MX2013005780A - Fotodetectores infrarrojos con alta capacidad de deteccion en voltaje de accionamiento bajo. - Google Patents
Fotodetectores infrarrojos con alta capacidad de deteccion en voltaje de accionamiento bajo.Info
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Abstract
Un fotodetector con alta capacidad de detección comprende una capa sensibilizadora de IR situada entre una capa de bloqueo de electrones (EBL) y una capa de bloqueo de orificio (HBL); la EBL y HBL reducen significativamente la corriente de oscuridad, lo que da como resultado una alta capacidad de detección mientras que permite el uso de un voltaje bajo aplicado al fotodetector IR.
Description
FOTODETECTORES INFRARROJOS CON ALTA CAPACIDAD DE DETECCIÓN EN VOLTAJE DE ACCIONAMIENTO BAJO
REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUD RELACIONADA
La presente solicitud reclama el beneficio de la Solicitud Provisional de E.U.A. No. serie 61/416,630, presentada el Martes, 23 de Noviembre de 2010, que incorpora la presente para referencia en su totalidad, incluyendo cualesquier figuras, cuadros o dibujos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las gafas de visión nocturna existentes son complejos dispositivos electro-ópticos que intensifican la luz existente en lugar de depender de su propia fuente de luz. En una configuración típica, una lente convencional, llamada la lente objetivo, capta luz ambiental y cierta luz cercana al infrarrojo. La luz recopilada se envía a continuación a un tubo intensificador de imagen. El tubo intensificador de imagen utiliza una fotocátodo para recopilar los fotones de energía de la luz para la generación de electrones. Conforme los electrones pasan a través del tubo, más electrones pueden ser liberados de los átomos en el tubo, multiplicando el número original de electrones por un factor de miles, a menudo mediante una placa de microcanales (MCP). El tubo intensificador de imagen puede
colocarse de tal modo que una cascada de electrones choca con una pantalla con recubrimiento de fósforo al final del tubo y los electrones retienen la posición del canal por el que pasaron. La energía de los electrones hace que el fósforo alcance un estado excitado y libere los fotones, los que crean una imagen verde en la pantalla y caracterizan la visión nocturna de la técnica. La imagen de fósforo en verde puede ser vista a través de una lente ocular donde la imagen se amplía y se enfoca.
Recientemente, los dispositivos de conversión ascendente de luz visible han atraído una gran cantidad de interés de investigación debido a sus aplicaciones potenciales en visión nocturna, telemetría, seguridad e inspecciones de obleas semiconductoras. Los dispositivos de conversión ascendente de cercano a infrarrojo (NIR) estuvieron basados principalmente en la estructura de heterounión de semiconductores inorgánicos, en donde una sección fotodetectora y una luminescente están en serie. Los dispositivos de conversión ascendente son distinguidos principalmente por el método de fotodetección. Los dispositivos de conversión ascendente inorgánicos e híbridos actuales son caros de fabricar y los procesos usados para fabricar estos dispositivos no son compatibles con aplicaciones de área grande. Se están haciendo esfuerzos por lograr dispositivos de conversión ascendente de bajo costo que tengan mayores eficiencias de conversión. Por desgracia, ninguno de ellos ha sido identificado que permita suficiente capacidad de detección a voltajes de accionamiento bajos, por lo general debido a la alta densidad de corriente de oscuridad que conduce a un contraste insuficiente en el fotodetector. Por lo tanto, sigue existiendo la necesidad de lograr un alto contraste en un dispositivo de conversión ascendente y un fotodetector IR con alta capacidad de detección y que requiera voltajes de accionamiento bajos, por ejemplo, alrededor de 10V.