光电子装置、读出方法及光电子装置的用途

在第一方面，本发明涉及一种光电子装置，该光电子装置包括：一个或更多个光电子器件；以及改进的读出单元，该改进的读出单元根据受益于光电子器件的基础物理学的具体时序进行操作。

本发明的第二方面涉及一种读出方法，该读出方法包括执行本发明的第一方面的光电子装置的读出单元的操作。

本发明的第三方面涉及根据本发明的第一方面的光电子装置作为光探测器或作为图像传感器的用途。

背景技术：

光电二极管阵列的卷帘快门的读出导致诸如颤动、歪斜、模糊或部分曝光之类的效应。为了避免这些效应，需要向像素添加存储元件，以允许电荷转储到屏蔽区域中。然后可以在下一帧被曝光时读取屏蔽区域。所有像素被同时控制，使得对于所有像素，光电电荷的积累(integration，积分、累积、整合)同时开始。

包括本发明的权利要求1的前序条款的特征的光电子装置在本领域是已知的，例如由ep3104414a1公开的光电子装置，即包括下述的那些光电子装置：

-至少一个光电子器件，其包括：

-包括至少一个2维层的传输结构；

-光敏化结构，其被配置和布置成吸收入射光并引起传输结构的导电率的改变，通过生成电载体对、在预定截留时间τtr期间将所述对中的单一类型的电载体截留在其中来引起传输结构的电导的改变；以及

-漏电极和源电极，其被电连接到所述传输结构的相应分开位置；

以及

-读出单元，其可操作地连接到所述漏电极和源电极，以读取通过光撞击在所述光敏化结构上而在所述传输结构中在漏电极和源电极之间形成的传输通道处产生的电信号(诸如指示电阻的电信号)。

在这些光电子装置，即包括混合2d材料——光敏化结构光电导体——的装置中，当用作图像传感器时，被截留(trap，捕捉、捕获)在敏化层中的累积电荷构成了图像的电子表示。

在高阻抗光电导探测器中，可以通过同时读取所有像素来实现准全局快门。然而，在包括具有低阻抗的混合2d材料——敏化层光电子器件——的装置，诸如由ep3104414a1公开的装置中，由于大的功耗，这在实践中是不可能的。1百万像素的像素阵列，其中每个的电阻为1kω，用1v源漏偏置进行偏置，将汲取1kw的功率，从而使应用准全局快门读出不可行。

因此，常规地，对于那些类型的光电子装置，执行卷帘快门读出，因此具有与此相关的上述负面效应。

因此，有必要通过下述向现有技术提供一种弥补在其中发现的差距的替代方案：提供一种包括上述光电子器件的光电子装置，即包括混合2d材料——光敏化结构——的光电子装置，但该光电子装置通过包括被配置成避开卷帘快门伪影同时避免大功耗的读出单元而其不具有上述负面影响。

技术实现要素：

为此，本发明在第一方面涉及一种光电子装置，包括：

-至少一个光电子器件，其包括：

-包括至少一个2维层的传输结构；

-光敏化结构，其被配置和布置成吸收入射光并引起传输结构的导电率的改变，通过生成电载体对、在预定截留时间τtr期间将所述对中的单一类型的电载体截留在其中来引起传输结构的电导的改变；以及

-漏电极和源电极，其被电连接到所述传输结构的相应分开位置；

以及

-读出单元，其可操作地连接到所述漏电极和源电极以读取通过光撞击在所述光敏化结构上而在所述传输结构中在漏电极和源电极之间形成的传输通道处产生的电信号(诸如指示电阻的电信号)。

因此，在传输通道处产生的电信号在源电极和漏电极之间传输通过。

与现有技术中已知的装置相比，本发明的装置的读出单元以特征性方式被制成和布置成在积累时间间隔tint已经过去之后并且在至多为tint的1/10的时间间隔taccess期间执行对所述电信号的上述读取，其中tint比τtr长并且与在其期间在光敏化结构中发生光生电荷的积累的时间间隔对应。

因此，通过本发明，由读出单元实施的时序方案考虑并受益于光敏化结构用作固有电荷存储元件的事实。

这样，通过本发明，避免了诸如颤动、歪斜、模糊和部分曝光之类的典型的卷帘快门伪影中的大部分。

对于一些实施方式，本发明的第一方面的光电子装置包括所述至少一个光电子器件中的若干光电子器件。

对于一些实施方式，所述时间间隔taccess为tint的1/100至1/200000。装置中包括的光电子器件的数量越多，taccess比tint短的倍数就越高。在本文件的后面节中将给出一些具体示例，用于使具有分组形成阵列的不同数量的光电子器件的光电子装置的实施方式起作用。

