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CN110366780B - 光检测器阵列 - Google Patents

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CN110366780B
CN110366780B CN201880006653.7A CN201880006653A CN110366780B CN 110366780 B CN110366780 B CN 110366780B CN 201880006653 A CN201880006653 A CN 201880006653A CN 110366780 B CN110366780 B CN 110366780B
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Abstract

本发明提供一种光检测器阵列，其在形成于基板上、沿第1方向平行延伸的多个第1电极与沿与该第1电极交叉的第2方向平行延伸的多个第2电极之间具有层叠膜，所述层叠膜是第1有机薄膜二极管与第2有机薄膜二极管通过成为公共阳极或公共阴极的中间连接电极层进行反向二极管连接而成。第1电极和第2电极中的至少一方具有使光透过的透明性，第1有机薄膜二极管为光响应性有机二极管，第2有机薄膜二极管为有机整流二极管。此外，中间连接电极层在作为公共阳极时以对其连接的第1有机薄膜二极管和第2有机薄膜二极管交接空穴的方式进行动作，中间连接电极层在作为公共阴极时以对其连接的第1有机薄膜二极管和第2有机薄膜二极管交接电子的方式进行动作。通过该光检测器阵列，可以使用有机半导体材料来容易地制造大面积、柔软、可弯曲的薄片型二维光影像扫描仪。

Description

光检测器阵列
交叉参考
交叉引用
本申请主张基于2017年1月15日于日本申请的日本专利申请2017-4745号的优先权，该申请记载的全部内容通过参考直接引用到本说明书中。此外，本申请中引用的所有专利、专利申请及文献记载的全部内容通过参考直接引用到本说明书。
技术领域
本发明涉及挠性薄片型光影像扫描仪。更详细而言，涉及在片材上以二维方式配置由有机半导体构成的光检测器而成的、适于阵列动作的光影像扫描仪。
背景技术
作为以二维方式捕捉光强度分布来获取图像的装置，数字相机中装入的CCD(Charged-coupled devices)、CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor)等影像传感器已广为普及。这些影像传感器是通过呈二维阵列状高密度地排列光检测器并与利用透镜的缩小投影光学系统组合而构成。此外，作为用以将纸介质等记录介质上形成的图像、文字加以数字图像信息化的设备，被称为影像扫描仪的装置已广为普及。影像扫描仪利用呈一维阵列状排列光检测器而成的影像传感器对记录介质相对地扫描(scan)来获得二维信息。在这些装置中，需要透镜投影、扫描用的机构，相对于影像传感器的尺寸而言装置较大，须对测定对象确保距离。
另一方面，提出有使二维的影像传感器密接至测定对象的薄片型影像扫描仪。非专利文献1揭示的薄片型影像扫描仪是在由聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)树脂构成的挠性基材上呈二维阵列状排列由有机半导体构成的有机光电二极管这一光检测器而形成。并且，在别的PEN基材上与光检测器一一对应地、以被称为有源矩阵型的开关阵列的形式形成有由有机晶体管构成的开关电路，以从各光检测器读出输出电流。将这两块基材层叠，利用导电性银膏将光检测器与开关电路一对一地加以连接。
此外，专利文献1揭示了在硅基板内将由硅半导体构成的二极管与由硅半导体构成的光检测器即光电二极管纵向层叠在一起的、二极管结合方式的有源矩阵型影像传感器。该构成可以通过二极管的整流功能来避免无源矩阵型阵列元件中以噪声、误差的形式产生的电流的回绕、电压的串扰。此外，通过在纵与横的线路电极之间纵向层叠材料而成的膜结构，构成为以单片方式进行光检测器和开关电路的制膜而得的元件。
如这些现有技术所述，要呈二维阵列状排列光检测器并利用各光检测器高精度地检测光强度，就要将设置在矩阵配置的电极的交叉部的各光检测器电性分离，为此，须对各光电二极管串联开关元件。该开关元件可为二极管也可为晶体管。在使用二极管的情况下，在光电二极管与二极管的连接中，anode(阳极)彼此或cathode(阴极)彼此相连。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第4,758,734号说明书
非专利文献
非专利文献1：T.Someya,S.Iba,Y.Kato,T.Sekitani,Y.Noguchi,Y.Murase,H.Kawaguchi,and T.Sakurai,"A Large-Area,Flexible,and Lightweight Sheet ImageScanner",2004IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM),#15.1,pp.365-368,Hilton San Francisco and Towers,San Francisco,CA,December 13-15,2004.
