用于光电装置的材料、系统和方法

专利名称：用于光电装置的材料、系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及包含例如纳米晶体的光敏材料或其它光敏材料的光学和电子装 置、系统和方法，以及制造和使用这些装置和系统的方法。
背景技术：
例如图像传感器和光致电压装置的光电装置可以包含光敏材料。示例性图像传 感器包含将硅用于感测功能以及读出电子器件和多路复用功能的装置。在某些图像传感 器中，可以在单个硅晶片上形成光敏硅光电二极管和电子器件。其它示例性图像传感器 可以使用例如InGaAs(用于短波:[R感测)或非晶体硒(用于X射线感测)的不同材料进 行感测(光子到电子转换)功能。示例性光致电压装置包含使用晶体硅晶片进行光子到 电子转换的太阳能电池。其它示例性光致电压装置可以使用例如非晶体硅或多晶硅的材 料的单独层或不同材料进行光子到电子转换。然而，已知这些图像传感器和光致电压装 置具有若干限制。参考合并本说明书中提及的每件专利、专利申请和/或出版物在这里均通过引用完整地 合并进来，如同特别和单独地指出每件专利、专利申请和/或出版物通过引用被合并进来。


可以参照下列附图理解这里描述的系统和方法
图1示出根据实施例的总体结构和范围。图2a示出量子点1200的例子。图2b示出量子点1200的阵列。图2c示出从Wikipedia Web站点得到的说明中的胶体量子点。紫外线光入射到 不同大小的硒化镉(CdSe)量子点1200，产生荧光。图2d示出量子点材料200中排列的不同量子点1200。图2e还图解了胶体量子点材料200的吸收率。图3是以横向平面结构配置的成像实施例的一部分的侧视图；图3a示出射线进入像素布局。图3b示出像素的闭合简单几何排列的情形；图3c示出像素的闭合的、具有指型交叉的几何排列的情形；图3d示出像素的开放简单几何排列的情形；图3e示出像素的开放的、具有指型交叉的几何排列的情形；图3f示出在通常较大的顶表面电极阵列内的2行X3列的子区域；图3g示出涉及量子点材料的两个单独层和量子点材料的两个单独层之间的电介 质材料层的量子点结构堆叠；图3h示出具有电气互连和像素电路的多层量子点结构的例子。图3i示出小PbS纳米晶体的吸收和TEM曲线图。(a)合成(as-synthesized)油 酸修饰的纳米晶体的溶液和丁胺配体交换之后纳米晶体的溶液的吸收，延伸入红外范围 的吸收是由于跟随有纳米棒形成的高局限的损失。(b)油酸修饰的纳米晶体的TEM示出 具有 3nm直径的小纳米晶体的合成。(c)在配体交换之后，纳米晶体聚结以形成纳米 棒；图3j示出PbS小纳米晶体光电检测器的性能。(a)在15赫兹的调制频率处得 到的谱响应度和归一化检测灵敏度D *。小图示出在每秒15帧的调制频率的可视范围中 0.0015mm2检测器的噪声等效功率。画出类似表面积的典型硅光电二极管的NEP用于比 较。(b)响应度和噪声电流密度对调制频率曲线。(C)在400nm的波长处，检测器对于 高达5赫兹的调制频率表现出D * IO13琼斯(Jones)，而对于高达50Hz的调制频率具有 大于IO12琼斯的D *。小图示出具有0.0015mm2活性区域的检测器在400nm处所得到的 NEP,其为调制频率的函数；图3k示出陷阱态对光电检测器性能的影响。(a)在632nm光波长处测量的不 同照射水平的响应度对调制频率曲线。长寿命的(Ionglived)陷阱态在低光功率下居主 导地位，以提供高光电导增益。随着更高功率撞击检测器，有效陷阱被填充，导致光电 导增益的降低和3dB带宽的增加。3dB带宽从低功率下的8Hz增加到高光功率时的超过 300Hz。这个现象可以给检测器提供自限制增益机构以避免高功率水平时的电子饱和。 (b)光电流对光照明曲线揭示了 75-dB的动态范围。小图示出作为光强度的函数的响应 度。由于高增益陷阱态的填充，响应度降低超出IiT5W cm2，以允许增益的自限制机构。 该测量是用830nm的光得到的。
图31示出小图中示出的用于双谱检测的堆叠装置的谱响应度。小量子点(QD) 层有效地检测短波长光，而从大量子点(QD)层检测更长波长。还示出在堆叠之前大量子点装置的响应度以供比较。大量子点装置的响应度在两种情况下被归一化成其在1230nm 处具有激子峰值。小图中示出的结构包括长度为3mm、宽度为20 μ m和高度为IOOnm的 金电极。电极之间的间隔为20 μ m并且所施加的偏压为100V。图3m示出装置结构。PbS量子点被从溶液旋涂在预图案化的指型交叉电极上。 在来自Schott的0.5mm厚的涂敷有金的F45玻璃衬底上使用标准光刻制造电极。在IOOnm 金溅射之前蒸镀IOnm的铬以将金附着到玻璃衬底。金条 纹的宽度为20 μ m，长度为3mm 并且间隔为5 μ m。图3η示出暗电流密度，其为所报告的装置的所施加场的函数。所施加场被认为 是在5 μ m的装置宽度上的所施加电压。图3o(a-f)示出在使用交联分子和没有使用交联分子的情况下纳米晶体沉积之前 粗化氧化铟锡(ITO)衬底的表面和纳米晶体沉积之后的ITO衬底的表面扫描电子显微镜 (SEM)图像。a_b，裸粗化ITO衬底。c_d，在没有交联剂(cross-linker)的情况下纳米 晶体沉积之后的粗化ITO，示出导致短路装置的暴露(exposed)ITO。可以看见单个纳米 晶体聚集在烧结ITO粒子之间的缝隙中。e_f，纳米晶体沉积之后的功能装置的表面，使 用交联剂以获得连续的纳米晶体外敷层。图3p示出烧结处理对光致电压装置的性能的影响的表。所有测量在12mW/cm2 975nm照明下执行。图3q示出使用在1340nm处具有第一激子跃迁的纳米晶体制造的烧结装置的电 流_电压曲线。AM 1.5照明强度是100mW/cm2。12和70mW/cm2的单色照明强度使 用975nm的光。图3r示出烧结装置的外部量子效率。小图示意性地示出装置中所使用的材料的 带位置(band positions)。针对IeV第一激子跃迁纳米晶体，通过使用有效质量近似来修 改体能级，绘制PbS导带和价带。图3s是根据一个实施例的具有电极结构的堆叠多层像素，其中每个相应第一电 极(Cl)被横向定位到相应第二电极(C2)的至少一部分。图3t是根据一个实施例的具有电极结构的堆叠多层像素，其中一个公共电极 (CC)沿垂直方向延伸过超过一个感光层(QF1+QF2)的高度；并且其中分立的、电气独 立的电极(Cl和C2)被用于基本独立地偏置和收集来自感光层(QFl和QF2)的电流。图3u和图3v分别是根据一个实施例的具有电极结构的堆叠多层像素的侧视图和 顶视图，其中围绕与第一感光层(QFl)电接触的电极(Cl)布置公共电极(CC)；围绕与 第二感光层(QF2)接触的电极(C2)布置公共电极(CC)。图3w以剖面图的方式描述了图像传感器，其中通过图示说明了彼此堆叠在顶上 的两层光敏材料如何被独立地电读取；图4是图解在5V偏压下对调制照明的瞬时响应的图例。图5a示出Bayer滤镜模式；图5b_f示出某些可选像素布局的例子；图5g_l示出像素布局中使用的不同大小、布局和类型的像素；图5m示出具有例如六边形的不同形状的像素布局；图5η示出具有例如三角形的不同形状的像素布局；
图5ο示出结合光学元件提供的例如多谱量子点像素或其它像素的量子点像素；图5ρ示出一个像素布局的例子；图6a图解与量子点材料接口的3T晶体管结构；图6b图解与量子点材料接口的4T晶体管结构；图6c示出与常规Si CCD和CMOS传感器装置相比QD层装置的噪声等效曝光；图7a示出根据本实施例的一个方面的量子点像素1800结构； 图7b示出可选(非量子点)结构的例子；图7c用成像系统的侧视图示出焦平面阵列，成像系统包含集成电路，该集成电 路具有位于其顶端表面的电极阵列；图7d示出以垂直夹层结构配置的光学装置的一部分的侧视图；图7e示出以横向平面结构配置的光学装置的一部分的侧视图；图7f示出以横向指型交叉结构配置的光学装置的一部分的顶视图；图8示出量子点芯片互连2010的结构。图20示出在电子读出芯片上形成的光 敏感层的光学显微图；图9是具有光敏薄膜的集成电路的扫描电子显微图的图示；图10图解了可以被用来产生类似于图21中描述的集成电路的集成电路的4个处 理流程(a, b，c和d))；图11是具有光敏薄膜的集成电路的扫描电子显微图的可选实施例的图示；图22-19图解了根据一个实施例的〃标准〃单像素光闸结构；图20a是16对2共享像素电路的示意图；图20b是图31a的16对2共享像素电路的布局；图201c示出两个像素区域的像素电路的布局，其中每个像素电路在这两个像素 区域之下延伸；图21-36图解了 “全局〃像素光闸结构；图37示出一个实施例的垂直分布，其中集成电路的金属互连层将半导体衬底上 的像素电路与入射光屏蔽开；图38示出一个实施例的一个布局(顶视图)，其中集成电路的金属互连层将半导 体衬底上的像素电路与入射光屏蔽开；图39是根据一个实施例的横向像素的功能模块的模块图；图40是根据一个实施例的垂直像素的功能模块的模块图；图41-51图解了包含通过选择性引入表面陷阱态来控制光电导光电检测器的瞬 时响应的实施例；图52-66图解了包含快速、谱可调溶液处理的光电检测器的实施例；图67-69图解了包含平滑形态超灵敏(ultrasensetive)溶液处理的光电导体的实施 例；而图70是可以结合这里描述的实施例使用的示例性系统配置的模块图。仅通过例子参照附图来描述实施例。附图不必按比例缩放。为了清晰和简洁， 实施例的某些特征可以被夸大并且以示意的形式示出。
具体实施例方式图像传感器引入光电检测器的阵列。这些光电检测器感测光，将它从光转换为 电子信号。通常期望这种光电检测器单独或组合地拥有以下特性(1)容易与涉及图像感测功能的其它电路，例如存储电荷的电路、将信号电平中 继到阵列的外围的电路、在模拟域中操作这些信号电平的电路、将模拟信号转换为数字 信号的电路、和在数字域中处理图像相关数据的电路集成。(2)提供对有关波长带或各有关波长带内的光的最大灵敏度。通常使用在指定 照明水平下的测量信噪比(SNR)来量化灵敏度。当响应度、量子效率或装置的增益最大 时，信号达到最大值。受指定温度下电流和电压的自然波动所带来的限制，当电子信号 的随机波动最小时，噪声达到最小值。相关地，当暗电流的量值最小时，噪声和其它不 受控制的因素或预测背景信号变化的困难通常为最小。出于这个和其它原因，期望得到 具有高灵敏度和低暗电流的光电检测器。(3)及时提供适当快速的响应。例如视频成像和无光闸静止图象获取的应用通常 需要这样的光电检测器其信号电平基本上完全响应于在小于100毫秒(10帧每秒)的时 间内、小于33毫秒(30帧每秒)的时间内或甚至1毫秒(静止图像的1/1000秒曝光)内 的瞬变而变化。(4)以能够方便地由可用电子电路处理的方式提供宽范围光强度的检测。该特性 被称作提供高动态范围。提供高动态范围的一个手段是将所测量的电子响应压缩为入射 光刺激的函数。这种压缩可以被称为电信号对入射强度的亚线性(即具有降低斜率的非 线性)依赖。使用增益可以被控制的光电检测器(例如通过选择已知产生特定增益的电 压偏置)也可利于高动态范围。(5)在电磁辐射的不同谱带中间提供方便的鉴别。具体关心的是χ射线、紫外 线、可见光(包含蓝、绿和红)、近红外线和短波长红外波段。这里讨论在各种应用中产生、与电路集成和利用组合拥有这些特性的许多特性 的光电检测器和光电检测器阵列的手段。具体地(1)这里描述的光电检测器可以容易地通过例如旋涂、喷涂、滴涂和自组装的简 单、低成本的方法，与图像传感器电路和系统的其它部分集成。实施例包含交换钝化纳 米粒子表面的配体，以得到一旦形成薄膜便提供适当的电荷载流子迁移率的更短配体。 实施例包含液相交换，其使得能够实现平滑形态薄膜，这是实现具有阵列上的可接受一 致暗电流和光响应的图像传感器所需的。 (2)这里描述的光电检测器通过手段的组合来提供最大灵敏度。这些手段通过提 供光电导增益使信号最大。光电导增益的典型值在从1到10的范围，导致在可见波长中 从0.4A/W到4A/W的响应度。在实施例中，这里描述的光电检测器通过熔融纳米晶体 核以例如确保在构成电流流过的光敏层的粒子间的基本非噪声降级电连接，来使噪声最 小。在实施例中，这里描述的光电检测器通过使活性层的净掺杂最少来使暗电流最小， 因而保证暗载流子密度，并且因而使这些光敏材料的暗电导最低。在实施例中，这里描 述的光电检测器通过提供通常阻断可能包含处于平衡的多数载流子的一种载流子的电极 到纳米晶层电连接，使暗电流最小。在实施例中，使用交联分子，其利用清除氧化物、 硫酸盐和/或负责ρ型掺杂的氢氧化物的化学功能。因而，在实施例中，可以提供更加本征或甚至η型的光敏层。在实施例中，可以在例如希莱克技术(Schlenkline)或手套式 操作箱(GloveBox)的受控环境中进行量子点合成和/或处理和/或装置封装中的许多步 骤；以及可以使用基本上不可渗透的层，例如氧化物、氮氧化物、或例如聚对二甲苯或 环氧树脂的聚合物来封装光敏层，以便阻止例如氧的反应气体或水显著渗透光敏层。通 过这种方式，可以在图像传感器的期望有用生命期保持例如增益、暗电流和时滞的期望 特性组合。(3)这里描述的光电检测器提供可以快速至低于100毫秒、低于30毫秒和低于1 毫秒的时域响应。在实施例中，这通过提供与光敏层相关、仅将至少一种载流子捕获例 如100毫秒、30毫秒或1毫秒的有限时间段的增益提供(和持久性提供)陷阱态来获得。 在实施例中，PbS纳米粒子布置有PbS03，即PbS的氧化物，PbS03显示出具有在20-30 毫秒附近的陷阱态生命期，从而提供适于许多视频成像应用的瞬时响应。在实施例中， 相反，基于胶体量子点层提供光电二极管，其中具有略微不同的功函数(WOTkfunction) 的两个电接触被用来接触活性层。在实施例中，可以通过在不施加明显的外部电压偏置 的情况下这种装置的操作来使暗电流最小。在实施例中，例如苯二硫醇、二齿链接剂的 交联部分(cross-linking moieties)可以被用来清除和/或钝化在这种材料中可能出现或可 能发展出来的某些陷阱态。(4)这里描述的光电检测器提供了通过产生电信号(例如光电流)的亚线性依赖 来增强动态范围的手段。在低到中等强度的区域，有陷阱态可变为被填充，并且在某种 中等持久，或陷阱态、生命期(例如30毫秒)之后，出现逃逸。在更高强度处，这些陷阱态变为基本上被填充，使得电荷载流子经历对应于更低微分增益的更短生命期或持 久时间。结果，这些装置在低到中等强度的范围上表现出基本固定的增益，接着在更高 强度处表现出增益的平缓滚降。换言之，在低到中等强度处，光电流近似线性地依赖于 强度，但是在更高强度处，光电流表现出对强度的亚线性依赖。在实施例中，提供光电 检测器，其中光电导增益依赖于施加到装置的偏压。其原因是增益与载流子生命期除以 载流子渡越时间的成比例，并且渡越时间以与施加的场成反比例的方式变化。在实施例 中，开发出利用增益对偏压的这种依赖性增加动态范围的电路。(5)在实施例中，这里描述的光电检测器可以被容易地改变，或"调整"，以向 不同谱带提供敏感度。通过量子尺寸效应提供一种调整的手段，从而在通过合成控制的 情况下，纳米粒子直径被降低，以增加所得到的量子点的有效带隙。通过选择材料组成 提供另一种调整的手段，其中使用具有更大体带隙的材料通常利于实现在更高光子能量 处具有响应度带边(responsivityonset)的光电检测器。在实施例中，具有不同吸收带边的 光电检测器可以被叠加以形成垂直像素，其中靠近光学信号源的像素吸收和感测电磁辐 射的较高能带，而远离光学信号源的像素吸收和感测较低能带。图1示出与根据示例性实施例的量子点像素芯片结构(QDPC) 100有关的结构和 范围。如图1所示，QDPC 100可以被修改为辐射1000接收器，其中提供量子点结构 1100以接收例如光的辐射1000。如这里将更详细地描述的，QDPC 100包含量子点像素 1800和芯片2000，其中该芯片适于处理从量子点像素1800接收的电信号。量子点像素 1800包含量子点结构1100，其包含若干部件(components)和子部件，例如量子点1200， 材料200，和与点1200和材料200有关的具体结构或量子点布局300。量子点结构1100可以被用于产生光电检测器结构1400，其中量子点结构与电互连1404相关联。提供电连 接1404以从量子点结构接收电信号并且将电信号传送到与像素结构1500相关的像素电路 1700。正像量子点结构1100可以以平面和垂直的各种模式进行布置那样，光电检测器结 构1400可以具有具体光电检测器几何布局1402。光电检测器结构1400可以与像素结构 1500关联，其中光电检测器结构的电互连1404与像素电路1700电关联。像素结构1500 也可以被布置在芯片2000上包含垂直和平面布局的像素布局1600中，并且像素电路1700 可以与包含例如存储器的其它部件1900关联。像素电路1700可以包含无源和有源部件 用于在像素1800水平处理信号。像素1800与芯片2000机械和电气关联。从电气角度 来看，像素电路1700可以与其它电子器件(例如芯片处理器2008)通信。其它电子器件 可以适于处理数字信号、模拟信号、混合信号等等，并且可以适于处理和操作从像素电 路1700接收的信号。在其它实施例中，芯片处理器2008或其它电子器件可以被包含在 与QDPC相同的半导体衬底上，并且可以使用片上系统结构来构造。芯片2000也包含在 下面更详细地描述的物理结构2002和其它功能部件2004。 可以使用例如量子点溶液处理400、量子点材料处理500、光电检测器处理 600、像素处理700、像素/芯片处理800、总系统集成900和其它这样的处理的若干制造 过程300来制造QDPC 100。QDPC 100也可以被引入到集成系统2200中，其中集成系 统2200可以被构造2202并且具有各种特征2204。结构2202和特征2204可以适于服务 于具体应用和/或市场2100。在某些实施例中，集成产品可以包含常规像素构造(例如 CCD或CMOS)和量子点像素结构1800。QDPC的光电导层可以具有响应辐射1000的变化而变化的电阻。在实施例中， QDPC是单片地(monolithically)位于半导体的顶部的图像检测器。光电导涂层(例如量子 点材料200)可以被转移(例如旋涂)到集成电路的顶部。光子产生电子-空穴对。空穴 可以参与传导。根据陷阱的性质，将范围从毫微秒到微秒到毫秒的捕获时间捕获电子。 在微秒量级的时段内传送空穴。因而，在装置上，传导性的增加在空穴渡越时间的许多 倍的时间上持续。结果，针对指定吸收光子在外部电路中测量在测量区间上的多个电 荷。在可选实施例中，电子被传送，其中在装置上，传导性的增加在电子渡越时间的许 多倍的时间上持续。在某些实施例中，QDPC通常是线性装置，其可以从扩展时段的电 阻变化得到益处，该时段通常在量级方面的范围为从一微秒到一秒，期望时段在接近100 微秒到接近一毫秒的范围内。在其它实施例中，量子点材料200上的电流与量子点材料 200的光敏层所吸收的光的强度有非线性关系。在某些实施例中，芯片2000或与QDPC 关联的另一个芯片上的模拟或数字电路可以被用于线性化从像素区域读取的信号，以便 产生能够被数码照相机或使用QDPC的其它系统使用的数字像素数据。这里描述的实施 例涉及测量与光电导层关联的持续电阻变化。这些实施例中的某些实施例涉及低成本、 最大动态范围、最高效、最少噪声等等方法，通过这样的方法来测量这种电阻。在某些 实施例中，QDPC 100包括由至少两个通常不同的接触来接触的光电导材料。这些接触 中的任意一个可以是电阻性的，或可以形成肖特基接触。当吸收光子时，产生电子-空 穴对。这可以利于上述光电导增益。另外，在某种程度上，电子和空穴两者可以在施加 或未施加外部偏置的情况下被电传送。根据装置的偏置，可以以通常不同的效率将电子 和空穴传送到其相应接触。在某些实施例中，装置可以表现出电流和电压之间的通常为非线性的关系。在某些偏置状况下，可以产生光电导增益，并且在其它情况下，相同装 置可以不产生光电导增益。在某些偏置情况下，装置可以产生比其它情况低得多的暗电 流。在某些实施例中，存在具有显著光电导增益(例如，1、10或100)但是具有低暗电 流(例如InA/cm2或InA/cm2)的情况。福射 1000QDPC 100检测电磁辐射1000，其在实施例中可以是来自电磁谱的任何频率的 辐射。尽管电磁谱是连续的，但通常将频率的范围表示成整个电磁谱内的频带，例如无 线电频带、微波频带、红外频段(IR)、可见光频带(VIS)、紫外线频带(UV)、X射线、 伽马射线等等。QDPC 100能够感测整个电磁谱内的任何频率；然而，这里的实施例可 以参考电磁谱内某些频带或频带的组合。应当理解，所讨论的这些频带的使用不意味着 限制QDPC 100可以感测的频率范围，其只是用作例子。另外，某些频带具有例如近红 外(NIR)和远红外(FIR)的共用子频段，并且例如IR的较宽频带术语的使用不意味着将 QDPC 100敏感度限于任何频带或子频带。另外，在以下描述中，例如"电磁辐射"、“ 辐射"、“电磁谱"、“谱"、“辐射谱"等等的术语被互换使用，并且术语颜色被 用于描述可以在辐射1000谱的任何部分内的辐射1000的选定频带，并且不意味着限于例 如可见光"颜色"的辐射1000的任何特定范围。量子点1200量子点1200可以是纳米结构，通常是半导体纳米结构，其在所有三个空间方向 上限制导带电子、价带空穴或激子(导带电子和价带空穴的束缚对)。限制可以是由于静 电势(例如，由外部电极、掺杂、应变(strain)、杂质产生)，不同半导体材料(例如，在 核-壳纳米晶体系统)之间或半导体和另一种材料(例如，涂有有机配体的半导体；或涂 有电介质，例如氧化物(PbO)，亚硫酸盐(例如PbS03)，硫酸盐(例如PbS04)或Si02 的半导体)之间界面的存在，半导体表面的存在，或这些因素的一或多个的组合。量子 点在其吸收谱中表现出理想化零维系统的离散量化能量谱的效果。对应于这个离散能量 谱的波函数通常基本上空间定位在量子点内，但是扩展到材料的晶格的许多周期。图2a示出量子点1200的例子。在一个示例性实施例中，QD 1200具有半导体或 例如PbS的化合物半导体材料的核1220。配体1225可以附连到某些或所有外部表面，或 在如下面进一步描述的某些实施例中可以被移除。在某些实施例中，相邻QD的核1220 可以一起熔融以形成具有纳米尺度特征的纳米晶体材料的连续薄膜。在其它实施例中， 核可以通过关联分子彼此连接。在某些实施例中，陷阱态可以在纳米晶体材料的外部表 面上形成。在某些示例性实施例中，核可以是PbS，并且陷阱态可以通过在核1220的外 部表面上形成的例如PbS03的氧化物形成。
图2b示出一部分QD层的二维表示。层包含熔融的QD核1220的连续网络，其 具有外部表面1221，外部表面1221具有与核中的组成不同的组成，例如氧化核材料(例 如PbS03)，或不同类型的半导体。薄膜中的单个的QD核密切接触，但是继续表现出单 个量子点的许多特性。例如，单独的(未熔融的)量子点具有良好表征的激子吸收波长 峰，其由与其尺寸(例如I-IOnm)有关的量子效应引起。薄膜中熔融的QD的激子吸收波 长峰未明显地偏离熔融之前出现的中央吸收波长。例如，中央吸收波长可以在熔融时变 化大约10%或更少。因而，尽管薄膜中的QD可以是宏观结构的整体不可缺少的部分，但薄膜中的QD保留其量子效应。电流通常不被认为通过单独(未熔融的和未链接的)QD"流动"；相反，电子 简单地占据众所周知的量子点核中的量子能态。如果将两个单独的(未熔融的)QD彼此 接近，则电流可以通过在QD之间跳跃的电子或空穴在QD间流动。电流更容易在熔融 的QD核之间流动，即使核自身通常保持其量子能态。因为核处于接触状态，所以电子 可以更容易地在其间移动。也可以说，随着量子点接近到一起以形成基于熔融量子点的 固体，在相邻点中的量子局限的电子或空穴状态的波函数显现出增加的重叠，而同时不 将QD熔融到使其丢失其"本体(identity)“，即其提供量子局限的个体特征的程度，于 是导致其激子特征清楚显现在其吸收谱中。在实施例中，迁移率的范围可以从IiTcm2/ Vs到102cm2/VS。也可以"过熔融"QD，在这种情况下它们不再表现出单个量子点的普 通特性中的许多特性。在过熔融情况下，QD的核通常不具有其自身的量子能级，但是 能级分布在若干QD核上。这导致薄膜具有非常低的电阻，但是其在许多情况下实际是 体半导体材料。也可以通过其吸收和/或发射谱中其相对大的红(较长波长)移(例如 大于大约10% )来识别"过熔融"QD。当固体接近呈现体材料的吸收谱特性，例如吸 收开始接近体材料的带隙时，可以识别出完全熔融和量子局限特性的完全损失。在某些实施例中，QD核通过下面进一步描述的链接剂来链接。这允许电流比 流过未链接的、未熔融的QD更容易流动。然而，对于某些光电导体和图像传感器实施 例，使用链接剂分子形成QD的连续薄膜而不是将核熔融，可以减少暗电流。在某些实施例中，QD层对辐射1000特别敏感。该敏感性尤其对于低辐射1000 成像应用有用。同时，装置的增益可以被动态地调整，使得QDPC饱和，即额外光子继 续提供可以被读出电子电路鉴别的额外有用的信息。通过改变电压偏置，并且因而改变 例如一个像素的指定装置上所得到的电场，可以方便地实现增益的调整。如下面更具体 描述的，可以使光电导光致电压增益和相应的A/W响应度随偏压和场接近线性地变化。 因而，在指定装置中，大约IV的偏压可以导致大约10的增益，而大约IOV的偏压可以 导致大约100的增益。QD装置的某些实施例包含QD层和定制设计或预制的电子读出集成电路。接 着，QD层被直接形成在定制设计或预制的电子读出集成电路上。可以另外图案化QD 层，使得它形成单独的岛(island)。在某些实施例中，无论QD层在哪里覆盖电路，其连 续地覆盖和接触电路的至少某些特征。在某些实施例中，如果QD层覆盖电路的三维特 征，则QD层可以符合这些特征。换言之，在QD层和下面的电子读出集成电路之间存在 基本连续的界面。电路中的一或多个电极接触QD层，并且能够将关于QD层的信息，例 如涉及QD层上的辐射1000的量的电子信号传递到读取电路。可以以连续方式提供QD 层以覆盖例如读取电路或图案化的整个下面的电路。如果以连续方式提供QD层，则填 充因子接近大约100%，通过图案化，填充因子减少，但是针对使用硅光电二极管的某些 示例性CMOS传感器，仍然远大于典型的35%。在许多实施例中，使用在 通常用于制造常规CMOS器件的设备中可用的技术容 易地制造QD光学装置。例如，可以使用例如作为标准CMOS工艺的旋涂方式将QD层 溶液涂敷到预制电子读出电路上，并且可选地进一步通过其它CMOS兼容技术处理QD 层以提供装置中使用的最终QD层。下面提供QD沉积和进一步处理的细节。因为QD层不需要奇异或困难的制造技术，而是可以使用标准CMOS工艺制造，所以可以大量制 造QD光学装置，并且资金成本(除了材料之外)未显著增加超过当前CMOS工艺步骤。图2e进一步图解了某个示例性胶体量子点材料200的吸收率。下面进一步描述在示例性实施例中可以被用作QD的光敏层的示例性纳米晶体材 料，以及制造该材料(包含具有熔融或链接的核和陷阱态的材料)的方法。在示例性实 施例中可以将这些纳米晶体材料用于提供具有光电导的QD层。图1中示出的QDPC 100 的示例性实施例可以使用任何这些纳米晶体材料作为光敏层以形成光电传感器阵列的像 素区域。这些纳米晶体材料也可以被用于形成在本说明书中描述的其它示例性图像传感 器、像素区域和光电导体的实施例中的光敏层。在具体实施例中，像素区域的光敏层由 被熔融或链接的例如PbS或下面描述的其它材料的化合物半导体纳米晶体核形成，并且 例如PbS03的核材料的氧化物在外部表面上形成以形成陷阱态，从而提供光电导增益。 这些只是例子，并且其它QD或光敏层可以被用于其它实施例的像素区域中。在某些实 施例中，例如硅光电二极管的其它光敏层可以结合或代替像素区域的QD或像素区域中的 特定层来使用。量子点结构UOO图1中的示例性实施例的一个方面涉及量子点结构1100。量子点结构1100通常 包含量子点1200、量子点材料200和量子点布局1300。示例性实施例提供量子点(QD) 1200装置和制造纳米尺度晶体材料装置的方法。 许多实施例是拥有增强增益和敏感度的光学装置，并且除其它应用外，其可以被用于包 含辐射1000成像应用、光致电压应用的光学应用中。这里将术语〃量子点〃或〃 QD" 与术语"纳米晶体"互换使用，并且应当理解本实施例不专门局限于独立的量子点，而 是限于任何纳米尺度晶体材料，包含具有纳米尺度特征的连续薄膜，例如通过熔融或链 接的纳米晶体核的网络形成的薄膜。术语〃纳米晶体薄膜〃被用于描述包含尺寸通常在从0.5nm到IOnm的范围中的 晶体成分的材料，并且其中作为组成的纳米晶体在其原子的重复中对称性(或周期性)的 轴在薄膜上，即从纳米晶体到纳米晶体通常不是良好定序的。术语"胶体量子点薄膜" 被用于描述纳米晶膜，其中作为组成的纳米晶体近似地尺寸相同，例如纳米晶体平均为 2nm并且具有小于0.5nm的直径标准偏差的薄膜。存在称为外延或Stranski-Krastanow 生长量子点的另一类别的量子点，这些量子点未被涵盖在这里定义的术语"纳米晶体薄 膜"或"胶体量子点薄膜"中。外延量子点固体通常是晶格匹配的，并且因而组成晶体 具有彼此近似相同的晶格取向。
QD光学装置的某些实施例是单个图像传感器芯片，其具有多个像素，每个像素 包含辐射1000敏感，例如具有光活性的QD层，以及与QD层电连接的至少两个电极。 电极之间的电流和/或电压与QD层接收的辐射1000的量有关。具体地，QD层吸收的 光子产生电子-空穴对，使得在施加电偏压的情况下，电流流动。通过确定每个像素的 电流和/或电压，可以重构芯片上的图像。图像传感器芯片具有高灵敏度，其有益于低 辐射检测1000应用；允许极好图像细节的宽动态范围；和小像素尺寸。传感器芯片对 不同光学波长的响应度也可通过改变装置中QD的尺寸、利用QD中的量子尺寸效应来调 节。可以使像素像1平方微米一样小或更小、或像30乘30微米一样大或更大、或其中 包含的任何范围。
在许多实施例中，光敏QD层包含多个QD，其经过特别处理以给该层提供增强 增益和敏感度。具体地，可以使用下述方法制造多个QD，并且在某些实施例中，QD可 以包含核以及包含多个配体的外部表面。配体可以被交换为更短配体，在某些情况下为 易失性配体，并且接着在某些实施例中，进行配体交换的QD被溶液沉积到衬底上以形成 QD先驱体层。也可以使用下述形成和/或沉积纳米晶体材料的其它方法。衬底自身可 以包含一或多个电极，或可以在后面步骤中沉积电极。随后，在某些实施例中，从QD先 驱体层移除短配体。这可以使QD先驱体层中的QD非常接近。在实施例中，至少某些 QD可以与其邻居接触。QD之间的这种接触可以被称为"颈缩(necking)"。使纳米粒 子接近在一起可以使纳米粒子之间电子和/或空穴的移动更加容易，因而提高电荷载流 子穿过该层内的电气路径的迁移率。
在某些实施例中，颈缩QD可以被退火，这可以将颈缩QD熔融在一起。在这 种情况下，可以在配体清除之后将QD先驱体层保持在惰性气氛中，使得单个QD的外 部表面不被氧化，直到退火完成。虽然退火的QD层中的两个指定熔融QD保留其大部 分初始形状，并且因而分别保持可识别，然而在退火之后，QD不再会有物理上的彼此不 同。QD的核可以一起形成连续电气路径，其因而可以进一步提高该层内的电气路径的传 导性。因而，如果许多相邻QD颈缩，或一起熔融成退火QD层，则它们可以形成物理 范围基本大于单个QD的范围、电流会容易地流过的电气路径。在某些实施例中，尽管 QD自身是纳观的，但QD薄膜可以具有宏观范围。在某些实施例中，完工的QD层基本 上可以被认为是具有纳米尺度特征的连续无机薄膜。个体QD的一般形状仍然是可识别 的，但是其核形成机械上健壮的连续电气路径。例如，完工的QD层的显微图会示出用 来形成该层的个体QD的一般形状和尺寸，以及许多相邻QD之间的健壮接点。在某些 实施例中，纳米晶体核可以通过其它分子链接，而不是被熔融在一起。在许多实施例中，接着处理熔融的QD层以修改其外部表面。例如，可以在熔 融的量子点的外部表面上涂敷例如半导体壳的材料。或，例如，可以通过氧化熔融QD 层，在QD的暴露外部表面上形成缺陷态。这些缺陷态有效地捕获由光子激励的电子， 使得它们很不容易与空穴重组，并且因而大大增强指定光子在完工的QD层中产生的电流 量。这大大地提高了装置的光电导增益。熔融的QD核和其间的结通常不具有缺陷态， 所以在某些实施例中，电流容易在其间流动。由于陷阱态的持久性长于纳米晶体材料层 上载流子的渡越时间，所以产生光电导增益。光电检测器结构1400图1中的示例性实施例的一个方面涉及光电检测器结构1400。光电检测器结构 1400通常包含连接到量子点结构1100并且适于将来自量子点结构1100的要传送的电信号 或电荷携带到关联的像素电路1700的电连接1404。电互连1404可以被布置成与这里描 述的量子点布局1300相对应的光电检测器几何布局1402。例如，如果量子点布局是闭合 的指型交叉的图案1438，则电气互连的布局可以被布置成相似图案，使得来自结点的电 荷或信号可以被从这些点传送到像素电路1700。在其它实施例中，电互连可以被布置成 特定图案，并且量子点结构1100可以被布置成另一图案(例如，散布在连续薄膜中)，使 得电互连1404只从一部分量子点结构1100抽取电荷或信号。在实施例中，光电检测器结构包含与若干电极接触的半导体膜。虽然这里公开的许多实施例通过图像检测系统描述了光电检测器结构的使用，然而应当理解，在某些 实施例中光电检测器可以是光电二极管(例如，有增益或无增益的光致电压)或光电导 体。光电导体通常可以传递空穴，并且停止或无法传递电子。某些能量关系包含Fermi 能、功函数，化合价能和导带边缘。光电检测器结构1400可以包含材料组合，例如包含 或含有两个或更多类型的量子点。在某些示例性实施例中，光电检测器结构可以形成单 极装置，其中一个载流子类型(电子或空穴)的传送相比其它类型(空穴或电子)的传送 占主导地位。例如，在这里描述的PbS光电导胶体量子点检测器中，空穴可以是流动载 流子并且可以具有至少10倍于电子的迁移率。例如，空穴迁移率可以 等于lE-4Cm7Vs， 而电子迁移率可以低于lE-5cm2/Vs。光电检测器结构1400是被构造为使得它可以被用于检测示例性实施例中的辐射 1000的装置。检测器可以被"调节"以检测通过光电检测器结构1400中使用的各种量子 点结构1100的规定波长的辐射1000。光电检测器结构可以被描述成量子点结构1100， 其具有针对用于访问量子点结构1100的状态的某种输入/输出能力的I/O。一旦可以读 取该状态，则该状态可以通过电互连1404传送到像素电路1700，其中像素电路可以包含 电子器件(例如，无源和/或有源)以读取该状态。在实施例中，光电检测器结构1400 可以是量子点结构1100(例如，薄膜)加上电接触垫，所以所述垫可以与电子器件关联以 读取关联量子点结构1100的状态。在实施例中，电互连1404可以包含KDP电场检测器 或其它磁场检测系统。一旦与量子点结构进行电连接并且电连接可用，则可以通过接触 (例如，电荷、电压、电流、功率、电阻)或非接触(例如磁场、电场、电容、电感)测 量方法进行读取。在实施例中，光电检测器结构1400可以包含旋涂在彼此顶部的多层量子点材料 200。可以在这些层之间设置绝缘材料以减少层之间的串扰。在实施例中，这种材料可 以是具有例如1000埃的厚度的极薄电介质材料。这种电介质的应用可涉及处理步骤， 以例如通过与电连接屏蔽或从电连接移除，来保证该电介质不干扰用于与量子点材料200 的各层连接的电接触。例如，移除可涉及蚀刻处理。在实施例中，电介质可以被垂直设 置以避免与电极的顶部接触。在实施例中，后处理可以涉及由照明和温度的组合导致的光电检测器1400的敏 化。只要存在均勻照明，则光电检测器1400敏感度可以不变；所有其它参数可以达到平 衡值。例如，可以通过加热到一个温度一个时段来使将光电检测器1400敏化。时间和 温度的组合可以影响敏感度。来自光电检测器1400的功率可以逐像素地耗散。功率可 以与响应成反比。耗散可以归一化响应。后处理可以涉及照明，其具有导致阵列上的一 致光电检测器响应的平面场。自平化可以涉及整个传感器的均勻照明如果存在不具有 期望的增益水平的像素，则均勻照明将用于提高其增益。大电流可以通过"热"像素， 这可以减弱"热"像素的响应。如果传感器被暴露在均勻光学场，则传感器可以退火为 平坦响应。在某些实施例中，量子点结构1100也可以具有平面布局。可提供平面布局以 将QDPC的敏感度提高到例如某个波长或波长范围。出于包含例如提高对波长的敏感 度、降低对波长的敏感度和对吸收、折射、反射或与材料关联的其它特性的补偿的若干 原因，提供处于水平面的量子点结构的图案。
在实施例中，在量子点结构1100中产生电荷区域，使得作为入射辐射1000的结 果在电荷区域中产生的电荷与和相邻电荷区域相关的电荷隔离，并且只测量有关区域上 的照明的影响。这种方法可以被用于产生限定像素或部分像素的电荷响应区域图。例 如，在量子点结构1100的层内，可期望限定可被用作分立像素部分的区域(例如，数 百万的区域)。矩阵或正偏压电极组和地平面或负充电电极可以与该层关联(例如通过一 组电互连或电互连矩阵)。当该层所响应的辐射1000落在该层的子部分中时，对应区域 中的电荷显现并且朝区域中的正偏压电极移动。通过监视电极，可以识别活动的区域， 并且强度可以被测量并且与具体像素或像素组关联。在包含这种图案的例子的图3b-3e 中图解若干平面电互连图案。图3b_3e中出现的每个图案图解了正偏压电互连1452和地 或负偏压互连1450，作为这种结构如何操作的例子，但是其它配置和偏压可以被用于其 它实施例。图3b示出封闭简单图案1430(例如，概念性说明)和1432(例如，用于产生光电 检测器结构的通孔)。在简单封闭的图示1430-1432中，在含有接地的正方形电互连1450 的中心区域提供正偏压电互连1452。正方形电互连1450可以被接地或处于另一个参考电 位以提供跨在像素区域中光敏材料上的偏压。例如，互连1452可以被正电压偏压，并且 互连可以被负电压偏压以提供电极之间跨在像素区域中纳米材料上的期望电压降。在这 种配置中，当该层所响应的辐射1000处于正方形区域时，电荷显现并且电荷被吸引和移 动到中心正偏压电互连1452。如果在该层的区域上复制这些简单封闭图案，则每个简单 封闭图案形成部分或全部像素，其中它们捕获与落在内部正方形区域中的入射辐射1000 关联的电荷。在示例性实施例中，电互连1450可以是形成像素区域阵列的公共电极的栅 格的一部分。互连1450的每个边可以与相邻像素区域共享，以形成围绕相邻像素的电互 连的一部分。在这个实施例中，对于所有像素区域(或相邻像素区域组)，这个电极上的 电压相同，而互连1452上的电压根据像素区域中光敏材料吸收的光强度在积分时段上变 化，并且可以被读取以产生每个像素区域的像素信号。在示例性实施例中，互连1450可 以形成围绕每个像素区域的电互连1452的边界。公共电极可以在与互连1452相同的层 上形成，并且在互连1450周围横向定位。在某些实施例中，栅格可以在像素区域中光敏 材料层的上方或下方形成，但是电极上的偏压仍然可提供围绕像素区域的边界条件以减 少与相邻像素区域的横越交叉(crossover)。图3c图解了具有指型交叉1434 (例如，概念性图解)和1438 (例如，用于产生 光电检测器结构的通孔)的电互连的封闭图案。指型交叉产生电气互连以某种方式纠缠 的图案。类似于简单封闭图案，这些封闭图案可以被用于捕获外部接地电互连1450的范 围内的电荷，并且将电荷移动到正偏压电互连1452。就像图3b那样，外部电互连1450 可以被接地或处于某个其它参考电位，并且可以在像素阵列或相邻像素组周围形成公共 电极。图3d图解了 电互连的开放简单图案。开放简单图案通常不形成封闭图案。开放 简单图案不包围作为入射辐射1000的结果在正偏压电互连1452和地1450之间的区域内 产生的电荷；然而，在两个电互连之间的区域内显现的电荷被吸引和移动到正偏压电互 连1452。包含分立的开放简单结构的阵列可以提供电荷隔离系统，该系统可被用于识别 入射辐射1000的位置，和对应像素分配。如上所述，电互连1450可以被接地或处于某个其它参考电位。在某些实施例中，电互连1450可以与其它像素的对应电极电连接(例 如，通过互连的下层)，所以电压可被施加在像素阵列上。在其它实施例中，互连1450 可以线性地在多个像素区域上延伸以形成跨行或列的公共电极。图3e图解了开放指型交叉图案，其中各图案通常不形成封闭图案并且拥有某种 形式的指型交叉。开放指型交叉图案可以包含正互连1452和地(或其它参考电位)互连 1450。这个配置可以捕获在两个电互连之间的区域内显现的电荷，并且吸引和移动电荷 到正偏压电互连1452。包含分立的开放指型交叉结构的阵列可以提供电荷隔离系统，该 系统被用于识别入射辐射1000的位置，和对应像素分配。如上所述，在某些实施例中， 互连1450可以与相邻像素区域形成公共电极。
图3f示出通常较大的顶表面电极阵列内的两行乘三列的子区域。电接触的阵列 提供到光敏材料的覆层的电连接。1401表示用于提供到光敏层的一个共享接触的共同电 极栅格。1402表示提供电连接到光敏层的其它接触的像素电极。在实施例中，-2V的电 压偏压可以被施加到共同栅格1401，并且+2.5V的电压可以在每个积分周期的开始处施 加到每个像素电极1402。虽然共同接触1401在指定时间处于跨阵列的单个电位，然而像 素电极1402可以及时变化并且在阵列上间隔开。例如，如果电路被配置为使得1402处的 偏压与流入或流出1402的电流相关地变化，则在积分周期的整个进程中，不同电极1402 可以处于不同偏压。区域1403表示位于侧平面内1401和1402之间的非接触区域。1403 通常是绝缘材料以便最小化在1401和1402之间流动的暗电流。1401和1402通常由不 同材料构成。每个例如可以从列表TiN; TiN/Al/TiN ； Cu; TaN ； Ni; Pt中选择；并 且根据前面的列表，可以有叠加在一个或两个接触上、从Pt、烷基硫醇、Pd、Ru、Au、 ITO、或其它导电或部分导电的材料中选择的其它层或层组。在使用上述结构的示例性实施例中，互连1452可以形成与电容、半导体衬底上 的杂质区域或其它电荷存储电连接的电极。在某些实施例中，电压被施加到电荷存储， 并且由于在积分时段光敏薄膜上的电流流动而放电。在积分时段的结束处，采样剩余电 压以产生对应于在积分周期内由光敏层吸收的光强度的信号。在其它实施例中，像素区 域可以被偏置以使得电压在积分时段在电荷存储中累积。在积分时段的结束处，可以采 样剩余电压以产生对应于在积分周期内由光敏层吸收的光强度的信号。在某些示例性 实施例中，由于电荷存储处的电压放电或累积，所以光敏层上的偏压可以在积分时段变 化。于是，这可以使流过光敏材料的电流的速率也在积分时段变化。另外，光敏材料可 以是具有光电导增益的纳米晶体材料，并且电流流动的速率可以与由光敏层吸收的光强 度有非线性关系。结果，在某些实施例中，电路可以被用于将来自像素区域的信号转换 成数字像素数据，该数字像素数据与在积分时段由像素区域吸收的光强度有线性关系。 光敏材料的非线性特性可以被用于提供高动态范围，而电路可以被用于在信号被读取之 后线性化信号以便提供数字像素数据。下面进一步描述从像素区域读取信号的示例性像 素电路。在某些实施例中，每个像素区域中的光敏材料是纳米晶体材料，并且在偏压的 极性被反转时具有对称特性。在某些实施例中，互连1450(可以是像素阵列的公共电极) 上的电压可以在读取周期变化，而不是保持在地电位或固定参考电位。例如，在如下面 进一步描述的读取周期的转变期间，电压可以被改变以复位或控制像素电路。
上述光电导体结构只是例子，并且可以在其它实施例上使用其它结构。现在描述光电检测器的示例性实施例的某些特性和特征。根据使用的纳米晶体 材料、所施加的偏压和像素区域的尺寸与几何可以定制特性和特征。下面进一步描述示 例性纳米晶体材料和制造纳米晶体材料的方法。示例性实施例可以包含上述光电检测器 结构中或本说明书的其它地方使用的任何这些光敏层，并且所得到的光电检测器结构可 以被用于具有在本说明书中下面描述的任何像素电路和系统电路的示例性实施例。这些 组合只是例子，并且在其它实施例中也可以使用纳米晶体材料和光电检测器结构。在某些示例性实施例中，上述类型的光电检测器可以具有一或多个以下特性(6)容易与涉及图像感测功能的其它电路，例如存储电荷的电路、将信号电平传 递到阵列外围的电路、在模拟域中操作这些信号电平的电路、将模拟转换到数字信号的 电路、和在数字域中处理图像相关数据的电路集成。(7)提供对有关波段或频带内的光的最大灵敏度。通常使用在指定照明水平下 的测量信噪比(SNR)来量化灵敏度。当装置的响应度、量子效率或增益最大时信号为最 大。在指定温度下电流和电压的自然波动所规定的限制下，当电子信号的随机波动最小 时，噪声为最小。相关地，当暗电流的量值最小时，背景信号中的噪声和其它不受控制 的或难以预测的变化通常为最小。出于这个和其它原因，许多实施例中可以期望具有高 灵敏度和低暗电流的光电检测器。(8)提供适当快速的及时响应。例如视频成像和无光闸静止图像获取的应用通 常需要光电检测器，其信号电平基本上完全地响应于在比100毫秒(10帧每秒)更少的时 间、比33毫秒(30帧每秒)更少的题意或甚至1毫秒(静止图像的1/1000秒曝光)内的 转变而变化。(9)以能够方便地由可用电子电路处理的方式提供宽范围光强度的检测。该特性 被称作提供高动态范围。提供高动态范围的一个手段是将所测量的电子响应压缩为入射 光激励的函数。这种压缩可以被称为电信号对入射强度的亚线性，即具有下降斜率的非 线性依赖。也可以通过使用增益可以被控制(例如通过选择已知产生特定增益的电压偏 置)的光电检测器来促进高动态范围。(10)提供电磁辐射的不同谱带间的方便鉴别。具体关心的是χ射线、紫外线、 可见光(包含蓝、绿和红)、近红外线和短波长红外波段。示例性实施例可以提供光电导体和光电检测器阵列，其组合地拥有如下这些特 性的一或多个特性(6)示例性实施例中的光电检测器可以容易地通过例如旋涂、喷涂、滴涂和自组 装的简单、低成本的方法，与图像传感器电路和系统的其它部分集成。实施例包含交换 钝化纳米粒子表面的配体，以得到一旦形成薄膜便提供适当的电荷载流子迁移率的更短 配体。实施例包含液相交换，其使得能够实现平滑形态薄膜，这是实现具有阵列上的可 接受一致暗电流和光响应的图像传感器所需的。