对于一实施方式，本发明的第一方面的光电子装置包括形成至少一行的所述至少一个光电子器件的阵列，其中读出单元可操作地连接到该阵列的所有光电子器件的漏电极和源电极，以同时读取在至少一行的光电子器件的传输通道处产生的电信号，其中读出单元被制成和布置成在积累时间间隔tint已经过去之后并且在时间间隔taccess期间执行对所有所述电信号的读取。

尽管，对于一实施方式，光电子器件的所述阵列形成仅一行，但是对于优选实施方式，该阵列包括形成至少第一行和第二行的光电子器件，其中读出单元可操作地连接到阵列的光电子器件的漏电极和源电极，以在时间间隔taccess期间同时读取在第一行的光电子器件的传输通道处产生的电信号，然后在时间间隔taccess期间同时读取在第二行的光电子器件的传输通道处产生的电信号，其中，该读出单元被制成和布置成在积累时间tint已经过去之后并且在时间tframe＝taccess*nrrows期间执行对所有所述电信号的读取，其中，nrrows指示光电子器件的行数。

换言之，光电子器件的行一行接一行地被依次读取，但是每一行的光电子器件在每一行的时间间隔taccess期间被同时读取。

根据一实施方式，读出单元被配置和布置成在下述的存在期间切断，以节省功耗：在撞击在光敏化结构(p)上的光的对应光级度改变之后开始的多个积累时间间隔tint中的每个积累时间间隔。

对于本发明第一方面的光电子装置的第一实施方案，读出单元被配置和布置成每个积累时间间隔tint对每个光电子器件执行一次读取。

替代性地，对于本发明第一方面的光电子装置的第二实施方案，比第一方面更详尽，读出单元包括控制机构，该控制机构被配置和布置成对于至少一个光电子器件或同时地对于光电子器件中的每个光电子器件，控制和同步光生电荷通过多个连续的积累时间间隔tint的积累的时序及从先前的积累时间间隔tint去除多余的电荷。

对于所述第二实施方案的第一变型，控制机构被配置和布置成产生重置电脉冲并将重置电脉冲同时地施加到至少一个光电子器件的电极或每个光电子器件的电极或光电子器件中的每个光电子器件的电极，以便以受控的方式去除被截留在光敏化结构中或光敏化结构中的每个光敏化结构中的电荷，使得积累时间间隔tint在所述重置电脉冲已经被施加之后开始，因此tint开始的时间不依赖于撞击在光敏化结构上的光，而是被准确和主动地控制的。

取决于实施方式，并且特别是光电子器件的架构，所述电极是光电子器件所包括的顶部栅极电极、底部栅极电极和顶部电极中的至少一者。

优选地，控制机构被配置和布置成紧接在已经执行对传输通道处产生的电信号(当装置仅包括一个光电子器件时)或所有电信号(当装置包括若干光电子器件时)的读取之后施加上述重置电脉冲。

通常，在执行每个所述电信号读取之后施加所述重置电脉冲之一，使得在已经施加每个所述重置电脉冲之后开始另外的且接连的积累时间间隔tint。

替代性地，对于第二实施方案的第二变型，控制机构包括可控光源，并且被配置和布置成控制所述可控光源：

-在时间间隔t_pls期间开启可控光源以产生并发射光脉冲以照亮对象，所述时间间隔t_pls包括每个积累时间间隔tint和在其期间一个或更多个电信号已经被读取的时间间隔taccess或tframe，以及

-在关掉时间间隔t_off期间关掉所述可控光源，所述关掉时间间隔t_off具有与tint相等的持续时间并与t_pls紧接接连，以允许光生电荷从光电子器件中漏出，并使光电子器件回到其暗态；

其中，至少一个光电子器件或光电子器件中的每个光电子器件被布置成使得撞击在光敏化结构上的光是上述光中包括的一旦被对象反射或透射穿过对象的光的一部分。

优选地，控制机构被配置和布置成控制可控光源以周期性地重复对可控光源的开启和关掉，以便在对应的另外的时间间隔t_pls期间产生和发射另外的光脉冲，每个另外的时间间隔紧接在相应的另外的关掉间隔t_off之后。

对于一实施方式，本发明的第一方面的光电子装置还包括一个或更多个带通滤波器，其具有在光脉冲的波长周围的中心波长和预定带宽、被放置在光敏化结构之上。

对于本发明的第一方面的光电子装置的第二实施方案的第二变型的一些应用，光脉冲的波长是太赫兹、中红外、短波红外或近红外波长。这些应用的示例是夜视系统(例如，用于障碍物检测)和眼追踪系统。

