專利名稱：用于光電裝置的材料、系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及包含例如納米晶體的光敏材料或其它光敏材料的光學和電子裝 置、系統(tǒng)和方法，以及制造和使用這些裝置和系統(tǒng)的方法。
背景技術：
例如圖像傳感器和光致電壓裝置的光電裝置可以包含光敏材料。示例性圖像傳 感器包含將硅用于感測功能以及讀出電子器件和多路復用功能的裝置。在某些圖像傳感 器中，可以在單個硅晶片上形成光敏硅光電二極管和電子器件。其它示例性圖像傳感器 可以使用例如InGaAs(用于短波:[R感測)或非晶體硒(用于X射線感測)的不同材料進 行感測(光子到電子轉換)功能。示例性光致電壓裝置包含使用晶體硅晶片進行光子到 電子轉換的太陽能電池。其它示例性光致電壓裝置可以使用例如非晶體硅或多晶硅的材 料的單獨層或不同材料進行光子到電子轉換。然而，已知這些圖像傳感器和光致電壓裝 置具有若干限制。參考合并本說明書中提及的每件專利、專利申請和/或出版物在這里均通過引用完整地 合并進來，如同特別和單獨地指出每件專利、專利申請和/或出版物通過引用被合并進來。


可以參照下列附圖理解這里描述的系統(tǒng)和方法
圖1示出根據實施例的總體結構和范圍。圖2a示出量子點1200的例子。圖2b示出量子點1200的陣列。圖2c示出從Wikipedia Web站點得到的說明中的膠體量子點。紫外線光入射到 不同大小的硒化鎘(CdSe)量子點1200，產生熒光。圖2d示出量子點材料200中排列的不同量子點1200。圖2e還圖解了膠體量子點材料200的吸收率。圖3是以橫向平面結構配置的成像實施例的一部分的側視圖；圖3a示出射線進入像素布局。圖3b示出像素的閉合簡單幾何排列的情形；圖3c示出像素的閉合的、具有指型交叉的幾何排列的情形；圖3d示出像素的開放簡單幾何排列的情形；圖3e示出像素的開放的、具有指型交叉的幾何排列的情形；圖3f示出在通常較大的頂表面電極陣列內的2行X3列的子區(qū)域；圖3g示出涉及量子點材料的兩個單獨層和量子點材料的兩個單獨層之間的電介 質材料層的量子點結構堆疊；圖3h示出具有電氣互連和像素電路的多層量子點結構的例子。圖3i示出小PbS納米晶體的吸收和TEM曲線圖。(a)合成(as-synthesized)油 酸修飾的納米晶體的溶液和丁胺配體交換之后納米晶體的溶液的吸收，延伸入紅外范圍 的吸收是由于跟隨有納米棒形成的高局限的損失。(b)油酸修飾的納米晶體的TEM示出 具有 3nm直徑的小納米晶體的合成。(c)在配體交換之后，納米晶體聚結以形成納米 棒；圖3j示出PbS小納米晶體光電檢測器的性能。(a)在15赫茲的調制頻率處得 到的譜響應度和歸一化檢測靈敏度D *。小圖示出在每秒15幀的調制頻率的可視范圍中 0.0015mm2檢測器的噪聲等效功率。畫出類似表面積的典型硅光電二極管的NEP用于比 較。(b)響應度和噪聲電流密度對調制頻率曲線。(C)在400nm的波長處，檢測器對于 高達5赫茲的調制頻率表現出D * IO13瓊斯(Jones)，而對于高達50Hz的調制頻率具有 大于IO12瓊斯的D *。小圖示出具有0.0015mm2活性區(qū)域的檢測器在400nm處所得到的 NEP,其為調制頻率的函數；圖3k示出陷阱態(tài)對光電檢測器性能的影響。(a)在632nm光波長處測量的不 同照射水平的響應度對調制頻率曲線。長壽命的(Ionglived)陷阱態(tài)在低光功率下居主 導地位，以提供高光電導增益。隨著更高功率撞擊檢測器，有效陷阱被填充，導致光電 導增益的降低和3dB帶寬的增加。3dB帶寬從低功率下的8Hz增加到高光功率時的超過 300Hz。這個現象可以給檢測器提供自限制增益機構以避免高功率水平時的電子飽和。 (b)光電流對光照明曲線揭示了 75-dB的動態(tài)范圍。小圖示出作為光強度的函數的響應 度。由于高增益陷阱態(tài)的填充，響應度降低超出IiT5W cm2，以允許增益的自限制機構。 該測量是用830nm的光得到的。
圖31示出小圖中示出的用于雙譜檢測的堆疊裝置的譜響應度。小量子點(QD) 層有效地檢測短波長光，而從大量子點(QD)層檢測更長波長。還示出在堆疊之前大量子點裝置的響應度以供比較。大量子點裝置的響應度在兩種情況下被歸一化成其在1230nm 處具有激子峰值。小圖中示出的結構包括長度為3mm、寬度為20 μ m和高度為IOOnm的 金電極。電極之間的間隔為20 μ m并且所施加的偏壓為100V。圖3m示出裝置結構。PbS量子點被從溶液旋涂在預圖案化的指型交叉電極上。 在來自Schott的0.5mm厚的涂敷有金的F45玻璃襯底上使用標準光刻制造電極。在IOOnm 金濺射之前蒸鍍IOnm的鉻以將金附著到玻璃襯底。金條 紋的寬度為20 μ m，長度為3mm 并且間隔為5 μ m。圖3η示出暗電流密度，其為所報告的裝置的所施加場的函數。所施加場被認為 是在5 μ m的裝置寬度上的所施加電壓。圖3o(a-f)示出在使用交聯分子和沒有使用交聯分子的情況下納米晶體沉積之前 粗化氧化銦錫(ITO)襯底的表面和納米晶體沉積之后的ITO襯底的表面掃描電子顯微鏡 (SEM)圖像。a_b，裸粗化ITO襯底。c_d，在沒有交聯劑(cross-linker)的情況下納米 晶體沉積之后的粗化ITO，示出導致短路裝置的暴露(exposed)ITO?？梢钥匆妴蝹€納米 晶體聚集在燒結ITO粒子之間的縫隙中。e_f，納米晶體沉積之后的功能裝置的表面，使 用交聯劑以獲得連續(xù)的納米晶體外敷層。圖3p示出燒結處理對光致電壓裝置的性能的影響的表。所有測量在12mW/cm2 975nm照明下執(zhí)行。圖3q示出使用在1340nm處具有第一激子躍遷的納米晶體制造的燒結裝置的電 流_電壓曲線。AM 1.5照明強度是100mW/cm2。12和70mW/cm2的單色照明強度使 用975nm的光。圖3r示出燒結裝置的外部量子效率。小圖示意性地示出裝置中所使用的材料的 帶位置(band positions)。針對IeV第一激子躍遷納米晶體，通過使用有效質量近似來修 改體能級，繪制PbS導帶和價帶。圖3s是根據一個實施例的具有電極結構的堆疊多層像素，其中每個相應第一電 極(Cl)被橫向定位到相應第二電極(C2)的至少一部分。圖3t是根據一個實施例的具有電極結構的堆疊多層像素，其中一個公共電極 (CC)沿垂直方向延伸過超過一個感光層(QF1+QF2)的高度；并且其中分立的、電氣獨 立的電極(Cl和C2)被用于基本獨立地偏置和收集來自感光層(QFl和QF2)的電流。圖3u和圖3v分別是根據一個實施例的具有電極結構的堆疊多層像素的側視圖和 頂視圖，其中圍繞與第一感光層(QFl)電接觸的電極(Cl)布置公共電極(CC)；圍繞與 第二感光層(QF2)接觸的電極(C2)布置公共電極(CC)。圖3w以剖面圖的方式描述了圖像傳感器，其中通過圖示說明了彼此堆疊在頂上 的兩層光敏材料如何被獨立地電讀取；圖4是圖解在5V偏壓下對調制照明的瞬時響應的圖例。圖5a示出Bayer濾鏡模式；圖5b_f示出某些可選像素布局的例子；圖5g_l示出像素布局中使用的不同大小、布局和類型的像素；圖5m示出具有例如六邊形的不同形狀的像素布局；圖5η示出具有例如三角形的不同形狀的像素布局；
圖5ο示出結合光學元件提供的例如多譜量子點像素或其它像素的量子點像素；圖5ρ示出一個像素布局的例子；圖6a圖解與量子點材料接口的3T晶體管結構；圖6b圖解與量子點材料接口的4T晶體管結構；圖6c示出與常規(guī)Si CCD和CMOS傳感器裝置相比QD層裝置的噪聲等效曝光；圖7a示出根據本實施例的一個方面的量子點像素1800結構； 圖7b示出可選(非量子點)結構的例子；圖7c用成像系統(tǒng)的側視圖示出焦平面陣列，成像系統(tǒng)包含集成電路，該集成電 路具有位于其頂端表面的電極陣列；圖7d示出以垂直夾層結構配置的光學裝置的一部分的側視圖；圖7e示出以橫向平面結構配置的光學裝置的一部分的側視圖；圖7f示出以橫向指型交叉結構配置的光學裝置的一部分的頂視圖；圖8示出量子點芯片互連2010的結構。圖20示出在電子讀出芯片上形成的光 敏感層的光學顯微圖；圖9是具有光敏薄膜的集成電路的掃描電子顯微圖的圖示；圖10圖解了可以被用來產生類似于圖21中描述的集成電路的集成電路的4個處 理流程(a, b，c和d))；圖11是具有光敏薄膜的集成電路的掃描電子顯微圖的可選實施例的圖示；圖22-19圖解了根據一個實施例的〃標準〃單像素光閘結構；圖20a是16對2共享像素電路的示意圖；圖20b是圖31a的16對2共享像素電路的布局；圖201c示出兩個像素區(qū)域的像素電路的布局，其中每個像素電路在這兩個像素 區(qū)域之下延伸；圖21-36圖解了 “全局〃像素光閘結構；圖37示出一個實施例的垂直分布，其中集成電路的金屬互連層將半導體襯底上 的像素電路與入射光屏蔽開；圖38示出一個實施例的一個布局(頂視圖)，其中集成電路的金屬互連層將半導 體襯底上的像素電路與入射光屏蔽開；圖39是根據一個實施例的橫向像素的功能模塊的模塊圖；圖40是根據一個實施例的垂直像素的功能模塊的模塊圖；圖41-51圖解了包含通過選擇性引入表面陷阱態(tài)來控制光電導光電檢測器的瞬 時響應的實施例；圖52-66圖解了包含快速、譜可調溶液處理的光電檢測器的實施例；圖67-69圖解了包含平滑形態(tài)超靈敏(ultrasensetive)溶液處理的光電導體的實施 例；而圖70是可以結合這里描述的實施例使用的示例性系統(tǒng)配置的模塊圖。僅通過例子參照附圖來描述實施例。附圖不必按比例縮放。為了清晰和簡潔， 實施例的某些特征可以被夸大并且以示意的形式示出。
具體實施例方式圖像傳感器引入光電檢測器的陣列。這些光電檢測器感測光，將它從光轉換為 電子信號。通常期望這種光電檢測器單獨或組合地擁有以下特性(1)容易與涉及圖像感測功能的其它電路，例如存儲電荷的電路、將信號電平中 繼到陣列的外圍的電路、在模擬域中操作這些信號電平的電路、將模擬信號轉換為數字 信號的電路、和在數字域中處理圖像相關數據的電路集成。(2)提供對有關波長帶或各有關波長帶內的光的最大靈敏度。通常使用在指定 照明水平下的測量信噪比(SNR)來量化靈敏度。當響應度、量子效率或裝置的增益最大 時，信號達到最大值。受指定溫度下電流和電壓的自然波動所帶來的限制，當電子信號 的隨機波動最小時，噪聲達到最小值。相關地，當暗電流的量值最小時，噪聲和其它不 受控制的因素或預測背景信號變化的困難通常為最小。出于這個和其它原因，期望得到 具有高靈敏度和低暗電流的光電檢測器。(3)及時提供適當快速的響應。例如視頻成像和無光閘靜止圖象獲取的應用通常 需要這樣的光電檢測器其信號電平基本上完全響應于在小于100毫秒(10幀每秒)的時 間內、小于33毫秒(30幀每秒)的時間內或甚至1毫秒(靜止圖像的1/1000秒曝光)內 的瞬變而變化。(4)以能夠方便地由可用電子電路處理的方式提供寬范圍光強度的檢測。該特性 被稱作提供高動態(tài)范圍。提供高動態(tài)范圍的一個手段是將所測量的電子響應壓縮為入射 光刺激的函數。這種壓縮可以被稱為電信號對入射強度的亞線性(即具有降低斜率的非 線性)依賴。使用增益可以被控制的光電檢測器(例如通過選擇已知產生特定增益的電 壓偏置)也可利于高動態(tài)范圍。(5)在電磁輻射的不同譜帶中間提供方便的鑒別。具體關心的是χ射線、紫外 線、可見光(包含藍、綠和紅)、近紅外線和短波長紅外波段。這里討論在各種應用中產生、與電路集成和利用組合擁有這些特性的許多特性 的光電檢測器和光電檢測器陣列的手段。具體地(1)這里描述的光電檢測器可以容易地通過例如旋涂、噴涂、滴涂和自組裝的簡 單、低成本的方法，與圖像傳感器電路和系統(tǒng)的其它部分集成。實施例包含交換鈍化納 米粒子表面的配體，以得到一旦形成薄膜便提供適當的電荷載流子遷移率的更短配體。 實施例包含液相交換，其使得能夠實現平滑形態(tài)薄膜，這是實現具有陣列上的可接受一 致暗電流和光響應的圖像傳感器所需的。 (2)這里描述的光電檢測器通過手段的組合來提供最大靈敏度。這些手段通過提 供光電導增益使信號最大。光電導增益的典型值在從1到10的范圍，導致在可見波長中 從0.4A/W到4A/W的響應度。在實施例中，這里描述的光電檢測器通過熔融納米晶體 核以例如確保在構成電流流過的光敏層的粒子間的基本非噪聲降級電連接，來使噪聲最 小。在實施例中，這里描述的光電檢測器通過使活性層的凈摻雜最少來使暗電流最小， 因而保證暗載流子密度，并且因而使這些光敏材料的暗電導最低。在實施例中，這里描 述的光電檢測器通過提供通常阻斷可能包含處于平衡的多數載流子的一種載流子的電極 到納米晶層電連接，使暗電流最小。在實施例中，使用交聯分子，其利用清除氧化物、 硫酸鹽和/或負責ρ型摻雜的氫氧化物的化學功能。因而，在實施例中，可以提供更加本征或甚至η型的光敏層。在實施例中，可以在例如希萊克技術(Schlenkline)或手套式 操作箱(GloveBox)的受控環(huán)境中進行量子點合成和/或處理和/或裝置封裝中的許多步 驟；以及可以使用基本上不可滲透的層，例如氧化物、氮氧化物、或例如聚對二甲苯或 環(huán)氧樹脂的聚合物來封裝光敏層，以便阻止例如氧的反應氣體或水顯著滲透光敏層。通 過這種方式，可以在圖像傳感器的期望有用生命期保持例如增益、暗電流和時滯的期望 特性組合。(3)這里描述的光電檢測器提供可以快速至低于100毫秒、低于30毫秒和低于1 毫秒的時域響應。在實施例中，這通過提供與光敏層相關、僅將至少一種載流子捕獲例 如100毫秒、30毫秒或1毫秒的有限時間段的增益提供(和持久性提供)陷阱態(tài)來獲得。 在實施例中，PbS納米粒子布置有PbS03，即PbS的氧化物，PbS03顯示出具有在20-30 毫秒附近的陷阱態(tài)生命期，從而提供適于許多視頻成像應用的瞬時響應。在實施例中， 相反，基于膠體量子點層提供光電二極管，其中具有略微不同的功函數(WOTkfunction) 的兩個電接觸被用來接觸活性層。在實施例中，可以通過在不施加明顯的外部電壓偏置 的情況下這種裝置的操作來使暗電流最小。在實施例中，例如苯二硫醇、二齒鏈接劑的 交聯部分(cross-linking moieties)可以被用來清除和/或鈍化在這種材料中可能出現或可 能發(fā)展出來的某些陷阱態(tài)。(4)這里描述的光電檢測器提供了通過產生電信號(例如光電流)的亞線性依賴 來增強動態(tài)范圍的手段。在低到中等強度的區(qū)域，有陷阱態(tài)可變?yōu)楸惶畛?，并且在某種 中等持久，或陷阱態(tài)、生命期(例如30毫秒)之后，出現逃逸。在更高強度處，這些陷阱態(tài)變?yōu)榛旧媳惶畛?，使得電荷載流子經歷對應于更低微分增益的更短生命期或持 久時間。結果，這些裝置在低到中等強度的范圍上表現出基本固定的增益，接著在更高 強度處表現出增益的平緩滾降。換言之，在低到中等強度處，光電流近似線性地依賴于 強度，但是在更高強度處，光電流表現出對強度的亞線性依賴。在實施例中，提供光電 檢測器，其中光電導增益依賴于施加到裝置的偏壓。其原因是增益與載流子生命期除以 載流子渡越時間的成比例，并且渡越時間以與施加的場成反比例的方式變化。在實施例 中，開發(fā)出利用增益對偏壓的這種依賴性增加動態(tài)范圍的電路。(5)在實施例中，這里描述的光電檢測器可以被容易地改變，或"調整"，以向 不同譜帶提供敏感度。通過量子尺寸效應提供一種調整的手段，從而在通過合成控制的 情況下，納米粒子直徑被降低，以增加所得到的量子點的有效帶隙。通過選擇材料組成 提供另一種調整的手段，其中使用具有更大體帶隙的材料通常利于實現在更高光子能量 處具有響應度帶邊(responsivityonset)的光電檢測器。在實施例中，具有不同吸收帶邊的 光電檢測器可以被疊加以形成垂直像素，其中靠近光學信號源的像素吸收和感測電磁輻 射的較高能帶，而遠離光學信號源的像素吸收和感測較低能帶。圖1示出與根據示例性實施例的量子點像素芯片結構(QDPC) 100有關的結構和 范圍。如圖1所示，QDPC 100可以被修改為輻射1000接收器，其中提供量子點結構 1100以接收例如光的輻射1000。如這里將更詳細地描述的，QDPC 100包含量子點像素 1800和芯片2000，其中該芯片適于處理從量子點像素1800接收的電信號。量子點像素 1800包含量子點結構1100，其包含若干部件(components)和子部件，例如量子點1200， 材料200，和與點1200和材料200有關的具體結構或量子點布局300。量子點結構1100可以被用于產生光電檢測器結構1400，其中量子點結構與電互連1404相關聯。提供電連 接1404以從量子點結構接收電信號并且將電信號傳送到與像素結構1500相關的像素電路 1700。正像量子點結構1100可以以平面和垂直的各種模式進行布置那樣，光電檢測器結 構1400可以具有具體光電檢測器幾何布局1402。光電檢測器結構1400可以與像素結構 1500關聯，其中光電檢測器結構的電互連1404與像素電路1700電關聯。像素結構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，并且像素電路1700 可以與包含例如存儲器的其它部件1900關聯。像素電路1700可以包含無源和有源部件 用于在像素1800水平處理信號。像素1800與芯片2000機械和電氣關聯。從電氣角度 來看，像素電路1700可以與其它電子器件(例如芯片處理器2008)通信。其它電子器件 可以適于處理數字信號、模擬信號、混合信號等等，并且可以適于處理和操作從像素電 路1700接收的信號。在其它實施例中，芯片處理器2008或其它電子器件可以被包含在 與QDPC相同的半導體襯底上，并且可以使用片上系統(tǒng)結構來構造。芯片2000也包含在 下面更詳細地描述的物理結構2002和其它功能部件2004。 可以使用例如量子點溶液處理400、量子點材料處理500、光電檢測器處理 600、像素處理700、像素/芯片處理800、總系統(tǒng)集成900和其它這樣的處理的若干制造 過程300來制造QDPC 100。QDPC 100也可以被引入到集成系統(tǒng)2200中，其中集成系 統(tǒng)2200可以被構造2202并且具有各種特征2204。結構2202和特征2204可以適于服務 于具體應用和/或市場2100。在某些實施例中，集成產品可以包含常規(guī)像素構造(例如 CCD或CMOS)和量子點像素結構1800。QDPC的光電導層可以具有響應輻射1000的變化而變化的電阻。在實施例中， QDPC是單片地(monolithically)位于半導體的頂部的圖像檢測器。光電導涂層(例如量子 點材料200)可以被轉移(例如旋涂)到集成電路的頂部。光子產生電子-空穴對?？昭?可以參與傳導。根據陷阱的性質，將范圍從毫微秒到微秒到毫秒的捕獲時間捕獲電子。 在微秒量級的時段內傳送空穴。因而，在裝置上，傳導性的增加在空穴渡越時間的許多 倍的時間上持續(xù)。結果，針對指定吸收光子在外部電路中測量在測量區(qū)間上的多個電 荷。在可選實施例中，電子被傳送，其中在裝置上，傳導性的增加在電子渡越時間的許 多倍的時間上持續(xù)。在某些實施例中，QDPC通常是線性裝置，其可以從擴展時段的電 阻變化得到益處，該時段通常在量級方面的范圍為從一微秒到一秒，期望時段在接近100 微秒到接近一毫秒的范圍內。在其它實施例中，量子點材料200上的電流與量子點材料 200的光敏層所吸收的光的強度有非線性關系。在某些實施例中，芯片2000或與QDPC 關聯的另一個芯片上的模擬或數字電路可以被用于線性化從像素區(qū)域讀取的信號，以便 產生能夠被數碼照相機或使用QDPC的其它系統(tǒng)使用的數字像素數據。這里描述的實施 例涉及測量與光電導層關聯的持續(xù)電阻變化。這些實施例中的某些實施例涉及低成本、 最大動態(tài)范圍、最高效、最少噪聲等等方法，通過這樣的方法來測量這種電阻。在某些 實施例中，QDPC 100包括由至少兩個通常不同的接觸來接觸的光電導材料。這些接觸 中的任意一個可以是電阻性的，或可以形成肖特基接觸。當吸收光子時，產生電子-空 穴對。這可以利于上述光電導增益。另外，在某種程度上，電子和空穴兩者可以在施加 或未施加外部偏置的情況下被電傳送。根據裝置的偏置，可以以通常不同的效率將電子 和空穴傳送到其相應接觸。在某些實施例中，裝置可以表現出電流和電壓之間的通常為非線性的關系。在某些偏置狀況下，可以產生光電導增益，并且在其它情況下，相同裝 置可以不產生光電導增益。在某些偏置情況下，裝置可以產生比其它情況低得多的暗電 流。在某些實施例中，存在具有顯著光電導增益(例如，1、10或100)但是具有低暗電 流(例如InA/cm2或InA/cm2)的情況。福射 1000QDPC 100檢測電磁輻射1000，其在實施例中可以是來自電磁譜的任何頻率的 輻射。盡管電磁譜是連續(xù)的，但通常將頻率的范圍表示成整個電磁譜內的頻帶，例如無 線電頻帶、微波頻帶、紅外頻段(IR)、可見光頻帶(VIS)、紫外線頻帶(UV)、X射線、 伽馬射線等等。QDPC 100能夠感測整個電磁譜內的任何頻率；然而，這里的實施例可 以參考電磁譜內某些頻帶或頻帶的組合。應當理解，所討論的這些頻帶的使用不意味著 限制QDPC 100可以感測的頻率范圍，其只是用作例子。另外，某些頻帶具有例如近紅 外(NIR)和遠紅外(FIR)的共用子頻段，并且例如IR的較寬頻帶術語的使用不意味著將 QDPC 100敏感度限于任何頻帶或子頻帶。另外，在以下描述中，例如"電磁輻射"、“ 輻射"、“電磁譜"、“譜"、“輻射譜"等等的術語被互換使用，并且術語顏色被 用于描述可以在輻射1000譜的任何部分內的輻射1000的選定頻帶，并且不意味著限于例 如可見光"顏色"的輻射1000的任何特定范圍。量子點1200量子點1200可以是納米結構，通常是半導體納米結構，其在所有三個空間方向 上限制導帶電子、價帶空穴或激子(導帶電子和價帶空穴的束縛對)。限制可以是由于靜 電勢(例如，由外部電極、摻雜、應變(strain)、雜質產生)，不同半導體材料(例如，在 核-殼納米晶體系統(tǒng))之間或半導體和另一種材料(例如，涂有有機配體的半導體；或涂 有電介質，例如氧化物(PbO)，亞硫酸鹽(例如PbS03)，硫酸鹽(例如PbS04)或Si02 的半導體)之間界面的存在，半導體表面的存在，或這些因素的一或多個的組合。量子 點在其吸收譜中表現出理想化零維系統(tǒng)的離散量化能量譜的效果。對應于這個離散能量 譜的波函數通?；旧峡臻g定位在量子點內，但是擴展到材料的晶格的許多周期。圖2a示出量子點1200的例子。在一個示例性實施例中，QD 1200具有半導體或 例如PbS的化合物半導體材料的核1220。配體1225可以附連到某些或所有外部表面，或 在如下面進一步描述的某些實施例中可以被移除。在某些實施例中，相鄰QD的核1220 可以一起熔融以形成具有納米尺度特征的納米晶體材料的連續(xù)薄膜。在其它實施例中， 核可以通過關聯分子彼此連接。在某些實施例中，陷阱態(tài)可以在納米晶體材料的外部表 面上形成。在某些示例性實施例中，核可以是PbS，并且陷阱態(tài)可以通過在核1220的外 部表面上形成的例如PbS03的氧化物形成。
圖2b示出一部分QD層的二維表示。層包含熔融的QD核1220的連續(xù)網絡，其 具有外部表面1221，外部表面1221具有與核中的組成不同的組成，例如氧化核材料(例 如PbS03)，或不同類型的半導體。薄膜中的單個的QD核密切接觸，但是繼續(xù)表現出單 個量子點的許多特性。例如，單獨的(未熔融的)量子點具有良好表征的激子吸收波長 峰，其由與其尺寸(例如I-IOnm)有關的量子效應引起。薄膜中熔融的QD的激子吸收波 長峰未明顯地偏離熔融之前出現的中央吸收波長。例如，中央吸收波長可以在熔融時變 化大約10%或更少。因而，盡管薄膜中的QD可以是宏觀結構的整體不可缺少的部分，但薄膜中的QD保留其量子效應。電流通常不被認為通過單獨(未熔融的和未鏈接的)QD"流動"；相反，電子 簡單地占據眾所周知的量子點核中的量子能態(tài)。如果將兩個單獨的(未熔融的)QD彼此 接近，則電流可以通過在QD之間跳躍的電子或空穴在QD間流動。電流更容易在熔融 的QD核之間流動，即使核自身通常保持其量子能態(tài)。因為核處于接觸狀態(tài)，所以電子 可以更容易地在其間移動。也可以說，隨著量子點接近到一起以形成基于熔融量子點的 固體，在相鄰點中的量子局限的電子或空穴狀態(tài)的波函數顯現出增加的重疊，而同時不 將QD熔融到使其丟失其"本體(identity)“，即其提供量子局限的個體特征的程度，于 是導致其激子特征清楚顯現在其吸收譜中。在實施例中，遷移率的范圍可以從IiTcm2/ Vs到102cm2/VS。也可以"過熔融"QD，在這種情況下它們不再表現出單個量子點的普 通特性中的許多特性。在過熔融情況下，QD的核通常不具有其自身的量子能級，但是 能級分布在若干QD核上。這導致薄膜具有非常低的電阻，但是其在許多情況下實際是 體半導體材料。也可以通過其吸收和/或發(fā)射譜中其相對大的紅(較長波長)移(例如 大于大約10% )來識別"過熔融"QD。當固體接近呈現體材料的吸收譜特性，例如吸 收開始接近體材料的帶隙時，可以識別出完全熔融和量子局限特性的完全損失。在某些實施例中，QD核通過下面進一步描述的鏈接劑來鏈接。這允許電流比 流過未鏈接的、未熔融的QD更容易流動。然而，對于某些光電導體和圖像傳感器實施 例，使用鏈接劑分子形成QD的連續(xù)薄膜而不是將核熔融，可以減少暗電流。在某些實施例中，QD層對輻射1000特別敏感。該敏感性尤其對于低輻射1000 成像應用有用。同時，裝置的增益可以被動態(tài)地調整，使得QDPC飽和，即額外光子繼 續(xù)提供可以被讀出電子電路鑒別的額外有用的信息。通過改變電壓偏置，并且因而改變 例如一個像素的指定裝置上所得到的電場，可以方便地實現增益的調整。如下面更具體 描述的，可以使光電導光致電壓增益和相應的A/W響應度隨偏壓和場接近線性地變化。 因而，在指定裝置中，大約IV的偏壓可以導致大約10的增益，而大約IOV的偏壓可以 導致大約100的增益。QD裝置的某些實施例包含QD層和定制設計或預制的電子讀出集成電路。接 著，QD層被直接形成在定制設計或預制的電子讀出集成電路上?？梢粤硗鈭D案化QD 層，使得它形成單獨的島(island)。在某些實施例中，無論QD層在哪里覆蓋電路，其連 續(xù)地覆蓋和接觸電路的至少某些特征。在某些實施例中，如果QD層覆蓋電路的三維特 征，則QD層可以符合這些特征。換言之，在QD層和下面的電子讀出集成電路之間存在 基本連續(xù)的界面。電路中的一或多個電極接觸QD層，并且能夠將關于QD層的信息，例 如涉及QD層上的輻射1000的量的電子信號傳遞到讀取電路。可以以連續(xù)方式提供QD 層以覆蓋例如讀取電路或圖案化的整個下面的電路。如果以連續(xù)方式提供QD層，則填 充因子接近大約100%，通過圖案化，填充因子減少，但是針對使用硅光電二極管的某些 示例性CMOS傳感器，仍然遠大于典型的35%。在許多實施例中，使用在 通常用于制造常規(guī)CMOS器件的設備中可用的技術容 易地制造QD光學裝置。例如，可以使用例如作為標準CMOS工藝的旋涂方式將QD層 溶液涂敷到預制電子讀出電路上，并且可選地進一步通過其它CMOS兼容技術處理QD 層以提供裝置中使用的最終QD層。下面提供QD沉積和進一步處理的細節(jié)。因為QD層不需要奇異或困難的制造技術，而是可以使用標準CMOS工藝制造，所以可以大量制 造QD光學裝置，并且資金成本(除了材料之外)未顯著增加超過當前CMOS工藝步驟。圖2e進一步圖解了某個示例性膠體量子點材料200的吸收率。下面進一步描述在示例性實施例中可以被用作QD的光敏層的示例性納米晶體材 料，以及制造該材料(包含具有熔融或鏈接的核和陷阱態(tài)的材料)的方法。在示例性實 施例中可以將這些納米晶體材料用于提供具有光電導的QD層。圖1中示出的QDPC 100 的示例性實施例可以使用任何這些納米晶體材料作為光敏層以形成光電傳感器陣列的像 素區(qū)域。這些納米晶體材料也可以被用于形成在本說明書中描述的其它示例性圖像傳感 器、像素區(qū)域和光電導體的實施例中的光敏層。在具體實施例中，像素區(qū)域的光敏層由 被熔融或鏈接的例如PbS或下面描述的其它材料的化合物半導體納米晶體核形成，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態(tài)，從而提供光電導增益。 這些只是例子，并且其它QD或光敏層可以被用于其它實施例的像素區(qū)域中。在某些實 施例中，例如硅光電二極管的其它光敏層可以結合或代替像素區(qū)域的QD或像素區(qū)域中的 特定層來使用。量子點結構UOO圖1中的示例性實施例的一個方面涉及量子點結構1100。量子點結構1100通常 包含量子點1200、量子點材料200和量子點布局1300。示例性實施例提供量子點(QD) 1200裝置和制造納米尺度晶體材料裝置的方法。 許多實施例是擁有增強增益和敏感度的光學裝置，并且除其它應用外，其可以被用于包 含輻射1000成像應用、光致電壓應用的光學應用中。這里將術語〃量子點〃或〃 QD" 與術語"納米晶體"互換使用，并且應當理解本實施例不專門局限于獨立的量子點，而 是限于任何納米尺度晶體材料，包含具有納米尺度特征的連續(xù)薄膜，例如通過熔融或鏈 接的納米晶體核的網絡形成的薄膜。術語〃納米晶體薄膜〃被用于描述包含尺寸通常在從0.5nm到IOnm的范圍中的 晶體成分的材料，并且其中作為組成的納米晶體在其原子的重復中對稱性(或周期性)的 軸在薄膜上，即從納米晶體到納米晶體通常不是良好定序的。術語"膠體量子點薄膜" 被用于描述納米晶膜，其中作為組成的納米晶體近似地尺寸相同，例如納米晶體平均為 2nm并且具有小于0.5nm的直徑標準偏差的薄膜。存在稱為外延或Stranski-Krastanow 生長量子點的另一類別的量子點，這些量子點未被涵蓋在這里定義的術語"納米晶體薄 膜"或"膠體量子點薄膜"中。外延量子點固體通常是晶格匹配的，并且因而組成晶體 具有彼此近似相同的晶格取向。
QD光學裝置的某些實施例是單個圖像傳感器芯片，其具有多個像素，每個像素 包含輻射1000敏感，例如具有光活性的QD層，以及與QD層電連接的至少兩個電極。 電極之間的電流和/或電壓與QD層接收的輻射1000的量有關。具體地，QD層吸收的 光子產生電子-空穴對，使得在施加電偏壓的情況下，電流流動。通過確定每個像素的 電流和/或電壓，可以重構芯片上的圖像。圖像傳感器芯片具有高靈敏度，其有益于低 輻射檢測1000應用；允許極好圖像細節(jié)的寬動態(tài)范圍；和小像素尺寸。傳感器芯片對 不同光學波長的響應度也可通過改變裝置中QD的尺寸、利用QD中的量子尺寸效應來調 節(jié)。可以使像素像1平方微米一樣小或更小、或像30乘30微米一樣大或更大、或其中 包含的任何范圍。
在許多實施例中，光敏QD層包含多個QD，其經過特別處理以給該層提供增強 增益和敏感度。具體地，可以使用下述方法制造多個QD，并且在某些實施例中，QD可 以包含核以及包含多個配體的外部表面。配體可以被交換為更短配體，在某些情況下為 易失性配體，并且接著在某些實施例中，進行配體交換的QD被溶液沉積到襯底上以形成 QD先驅體層。也可以使用下述形成和/或沉積納米晶體材料的其它方法。襯底自身可 以包含一或多個電極，或可以在后面步驟中沉積電極。隨后，在某些實施例中，從QD先 驅體層移除短配體。這可以使QD先驅體層中的QD非常接近。在實施例中，至少某些 QD可以與其鄰居接觸。QD之間的這種接觸可以被稱為"頸縮(necking)"。使納米粒 子接近在一起可以使納米粒子之間電子和/或空穴的移動更加容易，因而提高電荷載流 子穿過該層內的電氣路徑的遷移率。
