)、4_4_二氰基亚甲基_2_叔丁基_6_( I，I，7，7-四甲基-久洛尼定-9-乙烯基)-4H-吡喃(简称DCJTB)、三甲基1-H卩引噪方酸菁(简称ISQ)等有机光敏染料，作为本发明的一个实施例，本实施例中为m-MTDATA薄膜。
[0045]作为本发明的一个实施例，本实施例中，第一电极21应为透明电极，可以采用无机导电材料或有机导电材料，无机材料一般为氧化铟锡(以下简称ΙΤ0)、氧化锌、氧化锡锌等金属氧化物，有机导电材料一般为聚噻吩/聚乙烯基苯磺酸钠(以下简称PED0T:PSS)、聚苯胺(以下简称PANI)、碳纳米管、石墨烯中的一种，同时应尽量满足与有机光敏功能层22之间为非欧姆接触，作为本发明的一个实施例，本实施例中为ITO电极。
[0046]第二电极23可以为不透明的金属电极，可以采用锂、镁、钙、锶、铝、铟、铜、金、银中的一种或多种的合金，或锂、镁、钙、锶、铝、铟、铜、金、银中的一种或多种与其氟化物交替形成的电极层同时应尽量满足与有机光敏功能层22之间为非欧姆接触，作为本发明的一个实施例，本实施例为Al电极。
[0047]隔离柱3用于各相邻有机光敏单元之间的光隔离，因此，隔离柱3必须为不透光结构，选自但不限于氮化硅、碳化硅、氧化硅、聚酰亚胺或者光刻胶中的一种或多种形成的堆叠结构。对于本身为透明材质的材料或者在本发明中所要求的尺寸范围下透光的材料，可以在隔离柱3加工前或者成型后做不透明处理，如加入深色非导电染料等。作为本发明的一个实施例，本实施例中，隔离柱3为不透光的光刻胶层。
[0048]所述的图像传感装置，还包括用于有机光敏器件封装的封装层4。如图1所示，作为本发明的一个实施例，本实施例中，封装层4设置在隔离柱3形成的凹槽内。作为本发明的可变换实施例，如图6所示，封装成4还可以覆盖隔离柱3的顶部。
[0049]所述的图像传感装置的制备方法，包括如下步骤:
[0050]S1、通过磁控溅射工艺在基板I上形成ITO透明导电薄膜，利用光刻和刻蚀工艺把它制备成有机光敏二极管的第一电极21，以及第二电极引脚。
[0051]S2、通过感光胶曝光、显影的方法在第一电极21之间的空白处形成隔离柱3;同组中隔离柱3相互平行，不同组隔离柱3所在直线相交，本实施例中，隔离柱3为台湾新应材公司生产的RSllOO型光刻胶;形成露出部分所述图像传感装置的第一电极21的凹槽阵列以限定有机光敏单元。
[0052]凹槽的开口为任意图形，作为本发明的一个实施例，本实施例中为四边形。
[0053]具体为:隔离柱3中包括横向高隔离柱组和纵向低隔离柱组，将凹槽阵列划分为开口列，从而得到黑色网状的隔离柱层、低隔离柱组的高度与有机光敏功能层厚度有关，本实施例中，尚隔尚柱组的尚度与有机光敏一■极管的总厚度有关，本实施例中，尚隔尚柱组的尚度为300nm，高度大于有机光敏二极管中第二电极23的上表面所在的高度。低隔离柱组的高度为120nm，高度大于有机光敏二极管中有机光敏功能层23上表面所在的高度，同时低于有机光敏二极管中第二电极23下表面所在的高度。
[0054]本实施例中隔离柱仅有2组，有机光敏单元被限定为四边形，作为本发明的其它实施例，隔离柱3可以为多组，凹槽的开口为任意图形，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
[0055]S3、通过真空蒸镀工艺在带有隔离柱3的基底I上的凹槽中逐层沉积有机光敏功能层22，即40nm的C6Q、80nm的m-MTDATA，被网状的隔离柱分为不同的光敏单元。
[0056]在有机光敏功能层22上直接真空蒸镀150nm的Al电极，形成覆盖低隔离柱的第二电极23，同时在横向被高隔离柱组隔离成条状，每一条状的第二电极23与第二电极引脚连接。
[0057]S4、通过磁控溅射工艺在第二电极23上再沉积一层Al2O3薄膜作为封装层4，这时，集成在一个基底I上彼此隔尚的有机光敏单兀制备完成。
[0058]有机光敏二极管中第一电极21、第二电极23的功函数和有机光敏层22的Η0Μ0、LUMO能级关系如图3所示，其中第一电极21或第二电极23与有机光敏层22的界面中至少有一个为非欧姆接触，即存在肖特基势皇。