(7)示例性实施例中的光电检测器通过手段的组合来提供最大灵敏度。这些手段 通过提供光电导增益使信号最大。光电导增益范围的典型值为从1到10，导致在可见波 长中从0.4A/W到4A/W的响应度。在实施例中，这里描述的光电检测器通过熔融纳米 晶体核以例如确保在构成电流流过的光敏层的粒子间的基本非噪声降级电连接，来使噪声最小。在实施例中，这里描述的光电检测器通过使活性层的净掺杂最少来使暗电流最 小，因而保证暗载流子密度，并且因而使这些光敏材料的暗电导最低。在实施例中，这 里描述的光电检测器通过提供通常阻断可能包含处于平衡的多数载流子的一种载流子的 电极到纳米晶层电连接，使暗电流最小。在实施例中，使用交联分子，其利用清除氧化 物、硫酸盐和/或负责P型掺杂的氢氧化物的化学功能。因而，在实施例中，可以提供 更加本征或甚至η型的光敏层，导致降低的暗电流。在实施例中，可以在例如希莱克技 术(Schlenkline)或手套式操作箱(Glove Box)的受控环境中进行量子点合成和/或处理 和/或装置封装中的许多步骤；以及可以使用基本上不可渗透的层，例如氧化物、氮氧 化物、或例如聚对二甲苯或环氧树脂的聚合物来封装光敏层，以便阻止例如氧的反应气 体或水显著渗透光敏层。通过这种方式，可以在图像传感器的期望有用生命期保持例如 增益、暗电流和时滞的期望特性组合。 (8)示例性实施例中的光电检测器提供可以快速至低于100毫秒、低于30毫秒和 低于1毫秒的时域响应。在某些实施例中，这通过提供与光敏层相关、仅将至少一种载 流子捕获例如100毫秒、30毫秒或1毫秒的有限时间段的增益提供(和持久性提供)陷 阱态来获得。在某些实施例中，PbS纳米粒子布置上PbS03，即PbS的氧化物，PbS03 显示出具有在20-30毫秒附近的陷阱态生命期，从而提供适于许多视频成像应用的瞬时 响应。在某些实施例中，相反，基于胶体量子点层提供光电二极管，其中具有略微不同 的功函数的两个电接触被用来接触活性层。在某些实施例中，可以通过在不施加明显的 外部电压偏置的情况下这种装置的操作来使暗电流最小。在某些实施例中，例如苯二硫 醇、二齿链接剂的交联部分可以被用来清除和/或钝化在这种材料中可能出现或可能发 展出来的某些陷阱态。(9)示例性实施例中的光电检测器提供了通过产生电信号(例如光电流)的亚线 性依赖来增强动态范围的手段。在低到中等强度的区域，有陷阱态可变为被填充，并且 在某种中等持久，或陷阱态、生命期(例如30毫秒)之后，出现逃逸。在更高强度处， 这些陷阱态变为基本上被填充，使得电荷载流子经历对应于更低微分增益的更短生命期 或持久时间。结果，这些装置在低到中等强度的范围上表现出基本固定的增益，接着在 更高强度处表现出增益的平缓滚降。换言之，在低到中等强度处，光电流近似线性地依 赖于强度，但是在更高强度处，光电流表现出对强度的亚线性依赖。在实施例中，提供 光电检测器，其中光电导增益依赖于施加到装置的偏压。其原因是增益与载流子生命期 除以载流子渡越时间的成比例，并且渡越时间以与施加的场成反比例的方式变化。在实 施例中，开发出利用增益对偏压的这种依赖性增加动态范围的电路。(10)在示例性实施例中，光电检测器可以被容易地改变，或"调整"，以向不 同谱带提供敏感度。通过量子尺寸效应提供一种调整的手段，从而在通过合成控制的情 况下，纳米粒子直径被降低，以增加所得到的量子点的有效带隙。通过选择材料组成提 供另一种调整的手段，其中使用具有更大体带隙的材料通常利于实现在更高光子能量处 具有响应度带边(responsivityonset)的光电检测器。在实施例中，具有不同吸收带边的光 电检测器可以被叠加以形成垂直像素，其中靠近光学信号源的像素吸收和感测电磁辐射 的较高能带，而远离光学信号源的像素吸收和感测较低能带。在光电检测器1400的具体示例性实施例中，对超灵敏的光电检测器1400 (例如，D* IO13琼斯)的溶液处理途径包括合成PbS胶体量子点，交换溶液中的它们 的有机覆盖配体，通过旋涂形成薄膜光电检测器，和实现显现步骤以修改传导性并修 改陷阱态，从而产生光电导增益，例如1.5、2、5、10、20、50或100(参见例如 Konstantatos G.等 人 Ultrasensitivesolution-cast quantum dot photodetectors.Nature 442, 180-183 (2006) ) 0光电检测器1400可以使用红外或可见光带隙。
在光电检测器1400的另一个实施例中，薄膜光电检测器1400可以被涂敷到芯片 上。薄膜光电检测器1400可以比示例性硅光电二极管更敏感，并且可以提供可简化读出 电路设计的内置增益。偏压相关和/或强度相关的增益的使用可允许增强的动态范围。 光电检测器1400可以使用胶体量子点1200，其可以提供超过例如晶体、非晶体或有机 物的常规体半导体的优点，其原因在于量子点是量子尺寸效应可调的。薄膜光电检测器 1400可以包括堆叠多谱像素，其可以引入量子点1200的量子尺寸效应可调性的使用。薄 膜光电检测器1400可以由经过后薄膜形成处理的量子点材料200形成，其中长绝缘配体 可以被交换成短配体，这可以导致高度敏感的可见光光电检测器1400。薄膜后处理可以 允许将顶表面薄膜光电检测器1400与晶体硅集成。在整个可见光谱上，光电检测器1400 可以再现出归一化检测灵敏度D* IO13琼斯。光电检测器1400可以表现出大于一并且 范围从1.5到100的光电导增益，从而利于高保真度电子读出。光电检测器1400可以允 许比固定增益光电检测器中提供的动态范围更大、3dB和20dB之间的动态范围。光电检 测器1400利用量子尺寸效应可调性来示范堆叠的多色像素。示例性实施例的薄膜光电检测器1400可以满足包含但不限于敏感度、增益、可 调性和动态范围等等的要求性能需求。下面接着描述某些示例性实施例的性能特征。关于敏感度，用于可见光成像的顶表面可见光波长光电检测器1400可以理想 地满足或超过硅的敏感度。敏感度的一种测量可以是噪声等效功率NEP，即装置能够 与噪声区分开的最小入射光功率。然而，由于光电检测器中的噪声电流不可与面积成 线性关系地按比例增大减小，所以定义称为归一化检测灵敏度的量，其具有单位 CmHz172W-1C Mm")。指标D*的数字等于检测器的光学活性面积除以其噪声等效功率 (NEP)的平方根。D *允许进行不同面积的光电检测器之间的比较。关于增益，示例性硅光电二极管对于每个入射光子可以提供高达与一个电子相 当的电流。在低光条件下，并且尤其是在小像素中，这可以使得非常低噪声电子放大电 路的使用成为必要。理想地，光电检测器会提供内置增益，从而允许对于每个吸收光子 在像素电路中收集多个载流子，因而减少对读出电路的要求。例如，在光电导光电检测 器1400中，当吸收光子时电子-空穴对的产生可以导致在激励载流子生命期持续的传导 性提高。关于可调性，量子尺寸效应调整查允许根据应用的需要选择半导体带隙。对于 可见光成像，最优带隙传感器材料会只吸收可见光，排除对红外截止滤光器的需要，并 且通过最大化带隙来最小化重组生成噪声(recombination-generation noise)。可调材料系 统也允许堆叠的像素体系结构，其中大带隙光电检测器感测以及过滤出较高能光，从而 只传送较长波长光到下面的独立读取的像素元件。这种体系结构与(有损)吸收性滤色 器阵列相比提供改进的低光敏感度。对于动态范围，CMOS图像传感器的满阱容量与暗电子的数量的比将动态范围限制为大约3个量级的强度(在成像中通常表示成60dB)。光电检测器1400可以提供至 少这么大的动态范围。光电检测器1400通过其偏压可调增益和/或其强度相关增益可允 许受控信号压缩以得到动态范围增强。下面更详细地描述表现出上述特性的纳米晶体材料和制造纳米晶体材料的方法。量子点像素1800在图1的示例性实施例中，上述纳米晶体材料和光电检测器结构可以被用于提 供光电传感器阵列、图像传感器或其它光电装置的量子点像素1800。在示例性实施例 中，像素1800包含能够接收辐射1000的量子点结构1100，适于从量子点结构1100接 收能量的光电检测器结构，和像素结构。在某些实施例中，这里描述的量子点像素可以 被用于提供以下特性高填充因子、装入容器的可能性(potential to bin)，堆叠的可能性 (potential tostack),达到小像素尺寸的可能性、来自较大像素尺寸的高性能、简化滤色 器阵列、去马赛克处理的去除、自增益设置/自动增益控制、高动态范围、全局光闸能 力、自动曝光、局部对比度、读取速度、像素级低噪声读取、使用较大工艺几何的能力 (低成本)、使用通用制造工艺的能力、使用数字制造工艺来建立模拟电路、在像素下方 增加例如存储器、A到D的其它功能、真相关双采样、装入容器等等。示例性实施例可 以提供某些或所有这些特性。然而，某些实施例可以不使用这些特性。图7c示出图8中示出的示例性成像系统的示意横截面。在示例性实施例中，QD 层1820包含交联纳米晶体核，例如链接的PbS纳米晶体核的连续薄膜，其具有使用例如 PbS03的氧化核材料形成的陷阱态。QD层1820可以提供光电导增益，并且具有流过QD 层1820的电流的速率和由QD层1820吸收的光强度之间的非线性关系。在示例性实施例中，图7c的成像系统包含读出结构，其包含衬底1812、例如 QD层1820的光敏层1820和透明电极1818。衬底1812包含具有顶表面的读出集成电路 (ROIC)，ROIC具有位于其顶表面的像素电极1814的阵列，所述像素电极1814具有位于 阵列外的反电极1818，即覆盖QD层1820的透明电极1818。图7c中示出的电极1814对 应于图8中示出的正方形电极垫300。共同形成焦平面阵列1810的电极1814的阵列提 供用于偏置阵列的指定像素1814和从阵列的指定像素1814收集电流的电压，并且向输入 /输出电极1812 (未示出连接)传送来自阵列的信号。例如QD层的光敏层1820在集成 电路的顶表面上形成。更具体地，QD层1820覆盖集成电路的顶表面上的像素电极1814 阵列。光敏层1820限定用于收集入射在其上的辐射1000的成像像素阵列。在图7c的成像系统中，QD层1820被直接单片集成到电子读出芯片上。现在参照图7d，在1822处示出了基本光学装置结构的侧视图，其在某些实施例 中可以被用作图7d_f中示出的整个集成阵列中的单个像素。装置1822包含衬底1824， 其可以是玻璃或其它相容的衬底；接触/电极1828 ；例如QD层1832的光敏层；和覆 盖QD层的至少部分透明的接触1830。如上所述，QD层1832可以是示例性实施例中具 有使用氧化核材料形 成的陷阱态的交联纳米晶体核的连续薄膜。接触1828和1830可以 包含例如铝、金、钼、银、镁、铜、氧化铟锡(ITO)、氧化锡、氧化钨和其组合及层结 构，并且可以包含带通或带阻滤光器，其选择性地透过或减弱适合装置的最终使用的谱 的具体区域。该装置具有总体上"垂直夹心"的结构，其中该装置的不同部件通常覆盖其它部件。在操作中，流动的电流的量和/或接触1830和接触1828之间的电压的量与 QD层1832接收的光子数量关联。在操作中，电流通常沿垂直方向流动。图7d中示出 的实施例也可以包含一或多个附加可选层，用于电子/空穴注入和/或阻断。该层允许 从电极到QD层传送或阻断至少一个载流子。适合层的例子包含QD层，其包含不同尺 寸和/或成份的QD，半导体聚合物和例如氧化铟锡(ITO)和硅的半导体。现在参照图7e，在1822a示出了具有与图7d_7f中示出的整个集成阵列中每个像 素不同的配置的基本装置结构的侧视图，但是其可以被用于形成类似功能的光学装置。 如上所述，QD层1832a可以是示例性实施例中具有使用氧化核材料形成的陷阱态的交联 纳米晶体核的连续薄膜。图7e中的配置对应于横向平面结构，其中跨两个间隔开的接 触/电极1828a和1832地沉积光敏层1832a。接触1828和1832被沉积在例如玻璃衬底 1824b的衬底上。包含接触1828a，1832和衬底1824b的集成电路可以包含任何适当系 统，光敏材料可与该系统相容(例如，硅、玻璃、塑料等等)。接触1828b和1832可以 包含铝、金、钼、银、镁、铜、钨、钽、氮化钨、氮化钽、氧化铟锡(ITO)、氧化锡、 氧化钨或其组合或层结构。该装置具有总体上"横向平面"结构，其中该装置的至少某 些部件通常相对其它部件横向移位，从而形成平面电极结构。在操作中，流动的电流的 量和/或接触1832a和接触1832之间的电压的量与QD层1832a接收的光子数量关联。 在操作中，电流通常沿横向流动。图7f示出包含指型交叉的电极的另一个基本装置结构1822b的顶视图，并且其 也可以被用于形成光学装置。可以从上面针对图7d_7e提供的材料中选择材料。如上所 述，QD层1832b可以是示例性实施例中具有使用氧化核材料形成的陷阱态的交联纳米晶 体核的连续薄膜。除其它可能体系结构外，图7d_7f中所示的每个基本装置1822、1822a和1822b 可以被认为代表了单个装置或例如线性阵列或二维阵列的较大装置中的元件。基本装置 可以被用在例如如上所述的检测和信号处理的许多类型的装置中，以及发射和光致电压 装置中。不是所有实施例都需要是光学装置。许多QD层具有可以被用于例如下述中 的一或多个的光学装置的光学特征用于电磁谱的一或多个辐射1000带的图像传感器； 包含多谱和超谱的光学分光计；通信光电检测光学接收机以及自由空间光学互连光接收 机；和环境传感器。某些QD层也具有可用于其它类型的装置的电气特征，例如用于信 号处理、计算、功率转换和通信的晶体管。在一个实施例中，集成电路上的下层电极限定成像装置中的成像像素。在电极 上形成的QD层提供入射辐射1000的光电转换。在另一个实施例中，除了通过集成电路上的电极限定像素之外，例如QD层的光 敏层的进一步图案化提供像素的进一步限定，包含由集成电路上的哪些电极读取哪个像 素。这个图案化也可以通过例如光刻的众所周知的CMOS技术来实现。其它选项包含 自组装QD层到例如金的预图案化金属层，QD和/或其配体对该层具有已知的亲合性。 通过将共形QD层沉积到例如包含"山丘"(突出)和"山谷"(沟道)的拓扑可变表面 并且接着平面化QD薄膜以移除"山丘"上累积的材料并同时在"山谷"中保持该材料， 也可以实现图案化。其它层可以被包含在结构顶上的 层中，例如用于制造电接触(例如至少部分透明的接触(例如氧化铟锡、氧化锡、氧化钨、铝、金、钼、银、镁、铜或其组合或层结 构))、抗反射涂层(例如电介质层系列)、或微腔的形成(例如两个反射镜，至少一个 使用非吸收电介质层形成)、封装(例如基本透明电介质(例如氮化硅(Si3N4)或二氧化 硅，或例如环氧树脂或其它材料)以保护氧环境或湿度中的不同材料)、或光学过滤(例 如允许一个辐射1000带通过并且第二个辐射1000带不通过)的电气层。集成电路可以包含一或多个半导体材料，例如但不限于硅、绝缘体上硅、衬底 上生长的硅锗层、磷化铟、砷化铟镓、砷化镓，或例如MEH-PPV，P30T和P3HT的半 导体聚合物。集成电路也可以包含一或多个半导体有机分子，非限制性的例子是端替代 (end-substituted)齐聚噻吩(例如 α，ω -dihexyl hexathiophene (DH6T))和并五苯。由于 聚合物和有机分子可以是柔性的，所以聚合物和有机分子可以被用作QD装置中的衬底， 并且因而允许制造非平面的"柔性"和"顺从"的装置。其它适合衬底可以包含例如塑料和玻璃。上述量子点像素只是例子，并且其它实施例可以使用其它像素结构。像素电路 1700 (包含其它部件1900)现在描述可以被用于从光电导像素区域读取信号的像素电路。如上所述，在实 施例中，图1的QDPC 100内的像素结构1500可以具有像素布局1600，其中像素布局 1600可以具有例如垂直、平面、对角等等的多个布局结构。像素结构1500也可以具有嵌 入的像素电路1700。像素结构也可以与光电检测器结构1400和像素电路1700之间的电 互连1404关联。在实施例中，图1的QDPC 100内的量子点像素1800可以具有像素电路1700， 其被嵌入或特定于个体量子点像素1800、量子点像素1800组、像素阵列中的所有量子点 像素1800等等。量子点像素1800的阵列内的不同量子点像素1800可以具有不同像素 电路1700，或可以根本不具有任何个体像素电路1700。在实施例中，像素电路1700可 以提供多个电路，例如用于偏置、电压偏置、电流偏置、电荷传送、放大器、复位、采 样和保持、地址逻辑、解码逻辑、存储器、TRAM单元、快擦写存储器单元、增益、模 拟求和、模数转换、电阻桥等等。在实施例中，像素电路1700可以具有多个功能，例 如用于读取、采样、相关双采样、子帧采样、定时、积分、求和、增益控制、自动增益 控制、偏置调整(off-set adjustment)、校准、偏移调整(offsetadjustment)、存储器存储、 帧缓存、暗电流减法、装入容器(biiming)等等。在实施例中，像素电路1700可以具有 到QDPC 100内其它电路的电连接，例如位于第二量子点像素1800、列电路、行电路、 QDPC 100的功能部件2004内的电路、或QDPC 100的集成系统2200内的其它特征2204 等等的至少一个中的其它电路。与像素电路1700关联的设计灵活性可以提供宽范围的产 品改进和技术创新。量子点像素1800内的像素电路1700可以采取多个形式，范围从根本没有电路，仅互连电极，到提供例如偏置、复位、缓冲、采样、转换、寻址、存储器等等的功能的 电路。在实施例中，调节或处理电信号的电子器件可以以多种方式定位和配置。例如， 信号的放大可以在每个像素、像素组，每个列或行的末端处，在信号已经传送离开阵列 之后，刚好在信号要被传送离开芯片2000之前等等执行。在另一个情况下，可以在每个 像素、像素组，每个列或行的末端处，在芯片2000的功能部件2004内，在信号已经传送离开芯片2000之后等等提供模数转换。另外，可以分步骤执行任何级别的处理，其中一 部分处理在一个位置执行并且第二部分的处理在另一个位置执行。一个例子可以是分两 个步骤执行模数转换，即 在像素1800处的模拟混合和作为芯片2000的功能部件2004的 一部分的高速率模数转换。在实施例中，不同电子配置可需要不同层次的后处理，例如补偿每个像素具有 其自身的与每个像素的读取电路关联的校准水平的事实。QDPC100可以能够为每个像素 处的读取电路提供校准、增益控制、存储器功能等等。由于QDPC 100的高度集成结构， 所以可得到量子点像素1800和芯片2000层次的电路，这可以允许QDPC 100成为芯片上 的整个图像传感器系统。在某些实施例中，QDPC 100也可以由量子点材料200结合例 如CCD和CMOS的常规半导体技术构成。像素电路可以被定义为包含在与量子点材料200接触的电极处开始并且在信号 或信息被从像素传送到其它处理设备时结束的部件，例如下层的芯片200的功能部件 2004或另一个量子点像素1800。从量子点材料200上的电极处开始，信号被转换或读 取。在实施例中，光电导光致电压量子点材料200可以充当响应于辐射1000改变其电 阻的电阻器。同样地，量子点像素1800可需要偏置电路1700以便将阻抗转换成可读信 号。接着，这个信号可被放大和选择以供读取。图6a中示出的像素电路的一个实施例 使用复位偏置晶体管1802、放大器晶体管1804和列地址晶体管1808。这个三晶体管电 路配置也可以被称为3T电路。在这里，复位偏置晶体管1802在复位1704有效时连接偏 置电压1702到光电导光致电压量子点材料200，因而复位量子点材料200的电气状态。 在复位1704之后，量子点材料200被暴露给辐射1000，导致量子点材料200的电气状态 的变化，在这种情况下为引入放大器1804的栅极的电压改变。接着，这个电压被放大器 晶体管1804提升并且提供给地址选择晶体管1808，其在被选择时出现在地址选择晶体管 1808的列输出处。在某些实施例中，附加电路可以被加到像素电路中以帮助减去暗信号 成分。在其它实施例中，针对暗信号的调整可以在从像素电路读取该信号之后进行。在实施例中，量子点材料200的阻抗可以非常高，例如在一个太欧(teraohm)范 围内，使得暗场景的积分时间在毫秒范围，而亮场景的积分时间在微秒范围。另外，响 应曲线可以不是线性的，导致S形响应曲线。这类响应曲线可需要相对于光电二极管配 置的常规方面进行如何使用3T电路方面的改变。例如，常规3T复位是数字的，其中在 积分期间复位无效，并且在复位期间完全有效。QDPC 100 3T电路的复位是模拟的、电 压变化的，例如在某些实施例中从OV连续改变到1.8V，进行偏置以得到特定响应形状和 优化。QDPC 100电路的复位也可以在复位期间调强，并且在积分期间调弱，但是可以始 终供给偏置电压，这可以提供电路的更大控制。并且，如先前提及的，光电二极管可以 具有非常大的电容，例如50-100毫微微法拉(femtofarad)，具有小于一的增益。QDPC 100量子点材料200具有非常低的电容，例如小于一毫微微法拉，具有取决于偏压的大范 围增益，例如0.1和10000之间。常规3T电路的控制定时由固定电压和定时来表征，例如被调强并且接着在帧区 间的末端被回调到零的复位电压以及帧之间的定时被固定。在QDPC 100 3T电路中， 复位电压可以变化。此外，由于量子点材料200响应曲线在用于光电二极管时不是线性 的，所以QDPC的定时可变，其中斜率直接取决于辐射1000的量并且能够达到饱和。在量子点材料200响应中，关系是指数式的(exponential)，其中强辐射1000可以产生尖锐 衰减并且弱辐射1000可以产生非常慢的衰减。由于这个响应，所以不存在达到饱和的电 压水平，并且因而对动态范围没有限制。例如，在辐射1000强度从一毫微瓦到一毫瓦的 范围上，QDPC 100可以经历易于读取的360mV的输出范围。尽管在某些实施例中QDPC 100的低噪声操作可能不需要附加电路，但可以添加 第四晶体管电路组以提高敏感度。图6b示出QDPC 100 4T电路，其中第四晶体管1708 被配置为采样并且保持。这个配置也可以被称为全局光闸，其中整个像素1800阵列可以 被同时采样，而不必在固定时间采样，其中采样的时间可以是辐射1000的条件的函数。 采样和保持可以实现相关双采样，其中每个像素的信号值被传送到输出，并且输出被复 位到参考值。分配给这个像素的最终值可以是参考值和传送的信号之间的差值。相关双 采样可以产生与每个像素关联的真值的最优表示。从电子器件的观点看，可以有实现这 个的不同方法，例如数字、模拟采样和保持、积分、双斜率等等。有效性的差异对于小 于4或5个电子的超低噪声系统会变得明显，这取决于系统的总体设计。在实施例中， 可以使用两个采样和保持，保持两个值以便利用其间的差值。另外，QDPC 4T电路也可 以具有分立的像素复位，其可以不同于电路复位。两个复位可以被同时或在不同时间使 用。在实施例中，QDPC 100电路可以具有变化的电压、时间分布、复位时间的长度、 采样模式等等，其允许常规设计所不能的创新产品解决方案。在实施例中，光电检测器的偏置可以不随时间变化或随时间变化。变化的空间 和时间可以减少串扰，并且允许将量子点像素1800缩小到更小尺寸，并且需要量子点像 素1800之间的连接。通过在像素1800的角和中间的点处接地能够实现偏置。可以仅在 执行读取、允许相邻像素1800上没有场、将相同偏压作用在相邻像素1800上、首先读取 奇列然后读取偶列、等等时实现偏置。也可以在像素1800之间共享电极和/或偏置。偏 置可以被实现成电压源或电流源。电压可以跨若干像素施加，但是接着被分别感测，或 作为跨对角线上一串像素1800的单个大偏压来施加。电流源可以驱动电流沿行流下，接 着跨列读出电流。这可以提高所涉及的电流的水平，其可以降低读取噪声水平。在实施例中，电流流动可以被导向，例如，通过一系列层向下流动。施加电压 或电流、跨不同的组收集、参考差分测量(即电极对之间的差)和产生DC偏移(与偏移 信号成比例)。在实施例中，通过使用偏置模式或电压偏置配置，场的配置可以产生像素之间 的隔离。例如，即使存在上述光电导光致电压材料，电流可以在每个像素中流动，使得 只有电子-空穴对在该像素内流动。这可以允许静电实现的像素间隔离和串扰消减，而 无需物理分离。这能够断开物理隔离和串扰消减之间的联系。这类模式可以通过棋盘式 的非连接的分组来实现。在笛卡尔系统中，偏置可以是彼此相对的产生方向，所以载流 子可以在收集区域看到最小电位，并且散布到像素的中心。
在实施例中，像素电路1700可以包含用于像素读取的电路。像素读取可以涉及 从量子点材料200读取信号并且将信号传送到其它部件1900、芯片功能部件2004、集成 系统2200的其它特征2204或其它芯片外部件的电路。像素读取电路可以包含量子点材 料200接口电路，例如图6a和6b中示出的3T和4T电路。像素读取可涉及读取像素信 号的不同方式，转换像素信号的方式、所施加的电压等等。像素读取可需要具有例如2、3、4、20等等的若干与量子点材料200的金属接触。这些电接触可以被定制配置尺寸、 屏蔽度、电容等等，并且可以涉及例如肖特基接触的其它电部件。像素读取时间可以与 辐射1000的引起的电子-空穴对的持续时间有关，例如若干毫秒或微秒。在实施例中， 这个时间可以与量子点材料200的处理步骤关联，例如改变持久性、增益、动态范围、
噪声效率等等。 量子点像素1800的读取可以通过多个信号转换技术进行，例如电阻到电压、电 阻到电流、电阻到电荷、反馈模式、混合暗电流等等。电阻到电压可以使用电阻分压 器，其中量子点材料200表示一个电阻，并且另一个是暗电阻器。在这个模式中，偏置 电压跨在该对上，并且在其间的节点处的输出电压被监视。在实施例中，输出响应可以 是非线性的，并且可以是像素1800尺寸的函数。偏置电压可以是包含1.8V、2.5V、3.3V 等等的多个值，其中在某些实施例中可能期望使用可得到的最大电压。在某些实施例 中，这些电压可以被滤波、校准、调节等等。在实施例中，像素读取可以通过电阻到电流模式进行，例如恒定电流方案。在 低辐射1000中，利用恒定电流，电阻可以在开始时为低，接着根据斜率传递函数(slop transfer function)增高。在实施例中，恒定电流模式可能在实现中需要晶体管电路，从而 转变为比其它模式需要更大量的电路，例如具有只涉及电阻器的恒定电压。通过晶体管 配置，也可能存在晶体管匹配和偏移的问题。也需要例如自参考、镜像电路、自参考切 换等等的参考。切换可以改进电荷截留和切换噪声效应。在实施例中，恒定电流方案可 以表示用于与例如量子点材料200的非线性装置接口的改进方法，其中处于低辐射1000 的辐射1000可以表示低斜率、中间的最大斜率和再次回到低斜率的亮辐射1000，即所谓 的S曲线。在实施例中，像素电路可以适应例如积分、采样等等的获得图像的不同方式。 积分可以涉及毫秒级的曝光，并且可能在整个帧周期涉及整个像素1800阵列。对于只产 生例如480mV的小电压的大范围的辐射1000强度，可以不需要增益，尽管自动增益控制 仍可以被实现。在实施例中，曝光值可以提供光强度和采样电压之间的不同映射。与暗 电阻关联的RC常数可以确定最长曝光时间。在实施例中，可以结合新技术使用更多常 规结构以实现较长曝光时间。在一个可选实施例中，可以在帧周期内多次采样图像，其可以利用量子点结构 1100中进行的常数积分。采样可以针对微秒级的时段来进行，从而在毫秒级的帧周期 内脱离地采样一个像素、列、或簇。这可以导致在帧周期内得到大量样本，例如每帧周 期一千个样本。在实施例中，噪声带宽可以较大，但是由于读取数量增加，所以具有增 加的噪声。然而，可以获得简单性，并且可以根据应用在简单性与附加噪声之间进行折 衷。在实施例中，所有所需是每个像素1800上有单个开关。可以在整个时间施加偏 压，但是只具有简要样本，或偏置可以是有限时段。采样可以使用类似于相关双采样的 技术，通过减去信号和背景来减少总噪声。这可以帮助避免低Ι/f噪声。在实施例中， 不同积分和采样模式可以被应用于QDPC 100的操作，其使新产品应用的开发具有操作灵 活性。在实施例中，可以有与像素电路1700关联的校准电路，例如执行或不执行暗电 流减法。暗电流减法可以通过使用电阻桥，或在电路的行或列的末端处，或在每个个体像素处执行。关联的暗电阻器可以被覆盖并且位于行的末端、列的末端、个体像素处、 像素组的中心处、在约束成一组像素的区域内等等。接着，通过以适当比率表征暗与常 规像素的比并且关于电阻和几何结构，可以执行校准。所覆盖的暗电阻器与未覆盖的像 素的比率可以被称为填充因子，并且可以被最小化以便最大化曝光辐射1000敏感的量子 点材料200。填充因子可以通过拼贴(tiling)像素组来最小化，并且可以配置成例如正 交或非正交的多个取向。暗电阻器的屏蔽可以通过用金属或其它材料覆盖暗电阻器来实 现。在一个可选实施例中，光电检测表面可以被制造成对辐射1000不敏感，或失敏或在 制造期间例如通过掩模(masked)UV辐射来调节。在实施例中，可以通过暴露于例如UV 辐射的掩模辐射来使区域对辐射1000敏感。在实施例中，可以随着从阵列中读取信号而 确定暗参考。在实施例中，可以不需要暗电流减法。在一个光子的电阻变化大于暗电流的情 况下可以允许这种情况，于是可以忽略暗电流。由于小的组可以具有相似照明或比系统 中光学器件的分辨率更小，所以这可以加速读取，各组可以通过测量每个邻居的电阻来 执行其自身的自校准。差异可以起因于暗电流、像素之间的增益偏移、光学器件的传递 函数等等。仍然可以使用电阻桥，但是现在它们可以在自校准组内使用。这类系统可以 允许动态、连续的调整，这种调整可以由用户在生产或用户层次定义或设置。在实施例 中，允许在不需要暗电阻器的情况下进行校准的技术的使用可以产生更小、更快速的产 品应用。在实施例中，针于预设校准水平、增益计算、与相邻像素1800的比较、受控敏 感度、功率水平等等，校准可以涉及像素输出的调整。例如，在量子点结构1100内可以 有具有较高敏感度的区域和具有较低敏感度的区域，并且可以期望在某些区域中校准、 提高敏感度或减少敏感度以从光电检测器产生更平坦的响应。在实施例中，处理2008可 以具有在像素1800阵列上监视热点、曝光、敏感度等等的能力，并且通过像素电路1700 进行调整。像素1800可以是自调节的，其中它们能够针对某准则优化自身。该准则可以 通过片上处理2008预设或连续调整。像素1800可以能够调整功率水平，其中消耗的功 率可以与响应成反比，但是消耗使响应归一化。像素可以能够调整其增益、定时、复位 等等。在实施例中，可以通过像素电子器件1700的存在来允许调整像素1800的能力， 或执行自调整的能力。最终，通过驻留在像素电路中的解码电路可以发送该信号。由于辐射不必通过 QDPC 100的衬底，所以该电路可以更简单，并且电路可以在暗处工作得更好。由于更 大数量的层的可用性和增加QDPC 100的集成密度所造成的电路资源增加，所以该电路可 以更容易地容纳。在实施例中，解码电路可以驻留在像素电路中，在下层芯片2000内的 功能部件2004中，或在集成系统2200中，在阵列的边缘处，或散布在阵列内不同位置。 在实施例中，将解码电路或例如存储器的其它部件1900放置于何处的灵活性可以允许更 灵活的定制产品应用。在实施例中，可以使用像素装仓(bimiing)，其中对应于多个最小图案化像素的 信号可以在单个超像素内累积。可以在数字域、在模拟域或在薄膜水平实现累积。以累 积对应于2X2阵列的信号到单个超像素为例可以使用薄膜装仓，通过施加跨整组2X2 像素的偏压并且积分到单个电容器来实现累积。也可以使用模拟装仓，通过累加4个单个电容器中存储的电荷，或在信号被数字化之后使用数字装仓来实现累积。在实施例中，通过光电导层并且在指定像素中收集的光电流可以与碰撞该像素 的强度具有非线性关系。在实施例中，该非线性关系可以是亚线性的，因而光电导增益 可以随强度的增强而减弱。在实施例中，可以期望基于所收集的电流提供积分期间碰撞 像素的强度的估计。在实施例中，可以期望估计强度和光电流之间的函数关系，光电流 =f(强度)，并且确定或估计该函数的逆，强度=户(光电流)。在实施例中，强度和光 电流之间的函数关系可以在生产或装配期间表征，并且表示被存储在装置上或装置外， 以供将对强度-光电流映射函数(f)求逆(f1)的后处理数字算法使用。在实施例中，可 以通过实现近似地对光电流_强度映射函数(f)求逆(f1)的模拟函数来产生与推断的强度 成比例的信号。在实施例中，模数转换器的级之间的电压间隔可以被操纵，包含使其不均勻， 例如补偿上述非线性光电流-强度关系。在某些实施例中，模数转换器可以被设置在像 素区域的阵列下的半导体衬底上，并且与相应像素电路电连接。在某些实施例中，模数 转换器可以被设置在与光电传感器阵列邻近的区域中的半导体衬底上。在某些实施例 中，模数转换器可以至少部分地补偿上述非线性光电流-强度关系。在其它实施例中， 模数转换器不包含非线性的补偿。在某些实施例中，非线性的补偿可以在模数转换之后 的数字电路中提供，或通过使用图像传感器的数字照相机或其它系统中的相同芯片(例 如，片上系统)或另一个芯片上的数字处理器上的软件来提供。在实施例中，其它算术运算可以在数字域中实现，以基于所观测的光电流或累 积的光电荷的数字估计，产生碰撞强度的修正数字估计。现在描述像素电路的其它示例性实施例。图12-19结合这里描述的光电导体例 子和像素区域图解了在实施例中使用的其它像素电路的各个方面。图12是根据实施例的3T像素电路的电路图。参考下面的图符进一步说明图12。偏置电压vbiasTX =标称 2.8V-固定sf_drain =标称 2.8V-固定vbiasR =可调整-2V 至 2.8V信号电压vsrc = 1.5V — 2.5VVcol = 1.5 V—0.5V定时控制信号sel =行选择；0 — 2.8Vrst=复位；0 —4VMrt=复位晶体管Msf=读出缓存器Mrs =行选择晶体管上述偏压、信号电压和定时控制信号只是例子，并且其它实施例可以使用其它 值。在该示例性实施例中，薄膜4可以是具有如上所述的光敏纳米晶体材料的光电导 体。在示例性实施例中，薄膜4上的电流与薄膜4所吸收的光强度具有非线性关系。在一个电极处向薄膜4施加Vsrc 11，在另一个电极处向薄膜4施加vbiasR，其导致跨薄膜4 的电压差。在示例性实施例中，当如上所述跨薄膜4施加该偏压时，薄膜4提供光电导 增益。各电极可以具有上述任何光电导体配置或具有其它配置。在某些实施例中，该电 路可以被用于读取如下面进一步描述的多层或多区域彩色象素的一层。当图12中示出的示例性像素电路工作时，为了捕获在薄膜⑷上产生的光电流 Iph,通过将节点5的电压设置得足够高(高达4V，通过片上电荷泵/调节器电路)来接 通复位晶体管1，使得节点11充电到等于vbiasTX(节点6)的电压(节点6通常被设置到 供电干线2.8V)。这是复位阶段。一旦该〃复位〃操作完成，则节点5被设置到OV以 断开复位晶体管Mrt(I)。这样做时，电荷注入和寄生电容馈通效应会使节点11 (现在变 成浮动节点)下降近似300mV。因此，在"复位"操作之后，节点11处的实际"复位" 电压值大约为2.5V。此时，光电流s在薄膜⑷内产生，并且所产生的光电流(光敏感度)的量取决 于跨薄膜⑷的电压，即(vsrc-vbiaSR)。通过能够被任意设置成从-2V到2.8V的任何 电压水平的vbiasR，可以调整像素的光敏感度。来自薄膜(4)的光电流在vsrc节点(11)处释放寄生电容，并且其电压水平以取 决于积分时间期间vsrc(节点11)处的寄生电容以及薄膜的等效电导的值的速率下降。在特定积分时间之后，通过将节点SeK8)设置为高电平(2.8V)，节点11处的所 得到的积分电压将通过晶体管Msf(2)和Mrs(3)、源极跟随缓冲晶体管和行选择晶体管来读取。在该示例性实施例中，在节点11处放电的电荷存储包括与vsrc(节点11)处像 素区域的电极电连接的一或多个晶体管的寄生电容。vsrc(节点11)处的电极可以与例 如Msf2、提供寄生电容的晶体管的栅极电连接。在一个示例性实施例中，电荷存储可以 至少部分地由源极跟随晶体管Msf 2的栅极和漏极之间的寄生电容和复位晶体管Mrt 1的 源极和衬底之间的寄生电容提供。这些是在其上或其中形成像素电路的半导体衬底(多 晶，η阱和衬底)上的结构之间的寄生电容。在示例性实施例中，这些寄生电容可以在大 约1-2毫微微法拉的范围内，或更通常地在大约0.5到3毫微微法拉的范围或其中包含的 任何范围内。像素区域、光敏纳米晶体层和电极可以在用于形成晶体管Mrt 1，MsG和 Mrs 3的半导体衬底的区域上方的不同层中形成。在一个可选实施例中，偏压的极性可以 被反向，并且vsrc处的寄生电容可以在积分周期内被充电而不是放电。图13是通过图解上述像素读出电路内的3个晶体管的位置来示出4X4像素布局 的布局图。在图示中，标记为多晶栅l(poly-gatel)和扩散l(diffosionl)的几何结构组 合以形成复位晶体管Mrt。标记为多晶栅2 (poly-gate2)和扩散2 (diffusion2)的几何结构 组合以形成源极跟随缓冲晶体管Msf。标记为多晶栅3 (poly-gate3)和扩散2的几何结构 组合以形成行选择晶体管Mrs。在图13上形成四个正方形的栅格是向所有四个电极提供 vbiasR的公共电极。在每个正方形的中心是每个像素区域的处于vsrc的像素电极。光敏 纳米晶体材料被涂敷在这些电极上并且与这些电极接触，以形成这四个像素区域。在其 中或其上形成像素电路晶体管(Mrt，Msf和Mrs)的半导体衬底上方的各层中形成这些像 素区域。集成电路装置的通孔和互连层可以被用于提供像素区域的像素电路和电极之间 的电连接。
图14(a)和14(b)对比这里公开的基于光电导光敏层的(b)图像传感器描述了在 基于常规光电二极管的图像传感器中读取的光电装置的电流-电压依赖关系。光敏层(b) 在示例性实施例中可以是具有光电导增益的纳米晶体材料，例如连续薄膜中的PbS核， 其与在核的外部表面上形成陷阱态的PbS03熔融或链接，以提供如这里描述的持久性。尤其在无照明条件下，(a)的常规光电二极管的电流-电压依赖关系的非对称性 是明显的。当正偏压被施加到p-n结器件的ρ型侧(更深功函数)时，与施加具有相同 振幅但相反极性的偏压的情况相比，电流增长更快速。这个特性被称作整流。相对比地，在(b)中图解了使用两个具有彼此相似的功函数的接触制造的光电 导体的对称电流-电压特征。该装置是非整流的流动电流的振幅基本上不随偏压的极 性变化。光电二极管通常以反向偏压模式工作。在照明下，它们通常提供小于或等于每 光子入射(量子效率<=100%)电流(电子)的单位的电流。相对比地，光电导光电检 测器可以表现出增益，其中当照明时流动的附加电流能够超出一个单位的每光子入射电 流(电子)。在图(b)中通过与(a)相比(b)中的Olux，Ilux和21ux照度之间的更大间 隔(尤其在更高偏压下)对此进行概念性图示。还应当注意，光电二极管的响应度基本相同，无论对其施加的反向偏压的振幅 如何；并且通常不超过一，即使在高偏压情况下。相对比地，光电导光电检测器的响应 度和增益以与(b)的图解中的偏压成近似线性关系的方式增加。这个事实被利用在这里 描述的某些电路中，以增加光感测系统的动态范围。图15(a)和15(b)针对以下两种情况示出作为时间的函数的vsrc(图12的节点 11)处的电压(a)光电二极管或(b)具有偏压相关增益的光电导。在(a)中，由于量 子效率与偏压无关，即使电容器放电并且vsrc处的电压减少从而降低跨光电二极管的偏 压，放电的速率对于指定照明等级仍然保持固定。相对比地，在(b)中，由于增益取决 于偏压，随着电容器放电并且vsrc处的电压减少从而降低跨光电导体的偏压，放电的速 率对于指定照明等级会减少。结果，在(a)中，在例子中，在馈送到具有IV输入摆幅的模数转换器的读出电 路的(典型)IV输出摆幅内能够只包含O-IOlux的照度。相对比地，在例子中，在馈送 到具有IV输入摆幅的模数转换器的读出电路的IV输出摆幅内包含O-IOOiux的照度。图16是根据实施例的3T 1.4μιη矩形像素的布局图。该像素具有与图12的3Τ 2.4μιη像素相同的模式图和电路操作描述。为了实现更小的像素间距，下层的像素读出 电路以矩形方式布局。布局镜像也被用于进一步减少布局面积。以下4X4像素阵列的 布局解了这种布局。注意，光电传感器像素是4X4阵列，而下层像素读出电路以 8X2方式排列。在该布局中也示出了镜像线，其中通过关于〃镜像线〃镜像这个线上方 的8个像素的布局以形成底部8像素布局，来进行镜像。在图16中，标记为多晶栅1 (poly-gatel)和扩散(diffusion)的几何结构组合以形 成复位晶体管Mrt。标记为多晶栅2 (poly-gate2)和扩散(diffusion)的几何结构组合以形 成源极跟随缓冲晶体管Msf。标记为多晶栅3 (poly-gate3)和扩散(diffosion)的几何结构 组合以形成行选择晶体管Mrs。尽管这个像素通常被认为是非共享像素，其中像素之间无晶体管共享，但镜像导致"共享扩散"，其中表示节点VCOl (9)的扩散在镜像线上方和下方的像素之间共享。 这是通过镜像带来面积节省的地方。来自沿相同列的所有像素的所有VCOl节点被电连接。图20c示出两个像素电路的布局。图20c中顶部的正方形是一个像素区域，并 且底部的正方形是另一个像素区域。像素电路在像素区域下面的半导体衬底上形成。图 20c的右和左边的并排矩形区域概括了每个像素区域的像素电路的布局。在这个实施例 中，每个像素区域的像素电路在每个像素区域的一半下面延伸。像素电路不限于对应像 素区域下方的空间的这种布局允许布局的更大灵活性，并且可以提供更紧凑的像素电路 布局。图17是根据另一个实施例的像素的电路图。参考下面的图符进一步说明图例。偏置电压VbiasTX =标称 2.8V-固定sf_drain =标称 2.8V-固定vbiasR =可调节-2V 到 2.8V信号电压vshare = 1.5V — 2.5 VVcol = 1.5 V—0.5V定时控制信号sel =行选择；O — 2.8Vrst=复位；O —4Vtx
=传送开关；O — 4VMrt=复位晶体管Msf=读出缓存器Mrs =行选择晶体管图17的电路的操作基本与图12的3T 2.4 μ m像素的操作相似。在该具体设计 中，晶体管Mrt，Msf, Mrs在4个像素之间共享。TX
晶体管是开关，其将4个不 同像素与共享〃浮动扩散〃或〃 -VShare(IlO)"隔离。所示4个像素的组均由2个G(绿)像素、1个R(红)像素和1个B (蓝)像素 构成，兼容Bayer模式。在4个像素的每个(例如〃 R"像素)的复位阶段期间，节点rst(5)和Tx[l]被 设置成高电压(在一个实施例中高达4V，通过片上电荷泵/调节器电路)，使得节点110 和101被充电到等于vbiasTX(节点6)的电压，节点6通常被设置成供电干线2.8V。一 旦该"复位"操作完成，则节点5和Τχ[1]被设置成0V。由于寄生电容效应，节点101 处的〃复位〃电压被设置为 2.5V。此时，光电流S在像素R内产生，并且所产生的光电流(光敏感度)的量取决于 跨像素的电压(例如，101-vbiasR)。通过能够被任意设置成从-2V到2.8V的任何电压 水平的vbiasR，可以调整像素的光敏感度。光电流释放101处的寄生电容，并且其电压水平以取决于积分时间期间节点101 处的寄生电容以及薄膜的等效电导的值的速率下降。