在某些實施例中，頸縮QD可以被退火，這可以將頸縮QD熔融在一起。在這 種情況下，可以在配體清除之后將QD先驅體層保持在惰性氣氛中，使得單個QD的外 部表面不被氧化，直到退火完成。雖然退火的QD層中的兩個指定熔融QD保留其大部 分初始形狀，并且因而分別保持可識別，然而在退火之后，QD不再會有物理上的彼此不 同。QD的核可以一起形成連續(xù)電氣路徑，其因而可以進一步提高該層內的電氣路徑的傳 導性。因而，如果許多相鄰QD頸縮，或一起熔融成退火QD層，則它們可以形成物理 范圍基本大于單個QD的范圍、電流會容易地流過的電氣路徑。在某些實施例中，盡管 QD自身是納觀的，但QD薄膜可以具有宏觀范圍。在某些實施例中，完工的QD層基本 上可以被認為是具有納米尺度特征的連續(xù)無機薄膜。個體QD的一般形狀仍然是可識別 的，但是其核形成機械上健壯的連續(xù)電氣路徑。例如，完工的QD層的顯微圖會示出用 來形成該層的個體QD的一般形狀和尺寸，以及許多相鄰QD之間的健壯接點。在某些 實施例中，納米晶體核可以通過其它分子鏈接，而不是被熔融在一起。在許多實施例中，接著處理熔融的QD層以修改其外部表面。例如，可以在熔 融的量子點的外部表面上涂敷例如半導體殼的材料。或，例如，可以通過氧化熔融QD 層，在QD的暴露外部表面上形成缺陷態(tài)。這些缺陷態(tài)有效地捕獲由光子激勵的電子， 使得它們很不容易與空穴重組，并且因而大大增強指定光子在完工的QD層中產生的電流 量。這大大地提高了裝置的光電導增益。熔融的QD核和其間的結通常不具有缺陷態(tài)， 所以在某些實施例中，電流容易在其間流動。由于陷阱態(tài)的持久性長于納米晶體材料層 上載流子的渡越時間，所以產生光電導增益。光電檢測器結構1400圖1中的示例性實施例的一個方面涉及光電檢測器結構1400。光電檢測器結構 1400通常包含連接到量子點結構1100并且適于將來自量子點結構1100的要傳送的電信號 或電荷攜帶到關聯的像素電路1700的電連接1404。電互連1404可以被布置成與這里描 述的量子點布局1300相對應的光電檢測器幾何布局1402。例如，如果量子點布局是閉合 的指型交叉的圖案1438，則電氣互連的布局可以被布置成相似圖案，使得來自結點的電 荷或信號可以被從這些點傳送到像素電路1700。在其它實施例中，電互連可以被布置成 特定圖案，并且量子點結構1100可以被布置成另一圖案(例如，散布在連續(xù)薄膜中)，使 得電互連1404只從一部分量子點結構1100抽取電荷或信號。在實施例中，光電檢測器結構包含與若干電極接觸的半導體膜。雖然這里公開的許多實施例通過圖像檢測系統(tǒng)描述了光電檢測器結構的使用，然而應當理解，在某些 實施例中光電檢測器可以是光電二極管(例如，有增益或無增益的光致電壓)或光電導 體。光電導體通?？梢詡鬟f空穴，并且停止或無法傳遞電子。某些能量關系包含Fermi 能、功函數，化合價能和導帶邊緣。光電檢測器結構1400可以包含材料組合，例如包含 或含有兩個或更多類型的量子點。在某些示例性實施例中，光電檢測器結構可以形成單 極裝置，其中一個載流子類型(電子或空穴)的傳送相比其它類型(空穴或電子)的傳送 占主導地位。例如，在這里描述的PbS光電導膠體量子點檢測器中，空穴可以是流動載 流子并且可以具有至少10倍于電子的遷移率。例如，空穴遷移率可以 等于lE-4Cm7Vs， 而電子遷移率可以低于lE-5cm2/Vs。光電檢測器結構1400是被構造為使得它可以被用于檢測示例性實施例中的輻射 1000的裝置。檢測器可以被"調節(jié)"以檢測通過光電檢測器結構1400中使用的各種量子 點結構1100的規(guī)定波長的輻射1000。光電檢測器結構可以被描述成量子點結構1100， 其具有針對用于訪問量子點結構1100的狀態(tài)的某種輸入/輸出能力的I/O。一旦可以讀 取該狀態(tài)，則該狀態(tài)可以通過電互連1404傳送到像素電路1700，其中像素電路可以包含 電子器件(例如，無源和/或有源)以讀取該狀態(tài)。在實施例中，光電檢測器結構1400 可以是量子點結構1100(例如，薄膜)加上電接觸墊，所以所述墊可以與電子器件關聯以 讀取關聯量子點結構1100的狀態(tài)。在實施例中，電互連1404可以包含KDP電場檢測器 或其它磁場檢測系統(tǒng)。一旦與量子點結構進行電連接并且電連接可用，則可以通過接觸 (例如，電荷、電壓、電流、功率、電阻)或非接觸(例如磁場、電場、電容、電感)測 量方法進行讀取。在實施例中，光電檢測器結構1400可以包含旋涂在彼此頂部的多層量子點材料 200?？梢栽谶@些層之間設置絕緣材料以減少層之間的串擾。在實施例中，這種材料可 以是具有例如1000埃的厚度的極薄電介質材料。這種電介質的應用可涉及處理步驟， 以例如通過與電連接屏蔽或從電連接移除，來保證該電介質不干擾用于與量子點材料200 的各層連接的電接觸。例如，移除可涉及蝕刻處理。在實施例中，電介質可以被垂直設 置以避免與電極的頂部接觸。在實施例中，后處理可以涉及由照明和溫度的組合導致的光電檢測器1400的敏 化。只要存在均勻照明，則光電檢測器1400敏感度可以不變；所有其它參數可以達到平 衡值。例如，可以通過加熱到一個溫度一個時段來使將光電檢測器1400敏化。時間和 溫度的組合可以影響敏感度。來自光電檢測器1400的功率可以逐像素地耗散。功率可 以與響應成反比。耗散可以歸一化響應。后處理可以涉及照明，其具有導致陣列上的一 致光電檢測器響應的平面場。自平化可以涉及整個傳感器的均勻照明如果存在不具有 期望的增益水平的像素，則均勻照明將用于提高其增益。大電流可以通過"熱"像素， 這可以減弱"熱"像素的響應。如果傳感器被暴露在均勻光學場，則傳感器可以退火為 平坦響應。在某些實施例中，量子點結構1100也可以具有平面布局?？商峁┢矫娌季忠?將QDPC的敏感度提高到例如某個波長或波長范圍。出于包含例如提高對波長的敏感 度、降低對波長的敏感度和對吸收、折射、反射或與材料關聯的其它特性的補償的若干 原因，提供處于水平面的量子點結構的圖案。
在實施例中，在量子點結構1100中產生電荷區(qū)域，使得作為入射輻射1000的結 果在電荷區(qū)域中產生的電荷與和相鄰電荷區(qū)域相關的電荷隔離，并且只測量有關區(qū)域上 的照明的影響。這種方法可以被用于產生限定像素或部分像素的電荷響應區(qū)域圖。例 如，在量子點結構1100的層內，可期望限定可被用作分立像素部分的區(qū)域(例如，數 百萬的區(qū)域)。矩陣或正偏壓電極組和地平面或負充電電極可以與該層關聯(例如通過一 組電互連或電互連矩陣)。當該層所響應的輻射1000落在該層的子部分中時，對應區(qū)域 中的電荷顯現并且朝區(qū)域中的正偏壓電極移動。通過監(jiān)視電極，可以識別活動的區(qū)域， 并且強度可以被測量并且與具體像素或像素組關聯。在包含這種圖案的例子的圖3b-3e 中圖解若干平面電互連圖案。圖3b_3e中出現的每個圖案圖解了正偏壓電互連1452和地 或負偏壓互連1450，作為這種結構如何操作的例子，但是其它配置和偏壓可以被用于其 它實施例。圖3b示出封閉簡單圖案1430(例如，概念性說明)和1432(例如，用于產生光電 檢測器結構的通孔)。在簡單封閉的圖示1430-1432中，在含有接地的正方形電互連1450 的中心區(qū)域提供正偏壓電互連1452。正方形電互連1450可以被接地或處于另一個參考電 位以提供跨在像素區(qū)域中光敏材料上的偏壓。例如，互連1452可以被正電壓偏壓，并且 互連可以被負電壓偏壓以提供電極之間跨在像素區(qū)域中納米材料上的期望電壓降。在這 種配置中，當該層所響應的輻射1000處于正方形區(qū)域時，電荷顯現并且電荷被吸引和移 動到中心正偏壓電互連1452。如果在該層的區(qū)域上復制這些簡單封閉圖案，則每個簡單 封閉圖案形成部分或全部像素，其中它們捕獲與落在內部正方形區(qū)域中的入射輻射1000 關聯的電荷。在示例性實施例中，電互連1450可以是形成像素區(qū)域陣列的公共電極的柵 格的一部分?；ミB1450的每個邊可以與相鄰像素區(qū)域共享，以形成圍繞相鄰像素的電互 連的一部分。在這個實施例中，對于所有像素區(qū)域(或相鄰像素區(qū)域組)，這個電極上的 電壓相同，而互連1452上的電壓根據像素區(qū)域中光敏材料吸收的光強度在積分時段上變 化，并且可以被讀取以產生每個像素區(qū)域的像素信號。在示例性實施例中，互連1450可 以形成圍繞每個像素區(qū)域的電互連1452的邊界。公共電極可以在與互連1452相同的層 上形成，并且在互連1450周圍橫向定位。在某些實施例中，柵格可以在像素區(qū)域中光敏 材料層的上方或下方形成，但是電極上的偏壓仍然可提供圍繞像素區(qū)域的邊界條件以減 少與相鄰像素區(qū)域的橫越交叉(crossover)。圖3c圖解了具有指型交叉1434 (例如，概念性圖解)和1438 (例如，用于產生 光電檢測器結構的通孔)的電互連的封閉圖案。指型交叉產生電氣互連以某種方式糾纏 的圖案。類似于簡單封閉圖案，這些封閉圖案可以被用于捕獲外部接地電互連1450的范 圍內的電荷，并且將電荷移動到正偏壓電互連1452。就像圖3b那樣，外部電互連1450 可以被接地或處于某個其它參考電位，并且可以在像素陣列或相鄰像素組周圍形成公共 電極。圖3d圖解了 電互連的開放簡單圖案。開放簡單圖案通常不形成封閉圖案。開放 簡單圖案不包圍作為入射輻射1000的結果在正偏壓電互連1452和地1450之間的區(qū)域內 產生的電荷；然而，在兩個電互連之間的區(qū)域內顯現的電荷被吸引和移動到正偏壓電互 連1452。包含分立的開放簡單結構的陣列可以提供電荷隔離系統(tǒng)，該系統(tǒng)可被用于識別 入射輻射1000的位置，和對應像素分配。如上所述，電互連1450可以被接地或處于某個其它參考電位。在某些實施例中，電互連1450可以與其它像素的對應電極電連接(例 如，通過互連的下層)，所以電壓可被施加在像素陣列上。在其它實施例中，互連1450 可以線性地在多個像素區(qū)域上延伸以形成跨行或列的公共電極。圖3e圖解了開放指型交叉圖案，其中各圖案通常不形成封閉圖案并且擁有某種 形式的指型交叉。開放指型交叉圖案可以包含正互連1452和地(或其它參考電位)互連 1450。這個配置可以捕獲在兩個電互連之間的區(qū)域內顯現的電荷，并且吸引和移動電荷 到正偏壓電互連1452。包含分立的開放指型交叉結構的陣列可以提供電荷隔離系統(tǒng)，該 系統(tǒng)被用于識別入射輻射1000的位置，和對應像素分配。如上所述，在某些實施例中， 互連1450可以與相鄰像素區(qū)域形成公共電極。
圖3f示出通常較大的頂表面電極陣列內的兩行乘三列的子區(qū)域。電接觸的陣列 提供到光敏材料的覆層的電連接。1401表示用于提供到光敏層的一個共享接觸的共同電 極柵格。1402表示提供電連接到光敏層的其它接觸的像素電極。在實施例中，-2V的電 壓偏壓可以被施加到共同柵格1401，并且+2.5V的電壓可以在每個積分周期的開始處施 加到每個像素電極1402。雖然共同接觸1401在指定時間處于跨陣列的單個電位，然而像 素電極1402可以及時變化并且在陣列上間隔開。例如，如果電路被配置為使得1402處的 偏壓與流入或流出1402的電流相關地變化，則在積分周期的整個進程中，不同電極1402 可以處于不同偏壓。區(qū)域1403表示位于側平面內1401和1402之間的非接觸區(qū)域。1403 通常是絕緣材料以便最小化在1401和1402之間流動的暗電流。1401和1402通常由不 同材料構成。每個例如可以從列表TiN; TiN/Al/TiN ； Cu; TaN ； Ni; Pt中選擇；并 且根據前面的列表，可以有疊加在一個或兩個接觸上、從Pt、烷基硫醇、Pd、Ru、Au、 ITO、或其它導電或部分導電的材料中選擇的其它層或層組。在使用上述結構的示例性實施例中，互連1452可以形成與電容、半導體襯底上 的雜質區(qū)域或其它電荷存儲電連接的電極。在某些實施例中，電壓被施加到電荷存儲， 并且由于在積分時段光敏薄膜上的電流流動而放電。在積分時段的結束處，采樣剩余電 壓以產生對應于在積分周期內由光敏層吸收的光強度的信號。在其它實施例中，像素區(qū) 域可以被偏置以使得電壓在積分時段在電荷存儲中累積。在積分時段的結束處，可以采 樣剩余電壓以產生對應于在積分周期內由光敏層吸收的光強度的信號。在某些示例性 實施例中，由于電荷存儲處的電壓放電或累積，所以光敏層上的偏壓可以在積分時段變 化。于是，這可以使流過光敏材料的電流的速率也在積分時段變化。另外，光敏材料可 以是具有光電導增益的納米晶體材料，并且電流流動的速率可以與由光敏層吸收的光強 度有非線性關系。結果，在某些實施例中，電路可以被用于將來自像素區(qū)域的信號轉換 成數字像素數據，該數字像素數據與在積分時段由像素區(qū)域吸收的光強度有線性關系。 光敏材料的非線性特性可以被用于提供高動態(tài)范圍，而電路可以被用于在信號被讀取之 后線性化信號以便提供數字像素數據。下面進一步描述從像素區(qū)域讀取信號的示例性像 素電路。在某些實施例中，每個像素區(qū)域中的光敏材料是納米晶體材料，并且在偏壓的 極性被反轉時具有對稱特性。在某些實施例中，互連1450(可以是像素陣列的公共電極) 上的電壓可以在讀取周期變化，而不是保持在地電位或固定參考電位。例如，在如下面 進一步描述的讀取周期的轉變期間，電壓可以被改變以復位或控制像素電路。
上述光電導體結構只是例子，并且可以在其它實施例上使用其它結構?，F在描述光電檢測器的示例性實施例的某些特性和特征。根據使用的納米晶體 材料、所施加的偏壓和像素區(qū)域的尺寸與幾何可以定制特性和特征。下面進一步描述示 例性納米晶體材料和制造納米晶體材料的方法。示例性實施例可以包含上述光電檢測器 結構中或本說明書的其它地方使用的任何這些光敏層，并且所得到的光電檢測器結構可 以被用于具有在本說明書中下面描述的任何像素電路和系統(tǒng)電路的示例性實施例。這些 組合只是例子，并且在其它實施例中也可以使用納米晶體材料和光電檢測器結構。在某些示例性實施例中，上述類型的光電檢測器可以具有一或多個以下特性(6)容易與涉及圖像感測功能的其它電路，例如存儲電荷的電路、將信號電平傳 遞到陣列外圍的電路、在模擬域中操作這些信號電平的電路、將模擬轉換到數字信號的 電路、和在數字域中處理圖像相關數據的電路集成。(7)提供對有關波段或頻帶內的光的最大靈敏度。通常使用在指定照明水平下 的測量信噪比(SNR)來量化靈敏度。當裝置的響應度、量子效率或增益最大時信號為最 大。在指定溫度下電流和電壓的自然波動所規(guī)定的限制下，當電子信號的隨機波動最小 時，噪聲為最小。相關地，當暗電流的量值最小時，背景信號中的噪聲和其它不受控制 的或難以預測的變化通常為最小。出于這個和其它原因，許多實施例中可以期望具有高 靈敏度和低暗電流的光電檢測器。(8)提供適當快速的及時響應。例如視頻成像和無光閘靜止圖像獲取的應用通 常需要光電檢測器，其信號電平基本上完全地響應于在比100毫秒(10幀每秒)更少的時 間、比33毫秒(30幀每秒)更少的題意或甚至1毫秒(靜止圖像的1/1000秒曝光)內的 轉變而變化。(9)以能夠方便地由可用電子電路處理的方式提供寬范圍光強度的檢測。該特性 被稱作提供高動態(tài)范圍。提供高動態(tài)范圍的一個手段是將所測量的電子響應壓縮為入射 光激勵的函數。這種壓縮可以被稱為電信號對入射強度的亞線性，即具有下降斜率的非 線性依賴。也可以通過使用增益可以被控制(例如通過選擇已知產生特定增益的電壓偏 置)的光電檢測器來促進高動態(tài)范圍。(10)提供電磁輻射的不同譜帶間的方便鑒別。具體關心的是χ射線、紫外線、 可見光(包含藍、綠和紅)、近紅外線和短波長紅外波段。示例性實施例可以提供光電導體和光電檢測器陣列，其組合地擁有如下這些特 性的一或多個特性(6)示例性實施例中的光電檢測器可以容易地通過例如旋涂、噴涂、滴涂和自組 裝的簡單、低成本的方法，與圖像傳感器電路和系統(tǒng)的其它部分集成。實施例包含交換 鈍化納米粒子表面的配體，以得到一旦形成薄膜便提供適當的電荷載流子遷移率的更短 配體。實施例包含液相交換，其使得能夠實現平滑形態(tài)薄膜，這是實現具有陣列上的可 接受一致暗電流和光響應的圖像傳感器所需的。
(7)示例性實施例中的光電檢測器通過手段的組合來提供最大靈敏度。這些手段 通過提供光電導增益使信號最大。光電導增益范圍的典型值為從1到10，導致在可見波 長中從0.4A/W到4A/W的響應度。在實施例中，這里描述的光電檢測器通過熔融納米 晶體核以例如確保在構成電流流過的光敏層的粒子間的基本非噪聲降級電連接，來使噪聲最小。在實施例中，這里描述的光電檢測器通過使活性層的凈摻雜最少來使暗電流最 小，因而保證暗載流子密度，并且因而使這些光敏材料的暗電導最低。在實施例中，這 里描述的光電檢測器通過提供通常阻斷可能包含處于平衡的多數載流子的一種載流子的 電極到納米晶層電連接，使暗電流最小。在實施例中，使用交聯分子，其利用清除氧化 物、硫酸鹽和/或負責P型摻雜的氫氧化物的化學功能。因而，在實施例中，可以提供 更加本征或甚至η型的光敏層，導致降低的暗電流。在實施例中，可以在例如希萊克技 術(Schlenkline)或手套式操作箱(Glove Box)的受控環(huán)境中進行量子點合成和/或處理 和/或裝置封裝中的許多步驟；以及可以使用基本上不可滲透的層，例如氧化物、氮氧 化物、或例如聚對二甲苯或環(huán)氧樹脂的聚合物來封裝光敏層，以便阻止例如氧的反應氣 體或水顯著滲透光敏層。通過這種方式，可以在圖像傳感器的期望有用生命期保持例如 增益、暗電流和時滯的期望特性組合。 (8)示例性實施例中的光電檢測器提供可以快速至低于100毫秒、低于30毫秒和 低于1毫秒的時域響應。在某些實施例中，這通過提供與光敏層相關、僅將至少一種載 流子捕獲例如100毫秒、30毫秒或1毫秒的有限時間段的增益提供(和持久性提供)陷 阱態(tài)來獲得。在某些實施例中，PbS納米粒子布置上PbS03，即PbS的氧化物，PbS03 顯示出具有在20-30毫秒附近的陷阱態(tài)生命期，從而提供適于許多視頻成像應用的瞬時 響應。在某些實施例中，相反，基于膠體量子點層提供光電二極管，其中具有略微不同 的功函數的兩個電接觸被用來接觸活性層。在某些實施例中，可以通過在不施加明顯的 外部電壓偏置的情況下這種裝置的操作來使暗電流最小。在某些實施例中，例如苯二硫 醇、二齒鏈接劑的交聯部分可以被用來清除和/或鈍化在這種材料中可能出現或可能發(fā) 展出來的某些陷阱態(tài)。(9)示例性實施例中的光電檢測器提供了通過產生電信號(例如光電流)的亞線 性依賴來增強動態(tài)范圍的手段。在低到中等強度的區(qū)域，有陷阱態(tài)可變?yōu)楸惶畛洌⑶?在某種中等持久，或陷阱態(tài)、生命期(例如30毫秒)之后，出現逃逸。在更高強度處， 這些陷阱態(tài)變?yōu)榛旧媳惶畛?，使得電荷載流子經歷對應于更低微分增益的更短生命期 或持久時間。結果，這些裝置在低到中等強度的范圍上表現出基本固定的增益，接著在 更高強度處表現出增益的平緩滾降。換言之，在低到中等強度處，光電流近似線性地依 賴于強度，但是在更高強度處，光電流表現出對強度的亞線性依賴。在實施例中，提供 光電檢測器，其中光電導增益依賴于施加到裝置的偏壓。其原因是增益與載流子生命期 除以載流子渡越時間的成比例，并且渡越時間以與施加的場成反比例的方式變化。在實 施例中，開發(fā)出利用增益對偏壓的這種依賴性增加動態(tài)范圍的電路。(10)在示例性實施例中，光電檢測器可以被容易地改變，或"調整"，以向不 同譜帶提供敏感度。通過量子尺寸效應提供一種調整的手段，從而在通過合成控制的情 況下，納米粒子直徑被降低，以增加所得到的量子點的有效帶隙。通過選擇材料組成提 供另一種調整的手段，其中使用具有更大體帶隙的材料通常利于實現在更高光子能量處 具有響應度帶邊(responsivityonset)的光電檢測器。在實施例中，具有不同吸收帶邊的光 電檢測器可以被疊加以形成垂直像素，其中靠近光學信號源的像素吸收和感測電磁輻射 的較高能帶，而遠離光學信號源的像素吸收和感測較低能帶。在光電檢測器1400的具體示例性實施例中，對超靈敏的光電檢測器1400 (例如，D* IO13瓊斯)的溶液處理途徑包括合成PbS膠體量子點，交換溶液中的它們 的有機覆蓋配體，通過旋涂形成薄膜光電檢測器，和實現顯現步驟以修改傳導性并修 改陷阱態(tài)，從而產生光電導增益，例如1.5、2、5、10、20、50或100(參見例如 Konstantatos G.等 人 Ultrasensitivesolution-cast quantum dot photodetectors.Nature 442, 180-183 (2006) ) 0光電檢測器1400可以使用紅外或可見光帶隙。
在光電檢測器1400的另一個實施例中，薄膜光電檢測器1400可以被涂敷到芯片 上。薄膜光電檢測器1400可以比示例性硅光電二極管更敏感，并且可以提供可簡化讀出 電路設計的內置增益。偏壓相關和/或強度相關的增益的使用可允許增強的動態(tài)范圍。 光電檢測器1400可以使用膠體量子點1200，其可以提供超過例如晶體、非晶體或有機 物的常規(guī)體半導體的優(yōu)點，其原因在于量子點是量子尺寸效應可調的。薄膜光電檢測器 1400可以包括堆疊多譜像素，其可以引入量子點1200的量子尺寸效應可調性的使用。薄 膜光電檢測器1400可以由經過后薄膜形成處理的量子點材料200形成，其中長絕緣配體 可以被交換成短配體，這可以導致高度敏感的可見光光電檢測器1400。薄膜后處理可以 允許將頂表面薄膜光電檢測器1400與晶體硅集成。在整個可見光譜上，光電檢測器1400 可以再現出歸一化檢測靈敏度D* IO13瓊斯。光電檢測器1400可以表現出大于一并且 范圍從1.5到100的光電導增益，從而利于高保真度電子讀出。光電檢測器1400可以允 許比固定增益光電檢測器中提供的動態(tài)范圍更大、3dB和20dB之間的動態(tài)范圍。光電檢 測器1400利用量子尺寸效應可調性來示范堆疊的多色像素。示例性實施例的薄膜光電檢測器1400可以滿足包含但不限于敏感度、增益、可 調性和動態(tài)范圍等等的要求性能需求。下面接著描述某些示例性實施例的性能特征。關于敏感度，用于可見光成像的頂表面可見光波長光電檢測器1400可以理想 地滿足或超過硅的敏感度。敏感度的一種測量可以是噪聲等效功率NEP，即裝置能夠 與噪聲區(qū)分開的最小入射光功率。然而，由于光電檢測器中的噪聲電流不可與面積成 線性關系地按比例增大減小，所以定義稱為歸一化檢測靈敏度的量，其具有單位 CmHz172W-1C Mm")。指標D*的數字等于檢測器的光學活性面積除以其噪聲等效功率 (NEP)的平方根。D *允許進行不同面積的光電檢測器之間的比較。關于增益，示例性硅光電二極管對于每個入射光子可以提供高達與一個電子相 當的電流。在低光條件下，并且尤其是在小像素中，這可以使得非常低噪聲電子放大電 路的使用成為必要。理想地，光電檢測器會提供內置增益，從而允許對于每個吸收光子 在像素電路中收集多個載流子，因而減少對讀出電路的要求。例如，在光電導光電檢測 器1400中，當吸收光子時電子-空穴對的產生可以導致在激勵載流子生命期持續(xù)的傳導 性提高。關于可調性，量子尺寸效應調整查允許根據應用的需要選擇半導體帶隙。對于 可見光成像，最優(yōu)帶隙傳感器材料會只吸收可見光，排除對紅外截止濾光器的需要，并 且通過最大化帶隙來最小化重組生成噪聲(recombination-generation noise)。可調材料系 統(tǒng)也允許堆疊的像素體系結構，其中大帶隙光電檢測器感測以及過濾出較高能光，從而 只傳送較長波長光到下面的獨立讀取的像素元件。這種體系結構與(有損)吸收性濾色 器陣列相比提供改進的低光敏感度。對于動態(tài)范圍，CMOS圖像傳感器的滿阱容量與暗電子的數量的比將動態(tài)范圍限制為大約3個量級的強度(在成像中通常表示成60dB)。光電檢測器1400可以提供至 少這么大的動態(tài)范圍。光電檢測器1400通過其偏壓可調增益和/或其強度相關增益可允 許受控信號壓縮以得到動態(tài)范圍增強。下面更詳細地描述表現出上述特性的納米晶體材料和制造納米晶體材料的方法。量子點像素1800在圖1的示例性實施例中，上述納米晶體材料和光電檢測器結構可以被用于提 供光電傳感器陣列、圖像傳感器或其它光電裝置的量子點像素1800。在示例性實施例 中，像素1800包含能夠接收輻射1000的量子點結構1100，適于從量子點結構1100接 收能量的光電檢測器結構，和像素結構。在某些實施例中，這里描述的量子點像素可以 被用于提供以下特性高填充因子、裝入容器的可能性(potential to bin)，堆疊的可能性 (potential tostack),達到小像素尺寸的可能性、來自較大像素尺寸的高性能、簡化濾色 器陣列、去馬賽克處理的去除、自增益設置/自動增益控制、高動態(tài)范圍、全局光閘能 力、自動曝光、局部對比度、讀取速度、像素級低噪聲讀取、使用較大工藝幾何的能力 (低成本)、使用通用制造工藝的能力、使用數字制造工藝來建立模擬電路、在像素下方 增加例如存儲器、A到D的其它功能、真相關雙采樣、裝入容器等等。示例性實施例可 以提供某些或所有這些特性。然而，某些實施例可以不使用這些特性。圖7c示出圖8中示出的示例性成像系統(tǒng)的示意橫截面。在示例性實施例中，QD 層1820包含交聯納米晶體核，例如鏈接的PbS納米晶體核的連續(xù)薄膜，其具有使用例如 PbS03的氧化核材料形成的陷阱態(tài)。QD層1820可以提供光電導增益，并且具有流過QD 層1820的電流的速率和由QD層1820吸收的光強度之間的非線性關系。在示例性實施例中，圖7c的成像系統(tǒng)包含讀出結構，其包含襯底1812、例如 QD層1820的光敏層1820和透明電極1818。襯底1812包含具有頂表面的讀出集成電路 (ROIC)，ROIC具有位于其頂表面的像素電極1814的陣列，所述像素電極1814具有位于 陣列外的反電極1818，即覆蓋QD層1820的透明電極1818。圖7c中示出的電極1814對 應于圖8中示出的正方形電極墊300。共同形成焦平面陣列1810的電極1814的陣列提 供用于偏置陣列的指定像素1814和從陣列的指定像素1814收集電流的電壓，并且向輸入 /輸出電極1812 (未示出連接)傳送來自陣列的信號。例如QD層的光敏層1820在集成 電路的頂表面上形成。更具體地，QD層1820覆蓋集成電路的頂表面上的像素電極1814 陣列。光敏層1820限定用于收集入射在其上的輻射1000的成像像素陣列。在圖7c的成像系統(tǒng)中，QD層1820被直接單片集成到電子讀出芯片上。現在參照圖7d，在1822處示出了基本光學裝置結構的側視圖，其在某些實施例 中可以被用作圖7d_f中示出的整個集成陣列中的單個像素。裝置1822包含襯底1824， 其可以是玻璃或其它相容的襯底；接觸/電極1828 ；例如QD層1832的光敏層；和覆 蓋QD層的至少部分透明的接觸1830。如上所述，QD層1832可以是示例性實施例中具 有使用氧化核材料形 成的陷阱態(tài)的交聯納米晶體核的連續(xù)薄膜。接觸1828和1830可以 包含例如鋁、金、鉬、銀、鎂、銅、氧化銦錫(ITO)、氧化錫、氧化鎢和其組合及層結 構，并且可以包含帶通或帶阻濾光器，其選擇性地透過或減弱適合裝置的最終使用的譜 的具體區(qū)域。該裝置具有總體上"垂直夾心"的結構，其中該裝置的不同部件通常覆蓋其它部件。在操作中，流動的電流的量和/或接觸1830和接觸1828之間的電壓的量與 QD層1832接收的光子數量關聯。在操作中，電流通常沿垂直方向流動。圖7d中示出 的實施例也可以包含一或多個附加可選層，用于電子/空穴注入和/或阻斷。該層允許 從電極到QD層傳送或阻斷至少一個載流子。適合層的例子包含QD層，其包含不同尺 寸和/或成份的QD，半導體聚合物和例如氧化銦錫(ITO)和硅的半導體。現在參照圖7e，在1822a示出了具有與圖7d_7f中示出的整個集成陣列中每個像 素不同的配置的基本裝置結構的側視圖，但是其可以被用于形成類似功能的光學裝置。 如上所述，QD層1832a可以是示例性實施例中具有使用氧化核材料形成的陷阱態(tài)的交聯 納米晶體核的連續(xù)薄膜。圖7e中的配置對應于橫向平面結構，其中跨兩個間隔開的接 觸/電極1828a和1832地沉積光敏層1832a。接觸1828和1832被沉積在例如玻璃襯底 1824b的襯底上。包含接觸1828a，1832和襯底1824b的集成電路可以包含任何適當系 統(tǒng)，光敏材料可與該系統(tǒng)相容(例如，硅、玻璃、塑料等等)。接觸1828b和1832可以 包含鋁、金、鉬、銀、鎂、銅、鎢、鉭、氮化鎢、氮化鉭、氧化銦錫(ITO)、氧化錫、 氧化鎢或其組合或層結構。該裝置具有總體上"橫向平面"結構，其中該裝置的至少某 些部件通常相對其它部件橫向移位，從而形成平面電極結構。在操作中，流動的電流的 量和/或接觸1832a和接觸1832之間的電壓的量與QD層1832a接收的光子數量關聯。 在操作中，電流通常沿橫向流動。圖7f示出包含指型交叉的電極的另一個基本裝置結構1822b的頂視圖，并且其 也可以被用于形成光學裝置?？梢詮纳厦驷槍D7d_7e提供的材料中選擇材料。如上所 述，QD層1832b可以是示例性實施例中具有使用氧化核材料形成的陷阱態(tài)的交聯納米晶 體核的連續(xù)薄膜。除其它可能體系結構外，圖7d_7f中所示的每個基本裝置1822、1822a和1822b 可以被認為代表了單個裝置或例如線性陣列或二維陣列的較大裝置中的元件?；狙b置 可以被用在例如如上所述的檢測和信號處理的許多類型的裝置中，以及發(fā)射和光致電壓 裝置中。不是所有實施例都需要是光學裝置。許多QD層具有可以被用于例如下述中 的一或多個的光學裝置的光學特征用于電磁譜的一或多個輻射1000帶的圖像傳感器； 包含多譜和超譜的光學分光計；通信光電檢測光學接收機以及自由空間光學互連光接收 機；和環(huán)境傳感器。某些QD層也具有可用于其它類型的裝置的電氣特征，例如用于信 號處理、計算、功率轉換和通信的晶體管。在一個實施例中，集成電路上的下層電極限定成像裝置中的成像像素。在電極 上形成的QD層提供入射輻射1000的光電轉換。在另一個實施例中，除了通過集成電路上的電極限定像素之外，例如QD層的光 敏層的進一步圖案化提供像素的進一步限定，包含由集成電路上的哪些電極讀取哪個像 素。這個圖案化也可以通過例如光刻的眾所周知的CMOS技術來實現。其它選項包含 自組裝QD層到例如金的預圖案化金屬層，QD和/或其配體對該層具有已知的親合性。 通過將共形QD層沉積到例如包含"山丘"(突出)和"山谷"(溝道)的拓撲可變表面 并且接著平面化QD薄膜以移除"山丘"上累積的材料并同時在"山谷"中保持該材料， 也可以實現圖案化。其它層可以被包含在結構頂上的 層中，例如用于制造電接觸(例如至少部分透明的接觸(例如氧化銦錫、氧化錫、氧化鎢、鋁、金、鉬、銀、鎂、銅或其組合或層結 構))、抗反射涂層(例如電介質層系列)、或微腔的形成(例如兩個反射鏡，至少一個 使用非吸收電介質層形成)、封裝(例如基本透明電介質(例如氮化硅(Si3N4)或二氧化 硅，或例如環(huán)氧樹脂或其它材料)以保護氧環(huán)境或濕度中的不同材料)、或光學過濾(例 如允許一個輻射1000帶通過并且第二個輻射1000帶不通過)的電氣層。集成電路可以包含一或多個半導體材料，例如但不限于硅、絕緣體上硅、襯底 上生長的硅鍺層、磷化銦、砷化銦鎵、砷化鎵，或例如MEH-PPV，P30T和P3HT的半 導體聚合物。集成電路也可以包含一或多個半導體有機分子，非限制性的例子是端替代 (end-substituted)齊聚噻吩(例如 α，ω -dihexyl hexathiophene (DH6T))和并五苯。由于 聚合物和有機分子可以是柔性的，所以聚合物和有機分子可以被用作QD裝置中的襯底， 并且因而允許制造非平面的"柔性"和"順從"的裝置。其它適合襯底可以包含例如塑料和玻璃。上述量子點像素只是例子，并且其它實施例可以使用其它像素結構。像素電路 1700 (包含其它部件1900)現在描述可以被用于從光電導像素區(qū)域讀取信號的像素電路。如上所述，在實 施例中，圖1的QDPC 100內的像素結構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、對角等等的多個布局結構。像素結構1500也可以具有嵌 入的像素電路1700。像素結構也可以與光電檢測器結構1400和像素電路1700之間的電 互連1404關聯。在實施例中，圖1的QDPC 100內的量子點像素1800可以具有像素電路1700， 其被嵌入或特定于個體量子點像素1800、量子點像素1800組、像素陣列中的所有量子點 像素1800等等。量子點像素1800的陣列內的不同量子點像素1800可以具有不同像素 電路1700，或可以根本不具有任何個體像素電路1700。在實施例中，像素電路1700可 以提供多個電路，例如用于偏置、電壓偏置、電流偏置、電荷傳送、放大器、復位、采 樣和保持、地址邏輯、解碼邏輯、存儲器、TRAM單元、快擦寫存儲器單元、增益、模 擬求和、模數轉換、電阻橋等等。在實施例中，像素電路1700可以具有多個功能，例 如用于讀取、采樣、相關雙采樣、子幀采樣、定時、積分、求和、增益控制、自動增益 控制、偏置調整(off-set adjustment)、校準、偏移調整(offsetadjustment)、存儲器存儲、 幀緩存、暗電流減法、裝入容器(biiming)等等。在實施例中，像素電路1700可以具有 到QDPC 100內其它電路的電連接，例如位于第二量子點像素1800、列電路、行電路、 QDPC 100的功能部件2004內的電路、或QDPC 100的集成系統(tǒng)2200內的其它特征2204 等等的至少一個中的其它電路。與像素電路1700關聯的設計靈活性可以提供寬范圍的產 品改進和技術創(chuàng)新。量子點像素1800內的像素電路1700可以采取多個形式，范圍從根本沒有電路，僅互連電極，到提供例如偏置、復位、緩沖、采樣、轉換、尋址、存儲器等等的功能的 電路。在實施例中，調節(jié)或處理電信號的電子器件可以以多種方式定位和配置。例如， 信號的放大可以在每個像素、像素組，每個列或行的末端處，在信號已經傳送離開陣列 之后，剛好在信號要被傳送離開芯片2000之前等等執(zhí)行。在另一個情況下，可以在每個 像素、像素組，每個列或行的末端處，在芯片2000的功能部件2004內，在信號已經傳送離開芯片2000之后等等提供模數轉換。另外，可以分步驟執(zhí)行任何級別的處理，其中一 部分處理在一個位置執(zhí)行并且第二部分的處理在另一個位置執(zhí)行。一個例子可以是分兩 個步驟執(zhí)行模數轉換，即 在像素1800處的模擬混合和作為芯片2000的功能部件2004的 一部分的高速率模數轉換。在實施例中，不同電子配置可需要不同層次的后處理，例如補償每個像素具有 其自身的與每個像素的讀取電路關聯的校準水平的事實。QDPC100可以能夠為每個像素 處的讀取電路提供校準、增益控制、存儲器功能等等。由于QDPC 100的高度集成結構， 所以可得到量子點像素1800和芯片2000層次的電路，這可以允許QDPC 100成為芯片上 的整個圖像傳感器系統(tǒng)。在某些實施例中，QDPC 100也可以由量子點材料200結合例 如CCD和CMOS的常規(guī)半導體技術構成。像素電路可以被定義為包含在與量子點材料200接觸的電極處開始并且在信號 或信息被從像素傳送到其它處理設備時結束的部件，例如下層的芯片200的功能部件 2004或另一個量子點像素1800。