发明内容
发明要解决的问题
由无机半导体构成的电子设备中使用的玻璃、硅等基材容易破裂，难以自由弯曲，相对于此，使用有机半导体等有机材料的电子设备由于有机材料所具有的柔软性和能在低温下制膜这一事实，所以能在柔软的塑料基材上形成电子元件来制作挠性电子设备。此外，由于可以在大气且室温下通过涂布的方法来制膜，因此能够廉价地提供电子设备。
另一方面，由有机材料构成的薄膜会溶于有机溶剂，因此无法运用无机半导体工艺中使用的利用有机抗蚀剂的图案化的蚀刻方法。此外同样地，无机半导体工艺中使用的利用高能量等离子体的干式蚀刻其蚀刻速度较快、难以控制，从而难以形成由复杂图案的层叠结构构成的有机半导体设备。
因此，非专利文献1记载的薄片型影像扫描仪使用的是如下构成：将作为开关元件的有机晶体管和作为光检测器的有机光电二极管形成于不同基材，在贴合两块基材时将有机晶体管与有机光电二极管加以连接。该构成需要贴合这一机械性工艺，因此元件容易发生损伤，导致良率降低。此外，存在结构复杂、成本高这样的问题。
专利文献1记载的光检测器中，成为开关二极管的由硅的PN结或PIN结构成的阻塞二极管和同样由硅的PN结或PIN结构成的光电二极管将电性连接两个二极管的导电性非晶硅夹住而层叠在一起。但是，由于制膜是通过高温工艺来进行，因此难以在塑料基板上形成。
此外，在该构成中，由于开关二极管的硅、导电性非晶硅以及光电二极管的硅的导电性较高，因此须将二维排列的光检测器的元件间分离。阻塞二极管中，通过槽而沿独立电极将硅膜分割。导电性非晶硅进而图案化为也沿公共电极分割而成的矩形。其后，利用绝缘材料填埋对元件进行分割的槽，在上部形成有透明的公共电极。如此，在层叠设备的制造中需要大量的图案形成，从而存在工艺成本升高这一问题。此外，由于要单独将开关二极管和光电二极管图案化，因此，难以通过在图案化方法上存在限制的有机半导体材料实现同样的构成。
本发明是鉴于上述缘由而成，其目的在于提供一种使用有机半导体材料以二维方式配置而成的、适于阵列动作的光检测器，并廉价地实现一种柔软、可弯曲的薄片型二维光影像扫描仪。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题，本发明的一形态由一种光检测器阵列构成，其在形成于基板上、沿第1方向平行延伸的多个第1电极与沿第2方向平行延伸的多个第2电极之间具有层叠膜，所述第2方向与该第1电极交叉，所述层叠膜是第1有机薄膜二极管与第2有机薄膜二极管通过成为公共阳极或公共阴极的中间连接电极层进行反向二极管连接而成，第1电极和第2电极中的至少一方具有使光透过的透明性，第1有机薄膜二极管为光响应性有机二极管，第2有机薄膜二极管为有机整流二极管，所述中间连接电极层在作为公共阳极时以对其连接的所述第1有机薄膜二极管和所述第2有机薄膜二极管交接空穴的方式进行动作，所述中间连接电极层在作为公共阴极时以对其连接的所述第1有机薄膜二极管和所述第2有机薄膜二极管交接电子的方式进行动作。根据该构成，可以通过施加读出电压而以电流的形式读出因光照射而在光响应性有机二极管中生成的载流子，同时，在受到光照射的光检测器中施加非读出电压时电流会尽可能减小，在仅在相互交叉的多个第1电极与第2电极之间形成层叠膜这一极为简单的构成中，能够抑制光检测器间的串扰而实现高品质的光检测。
此外，在上述光检测器阵列的构成中，第1有机薄膜二极管为异质结型、优选为体异质结型光响应性有机二极管，第2有机薄膜二极管为单载流子型或肖特基型有机整流二极管。根据该构成，能以较少层叠数实现高灵敏度的光检测器阵列。
此外，在上述光检测器阵列的构成中，第1有机薄膜二极管和第2有机薄膜二极管中，传输经由中间电极层加以交接的电子或空穴的载流子的能级相同，优选传输载流子的有机材料相同。根据该构成，可以通过施加较低的读出电压而以电流的形式读出因光照射而在光响应性有机二极管中生成的载流子。通过设为较低的读出电压，能够抑制暗电流而实现噪声较低的高品质的光检测。
此外，在上述光检测器阵列的构成中，中间连接电极层不溶于通过涂布手段进行第1有机薄膜二极管或第2有机薄膜二极管的制膜时使用的溶剂。根据该构成，在中间连接电极层上通过涂布方法来形成有机薄膜二极管时，中间连接电极层会阻挡溶剂，能够防止已形成于中间连接电极层之下的有机薄膜二极管因溶剂而再次溶解这一情况。由此，可以通过涂布方法来廉价地制造大面积的光检测器阵列。
此外，在上述光检测器阵列的构成中，以跨及多个第1电极与多个第2电极之间形成的多个光检测器的方式形成层叠膜。根据该构成，层叠膜的边缘将尽可能减少，从而能实现耐久性高的光检测器阵列。
此外，在上述检测器阵列的构成中，中间连接电极层由有机导电材料或金属氧化物导电材料构成。根据该构成，中间电极层在纵向流通电流上为足够低的电阻，同时，在横向上为高电阻，不会流通电流。因此，无须按各光检测器对中间连接电极层进行分离而加以图案化即可抑制光检测器间的串扰。
再者，上述本发明的构成可以任意组合。