在特定积分时间之后，通过接通Tx[l]，通过节点110和101之间的〃电荷共 享"读取节点101处积分的电压。为了在读出期间实现这点，节点rst(5)首先被设置成 高值(高达4V)以将节点110设置成"复位"电压值(2.5V)。接着，Tx[l]被设置成高 电压(高达4V)，连接节点101和110以进行"电荷共享"操作，通过该操作，101处积 分的电压会上升，而节点110处的电压会下降，直到它们相等。接着通过将节点Sel(S) 设置成高电平(2.8V)，经由晶体管Msf(2)和Mrs(3)、源极跟随缓冲晶体管和行选择晶体 管读取这个所得到的电压水平。读出操作对于4个像素的组中的其它3个像素是相同的。图18是图解根据实施例的4X4像素阵列的布局。在图16中参考了如上所述的 一组4对1共享像素。在某些实施例中，从一层到另一层，像素可以改变形状，同时保持相同像素区 域。例如，在量子薄膜层中，像素区域可以具有正方形状，而在像素电路的硅层中，则 具有矩形形状。作为另一个例子，如果薄膜层像素是2μιηΧ2μιη，则硅层像素可以是 4ymXlym所以将一行中的4个硅层像素放在一起提供了 4 μ mX4 μ m的总面积，其 对应于薄膜层像素的2X2阵列。利用该像素形状灵活性，可以实现例如16对2共享的非 常高的像素共享，这意味着16个像素可以使用2组读取晶体管来读取。图20b示出16-2 共享像素电路的布局，其中在两个8像素组间共享晶体管。图19是根据另一个实施例的像素的电路图。参考下面的图符进一步说明图例。偏置电压VbiasTX =标称 OV-固定sf_drain =标称 0V-固定vbiasR =可调节0 到 4V信号电压vsrc = 0.3 V— 1.3VVcol = 1.3 V—2.3V定时控制信号sel =行选择；0 — 2.8Vrst=复位；0 —4VMrt=复位晶体管Msf=读出缓存器Mrs =行选择晶体管为了捕获在薄膜(4)上产生的光电流Iph，通过将节点5设置为低(OV)来接通 复位晶体管1，使得节点11被充电到等于vbiasTX(节点6)的电压，节点6通常被设置成 地电压0V。这是复位阶段。一旦该〃复位〃操作完成，则节点5被设置到2.8V以断 开复位晶体管Mrt(I)。这样做时，电荷注入和寄生电容馈通效应使节点11 (现在变成浮 动节点)上升近似300mV。因此，在"复位"操作之后，节点11处的实际"复位"电压 值大约为0.3V。此时，在薄膜(4)内产生光电流S，并且所产生的光电流(光敏感度)的量取决 于跨薄膜⑷的电压，即(vsrc-vbiaSR)。通过能够被任意地设置成从OV到4V的任何电压水平的vbiasR(通过片上电荷泵/调节器电路产生)，像素的光敏感度可以被调整。来自薄膜(4)的光电流对vsrc节点(11)处的寄生电容充电，并且其电压水平以 取决于积分时间期间vsrc(节点11)处的寄生电容以及薄膜的等效电导的值的速率上升。在特定积分时间之后，通过将节点Sel(S)设置为地，经由晶体管Msf(2)和 Mrs(3),源极跟随缓冲晶体管和行选择晶体管来读取节点11处的所得到的积分电压。该像素的操作基本上类似于3T2.4ymNMOS像素的操作，其中所有晶体管和电 压极性"翻转(flipped)"。相同技术可以被用于如这里描述的像素的所有其它实施例。图21-36示出包含〃全局〃光闸结构的其它像素电路。全局光闸结构允许多个 像素或像素的整个阵列的电压同时被捕获。在示例性实施例中，这些像素电路可以与小 像素区域结合使用，小像素区域可以具有小于4平方微米的面积和示例性实施例中的小 于2微米的电极间距离。像素区域可以在半导体衬底上形成，并且像素电路可以在像素 区域下面的衬底上或衬底中形成。像素电路可以通过集成电路的通孔和互连层电连接到 像素区域的电极。如下面进一步描述的，金属层可以被布置为将像素电路(包含用于全 局光闸的晶体管或二极管)与入射到像素区域中的光敏层上的光屏蔽开。全局光闸像素电路的某些实施例具有单个全局光闸捕获，其中在新积分周期开 始之前读取所有行。其它实施例具有连续全局光间，其允许新帧的积分与前一帧的读取 同时发生。最大帧速率等于读取速率，正如在卷帘式光闸中那样。单个全局光闸可以需 要在像素积分时停止读取。因此，最大帧速率可以被额外积分时间降低。下述全局光闸像素电路的实施例包含使用量子点薄膜实现全局光闸的5T、4T、 3T、2T和IT像素的若干变化。在示例性实施例中，量子点薄膜可以是具有如上所述的 光敏纳米晶体材料的光电导体。在示例性实施例中，薄膜上的电流与纳米晶体材料吸收 的光强度有非线性关系。通过如上所述的电极跨纳米晶体材料施加偏压，其导致跨薄膜 的电压差。在示例性实施例中，当跨如上所述的薄膜施加该偏压时，薄膜提供光电导增 益。电极可以具有上述任何光电导体配置，或具有其它配置。在某些实施例中，这些电 路可以被用于读取如下进一步描述的多层或多区域彩色象素的一层。在全局光闸像素电路的示例性实施例中，可以使用以下中的某些或全部 薄膜可以被配置为电流源或电流吸收器。 电荷存储可以独立于像素区域中的薄膜，并且与辐射源隔离开。 可以使用薄膜界面和存储元件之间的分立元件(包含非线性元件，例如二极 管或开关)。 可以使用被配置为能够独立于其它共连装置地进行工作的放大器的读取晶体 管。放大器通常充当源极跟随器，但是也可以使用其它实施例。 隐式或寄生二极管可以在某些实施例中被用于复位薄膜或控制读取晶体管。 像素区域的阵列可以具有在所有像素区域(或邻近像素的组)之间共享的一个 公共电极，并且每个像素区域可以具有与其它电极隔离的一个独立电极。公共电极可以 是正或负的，并且在某些实施例中不必受CMOS干线或ESD器件限制。公共电极在某些 实施例中可以接受动态信令。 对于具有同时读取的连续光闸，在示例性实施例中使用独立于电荷存储地复 位薄膜的机构。
下面的图21-26图解了根据示例性实施例的全局光闸像素电路。图21-36A均是 具体实施例的像素示意电路图。对应的图21-36B均是图解集成电路装置中的相应电路的 物理布置的装置横截面图。如下说明用于描述各个实施例的缩写4T表示使用4个晶体管；C表示〃连 续〃 ；NC表示〃非连续〃 ；2D表示2个二极管；+IpD表示1个寄生(或基本上〃空 闲"的)二极管。4T，NC全局光闸电路4T的操作概念也是其它设计的基础。图21A是4T，NC器件120的实施例的像
素/横截面/布局的电路图。器件120是使能全局光闸的隔离开关。用RT高和T高复 位像素。在曝光结束之后，T切换到低并且薄膜不再集成到140的栅极。RS被切换到 高并且在CS处采样INT。接着RT和T以适当顺序被切换到高并且接着到低。采样信号RESET。像素值 是RESET-INT。通过将CD设置到可以不同于全局复位期间的CD值的期望值来调整像 素的暗水平。双采样用于消除阈值变化和设置暗水平偏移的目的。110处的薄膜充当电 流吸收器。器件150充当用于140处的跟随器的源电流的开关。器件130复位存储节点 和薄膜。存储节点在115处。5T，C全局光闸电路图22A是5T，C器件的实施例的像素/横截面/布局的电路图。为了实现图 22A中示出的连续全局光闸，独立于存储元件215地复位薄膜210。图22A所示的第5 晶体管221允许这样做。于是具有寄生效应的薄膜被认为是自包含的积分器。其被230 复位并且通过220传送电荷。除了 215处的存储元件现在独立于薄膜被复位(即，信号 T在RT为高时为低)之外，采样模式与4T设计相同。4T (+IpD)，C全局光闸电路图23A是像在图22A中那样的4T的电路的变化，其中加上了寄生效应。这些 寄生效应可以被用于实现在这个实施例中只具有4T的连续全局光闸。寄生二极管312现 在允许复位薄膜310。公共薄膜电极F为负，使得312导通并且将薄膜复位到期望水平。 这对寄生薄膜电容器311 (薄膜中不必要地)进行充电。F电极现在回到新的较高水平并且 薄膜留下来进行积分。薄膜现在可以根据需要被多次复位而不影响315处的存储元件。4T (+1D)，C全局光闸电路在增加了二极管411的4T中实现图24A中示出的连续光闸。使用N阱(Nwell) 区域485内的PN结产生二极管。操作与图22A中示出的5T相同。主要不同在于复位 器件被二极管替代。当RTF为高时，电流可以流动以将410处的薄膜拉到复位水平。之 后RTF下降以允许在薄膜节点处积分。寄生电容提供主存储节点。3T (+2D)，C全局光闸电路图25A示出了二极管520替代320处的晶体管的3T结构。寄生二极管512被 用于独立于540的栅极处的存储节点地复位薄膜510。这通过使F节点跳到负值以使得二 极管512导通来实现。在电荷在511处被积分之后，通过驱动F到高电压来传送电荷。 这使二极管520导通。2T (+2D)，C全局光闸电路
图26A示出了能够连续全局光闸的2T像素。612和620处的2个二极管用于复 位像素并且传送电荷，如部分6中描述的。现在去掉了 550处的行选择器件。像素使用 单列线670和单行线660工作。通过增加RT线，总共需要2个水平导线和1个垂直导线 以用于操作。这降低了每个像素所需的连线负担。通过将640的栅极处的存储节点复位 到高电压并且接着将R降低到最低值，像素工作。这使得640处的源极跟随器断开。为 了读取像素，R为高。随着R为高，像素处的，具体在630的漏极/源极处的寄生电容 使存储节点升压到较高电平。在这个"赢者全赢"结构中，只有所选择的行激活列线。3T(+lpD), C全局光闸电路在图27A中示出3T连续像素的另一个实施例。这里，省略了如上所述的行选 择器件。该3T的一个优点是不存在显式二极管。712处的寄生二极管独立于存储节点 地复位像素。体式器件794的剖面图示出可以有小的布局。IT (+3D)全局光闸电路图28A中示出二极管替代关键晶体管的像素的IT版本。首先，通过使F为负 来复位薄膜810。接着通过使F达到中间水平来进行积分。最终，通过使F为高来传送 电荷。该模式使得即使在饱和状态下，使F为高仍将电荷推送到存储节点。通过使R为 低来复位存储节点。由于电荷总是被推送到存储节点，所以我们保证复位功能适当地设 置初始电荷。4T，PMOS全局光闸电路图29A中示出4T的PMOS版本。除了使用P+/N阱二极管911使连续光闸可 行之外，这个版本的操作类似于4T NMOS版本。通过使CD足够低，通过二极管将薄膜 910复位到CD03T，PMOS全局光闸电路图30A中示出3T的PMOS版本。现在行选择器件被去掉并且形成紧凑布局。2T，PMOS全局光闸电路图31A中示出2T的PMOS版本。通过使CS为低来全局地复位薄膜，该版本工 作。接着，通过1120传送电荷。3T(+1D)，NC全局光闸电路图32A示出其中薄膜1210发出电流而不是吸收电流的像素的3T版本。通过F 为高，像素进行积分。当强制F为低时，二极管1220关断。一旦二极管关断，没有电 荷被累积。2T (+1D)，NC全局光闸电路图33A示出去掉行选择器件的2T版本。这相比于3T节省了一些面积，但是降 低了像素范围。2T (+ID) alt, NC 全局光闸电路图34A示出了二极管被用作复位器件的2T的可选布局。2T(+lpD), NC全局光闸电路图35A去掉了复位器件，并且利用寄生二极管1512复位薄膜。IT (+2D)，NC全局光闸电路具有2个二极管的IT产生如图36A所示的紧凑布局。如果不需要全局光闸，则能够产生具有1个二极管的1T。在这种情况下，二极管非常小。该1T+1D像素去除了 薄膜1610和源极跟随器栅极1640之间的二极管1620，并且形成从薄膜到源极跟随器栅极 的直接连接。该像素的操作可以从接着的1T+2D的描述导出。首先通过使F为高并且R 为低来复位像素。薄膜通过2个降到R处的低电压(例如，地)的二极管来复位。接着 驱动R到IV。这使薄膜开始积分。源极跟随器栅极处的电压开始增加。如果电压增加 开始超出IV，则其保持被R处的电压箝位。这是饱和水平。对于非饱和像素，栅极电压 会增加小于IV的值。为了停止积分电荷，F被驱动为低。由于二极管的作用，这切断 了电流流入存储节点的路径。当像素要被读取时，R被提高到3V，而每个其它行处的R 被保持在IV。这使存储元件提升电压多达IV。R为源极跟随器提供漏极电流，并且列 线由被激活的行而不是其它行驱动，因为源极跟随器具有赢者全赢配置。采样INT值。 接着，R被降低到低水平，并且接着再次拉高。这复位存储节点并且接着采样RESET水 平。可以通过选择与复位薄膜时的水平有关的适当R水平来设置暗水平偏移。
上述像素电路可以用于上述任何光电检测器和像素区域结构。在某些实施例 中，通过使用针对每个区域(例如光敏材料的红、绿和蓝区域)的像素电路，上述像素电 路可以用于多区域像素配置。像素电路可以将信号读到存储每个像素的多个颜色值的缓 存器中。例如，阵列可以逐行读取像素。信号可以接着被转换成数字彩色像素数据。这 些像素电路只是例子，并且其它实施例可以使用其它电路。在某些实施例中，薄膜可以 用在直接积分模式中。通常，薄膜被视作光电电阻器，其随着照度变化而改变电流或电 阻。在该直接积分模式下，薄膜被偏置为直接电压输出器件。电压水平直接指示入射光 水平。在某些实施例中，量子薄膜信号可以使用具有高噪声因素的晶体管来读取。例 如，通过大漏电流和晶体管自身的其它噪声源的存在，薄氧化物晶体管可以被用于读取 量子薄膜信号。由于薄膜具有有助于抑制晶体管噪声的固有增益，所以这成为可能。电互连 1404参考图1，这里的实施例提供量子点结构1100和像素电路1700之间的互连模 式。互连1404包含从量子点材料200的每个层取得信号并且传送该信号到像素电路1700 的系统和方法(例如，电路中的晶体管)。实施例涉及提供高度非平面的初始表面(即， 高度变化的柱(posts)，其之后会连接到量子点结构1100的适当层)。在实施例中，互连 可以是导电柱(例如金属柱)，其具有处于期望位置的绝缘体以防止与不期望接触的层接 触。可以在非平面衬底上以高平面度沉积纳米粒子(即它们被平面化)。与电连接的连 接通过在量子点应用期间在例如柱的小物体周围纳米粒子的流动来实现。在实施例中， 使用钨通孔层(tungsten via levels)，其与量子点材料200的流动图案相比较小，并且在电 连接周围提供良好的均勻度。流动的量子点材料可以提供超过某个长度尺度的某个平面 度。到电气互连的接触借助于到电互连1404的附着来实现。在实施例中，在制造之后 使用例如化学机械抛光的方法将薄膜平面化。实施例可以允许使用基本从侧面接触这种材料的多个柱解决电气独立(或几乎 电气独立)的光电导层的多个垂直层。每个柱的区域可以导电以允许到薄膜的电接触； 同时使用例如氧化物或氮化物的绝缘层屏蔽其它区域以避免接触不期望这些柱电接触到 的层。在实施例中，这些接触柱可以使用在先前的CMOS工艺层中形成的通孔来形成。
54在实施例中，保护通孔的绝缘层或各绝缘层可以被有选择地蚀刻以露出用于电接触的通 孔部分到随后沉积的光电导层。在实施例中，绝缘材料的选择性蚀刻只可产生暴露的通 孔金属柱的层。接着，可以使用随后沉积绝缘层的共形涂层来覆盖这些。这可以导致暴 露每个金属柱的一部分，例如顶部，同时保留侧面受保护。在这个实施例中，侧壁受保 护，同时顶部开放并且可用于电气接触。在这个实施例中，已经被用于接触下面的层的 那些柱可以被用于提供对暗(或更暗)参考的电气访问。只有顶部被解除保护的那些金 属柱接触形成强照射顶部像素的上层。在实施例中，代替为独立寻址的光像素提供下面 的暗参考，选择性解除保护和接触不同垂直堆叠像素层的相同方法可以被用来寻址不同 谱敏感(例如颜色)的堆叠像素。在实施例中，量子点材料200可以利用例如图3所示的横向平面结构1418、垂 直叠层结构1420、平面和垂直结构的组合等等的多个接触配置电互连1404到像素电路 1700。在横向平面结构1418中，金属接触1412被布置在光电检测器结构1400的相同层 中，在这种情况下布置在玻璃衬底1414的顶部，并且覆盖有量子点材料200。在类似的 横向平面结构1418中，金属接触1412已经位于量子点材料200的顶部。在垂直叠层结 构1420中，金属接触1412被布置在光电检测器结构1400的不同层中，在这种情况下具 有在玻璃衬底1414和量子点材料200之间的金属接触，和例如ITO的在量子点材料200 顶部的透明接触。在实施例中，电连接1412是各种电互连1404，并且可以是例如金、 铝、钨、铜、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、铟、覆有氮化钽或氮化钛的铝等等的多个不 同导体中的一或多个。这些配置只代表多个可能电互连1404接触配置中的两个，并且本 领域技术人员可想到其它配置。本实施例的一个方面涉及金属接触相对半导体光电检测器的布局。电互连1404 涉及沿若干方向的电流动。流动方向通常涉及垂直结构(即主要由上至下的电流流动) 或横向结构(即具有横向电流流动的平面结构器件)或垂直和横向结构的组合(即，控制 元件在垂直维度，并且电流流动在横向维度，或在垂直轴上以垂直维度单片集成建起横 向结构)。本实施例的一个方面涉及接触的图案。在实施例中，可以有接触的横向存在。 例如，沿具有一个偏置的正方形的两个边的一行五个，具有地和中间的正电压的边的阵 列，蜿蜒图案等等。在一个像素内，系统可以在列的底部接地并且在下一列的顶部偏 置。图案可以是蜿蜒的、离散蜿蜒的、散置的等等。在实施例中，正方形可以用导致有 用偏置状况的圆状物填充。例如，加/减棋盘(等价于对角行)可以是有用的。另一个 图案可以是填充因子维度从像素的鸟瞰图看到的填充空间。接触可以是共平面的。对 于从上方覆盖金属的百分比面积，可能希望最小化它，或可能不希望最小化它(例如， 最大化以增加反射率-厚度更小但仍然得到所有辐射1000和相同量子效率)。可以有隐含 特性，例如使薄膜相对于吸收长度具有中等厚度、电导率对通过材料深度、电导率轮廓 对空间尺寸、从一个接触上升并且接着降到另一个接触的电流。在实施例中，尺寸小， 表面传导率大，并且从接触到接触的电流流动路径可以表明填充因子不能被减少；较少 照射尺寸比横向尺寸更小以提供这个。在实施例中，有意导致的薄膜中的破裂可以产生薄膜中的亚临界尺寸断裂(例 如金属限制了裂缝处的裂缝)。在这种情况下，表面制备可以影响裂缝传播。实施例可以涉及设置具有例如五边形、六边形、正方形等等的金属图案，并且接着将薄膜在金属 上成层。当被处理时，薄膜可能形成裂缝，从而在各部分之间产生电气隔离。在实施例 中，裂缝可以沿金属图案自对齐，或可以有图案化的金属模板，其中在图案化的金属区 域之间存在最小尺寸间隙。在实施例中，例如ITO或类似材料的材料可以被应用到间隙 中形成的裂缝。电气互连可以由各种金属制成。金属可以形成到量子点结构1100的接触。在 横向装置的情况下，它们可以构成电极。在垂直装置中，它们可以是垂直夹心的面包， 并且量子点结构1100是中间层。在实施例中，金属可以是Pt、Au、Ni、钨、铝、铜、 金、TaN(氮化钽)、TiN(氮化钛)、铟、覆有TaN或TiN的铝或其它适当材料等等。实施例涉及具有4点探针体系结构的用于电气互连的平面结构形状。可以使用 外部的接触对来提供正电压偏置并且读取电流或电阻变化。在一个可选实施例中，配置 可以具有用于测量的内部偏置对。布置可以包含由点、线、环、圆、正方形等等形成的 电气互连。电气互连可以被提供，并且这可以涉及以不同方式(例如六边形、分形贴 片、列间距等等)贴上互连。这可以提供空间方面的基本优点。4点探针体系结构可以 涉及使用外部的接触对来提供电压偏置和使用内部对进行测量。每个电极可以在芯片外 被寻址。实施例涉及各种电互连图案六边形、分形、列间距、行/列、六边形、或其 它，并且可以有不同的组，其被分布到阵列下面，并且这些事情可以通过将阵列与电路 去耦来提供提高的灵活性。可以有与焦平面阵列的电气互连的布局关联的平面度(前量子点结构和后量子 点结构添加)。实施例可以提供被抛光(例如，顶部对齐钝化层)的电气互连。电气互 连可以具有在平面水平上竖起的金属插头(例如，可期望这个以便允许堆叠结构中的不 同程度)。电气互连可以具有金属沟谷并且沟谷可以用材料填充以提供内部暗区域。暗 参考电互连可以在主电互连内部提供以进行暗参考测量。它们可以具有沟谷，其可以引 入辐射1000，传播并且再次引出辐射1000。它们可以具有横向结构。实施例可以具有 电介质，其能够露出金属的，涉及建立层外的干涉滤光器。实施例可以涉及有意牺牲层 (例如金属的)，其可以允许谱整形，谱整形允许平坦化增益曲线(例如用于增强的红光 响应等等)。实施例可以涉及形成6层干涉涂层和操纵层的厚度以改变谱响应(例如提升 红光响应，或蓝光响应等等)。在应用量子点结构1100之前，可以形成电互连1404。互连可以被抛光并且使其 顶部与外部的钝化对齐。可以涉及在平面水平上竖起的金属插头，并且这可以允许堆叠 体系结构。可以有金属沟谷，并且那里可以填充材料并且具有暗参考，其中材料被辐射 1000的吸收所阻断。沟谷可以引入辐射1000，传播并且再次引出辐射1000。互连可以 包含使金属露出的电介质。实施例可以是干涉滤光器，并且干涉滤光器可以是6层干涉 涂层，其中可以通过改变层的厚度在颜色周围进行移动。这可以被用于提升红光响应， 提升蓝光响应或改变其它谱特性。实施例可以包含每个正确位置的牺牲层(例如，金属 的)。这可以涉及谱整形(例如使增益曲线变平)，其可以被用于改变谱响应(例如提高 红光响应)。在实施例中，像素的光学性质可以通过材料和硅基底和量子点结构1100之间的 处理来改变。光学性质可以是反射率、谱特征、方向特性(例如法线和空腔(cavity))和产生散射结构(例如散射到薄膜以提高路径长度)。在应用量子点结构1100之后，材料可以通过平滑、变粗糙、产生镜面/反射特 性、产生散射特性(例如影响主射线角度)、改变量子点结构1100的折射系数、改变指标 匹配(例如影响具有串扰含义的内部射线角度)、进行粘度调整等等的处理。在实施例中，在感光量子点结构1100的顶部提供钝化层。钝化层可以保证不存 在非期望的由于构成感光层的材料间的相互扩散而导致的感光层特性的变化。可以在至 少一个化学组成方面将各钝化层化学计量配比到量子点结构层1100(其被设置在量子点 结构层1100上)。例如，考虑到活性层和钝化层中硫化合物的配比，可以使用As2S3(三 硫化砷)钝化PbS。在实施例中，钝化层可以被用于封装以保证芯片的顶端表面上方的环 境中包含的分子中基本上没有穿透到感光层及其关联材料(例如量子点结构层1100)所驻 留的区域；并且，类似地，保证与感光装置的操作关联的原子或分子不从包含该装置的 区域逃逸。这些封装层利于保证装置在产品的生命期中基本上不改变其性能。在实施例 中，钝化层可以被用于增容作用，以保证在处理感光材料(例如量子点结构1100)之后， 芯片可以被返回到常规商业制造设备，例如用于随后引入滤色器阵列和/或用于随后照 相机模块的实现。增容作用层包含例如Si3N4的氮化硅。通过处理覆盖有Si3N4的衬底 知晓铸造(foundry)；因而该层可以充当增容作用层。在实施例中，如果单层或层结构同 时服务于两个目的，则增容作用和封装层可以是一个并且相同。在实施例中，包含用于感光层或辅助层(例如钝化、封装、增容作用)的指标匹 配、实现滤色器阵列的滤色器和滤色器阵列的钝化的其它层。实施例也可以包含为了提高辐射1000的散射的目的的层。代替被指标匹配，这 些散射层提供上方和/或下方的层之间的显著指标失配。其目的可以是通过提供具有穿 过感光层行进的重复可能性的光子来提高辐射1000的吸收率，从而提高指定厚度的吸收 材料的吸收率。图3a图解了根据本实施例的原理的电气互连。在这个实施例中，提供与支持衬 底1410连接的导电柱1404。1410柱可以在外部表面具有绝缘材料以防止与不期望的装置 部分进行电气传导。柱1410也可以具有这样的部分(例如在柱的顶部)该部分具有暴 露的导电层，使得其可以与量子点结构1100电连接(描述为图3a中的各个区域)。在这 个实施例中，提供具有变化高度的柱，使得每一个柱与装置的至少一个活性层电连接。 在实施例中，柱在除了顶部之外的位置(例如，某个中点)处具有电气暴露部分。这可 以利于与中层区域进行电连接(例如提供具有类似高度但是用于不同活性层的许多柱)。 柱通常具有在底部处(例如衬底端部)的暴露电气区域，以与电路(例如像素电路或芯片 处理器)进行电连接。在实施例中，若干量子点结构1100在彼此(例如通过如这里描述的若干旋涂) 顶部成层，以形成如上所述的多层量子点结构1100。多层量子点结构可以包含如这里描 述的类似量子点材料或不同量子点材料的层(例如，在两个分立层中可以使用两个不同 颜色的感受器)。总堆叠高度可以近似为一个微米，具有近似两个微米的横向尺寸。在实 施例中，两个层可通过其电气互连彼此连通。各层可以具有绝缘特性以防止这种连通。 例如，非常薄的1000埃的电介质层可以被应用在分立量子点结构1100之间。在制造过 程中，垂直电气互连体(例如，柱)的顶部可能需要清洁，以在应用电介质层之后暴露导电区域。在实施例中，电介质被旋涂到量子点材料的子层，并且接着应用光蚀刻以清洁 柱的顶部以移除电介质，并且暴露导电区域，使得它可以传送来自布置在电介质层顶部 的量子点结构的电荷。在另一个实施例中，在电介质材料涂敷处理期间，垂直电气互连 (例如柱)未涂敷电介质材料。这可以通过例如在电介质涂敷处理期间屏蔽电气互连来实 现。在实施例中，在量子点结构1100的分立层之间可以有已知、可测量的或假定水
平的串扰。串扰可以是层之间的电介质缺乏、电介质层的缺陷应用、某些区域的过蚀刻
或清洁(例如过蚀刻柱周围的电介质和在层之间的柱处产生电气接触区域)或其它原因的
结果。在实施例中，由于该串扰，可以进行补偿或调整。例如，像素电路1700可以被
用于改变从量子点结构1100接收的信号，和/或芯片处理器2008可以被用于进行这种补 m
te o图3f图解了涉及量子点材料1100的两个分立层和量子点材料1100的两个分立层 之间的电介质材料层1450的量子点结构1100堆叠。提供了具有柱形式的垂直电互连。 柱包含外部电介质材料层1460和内层导电材料1470。在这个实施例中，内部导电材料层 1470被暴露在顶部，以形成与量子点结构1100的顶层的电气互连。在其它实施例中，内 部导电层1470可以被暴露在柱上中间位置，以与另一个相应层形成电气互连。柱的内部 导电材料的底部分也可以被暴露，以利于与其它电路(例如像素电路1700和/或芯片处 理器2008)电连接。在实施例中，QDPC 100可以组合如这里所述的多个不同像素布局1600、电互连 1404和像素电路1700，以实现图像传感器。作为这些元件怎样相互关联的图解，图3h提 供了具有电气互连1450和1452、像素电路1700和像素分配1482的多层量子点结构1480 的一个例子。图3h提供了单个图解例子，并且不表示限于这里讨论的多个平面互连、垂 直互连、像素布局1600和暗像素布局。参考图3h中提供的具体例子，多层量子点结构1480被示出为包含两个分立量子 点结构层1100，其具有在两个量子点结构层之间的电介质层1460以提供活性层之间的电 气隔离。如这里其它地方所述，多层堆叠的量子点结构1480的实施例可以不需要电介质 层1460。光电检测量子点像素段1484A和暗量子点像素段1488A被示出为位于第一量子 点结构层1100A内。在这个实施例中，光电检测量子点像素段1484A所处的位置邻近于 第一量子点结构层1100A的顶表面层，并且暗量子点像素段1488A所处的位置邻近于第 一量子点结构层1100A的底部。通过这种布置，将包含段1484A的光电检测量子点段设 置在量子点结构1100A的最活性区域附近，因而它们能够读取结构1100中由于辐射1000 落在结构的表面而造成的信号变化。可以在结构1100的表面上提供光电检测段的矩阵，使得表面上的入射辐射1000 可以被寻址和读取。暗量子点像素段1488A所处的位置接近结构的底部，所以将其与结 构的最活性部分屏蔽开，因而它可以被用于进行如这里其它地方所述的暗测量。如这里 其它地方所述，暗量子点像素段可以被设置在光电导结构内的其它位置处或另一个位置 中。量子点像素结构1484可以使用如这里描述的平面电气互连(例如结合图3b_3e 描述的那些)来构成。如图3h所示，这些平面电气互连结构可以处于基本上与入射辐射1000平面平行的平面。垂直电气互连可以与一端的平面互连和在另一端的像素电路 1700关联，以将信号带到像素电路，和/或测量量子点像素结构1100的电阻或其它电气 特性。在这个实施例中，示出了简单闭合的平面电气互连，并且简单闭合的平面电气互 连使其中心电连接1452保持于正偏压，并且其外部正方形环电气互连1450用作地平面。每个像素段1484与其自身的正偏压电互连1452关联，并且与其自身的或公共的 地平面电气互连1450关联。当结构1100A所响应的辐射1000B照射光电检测量子点像素 段1484A时，在像素段1484A中产生电子-空穴对，并且由于关联的正偏压电互连1452 而使其流动。虽然只将四个光电检测量子点像素段示出为与量子点结构1100A的上表面 关联，然而应当理解，这是为了简化该说明的目的，并且可以想象到这种电气互连图案 会在量子点像素结构1100A的上表面复制多次。类似地，参考结构1100A只示出一个暗 量子点像素段1488A;然而，可以有许多这样的暗段，并且暗段可以与其它层关联。图解了具有与第一量子点结构1100A相似的电气互连的第二量子点结构 1100B。第二结构1100B具有包含段1484B和暗量子点像素段1488B的光电检测量子点 像素段的矩阵。该布置在这个图解中有类似构造，但是应当理解，第二层1100B具有不 同配置。例如，可以在第二层1100B上设置其它图解的平面电气互连模式之一。然而， 为了简化说明，提供了类似构造。通常来说，与第一层1100A相比，第二层1100B适于 响应不同波长的辐射以形成多谱系统。例如，光电检测量子点像素段1484B可以包含响 应红光的量子点，而光电检测量子点像素段1484A可以包含响应蓝光的量子点。红光透 射通过第一层1100A到达第二层1100B，其中第二层1100B显现出(develop)电信号并且 由电气互连的矩阵读取。接着，这个电信号依次由关联的像素电路处理，使得它可以被 量化和定位。在实施例中，量子点像素段1484和1488的电气互连1450和1452可以具有多个 不同布局或配置。图3h示出了类似于图3b的1430和1432的简单闭合布局的布局，其 中一个电互连1450被配置成围绕像素段区域的矩形，其中像素段的有效区域由该矩形限 定。尽管图3h示出了这种具体电气互连配置，但应当理解这只是出于说明性的目的，并 且不将配置限于本实施例涵盖的多个配置的任何配置。继续参考图3h中的多层堆叠的量子点结构1480，可以通过选择要在像素定义中 包含的一或多个光电检测量子点像素段1484来进行像素分配1482。例如，可以选择像 素段1484A和1484B以形成一个像素。当像素段1484A响应它接收的辐射1000时，该 段产生响应于像素段的关联正偏压电互连1452而流动的电信号。关联像素电路于是可以 解释该信号(例如通过测量电阻变化以估计入射辐射1000的量)。这可以导致第一像素 段辐射1000成分。由于已知构成层1100A的量子点结构的类型，该段辐射1000成分可 以被归因于具体波长的辐射1000。在确定第一像素段辐射1000成分的基本相同时间， 第二辐射1000成分可以通过监视与像素段1484B关联的像素电路来确定。如果由像素段 1484B接收到由结构1100B响应的辐射1000，则通过与像素段1484B关联的互连1452读 取信号，所以像素电路可以读取该活动。接着，来自两个像素段1484A和1484B的活动 读取内容可以根据每个分配协议来组合。可以理解，可以组合任何数量的像素段以形成 像素。当像素电路1700确定电阻变化量或落在像素段1484上的入射辐射1000的量时，可以考虑从一或多个暗像素段1488获得的暗读取内容。例如，当通过与像素段 1484B关联的像素电路解释电阻变化时，可以解释与暗像素段1488B关联的电阻变化。 如果暗像素1488B表现出等于活跃像素段1488A的量值的变化，则可以确定活跃像素段 1488A未接收到辐射1000。类似地，暗参考可以被用于从活跃信号中减去表示噪声的 量，或可以应用其它这样的补偿算法。在实施例中，由电极的阵列电气接触光电导层的区域。重要的是实现光电导层 和电气接触之间一致、健壮的机械和电接触。制造电气接触之后，可能存在残余氧化 物、氮氧化物或有机材料。在实施例中，移除有机材料可能是重要的；这可以使用氧等 离子体蚀刻、酸碱清洁、碱酸清洁，或其组合来实现。在实施例中，移除氧化物和/或 氮氧化物可能是重要的；这可以通过在光电导层的沉积之前使用干蚀刻或湿蚀刻，在电 气接触顶上的薄屏蔽层来实现。在实施例中，通过上述电气接触和光敏层之间的薄屏蔽层实现电气接触可能是 重要的。在这种情况下，重要的是移除氧化物、氮氧化物和/或未知或不受控厚度的 有机材料；并且接着在光电导层的沉积之前，在电气接触的顶上沉积或形成受控薄屏蔽层。在实施例中，为了实现光电导层到电气接触的健壮机械和电接触，可以使用粘 接材料。这种材料可以包含对电气接触的表面处的材料具有亲合性的一部分，以及对光 电导层的组成的表面处的材料具有亲合性的另一部分。作为一个例子，如果使用TiN(氮 化钛)或其氮氧化物终结电气接触，则粘接层的一个部分可以是胺功能团。作为另一个 例子，如果光电导层包含例如Pb、Cd、Cu、In或Bi的金属，则粘接层的一个部分可以 是硫醇功能团。这种粘接层或锚层可以通过在某个或全部光电导层的沉积之前、期间或 之后进行旋转、铸造、浸涂来应用。在实施例中，如这里详细描述的，使用具有深功函数(deepworkfunction)的电气 接触。这里深功函数被用来包含在真空水平下低于4.4eV或4.6eV或4.8eV的功函数。 如果使用例如TiN(氮化钛)的二元合金，则可以通过在形成合金期间控制钛与氮的比值 来深化功函数。例如，可以使用N与Ti的高比值(大于1 1)。在实施例中，可以通过对氧掺入的控制来影响电接触功函数。可以使用三元合 金诸如TiOxNy(钛氮氧化物)，并且可由此根据0对N的比率来确定功函数。例如，可 采取0对N的较高比率的使用。在实施例中，可能期望具有特定功函数的电接触。可通过以下方式修改已图案 化的电接触组的功函数首先沉积另一材料的薄层，诸如，例如Au、Pd、Pt或者Ni的 10nm层；然后可使用选择性剥离(lift-off)技术来故意地破坏该沉积层的连续性，其中， 通过非接触材料的选择性刻蚀(例如，非接触区域中的氧化物的缓冲氧化物刻蚀(buffered oxide etching))来剥离覆盖在不期望有金属的区域上的沉积金属。在实施例中，可能期望具有特定功函数的电接触。可通过以下步骤修改已图案 化的电接触组的功函数(1)使用某种材料(该材料选择性地粘附于不期望有电接触的材 料)，通过旋涂(spin-coating)、浸涂(dip-coating)、喷涂(spray-coating)或者其它方法来 处理样品；(2)沉积另一种材料的薄层，诸如，例如Au、Pd、Pt或者Ni的10nm层；以 及(3)然后清除晶片以剥离不期望有接触的区域中的沉积层。
在实施例下，如上所述的各种量子点结构、像素、互连和电路的组合的结合产 生了集成电路(IC)。在实施例下，图9是集成电路的扫描电子显微图的图示说明，在该 集成电路中，已将感光膜旋涂到在CMOS制作中产生的CMOS集成电路上。该示例的感 光膜包括具有基本上单一时间常数(single-time-constant)陷阱态的PbS胶体量子点，该陷 阱态是由该量子点的表面上存在PbS03造成的。现在详细描述在这里单独详细描述的集 成电路的所描绘的部件。层101是作为半导体衬底的硅，在该衬底上形成集成电路。已经向衬底中注入 和/或退火(anneal) 了各种杂质，以形成二极管、晶体管、阱、阻性/传导区域等。层 102是晶体管和栅级和接触。在这些层中掺入诸如多晶硅、电介质和金属的材料以形成能 够实现电子电路的各种电子器件。层103、104、106、108、110各自包括提供在集成电路上的晶体管和其它电路 元件间在衬底平面中的互连的金属。层105、107、109、111是提供各个金属层间垂直于 衬底平面的互连的过孔。层112是顶金属层。其以使用PbS胶体量子点制成的感光层(层113)提供电接 触。在该示例中，感光层共形地涂覆顶金属。尽管在感光层的沉积之前衬底的顶表面不 是完全平坦的( lOOnm表面高度变化)，但是由于所采用的特殊工艺的平坦化特性，感 光层的顶表面基本上是平坦的(< lOnm表面高度变化)。层114是密封感光层(层113)的密封层。在实施例中，密封层的目的包括避免 后续的层(例如，滤色器阵列、微透镜、晶片级光学器件等)的相互扩散，并且还防止气 体(诸如H20、02、C02)和液体(诸如H20和在随后的处理中使用的有机溶剂)渗入 感光层(层113)中。层115和116是薄金属层。图10示出了可以用于制造类似于图9所示的和这里所描述的集成电路的四个工 艺流程(a、b、c和d)。实施例的四个工艺流程包括但不限于毯式刻蚀(blanket etch)工 艺、掩模步骤刻蚀工艺、第一纯TiN工艺和第二纯TiN工艺，依次描述每个工艺。图10示出了实施例的毯式刻蚀工艺流程。毯式刻蚀描述了制造基本平坦的顶接 触层(图9中的层112的顶部(例如，金属6))的方法。在该图示中，顶接触层将向感 光层提供像素化电接触，并且还将提供用于与芯片外的光学系统元件(功率、控制和数 据输入/输出)电连接的结合焊盘。在步骤1中，沉积了将最终用作顶金属(即在该示 例中包括TiN继之以A1继之以TiN的堆叠)的材料。在步骤2中，应用了光刻胶并且光 刻地使其图案化。在步骤3中，使用了干法刻蚀以刻蚀不受光刻胶保护的区域，并且因 此将光刻胶图案传递到下面的TiN/Al/TiN堆叠。在步骤4中，沉积了钝化氧化物，并 且在步骤5中，对其进行化学机械抛光，以产生具有期望厚度的平滑的顶表面。在步骤 6中，使用了毯式刻蚀以完全刻蚀通过位于图案化的TiN/Al/TiN之上的钝化氧化物的厚 度，因此最少地暴露堆叠中的TiN的顶表面。在步骤7中，使用合金工艺以完成工艺流 程。图10(b)示出了实施例的掩模步骤刻蚀工艺流程。掩模步骤刻蚀描述了产生顶 接触层(图9中的层110的顶部(例如，金属6))的方法，在该顶接触层中，基本上经由 钝化氧化物的去除只将要形成图像传感器阵列的区域和将要形成结合焊盘的区域暴露。 在该图示中，顶接触层将向感光层提供像素化电接触，并且还将提供用于与芯片外的光
61学系统元件(功率、控制和数据输入/输出)电连接的结合焊盘。在步骤1中，沉积将 最终用作顶金属的材料(即在该示例中包括TiN继之以A1继之以TiN的堆叠)。在步骤 2中，应用了光刻胶并且进行光刻使其图案化。在步骤3中，使用干法刻蚀以刻蚀不受 光刻胶保护的区域，并且因此将光刻胶的图案传递到下面的TiN/Al/TiN堆叠。在步骤 4中，沉积钝化氧化物，并且在步骤5中，化学机械抛光该钝化氧化物，以产生具有期望 厚度的平滑的顶表面。在步骤6中，应用光刻胶并且进行光刻使其图案化，以暴露成像 区和结合焊盘的区域。在步骤7中，使用了光刻胶图案化的晶片的第一刻蚀以去除覆盖 像素电极和结合焊盘的钝化氧化物的一些但不是全部。在步骤8中，剥去光刻胶掩模。 在步骤9中，刻蚀整个晶片，露出作为之前的图案化刻蚀步骤结果的像素电极和结合焊 盘。在步骤10中，使用了合金工艺以完成工艺流程。图10(c)示出了实施例的第一纯TiN工艺流程。纯TiN描述了产生顶接触层 (图9中的层112的顶部(例如，金属6))的方法，在该顶接触层中，基本上经由钝化氧 化物的去除只将要形成图像传感器阵列的区域和将要形成结合焊盘的区域暴露。在该图 示中，顶接触层将向感光层提供像素化电接触，并且还将提供用于与芯片外的光学系统 元件(功率、控制和数据输入/输出)电连接的结合焊盘。在步骤1中，沉积将最终用 作顶金属的材料(即TiN)。在步骤2中，应用光刻胶并且进行光刻使其图案化。在步骤 3中，使用干法刻蚀以刻蚀不受光刻胶保护的区域，并且因此将光刻胶图案传递到TiN。 在步骤4中，使用了合金工艺以完成工艺流程。图10(d)示出了实施例的第二纯TiN工艺流程。第二纯TiN工艺描述了产生顶 接触层(图9中的层112的顶(例如，金属6))的方法，在该顶接触层中，基本上经由钝 化氧化物的去除只将要形成图像传感阵列的区域和将要形成结合焊盘的区域暴露。在该 图示中，顶接触层将向感光层提供像素化电接触，并且还将提供用于与芯片外的光学系 统元件(功率、控制和数据输入/输出)电连接的结合焊盘。在步骤1中，沉积将最终 用作顶金属的材料(即TiN)。在该沉积之前的晶片提供用于像素电极的W(钨)过孔， 但是不向将后续形成结合焊盘的区域提供W(钨)接触。在步骤2中，应用光刻胶并且 进行光刻使其图案化保护了这样的区域，即要保留TiN并且因此将电接触感光层的区 域，而暴露所有其它区域(包括那些位于未来的结合焊盘之上的区域)。在步骤3中， 使用干法刻蚀以刻蚀不受光刻胶保护的区域并且因此将光刻胶图案传递到TiN。在步骤4 中，应用光刻胶并且进行光刻使其图案化在图案化之后不存在光刻胶的区域限定稍后 将组成结合焊盘的区域。在步骤5中，经由干法刻蚀打开保护金属5中的结合焊盘的氧 化物。在步骤6中，去除光刻胶。在步骤7中，使用合金工艺以完成工艺流程。图11示出了在可选实施例中的集成电路的扫描电子显微图，在该集成电路中， 已经将感光膜旋涂到在CMOS制作中产生的CMOS集成电路上。在该可选实施例中，不 存在金属层112，但是存在薄涂层115和116。一般而言，图9-11是光电器件的图解，该光电器件包括感光层；CMOS集成 电路，其包括硅衬底、至少一个扩散层、至少一个多晶硅层和至少两个金属互连层，该 金属互连层包括至少第一金属层和第二金属层；与第二金属层电连接的感光层；其中至 少一个多晶硅层和至少一个扩散成形成多个晶体管，该晶体管至少通过第二金属层与感 光层电连接。