從量子點材料200上的電極處開始，信號被轉換或讀 取。在實施例中，光電導光致電壓量子點材料200可以充當響應于輻射1000改變其電 阻的電阻器。同樣地，量子點像素1800可需要偏置電路1700以便將阻抗轉換成可讀信 號。接著，這個信號可被放大和選擇以供讀取。圖6a中示出的像素電路的一個實施例 使用復位偏置晶體管1802、放大器晶體管1804和列地址晶體管1808。這個三晶體管電 路配置也可以被稱為3T電路。在這里，復位偏置晶體管1802在復位1704有效時連接偏 置電壓1702到光電導光致電壓量子點材料200，因而復位量子點材料200的電氣狀態(tài)。 在復位1704之后，量子點材料200被暴露給輻射1000，導致量子點材料200的電氣狀態(tài) 的變化，在這種情況下為引入放大器1804的柵極的電壓改變。接著，這個電壓被放大器 晶體管1804提升并且提供給地址選擇晶體管1808，其在被選擇時出現在地址選擇晶體管 1808的列輸出處。在某些實施例中，附加電路可以被加到像素電路中以幫助減去暗信號 成分。在其它實施例中，針對暗信號的調整可以在從像素電路讀取該信號之后進行。在實施例中，量子點材料200的阻抗可以非常高，例如在一個太歐(teraohm)范 圍內，使得暗場景的積分時間在毫秒范圍，而亮場景的積分時間在微秒范圍。另外，響 應曲線可以不是線性的，導致S形響應曲線。這類響應曲線可需要相對于光電二極管配 置的常規(guī)方面進行如何使用3T電路方面的改變。例如，常規(guī)3T復位是數字的，其中在 積分期間復位無效，并且在復位期間完全有效。QDPC 100 3T電路的復位是模擬的、電 壓變化的，例如在某些實施例中從OV連續(xù)改變到1.8V，進行偏置以得到特定響應形狀和 優(yōu)化。QDPC 100電路的復位也可以在復位期間調強，并且在積分期間調弱，但是可以始 終供給偏置電壓，這可以提供電路的更大控制。并且，如先前提及的，光電二極管可以 具有非常大的電容，例如50-100毫微微法拉(femtofarad)，具有小于一的增益。QDPC 100量子點材料200具有非常低的電容，例如小于一毫微微法拉，具有取決于偏壓的大范 圍增益，例如0.1和10000之間。常規(guī)3T電路的控制定時由固定電壓和定時來表征，例如被調強并且接著在幀區(qū) 間的末端被回調到零的復位電壓以及幀之間的定時被固定。在QDPC 100 3T電路中， 復位電壓可以變化。此外，由于量子點材料200響應曲線在用于光電二極管時不是線性 的，所以QDPC的定時可變，其中斜率直接取決于輻射1000的量并且能夠達到飽和。在量子點材料200響應中，關系是指數式的(exponential)，其中強輻射1000可以產生尖銳 衰減并且弱輻射1000可以產生非常慢的衰減。由于這個響應，所以不存在達到飽和的電 壓水平，并且因而對動態(tài)范圍沒有限制。例如，在輻射1000強度從一毫微瓦到一毫瓦的 范圍上，QDPC 100可以經歷易于讀取的360mV的輸出范圍。盡管在某些實施例中QDPC 100的低噪聲操作可能不需要附加電路，但可以添加 第四晶體管電路組以提高敏感度。圖6b示出QDPC 100 4T電路，其中第四晶體管1708 被配置為采樣并且保持。這個配置也可以被稱為全局光閘，其中整個像素1800陣列可以 被同時采樣，而不必在固定時間采樣，其中采樣的時間可以是輻射1000的條件的函數。 采樣和保持可以實現相關雙采樣，其中每個像素的信號值被傳送到輸出，并且輸出被復 位到參考值。分配給這個像素的最終值可以是參考值和傳送的信號之間的差值。相關雙 采樣可以產生與每個像素關聯的真值的最優(yōu)表示。從電子器件的觀點看，可以有實現這 個的不同方法，例如數字、模擬采樣和保持、積分、雙斜率等等。有效性的差異對于小 于4或5個電子的超低噪聲系統(tǒng)會變得明顯，這取決于系統(tǒng)的總體設計。在實施例中， 可以使用兩個采樣和保持，保持兩個值以便利用其間的差值。另外，QDPC 4T電路也可 以具有分立的像素復位，其可以不同于電路復位。兩個復位可以被同時或在不同時間使 用。在實施例中，QDPC 100電路可以具有變化的電壓、時間分布、復位時間的長度、 采樣模式等等，其允許常規(guī)設計所不能的創(chuàng)新產品解決方案。在實施例中，光電檢測器的偏置可以不隨時間變化或隨時間變化。變化的空間 和時間可以減少串擾，并且允許將量子點像素1800縮小到更小尺寸，并且需要量子點像 素1800之間的連接。通過在像素1800的角和中間的點處接地能夠實現偏置。可以僅在 執(zhí)行讀取、允許相鄰像素1800上沒有場、將相同偏壓作用在相鄰像素1800上、首先讀取 奇列然后讀取偶列、等等時實現偏置。也可以在像素1800之間共享電極和/或偏置。偏 置可以被實現成電壓源或電流源。電壓可以跨若干像素施加，但是接著被分別感測，或 作為跨對角線上一串像素1800的單個大偏壓來施加。電流源可以驅動電流沿行流下，接 著跨列讀出電流。這可以提高所涉及的電流的水平，其可以降低讀取噪聲水平。在實施例中，電流流動可以被導向，例如，通過一系列層向下流動。施加電壓 或電流、跨不同的組收集、參考差分測量(即電極對之間的差)和產生DC偏移(與偏移 信號成比例)。在實施例中，通過使用偏置模式或電壓偏置配置，場的配置可以產生像素之間 的隔離。例如，即使存在上述光電導光致電壓材料，電流可以在每個像素中流動，使得 只有電子-空穴對在該像素內流動。這可以允許靜電實現的像素間隔離和串擾消減，而 無需物理分離。這能夠斷開物理隔離和串擾消減之間的聯系。這類模式可以通過棋盤式 的非連接的分組來實現。在笛卡爾系統(tǒng)中，偏置可以是彼此相對的產生方向，所以載流 子可以在收集區(qū)域看到最小電位，并且散布到像素的中心。
在實施例中，像素電路1700可以包含用于像素讀取的電路。像素讀取可以涉及 從量子點材料200讀取信號并且將信號傳送到其它部件1900、芯片功能部件2004、集成 系統(tǒng)2200的其它特征2204或其它芯片外部件的電路。像素讀取電路可以包含量子點材 料200接口電路，例如圖6a和6b中示出的3T和4T電路。像素讀取可涉及讀取像素信 號的不同方式，轉換像素信號的方式、所施加的電壓等等。像素讀取可需要具有例如2、3、4、20等等的若干與量子點材料200的金屬接觸。這些電接觸可以被定制配置尺寸、 屏蔽度、電容等等，并且可以涉及例如肖特基接觸的其它電部件。像素讀取時間可以與 輻射1000的引起的電子-空穴對的持續(xù)時間有關，例如若干毫秒或微秒。在實施例中， 這個時間可以與量子點材料200的處理步驟關聯，例如改變持久性、增益、動態(tài)范圍、
噪聲效率等等。 量子點像素1800的讀取可以通過多個信號轉換技術進行，例如電阻到電壓、電 阻到電流、電阻到電荷、反饋模式、混合暗電流等等。電阻到電壓可以使用電阻分壓 器，其中量子點材料200表示一個電阻，并且另一個是暗電阻器。在這個模式中，偏置 電壓跨在該對上，并且在其間的節(jié)點處的輸出電壓被監(jiān)視。在實施例中，輸出響應可以 是非線性的，并且可以是像素1800尺寸的函數。偏置電壓可以是包含1.8V、2.5V、3.3V 等等的多個值，其中在某些實施例中可能期望使用可得到的最大電壓。在某些實施例 中，這些電壓可以被濾波、校準、調節(jié)等等。在實施例中，像素讀取可以通過電阻到電流模式進行，例如恒定電流方案。在 低輻射1000中，利用恒定電流，電阻可以在開始時為低，接著根據斜率傳遞函數(slop transfer function)增高。在實施例中，恒定電流模式可能在實現中需要晶體管電路，從而 轉變?yōu)楸绕渌Ｊ叫枰罅康碾娐?，例如具有只涉及電阻器的恒定電壓。通過晶體管 配置，也可能存在晶體管匹配和偏移的問題。也需要例如自參考、鏡像電路、自參考切 換等等的參考。切換可以改進電荷截留和切換噪聲效應。在實施例中，恒定電流方案可 以表示用于與例如量子點材料200的非線性裝置接口的改進方法，其中處于低輻射1000 的輻射1000可以表示低斜率、中間的最大斜率和再次回到低斜率的亮輻射1000，即所謂 的S曲線。在實施例中，像素電路可以適應例如積分、采樣等等的獲得圖像的不同方式。 積分可以涉及毫秒級的曝光，并且可能在整個幀周期涉及整個像素1800陣列。對于只產 生例如480mV的小電壓的大范圍的輻射1000強度，可以不需要增益，盡管自動增益控制 仍可以被實現。在實施例中，曝光值可以提供光強度和采樣電壓之間的不同映射。與暗 電阻關聯的RC常數可以確定最長曝光時間。在實施例中，可以結合新技術使用更多常 規(guī)結構以實現較長曝光時間。在一個可選實施例中，可以在幀周期內多次采樣圖像，其可以利用量子點結構 1100中進行的常數積分。采樣可以針對微秒級的時段來進行，從而在毫秒級的幀周期 內脫離地采樣一個像素、列、或簇。這可以導致在幀周期內得到大量樣本，例如每幀周 期一千個樣本。在實施例中，噪聲帶寬可以較大，但是由于讀取數量增加，所以具有增 加的噪聲。然而，可以獲得簡單性，并且可以根據應用在簡單性與附加噪聲之間進行折 衷。在實施例中，所有所需是每個像素1800上有單個開關?？梢栽谡麄€時間施加偏 壓，但是只具有簡要樣本，或偏置可以是有限時段。采樣可以使用類似于相關雙采樣的 技術，通過減去信號和背景來減少總噪聲。這可以幫助避免低Ι/f噪聲。在實施例中， 不同積分和采樣模式可以被應用于QDPC 100的操作，其使新產品應用的開發(fā)具有操作靈 活性。在實施例中，可以有與像素電路1700關聯的校準電路，例如執(zhí)行或不執(zhí)行暗電 流減法。暗電流減法可以通過使用電阻橋，或在電路的行或列的末端處，或在每個個體像素處執(zhí)行。關聯的暗電阻器可以被覆蓋并且位于行的末端、列的末端、個體像素處、 像素組的中心處、在約束成一組像素的區(qū)域內等等。接著，通過以適當比率表征暗與常 規(guī)像素的比并且關于電阻和幾何結構，可以執(zhí)行校準。所覆蓋的暗電阻器與未覆蓋的像 素的比率可以被稱為填充因子，并且可以被最小化以便最大化曝光輻射1000敏感的量子 點材料200。填充因子可以通過拼貼(tiling)像素組來最小化，并且可以配置成例如正 交或非正交的多個取向。暗電阻器的屏蔽可以通過用金屬或其它材料覆蓋暗電阻器來實 現。在一個可選實施例中，光電檢測表面可以被制造成對輻射1000不敏感，或失敏或在 制造期間例如通過掩模(masked)UV輻射來調節(jié)。在實施例中，可以通過暴露于例如UV 輻射的掩模輻射來使區(qū)域對輻射1000敏感。在實施例中，可以隨著從陣列中讀取信號而 確定暗參考。在實施例中，可以不需要暗電流減法。在一個光子的電阻變化大于暗電流的情 況下可以允許這種情況，于是可以忽略暗電流。由于小的組可以具有相似照明或比系統(tǒng) 中光學器件的分辨率更小，所以這可以加速讀取，各組可以通過測量每個鄰居的電阻來 執(zhí)行其自身的自校準。差異可以起因于暗電流、像素之間的增益偏移、光學器件的傳遞 函數等等。仍然可以使用電阻橋，但是現在它們可以在自校準組內使用。這類系統(tǒng)可以 允許動態(tài)、連續(xù)的調整，這種調整可以由用戶在生產或用戶層次定義或設置。在實施例 中，允許在不需要暗電阻器的情況下進行校準的技術的使用可以產生更小、更快速的產 品應用。在實施例中，針于預設校準水平、增益計算、與相鄰像素1800的比較、受控敏 感度、功率水平等等，校準可以涉及像素輸出的調整。例如，在量子點結構1100內可以 有具有較高敏感度的區(qū)域和具有較低敏感度的區(qū)域，并且可以期望在某些區(qū)域中校準、 提高敏感度或減少敏感度以從光電檢測器產生更平坦的響應。在實施例中，處理2008可 以具有在像素1800陣列上監(jiān)視熱點、曝光、敏感度等等的能力，并且通過像素電路1700 進行調整。像素1800可以是自調節(jié)的，其中它們能夠針對某準則優(yōu)化自身。該準則可以 通過片上處理2008預設或連續(xù)調整。像素1800可以能夠調整功率水平，其中消耗的功 率可以與響應成反比，但是消耗使響應歸一化。像素可以能夠調整其增益、定時、復位 等等。在實施例中，可以通過像素電子器件1700的存在來允許調整像素1800的能力， 或執(zhí)行自調整的能力。最終，通過駐留在像素電路中的解碼電路可以發(fā)送該信號。由于輻射不必通過 QDPC 100的襯底，所以該電路可以更簡單，并且電路可以在暗處工作得更好。由于更 大數量的層的可用性和增加QDPC 100的集成密度所造成的電路資源增加，所以該電路可 以更容易地容納。在實施例中，解碼電路可以駐留在像素電路中，在下層芯片2000內的 功能部件2004中，或在集成系統(tǒng)2200中，在陣列的邊緣處，或散布在陣列內不同位置。 在實施例中，將解碼電路或例如存儲器的其它部件1900放置于何處的靈活性可以允許更 靈活的定制產品應用。在實施例中，可以使用像素裝倉(bimiing)，其中對應于多個最小圖案化像素的 信號可以在單個超像素內累積。可以在數字域、在模擬域或在薄膜水平實現累積。以累 積對應于2X2陣列的信號到單個超像素為例可以使用薄膜裝倉，通過施加跨整組2X2 像素的偏壓并且積分到單個電容器來實現累積。也可以使用模擬裝倉，通過累加4個單個電容器中存儲的電荷，或在信號被數字化之后使用數字裝倉來實現累積。在實施例中，通過光電導層并且在指定像素中收集的光電流可以與碰撞該像素 的強度具有非線性關系。在實施例中，該非線性關系可以是亞線性的，因而光電導增益 可以隨強度的增強而減弱。在實施例中，可以期望基于所收集的電流提供積分期間碰撞 像素的強度的估計。在實施例中，可以期望估計強度和光電流之間的函數關系，光電流 =f(強度)，并且確定或估計該函數的逆，強度=戶(光電流)。在實施例中，強度和光 電流之間的函數關系可以在生產或裝配期間表征，并且表示被存儲在裝置上或裝置外， 以供將對強度-光電流映射函數(f)求逆(f1)的后處理數字算法使用。在實施例中，可 以通過實現近似地對光電流_強度映射函數(f)求逆(f1)的模擬函數來產生與推斷的強度 成比例的信號。在實施例中，模數轉換器的級之間的電壓間隔可以被操縱，包含使其不均勻， 例如補償上述非線性光電流-強度關系。在某些實施例中，模數轉換器可以被設置在像 素區(qū)域的陣列下的半導體襯底上，并且與相應像素電路電連接。在某些實施例中，模數 轉換器可以被設置在與光電傳感器陣列鄰近的區(qū)域中的半導體襯底上。在某些實施例 中，模數轉換器可以至少部分地補償上述非線性光電流-強度關系。在其它實施例中， 模數轉換器不包含非線性的補償。在某些實施例中，非線性的補償可以在模數轉換之后 的數字電路中提供，或通過使用圖像傳感器的數字照相機或其它系統(tǒng)中的相同芯片(例 如，片上系統(tǒng))或另一個芯片上的數字處理器上的軟件來提供。在實施例中，其它算術運算可以在數字域中實現，以基于所觀測的光電流或累 積的光電荷的數字估計，產生碰撞強度的修正數字估計?，F在描述像素電路的其它示例性實施例。圖12-19結合這里描述的光電導體例 子和像素區(qū)域圖解了在實施例中使用的其它像素電路的各個方面。圖12是根據實施例的3T像素電路的電路圖。參考下面的圖符進一步說明圖12。偏置電壓vbiasTX =標稱 2.8V-固定sf_drain =標稱 2.8V-固定vbiasR =可調整-2V 至 2.8V信號電壓vsrc = 1.5V — 2.5VVcol = 1.5 V—0.5V定時控制信號sel =行選擇；0 — 2.8Vrst=復位；0 —4VMrt=復位晶體管Msf=讀出緩存器Mrs =行選擇晶體管上述偏壓、信號電壓和定時控制信號只是例子，并且其它實施例可以使用其它 值。在該示例性實施例中，薄膜4可以是具有如上所述的光敏納米晶體材料的光電導 體。在示例性實施例中，薄膜4上的電流與薄膜4所吸收的光強度具有非線性關系。在一個電極處向薄膜4施加Vsrc 11，在另一個電極處向薄膜4施加vbiasR，其導致跨薄膜4 的電壓差。在示例性實施例中，當如上所述跨薄膜4施加該偏壓時，薄膜4提供光電導 增益。各電極可以具有上述任何光電導體配置或具有其它配置。在某些實施例中，該電 路可以被用于讀取如下面進一步描述的多層或多區(qū)域彩色象素的一層。當圖12中示出的示例性像素電路工作時，為了捕獲在薄膜⑷上產生的光電流 Iph,通過將節(jié)點5的電壓設置得足夠高(高達4V，通過片上電荷泵/調節(jié)器電路)來接 通復位晶體管1，使得節(jié)點11充電到等于vbiasTX(節(jié)點6)的電壓(節(jié)點6通常被設置到 供電干線2.8V)。這是復位階段。一旦該〃復位〃操作完成，則節(jié)點5被設置到OV以 斷開復位晶體管Mrt(I)。這樣做時，電荷注入和寄生電容饋通效應會使節(jié)點11 (現在變 成浮動節(jié)點)下降近似300mV。因此，在"復位"操作之后，節(jié)點11處的實際"復位" 電壓值大約為2.5V。此時，光電流s在薄膜⑷內產生，并且所產生的光電流(光敏感度)的量取決 于跨薄膜⑷的電壓，即(vsrc-vbiaSR)。通過能夠被任意設置成從-2V到2.8V的任何 電壓水平的vbiasR，可以調整像素的光敏感度。來自薄膜(4)的光電流在vsrc節(jié)點(11)處釋放寄生電容，并且其電壓水平以取 決于積分時間期間vsrc(節(jié)點11)處的寄生電容以及薄膜的等效電導的值的速率下降。在特定積分時間之后，通過將節(jié)點SeK8)設置為高電平(2.8V)，節(jié)點11處的所 得到的積分電壓將通過晶體管Msf(2)和Mrs(3)、源極跟隨緩沖晶體管和行選擇晶體管來讀取。在該示例性實施例中，在節(jié)點11處放電的電荷存儲包括與vsrc(節(jié)點11)處像 素區(qū)域的電極電連接的一或多個晶體管的寄生電容。vsrc(節(jié)點11)處的電極可以與例 如Msf2、提供寄生電容的晶體管的柵極電連接。在一個示例性實施例中，電荷存儲可以 至少部分地由源極跟隨晶體管Msf 2的柵極和漏極之間的寄生電容和復位晶體管Mrt 1的 源極和襯底之間的寄生電容提供。這些是在其上或其中形成像素電路的半導體襯底(多 晶，η阱和襯底)上的結構之間的寄生電容。在示例性實施例中，這些寄生電容可以在大 約1-2毫微微法拉的范圍內，或更通常地在大約0.5到3毫微微法拉的范圍或其中包含的 任何范圍內。像素區(qū)域、光敏納米晶體層和電極可以在用于形成晶體管Mrt 1，MsG和 Mrs 3的半導體襯底的區(qū)域上方的不同層中形成。在一個可選實施例中，偏壓的極性可以 被反向，并且vsrc處的寄生電容可以在積分周期內被充電而不是放電。圖13是通過圖解上述像素讀出電路內的3個晶體管的位置來示出4X4像素布局 的布局圖。在圖示中，標記為多晶柵l(poly-gatel)和擴散l(diffosionl)的幾何結構組 合以形成復位晶體管Mrt。標記為多晶柵2 (poly-gate2)和擴散2 (diffusion2)的幾何結構 組合以形成源極跟隨緩沖晶體管Msf。標記為多晶柵3 (poly-gate3)和擴散2的幾何結構 組合以形成行選擇晶體管Mrs。在圖13上形成四個正方形的柵格是向所有四個電極提供 vbiasR的公共電極。在每個正方形的中心是每個像素區(qū)域的處于vsrc的像素電極。光敏 納米晶體材料被涂敷在這些電極上并且與這些電極接觸，以形成這四個像素區(qū)域。在其 中或其上形成像素電路晶體管(Mrt，Msf和Mrs)的半導體襯底上方的各層中形成這些像 素區(qū)域。集成電路裝置的通孔和互連層可以被用于提供像素區(qū)域的像素電路和電極之間 的電連接。
圖14(a)和14(b)對比這里公開的基于光電導光敏層的(b)圖像傳感器描述了在 基于常規(guī)光電二極管的圖像傳感器中讀取的光電裝置的電流-電壓依賴關系。光敏層(b) 在示例性實施例中可以是具有光電導增益的納米晶體材料，例如連續(xù)薄膜中的PbS核， 其與在核的外部表面上形成陷阱態(tài)的PbS03熔融或鏈接，以提供如這里描述的持久性。尤其在無照明條件下，(a)的常規(guī)光電二極管的電流-電壓依賴關系的非對稱性 是明顯的。當正偏壓被施加到p-n結器件的ρ型側(更深功函數)時，與施加具有相同 振幅但相反極性的偏壓的情況相比，電流增長更快速。這個特性被稱作整流。相對比地，在(b)中圖解了使用兩個具有彼此相似的功函數的接觸制造的光電 導體的對稱電流-電壓特征。該裝置是非整流的流動電流的振幅基本上不隨偏壓的極 性變化。光電二極管通常以反向偏壓模式工作。在照明下，它們通常提供小于或等于每 光子入射(量子效率<=100%)電流(電子)的單位的電流。相對比地，光電導光電檢 測器可以表現出增益，其中當照明時流動的附加電流能夠超出一個單位的每光子入射電 流(電子)。在圖(b)中通過與(a)相比(b)中的Olux，Ilux和21ux照度之間的更大間 隔(尤其在更高偏壓下)對此進行概念性圖示。還應當注意，光電二極管的響應度基本相同，無論對其施加的反向偏壓的振幅 如何；并且通常不超過一，即使在高偏壓情況下。相對比地，光電導光電檢測器的響應 度和增益以與(b)的圖解中的偏壓成近似線性關系的方式增加。這個事實被利用在這里 描述的某些電路中，以增加光感測系統(tǒng)的動態(tài)范圍。圖15(a)和15(b)針對以下兩種情況示出作為時間的函數的vsrc(圖12的節(jié)點 11)處的電壓(a)光電二極管或(b)具有偏壓相關增益的光電導。在(a)中，由于量 子效率與偏壓無關，即使電容器放電并且vsrc處的電壓減少從而降低跨光電二極管的偏 壓，放電的速率對于指定照明等級仍然保持固定。相對比地，在(b)中，由于增益取決 于偏壓，隨著電容器放電并且vsrc處的電壓減少從而降低跨光電導體的偏壓，放電的速 率對于指定照明等級會減少。結果，在(a)中，在例子中，在饋送到具有IV輸入擺幅的模數轉換器的讀出電 路的(典型)IV輸出擺幅內能夠只包含O-IOlux的照度。相對比地，在例子中，在饋送 到具有IV輸入擺幅的模數轉換器的讀出電路的IV輸出擺幅內包含O-IOOiux的照度。圖16是根據實施例的3T 1.4μιη矩形像素的布局圖。該像素具有與圖12的3Τ 2.4μιη像素相同的模式圖和電路操作描述。為了實現更小的像素間距，下層的像素讀出 電路以矩形方式布局。布局鏡像也被用于進一步減少布局面積。以下4X4像素陣列的 布局解了這種布局。注意，光電傳感器像素是4X4陣列，而下層像素讀出電路以 8X2方式排列。在該布局中也示出了鏡像線，其中通過關于〃鏡像線〃鏡像這個線上方 的8個像素的布局以形成底部8像素布局，來進行鏡像。在圖16中，標記為多晶柵1 (poly-gatel)和擴散(diffusion)的幾何結構組合以形 成復位晶體管Mrt。標記為多晶柵2 (poly-gate2)和擴散(diffusion)的幾何結構組合以形 成源極跟隨緩沖晶體管Msf。標記為多晶柵3 (poly-gate3)和擴散(diffosion)的幾何結構 組合以形成行選擇晶體管Mrs。盡管這個像素通常被認為是非共享像素，其中像素之間無晶體管共享，但鏡像導致"共享擴散"，其中表示節(jié)點VCOl (9)的擴散在鏡像線上方和下方的像素之間共享。 這是通過鏡像帶來面積節(jié)省的地方。來自沿相同列的所有像素的所有VCOl節(jié)點被電連接。圖20c示出兩個像素電路的布局。圖20c中頂部的正方形是一個像素區(qū)域，并 且底部的正方形是另一個像素區(qū)域。像素電路在像素區(qū)域下面的半導體襯底上形成。圖 20c的右和左邊的并排矩形區(qū)域概括了每個像素區(qū)域的像素電路的布局。在這個實施例 中，每個像素區(qū)域的像素電路在每個像素區(qū)域的一半下面延伸。像素電路不限于對應像 素區(qū)域下方的空間的這種布局允許布局的更大靈活性，并且可以提供更緊湊的像素電路 布局。圖17是根據另一個實施例的像素的電路圖。參考下面的圖符進一步說明圖例。偏置電壓VbiasTX =標稱 2.8V-固定sf_drain =標稱 2.8V-固定vbiasR =可調節(jié)-2V 到 2.8V信號電壓vshare = 1.5V — 2.5 VVcol = 1.5 V—0.5V定時控制信號sel =行選擇；O — 2.8Vrst=復位；O —4Vtx
=傳送開關；O — 4VMrt=復位晶體管Msf=讀出緩存器Mrs =行選擇晶體管圖17的電路的操作基本與圖12的3T 2.4 μ m像素的操作相似。在該具體設計 中，晶體管Mrt，Msf, Mrs在4個像素之間共享。TX
晶體管是開關，其將4個不 同像素與共享〃浮動擴散〃或〃 -VShare(IlO)"隔離。所示4個像素的組均由2個G(綠)像素、1個R(紅)像素和1個B (藍)像素 構成，兼容Bayer模式。在4個像素的每個(例如〃 R"像素)的復位階段期間，節(jié)點rst(5)和Tx[l]被 設置成高電壓(在一個實施例中高達4V，通過片上電荷泵/調節(jié)器電路)，使得節(jié)點110 和101被充電到等于vbiasTX(節(jié)點6)的電壓，節(jié)點6通常被設置成供電干線2.8V。一 旦該"復位"操作完成，則節(jié)點5和Τχ[1]被設置成0V。由于寄生電容效應，節(jié)點101 處的〃復位〃電壓被設置為 2.5V。此時，光電流S在像素R內產生，并且所產生的光電流(光敏感度)的量取決于 跨像素的電壓(例如，101-vbiasR)。通過能夠被任意設置成從-2V到2.8V的任何電壓 水平的vbiasR，可以調整像素的光敏感度。光電流釋放101處的寄生電容，并且其電壓水平以取決于積分時間期間節(jié)點101 處的寄生電容以及薄膜的等效電導的值的速率下降。
在特定積分時間之后，通過接通Tx[l]，通過節(jié)點110和101之間的〃電荷共 享"讀取節(jié)點101處積分的電壓。為了在讀出期間實現這點，節(jié)點rst(5)首先被設置成 高值(高達4V)以將節(jié)點110設置成"復位"電壓值(2.5V)。接著，Tx[l]被設置成高 電壓(高達4V)，連接節(jié)點101和110以進行"電荷共享"操作，通過該操作，101處積 分的電壓會上升，而節(jié)點110處的電壓會下降，直到它們相等。接著通過將節(jié)點Sel(S) 設置成高電平(2.8V)，經由晶體管Msf(2)和Mrs(3)、源極跟隨緩沖晶體管和行選擇晶體 管讀取這個所得到的電壓水平。讀出操作對于4個像素的組中的其它3個像素是相同的。圖18是圖解根據實施例的4X4像素陣列的布局。在圖16中參考了如上所述的 一組4對1共享像素。在某些實施例中，從一層到另一層，像素可以改變形狀，同時保持相同像素區(qū) 域。例如，在量子薄膜層中，像素區(qū)域可以具有正方形狀，而在像素電路的硅層中，則 具有矩形形狀。作為另一個例子，如果薄膜層像素是2μιηΧ2μιη，則硅層像素可以是 4ymXlym所以將一行中的4個硅層像素放在一起提供了 4 μ mX4 μ m的總面積，其 對應于薄膜層像素的2X2陣列。利用該像素形狀靈活性，可以實現例如16對2共享的非 常高的像素共享，這意味著16個像素可以使用2組讀取晶體管來讀取。圖20b示出16-2 共享像素電路的布局，其中在兩個8像素組間共享晶體管。圖19是根據另一個實施例的像素的電路圖。參考下面的圖符進一步說明圖例。偏置電壓VbiasTX =標稱 OV-固定sf_drain =標稱 0V-固定vbiasR =可調節(jié)0 到 4V信號電壓vsrc = 0.3 V— 1.3VVcol = 1.3 V—2.3V定時控制信號sel =行選擇；0 — 2.8Vrst=復位；0 —4VMrt=復位晶體管Msf=讀出緩存器Mrs =行選擇晶體管為了捕獲在薄膜(4)上產生的光電流Iph，通過將節(jié)點5設置為低(OV)來接通 復位晶體管1，使得節(jié)點11被充電到等于vbiasTX(節(jié)點6)的電壓，節(jié)點6通常被設置成 地電壓0V。這是復位階段。一旦該〃復位〃操作完成，則節(jié)點5被設置到2.8V以斷 開復位晶體管Mrt(I)。這樣做時，電荷注入和寄生電容饋通效應使節(jié)點11 (現在變成浮 動節(jié)點)上升近似300mV。因此，在"復位"操作之后，節(jié)點11處的實際"復位"電壓 值大約為0.3V。此時，在薄膜(4)內產生光電流S，并且所產生的光電流(光敏感度)的量取決 于跨薄膜⑷的電壓，即(vsrc-vbiaSR)。通過能夠被任意地設置成從OV到4V的任何電壓水平的vbiasR(通過片上電荷泵/調節(jié)器電路產生)，像素的光敏感度可以被調整。來自薄膜(4)的光電流對vsrc節(jié)點(11)處的寄生電容充電，并且其電壓水平以 取決于積分時間期間vsrc(節(jié)點11)處的寄生電容以及薄膜的等效電導的值的速率上升。在特定積分時間之后，通過將節(jié)點Sel(S)設置為地，經由晶體管Msf(2)和 Mrs(3),源極跟隨緩沖晶體管和行選擇晶體管來讀取節(jié)點11處的所得到的積分電壓。該像素的操作基本上類似于3T2.4ymNMOS像素的操作，其中所有晶體管和電 壓極性"翻轉(flipped)"。相同技術可以被用于如這里描述的像素的所有其它實施例。圖21-36示出包含〃全局〃光閘結構的其它像素電路。全局光閘結構允許多個 像素或像素的整個陣列的電壓同時被捕獲。在示例性實施例中，這些像素電路可以與小 像素區(qū)域結合使用，小像素區(qū)域可以具有小于4平方微米的面積和示例性實施例中的小 于2微米的電極間距離。像素區(qū)域可以在半導體襯底上形成，并且像素電路可以在像素 區(qū)域下面的襯底上或襯底中形成。像素電路可以通過集成電路的通孔和互連層電連接到 像素區(qū)域的電極。如下面進一步描述的，金屬層可以被布置為將像素電路(包含用于全 局光閘的晶體管或二極管)與入射到像素區(qū)域中的光敏層上的光屏蔽開。全局光閘像素電路的某些實施例具有單個全局光閘捕獲，其中在新積分周期開 始之前讀取所有行。其它實施例具有連續(xù)全局光間，其允許新幀的積分與前一幀的讀取 同時發(fā)生。最大幀速率等于讀取速率，正如在卷簾式光閘中那樣。單個全局光閘可以需 要在像素積分時停止讀取。因此，最大幀速率可以被額外積分時間降低。下述全局光閘像素電路的實施例包含使用量子點薄膜實現全局光閘的5T、4T、 3T、2T和IT像素的若干變化。在示例性實施例中，量子點薄膜可以是具有如上所述的 光敏納米晶體材料的光電導體。在示例性實施例中，薄膜上的電流與納米晶體材料吸收 的光強度有非線性關系。通過如上所述的電極跨納米晶體材料施加偏壓，其導致跨薄膜 的電壓差。在示例性實施例中，當跨如上所述的薄膜施加該偏壓時，薄膜提供光電導增 益。電極可以具有上述任何光電導體配置，或具有其它配置。在某些實施例中，這些電 路可以被用于讀取如下進一步描述的多層或多區(qū)域彩色象素的一層。在全局光閘像素電路的示例性實施例中，可以使用以下中的某些或全部 薄膜可以被配置為電流源或電流吸收器。 電荷存儲可以獨立于像素區(qū)域中的薄膜，并且與輻射源隔離開。 可以使用薄膜界面和存儲元件之間的分立元件(包含非線性元件，例如二極 管或開關)。 可以使用被配置為能夠獨立于其它共連裝置地進行工作的放大器的讀取晶體 管。放大器通常充當源極跟隨器，但是也可以使用其它實施例。 隱式或寄生二極管可以在某些實施例中被用于復位薄膜或控制讀取晶體管。 像素區(qū)域的陣列可以具有在所有像素區(qū)域(或鄰近像素的組)之間共享的一個 公共電極，并且每個像素區(qū)域可以具有與其它電極隔離的一個獨立電極。公共電極可以 是正或負的，并且在某些實施例中不必受CMOS干線或ESD器件限制。公共電極在某些 實施例中可以接受動態(tài)信令。 對于具有同時讀取的連續(xù)光閘，在示例性實施例中使用獨立于電荷存儲地復 位薄膜的機構。
下面的圖21-26圖解了根據示例性實施例的全局光閘像素電路。圖21-36A均是 具體實施例的像素示意電路圖。對應的圖21-36B均是圖解集成電路裝置中的相應電路的 物理布置的裝置橫截面圖。如下說明用于描述各個實施例的縮寫4T表示使用4個晶體管；C表示〃連 續(xù)〃 ；NC表示〃非連續(xù)〃 ；2D表示2個二極管；+IpD表示1個寄生(或基本上〃空 閑"的)二極管。4T，NC全局光閘電路4T的操作概念也是其它設計的基礎。圖21A是4T，NC器件120的實施例的像
素/橫截面/布局的電路圖。器件120是使能全局光閘的隔離開關。用RT高和T高復 位像素。在曝光結束之后，T切換到低并且薄膜不再集成到140的柵極。RS被切換到 高并且在CS處采樣INT。接著RT和T以適當順序被切換到高并且接著到低。采樣信號RESET。像素值 是RESET-INT。通過將CD設置到可以不同于全局復位期間的CD值的期望值來調整像 素的暗水平。雙采樣用于消除閾值變化和設置暗水平偏移的目的。110處的薄膜充當電 流吸收器。器件150充當用于140處的跟隨器的源電流的開關。器件130復位存儲節(jié)點 和薄膜。存儲節(jié)點在115處。5T，C全局光閘電路圖22A是5T，C器件的實施例的像素/橫截面/布局的電路圖。為了實現圖 22A中示出的連續(xù)全局光閘，獨立于存儲元件215地復位薄膜210。圖22A所示的第5 晶體管221允許這樣做。于是具有寄生效應的薄膜被認為是自包含的積分器。其被230 復位并且通過220傳送電荷。除了 215處的存儲元件現在獨立于薄膜被復位(即，信號 T在RT為高時為低)之外，采樣模式與4T設計相同。4T (+IpD)，C全局光閘電路圖23A是像在圖22A中那樣的4T的電路的變化，其中加上了寄生效應。這些 寄生效應可以被用于實現在這個實施例中只具有4T的連續(xù)全局光閘。寄生二極管312現 在允許復位薄膜310。公共薄膜電極F為負，使得312導通并且將薄膜復位到期望水平。 這對寄生薄膜電容器311 (薄膜中不必要地)進行充電。F電極現在回到新的較高水平并且 薄膜留下來進行積分。薄膜現在可以根據需要被多次復位而不影響315處的存儲元件。4T (+1D)，C全局光閘電路在增加了二極管411的4T中實現圖24A中示出的連續(xù)光閘。使用N阱(Nwell) 區(qū)域485內的PN結產生二極管。操作與圖22A中示出的5T相同。主要不同在于復位 器件被二極管替代。當RTF為高時，電流可以流動以將410處的薄膜拉到復位水平。之 后RTF下降以允許在薄膜節(jié)點處積分。寄生電容提供主存儲節(jié)點。3T (+2D)，C全局光閘電路圖25A示出了二極管520替代320處的晶體管的3T結構。寄生二極管512被 用于獨立于540的柵極處的存儲節(jié)點地復位薄膜510。這通過使F節(jié)點跳到負值以使得二 極管512導通來實現。在電荷在511處被積分之后，通過驅動F到高電壓來傳送電荷。 這使二極管520導通。2T (+2D)，C全局光閘電路