本发明的不同视角下的光检测器阵列的制造方法的特征在于，包含如下工序：在形成于基板上、沿第1方向平行延伸的多个第1电极上涂布第1有机薄膜二极管的活性层；在所述第1有机薄膜二极管的活性层上涂布成为公共阳极或公共阴极的中间连接电极层；在所述中间连接层上涂布第2有机薄膜二极管的半导体层；以及在所述第2有机薄膜二极管的半导体层上进行沿与所述第1电极交叉的第2方向平行延伸的多个第2电极的制膜。
发明的效果
根据本发明，能以仅在相互交叉的多个第1电极与第2电极之间形成层叠膜这一简单的构成、使用有机半导体材料来实现光检测器间的串扰得到了抑制的高品质的光检测阵列。该简单的结构使得使用有机半导体材料的电子设备的制造成为可能，从而能够实现作为有机半导体电子设备的特征的大面积、挠性的光检测器阵列。此外，能够实现作为有机半导体设备的另一特征的低成本化。此外，由于设备是纵向层叠，因此，与将并列设置的元件加以连接的方法相比，得到了线路的简化和广阔的受光面积率。
附图说明
图1为示意性地表示说明本发明的有效性的以往的无源矩阵光检测器阵列的电路图。
图2为示意性地表示本发明的实施方式的光检测器阵列的电路构成的电路图。
图3示意性地图示了本发明的实施方式的光检测器的层叠膜构成。
图4示意性地图示了本发明的实施方式的光检测器的层叠膜构成。
图5为表示本发明的实施方式的光检测器的层叠膜构成中的能级的关系的图。
图6示意性地图示了本发明的实施方式的光检测器的层叠膜构成。
图7为表示本发明的实施方式的光检测器的层叠膜构成中的能级的关系的图。
图8为示意性地表示本发明的实施方式的光检测器阵列的电路构成的电路图。
图9为表示本发明的实施方式的光检测器的元件特性的图。
图10为表示本发明的实施方式的光检测器阵列的结构的俯视图和侧视图。
图11为表示本发明的实施例的光检测器阵列的动作的图。
图12为表示本发明的另一实施例的光检测器阵列的动作的图。
图13为表示本发明的另一实施例的光检测器阵列的形态的图。
符号说明
11、12、54、59 电极
15、21、31、51 光电二极管
16、22、32、52 整流二极管
17、50 光检测器
500 光检测器阵列。
具体实施方式
下面，使用附图，对运用了本发明的光检测器阵列的构成进行说明。以下的说明中使用的附图中，为了使特征易于理解，为方便起见有时会放大表示成为特征的部分，各构成要素的尺寸比率等未必与实际相同。以下的说明中例示的材料、尺寸等为一例，本发明并不限定于此，可以在不变更其主旨的范围内酌情加以变更来实施。
图1为示意性地表示展示本发明解决的问题的无源矩阵方式的光检测器阵列400的电路图。图1中，在纵向延伸的多个第1电极41a、41b、41c、41d与横向延伸的多个第2电极42a、42b、42c、42d的多个交叉部呈阵列状配置有作为光检测器的光电二极管45。此处，设想光照射至多个光电二极管45a、45b而在光电二极管中生成了载流子的状态。关于光强度，施加读出电压Von、利用电流计46以电流值的形式测量载流子。在无源矩阵的读出方式中，将横向延伸的第2电极作为公共电极，对多个公共电极依序施加读出电压Von，测量流至纵向延伸的独立电极即第1电极的电流。此时，理想而言，需要仅检测出被施加读出电压Von的公共电极与独立电极的交叉部上形成的光电二极管的载流子量。但是，在受到光的照射的光电二极管中，即便公共电极的电压电平为非读出电压Voff，也会因光电动势而产生电流在独立电极与公共电极之间流通的串扰。例如在测量光电二极管45b的载流子量的情况下，连接至与光电二极管45b相同的独立电极且受到光照射的光电二极管45a中也会流通电流，因此，流过电流计46的电流中，流过光电二极管45a的串扰电流就会使流过作为测定对象的光电二极管45b的电流产生误差。作为解决该问题的方法，已知有以不流通串扰电流的方式在各光电二极管中将整流二极管(阻塞二极管)与光电二极管进行反向二极管连接的方法。
图2为示意性地表示本发明的光检测器阵列100的电路图。图2中，在纵向延伸的多个第1电极11a、11b、11c、11d与横向延伸的多个第2电极12a、12b、12c、12d的多个交叉部以共用阳极而进行反向二极管连接而成的组合二极管17的形式呈阵列状配置有光响应性有机二极管(有机光电二极管)15和有机整流二极管16。读出方式与无源矩阵一样，将横向延伸的第2电极作为公共电极，对多个公共电极依序施加读出电压Von，测量流至纵向延伸的独立电极即第1电极的电流。此时，对其他公共电极施加非读出电压Voff，在受到光照射hν的二极管17a中，通过各自当中连接的有机整流二极管16将电流切断，从而将串扰电流抑制得较小。
在本发明中，光响应性有机二极管15和有机整流二极管16是将由有机半导体材料构成的薄膜层叠而形成。图3展示了已普及的以公共阴极层进行反向二极管连接的二极管的层叠膜构成。隔着作为公共的阴极电极层的中间连接电极层27在两侧层叠有机半导体膜，两端以阳极电极23、29结束。光响应性有机二极管21由阳极电极23、空穴传输层24、活性层25、电子传输层26、阴极电极27这一层叠结构构成，有机整流二极管22由阳极电极29、有机半导体层28、阴极电极27这一层叠结构构成。
图4展示了已普及的以公共阳极层进行反向二极管连接的二极管的层叠膜构成。隔着作为公共的阳极电极层的中间连接电极层37在两侧层叠有机半导体膜，两端以阴极电极33、39结束。光响应性有机二极管31由阴极电极33、电子传输层34、活性层35、空穴传输层36、阳极电极37这一层叠结构构成，有机整流二极管32由阴极电极39、有机半导体层38、阳极电极37这一层叠结构构成。