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Modalidades de la invención se dirigen a fotodetectores infrarrojos (IR) que comprenden una capa sensibilizadora que separa una capa de bloqueo de electrones (EBL) y una capa de bloqueo de orificio (HBL), en donde el fotodetector IR tiene alta capacidad de detección. Los fotodetectores IR pueden usarse en voltajes por debajo de 20V. Se pueden usar capas sensibilizadoras de IR de perilen-3,4,9,10-tetracarboxilico-3,4,9, 10-dianhídrido (PCTDA), ftalocianina de estaño (II) (SnPc), SnPc:C60, cloruro de aluminio y ftalocianina (AIPcCI), AIPcCI:C6o, titanil ftalocianina (TiOPc), TiOPc:C60 puntos cuánticos de PbSe (QDs), PbS QD, películas delgadas de PbSe, películas delgadas de PbS, InAs, InGaAs, Si, Ge, o GaAs. La EBL puede ser poli(9,9-dioctil-fluoreno-co-N-(4-butilfenil)difenilamina) (TFB), Poli-/V,/V-D/s-4-butilfenil-/V,A/-b s-fenilbenzidina (poli-TPD), o poliestireno-N,N-difenil-N,N-bis(4-n-butilfenil)-(1 ,10-bifenil)-4,4-d¡amina-perfluorociclobutano (PS-TPD-PFCB) y la HBL puede ser 2,9-Dimetil-4,7-difenil-1 ,10-fenantrolina (BCP), p-b/s(trifenilsilil)benceno (UGH2), 4,7-difenil-1 ,10-fenantrolina (BPhen), tris-(8-h¡droxi quinolina) aluminio (Alq3), 3,5'-A/,/V - dicarbazol-benceno (mCP), C6o, tris[3-(3-p¡rid¡l)-mes¡t¡l]borano (3TPYMB), películas delgadas de ZnO, nanopartículas de ZnO, películas delgadas de T¡O2 o nanopartículas de TiO2.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra una gráfica esquemática de un fotodetector infrarrojo con alta capacidad de detección de conformidad con una modalidad de la invención.
Las figuras 2A-2C muestran: Figura 2A: un diagrama esquemático y figura 2B: características de J-V de oscuridad del fotodetector orgánico sin y con una capa de bloqueo de orificio y/o una capa de bloqueo de electrones, y Figura 2C: capacidad de detección de un fotodetector orgánico con capa de bloqueo de electrones y de orificio en función de la longitud de onda, de acuerdo con una modalidad de la invención.
Las figuras 3A-3C muestran: Figura 3A: las estructuras químicas de materiales EBL y HBL y una imagen TEM del material sensibilizador IR utilizado para preparar los fotodetectores IR, según una modalidad de la invención, Figura 3B: espectros típicos de absorción de nanocristales PbSe QD de varios tamaños con un inserto de una imagen TEM de los puntos cuánticos, y figura 3C: un esquema de una estructura energética de un fotodetector IR con una corriente de oscuridad reducida.
Las figuras 4A-4C muestran: Figura 4A: un gráfico de las
características de corriente-voltaje (J-V) del punto cuántico de PbSe que comprende fotodetectores con y sin una HBL y una EBL, de acuerdo con una modalidad de la invención en un estado de oscuridad (J o) y de iluminación (J Ph ) con una irradiación a ?= 830nm, Figura 4B: las corrientes de oscuridad, foto-corrientes y los valores calculados de capacidad de detección para diferentes fotodetectores IR bajo una polarización de -0.5V, y Figura 4C: las curvas de capacidad de detección a través del espectro visible e IR para fotodetectores con y sin HBL y una EBL calculada a partir de curvas de respuesta espectrales polarizadas a -0.5V.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Modalidades de la invención están dirigidas a un fotodetector infrarrojo de alta capacidad de detección para usarse como un sensor y para usarse en un dispositivo de conversión ascendente. Cuando la corriente de oscuridad es el principal factor de ruido, la capacidad de detección puede expresarse como la siguiente ecuación (1 ).