圖26A示出了能夠連續(xù)全局光閘的2T像素。612和620處的2個二極管用于復 位像素并且傳送電荷，如部分6中描述的。現在去掉了 550處的行選擇器件。像素使用 單列線670和單行線660工作。通過增加RT線，總共需要2個水平導線和1個垂直導線 以用于操作。這降低了每個像素所需的連線負擔。通過將640的柵極處的存儲節(jié)點復位 到高電壓并且接著將R降低到最低值，像素工作。這使得640處的源極跟隨器斷開。為 了讀取像素，R為高。隨著R為高，像素處的，具體在630的漏極/源極處的寄生電容 使存儲節(jié)點升壓到較高電平。在這個"贏者全贏"結構中，只有所選擇的行激活列線。3T(+lpD), C全局光閘電路在圖27A中示出3T連續(xù)像素的另一個實施例。這里，省略了如上所述的行選 擇器件。該3T的一個優(yōu)點是不存在顯式二極管。712處的寄生二極管獨立于存儲節(jié)點 地復位像素。體式器件794的剖面圖示出可以有小的布局。IT (+3D)全局光閘電路圖28A中示出二極管替代關鍵晶體管的像素的IT版本。首先，通過使F為負 來復位薄膜810。接著通過使F達到中間水平來進行積分。最終，通過使F為高來傳送 電荷。該模式使得即使在飽和狀態(tài)下，使F為高仍將電荷推送到存儲節(jié)點。通過使R為 低來復位存儲節(jié)點。由于電荷總是被推送到存儲節(jié)點，所以我們保證復位功能適當地設 置初始電荷。4T，PMOS全局光閘電路圖29A中示出4T的PMOS版本。除了使用P+/N阱二極管911使連續(xù)光閘可 行之外，這個版本的操作類似于4T NMOS版本。通過使CD足夠低，通過二極管將薄膜 910復位到CD03T，PMOS全局光閘電路圖30A中示出3T的PMOS版本?，F在行選擇器件被去掉并且形成緊湊布局。2T，PMOS全局光閘電路圖31A中示出2T的PMOS版本。通過使CS為低來全局地復位薄膜，該版本工 作。接著，通過1120傳送電荷。3T(+1D)，NC全局光閘電路圖32A示出其中薄膜1210發(fā)出電流而不是吸收電流的像素的3T版本。通過F 為高，像素進行積分。當強制F為低時，二極管1220關斷。一旦二極管關斷，沒有電 荷被累積。2T (+1D)，NC全局光閘電路圖33A示出去掉行選擇器件的2T版本。這相比于3T節(jié)省了一些面積，但是降 低了像素范圍。2T (+ID) alt, NC 全局光閘電路圖34A示出了二極管被用作復位器件的2T的可選布局。2T(+lpD), NC全局光閘電路圖35A去掉了復位器件，并且利用寄生二極管1512復位薄膜。IT (+2D)，NC全局光閘電路具有2個二極管的IT產生如圖36A所示的緊湊布局。如果不需要全局光閘，則能夠產生具有1個二極管的1T。在這種情況下，二極管非常小。該1T+1D像素去除了 薄膜1610和源極跟隨器柵極1640之間的二極管1620，并且形成從薄膜到源極跟隨器柵極 的直接連接。該像素的操作可以從接著的1T+2D的描述導出。首先通過使F為高并且R 為低來復位像素。薄膜通過2個降到R處的低電壓(例如，地)的二極管來復位。接著 驅動R到IV。這使薄膜開始積分。源極跟隨器柵極處的電壓開始增加。如果電壓增加 開始超出IV，則其保持被R處的電壓箝位。這是飽和水平。對于非飽和像素，柵極電壓 會增加小于IV的值。為了停止積分電荷，F被驅動為低。由于二極管的作用，這切斷 了電流流入存儲節(jié)點的路徑。當像素要被讀取時，R被提高到3V，而每個其它行處的R 被保持在IV。這使存儲元件提升電壓多達IV。R為源極跟隨器提供漏極電流，并且列 線由被激活的行而不是其它行驅動，因為源極跟隨器具有贏者全贏配置。采樣INT值。 接著，R被降低到低水平，并且接著再次拉高。這復位存儲節(jié)點并且接著采樣RESET水 平?？梢酝ㄟ^選擇與復位薄膜時的水平有關的適當R水平來設置暗水平偏移。
上述像素電路可以用于上述任何光電檢測器和像素區(qū)域結構。在某些實施例 中，通過使用針對每個區(qū)域(例如光敏材料的紅、綠和藍區(qū)域)的像素電路，上述像素電 路可以用于多區(qū)域像素配置。像素電路可以將信號讀到存儲每個像素的多個顏色值的緩 存器中。例如，陣列可以逐行讀取像素。信號可以接著被轉換成數字彩色像素數據。這 些像素電路只是例子，并且其它實施例可以使用其它電路。在某些實施例中，薄膜可以 用在直接積分模式中。通常，薄膜被視作光電電阻器，其隨著照度變化而改變電流或電 阻。在該直接積分模式下，薄膜被偏置為直接電壓輸出器件。電壓水平直接指示入射光 水平。在某些實施例中，量子薄膜信號可以使用具有高噪聲因素的晶體管來讀取。例 如，通過大漏電流和晶體管自身的其它噪聲源的存在，薄氧化物晶體管可以被用于讀取 量子薄膜信號。由于薄膜具有有助于抑制晶體管噪聲的固有增益，所以這成為可能。電互連 1404參考圖1，這里的實施例提供量子點結構1100和像素電路1700之間的互連模 式。互連1404包含從量子點材料200的每個層取得信號并且傳送該信號到像素電路1700 的系統(tǒng)和方法(例如，電路中的晶體管)。實施例涉及提供高度非平面的初始表面(即， 高度變化的柱(posts)，其之后會連接到量子點結構1100的適當層)。在實施例中，互連 可以是導電柱(例如金屬柱)，其具有處于期望位置的絕緣體以防止與不期望接觸的層接 觸?？梢栽诜瞧矫嬉r底上以高平面度沉積納米粒子(即它們被平面化)。與電連接的連 接通過在量子點應用期間在例如柱的小物體周圍納米粒子的流動來實現。在實施例中， 使用鎢通孔層(tungsten via levels)，其與量子點材料200的流動圖案相比較小，并且在電 連接周圍提供良好的均勻度。流動的量子點材料可以提供超過某個長度尺度的某個平面 度。到電氣互連的接觸借助于到電互連1404的附著來實現。在實施例中，在制造之后 使用例如化學機械拋光的方法將薄膜平面化。實施例可以允許使用基本從側面接觸這種材料的多個柱解決電氣獨立(或幾乎 電氣獨立)的光電導層的多個垂直層。每個柱的區(qū)域可以導電以允許到薄膜的電接觸； 同時使用例如氧化物或氮化物的絕緣層屏蔽其它區(qū)域以避免接觸不期望這些柱電接觸到 的層。在實施例中，這些接觸柱可以使用在先前的CMOS工藝層中形成的通孔來形成。
54在實施例中，保護通孔的絕緣層或各絕緣層可以被有選擇地蝕刻以露出用于電接觸的通 孔部分到隨后沉積的光電導層。在實施例中，絕緣材料的選擇性蝕刻只可產生暴露的通 孔金屬柱的層。接著，可以使用隨后沉積絕緣層的共形涂層來覆蓋這些。這可以導致暴 露每個金屬柱的一部分，例如頂部，同時保留側面受保護。在這個實施例中，側壁受保 護，同時頂部開放并且可用于電氣接觸。在這個實施例中，已經被用于接觸下面的層的 那些柱可以被用于提供對暗(或更暗)參考的電氣訪問。只有頂部被解除保護的那些金 屬柱接觸形成強照射頂部像素的上層。在實施例中，代替為獨立尋址的光像素提供下面 的暗參考，選擇性解除保護和接觸不同垂直堆疊像素層的相同方法可以被用來尋址不同 譜敏感(例如顏色)的堆疊像素。在實施例中，量子點材料200可以利用例如圖3所示的橫向平面結構1418、垂 直疊層結構1420、平面和垂直結構的組合等等的多個接觸配置電互連1404到像素電路 1700。在橫向平面結構1418中，金屬接觸1412被布置在光電檢測器結構1400的相同層 中，在這種情況下布置在玻璃襯底1414的頂部，并且覆蓋有量子點材料200。在類似的 橫向平面結構1418中，金屬接觸1412已經位于量子點材料200的頂部。在垂直疊層結 構1420中，金屬接觸1412被布置在光電檢測器結構1400的不同層中，在這種情況下具 有在玻璃襯底1414和量子點材料200之間的金屬接觸，和例如ITO的在量子點材料200 頂部的透明接觸。在實施例中，電連接1412是各種電互連1404，并且可以是例如金、 鋁、鎢、銅、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、銦、覆有氮化鉭或氮化鈦的鋁等等的多個不 同導體中的一或多個。這些配置只代表多個可能電互連1404接觸配置中的兩個，并且本 領域技術人員可想到其它配置。本實施例的一個方面涉及金屬接觸相對半導體光電檢測器的布局。電互連1404 涉及沿若干方向的電流動。流動方向通常涉及垂直結構(即主要由上至下的電流流動) 或橫向結構(即具有橫向電流流動的平面結構器件)或垂直和橫向結構的組合(即，控制 元件在垂直維度，并且電流流動在橫向維度，或在垂直軸上以垂直維度單片集成建起橫 向結構)。本實施例的一個方面涉及接觸的圖案。在實施例中，可以有接觸的橫向存在。 例如，沿具有一個偏置的正方形的兩個邊的一行五個，具有地和中間的正電壓的邊的陣 列，蜿蜒圖案等等。在一個像素內，系統(tǒng)可以在列的底部接地并且在下一列的頂部偏 置。圖案可以是蜿蜒的、離散蜿蜒的、散置的等等。在實施例中，正方形可以用導致有 用偏置狀況的圓狀物填充。例如，加/減棋盤(等價于對角行)可以是有用的。另一個 圖案可以是填充因子維度從像素的鳥瞰圖看到的填充空間。接觸可以是共平面的。對 于從上方覆蓋金屬的百分比面積，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輻射1000和相同量子效率)?？梢杂须[含 特性，例如使薄膜相對于吸收長度具有中等厚度、電導率對通過材料深度、電導率輪廓 對空間尺寸、從一個接觸上升并且接著降到另一個接觸的電流。在實施例中，尺寸小， 表面?zhèn)鲗蚀?，并且從接觸到接觸的電流流動路徑可以表明填充因子不能被減少；較少 照射尺寸比橫向尺寸更小以提供這個。在實施例中，有意導致的薄膜中的破裂可以產生薄膜中的亞臨界尺寸斷裂(例 如金屬限制了裂縫處的裂縫)。在這種情況下，表面制備可以影響裂縫傳播。實施例可以涉及設置具有例如五邊形、六邊形、正方形等等的金屬圖案，并且接著將薄膜在金屬 上成層。當被處理時，薄膜可能形成裂縫，從而在各部分之間產生電氣隔離。在實施例 中，裂縫可以沿金屬圖案自對齊，或可以有圖案化的金屬模板，其中在圖案化的金屬區(qū) 域之間存在最小尺寸間隙。在實施例中，例如ITO或類似材料的材料可以被應用到間隙 中形成的裂縫。電氣互連可以由各種金屬制成。金屬可以形成到量子點結構1100的接觸。在 橫向裝置的情況下，它們可以構成電極。在垂直裝置中，它們可以是垂直夾心的面包， 并且量子點結構1100是中間層。在實施例中，金屬可以是Pt、Au、Ni、鎢、鋁、銅、 金、TaN(氮化鉭)、TiN(氮化鈦)、銦、覆有TaN或TiN的鋁或其它適當材料等等。實施例涉及具有4點探針體系結構的用于電氣互連的平面結構形狀?？梢允褂?外部的接觸對來提供正電壓偏置并且讀取電流或電阻變化。在一個可選實施例中，配置 可以具有用于測量的內部偏置對。布置可以包含由點、線、環(huán)、圓、正方形等等形成的 電氣互連。電氣互連可以被提供，并且這可以涉及以不同方式(例如六邊形、分形貼 片、列間距等等)貼上互連。這可以提供空間方面的基本優(yōu)點。4點探針體系結構可以 涉及使用外部的接觸對來提供電壓偏置和使用內部對進行測量。每個電極可以在芯片外 被尋址。實施例涉及各種電互連圖案六邊形、分形、列間距、行/列、六邊形、或其 它，并且可以有不同的組，其被分布到陣列下面，并且這些事情可以通過將陣列與電路 去耦來提供提高的靈活性。可以有與焦平面陣列的電氣互連的布局關聯的平面度(前量子點結構和后量子 點結構添加)。實施例可以提供被拋光(例如，頂部對齊鈍化層)的電氣互連。電氣互 連可以具有在平面水平上豎起的金屬插頭(例如，可期望這個以便允許堆疊結構中的不 同程度)。電氣互連可以具有金屬溝谷并且溝谷可以用材料填充以提供內部暗區(qū)域。暗 參考電互連可以在主電互連內部提供以進行暗參考測量。它們可以具有溝谷，其可以引 入輻射1000，傳播并且再次引出輻射1000。它們可以具有橫向結構。實施例可以具有 電介質，其能夠露出金屬的，涉及建立層外的干涉濾光器。實施例可以涉及有意犧牲層 (例如金屬的)，其可以允許譜整形，譜整形允許平坦化增益曲線(例如用于增強的紅光 響應等等)。實施例可以涉及形成6層干涉涂層和操縱層的厚度以改變譜響應(例如提升 紅光響應，或藍光響應等等)。在應用量子點結構1100之前，可以形成電互連1404?；ミB可以被拋光并且使其 頂部與外部的鈍化對齊?？梢陨婕霸谄矫嫠缴县Q起的金屬插頭，并且這可以允許堆疊 體系結構?？梢杂薪饘贉瞎?，并且那里可以填充材料并且具有暗參考，其中材料被輻射 1000的吸收所阻斷。溝谷可以引入輻射1000，傳播并且再次引出輻射1000?；ミB可以 包含使金屬露出的電介質。實施例可以是干涉濾光器，并且干涉濾光器可以是6層干涉 涂層，其中可以通過改變層的厚度在顏色周圍進行移動。這可以被用于提升紅光響應， 提升藍光響應或改變其它譜特性。實施例可以包含每個正確位置的犧牲層(例如，金屬 的)。這可以涉及譜整形(例如使增益曲線變平)，其可以被用于改變譜響應(例如提高 紅光響應)。在實施例中，像素的光學性質可以通過材料和硅基底和量子點結構1100之間的 處理來改變。光學性質可以是反射率、譜特征、方向特性(例如法線和空腔(cavity))和產生散射結構(例如散射到薄膜以提高路徑長度)。在應用量子點結構1100之后，材料可以通過平滑、變粗糙、產生鏡面/反射特 性、產生散射特性(例如影響主射線角度)、改變量子點結構1100的折射系數、改變指標 匹配(例如影響具有串擾含義的內部射線角度)、進行粘度調整等等的處理。在實施例中，在感光量子點結構1100的頂部提供鈍化層。鈍化層可以保證不存 在非期望的由于構成感光層的材料間的相互擴散而導致的感光層特性的變化?？梢栽谥?少一個化學組成方面將各鈍化層化學計量配比到量子點結構層1100(其被設置在量子點 結構層1100上)。例如，考慮到活性層和鈍化層中硫化合物的配比，可以使用As2S3(三 硫化砷)鈍化PbS。在實施例中，鈍化層可以被用于封裝以保證芯片的頂端表面上方的環(huán) 境中包含的分子中基本上沒有穿透到感光層及其關聯材料(例如量子點結構層1100)所駐 留的區(qū)域；并且，類似地，保證與感光裝置的操作關聯的原子或分子不從包含該裝置的 區(qū)域逃逸。這些封裝層利于保證裝置在產品的生命期中基本上不改變其性能。在實施例 中，鈍化層可以被用于增容作用，以保證在處理感光材料(例如量子點結構1100)之后， 芯片可以被返回到常規(guī)商業(yè)制造設備，例如用于隨后引入濾色器陣列和/或用于隨后照 相機模塊的實現。增容作用層包含例如Si3N4的氮化硅。通過處理覆蓋有Si3N4的襯底 知曉鑄造(foundry)；因而該層可以充當增容作用層。在實施例中，如果單層或層結構同 時服務于兩個目的，則增容作用和封裝層可以是一個并且相同。在實施例中，包含用于感光層或輔助層(例如鈍化、封裝、增容作用)的指標匹 配、實現濾色器陣列的濾色器和濾色器陣列的鈍化的其它層。實施例也可以包含為了提高輻射1000的散射的目的的層。代替被指標匹配，這 些散射層提供上方和/或下方的層之間的顯著指標失配。其目的可以是通過提供具有穿 過感光層行進的重復可能性的光子來提高輻射1000的吸收率，從而提高指定厚度的吸收 材料的吸收率。圖3a圖解了根據本實施例的原理的電氣互連。在這個實施例中，提供與支持襯 底1410連接的導電柱1404。1410柱可以在外部表面具有絕緣材料以防止與不期望的裝置 部分進行電氣傳導。柱1410也可以具有這樣的部分(例如在柱的頂部)該部分具有暴 露的導電層，使得其可以與量子點結構1100電連接(描述為圖3a中的各個區(qū)域)。在這 個實施例中，提供具有變化高度的柱，使得每一個柱與裝置的至少一個活性層電連接。 在實施例中，柱在除了頂部之外的位置(例如，某個中點)處具有電氣暴露部分。這可 以利于與中層區(qū)域進行電連接(例如提供具有類似高度但是用于不同活性層的許多柱)。 柱通常具有在底部處(例如襯底端部)的暴露電氣區(qū)域，以與電路(例如像素電路或芯片 處理器)進行電連接。在實施例中，若干量子點結構1100在彼此(例如通過如這里描述的若干旋涂) 頂部成層，以形成如上所述的多層量子點結構1100。多層量子點結構可以包含如這里描 述的類似量子點材料或不同量子點材料的層(例如，在兩個分立層中可以使用兩個不同 顏色的感受器)?？偠询B高度可以近似為一個微米，具有近似兩個微米的橫向尺寸。在實 施例中，兩個層可通過其電氣互連彼此連通。各層可以具有絕緣特性以防止這種連通。 例如，非常薄的1000埃的電介質層可以被應用在分立量子點結構1100之間。在制造過 程中，垂直電氣互連體(例如，柱)的頂部可能需要清潔，以在應用電介質層之后暴露導電區(qū)域。在實施例中，電介質被旋涂到量子點材料的子層，并且接著應用光蝕刻以清潔 柱的頂部以移除電介質，并且暴露導電區(qū)域，使得它可以傳送來自布置在電介質層頂部 的量子點結構的電荷。在另一個實施例中，在電介質材料涂敷處理期間，垂直電氣互連 (例如柱)未涂敷電介質材料。這可以通過例如在電介質涂敷處理期間屏蔽電氣互連來實 現。在實施例中，在量子點結構1100的分立層之間可以有已知、可測量的或假定水
平的串擾。串擾可以是層之間的電介質缺乏、電介質層的缺陷應用、某些區(qū)域的過蝕刻
或清潔(例如過蝕刻柱周圍的電介質和在層之間的柱處產生電氣接觸區(qū)域)或其它原因的
結果。在實施例中，由于該串擾，可以進行補償或調整。例如，像素電路1700可以被
用于改變從量子點結構1100接收的信號，和/或芯片處理器2008可以被用于進行這種補 m
te o圖3f圖解了涉及量子點材料1100的兩個分立層和量子點材料1100的兩個分立層 之間的電介質材料層1450的量子點結構1100堆疊。提供了具有柱形式的垂直電互連。 柱包含外部電介質材料層1460和內層導電材料1470。在這個實施例中，內部導電材料層 1470被暴露在頂部，以形成與量子點結構1100的頂層的電氣互連。在其它實施例中，內 部導電層1470可以被暴露在柱上中間位置，以與另一個相應層形成電氣互連。柱的內部 導電材料的底部分也可以被暴露，以利于與其它電路(例如像素電路1700和/或芯片處 理器2008)電連接。在實施例中，QDPC 100可以組合如這里所述的多個不同像素布局1600、電互連 1404和像素電路1700，以實現圖像傳感器。作為這些元件怎樣相互關聯的圖解，圖3h提 供了具有電氣互連1450和1452、像素電路1700和像素分配1482的多層量子點結構1480 的一個例子。圖3h提供了單個圖解例子，并且不表示限于這里討論的多個平面互連、垂 直互連、像素布局1600和暗像素布局。參考圖3h中提供的具體例子，多層量子點結構1480被示出為包含兩個分立量子 點結構層1100，其具有在兩個量子點結構層之間的電介質層1460以提供活性層之間的電 氣隔離。如這里其它地方所述，多層堆疊的量子點結構1480的實施例可以不需要電介質 層1460。光電檢測量子點像素段1484A和暗量子點像素段1488A被示出為位于第一量子 點結構層1100A內。在這個實施例中，光電檢測量子點像素段1484A所處的位置鄰近于 第一量子點結構層1100A的頂表面層，并且暗量子點像素段1488A所處的位置鄰近于第 一量子點結構層1100A的底部。通過這種布置，將包含段1484A的光電檢測量子點段設 置在量子點結構1100A的最活性區(qū)域附近，因而它們能夠讀取結構1100中由于輻射1000 落在結構的表面而造成的信號變化?？梢栽诮Y構1100的表面上提供光電檢測段的矩陣，使得表面上的入射輻射1000 可以被尋址和讀取。暗量子點像素段1488A所處的位置接近結構的底部，所以將其與結 構的最活性部分屏蔽開，因而它可以被用于進行如這里其它地方所述的暗測量。如這里 其它地方所述，暗量子點像素段可以被設置在光電導結構內的其它位置處或另一個位置 中。量子點像素結構1484可以使用如這里描述的平面電氣互連(例如結合圖3b_3e 描述的那些)來構成。如圖3h所示，這些平面電氣互連結構可以處于基本上與入射輻射1000平面平行的平面。垂直電氣互連可以與一端的平面互連和在另一端的像素電路 1700關聯，以將信號帶到像素電路，和/或測量量子點像素結構1100的電阻或其它電氣 特性。在這個實施例中，示出了簡單閉合的平面電氣互連，并且簡單閉合的平面電氣互 連使其中心電連接1452保持于正偏壓，并且其外部正方形環(huán)電氣互連1450用作地平面。每個像素段1484與其自身的正偏壓電互連1452關聯，并且與其自身的或公共的 地平面電氣互連1450關聯。當結構1100A所響應的輻射1000B照射光電檢測量子點像素 段1484A時，在像素段1484A中產生電子-空穴對，并且由于關聯的正偏壓電互連1452 而使其流動。雖然只將四個光電檢測量子點像素段示出為與量子點結構1100A的上表面 關聯，然而應當理解，這是為了簡化該說明的目的，并且可以想象到這種電氣互連圖案 會在量子點像素結構1100A的上表面復制多次。類似地，參考結構1100A只示出一個暗 量子點像素段1488A;然而，可以有許多這樣的暗段，并且暗段可以與其它層關聯。圖解了具有與第一量子點結構1100A相似的電氣互連的第二量子點結構 1100B。第二結構1100B具有包含段1484B和暗量子點像素段1488B的光電檢測量子點 像素段的矩陣。該布置在這個圖解中有類似構造，但是應當理解，第二層1100B具有不 同配置。例如，可以在第二層1100B上設置其它圖解的平面電氣互連模式之一。然而， 為了簡化說明，提供了類似構造。通常來說，與第一層1100A相比，第二層1100B適于 響應不同波長的輻射以形成多譜系統(tǒng)。例如，光電檢測量子點像素段1484B可以包含響 應紅光的量子點，而光電檢測量子點像素段1484A可以包含響應藍光的量子點。紅光透 射通過第一層1100A到達第二層1100B，其中第二層1100B顯現出(develop)電信號并且 由電氣互連的矩陣讀取。接著，這個電信號依次由關聯的像素電路處理，使得它可以被 量化和定位。在實施例中，量子點像素段1484和1488的電氣互連1450和1452可以具有多個 不同布局或配置。圖3h示出了類似于圖3b的1430和1432的簡單閉合布局的布局，其 中一個電互連1450被配置成圍繞像素段區(qū)域的矩形，其中像素段的有效區(qū)域由該矩形限 定。盡管圖3h示出了這種具體電氣互連配置，但應當理解這只是出于說明性的目的，并 且不將配置限于本實施例涵蓋的多個配置的任何配置。繼續(xù)參考圖3h中的多層堆疊的量子點結構1480，可以通過選擇要在像素定義中 包含的一或多個光電檢測量子點像素段1484來進行像素分配1482。例如，可以選擇像 素段1484A和1484B以形成一個像素。當像素段1484A響應它接收的輻射1000時，該 段產生響應于像素段的關聯正偏壓電互連1452而流動的電信號。關聯像素電路于是可以 解釋該信號(例如通過測量電阻變化以估計入射輻射1000的量)。這可以導致第一像素 段輻射1000成分。由于已知構成層1100A的量子點結構的類型，該段輻射1000成分可 以被歸因于具體波長的輻射1000。在確定第一像素段輻射1000成分的基本相同時間， 第二輻射1000成分可以通過監(jiān)視與像素段1484B關聯的像素電路來確定。如果由像素段 1484B接收到由結構1100B響應的輻射1000，則通過與像素段1484B關聯的互連1452讀 取信號，所以像素電路可以讀取該活動。接著，來自兩個像素段1484A和1484B的活動 讀取內容可以根據每個分配協(xié)議來組合?？梢岳斫猓梢越M合任何數量的像素段以形成 像素。當像素電路1700確定電阻變化量或落在像素段1484上的入射輻射1000的量時，可以考慮從一或多個暗像素段1488獲得的暗讀取內容。例如，當通過與像素段 1484B關聯的像素電路解釋電阻變化時，可以解釋與暗像素段1488B關聯的電阻變化。 如果暗像素1488B表現出等于活躍像素段1488A的量值的變化，則可以確定活躍像素段 1488A未接收到輻射1000。類似地，暗參考可以被用于從活躍信號中減去表示噪聲的 量，或可以應用其它這樣的補償算法。在實施例中，由電極的陣列電氣接觸光電導層的區(qū)域。重要的是實現光電導層 和電氣接觸之間一致、健壯的機械和電接觸。制造電氣接觸之后，可能存在殘余氧化 物、氮氧化物或有機材料。在實施例中，移除有機材料可能是重要的；這可以使用氧等 離子體蝕刻、酸堿清潔、堿酸清潔，或其組合來實現。在實施例中，移除氧化物和/或 氮氧化物可能是重要的；這可以通過在光電導層的沉積之前使用干蝕刻或濕蝕刻，在電 氣接觸頂上的薄屏蔽層來實現。在實施例中，通過上述電氣接觸和光敏層之間的薄屏蔽層實現電氣接觸可能是 重要的。在這種情況下，重要的是移除氧化物、氮氧化物和/或未知或不受控厚度的 有機材料；并且接著在光電導層的沉積之前，在電氣接觸的頂上沉積或形成受控薄屏蔽層。在實施例中，為了實現光電導層到電氣接觸的健壯機械和電接觸，可以使用粘 接材料。這種材料可以包含對電氣接觸的表面處的材料具有親合性的一部分，以及對光 電導層的組成的表面處的材料具有親合性的另一部分。作為一個例子，如果使用TiN(氮 化鈦)或其氮氧化物終結電氣接觸，則粘接層的一個部分可以是胺功能團。作為另一個 例子，如果光電導層包含例如Pb、Cd、Cu、In或Bi的金屬，則粘接層的一個部分可以 是硫醇功能團。這種粘接層或錨層可以通過在某個或全部光電導層的沉積之前、期間或 之后進行旋轉、鑄造、浸涂來應用。在實施例中，如這里詳細描述的，使用具有深功函數(deepworkfunction)的電氣 接觸。這里深功函數被用來包含在真空水平下低于4.4eV或4.6eV或4.8eV的功函數。 如果使用例如TiN(氮化鈦)的二元合金，則可以通過在形成合金期間控制鈦與氮的比值 來深化功函數。例如，可以使用N與Ti的高比值(大于1 1)。在實施例中，可以通過對氧摻入的控制來影響電接觸功函數?？梢允褂萌?金諸如TiOxNy(鈦氮氧化物)，并且可由此根據0對N的比率來確定功函數。例如，可 采取0對N的較高比率的使用。在實施例中，可能期望具有特定功函數的電接觸?？赏ㄟ^以下方式修改已圖案 化的電接觸組的功函數首先沉積另一材料的薄層，諸如，例如Au、Pd、Pt或者Ni的 10nm層；然后可使用選擇性剝離(lift-off)技術來故意地破壞該沉積層的連續(xù)性，其中， 通過非接觸材料的選擇性刻蝕(例如，非接觸區(qū)域中的氧化物的緩沖氧化物刻蝕(buffered oxide etching))來剝離覆蓋在不期望有金屬的區(qū)域上的沉積金屬。在實施例中，可能期望具有特定功函數的電接觸?？赏ㄟ^以下步驟修改已圖案 化的電接觸組的功函數(1)使用某種材料(該材料選擇性地粘附于不期望有電接觸的材 料)，通過旋涂(spin-coating)、浸涂(dip-coating)、噴涂(spray-coating)或者其它方法來 處理樣品；(2)沉積另一種材料的薄層，諸如，例如Au、Pd、Pt或者Ni的10nm層；以 及(3)然后清除晶片以剝離不期望有接觸的區(qū)域中的沉積層。
在實施例下，如上所述的各種量子點結構、像素、互連和電路的組合的結合產 生了集成電路(IC)。在實施例下，圖9是集成電路的掃描電子顯微圖的圖示說明，在該 集成電路中，已將感光膜旋涂到在CMOS制作中產生的CMOS集成電路上。該示例的感 光膜包括具有基本上單一時間常數(single-time-constant)陷阱態(tài)的PbS膠體量子點，該陷 阱態(tài)是由該量子點的表面上存在PbS03造成的?，F在詳細描述在這里單獨詳細描述的集 成電路的所描繪的部件。層101是作為半導體襯底的硅，在該襯底上形成集成電路。已經向襯底中注入 和/或退火(anneal) 了各種雜質，以形成二極管、晶體管、阱、阻性/傳導區(qū)域等。層 102是晶體管和柵級和接觸。在這些層中摻入諸如多晶硅、電介質和金屬的材料以形成能 夠實現電子電路的各種電子器件。層103、104、106、108、110各自包括提供在集成電路上的晶體管和其它電路 元件間在襯底平面中的互連的金屬。層105、107、109、111是提供各個金屬層間垂直于 襯底平面的互連的過孔。層112是頂金屬層。其以使用PbS膠體量子點制成的感光層(層113)提供電接 觸。在該示例中，感光層共形地涂覆頂金屬。盡管在感光層的沉積之前襯底的頂表面不 是完全平坦的( lOOnm表面高度變化)，但是由于所采用的特殊工藝的平坦化特性，感 光層的頂表面基本上是平坦的(< lOnm表面高度變化)。層114是密封感光層(層113)的密封層。在實施例中，密封層的目的包括避免 后續(xù)的層(例如，濾色器陣列、微透鏡、晶片級光學器件等)的相互擴散，并且還防止氣 體(諸如H20、02、C02)和液體(諸如H20和在隨后的處理中使用的有機溶劑)滲入 感光層(層113)中。層115和116是薄金屬層。圖10示出了可以用于制造類似于圖9所示的和這里所描述的集成電路的四個工 藝流程(a、b、c和d)。實施例的四個工藝流程包括但不限于毯式刻蝕(blanket etch)工 藝、掩模步驟刻蝕工藝、第一純TiN工藝和第二純TiN工藝，依次描述每個工藝。圖10示出了實施例的毯式刻蝕工藝流程。毯式刻蝕描述了制造基本平坦的頂接 觸層(圖9中的層112的頂部(例如，金屬6))的方法。在該圖示中，頂接觸層將向感 光層提供像素化電接觸，并且還將提供用于與芯片外的光學系統(tǒng)元件(功率、控制和數 據輸入/輸出)電連接的結合焊盤。在步驟1中，沉積了將最終用作頂金屬(即在該示 例中包括TiN繼之以A1繼之以TiN的堆疊)的材料。在步驟2中，應用了光刻膠并且光 刻地使其圖案化。在步驟3中，使用了干法刻蝕以刻蝕不受光刻膠保護的區(qū)域，并且因 此將光刻膠圖案傳遞到下面的TiN/Al/TiN堆疊。在步驟4中，沉積了鈍化氧化物，并 且在步驟5中，對其進行化學機械拋光，以產生具有期望厚度的平滑的頂表面。在步驟 6中，使用了毯式刻蝕以完全刻蝕通過位于圖案化的TiN/Al/TiN之上的鈍化氧化物的厚 度，因此最少地暴露堆疊中的TiN的頂表面。在步驟7中，使用合金工藝以完成工藝流 程。圖10(b)示出了實施例的掩模步驟刻蝕工藝流程。掩模步驟刻蝕描述了產生頂 接觸層(圖9中的層110的頂部(例如，金屬6))的方法，在該頂接觸層中，基本上經由 鈍化氧化物的去除只將要形成圖像傳感器陣列的區(qū)域和將要形成結合焊盤的區(qū)域暴露。 在該圖示中，頂接觸層將向感光層提供像素化電接觸，并且還將提供用于與芯片外的光
61學系統(tǒng)元件(功率、控制和數據輸入/輸出)電連接的結合焊盤。在步驟1中，沉積將 最終用作頂金屬的材料(即在該示例中包括TiN繼之以A1繼之以TiN的堆疊)。在步驟 2中，應用了光刻膠并且進行光刻使其圖案化。在步驟3中，使用干法刻蝕以刻蝕不受 光刻膠保護的區(qū)域，并且因此將光刻膠的圖案傳遞到下面的TiN/Al/TiN堆疊。在步驟 4中，沉積鈍化氧化物，并且在步驟5中，化學機械拋光該鈍化氧化物，以產生具有期望 厚度的平滑的頂表面。在步驟6中，應用光刻膠并且進行光刻使其圖案化，以暴露成像 區(qū)和結合焊盤的區(qū)域。在步驟7中，使用了光刻膠圖案化的晶片的第一刻蝕以去除覆蓋 像素電極和結合焊盤的鈍化氧化物的一些但不是全部。在步驟8中，剝去光刻膠掩模。 在步驟9中，刻蝕整個晶片，露出作為之前的圖案化刻蝕步驟結果的像素電極和結合焊 盤。在步驟10中，使用了合金工藝以完成工藝流程。圖10(c)示出了實施例的第一純TiN工藝流程。純TiN描述了產生頂接觸層 (圖9中的層112的頂部(例如，金屬6))的方法，在該頂接觸層中，基本上經由鈍化氧 化物的去除只將要形成圖像傳感器陣列的區(qū)域和將要形成結合焊盤的區(qū)域暴露。在該圖 示中，頂接觸層將向感光層提供像素化電接觸，并且還將提供用于與芯片外的光學系統(tǒng) 元件(功率、控制和數據輸入/輸出)電連接的結合焊盤。在步驟1中，沉積將最終用 作頂金屬的材料(即TiN)。在步驟2中，應用光刻膠并且進行光刻使其圖案化。在步驟 3中，使用干法刻蝕以刻蝕不受光刻膠保護的區(qū)域，并且因此將光刻膠圖案傳遞到TiN。 在步驟4中，使用了合金工藝以完成工藝流程。圖10(d)示出了實施例的第二純TiN工藝流程。第二純TiN工藝描述了產生頂 接觸層(圖9中的層112的頂(例如，金屬6))的方法，在該頂接觸層中，基本上經由鈍 化氧化物的去除只將要形成圖像傳感陣列的區(qū)域和將要形成結合焊盤的區(qū)域暴露。在該 圖示中，頂接觸層將向感光層提供像素化電接觸，并且還將提供用于與芯片外的光學系 統(tǒng)元件(功率、控制和數據輸入/輸出)電連接的結合焊盤。在步驟1中，沉積將最終 用作頂金屬的材料(即TiN)。在該沉積之前的晶片提供用于像素電極的W(鎢)過孔， 但是不向將后續(xù)形成結合焊盤的區(qū)域提供W(鎢)接觸。在步驟2中，應用光刻膠并且 進行光刻使其圖案化保護了這樣的區(qū)域，即要保留TiN并且因此將電接觸感光層的區(qū) 域，而暴露所有其它區(qū)域(包括那些位于未來的結合焊盤之上的區(qū)域)。在步驟3中， 使用干法刻蝕以刻蝕不受光刻膠保護的區(qū)域并且因此將光刻膠圖案傳遞到TiN。在步驟4 中，應用光刻膠并且進行光刻使其圖案化在圖案化之后不存在光刻膠的區(qū)域限定稍后 將組成結合焊盤的區(qū)域。在步驟5中，經由干法刻蝕打開保護金屬5中的結合焊盤的氧 化物。在步驟6中，去除光刻膠。在步驟7中，使用合金工藝以完成工藝流程。圖11示出了在可選實施例中的集成電路的掃描電子顯微圖，在該集成電路中， 已經將感光膜旋涂到在CMOS制作中產生的CMOS集成電路上。在該可選實施例中，不 存在金屬層112，但是存在薄涂層115和116。一般而言，圖9-11是光電器件的圖解，該光電器件包括感光層；CMOS集成 電路，其包括硅襯底、至少一個擴散層、至少一個多晶硅層和至少兩個金屬互連層，該 金屬互連層包括至少第一金屬層和第二金屬層；與第二金屬層電連接的感光層；其中至 少一個多晶硅層和至少一個擴散成形成多個晶體管，該晶體管至少通過第二金屬層與感 光層電連接。
