专利名称：提高光侦测度的光侦测组件及其形成方法
提高光侦测度的光侦测组件及其形成方法技术领域
本发明揭露一种光侦测组件及其形成方法，特别是有关于一种提高光侦测度的光侦测组件。
背景技术：
光侦测因使用材质的不同可以分为无机光侦测器与有机光侦测器。无机光侦测器已广泛的应用于各领域，例如电荷稱合组件(charge-coupled device,CO))、互补式金属氧化半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)感测组件等。相对于无机光侦测器，有机光侦测器具有更优于无机光侦测器的特性，例如可挠曲、工艺温度较低等。
而在有机光侦测器发展当中，近来以美国加州大学Y.Yang团队在Naure nanotechnology 发表的一篇论文最受:嘱目[H.Y.Chen, M.K.F.Lo, G.Yang,H.G.Monbouquette, and Y.Yang, Nature Nanotech.3, 543 (2008)]，作者以 P3HT:PCBM 系统内部掺杂无机纳米粒子(CdTe)材料来制作成有机光侦测器。该文献指出，以CdTe掺杂到组件主动层内部，可提升整体外部量子效应值(EQE)，达到光增益性的效果。
而在2010年，本案的申请人曾以掺杂有机近红外光吸收材料于主动层内部的方式得到光增益性的效果[F.C.Chen, S.C.Chien and G.L.Cious, Appl.Phys.Lett.,97,103301 (2010).]，并且因为掺杂的有机红外光材料将整体光侦测组件延伸到近红外光波长部分(750nm 950nm)，有效扩大光侦器的应用范围。更重要的是，申请人不使用无机纳米粒子而改用有机染料分子，而有下列的优点:第一、目前已有许多长波长的有机染料分子可供选择，其多样化的化学结构有利于未来组件的改善，也更有机会延伸至更长的波长。第二、从以往的经验来看，有机无机混成的组件多数有相分离的问题要考虑，虽然使用有机染料分子并不表示没有相分离的现象，但相分离的问题较低，组件效能相对上会较好。第三、有机分子相较于多数的半导体无机纳米粒子具有较低的毒性。但可惜的是，由于有机染料分子的低能间隙，组件漏电较大，侦测度将有所限制。
另一方面,在2011年，G.Sarasqueta等人则利用有机及无机的阻挡层(blockinglayer)降低有机无机混成光感测组件的暗电流,藉以提升组件的侦测度(detectivity)[G.Sarasqueta, K.R.Chiudhury, J.Subbiah and F.So, Adv.Funct.Mat.21,167 (2011)]。然而此组件并无光导增益(photoconductive gain)的现象,信号的放大效果较差。发明内容
根据已知技术中，有机光导增益组件因其不同于一般光二极管式的操作机制，因此能否以电荷阻挡层提升组件性仍是未知数，缘此，申请案提出一新的解决方法，可以明显改善组件的暗电流，并进一步提升有机光增益侦测器的侦测度。虽然前述H.Y.Chen等人及本研究室的成果都指出，光子增益现象的有机光侦测器可以轻易达成，使得有不错的光导增益(photoconductive gain),但假设在组件中加入近红外光分子，由于低能间隙之故,组件很容易有很大的暗电流，使得组件的侦测度不易提升。因此，此类的光增益有机光侦测器必须寻求有效的方法降低其暗电流。
据此，本发明的主要目的是揭露一种利用电荷阻挡层降低光侦测组件的暗电流，因而提升光侦测组件的侦测度，同时可以维持较佳的光响应以及外部量子效应(externalquantum efficiency)。
本发明的另一目的，可以取代目前现有的无机光侦测器，使得产品成本可以降低。
本发明的再一目的，可以将有机光侦测组件应用于可挠式电子产品或是显示产品如光感式的触控面板上。
根据上述目的，本发明揭露一种光侦测组件的形成方法，其包括:提供基板；在基板上形成透明导电薄膜；在透明导电薄膜上形成导电高分子层；在导电高分子层上形成有机主动层；在有机主动层上形成电荷阻挡层；以及在电荷阻挡层上形成阴极金属。
在本发明的一实施例中，上述的形成导电高分子层的方法包括涂布法。
在本发明的一实施例中，上述的形成导电高分子层的方法包括旋转涂布法。
在本发明的一实施例中，上述的形成有机主动层的步骤包括:提供苯基碳61 丁酸甲酯(poly (3-hexylthiophene) (P3HT)及[6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester(PCBM));将有机染料混合于苯基碳61 丁酸甲酯以形成有机混合物；以及沉积有机混合物层以形成有机主动层在导电高分子层上。
在本发明的一实施例中，上述的形成阴极金属的方法包括热蒸镀法。
根据本发明所述的光侦测组件的形成方法，本发明还揭露一种提高光侦测度的光侦测组件，包括:一基板；一透明导电薄膜设置在基板上；一导电高分子层设置在透明导电薄膜上；一有机主动层设置在导电高分子层上；一电荷阻挡层设置在有机主动层上；以及一阴极金属层设置在电荷阻挡层上。