图3、图4中，构成光响应性有机二极管的活性层吸收光(通常为电磁波)而生成由电子-空穴对构成的载流子。因此，两端的电极中的至少一方具有使光(通常为电磁波)透过的透明性，以使光能从外部照射至活性层。此外，活性层可以使用利用有机半导体与金属的界面的肖特基型、将p型与n型有机半导体薄膜层叠而成的平面异质结型，并且，可以使用由p型与n型半导体材料无规混杂而成的薄膜构成的体异质结型。这些活性层当中，体异质结型不仅效率高，而且只须涂布1层混合有有机半导体的溶液即可形成，因此有能以较少工序形成活性层这一较大优点。为了从该活性层以阳极取出空穴、以阴极取出电子而流通电流，优选载流子能从活性层高效地移动至阳极和阴极。电极与活性层的能级差成为障壁而限制载流子的移动。为了降低该障壁，有时会插入成为电极与活性层之间的载流子能级的匹配层的空穴传输层(或空穴注入层)、电子传输层(或电子注入层)。
此前，并不知晓进行了反向二极管连接的光响应性有机二极管(有机光电二极管)和有机整流二极管的光响应性，在光检测器阵列中的运用的可能性和最佳构成并不明确。尤其是有机整流二极管，要求作为光不响应性二极管而发挥功能，但我们知道，通常有机二极管多少都会表现出光响应性。因此，在以往的使用硅半导体的光检测器阵列中，需要对中间连接电极层赋予遮光性等对策。但是，要获得必要的遮光性，就必须较厚地形成中间连接电极层，为了分离邻接元件，须将中间连接电极层形成为按各光检测器加以分离的图案。本发明者等人对获得源于光照射的生成载流子的读出与非读出的电流对比度的膜构成进行了调查研究，发现通过恰当地设定与膜间的载流子传输有关的电流障壁，能够兼顾两种功能。尤其发现了如下事实：以尽可能减小收取因光照射而在有机光电二极管中生成的载流子电荷并交给有机整流二极管侧时的电流障壁的方式选择形成于两个有机二极管中间的中间连接电极层这一点对于以低电压获得电流对比度比较重要。即，以如下方式选择中间连接电极层：在作为公共阳极时，能在其连接的有机光电二极管与有机整流二极管之间以低障壁交接空穴，在作为公共阴极时，能在其连接的有机光电二极管与有机整流二极管之间以低障壁交接电子。并且发现，通过恰当地选择中间连接电极层的材料，可以像后文叙述的那样在为全面膜的情况下将光检测器分离为阵列。
图5展示了有机光电二极管的活性层和有机整流二极管的半导体层的最高已占分子轨道(HOMO)及最低未占轨道(LUMO)的能级、阴极电极材料还有阳极电极材料的功函数的能级。此处，有机光电二极管利用p型高分子半导体P3HT(聚3-己基噻吩-2,5-二基)与n型有机半导体PCBM([6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯)无规混合而得的P3HT：PCBM这一体异质结型活性层。此外，有机整流二极管利用P3HT作为有机半导体层。
这些材料由成为公共阳极电极的中间连接电极层加以连接。要与直接层叠在中间连接电极层上的有机半导体层(有机光电二极管的活性层以及有机整流二极管的有机半导体层)之间进行良好的电荷的交接，在公共阳极电极的情况下，使中间连接电极材料的功函数与传输空穴的HOMO能级一致极为有效。此处所说的所谓有效，意指层叠的界面上电压障壁被抑制得较低、以低电压便能以电流的形式取出光生成载流子。P3HT：PCBM和P3HT的担负空穴传输的HOMO能级均大致为-5.2eV。其原因在于，P3HT：PCBM和P3HT中，空穴传输是由为p型半导体的P3HT担负。如此，通过在有机整流二极管中使用的有机半导体和光响应性有机二极管的活性层中使用的有机半导体中对传输经由中间连接电极加以交接的载流子的有机半导体材料使用同样组成的材料、同一材料，可以将能级匹配至相同程度。再者，所谓功函数，是将固体中的电子取出至外部所需的电位差，定义为真空能级与费米能级的能量差。此外，有机半导体的所谓HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)，是指进入有电子的能量最高的轨道，所谓LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)，是指未进入有电子的能量最低的轨道。
因而，作为用作有机光电二极管的活性层以及/或者有机整流二极管的半导体层的p型高分子半导体材料，除了上述P3HT以外，还可以使用对与其类似或不同波长的光具有灵敏度的p型半导体材料，例如可列举聚(3-辛基噻吩-2,5-二基)(P3OT)、聚(3-十二基噻吩-2,5-二基)(P3DDT)、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)、聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯撑乙烯撑](MEH-PPV)、聚[2-甲氧基-5-(3',7'-二甲基辛氧基)-1,4-苯撑乙烯撑](MDMO-PPV)、聚[(9,9-二-正辛基芴基-2,7-二基)-alt-(苯并[2,1,3]噻二唑-4,8-二基)](F8BT)、聚[(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)-co-并噻吩](F8T2)以及聚(3-辛基噻吩-2,5-二基-co-3-癸氧基噻吩-2,5-二基)(POT-co-DOT)等聚(3-烷基噻吩)类，这些材料当中优选P3HT、F8T2及PTAA等，作为带隙小、可取体异质结构的p型半导体材料，可以使用MDMO-PPV、POT-co-DOT。