在實施例中，頂電極的厚度在10_50nm的范圍內，而頂電極的橫向尺寸在 200-400nm的范圍內，并且因此頂電極的寬度高度縱橫比在40 1到4 1的范圍內。 在實施例中，10-50nm范圍內的薄頂電極的使用提供了在感光層的應用之前實現晶片的 基本平坦(表面高度變化小于lOOnm)的頂表面的簡化方法。在實施例中，厚度在10-50nm的TiN用作與感光層進行電連接的頂電極。在其 它實施例中，覆蓋有厚度2-20nm的TiOxNy的厚度10_40nm的TiN用作與感光層進行電 連接的頂電極。在實施例中，頂金屬級包括TiN但是排除了鋁。在實施例中，刻蝕頂電極以形 成橫向圖案可通過避免將鋁用作頂金屬成分的部分來避免鋁氧化物和相關材料的生成。在實施例中，頂電極可包括鉬(Pt)，即已知的用于提供接觸的一致性深功函數 貴金屬，該接觸包括到PbS膠體量子點膜的價帶的歐姆接觸?？紤]到在到感光層接觸界 面處或者其附近形成的能量勢壘，這種頂電極的使用還可提供一定程度的對電子注入感 光層或者從感光層逸出的阻斷。在實施例中，頂電極可包括鈀(Pd)，即已知的用于提供接觸的一致性的深功函 數貴金屬，該接觸包括到PbS膠體量子點膜的價帶的歐姆接觸?？紤]到在到感光層接觸 界面處或者其附近形成的能量勢壘，這種頂電極的使用還可提供一定程度的對電子注入 感光層或者從感光層逸出的阻斷。在實施例中，頂電極可包括金(Au)，即已知的用于提供接觸的一致性的深功函 數貴金屬，該接觸包括到PbS膠體量子點膜的價帶的歐姆接觸?？紤]到在到感光層接觸 界面處或者其附近形成的能量勢壘，這種頂電極的使用還可提供一定程度的對電子注入 感光層或者從感光層逸出的阻斷。在實施例中，頂電極可使用銦錫氧化物(ITO)，即向PbS膠體量子點膜提供電接 觸的基本上透明的導電氧化物。在實施例中，頂電極可包括氧化鋅(ZnO)，即向PbS膠 體量子點膜提供電接觸的基本上透明的導電氧化物。在實施例中，頂電極可使用材料堆疊，該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?？紤]到用于頂電 極的以上材料組合，頂電極的厚度包括但不限于以下TiN、TaN、Ni、Cu為10-50 nm 的厚度；Pt、Pd、Au為2-50nm的厚度；以及ITO、ZnO或者其它導電氧化物為5_100nm 的厚度。因此，一般而言，根據這里所教導的可提供多層接觸，其中各種金屬和/或其 它導電材料處于物理接觸。例如，W可用作過孔金屬；TiN可用于保護該過孔；并且深 功函數金屬可與TiN接觸，以向感光層提供深功函數電連接。如上所述，垂直堆疊結構中的金屬和/或金屬接觸可以被布置在光檢測器結構 的不同層中并且用作接觸和/或用作屏蔽或者隔離部件或單元。在實施例中，例如，一 個或者更多個金屬層用于隔離或者屏蔽下層電路的部件(例如，電荷存儲或者電荷存儲 裝置)或者IC的其它部件。圖37和38示出了這樣的實施例，其中將導電材料置于相應 的像素區(qū)的電荷存儲之間，以使得相應的電荷存儲與在感光層上入射的光隔離。導電材 料的至少部分與相應的像素區(qū)的感光層進行電連接。如這里所述，除了作為隔離單元的功能之外，圖37和38中所示出和描述的金屬區(qū)域或者層可以用作電接觸。圖37示出了金屬覆蓋像素的垂直輪廓。該像素包括硅部分140、多晶硅層130 以及金屬層120和110。在該實施例中，交錯排列120和110以完全覆蓋像素的硅部分。 一些入射光100被110反射。剩余的入射光100被金屬層120反射。因此，沒有光能夠 到達硅140。這完全改進了存儲節(jié)點(141)對入射光的不靈敏性。圖38示出了金屬覆蓋像素的布局(頂視圖)。在該實施例中，三個金屬層(例 如，對應于圖9中的層108、110和112的金屬4/5/6)用于完全覆蓋像素的硅部分。區(qū) 域200是金屬4，區(qū)域210是金屬5，并且區(qū)域220是金屬6。區(qū)域200/210/220近似覆 蓋整個像素區(qū)，并且因此阻止任何光到達下面像素的硅部分。芯片2000 (包括 2002、2004、2008 和 2010)上述的像素區(qū)和像素電路可在集成電路上形成并且通過如上所述的金屬互連層 而連接。在圖1的示例實施例中，QDPC 100可以具有在底層襯底的頂上構成的量子點 像素1800，該底層襯底具有結構2002、功能部件2004和處理2008能力。該底層襯底結 合其功能可被稱作芯片2000或者半導體芯片2000。結合以上的量子點像素1800，芯片 可提供多種功能，諸如高速讀出、信號多路復用、解碼、尋址、放大、模數轉換、圖像 傳感器處理(ISP)等。功能部件2004及其處理2008的能力可與像素電路1700以及與集 成系統(tǒng)2200連接。在實施例中，芯片2000可表示QDPC 100內的集成光檢測器處理單 元，該QDPC 100提供高速低噪聲讀出、小晶元面積(die area)、使用較大工藝幾何尺寸 的能力、組合的模擬和數字電路、較高級的集成、圖像處理、低功率、單電壓源以及非 平坦芯片2000。芯片2000的底層結構2002可包括集成電子部件和電互連2010的層，其中集成 電子部件提供底層芯片的功能部件2004，并且電互連2010提供在這些功能部件2004、像 素電路1700之間的互連以及到芯片外的部件的接口連接。圖8示出了在量子點像素1800 的陣列之間的行和列互連的示例，其中行和列互連位于底層結構2002內的不同層中。在 實施例中，這些行和列跡線可在底層芯片半導體的較上層中，而功能部件2004可在較下 層中。像素陣列之下的附加結構2002的能力可以提供實現創(chuàng)新產品解決方案的片上處理 能力。在實施例中，可將芯片的底層結構2002連同上面的像素結構1500和光檢測器結 構1400制造為單片集成電路，也稱作IC、微芯片、微電路、硅芯片、芯片等?？梢砸?經在半導體材料的薄襯底的表面中制造了集成電路。在實施例中，可將量子點結構1100 應用在集成電路部分的頂上以產生QDPC 100。以此方式，使用對集成電路技術來說可用 的工業(yè)標準工藝，QDPC 100維持了在可調、可堆疊量子點結構1100中固有的設計靈活 性。量子點結構1100和集成電路結構的組合使得QDPC 100能夠變成完全集成在單個芯 片2000上的低成本、單一元件圖像檢測系統(tǒng)。在實施例中，QDPC100還可以是由單獨 半導體器件以及無源部件構成的、集成到襯底或者電路板上的混合集成電路。在實施例 中，可將光檢測器結構應用于本領域已知的任何底層結構或者技術。在實施例中，QDPC 100的混合集成電路可以利用商業(yè)上可獲得的制造技術。圖 8示出了在商業(yè)上可獲得的電子讀出集成電路(ROIC)芯片上形成的輻射1000靈敏層的光 學顯微圖。如以下更詳細地描述的，在許多實施例中，輻射1000靈敏層包括多個QD。輻射1000靈敏層(例如QD層)覆蓋低層芯片并且符合底層芯片的特征。如可以在圖 8中看到的，電子讀出芯片(例如CCD或者CMOS集成電路)包括電極的行2031和列 2032的二維陣列。電子讀出芯片還包括方形電極焊盤2030的二維陣列，該方形電極焊盤 2030連同覆蓋的QD層和其它電路形成像素的二維陣列。行電極2031和列電極2032允 許由與電極電連接的讀出電路(未示出)讀出每個像素(包括方形電極焊盤2030和覆蓋 的QD層)。所得到的來自讀出電路處的ROIC的信息的序列對應于圖像，例如，在暴露 周期(例如，幀)期間芯片的不同區(qū)域上的輻射1000的強度。芯片上的局部光強度與由 讀出電路讀取或者測量的電流和/或偏壓有關。在實施例中，高度集成圖像檢測系統(tǒng)(諸如QDPC 100，包括處理功能部件2004 的下層集成電路、像素電路1700以及包括堆疊量子點像素1800的上層量子點結構1100) 可以要求比典型的檢測器更全面的芯片2000級上的測試。由于QDPC 100的高度集成和 多功能性質，其測試可以更類似于特定用途集成電路(ASIC)的測試和光檢測器的光學測 試的組合。另外，因為堆疊或者分層的量子點結構1100可以包括本質上的多個集成檢測 器層，因此可能需要在制造過程期間分階段進行光學測試，以便完全描述相互作用參數 的特征，諸如在多個量子點材料200之間通過絕緣電介質層的串擾(cross-talk)。在實施 例中，QDPC 100的測試可以要求唯一的技術，以便確保質量和可靠性。在實施例中，功能部件2004(諸如多路復用器和解碼器)可提供片上2000能力 以將數據從量子點像素1800傳遞出芯片2000的邊緣，提供陣列的尋址。在列的末端的 模擬電路可以包括放大器，提供增益和校正，或者列電路內的模擬多路復用。可以將列 組合，其中將列信號連續(xù)地多路復用。在實施例中，可提供模數轉換以便將信號轉換到 數字域，其中其它處理部件2008可執(zhí)行數據操作，并且提供圖像陣列和圖像處理之間的 接口。在實施例中，功能部件2004可以包括為圖像掃描提供便利的圖像傳感器處理 (ISP)。例如，圖像掃描可允許測驗低分辨率的第一曝光，確定如何使用該第一曝光，執(zhí) 行迅速的第二掃描并對差別進行處理。亮度信號可具有高帶寬信息而色度具有低帶寬信 息。在另一實例中，第一曝光可在低頻上，然后是高分辨率的第二曝光，諸如作為對導 出信號的歸一化的跨越屏幕的紅對紅比較，類似于JPEG壓縮。當取得高分辨率圖像時可 以運行低頻率，從大像素取得對低輻射1000的靈敏度并且從小像素取得空間信息?？梢?以高頻和低頻取得最好的信息以便產生最佳可能的圖像，諸如為了速度，簡化并且實施 算法來壓縮數據、采集較少的模擬數據等。個別像素可以偏離背景值，其中以粗略掃描 而快速得到背景值。在實施例中，ISP可以提供可直接在芯片上執(zhí)行的創(chuàng)新解決方案。在實施例中，可實施處理技術，諸如空間微分，空間微分導致功率優(yōu)勢以及改 進的信噪比優(yōu)勢。如人眼利用運動來處理場景的方式，空間微分可以使用運動以達到某 種優(yōu)勢。這種技術可有助于補償移動電話或者相機的固有抖動，并且可以有助于消除圖 案噪聲，因為圖案噪聲不可微分。也可以跨越整個陣列使用觸發(fā)清晰度的增加的增量報 警(delta-alarm)來執(zhí)行處理。也可以使用確定局部清晰度的區(qū)域來便于用于自動聚焦的 邊緣檢測的處理?？蓪⒅苯有盘栶伻敕答伝芈芬詢?yōu)化清晰程度。片上處理的使用可提供 局部化的處理，該處理允許產品的功率和總尺寸的減小。在實施例中，處理可以包括像素合并(binning)，以便降低與量子點結構1100
65的固有特性或者讀出過程相關聯的隨機噪聲。合并可包括像素1800的組合，諸如創(chuàng)建 2X2、3X3、5X5等超像素。由于隨機噪聲隨著面積線性增加而以平方根增加，可以減 小與組合像素1800或者合并相關聯的噪聲，因此降低了噪聲或者增加了有效靈敏度。使 用針對非常小像素的QDPC 100電勢，可以利用合并而無需犧牲空間分辨率，也就是說， 可以以小的像素開始而使得組合像素不降低系統(tǒng)所要求的空間分辨率。合并也可對于提 高檢測器能夠達到的運行速度有效，因此改進系統(tǒng)的某個特征，諸如聚焦或者曝光。在實施例中，芯片可以具有實現高速讀出能力的功能部件，該能力可以有助于 較大陣列(諸如5 Mpixel, 6Mpixel, 8 Mpixel等)的讀出。較快讀出能力可能需要像素 1800陣列下的更復雜、更大晶體管數目的電路，增加的層數，增加的電互連數，更寬的 互連軌跡等。在實施例中，可能期望減小圖像傳感器尺寸，以便降低總的芯片成本，該芯片 成本可與芯片面積成比例。然而，對于給定數目的像素來說，縮小芯片尺寸可能意味著 更小的像素。在現有的方法中，由于輻射1000必須通過互連層傳播到位于下面的單片集 成硅光電二極管，存在填充因子折中，由此通過互連使下面的硅面積的部分變得模糊； 并且，類似地，通過在讀出中使用的晶體管消耗部分硅面積。一個應對方案是微透鏡， 其增加了成本并且導致光電二極管的照明依賴于芯片內的位置(中心對邊緣)；另一個應 對方案是轉向更小的工藝幾何尺寸，該應對方案較昂貴并且在其常規(guī)植入的圖像傳感器 工藝中尤其具有挑戰(zhàn)性。在實施例中，這里所討論的技術可以提供圍繞這些折中的方式?？煽s小像素尺 寸并因此縮小芯片尺寸，而無需減小填充因子。由于光檢測器在位于互連之上的頂表面 上，因此由于晶體管尺寸和互連線寬不會使像素變得模糊，所以可使用較大的工藝幾何 尺寸。在這里所提出的技術中，可使用諸如m和m的大幾何尺寸而不使像素 變得模糊。類似地，也可使用諸如90nm及其以下的小幾何尺寸，并且這些可以是標準的 工藝而不是適合圖像傳感器的工藝，這導致了較低的成本。小幾何尺寸的使用可以更加 兼容在同一芯片上的高速數字信號處理。這可以導致芯片上的更快、更便宜和/或更高 質量的圖像傳感器處理。另外，對于給定的圖像傳感器處理功能程度，針對數字信號處 理的更高級幾何尺寸的使用可有助于較低的功率消耗。現在將結合圖70描述可以與以上的光檢測器、像素區(qū)和像素電路結合使用的示 例集成電路系統(tǒng)。圖70是圖像傳感器集成電路(也稱作圖像傳感器芯片)的框圖。該 芯片包括-像素矩陣(100)，其中將入射光轉換成電子信號，并且其中將電子信號結合到 電荷存儲中，該電荷存儲的內容和電壓水平與幀周期上結合的入射光有關；-行電路和列電路(110和120)，其用于復位每個像素，并且讀取與每個電荷存 儲的內容有關的信號，以便將與幀周期上的每個像素上的結合的光有關的信息傳遞到芯 片的外設；-模擬電路(130、140、150、160、230)。將來自列電路的像素電信號饋送到模 數轉換器(160)中，在該模數轉換器(160)中，將該像素電信號轉換成表示每個像素處 的照度的數值。由提供偏壓和參考電平的模擬電路(130、140和150)支持像素陣列和 ADC ；
-數字電路(170、180、190、200)。圖像增強電路(170)向從ADC輸出的數據
提供圖像增強功能以改進信噪比。線緩沖器(180)暫時存儲若干行像素值，以便于數字 圖像處理和10功能。(190)是寄存器庫，其規(guī)定系統(tǒng)的全局操作和/或幀格式。塊200 控制芯片的操作。-10電路(210和220)，其支持并行輸入/輸出和串行輸入/輸出。(210)是同 時輸出像素值的每一位的并行10接口。 (220)是順序輸出像素值的每一位的串行10接口。-鎖相環(huán)(230)，其為整個芯片提供時鐘。如下描述輸入/輸出引腳VDD是電源，從其獲得各個晶體管和其它元件上的偏壓。GND是地，其與電壓偏壓配合使用以提供電路元件上的電勢差。VFILM是量子膜偏置電壓，其用于提供感光層上的電勢差。VREF是帶隙參考電壓，其用于為芯片上的其它模擬電路提供參考電壓水平。該 參考水平對溫度、電壓和過程不靈敏。SDA是串行控制數據，用于為串行控制端口送入輸入數據。串行控制端口可以 直接向片上寄存器寫入，或者執(zhí)行一些簡單任務，諸如復位數字電路。SCL是串行控制時鐘。這是用于串行控制端口的輸入時鐘。DOUT<l:N>_N通道并行輸出端口。這里N通常大于8。每個通道是具有全數 字電壓擺動的單端。其用于以相對慢的速度用寬總線輸出像素數據。CLK+/-全差分串行10時鐘。這是用于高速串行輸出端口的時鐘通道。DATA+/-<l:n>-n通道串行輸出端口。這里n通常小于4。每個通道是具有低 電壓擺動的全差分。通過通道順序地發(fā)出像素數據。EXTCLK 外部時鐘，其用于向片上PLL提供時鐘輸入，以為整個芯片產生內
部時鐘。在示例實施例中，通過在讀出集成電路陣列頂上涂覆至少一層感光納米晶體層 來實現像素陣列(100)。部分地由于該層提供光電導增益，其對光極其敏感，其中對于每 個入射像素的光子，能夠將多個電子收集到位于感光層之下的讀出電路中。光電導層可 以是非整流裝置，因此其可為相反極性的相同幅值的偏置提供基本相同幅值的電流。在示例實施例中，提供電壓偏置的電極可以是彼此橫向相對的，也就是說它們 可位于同一平面內。在這種情況下，感光層中的電流的主導方向是橫向?？梢砸赃@樣的 模式配置電極，使得即使感光層跨越整個陣列是連續(xù)的，在每個像素電極內收集的電流 也僅主要與入射該像素區(qū)的光強度相關。實現像素之間的基本隔離的電極構造包括那些 封閉幾何形狀，其中柵格(諸如重復方形、三角形、六邊形或者其它封閉形狀的陣列的 一個柵格)提供第一偏置，并且位于每個柵格重復單元的中心的電極提供第二偏置，并 且這些提供第二偏置的電極收集基本上在每個封閉柵格重復單元內流動的電流。向器件 提供偏置的電極不需要是透明的，但是在一些實施例中可以是反射光和吸收光的。這些 構造僅僅是示例，并且可在其它實施例中使用其它構造，包括垂直堆疊的電極、透明電 極以及這里所描述的其它電極和光電導體構造。例如，在可選實施例中，電極可以是彼 此垂直相對的，以使得光電流基本上在垂直方向上。
在特定示例實施例中，當使用0.11 ym CMOS技術節(jié)點時，沿著行軸和沿著列 軸的像素的周期重復距離可以是900nm、1.1 ym、1.2 1.4 1.75 2.2iim或 者更大。這些像素的最小尺寸的實現(尤其是900nm、1.1 y m和1.2 y m)可能需要在鄰 接的像素對或者更大的像素組間共享晶體管。由于通過位于互連層之上的感光層在另一垂直水平上單獨實現光學感測功能， 因此與每個像素相關聯的所有硅電路區(qū)域可以用于讀出電子，所以在一定程度上可以實 現非常小的像素。因為感光層和讀取感光材料的特定區(qū)域的讀出電路存在于集成電路中的不同平 面上，所以以下部分的形狀(從頂部看)一般可以不同(1)像素讀出電路；和(2)感光 區(qū)域(該區(qū)域由(1)讀取)。例如，可能期望將對應于像素的感光區(qū)域定義為方形；而 可將相應的讀出電路最有效地配置為矩形。由于可以由感光層提供增益，以使得(例如)在感光區(qū)域上入射的每個光子可以 產生(例如)10個電子的收集，即便使用采用少量晶體管的簡化像素讀出電路也可實現高 靈敏的圖像傳感器。即便使用僅采用三個晶體管(其中至少一個可與其它像素共享)的 電路，也可獲得對光的高靈敏度。例如，在基于具有50%的整體量子效率并且在其上入射lnW/cm2的強度的光電 二極管的傳統(tǒng)像素中，在1/15秒的積分周期中，l.lPmXl.liim的像素將提供將要由讀 出電路讀取的、平均相當于1個電子的光電流。如果總體電路讀取噪聲是3個電子，那 么這種強度水平將基本上不可由該像素及其讀出電路檢測到。相反，在具有相同面積和積分時間、但是具有90%量子效率和5的增益的像素 的情況下，可獲得要由讀出電路讀取的、平均相當于10個電子的光電流。如果該總體電 路讀出噪聲是3個電子，那么這種強度水平將可由該像素及其讀出電路檢測到。而且， 即使構建了提供等價于6個電子的更差的讀出噪聲的更簡單和/或更小的電路，這種強度 水平將仍然可由該像素及其讀出電路檢測到。在基于通過過孔與下面的讀出電路連接的頂部感光層的圖像陣列中，不需要各 個金屬層、通孔和互連電介質是基本上或者甚至部分透光的，盡管在一些實施例中它們 可以是透明的。這與前側照明CMOS圖像傳感器形成了對比，在前側照明CMOS圖像傳 感器中，必須存在穿過互連堆疊的基本上透明的光學路徑。在傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的 情況下，這對互連的布線提出了附加限制。這通常降低能夠實際上共享一個或若干晶體 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，針對與 頂表面感光層一起使用而設計的讀出電路可以采用8 1和16 1的共享。光電導層可擁有依賴于偏壓的增益，以使得在較高的偏壓下增益較高，并且在 較低的偏壓下增益較低。與每個感光區(qū)域相關聯的讀出電路積分、存儲并且參與向芯片 外設傳輸與電子積分周期期間主要入射像素的光強度有關的電信號。可以這樣的方式配 置讀出電路，使得感光層上的偏壓在整個積分周期內減小，導致增益在整個積分周期內 減小。當較大的電流流動時，即當更多的光入射像素時，貫穿積分的增益的減小可能更 顯著。因此當更強烈地照亮被讀取的感光區(qū)域時，有效增益可能更低。因此，對于在提 供與結合的光強度有關的信號的電節(jié)點上的給定電壓范圍(例如IV的跨度)來說，例如 對應于模數轉換器的輸入范圍，可表示更大范圍的光強度。例如，IV的擺動可表示光強度中的80 dB范圍或者更大的范圍?？梢酝ㄟ^在感光層上形成圖案化濾色片陣列來從像素陣列獲得譜信息不同的 濾色器保證了在下面的光電導像素上入射不同譜帶的光。在可選實施例中，可以形成顏色選擇堆疊像素，其中在垂直方向上疊加多個感 光層。選擇上面的層(或多個層)比下面的層(或多個層)具有更大的帶隙。因此，上 面的層(或多個層)提供較短波長的光的感測并且阻擋這種較短波長的光，以使得下面的 層(或多個層)主要感測較長波長的光。任何上述實施例中的譜信息可包括X射線、UV、可見光(包括可見光內的特定 顏色，諸如紅、綠和藍)、近紅外線和短波長紅外線。制造提供對準的或者融合的圖像的 多色彩、多譜或者超譜圖像是有意義的，其中不同的像素(彩色的或者非彩色的)呈現了 描繪不同譜帶內的譜內容的疊合版本。行/列電路(110和120)提供每個像素的復位以及與每個電荷存儲的內容有關 的信號的讀取。這允許將與在整個幀周期中入射每個像素的被結合的光有關的信息傳遞 到芯片的外設。讀出陣列的一種方法包括使用近似等于像素陣列中的行數的若干個行電 路；以及近似等于像素陣列中的列數的若干個列電路。例如，將使用200行和300列讀 出300 X 200像素陣列。然后將行列電路間距匹配(pitch-matched)到像素陣列行和列。在被稱為行/列交換的另一實施例中，以較大的靈活性設計行列電路。為了讀 出300X200像素陣列，可使用600個列電路和100個行電路。由于行電路復雜，因此這 可以提供優(yōu)勢，諸如使得對于行電路的設計可獲得較大的面積。如果列電路特別復雜， 則在該示例中，可以設計150列電路和400行電路，給予列電路較多的面積。列電路可合并用于提供電流的固定電流源，以讀出每個像素的源極跟隨器。在 被稱作靈活列的可選實施例中，列電路可以改為合并電壓源或者浮動節(jié)點。這使得復位 期間能夠反饋并且讀出期間能夠節(jié)省功率，導致了噪聲的降低和功率的節(jié)省。靈活列還 可以用作測試點，以向下游電路(諸如ADC)提供已知輸入。這可以幫助或者改進校準 過程。結果可以是較少噪聲的列讀出和/或改進的均勻性。偏置塊(140)有助于提供感光層的偏置。實施例可包括向感光層的一個節(jié) 點提供負電壓，以便在兩個電極之間提供足夠的電場，以使得可提供適當水平的光 電導增益。實施例可包括向感光層提供各種可能的電壓，以便選擇由感光層提供 的增益水平。偏置塊(140)因此可包括兩個負電壓，包括比-IV的更多的值(例 如-1.5V、-1.7V、-2V)并且還提供可編程電壓。感光層內的增益的提供還對A/D塊(160)的設計有影響。通常，在模數轉換器 之前需要增益，以便在信號鏈上保持信噪比。感光層中固有的增益減輕了對模數轉換器 之前的高增益的要求。傳統(tǒng)圖像傳感器中的模數轉換器經常采用在表示由模數轉換器輸出的單位增長 (unity-increasing)的數字值的水平之間的固定差值(以mV測量)。這源自這樣的事實， 即傳統(tǒng)圖像傳感器使用固定量子效應的光檢測器，以使得光檢測器上入射的照度的差值 線性轉換成由光電二極管產生的電流中的差值，并且因此導致要由列電路讀取的節(jié)點上 的電壓的線性成比例的差值。然而，具有增益的感光層可產生以光電流的非線性相關性 依賴于強度的光電流。例如，對于給定偏置，a 女 L-b 女 LA2其中I是光電流，L是像素上的入射光的強度。這是近似光電流的簡單多項式 關系的示例。在該情況中，可以從所測量的電流和以及系數a和b的了解并且通過轉換已知的 近似多項式關系來推出照度。可以以若干方式之一(包括其組合)來實現關系轉換(1)可以在將信號傳遞到模數轉換器之前使用模擬電路，該模數轉換器轉換或者 部分轉換I和L之間的函數關系。(2)可以以這樣的方式來非線性地轉化輸入到模數轉換器的模擬電平和從模數轉 換器輸出的數字值之間的關系，使得轉換I和L之間的函數關系。(3)可以在片上圖像傳感器系統(tǒng)或者在單獨的芯片上配置數字電路和算法，以便 在數字域內數學地實現I和L之間的函數關系的轉換。塊(170)(圖像增強)表示一個片上位置，其中可以在數字域內實現膜的非線性 響應的線性化。也可以在塊(170)中實現所報告的像素通道的調整，該調整為作為下層讀出電 路的布局的結果的偏移的或者線性縮放的或者這兩者。例如，可設計讀出電路，使得相 鄰的(例如，奇數和偶數)列使用至少一個晶體管，該晶體管的注入輪廓為關于相鄰列的 鏡像。作為另一示例，讀出電路可以共享晶體管。在每種情況下，CMOS電路層(諸如 注入層和金屬層)之間的對準的輕微偏移可以導致陣列上周期性重復的暗電流、增益或 這二者的輕微差別。圖像增強塊(170)可用于校正這些偏移并且轉換這些比例因子。量子局限光檢測器1400的實施例顯示了在可視波長靈敏旋鑄光檢測器1400中同時獲得靈 敏度、增益、可調性和寬動態(tài)范圍。與970nm時硅光電二極管的大約2X IO12 Jones以及 甚至可見光中的更低值相比，最優(yōu)處理的光檢測器1400可提供跨整個可視譜的IO13 Jones 的D*。光電導增益可以位于1和100之間，并且光檢測器1400的構造可以顯示超過 100A/W的光電導增益。塊PbS可以具有近似0.4eV的帶隙，并且這里所描述的量子點材料顯著地增加 了量子點材料200中的量子局限的程度，以制造這里所描述的僅可見光的膠體量子點光 電導檢測器1400。如這里所描述的那樣，實施例的合成步驟使得能夠進行具有SOOnm 以下的吸收帶邊(absorptiononset)的量子點1200的合成。圖3i(a)示出了實施例的合成 的量子點的吸收譜。圖3i(b)示出了在實施例下可以具有3nm的直徑并且顯示了小平面 的納米微粒。如所合成的，可以用油酸來穩(wěn)定實施例的納米晶體，其預期的和所觀察的 構造由于油酸配體的長隔離鏈以阻止載流子輸運。交換為諸如丁胺的較短配體可導致傳 導率的顯著提高。然而在更大的4-6nm的納米微粒的情況下，在液相中的配體交換之后 保持了單分散性和激子特征，在小納米晶體的情況下，相反，該步驟可導致如之前針對 PbSe納米微粒所看到的納米串(nanostring)(例如，見圖3i(c)和這里其它地方的相關描 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帶邊的損耗(例如，見圖3i (a)(虛曲線)和這里的相關描述)。以下描述保持尖銳、短波長吸收帶邊的方法。一旦形成了薄膜，固態(tài)下的配體 交換可以限制納米晶體重附著位置的數量并且顯著提高傳導率而無需顯著改變量子限制 能級?？蓪⒎稚⒃诩妆街械腜bS納米晶體旋涂在具有金交叉梳狀電極的玻璃襯底上以 形成具有360nm厚度的固態(tài)膜，其中該電極具有5 μ m間隔(圖31所示)。然后在乙腈 中20%甲苯的混合物中處理膜超過約兩天。在該固相的配體交換之后，膜在所施加的 20Vy m1的場下可顯示出具有暗電流密度為600 μ Acm2的傳導率(圖3η所示)。未處 理的樣本或者只用乙腈處理的樣本沒有顯示出可測量的傳導率?？梢葬槍@里詳細描述的暗電流、響應度和噪聲電流描述實施例的光檢測器 1400的特征。圖3j示出了實施例的光檢測器的光電性能。圖3j(a)顯示了譜響應度和 歸一化檢測靈敏度。光電導增益可在15Hz波長400nm處達到大約113AW—1的最大值。 相反，傳統(tǒng)的硅光檢測器在可落入可視譜范圍的大約970nm處顯示最大響應度。實施例 的量子點光檢測器1400顯示在較短波長處增加的響應度以及可見光譜中的最佳響應。關 于靈敏度，圖3j (a)示出了在類似于該實施例的溶液處理薄膜光檢測器1400的面積的典型 硅光檢測器(如在光電學技術中，偏置硅檢測器模型ET-2000)之間的直接比較。在整個 可見譜范圍上，量子點光檢測器1400顯示了好于其晶體硅對應部分至少一個量級的噪聲 等效功率(NEP)。在圖3j(b)的插圖中示出了針對實施例的光檢測器1400所測量的噪聲電流譜。 在低頻處，噪聲電流密度緊緊跟隨響應度曲線，暗示了造成高增益的載流子陷阱也可能 造成噪聲，而在較高頻處，白噪聲可占支配地位?？梢酝ㄟ^(4kTB/R)"2來估計檢測器的 Johnson噪聲大約為0.9fAHz_"2，而在0.04pA Hz1/2找到了散粒噪聲極限(2qIdB)1/2,其中 k是波爾茲曼常數，T是溫度，R是檢測器在黑暗狀態(tài)下的阻抗，B是噪聲帶寬，q是電 子電荷并且Id是暗電流。實施例的光檢測器1400可以使散粒噪聲極限在80Hz處接近到 3dB以內。如圖3j (c)所示，在超過50Hz處與硅比較時，實施例的量子點光檢測器1400顯 示了較大的靈敏度，其中將D *標繪為頻率的函數(插圖還示出了 NEP對調制頻率)。在 低頻(< 5Hz)處，檢測器可顯示出D *為大約IO13 Jones。例如，參考圖3k(a)，描述了造成光電導增益的、實施例的量子點光檢測器的陷 阱態(tài)的特征。圖3k(a)示出了針對所示出的多個在器件上入射的不同光功率水平、根據 調制頻率而測量到的響應度。隨著光功率的提高檢測器的響應度可降低。這可歸因于位 于最低的、最長壽命的陷阱態(tài)的填充，其在低強度處提供最高的光電導增益。這可由這 樣的事實來確認，即在高強度處，3dB帶寬可擴展到更高的電頻率。為了描述高增益陷阱態(tài)填充對溶液處理的檢測器的動態(tài)范圍的影響的特征，測 量了在30Hz的調制頻率下光電流對光強度的依賴性。盡管在高強度處為次線性，可觀察 到光電流對入射強度超過7.5個量級的強度的單調依賴性(圖3k(b))，對應于超過強度動 態(tài)范圍的75dB。圖3k(b)的插圖示出了由可以造成增益壓縮的較高強度處的高增益陷阱 態(tài)的填充引起的響應度帶邊的降低。這里與實施例的光檢測器1400有關的教導說明了當與典型的晶體硅光電二極管 比較時的靈敏度、動態(tài)范圍和增益中的一個或者多個的改進。由于實施例的材料和過程用于產生或者制造量子點光檢測器，因此可以合并或者集成量子點光檢測器來制造量子 點像素或器件。如圖31的插圖所示出的以及在以下關于幾何布局的描述中詳細描述的那樣，在 這里所教內容的指導下，通過在大點、小帶隙(在1230nm處的激子峰值)器件之上堆疊 小量子點1200、較大帶隙光檢測器1400來制造多色器件(例如，兩色等)或像素(這里 也稱作量子點像素)。圖14j還示出了在實施例的堆疊中每個檢測器的所測量的譜響應 度。還示出了在堆疊之前的小帶隙檢測器的譜響應度，以展示在400nm處可見光中的所 實現的超過IOdB的響應度的抑制。因此，在圖31中描繪了實施例的膠體量子點1200固 有的量子尺寸效應可調性的值。光檢測器幾何布局1402可以以廣泛種類的像素布局1600來布置這里所描述的量子點像素1800。參考圖 5a-p,例如，傳統(tǒng)像素布局1600 (諸如Bayer濾鏡布局1602)包括布置在平面內的像素分 組，其中不同的像素對不同顏色的輻射1000靈敏。在傳統(tǒng)圖像傳感器(諸如在大部分消 費者數碼相機中使用的那些)中，通過布置在下層光傳感器的頂上的濾色器的使用來使 得像素對輻射1000的不同顏色靈敏，使得光檢測器響應于特定的頻率范圍或者顏色的輻 射1000而產生信號。在該構造中，一般將不同顏色像素的馬賽克(mosaic)稱作濾色器陣 列或者濾色器馬賽克。盡管可以使用不同的模式，最典型的模式是圖5a所示的Bayer濾 鏡模式1602，其中使用了兩個綠色像素、一個紅色像素和一個藍色像素，其中將綠色像 素(通常稱作亮度靈敏元件)置于方形的一個對角線上并且將紅色和藍色像素(通常稱作 色度靈敏元件)置于另一對角線上。使用第二綠色像素以模仿人眼對綠光的靈敏度。由 于在Bayer模式中的傳感器陣列的原始輸出包括信號模式，每個信號僅對應于光的一個顏 色，因此彩色差值算法用于為每個點插入紅色、綠色和藍色值。不同的算法導致最終圖 像的不同的質量?？梢酝ㄟ^相機上的計算單元或者通過位于相機之外的獨立圖像處理系 統(tǒng)來應用算法?？梢栽趥鹘y(tǒng)濾色系統(tǒng)模式(諸如Bayer RGB模式)中布置量子點像素； 然而，也可使用更適合于傳輸更大量的光(諸如青、絳紅、黃(CMY))的其它模式。一 般已知紅、綠、藍(RGB)濾色系統(tǒng)比CMY系統(tǒng)吸收更多的光。也可以連同量子點像素 一起使用更高級的系統(tǒng)(諸如RGB青或者RGB透明)。在一個實施例中，以模仿Bayer模式1602的馬賽克來配置這里所描述的量子點 像素1800;然而，除使用濾色器以外，可以在不使用濾色器的情況下將量子點像素1800 配置成響應于所選擇的顏色或者顏色組的輻射1000。