对于一些实施方式，光敏化结构包括一个或更多个光敏化层，一个或更多个光敏化层包括光吸收半导体、聚合物、染料、量子点(诸如例如胶体量子点)、钙钛矿和/或其组合(诸如以混合形式)。

对于一个或更多个光敏化层包括量子点的那些实施方式，它们是以下类型中的一种或更多种：ag2s、bi2s3、cds、cdse、cdhgte、cu2s、cis(铜铟二硫化物)、cigs(铜铟镓硒)、czts(铜锌硫化锡)、ge、hgte、inas、insb、ito(铟锡氧化物)、pbs、pbse、si、sno2、zno和zns。

在一些实施方式中，传输层中包括的二维材料的至少一个层包括以下材料中的一种或更多种：石墨烯(纯石墨烯，改性石墨烯，单层、双层、少层或功能化石墨烯)、mos2、mose2、ws2、wse2、黑磷、sns2和h-bn(六方氮化硼)。

在第二方面，本发明还涉及一种读出方法，该读出方法包括执行本发明的第一方面的光电子装置的读出单元的操作。

本发明的第一方面的光电子装置的所有实施方式中关于读出单元的操作的描述，同样有效地用于描述第二方面的读出方法的对应实施方式。

本发明的第三方面涉及根据本发明的第一方面的光电子装置作为光探测器或作为图像传感器的用途。

本发明的应用是在广泛的光电检测领域。任何基于下述传输结构的光电探测器都受益于本发明，所述传输结构包括2d材料和光敏化结构，该光敏化结构被配置和布置成吸收入射光并引起传输结构的导电率的改变。

本发明的优选应用是实现用于竖向地撞击的光的光探测器，尤其是具有若干像素(形成线性或2d阵列)的图像传感器。

此外，本发明还可以用于距离感测应用，距离感测应用例如以光电接收器的形式、被布置成检测在对象上反射或由对象辐射的光。

本发明的其他应用包括环境光感测、lidar(光检测和测距或激光成像检测和测距)系统和单像素光电探测器。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的一些优选实施方式。它们被提供仅用于例示目的而不限制本发明的范围。

图1示出了本发明的第一方面的装置的光电子器件，用于实现以下称为“实施方式1”并且在上一节中已经被称为第一实施方案的实施方式。

图2绘制了由图1的光电子器件构成的像素在用1hz调制的光源在不同光级度之间进行照明时对时间的响应。

图3示出了用于实现图1的光电子器件的不同结构，其通过控制复合通道的电阻致使不同的截留时间。在左侧：石墨烯的堆叠体和pbs胶体量子点给予典型的τtr＝100μs。在t＝0处，光被关掉。注意，减去器件的暗电流。使用下面给出的公式(1)进行拟合。在右侧：石墨烯的堆叠体、半导体中间层和pbs胶体量子点致使τtr～1ms。在t＝0处，光被关掉，以及在描记线一半其被再次开启。注意，在该器件中，与石墨烯/量子点堆叠体相比，光响应是反向的。使用下面给出的公式(2)执行拟合，包括暗电流的偏移值(在该图中没有减去器件的暗电流)。

图4：顶部：用于实现实施方式1的光电子器件的结构(在每列放大器方案的情况下，如图5所例示)。底部：实施方式1的读取序列时序图。read_row脉冲的长度为taccess。为清楚起见，时间不是按比例绘制的。

图5：用于实现实施方式1的光电子器件像素的mxn阵列的示意图，其中每个所描绘的方形是像素/光电子器件。

图6：用于实施方式1的读取序列。

图7至图9示出了本发明的第一方面的装置的光电子器件的不同替代结构，用于实现以下称为“实施方式2”并且在上一节中已经被称为第二实施方案的第一变型的实施方案。

图10：顶部：用于实现实施方式2的光电子器件的结构(在每列放大器阵列的情况下，如图5所例示)，特别是图9(a)中描绘的结构。底部：用于实施方式2的读取序列的时序图。read_row脉冲的长度为taccess。为清楚起见，时间不是按比例绘制的。

图11：用于实施方式2的读取序列。

图12：顶部：实现下面称为“实施方式3”并且在上一节中被称为第二实施方案的第一变型的实施方式的实施方案的示意图。附图包括本发明的第一方面的装置和要由此检测的一些对象。底部：用于实施方式3的读取序列的时序图(在每列放大器阵列的情况下，如图5所例示)。read_row和脉冲的长度为taccess。为清楚起见，时间不是按比例绘制的。