在实施例中，顶电极的厚度在10_50nm的范围内，而顶电极的横向尺寸在 200-400nm的范围内，并且因此顶电极的宽度高度纵横比在40 1到4 1的范围内。 在实施例中，10-50nm范围内的薄顶电极的使用提供了在感光层的应用之前实现晶片的 基本平坦(表面高度变化小于lOOnm)的顶表面的简化方法。在实施例中，厚度在10-50nm的TiN用作与感光层进行电连接的顶电极。在其 它实施例中，覆盖有厚度2-20nm的TiOxNy的厚度10_40nm的TiN用作与感光层进行电 连接的顶电极。在实施例中，顶金属级包括TiN但是排除了铝。在实施例中，刻蚀顶电极以形 成横向图案可通过避免将铝用作顶金属成分的部分来避免铝氧化物和相关材料的生成。在实施例中，顶电极可包括钼(Pt)，即已知的用于提供接触的一致性深功函数 贵金属，该接触包括到PbS胶体量子点膜的价带的欧姆接触。考虑到在到感光层接触界 面处或者其附近形成的能量势垒，这种顶电极的使用还可提供一定程度的对电子注入感 光层或者从感光层逸出的阻断。在实施例中，顶电极可包括钯(Pd)，即已知的用于提供接触的一致性的深功函 数贵金属，该接触包括到PbS胶体量子点膜的价带的欧姆接触。考虑到在到感光层接触 界面处或者其附近形成的能量势垒，这种顶电极的使用还可提供一定程度的对电子注入 感光层或者从感光层逸出的阻断。在实施例中，顶电极可包括金(Au)，即已知的用于提供接触的一致性的深功函 数贵金属，该接触包括到PbS胶体量子点膜的价带的欧姆接触。考虑到在到感光层接触 界面处或者其附近形成的能量势垒，这种顶电极的使用还可提供一定程度的对电子注入 感光层或者从感光层逸出的阻断。在实施例中，顶电极可使用铟锡氧化物(ITO)，即向PbS胶体量子点膜提供电接 触的基本上透明的导电氧化物。在实施例中，顶电极可包括氧化锌(ZnO)，即向PbS胶 体量子点膜提供电接触的基本上透明的导电氧化物。在实施例中，顶电极可使用材料堆叠，该材料包括但不限于以下材料具有成 分X的TiN/Al/TiN ；具有成分X的TiN ；具有成分X的TaN ；具有成分X的Ni ；以及具 有成分X的Cu。成分X包括Pt、Pd、Au、ITO或者ZnO中的任何。考虑到用于顶电 极的以上材料组合，顶电极的厚度包括但不限于以下TiN、TaN、Ni、Cu为10-50 nm 的厚度；Pt、Pd、Au为2-50nm的厚度；以及ITO、ZnO或者其它导电氧化物为5_100nm 的厚度。因此，一般而言，根据这里所教导的可提供多层接触，其中各种金属和/或其 它导电材料处于物理接触。例如，W可用作过孔金属；TiN可用于保护该过孔；并且深 功函数金属可与TiN接触，以向感光层提供深功函数电连接。如上所述，垂直堆叠结构中的金属和/或金属接触可以被布置在光检测器结构 的不同层中并且用作接触和/或用作屏蔽或者隔离部件或单元。在实施例中，例如，一 个或者更多个金属层用于隔离或者屏蔽下层电路的部件(例如，电荷存储或者电荷存储 装置)或者IC的其它部件。图37和38示出了这样的实施例，其中将导电材料置于相应 的像素区的电荷存储之间，以使得相应的电荷存储与在感光层上入射的光隔离。导电材 料的至少部分与相应的像素区的感光层进行电连接。如这里所述，除了作为隔离单元的功能之外，图37和38中所示出和描述的金属区域或者层可以用作电接触。图37示出了金属覆盖像素的垂直轮廓。该像素包括硅部分140、多晶硅层130 以及金属层120和110。在该实施例中，交错排列120和110以完全覆盖像素的硅部分。 一些入射光100被110反射。剩余的入射光100被金属层120反射。因此，没有光能够 到达硅140。这完全改进了存储节点(141)对入射光的不灵敏性。图38示出了金属覆盖像素的布局(顶视图)。在该实施例中，三个金属层(例 如，对应于图9中的层108、110和112的金属4/5/6)用于完全覆盖像素的硅部分。区 域200是金属4，区域210是金属5，并且区域220是金属6。区域200/210/220近似覆 盖整个像素区，并且因此阻止任何光到达下面像素的硅部分。芯片2000 (包括 2002、2004、2008 和 2010)上述的像素区和像素电路可在集成电路上形成并且通过如上所述的金属互连层 而连接。在图1的示例实施例中，QDPC 100可以具有在底层衬底的顶上构成的量子点 像素1800，该底层衬底具有结构2002、功能部件2004和处理2008能力。该底层衬底结 合其功能可被称作芯片2000或者半导体芯片2000。结合以上的量子点像素1800，芯片 可提供多种功能，诸如高速读出、信号多路复用、解码、寻址、放大、模数转换、图像 传感器处理(ISP)等。功能部件2004及其处理2008的能力可与像素电路1700以及与集 成系统2200连接。在实施例中，芯片2000可表示QDPC 100内的集成光检测器处理单 元，该QDPC 100提供高速低噪声读出、小晶元面积(die area)、使用较大工艺几何尺寸 的能力、组合的模拟和数字电路、较高级的集成、图像处理、低功率、单电压源以及非 平坦芯片2000。芯片2000的底层结构2002可包括集成电子部件和电互连2010的层，其中集成 电子部件提供底层芯片的功能部件2004，并且电互连2010提供在这些功能部件2004、像 素电路1700之间的互连以及到芯片外的部件的接口连接。图8示出了在量子点像素1800 的阵列之间的行和列互连的示例，其中行和列互连位于底层结构2002内的不同层中。在 实施例中，这些行和列迹线可在底层芯片半导体的较上层中，而功能部件2004可在较下 层中。像素阵列之下的附加结构2002的能力可以提供实现创新产品解决方案的片上处理 能力。在实施例中，可将芯片的底层结构2002连同上面的像素结构1500和光检测器结 构1400制造为单片集成电路，也称作IC、微芯片、微电路、硅芯片、芯片等。可以已 经在半导体材料的薄衬底的表面中制造了集成电路。在实施例中，可将量子点结构1100 应用在集成电路部分的顶上以产生QDPC 100。以此方式，使用对集成电路技术来说可用 的工业标准工艺，QDPC 100维持了在可调、可堆叠量子点结构1100中固有的设计灵活 性。量子点结构1100和集成电路结构的组合使得QDPC 100能够变成完全集成在单个芯 片2000上的低成本、单一元件图像检测系统。在实施例中，QDPC100还可以是由单独 半导体器件以及无源部件构成的、集成到衬底或者电路板上的混合集成电路。在实施例 中，可将光检测器结构应用于本领域已知的任何底层结构或者技术。在实施例中，QDPC 100的混合集成电路可以利用商业上可获得的制造技术。图 8示出了在商业上可获得的电子读出集成电路(ROIC)芯片上形成的辐射1000灵敏层的光 学显微图。如以下更详细地描述的，在许多实施例中，辐射1000灵敏层包括多个QD。辐射1000灵敏层(例如QD层)覆盖低层芯片并且符合底层芯片的特征。如可以在图 8中看到的，电子读出芯片(例如CCD或者CMOS集成电路)包括电极的行2031和列 2032的二维阵列。电子读出芯片还包括方形电极焊盘2030的二维阵列，该方形电极焊盘 2030连同覆盖的QD层和其它电路形成像素的二维阵列。行电极2031和列电极2032允 许由与电极电连接的读出电路(未示出)读出每个像素(包括方形电极焊盘2030和覆盖 的QD层)。所得到的来自读出电路处的ROIC的信息的序列对应于图像，例如，在暴露 周期(例如，帧)期间芯片的不同区域上的辐射1000的强度。芯片上的局部光强度与由 读出电路读取或者测量的电流和/或偏压有关。在实施例中，高度集成图像检测系统(诸如QDPC 100，包括处理功能部件2004 的下层集成电路、像素电路1700以及包括堆叠量子点像素1800的上层量子点结构1100) 可以要求比典型的检测器更全面的芯片2000级上的测试。由于QDPC 100的高度集成和 多功能性质，其测试可以更类似于特定用途集成电路(ASIC)的测试和光检测器的光学测 试的组合。另外，因为堆叠或者分层的量子点结构1100可以包括本质上的多个集成检测 器层，因此可能需要在制造过程期间分阶段进行光学测试，以便完全描述相互作用参数 的特征，诸如在多个量子点材料200之间通过绝缘电介质层的串扰(cross-talk)。在实施 例中，QDPC 100的测试可以要求唯一的技术，以便确保质量和可靠性。在实施例中，功能部件2004(诸如多路复用器和解码器)可提供片上2000能力 以将数据从量子点像素1800传递出芯片2000的边缘，提供阵列的寻址。在列的末端的 模拟电路可以包括放大器，提供增益和校正，或者列电路内的模拟多路复用。可以将列 组合，其中将列信号连续地多路复用。在实施例中，可提供模数转换以便将信号转换到 数字域，其中其它处理部件2008可执行数据操作，并且提供图像阵列和图像处理之间的 接口。在实施例中，功能部件2004可以包括为图像扫描提供便利的图像传感器处理 (ISP)。例如，图像扫描可允许测验低分辨率的第一曝光，确定如何使用该第一曝光，执 行迅速的第二扫描并对差别进行处理。亮度信号可具有高带宽信息而色度具有低带宽信 息。在另一实例中，第一曝光可在低频上，然后是高分辨率的第二曝光，诸如作为对导 出信号的归一化的跨越屏幕的红对红比较，类似于JPEG压缩。当取得高分辨率图像时可 以运行低频率，从大像素取得对低辐射1000的灵敏度并且从小像素取得空间信息。可以 以高频和低频取得最好的信息以便产生最佳可能的图像，诸如为了速度，简化并且实施 算法来压缩数据、采集较少的模拟数据等。个别像素可以偏离背景值，其中以粗略扫描 而快速得到背景值。在实施例中，ISP可以提供可直接在芯片上执行的创新解决方案。在实施例中，可实施处理技术，诸如空间微分，空间微分导致功率优势以及改 进的信噪比优势。如人眼利用运动来处理场景的方式，空间微分可以使用运动以达到某 种优势。这种技术可有助于补偿移动电话或者相机的固有抖动，并且可以有助于消除图 案噪声，因为图案噪声不可微分。也可以跨越整个阵列使用触发清晰度的增加的增量报 警(delta-alarm)来执行处理。也可以使用确定局部清晰度的区域来便于用于自动聚焦的 边缘检测的处理。可将直接信号馈入反馈回路以优化清晰程度。片上处理的使用可提供 局部化的处理，该处理允许产品的功率和总尺寸的减小。在实施例中，处理可以包括像素合并(binning)，以便降低与量子点结构1100
65的固有特性或者读出过程相关联的随机噪声。合并可包括像素1800的组合，诸如创建 2X2、3X3、5X5等超像素。由于随机噪声随着面积线性增加而以平方根增加，可以减 小与组合像素1800或者合并相关联的噪声，因此降低了噪声或者增加了有效灵敏度。使 用针对非常小像素的QDPC 100电势，可以利用合并而无需牺牲空间分辨率，也就是说， 可以以小的像素开始而使得组合像素不降低系统所要求的空间分辨率。合并也可对于提 高检测器能够达到的运行速度有效，因此改进系统的某个特征，诸如聚焦或者曝光。在实施例中，芯片可以具有实现高速读出能力的功能部件，该能力可以有助于 较大阵列(诸如5 Mpixel, 6Mpixel, 8 Mpixel等)的读出。较快读出能力可能需要像素 1800阵列下的更复杂、更大晶体管数目的电路，增加的层数，增加的电互连数，更宽的 互连轨迹等。在实施例中，可能期望减小图像传感器尺寸，以便降低总的芯片成本，该芯片 成本可与芯片面积成比例。然而，对于给定数目的像素来说，缩小芯片尺寸可能意味着 更小的像素。在现有的方法中，由于辐射1000必须通过互连层传播到位于下面的单片集 成硅光电二极管，存在填充因子折中，由此通过互连使下面的硅面积的部分变得模糊； 并且，类似地，通过在读出中使用的晶体管消耗部分硅面积。一个应对方案是微透镜， 其增加了成本并且导致光电二极管的照明依赖于芯片内的位置(中心对边缘)；另一个应 对方案是转向更小的工艺几何尺寸，该应对方案较昂贵并且在其常规植入的图像传感器 工艺中尤其具有挑战性。在实施例中，这里所讨论的技术可以提供围绕这些折中的方式。可缩小像素尺 寸并因此缩小芯片尺寸，而无需减小填充因子。由于光检测器在位于互连之上的顶表面 上，因此由于晶体管尺寸和互连线宽不会使像素变得模糊，所以可使用较大的工艺几何 尺寸。在这里所提出的技术中，可使用诸如m和m的大几何尺寸而不使像素 变得模糊。类似地，也可使用诸如90nm及其以下的小几何尺寸，并且这些可以是标准的 工艺而不是适合图像传感器的工艺，这导致了较低的成本。小几何尺寸的使用可以更加 兼容在同一芯片上的高速数字信号处理。这可以导致芯片上的更快、更便宜和/或更高 质量的图像传感器处理。另外，对于给定的图像传感器处理功能程度，针对数字信号处 理的更高级几何尺寸的使用可有助于较低的功率消耗。现在将结合图70描述可以与以上的光检测器、像素区和像素电路结合使用的示 例集成电路系统。图70是图像传感器集成电路(也称作图像传感器芯片)的框图。该 芯片包括-像素矩阵(100)，其中将入射光转换成电子信号，并且其中将电子信号结合到 电荷存储中，该电荷存储的内容和电压水平与帧周期上结合的入射光有关；-行电路和列电路(110和120)，其用于复位每个像素，并且读取与每个电荷存 储的内容有关的信号，以便将与帧周期上的每个像素上的结合的光有关的信息传递到芯 片的外设；-模拟电路(130、140、150、160、230)。将来自列电路的像素电信号馈送到模 数转换器(160)中，在该模数转换器(160)中，将该像素电信号转换成表示每个像素处 的照度的数值。由提供偏压和参考电平的模拟电路(130、140和150)支持像素阵列和 ADC ；
-数字电路(170、180、190、200)。图像增强电路(170)向从ADC输出的数据
提供图像增强功能以改进信噪比。线缓冲器(180)暂时存储若干行像素值，以便于数字 图像处理和10功能。(190)是寄存器库，其规定系统的全局操作和/或帧格式。块200 控制芯片的操作。-10电路(210和220)，其支持并行输入/输出和串行输入/输出。(210)是同 时输出像素值的每一位的并行10接口。 (220)是顺序输出像素值的每一位的串行10接口。-锁相环(230)，其为整个芯片提供时钟。如下描述输入/输出引脚VDD是电源，从其获得各个晶体管和其它元件上的偏压。GND是地，其与电压偏压配合使用以提供电路元件上的电势差。VFILM是量子膜偏置电压，其用于提供感光层上的电势差。VREF是带隙参考电压，其用于为芯片上的其它模拟电路提供参考电压水平。该 参考水平对温度、电压和过程不灵敏。SDA是串行控制数据，用于为串行控制端口送入输入数据。串行控制端口可以 直接向片上寄存器写入，或者执行一些简单任务，诸如复位数字电路。SCL是串行控制时钟。这是用于串行控制端口的输入时钟。DOUT<l:N>_N通道并行输出端口。这里N通常大于8。每个通道是具有全数 字电压摆动的单端。其用于以相对慢的速度用宽总线输出像素数据。CLK+/-全差分串行10时钟。这是用于高速串行输出端口的时钟通道。DATA+/-<l:n>-n通道串行输出端口。这里n通常小于4。每个通道是具有低 电压摆动的全差分。通过通道顺序地发出像素数据。EXTCLK 外部时钟，其用于向片上PLL提供时钟输入，以为整个芯片产生内
部时钟。在示例实施例中，通过在读出集成电路阵列顶上涂覆至少一层感光纳米晶体层 来实现像素阵列(100)。部分地由于该层提供光电导增益，其对光极其敏感，其中对于每 个入射像素的光子，能够将多个电子收集到位于感光层之下的读出电路中。光电导层可 以是非整流装置，因此其可为相反极性的相同幅值的偏置提供基本相同幅值的电流。在示例实施例中，提供电压偏置的电极可以是彼此横向相对的，也就是说它们 可位于同一平面内。在这种情况下，感光层中的电流的主导方向是横向。可以以这样的 模式配置电极，使得即使感光层跨越整个阵列是连续的，在每个像素电极内收集的电流 也仅主要与入射该像素区的光强度相关。实现像素之间的基本隔离的电极构造包括那些 封闭几何形状，其中栅格(诸如重复方形、三角形、六边形或者其它封闭形状的阵列的 一个栅格)提供第一偏置，并且位于每个栅格重复单元的中心的电极提供第二偏置，并 且这些提供第二偏置的电极收集基本上在每个封闭栅格重复单元内流动的电流。向器件 提供偏置的电极不需要是透明的，但是在一些实施例中可以是反射光和吸收光的。这些 构造仅仅是示例，并且可在其它实施例中使用其它构造，包括垂直堆叠的电极、透明电 极以及这里所描述的其它电极和光电导体构造。例如，在可选实施例中，电极可以是彼 此垂直相对的，以使得光电流基本上在垂直方向上。
在特定示例实施例中，当使用0.11 ym CMOS技术节点时，沿着行轴和沿着列 轴的像素的周期重复距离可以是900nm、1.1 ym、1.2 1.4 1.75 2.2iim或 者更大。这些像素的最小尺寸的实现(尤其是900nm、1.1 y m和1.2 y m)可能需要在邻 接的像素对或者更大的像素组间共享晶体管。由于通过位于互连层之上的感光层在另一垂直水平上单独实现光学感测功能， 因此与每个像素相关联的所有硅电路区域可以用于读出电子，所以在一定程度上可以实 现非常小的像素。因为感光层和读取感光材料的特定区域的读出电路存在于集成电路中的不同平 面上，所以以下部分的形状(从顶部看)一般可以不同(1)像素读出电路；和(2)感光 区域(该区域由(1)读取)。例如，可能期望将对应于像素的感光区域定义为方形；而 可将相应的读出电路最有效地配置为矩形。由于可以由感光层提供增益，以使得(例如)在感光区域上入射的每个光子可以 产生(例如)10个电子的收集，即便使用采用少量晶体管的简化像素读出电路也可实现高 灵敏的图像传感器。即便使用仅采用三个晶体管(其中至少一个可与其它像素共享)的 电路，也可获得对光的高灵敏度。例如，在基于具有50%的整体量子效率并且在其上入射lnW/cm2的强度的光电 二极管的传统像素中，在1/15秒的积分周期中，l.lPmXl.liim的像素将提供将要由读 出电路读取的、平均相当于1个电子的光电流。如果总体电路读取噪声是3个电子，那 么这种强度水平将基本上不可由该像素及其读出电路检测到。相反，在具有相同面积和积分时间、但是具有90%量子效率和5的增益的像素 的情况下，可获得要由读出电路读取的、平均相当于10个电子的光电流。如果该总体电 路读出噪声是3个电子，那么这种强度水平将可由该像素及其读出电路检测到。而且， 即使构建了提供等价于6个电子的更差的读出噪声的更简单和/或更小的电路，这种强度 水平将仍然可由该像素及其读出电路检测到。在基于通过过孔与下面的读出电路连接的顶部感光层的图像阵列中，不需要各 个金属层、通孔和互连电介质是基本上或者甚至部分透光的，尽管在一些实施例中它们 可以是透明的。这与前侧照明CMOS图像传感器形成了对比，在前侧照明CMOS图像传 感器中，必须存在穿过互连堆叠的基本上透明的光学路径。在传统CMOS图像传感器的 情况下，这对互连的布线提出了附加限制。这通常降低能够实际上共享一个或若干晶体 管的程度。例如，通常使用4 1的共享，但是不使用更高的共享比率。相反，针对与 顶表面感光层一起使用而设计的读出电路可以采用8 1和16 1的共享。光电导层可拥有依赖于偏压的增益，以使得在较高的偏压下增益较高，并且在 较低的偏压下增益较低。与每个感光区域相关联的读出电路积分、存储并且参与向芯片 外设传输与电子积分周期期间主要入射像素的光强度有关的电信号。可以这样的方式配 置读出电路，使得感光层上的偏压在整个积分周期内减小，导致增益在整个积分周期内 减小。当较大的电流流动时，即当更多的光入射像素时，贯穿积分的增益的减小可能更 显著。因此当更强烈地照亮被读取的感光区域时，有效增益可能更低。因此，对于在提 供与结合的光强度有关的信号的电节点上的给定电压范围(例如IV的跨度)来说，例如 对应于模数转换器的输入范围，可表示更大范围的光强度。例如，IV的摆动可表示光强度中的80 dB范围或者更大的范围。可以通过在感光层上形成图案化滤色片阵列来从像素阵列获得谱信息不同的 滤色器保证了在下面的光电导像素上入射不同谱带的光。在可选实施例中，可以形成颜色选择堆叠像素，其中在垂直方向上叠加多个感 光层。选择上面的层(或多个层)比下面的层(或多个层)具有更大的带隙。因此，上 面的层(或多个层)提供较短波长的光的感测并且阻挡这种较短波长的光，以使得下面的 层(或多个层)主要感测较长波长的光。任何上述实施例中的谱信息可包括X射线、UV、可见光(包括可见光内的特定 颜色，诸如红、绿和蓝)、近红外线和短波长红外线。制造提供对准的或者融合的图像的 多色彩、多谱或者超谱图像是有意义的，其中不同的像素(彩色的或者非彩色的)呈现了 描绘不同谱带内的谱内容的叠合版本。行/列电路(110和120)提供每个像素的复位以及与每个电荷存储的内容有关 的信号的读取。这允许将与在整个帧周期中入射每个像素的被结合的光有关的信息传递 到芯片的外设。读出阵列的一种方法包括使用近似等于像素阵列中的行数的若干个行电 路；以及近似等于像素阵列中的列数的若干个列电路。例如，将使用200行和300列读 出300 X 200像素阵列。然后将行列电路间距匹配(pitch-matched)到像素阵列行和列。在被称为行/列交换的另一实施例中，以较大的灵活性设计行列电路。为了读 出300X200像素阵列，可使用600个列电路和100个行电路。由于行电路复杂，因此这 可以提供优势，诸如使得对于行电路的设计可获得较大的面积。如果列电路特别复杂， 则在该示例中，可以设计150列电路和400行电路，给予列电路较多的面积。列电路可合并用于提供电流的固定电流源，以读出每个像素的源极跟随器。在 被称作灵活列的可选实施例中，列电路可以改为合并电压源或者浮动节点。这使得复位 期间能够反馈并且读出期间能够节省功率，导致了噪声的降低和功率的节省。灵活列还 可以用作测试点，以向下游电路(诸如ADC)提供已知输入。这可以帮助或者改进校准 过程。结果可以是较少噪声的列读出和/或改进的均勻性。偏置块(140)有助于提供感光层的偏置。实施例可包括向感光层的一个节 点提供负电压，以便在两个电极之间提供足够的电场，以使得可提供适当水平的光 电导增益。实施例可包括向感光层提供各种可能的电压，以便选择由感光层提供 的增益水平。偏置块(140)因此可包括两个负电压，包括比-IV的更多的值(例 如-1.5V、-1.7V、-2V)并且还提供可编程电压。感光层内的增益的提供还对A/D块(160)的设计有影响。通常，在模数转换器 之前需要增益，以便在信号链上保持信噪比。感光层中固有的增益减轻了对模数转换器 之前的高增益的要求。传统图像传感器中的模数转换器经常采用在表示由模数转换器输出的单位增长 (unity-increasing)的数字值的水平之间的固定差值(以mV测量)。这源自这样的事实， 即传统图像传感器使用固定量子效应的光检测器，以使得光检测器上入射的照度的差值 线性转换成由光电二极管产生的电流中的差值，并且因此导致要由列电路读取的节点上 的电压的线性成比例的差值。然而，具有增益的感光层可产生以光电流的非线性相关性 依赖于强度的光电流。例如，对于给定偏置，a 女 L-b 女 LA2其中I是光电流，L是像素上的入射光的强度。这是近似光电流的简单多项式 关系的示例。在该情况中，可以从所测量的电流和以及系数a和b的了解并且通过转换已知的 近似多项式关系来推出照度。可以以若干方式之一(包括其组合)来实现关系转换(1)可以在将信号传递到模数转换器之前使用模拟电路，该模数转换器转换或者 部分转换I和L之间的函数关系。(2)可以以这样的方式来非线性地转化输入到模数转换器的模拟电平和从模数转 换器输出的数字值之间的关系，使得转换I和L之间的函数关系。(3)可以在片上图像传感器系统或者在单独的芯片上配置数字电路和算法，以便 在数字域内数学地实现I和L之间的函数关系的转换。块(170)(图像增强)表示一个片上位置，其中可以在数字域内实现膜的非线性 响应的线性化。也可以在块(170)中实现所报告的像素通道的调整，该调整为作为下层读出电 路的布局的结果的偏移的或者线性缩放的或者这两者。例如，可设计读出电路，使得相 邻的(例如，奇数和偶数)列使用至少一个晶体管，该晶体管的注入轮廓为关于相邻列的 镜像。作为另一示例，读出电路可以共享晶体管。在每种情况下，CMOS电路层(诸如 注入层和金属层)之间的对准的轻微偏移可以导致阵列上周期性重复的暗电流、增益或 这二者的轻微差别。图像增强块(170)可用于校正这些偏移并且转换这些比例因子。量子局限光检测器1400的实施例显示了在可视波长灵敏旋铸光检测器1400中同时获得灵 敏度、增益、可调性和宽动态范围。与970nm时硅光电二极管的大约2X IO12 Jones以及 甚至可见光中的更低值相比，最优处理的光检测器1400可提供跨整个可视谱的IO13 Jones 的D*。光电导增益可以位于1和100之间，并且光检测器1400的构造可以显示超过 100A/W的光电导增益。块PbS可以具有近似0.4eV的带隙，并且这里所描述的量子点材料显著地增加 了量子点材料200中的量子局限的程度，以制造这里所描述的仅可见光的胶体量子点光 电导检测器1400。如这里所描述的那样，实施例的合成步骤使得能够进行具有SOOnm 以下的吸收带边(absorptiononset)的量子点1200的合成。图3i(a)示出了实施例的合成 的量子点的吸收谱。图3i(b)示出了在实施例下可以具有3nm的直径并且显示了小平面 的纳米微粒。如所合成的，可以用油酸来稳定实施例的纳米晶体，其预期的和所观察的 构造由于油酸配体的长隔离链以阻止载流子输运。交换为诸如丁胺的较短配体可导致传 导率的显著提高。然而在更大的4-6nm的纳米微粒的情况下，在液相中的配体交换之后 保持了单分散性和激子特征，在小纳米晶体的情况下，相反，该步骤可导致如之前针对 PbSe纳米微粒所看到的纳米串(nanostring)(例如，见图3i(c)和这里其它地方的相关描 述)的形成(Cho，K.S.Talapin, D.V.Gaschler, W.Murray, C.B.Designing PbSe Nanowires and Nanorings through Oriented Attachmentof Nanoparticles Journal of the American Chemical Society 127, 7140-7147(2005))；以及由不可逆聚集得到的陡峭的吸收带边的损耗(例如，见图3i (a)(虚曲线)和这里的相关描述)。以下描述保持尖锐、短波长吸收带边的方法。一旦形成了薄膜，固态下的配体 交换可以限制纳米晶体重附着位置的数量并且显著提高传导率而无需显著改变量子限制 能级。可将分散在甲苯中的PbS纳米晶体旋涂在具有金交叉梳状电极的玻璃衬底上以 形成具有360nm厚度的固态膜，其中该电极具有5 μ m间隔(图31所示)。然后在乙腈 中20%甲苯的混合物中处理膜超过约两天。在该固相的配体交换之后，膜在所施加的 20Vy m1的场下可显示出具有暗电流密度为600 μ Acm2的传导率(图3η所示)。未处 理的样本或者只用乙腈处理的样本没有显示出可测量的传导率。可以针对这里详细描述的暗电流、响应度和噪声电流描述实施例的光检测器 1400的特征。图3j示出了实施例的光检测器的光电性能。图3j(a)显示了谱响应度和 归一化检测灵敏度。光电导增益可在15Hz波长400nm处达到大约113AW—1的最大值。 相反，传统的硅光检测器在可落入可视谱范围的大约970nm处显示最大响应度。实施例 的量子点光检测器1400显示在较短波长处增加的响应度以及可见光谱中的最佳响应。关 于灵敏度，图3j (a)示出了在类似于该实施例的溶液处理薄膜光检测器1400的面积的典型 硅光检测器(如在光电学技术中，偏置硅检测器模型ET-2000)之间的直接比较。在整个 可见谱范围上，量子点光检测器1400显示了好于其晶体硅对应部分至少一个量级的噪声 等效功率(NEP)。在图3j(b)的插图中示出了针对实施例的光检测器1400所测量的噪声电流谱。 在低频处，噪声电流密度紧紧跟随响应度曲线，暗示了造成高增益的载流子陷阱也可能 造成噪声，而在较高频处，白噪声可占支配地位。可以通过(4kTB/R)"2来估计检测器的 Johnson噪声大约为0.9fAHz_"2，而在0.04pA Hz1/2找到了散粒噪声极限(2qIdB)1/2,其中 k是波尔兹曼常数，T是温度，R是检测器在黑暗状态下的阻抗，B是噪声带宽，q是电 子电荷并且Id是暗电流。实施例的光检测器1400可以使散粒噪声极限在80Hz处接近到 3dB以内。如图3j (c)所示，在超过50Hz处与硅比较时，实施例的量子点光检测器1400显 示了较大的灵敏度，其中将D *标绘为频率的函数(插图还示出了 NEP对调制频率)。在 低频(< 5Hz)处，检测器可显示出D *为大约IO13 Jones。例如，参考图3k(a)，描述了造成光电导增益的、实施例的量子点光检测器的陷 阱态的特征。图3k(a)示出了针对所示出的多个在器件上入射的不同光功率水平、根据 调制频率而测量到的响应度。随着光功率的提高检测器的响应度可降低。这可归因于位 于最低的、最长寿命的陷阱态的填充，其在低强度处提供最高的光电导增益。这可由这 样的事实来确认，即在高强度处，3dB带宽可扩展到更高的电频率。为了描述高增益陷阱态填充对溶液处理的检测器的动态范围的影响的特征，测 量了在30Hz的调制频率下光电流对光强度的依赖性。尽管在高强度处为次线性，可观察 到光电流对入射强度超过7.5个量级的强度的单调依赖性(图3k(b))，对应于超过强度动 态范围的75dB。图3k(b)的插图示出了由可以造成增益压缩的较高强度处的高增益陷阱 态的填充引起的响应度带边的降低。这里与实施例的光检测器1400有关的教导说明了当与典型的晶体硅光电二极管 比较时的灵敏度、动态范围和增益中的一个或者多个的改进。由于实施例的材料和过程用于产生或者制造量子点光检测器，因此可以合并或者集成量子点光检测器来制造量子 点像素或器件。如图31的插图所示出的以及在以下关于几何布局的描述中详细描述的那样，在 这里所教内容的指导下，通过在大点、小带隙(在1230nm处的激子峰值)器件之上堆叠 小量子点1200、较大带隙光检测器1400来制造多色器件(例如，两色等)或像素(这里 也称作量子点像素)。图14j还示出了在实施例的堆叠中每个检测器的所测量的谱响应 度。还示出了在堆叠之前的小带隙检测器的谱响应度，以展示在400nm处可见光中的所 实现的超过IOdB的响应度的抑制。因此，在图31中描绘了实施例的胶体量子点1200固 有的量子尺寸效应可调性的值。光检测器几何布局1402可以以广泛种类的像素布局1600来布置这里所描述的量子点像素1800。参考图 5a-p,例如，传统像素布局1600 (诸如Bayer滤镜布局1602)包括布置在平面内的像素分 组，其中不同的像素对不同颜色的辐射1000灵敏。在传统图像传感器(诸如在大部分消 费者数码相机中使用的那些)中，通过布置在下层光传感器的顶上的滤色器的使用来使 得像素对辐射1000的不同颜色灵敏，使得光检测器响应于特定的频率范围或者颜色的辐 射1000而产生信号。在该构造中，一般将不同颜色像素的马赛克(mosaic)称作滤色器阵 列或者滤色器马赛克。尽管可以使用不同的模式，最典型的模式是图5a所示的Bayer滤 镜模式1602，其中使用了两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素，其中将绿色像 素(通常称作亮度灵敏元件)置于方形的一个对角线上并且将红色和蓝色像素(通常称作 色度灵敏元件)置于另一对角线上。使用第二绿色像素以模仿人眼对绿光的灵敏度。由 于在Bayer模式中的传感器阵列的原始输出包括信号模式，每个信号仅对应于光的一个颜 色，因此彩色差值算法用于为每个点插入红色、绿色和蓝色值。不同的算法导致最终图 像的不同的质量。可以通过相机上的计算单元或者通过位于相机之外的独立图像处理系 统来应用算法。可以在传统滤色系统模式(诸如Bayer RGB模式)中布置量子点像素； 然而，也可使用更适合于传输更大量的光(诸如青、绛红、黄(CMY))的其它模式。一 般已知红、绿、蓝(RGB)滤色系统比CMY系统吸收更多的光。也可以连同量子点像素 一起使用更高级的系统(诸如RGB青或者RGB透明)。在一个实施例中，以模仿Bayer模式1602的马赛克来配置这里所描述的量子点 像素1800;然而，除使用滤色器以外，可以在不使用滤色器的情况下将量子点像素1800 配置成响应于所选择的颜色或者颜色组的辐射1000。因此，实施例的Bayer模式1602包 括绿色灵敏、红色灵敏和蓝色灵敏量子点像素1800的组。在实施例中，因为没有使用滤 色器来滤出辐射1000的不同色彩，因此由每个像素可看到的辐射1000的量高得多。与传统像素相比，可使得量子点像素1800对辐射1000的变化波长灵敏。参考 图5b到5f，可使得量子点像素1800对辐射1000的一个颜色灵敏，诸如图5b的蓝色像素 和图5c的红色像素。可以在广阔范围的布局(诸如图5a的Bayer模式1602)中使用这 种像素。如在本公开内容以及通过引用合并与此的文献中所描述的那样，也可使量子点 像素1800对辐射1000的不止一个颜色灵敏。参考图6d，量子点像素可包括量子点材料 200的一组垂直层或者区别地灵敏的量子点材料200的单层，以使得芯片上的单个平面位 置可对辐射1000的多个颜色(诸如图5d所描绘的红色、绿色和蓝色，或者图5e所描绘的UV、蓝色、绿色、红色和红外线)灵敏。因此，可以在各种像素布局1600中使用多 谱量子点像素1604。可以制造对色域内的广阔范围的颜色灵敏的量子点材料200，该色 域包括特定颜色或颜色组。尽管标准RGB像素在其与传统电路设计一起使用的能力方面 具有优势，但是可为改进的传感器和显示器提供整个范围中的更多颜色。为了使用这种 颜色，在实施例中，垂直堆叠量子点材料200的层以便产生对辐射1000的更多颜色灵敏 的多谱像素是有利的。由于能够捕捉辐射1000的较大部分的谱，对于人眼可见光和不可 见光都将允许在每个给定像素高得高的信息密度，从而允许给定器件封装内的分辨率高 得多的传感器。例如，通常将具有1百万像素、用每个像素捕捉R或者G或则B的1/4 英寸光学格式器件视为具有“兆像素”的分辨率。具有1百万像素、每个像素能够捕捉 R和G和B的1/4英寸光学格式传感器因此将具有三倍的分辨率。这可能是成本和尺寸 较关键的成像系统中的关键区分因素。参考图5f，也可通过在平面上的不同位置以各种构造和模式放置量子点材料200 来产生多谱像素元件1604。参考图5g，可以在给定像素阵列1600中使用不同尺寸的像素1800。例如，可 以由较小的红色和蓝色单元包围较大的绿色单元。可以在这种构造中使用色彩的任何范 围和组合。参考图5h，可以以与Bayer模式1602不同的各种模式(诸如简单矩形设置，其 中用多谱像素1604填充阵列中的每个位置)布置多谱像素1604。可以直接用像素(诸如 用位于接近像素或者位于像素上的存储单元)存储全图像信息，以使得可以应用压缩算 法(诸如或者类似于JPEG和TIFF算法)而无需(或者最小限度地)单独处理。参考图5i，多谱像素1604可包括诸如除了对色彩信息之外还具有对IR和UV信 息的灵敏度的全谱、多谱量子点像素1608。因此，这里所描述的任何阵列可包括一个或 者更多个全谱、多谱量子点像素1608。参考图5j，量子点像素布局1600还可以包括不同灵敏度的像素，诸如对辐射 1000的单个波长(诸如绿色)灵敏的那些像素、对可见光颜色(诸如红色、绿色和蓝色) 集灵敏的那些像素、对IR灵敏的那些像素以及对UV灵敏的那些像素。因此，像素阵列 1600可以是多谱像素1604、单谱像素和专门像素(诸如对非可见光波长灵敏的那些像素) 的混合。此外，像素阵列可以包括平面像素以及具有垂直单元的像素，诸如垂直、多谱 像素1604。图5k和图51示出了量子点像素1800的其它设置，包括不同谱灵敏度的像素 的各种混合。参考图5k，像素布局1600可由不同平面形状的像素构成，包括Bayer模式1602 的矩形像素，但是也有其它形状诸如六边形(如图5m所描绘的那样)或者三角形(如图 5η所描绘的那样)。近似给定透镜系统的点扩展函数是有益的，该函数通常更多地以圆 形图案而不是方形图案对辐射1000的点源进行成像，因此能够近似圆形图案(例如，通 过使用六边形形状)，可获得对透镜系统的分辨能力的更完全的使用。也可向像素布局 1600提供偏移行和列，而不是严格的矩形布局1600。应该注意的是，为了使填充因子 (与暗空间或者其它单元相比，由图像传感器覆盖的平面阵列的百分比)最大化，填充平 面的形状可以是优选的，诸如方形、矩形、六边形和三角形。然而，随着在这里所公开 的各个实施例中使高灵敏度变得可能，由于可以在不填充整个平面的情况下获得足够的性能(尤其在具有垂直尺寸的像素布局1600中)，因此也可以优选地采用其它几何形状。 因此，可以在像素布局1600中为其它部件(诸如用于暗参考的部件、用于产生功率(诸 如通过光电效应)的部件和其它部件)保留空间。参考图50，可与光学元件1610(诸如棱镜、滤镜、透镜、微透镜等)相关联来 提供量子点像素1800，诸如多谱量子点像素1604或者其它像素。因此，可产生包括使 用这样的方法的元件的像素阵列1600，即在基于滤波器或者基于透镜的(诸如在传统图 像传感器、CCD阵列等中使用的)方法中使用的方法。在这种实施例中，可以将像素 1800(诸如多谱像素1604)认为是分光计，该分光计具有配置用来将辐射1000分配给下面 的子像素的光学元件。由于可以用非常大的主射线角度来制造这里所公开的像素1800， 因此可以有可能提供分离谱分量的光学元件，诸如光栅分光计。可以通过在像素1800之 上放置高折射率的聚合物，遮盖聚合物的部分，并且移除未遮盖的部分以留下光栅来产 生这样的光栅。其它技术可用于制造色散元件，诸如在量子点材料层200之下放置衍射 光栅，允许辐射1000通过并且将辐射1000的部分反射到该层下面的检测器。在各个实 施例中，光栅分光计可以通过吸收辐射1000来分离辐射1000的不同颜色成分；因此，其 将在不损失入射辐射1000中的功率的情况下允许差别颜色灵敏度。因此，该方法将允许 低辐射1000情况下的颜色灵敏度，在该低辐射1000情况下，滤波器去除了过多信号。可以配置像素布局1600(诸如这里所描述的那些)以实现彩色图像，其具有相对 于传统图像传感器中使用的那些像素而言非常小像素。传统方法开始到达在1.2微米的像 素尺寸的极限，然而能够以小得多的尺寸提供这里所描述的像素1800，并且该像素1800 甚至在大尺寸情况下能够提供更好的颜色精确度。因此，这里所描述的像素1800和像素 布局1600允许在具有大量像素的小型、便宜的芯片上的高图像质量。此外，这里所描述 的布局1600还允许在图像传感器能够接收并且因此灵敏地检测辐射1000的角度的增加。 这允许制造可吸收辐射1000所期望的波长而不具有可以由光串扰引起的负面效应的非常 薄的像素1800以及非常薄的相机系统，其中一个像素接收应该已经由相邻像素捕捉的辐 射1000信息。参考图1，可以将实施例的像素布局1600与适当的像素电路1700相关联，以允 许用任何传统范围内的像素读出电子技术(诸如用于读取Bayer马赛克像素、垂直堆叠像 素、CCD阵列以及其它图像传感器阵列的电子技术)来读取像素。例如，像素布局1600 可与电路I700相关联，该电路1700允许标准的基于行和基于列的读出电路的使用，从而 允许在广阔的硬件和器件范围内使用量子点像素芯片100，而不需要特定的集成技术。这里所描述的像素布局1600 —般去除针对单独的、光吸收滤色器的任何要求。 继续参考图1，由于射线穿过传统图像传感器的各层，杂散辐射1000能够击中光电检 测单元而无需首先通过滤色器，在具有不同的伴随滤色器的相邻传感器单元之间产生串 扰。这里所公开的像素1800能够消除对滤色器的需要并且减少视差问题。在实施例中， 可以将像素布局1600与阻挡入射相邻的像素的杂散辐射1000的元件相关联，或者可以以 允许解决像素间的串扰的方式来处理图像数据。因此，可以关于要求分辨滤波器或者其 它光学元件和图像传感器之间的空间差别的几何尺寸来简化对来自像素布局1600的图像 数据的处理。这里所公开的像素布局1600包括对电磁谱的不同带具有各种灵敏度的像素。在
74实施例中，颜色灵敏度基于辐射1000穿透量子点材料200的吸收带边。例如，某层可 对蓝色灵敏，较深的层可对蓝色和绿色灵敏，而更深的层可对蓝色、绿色和红色灵敏。 如果将蓝色层置于顶上，其可以吸收大部分蓝色辐射1000，允许蓝绿层主要对绿色辐射 1000进行响应。类似地，蓝绿灵敏层可吸收剩余的蓝色辐射1000和绿色辐射1000，主 要将红色辐射1000留给下一个更低的层。因此，从不同的层读取信号可以导致获得红 色、绿色和蓝色辐射1000的相对水平。可以将该方法推广到具有以适当顺序的层的辐射 1000的其它颜色。在实施例中，可以操作(诸如通过减去)来自不同层的信号来确定来 自不同层的相对信号，以便推断出每个颜色的强度。这里所公开的各个实施例允许产生单个传感器，该单个传感器允许在电磁辐射 1000的较宽范围上取得图像。因此，单个检测器可以提供多个功能，诸如与夜视装置组 合的彩色相机、与X射线组合的彩色相机等。因此，这里所公开的像素布局1600可以覆 盖不同谱体系，例如允许单个相机使用针对白天期间成像的一个辐射1000带并且使用相 同像素用于第二辐射1000带中的成像。例如，在晚上，或者在低辐射1000中，像素布 局1600的IR灵敏部件可用于在非常高灵敏度下产生黑白图像。因此多谱像素布局1600 可以用于多谱产品，诸如用于检查飞机机翼的相机、医学图像传感器(诸如用于X射线 或者癌症检测)、用于检测激光目标定位同时提供环境(诸如军事应用)图像的图像传感 器，或者广阔范围的其它应用中。如这里所描述的那样，可以垂直堆叠(即一个在另一个之上)量子点结构1100 的多个层，其中垂直堆叠产生了多谱像素。在产生垂直堆叠的多谱像素时，上层可吸收 并且同时检测辐射1000的某些波长；传输用于在下层中的随后检测的其它波长。期望每 层在其设计响应的谱域内基本上实现完全吸收。在该带之外，并且在下层对辐射1000的 检测响应的带内，这种位于上方的像素应该是基本上可透射的。在实施例中，将每个垂直堆叠量子点层的像素分别电连接到它们相应的像素电 路单元1700。可对垂直堆叠量子点结构1100分别进行电寻址，以使得一旦转换为电信 号，就独立地读取由堆叠的每层所接收的该辐射1000的部分。在实施例中，可横向地读 取垂直堆叠的量子点结构1100及其相关联的像素。例如，可以使用在每层的边上的接触 阵列来向每个有源层施加偏压。在实施例中，各层基本上彼此电隔离。例如，每个有源 层在垂直维度上可以是分离的，并且可以在有源层之间提供基本上电隔离的材料。在另 一实施例中，垂直堆叠量子点结构1100的偏置和读取包括使用接触每个光检测器层的垂 直堆叠的电极。在这些实施例中，不管电互连是横向排列还是垂直排列的，电极连接到 将电信号向下传送到下面的读出电路层(例如，像素电路1700)的通孔。在提供垂直堆 叠的量子点层的实施例中，在确定将哪一层提供在另一层之上时，需要考虑若干层的谱 特性。在实施例中，上层对于要被下面各层接收的辐射1000的波长是基本透明的。尽 管实施例以向下层提供辐射1000的至少部分传输的顺序来堆叠量子点层，但是其它实施 例可以不限于此。在图像传感器芯片的顶表面附近而不是在其它硅晶体内形成感光层具有许多优 势，其中硅晶体内部用于实现晶体管和其它用于读出的电子器件。可以几乎用感光材料 (例如，接近100%填充因子)来填充顶表面。所增加的填充因子提供了在低辐射1000 水平处的改进的灵敏度和在所有的辐射1000强度处的较高的信噪比。能够在不需要进行光学操作(诸如使用微透镜实现)以将辐射1000向下传送到电介质中的互连的高纵横比 堆叠的底部的情况下实现辐射1000在感光层(例如，量子点结构1100)上的直接入射。 该顶表面检测器的使用实现了将光向感光器件的最大传送，提供灵敏度的最大化，并且 也使光串扰最小化。尽管某些实施例可以使用透镜或者微透镜，对微透镜的要求的大致 消除改进了光检测器的质量。一般而言，在传统光传感器系统中使用微透镜限制了主射 线角并且还要求微透镜跨图像传感器的移动，使得图像传感器设计紧密地结合到微光学 设计。在实施例中，根据这里所描述的原理的光传感器具有在低辐射1000处实现高灵敏 度的顶表面检测器；顶表面检测器基本上保持在较高强度处的光学信噪比；检测器和读 出一起实现了高动态范围；并且检测器和读出电路一起实现了可接受的低图像滞后，从 而避免图像中记忆效果或者重影的出现。在这里所描述的实施例中，多谱像素1604的使用可以允许其它谱域中的像素的 使用。一个这种实施例可包括用于光学飞行时间(time-of-flight)测量(诸如使用脉冲辐 射1000源同步的激光扫描或像素读出)的像素布局1600中的像素的使用。因此，像素布 局1600可包括一个或者多个飞行时间像素以及图像感测像素。在这种实施例中，读出体 系结构将包括适合于读取图像感测像素的单元以及适合于读取在激光扫描或者其它飞行 时间技术中使用的飞行时间数据的单元。由于飞行时间方法不一定要求高空间分辨率， 因此布局可包括具有宽松间隔的飞行时间像素的紧密间隔的多谱像素1604。在实施例中，可以以垂直结构堆叠各种类型的像素1800。例如，可以设置以平 面布局1600配置的像素1800来感测辐射1000带内的图像，同时可以将不同的像素布局 1600置于初始层之上或之下以便执行其它感测，诸如用于获取用于3D空间分辨的飞行时 间数据。本实施例的一方面涉及填充因子(即没有用量子点1200消耗的光检测层的面 积)。相对于光感测材料，通常表面的部分面积被金属或者其它非光感测材料占据。如 这里所描述的，实施例使被金属填充的面积量最小化。在实施例中，金属覆盖的面积是 功能性的(例如，其提供对暗电流读取的阻断)。在实施例中，填充面积或者金属面积有意地遮掩一些光感测材料；顶层可部分 地遮掩下层结构。这可以使得一些材料成为非辐射灵敏的(即，不灵敏度参考，而不是 暗参考)。可以把来自电互连1404的电极置于一个阴影区域下的暗区域中以进行暗测量。在实施例中，下方层金属层占据了光检测区域的大部分并且金属的定制设计可 用于产生特定优势。例如，金属层可以具有方形、点或者其它形状。在这里的教导下的像素1800中能够改变的方面包括模式、填充因子、灵敏度、 图案的形状、接触设计、接触材料、像素之间的填充物、多层结构之外的接触、透明 层、部件的共享、顶接触模式等。实施例可以不要求顶电接触。顶电接触可以不需要是 透明的；或者可以仅在某个谱带内或者某些谱带内是透明的。在实施例中，多个相邻的或者邻近的像素共享像素间的晶体管和/或其它电路 和/或电路部件。在实施例中，多个相邻的或者邻近的像素共享像素间的暗参考光电导体，或者 利用不灵敏导体得到的参考。