因此，實施例的Bayer模式1602包 括綠色靈敏、紅色靈敏和藍色靈敏量子點像素1800的組。在實施例中，因為沒有使用濾 色器來濾出輻射1000的不同色彩，因此由每個像素可看到的輻射1000的量高得多。與傳統(tǒng)像素相比，可使得量子點像素1800對輻射1000的變化波長靈敏。參考 圖5b到5f，可使得量子點像素1800對輻射1000的一個顏色靈敏，諸如圖5b的藍色像素 和圖5c的紅色像素。可以在廣闊范圍的布局(諸如圖5a的Bayer模式1602)中使用這 種像素。如在本公開內容以及通過引用合并與此的文獻中所描述的那樣，也可使量子點 像素1800對輻射1000的不止一個顏色靈敏。參考圖6d，量子點像素可包括量子點材料 200的一組垂直層或者區(qū)別地靈敏的量子點材料200的單層，以使得芯片上的單個平面位 置可對輻射1000的多個顏色(諸如圖5d所描繪的紅色、綠色和藍色，或者圖5e所描繪的UV、藍色、綠色、紅色和紅外線)靈敏。因此，可以在各種像素布局1600中使用多 譜量子點像素1604?？梢灾圃鞂ι騼鹊膹V闊范圍的顏色靈敏的量子點材料200，該色 域包括特定顏色或顏色組。盡管標準RGB像素在其與傳統(tǒng)電路設計一起使用的能力方面 具有優(yōu)勢，但是可為改進的傳感器和顯示器提供整個范圍中的更多顏色。為了使用這種 顏色，在實施例中，垂直堆疊量子點材料200的層以便產生對輻射1000的更多顏色靈敏 的多譜像素是有利的。由于能夠捕捉輻射1000的較大部分的譜，對于人眼可見光和不可 見光都將允許在每個給定像素高得高的信息密度，從而允許給定器件封裝內的分辨率高 得多的傳感器。例如，通常將具有1百萬像素、用每個像素捕捉R或者G或則B的1/4 英寸光學格式器件視為具有“兆像素”的分辨率。具有1百萬像素、每個像素能夠捕捉 R和G和B的1/4英寸光學格式傳感器因此將具有三倍的分辨率。這可能是成本和尺寸 較關鍵的成像系統(tǒng)中的關鍵區(qū)分因素。參考圖5f，也可通過在平面上的不同位置以各種構造和模式放置量子點材料200 來產生多譜像素元件1604。參考圖5g，可以在給定像素陣列1600中使用不同尺寸的像素1800。例如，可 以由較小的紅色和藍色單元包圍較大的綠色單元。可以在這種構造中使用色彩的任何范 圍和組合。參考圖5h，可以以與Bayer模式1602不同的各種模式(諸如簡單矩形設置，其 中用多譜像素1604填充陣列中的每個位置)布置多譜像素1604?？梢灾苯佑孟袼?諸如 用位于接近像素或者位于像素上的存儲單元)存儲全圖像信息，以使得可以應用壓縮算 法(諸如或者類似于JPEG和TIFF算法)而無需(或者最小限度地)單獨處理。參考圖5i，多譜像素1604可包括諸如除了對色彩信息之外還具有對IR和UV信 息的靈敏度的全譜、多譜量子點像素1608。因此，這里所描述的任何陣列可包括一個或 者更多個全譜、多譜量子點像素1608。參考圖5j，量子點像素布局1600還可以包括不同靈敏度的像素，諸如對輻射 1000的單個波長(諸如綠色)靈敏的那些像素、對可見光顏色(諸如紅色、綠色和藍色) 集靈敏的那些像素、對IR靈敏的那些像素以及對UV靈敏的那些像素。因此，像素陣列 1600可以是多譜像素1604、單譜像素和專門像素(諸如對非可見光波長靈敏的那些像素) 的混合。此外，像素陣列可以包括平面像素以及具有垂直單元的像素，諸如垂直、多譜 像素1604。圖5k和圖51示出了量子點像素1800的其它設置，包括不同譜靈敏度的像素 的各種混合。參考圖5k，像素布局1600可由不同平面形狀的像素構成，包括Bayer模式1602 的矩形像素，但是也有其它形狀諸如六邊形(如圖5m所描繪的那樣)或者三角形(如圖 5η所描繪的那樣)。近似給定透鏡系統(tǒng)的點擴展函數是有益的，該函數通常更多地以圓 形圖案而不是方形圖案對輻射1000的點源進行成像，因此能夠近似圓形圖案(例如，通 過使用六邊形形狀)，可獲得對透鏡系統(tǒng)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，而不是嚴格的矩形布局1600。應該注意的是，為了使填充因子 (與暗空間或者其它單元相比，由圖像傳感器覆蓋的平面陣列的百分比)最大化，填充平 面的形狀可以是優(yōu)選的，諸如方形、矩形、六邊形和三角形。然而，隨著在這里所公開 的各個實施例中使高靈敏度變得可能，由于可以在不填充整個平面的情況下獲得足夠的性能(尤其在具有垂直尺寸的像素布局1600中)，因此也可以優(yōu)選地采用其它幾何形狀。 因此，可以在像素布局1600中為其它部件(諸如用于暗參考的部件、用于產生功率(諸 如通過光電效應)的部件和其它部件)保留空間。參考圖50，可與光學元件1610(諸如棱鏡、濾鏡、透鏡、微透鏡等)相關聯來 提供量子點像素1800，諸如多譜量子點像素1604或者其它像素。因此，可產生包括使 用這樣的方法的元件的像素陣列1600，即在基于濾波器或者基于透鏡的(諸如在傳統(tǒng)圖 像傳感器、CCD陣列等中使用的)方法中使用的方法。在這種實施例中，可以將像素 1800(諸如多譜像素1604)認為是分光計，該分光計具有配置用來將輻射1000分配給下面 的子像素的光學元件。由于可以用非常大的主射線角度來制造這里所公開的像素1800， 因此可以有可能提供分離譜分量的光學元件，諸如光柵分光計。可以通過在像素1800之 上放置高折射率的聚合物，遮蓋聚合物的部分，并且移除未遮蓋的部分以留下光柵來產 生這樣的光柵。其它技術可用于制造色散元件，諸如在量子點材料層200之下放置衍射 光柵，允許輻射1000通過并且將輻射1000的部分反射到該層下面的檢測器。在各個實 施例中，光柵分光計可以通過吸收輻射1000來分離輻射1000的不同顏色成分；因此，其 將在不損失入射輻射1000中的功率的情況下允許差別顏色靈敏度。因此，該方法將允許 低輻射1000情況下的顏色靈敏度，在該低輻射1000情況下，濾波器去除了過多信號。可以配置像素布局1600(諸如這里所描述的那些)以實現彩色圖像，其具有相對 于傳統(tǒng)圖像傳感器中使用的那些像素而言非常小像素。傳統(tǒng)方法開始到達在1.2微米的像 素尺寸的極限，然而能夠以小得多的尺寸提供這里所描述的像素1800，并且該像素1800 甚至在大尺寸情況下能夠提供更好的顏色精確度。因此，這里所描述的像素1800和像素 布局1600允許在具有大量像素的小型、便宜的芯片上的高圖像質量。此外，這里所描述 的布局1600還允許在圖像傳感器能夠接收并且因此靈敏地檢測輻射1000的角度的增加。 這允許制造可吸收輻射1000所期望的波長而不具有可以由光串擾引起的負面效應的非常 薄的像素1800以及非常薄的相機系統(tǒng)，其中一個像素接收應該已經由相鄰像素捕捉的輻 射1000信息。參考圖1，可以將實施例的像素布局1600與適當的像素電路1700相關聯，以允 許用任何傳統(tǒng)范圍內的像素讀出電子技術(諸如用于讀取Bayer馬賽克像素、垂直堆疊像 素、CCD陣列以及其它圖像傳感器陣列的電子技術)來讀取像素。例如，像素布局1600 可與電路I700相關聯，該電路1700允許標準的基于行和基于列的讀出電路的使用，從而 允許在廣闊的硬件和器件范圍內使用量子點像素芯片100，而不需要特定的集成技術。這里所描述的像素布局1600 —般去除針對單獨的、光吸收濾色器的任何要求。 繼續(xù)參考圖1，由于射線穿過傳統(tǒng)圖像傳感器的各層，雜散輻射1000能夠擊中光電檢 測單元而無需首先通過濾色器，在具有不同的伴隨濾色器的相鄰傳感器單元之間產生串 擾。這里所公開的像素1800能夠消除對濾色器的需要并且減少視差問題。在實施例中， 可以將像素布局1600與阻擋入射相鄰的像素的雜散輻射1000的元件相關聯，或者可以以 允許解決像素間的串擾的方式來處理圖像數據。因此，可以關于要求分辨濾波器或者其 它光學元件和圖像傳感器之間的空間差別的幾何尺寸來簡化對來自像素布局1600的圖像 數據的處理。這里所公開的像素布局1600包括對電磁譜的不同帶具有各種靈敏度的像素。在
74實施例中，顏色靈敏度基于輻射1000穿透量子點材料200的吸收帶邊。例如，某層可 對藍色靈敏，較深的層可對藍色和綠色靈敏，而更深的層可對藍色、綠色和紅色靈敏。 如果將藍色層置于頂上，其可以吸收大部分藍色輻射1000，允許藍綠層主要對綠色輻射 1000進行響應。類似地，藍綠靈敏層可吸收剩余的藍色輻射1000和綠色輻射1000，主 要將紅色輻射1000留給下一個更低的層。因此，從不同的層讀取信號可以導致獲得紅 色、綠色和藍色輻射1000的相對水平?？梢詫⒃摲椒ㄍ茝V到具有以適當順序的層的輻射 1000的其它顏色。在實施例中，可以操作(諸如通過減去)來自不同層的信號來確定來 自不同層的相對信號，以便推斷出每個顏色的強度。這里所公開的各個實施例允許產生單個傳感器，該單個傳感器允許在電磁輻射 1000的較寬范圍上取得圖像。因此，單個檢測器可以提供多個功能，諸如與夜視裝置組 合的彩色相機、與X射線組合的彩色相機等。因此，這里所公開的像素布局1600可以覆 蓋不同譜體系，例如允許單個相機使用針對白天期間成像的一個輻射1000帶并且使用相 同像素用于第二輻射1000帶中的成像。例如，在晚上，或者在低輻射1000中，像素布 局1600的IR靈敏部件可用于在非常高靈敏度下產生黑白圖像。因此多譜像素布局1600 可以用于多譜產品，諸如用于檢查飛機機翼的相機、醫(yī)學圖像傳感器(諸如用于X射線 或者癌癥檢測)、用于檢測激光目標定位同時提供環(huán)境(諸如軍事應用)圖像的圖像傳感 器，或者廣闊范圍的其它應用中。如這里所描述的那樣，可以垂直堆疊(即一個在另一個之上)量子點結構1100 的多個層，其中垂直堆疊產生了多譜像素。在產生垂直堆疊的多譜像素時，上層可吸收 并且同時檢測輻射1000的某些波長；傳輸用于在下層中的隨后檢測的其它波長。期望每 層在其設計響應的譜域內基本上實現完全吸收。在該帶之外，并且在下層對輻射1000的 檢測響應的帶內，這種位于上方的像素應該是基本上可透射的。在實施例中，將每個垂直堆疊量子點層的像素分別電連接到它們相應的像素電 路單元1700?？蓪Υ怪倍询B量子點結構1100分別進行電尋址，以使得一旦轉換為電信 號，就獨立地讀取由堆疊的每層所接收的該輻射1000的部分。在實施例中，可橫向地讀 取垂直堆疊的量子點結構1100及其相關聯的像素。例如，可以使用在每層的邊上的接觸 陣列來向每個有源層施加偏壓。在實施例中，各層基本上彼此電隔離。例如，每個有源 層在垂直維度上可以是分離的，并且可以在有源層之間提供基本上電隔離的材料。在另 一實施例中，垂直堆疊量子點結構1100的偏置和讀取包括使用接觸每個光檢測器層的垂 直堆疊的電極。在這些實施例中，不管電互連是橫向排列還是垂直排列的，電極連接到 將電信號向下傳送到下面的讀出電路層(例如，像素電路1700)的通孔。在提供垂直堆 疊的量子點層的實施例中，在確定將哪一層提供在另一層之上時，需要考慮若干層的譜 特性。在實施例中，上層對于要被下面各層接收的輻射1000的波長是基本透明的。盡 管實施例以向下層提供輻射1000的至少部分傳輸的順序來堆疊量子點層，但是其它實施 例可以不限于此。在圖像傳感器芯片的頂表面附近而不是在其它硅晶體內形成感光層具有許多優(yōu) 勢，其中硅晶體內部用于實現晶體管和其它用于讀出的電子器件?？梢詭缀跤酶泄獠牧?(例如，接近100%填充因子)來填充頂表面。所增加的填充因子提供了在低輻射1000 水平處的改進的靈敏度和在所有的輻射1000強度處的較高的信噪比。能夠在不需要進行光學操作(諸如使用微透鏡實現)以將輻射1000向下傳送到電介質中的互連的高縱橫比 堆疊的底部的情況下實現輻射1000在感光層(例如，量子點結構1100)上的直接入射。 該頂表面檢測器的使用實現了將光向感光器件的最大傳送，提供靈敏度的最大化，并且 也使光串擾最小化。盡管某些實施例可以使用透鏡或者微透鏡，對微透鏡的要求的大致 消除改進了光檢測器的質量。一般而言，在傳統(tǒng)光傳感器系統(tǒng)中使用微透鏡限制了主射 線角并且還要求微透鏡跨圖像傳感器的移動，使得圖像傳感器設計緊密地結合到微光學 設計。在實施例中，根據這里所描述的原理的光傳感器具有在低輻射1000處實現高靈敏 度的頂表面檢測器；頂表面檢測器基本上保持在較高強度處的光學信噪比；檢測器和讀 出一起實現了高動態(tài)范圍；并且檢測器和讀出電路一起實現了可接受的低圖像滯后，從 而避免圖像中記憶效果或者重影的出現。在這里所描述的實施例中，多譜像素1604的使用可以允許其它譜域中的像素的 使用。一個這種實施例可包括用于光學飛行時間(time-of-flight)測量(諸如使用脈沖輻 射1000源同步的激光掃描或像素讀出)的像素布局1600中的像素的使用。因此，像素布 局1600可包括一個或者多個飛行時間像素以及圖像感測像素。在這種實施例中，讀出體 系結構將包括適合于讀取圖像感測像素的單元以及適合于讀取在激光掃描或者其它飛行 時間技術中使用的飛行時間數據的單元。由于飛行時間方法不一定要求高空間分辨率， 因此布局可包括具有寬松間隔的飛行時間像素的緊密間隔的多譜像素1604。在實施例中，可以以垂直結構堆疊各種類型的像素1800。例如，可以設置以平 面布局1600配置的像素1800來感測輻射1000帶內的圖像，同時可以將不同的像素布局 1600置于初始層之上或之下以便執(zhí)行其它感測，諸如用于獲取用于3D空間分辨的飛行時 間數據。本實施例的一方面涉及填充因子(即沒有用量子點1200消耗的光檢測層的面 積)。相對于光感測材料，通常表面的部分面積被金屬或者其它非光感測材料占據。如 這里所描述的，實施例使被金屬填充的面積量最小化。在實施例中，金屬覆蓋的面積是 功能性的(例如，其提供對暗電流讀取的阻斷)。在實施例中，填充面積或者金屬面積有意地遮掩一些光感測材料；頂層可部分 地遮掩下層結構。這可以使得一些材料成為非輻射靈敏的(即，不靈敏度參考，而不是 暗參考)。可以把來自電互連1404的電極置于一個陰影區(qū)域下的暗區(qū)域中以進行暗測量。在實施例中，下方層金屬層占據了光檢測區(qū)域的大部分并且金屬的定制設計可 用于產生特定優(yōu)勢。例如，金屬層可以具有方形、點或者其它形狀。在這里的教導下的像素1800中能夠改變的方面包括模式、填充因子、靈敏度、 圖案的形狀、接觸設計、接觸材料、像素之間的填充物、多層結構之外的接觸、透明 層、部件的共享、頂接觸模式等。實施例可以不要求頂電接觸。頂電接觸可以不需要是 透明的；或者可以僅在某個譜帶內或者某些譜帶內是透明的。在實施例中，多個相鄰的或者鄰近的像素共享像素間的晶體管和/或其它電路 和/或電路部件。在實施例中，多個相鄰的或者鄰近的像素共享像素間的暗參考光電導體，或者 利用不靈敏導體得到的參考。
在實施例中，光檢測器幾何布局1402包括圖案化的頂接觸。頂接觸層可以是柵 格，并且柵格可以包括用于輻射1000的穿過的孔。實施例包括提供光諧振結構的實施例。在光諧振結構中，量子點結構層的厚度 對應于所感興趣的的輻射1000的四分之一波長的整數倍。該方法調整輻射1000的這種 顏色相對于所有其它顏色的有效吸收。例如，與經由輻射1000單次通過該材料將會獲得 的吸收相比，該光諧振方法可以實現通過該材料的輻射1000的某些顏色的吸收的增加。實施例包括在量子點結構1100的深處或者陰影區(qū)域中設置電互連。可以將接 觸在材料中埋得足夠深或者埋在閉塞下面(例如，在金屬件下面，在非透明電介質下面 等)。然后可以通過測量與“暗接觸”相關聯的電荷來進行暗測量。另一電互連1404可 以與量子點結構1100的更活躍的區(qū)域進行電接觸或者從該區(qū)域讀取電荷來進行輻射1000 讀取。然后可以將輻射1000讀取與暗測量進行比較來生成參考輻射1000讀取。在實施 例中，對量子點結構1100進行堆疊或者分層，因此可以將暗參考電互連埋入量子點結構 1100的較低部分。量子點結構的厚度本身可以提供用于暗測量的足夠的暗度。在該實 施例中，一個電互連1404靠近輻射1000而其它電互連(即暗參考)離輻射1000較遠。 較近的互連靠近量子點結構1100的感光部分。暗互連離輻射1000最遠，其離量子點結 構1100的感光層較遠。實施例使用電方案來感測兩種結構之間的差別。在實施例中， 兩個電互連處于同一電勢或接近同一電勢，以防止從頂到底的傳導性。實施例包括自參考的暗參考。這可以包括兩個接觸水平一個水平靠近輻射 1000而另一個離輻射1000較遠。最靠近輻射1000的接觸靠近膜的感光部分，而離輻射 1000最遠的接觸離感光膜較遠。可以使用感測在兩種結構之間的差別的電方案。在沒有 照明的情況下(即在暗中)，與暗參考和活性材料相關聯的電阻器具有相同的電阻。配 置電路(例如，惠斯通電橋等)，在該電路中，輸出信號與分別參考的電互連之間的電阻 差有關。因此，在暗條件下，信號輸出是零。在照明情況下，較多的輻射1000被輻射 1000首先照射的光檢測器吸收，由于之后輻射1000通過該第一光檢測器，因此削弱了光 強度。因此，與輻射1000的入射對底部的光檢測器所做出的改變相比，其更多地改變了 頂部被較強地照明的光檢測器。因此，在(現在都被照明，但是被不同照明的)兩個光 檢測器之間的電阻差別與光強度成比例。與頂層和底層之間的電阻差別相關的同一信號 提供與光強度直接相關的輸出信號。在實施例中，提供了多譜量子點結構像素。在實施例中，通過提供在給定像素 (例如，設置為對R、G、B和:[R進行響應)內的不同譜響應量子點來提供像素的多譜特 性。在實施例中，通過提供分布在不同像素(例如，一個像素是R響應而一個是B響應 等)之間的不同譜響應量子點來提供像素的多譜特性。單獨的像素結構可以有效地模仿 像素布局(例如，RGB或者CMY模式)。在實施例中，通過提供分布在不同像素層之 間的不同譜響應量子點來提供像素的多譜特性。mm^mim如這里所描述的，可以垂直堆疊多層量子點結構1100來產生多譜像素。在產生 垂直堆疊的多譜像素過程中，上層可以吸收并且同時檢測輻射的某些波長，傳輸用于下 層的隨后檢測的其它波長。盡管每層可實現配置其響應的譜域內的基本上完全的吸收， 但是實施例不限于此。在該帶之外，以及在下層對輻射1000的檢測響應的帶內，該位于較上方的像素應該基本上是透射的。實施例的多色、多層光檢測器包括這里詳細描述的以下部件或者單元，但是不 限于此集成電路；至少兩個感光層，第一感光層和第二感光層，第一感光層在至少 部分集成電路之上，并且第二感光層在第一感光層之上；每個感光層插入在兩個電極之 間，相應的第一電極和相應的第二電極；集成電路配置用來選擇性地向電極施加偏壓并 且從感光層讀出與相應的感光層接收的光子數量相關的信號?？芍圃爝@樣的圖像傳感器，其包括這種多層光檢測器的陣列，每個該多層光檢 測器表示像素，其中每個像素區(qū)內的每個層中的電信號是獨立寄存的并且將該電信號傳 送到集成電路的其它區(qū)域。在實施例中，這種多層光檢測器可以通過使用對藍色光靈敏 的頂層以及對藍色和綠色光靈敏的下層來完成顏色感測，該頂層在近似490nm處具有典 型的吸收截止，該下層在近似560nm處具有典型的吸收截止。盡管下層對藍光和綠光都靈敏，但是可以配置實施例的堆疊光檢測器，使得頂 層基本上吸收藍光。入射較低光檢測器的光因此基本上缺少藍光。因此，將主要由入射 堆疊像素的綠光的強度來確定較低光檢測器中產生的光電流。在實施例中，可以用集成在CMOS集成電路內的傳統(tǒng)的釘扎(pinned)硅光電二 極管來完成對紅色和近紅外光的感測。在實施例中，多層光檢測器使用包括頂層、中間和下層的結構來完成顏色感 測。頂層對藍色光靈敏并且在近似490nm處具有典型的吸收截止。中間層對藍色和綠 色光靈敏并且在近似560nm處具有典型的吸收吸收截止。下層對藍色、綠色和紅色光靈 敏，并且在位于超過650nm處，通常在650nm、700nm或者750nm處具有典型的吸收截止。盡管中間層對藍色和綠色光都靈敏，但是可以配置堆疊光電二極管，使得頂層 基本上吸收藍色光。入射中間光檢測器的光因此基本上缺少藍色光。因此，將主要由入 射堆疊像素的綠色光的強度來確定中間光檢測器中產生的光電流。類似地，盡管該實施例的底層對藍色、綠色和紅色光都靈敏，但是可配置堆疊 光檢測器，使得頂層基本上吸收藍色光，并且中間層基本上吸收綠色光。因此，將主要 由入射堆疊像素的紅色光的強度來確定底部光檢測器中產生的光電流。在可選實施例中，多層光檢測器使用包括頂層、中間和下層的結構來完成顏色 感測。例如，頂層對藍色光靈敏，并且在近似490nm處具有典型的吸收截止。中間層 對藍色和綠色光靈敏，在近似560nm處具有典型的吸收截止。下層對藍色、綠色、紅色 和紅外光靈敏，并且在位于超過 700nm、800nm、900nm、lOOOnm、1300nm、1650nm、
3 μ m或者5 μ m波長處具有典型的吸收截止。在構造為包括并且使用這種堆疊像素的系統(tǒng)中，可以選擇性地配置紅外截止濾 波器，使得出于可見光彩色成像的目的，在強光下，紅外濾波器阻止紅外光入射傳感器 層。在弱光(包括夜間)的條件下，從光學路徑移除濾色器，使得底層提供紅色和紅外 靈敏度的組合。實施例包括實現了弱光靈敏度的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用主動紅外照明來 實現成像，和/或基于基本上提供場景的紅外照明的夜輝(nightglow)發(fā)射來實現成像。在其它可選實施例中，多層光檢測器通過使用包括頂層、中上層、中下層和下 層的結構來實現顏色感測(包括紅外感測)。頂層對藍色光靈敏，并且在近似490nm處顯示典型的吸收截止。中上層對藍色和綠色光靈敏，并且在近似560nm處顯示典型的吸 收截止。中下層對藍色、綠色和紅色光靈敏，并且在位于超過630nm處，通常在630、 650、670或者700nm處顯示典型的吸收截止。最下層對藍色、綠色、紅色和紅外光靈 敏，在位于 800nm、900nm、lOOOnm、1300nm、1650nm、3 μ m 或 5 μ m 波長處具有典型 的吸收截止。實施例包括實現弱光靈敏度的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用主動紅外照明實現成像， 和/或基于充分地提供場景的紅外照明的夜輝發(fā)射來實現成像。組成多層像素的一些或全部層的感光材料可以包括具有增益的光電導光檢測 器。它們可使用由膠體量子點制成的膜，在該膠體量子點中，一種載流子類型是流動載 流子，而另一載流子類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(硫化鉛)作為膠體量子點材料系統(tǒng)，則其可以是空穴作為流動載流子，而電子被捕 捉?？稍诓牧虾推骷圃斓母鱾€階段使用有機配體，以便當粒子在液相時提供穩(wěn)定的膠 體?？梢栽谔幚磉^程中(在液相過程中以及在固體膜的形成過程中)去除或替代某些或 所有這些有機配體?？梢岳眠@種對配體的存在進行的修改來改進和/或控制該器件中 的載流子的流動。可使用這樣的半導體納米微粒，該半導體納米微粒在沿著至少一個空間軸上的 尺寸相當于或者小于該納米微粒內的束縛電子空穴對的玻爾(Bohr)激子半徑。例如， 在PbS中，玻爾激子半徑通常報導為在18-25nm的范圍內。當選擇納米微粒直徑時， 通常通過在納米微粒制造時的合成條件，以使得該直徑位于波爾激子半徑以下，所產生 的膠體量子點集的有效帶隙可以位于充分超過組成的半導體的體(bulk)帶隙。例如，在 PbS中，體帶隙近似為0.4eV。當制造近似8nm直徑的納米微粒時，吸收帶邊可以接近于 0.7-0.8eV。當制造近似4nm直徑的納米微粒時，吸收帶邊可以接近于0.9_1.0eV。當制 造近似0.5-2nm直徑的納米微粒時，吸收帶邊可以在2_3eV的范圍內。值得注意的是， 在該示例中，量子局限材料的有效帶隙可以大于材料上組成納米微粒的體材料的體帶隙 的兩倍(當以電子伏(eV)的能量單位測量時)。在實施例中，上述每個具有不同有效帶隙的多個(兩個或者更多個)堆疊感光層 可以包括具有相同成分的半導體材料，但是上層中的粒子將具有比下層中的粒子更小的 直徑，以便實現上層中具有與下層相比較短的波長截止。在實施例中，上述每個具有不同有效帶隙的多個(兩個或者更多個)堆疊感光 層可以包括具有一般不同的成分以及一般不同的直徑的半導體材料。在制造三色可見光 (藍、綠、紅)像素時，例如，頂(藍)層可由具有2nm直徑的In2S3組成，中間(綠) 層可由具有4nm直徑的In2S3組成，而底(紅)層可由具有2nm直徑的PbS組成。在在一些層中使用不同材料的實施例中，下層中的納米微粒可以因此具有與上 層中的納米微粒相比較小的帶隙以及較小的直徑。組成感光層的材料的例子包括PbS、PbSe、In2S3、In2Se3、Bi2S3、Bi2Se3、
InP> Si、Ge。納米微粒的直徑通常可以在0.5nm到IOnm的范圍內。通常報導高度單分散膠體量子點在吸收譜中顯示激子峰值，其中在吸收帶邊以 上近似0.05-0.5eV的能量處的吸收譜中觀察到局部最大值(一般是顯著的一個)。該特 征可有助于提供這里所期望的顏色鑒別。在實施例中，不可以觀察到在吸收開始附近的吸收譜中的所定義的局部最大值。在實施例中，僅可觀察到吸收邊緣。在實施例中，多層光檢測器中的一個或者更多個層可以提供光電導增益。這可 通過使用基本上吸收感興趣的譜體系中的光(例如，頂層中的藍光)(例如，該譜體系中 的吸收率(也稱作量子效率)可以超過50%)的層以及通過使用介質來完成，在該介質中 流動載流子(諸如空穴)的通過時間小于該載流子的壽命，并且其中其它載流子(諸如電 子)顯示出低遷移率(大大低于流動載流子的遷移率，通常低10倍或者低更多倍的遷移 率)或者被阻擋(諸如通過使用電子阻擋層)或者二者都有。在實施例中，光電導增益可等于一或者更大。當結合50%或者更大的吸收時， 每秒流過像素的電子數量可超過每秒入射像素的光子數量的0.5倍。對于波長550nm處 的光來說，例如，這對應于超過0.22A/W的響應度。在實施例中，響應度可以至少是0.4A/W。典型所期望的響應度的范圍在0.4A/ W到10A/W的范圍內。如這里所報導的，已經實驗性地示出了導致100A/W或者 1000A/W的響應度的光電導增益，并且可在實施例中使用該光電導增益?？梢允褂?.5V、IV、1.2V或者1.5V的電壓偏置來實現這樣的響應度。在包括多個(兩個或者更多個)堆疊感光層的實施例中，第一感光層包括具有 光電導增益和在大約0.4A/V到100A/V的范圍內的響應度的納米晶體材料；而第二感光 層包括具有大于第一光電導增益的光電導增益和在大約0.4A/V到100A/V的范圍內的響 應度的納米晶體材料；并且多層光傳感器還包括用來產生圖像數據的電路，該電路包括 配置為用于補償第一感光層和第二感光層之間的光電導增益差別的電路。在實施例中， 可以使用圖像傳感器處理器和/或使用軟件來實現對不同感光層中的不同增益的再歸一 化。在實施例中，可選擇堆疊像素中的兩個或者更多個感光層的材料成分和層厚 度，以便可以使得感興趣的顏色范圍內對每個感光層的響應度在值上近似相等。例如， 可以選擇成分和厚度，使得頂層在藍色的中間提供近似3A/W的響應度，中間層在綠色 的中間提供近似3A/W的響應度，并且底層在紅色的中間提供近似3A/W的響應度。在實施例中，可以選擇堆疊像素中的兩個或者更多個感光層的材料成分和層厚 度，以便可以使得每個感光層內的吸收率和光電導增益的乘積在值上近似相等。例如， 可以選擇成分和厚度，以使得頂層在藍色的中間提供近似6的吸收X光電導增益的乘 積，中間層在綠色的中間提供近似6的吸收X光電導增益的乘積，并且底層在紅色的中 間提供近似6的吸收X光電導增益的乘積。在實施例中，在感興趣的譜體系的峰值處， 每個層的吸收率將超過70%，并且可以在70%-95%的范圍內。例如，在藍色的中間， 頂層的吸收率可近似為80% ；在綠色的中間，中間層的吸收率可近似為80% ；在紅色的 中間，底層的吸收率可近似為80%。在實施例中，每層的光電導增益可以相同，諸如取 7.5的值，或者在近似1-10范圍內的其它值。在實施例中，可以使用堆疊像素陣列來實現圖像傳感器，其中陣列中的至少一 個像素基本上被遮掩，阻止了光的入射。術語上可將這種基本上被遮掩的像素稱為“黑 像素”。在黑像素的每個感光層中流動的電流將因此近似對應于與該感光層相關聯的暗 電流。如果使組成堆疊像素的感光層具有基本上相似的厚度、載流子密度、橫向尺寸以 及跨越該陣列的載流子輸運特性，那么如由黑像素所提供的、與每個感光層相關聯的暗電流可用作減去組成陣列剩余部分的(未被遮掩的)感光像素中的暗電流效應的根據?？?以使用簡單暗電流扣除模擬電路來去除與每個感光層相關聯的偏移或者黑色電平。在實施例中，與下層相比，上層可以更強地吸收(每單位長度，具有以cm-1的 單位測量的每單位長度的吸收率)其感興趣的波長。例如，上層可以以α =60,OOOcm-I 的吸收率吸收藍色光，而下層可以以α =50,OOOcm-I的吸收率吸收綠光。為了吸收近似 80%的藍色光，因此可以使上層近似為250nm厚。為了吸收近似80%的綠色光，因此可 以使下層近似為300nm厚。在該示例中，在上層和下層中流動的暗電流因此可以一般是 不同的。如果偏置到相同的電勢差，并且如果由具有基本上相同的遷移率和載流子密度 的材料構成，那么如果將偏置電極配置在等于材料厚度的距離處(諸如在垂直像素中)， 則較薄的上層可以提供較高的暗電流；或者，如果沿著垂直于膜厚度的軸來配置偏置電 極(諸如橫向電極構造)，那么較薄的上層可以提供較低的暗電流。在前一種情況中， 黑色電平扣除電路將從對應于上層感光區(qū)域的信號中減去較大的電流，而在后一種情況 中，黑色電平去除電路將從對應于上層感光區(qū)域的信號中減去較小的電流。實施例包括堆疊像素，其中使用至少一個感光層來產生基本上單極的器件。在 單極器件中，一種載流子類型(電子或者空穴)的輸運超過其它類型(空穴或者電子)的 輸運。例如，在這里所描述的PbS光電導膠體量子點檢測器中，空穴可以是流動載流子 并且可以具有比電子遷移率至少大10倍的遷移率。例如，空穴遷移率可以等于lE-4cm2/ Vs,而電子遷移率可以低于lE_5cm2/Vs。實施例包括對至少一個感光層的使用，該感光層包括基本上單分散的納米微 粒。例如，感光層可以基本上由具有1.5η的平均直徑的納米微粒和直徑范圍在lnm-2nm 的納米微粒組成。實施例包括對至少一個感光層的使用，該感光層由納米微粒組成，該納米微粒 的核在物理上接近(間隔小于0.5nm)并且彼此實質上進行電連接(達到lE-5cm2/VS或 更高的空穴遷移率)。實施例包括對至少一個感光層的使用，該感光層由納米微粒組成，該納米微粒 核由雙配位基鏈接劑分子(諸如乙二硫醇或者苯二硫醇)橋接的納米微粒。實施例包括對至少一個感光層的使用，在該感光層中，暗電流密度在 10-500nA/cm2的范圍內，并且該感光層提供3pJ/cm2和30pJ/cm2之間的噪聲等效曝光。實施例包括以下電極構造，其中每個感光層包括與相應的第一電極和相應的第 二電極接觸的互連的納米晶體的連續(xù)膜，其中第二電極是至少部分透明的并且被置于相 應的感光層之上，并且其中流動載流子的渡越時間小于載流子的壽命，也叫做持續(xù)時 間。例如，流動載流子渡越時間可以小于15毫秒，而載流子壽命或者持續(xù)時間可以近似 為30毫秒。一般而言，流動載流子壽命可以在1微秒到30毫秒的范圍內，而載流子壽 命或者持續(xù)時間可以在2微秒到60毫秒的范圍內。圖3s是實施例的具有以下電極構造的堆疊多層像素，其中將每個相應的第一電 極(Cl)相對于相應的第二電極(C2)的至少部分橫向放置。換言之，第一電極(Cl)和 該電極所接觸的膜(QFl)的部分之間的物理接觸和電接觸的區(qū)域在與第二電極(C2)和其 所接觸的膜的部分之間的物理接觸和電接觸的區(qū)域基本上相同的高度處(例如，相對于硅芯片的頂表面測量的)。圖3r是實施例的具有以下電極構造的堆疊多層像素，其中一個公共電極(CC)在 垂直方向上延伸超過多于一個感光層(QF1+QF2)的高度，并且其中電學上獨立的單獨電 極(Cl和C2)用于提供偏壓并且基本上獨立地從感光層(QFl和QF2)收集電流。實施 例包括電流阻擋層(B)，其基本上避免了層(QFl和QF2)之間的電串擾。圖3u和圖3v分別是實施例的具有以下電極構造的堆疊多層像素的側視圖和頂視 圖，其中將公共電極(CC)布置在與第一感光層(QFl)電接觸的電極(Cl)周圍，并且將 公共電極(CC)布置在與第二感光層(QF2)電接觸的電極(C2)周圍。實施例包括使用電 隔離(阻擋)層來提供感光層之間的實質電隔離的那些實施例。圖3w以截面圖描繪了圖像傳感器，通過圖解示出了一個堆疊在另一個之上的兩 個感光材料層如何能夠獨立地被電讀出。1450是硅襯底，其形成讀出集成電路和最后的 圖像傳感器的部分。1451是互連堆疊內的金屬層，該互連堆疊連接到在芯片上的其它地 方可得到的偏置。1451電連接到垂直向上的公共柱1452，以提供接觸感光層的一個電 極。在該具體實例中，1452與量子膜層1455和1456電連接，因此其提供對每層公共的 接觸。1453提供下量子膜層1455和襯底1450上的電路之間的電連接的一個像素電極。 1454是另一個電獨立的像素電極，其提供上量子膜層1456和襯底1450上的電路之間的電 連接。視覺地示出了在柱1454的側面上包裹了隔離層，該隔離層阻止1454和下感光層 1455之間的顯著電連接。以此方式，像素電極和感光層間的電連接對于對{1453，1455} 和{1454，1456丨是獨立唯一的。因此，將1456中吸收的照度傳送到其相應的讀出電路， 而基本上不考慮在1455上入射的照度；并且類似地，將1455中吸收的照度傳送到其相 應的單獨的讀出電路，而基本上不考慮在1456上入射的照度。可以理解，可以使用具有 不同的光靈敏度譜的材料來制作1456和1455。