另一方面，作为n型有机半导体，除了以上述PCBM为代表的富勒烯衍生物以外，还可以使用为含硼n型聚合物的BoramerT01、BoramerTC03等、为梯形聚合物的聚(苯并双咪唑苯并菲咯啉)(BBL)等。这些材料以有机电子学材料的形式在售，例如可以从SigmaAldrich公司购入。
图5中展示了作为中间连接电极层的材料候选的铝(Al)、银(Ag)、金(Au)等金属材料、PEDOT：PSS(聚3,4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸)这一有机半导体材料、氧化钼(MoOx)这一氧化物导电体的功函数。铝的功函数为-4.3eV，能量差较大，不佳。银的功函数为-4.7eV，能量差可容许。相对于这些，金的功函数为-5.3eV，氧化钼为-5.5eV，PEDOT：PSS为-5.1ev，能够减小能量差，因此适合用作作为公共阴极的中间连接电极材料。因而，在优选实施方式中，所述第1有机薄膜二极管的活性层以及/或者所述第2有机薄膜二极管的半导体层的最高已占分子轨道(HOMO)的能级与所述中间连接电极层材料的功函数的能级之差为0.5eV以下，优选为0.3eV以下。
有机光电二极管的阴极材料以可以从P3HT：PCBM良好地收取电子的方式选择与P3HT：PCBM的LUMO能级一致的电极材料。此外，为了从有机光电二极管侧获得光照射，有机光电二极管的阴极电极须对入射光透明。作为透明的导电体，ITO(氧化铟锡)比较合适。但是，ITO的功函数较大，大致为-5eV，与P3HT：PCBM的LUMO能级的能量差极大。因此，为了改善电子注入性，利用氧化锌、PEIE(聚乙烯亚胺乙氧基化物)对ITO表面进行修饰。PEIE的功函数大致为-3.4eV至-3.6eV，可以构成与P3HT：PCBM的LUMO能级一致的阴极电极。
另一方面，有机整流二极管可以运用pn二极管方式、PIN二极管方式、肖特基二极管方式等。这些二极管当中，肖特基二极管可以通过将有机半导体与导电材料层叠的极为简单的结构来实现整流功能，所以比较合适。为了与P3HT有机半导体之间形成肖特基结，Al作为阴极电极材料比较合适，其具有能与为p型半导体的P3HT的HOMO能级之间形成障壁的能量差。此外，同时流通空穴和电子的双载流子有机半导体选择HOMO-LUMO能级差较大的宽带隙半导体。
上文中，针对图4所示的以公共阳极层进行反向二极管连接的二极管的层叠膜构成、对层叠膜的能级的恰当构成进行了叙述。同样的讨论对于图3所示的以公共阴极层进行反向二极管连接的二极管的层叠膜构成也适用。但是，以经由公共阴极来交接电子的方式确保LUMO能级的匹配性比在HOMO能级下获得匹配性的材料选择困难。因此，公共阳极的构成的优异之处在于材料的选择范围广、容易实现灵敏度高的光检测器或者波长灵敏度广的光检测器。
图6展示了本发明的光检测器阵列中的光检测元件50的实施方式。在图6的层叠膜构成中，在由玻璃或塑料构成的透明基板53上形成有ITO透明电极54作为第1电极(阴极电极)。ITO透明电极54的表面层叠有由PEIE构成的电子注入层55。在该电子注入层55上层叠P3HT：PCBM这一体异质结型光响应性有机二极管的活性层56，进而层叠PEDOT：PSS这一公共阳极57，由此构成光响应性有机二极管51。
在该光响应性有机二极管51上进而形成层叠膜，构成有机整流二极管52。即，在公共阳极57上层叠由P3HT构成的有机半导体层58和成为第2电极(阴极电极)的Al电极59，构成基于有机半导体层58与Al电极59之间的肖特基结的肖特基二极管。图7为表示图6的层叠膜构成的实施方式中的、膜的能级的图。
图8为示意性地展示由图6所示的光检测元件50构成的光检测器阵列500的实施方式的电路图。图8中，在透明基板上，在纵向延伸的多个由ITO透明电极54构成的第1电极54a、54b、54c、54d与横向延伸的多个由Al电极59构成的第2电极59a、59b、59c、59d的多个交叉部形成有光检测元件50。构成光检测元件50的光响应性有机二极管(有机光电二极管)51的阴极为第1电极54，有机整流二极管52的阴极为第2电极59。
在图8所示的光检测器阵列500中，第1电极54a、54b、54c、54d作为独立电极而发挥功能，第2电极59a、59b、59c、59d作为公共电极而发挥功能。照射到光检测器阵列500的光照射hν的强度分布的读出是对连接到一个公共电极59的光检测器50统一进行。例如，当选择一个公共电极59a时，从外部的未图示的电源对公共电极59a施加读出电压Von。Von为对光响应性有机二极管施加反向电压的极性，在图8的电路图中为负电压。在该读出的相同时刻，对未选择的公共电极59b、59c、59d施加非读出电压Voff。以连接到未选择的公共电极59b、59c、59d的光检测器50受到光照射的状态下流过光检测器50的电流变得足够小的方式恰当地设定Voff。