在实施例中，光检测器几何布局1402包括图案化的顶接触。顶接触层可以是栅 格，并且栅格可以包括用于辐射1000的穿过的孔。实施例包括提供光谐振结构的实施例。在光谐振结构中，量子点结构层的厚度 对应于所感兴趣的的辐射1000的四分之一波长的整数倍。该方法调整辐射1000的这种 颜色相对于所有其它颜色的有效吸收。例如，与经由辐射1000单次通过该材料将会获得 的吸收相比，该光谐振方法可以实现通过该材料的辐射1000的某些颜色的吸收的增加。实施例包括在量子点结构1100的深处或者阴影区域中设置电互连。可以将接 触在材料中埋得足够深或者埋在闭塞下面(例如，在金属件下面，在非透明电介质下面 等)。然后可以通过测量与“暗接触”相关联的电荷来进行暗测量。另一电互连1404可 以与量子点结构1100的更活跃的区域进行电接触或者从该区域读取电荷来进行辐射1000 读取。然后可以将辐射1000读取与暗测量进行比较来生成参考辐射1000读取。在实施 例中，对量子点结构1100进行堆叠或者分层，因此可以将暗参考电互连埋入量子点结构 1100的较低部分。量子点结构的厚度本身可以提供用于暗测量的足够的暗度。在该实 施例中，一个电互连1404靠近辐射1000而其它电互连(即暗参考)离辐射1000较远。 较近的互连靠近量子点结构1100的感光部分。暗互连离辐射1000最远，其离量子点结 构1100的感光层较远。实施例使用电方案来感测两种结构之间的差别。在实施例中， 两个电互连处于同一电势或接近同一电势，以防止从顶到底的传导性。实施例包括自参考的暗参考。这可以包括两个接触水平一个水平靠近辐射 1000而另一个离辐射1000较远。最靠近辐射1000的接触靠近膜的感光部分，而离辐射 1000最远的接触离感光膜较远。可以使用感测在两种结构之间的差别的电方案。在没有 照明的情况下(即在暗中)，与暗参考和活性材料相关联的电阻器具有相同的电阻。配 置电路(例如，惠斯通电桥等)，在该电路中，输出信号与分别参考的电互连之间的电阻 差有关。因此，在暗条件下，信号输出是零。在照明情况下，较多的辐射1000被辐射 1000首先照射的光检测器吸收，由于之后辐射1000通过该第一光检测器，因此削弱了光 强度。因此，与辐射1000的入射对底部的光检测器所做出的改变相比，其更多地改变了 顶部被较强地照明的光检测器。因此，在(现在都被照明，但是被不同照明的)两个光 检测器之间的电阻差别与光强度成比例。与顶层和底层之间的电阻差别相关的同一信号 提供与光强度直接相关的输出信号。在实施例中，提供了多谱量子点结构像素。在实施例中，通过提供在给定像素 (例如，设置为对R、G、B和:[R进行响应)内的不同谱响应量子点来提供像素的多谱特 性。在实施例中，通过提供分布在不同像素(例如，一个像素是R响应而一个是B响应 等)之间的不同谱响应量子点来提供像素的多谱特性。单独的像素结构可以有效地模仿 像素布局(例如，RGB或者CMY模式)。在实施例中，通过提供分布在不同像素层之 间的不同谱响应量子点来提供像素的多谱特性。mm^mim如这里所描述的，可以垂直堆叠多层量子点结构1100来产生多谱像素。在产生 垂直堆叠的多谱像素过程中，上层可以吸收并且同时检测辐射的某些波长，传输用于下 层的随后检测的其它波长。尽管每层可实现配置其响应的谱域内的基本上完全的吸收， 但是实施例不限于此。在该带之外，以及在下层对辐射1000的检测响应的带内，该位于较上方的像素应该基本上是透射的。实施例的多色、多层光检测器包括这里详细描述的以下部件或者单元，但是不 限于此集成电路；至少两个感光层，第一感光层和第二感光层，第一感光层在至少 部分集成电路之上，并且第二感光层在第一感光层之上；每个感光层插入在两个电极之 间，相应的第一电极和相应的第二电极；集成电路配置用来选择性地向电极施加偏压并 且从感光层读出与相应的感光层接收的光子数量相关的信号。可制造这样的图像传感器，其包括这种多层光检测器的阵列，每个该多层光检 测器表示像素，其中每个像素区内的每个层中的电信号是独立寄存的并且将该电信号传 送到集成电路的其它区域。在实施例中，这种多层光检测器可以通过使用对蓝色光灵敏 的顶层以及对蓝色和绿色光灵敏的下层来完成颜色感测，该顶层在近似490nm处具有典 型的吸收截止，该下层在近似560nm处具有典型的吸收截止。尽管下层对蓝光和绿光都灵敏，但是可以配置实施例的堆叠光检测器，使得顶 层基本上吸收蓝光。入射较低光检测器的光因此基本上缺少蓝光。因此，将主要由入射 堆叠像素的绿光的强度来确定较低光检测器中产生的光电流。在实施例中，可以用集成在CMOS集成电路内的传统的钉扎(pinned)硅光电二 极管来完成对红色和近红外光的感测。在实施例中，多层光检测器使用包括顶层、中间和下层的结构来完成颜色感 测。顶层对蓝色光灵敏并且在近似490nm处具有典型的吸收截止。中间层对蓝色和绿 色光灵敏并且在近似560nm处具有典型的吸收吸收截止。下层对蓝色、绿色和红色光灵 敏，并且在位于超过650nm处，通常在650nm、700nm或者750nm处具有典型的吸收截止。尽管中间层对蓝色和绿色光都灵敏，但是可以配置堆叠光电二极管，使得顶层 基本上吸收蓝色光。入射中间光检测器的光因此基本上缺少蓝色光。因此，将主要由入 射堆叠像素的绿色光的强度来确定中间光检测器中产生的光电流。类似地，尽管该实施例的底层对蓝色、绿色和红色光都灵敏，但是可配置堆叠 光检测器，使得顶层基本上吸收蓝色光，并且中间层基本上吸收绿色光。因此，将主要 由入射堆叠像素的红色光的强度来确定底部光检测器中产生的光电流。在可选实施例中，多层光检测器使用包括顶层、中间和下层的结构来完成颜色 感测。例如，顶层对蓝色光灵敏，并且在近似490nm处具有典型的吸收截止。中间层 对蓝色和绿色光灵敏，在近似560nm处具有典型的吸收截止。下层对蓝色、绿色、红色 和红外光灵敏，并且在位于超过 700nm、800nm、900nm、lOOOnm、1300nm、1650nm、
3 μ m或者5 μ m波长处具有典型的吸收截止。在构造为包括并且使用这种堆叠像素的系统中，可以选择性地配置红外截止滤 波器，使得出于可见光彩色成像的目的，在强光下，红外滤波器阻止红外光入射传感器 层。在弱光(包括夜间)的条件下，从光学路径移除滤色器，使得底层提供红色和红外 灵敏度的组合。实施例包括实现了弱光灵敏度的成像系统，该系统使用主动红外照明来 实现成像，和/或基于基本上提供场景的红外照明的夜辉(nightglow)发射来实现成像。在其它可选实施例中，多层光检测器通过使用包括顶层、中上层、中下层和下 层的结构来实现颜色感测(包括红外感测)。顶层对蓝色光灵敏，并且在近似490nm处显示典型的吸收截止。中上层对蓝色和绿色光灵敏，并且在近似560nm处显示典型的吸 收截止。中下层对蓝色、绿色和红色光灵敏，并且在位于超过630nm处，通常在630、 650、670或者700nm处显示典型的吸收截止。最下层对蓝色、绿色、红色和红外光灵 敏，在位于 800nm、900nm、lOOOnm、1300nm、1650nm、3 μ m 或 5 μ m 波长处具有典型 的吸收截止。实施例包括实现弱光灵敏度的成像系统，该系统使用主动红外照明实现成像， 和/或基于充分地提供场景的红外照明的夜辉发射来实现成像。组成多层像素的一些或全部层的感光材料可以包括具有增益的光电导光检测 器。它们可使用由胶体量子点制成的膜，在该胶体量子点中，一种载流子类型是流动载 流子，而另一载流子类型是基本上被阻止的或被捕捉的或者二者都是。例如，如果使用 PbS(硫化铅)作为胶体量子点材料系统，则其可以是空穴作为流动载流子，而电子被捕 捉。可在材料和器件制造的各个阶段使用有机配体，以便当粒子在液相时提供稳定的胶 体。可以在处理过程中(在液相过程中以及在固体膜的形成过程中)去除或替代某些或 所有这些有机配体。可以利用这种对配体的存在进行的修改来改进和/或控制该器件中 的载流子的流动。可使用这样的半导体纳米微粒，该半导体纳米微粒在沿着至少一个空间轴上的 尺寸相当于或者小于该纳米微粒内的束缚电子空穴对的玻尔(Bohr)激子半径。例如， 在PbS中，玻尔激子半径通常报导为在18-25nm的范围内。当选择纳米微粒直径时， 通常通过在纳米微粒制造时的合成条件，以使得该直径位于波尔激子半径以下，所产生 的胶体量子点集的有效带隙可以位于充分超过组成的半导体的体(bulk)带隙。例如，在 PbS中，体带隙近似为0.4eV。当制造近似8nm直径的纳米微粒时，吸收带边可以接近于 0.7-0.8eV。当制造近似4nm直径的纳米微粒时，吸收带边可以接近于0.9_1.0eV。当制 造近似0.5-2nm直径的纳米微粒时，吸收带边可以在2_3eV的范围内。值得注意的是， 在该示例中，量子局限材料的有效带隙可以大于材料上组成纳米微粒的体材料的体带隙 的两倍(当以电子伏(eV)的能量单位测量时)。在实施例中，上述每个具有不同有效带隙的多个(两个或者更多个)堆叠感光层 可以包括具有相同成分的半导体材料，但是上层中的粒子将具有比下层中的粒子更小的 直径，以便实现上层中具有与下层相比较短的波长截止。在实施例中，上述每个具有不同有效带隙的多个(两个或者更多个)堆叠感光 层可以包括具有一般不同的成分以及一般不同的直径的半导体材料。在制造三色可见光 (蓝、绿、红)像素时，例如，顶(蓝)层可由具有2nm直径的In2S3组成，中间(绿) 层可由具有4nm直径的In2S3组成，而底(红)层可由具有2nm直径的PbS组成。在在一些层中使用不同材料的实施例中，下层中的纳米微粒可以因此具有与上 层中的纳米微粒相比较小的带隙以及较小的直径。组成感光层的材料的例子包括PbS、PbSe、In2S3、In2Se3、Bi2S3、Bi2Se3、
InP> Si、Ge。纳米微粒的直径通常可以在0.5nm到IOnm的范围内。通常报导高度单分散胶体量子点在吸收谱中显示激子峰值，其中在吸收带边以 上近似0.05-0.5eV的能量处的吸收谱中观察到局部最大值(一般是显著的一个)。该特 征可有助于提供这里所期望的颜色鉴别。在实施例中，不可以观察到在吸收开始附近的吸收谱中的所定义的局部最大值。在实施例中，仅可观察到吸收边缘。在实施例中，多层光检测器中的一个或者更多个层可以提供光电导增益。这可 通过使用基本上吸收感兴趣的谱体系中的光(例如，顶层中的蓝光)(例如，该谱体系中 的吸收率(也称作量子效率)可以超过50%)的层以及通过使用介质来完成，在该介质中 流动载流子(诸如空穴)的通过时间小于该载流子的寿命，并且其中其它载流子(诸如电 子)显示出低迁移率(大大低于流动载流子的迁移率，通常低10倍或者低更多倍的迁移 率)或者被阻挡(诸如通过使用电子阻挡层)或者二者都有。在实施例中，光电导增益可等于一或者更大。当结合50%或者更大的吸收时， 每秒流过像素的电子数量可超过每秒入射像素的光子数量的0.5倍。对于波长550nm处 的光来说，例如，这对应于超过0.22A/W的响应度。在实施例中，响应度可以至少是0.4A/W。典型所期望的响应度的范围在0.4A/ W到10A/W的范围内。如这里所报导的，已经实验性地示出了导致100A/W或者 1000A/W的响应度的光电导增益，并且可在实施例中使用该光电导增益。可以使用0.5V、IV、1.2V或者1.5V的电压偏置来实现这样的响应度。在包括多个(两个或者更多个)堆叠感光层的实施例中，第一感光层包括具有 光电导增益和在大约0.4A/V到100A/V的范围内的响应度的纳米晶体材料；而第二感光 层包括具有大于第一光电导增益的光电导增益和在大约0.4A/V到100A/V的范围内的响 应度的纳米晶体材料；并且多层光传感器还包括用来产生图像数据的电路，该电路包括 配置为用于补偿第一感光层和第二感光层之间的光电导增益差别的电路。在实施例中， 可以使用图像传感器处理器和/或使用软件来实现对不同感光层中的不同增益的再归一 化。在实施例中，可选择堆叠像素中的两个或者更多个感光层的材料成分和层厚 度，以便可以使得感兴趣的颜色范围内对每个感光层的响应度在值上近似相等。例如， 可以选择成分和厚度，使得顶层在蓝色的中间提供近似3A/W的响应度，中间层在绿色 的中间提供近似3A/W的响应度，并且底层在红色的中间提供近似3A/W的响应度。在实施例中，可以选择堆叠像素中的两个或者更多个感光层的材料成分和层厚 度，以便可以使得每个感光层内的吸收率和光电导增益的乘积在值上近似相等。例如， 可以选择成分和厚度，以使得顶层在蓝色的中间提供近似6的吸收X光电导增益的乘 积，中间层在绿色的中间提供近似6的吸收X光电导增益的乘积，并且底层在红色的中 间提供近似6的吸收X光电导增益的乘积。在实施例中，在感兴趣的谱体系的峰值处， 每个层的吸收率将超过70%，并且可以在70%-95%的范围内。例如，在蓝色的中间， 顶层的吸收率可近似为80% ；在绿色的中间，中间层的吸收率可近似为80% ；在红色的 中间，底层的吸收率可近似为80%。在实施例中，每层的光电导增益可以相同，诸如取 7.5的值，或者在近似1-10范围内的其它值。在实施例中，可以使用堆叠像素阵列来实现图像传感器，其中阵列中的至少一 个像素基本上被遮掩，阻止了光的入射。术语上可将这种基本上被遮掩的像素称为“黑 像素”。在黑像素的每个感光层中流动的电流将因此近似对应于与该感光层相关联的暗 电流。如果使组成堆叠像素的感光层具有基本上相似的厚度、载流子密度、横向尺寸以 及跨越该阵列的载流子输运特性，那么如由黑像素所提供的、与每个感光层相关联的暗电流可用作减去组成阵列剩余部分的(未被遮掩的)感光像素中的暗电流效应的根据。可 以使用简单暗电流扣除模拟电路来去除与每个感光层相关联的偏移或者黑色电平。在实施例中，与下层相比，上层可以更强地吸收(每单位长度，具有以cm-1的 单位测量的每单位长度的吸收率)其感兴趣的波长。例如，上层可以以α =60,OOOcm-I 的吸收率吸收蓝色光，而下层可以以α =50,OOOcm-I的吸收率吸收绿光。为了吸收近似 80%的蓝色光，因此可以使上层近似为250nm厚。为了吸收近似80%的绿色光，因此可 以使下层近似为300nm厚。在该示例中，在上层和下层中流动的暗电流因此可以一般是 不同的。如果偏置到相同的电势差，并且如果由具有基本上相同的迁移率和载流子密度 的材料构成，那么如果将偏置电极配置在等于材料厚度的距离处(诸如在垂直像素中)， 则较薄的上层可以提供较高的暗电流；或者，如果沿着垂直于膜厚度的轴来配置偏置电 极(诸如横向电极构造)，那么较薄的上层可以提供较低的暗电流。在前一种情况中， 黑色电平扣除电路将从对应于上层感光区域的信号中减去较大的电流，而在后一种情况 中，黑色电平去除电路将从对应于上层感光区域的信号中减去较小的电流。实施例包括堆叠像素，其中使用至少一个感光层来产生基本上单极的器件。在 单极器件中，一种载流子类型(电子或者空穴)的输运超过其它类型(空穴或者电子)的 输运。例如，在这里所描述的PbS光电导胶体量子点检测器中，空穴可以是流动载流子 并且可以具有比电子迁移率至少大10倍的迁移率。例如，空穴迁移率可以等于lE-4cm2/ Vs,而电子迁移率可以低于lE_5cm2/Vs。实施例包括对至少一个感光层的使用，该感光层包括基本上单分散的纳米微 粒。例如，感光层可以基本上由具有1.5η的平均直径的纳米微粒和直径范围在lnm-2nm 的纳米微粒组成。实施例包括对至少一个感光层的使用，该感光层由纳米微粒组成，该纳米微粒 的核在物理上接近(间隔小于0.5nm)并且彼此实质上进行电连接(达到lE-5cm2/VS或 更高的空穴迁移率)。实施例包括对至少一个感光层的使用，该感光层由纳米微粒组成，该纳米微粒 核由双配位基链接剂分子(诸如乙二硫醇或者苯二硫醇)桥接的纳米微粒。实施例包括对至少一个感光层的使用，在该感光层中，暗电流密度在 10-500nA/cm2的范围内，并且该感光层提供3pJ/cm2和30pJ/cm2之间的噪声等效曝光。实施例包括以下电极构造，其中每个感光层包括与相应的第一电极和相应的第 二电极接触的互连的纳米晶体的连续膜，其中第二电极是至少部分透明的并且被置于相 应的感光层之上，并且其中流动载流子的渡越时间小于载流子的寿命，也叫做持续时 间。例如，流动载流子渡越时间可以小于15毫秒，而载流子寿命或者持续时间可以近似 为30毫秒。一般而言，流动载流子寿命可以在1微秒到30毫秒的范围内，而载流子寿 命或者持续时间可以在2微秒到60毫秒的范围内。图3s是实施例的具有以下电极构造的堆叠多层像素，其中将每个相应的第一电 极(Cl)相对于相应的第二电极(C2)的至少部分横向放置。换言之，第一电极(Cl)和 该电极所接触的膜(QFl)的部分之间的物理接触和电接触的区域在与第二电极(C2)和其 所接触的膜的部分之间的物理接触和电接触的区域基本上相同的高度处(例如，相对于硅芯片的顶表面测量的)。图3r是实施例的具有以下电极构造的堆叠多层像素，其中一个公共电极(CC)在 垂直方向上延伸超过多于一个感光层(QF1+QF2)的高度，并且其中电学上独立的单独电 极(Cl和C2)用于提供偏压并且基本上独立地从感光层(QFl和QF2)收集电流。实施 例包括电流阻挡层(B)，其基本上避免了层(QFl和QF2)之间的电串扰。图3u和图3v分别是实施例的具有以下电极构造的堆叠多层像素的侧视图和顶视 图，其中将公共电极(CC)布置在与第一感光层(QFl)电接触的电极(Cl)周围，并且将 公共电极(CC)布置在与第二感光层(QF2)电接触的电极(C2)周围。实施例包括使用电 隔离(阻挡)层来提供感光层之间的实质电隔离的那些实施例。图3w以截面图描绘了图像传感器，通过图解示出了一个堆叠在另一个之上的两 个感光材料层如何能够独立地被电读出。1450是硅衬底，其形成读出集成电路和最后的 图像传感器的部分。1451是互连堆叠内的金属层，该互连堆叠连接到在芯片上的其它地 方可得到的偏置。1451电连接到垂直向上的公共柱1452，以提供接触感光层的一个电 极。在该具体实例中，1452与量子膜层1455和1456电连接，因此其提供对每层公共的 接触。1453提供下量子膜层1455和衬底1450上的电路之间的电连接的一个像素电极。 1454是另一个电独立的像素电极，其提供上量子膜层1456和衬底1450上的电路之间的电 连接。视觉地示出了在柱1454的侧面上包裹了隔离层，该隔离层阻止1454和下感光层 1455之间的显著电连接。以此方式，像素电极和感光层间的电连接对于对{1453，1455} 和{1454，1456丨是独立唯一的。因此，将1456中吸收的照度传送到其相应的读出电路， 而基本上不考虑在1455上入射的照度；并且类似地，将1455中吸收的照度传送到其相 应的单独的读出电路，而基本上不考虑在1456上入射的照度。可以理解，可以使用具有 不同的光灵敏度谱的材料来制作1456和1455。例如，1456可以由相同成分的半导体材 料，但是与1455相比直径较小的半导体量子点制成，在这种情况下，1456将吸收和感测 较高能量的光子，而1455将主要吸收和感测较低能量的光子。由于到其相应的读出电路 的连接的基本电独立性，能够充分地彼此区分在1456中吸收的谱信息和在1455中吸收的 谱{曰息ο实施例包括以下电极构造，其中第一感光层和第二感光层的相应第二电极包括 在垂直堆叠的像素和相邻的垂直堆叠的像素之间的网格(mesh)。实施例包括具有多个层 的垂直堆叠像素的阵列，其中每个层具有第一电极和网格，该网格置于垂直堆叠像素之 间并且配置用来为垂直堆叠像素中的每层提供公共电极。实施例包括光传感器阵列，其中填充因子至少为80%，典型范围为 80% -100%。取填充因子以表示每个像素的未遮掩的的吸收面积与每个像素的总共面积 的比率，但是也可以具有适当的以及本领域的技术人员所理解的其它意思。实施例包括片上系统，其中将光传感器阵列与电路组合，以针对不同感光层补 偿不同特性(诸如暗电流和响应度)。在这里的其它地方描述片上系统的实施。与实施 例的传感器组合的电路可以包括适合于传感器的芯片或者应用实施的任何电路。例如， 实施例包括这样的电路(模拟、数字或者其组合)，该电路实施了去马赛克(demosaicing) 算法，以考虑到堆叠中的每个感光层的响应度和吸收率谱来记录针对特定构成堆叠像素 的经校正的色彩矩阵(例如，蓝、绿、红)。作为另一示例，实施例包括这样的电路(模拟、数字或者其组合)，该电路从从较低像素报告的电信号减去与从上方像素报告的电信 号有关的电信号，以便降低所提取的色彩信号中的色彩串扰。现在讨论与视频帧速率兼容并且具有光电导增益的光检测器。这里所描述的实 施例包括光电导光检测器，其中基本上单一的化学种类将其与基本上单一的能量深度相 关联，并且因此与给定温度下的基本上单一的陷阱态寿命相关联，并且因此与入射光瞬 时期间光电流的上升和下降相关的基本上单一的时间分量相关联。实施例包括光电导光 检测器，其中单一化学种类是PbS03(亚硫酸铅)；单一能量深度是近似O.leV;在室温 下，基本上单一的陷阱态寿命是大约30毫秒；与光电流的上升和下降相关的基本上单一 的时间分量是大约30毫秒。在实施例中，以下基本上不包括在光电导介质中硫酸铅 PbS04,其具有0.3eV或者更大的深度，并且具有秒量级的瞬时分量；羧酸铅，其具有 0.2eV或者更大的深度，并且具有半秒量级或者更大的瞬时分量。现在将描述用于获得和描述光检测器1400的某些实施例的特征的方法。具有在 700nm和800nm之间的激子峰值的PbS NC的典型合成可以包括将2.0毫摩尔的双(bis) (三甲基硫化硅)注入到反应瓶中，该反应瓶包括80°C的4.0毫摩尔的氧化铅(0.9g)、9.5 毫摩尔的油酸(2.67g)和18.8毫摩尔的十八烯(4.73g)。在注入之后，通过将反应瓶移至 冰水浴中来对反应进行淬火(quench)。可以使用希莱克技术(Schlenk line)在惰性条件下 进行合成。可以通过用丙酮进行沉淀来将最终的PbS油酸修饰的NC与任何剩余的起始 材料和副产品隔离。然后可在甲苯中再分散沉淀物并且再次用丙酮来进行沉淀。可以在 甲苯中再次分散最终的纳米晶体以用于器件制作。由于体PbS可具有近似0.4eV的带隙，可能有必要显著地增加量子点材料200 中的量子局限的程度，以制造实施例的仅可见光的胶体量子点光电导检测器1400。如 这里所描述的，合成过程的改进可以实现具有SOOnm以下的吸收带边的量子点1200的 合成。图3i(a)可以图解所产生的量子点的吸收谱。如在图3i(b)中所看到的那样，纳 米微粒可以具有3nm的直径并且显示小平面。如所合成的，可以用油酸来稳定这些纳 米晶体，所预期的和所观察到的构造由于硫酸盐配体的长隔离链而阻止载流子输运。交 换为较短配体(诸如丁胺)可导致传导率的显著增加。然而在较大的4-6nm的纳米微 粒的情况下，可以在液相中的配体交换之后保留单分散性和激子特征，在小纳米晶体的 情况下，相反，该过程可以导致如之前针对PbSe纳米微粒所看到的纳米串(图3i(C)) 的形成(Cho，K.S.Talapin, D.V.Gaschler, W.Murray, C.B.Designing PbSe Nanowires andNanorings through Oriented Attachment of Nanoparticles Journal of theAmerican Chemical Society 127, 7140-7147(2005))；并且，更大的问题是由不可逆聚集导致的陡峭的吸收 带边的损失(图3i(a)的虚线)。因此，相反地将保留尖锐的、短波长吸收带边的方法可以是优选的。一旦可能 已经形成了薄膜，则在固态中的配体交换可以限制纳米晶体重附着位置的数量并且在不 显著改变量子局限的能级的情况下显著提高传导率。可以将分散在甲苯中的PbS纳米 晶体旋涂到具有具有5 μ m间隔(图3m所示)的金交叉梳状电极的玻璃衬底上，以形成 具有360nm厚度的固态膜。然后可以将膜在乙腈中含20%丁胺的混合物中处理两天以 上。在该固相配体交换之后，膜在所施加的ZOVym1的场下可以显示出具有暗电流密度 600 μ Acm 2的传导率。未处理的样品或者单独用乙腈处理的样本不可以显示出可测量的传导率。例如，可以合成量子点以提供近似730nm的典型吸收最大值。可以将制作进行 为分批过程。这些纳米材料可以溶解在有机溶剂(诸如氯仿、甲苯或者四氢呋喃)中。 可以将该合成分成各个步骤。前两个步骤需要通过使用希莱克技术(Schlenktechnique)和 N2手套箱来使用惰性气氛。一个步骤包括Pb先驱体的制备，诸如在1-十八烯和油酸的 混合物中溶解的Pb油酸盐。另一步骤包括S先驱体的制备，诸如在1-十八烯中溶解的 Bis(三甲基甲硅烷)硫化物。另一步骤包括将(2)快速注入到(1)中，以在单一事件中 形成PbSQD。当PbS先驱体达到了远远高于室温的温度时，在几秒内通过隔膜而完全注 入S先驱体。溶液从无色变成了暗橙色/黑色溶液。另一步骤包括净化和存储。将反 应溶液倒入丙酮中，形成了具有黑色沉淀物的棕色悬浮液，在瓶的底部留下了黑色残留 物。对全部的烧杯容纳物进行离心。在离心之后，移除透明/浅棕色的上层清液。使 用氯仿将剩余的沉淀物带入溶液中。漩涡搅拌器有助于将纳米材料完全溶解到氯仿中。 为了清洗纳米材料并且去除不想要的副产品，将氯仿溶液带入具有干净丙酮(氯仿/QD 溶液的四倍容量)的烧杯中。形成具有暗棕色沉淀物的棕色悬浮液。进行最终的离心步 骤，并且从暗棕色残留物中分离透明上层清液。在真空中对残留的纳米材料干燥若干小 时。在许多实施例中，使用已知的技术、但是在基本上惰性无水环境中(例如基本 上没有水和氧的环境)来制作QD。可使用希莱克技术方法来执行合成，在该方法中，从 系统中排除了外界气体(诸如空气中的氧和水)，而是基本上在惰性气体(诸如氮和/或 氩)中或者在真空中执行合成。量子点1200合成可以受若干因素影响。温度可以影响量子点1200合成。例如， 可以通过放置在冰浴中来改变合成材料的温度。也可通过将溶液放入冷却管中来改变温 度，该冷却管在一端具有真空瓶并且在推动溶液通过的一侧具有带有压力的阻挡器。溶 剂类型可以影响量子点1200合成，例如，含水溶剂与不含水溶剂。在合成之后，可以对 量子点1200进行沉淀(通过甲醇、乙腈、乙酸乙酯、异丙醇、丙醇的添加)和离心。可 以将上层清液轻轻倒出并且可蒸发或者以其它方式去除过量的沉淀非溶剂(在之前的句 子中所列出的)。现在讨论使用胶体量子点(诸如以上所描述的那些)实现固态器件的方法。可 以使用诸如以下过程来将通过这里所描述的合成提供的液相分散胶体量子点形成为光检 测器。进行液相交换来用较短的配体(诸如乙硫醇、丁硫醇、己硫醇、十二硫醇或者其 组合)取代如所合成的配体(诸如油酸)。这可以有助于实现感光层中的电荷载流子的有 效输运，并且因此有助于提供光电导增益的有用水平。可以通过将来自溶液的量子点旋 涂到衬底(诸如硅集成电路)来产生膜。可以进一步处理膜，诸如通过暴露给溶液中的 短配体(诸如乙硫醇、丙硫醇)和/或通过暴露给连接剂(诸如乙硫醇、丁二硫醇、己二 硫醇)。在实施例中，可以对量子点1200进行后合成处理。后合成处理可以包括沉淀和 再分散。后合成处理可以包括对之前已经浸湿的量子点1200进行干燥，将它们再分散在 溶剂中，过滤溶液，浓缩溶液，然后旋转溶液或者以如这里所述的另外的方式沉积量子 点1200。该处理可以导致特定尺寸的量子点1200的浓缩。如以下所描述的，再分散可以包括将沉淀的量子点1200浸在诸如丁胺、甲苯等的溶剂中，以提供配体交换。非甲苯 浸泡可以提供较快的再分散。在配体交换之后，可能需要将量子点1200再沉淀并且再分 散到诸如氯仿的溶剂中。为了制备量子点1200用于旋转，可能需要对它们进行干燥、再 过滤、再分散以及浓缩。量子点1200可能需要成熟一段时间，诸如在五天的范围内。在一个实施例中，可以有另外的量子点1200基于溶液的后合成处理。参考图2a，合成的量子点1200可以包括附连的配体1225。如图2a所示，配体 可以通过配体官能团1250附连到量子点1200。参考图2b，示出了包括量子点变化的小 瓶。如图2d针对可见光所描绘的那样，该变化导致辐射发射的差别。参考图2c，示出 了单个量子点1200和量子点1200的阵列的SEM图像。在一些实施例中，QD包括PbS、InAs> InP> PbSe> CdS> CdSe、三元化合物 半导体和核壳(core-shell)型半导体(其中壳是一种类型的半导体而核是另一种类型的半 导体)中的任何一种或其组合。例如，三元QD可以是InxGai_xAs纳米晶体或者(Cd-Hg) Te纳米晶体。例如，核壳量子点纳米晶体可以是ZnSe(PbS)、ZnS(CdSe)、ZnSe(CdS)、 PbO (PbS)或者 PbSO4 (PbS)。在实施例中，在将QD先驱体层沉积在集成电路或衬底上之前，对QD进行配体 交换以用预选择的配体(例如，与所制成的配体相比短得多的配体)来取代所制成的配 体。将预选择的配体选择为足够短，以实现QD在先驱体层中的更紧密的包装。更紧密 的包装允许QD在随后的步骤中熔融在一起，从而大大增加QD之间的电导率。也可以 将预选择的配体选择为相对易挥发的，从而在随后的步骤中可以将它们蒸发，以提供主 要由QD组成并且基本上没有配体的膜。这允许QD彼此更加接近得多，可以提高最终 器件中的传导率。例如，可以用具有多于10个碳长的碳链的第一组配体来制造QD，然 后用具有1-10个碳长之间的碳链的第二组配体来取代第一组配体。在一些环境中，第二 组配体的配体小于大约Inm长。这可以使得QD更接近，例如，比配体交换之前它们所 能达到的要接近超过50%、接近超过75%或者甚至接近超过90%。第二组配体一般可 以具有附连到QD的亲和力，该亲和力至少是可与附着到QD的第一组配体集的亲和力竞 争的，否则第一组配体不能与第一组配体充分交换。第二组配体一般也可以具有附连到 QD的亲和力，这允许在稍后的步骤期中将其去除。如在图2a中所示出的，该亲和力与 配体上的末端官能团有关。其它末端官能团中的胺、硫醇、羧酸盐和砜(其中的许多将 具有自由电子对)一般适合于在第二(预选择的)组配体集中使用。在实施例中，配体交换包括从其原始溶液中对所合成的QD进行沉淀、清洗并且 再分散在液体中，该液体将溶解并且因此从QD的外表面分离原始配体，并且该液体是或 者包含要被替换到QD上的配体。在一些实施例中，该液体是或者包括一元、二元或者 三元丁胺、吡啶、丙烯胺、乙胺、丙胺、辛胺或者吡咯烷或者这些有机溶剂的组合，该 有机溶剂代替之前在QD上的配体。在其它实施例中，液体是或者包括吡啶，其代替之 前在QD上的配体。在室温或者提高的温度下将QD留置在该液体中24到120小时一般 足以进行配体交换，尽管在一些环境下较长或者较短的时间将是足够的。在说明性示例 中，在惰性气氛下执行配体交换过程以防止QD氧化。将具有油酸盐配体并且溶解在甲 醇中的QD进行沉淀、干燥并且再分散在lOOmg/ml(纳米晶体按重量/ 丁胺按体积)浓度 的正丁胺中。将溶液留置在惰性条件下3天。油酸盐配体具有大约2.5nm的长度，而交换的丁胺配体具有大约0.6nm的长度，使得QD达到它们彼此之间原始距离的25%。在实施例中，在协调溶剂中分别制造两种或者更多种类型的QD。然后对每种 QD进行沉淀、清洗并且分散在液体中，该液体是或者包含要代替到QD上的配体。如上 所讨论的那样，这交换两种或者更多种类型的QD上的配体。然后在溶液中混合两种类 型的QD，以产生掺杂QD混合物，将该混合物旋铸(spin-cast)或者以其它方式沉积作为 衬底上的薄膜，以形成掺杂QD先驱体层。通过针对每种类型的QD分开选择QD大小 和配体以及使用溶剂和加热的附加处理来控制掺杂QD先驱体层中的次序。配体的示例包括端胺基配体、端羧基配体、端膦基配体和聚合配体。端胺基配 体可以包括吡啶、丙烯胺、甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、辛胺和吡咯烷中的任何一种或者 组合。端羧基配体可以包括油酸、硬脂酸、癸酸和己酸中的任何一种或者组合。端膦 基配体可以包括鸟苷三磷酸。配体可以是DNA、核苷酸、诸如聚噻吩或MEH-PPV的聚 合物或者诸如寡聚噻吩的低聚物中的一种或更多种。如上所述，将短的和易挥发的配体 (例如，吡啶、丙烯胺、甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、辛胺或者吡咯烷)代替到QD上以使 得QD在稍后的步骤中能够更加接近是有帮助的。在制造QD并且对其进行了配体交换之后，例如，如上所述，可以将其沉积到诸 如集成电路的衬底上。这形成了 “QD先驱体层”，随后可以对其进行处理以形成用于 在器件中使用的完成的QD层。QD先驱体层和完成的QD层都可以与术语量子点材料 200交换使用。在实施例中，量子点材料可以显示出均勻性、容易集成、低成本、易堆叠 性、单片可集成性、光电导光致电压增益、温度恒定性、低噪声、高灵敏度、大动态范 围、混合匹配能力、传感器的可定制性、谱可延伸性等的一种或者更多种。可以处理量 子点以形成量子点材料。可以处理量子点以形成量子点溶液。处理可以包括若干因素， 诸如温度、时间、反应物、搅拌、大气组成和压力等。量子点可以是胶体的。量子点材 料可以包括膜。可以通过旋涂、熔潭铸(puddle casting)、电解沉积、气相沉积、喷枪喷 射、从溶液生长、疏水系统、气相中的加速/蒸发、影印、喷墨印刷等中的一种或者更 多种来形成膜。膜可以是图案化的。膜可以是连续的或不连续的。膜可以是单片的或 多层的。膜可以是具有特定厚度的。膜可以裂开或者不裂开。膜可以经过后膜形成处 理。膜可以经过量子点材料处理。可以对膜进行后处理。可以密封膜。可以通过例如使用喷涂、浸铸、滴铸、蒸发或者流延成型(blade-casting)来直 接在读出集成电路或者其它衬底的表面上对QD先驱体层进行溶液沉积来形成QD先驱体 层。沉积QD先驱体层的另一个方法是旋涂QD先驱体层，一旦将其层旋涂到表面上， 可以对其进行进一步处理以形成如下所述的感光QD层。在许多实施例中，QD层具有这 样的厚度，即选择该厚度以便在预期在其中操作器件的波长区域中吸收在该QD层上入射 的辐射1000的大部分或者甚至基本上全部。通常该厚度将在大约50nm到2 μ m的范围 内，尽管可以根据器件的所期望的功能使用更薄或者更厚的膜。旋涂可以允许在没有真 空处理以及对准和结合问题的较低温度下执行用QD层的覆盖电路的处理。在实施例中， 可以通过旋涂处理量子点材料以形成膜。可以将量子点材料旋涂到衬底上以形成膜。现在讨论测量感光层对光的响应以及由此描述将光信号转导到电领域的特征的 方法。可以使用多种方法测量响应度。对于测量响应度的第一种方法，来自975nm激 光的2mm半径的光束可以首先通过一系列已知透射率的光学衰减器并且通过玻璃衬底而从背面入射到器件上。在顶表面上，可以在3_路径长度上以5μιη分隔不传导红外的 交叉梳状金电极。可以通过对器件的无阻碍面积上的激光的强度曲线进行积分来获得在 器件上入射的光功率。可以使用Agilent 4155半导体参数分析仪来获得电流-电压特性。 可以通过对激光的电调制来测量不同频率下的响应度。在测量响应度的第二种方法中， 可以将偏压施加到与2 Mohm的负载电阻串联的样本。可以通过由Triax 320单色仪分散 并且在所感兴趣的频率处机械斩波的白光光源(ScienceTech公司TH-2)来提供照明。可 以用滤光器阻止光栅泛频照射样本。可以使用Stanford Research System SR830锁相放大 器来测量负载电阻上的电压。可以使用经校准的Ophir PD-300硅和锗光检测器来分别测 量在每个波长处传输通过单色仪的强度，以覆盖400nm到1600nm的范围。可以通过用 器件的有效面积除以准直光束面积并且乘以用经校准的检测器测量的总功率来得到入射 检测器的有效面积的光功率。随后可以根据该系统校准来缩放每个波长处的光电流。同 样的设置可以通过使用可变衰减器来实现谱响应度的测量，对该可变衰减器进行编程以 确定每个波长处的光功率。所记录的光电流对波长的关系可以产生谱响应度。两种上述 技术的结果一般可以在小于10%的范围内彼此一致。可以使用Stanford Research SR830锁相放大器来测量光检测器1400中的暗电流
噪声。可以使用电池施加偏置并且在浮动台上在电屏蔽以及光学密封的检测台中进行的 测试，以使振动噪声最小化。将所报告的噪声电流归一化到测量带宽、除以相同条件下 的响应度可以产生噪声等效功率(NEP)。可以通过将器件的光学有效面积的平方根除以 NEP来得到归一化检测灵敏度D *，其为波长、所施加的偏压和中心频率的函数。可以使用如上述的谱响应度测量中所使用的相同设置。可以将波长固定在 830nm处并且可以使用与中性密度滤波器组合的可变衰减器将光强度从pW改变到 4 μ W。对于更高的强度，可使用830nm下的半导体激光器以提供高达IOmW的光功率。在已经描述了用于获得以及表征光检测器的该实施例的方法之后，现在将描述 与光检测器有关的某些发现。光检测器的该实施例显示了在可见光波长灵敏旋铸光检测 器中灵敏度、增益、可调性和宽动态范围的同时实现。与硅光电二极管在970nm下的大 约2X1012 Jones以及可将光下甚至更低的值相比，经优化处理的光检测器可以提供整个 可见光谱上的IO13J0nes的D*。光检测器可以显示超过100 A/W的光电导增益。光电 导增益可以在1和100之间。可以针对如上详细描述的暗电流、响应度和噪声电流描述光检测器的特征。图 3j示出了光检测器的光电性能。图3j(a)显示了谱响应度和归一化检测灵敏度。光电 导增益可以波长400nm处达到15Hz下大约113AW—1的最大值。为了比较，硅光检测器 在大约970nm处显示最大响应度，该波长可以落入可见光中。量子点光检测器1400可 以在较短波长处具有增加的响应度以及在可见谱中的最优响应。关于灵敏度，图3j(a) 示出了与本实施例的溶液处理薄膜光检测器类似的面积的典型硅光检测器(如在光电 学技术中，偏置硅检测器模型 ET-2OOO，http://www.eotech.com/store/products.php ？ categoryParentName = Photodetectors&categoryName = Biased+Silicon+Detectors)之丨旬的直 接比较。在整个可见光谱范围上，量子点光检测器可以显示好于其晶体硅对应部分至少 一个量级的噪声等效功率(NEP)。在图3j(b)的插图中示出了针对该实施例的光检测器的所测量的噪声电流谱。在低频处，噪声电流可以紧密跟随响应度曲线，表明造成高增益的载流子陷阱也可有助 于噪声，而在较高频处，白噪声可占支配地位。可以根据(4kTB/R)"2估计检测器的 Johnson噪声为大约0.9fAHz_"2，然而发现散粒噪声极限(2qIdB) “2为0.04pA Hz_"2，其中 k是玻尔兹曼常数，T是温度，R是检测器在黑暗条件下的阻抗，B是噪声带宽，q是电 子电荷而Id是暗电流。实施例的光检测器1400可以在80Hz处使散粒噪声极限达到3dB 以内。如图3j(c)所示，量子点光检测器1400在超过50Hz时可以显示出由优于硅的灵 敏度，其中将D *标绘为频率的函数(插图还示出了 NEP对调制频率的关系)。在低频 (< 5Hz)处，检测器可以显示出D * 1013Jones。可以描述造成光电导增益的陷阱态的特征。在图3k(a)中，示出了所测量的响 应度，该响应度作为针对在器件上入射的若干不同的光功率水平的调制频率的函数。随 着光功率的增加，检测器的响应度可以降低。这可以归因于位置最低、寿命最长的陷阱 态的填充，该陷阱态在低强度处提供最高的光电导增益。这可以由这样的事实来确认， 即在高强度处，3dB带宽可以延伸到较高的电频率。为了描述高增益陷阱态填充对溶液处理的检测器的动态范围的影响的特征，可 以测量光电流对30Hz的调制频率下的光强度的依赖关系。可以观察到，在超过7.5个量 级的入射强度的幅度上(对应于超过75dB的强度动态范围)光电流对强度的单调的(尽 管在高频处为次线性的)依赖关系(图3k(b))。图3k(b)的插图示出了由于在可以造成 增益压缩的较高强度处的高增益陷阱态的填充而引起的响应度降低的带边。在实施例中，期望具有与视频应用兼容的瞬态响应的光检测器。现在讨论提供 视频兼容的时间响应、或者滞后、或者持续时间的感光层。参考图4，示出了在5V偏压 下对经调制的Ilx 550nm照明的瞬态响应。在胶体量子点膜上进行测量，已经使用这里所 述的方法将该胶体量子点膜旋铸并且处理到平面电极对上。这些由在诸如0.5毫米、1毫 米或者3毫米的长度上平行的金或者其它金属线构成。这些电极由沿着它们的整个平行 长度的固定的2.5 μ m或5 μ m的间隙来分隔。使用相邻的Au电极上施加的IV、5V或 者IOV的偏压来进行测量。在光响应的研究中，照明源一般是在接近550nm处具有谱发 射峰的绿光发光二级管。从Olux(暗)到Ilux变化来提供方波调制。在入射到测试像素 样本上的位置测量照明水平。使用Newport光功率计来校准照明。使用Keithley 6485型 皮可安培计(PicoAmmeter)来进行电流测量。使用Keithley 2400型源表(SourceMeter)来 施加LED和样本偏压。在洁净氮气气氛中执行测量。在图中，示出了在一个这种器件 中的电流作为时间的函数。在大约22.4秒到25.3秒的时间段内，例如，在Ilux水平下开 通照明源。因此，在该间隔期间流动的电流表示在Uux下的暗电流+光电流的和，其中 也可以认为后者分量等于响应度(以A/W)乘以在有效区域上接收的光功率(以瓦特测量 的光功率)。典型的响应度在0.4A/W到10A/W的范围内。在20到22.4秒时间段内， 例如，关断照明。在该间隔内流动的电流因此表示暗电流。关于这些测试结构的典型值 对应于O.lpA到3pA。考虑到这些样本的纵横比，暗电流对应于lE_8A/cm2到2E-6A/ cm2。在22.4秒、25.3秒等处的尖峰不是光检测器的特性，而是从与周围电子和偏压电 路有关的电瞬态导致的，并且出于本讨论的目的可以忽略该尖峰。忽略这些尖峰，光电 流的上升和下降是有意义的。在光电导器件中，在照明的关断瞬态之后的电流值将仅关断并且仅在某持续时间之后达到暗电流值。在某些具有不期望的长寿命的陷阱态的光电 导器件中，该持续时间可以是0.1秒、或者0.5秒、或者1秒或更长。这样的持续时间导 致在静止图像和视频中的重影和滞后假象。这里所实现的器件是光电导的并且拥有光电 导增益，然而，它们的持续时间是20-40毫秒级，从而在典型的成像时间量尺度，该持 续的影响不明显。因此获得了光电导增益的优势，但是避免了延迟的不利方面。胶体量子点通过量子尺寸效应调谐提供在不同谱带间进行区分的现成方法。这 里所描述的与实施例的光检测器1400相关的发现说明了灵敏度、动态范围和增益都好于 典型的晶体硅光电二极管。如图31的插图所示出的，可以通过在大点、小带隙(1230nm 处的激子峰值)器件顶上堆叠小量子点1200、较大带隙的光检测器1400来制造简单的两 色器件。图31的主体示出了堆叠中每个检测器的所测量的谱响应度。还示出了在堆叠之 前的小带隙检测器的谱响应度，以表明在400nm处所实现的超过IOdB的可见光中的响应 度抑制。因此，可以在图31中描绘胶体量子点1200固有的量子尺寸效应可调协性的值。现在讨论形成感光层，包括在能够提供光检测器读出的集成电路上形成感光层 的方法。在一个实施例中，可以通过熔潭铸来处理量子点材料200以形成膜。熔潭铸可 以包括将测量量的量子点材料200沉积到衬底上并且允许溶液蒸发。所产生的膜可以裂 开或者可以不裂开。在实施例中，可以通过电沉积来处理量子点材料200以形成膜。电沉积可以包 括真空和量子点1200。电沉积可以类似于静电印刷术。可以使用电粉涂覆为量子点1200 充电。然后可以将电粉和量子点1200的组合置于类似于影印机的系统中。电粉涂覆可 以在没有载流气体的情况下提供加速势能。电沉积可以包括将电压施加到由电路控制的 电极。该电路可以能够使用沉积的量子点材料200进行感测。随着量子点像素1800生 长的进行，电沉积可以导致检测器和其自身内的反馈。用于电镀的可以获得的光电流可 以随着来自初期和生长中的量子点像素1800的增加而降低。在实施例中，可以通过气相沉积处理量子点材料200来形成膜。在实施例中，可以通过喷枪喷射处理量子点材料200来形成膜。喷枪喷射可以 包括从气体处理。喷枪喷射可包括溶剂中的夹带(entrainment)。在实施例中，可以通过来自溶液的生长来处理量子点材料200以形成膜。来自 溶液的膜的生长可以包括交联(cross-linking)。交联剂可以附连到衬底的至少部分以交联 量子点1200。当将具有附连的交联剂的衬底浸入量子点溶液400中时，量子点1200可以 变成交联的并且在衬底上交联剂所附连的位置生长，生长的过程可以类似于晶种生长的 过程。由于生长发生在交联剂已经附连的位置，因此可以通过沿着具有图案的衬底沉积 交联剂来实现在衬底上的图案化膜的形成。例如而非限制地，双硫醇可以用作交联剂。 可以将分子的两个硫醇头附连到两个不同的量子点1200表面并且因此产生迁移率提高。 该交联过程可以提供具有(例如而非限制)数十A/W量级的光电导光致电压增益以及(例 如而非限制UO12J0nes量级的检测灵敏度的光电检测。可以显著提高持续光电流，使得 能够在高达60Hz的帧速率下实现高性能的视频成像。在实施例中，可以通过疏水系统处理量子点材料200来形成膜。疏水系统可以 使得能够沉积量子点的单层膜。可以以图案沉积单层膜。在实施例中，可以通过气相下的加速或蒸发处理量子点材料200来形成膜。