例如，1456可以由相同成分的半導體材 料，但是與1455相比直徑較小的半導體量子點制成，在這種情況下，1456將吸收和感測 較高能量的光子，而1455將主要吸收和感測較低能量的光子。由于到其相應的讀出電路 的連接的基本電獨立性，能夠充分地彼此區(qū)分在1456中吸收的譜信息和在1455中吸收的 譜{曰息ο實施例包括以下電極構造，其中第一感光層和第二感光層的相應第二電極包括 在垂直堆疊的像素和相鄰的垂直堆疊的像素之間的網格(mesh)。實施例包括具有多個層 的垂直堆疊像素的陣列，其中每個層具有第一電極和網格，該網格置于垂直堆疊像素之 間并且配置用來為垂直堆疊像素中的每層提供公共電極。實施例包括光傳感器陣列，其中填充因子至少為80%，典型范圍為 80% -100%。取填充因子以表示每個像素的未遮掩的的吸收面積與每個像素的總共面積 的比率，但是也可以具有適當的以及本領域的技術人員所理解的其它意思。實施例包括片上系統(tǒng)，其中將光傳感器陣列與電路組合，以針對不同感光層補 償不同特性(諸如暗電流和響應度)。在這里的其它地方描述片上系統(tǒng)的實施。與實施 例的傳感器組合的電路可以包括適合于傳感器的芯片或者應用實施的任何電路。例如， 實施例包括這樣的電路(模擬、數字或者其組合)，該電路實施了去馬賽克(demosaicing) 算法，以考慮到堆疊中的每個感光層的響應度和吸收率譜來記錄針對特定構成堆疊像素 的經校正的色彩矩陣(例如，藍、綠、紅)。作為另一示例，實施例包括這樣的電路(模擬、數字或者其組合)，該電路從從較低像素報告的電信號減去與從上方像素報告的電信 號有關的電信號，以便降低所提取的色彩信號中的色彩串擾?，F在討論與視頻幀速率兼容并且具有光電導增益的光檢測器。這里所描述的實 施例包括光電導光檢測器，其中基本上單一的化學種類將其與基本上單一的能量深度相 關聯，并且因此與給定溫度下的基本上單一的陷阱態(tài)壽命相關聯，并且因此與入射光瞬 時期間光電流的上升和下降相關的基本上單一的時間分量相關聯。實施例包括光電導光 檢測器，其中單一化學種類是PbS03(亞硫酸鉛)；單一能量深度是近似O.leV;在室溫 下，基本上單一的陷阱態(tài)壽命是大約30毫秒；與光電流的上升和下降相關的基本上單一 的時間分量是大約30毫秒。在實施例中，以下基本上不包括在光電導介質中硫酸鉛 PbS04,其具有0.3eV或者更大的深度，并且具有秒量級的瞬時分量；羧酸鉛，其具有 0.2eV或者更大的深度，并且具有半秒量級或者更大的瞬時分量?，F在將描述用于獲得和描述光檢測器1400的某些實施例的特征的方法。具有在 700nm和800nm之間的激子峰值的PbS NC的典型合成可以包括將2.0毫摩爾的雙(bis) (三甲基硫化硅)注入到反應瓶中，該反應瓶包括80°C的4.0毫摩爾的氧化鉛(0.9g)、9.5 毫摩爾的油酸(2.67g)和18.8毫摩爾的十八烯(4.73g)。在注入之后，通過將反應瓶移至 冰水浴中來對反應進行淬火(quench)?？梢允褂孟ＨR克技術(Schlenk line)在惰性條件下 進行合成。可以通過用丙酮進行沉淀來將最終的PbS油酸修飾的NC與任何剩余的起始 材料和副產品隔離。然后可在甲苯中再分散沉淀物并且再次用丙酮來進行沉淀?？梢栽?甲苯中再次分散最終的納米晶體以用于器件制作。由于體PbS可具有近似0.4eV的帶隙，可能有必要顯著地增加量子點材料200 中的量子局限的程度，以制造實施例的僅可見光的膠體量子點光電導檢測器1400。如 這里所描述的，合成過程的改進可以實現具有SOOnm以下的吸收帶邊的量子點1200的 合成。圖3i(a)可以圖解所產生的量子點的吸收譜。如在圖3i(b)中所看到的那樣，納 米微?？梢跃哂?nm的直徑并且顯示小平面。如所合成的，可以用油酸來穩(wěn)定這些納 米晶體，所預期的和所觀察到的構造由于硫酸鹽配體的長隔離鏈而阻止載流子輸運。交 換為較短配體(諸如丁胺)可導致傳導率的顯著增加。然而在較大的4-6nm的納米微 粒的情況下，可以在液相中的配體交換之后保留單分散性和激子特征，在小納米晶體的 情況下，相反，該過程可以導致如之前針對PbSe納米微粒所看到的納米串(圖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，更大的問題是由不可逆聚集導致的陡峭的吸收 帶邊的損失(圖3i(a)的虛線)。因此，相反地將保留尖銳的、短波長吸收帶邊的方法可以是優(yōu)選的。一旦可能 已經形成了薄膜，則在固態(tài)中的配體交換可以限制納米晶體重附著位置的數量并且在不 顯著改變量子局限的能級的情況下顯著提高傳導率?？梢詫⒎稚⒃诩妆街械腜bS納米 晶體旋涂到具有具有5 μ m間隔(圖3m所示)的金交叉梳狀電極的玻璃襯底上，以形成 具有360nm厚度的固態(tài)膜。然后可以將膜在乙腈中含20%丁胺的混合物中處理兩天以 上。在該固相配體交換之后，膜在所施加的ZOVym1的場下可以顯示出具有暗電流密度 600 μ Acm 2的傳導率。未處理的樣品或者單獨用乙腈處理的樣本不可以顯示出可測量的傳導率。例如，可以合成量子點以提供近似730nm的典型吸收最大值?？梢詫⒅谱鬟M行 為分批過程。這些納米材料可以溶解在有機溶劑(諸如氯仿、甲苯或者四氫呋喃)中。 可以將該合成分成各個步驟。前兩個步驟需要通過使用希萊克技術(Schlenktechnique)和 N2手套箱來使用惰性氣氛。一個步驟包括Pb先驅體的制備，諸如在1-十八烯和油酸的 混合物中溶解的Pb油酸鹽。另一步驟包括S先驅體的制備，諸如在1-十八烯中溶解的 Bis(三甲基甲硅烷)硫化物。另一步驟包括將(2)快速注入到(1)中，以在單一事件中 形成PbSQD。當PbS先驅體達到了遠遠高于室溫的溫度時，在幾秒內通過隔膜而完全注 入S先驅體。溶液從無色變成了暗橙色/黑色溶液。另一步驟包括凈化和存儲。將反 應溶液倒入丙酮中，形成了具有黑色沉淀物的棕色懸浮液，在瓶的底部留下了黑色殘留 物。對全部的燒杯容納物進行離心。在離心之后，移除透明/淺棕色的上層清液。使 用氯仿將剩余的沉淀物帶入溶液中。漩渦攪拌器有助于將納米材料完全溶解到氯仿中。 為了清洗納米材料并且去除不想要的副產品，將氯仿溶液帶入具有干凈丙酮(氯仿/QD 溶液的四倍容量)的燒杯中。形成具有暗棕色沉淀物的棕色懸浮液。進行最終的離心步 驟，并且從暗棕色殘留物中分離透明上層清液。在真空中對殘留的納米材料干燥若干小 時。在許多實施例中，使用已知的技術、但是在基本上惰性無水環(huán)境中(例如基本 上沒有水和氧的環(huán)境)來制作QD?？墒褂孟ＨR克技術方法來執(zhí)行合成，在該方法中，從 系統(tǒng)中排除了外界氣體(諸如空氣中的氧和水)，而是基本上在惰性氣體(諸如氮和/或 氬)中或者在真空中執(zhí)行合成。量子點1200合成可以受若干因素影響。溫度可以影響量子點1200合成。例如， 可以通過放置在冰浴中來改變合成材料的溫度。也可通過將溶液放入冷卻管中來改變溫 度，該冷卻管在一端具有真空瓶并且在推動溶液通過的一側具有帶有壓力的阻擋器。溶 劑類型可以影響量子點1200合成，例如，含水溶劑與不含水溶劑。在合成之后，可以對 量子點1200進行沉淀(通過甲醇、乙腈、乙酸乙酯、異丙醇、丙醇的添加)和離心?？?以將上層清液輕輕倒出并且可蒸發(fā)或者以其它方式去除過量的沉淀非溶劑(在之前的句 子中所列出的)?，F在討論使用膠體量子點(諸如以上所描述的那些)實現固態(tài)器件的方法?？?以使用諸如以下過程來將通過這里所描述的合成提供的液相分散膠體量子點形成為光檢 測器。進行液相交換來用較短的配體(諸如乙硫醇、丁硫醇、己硫醇、十二硫醇或者其 組合)取代如所合成的配體(諸如油酸)。這可以有助于實現感光層中的電荷載流子的有 效輸運，并且因此有助于提供光電導增益的有用水平。可以通過將來自溶液的量子點旋 涂到襯底(諸如硅集成電路)來產生膜?？梢赃M一步處理膜，諸如通過暴露給溶液中的 短配體(諸如乙硫醇、丙硫醇)和/或通過暴露給連接劑(諸如乙硫醇、丁二硫醇、己二 硫醇)。在實施例中，可以對量子點1200進行后合成處理。后合成處理可以包括沉淀和 再分散。后合成處理可以包括對之前已經浸濕的量子點1200進行干燥，將它們再分散在 溶劑中，過濾溶液，濃縮溶液，然后旋轉溶液或者以如這里所述的另外的方式沉積量子 點1200。該處理可以導致特定尺寸的量子點1200的濃縮。如以下所描述的，再分散可以包括將沉淀的量子點1200浸在諸如丁胺、甲苯等的溶劑中，以提供配體交換。非甲苯 浸泡可以提供較快的再分散。在配體交換之后，可能需要將量子點1200再沉淀并且再分 散到諸如氯仿的溶劑中。為了制備量子點1200用于旋轉，可能需要對它們進行干燥、再 過濾、再分散以及濃縮。量子點1200可能需要成熟一段時間，諸如在五天的范圍內。在一個實施例中，可以有另外的量子點1200基于溶液的后合成處理。參考圖2a，合成的量子點1200可以包括附連的配體1225。如圖2a所示，配體 可以通過配體官能團1250附連到量子點1200。參考圖2b，示出了包括量子點變化的小 瓶。如圖2d針對可見光所描繪的那樣，該變化導致輻射發(fā)射的差別。參考圖2c，示出 了單個量子點1200和量子點1200的陣列的SEM圖像。在一些實施例中，QD包括PbS、InAs> InP> PbSe> CdS> CdSe、三元化合物 半導體和核殼(core-shell)型半導體(其中殼是一種類型的半導體而核是另一種類型的半 導體)中的任何一種或其組合。例如，三元QD可以是InxGai_xAs納米晶體或者(Cd-Hg) Te納米晶體。例如，核殼量子點納米晶體可以是ZnSe(PbS)、ZnS(CdSe)、ZnSe(CdS)、 PbO (PbS)或者 PbSO4 (PbS)。在實施例中，在將QD先驅體層沉積在集成電路或襯底上之前，對QD進行配體 交換以用預選擇的配體(例如，與所制成的配體相比短得多的配體)來取代所制成的配 體。將預選擇的配體選擇為足夠短，以實現QD在先驅體層中的更緊密的包裝。更緊密 的包裝允許QD在隨后的步驟中熔融在一起，從而大大增加QD之間的電導率。也可以 將預選擇的配體選擇為相對易揮發(fā)的，從而在隨后的步驟中可以將它們蒸發(fā)，以提供主 要由QD組成并且基本上沒有配體的膜。這允許QD彼此更加接近得多，可以提高最終 器件中的傳導率。例如，可以用具有多于10個碳長的碳鏈的第一組配體來制造QD，然 后用具有1-10個碳長之間的碳鏈的第二組配體來取代第一組配體。在一些環(huán)境中，第二 組配體的配體小于大約Inm長。這可以使得QD更接近，例如，比配體交換之前它們所 能達到的要接近超過50%、接近超過75%或者甚至接近超過90%。第二組配體一般可 以具有附連到QD的親和力，該親和力至少是可與附著到QD的第一組配體集的親和力競 爭的，否則第一組配體不能與第一組配體充分交換。第二組配體一般也可以具有附連到 QD的親和力，這允許在稍后的步驟期中將其去除。如在圖2a中所示出的，該親和力與 配體上的末端官能團有關。其它末端官能團中的胺、硫醇、羧酸鹽和砜(其中的許多將 具有自由電子對)一般適合于在第二(預選擇的)組配體集中使用。在實施例中，配體交換包括從其原始溶液中對所合成的QD進行沉淀、清洗并且 再分散在液體中，該液體將溶解并且因此從QD的外表面分離原始配體，并且該液體是或 者包含要被替換到QD上的配體。在一些實施例中，該液體是或者包括一元、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這些有機溶劑的組合，該 有機溶劑代替之前在QD上的配體。在其它實施例中，液體是或者包括吡啶，其代替之 前在QD上的配體。在室溫或者提高的溫度下將QD留置在該液體中24到120小時一般 足以進行配體交換，盡管在一些環(huán)境下較長或者較短的時間將是足夠的。在說明性示例 中，在惰性氣氛下執(zhí)行配體交換過程以防止QD氧化。將具有油酸鹽配體并且溶解在甲 醇中的QD進行沉淀、干燥并且再分散在lOOmg/ml(納米晶體按重量/ 丁胺按體積)濃度 的正丁胺中。將溶液留置在惰性條件下3天。油酸鹽配體具有大約2.5nm的長度，而交換的丁胺配體具有大約0.6nm的長度，使得QD達到它們彼此之間原始距離的25%。在實施例中，在協(xié)調溶劑中分別制造兩種或者更多種類型的QD。然后對每種 QD進行沉淀、清洗并且分散在液體中，該液體是或者包含要代替到QD上的配體。如上 所討論的那樣，這交換兩種或者更多種類型的QD上的配體。然后在溶液中混合兩種類 型的QD，以產生摻雜QD混合物，將該混合物旋鑄(spin-cast)或者以其它方式沉積作為 襯底上的薄膜，以形成摻雜QD先驅體層。通過針對每種類型的QD分開選擇QD大小 和配體以及使用溶劑和加熱的附加處理來控制摻雜QD先驅體層中的次序。配體的示例包括端胺基配體、端羧基配體、端膦基配體和聚合配體。端胺基配 體可以包括吡啶、丙烯胺、甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、辛胺和吡咯烷中的任何一種或者 組合。端羧基配體可以包括油酸、硬脂酸、癸酸和己酸中的任何一種或者組合。端膦 基配體可以包括鳥苷三磷酸。配體可以是DNA、核苷酸、諸如聚噻吩或MEH-PPV的聚 合物或者諸如寡聚噻吩的低聚物中的一種或更多種。如上所述，將短的和易揮發(fā)的配體 (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在稍后的步驟中能夠更加接近是有幫助的。在制造QD并且對其進行了配體交換之后，例如，如上所述，可以將其沉積到諸 如集成電路的襯底上。這形成了 “QD先驅體層”，隨后可以對其進行處理以形成用于 在器件中使用的完成的QD層。QD先驅體層和完成的QD層都可以與術語量子點材料 200交換使用。在實施例中，量子點材料可以顯示出均勻性、容易集成、低成本、易堆疊 性、單片可集成性、光電導光致電壓增益、溫度恒定性、低噪聲、高靈敏度、大動態(tài)范 圍、混合匹配能力、傳感器的可定制性、譜可延伸性等的一種或者更多種?？梢蕴幚砹?子點以形成量子點材料?？梢蕴幚砹孔狱c以形成量子點溶液。處理可以包括若干因素， 諸如溫度、時間、反應物、攪拌、大氣組成和壓力等。量子點可以是膠體的。量子點材 料可以包括膜?？梢酝ㄟ^旋涂、熔潭鑄(puddle casting)、電解沉積、氣相沉積、噴槍噴 射、從溶液生長、疏水系統(tǒng)、氣相中的加速/蒸發(fā)、影印、噴墨印刷等中的一種或者更 多種來形成膜。膜可以是圖案化的。膜可以是連續(xù)的或不連續(xù)的。膜可以是單片的或 多層的。膜可以是具有特定厚度的。膜可以裂開或者不裂開。膜可以經過后膜形成處 理。膜可以經過量子點材料處理?？梢詫δみM行后處理?？梢悦芊饽ぁ？梢酝ㄟ^例如使用噴涂、浸鑄、滴鑄、蒸發(fā)或者流延成型(blade-casting)來直 接在讀出集成電路或者其它襯底的表面上對QD先驅體層進行溶液沉積來形成QD先驅體 層。沉積QD先驅體層的另一個方法是旋涂QD先驅體層，一旦將其層旋涂到表面上， 可以對其進行進一步處理以形成如下所述的感光QD層。在許多實施例中，QD層具有這 樣的厚度，即選擇該厚度以便在預期在其中操作器件的波長區(qū)域中吸收在該QD層上入射 的輻射1000的大部分或者甚至基本上全部。通常該厚度將在大約50nm到2 μ m的范圍 內，盡管可以根據器件的所期望的功能使用更薄或者更厚的膜。旋涂可以允許在沒有真 空處理以及對準和結合問題的較低溫度下執(zhí)行用QD層的覆蓋電路的處理。在實施例中， 可以通過旋涂處理量子點材料以形成膜?？梢詫⒘孔狱c材料旋涂到襯底上以形成膜。現在討論測量感光層對光的響應以及由此描述將光信號轉導到電領域的特征的 方法。可以使用多種方法測量響應度。對于測量響應度的第一種方法，來自975nm激 光的2mm半徑的光束可以首先通過一系列已知透射率的光學衰減器并且通過玻璃襯底而從背面入射到器件上。在頂表面上，可以在3_路徑長度上以5μιη分隔不傳導紅外的 交叉梳狀金電極?？梢酝ㄟ^對器件的無阻礙面積上的激光的強度曲線進行積分來獲得在 器件上入射的光功率?？梢允褂肁gilent 4155半導體參數分析儀來獲得電流-電壓特性。 可以通過對激光的電調制來測量不同頻率下的響應度。在測量響應度的第二種方法中， 可以將偏壓施加到與2 Mohm的負載電阻串聯的樣本?？梢酝ㄟ^由Triax 320單色儀分散 并且在所感興趣的頻率處機械斬波的白光光源(ScienceTech公司TH-2)來提供照明?？?以用濾光器阻止光柵泛頻照射樣本?？梢允褂肧tanford Research System SR830鎖相放大 器來測量負載電阻上的電壓?？梢允褂媒浶实腛phir PD-300硅和鍺光檢測器來分別測 量在每個波長處傳輸通過單色儀的強度，以覆蓋400nm到1600nm的范圍。可以通過用 器件的有效面積除以準直光束面積并且乘以用經校準的檢測器測量的總功率來得到入射 檢測器的有效面積的光功率。隨后可以根據該系統(tǒng)校準來縮放每個波長處的光電流。同 樣的設置可以通過使用可變衰減器來實現譜響應度的測量，對該可變衰減器進行編程以 確定每個波長處的光功率。所記錄的光電流對波長的關系可以產生譜響應度。兩種上述 技術的結果一般可以在小于10%的范圍內彼此一致?？梢允褂肧tanford Research SR830鎖相放大器來測量光檢測器1400中的暗電流
噪聲?？梢允褂秒姵厥┘悠貌⑶以诟优_上在電屏蔽以及光學密封的檢測臺中進行的 測試，以使振動噪聲最小化。將所報告的噪聲電流歸一化到測量帶寬、除以相同條件下 的響應度可以產生噪聲等效功率(NEP)?？梢酝ㄟ^將器件的光學有效面積的平方根除以 NEP來得到歸一化檢測靈敏度D *，其為波長、所施加的偏壓和中心頻率的函數?？梢允褂萌缟鲜龅淖V響應度測量中所使用的相同設置?？梢詫⒉ㄩL固定在 830nm處并且可以使用與中性密度濾波器組合的可變衰減器將光強度從pW改變到 4 μ W。對于更高的強度，可使用830nm下的半導體激光器以提供高達IOmW的光功率。在已經描述了用于獲得以及表征光檢測器的該實施例的方法之后，現在將描述 與光檢測器有關的某些發(fā)現。光檢測器的該實施例顯示了在可見光波長靈敏旋鑄光檢測 器中靈敏度、增益、可調性和寬動態(tài)范圍的同時實現。與硅光電二極管在970nm下的大 約2X1012 Jones以及可將光下甚至更低的值相比，經優(yōu)化處理的光檢測器可以提供整個 可見光譜上的IO13J0nes的D*。光檢測器可以顯示超過100 A/W的光電導增益。光電 導增益可以在1和100之間?？梢葬槍θ缟显敿毭枋龅陌惦娏?、響應度和噪聲電流描述光檢測器的特征。圖 3j示出了光檢測器的光電性能。圖3j(a)顯示了譜響應度和歸一化檢測靈敏度。光電 導增益可以波長400nm處達到15Hz下大約113AW—1的最大值。為了比較，硅光檢測器 在大約970nm處顯示最大響應度，該波長可以落入可見光中。量子點光檢測器1400可 以在較短波長處具有增加的響應度以及在可見譜中的最優(yōu)響應。關于靈敏度，圖3j(a) 示出了與本實施例的溶液處理薄膜光檢測器類似的面積的典型硅光檢測器(如在光電 學技術中，偏置硅檢測器模型 ET-2OOO，http://www.eotech.com/store/products.php ？ categoryParentName = Photodetectors&categoryName = Biased+Silicon+Detectors)之丨旬的直 接比較。在整個可見光譜范圍上，量子點光檢測器可以顯示好于其晶體硅對應部分至少 一個量級的噪聲等效功率(NEP)。在圖3j(b)的插圖中示出了針對該實施例的光檢測器的所測量的噪聲電流譜。在低頻處，噪聲電流可以緊密跟隨響應度曲線，表明造成高增益的載流子陷阱也可有助 于噪聲，而在較高頻處，白噪聲可占支配地位。可以根據(4kTB/R)"2估計檢測器的 Johnson噪聲為大約0.9fAHz_"2，然而發(fā)現散粒噪聲極限(2qIdB) “2為0.04pA Hz_"2，其中 k是玻爾茲曼常數，T是溫度，R是檢測器在黑暗條件下的阻抗，B是噪聲帶寬，q是電 子電荷而Id是暗電流。實施例的光檢測器1400可以在80Hz處使散粒噪聲極限達到3dB 以內。如圖3j(c)所示，量子點光檢測器1400在超過50Hz時可以顯示出由優(yōu)于硅的靈 敏度，其中將D *標繪為頻率的函數(插圖還示出了 NEP對調制頻率的關系)。在低頻 (< 5Hz)處，檢測器可以顯示出D * 1013Jones?？梢悦枋鲈斐晒怆妼г鲆娴南葳鍛B(tài)的特征。在圖3k(a)中，示出了所測量的響 應度，該響應度作為針對在器件上入射的若干不同的光功率水平的調制頻率的函數。隨 著光功率的增加，檢測器的響應度可以降低。這可以歸因于位置最低、壽命最長的陷阱 態(tài)的填充，該陷阱態(tài)在低強度處提供最高的光電導增益。這可以由這樣的事實來確認， 即在高強度處，3dB帶寬可以延伸到較高的電頻率。為了描述高增益陷阱態(tài)填充對溶液處理的檢測器的動態(tài)范圍的影響的特征，可 以測量光電流對30Hz的調制頻率下的光強度的依賴關系?？梢杂^察到，在超過7.5個量 級的入射強度的幅度上(對應于超過75dB的強度動態(tài)范圍)光電流對強度的單調的(盡 管在高頻處為次線性的)依賴關系(圖3k(b))。圖3k(b)的插圖示出了由于在可以造成 增益壓縮的較高強度處的高增益陷阱態(tài)的填充而引起的響應度降低的帶邊。在實施例中，期望具有與視頻應用兼容的瞬態(tài)響應的光檢測器?，F在討論提供 視頻兼容的時間響應、或者滯后、或者持續(xù)時間的感光層。參考圖4，示出了在5V偏壓 下對經調制的Ilx 550nm照明的瞬態(tài)響應。在膠體量子點膜上進行測量，已經使用這里所 述的方法將該膠體量子點膜旋鑄并且處理到平面電極對上。這些由在諸如0.5毫米、1毫 米或者3毫米的長度上平行的金或者其它金屬線構成。這些電極由沿著它們的整個平行 長度的固定的2.5 μ m或5 μ m的間隙來分隔。使用相鄰的Au電極上施加的IV、5V或 者IOV的偏壓來進行測量。在光響應的研究中，照明源一般是在接近550nm處具有譜發(fā) 射峰的綠光發(fā)光二級管。從Olux(暗)到Ilux變化來提供方波調制。在入射到測試像素 樣本上的位置測量照明水平。使用Newport光功率計來校準照明。使用Keithley 6485型 皮可安培計(PicoAmmeter)來進行電流測量。使用Keithley 2400型源表(SourceMeter)來 施加LED和樣本偏壓。在潔凈氮氣氣氛中執(zhí)行測量。在圖中，示出了在一個這種器件 中的電流作為時間的函數。在大約22.4秒到25.3秒的時間段內，例如，在Ilux水平下開 通照明源。因此，在該間隔期間流動的電流表示在Uux下的暗電流+光電流的和，其中 也可以認為后者分量等于響應度(以A/W)乘以在有效區(qū)域上接收的光功率(以瓦特測量 的光功率)。典型的響應度在0.4A/W到10A/W的范圍內。在20到22.4秒時間段內， 例如，關斷照明。在該間隔內流動的電流因此表示暗電流。關于這些測試結構的典型值 對應于O.lpA到3pA?？紤]到這些樣本的縱橫比，暗電流對應于lE_8A/cm2到2E-6A/ cm2。在22.4秒、25.3秒等處的尖峰不是光檢測器的特性，而是從與周圍電子和偏壓電 路有關的電瞬態(tài)導致的，并且出于本討論的目的可以忽略該尖峰。忽略這些尖峰，光電 流的上升和下降是有意義的。在光電導器件中，在照明的關斷瞬態(tài)之后的電流值將僅關斷并且僅在某持續(xù)時間之后達到暗電流值。在某些具有不期望的長壽命的陷阱態(tài)的光電 導器件中，該持續(xù)時間可以是0.1秒、或者0.5秒、或者1秒或更長。這樣的持續(xù)時間導 致在靜止圖像和視頻中的重影和滯后假象。這里所實現的器件是光電導的并且擁有光電 導增益，然而，它們的持續(xù)時間是20-40毫秒級，從而在典型的成像時間量尺度，該持 續(xù)的影響不明顯。因此獲得了光電導增益的優(yōu)勢，但是避免了延遲的不利方面。膠體量子點通過量子尺寸效應調諧提供在不同譜帶間進行區(qū)分的現成方法。這 里所描述的與實施例的光檢測器1400相關的發(fā)現說明了靈敏度、動態(tài)范圍和增益都好于 典型的晶體硅光電二極管。如圖31的插圖所示出的，可以通過在大點、小帶隙(1230nm 處的激子峰值)器件頂上堆疊小量子點1200、較大帶隙的光檢測器1400來制造簡單的兩 色器件。圖31的主體示出了堆疊中每個檢測器的所測量的譜響應度。還示出了在堆疊之 前的小帶隙檢測器的譜響應度，以表明在400nm處所實現的超過IOdB的可見光中的響應 度抑制。因此，可以在圖31中描繪膠體量子點1200固有的量子尺寸效應可調協(xié)性的值。現在討論形成感光層，包括在能夠提供光檢測器讀出的集成電路上形成感光層 的方法。在一個實施例中，可以通過熔潭鑄來處理量子點材料200以形成膜。熔潭鑄可 以包括將測量量的量子點材料200沉積到襯底上并且允許溶液蒸發(fā)。所產生的膜可以裂 開或者可以不裂開。在實施例中，可以通過電沉積來處理量子點材料200以形成膜。電沉積可以包 括真空和量子點1200。電沉積可以類似于靜電印刷術。可以使用電粉涂覆為量子點1200 充電。然后可以將電粉和量子點1200的組合置于類似于影印機的系統(tǒng)中。電粉涂覆可 以在沒有載流氣體的情況下提供加速勢能。電沉積可以包括將電壓施加到由電路控制的 電極。該電路可以能夠使用沉積的量子點材料200進行感測。隨著量子點像素1800生 長的進行，電沉積可以導致檢測器和其自身內的反饋。用于電鍍的可以獲得的光電流可 以隨著來自初期和生長中的量子點像素1800的增加而降低。在實施例中，可以通過氣相沉積處理量子點材料200來形成膜。在實施例中，可以通過噴槍噴射處理量子點材料200來形成膜。噴槍噴射可以 包括從氣體處理。噴槍噴射可包括溶劑中的夾帶(entrainment)。在實施例中，可以通過來自溶液的生長來處理量子點材料200以形成膜。來自 溶液的膜的生長可以包括交聯(cross-linking)。交聯劑可以附連到襯底的至少部分以交聯 量子點1200。當將具有附連的交聯劑的襯底浸入量子點溶液400中時，量子點1200可以 變成交聯的并且在襯底上交聯劑所附連的位置生長，生長的過程可以類似于晶種生長的 過程。由于生長發(fā)生在交聯劑已經附連的位置，因此可以通過沿著具有圖案的襯底沉積 交聯劑來實現在襯底上的圖案化膜的形成。例如而非限制地，雙硫醇可以用作交聯劑。 可以將分子的兩個硫醇頭附連到兩個不同的量子點1200表面并且因此產生遷移率提高。 該交聯過程可以提供具有(例如而非限制)數十A/W量級的光電導光致電壓增益以及(例 如而非限制UO12J0nes量級的檢測靈敏度的光電檢測?？梢燥@著提高持續(xù)光電流，使得 能夠在高達60Hz的幀速率下實現高性能的視頻成像。在實施例中，可以通過疏水系統(tǒng)處理量子點材料200來形成膜。疏水系統(tǒng)可以 使得能夠沉積量子點的單層膜。可以以圖案沉積單層膜。在實施例中，可以通過氣相下的加速或蒸發(fā)處理量子點材料200來形成膜。
在實施例中，可以通過影印方法處理量子點材料200來形成膜。在實施例中，可以通過噴墨打印方法處理量子點材料200來形成膜。可以將膜形成期間的配體交換應用于這里所述的任何膜形成方法。配體交換可 以實現改進的膜形成和改進的量子點包裝。配體交換的持續(xù)時間可以改變膜波長吸收率 特性。在實施例中，配體交換可以包括以修飾量子點的長隔離配體交換短配體，這可以 實現導電量子點材料和高靈敏輻射光檢測器的形成。配體交換可以發(fā)生在固態(tài)下。如這 里所描述的，可以首先通過溶液處理來形成膜?？梢栽谌軇?諸如而非限制，乙腈、甲 醇或甲苯)中分散新的配體(諸如而非限制，苯二硫醇或者甲硫醇)?？梢詫さ?樣本置于包含配體的溶劑中?？梢詫⑴潴w選擇為具有與已有的配體有效競爭的末端官能 團。例如，與羧基組結合(諸如而非限制，油酸)或者胺結合(諸如而非限制，丁胺)相 比，硫醇可以更強地結合。例如而非限制，可以將旋涂膜驅動到惰性氣氛中或者保持在 大氣條件下，其中可以將該旋涂膜浸入到乙腈(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。乙腈可以用作新配體、ET、EDT或者BDT的 溶劑，以取代油酸，同時其用作阻礙溶解的量子點材料膜的非溶劑。MeCN ET、EDT 或BDT的比率可(諸如而非限制)從到10%。浸泡的持續(xù)時間可以在10分鐘到一 小時的范圍。浸泡之后，可以隔離膜，用MeCN清洗以去除過量的ET、EDT或BDT以 及任何殘留的油酸，并且可在真空下進行干燥。在實施例中，配體交換可以與膜形成并行發(fā)生。首先，可以將要在其上形成膜 的襯底浸沒在可以包括配體的液體中，該配體稍后可以取代最初在量子點上的配體?？?以去除襯底，并且新配體的涂層可以留在樣本上。然后可以通過浸涂形成膜，其中可以 將要在其上沉積膜的樣本浸沒在量子點1200懸浮的溶劑中。在該過程期間，在第一步中 加入的配體用來導致量子點1200以受控的方式聚集到樣本表面上。該并行配體交換和膜 形成的方法可以保證不造成已經形成的膜的體積的顯著改變。這種顯著改變可以導致膜 裂開。本方法可以通過并行的沉積和交換來保證光滑、無裂縫的膜的形成。在實施例中，可以通過在來自溶液相的層生長期間不可逆地橋接量子點1200來 處理量子點材料以形成膜?？梢酝ㄟ^使用雙齒配體將量子點連接到一起以形成連續(xù)膜。 這些鏈接劑分子可以一端結合到個量子點，而另一端與另一量子點結合，因此產生可防 止器件變短的量子點鏈?？赡艿碾p齒配體可以包括雙硫醇、二元胺、二羧基酸及其組 合，諸如乙二硫醇、巰基乙酸等。盡管雙齒配體的端元(end member)應該具有結合能 力，剩下的分子可以具有不同的長度和功能。由于短分子可以實現量子點之間不受鏈接 劑分子阻礙的電連接，因此短分子可以是優(yōu)選的。可以通過各種方法將鏈接劑分子引入 到量子點像素芯片(QDPC) 100中。例如而非限制，可以將QDPC 100置于包含各種濃度 (諸如在0.1%到10%的范圍內、等)的鏈接劑分子的有機溶劑中。在處理了 QDPC 100 一個時間范圍(諸如從5到60分鐘)之后，QDPC 100然后可具有經由這里所述的方 法(諸如浸沒、噴射、旋轉等)引入的量子點1200。量子點1200然后可結合到連接器并 且在連接器的隨后處理之后，量子點1200可以交聯到其它量子點1200?？梢詧?zhí)行另一個 量子點1200沉積以提高QDPC 100內的量子點1200的濃度。該量子點1200交聯策略可 以在光滑或粗糙電極表面上產生量子點1200的連續(xù)覆蓋層覆蓋。由于配體從油酸交換為一元丁胺，硫化鉛QD納米晶體的吸收譜可以隨著增加的交換時間顯示藍移。TEM圖像顯示了在配體交換和非溶劑處理之后QD之間間隔的顯著 減少。當該移動小于與單層Pb原子(粗略為170nm)的去除相關聯的移動時，尺寸分布 粗略保持不變。在該點之后，多分散性增加。對QD進行沉淀、使用非溶劑清洗、在CHCl3中再分散并且使用非溶劑再次處 理(“非溶劑”指的是對于納米晶體不是溶劑，但是對于配體可以是溶劑的材料)。所 生長的(未處理的)QD納米晶體示出了具有由配體長度確定的點間間隔的良好排序的圖 案。交換的和清洗的QD顯示出點間間隔的顯著減小以及團簇而非良好排序的陣列的優(yōu) 先形成。在處理之前，可以使用有機溶劑再分散納米晶體膜，而在處理之后，納米晶體 膜不能被容易地再分散。如以下所記錄的，配體交換、非溶劑處理以及在諸如高達大約150°C (通常地) 和可能地在高達450°C的溫度下的熱處理的組合移除至少部分QD的配體，并且使得QD 能夠被熔融，提供具有大大增加的電傳導率的機械上堅固的膜。使用直接從氯仿溶液旋鑄到交叉梳狀電極陣列上的單層PbS QD納米晶體來制成 示例性的光電導光致電壓檢測器。在圖7A中示出了器件結構，并且該器件結構類似于 圖4B的基本器件。由玻璃襯底支撐平行金電極，并且該電極具有分別為lOOnm、3_、 5ym的高度、寬度和間隔。通過氯仿QD溶液的濃度和旋鑄參數來控制QD層的厚度。 在由發(fā)明人所進行的研究中，厚度在IOOnm到500nm的范圍內。對QD表面的處理是光檢測器性能的重要決定因素。由于2nm長的油酸鹽配體 抑制了 QD間的載流子輸運，因此如通過有機金屬途徑所合成的那樣，直接用油酸修飾的 QD制成的器件沒有顯示出任何可測量的電導。后合成配體交換因此用于用短得多的丁胺 配體來取代所合成的油酸鹽配體。為此目的，將QD再分散在丁胺中三天的時間。丁胺 是四碳原子鏈，具有胺頭作為附連到QD表面的官能團。針對由QD有效直徑的減小導致 的QD吸收的藍移監(jiān)測配體交換，其中QD有效直徑的減小由交換期間配體移除了 Pb原 子導致?？梢员容^配體交換之前(油酸鹽修飾的)的QD納米晶體、配體交換之后(丁胺 修飾)的QD納米晶體以及在浸入甲醇中2小時以后移除丁胺配體的QD納米晶體的吸收 率譜。跨越這些處理的漸進式藍移與交換之后的表面修改和部分表面氧化(也由XPS和 FTIR證實)一致。配體交換之前和配體交換之后的納米晶體的TEM顯微圖表明粒子間 的距離的減小歸因于用丁胺配體取代了油酸鹽配體?？梢垣@得純溶劑正丁胺、純溶劑氯仿和分散在氯仿中的正丁胺交換QD的FTIR 譜。將N-H伸縮和彎曲振動分別列表位于3200-3600cm 1和1450-1650cm、純油酸的羧 基伸縮振動列表于1712cm1處。FTIR測量表明最初附連到PbS QD的油酸鹽配體已經被 正丁胺取代，其由以下現象表明缺少羧基伸縮振動；交換之后的N-H伸縮振動從3294 和3367cm、Δ = 73cm O針對正丁胺到3610和3683cm 1 (Δ = 73cm O的顯著移動；以 及針對正丁胺交換樣本的N-H彎曲振動的存在?？梢栽诨旧蠌腝D去除了配體的甲醇清洗之前和之后獲得針對具有丁胺配體的 惰性交換配體交換QD的FTIR譜。在甲醇清洗之后，歸因于丁胺(1400、1126、989、 837和530cm O的特征較不顯著。在甲醇清洗之后，N_H伸縮振動再次較不顯著得多?？梢匀⊥ㄟ^X射線光電子譜(XPS)得到的譜來證實貫穿各個處理步驟對PbSQD產生的材料修改。在減去背景之后，結合能量是在285.0eV處的Cl碳氫化合物線 的參考。通過應用高斯-洛倫茲函數來擬合曲線，并且通過對信號下的面積進行積分來 獲得原子比。在交換為丁胺配體即刻之后的納米晶體表明對應于硫化鉛的160.7eV處的 S2-峰。沒有檢測到硫酸鉛(PbSO4)信號。在空氣中沉淀的納米晶體在表征PbSO4形成 的167.5eV處顯示了 S04_2。該氧化物可以與對納米晶體間的傳導的勢壘的角色相關聯。 發(fā)現該情況下的PbS/PbS04的比率為大約3.4 1。在甲醇浸泡之后的惰性沉淀的QD的 XPS也顯示了硫酸鉛的形成。該情況中PbS/PbS04&比率是18.6 1。將該薄膜在空 氣中在120°C下進行1小時的進一步退火處理顯著增加了硫酸鹽的量，并且PbS/PbS04的 比率是2.44 1。可以取在惰性條件(稱為丁胺的QD)下沉淀的以及在外界空氣條件(氧化-然 后-收縮(oxidize-then-neck))中沉淀的配體交換QD的FTIR譜?？杀容^甲醇清洗兩小 時之后的惰性沉淀交換QD層(氧化-然后-收縮)。在1147cm 1附近的廣泛特征歸因 于PbSO4 (硫酸鉛)。譜示出了在惰性條件中沉淀的配體交換QD沒有顯示該特征，甲醇 清洗引入了一些氧化，在空氣環(huán)境下沉淀的配體交換QD示出了強氧化的證據。這些結 果與以上的XPS數據一致。測量了具有不同種類QD納米晶體層(例如，收縮-然后-氧化、氧化-然后-收 縮、丁胺修飾的以及收縮_然后-過氧化)的各種代表性器件的一些性能特性。一般器 件結構一般類似于圖7e的結構。器件包括透明玻璃襯底；兩個金電極，其具有大約 3 μ m的長度、大約5 μ m的寬度并且以大約5 μ m彼此隔開；以及在電極之間具有可變厚 度的QD納米晶體。借助于通過玻璃襯底的光激子來研究光電導，其中通過分隔交叉梳狀電極的間 隔(即形成QD層的地方)傳輸激子輻射1000。獲得了針對兩個不同QD納米晶體層厚 度的電流-電壓特性，特別是針對“薄” IOOnm和“厚” 500nmQD納米晶體層器件的 I-V特性。光電流和暗電流對所施加的偏壓線性響應。厚器件的響應度達到166A/W。 線性I-V特性指示了歐姆電極_納米晶體接觸，并且暗示了在QD納米晶體之間不是隧道 效應而是強大、直接的傳導連接。由于在厚器件中存在較大的吸收率，因此在厚裝置中 的光電流顯著高于薄裝置的光電流。為了確定在檢測器面積上入射的光功率并且計算響應度R，來自975nm激光器 的2mm半徑光束首先通過一系列已知透射率的光學衰減器，并且由該處通過玻璃襯底而 從背面入射到器件上。在頂表面上，在3mm路徑長度上以5μιη分隔不傳導紅外的交叉 梳狀金電極。通過對在器件的無阻礙面積之上的激光的強度輪廓進行積分得到入射在器 件上的光功率。使用Agilent 4155半導體參數分析儀獲得電流-電壓特性。入射每個器 件的光功率是大約80pW。獲得了由不同種類的QD納米晶體層制成的器件的響應度作為所施加的偏壓的函 數。這里，納米晶體層為大約SOOnm厚?？梢郧宄乜吹健笆湛s_然后-氧化” QD 器件具有顯著高于其它器件的響應度，該“收縮_然后-氧化” QD器件對應于具有在 其外表面上具有缺陷態(tài)的熔融QD層的器件。與“收縮-然后-氧化”器件相比，“氧 化-然后-收縮” QD器件具有降低了其響應度的QD結合的區(qū)域中的缺陷態(tài)，其中在