图13：用于实施方式3的读取序列。

具体实施方式

在本节中，将参照附图描述本发明的第一方面的装置的三个不同实施方式，三个不同实施方式特别地被表示为“实施方式1”(在上一节中被称为本发明的第一方面的光电子装置的第一实施方案)、“实施方式2”(在上一节中被称为第二实施方案的第一变型)和“实施方式3”(在上一节中被称为第二实施方案的第二变型)。

实施方式1：

实施方式1可以用构成具有如图1所例示的像素结构的像素的光电子器件来实现，该像素结构包括：传输结构t，其包括至少一层2d材料；光敏化结构p，其包括一层敏化材料；一个源电极s和一个漏电极d，其被布置在衬底sb上。

图2中针对三种不同的光级度(光级度1、2和3)以及光断情况图2绘制了随时间变化像素对不同的和准瞬时改变的光级度的响应。指数关系描述了像素的瞬态行为(在照明时有正信号改变)对光级度从高到低的准瞬时改变的响应如下(另参见图3，左)：

其中s是信号电平，s1是初始光级度处的信号电平，s2是最终光级度处的信号电平，τtr是量子点的截留时间。

类似的指数关系描述了光电子器件响应于光级度从低到高的瞬时改变的瞬态行为(在照明时有正信号改变)：

从这些公式清楚地是，截留时间τtr是两种瞬态行为的相关时间尺度。其是固定的固有时间尺度并且取决于光电子器件堆叠体的细节。包括与量子点层直接电接触的石墨烯层的竖向像素结构具有100μs的典型τtr。

可以修整光敏化层和传输结构之间的电子接口来改进器件在实现更有效的电荷转移、修整时间性响应方面的性能，及改进器件的稳定性。中间层屏障包括：tio2；氧化铝；zno；二氧化铪；胶体量子点；单层或少层二维材料，包括六方氮化硼、黑磷、mos2、ws2、wse2或其他过渡金属硫族化物(metdichalcogenide)；或包括乙烷-、丙烷-、丁烷-、辛烷-、十二烷-、苯-、联苯-、三联苯-或四联苯-二硫酚分子在内的有机分子的自组装单层。中间层屏障的厚度可以从0.1nm最高至1μm变化。

石墨烯、中间层和量子点的竖向像素结构的典型τtr为1ms(图3)。

重要的是注意，探测器的信号电平达到与新的光级度相对应的新信号电平所需的时间总是相同的。这会导致称为图像滞后的效应。读取的每帧都包含来自前一帧的有限信息量。不仅在像素从亮到暗时，而且在从一个光级度到另一光级度时。在读取时间tread处像素中的图像滞后(il按[％]计)可以通过以下关系来描述：

每个成像应用在图像滞后方面都有一定的要求，例如1％或0.1％，因此需要在可以满足该图像滞后要求的读取时间之后对所有像素进行读取。我们将此读取时间称为积累时间tint。积累时间是截留时间τtr和图像滞后il(按百分比计)的函数，如下：

tint＝-τtr*log(il/100)

典型的图像滞后为0.1％或1％。在τtr为1ms的情况下，tint对于1％的图像滞后需要为2ms，对于0.1％的图像滞后需要为3ms。

可以在光电子装置的读出电子件中，即在读出单元中设置tint。从电子件的角度来看，其在装置是包括光电子器件即光电探测器的像素阵列的图像传感器时是在读出单元中设置的等待图像在传感器中建立的时间。

针对每一列设置使用一个放大器来捕获光电探测器阵列中的所有像素的电阻的总时间至少为：

tframe＝taccess*nrrows

其中，taccess是电子件读取一个像素的电阻的时间(在列并行读出的情况下，这直接是整行)，nrrows是行数。taccess可以由电子件设置并且典型地可以从10ns到10ms变化，且其最大值取决于比tint/tframe、tint和nrrows：

为了实现实施方式1的读出实施方案，本发明人设计了一种具有实现tint/tframe>>1、采用探测器的固有积累特性的能力的图像传感器阵列，并使用如图4和图6中例示的读出顺序，具体地对于图5中描绘的像素阵列布置，即对于形成m行和n列的像素阵列，其中每行的(即光电子器件的)像素的源电极可操作地/电气地连接到当相应的开关(read_row_1至read_row_m)开启时要被施加的公共源漏偏置电压vsd，以便同时读取每行的像素(即其传输通道的电信号)，在这种情况下，通过相应的放大器(amp_col_1至amp_col_n)各自可操作地/电连接到阵列的一列的像素，具体地连接到其漏电极。