在实施例中，可以通过影印方法处理量子点材料200来形成膜。在实施例中，可以通过喷墨打印方法处理量子点材料200来形成膜。可以将膜形成期间的配体交换应用于这里所述的任何膜形成方法。配体交换可 以实现改进的膜形成和改进的量子点包装。配体交换的持续时间可以改变膜波长吸收率 特性。在实施例中，配体交换可以包括以修饰量子点的长隔离配体交换短配体，这可以 实现导电量子点材料和高灵敏辐射光检测器的形成。配体交换可以发生在固态下。如这 里所描述的，可以首先通过溶液处理来形成膜。可以在溶剂(诸如而非限制，乙腈、甲 醇或甲苯)中分散新的配体(诸如而非限制，苯二硫醇或者甲硫醇)。可以将包含膜的 样本置于包含配体的溶剂中。可以将配体选择为具有与已有的配体有效竞争的末端官能 团。例如，与羧基组结合(诸如而非限制，油酸)或者胺结合(诸如而非限制，丁胺)相 比，硫醇可以更强地结合。例如而非限制，可以将旋涂膜驱动到惰性气氛中或者保持在 大气条件下，其中可以将该旋涂膜浸入到乙腈(MeCN)和乙硫醇(ET)、乙二硫醇(EDT) 或者苯二硫醇(BDT)的混合物的浴中。乙腈可以用作新配体、ET、EDT或者BDT的 溶剂，以取代油酸，同时其用作阻碍溶解的量子点材料膜的非溶剂。MeCN ET、EDT 或BDT的比率可(诸如而非限制)从到10%。浸泡的持续时间可以在10分钟到一 小时的范围。浸泡之后，可以隔离膜，用MeCN清洗以去除过量的ET、EDT或BDT以 及任何残留的油酸，并且可在真空下进行干燥。在实施例中，配体交换可以与膜形成并行发生。首先，可以将要在其上形成膜 的衬底浸没在可以包括配体的液体中，该配体稍后可以取代最初在量子点上的配体。可 以去除衬底，并且新配体的涂层可以留在样本上。然后可以通过浸涂形成膜，其中可以 将要在其上沉积膜的样本浸没在量子点1200悬浮的溶剂中。在该过程期间，在第一步中 加入的配体用来导致量子点1200以受控的方式聚集到样本表面上。该并行配体交换和膜 形成的方法可以保证不造成已经形成的膜的体积的显著改变。这种显著改变可以导致膜 裂开。本方法可以通过并行的沉积和交换来保证光滑、无裂缝的膜的形成。在实施例中，可以通过在来自溶液相的层生长期间不可逆地桥接量子点1200来 处理量子点材料以形成膜。可以通过使用双齿配体将量子点连接到一起以形成连续膜。 这些链接剂分子可以一端结合到个量子点，而另一端与另一量子点结合，因此产生可防 止器件变短的量子点链。可能的双齿配体可以包括双硫醇、二元胺、二羧基酸及其组 合，诸如乙二硫醇、巯基乙酸等。尽管双齿配体的端元(end member)应该具有结合能 力，剩下的分子可以具有不同的长度和功能。由于短分子可以实现量子点之间不受链接 剂分子阻碍的电连接，因此短分子可以是优选的。可以通过各种方法将链接剂分子引入 到量子点像素芯片(QDPC) 100中。例如而非限制，可以将QDPC 100置于包含各种浓度 (诸如在0.1%到10%的范围内、等)的链接剂分子的有机溶剂中。在处理了 QDPC 100 一个时间范围(诸如从5到60分钟)之后，QDPC 100然后可具有经由这里所述的方 法(诸如浸没、喷射、旋转等)引入的量子点1200。量子点1200然后可结合到连接器并 且在连接器的随后处理之后，量子点1200可以交联到其它量子点1200。可以执行另一个 量子点1200沉积以提高QDPC 100内的量子点1200的浓度。该量子点1200交联策略可 以在光滑或粗糙电极表面上产生量子点1200的连续覆盖层覆盖。由于配体从油酸交换为一元丁胺，硫化铅QD纳米晶体的吸收谱可以随着增加的交换时间显示蓝移。TEM图像显示了在配体交换和非溶剂处理之后QD之间间隔的显著 减少。当该移动小于与单层Pb原子(粗略为170nm)的去除相关联的移动时，尺寸分布 粗略保持不变。在该点之后，多分散性增加。对QD进行沉淀、使用非溶剂清洗、在CHCl3中再分散并且使用非溶剂再次处 理(“非溶剂”指的是对于纳米晶体不是溶剂，但是对于配体可以是溶剂的材料)。所 生长的(未处理的)QD纳米晶体示出了具有由配体长度确定的点间间隔的良好排序的图 案。交换的和清洗的QD显示出点间间隔的显著减小以及团簇而非良好排序的阵列的优 先形成。在处理之前，可以使用有机溶剂再分散纳米晶体膜，而在处理之后，纳米晶体 膜不能被容易地再分散。如以下所记录的，配体交换、非溶剂处理以及在诸如高达大约150°C (通常地) 和可能地在高达450°C的温度下的热处理的组合移除至少部分QD的配体，并且使得QD 能够被熔融，提供具有大大增加的电传导率的机械上坚固的膜。使用直接从氯仿溶液旋铸到交叉梳状电极阵列上的单层PbS QD纳米晶体来制成 示例性的光电导光致电压检测器。在图7A中示出了器件结构，并且该器件结构类似于 图4B的基本器件。由玻璃衬底支撑平行金电极，并且该电极具有分别为lOOnm、3_、 5ym的高度、宽度和间隔。通过氯仿QD溶液的浓度和旋铸参数来控制QD层的厚度。 在由发明人所进行的研究中，厚度在IOOnm到500nm的范围内。对QD表面的处理是光检测器性能的重要决定因素。由于2nm长的油酸盐配体 抑制了 QD间的载流子输运，因此如通过有机金属途径所合成的那样，直接用油酸修饰的 QD制成的器件没有显示出任何可测量的电导。后合成配体交换因此用于用短得多的丁胺 配体来取代所合成的油酸盐配体。为此目的，将QD再分散在丁胺中三天的时间。丁胺 是四碳原子链，具有胺头作为附连到QD表面的官能团。针对由QD有效直径的减小导致 的QD吸收的蓝移监测配体交换，其中QD有效直径的减小由交换期间配体移除了 Pb原 子导致。可以比较配体交换之前(油酸盐修饰的)的QD纳米晶体、配体交换之后(丁胺 修饰)的QD纳米晶体以及在浸入甲醇中2小时以后移除丁胺配体的QD纳米晶体的吸收 率谱。跨越这些处理的渐进式蓝移与交换之后的表面修改和部分表面氧化(也由XPS和 FTIR证实)一致。配体交换之前和配体交换之后的纳米晶体的TEM显微图表明粒子间 的距离的减小归因于用丁胺配体取代了油酸盐配体。可以获得纯溶剂正丁胺、纯溶剂氯仿和分散在氯仿中的正丁胺交换QD的FTIR 谱。将N-H伸缩和弯曲振动分别列表位于3200-3600cm 1和1450-1650cm、纯油酸的羧 基伸缩振动列表于1712cm1处。FTIR测量表明最初附连到PbS QD的油酸盐配体已经被 正丁胺取代，其由以下现象表明缺少羧基伸缩振动；交换之后的N-H伸缩振动从3294 和3367cm、Δ = 73cm O针对正丁胺到3610和3683cm 1 (Δ = 73cm O的显著移动；以 及针对正丁胺交换样本的N-H弯曲振动的存在。可以在基本上从QD去除了配体的甲醇清洗之前和之后获得针对具有丁胺配体的 惰性交换配体交换QD的FTIR谱。在甲醇清洗之后，归因于丁胺(1400、1126、989、 837和530cm O的特征较不显著。在甲醇清洗之后，N_H伸缩振动再次较不显著得多。可以取通过X射线光电子谱(XPS)得到的谱来证实贯穿各个处理步骤对PbSQD产生的材料修改。在减去背景之后，结合能量是在285.0eV处的Cl碳氢化合物线 的参考。通过应用高斯-洛伦兹函数来拟合曲线，并且通过对信号下的面积进行积分来 获得原子比。在交换为丁胺配体即刻之后的纳米晶体表明对应于硫化铅的160.7eV处的 S2-峰。没有检测到硫酸铅(PbSO4)信号。在空气中沉淀的纳米晶体在表征PbSO4形成 的167.5eV处显示了 S04_2。该氧化物可以与对纳米晶体间的传导的势垒的角色相关联。 发现该情况下的PbS/PbS04的比率为大约3.4 1。在甲醇浸泡之后的惰性沉淀的QD的 XPS也显示了硫酸铅的形成。该情况中PbS/PbS04&比率是18.6 1。将该薄膜在空 气中在120°C下进行1小时的进一步退火处理显著增加了硫酸盐的量，并且PbS/PbS04的 比率是2.44 1。可以取在惰性条件(称为丁胺的QD)下沉淀的以及在外界空气条件(氧化-然 后-收缩(oxidize-then-neck))中沉淀的配体交换QD的FTIR谱。可比较甲醇清洗两小 时之后的惰性沉淀交换QD层(氧化-然后-收缩)。在1147cm 1附近的广泛特征归因 于PbSO4 (硫酸铅)。谱示出了在惰性条件中沉淀的配体交换QD没有显示该特征，甲醇 清洗引入了一些氧化，在空气环境下沉淀的配体交换QD示出了强氧化的证据。这些结 果与以上的XPS数据一致。测量了具有不同种类QD纳米晶体层(例如，收缩-然后-氧化、氧化-然后-收 缩、丁胺修饰的以及收缩_然后-过氧化)的各种代表性器件的一些性能特性。一般器 件结构一般类似于图7e的结构。器件包括透明玻璃衬底；两个金电极，其具有大约 3 μ m的长度、大约5 μ m的宽度并且以大约5 μ m彼此隔开；以及在电极之间具有可变厚 度的QD纳米晶体。借助于通过玻璃衬底的光激子来研究光电导，其中通过分隔交叉梳状电极的间 隔(即形成QD层的地方)传输激子辐射1000。获得了针对两个不同QD纳米晶体层厚 度的电流-电压特性，特别是针对“薄” IOOnm和“厚” 500nmQD纳米晶体层器件的 I-V特性。光电流和暗电流对所施加的偏压线性响应。厚器件的响应度达到166A/W。 线性I-V特性指示了欧姆电极_纳米晶体接触，并且暗示了在QD纳米晶体之间不是隧道 效应而是强大、直接的传导连接。由于在厚器件中存在较大的吸收率，因此在厚装置中 的光电流显著高于薄装置的光电流。为了确定在检测器面积上入射的光功率并且计算响应度R，来自975nm激光器 的2mm半径光束首先通过一系列已知透射率的光学衰减器，并且由该处通过玻璃衬底而 从背面入射到器件上。在顶表面上，在3mm路径长度上以5μιη分隔不传导红外的交叉 梳状金电极。通过对在器件的无阻碍面积之上的激光的强度轮廓进行积分得到入射在器 件上的光功率。使用Agilent 4155半导体参数分析仪获得电流-电压特性。入射每个器 件的光功率是大约80pW。获得了由不同种类的QD纳米晶体层制成的器件的响应度作为所施加的偏压的函 数。这里，纳米晶体层为大约SOOnm厚。可以清楚地看到“收缩_然后-氧化” QD 器件具有显著高于其它器件的响应度，该“收缩_然后-氧化” QD器件对应于具有在 其外表面上具有缺陷态的熔融QD层的器件。与“收缩-然后-氧化”器件相比，“氧 化-然后-收缩” QD器件具有降低了其响应度的QD结合的区域中的缺陷态，其中在
“氧化-然后-收缩” QD器件中，从QD去除配体并熔融QD，但是其中在配体去除和QD熔融的步骤之间不将QD保持在惰性气氛中，在“收缩_然后-氧化”器件中，在 配体去除和QD熔融的步骤之间将QD维持在惰性氛围中。所有“收缩的”器件具有显 著高于具有丁胺修饰的QD的器件的响应度，其中丁胺配体阻塞了 QD之间容易的电子传 导。—般而言，以A/W测量的QD器件(尤其是“收缩然后氧化” QD器件)的响应 度至少为大约10A/W、100A/W、1000A/W,或者甚至大于10000A/W。响应度在一定
程度上是所施加的偏置电压的函数，其中在较高偏置下响应度较高。在一些实施例中， QD器件(尤其是“收缩然后氧化”器件)提供在0-10V的基本上线性的响应度，其中 跨越0.2到2 μ m宽度或者间隙的距离施加偏置。关于响应度，“收缩的”器件具有显著高于具有丁胺修饰的QD的器件的暗电 流密度。使用在收缩之前暴露到氧气(“氧化_然后-收缩”)的QD制成的器件示出 了场辅助(field-assisted)输运的超线性I-V行为特性。相反，使用氧化之前熔融(“收 缩-然后-氧化”)的QD制成的器件显示线性(不依赖于场的)行为。由于过多的氧 化物形成，因此收缩-然后-氧化装置的进一步氧化(“收缩-然后-过氧化”)导致了 传导性的降低。测量噪声电流作为针对所描述的器件的所测量的暗电流的函数。“收缩-然 后-氧化”器件显示了最低的噪声电流，接近散粒噪声极限的3dB内。“氧化-然 后-收缩”器件具有最高的噪声电流，与倍增噪声一致。与氧化-然后-收缩QD器 件相比，“收缩-然后-过氧化” QD器件显示较低的噪声水平，尽管其包含较大量的 氧化物。这表明了氧化步骤在制作过程中的作用。为了比较，还标绘了最佳性能器件 (收缩_然后-氧化)的Johnson噪声极限、散粒噪声极限和基本背景限制热力(BLIP) (background-limited thermodynamic)噪声电流。获取归一化检测灵敏度D *作为所施加的偏置的函数。以Jones(CmHz1^T1)为 单位测量归一化检测灵敏度D *。以(AAf)1/2R/ln给出D*，其中A是以cm2为单位的 检测器的有效面积，Af是以Hz为单位的电带宽，并且R是在与以A为单位的噪声电流 in相同的条件下测量的、以AW—1为单位的响应度。指标D *的材料指数允许在不同功率 和几何的器件间的比较。指标、噪声等效功率(NEP)(检测器可以从噪声区分的最小入 射光功率)的器件数字通过NEP= (A Af) "2D*而与D *有关。归一化检测灵敏度D *对 于“收缩_然后-氧化”器件是最高的，而对于“氧化_然后-收缩”器件是最低的。 换句话说，允许将QD在配体去除之后和收缩或熔融之前暴露给氧气显著影响完成器件的 归一化检测灵敏度。在所示出的示例器件中，“收缩_然后-氧化”器件的归一化检测 灵敏度比“氧化_然后-收缩”器件的归一化检测灵敏度高多于一个量级。得到30Hz 的调制频率处的最高的检测灵敏度，并且在975nm激子波长下达到1.3 X IO13 Jones。在 实施例中，检测灵敏度可以达到1.3X IO14 Jones。针对“收缩-然后-氧化”器件在所施加的40V偏压和IOHz的电频率下获得 响应度和归一化检测灵敏度D *的谱。在激子峰值波长下测量D *为1.8X IO13 Jones。检 测器的3-dB带宽为大约18Hz，与器件中最长的激发态载流子寿命一致。在大约每秒30 帧的成像速率下保持高灵敏度(D*> IO13J0nes)。获得了在“收缩_然后-氧化”的QD层的激励之后的光电流瞬时响应，其中激励是在15Hz的频率下以1064nm为中心的7ns脉冲。这允许器件中的渡越时间和载流 子寿命分布的研究。归因于由氧化引入的最长寿命的陷阱态效总，发现检测器对光脉冲 的响应持续超过数十毫秒。响应显示出从微秒(尽管可以存在更短的分量，但是在该测 量中它们是不可观察的)到若干毫秒延伸的多个寿命分量。发现了在大约20μ8、大约 200 μ S、大约2ms、大约7ms和大约70ms处的衰减分量。针对大约100V的偏压获得了 大约500ns的渡越时间，揭示了渡越时间以对应于大约OJcm2V-1S-1的迁移率的斜率线性 依赖于偏压。载流子寿命的最长分量对渡越时间的比率因此是大约10000级的。给定 975nm的光波长处0.3的薄膜吸收率，因此可以通过光电导光致电压增益来说明该示例中 所观察的大约2700A/W的响应度。在与超灵敏检测有关的低水平光功率条件下观察该高 响应度。一般而言，在一些实施例中，随着照明强度的增加，最长寿命陷阱态变得被填 充并且寿命较短，因此较低增益陷阱态开始说明载流子寿命的显著分量。这些实施例的 器件因此在低辐射1000条件下是高度灵敏的，并且在增加的照明强度下显示固有动态范 围增强增益压缩。为了确定光电流谱响应，将50V的偏压施加到与100欧姆的负载电阻串联的样本 上。通过由Triax 320单色仪分散并且在大约100 Hz的频率下机械斩波的白光源提供照 明。使用滤波器以阻止单色仪光栅的泛频照亮样本。使用Stanford Research System SR 830锁相放大器测量负载电阻上的电压。使用校准的Ge光检测器来分别测量在每个波长 下通过单色仪的强度。相继相应地缩放每个波长下的光电流。以此方式确定光电流谱的 形状之后，使用975nm下的绝对响应度来获得绝对谱响应800nm-1600nm。为了噪声电流的测量以及NEP和的计算，将光电导光致电压器件置于电屏蔽 和光密封的探针台里面并且与Stanford Research System SR830锁相放大器串联。碱性电 池用于向用于偏置器件用于噪声电流的测量，以便使得来自源的噪声分量最小化。锁相 放大器测量光检测器中的电流并且报告以A/Hz"2为单位的噪声电流。特别注意选择合 适的通频带，以便获得各个频率下稳定并且有意义的噪声电流的测量。该测量揭示了归 因于Ι/f噪声的5Hz以下的噪声电流的显著增加，而在50Hz以上观察到白噪声模式。用 噪声电流除以在所施加的偏压和频率调制的相同测量条件下的响应度产生了噪声等效功 率(NEP)。通过用器件的光有效面积的平方根除以NEP来获得归一化检测灵敏度D *作 为波长、所施加的偏压和频率的函数。为了验证使用该技术得到的NEP值，使用具有已知的NEP的商业Si检测器执行 相同的步骤。以上所描述的系统记录相同量级但是通常稍微大于指定的NEP的值。这 里所使用的NEP和D *确定步骤序因此提供这些指标数字的保守估计。在5Hz光调制和0.25nW入射光功率下，针对30、50和100V的偏压获得响应度 和归一化检测灵敏度的谱相关性。响应度显示出与纳米晶体固态薄膜的激子吸收峰值 对应的1200nm附近的局部最大值。响应度随着电压增加(但是不如噪声电流增加迅速， 导致在较低偏压处D *较高)并且在800nm处达到180A/W。对于30和50V的施加的偏 压，D *是ZXlO11J0nes并且大于商业多晶PbS检测器的响应度的两倍，该商业多晶PbS 检测器得益于50年的科学和技术发展。尽管在100V下的响应度较高，但是所测量的噪 声电流的偏压依赖性导致D *在30V的较低偏压下最大化。在实施例中，处理步骤可以 产生更大量级的检测灵敏度，诸如IO13 Jones，或者甚至1014JOneS。
针对在入射光功率的975nm和0.25nW处的三个所施加的偏压值获取响应度和归 一化检测灵敏度的频率依赖性。器件响应度的3dB带宽对于100V和50V是15Hz，而对 于30V是12Hz。用来自975nm激光器并且入射光功率为0.2nW的光激励进行测量。还 针对全频率范围的三个不同的偏压测量噪声电流。噪声电流在20Hz以下的频率下显著较 高，而在较高频率下观察到频率独立白噪声。噪声等效曝光或者NEE是表示由检测器可 检测的辐射1000的最低量的另一方式。将NEE定义为可以在检测器处产生信号的光能 量的焦耳数，该信号在幅值上等价于检测器上的噪声，并且计算为检测器上的RMS噪声 除以检测器的响应度。与传统SiCCD检测器以及传统Si CMOS检测器的NEE相比，图 6c示出了具有在其外表面上具有缺陷态(例如氧化)的熔融QD层的QD器件的ΝΕΕ。 QD器件在400到800nm的波长下具有小于ΚΓ^χ/αη2的ΝΕΕ，并且在400到1400nm的 波长处远小于10_1(lJ/Cm2。传统Si器件的NEE显著高于QD器件的NEE，在一些情况 中，高不止一个量级。再次，在实施例中，处理步骤可产生更高量级的检测灵敏度，诸 如 IO13Jones,或者甚至 1014Jones。从这里所提出的量子点检测器获得的指标数字由处理步骤的组合引起。首先， 经由交换到短得多的有机配体来缩短QD之间的距离提供了增强的QD间的传导。使用 非溶剂的后沉积处理并且在富于氧气的气氛中暴露给所提升的温度实现了进一步的配体 去除、QD熔融以及在QD表面上的本地氧化物的形成。之前已经在多晶PbS器件中示 出氧化物有助于在光电导体中实现高D *。然而，具有200nm域尺寸的化学槽生长多晶 器件不允许在界面之上的精确控制。相反，与基于多晶的器件相比，使用具有高度受控 的配体钝化表面的预制造、高度单分散、单独的单晶体QD来制造光学器件允许在接触面 效应之上的例外控制。这里所描述的量子点光学器件在许多指标数字方面优于传统生长 晶体半导体光学器件。同时，器件的制造非常简单，同时基于量子点的量子尺寸效应维 持光学可定制性。当制造QD时，它们通常包括附着到其外表面的多个相对长的配体。然后，例如，通过用较短的配体取代在QD的制造期间使用的配体来对QD进行 配体交换。该步骤可允许QD在随后的处理步骤中更密集。然后，在适当的衬底上(例如，在电子读出集成电路上)沉积QD。可用各种基 于溶液的方法来完成该步骤，许多该方法与标准CMOS工艺(诸如旋铸)兼容。然后，清洗先驱体层以移除QD上的配体，并且引起在至少一些邻接的QD之间 的收缩(即接触)。然后，对收缩的QD层进行退火，其将收缩的QD熔融在一起。然后，在熔融的QD层中产生缺陷态，例如，通过对层进行氧化。一般而言，当制造预期具有多个像素的器件时，然后可以选择性地形成QD层的 图案(例如，使用光刻)，以将连续层分成多个像素。可以将产生的QD层合并到诸如这里所描述的那些器件中。可以以甲醇浸渍来进行薄膜的活化，然而，这可能与薄膜的破裂相关联。薄膜 的空气烘烤可以在没有破裂的情况下活化薄膜。空气烘烤可用空气环境下操作。可以不 需要特殊气处理，诸如而非限制，氮净化。无水制备的量子点材料200可用空气烘烤活 化，但是不用甲醇。含水量子点材料200(诸如存储在氯仿中的那些)可以不用空气烘烤活化，但是它们可以用甲醇活化。烘烤温度可以诸如在大约90摄氏度到130摄氏度的范 围内改变。烘烤时间可以诸如在60到180分钟的范围内改变。在一实施例中，后薄膜形成处理可以包括甲醇浸渍。甲醇浸渍可发生在大气 中。甲醇浸渍可发生在室温下。在无水环境中用无水干燥活化可能不是最佳的，然而， 在诸如手套箱的环境中进行甲醇浸渍并且然后在室内空气中蒸发甲醇可活化薄膜。甲醇 浸渍可以包括配体移除之后的活化。在甲醇浸渍之后，可将器件带出到空气用于受控暴 露。烤箱操作的机制可不限于该实施例。在一实施例中，首先移除丁胺并且然后氧化薄 膜。可选地，可首先氧化薄膜，并且然后移除丁胺。在一实施例中，可对量子点材料图案化。图案化可包括形成非均质层。图案化 可包括刻出电独立的行和列。图案化可包括实现薄膜的部分的钝化。图案化可实现自组 装的量子点像素1800。图案化可实现自隔离的量子点像素1800。图案化可用在粗缩放 上。图案化可包括图案化衬底。衬底的图案化在一定程度上可有助于布置在衬底上的薄 膜的图案化。图案化可有助于选择偏置电平来获得QDPC 100的所期望的灵敏度。图案化 可提供关于形成多个层的偏差的反馈。可存在多种用于图案化的技术，包括干法刻蚀、 硫化物的氯或氟刻蚀以及掩模。图案化可包括自组装。交联剂可实现图案的自组装，诸 如实时的配体交换。双功能连接器可便于图案的自组装。双功能连接器的一端可附着到 衬底，而另一端附着到量子点1200。可将双功能连接器设计成顺序地将量子点1200连接 到衬底，并且然后将量子点1200连接到量子点1200。现在讨论制造感光层的方法，包括对其进行图案化来形成材料区域的方法。用 于图案的自组装的生长的方法可包括类似于外延生长的方法，但是其中取代了在与量子 点类似的外延中使用的原子或者分子种类。生长可包括导致大的单晶体(诸如单晶体形 成)的成核点或者多晶型生长。生长方法可取决于连接器如何附连到衬底。类似于外延 生长，由于在衬底上沉积了随后的单层，因此以单个单层开始的图案可继续。可存在外 延生长的范围。例如，仅在具有正确种类的晶体的原子的情况下发生生长。可存在三 种用于选择性区域外延的模式。一种模式可以是分子束外延(MBE)。使用MBE，可在 晶体生长上存在好晶体。在晶体上生长的厚度将是没有掩模处所生长的。使用MBE， 用于生长的材料可附于沿着衬底的任何地方。另一模式可以是金属有机化学气相沉积 (MOCVD)。使用MOCVD，生长仅发生在晶体的区域上，但是生长以大的有效宽度进 行。使用MOCVD，在衬底上沉积的先驱体可来回移动、破裂以及随机地粘附。另一模 式可以是化学束外延(CBE)。使用CBE，生长趋向于仅在孔中发生并且可在名义上与在 平面表面上的生长相同。使用CBE，在衬底上沉积的先驱体可弹开(bounce off)，或者如 果在正确的地方，则破裂并且形成晶体。CBE可组合MBE和MOCVD中最好的。有可 能组合量子点1200和释放剂(诸如生物分子)。两者的组合可接近衬底的表面。可以存 在附连到衬底的分子，其可催化地断开生物分子(载体)和量子点1200 (有效载荷)之间 的键。然后可以将量子点1200释放到附连到衬底的点。可通过这里所讨论的任何方法 (诸如通过连接器、自聚集等)来将量子点1200固定到衬底上。对于量子点1200先驱体，生长可以在变化环境中(诸如液体、真空等)通过任 何前述技术而发生。例如，可提供量子点1200，可处理过量，并且可将量子点1200维 持在衬底上的适当位置。可不需要输运破裂过程。可局部活化量子点材料200。活化可使得量子点材料变为粘性或者反应性的。可向量子点材料200注入一些非溶剂。量子 点1200在离心之后可以不可逆地活化。可在可引起量子点1200沉淀到表面的表面处局 部地施加甲醇。目标可以是在衬底的表面上沉积量子点材料200。可将修饰纳米微粒的 配体的系统设计成这样，使得在液相下，在远离衬底处，纳米微粒保持分散。然而，可 将该相同的配体系统设计成这样，使得当纳米微粒接近衬底时，纳米微粒的环境变得不 对称。该不对称可破坏包围量子点1200的配体笼，并且可导致量子点1200聚集到衬底 附近或者衬底上。在一实施例中，可以后处理量子点1200。后处理可包括沉淀和再分散。后处理 可以是无水的。后处理可包括干燥量子点1200、将它们再悬浮在溶剂中、过滤溶液、浓 缩溶液、然后旋转溶液。该方法可以是对通过吹出空气流中的溶剂来简单蒸发溶剂的改 进，该方法可产生量子点1200，但是也可引起可导致小滴的飞溅。氮蒸发中的改进可包 括保持富氮气氛。另一改进可包括当从上放进入时，通过的高速放气口来将具有较少 空气夹带的氮注射到干燥腔中。该改进可导致更稳定的表面，其不会飞溅而形成小滴。 另一改进可以是干燥腔本身，诸如向腔(诸如手套箱)施加真空，维持腔内的两个针之间 的压力差，并且提供具有密封的泵，该泵可与氯仿操作并且能够通过通风橱泵入氮气流 并且泵处蒸气。再分散可以是将沉淀的量子点1200浸入溶剂(诸如丁胺、甲苯等)，以 提供配体交换。非甲苯浸泡可提供较快的再分散。量子点1200可能需要成熟一段时期， 诸如在五天的范围内。在一实施例中，可密封量子点材料200。可将量子点1200的薄膜旋涂到经处理 的晶片上特定的厚度，该晶片在其平面表面上具有电极。晶片的盖表面可以基本上是平 面的。可图案化该薄膜以去除线结合区域和电子区域。常规的线结合的材料包括Al和 AL修饰的ti TiN或者TaN。图案化可包括用可以是或者可以不是密封剂的材料涂覆薄 膜。该材料可以是量子点1200间的机械和/或化学缓冲。然后，可将光刻胶置于其上 (诸如以干刻蚀)，去掉其下的密封剂或者界面层加量子点。然后，可去除或者留下光刻 胶。光刻胶去除的刻蚀速率可与厚度调节基础比较，因此总之可将其去除。该过程可提 供芯片中间的量子点1200的岛。在可保持在适当位置的量子点1200的该岛上可存在材 料。量子点1200的岛可以是再密封的。再密封剂可以是密封材料。再密封剂可接触芯 片并且上行到量子点1200的岛的侧面，以完全密封该岛。可去除接触晶片的外周的再密 封剂。如果有结合焊盘，则可仅在需要的地方开孔。可选地，可处理结合焊盘。在一实施例中，如这里所描述的那样，量子点材料200可以包括量子点1200。 量子点材料200还可以包括硬电介质，诸如而非限制，可使用氮化物和氧化物。例如， 可使用从氮化物到氧化物的其间具有氮氧化物的分级过度。对于薄膜某些参数可以是可 变的，诸如而非限制，压力、等级、初始表面的化学性质、最终表面的化学性质、与结 合焊盘的关系等。在一实施例中，量子点材料200可包括拓扑。可由不可透过氧气的材料(例如， 密封的硅芯片)完全包围量子点材料200。在拓扑中，氧化物后面可有氮化物，或者反之 亦然。在一实施例中，可将氮化物靠近量子点1200设置。只要不超过第一薄膜上的应 力水平，氮化物和氧化物的次序和厚度可以变化。量子点材料200的最终层应该看起来 像经历相同制作的常规处理芯片的最终层以维持兼容的化学性质。例如，拓扑可以氮化物开始，可加入氧化物，然后可完成层。拓扑特性可包括针对底层的化学性质、针对中 间层的应力处理以及针对最终层的化学性质兼容性。在实施例中，在溶液相下处理以有机配体修饰的胶体量子点，以便引入新的有 机配体或者配体的组合。例如，可将胶体量子点引入包含较短硫醇(诸如乙硫醇、丁硫 醇或者己硫醇)和较长硫醇(诸如己硫醇、辛硫醇或者十二硫醇)的混合物的溶液。在 实施例中，所使用的溶剂可以是氯仿。在实施例中，短对长硫醇的比率可以是6 1或 者7 1。在实施例中，可选择短硫醇为己硫醇，而选择较长的硫醇为十二硫醇。在实 施例中，短硫醇与长硫醇的比率可以是3 1。在实施例中，可选择短硫醇为乙硫醇，而 选择较长的硫醇为己硫醇。在实施例中，实现了具有以下特性的光电导薄膜(1)在相关电偏压下小于 100nA/cm2的暗电流密度；(2)在1和20之间的光电导增益，其中好值包括2、3、5、10 和15 ； (3)位于1毫秒和100毫秒之间的瞬时上升时间和下降时间的单一分量，其中1、 2、5、10、30、50、70 和 100 毫秒为好值。在实施例中，光电导薄膜由这样的材料构成，即当针对至少一个载流子类型 (诸如电子)组合该材料以形成薄膜时，该材料具有由基本上纯的化学种类产生的基本上 纯的陷阱态，该陷阱态在光电导薄膜中产生位于1毫秒和100毫秒之间的瞬时上升时间和 下降时间，其中1、2、5、10、30、50、70和100毫秒为好值。在实施例中，光电导薄膜由具有基本上相同的直径的胶体量子点组成，该胶体 量子点主要由半导体(诸如PbS(硫化铅))制成，具有一个或者更多个配体或者链接剂分 子，并且具有基本上位于其表面的基本上单一的杂质亚硫酸铅(PbS03)，在室温处具有 大约25-35毫秒的基本上单一的时间常数。在实施例中，光电导薄膜由半导体(诸如PbS)组成，用基本上仅一种单一类的 杂质种类(诸如亚硫酸铅(PbS03))来修饰该半导体，并且该半导体基本上缺少其它杂 质，诸如Pb-羧酸盐、硫酸铅(PbS04)、氧化铅(PbO)。在实施例中，第一薄膜紧邻电接触并且用来进行欧姆接触或者低势垒电压非欧 姆接触，并且其后有在该第一薄膜之上、用作光电导层的第二薄膜。在实施例中，第一薄膜紧邻电接触并且用来阻挡一种载流子类型(诸如电子)流 出，而允许其它载流子类型(诸如空穴)流出，并且其后有在该第一薄膜之上、用作光电 导层的第二薄膜。在实施例中，在电接触阵列之上横向形成光电导光电晶体管。具有较大带隙并 且作为更强地P掺杂的第一薄膜紧邻接触。该薄膜不可在接触之间连续地延伸，而是可 以简单地覆盖每个接触并且不跨越之间的间隔。第二薄膜位于第一(可能不连续)薄膜 之上，其具有较小带隙并且作为η型或者接近本征或者更适度的ρ型。实施例包括光电导光检测器阵列，其中阵列的某些空间区域对波长的某些带具 有提高的灵敏度，而对波长的其它带具有低得多的灵敏度。例如，与红光、绿光、紫 外线和红外线相比，某些空间区域可对蓝光具有提高的灵敏度。实施例包括阵列，其中 通过组合光电导材料和波长选择光学吸收(wavelength-selective-optically-absorbing)材料 (诸如那些用于形成滤色器阵列的材料)来实现所述的颜色灵敏度。实施例包括像素，其中两个分量(一个是光电导材料，另一个是波长选择光吸收材料)在处理过程中基本上相隔离(phase-segregate)，导致像素的顶部主要由波长选择 光学吸收材料构成，而像素的底部主要由光电导材料构成。现在讨论制造感光层并且将它们集成在衬底上的方法。在一实施例中，可使用 熔潭铸在光检测器结构1400上沉积量子点材料1200。熔潭铸可包括将所测量量的量子点 材料200沉积到衬底上并且允许溶液蒸发。所产生的薄膜可裂开或者可以不裂开。熔潭 铸可实现在非平面表面上的每平面平方厘米沉积一定数量的量子点1200。熔潭铸可实现 在光检测器结构1400之上的共形涂覆(conformal coating)，而不用旋涂。熔潭铸可以类似 于电沉积或者金属有机化学气相沉积(MOCVD)，在其中熔潭铸可导致浓度分级或者浓 度随着时间的变化，而不只是图案。熔潭铸可用可经过相变的材料进行。熔潭铸的目标 可以是以种类来适当地设置量子点1200间的间隔，可以以薄膜形式适当地管理该种类。 熔潭铸的目标可以是以可操作的配置和/或用户定义的方式适当地分布量子点1200。熔 潭铸的目标可以是获得具有所期望的暗传导率、所期望的光电导光致电压增益、所期望 的噪声电流等的空间均勻的薄膜。熔潭铸的目标可以是设置具有沉积物的阶段用于之后 的操作。在一实施例中，用于熔潭铸的量子点材料200可包括在溶剂中的量子点1200或 溶剂。溶剂可以具有不同的挥发度。例如，溶剂可以是高挥发性溶剂(诸如正己烷)和 低挥发性溶剂(诸如辛烷)的组合。溶剂可以是“较少”溶剂，诸如2丙醇。溶剂可 以是“好”溶剂，诸如甲苯或者氯仿。量子点材料200还可以包括配体。配体可用于 钝化量子点1200，诸如丁胺、苯硫酚、苯二硫醇、辛胺、吡啶。量子点材料200还可以 包括非溶剂。非溶剂(诸如甲醇、乙酸乙酯、乙腈、丙醇和异丙醇)可引起沉淀和薄膜 形成。量子点材料200还可以包括交联剂，诸如乙腈(MeCN)、乙硫醇(ET)、乙二硫醇 (EDT)或者苯二硫醇(BDT)。可能在熔潭铸薄膜形成中重要的参数可以是气相中的材 料、温度、压力和时间的引入。熔潭铸可使得能够获得具有高迁移率的致密薄膜。熔潭 铸可以使得能够获得光滑、均勻、未裂开的薄膜。如这里所描述的，在薄膜形成过程中 的配体交换可以是可能的。配体交换可与薄膜形成基本上同时进行，以获得高密度、均 勻的薄膜。也如这里所述的，在薄膜形成过程中的配体交换也可以通过溶液的生长和喷 墨打印应用于薄膜形成。例如，在从溶液的生长中，可将晶片样本浸没在量子点溶液400 中，并且溶液中的量子点1200可响应于对已经沉积的量子点1200的亲和力或者响应于通 过交联剂(诸如配体交换)或者非溶剂的化学操作而在晶片上自我沉积或者聚集。温度 可以是将材料沉积到衬底上的因素。也可将交联剂或者非溶剂引入量子点溶液400或者 沉积为晶片或者衬底上的层。有可能具有稳定的胶体溶液并且具有伴随配体交换/交联 剂发生的沉积过程。在任何情形中，由于易挥发溶剂从熔潭蒸发，从而在衬底上沉积了 高度浓缩的量子点1200。熔潭铸中的因素可以是熔潭限制。在形成QD先驱体层之后，可将QD熔融来产生具有增强的光学和电学特性的 QD薄膜，并且其适合于在完成的电子或光电其间中使用。在一个实施例中，通过在高至大约450°C或者在大约150°C和450°C之间的温度 退火密封层来熔融QD先驱体层中的QD的至少部分。在其它实施例中，在较低温度处理 层，例如在大约室温到高至大约150°C、或者高至大约100°C、或者高至大约80°C。在一 些实施例中，基本上不在外界(室内)温度以上处理QD先驱体层。如上所述，熔融步骤使得相邻的QD的核直接的物理和电接触。也有可能“过熔融” QD，在该情况中，QD 可能失去它们的个体特性并且表现得更像体(bulk)半导体材料。期望通过针对退火所选 择的参数来避免这种过熔融或者通过检测来避免这种过熔融条件。通常将在真空中或者 在其它方式的无水环境下执行退火步骤，以避免将QD的核熔融之前在QD的外表面上形 成缺陷态(例如，氧化)。以此方式，在QD结合在一起的区域中将基本没有缺陷态，但 是这些区域将具有基本上均质的成分和晶体结构。在其它实施例中，可在调节氧气分压 的富氧环境或者氧气环境中执行熔融步骤。通常在熔融步骤之前或者与熔融步骤同时也去除QD先驱体层中的配体。例如， 如果QD先驱体层中的配体是易挥发的，则由于该配体易于受热挥发，因此可容易地移除 它们。或者，例如，如果QD先驱体层中的配体不是易挥发的，则可通过将层浸入溶剂 中来从QD先驱体层去除该配体，该溶剂溶解并且因此从QD分离配体，但是一般不破坏 QD层中的QD排列。一般而言，优选地，去除配体不显著改变QD层的体积(例如，小 于大约30% )，大的体积改变可裂开或者以其它方式损坏完成的QD薄膜。在许多实施例，尤其是适合于光学应用的实施例中，在熔融的QD的外表面上产 生缺陷态。“缺陷态”意味着QD的基本上均质的晶体结构的其它方式的破坏，例如， 在晶体点阵中的位错或者杂质原子的出现。在许多情况中，该缺陷态将存在于QD的外 表面上。通过例如在熔融和配体去除之后氧化QD能够产生缺陷态。在操作期间，如果 在QD薄膜内产生了电子空穴对，一个或更多空穴可能被缺陷态俘获，这将妨碍空穴与电 子快速再结合，其因此将允许电子以长得多的时间流过薄膜。除此之外，这能够积极地 影响光电导光致电压增益。一般而言，能够涂覆或者以其它方式处理熔融的QD的外表面，因此该外表面具 有与熔融的QD的核不同的成分。例如，外表面能够包括半导体或者绝缘壳。在实施例中，在溶液相下处理有机配体修饰的胶体量子点，以便引入新的有机 配体或者配体的组合。例如，可将胶体量子点引入包含较短硫醇(诸如乙硫醇、丁硫醇 或者己硫醇)和较长硫醇(诸如己硫醇、辛硫醇或者十二硫醇)的混合物的溶液中。在 实施例中，所使用的溶剂可以是氯仿。在实施例中，短硫醇对长硫醇的比率可以是6 1 或者7 1。在实施例中，短硫醇可选择为己硫醇，而较长硫醇可选择为十二硫醇。在 实施例中，短硫醇对长硫醇的比率可以是3 1。在实施例中，短硫醇可选择为乙硫醇， 而较长硫醇可选择为己硫醇。在实施例中，实现了具有以下特性的光电导薄膜(1)在相关电偏置下小于 100nA/cm2的暗电流密度；(2)在1和20之间的光电导增益，其中好值包括2、3、5、10 和15 ； (3)位于1毫秒和10毫秒之间的瞬时上升时间和下降时间的单一分量，其中1、 2、5、10、30、50、70 和 100 毫秒为好值。在实施例中，光电导薄膜由以下材料构成，即当组合材料以形成针对至少一种 载流子类型(诸如电子)的薄膜时，该材料具有由基本上纯化学种类得到的基本上纯陷 阱态，该陷阱态在光电导薄膜中产生位于1毫秒和10毫秒之间的瞬时上升时间和下降时 间，其中1、2、5、10、30、50、70和100毫秒为好值。在实施例中，光电导薄膜由具有基本上相同的直径的胶体量子点组成，该胶体 量子点主要由半导体(诸如PbS(硫化铅))制成，具有一个或者更多个配体或者链接剂分子，并且具有基本上位于其表面的基本上单一的杂质亚硫酸铅(PbS03)，在室温处具有 大约25-35毫秒的基本上单一的时间常数。在实施例中，光电导薄膜由半导体(诸如PbS)组成，用基本上仅一种单一类的 杂质种类(诸如亚硫酸铅(PbS03))来修饰该半导体，并且该半导体基本上缺少其它杂 质，诸如Pb-羧酸盐、硫酸铅(PbS04)、氧化铅(PbO)。在实施例中，第一薄膜紧邻电接触并且用来制作欧姆接触或者低势垒电压的非 欧姆接触，并且其后有在该第一薄膜之上、用作光电导层的第二薄膜。在实施例中，第一薄膜紧邻电接触并且用来阻挡一种载流子类型(诸如电子)流 出，而允许其它载流子类型(诸如空穴)流出，并且其后有在该第一薄膜之上、用作光电 导层的第二薄膜。在实施例中，在电接触阵列之上横向形成光电导光电晶体管。具有较大带隙并 且作为更强地P掺杂的第一薄膜紧邻接触。该薄膜可以不在接触之间连续地延伸，而是 可以简单地覆盖每个接触并且不跨越之间的间隔。第二薄膜位于第一(可能不连续)薄 膜之上，其具有较小带隙并且作为η型或者接近本征或者更适度的ρ型。实施例包括光电导光检测器阵列，其中阵列的某些空间区域对波长的某些带具 有提高的灵敏度，而对波长的其它带具有低得多的灵敏度。例如，与红光、绿光、紫 外线和红外线相比，某些空间区域可对蓝光具有提高的灵敏度。实施例包括阵列，其中 通过组合光电导材料和波长选择光学吸收(wavelength-selective-optically-absorbing)材料 (诸如那些用于形成滤色器阵列的材料)来实现所述的颜色灵敏度。实施例包括像素，其中两个分量(一个是光电导材料，另一个是波长选择光吸 收材料)在处理过程中基本上相隔离(phase-segregate)，导致像素的顶部主要由波长选择 光学吸收材料构成，而像素的底部主要由光电导材料构成。实施例包括基于使用胶体量子点制成的薄膜的灵敏、低暗电流光检测器。实 施例包括像素，其成分给了它们所期望的光电导光检测器特性，包括高灵敏度和高信噪 比，其中灵敏度意味着检测低光的能力。像素的其它所期望的特性包括速度或者低滞 后，这允许捕捉照片或者视频而没有重影效应。所描述的像素也是非常敏感的。响应度 与灵敏度有关，但是不是同一事物。如这里所使用的，响应度意味着对于给定量的光信 号相对大量的电信号。所描述的像素还实现了低背景水平。以完成的或者部分完成的电 子集成电路来容易地集成所描述的像素，该集成电路实现信号的低噪声读出，并且将所 产生的电子信号传递到集成电路的其它部分(诸如放大器、模数转换器、数字逻辑处理 和存储器)，其中该信号以已知方式与在指定积分周期接收的积分光子通量有关。包括这里所描述的像素的光电导光检测器的实施例在弱照度处保持了高水平的 信噪比。包括这里所描述的像素的光电导光检测器的实施例还将当器件在暗中时在这些 器件中流过的电流的量(暗电流)降低了许多量级，由此显著地改进对于给定照明水平的 信号背景比。包括这里所描述的像素的光电导光检测器的实施例还保证器件显示足够快的对 光的响应以及从光的恢复，以允许具有短暂曝光(毫秒到秒)的无模糊成像和令人满意的 视频的捕捉(例如，60fps、30fps、15fps)。
包括这里所描述的材料成分和制造方法的实施例可适用于之前所描述的结构。 一般而言，器件结构包括实现与光电导材料欧姆接触的电极。这形成简单电路，例如在 固定电压下操作的可变电阻器。在该示例中，在存在光的情况下存在通过可变电阻器的 电流。材料的传导率最终确定阻抗，并且该传导率与迁移率和载流子密度成比例。载流 子流的迁移率或容易程度以及载流子密度描述可用的载流子数量。这两个数字非零的意 味着即使在黑暗中也存在一定密度的电荷载流子(电子、空穴或者二者)将流动并且生成 背景。当照明时，存在传导率的增加，假定将基本上不改变载流子流动的倾向，但是载 流子的数量将不同并且将存在“过度载流子密度”。响应于光的改变的电流改变(可归 因于载流子密度的改变)是设法要感测的。现有器件中的该简单光电导的挑战是信号与背景的比率等于传导率的改变除以 传导率，并且消去了这些迁移率数字，产生了常数。这留下了载流子密度与潜在暗载流 子密度的比率的改变。在该结构中不具有充分的信号背景比的事实与在该器件中存在单 一类型的载流子流有关。为了将其克服，实施例使用了基于产生允许进入新的灵敏度机 制的光电晶体管的新的光检测器结构。可以将光电晶体管描绘成包括三个接触的双极结 晶体管，每个该接触到发射极、基极和集电极。与具有电基极不同，光是第三“信号” 的源极。光是被放大的信号，类似于双极结晶体管中的基极信号。更具体地，放大由光 的吸收导致的电信号。实施例包括以作为光电导层的胶体量子点薄膜例示的新的光电晶体管。另外的 实施例包括对接触的各种选择以及制造器件的方法和具有物理器件结构的单元。光电晶体管的实施例利用存在两种类型的载流子的事实，该事实提供了改进该 器件中的信号背景比的机会。例如，实施例包括这样的器件，其中暗电流响应于电子， 并且其中由光通量造成的传导率改变响应于过度空穴。迁移率不像以前那样彼此抵消， 而是存在可以控制的迁移率比。实施例还包括基于胶体量子点的光电导光检测器，其中在黑暗中，一种载流子 类型(例如电子)是主要的。在照明下，甚至是弱照度(例如< 10nW/cm2)，另一种载 流子类型(例如空穴)为电流提供最主要的贡献。实施例还包括光电导光检测器，其是用于光的传感器，其提供基于一种载流子 类型(例如电子)的俘获结合另一种类型(例如空穴)的流动的增益。实施例还包括光电导光检测器，其中空穴是主要的，并且在照明下，电子主导 电流。实施例还包括使用N型胶体量子点制成的光电导光检测器。这与使用η型和ρ 型材料的组合的光电二极管或者光伏器件(photovoltaic)不同。相反地，实施例可以包括P型半导体和低功函数金属(功函数浅于4.5eV，包括 Al、Mg、Ag、Ca、适当处理的 TiN、TaN)。实施例还包括包括薄膜的拓扑，该薄膜包括熔融晶体的网络，该纳米晶体具有 核和外表面，其中至少部分熔融的纳米晶体的核与至少一个相邻的熔融的纳米晶体的核 直接物理接触和电连接，并且其中薄膜在熔融的纳米晶体的核的区域中基本上没有缺陷 态。实施例还包括前述的具有N型半导体的拓扑，其中胶体量子点组成半导体。
实施例还包括前述的具有N型半导体的拓扑，其中胶体量子点组成半导体，其中不存在P型半导体材料。实施例还包括作为具有深于4.5eV的功函数的金属的深功函数接触。示例包括 Au、Pt、Pd、ITO、 Cu、Ni 和适当修改的 TaN 和 TiN。实施例还包括与N型半导体结合的深功函数接触，其中胶体量子点组成该半导 体。深功函数接触被描述为肖特基接触，其中通过这样的金属接触η型半导体，与该金 属的导电带(其传导电子)相比，该金属的功函数更靠近其价带(对于空穴)。之前一般 已经在半导体和金属之间形成了肖特基接触(对比于对胶体量子点薄膜的这种接触)。实施例还包括与上述拓扑进一步结合的与N型半导体结合的深功函数接触。实施例还包括与基于胶体量子点的η型半导体结合的贵金属接触。如下面所描述的，存在各种方法实现如上所叙述的光电晶体管概念。例如，金 属半导体界面的选择提供了控制流动的载流子类型的机会。实施例包括注射或者提取空 穴而不是电子的选择性接触。这提供了进入载流子类型之间的区别的机制。在其它实施例中，界面可以不是纯的简单金属半导体界面。所期望的选择可以 来自中介层以及来自金属选择。中介层可以是半导体或者绝缘体。另外，实施例包括这 样的器件，其中有若干特性通过光电导层控制。这些特性之一是该介质中的空穴迁移率 与电子迁移率的比。另一特性是平衡载流子密度，基本上净掺杂。例如，在半导体中， 可以通过所谓的补偿获得净类型。光电导层的另一个属性是载流子寿命，利用该属性以获得灵敏度并且该属性在 获得低滞后方面也是重要的。如以下进一步描述的，设计光电导层材料和组成该材料的 胶体量子点，以获得光电晶体管的期望的特性。图39是根据实施例的横向像素的功能块 的框图。图40是根据实施例的垂直像素的功能块的框图。现在将参考图39和40描述各个实施例的方面，包括物质的成分和制作方法。尽 管在所声明的发明的范围内可能有广泛种类的特定器件几何，但是各种器件通常包括以 各种组合具有以下所述的一个或者更多个属性的材料。参考图39和40，像素100和200 每个包括包括光电导材料的有源层(分别为104和204)。像素100和200还包括覆盖层 102和202，该覆盖层包括钝化层、密封层、透明电介质、滤光器、其它像素(有源层和 接触)和微透镜。像素100和200还包括注入接触110和210以及取出接触108和208。 像素100和200还包括包括硅CMOS集成电路的衬底层106和206。有源层104和204具 有一种被称为流动载流子的载流子类型(例如空穴)。流动载流子通常具有lE-5Cm2/Vs 或者更高的迁移率，其中具体期望值包括lE_4cm2/Vs、2E_4cm2/Vs和lE_3cm2/Vs。 有源层104和204中的其它载流子类型(例如电子)被称为被俘获载流子。在一实施例中，被俘获载流子具有小于流动载流子类型的迁移率至少10倍的迁 移率，其中具体期望值包括小于流动载流子100倍和小于流动载流子1000倍。被俘获载 流子还具有特定密度的陷阱态，其具有以下特点寿命通常在1微秒到1秒的范围，其中 具体期望值包括1毫秒、6毫秒、10毫秒、30毫秒和50毫秒；并且密度在lE12cm_3到 lE22cm_3 的范围，其中具体期望值包括 lE14cm_3、lE15cm_3、lE16cm_3、lE18cm_3 和lE19cm-3。流动载流子穿过器件而基本上不增加超过散粒噪声和Johnson噪声以及 其作为电阻器操作所特有的产生复合噪声的噪声(诸如倍增噪声)。如果散粒噪声限制器件，那么噪声电子的数量Q_n应该基本上不超过暗电子的数量Q_d的平方根。如果 Johnson噪声限制器件，那么噪声电流i_n应该不显著超过(4kBTAf/R)的平方根，其中 kB是玻尔兹曼常数，T是器件温度，Af是带宽，并且R是器件的阻抗。在没有照明时，载流子的体积密度极其小。如果空穴是流动载流子，那么空穴密度可以是10Λ12αη-3，使得有源层为非常轻微掺杂的ρ型材料。空穴密度仍然可以更 低，诸如10Λ6αη-3，以使得有源层为有效地本征材料。空穴密度仍还可以更低，诸如 10Λ0αη-3或者更低，使得有源层为η型材料。这保证了多数载流子是被俘获载流子而不 是流动载流子。像素100和200分别包括注入接触(110和210)以及取出接触(108和208)。在 偏压条件下，注入接触以比其从有源层将被俘获载流子抽出到接触中更高的效率将流动 载流子注入到有源层中。在偏压条件下，取出接触以比其将被俘获载流子注入到有源层 中高得多的效率从有源层将被俘获载流子取出到接触中。偏压条件包括在注入接触上的相对于取出接触的偏压，如果流动载流子是空 穴，则通常为+0.1V、+IV、+1.8V或者+2.8V。如果流动载流子是电子，则极性相反。像素100和200分别包括光电导材料的有源层(104和204)。在一实施例中，有 源层材料由相互接触的半导体纳米微粒组成，其中可用以下中的一个或者更多个涂覆所 连接的粒子的未接触表面无机材料，诸如氧化物或者硫酸盐；以及有机材料，诸如有 机配体。相互接触的半导体纳米微粒可以由诸如以下的晶体半导体制成PbS、PbSe或 PbTe ； CdS> CdSe 或 CdTe ； Si、Ge 或 C ； In2Se3、In2S3，包括 α 相或者 β 相；InP; 以及Bi2S3。涂覆所连接的纳米微粒的未接触表面的无机材料可包括以下中的一个或者更多 个PbS04、PbO> PbSe04、PbTe04以及其组合;以各种比例的SiOxNy ；以各种比例 的In203;硫、硫酸盐和硫氧化物；碳和碳酸盐(诸如PbC03)；以及金属或者半金属 (诸如过量Pb、Cd、In)。涂覆所连接的纳米微粒的未接触表面的有机材料可包括硫醇，诸如乙硫醇、 乙二硫醇、苯硫醇、苯二硫醇；胺，诸如吡啶、丁胺和辛胺；胼；以及羧酸盐，诸如油酸。垂直于光的入射方向的有源层的尺寸可通常为100到3000nm，其中以使得基本 上吸收所感兴趣的光的波长的方式选择厚度。例如，如果使用PbS相互接触半导体纳米 微粒，并且如果它们的体积填充分数大于10%，那么150到350nm之间的厚度将通常实 现可见光的基本吸收。像素100和200分别包括注入接触(110和210)以及取出接触(108和208)。在 实施例中使用相同的材料制作注入接触和取出接触，或者在其它实施例中使用彼此不同 的材料制作注入接触和取出接触。接触可由导电材料(诸如金属或者退化掺杂的半导体) 或者这种材料的组合组成。如果空穴是流动载流子，则注入接触可由Au、Pt、Pd、Cu、Ni、NiS> TiN、