D* = R/(2qJd)V2 (1)
donde R es la capacidad de respuesta, Jd es la densidad de la corriente de oscuridad y q es la carga elemental (1 .6 x 10"19 C). Para lograr un fotodetector con una capacidad óptima de detección, se requiere una densidad de corriente de oscuridad muy baja. Los fotodetectores, según modalidades de la invención, comprenden una capa de bloqueo de orificio
(HBL) con un orbital molecular ocupado más alto profundo (HOMO) y una capa de bloqueo de electrones (EBL) con un orbital molecular desocupado más bajo (LUMO), donde la EBL está situado en la superficie orientada hacia el ánodo y la HBL se sitúa en la superficie orientada hacia el cátodo de una capa fotosensible a IR, como se muestra en la figura 1. Las capas pueden variar de unos 20 nm a 500 nm de espesor, y cuando la distancia general entre los electrodos es inferior a 5 µ??. El fotodetector IR, según modalidades de la invención, permite una alta capacidad de detección a voltajes aplicados menores a 5V.
En modalidades de la invención, la capa fotosensible a IR puede ser un material orgánico u organometálico o un material inorgánico. En algunas modalidades de la invención, el material absorbe una gran parte del IR, más allá del IR cercano (700 a 1400 nm), por ejemplo, hasta longitudes de hasta 1800 nm o mayor. Materiales orgánicos u organomealicos de ejemplo incluyen: perilen-3,4,9,10-tetracarboxilico-3,4,9,10-dianhídrido (PCTDA); ftalocianina de estaño (II) (SnPc); SnPc:C6o; cloruro de ftalocianina de aluminio (AIPcCI); AIPcCI:C60; titanil ftalocianina (TiOPc) y TiOPc:C60-Materiales inorgánicos para su uso como capas fotosensibles incluyen: puntos cuánticos de PbSe (QD); puntos cuánticos de PbS; películas delgadas de PbSe; películas delgadas de PbS; InAs; InGaAs; Si, Ge y GaAs.
En modalidades de la invención, la HBL puede ser un material orgánico u organometálico incluyendo, pero no limitado a: 2,9-Dimetil-4,7-difenil-1 ,10-fenantrolina (BCP); p-b/s(trifenilsilil)benceno (UGH2); 4,7-difenil- 1 ,10-fenantrolina (BPhen); tr¡s-(8-h¡drox¡ quinolina) aluminio (Akfc); 3,5'-?/,?/'-dicarbazol-benceno (mCP); C6o y tris[3-(3-piridil)-mesitil]borano (3TPYMB). En otras modalidades de la invención, la HBL puede ser un material inorgánico incluyendo, pero no limitado a, películas delgadas o nanoparticulas de ZnO o TiO2.
En modalidades de la invención, la EBL puede ser un material orgánico, incluyendo pero no limitado a: poli(9,9-dioctil-fluoreno-co-N-(4-butilfenil)difenilamina) (TFB); 1 ,1-bis[(di-4-tolilamino)fenil]ciclohexano (TAPC); A/,A/'-difenil-A/,/V'(2-naftil)-(1,r-fenil)-4,4'-diamina (NPB); A/,A/'-difenil-/V,A/'-di(m-tolil) benzidina (TPD); poli-N,/V -6 s-4-butilfenil-A/,/ /'-bís-fenilbenzidina (poli-TPD) o poliestireno-A/,/V-difenil-/\/,/\/-í s(4-n-butilfenil)-(1 ,10-bifenil)-4,4-diamina-perfluorociclobutano (PS-TPD-PFCB).
Métodos y materiales
Se prepararon fotodetectores sin capa de bloqueo, poli-TPD como EBL, nanoparticulas de ZnO como un HBL y con nanoparticulas poli-TPD y ZnO como EBL y HBL, respectivamente, como se muestra en la Figura 2A, donde la capa fotosensible a IR comprendió nanocristales de PbSe. Como se puede observar en la Figura 2B, las gráficas de voltaje de oscuridad (J-V) para los fotodetectores disminuyeron en más de 3 órdenes de magnitud comparado con una EBL y una HBL del fotodetector que está libre de la capa de bloqueo. El fotodetector con ambas capas de bloqueo muestran una capacidad de detección de más de 10 1 Jones sobre longitudes de onda IR y
visibles menores a 950 nm.