图9为对图6所示的光检测元件50改变照射光强度来测定外加电压与电流的关系得到的结果。表现出如下二极管特性：在没有光照射(dark)的情况下，在0V的外加电压下电流为零，随着负或正外加电压的增加，电流呈指数增加。另一方面，在有光照射的情况下，在大致0.5V的外加电压下电流值极小，当对该极小点减少或增加电压时，电流不对称地增加。给出电流的极小值的电压不论照射光强度如何都大致为固定值。当使外加电压从给出极小点的电压起向负侧变化时，电流经过急剧增大的过渡区域后表现出固定值。光强度越强，表现出该固定值的阈值电压越是朝负值增大。该现象的原因在于，因光照射而生成的空穴-电子对这一载流子越多，薄膜空间内空间电荷越会对电场产生影响。为了抑制该空间电荷而以电流的形式迅速取出载流子，就需要较高的外部外加电压。在本发明的实施方式中，若针对光照射强度1000W/m2为止这一范围施加大致-2V的电压，则电流不论外加电压如何都表现出固定值，此时，电流大致与光照射强度成比例。在将光照射强度的二维分布成像的情况下，优选获得这种光照射强度与输出的比例关系。因而，在图8所示的电路图中，读出电压Von优选设定为电流输出相对于外加电压而固定的外加电压范围。
另一方面，关于非读出电压Voff，由于要求减小流过光检测元件的电流，因此优选设定为在图9所示的光检测元件特性中给出电流的极小值的外加电压。就图9的元件特性而言，将Voff设定为0.5V最佳。
图10为表示由图6所示的光检测元件50构成的光检测器阵列500的实施方式的俯视图及侧视图。图10中，在透明基板53上纵向平行地形成有由为透明导电材料的ITO构成的多个第1电极54。在以图案的形式形成有该第1电极54的基板上以跨及多个第1电极54的全面膜的形式层叠有由图6所示的材料构成的有机膜55、56、57、58。并且，在该全面膜的上表面以与第1电极54正交的方式形成有由铝构成的多个第2电极59。
在本实施方式中，没有针对各光检测元件划分有机膜，光检测元件以俯视下观察到的带状的第1电极54与第2电极59的交叉区域的形式加以规定。在以往的使用硅半导体来实现的光检测器阵列中，构成元件的无机半导体膜较厚，进而导电率较高，因此，须在邻接的元件间置入切口而将元件分离。相对于此，在由有机薄膜构成的光检测元件中，构成层叠膜的有机半导体材料、有机导电性材料、无机氧化物导电性材料的膜厚较薄，导电率也较低，因此，即便不在邻接的元件间置入切口，也能将邻接的元件电性分离。该实施方式中，通过活用这种有机材料的特征，能够实现避免了有机材料在湿式或干式蚀刻中容易发生膜的损伤、层叠膜的图案形成比较困难等缺点的设备结构。
在图10所示的光检测器阵列500中，在基板53的下部排列配置有由ITO构成的第1电极54露出于表面而成的端子部54a。此外，在基板53的左部排列配置有第2电极59延长而成的端子部59a。为了露出端子部54a，利用遮蔽胶带覆盖该部分，在制膜后剥离胶带而形成端子部54a。如图8所示，第1电极54作为独立电极而发挥功能，第2电极59作为公共电极而发挥功能。
实施例
下面，按照前面展示过的发明的实施方式，对本发明的实施例进行具体说明。
(光检测器阵列的制作)
在透明的玻璃基板上制作图10所示的光检测器阵列。准备呈线状以2mm的间隔开设有16条1mm宽的狭缝的遮罩，将其密接重合至玻璃基板，从该遮罩面侧通过溅镀制作厚度50nm的ITO膜，从而形成16条第1电极54。接着，利用PEIE(聚乙烯亚胺乙氧基化物)对ITO表面进行修饰，以降低ITO表面的功函数。PEIE与乙二醇甲醚以体积比1：100的比例混合，通过旋转涂布法形成涂膜，之后进行100℃、60秒的焙烧。
接着，利用胶带将第1电极的连接端子部54a遮蔽，之后形成由p型有机半导体P3HT(聚3-己基噻吩-2,5-二基)和n型有机半导体PCBM([6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯)构成的P3HT：PCBM体异质结型光响应性活性层。分别称量30mg的P3HT和30mg的PCBM并溶解于加热后的1ml氯苯中，利用孔径0.2μm的膜滤器将粗大颗粒去除，使用如此制作的混合溶液、通过旋转涂布法来制膜。
接着，在由P3HT：PCBM构成的活性层上重叠形成由PEDOT：PSS(聚3,4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸)构成的公共阳极。通过旋转涂布法对从Heraeus公司购入的PEDOT：PSS(型号CLEVIOS P VP CH8000)进行制膜。PEDOT：PSS涂布液的溶剂为极性溶剂，不会溶解下层的P3HT和PCBM。因此，不会产生使下层发生劣化这样的影响，从而能以生产率优异的涂布方式来形成层叠膜。此外，PEDOT：PSS存在大量导电率不同的种类，若为导电率超过1S/cm的高导电率种类，则会产生元件间相连结这一问题。因此，需要导电率为1S/cm以下的导电材料。尤其是在高清晰度的装置中，可以通过0.01S/cm以下的材料使元件以分离的方式进行动作。