[0059]对有机光敏二极管进行测试，使用Keithley器件分析仪进行光电信号的测试，并提取各有机光敏二极管的电信号导入处理终端进行数据处理，数据如图4所示。
[0060]从图中可见该器件的反偏电压区的光暗电流比较大，具有良好的光敏传感特性；同时其反偏电压区的光电流远远大于正偏电压区以及O偏压下的光电流。因此当采用简单的无源点阵模块的扫描方式，扫描到其中任意有机光敏单元时(如图5所示第I行第I列的有机光敏单元)，该有机光敏单元处于反偏电压区，其它各有机光敏单元均处于正偏区或者O偏压下，它们对所扫描有机光敏单元的光电流影响极小，因而可以有效地获得各有机光敏单元的输出信号。
[0061]通过分析采集和保存的数据值，可以在与图像传感装置具有相同像素的显示屏上显示感应的图像，通过与设置的灰度值进行比较，可以实现对感应图像的黑白乃至灰度显示。又因为此图像传感装置的基底使用了有机聚合物柔性材料，所以整个器件都是柔性可弯曲的，大大拓展了所述图像传感装置的使用领域。
[0062]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
【主权项】
1.一种图像传感装置，其特征在于:包括设置在同一基板的若干有机光敏单元，相邻所述有机光敏单元之间设置有用于分隔各所述有机光敏单元，并对相邻所述有机光敏单元进行光隔离的绝缘隔离柱。2.根据权利要求1所述的图像传感装置，其特征在于:所述有机光敏单元为具有含有光电导效应或光敏性的有机半导体材料的有机光敏器件。3.根据权利要求2所述的图像传感装置，其特征在于:所述有机光敏器件为有机光敏二极管，包括层叠设置的第一电极、有机光敏功能层、第二电极，其中所述第一电极或所述第二电极为透明电极。4.根据权利要求3所述的图像传感装置，其特征在于，所述第一电极和/或所述第二电极与所述有机光敏功能层的界面为非欧姆接触。5.根据权利要求3或4所述的图像传感装置，其特征在于，所述隔离柱为氮化硅、碳化硅、氧化硅、聚酰亚胺或者光刻胶中的一种或多种的堆叠结构;所述第一电极、所述第二电极独立的为锂、镁、钙、锶、铝、铟、铜、金、银中的一种或多种的合金，或锂、镁、钙、锶、铝、铟、铜、金、银中的一种或多种与其氟化物交替形成的电极层，或氧化铟锡、聚噻吩/聚乙烯基苯磺酸钠、聚苯胺、碳纳米管、石墨烯中的一种;所述基板为柔性基板。6.根据权利要求2-5任一项所述的图像传感装置，其特征在于，还包括用于所述有机光敏器件封装的封装层。7.根据权利要求2-6任一项所述的图像传感装置，其特征在于，所述有机光敏器件的反偏电压区光电流大于暗电流，并大于O偏压和正偏电压区光电流。8.—种权利要求1-7任一项所述的图像传感装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 在基板上形成不透光的隔离柱，各所述隔离柱形成连续的网格图案； 在所述网格图案的网格中形成有机光敏单元。9.根据权利要求8所述的图像传感装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 在所述基板上形成第一电极，以及第二电极引脚； 在所述第一电极之间形成多组隔离柱，同组中隔离柱相互平行，不同组隔离柱所在直线相交，形成露出所述第一电极的凹槽阵列； 在所述凹槽中形成光敏功能层和所述第二电极，所述第二电极与所述第二电极引脚连接。10.—种权利要求1-7任一项所述的图像传感装置的使用方法，其特征在于，通过逐行逐列扫描的方式对各有机光敏单元进行信号读取和采集，被读取的有机光敏单元处于反偏电压区，与其处于同行或者同列的所述有机光敏单元处于O偏压，其它各所述有机光敏单元都处于正偏电压区。
【文档编号】H01L27/30GK106098722SQ201610500659
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】董桂芳, 李 东
【申请人】清华大学