放大器(amp_col_1至amp_col_n)、偏置电路(开关read_row_1至read_row_m、源漏偏置电压vsd和对应的电连接)以及其他(未示出)部件(用于处理根据图4的时序图实现图6的读取序列的算法的处理器、存储器、a/d转换器、数字和模拟电路等)形成本发明的第一方面的装置的读出单元。

tint/tframe越大，颤动、歪斜、模糊和部分曝光伪影将受到抑制。

对于像素阵列的不同分辨率，下表中示出满足所要求的tint/tframe的最大访问时间taccess，max的几个示例。必须指出的是，taccess，max仅与taccess不同，如果是这样，前者是读出单元中的一个组，使得有足够的时间来执行对所有电信号即所有像素的读取。然后，一般情况下，taccess，max略高于taccess以确保执行所有读取。

表1taccess，max的典型值

如上一节所述，以及在本发明的权利要求1中指示的，尽管对于表1中指示的值，从3802至125000，taccess，max比tint短，但对于一些实施方式，诸如对于装置仅包括一个光电子器件(例如，单像素图像传感器的情况)的那些实施方式，taccess，max可以低得多，甚至仅为tint的1/10。

在时间tint期间，可以切断读出电路，即读出单元，从而将功耗降低一因数tint/tframe。

实施方式2：

在实施方式2中，增加了手段来同时地控制探测器灵敏度和阵列中所有像素的光致电荷在敏化层上的积累的时序。这可以通过增加修改器件的带结构的电极来实现([1]nikitskiy等人，2016)，以便在重置电脉冲被同时施加到所有光电子器件的电极时控制截留时间τtr和/或以便以受控方式去除敏化层p中的被截留的电荷。

在图7至图9中例示了可以实现这种控制的不同像素/光电子器件结构，特别地：

图7：包括通过介电结构/层de与传输结构t分开的导电底部栅极电极结构gb的结构。

图8(a)：包括与光敏化结构p电连接(欧姆接触或肖特基接触)的顶部电极et的结构。

图8(b)：包括通过介电结构/层def与传输结构t分开的导电顶部栅极电极结构gt的结构。

图9(a)：包括下述两者的结构，所述两者中的一者为与光敏化结构p电连接(欧姆接触或肖特基接触)的顶部电极et，所述两者中的另一者为通过介电结构/层de与传输结构t分开的导电底部栅极电极结构gt。

图9(b)：包括下述两者的结构，所述两者中的一者为通过介电结构/层def与传输结构t分开的导电顶部栅极电极结构gt，所述两者中的另一者为通过介电结构/层de与传输结构t分开的导电底部栅极电极结构gt。

图10和图11描绘了读取光电探测器阵列的顺序，在这种情况下针对图9(a)的布置，尽管相同的顺序用于图7、图8和图9(b)中描绘的其余替代布置。

具体地，图11示出了要通过由读出单元根据图10的时序图处理的算法执行的顺序的流程图。

如图10的时序图所示，在每次读取所有电信号(像实施方式1那样读取，即逐行读取)之后，即紧接在每个tframe之后施加重置电脉冲(通过t_rst)。

实施方式3：

实现光生电荷的积累的同步并提供从先前积累周期去除多余电荷的能力的另一方式是使用有源、快门式光源和像素阵列的同步读出。图12和图13例示了一种可能的方案，后者通过要通过由读出单元根据图12的时序图处理的算法执行的序列的流程图进行例示。

可控光源l(在这种情况下仅可通过可切换电源“光源psu”的切换控制)需要被开启达时间tint+tframe以允许光生电荷的积累和阵列中的像素的读出。然后可控光源l被关掉达时间tint以允许像素放松至暗态。

为了减少背景光的影响，具有在有源光源波长周围的中心波长和带宽dλ的带通滤波器f应当被放置在光电子器件的前面，在这种情况下，在被放置在光敏化结构p前面的对象ob的前面。这可以是分立的光学部件或片上滤波器。

对于所例示的实施方式，该装置用于观察/检测对象o，在这种情况下为车辆。例如，它可以在车辆的障碍物检测系统中实现。

本领域技术人员可以在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下对所描述的实施方式进行改变和修改。

参考文献：

[1]nikitskiy、ivan、stijngoossens、dominikkufer、tanialasanta、gabrielenavickaite、frankh.l.koppens和gerasimoskonstantatos.2016.“integratinganelectricallyactivecolloidalquantumdotphotodiodewithagraphenephototransistor.”naturecommunications7：11954.