在公共阳极上形成构成肖特基二极管的P3HT有机半导体膜。称量60mg的P3HT并溶解于加热后的1ml氯苯中，利用孔径0.2μm的膜滤器将粗大颗粒去除，使用如此制作的溶液、通过旋转涂布法来制膜。在该制膜过程中，氯苯不会溶解PEDOT：PSS膜，此外，通过PEDOT：PSS膜将氯苯阻挡，因此，可以在不对公共阳极之下形成的活性层产生影响的情况下制作P3HT膜。如此，在本发明中，公共阳极不溶于对其上下的有机薄膜二极管进行涂布时的溶剂，因此可以采用涂布法这一生产率极高的制膜方法，从而能够廉价地提供大面积的光检测器阵列。
在层叠形成以上的由有机材料构成的全面膜后，制作铝电极膜而构成肖特基二极管，同时形成第2电极59。关于铝这一第2电极，与第1电极的形成一样，准备呈线状以2mm的间隔开设有16条1mm宽的狭缝的遮罩，狭缝沿与第1电极正交的方向与基板53密接重合，从该遮罩面侧通过蒸镀来形成第2电极。本发明的有机二极管对氧、水分具有一定程度的耐性，但要具有实用性的耐久性的话，优选在最上部形成隔断氧、水分的屏障层。在本实施例中，在形成第2电极、完成光检测器阵列的元件后，通过蒸镀来形成派瑞林(聚对二甲苯)有机膜。此外，关于通过上述工艺形成的各层的膜厚，PEIE层55为10nm，P3HT：PCBM光活性层56为200nm，PEDOT：PSS公共阳极57为50nm，P3HT有机半导体膜58为70nm，铝这一第2电极59为100nm。这些膜厚不限定于这些数值，可以在设计上的最佳范围内任意设定。
(光检测器阵列的动作)
图11展示了使上文中制作出的有机光检测器阵列动作的情形。将独立电极54和公共电极59各16条通过电缆连接至未图示的外部的控制电路而使它们进行动作。控制电路由读出控制电路、微小电流计及控制计算机构成，所述读出控制电路对公共电极施加Von电压和Voff电压，所述微小电流计测量流过独立电极的电流，为16通道，所述控制计算机对读出控制电路和微小电流计进行控制。读出控制电路连接至16条公共电极，对1条公共电极施加Von电压，对其他公共电极施加Voff电压。根据图9所示的光检测器的特性，Von电压设定为-2V，Voff电压设定为0.5V。关于Von电压和Voff电压，在微小电流计测量的光电流的上升后施加确保了恰当地设定的静定时间的时间，在微小电流计中的电流测量完成后，转移至下一公共电极的测量。通过对16条公共电极依序扫描进行该测量过程，能以时间变化的形式将二维的光强度分布可视化。图11中，检测到插入到光检测器阵列与照明之间的棉棒的影像。
(第2实施例)
图12为高精细地制作图10所示的构成的光检测器阵列而得到的装置的成像结果。以100μm间隔、50μm宽度分别形成16条第1电极和第2电极。即，光检测器阵列的成像传感器尺寸为1.6mm×1.6mm，像素数为16×16即256像素。图12中，读取到字体尺寸为6pt的文字。如此，根据本发明的构成，能够容易地制作从高精细的光检测器阵列到大面积的光检测器阵列等多种多样的规格的传感器。
(第3实施例)
图13为在挠性基板上制作图10所示的构成的光检测器阵列的实施例。挠性基板难以保持平坦性来进行制膜工艺，因此，要层叠在坚固、平坦的支承基板上来进行制膜，之后从支承基板上剥离而完成。在本实施例中，使用玻璃基板作为支承基板。为了在工艺完成后容易从支承基板上剥离挠性光检测器阵列，首先在玻璃基板上形成氟系覆膜。在本实施例中，使用3M公司的氟系液体Novec来实施表面涂覆。在其上层叠透明的挠性基材。作为挠性基材，可以使用PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、透明PI(聚酰亚胺)，但本实施例采用的是通过真空蒸镀在支承基板上沉积派瑞林(聚对二甲苯)来加以制作的方法。在形成派瑞林膜后，极薄地旋转涂布聚酰亚胺以使表面平坦，将所得物体作为基板53，通过与上述同样的工艺来形成元件。形成元件后，贴装用于连接外部电路的挠性线路，最后从支承基板剥下，完成图13所示的光检测器阵列。根据本发明的构成，可以使用柔软、能以低温工艺制膜的有机材料在挠性基材上形成光检测器阵列。能以简便的结构、高生产率地制造作为开关元件的有机整流二极管与作为光检测元件的有机光电二极管一体地层叠集成化而得的高性能有源元件。
在以上实施例中，作为中间连接电极层的公共阳极是由PEDOT：PSS形成，但氧化钼(MoOx)也会同样地进行动作。氧化钼是通过真空蒸镀来制膜。此时，通过将氧化钼的膜厚重叠20nm以上，可以在不对下层的P3HT：PCBM层产生影响的情况下进行P3HT的涂布制膜。另一方面，可以将功函数方面比较恰当的金用于中间连接电极层，但若以获得涂布制膜工序中的溶剂的屏障性的程度的厚度来制作金膜，则由于金的导电性极高，因此，当在邻接的光检测元件间没有切断中间连接电极层时，将无法实现光检测元件的分离。因而，优选使用有机导电材料或金属氧化物导电材料作为中间连接电极层。此外，光响应性有机二极管的活性层也可以运用作为有机与无机的混合技术的有机无机钙钛矿型太阳电池的材料，有机材料下的载流子传输特性可以运用于本发明的基于能级的设备构成。通过以涂布来制作有机无机钙钛矿型活性层膜，能够实现具有高光灵敏度的光检测器阵列。