在本发明的一实施例中，上述的透明导电薄膜的材料为铟锡氧化物(ΙΤ0，indiumtin oxide)。
在本发明的一实施例中，上述的有机主动层的材料包括一苯基碳61 丁酸甲酯(poly (3-hexylthiophene) (P3HT)及[6，6]-phenyl C61-butyric acid methylester(PCBM))及一有机染料。
在本发明的一实施例中，上述的有机染料的组成包括4, 5-benzoindotricarbocyanine (Ir-125)。
在本发明的一实施例中，上述的电荷阻挡层的材料包括2，9-dimethyl-4，7-diphenyl-l,10-phenanthroline(BCP)。
在本发明的一实施例中，上述的阴极金属包含一阴极材料及一接线，且接线与阴极材料电性连接并与一外部电路电性连接。
在本发明的一实施例中，上述的阴极材料为钙。
在本发明的一实施例中，上述的接线为铝。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附的图式，作详细说明如下。
图1根据本发明所揭露的技术，表示形成光侦测组件的截面示意图2根据本发明所揭露的技术，表示光侦测组件内部材料能阶图3根据本发明所揭露的技术，表示当光侦测组件加入不同厚度的电荷阻挡层之后的暗电流不意图4根据本发明所揭露的技术，表示光侦测组件在逆向偏压为负0.2伏特下，组件的外部量子转换效率；以及
图5根据本发明所揭露的技术，表示在不同电荷阻挡层厚度，于不同波长下组件的侦测度。
具体实施方式
首先，请参考图1所示。在图1中表示形成光侦测组件的截面示意图。其光侦测组件I的形成步骤包含:先提供一基板10。接着，在基板10上成长一透明导电薄膜12，其成长的方式包括溅镀、蒸镀、化学气相沉积等，以及透明导电薄膜12的成长厚度范围为I 100微米(μπι)。然后,在透明导电薄膜12上形成导电高分子层14(conductive polymer),其形成方式包括涂布(coating)及旋转涂布(spin-coating),其导电高分子层14形成的厚度范围I 1000纳米(nm)。之后，在导电高分子层14上沉积有机主动层16 (或为有机半导体层)，其由苯基碳 61 丁酸甲酯混合物(poly (3-hexylthiophene) (P3HT)及[6,6]-phenylC61-butyric acid methyl ester (PCBM))与有机染料 Ir-125。接着，在有机主动层 16 上以热蒸镀的方式形成电荷阻挡层(charge blocking layer) 18。在经过退火步骤之后,再于电荷阻挡层18上制作阴极金属20，其中阴极金属20由阴极材料及接线所构成，其阴极材料一般为钙、锂等低功函数金属或是常见的金属氧化物如Cs2C03、Ti0x、Zn0等，而以金、银、铜、铝、镍以及锌等金属导线做为对外部电路的接线，并且可以保护阴极材料，如钙等不会被空气中的水氧成份所氧化。于此实施例中，透明导电薄膜12的材料包括铟锡氧化物(ITO, indium tin oxide)。
于本发明的实施例中，因有机近红外光染料Ir-125捕捉电子载子，因此电荷阻挡层18主要为阻挡空穴。因此当电荷阻挡层18的材料为2，9-dimethyl-4，7-diphenyl-l，10-phenanthroline (BCP)时,其整个组件的能阶图如图2所示。
接着如图2所示，光侦测组件的操作机制如下所述。当组件吸收光子并产生电子空穴分离之后，在逆向偏压的条件下，空穴可顺利流出组件，但在位能井内将电子捕捉，因此当大量的电子堆积于组件中时，产生强大的电场，使得在逆向偏压的条件下，原本空穴注入的位能帐大幅地降低，而有多余的空穴可以大量的注入于组件当中。最后被电极接收所产生大量的电流值，获得所谓的光电增益效应。
接着请参考图3所示。在图3中当光侦测组件加入不同厚度的电荷阻挡层18之后的暗电流示意图。很明显的可以得到，电荷阻挡层18可以有效地降低组件的暗电流，且同时请参考图2所示的能阶图，在逆向偏压时，空穴有机会注入P3HT或是Ir-125的最高占有分子轨域(high occupied molecular orbital,HOMO),然而加入了电荷阻挡层18之后，其根据实验推测可以大幅降低空穴的注入。此外，其电子注入组件之后被收集的机率也会降低，因此可以降低整体组件的暗电流。
接着请继续参考图4。图4为光侦测组件在逆向偏压为负0.2伏特下，组件的外部量子转换效率。由图4中可以看到当电荷阻挡层18的厚度为22纳米(nm)时，组件最高外部量子转换效率可高达2000 %。
此外要说明的是，对于一个光侦测组件而言，于学理上外部量子转换效率是很重要的指标，而在实际应用上另一个重要的指标为侦测度(detectivity)，其中侦测度的定义为:
D* = (Α δ f) °.5/nep ⑴