TaN或者ρ型多晶硅或者ρ型无定形硅组成。如果电子是流动载流子，则注入接触可由Al、Ag、In、Mg、Ca、Li、Cu、Ni、NiS> TiN、TaN或者η型多晶硅或者η型无定形硅组成。可选地，接触可由以下的组合组成金属或者退化掺杂的半导体，或者这种材 料的组合；以及半导体或者甚至绝缘体(例如，具有带隙的材料)。在后面的情况中， 第二种材料(半导体或者绝缘体)通常是与有源层直接物理接触的材料。第一层成分的 示例与以上关于接触所列出的一样。如上面在描述有源层时所描述的那样，第二层(半 导体或者绝缘体)成分的示例包括相互接触的半导体纳米微粒的薄(例如5-50nm)层。 然而，在第二层的情况中，将通常使用较大带隙材料(例如，具有与有源层相同材料成 分的较小纳米微粒，或者具有大于有源层的带隙并且也可能不同尺寸的不同纳米微粒) 来制成该薄层。另外，通常将使用更重掺杂的半导体来制成该薄层。如果在有源层中 空穴是流动载流子，那么通常可使用lE16cm-3或者lE18Cm_3或者甚至lE20cm-3的ρ 型掺杂。薄(例如2-20nm)层可以是诸如以下的无定形材料或者多晶材料PbSnTe ； As2S3 ； As2Se3 ； Si02 ； Si3N4 ；或者 SiOxNY。在不同的实施例中，可通过以下过程制成有源层合成合成一般具有相同大 小的胶体量子点，其中典型大小在I-IOnm的范围内。在合成期间通常可通过使用希莱克 技术来小心地排除氧气和水；或者可选地，可以受控方式在合成的各个阶段引入氧气和 水中之一。纳米微粒清洗可选择地，使用非溶剂(诸如丙酮、异丙醇、甲醇)来引起 量子点沉淀；包括可能在高旋转速率(诸如10,000或者13,OOOrpm)的离心；再分散在新 的溶剂(诸如氯仿、甲苯、己烷、辛烷)中。在合成过程中通常可通过使用希莱克技术 或者手套箱或者其它环境受控室来小心地排除氧气和水；或者可选地，可以受控方式在 合成的各个阶段引入氧气和水之一。溶液相配体交换可选择地，使用非溶剂(诸如丙 酮、异丙醇、甲醇)来引起量子点沉淀；再分散在可混合至少一个种类(例如乙硫醇、乙 二硫醇、苯硫醇、苯二硫醇、己硫醇、诸如包含铋、铟、锑的可溶性盐、诸如Na2S04的 硫酸盐)的新溶剂(诸如乙腈、水、甲醇、氯仿、甲苯、己烷、辛烷、丁胺、辛胺)中； 然后通常可在惰性环境(N2、Ar2)或者已经引入了附加反应物(02、H20、H2S、气相硫 醇)的环境中，将该新分散在室温或者提高的温度(例如60°C或者80°C)留置短暂的时期 (例如1-5分钟)或者更延长的时期(例如许多天)；并且，在该时期之后，可如(2)纳 米微粒清洗中那样选择性地对其进行沉淀和再分散(包括多次)。薄膜铸包含从(1)、 或者⑴继之以(2)、或者⑴继之以(3)、或者⑴继之以⑵继之以(3)得到的胶体 量子点的溶液，然后可用于制造薄固体薄膜或者薄固体薄膜的多个顺序层。方法包括旋 铸，其中将溶液的小滴分配到衬底或集成电路上；可选择地允许延展；并且然后通过放 置该小滴的衬底的旋转来引起小滴延展和干燥，通常使用通常超过几分钟的旋转加速、 恒定旋转速度和旋转减速的次序，并且通常在500到IOOOOrpm的范围，其中1000、3000 和5000rpm为典型值。薄膜处理然后可结合(之前或者之后或者二者)温度的提 高，将 所产生的薄膜(和/或组成最终的多层薄膜的多个层的每层)暴露到某些溶液环境和/或 气相环境中。典型温度包括室温、60°C、80°C、IOO0C> 130°C、150°C、180°C、200°C、 250300350°C和400°C。以下所列出的针对各个步骤、温度步骤和化学处理步骤 的典型时间包括30秒、1分钟、3分钟、5分钟、10分钟、30分钟、1小时、14小时和3 天。典型溶液相处理包括将衬底和薄膜浸没在无水乙腈和无水甲苯或者无水氯仿的溶 液中，该溶液按照体积的0.1%、1%,、2%, 5%, 10%, 20%或者30%包含丁胺、乙硫醇、乙二硫醇、苯硫醇、苯二硫醇、己硫醇、吡啶、胼、Na2S04、铋盐中的一个或者 更多个。使气体(诸如气相硫醇、H2S、02、H20)或者合成气体(以诸如3.5 97.5 或者5 95的比率的H2 Ar或者H2 N2)经过该衬底和薄膜，无论衬底或者薄膜是 否在溶液中(诸如在(5)a中)。现在将讨论制造接触的方法。可使 用多种过程来形成需要形成注入和取出部件 的导电部分的材料。在将CMOS硅部分与这里所描述的光电导覆盖层组合的集成电路的 制造中，可使用预先存在的标准过程在CMOS制作内(例如TSMC、SMIC> UMC)制造 接触。所使用的过程可包括蒸发喷镀、无电沉积或者电沉积。如果之前提供所期望的用 于最终接触的布局的层预存在于衬底上，那么电沉积或者无电沉积可用于基本上重制具 有顶上沉积的附加层的空间图案。现在将讨论形成可选顶半导体层或者绝缘层的方法。可使用多种工艺来形成需 要形成注入和取出部件的半导体或者绝缘部分的材料，该部件的目的是进一步增强有利 于流动载流子并且不利于被俘获载流子的选择性。在将CMOS硅部分与这里所描述的光 电导覆盖层结合的集成电路的制造中，可使用预先存在的标准过程在CMOS制作内(例 如TSMC、SMIC、UMC)制造接触。所使用的过程可包括蒸发喷镀、无电沉积或者电沉 积。如果之前提供所期望的用于最终接触的布局的层预存在于衬底上，那么电沉积或者 无电沉积可用于基本上重制具有顶上沉积的附加层的空间图案。寻求提供低水平光的灵敏检测的光电导光检测器像素包括像素，该像素包括 注入接触；取出接触；以及包括胶体量子点薄膜的光电导材料，该胶体量子点薄膜与注 入接触和取出接触中的每个接触，以形成光电晶体管，其中在光电导材料中的两种载流 子流类型包括电子流和空穴流，并且其中将光电导体材料成分设计成控制两种类型的载 流子的流动并且影响信噪比。在一实施例中，暗电流响应于电子而流动。在一实施例中，响应于过量空穴的光流与光电导材料的传导率的改变有关。
在一实施例中，在接触和光电导材料之间的金属半导体界面的成分控制两种载 流子类型的哪种是流动载流子。在一实施例中，光电导材料的成分控制电子迁移率对空穴迁移率的比。在一实施例中，光电导材料的成分控制平衡载流子密度。在一实施例中，光电导材料的成分决定载流子寿命，其改进滞后。实施例还包括胶体量子点薄膜光电导光检测器像素，该像素包括衬底层；包 括光电导材料的有源层，其中光电导材料包括两种载流子类型，包括空穴类型载流子和 电子类型载流子，其中一种类型是流动载流子而另一种类型是被俘获载流子；以及紧邻 光电导材料的注入接触，其中在偏压条件下，注入接触以比其将被俘获载流子从有源层 取出到接触中大得多的相对效率来将流动载流子注入到有源层中；取出接触紧邻光电导 材料，其中在偏压条件下，取出接触以比其将被俘获载流子注入到接触中大得多的效率 来将流动载流子从有源层取出到接触中；以及一个或更多个覆盖层。在一实施例中，一个或者更多个覆盖层紧邻取出接触。在一实施例中，一个或者更多个覆盖层紧邻有源层。在一实施例中，流动载流子具有至少lE_5cm2/V的迁移率。
在一实施例中，被俘获载流子具有比流动载流子的迁移率小至少10倍的迁移
率。
在一实施例中，被俘获载流子具有陷阱态的密度，该陷阱态具有在1微秒到1秒 之间的寿命。在一实施例中，被俘获载流子具有陷阱态的密度，该陷阱态具有lE12cm-3到 lE22cm-3范围内的密度。在一实施例中，针对像素的偏压条件包括注入接触上的相对于取出接触的偏 压，当流动载流子是空穴时，该偏压具有从包括+0.1V、+IV、+1.8V和+2.8V的组中选 择的值。如果流动载流子是电子，则极性相反。在一实施例中，针对像素的偏压条件包括注入接触上的相对于取出接触的偏 压，当流动载流子是电子时，该偏压具有从包括-0.1V、-IV、-1.8V和-2.8V的组中选 择的值。在一实施例中，一个或者更多个覆盖层包括以下的一个或者更多个钝化层； 密封层；透明电介质；滤光器；包括其它有源层和其它接触的其它像素；以及微透镜。在一实施例中，有源层的光电导材料包括相互接触的半导体纳米微粒，该半导 体纳米微粒包括未接触表面，并且其中可由从以下的组中选择的一个或者更多个涂料来 涂覆未接触表面包括氧化物或者硫酸盐的无机材料；以及包括有机配体的有机材料。在一实施例中，相互接触半导体纳米微粒包括从以下的组中选择的晶体半导 体PbS、PbSe、PbTe ； CdS > CdSe、CdTe ； Si、Ge、C ；包括 α 相或者 β 相的 In2Se3、In2S3 ； InP ；以及 Bi2S3。在一实施例中，涂覆纳米微粒的未接触表面的无机材料包括从以下的组中选择 的一种或者更多种材料PbS04、PbO> PbSe04、PbTe04以及其组合；以各种比例的 SiOxNy ；以各种比例的In203;硫、硫酸盐和硫氧化物；碳和碳酸盐(诸如PbC03)； 以及金属和包括过量Pb、Cd、In的半金属。在一实施例中，涂覆纳米微粒的未接触表面的有机材料包括从以下组中选择的 一种或者更多种材料硫醇，包括乙硫醇、乙二硫醇、苯硫醇、苯二硫醇；胺，包括吡 啶、丁胺和辛胺；胼；以及羧酸盐，包括油酸。在一实施例中，垂直于光的入射方向的有源层的尺寸包括在IOOnm和3000nm之 间，并且其中以基本上吸收感兴趣的光的波长的方式来选择有源层的厚度。在一实施例中，注入接触和取出接触由相同的材料制成。在一实施例中，注入接触和取出接触由不同的材料制成。在一实施例中，注入接触和取出接触中的至少一个包括导电材料，该导电材料 包括从以下组中选择的一种或者更多种材料金属；退化掺杂的半导体；以及金属和退 化掺杂的半导体的组合。在一实施例中，流动载流子包括空穴，并且其中注入接触包括从以下组中选择 的一种或者更多种材料Au、Pt、Pd、Cu、Ni、NiS> TiN、TaN、ρ型多晶硅以及ρ型
无定形硅。在一实施例中，流动载流子包括电子，并且其中注入接触包括从以下组中选择 的一种或者更多种材料Al、Ag、In、Mg、Ca、Li、Cu、Ni、NiS> TiN、TaN、η 型多晶硅和η型无定形硅。在一实施例中，至少一种接触包括第一层，其包括从以下组中选择的一种或 者更多种材料金属；退化掺杂的半导体；以及金属和退化掺杂的半导体的组合；以 及第二层，其包括从以下组中选择的一种或者更多种材料半导体；以及具有带隙的材 料。在一实施例中，第二层包括相互接触半导体纳米微粒，并且其中当在有源层中 空穴是流动载流子时，使用ρ型掺杂。在一实施例中，第二层具有近似5nm到50nm的厚度。在一实施例中，第二层具有从以下组中选择的ρ型掺杂浓度lE16cm-3; lE18cm-3 ；以及 lE20cm_3。在一实施例中，第二层包括从以下组中选择的无定形材料和多晶材料中的一种 或者更多种PbSnTe ； As2S3 ； As2Se3 ； Si02 ； Si3N4 ；以及 SiOxNY。实施例还包括制造光电导光检测器的方法，该光电导光检测器实现低水平光的 灵敏检测，该方法包括形成活性光电导层，包括合成具有Inm到IOnm范围内的尺寸的 胶体量子点；从包含胶体量子点的溶液制造至少一个薄固体薄膜；处理至少一个薄固体 薄膜，包括暴露到溶液相环境和气相环境中的至少一个；以及温度的提高。实施例还包括形成接触，包括通过从以下组中选择的一种或者更多种工艺来形 成接触的导电层蒸发喷镀；无电沉积；以及电沉积。实施例还包括通过从以下组中选择的一种或者更多种工艺来形成接触的半导体 层蒸发喷镀；无电沉积；以及电沉积。实施例还包括纳米微粒清洗，其使用非溶剂来引起量子点沉淀；离心量子 点，包括以高旋转速率离心；以及将量子点再分散在新溶剂中。在一实施例中，高速选择包括IOOOOrpm到13000rpm范围内的速率。实施例还包括溶液相配体交换，包括使用非溶剂来引起量子点沉淀；将量子 点再分散在包含至少一个种类的新溶剂中；以及将新分散留置一段时期。在一实施例中，该时期包括1分钟到5分钟的短暂时期，以及许多天的更长的时 期，并且其中在包括室温和提高的温度(包括60°C和80°C)的温度下留置新分散。实施例还包括将新分散留置在以下环境中，包括惰性环境以及已经引入了附 加反应物的环境；以及沉淀并且再分散胶体量子点。在一实施例中，制造至少一个薄固体薄膜还包括从以下组中选择的一种或者更 多种方法旋铸，其中将溶液的小滴分配到包括衬底和集成电路之一的表面上；以及通 过表面的旋转来引起小滴延展和干燥。在一实施例中，表面的旋转包括超过几分钟的旋转加速、恒定旋转速度和旋转 减速的次序，其中旋转速率在500rpm到IOOOOrpm的范围内。在一实施例中，在处理至少一个薄固体薄膜过程中的温度提高包括从以下组 中选择的一个或者更多个温度室温、60°C、80°C、100°C、130°C、150°C、180°C、 200°C、250°C、300°C、350°C和 400°C。
在一实施例中，以从以下组中选择的时期提高文图30秒、1分钟、3分钟、5 分钟、10分钟、30分钟、1小时、14小时和3天。
在一实施例中，暴露到溶液相环境包括浸没在无水乙腈以及无水甲苯和无水氯 仿之一的溶液中，该溶液包含0.1%、1%, 2%, 5%, 10%, 20%或者30%体积的从以 下组选择的一种或更多种化学物质丁胺、乙硫醇、乙二硫醇、苯硫醇、苯二硫醇、己 硫醇、吡啶、胼、Na2S04和铋盐。在一实施例中，暴露到气相环境包括使气体经过薄固体薄膜，其中气体包括 气相硫醇、H2S、02、H20中的一种或者更多种；以及合成气体，包括(包括3.5 97.5 或者5 95的比率的)H2 Ar或者H2 N2。在一实施例中，在将薄膜浸没在无水乙腈以及无水甲苯和无水氯仿之一的溶液 中时暴露到气相环境，该溶液包含0.1%、1%, 2%, 5%, 10%, 20%或30%体积的从 以下组中选择的一种或者更多种化学物质丁胺、乙硫醇、乙二硫醇、苯硫醇、苯二硫 醇、己硫醇、吡啶、胼、Na2S04和铋盐。现在讨论与视频帧速率兼容并且具有光电导增益的光检测器。这里所描述的实 施例包括光电导光检测器，其中已经使基本上单一的化学种类与基本上单一的能量深度 相关，并且因此在给定温度下与基本上单一的陷阱态寿命相关，并且因此与入射光瞬时 期间的光电流的上升和下降相关的基本上单一的时间分量相关。实施例包括光电导光检 测器，其中单一的化学种类是PbS03(亚硫酸铅)；单一的能量深度是近似O.leV;在室 温下，基本上单一的陷阱态寿命是大约30毫秒；与光电流的上升和下降相关的基本上单 一的时间分量是大约30毫秒。在实施例中，以下将基本上不包括在光电导介质中硫酸 铅PbS04，其具有0.3eV或者更高的深度，并且具有秒量级的瞬时分量；羧酸铅，具有 0.2eV或更高的深度，并具有半秒或更高量级的瞬时分量。还应注意，如果其它化学种类没有将其与陷阱态相关联，则可存在其它化学种 类。例如，PbS可用作用于光电导半导体介质的基础；并且都可包括诸如以下的有机配 体乙硫醇、乙二硫醇、丁硫醇、丁二硫醇、己硫醇、己二硫醇、十二硫醇以及十二二 硫醇，以及它们与Pb的复合物。图41-51图解包括经由表面陷阱态的选择性引入来控制光电导光检测器的时间 响应的实施例。最近已经示出光电导光检测器显示高增益(> 1000)和突出的灵敏度(D*> IO13Jones)。利用光电导增益的一个表面缺陷是时间响应受载流子从陷阱态释放的限制。 实施例包括在胶体量子点表面上引入特定化学种类，其仅引入具有预定寿命的单一的、 期望的陷阱态。实施例包括器件，该器件显示出有吸引力的、结合有助于成像的响应时 间(大约25毫秒)光电导增益(> 10)。将其实现的方法包括提供基本上单一的表面种 类(亚硫酸铅)，同时排除硫酸铅和羧酸铅的存在。实施例因此包括保持了这些器件的突 出灵敏度的光检测器，这些器件实现可见光中的IO12J0nes的具体检测灵敏度，同时产生 适合于成像应用的时间响应。时间响应在光检测中是重要的。 如果光检测器对光学瞬间的响应超过帧周期， 则可能在图像中感知到滞后或者重像。传统成像应用通常要求帧速率在每秒10、15、30 或者60帧的范围。因此需要具有几十毫秒范围内的时间常数的时间响应。对于实现创新的成像系统的新材料和新处理方法存在高度的兴趣。溶液处理光 电材料提供低成本的大面积4 ；物理灵活性的好处；与顶表面光检测器技术5相关联的100%填充因子；感测波长的能力，诸如在短波长IR6中的、不可由传统电子材料(诸如 硅)取得的那些。胶体量子点光检测器的某些实施例已经显示了极好的灵敏度(D*> 1E13 Jones) 但较慢的响应(几百毫秒瞬时)；或者快速响应(MHz以及以上)但较低的灵敏度(D* < IO10Jones)8。现在描述的实施例包括对材料成分的精心控制，其导致光电导光检测器的时间 响应的设计同时实现突出的灵敏度和可接受的时间响应。由τ。/、给出光电导增益，其中τ 4是流动载流子通过器件的延伸距离的时间， 而是τ。载流子寿命。单独从灵敏度的来看，这支持了较长的陷阱态寿命。然而，瞬时 响应直接由载流子寿命确定。实际光电导光检测器设计的挑战因此是在增益和瞬时响应 之间建立适当的平衡，并且精心控制材料成分来实现所产生的设计。已经研究了与具有百A/W量级的增益的PbS胶体量子点光检测器中的陷阱态相 关联的能量水平。在情况中，能量水平的三个感光中心位于距离导电带近似0.1、0.2和 0.34eV，导致大约60ms、300ms和2000ms的载流子寿命(图41)。尽管30ms的最短 寿命适合于许多成像应用，但是较长的寿命由于其较低的能量而在较低的光强度处占主 导，因此引入了不可接受的滞后。在实施例中，通过旋涂所合成的纳米晶体来制造光电导器件，其第一激子峰值 在790nm处，在预先图案化的交叉梳状金电极上由油酸修饰。这里所报告的器件的厚度 固定保持在大约250nm。器件的有效面积由电极的5 μ m间隔并且乘以其3mm长度确 定。对于照明，除非另外声明，否则在642nm处使用具有3.1yW/cm2的光强度的红色 LED。施加到这里所研究的器件的偏压是10V，对应于2V/ym的电场。在真空条件下 用装在低温保持器中的器件执行光电导测量，以便消除氧气和水分化学吸收效应。丁胺(BA)处理的纳米晶体的XPS分析揭示硫酸铅(PbS04)、亚硫酸铅(PbS03) 以及羧酸铅的存在，其归因于附着到纳米微粒的表面的油酸配体。S2p信号的XPS分析 产生了归因于PbS03的165.5eV处的峰以及由PbS04产生的峰167.8eV(图42b)，然而 Pb4f信号分析揭示了 138.5eV处的归因于PbS04和PbS03的氧化态和归因于Pb_羧酸 盐的在139.1eV处发现的Pb的高度氧化态(图42a)。为了验证该最后的发现，我们对 Pb-油酸盐(与用于PbS纳米晶体合成的相同)进行了 XPS，揭示了 139.1eV处的Pb的 单峰(见针对XPS结果的详细分析的补充材料)。然后将羧酸铅峰(归因于油酸"Pb键)与具有特定时间响应的相应感光陷阱态 关联。我们用乙腈中体积比30%的蚁酸的溶液来处理纳米晶体薄膜，以用较短的配体来 交换长油酸配体。在这样做时，我们减小了纳米微粒间的间隔，同时保持羧酸盐部分结 合到纳米晶体表面上的Pb原子。以此方式，我们将绝缘器件转换成了光电导检测器。 光电流响应的时间测量揭示了大约400ms的主时间常数(图41)以及还有具有大约33ms 的时间常数的较快分量。XPS将氧化分量揭示为如图42a所示出的Pb-羧酸盐组的特征 的139.1eV处的Pb4f信号，以及如由S2p信号(图42b)所验证的PbSO3的存在引起的 138.5eV处的信号。该证据表明Pb-羧酸盐或者PbSO3用作具有(不期望长有效的)大 约420ms时间常数的感光种类。因此需要油酸盐配体的完 全取出，以便将400ms时间常数指定给特定氧化物种类。我们寻找足够短以促进输运并且缺少羧酸盐功能的配体。为了实现热力学有利的 羧酸盐终止配体的取代，我们假定我们将需要将比Pb-羧酸盐更有力地结合到Pb的端 基。我们选择乙硫醇，由于其较短的长度的以及预期有力地与Pb结合的半硫醇(thiol moiety)。我们通过浸没在乙腈中40%体积比的乙硫醇中近似5分钟来处理器件。我们 从溶液移除器件，用乙腈清洗，并干燥。根据在大约139.1eV处没 有Pb4f峰(图42a)，我们推断真正从纳米晶体表明完 全移除了油酸盐配体。硫醇处理也从纳米晶体表面取出了多亚硫酸盐和硫酸铅，留下了 PbS03作为单独的氧化种类(图42b)。瞬时光电流测量示出了 ET处理纳米晶体薄膜在 室温处显示具有大约27ms时间常数的单一瞬时分量(图41)。我们发现具有硫酸铅(PbS04)、亚硫酸铅(PbS03)和羧酸铅的PbS纳米晶体薄 膜显示具有时间常数大约2s、300毫秒和大约60ms的光电流衰减。拥有羧酸铅和PbS03 的PbS纳米晶体显示具有时间常数大约420ms和大约33ms的光电流衰减。其上仅存在 亚硫酸铅的硫醇处理纳米晶体显示大约27ms的单一光电流弛豫时间常数。我们通过将硫 醇处理器件在周围环境中老化若干小时确认了在硫酸盐和较长的两秒时间常数之间的关 联。我们发现显现出的慢分量具有若干秒的时间常数，并且使用XPS发现已经发生了硫 酸铅的显著生长(见补充材料)。我们试图更详细地研究与所期望的25毫秒陷阱态相关联的能量水平。图43a示 出了作为温度的函数的光电流。在低温下，其中感光中心不是热淬火并且因此器件被完 全敏化，在针对这种材料类似报告的0.14eV的迁移率热激活之后响应度随着温度增加。 在提高的温度下，光电流猝灭作为感光中心的热去激活的结果而发生。淬火速率随着温 度的斜率(图43a的插图)产生了距离导电带0.16eV的活化能量。这很好地符合之前报 告的丁胺处理PbS纳米晶体光检测器中的最浅中心。我们使用独立的方法，即通过研究 光电流瞬态对温度的依赖性12来确定相同的激活能量。使用该方法，我们确定感光中心 能量在导电带以下0.12eV，合理地符合响应度猝灭结果(图43b)。现在讨论硫醇处理器件的全特性结果，集中于其在需要灵敏度和可接受的时间 响应的组合的成像应用的适用性。在图43a中报告了谱响应度。使用642nm LED在大 约300nW/cm2的强度水平下测量响应度。向器件施加IOV的偏压。我们测量器件中的 噪声电流15并且在图43a中标绘检测灵敏度D *。保持灵敏度而受影响在可见光谱上 获得大于的IO12J0nes的D*。图43b还示出了作为调制频率的函数的器件响应度和检测 灵敏度。根据5Hz以下频率处的响应度的平坦响应，没有长寿命陷阱态是明显的，其中 与大约400ms和大约2s时间常数相关联的感光中心将确定响应度跌落。这里所描述的实施例因此经由纳米晶体表面上的现存材料种类的精心控制来提 供在宏观水平的器件性能的精细调节。我们示出了我们可以将具有在若干秒内发生的光 电流衰减的慢光电导光检测器转换成具有25ms级的光电流时间常数的较快光电导体。我 们通过进一步减小纳米微粒间的间隔来实现该转换而不牺牲光电导增益。该工作也表明 了纳米晶体表面材料的全面研究和控制实现了光电特性的修改，其不仅可以发现这里所 阐明的光电导性方面的应用的进步，而且可以发现光发射或者光致电压方面的应用的进
止
少ο图44a和44b示出了图中所标记的器件的谱响应度和检测灵敏度。
图45是在图中所标记的氧化物种类和光电流时间之间的关联的概括。图46a和图46b示出了图中所标记的各种方式处理的PbS纳米晶体薄膜的XPS分 析。图47是示出图中所标记的Pb-油酸盐实施例的所观察的性能的图示。图48a和48b示出了图中所标记的丁胺处理的纳米晶体的所观察的性能。图49a和49b示出了图中所标记的蚁酸处理的纳米晶体的所观察的性能。图50a和50b示出了图中所标记的乙硫醇处理的纳米晶体的所观察的性能。图51是示出图中所标记的在外界环境中老化的乙硫醇处理的所观察的性能的图示。 现在讨论制造用于成像应用的高性能溶液处理光检测器的可选实施例和方法。 光电导光检测器提供对弱光的巨大灵敏度(已经示出了大于1E12的D* (归一化检测灵敏 度))，然而该灵敏度是在损害暗电流的情况下产生的。相反，光电二极管可以没有偏压地操作，并且因此可以具有基本上为零的暗电 流。实施例包括基于光电二极管的光检测器，该光检测器具有高外部量子效率；低暗电 流(< 0.1nA/cm2) ； 3dB带宽> IkHz (已经良好地适于成像)。实施例包括这样的器件，该器件由以下的堆叠组成(a)深功函数电接触；(b) 胶体量子点固体；(C)浅功函数电接触。两种接触中的至少一种是基本上透明的。实施 例包括这样的在前器件，其中(a)由Au、Pt、Pd、Ni、Cu或者富Au、富Pt、富Pd的 ITO或者深功函数ITO组成；其中(b)由以下部分组成胶体量子点，诸如PbS、CdS> In2S3、In2Se3、Bi2S3、Bi2Se3、CuInGaSe ；有机配体，诸如油酸(或者其它羧酸)、苯 硫醇(或者其它硫醇)或者丁胺(或者其它胺)；双配位基有机配体，诸如丁二硫醇、苯 二硫醇、乙二硫醇、己二硫醇；组成胶体量子点的种类的氧化物、硫酸盐和氢氧化物； (c)由Al、Mg、Ca、或者深功函数ITO组成。实施例包括这样的器件，其中胶体量子 点固体是基本上完全耗尽的。实施例包括这样的器件，其中胶体量子点固体包括基本上 完全耗尽的区域，还有基本上准中性的区域。实施例包括这样的器件，其中外部量子 效率大于40%、或60%、或80%或90%;其中，暗电流密度是近似0.1nA/cm2、或者 0.01nA/cm2、或者lpA/cm2或者0.1pA/cm2 ；其中，在关闭入射照明后，器件在10毫 秒、或者1毫秒、或者0.1毫秒、或者10微秒、或者1微秒或者更短时间内返回到其暗电 流值；其中，在打开入射照明后，器件在10毫秒、或者1毫秒、或者0.1毫秒、或者10 微秒、或者1微秒或者更短时间内上升到其稳态光电流值。实施例包括具有〉60kHz带宽、D*>lel2 emV^W·1以及O.lnA cm2的暗电
流密度的溶液处理光电二极管光检测器。这表示了响应速度的> 3300倍的改进以及关于 最灵敏溶液处理光检测器的暗电流密度的> 11个量级的减小，以及关于最快谱调谐溶液 处理光检测器的灵敏度的100000倍的改进。通过针对增加的灵敏度的固有快速光电二 极管检测器结构的优化来实现该性能。根据光生载流子输运来详细检查并且说明器件操 作。溶液处理半导体已经表明了对于在可见光和红外线中操作的高灵敏光电导光检 测器的制造的巨大潜力。然而，这些器件一般可以对照明的改变缓慢响应。基于光电二 极管结构的溶液处理光检测器提供了宽带宽和高均质的频率响应，但是该光检测器受低灵敏度限制。图52示出了迄今所报告的最快和最灵敏的溶液处理光检测器示例的带宽和灵敏度。胶体 量子点(CQD)的使用提供了关于有机溶液处理半导体的好处跨越可见光 和红外的谱功能性，以及通过量子尺寸效应对吸收带边的直接控制。IR波长处的操作允 许对通过大气、生物和材料吸收窗口传输的光的检测，显著地增加了光检测器的潜在应 用的范围。随着将半导体的吸收带边朝着较长的波长移动，热噪声产生速率增加，限制 了光检测器的灵敏度。通过调节吸收带边以仅包括感兴趣的波长，拒绝较长波长处的热 噪声。使用光电二极管结构实现的附加好处包括零电压或低电压操作、非常低的功率 耗散以及对照明强度和调制频率改变的高线性的信号响应。由于暗电流和光电流密度非 常相似，因此低暗电流允许使用CQD光电二极管直接取代晶体检测器。相反，之前所展 示的光电导检测器具有非常大的暗和光电流密度，需要开发能够从大电流提取高质量信 号的新的信号处理电路。溶液可处理半导体提供低成本、大面积、灵活结构和与广泛的衬底的兼容性， 使得能够直接集成到新兴技术中，诸如集成有机电路、微射流技术和集成光学电路以及 商用微电子。溶液处理半导体已经显示了对于在可见光和IR下操作的高灵敏光检测器 的制造的巨大潜力。然而，这些光电导器件对照明的改变响应非常慢。相反，基于光电 二极管结构的溶液处理光检测器提供宽带宽和高度均质的频率响应，但是受低灵敏度限 制。溶液处理的半导体与由柔性塑料到金属、玻璃和其它半导体的结构兼容性归因 于没有晶体半导体中固有的晶体点阵匹配要求。溶液处理的半导体包括有机材料(诸如 聚合体和小分子)和有机无机混合物(诸如胶体量子点)。检测器的灵敏度描述其分辨非常低强度的光信号的能力。通过噪声等效功率 (NEP = [/R1)来表征该限制，噪声等效功率以瓦特为单位，并且与器件中的总内部噪声 电流(in)除以其响应度(R1)(对光激发的电流响应)成比例。NEP表示需要用于产生等 于检测器的内部噪声的照明量。一般将检测器的灵敏度报告为以cmV^T-1 (Jones)为 单位的归一化检测灵敏度(D^ = ^INEP )，以允许具有不同有效面积(A)和噪声带宽 (Af)的检测器的比较。通常由光检测器的3dB频率(F3dB)(照明调制频率，其中将检测器的响应减小到 其最大值的50% )来表征其带宽。尽管大约20Hz的带宽足以用于最低带宽的光检测器 应用(即视频成像阵列)，但是其对多数光检测器应用仍然太慢。另外，这些慢光检测器 的频率响应的不均勻性使得在检测期间的宽带宽信号失真6’ 7，限制了需要定量信号分析 的应用。快速CQD检测器(F3dB大约50,000Hz)的唯一报告展示了近似IeTcmV^T1的 灵敏度(低于晶体半导体光检测器5个量级)。某些现有灵敏CQD光检测器的一个缺点是高暗电流密度(> IOmAcm2)。结合 高操作偏压(高达100V)，光电导CQD检测器消耗大量的功率并且需要能够从大电流中 提取高质量信号的专用信号处理电路的开发。这可能是普通光检测器应用(诸如有源矩 阵成像阵列)的限制因素，其中分配给单个独像素的电路的复杂性受像素面积限制。相反，溶液处理光电二极管检测器具有显著较低的暗电流密度(1到20nACm_2)和操作电压 (0到6V)，允许与现有信号处理电路集成。CQD的吸收带边仅受CQD的组成半导体材料的体带隙限制，并且能够通过量子 尺寸效应通过波长的连续范围调节。已经展示了在针对PbSCQD11高达2000nm或者针对 HgCdTe CQD的3000nm处的CQD吸收带边。相反，有机半导体的吸收带边由它们的成 分确定，并且迄今为止已经被限制到波长< 1000nm。在IR波长处的操作允许通过大气、 生物以及其它材料吸收窗口传输的光的检测，显著增加了远程感测、成像、度量以及通 信方面的潜在应用的范围。限制谱灵敏度的能力也是重要的。由于半导体的吸收带边朝 着较长波长移动(通常通过减小能量带隙)，内部热生成的噪声增加，限制了光检测器的 灵敏度。CQD提供宽范围波长的吸收，同时维持吸收带边的精确控制和长波长热噪声阻 碍，使得它们成为用于半导体光子检测器的制造的引人注目的材料。与作为光电导体操作的许多之前的CQD光检测器不同，在此报告中提出的光检 测器作为光电二极管操作。如图53(a)的插图所示，CQD光电二极管由夹在平面ITO和 Al电极之间的PbS胶体量子点的薄膜组成。通过玻璃衬底和透明ITO接触入射的光在 CQD薄膜中产生分别在Al和ITO接触处收集的电子和空穴。图55(a)中的能带图示出 了在Al/PbSCQD界面处形成的肖特基势垒，以及由CQD和金属接触之间的功函数差别 得到的固有电势。半导体和金属之间的电荷转移导致了 CQD薄膜中宽耗尽区(DR)的形 成，而CQD薄膜的其余体积是没有净电荷或者电场的ρ型半导体的准中性区域(QNR)。 价带中的大势垒限制了大部分载流子(空穴)从Al接触注入，导致高度整流的暗I-V特 性。固有电势是光电二极管和光电导检测器之间的区别特征，并且以最小的暗电流提供 零或低偏压操作处的有效光载流子收集。我们合成了具有大约6nm直径的PbS CQD,通过尺寸量化“1有效地将PbS的能 量带隙从0.42eV增加到0.86eV。该有效带隙对应于在1450nm处的基态激子吸收特征， 并且能够在图53 (a)的CQD薄膜吸收谱中看到该有效带隙。如所合成的，以2.5nm长的 油酸盐配体修饰CQD，该油酸盐配体提供胶体稳定性并且钝化纳米晶体表面。为了减小 薄膜中粒子间的间隔并且改进载流子输运，使用溶液相配体交换6来有利于较短一代丁胺 配体而部分交换原始配体。通过旋铸从溶液沉积CQD薄膜(大约350nm厚)。在薄膜 沉积之后，通过将薄膜浸没在乙腈中的苯二硫醇(BDT)的溶液中来执行第二固态配体交 换。该交换消除了 CQD薄膜中过多的丁胺，其被观察到与Al接触进行化学反应。在 BDT处理之后，通过热蒸发沉积Al接触并且将整个器件暴露到空气气氛中。BDT处理将光电二极管寿命从近似4小时增加到超过2个月并且将短电路暗电流 密度从大约IOOnA cm 2显著减小到O.lnA cm 2。与这些暗电流相关联的噪声之前将CQD 光电二极管的检测灵敏度限制到大约IelOcmV^妒-1。BDT处理还影响Al/PbS CQD肖特 基势垒，最初导致二极管I-V特性的显著下降。假设BDT化学地减小了 PbS CQD，抑制 了从PbS的氧化得到的ρ型半导体特性19，并且因此减小了肖特基势垒的固有电势。发 现随后暴露到空气气氛中若干小时的光电二极管维持了大大减小的短电路暗电流，同时 重新获得了在BDT处理之前观察的二极管I-V特性。该观察表明PbS CQD的再氧化可 能发生在BDT处理之后。外部量子效率(EQE)和归一化零偏压旁路阻抗(RtlA)描述了光电二极管性能的基本成分(光生载流子收集效率和内部噪声)。(在不存在照明或者偏置电压的情况下， 光电二极管中的噪声完全源自热噪声，并且可以计算，
权利要求
1.一种光电检测器，包括集成电路；以及至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极；其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号，其 中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关。
2.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述光敏层中的至少一个光敏层包括具有 体带隙的材料的纳米晶体，并且其中所述纳米晶体被量子局限为具有大于所述体带隙的 两倍的有效带隙。
3.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述光敏层中的至少一个光敏层包括包含 纳米粒子的纳米晶体，其中所述纳米粒子的纳米粒子直径小于所述纳米粒子内的束缚电 子空穴对的玻尔激子半径。
4.根据权利要求1所述的光电检测器，其中至少一个光敏层包括与相应的第一电极及 相应的第二电极相接触的互连的纳米晶体粒子的连续膜。
5.根据权利要求4所述的光电检测器，其中所述纳米晶体粒子包括多个纳米晶体核及 所述多个纳米晶体核上的壳。
6.根据权利要求5所述的光电检测器，其中所述多个纳米晶体核被熔融。
7.根据权利要求5所述的光电检测器，其中相邻的纳米晶体粒子的纳米晶体核的物理 邻近提供所述相邻的纳米晶体粒子之间的电连接。
8.根据权利要求5所述的光电检测器，其中所述多个纳米晶体核通过链接剂分子电互连。
9.根据权利要求4所述的光电检测器，其中所述光敏层中的至少一个光敏层包括单极 光电导层，该单极光电导层包括第一载流子类型及第二载流子类型，其中所述第一载流 子类型的第一迁移率高于所述第二载流子类型的第二迁移率。
10.根据权利要求4所述的光电检测器，其中所述纳米晶体粒子包括紧密堆积的半导 体纳米粒子核。
11.根据权利要求10所述的光电检测器，其中每个核被不完整的壳部分地覆盖，其中 所述壳产生具有基本单一时间常数的陷阱态。
12.根据权利要求10所述的光电检测器，其中使用至少一个长度的至少一个交联分子 钝化并交联所述纳米粒子核。
13.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层包括具有第一厚度的第 一材料，并且所述第一材料与所述第一厚度的组合提供对第一波长的光的第一响应度， 其中所述第二光敏层包括具有第二厚度的第二材料，并且所述第二材料与所述第二厚度 的组合提供对第二波长的光的第二响应度，其中所述第一响应度与所述第二响应度大致 相等。
14.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层包括具有第一厚度的第 一材料，并且所述第一材料与所述第一厚度的组合提供对第一波长的光的第一光电导增益，其中所述第二光敏层包括具有第二厚度的第二材料，并且所述第二材料与所述第二 厚度的组合提供对第二波长的光的第二光电导增益，其中所述第一光电导增益与所述第 二光电导增益大致相等。
15.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层包括具有第一厚度的第 一材料，并且所述第一材料与所述第一厚度的组合提供对第一波长的光的第一吸收率， 其中所述第二光敏层包括具有第二厚度的第二材料，并且所述第二材料与所述第二厚度 的组合提供对第二波长的光的第二吸收率，其中所述第一吸收率与所述第二吸收率大致 相等。
16.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述光敏层中的至少一个光敏层包括单 分散纳米晶体粒子。
17.根据权利要求16所述的光电检测器，其中所述纳米晶体粒子为胶体量子点。
18.根据权利要求17所述的光电检测器，其中所述量子点包括第一载流子类型及第二 载流子 类型，其中所述第一载流子类型是流动的载流子，并且所述第二载流子类型是基 本上被阻止的载流子及被捕捉的载流子之一。
19.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层包括第一成分，该第一 成分包含硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、硫碲化铅(PbTe)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs) 及锗(Ge)之一，并且所述第二光敏层包括第二成分，该第二成分包含硫化铟(In2S3)、硒 化铟(In2Se3)、碲化铟(In2Te3)、硫化铋(Bi2S3)、硒化铋(Bi2Se3)、碲化铋(Bi2Te3)、磷化 铟(InP)、硅(Si)及锗(Ge)之一。
20.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述偏压包括在第一时间段期间加偏压到所述光敏层，以使其作为电流吸收器工作；以及在第二时间段期间加偏压到所述光敏材料，以使其作为电流源工作。
21.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层的相应的第一电极及第 二电极是与所述第二光敏层的相应的第一电极及第二电极不同的电极。
22.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层的相应的第一电极是与 所述第二光敏层的相应的第一电极不同的电极。
23.根据权利要求22所述的光电检测器，其中所述第二光敏层的相应的第二电极是对 所述第一光敏层及所述第二光敏层公共的公共电极。
24.根据权利要求1所述的光电检测器，其中每个相应的第一电极与相应的第一光敏 层相接触。
25.根据权利要求1所述的光电检测器，其中每个相应的第二电极与相应的第二光敏 层相接触。
26.根据权利要求1所述的光电检测器，其中每个相应的第一电极相对于相应的第二 电极的至少部分横向地布置。
27.根据权利要求26所述的光电检测器，其中每个相应的第二电极的至少部分在所述 集成电路的与相应的第一电极及相应的光敏层相同的层上。
28.根据权利要求26所述的光电检测器，其中所述第一光敏层及所述第二光敏层的相 应的第二电极包括公共电极。
29.根据权利要求28所述的光电检测器，其中所述公共电极从所述第一光敏层垂直地延伸到所述第二光敏层。
30.根据权利要求28所述的光电检测器，其中所述公共电极从所述集成电路沿所述第 一光敏层及所述第二光敏层的部分垂直地延伸。
31.根据权利要求26所述的光电检测器，其中每个相应的第二电极布置在相应的第一 电极的周围。
32.根据权利要求31所述的光电检测器，其中相应的第二电极被构造为对所述第一电 极周围的载流子提供势垒。
33.根据权利要求26所述的光电检测器，其中所述第一光敏层及所述第二光敏层的相 应的第二电极包括布置在所述第一电极的周围的公共电极。
34.根据权利要求33所述的光电检测器，其中所述公共电极从所述集成电路垂直地延伸。
35.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二电极至少部分地透明，并且位 于相应的光敏层上。
36.根据权利要求1所述的光电检测器，其中相应的第一电极及相应的第二电极是不 透明的，并且分开与宽度尺寸及长度尺寸相对应的距离。
37.根据权利要求36所述的光电检测器，其中所述宽度尺寸小于约2μ m。
38.根据权利要求36所述的光电检测器，其中所述长度尺寸小于约2μ m。
39.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述至少两个光敏层包括第三光敏层， 其中所述第三光敏层在所述第二光敏层的至少部分上，其中所述第一光敏层的相应的第 二电极、所述第二光敏层的第二电极及所述第三层的第三电极是所述第一光敏层、所述 第二光敏层及所述第三层的公共电极，其中所述公共电极是不透明的。
40.根据权利要求1所述的光电检测器，包括集成在所述集成电路中的第三光敏层， 其中所述第一光敏层的相应的第二电极及所述第二光敏层的第二电极是所述第一光敏层 及所述第二光敏层的公共电极，其中所述第三层的相应的第二电极与所述公共电极不 同。
41.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述至少两个光敏层包括第三光敏层及 第四光敏层，其中所述第四光敏层在所述第三光敏层的至少部分上，其中所述第四光敏 层的厚度小于所述第一光敏层、所述第二光敏层及所述第三光敏层之一的厚度。
42.根据权利要求1所述的光电检测器，其中每个光敏层的持久性大致相等。
43.根据权利要求1所述的光电检测器，其中每个光敏层的持久性长于约1毫秒。
44.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述光敏层中的至少一个光敏层包括具 有光电导增益及至少约0.4安培/伏特的响应度的纳米晶体材料。
45.根据权利要求44所述的光电检测器，其中当在相应的第一电极与相应的第二电极 之间施加偏压时获得所述响应度，其中所述偏压约在0.5伏特至5伏特的范围内。
46.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层包括包含硫化铅(PbS) 的成分。
47.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层包括包含硒化铅(PbSe) 的成分。
48.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层包括包含碲化铅(PbTe)的成分。