根据以上的实施方式和实施例，有机层无须按各光检测元件(像素)加以分离图案化，就能够实现无串扰的光检测器阵列。由此，制造工艺能够极度简化，而且可以使用以前难以实用化的有机材料来实现高品质的高精细成像元件。此外，由于通过光电二极管与整流二极管相连续的制膜工艺纵向加以层叠，因此不会牺牲光电二极管的受光面积，从而受光元件阵列的分辨率不会降低。此外，不需要连接两个二极管的线路，使得挠性的光传感器中弯曲造成的断线的危险性大幅降低，从而能够提供有可靠性的成像元件。
产业上的可利用性
挠性二维光影像扫描仪可以安装至不平坦的曲面而在三维表面上实现视觉功能、光成像功能。由此，对物体的表面赋予对光的知觉，从而能够实现机器人等进行动作的物体表面上的接近检测，或者在无法目视的状况下可以随时进行利用光的监测。

Claims (13)

1.一种光检测器阵列，其特征在于，
在形成于基板上、沿第1方向平行延伸的多个第1电极与沿第2方向平行延伸的多个第2电极之间具有层叠膜，所述第2方向与该第1电极交叉，所述层叠膜是第1有机薄膜二极管与第2有机薄膜二极管通过成为公共阳极或公共阴极的中间连接电极层进行反向二极管连接而成，所述第1电极和所述第2电极中的至少一方具有使光透过的透明性，所述第1有机薄膜二极管为光响应性有机二极管，所述第2有机薄膜二极管为有机整流二极管，所述中间连接电极层在作为公共阳极时以对其连接的所述第1有机薄膜二极管和所述第2有机薄膜二极管交接空穴的方式进行动作，所述中间连接电极层在作为公共阴极时以对其连接的所述第1有机薄膜二极管和所述第2有机薄膜二极管交接电子的方式进行动作，
所述第1有机薄膜二极管和所述第2有机薄膜二极管中，传输经由所述中间连接电极层加以交接的电子或空穴的载流子的能级相同。
2.根据权利要求1所述的光检测器阵列，其特征在于，
所述第1有机薄膜二极管为异质结型光响应性有机二极管，所述第2有机薄膜二极管为单载流子型或肖特基型有机整流二极管。
3.根据权利要求2所述的光检测器阵列，其特征在于，
所述第1有机薄膜二极管为体异质结型光响应性有机二极管。
4.根据权利要求1所述的光检测器阵列，其特征在于，
所述第1有机薄膜二极管和所述第2有机薄膜二极管中，传输所述载流子的有机材料相同。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的光检测器阵列，其特征在于，
所述中间连接电极层不溶于通过涂布手段进行所述第1有机薄膜二极管和第2有机薄膜二极管的制膜时使用的溶剂。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的光检测器阵列，其特征在于，
以跨及所述多个第1电极与所述多个第2电极之间形成的多个光检测器的方式形成所述层叠膜。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的光检测器阵列，其特征在于，
所述中间连接电极层由有机导电材料或金属氧化物导电材料构成。
8.根据权利要求1所述的光检测器阵列，其特征在于，
构成所述第1有机薄膜二极管及/或所述第2有机薄膜二极管的有机半导体材料包括聚3-己基噻吩-2,5-二基（P3HT）或者对与其不同波长的光具有灵敏度的p型半导体材料。
9.根据权利要求1～3中任一项所述的光检测器阵列，其特征在于，
所述第1有机薄膜二极管的活性层以及/或者所述第2有机薄膜二极管的半导体层的最高已占分子轨道（HOMO）的能级与所述中间连接电极层材料的功函数的能级之差为0.5eV以下。
10.根据权利要求9所述的光检测器阵列，其特征在于，
所述第1有机薄膜二极管的活性层以及/或者所述第2有机薄膜二极管的半导体层的最高已占分子轨道（HOMO）的能级与所述中间连接电极层材料的功函数的能级之差为0.3eV以下。
11.根据权利要求1～3中任一项所述的光检测器阵列，其特征在于，
所述基板由挠性基板构成。
12.根据权利要求11所述的光检测器阵列，其特征在于，
所述挠性基板由聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、透明聚酰亚胺（PI）或派瑞林（聚对二甲苯）构成。
13.一种光检测器阵列的制造方法，其特征在于，包含如下工序：
在形成于基板上、沿第1方向平行延伸的多个第1电极上涂布第1有机薄膜二极管的活性层；
在所述第1有机薄膜二极管的活性层上涂布成为公共阳极或公共阴极的中间连接电极层；
在所述中间连接层上涂布第2有机薄膜二极管的半导体层；以及
在所述第2有机薄膜二极管的半导体层上进行沿与所述第1电极交叉的第2方向平行延伸的多个第2电极的制膜，
所述第1有机薄膜二极管和所述第2有机薄膜二极管中，传输经由所述中间连接电极层加以交接的电子或空穴的载流子的能级相同。
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