其中A为组件侦测面积，单位为cm2 ; Δ f为带宽，单位为Hz ；NEP为噪声等效功率(Noise equivalent power),当光打在侦测器上所形成的电流信号中，包含了 一些噪声，这些噪声来自于暗电流(Dark current)、约翰逊噪声(Johnson noise)和热扰动噪声(Thermal fluctuation noise or flicker noise),一般来说暗电流为最主要的噪声来源，因此NEP可表示为:
NEP = in/R，in = (2qIdAf) (2)
其中in即为噪声信号强度，R为光响应度(Responsivity)，将公式(2)代入公式(I)即可得到:
D* = ((AAf) °.5R/in = R/ (2q Jd)α 5
其中R的单位为A/W、Jd的单位为A an2,因此D*的单位为Hz°_5cm/W，又IJones =HZ°_5cm/W。由此公式得知若能同时降低组件暗电流以及提升组件光电流，则光侦测组件的侦测度将会大幅提升。
接着请参考图5。图5表示在不同电荷阻挡层18厚度，于不同波长下组件的侦测度，可看出当电荷阻挡层18厚度为18nm时，组件于波长为550nm之处的侦测度为2.4X1012Jones (ljones = Hz°_5cm/W)，相较于未加入电荷阻挡层18的组件时的侦测度(4.5X IOllJones)有极为明显的提升。因此根据以上实验分析的结果充份显示出加入电荷阻挡层18之后，能改善有机光侦测器的光侦测度。另外，于本发明所揭露的利用加入电荷阻挡层的方式降低有机光增益侦测器的暗电流，在逆向偏压负4V下，暗电流可从侦测度-43.8降低至1.82mA/cm2。同时因为较低的暗电流，有机光增益侦测器的侦测度也可大幅改善。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求书；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的权利要求书内。
权利要求
1.一种光侦测组件的形成方法，其特征是: 提供一基板；于该基板上形成一透明导电薄膜；于该透明导电薄膜上形成一导电高分子层；于该导电高分子层上形成一有机主动层；于该有机主动层上形成一电荷阻挡层；以及于该电荷阻挡层上形成一阴极金属藉以形成该光侦测组件。
2.如权利要求1所述的光侦测组件的形成方法，其中形成该导电高分子层的方法包括涂布(coating)法。
3.如权利要求1所述的光侦测组件的形成方法，其中形成该导电高分子层的方法包括旋转涂布(spin-coating)法。
4.如权利要求1所述的光侦测组件的形成方法，其中形成该有机主动层的步骤，其特征是: 提供一苯基碳 61 丁 酸甲酯(poly (3-hexylthiophene) (P3HT)及[6,6]-phenylC61-butyric acid methyl ester(PCBM));将一有机染料混合于该苯基碳61 丁酸甲酯以形成一有机混合物；以及沉积该有机混合物层以形成该有机主动层在该导电高分子层上。
5.如权利要求1所述的光侦测组件的形成方法，其中形成该电荷阻挡层的方法包括热蒸镀法。
6.一种提高光侦测度的光侦测组件，其特征是: 一基板；一透明导电薄膜设置在该基板上；一导电高分子层设置在该透明导电薄膜上；一有机主动层设置在该导电高分子层上；一电荷阻挡层设置在该有机主动层上；以及一阴极金属层设置在该电荷阻挡层上藉以形成该光侦测组件。
7.如权利要求6所述的提高光侦测度的光侦测组件，其中该透明导电薄膜的材料为铟锡氧化物(ITO, indium tin oxide)。
8.如权利要求6所述的提高光侦测度的光侦测组件，其中该有机主动层的材料包括一苯基碳61 丁酸甲酯(poly (3-hexylthiophene) (P3HT)及[6,6]-phenyl C61-butyric acidmethyl ester (PCBM))及一有机染料。
9.如权利要求8所述的提高光侦测度的光侦测组件，其中该有机染料的组成包括Ir-125。
10.如权利要求6所述的提高光侦测度的光侦测组件，其中该电荷阻挡层的材料包括2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-l,10-phenanthroline (BCP)。
11.如权利要求6所述的提高光侦测度的光侦测组件，其中该阴极金属包含一阴极材料及一接线，该接线与该阴极材料电性连接并与一外部电路电性连接。
12.如权利要求11所述的提供光侦测度的光侦测组件，其中该阴极材料由钙、锂、Cs2C03、TiOx,以及ZnO等群组中选出。
13.如权利要求11所述的提供光侦测度的光侦测组件，其中该接线由金、银、铜、铝、镍以及锌等群组中选出。
全文摘要
本发明揭露一种光侦测组件的形成方法，包括提供基板；在基板上形成透明导电薄膜；在透明导电薄膜上形成导电高分子层；在导电高分子层上形成有机主动层；在有机主动层上形成电荷阻挡层；以及在电荷阻挡层上形成阴极金属。
文档编号H01L51/42GK103151465SQ201110418438
公开日2013年6月12日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者陈方中, 林书丞 申请人:财团法人交大思源基金会