49.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层包括包含磷化铟(InP) 的成分。
50.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层包括包含砷化铟(InAs) 的成分。
51.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第一光敏层包括包含锗(Ge)的成分。
52.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二光敏层包括包含硫化铟(In2S3) 的成分。
53.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二光敏层包括包含硒化铟(In2Se3) 的成分。
54.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二光敏层包括包含碲化铟(In2Te3) 的成分。
55.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二光敏层包括包含硫化铋(Bi2S3) 的成分。
56.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二光敏层包括包含硒化铋 (Bi2Se3)的成分。
57.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二光敏层包括包含碲化铋 (Bi2Te3)的成分。
58.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二光敏层包括包含磷化铟(InP) 的成分。
59.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二光敏层包括包含硅(Si)的成分。
60.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二光敏层包括包含锗(Ge)的成分。
61.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述第二光敏层包括包含砷化镓(GaAs) 的成分。
62.根据权利要求1所述的光电检测器，其中每个光敏层包括不同粒子尺寸的纳米晶体。
63.根据权利要求62所述的光电检测器，其中所述第一光敏层的纳米晶体粒子大于所 述第二光敏层的纳米晶体粒子。
64.根据权利要求62所述的光电检测器，其中所述第一光敏层的纳米晶体粒子小于所 述第二光敏层的纳米晶体粒子。
65.根据权利要求64所述的光电检测器，其中所述第一光敏层的第一体带隙高于所述 第二光敏层的第二体带隙。
66.根据权利要求64所述的光电检测器，其中所述第一光敏层中的由量子局限导致的 第一带隙增大大于所述第二光敏层中的由量子局限导致的第二带隙增大。
67.根据权利要求1所述的光电检测器，其中通过至少一个光敏层的光敏材料的电流 的速率与由该光敏材料吸收的光的强度具有非线性关系。
68.根据权利要求1所述的光电检测器，其中至少一个光敏层的光敏材料的增益与由 该光敏材料吸收的光的强度具有非线性关系。
69.—种光电检测器，包括 集成电路；以及至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极；其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号，其 中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关；并且其中所述第一光敏层中的由量子局限导致的第一带隙增大大于所述第二光敏层中的 由量子局限导致的第二带隙增大。
70.—种光电检测器，包括 集成电路；以及至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极；其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号，其 中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关；并且 其中至少一个光敏层的厚度与至少一个其它光敏层的厚度不同。
71.—种光电检测器，包括 集成电路；以及至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极；其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号，其 中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关；并且其中所述第一光敏层包括具有第一光电导增益的纳米晶体材料，并且第二光敏层包 括具有第二光电导增益的纳米晶体材料。
72.—种光电检测器，包括 集成电路；以及至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极；其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号，其 中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关；并且其中至少一个光敏层的暗电流与至少一个其它光敏层的暗电流不同。
73.—种光电检测器，包括 集成电路；以及至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极；其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号，其 中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关；并且其中对来自至少一个光敏层的信号施加的补偿与对来自至少一个其它光敏层的信号 施加的补偿不同。
74.—种光电检测器，包括 集成电路；以及至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极；其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号，其 中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关；并且其中从黑像素接收到暗电流补偿信号，并将该暗电流补偿信号分别地、按比例地施 加到每个光敏层的信号。
75.—种光电检测器，包括 集成电路；以及至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极；其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号，其 中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关；并且其中从相应的黑像素接收到与每个相应的光敏层相对应的暗电流补偿信号，并将该 暗电流补偿信号施加到相应的光敏层的相应的信号。
76.—种光电检测器，包括 集成电路；以及至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极；其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号，其 中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关；并且其中至少一个光敏层的暗电流约在10纳安每平方厘米至500纳安每平方厘米的范围内。
77.—种光电检测器，包括至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在衬底的至少部分 上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中至少一个光敏层是具有约在10纳安每平方厘米至500纳安每平方厘米的范围内 的暗电流的纳米晶体层。
78.—种光电检测器，包括 集成电路；以及至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极；其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号，其 中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关；并且其中所述第一光敏层包括第一成分，该第一成分包含硫化铅(PbS)、硒化铅 (PbSe)、硫碲化铅(PbTe)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)及锗(Ge)之一，并且所述 第二光敏层包括第二成分，该第二成分包含硫化铟(In2S3)、硒化铟(In2Se3)、碲化铟 (In2Te3)、硫化铋(Bi2S3)、硒化铋(Bi2Se3)、碲化铋(Bi2Te3)、磷化铟(InP)、硅(Si)及锗 (Ge)之一。
79.—种光电检测器，包括 集成电路；以及至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极；其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号，其 中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关；并且其中所述第一光敏层包括具有处于第一波长处的吸收带边的纳米晶体材料，并且所 述第二光敏层包括具有处于第二波长处的吸收带边的纳米晶体材料，其中所述第一波长 比所述第二波长短，并且所述第一光敏层及所述第二光敏层中的至少一个的吸收谱不存 在局部吸收最大值。
80.—种光电检测器，包括至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在集成电路的至少 部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；其中所述第一光敏层包括第一吸收带并缺乏局部吸收最大值，所述第一吸收带包括 至少一个第一颜色组，并且所述第二光敏层包括第二吸收带并缺乏局部吸收最大值，所 述第二吸收带包括至少一个第二颜色组，其中所述第二吸收带包括所述第一颜色组； 其中每个光敏层插置在相应的第一电极与相应的第二电极之间；并且其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读取信号。
81.—种光电检测器，包括 集成电路；以及多个光敏层，包括第一光敏层及一组垂直堆叠的光敏层，所述第一光敏层在所述集 成电路的至少部分中，并且所述组垂直堆叠的光敏层在所述第一光敏层上； 其中所述垂直堆叠的光敏层插置在相应的第一电极与相应的第二电极之间； 其中所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述垂直堆叠的光敏层中读 取信号，其中所述信号与由相应的垂直堆叠的光敏层接收到的光子的数量有关。
82.—种像素阵列，包括多个光电检测器，其中每个光电检测器是垂直堆叠的像素， 所述垂直堆叠的像素包括至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在集成电路的至少 部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；以及多个电极，包括其间插置有所述两个光敏层的至少两个电极，所述电极包括相应的 第一电极及相应的第二电极；所述集成电路与所述多个电极之间的耦合，通过该耦合，所述集成电路选择性地施 加偏压，并从所述光敏层中读取与由所述光敏层吸收的光相对应的像素信息。
83.—种光电传感器阵列，包括 集成电路；以及所述集成电路上的多个光电检测器，其中每个光电检测器形成垂直堆叠的像素，包括，至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；并且其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二 电极，其中所述集成电路耦合到所述电极，并且选择性地对所述电极施加偏压并从所述 光敏层中读取信号，其中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关。
84.—种垂直堆叠的像素，包括多个光敏层，包括第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层覆盖集成电路的第一 面的至少部分，并且所述第二光敏层覆盖所述第一光敏层的第二面的至少部分；多个电极，其中所述多个光敏层插置在所述多个电极的相应的第一电极与相应的第 二电极之间；以及所述集成电路与所述多个电极之间的耦合，通过该耦合，所述集成电路选择性地施 加偏压，并从所述光敏层中读取与由所述光敏层吸收的光相对应的像素信息。
85.—种光电传感器阵列，包括 集成电路；以及所述集成电路上的多个光电检测器，其中每个光电检测器形成垂直堆叠的像素，包括，至少两个光敏层，即第一光敏层及第二光敏层，所述第一光敏层在所述集成电路的 至少部分上，并且所述第二光敏层在所述第一光敏层上；并且其中每个光敏层插置在两个电极之间，所述电极包括相应的第一电极及相应的第二电极，其中所述集成电路耦合到所述电极，并且选择性地对所述电极施加偏压并从所述 光敏层中读取信号，其中所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关。
86.—种光电检测器，包括多个像素区，每个像素区具有相应的第一电极及相应的第二电极； 所述第一电极与所述第二电极之间的光敏材料，其中与所述第一电极及所述第二电 极在一起的所述光敏材料为非整流型；耦合到相应的第一电极及相应的第二电极之一的晶体管，与所述光敏材料电连接， 所述晶体管包括被构造为存储电荷的栅极，其中像素区的相应的第一电极与所述栅极电 连接，其中在积分时间段期间利用通过所述光敏材料的电流对所述栅极处存储的电荷进 行放电；以及电路，在所述积分时间段之后基于电荷存储中剩余的电荷的量从所述栅极产生信号。
87.—种光电检测器，包括像素区，每个像素区具有第一电极及第二电极；所述第一电极与所述第二电极之间的多层光敏材料，其中与所述第一电极及所述第 二电极在一起的所述光敏材料为非整流型；耦合到所述光敏材料的晶体管，所述晶体管包括被构造为存储电荷的栅极，其中所 述像素区的相应的第一电极与所述栅极电连接，其中在积分时间段期间利用通过所述光 敏材料的电流对所述栅极处存储的电荷进行放电；以及电路，在所述积分时间段之后基于电荷存储中剩余的电荷的量从所述栅极产生信号。
88.—种光电检测器，包括像素区，包括第一电极与第二电极之间的光敏材料，其中与所述第一电极及所述第 二电极在一起的所述光敏材料为非整流型；电耦合到所述光敏材料的像素电路，所述像素电路在积分时间段上建立电压，其中 在所述积分时间段之后基于所述电压产生信号；转换器，被构造为将所述信号转换成数字像素数据。
89.根据权利要求88所述的光电检测器，其中所述像素电路包括电荷存储及积分电 路，以基于在所述积分时间段上由所述像素区的所述光敏材料吸收的光的强度建立所述 电压。
90.根据权利要求89所述的光电检测器，其中所述像素电路包括与所述第一电极电连 接的至少一个晶体管，其中所述电荷存储包括所述至少一个晶体管的寄生电容。
91.根据权利要求90所述的光电检测器，其中所述像素电路包括具有与所述第一电极 电连接的栅极的源极跟随器晶体管。
92.根据权利要求91所述的光电检测器，其中所述寄生电容包括所述源极跟随器晶体 管的所述栅极与源极之间的寄生电容。
93.根据权利要求90所述的光电检测器，其中所述像素电路包括具有与所述第一电极 电连接的栅极的复位晶体管。
94.根据权利要求93所述的光电检测器，其中所述寄生电容包括所述复位晶体管的衬底的结构与源极之间的寄生电容。
95.根据权利要求90所述的光电检测器，其中所述寄生电容包括所述像素电路的节点 之间的金属-金属寄生电容。
96.根据权利要求90所述的光电检测器，其中所述寄生电容包括电荷存储节点与硅衬 底之间的金属-衬底寄生电容。
97.根据权利要求90所述的光电检测器，其中所述寄生电容约在0.5毫微微法拉至3 毫微微法拉的范围内。
98.根据权利要求90所述的光电检测器，其中所述寄生电容约在1毫微微法拉至2毫 微微法拉的范围内。
99.一种方法，包括 将光敏材料暴露于光；基于通过所述光敏材料的电流产生信号；在第一时间段期间加偏压到所述光敏材料，以使其作为电流吸收器工作；以及 在第二时间段期间加偏压到所述光敏材料，以使其作为电流源工作。
100.—种图像传感器，包括多个像素区，每个像素区包括相应的第一电极及公共的第二电极，其中所述公共的 第二电极是所述多个像素区的公共电极；每个像素区包括相应的第一电极与所述公共的第二电极之间的光敏材料； 每个像素区的像素电路，与所述像素区的相应的第一电极电连接，每个像素区的所 述像素电路包括积分电路，以基于在积分时间段上由相应的像素区的所述光敏材料吸收 的光的强度建立电压，所述像素电路包括读出电路，在所述积分时间段之后读出信号； 以及偏压电路，与所述公共的第二电极电连接，以使所述公共的第二电极的电压变化。
101.—种图像传感器，包括 半导体衬底；多个像素区，每个像素区包括所述衬底上的光敏层，所述光敏层被布置来接收光； 每个像素区的像素电路，每个像素电路包括电荷存储及读出电路，所述电荷存储及 所述读出电路与相应的像素区的所述光敏层电连接；以及导电材料，位于相应的像素区的所述电荷存储与相应的像素区的所述光敏层之间， 以使得相应的电荷存储基本与入射在所述光敏层上的光屏蔽开，其中所述光在波段内， 其中所述导电材料的至少部分是与所述光敏层电连接的金属层。
102.根据权利要求101所述的图像传感器，其中每个像素区的像素电路包括电荷存储 及积分电路，以基于在积分时间段上由相应的像素区的光敏材料吸收的光的强度建立电 压。
103.根据权利要求102所述的图像传感器，其中所述像素电路包括与相应的像素区的 相应的第一电极电连接的至少一个晶体管，其中所述电荷存储包括所述至少一个晶体管 的寄生电容。
104.根据权利要求103所述的图像传感器，其中所述像素电路包括具有与相应的第一 电极电连接的栅极的源极跟随器晶体管。
105.根据权利要求104所述的图像传感器，其中所述寄生电容包括所述源极跟随器晶 体管的所述栅极与源极之间的寄生电容。
106.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述像素电路包括具有与相应的第一电 极电连接的栅极的复位晶体管。
107.根据权利要求106所述的图像传感器，其中所述寄生电容包括所述复位晶体管的 衬底的结构与源极之间的寄生电容。
108.根据权利要求103所述的图像传感器，其中所述寄生电容包括所述像素电路的节 点之间的金属-金属寄生电容。
109.根据权利要求103所述的图像传感器，其中所述寄生电容包括电荷存储节点与硅 衬底之间的金属-衬底寄生电容。
110.根据权利要求103所述的图像传感器，其中所述寄生电容约在0.5毫微微法拉至 3毫微微法拉的范围内。
111.根据权利要求103所述的图像传感器，其中所述寄生电容约在1毫微微法拉至2 毫微微法拉的范围内。
112.—种光电检测器，包括半导体衬底；多个像素区，每个像素区包括所述衬底上的光敏层，所述光敏层被布置来接收光；以及每个像素区的像素电路，每个像素电路包括电荷存储及所述电荷存储与相应的像素 区的所述光敏层之间的开关元件，所述电荷存储及所述开关元件的一个或更多个集成在 所述多个像素区下的所述半导体衬底上或集成在该衬底中。
113.根据权利要求112所述的光电检测器，其中所述开关元件同时控制所述多个像素 区的积分时间段。
114.根据权利要求112所述的光电检测器，包括位于相应的像素区的所述电荷存储与 相应的像素区的所述光敏层之间的导电材料，以使得相应的电荷存储与入射在所述光敏 层上的光屏蔽开，其中所述光在波段内，其中所述导电材料的至少部分是与所述光敏层 电连接的金属层。
115.根据权利要求112所述的光电检测器，其中所述开关元件是晶体管。
116.根据权利要求112所述的光电检测器，其中所述开关元件是二极管。
117.根据权利要求112所述的光电检测器，其中所述开关元件是寄生二极管。
118.根据权利要求112所述的光电检测器，包括每个像素电路与相应的像素区之间的 不透明材料，所述不透明材料使所述电荷存储及所述开关元件与由所述光敏层接收到的 光屏蔽开。
119.根据权利要求112所述的光电检测器，包括被构造为同时切换每个像素区的所述 开关元件的电路。
120.—种图像传感器，包括半导体衬底；多个像素区，每个像素区包括所述半导体衬底上的光敏层，所述光敏层与所述半 导体衬底在一侧被至少一个相邻层分隔，其中通孔将所述光敏层与所述半导体衬底相耦合；以及每个像素区的像素电路，每个像素电路包括电荷存储及读出电路，其中所述电荷存 储对于每个像素区是分立的，并且其中所述读出电路是与至少一组其它像素区的读出电 路通用的。
121.—种光电检测器，包括 半导体衬底；多个像素区，每个像素区包括所述衬底上的光敏层；每个像素区的像素电路，每个像素电路包括电荷存储及读出电路；以及选择多个相邻的像素区的所述电荷存储以同时读取到共享的读出电路的电路。
122.—种光电检测器，包括 半导体衬底；所述半导体衬底上的多个像素区，每个像素区包括第一电极、第二电极以及所述第 一电极与所述第二电极之间的光敏层；每个像素区的像素电路，每个像素电路包括电荷存储及读出电路； 在积分时间段期间将一组像素区的所述第一电极电连接到共享的电荷存储的电路， 所述多个像素区包括所述组的像素区，其中所述共享的电荷存储是与一个像素区的一个 像素电路相对应的电荷存储；从所述共享的电荷存储中读出信号的电路，所述信号基于在所述积分时间段期间由 所述组的像素区中的每个像素区吸收的光的强度。
123.—种传感器，包括 至少一个光敏层；以及包括与所述光敏层电连接的至少一个节点的电路，其中所述电路存储与在积分时间 段期间入射在所述光敏层上的光的强度成比例的电信号，其中所述光敏层的电特性与由 所述光敏层吸收的光的强度之间存在非线性关系，其中连续函数表示所述非线性关系。
124.根据权利要求123所述的传感器，其中至少一个光敏层包括紧密堆积的半导体纳 米粒子核。
125.根据权利要求124所述的传感器，其中每个核被不完整的壳部分地覆盖，其中所 述壳产生具有基本单一时间常数的陷阱态。
126.根据权利要求125所述的传感器，其中所述纳米粒子核包括被包含PbS03的壳 部分地覆盖的PbS。
127.根据权利要求124所述的传感器，其中使用至少两个显著不同长度的配体钝化所 述纳米粒子核。
128.根据权利要求124所述的传感器，其中使用至少一个长度的至少一个配体钝化所 述纳米粒子核。
129.根据权利要求124所述的传感器，其中使用至少一个长度的至少一个交联分子钝 化并交联所述纳米粒子核。
130.根据权利要求129所述的传感器，其中所述交联分子是导电交联剂。
131.根据权利要求124所述的传感器，其中每个纳米粒子核被壳覆盖，其中所述壳包 含 PbS03。
132.根据权利要求124所述的传感器，其中所述纳米粒子核包含被部分地氧化且实质 上缺乏PbS04 (硫酸铅)的PbS。
133.根据权利要求123所述的传感器，其中至少一个光敏层包含纳米晶固体，其中所 述纳米晶固体的表面的至少部分被氧化。
134.根据权利要求133中所述传感器，其中所述纳米晶固体的成分不包含第一组原生 氧化物而包含第二组原生氧化物。
135.根据权利要求134所述的传感器，其中所述第一组原生氧化物包括PbS04(硫酸 铅)，并且所述第二组原生氧化物包括PbS03。
136.根据权利要求133所述的传感器，其中所述纳米晶固体的陷阱态提供持久性，其 中从占主导地位的陷阱态逃逸的能量小于或等于约O.leV。
137.根据权利要求136所述的传感器，包括非主导地位的陷阱态，其中从所述非主导 地位的陷阱态逃逸的能量大于或等于约0.2eV。
138.—种光电子器件，包括集成电路，包括硅衬底、至少一个扩散层、至少一个多晶硅层以及包括至少第一金 属层及第二金属层的至少两个金属层；与所述第二金属层电连接的光敏层；并且所述至少一个多晶硅层及所述至少一个扩散层形成通过至少所述第二金属层与所述 光敏层电连接的多个晶体管。
139.根据权利要求138所述的器件，其中所述集成电路是互补金属氧化物半导体 (CMOS)集成电路。
140.根据权利要求138所述的器件，其中所述集成电路的最小特征间距在约IOOnm至 200 μ m的范围内。
141.根据权利要求138所述的器件，其中所述至少两个金属层包括金属互连层。
142.根据权利要求138所述的器件，其中所述第二金属层形成与所述光敏层电连接的 接触。
143.根据权利要求142所述的器件，其中所述接触包括铝主体、第一涂层及第二涂 层，所述第一涂层包含氮化钛并位于所述铝主体与所述光敏层之间，所述第二涂层包含 氮氧化钛并位于所述第一涂层与所述光敏层之间。
144.根据权利要求142所述的器件，其中所述接触包括铝主体、第一涂层及第二 涂层，所述第一涂层包含氮化钛并位于所述铝主体与所述光敏层之间，所述第二涂层位 于所述第一涂层与所述光敏层之间并包含从由金、钼、钯、镍及钨组成的组中选择的金 jM ο
145.根据权利要求142所述的器件，其中所述接触具有小于所述第一金属层的约一半厚度的厚度。
146.根据权利要求142所述的器件，其中所述接触具有小于约50纳米的厚度以及在 约IOOnm至500nm的范围内的宽度。
147.根据权利要求142所述的器件，其中所述接触具有至少1 2的厚度对宽度的纵 横比。
148.根据权利要求142所述的器件，其中所述接触具有至少1 3的厚度对宽度的纵横比。
149.根据权利要求142所述的器件，其中所述接触具有至少1 4的厚度对宽度的纵 横比。
150.根据权利要求142所述的器件，其中所述接触由多个金属子层形成，每个金属子 层具有小于约50nm的厚度，每个金属子层包含从由氮化钛、氮氧化钛、金、钼、钯、镍 及钨组成的组中选择的成分。
151.根据权利要求138所述的器件，其中所述第二金属层由除铝以外的金属组成，所 述金属包括从由氮化钛、氮氧化钛、金、钼、钯、镍及钨组成的组中选择的至少一层。
152.根据权利要求138所述的器件，其中所述第二金属层由除铜以外的金属组成，所 述金属包括从由氮化钛、氮氧化钛、金、钼、钯、镍及钨组成的组中选择的至少一层。
153.根据权利要求138所述的器件，其中所述第二金属层包括从由氮化钛、氮氧化 钛、金、钼、钯、镍及钨组成的组中选择的成分。
154.根据权利要求138所述的器件，其中所述光敏层与所述第二金属层直接地接触。
155.根据权利要求138所述的器件，其中所述光敏层包括所述第二金属层上的涂层。
156.根据权利要求138所述的器件，其中所述第一金属层具有在约IOOnm至500nm 的范围内的厚度。
157.根据权利要求138所述的器件，其中所述金属层包括所述第一金属层与所述第二 金属层之间的至少一个附加金属层。
158.—种方法，包括 将光敏材料暴露于光；提供通过所述光敏材料的电流，其中通过所述光敏材料的电流的速率与由所述光敏 材料吸收的光的强度具有非线性关系；在时间段上使用所述电流以从电荷存储中放电部分电荷；以及在所述时间段之后基于所述电荷存储中剩余的电荷的量从所述电荷存储产生信号。
159.—种光电检测器，包括 像素区，包括光敏材料；像素电路，电耦合到所述光敏材料，所述像素电路在积分时间段上建立电压，其中 所述电压与由相应的像素区的所述光敏材料吸收的光的强度具有非线性关系，其中在所 述积分时间段之后基于所述电压产生信号，所述信号具有噪声电平；转换器，被构造为将所述信号转换成数字像素数据，其中所述转换器具有输入范 围；以及所述像素电路及所述光敏层中的至少一个提供大于所述转换器的所述输入范围除以 所述噪声电平的比率的至少两倍的动态范围。
160.—种光电检测器，包括 像素区，包括光敏材料；像素电路，与所述光敏材料电连接，所述像素电路在积分时间段上建立电压，其中 所述电压与由相应的像素区的所述光敏材料吸收的光的强度具有非线性关系； 读出电路，被构造为在所述积分时间段之后基于所述电压产生信号； 模数转换器，被构造为将所述信号转换成数字像素数据，其中所述模数转换器具有输入范围，并且其中来自所述像素电路的所述信号具有噪声电平；并且其中所述像素电路及所述光敏层被构造为提供大于所述模数转换器的所述输入范围 除以所述噪声电平的比率的至少两倍的动态范围。
161.根据权利要求160所述的光电检测器，其中所述动态范围在大于所述输入范围除 以所述噪声电平的比率的至少三倍至约十倍的范围内。
162.根据权利要求160所述的光电检测器，其中所述动态范围大于所述输入范围除以 所述噪声电平的比率的至少三倍。
163.根据权利要求160所述的光电检测器，其中所述动态范围大于所述输入范围除以 所述噪声电平的比率的至少五倍。
164.根据权利要求160所述的光电检测器，其中所述动态范围大于所述输入范围除以 所述噪声电平的比率的至少十倍。
165.根据权利要求160所述的光电检测器，其中在所述光敏材料的电特性与由所述光 敏材料吸收的光的强度之间存在非线性关系，其中连续函数表示所述非线性关系。
166.根据权利要求165所述的光电检测器，其中所述连续函数是表示所述光敏材料的 光电导增益与由所述光敏材料吸收的光的强度之间的非线性关系的连续多项式函数。
167.根据权利要求165所述的光电检测器，其中与所述数字像素数据相对应的数字与 所述强度具有线性关系。
168.—种光电检测器，包括像素区，包括光敏材料；电耦合到所述光敏材料的像素电路，所述像素电路提供通过所述光敏材料的电流， 其中通过所述光敏材料的所述电流的速率与由所述光敏材料吸收的光的强度具有非线性 关系；电荷收集电路，在时间段上收集与所述电流有关的电荷；以及读出电路，根据在所述时间段上收集到的电荷产生信号。
169.—种光电检测器，包括像素区，包括光敏材料；电耦合到所述光敏材料的像素电路，所述像素电路提供通过所述光敏材料的电流， 其中通过所述光敏材料的所述电流的速率与由所述光敏材料吸收的光的强度具有非线性 关系；电荷收集电路，在时间段上收集与所述电流有关的电荷；以及读出电路，被构造为基于所收集到的电荷产生信号；模数转换器，被构造为将所述信号转换成数字像素数据，其中所述模数转换器具有 输入范围，并且其中来自所述像素电路的所述信号具有噪声电平；并且其中所述像素电路及所述光敏层被构造为提供大于所述模数转换器的所述输入范围 除以所述噪声电平的比率的至少两倍的动态范围。
170.根据权利要求169所述的光电检测器，其中所述动态范围在大于所述输入范围除 以所述噪声电平的比率的至少三倍至约十倍的范围内。
171.根据权利要求169所述的光电检测器，其中在所述光敏材料的电特性与由所述光 敏材料吸收的光的强度之间存在非线性关系，其中连续函数表示所述非线性关系。
172.根据权利要求171所述的光电检测器，其中所述连续函数是表示所述非线性关系 的连续多项式函数。
173.根据权利要求171所述的光电检测器，其中与所述数字像素数据相对应的数字与 所述强度具有线性关系。
174.—种光电检测器，包括多个电极，包括至少第一电极及第二电极； 所述第一电极与所述第二电极之间的光敏材料；电路，在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压差，以使得在积分时间段期间 电流流过所述光敏材料，其中通过所述光敏材料的所述电流的速率与由所述光敏材料吸 收的光的强度具有非线性关系；与所述电极中的至少一个电极电连接的电荷存储，所述电荷存储中的电荷的量基于 在所述积分时间段期间通过所述光敏材料的所述电流；以及读出电路，被构造为在所述积分时间段之后基于所述电荷存储中的电荷产生信号。
175.—种光电检测器，包括具有多个像素区的光电传感器阵列，所述像素区排列成多个行及多个列； 每个像素区包含至少一个光敏材料；每个相应的像素区的像素电路，每个相应的像素区的所述像素电路跨相应的像素区 的所述光敏材料施加电压差，其中通过所述光敏材料的电流的速率与由相应的像素区的 所述光敏材料吸收的光的强度具有非线性关系；所述像素电路包括电荷存储，以提供与在积分时间段期间通过相应的像素区的所述 光敏材料的电流有关的电荷；所述像素电路包括读出电路，以在所述积分时间段之后基于相应的像素区的所述电 荷存储的所述电荷产生信号；以及像素选择电路，选择要被读出的所述像素区中的一子组像素区的所述像素电路。
176.—种方法，包括 设置光敏材料；在积分时间段期间通过提供跨所述光敏材料的电压差并将所述光敏材料暴露于光来 使电流流过所述光敏材料，其中通过所述光敏材料的所述电流的速率取决于跨所述光敏 材料的所述电压差以及由所述光敏材料吸收的光的强度；在所述积分时间段期间使用通过所述光敏材料的所述电流以从电荷存储中放电部分 电荷；在所述积分时间段的至少部分期间使跨所述光敏材料的所述电压差及通过所述光敏 材料的所述电流的速率变化；以及在所述积分时间段之后基于所述电荷存储中剩余的电荷的量产生信号。
177.—种方法，包括 设置光敏材料；在积分时间段期间通过提供跨所述光敏材料的电压差并将所述光敏材料暴露于光来 使电流流过所述光敏材料，其中通过所述光敏材料的所述电流的速率取决于跨所述光敏 材料的所述电压差以及由所述光敏材料吸收的光的强度；在所述积分时间段期间从所述电流中收集电荷；在所述积分时间段的至少部分期间在保持所述光的强度基本恒定的同时，使跨所述 光敏材料的所述电压差及通过所述光敏材料的所述电流的速率变化；以及 基于在所述积分时间段期间收集到的电荷产生信号。
178.—种光电检测器，包括多个电极，包括至少第一电极及第二电极； 所述第一电极与所述第二电极之间的光敏材料；电路，被构造为在积分时间段期间在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压 差，以使得电流流过所述光敏材料，其中通过所述光敏材料的所述电流的速率取决于跨 所述光敏材料的所述电压差以及由所述光敏材料吸收的光的强度；所述电路被构造为在所述积分时间段的至少部分期间，对于恒定的光强，使跨所述 光敏材料的所述电压差及通过所述光敏材料的所述电流的速率变化；与所述电极中的至少一个电极电连接的电荷存储，所述电荷存储被构造为响应于在 所述积分时间段期间通过所述光敏材料的所述电流提供电荷；以及读出电路，被构造为在所述积分时间段之后基于所述电荷存储的所述电荷产生信号。
179.—种光电检测器，包括具有多个像素区的光电传感器阵列，所述像素区排列成多个行及多个列； 每个像素区包括至少一个光敏材料；每个相应的像素区的像素电路，每个相应的像素区的所述像素电路被构造为跨相应 的像素区的所述光敏材料施加电压差，其中通过所述光敏材料的电流的速率取决于跨所 述光敏材料的所述电压差以及由相应的像素区的所述光敏材料吸收的光的强度；所述像素电路被构造为在积分时间段的至少部分期间，对于恒定的光强，使跨所述 光敏材料的所述电压差及通过所述光敏材料的所述电流的速率变化；所述像素电路包括电荷存储，所述电荷存储被构造为响应于在所述积分时间段期间 通过相应的像素区的所述光敏材料的所述电流提供电荷；所述像素电路包括读出电路，被构造为在所述积分时间段之后基于相应的像素区的 所述电荷存储的所述电荷产生信号；以及像素选择电路，被构造为选择要被读出的所述像素区中的一子组像素区的所述像素 电路。
180.—种方法，包括 将光敏材料暴露于光；提供通过所述光敏材料的电流，其中所述光敏材料的光灵敏度取决于由所述光敏材 料吸收的光的强度；在时间段上使用所述电流以从电荷存储中放电部分电荷；以及在所述时间段之后基于所述电荷存储中剩余的电荷的量从所述电荷存储产生信号。
181.根据权利要求180所述的方法，其中在小于约1勒克斯的光强时所述光敏材料的 光灵敏度大于在至少100勒克斯的光强时所述光敏材料的光灵敏度的两倍。
182.根据权利要求180所述的方法，其中在小于约1勒克斯的光强时所述光敏材料的光灵敏度大于在至少100勒克斯的光强时所述光敏材料的光灵敏度的十倍。
183.—种光电检测器，包括包括光敏材料的像素区，其中所述光敏材料的光灵敏度取决于由所述光敏材料吸收 的光的强度；像素电路，电耦合到所述光敏材料，所述像素电路在积分时间段上建立电压，其中 在所述积分时间段之后基于所述电压产生信号，所述信号具有噪声电平；转换器，被构造为将所述信号转换成数字像素数据，其中所述转换器具有输入范 围；以及所述像素电路及所述光敏层中的至少一个提供大于所述转换器的所述输入范围除以 所述噪声电平的比率的至少两倍的动态范围。
184.—种方法，包括 将光敏材料暴露于光；提供通过所述光敏材料的电流，其中通过所述光敏材料的所述电流的速率随所述光 敏材料的光灵敏度变化，其中光灵敏度取决于由所述光敏材料吸收的光的强度； 在时间段上从所述电流中收集电荷；以及 根据在所述时间段上收集到的电荷产生信号。
185.—种光电检测器，包括多个电极，包括至少第一电极及第二电极； 所述第一电极与所述第二电极之间的光敏材料；电路，在积分时间段期间在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压差，以使得 电流流过所述光敏材料，其中所述光敏材料的光灵敏度取决于由所述光敏材料吸收的光 的强度；与所述电极中的至少一个电极电连接的电荷存储，所述电荷存储存储基于在所述积 分时间段期间通过所述光敏材料的所述电流的能量；以及读出电路，被构造为在所述积分时间段之后基于所述电荷存储的所述能量产生信号。
186.—种光电检测器，包括具有多个像素区的光电传感器阵列，所述像素区排列成多个行及多个列； 每个像素区包括至少一个光敏材料；每个相应的像素区的像素电路，每个相应的像素区的所述像素电路跨相应的像素区 的所述光敏材料施加电压差，其中所述光敏材料的光灵敏度取决于由所述光敏材料吸收 的光的强度；所述像素电路包括电荷存储，以提供与在积分时间段期间通过相应的像素区的所述 光敏材料的电流有关的电荷；所述像素电路包括读出电路，在所述积分时间段之后基于相应的像素区的所述电荷 存储的所述电荷产生信号；以及像素选择电路，选择要被读出的所述像素区中的一子组像素区的所述像素电路。
187.—种方法，包括 将光敏材料暴露于光；提供通过所述光敏材料的电流；在时间段上使用所述电流以从电荷存储中放电所存储的部分电荷； 在所述时间段之后基于所述电荷存储中剩余的电荷的量从所述电荷存储产生信号； 其中作为所述电流与由所述光敏材料吸收的光的强度之间的非线性关系的结果，在 相对高的照度下通过所述光敏材料的电流的速率将所存储的电荷保持在最小阈值以上， 其中当所存储的电荷高于所述最小阈值时发生所述信号的产生。
188.—种光电检测器，包括 像素区，包括光敏材料；像素电路，电耦合到所述光敏材料，所述像素电路在积分时间段上建立电压，其中 在所述积分时间段之后基于所述电压产生信号，所述信号具有噪声电平；其中作为所述电压与由相应的像素区的所述光敏材料吸收的光的强度之间的非线性 关系的结果，在相对高的照度下通过所述光敏材料的电流的速率使所述电压保持在最小 阈值以上，其中当所述电压大于所述最小阈值时发生所述信号的产生；转换器，被构造为将所述信号转换成数字像素数据，其中所述转换器具有输入范 围；并且所述像素电路及所述光敏层中的至少一个提供大于所述转换器的所述输入范围除以 所述噪声电平的比率的至少两倍的动态范围。
189.—种方法，包括 将光敏材料暴露于光；提供通过所述光敏材料的电流； 在时间段上从所述电流中收集电荷； 根据在所述时间段上收集到的电荷产生信号；其中作为所述电流与由所述光敏材料吸收的光的强度之间的非线性关系的结果， 在相对高的照度下通过所述光敏材料的电流的速率使所收集到的电荷保持在最小阈值以 上，其中当所收集到的电荷大于所述最小阈值时发生所述信号的产生。
190.—种光电检测器，包括多个电极，包括至少第一电极及第二电极； 所述第一电极与所述第二电极之间的光敏材料；电路，在积分时间段期间在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压差，以使得 电流流过所述光敏材料；与所述电极中的至少一个电极电连接的电荷存储，所述电荷存储存储基于在所述积 分时间段期间流过所述光敏材料的所述电流的能量；以及读出电路，被构造为在所述积分时间段之后基于所述电荷存储的所述能量产生信号；其中作为所述电流与由所述光敏材料吸收的光的强度之间的非线性关系的结果，在 相对高的照度下通过所述光敏材料的电流的速率使所存储的能量保持在最小阈值以上， 其中当所存储的能量大于所述最小阈值时发生所述信号的产生。
191.一种光电检测器，包括具有多个像素区的光电传感器阵列，所述像素区排列成多个行及多个列；每个像素区包括至少一个光敏材料；每个相应的像素区的像素电路，每个相应的像素区的所述像素电路跨相应的像素区 的所述光敏材料施加电压差；所述像素电路包括电荷存储，以提供与在积分时间段期间通过相应的像素区的所述 光敏材料的电流有关的电荷；所述像素电路包括读出电路，在所述积分时间段之后基于相应的像素区的所述电荷 存储的所述电荷产生信号；以及像素选择电路，选择要被读出的所述像素区中的一子组像素区的所述像素电路； 其中作为所述电流与由所述光敏材料吸收的光的强度之间的非线性关系的结果，在 相对高的照度下通过所述光敏材料的电流的速率使所存储的电荷保持在最小阈值以上， 其中当所存储的电荷大于所述最小阈值时发生所述信号的产生。
192.—种光电检测器，包括 半导体衬底；具有多个像素区的光电传感器阵列，所述像素区排列成多个行及多个列； 每个像素区包括所述半导体衬底的部分上的至少一个光敏材料； 每个相应的像素区的形成在所述半导体衬底上的像素电路，每个相应的像素区的所 述像素电路被构造为跨相应的像素区的所述光敏材料施加电压差，并读出基于在时间段 上通过所述光敏材料的电流的信号；以及所述第一相应像素区的所述像素电路的至少部分形成在未被第一相应像素区的所述 像素电路读出的不同的相应像素区的所述光敏材料下。
193.根据权利要求192所述的光电检测器，其中所述第一相应像素区的所述像素电路 包括多个电路元件，其中在所述第一相应像素区的所述光敏材料及所述不同的相应像素 区的所述光敏材料下形成至少一个电路元件。
194.根据权利要求192所述的光电检测器，其中所述第一相应像素区的第一像素电路 形成在所述半导体衬底的第一区域的第一半及所述半导体衬底的第二区域的第一半中， 其中第二相应像素区的第二像素电路形成在所述半导体衬底的所述第一区域的第二半及 所述半导体衬底的所述第二区域的第二半中。
195.根据权利要求194所述的光电检测器，其中所述第一区域在所述半导体衬底上形 成第一矩形区域，并且所述第二区域在所述半导体衬底上形成第二矩形区域，其中所述 第一区域的第一尺寸与所述第二区域的第一尺寸以第一纵横比相关联。
196.根据权利要求195所述的光电检测器，其中所述第一纵横比为1 1。
197.根据权利要求195所述的光电检测器，其中所述第一纵横比为2 3。
198.根据权利要求195所述的光电检测器，其中所述第一纵横比为3 4。
199.根据权利要求195所述的光电检测器，其中所述第一像素电路基本包含在第三矩 形区域中，并且所述第二像素电路基本包含在第四矩形区域中，其中所述第三矩形区域 的第三尺寸与所述第四矩形区域的第四尺寸以第二纵横 比相关联。
200.根据权利要求8所述的光电检测器，其中所述第二纵横比大于所述第一纵横比。
201.根据权利要求8所述的光电检测器，其中所述第二纵横比大于所述第一纵横比的 两倍。
全文摘要
描述了一种光电检测器以及相应的材料、系统及方法。所述光电检测器包括集成电路及至少两个光敏层。第一光敏层在所述集成电路的至少部分上，并且第二光敏层在所述第一光敏层上。每个光敏层插置在两个电极之间。所述两个电极包括相应的第一电极及相应的第二电极。所述集成电路选择性地对所述电极施加偏压，并从所述光敏层中读出信号。所述信号与由相应的光敏层接收到的光子的数量有关。
文档编号H01L27/14GK102017147SQ200880020973
公开日2011年4月13日 申请日期2008年4月18日 优先权日2007年4月18日
发明者亚瑟·阿加雅尼亚恩, 代安·代莱汉蒂·麦克尼尔, 伊恩·斯图尔特·亚当斯, 伊戈尔·康斯坦丁·伊万诺夫, 伊桑·雅各布·杜肯菲尔德·克莱姆, 先·奥赖利·欣兹, 凯文·亨特, 史蒂文·大卫·奥利佛, 唐江, 基思·威廉·约翰斯通, 基思·格里恩·菲费, 威廉·马丁·斯内尔格罗夫, 安德拉斯·格察·帕坦蒂乌斯阿夫拉姆, 拉里莎·莱温娜, 杰斯·贾恩·扬·里, 杰森·保罗·克利福德, 爱德华·哈特利·萨金特, 田辉, 皮埃尔·亨利·雷涅·德拉纳韦, 米尔顿·董, 耶拉西莫斯·康斯坦塔托斯, 舒尔德·霍格兰, 迈克尔·查尔斯·布罗丁, 阿尔明·费希尔, 雷蒙德·奇克 申请人:因维萨热技术公司