También se construyeron fotodetectores de nanopartículas inorgánicas sin capas de bloqueo y con capas EBL y HBL. El fotodetector, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 3C, comprendió diversas HBL (BCP, C60, o ZnO), EBL (TFB o poli-TPD), cuyas estructuras se muestran en la Figura 3A, y donde los puntos cuánticos de PbSe comprendieron la capa fotosensible a IR, lo que se muestra en la Figura 3B como una imagen TEM como un inserto al espectro de absorción IR de las capas. Los niveles de HOMO y LUMO de estos materiales de bloqueo se muestran en el cuadro 1 a continuación. Si bien la magnitud de reducción varía, la colocación de una EBL y de una HBL en el fotodetector de PbSe resulta en una reducción significativa de la corriente de oscuridad a voltajes bajos aplicados, como se muestra en la Figura 4A. La figura 4B es un gráfico de la corriente de oscuridad, fotocorriente y capacidad de detección del fotodetector de PbSe con y sin los diversos sistemas de capa de bloqueo. La figura 4C muestra la mejora en capacidad de detección como una función de la longitud de onda que resulta por tener una EBL y una HBL.
CUADRO 1
Materiales de capa de bloqueo y sus energías de HOMO y LUMO
Material Energía HOMO Energía LUMO Tipo de capa
en eV en eV
TFB -5.3 -2.1 Bloqueo de electrones
Poli-TPD -5.1 -2.3 Bloqueo de electrones
-6.2 -4.3 Bloqueo de orificio
BCP -6.5 -1.9 Bloqueo de excitones/orificio
ZnO (NC) -7.6 -4.2 Bloqueo de orificio
Debe entenderse que los ejemplos y las modalidades aquí
descritas son únicamente para propósitos ilustrativos y que se sugerirán varias modificaciones o cambios en vista de los mismos a los expertos en la
técnica y se incluirán en la esencia y ámbito de esta solicitud.
Claims (6)
- NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES 1.- Un fotodetector IR, que comprende una capa sensibilizadora de IR que separa una capa de bloqueo de electrones (EBL) y una capa de bloqueo de orificio (HBL), en donde el fotodetector IR tiene alta capacidad de detección. 2 - El fotodetector IR de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la capa sensibilizadora de IR comprende perilen-S^.g.lO-tetracarboxílico-S^.Q.IO-dianhídrido (PCTDA); ftalocianina de estaño (II) (SnPc), SnPc:C6o, cloruro de ftalocianina de aluminio (AIPcCI), AIPcCI:C60, titanil ftalocianina (TiOPc) o TiOPc:C6o- 3. - El fotodetector IR de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la capa sensibilizadora de IR comprende puntos cuánticos de PbSe (QD), puntos cuánticos de PbS, PbSe, PbS, InAs, InGaAs, Si, Ge, o GaAs. 4. - ¿El fotodetector IR de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la EBL comprende pol¡(9,9-dioctil-fluoreno-co-N-(4-butilfenil)difenilamina) (TFB), Poli-A/,A/-/)/'s-4-butiÍfenil-A/>/\/-b s-fenilbenzidina (poli-TPD), o poliestireno-N,N-difenil-N,N-bis(4-n-butilfen¡l)-(1 ,10-bifenil)-4,4-diamina-perfluorociclobutano (PS-TPD-PFCB). 5 - El fotodetector IR de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la HBL comprende 2,9-Dimetil-4,7-difenil-1 ,10-fenantrolina (BCP); p-b/s(trifenilsilil)benceno (UGH2); 4,7-difenil-1 ,10-fenantrolina (BPhen); tris-(8-hidroxi quinolina) aluminio (Alq3); 3,5'-?/,?/'-dicarbazol-benceno (mCP); C6o o tris[3-(3-piridil)-mesitil]borano (3TPYMB). 6.- El fotodetector IR de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la HBL comprende películas continuas o de nanoparticulas de ZnO o TiO2.
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