“氧化-然后-收縮” QD器件中，從QD去除配體并熔融QD，但是其中在配體去除和QD熔融的步驟之間不將QD保持在惰性氣氛中，在“收縮_然后-氧化”器件中，在 配體去除和QD熔融的步驟之間將QD維持在惰性氛圍中。所有“收縮的”器件具有顯 著高于具有丁胺修飾的QD的器件的響應度，其中丁胺配體阻塞了 QD之間容易的電子傳 導?！愣裕訟/W測量的QD器件(尤其是“收縮然后氧化” QD器件)的響應 度至少為大約10A/W、100A/W、1000A/W,或者甚至大于10000A/W。響應度在一定
程度上是所施加的偏置電壓的函數，其中在較高偏置下響應度較高。在一些實施例中， QD器件(尤其是“收縮然后氧化”器件)提供在0-10V的基本上線性的響應度，其中 跨越0.2到2 μ m寬度或者間隙的距離施加偏置。關于響應度，“收縮的”器件具有顯著高于具有丁胺修飾的QD的器件的暗電 流密度。使用在收縮之前暴露到氧氣(“氧化_然后-收縮”)的QD制成的器件示出 了場輔助(field-assisted)輸運的超線性I-V行為特性。相反，使用氧化之前熔融(“收 縮-然后-氧化”)的QD制成的器件顯示線性(不依賴于場的)行為。由于過多的氧 化物形成，因此收縮-然后-氧化裝置的進一步氧化(“收縮-然后-過氧化”)導致了 傳導性的降低。測量噪聲電流作為針對所描述的器件的所測量的暗電流的函數?！笆湛s-然 后-氧化”器件顯示了最低的噪聲電流，接近散粒噪聲極限的3dB內?！把趸?然 后-收縮”器件具有最高的噪聲電流，與倍增噪聲一致。與氧化-然后-收縮QD器 件相比，“收縮-然后-過氧化” QD器件顯示較低的噪聲水平，盡管其包含較大量的 氧化物。這表明了氧化步驟在制作過程中的作用。為了比較，還標繪了最佳性能器件 (收縮_然后-氧化)的Johnson噪聲極限、散粒噪聲極限和基本背景限制熱力(BLIP) (background-limited thermodynamic)噪聲電流。獲取歸一化檢測靈敏度D *作為所施加的偏置的函數。以Jones(CmHz1^T1)為 單位測量歸一化檢測靈敏度D *。以(AAf)1/2R/ln給出D*，其中A是以cm2為單位的 檢測器的有效面積，Af是以Hz為單位的電帶寬，并且R是在與以A為單位的噪聲電流 in相同的條件下測量的、以AW—1為單位的響應度。指標D *的材料指數允許在不同功率 和幾何的器件間的比較。指標、噪聲等效功率(NEP)(檢測器可以從噪聲區(qū)分的最小入 射光功率)的器件數字通過NEP= (A Af) "2D*而與D *有關。歸一化檢測靈敏度D *對 于“收縮_然后-氧化”器件是最高的，而對于“氧化_然后-收縮”器件是最低的。 換句話說，允許將QD在配體去除之后和收縮或熔融之前暴露給氧氣顯著影響完成器件的 歸一化檢測靈敏度。在所示出的示例器件中，“收縮_然后-氧化”器件的歸一化檢測 靈敏度比“氧化_然后-收縮”器件的歸一化檢測靈敏度高多于一個量級。得到30Hz 的調制頻率處的最高的檢測靈敏度，并且在975nm激子波長下達到1.3 X IO13 Jones。在 實施例中，檢測靈敏度可以達到1.3X IO14 Jones。針對“收縮-然后-氧化”器件在所施加的40V偏壓和IOHz的電頻率下獲得 響應度和歸一化檢測靈敏度D *的譜。在激子峰值波長下測量D *為1.8X IO13 Jones。檢 測器的3-dB帶寬為大約18Hz，與器件中最長的激發(fā)態(tài)載流子壽命一致。在大約每秒30 幀的成像速率下保持高靈敏度(D*> IO13J0nes)。獲得了在“收縮_然后-氧化”的QD層的激勵之后的光電流瞬時響應，其中激勵是在15Hz的頻率下以1064nm為中心的7ns脈沖。這允許器件中的渡越時間和載流 子壽命分布的研究。歸因于由氧化引入的最長壽命的陷阱態(tài)效總，發(fā)現檢測器對光脈沖 的響應持續(xù)超過數十毫秒。響應顯示出從微秒(盡管可以存在更短的分量，但是在該測 量中它們是不可觀察的)到若干毫秒延伸的多個壽命分量。發(fā)現了在大約20μ8、大約 200 μ S、大約2ms、大約7ms和大約70ms處的衰減分量。針對大約100V的偏壓獲得了 大約500ns的渡越時間，揭示了渡越時間以對應于大約OJcm2V-1S-1的遷移率的斜率線性 依賴于偏壓。載流子壽命的最長分量對渡越時間的比率因此是大約10000級的。給定 975nm的光波長處0.3的薄膜吸收率，因此可以通過光電導光致電壓增益來說明該示例中 所觀察的大約2700A/W的響應度。在與超靈敏檢測有關的低水平光功率條件下觀察該高 響應度。一般而言，在一些實施例中，隨著照明強度的增加，最長壽命陷阱態(tài)變得被填 充并且壽命較短，因此較低增益陷阱態(tài)開始說明載流子壽命的顯著分量。這些實施例的 器件因此在低輻射1000條件下是高度靈敏的，并且在增加的照明強度下顯示固有動態(tài)范 圍增強增益壓縮。為了確定光電流譜響應，將50V的偏壓施加到與100歐姆的負載電阻串聯的樣本 上。通過由Triax 320單色儀分散并且在大約100 Hz的頻率下機械斬波的白光源提供照 明。使用濾波器以阻止單色儀光柵的泛頻照亮樣本。使用Stanford Research System SR 830鎖相放大器測量負載電阻上的電壓。使用校準的Ge光檢測器來分別測量在每個波長 下通過單色儀的強度。相繼相應地縮放每個波長下的光電流。以此方式確定光電流譜的 形狀之后，使用975nm下的絕對響應度來獲得絕對譜響應800nm-1600nm。為了噪聲電流的測量以及NEP和的計算，將光電導光致電壓器件置于電屏蔽 和光密封的探針臺里面并且與Stanford Research System SR830鎖相放大器串聯。堿性電 池用于向用于偏置器件用于噪聲電流的測量，以便使得來自源的噪聲分量最小化。鎖相 放大器測量光檢測器中的電流并且報告以A/Hz"2為單位的噪聲電流。特別注意選擇合 適的通頻帶，以便獲得各個頻率下穩(wěn)定并且有意義的噪聲電流的測量。該測量揭示了歸 因于Ι/f噪聲的5Hz以下的噪聲電流的顯著增加，而在50Hz以上觀察到白噪聲模式。用 噪聲電流除以在所施加的偏壓和頻率調制的相同測量條件下的響應度產生了噪聲等效功 率(NEP)。通過用器件的光有效面積的平方根除以NEP來獲得歸一化檢測靈敏度D *作 為波長、所施加的偏壓和頻率的函數。為了驗證使用該技術得到的NEP值，使用具有已知的NEP的商業(yè)Si檢測器執(zhí)行 相同的步驟。以上所描述的系統(tǒng)記錄相同量級但是通常稍微大于指定的NEP的值。這 里所使用的NEP和D *確定步驟序因此提供這些指標數字的保守估計。在5Hz光調制和0.25nW入射光功率下，針對30、50和100V的偏壓獲得響應度 和歸一化檢測靈敏度的譜相關性。響應度顯示出與納米晶體固態(tài)薄膜的激子吸收峰值 對應的1200nm附近的局部最大值。響應度隨著電壓增加(但是不如噪聲電流增加迅速， 導致在較低偏壓處D *較高)并且在800nm處達到180A/W。對于30和50V的施加的偏 壓，D *是ZXlO11J0nes并且大于商業(yè)多晶PbS檢測器的響應度的兩倍，該商業(yè)多晶PbS 檢測器得益于50年的科學和技術發(fā)展。盡管在100V下的響應度較高，但是所測量的噪 聲電流的偏壓依賴性導致D *在30V的較低偏壓下最大化。在實施例中，處理步驟可以 產生更大量級的檢測靈敏度，諸如IO13 Jones，或者甚至1014JOneS。
針對在入射光功率的975nm和0.25nW處的三個所施加的偏壓值獲取響應度和歸 一化檢測靈敏度的頻率依賴性。器件響應度的3dB帶寬對于100V和50V是15Hz，而對 于30V是12Hz。用來自975nm激光器并且入射光功率為0.2nW的光激勵進行測量。還 針對全頻率范圍的三個不同的偏壓測量噪聲電流。噪聲電流在20Hz以下的頻率下顯著較 高，而在較高頻率下觀察到頻率獨立白噪聲。噪聲等效曝光或者NEE是表示由檢測器可 檢測的輻射1000的最低量的另一方式。將NEE定義為可以在檢測器處產生信號的光能 量的焦耳數，該信號在幅值上等價于檢測器上的噪聲，并且計算為檢測器上的RMS噪聲 除以檢測器的響應度。與傳統(tǒng)SiCCD檢測器以及傳統(tǒng)Si CMOS檢測器的NEE相比，圖 6c示出了具有在其外表面上具有缺陷態(tài)(例如氧化)的熔融QD層的QD器件的ΝΕΕ。 QD器件在400到800nm的波長下具有小于ΚΓ^χ/αη2的ΝΕΕ，并且在400到1400nm的 波長處遠小于10_1(lJ/Cm2。傳統(tǒng)Si器件的NEE顯著高于QD器件的NEE，在一些情況 中，高不止一個量級。再次，在實施例中，處理步驟可產生更高量級的檢測靈敏度，諸 如 IO13Jones,或者甚至 1014Jones。從這里所提出的量子點檢測器獲得的指標數字由處理步驟的組合引起。首先， 經由交換到短得多的有機配體來縮短QD之間的距離提供了增強的QD間的傳導。使用 非溶劑的后沉積處理并且在富于氧氣的氣氛中暴露給所提升的溫度實現了進一步的配體 去除、QD熔融以及在QD表面上的本地氧化物的形成。之前已經在多晶PbS器件中示 出氧化物有助于在光電導體中實現高D *。然而，具有200nm域尺寸的化學槽生長多晶 器件不允許在界面之上的精確控制。相反，與基于多晶的器件相比，使用具有高度受控 的配體鈍化表面的預制造、高度單分散、單獨的單晶體QD來制造光學器件允許在接觸面 效應之上的例外控制。這里所描述的量子點光學器件在許多指標數字方面優(yōu)于傳統(tǒng)生長 晶體半導體光學器件。同時，器件的制造非常簡單，同時基于量子點的量子尺寸效應維 持光學可定制性。當制造QD時，它們通常包括附著到其外表面的多個相對長的配體。然后，例如，通過用較短的配體取代在QD的制造期間使用的配體來對QD進行 配體交換。該步驟可允許QD在隨后的處理步驟中更密集。然后，在適當的襯底上(例如，在電子讀出集成電路上)沉積QD?？捎酶鞣N基 于溶液的方法來完成該步驟，許多該方法與標準CMOS工藝(諸如旋鑄)兼容。然后，清洗先驅體層以移除QD上的配體，并且引起在至少一些鄰接的QD之間 的收縮(即接觸)。然后，對收縮的QD層進行退火，其將收縮的QD熔融在一起。然后，在熔融的QD層中產生缺陷態(tài)，例如，通過對層進行氧化。一般而言，當制造預期具有多個像素的器件時，然后可以選擇性地形成QD層的 圖案(例如，使用光刻)，以將連續(xù)層分成多個像素?？梢詫a生的QD層合并到諸如這里所描述的那些器件中?？梢砸约状冀n來進行薄膜的活化，然而，這可能與薄膜的破裂相關聯。薄膜 的空氣烘烤可以在沒有破裂的情況下活化薄膜?？諝夂婵究捎每諝猸h(huán)境下操作?？梢圆?需要特殊氣處理，諸如而非限制，氮凈化。無水制備的量子點材料200可用空氣烘烤活 化，但是不用甲醇。含水量子點材料200(諸如存儲在氯仿中的那些)可以不用空氣烘烤活化，但是它們可以用甲醇活化。烘烤溫度可以諸如在大約90攝氏度到130攝氏度的范 圍內改變。烘烤時間可以諸如在60到180分鐘的范圍內改變。在一實施例中，后薄膜形成處理可以包括甲醇浸漬。甲醇浸漬可發(fā)生在大氣 中。甲醇浸漬可發(fā)生在室溫下。在無水環(huán)境中用無水干燥活化可能不是最佳的，然而， 在諸如手套箱的環(huán)境中進行甲醇浸漬并且然后在室內空氣中蒸發(fā)甲醇可活化薄膜。甲醇 浸漬可以包括配體移除之后的活化。在甲醇浸漬之后，可將器件帶出到空氣用于受控暴 露。烤箱操作的機制可不限于該實施例。在一實施例中，首先移除丁胺并且然后氧化薄 膜?？蛇x地，可首先氧化薄膜，并且然后移除丁胺。在一實施例中，可對量子點材料圖案化。圖案化可包括形成非均質層。圖案化 可包括刻出電獨立的行和列。圖案化可包括實現薄膜的部分的鈍化。圖案化可實現自組 裝的量子點像素1800。圖案化可實現自隔離的量子點像素1800。圖案化可用在粗縮放 上。圖案化可包括圖案化襯底。襯底的圖案化在一定程度上可有助于布置在襯底上的薄 膜的圖案化。圖案化可有助于選擇偏置電平來獲得QDPC 100的所期望的靈敏度。圖案化 可提供關于形成多個層的偏差的反饋?？纱嬖诙喾N用于圖案化的技術，包括干法刻蝕、 硫化物的氯或氟刻蝕以及掩模。圖案化可包括自組裝。交聯劑可實現圖案的自組裝，諸 如實時的配體交換。雙功能連接器可便于圖案的自組裝。雙功能連接器的一端可附著到 襯底，而另一端附著到量子點1200。可將雙功能連接器設計成順序地將量子點1200連接 到襯底，并且然后將量子點1200連接到量子點1200?，F在討論制造感光層的方法，包括對其進行圖案化來形成材料區(qū)域的方法。用 于圖案的自組裝的生長的方法可包括類似于外延生長的方法，但是其中取代了在與量子 點類似的外延中使用的原子或者分子種類。生長可包括導致大的單晶體(諸如單晶體形 成)的成核點或者多晶型生長。生長方法可取決于連接器如何附連到襯底。類似于外延 生長，由于在襯底上沉積了隨后的單層，因此以單個單層開始的圖案可繼續(xù)?？纱嬖谕?延生長的范圍。例如，僅在具有正確種類的晶體的原子的情況下發(fā)生生長?？纱嬖谌?種用于選擇性區(qū)域外延的模式。一種模式可以是分子束外延(MBE)。使用MBE，可在 晶體生長上存在好晶體。在晶體上生長的厚度將是沒有掩模處所生長的。使用MBE， 用于生長的材料可附于沿著襯底的任何地方。另一模式可以是金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD)。使用MOCVD，生長僅發(fā)生在晶體的區(qū)域上，但是生長以大的有效寬度進 行。使用MOCVD，在襯底上沉積的先驅體可來回移動、破裂以及隨機地粘附。另一模 式可以是化學束外延(CBE)。使用CBE，生長趨向于僅在孔中發(fā)生并且可在名義上與在 平面表面上的生長相同。使用CBE，在襯底上沉積的先驅體可彈開(bounce off)，或者如 果在正確的地方，則破裂并且形成晶體。CBE可組合MBE和MOCVD中最好的。有可 能組合量子點1200和釋放劑(諸如生物分子)。兩者的組合可接近襯底的表面?？梢源?在附連到襯底的分子，其可催化地斷開生物分子(載體)和量子點1200 (有效載荷)之間 的鍵。然后可以將量子點1200釋放到附連到襯底的點。可通過這里所討論的任何方法 (諸如通過連接器、自聚集等)來將量子點1200固定到襯底上。對于量子點1200先驅體，生長可以在變化環(huán)境中(諸如液體、真空等)通過任 何前述技術而發(fā)生。例如，可提供量子點1200，可處理過量，并且可將量子點1200維 持在襯底上的適當位置?？刹恍枰斶\破裂過程?？删植炕罨孔狱c材料200?；罨墒沟昧孔狱c材料變?yōu)檎承曰蛘叻磻缘摹？上蛄孔狱c材料200注入一些非溶劑。量子 點1200在離心之后可以不可逆地活化?？稍诳梢鹆孔狱c1200沉淀到表面的表面處局 部地施加甲醇。目標可以是在襯底的表面上沉積量子點材料200?？蓪⑿揎椉{米微粒的 配體的系統(tǒng)設計成這樣，使得在液相下，在遠離襯底處，納米微粒保持分散。然而，可 將該相同的配體系統(tǒng)設計成這樣，使得當納米微粒接近襯底時，納米微粒的環(huán)境變得不 對稱。該不對稱可破壞包圍量子點1200的配體籠，并且可導致量子點1200聚集到襯底 附近或者襯底上。在一實施例中，可以后處理量子點1200。后處理可包括沉淀和再分散。后處理 可以是無水的。后處理可包括干燥量子點1200、將它們再懸浮在溶劑中、過濾溶液、濃 縮溶液、然后旋轉溶液。該方法可以是對通過吹出空氣流中的溶劑來簡單蒸發(fā)溶劑的改 進，該方法可產生量子點1200，但是也可引起可導致小滴的飛濺。氮蒸發(fā)中的改進可包 括保持富氮氣氛。另一改進可包括當從上放進入時，通過的高速放氣口來將具有較少 空氣夾帶的氮注射到干燥腔中。該改進可導致更穩(wěn)定的表面，其不會飛濺而形成小滴。 另一改進可以是干燥腔本身，諸如向腔(諸如手套箱)施加真空，維持腔內的兩個針之間 的壓力差，并且提供具有密封的泵，該泵可與氯仿操作并且能夠通過通風櫥泵入氮氣流 并且泵處蒸氣。再分散可以是將沉淀的量子點1200浸入溶劑(諸如丁胺、甲苯等)，以 提供配體交換。非甲苯浸泡可提供較快的再分散。量子點1200可能需要成熟一段時期， 諸如在五天的范圍內。在一實施例中，可密封量子點材料200?？蓪⒘孔狱c1200的薄膜旋涂到經處理 的晶片上特定的厚度，該晶片在其平面表面上具有電極。晶片的蓋表面可以基本上是平 面的?？蓤D案化該薄膜以去除線結合區(qū)域和電子區(qū)域。常規(guī)的線結合的材料包括Al和 AL修飾的ti TiN或者TaN。圖案化可包括用可以是或者可以不是密封劑的材料涂覆薄 膜。該材料可以是量子點1200間的機械和/或化學緩沖。然后，可將光刻膠置于其上 (諸如以干刻蝕)，去掉其下的密封劑或者界面層加量子點。然后，可去除或者留下光刻 膠。光刻膠去除的刻蝕速率可與厚度調節(jié)基礎比較，因此總之可將其去除。該過程可提 供芯片中間的量子點1200的島。在可保持在適當位置的量子點1200的該島上可存在材 料。量子點1200的島可以是再密封的。再密封劑可以是密封材料。再密封劑可接觸芯 片并且上行到量子點1200的島的側面，以完全密封該島?？扇コ佑|晶片的外周的再密 封劑。如果有結合焊盤，則可僅在需要的地方開孔?？蛇x地，可處理結合焊盤。在一實施例中，如這里所描述的那樣，量子點材料200可以包括量子點1200。 量子點材料200還可以包括硬電介質，諸如而非限制，可使用氮化物和氧化物。例如， 可使用從氮化物到氧化物的其間具有氮氧化物的分級過度。對于薄膜某些參數可以是可 變的，諸如而非限制，壓力、等級、初始表面的化學性質、最終表面的化學性質、與結 合焊盤的關系等。在一實施例中，量子點材料200可包括拓撲?？捎刹豢赏高^氧氣的材料(例如， 密封的硅芯片)完全包圍量子點材料200。在拓撲中，氧化物后面可有氮化物，或者反之 亦然。在一實施例中，可將氮化物靠近量子點1200設置。只要不超過第一薄膜上的應 力水平，氮化物和氧化物的次序和厚度可以變化。量子點材料200的最終層應該看起來 像經歷相同制作的常規(guī)處理芯片的最終層以維持兼容的化學性質。例如，拓撲可以氮化物開始，可加入氧化物，然后可完成層。拓撲特性可包括針對底層的化學性質、針對中 間層的應力處理以及針對最終層的化學性質兼容性。在實施例中，在溶液相下處理以有機配體修飾的膠體量子點，以便引入新的有 機配體或者配體的組合。例如，可將膠體量子點引入包含較短硫醇(諸如乙硫醇、丁硫 醇或者己硫醇)和較長硫醇(諸如己硫醇、辛硫醇或者十二硫醇)的混合物的溶液。在 實施例中，所使用的溶劑可以是氯仿。在實施例中，短對長硫醇的比率可以是6 1或 者7 1。在實施例中，可選擇短硫醇為己硫醇，而選擇較長的硫醇為十二硫醇。在實 施例中，短硫醇與長硫醇的比率可以是3 1。在實施例中，可選擇短硫醇為乙硫醇，而 選擇較長的硫醇為己硫醇。在實施例中，實現了具有以下特性的光電導薄膜(1)在相關電偏壓下小于 100nA/cm2的暗電流密度；(2)在1和20之間的光電導增益，其中好值包括2、3、5、10 和15 ； (3)位于1毫秒和100毫秒之間的瞬時上升時間和下降時間的單一分量，其中1、 2、5、10、30、50、70 和 100 毫秒為好值。在實施例中，光電導薄膜由這樣的材料構成，即當針對至少一個載流子類型 (諸如電子)組合該材料以形成薄膜時，該材料具有由基本上純的化學種類產生的基本上 純的陷阱態(tài)，該陷阱態(tài)在光電導薄膜中產生位于1毫秒和100毫秒之間的瞬時上升時間和 下降時間，其中1、2、5、10、30、50、70和100毫秒為好值。在實施例中，光電導薄膜由具有基本上相同的直徑的膠體量子點組成，該膠體 量子點主要由半導體(諸如PbS(硫化鉛))制成，具有一個或者更多個配體或者鏈接劑分 子，并且具有基本上位于其表面的基本上單一的雜質亞硫酸鉛(PbS03)，在室溫處具有 大約25-35毫秒的基本上單一的時間常數。在實施例中，光電導薄膜由半導體(諸如PbS)組成，用基本上僅一種單一類的 雜質種類(諸如亞硫酸鉛(PbS03))來修飾該半導體，并且該半導體基本上缺少其它雜 質，諸如Pb-羧酸鹽、硫酸鉛(PbS04)、氧化鉛(PbO)。在實施例中，第一薄膜緊鄰電接觸并且用來進行歐姆接觸或者低勢壘電壓非歐 姆接觸，并且其后有在該第一薄膜之上、用作光電導層的第二薄膜。在實施例中，第一薄膜緊鄰電接觸并且用來阻擋一種載流子類型(諸如電子)流 出，而允許其它載流子類型(諸如空穴)流出，并且其后有在該第一薄膜之上、用作光電 導層的第二薄膜。在實施例中，在電接觸陣列之上橫向形成光電導光電晶體管。具有較大帶隙并 且作為更強地P摻雜的第一薄膜緊鄰接觸。該薄膜不可在接觸之間連續(xù)地延伸，而是可 以簡單地覆蓋每個接觸并且不跨越之間的間隔。第二薄膜位于第一(可能不連續(xù))薄膜 之上，其具有較小帶隙并且作為η型或者接近本征或者更適度的ρ型。實施例包括光電導光檢測器陣列，其中陣列的某些空間區(qū)域對波長的某些帶具 有提高的靈敏度，而對波長的其它帶具有低得多的靈敏度。例如，與紅光、綠光、紫 外線和紅外線相比，某些空間區(qū)域可對藍光具有提高的靈敏度。實施例包括陣列，其中 通過組合光電導材料和波長選擇光學吸收(wavelength-selective-optically-absorbing)材料 (諸如那些用于形成濾色器陣列的材料)來實現所述的顏色靈敏度。實施例包括像素，其中兩個分量(一個是光電導材料，另一個是波長選擇光吸收材料)在處理過程中基本上相隔離(phase-segregate)，導致像素的頂部主要由波長選擇 光學吸收材料構成，而像素的底部主要由光電導材料構成?，F在討論制造感光層并且將它們集成在襯底上的方法。在一實施例中，可使用 熔潭鑄在光檢測器結構1400上沉積量子點材料1200。熔潭鑄可包括將所測量量的量子點 材料200沉積到襯底上并且允許溶液蒸發(fā)。所產生的薄膜可裂開或者可以不裂開。熔潭 鑄可實現在非平面表面上的每平面平方厘米沉積一定數量的量子點1200。熔潭鑄可實現 在光檢測器結構1400之上的共形涂覆(conformal coating)，而不用旋涂。熔潭鑄可以類似 于電沉積或者金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)，在其中熔潭鑄可導致濃度分級或者濃 度隨著時間的變化，而不只是圖案。熔潭鑄可用可經過相變的材料進行。熔潭鑄的目標 可以是以種類來適當地設置量子點1200間的間隔，可以以薄膜形式適當地管理該種類。 熔潭鑄的目標可以是以可操作的配置和/或用戶定義的方式適當地分布量子點1200。熔 潭鑄的目標可以是獲得具有所期望的暗傳導率、所期望的光電導光致電壓增益、所期望 的噪聲電流等的空間均勻的薄膜。熔潭鑄的目標可以是設置具有沉積物的階段用于之后 的操作。在一實施例中，用于熔潭鑄的量子點材料200可包括在溶劑中的量子點1200或 溶劑。溶劑可以具有不同的揮發(fā)度。例如，溶劑可以是高揮發(fā)性溶劑(諸如正己烷)和 低揮發(fā)性溶劑(諸如辛烷)的組合。溶劑可以是“較少”溶劑，諸如2丙醇。溶劑可 以是“好”溶劑，諸如甲苯或者氯仿。量子點材料200還可以包括配體。配體可用于 鈍化量子點1200，諸如丁胺、苯硫酚、苯二硫醇、辛胺、吡啶。量子點材料200還可以 包括非溶劑。非溶劑(諸如甲醇、乙酸乙酯、乙腈、丙醇和異丙醇)可引起沉淀和薄膜 形成。量子點材料200還可以包括交聯劑，諸如乙腈(MeCN)、乙硫醇(ET)、乙二硫醇 (EDT)或者苯二硫醇(BDT)?？赡茉谌厶惰T薄膜形成中重要的參數可以是氣相中的材 料、溫度、壓力和時間的引入。熔潭鑄可使得能夠獲得具有高遷移率的致密薄膜。熔潭 鑄可以使得能夠獲得光滑、均勻、未裂開的薄膜。如這里所描述的，在薄膜形成過程中 的配體交換可以是可能的。配體交換可與薄膜形成基本上同時進行，以獲得高密度、均 勻的薄膜。也如這里所述的，在薄膜形成過程中的配體交換也可以通過溶液的生長和噴 墨打印應用于薄膜形成。例如，在從溶液的生長中，可將晶片樣本浸沒在量子點溶液400 中，并且溶液中的量子點1200可響應于對已經沉積的量子點1200的親和力或者響應于通 過交聯劑(諸如配體交換)或者非溶劑的化學操作而在晶片上自我沉積或者聚集。溫度 可以是將材料沉積到襯底上的因素。也可將交聯劑或者非溶劑引入量子點溶液400或者 沉積為晶片或者襯底上的層。有可能具有穩(wěn)定的膠體溶液并且具有伴隨配體交換/交聯 劑發(fā)生的沉積過程。在任何情形中，由于易揮發(fā)溶劑從熔潭蒸發(fā)，從而在襯底上沉積了 高度濃縮的量子點1200。熔潭鑄中的因素可以是熔潭限制。在形成QD先驅體層之后，可將QD熔融來產生具有增強的光學和電學特性的 QD薄膜，并且其適合于在完成的電子或光電其間中使用。在一個實施例中，通過在高至大約450°C或者在大約150°C和450°C之間的溫度 退火密封層來熔融QD先驅體層中的QD的至少部分。在其它實施例中，在較低溫度處理 層，例如在大約室溫到高至大約150°C、或者高至大約100°C、或者高至大約80°C。在一 些實施例中，基本上不在外界(室內)溫度以上處理QD先驅體層。如上所述，熔融步驟使得相鄰的QD的核直接的物理和電接觸。也有可能“過熔融” QD，在該情況中，QD 可能失去它們的個體特性并且表現得更像體(bulk)半導體材料。期望通過針對退火所選 擇的參數來避免這種過熔融或者通過檢測來避免這種過熔融條件。通常將在真空中或者 在其它方式的無水環(huán)境下執(zhí)行退火步驟，以避免將QD的核熔融之前在QD的外表面上形 成缺陷態(tài)(例如，氧化)。以此方式，在QD結合在一起的區(qū)域中將基本沒有缺陷態(tài)，但 是這些區(qū)域將具有基本上均質的成分和晶體結構。在其它實施例中，可在調節(jié)氧氣分壓 的富氧環(huán)境或者氧氣環(huán)境中執(zhí)行熔融步驟。通常在熔融步驟之前或者與熔融步驟同時也去除QD先驅體層中的配體。例如， 如果QD先驅體層中的配體是易揮發(fā)的，則由于該配體易于受熱揮發(fā)，因此可容易地移除 它們?；蛘?，例如，如果QD先驅體層中的配體不是易揮發(fā)的，則可通過將層浸入溶劑 中來從QD先驅體層去除該配體，該溶劑溶解并且因此從QD分離配體，但是一般不破壞 QD層中的QD排列。一般而言，優(yōu)選地，去除配體不顯著改變QD層的體積(例如，小 于大約30% )，大的體積改變可裂開或者以其它方式損壞完成的QD薄膜。在許多實施例，尤其是適合于光學應用的實施例中，在熔融的QD的外表面上產 生缺陷態(tài)?！叭毕輵B(tài)”意味著QD的基本上均質的晶體結構的其它方式的破壞，例如， 在晶體點陣中的位錯或者雜質原子的出現。在許多情況中，該缺陷態(tài)將存在于QD的外 表面上。通過例如在熔融和配體去除之后氧化QD能夠產生缺陷態(tài)。在操作期間，如果 在QD薄膜內產生了電子空穴對，一個或更多空穴可能被缺陷態(tài)俘獲，這將妨礙空穴與電 子快速再結合，其因此將允許電子以長得多的時間流過薄膜。除此之外，這能夠積極地 影響光電導光致電壓增益。一般而言，能夠涂覆或者以其它方式處理熔融的QD的外表面，因此該外表面具 有與熔融的QD的核不同的成分。例如，外表面能夠包括半導體或者絕緣殼。在實施例中，在溶液相下處理有機配體修飾的膠體量子點，以便引入新的有機 配體或者配體的組合。例如，可將膠體量子點引入包含較短硫醇(諸如乙硫醇、丁硫醇 或者己硫醇)和較長硫醇(諸如己硫醇、辛硫醇或者十二硫醇)的混合物的溶液中。在 實施例中，所使用的溶劑可以是氯仿。在實施例中，短硫醇對長硫醇的比率可以是6 1 或者7 1。在實施例中，短硫醇可選擇為己硫醇，而較長硫醇可選擇為十二硫醇。在 實施例中，短硫醇對長硫醇的比率可以是3 1。在實施例中，短硫醇可選擇為乙硫醇， 而較長硫醇可選擇為己硫醇。在實施例中，實現了具有以下特性的光電導薄膜(1)在相關電偏置下小于 100nA/cm2的暗電流密度；(2)在1和20之間的光電導增益，其中好值包括2、3、5、10 和15 ； (3)位于1毫秒和10毫秒之間的瞬時上升時間和下降時間的單一分量，其中1、 2、5、10、30、50、70 和 100 毫秒為好值。在實施例中，光電導薄膜由以下材料構成，即當組合材料以形成針對至少一種 載流子類型(諸如電子)的薄膜時，該材料具有由基本上純化學種類得到的基本上純陷 阱態(tài)，該陷阱態(tài)在光電導薄膜中產生位于1毫秒和10毫秒之間的瞬時上升時間和下降時 間，其中1、2、5、10、30、50、70和100毫秒為好值。在實施例中，光電導薄膜由具有基本上相同的直徑的膠體量子點組成，該膠體 量子點主要由半導體(諸如PbS(硫化鉛))制成，具有一個或者更多個配體或者鏈接劑分子，并且具有基本上位于其表面的基本上單一的雜質亞硫酸鉛(PbS03)，在室溫處具有 大約25-35毫秒的基本上單一的時間常數。在實施例中，光電導薄膜由半導體(諸如PbS)組成，用基本上僅一種單一類的 雜質種類(諸如亞硫酸鉛(PbS03))來修飾該半導體，并且該半導體基本上缺少其它雜 質，諸如Pb-羧酸鹽、硫酸鉛(PbS04)、氧化鉛(PbO)。在實施例中，第一薄膜緊鄰電接觸并且用來制作歐姆接觸或者低勢壘電壓的非 歐姆接觸，并且其后有在該第一薄膜之上、用作光電導層的第二薄膜。在實施例中，第一薄膜緊鄰電接觸并且用來阻擋一種載流子類型(諸如電子)流 出，而允許其它載流子類型(諸如空穴)流出，并且其后有在該第一薄膜之上、用作光電 導層的第二薄膜。在實施例中，在電接觸陣列之上橫向形成光電導光電晶體管。具有較大帶隙并 且作為更強地P摻雜的第一薄膜緊鄰接觸。該薄膜可以不在接觸之間連續(xù)地延伸，而是 可以簡單地覆蓋每個接觸并且不跨越之間的間隔。第二薄膜位于第一(可能不連續(xù))薄 膜之上，其具有較小帶隙并且作為η型或者接近本征或者更適度的ρ型。實施例包括光電導光檢測器陣列，其中陣列的某些空間區(qū)域對波長的某些帶具 有提高的靈敏度，而對波長的其它帶具有低得多的靈敏度。例如，與紅光、綠光、紫 外線和紅外線相比，某些空間區(qū)域可對藍光具有提高的靈敏度。實施例包括陣列，其中 通過組合光電導材料和波長選擇光學吸收(wavelength-selective-optically-absorbing)材料 (諸如那些用于形成濾色器陣列的材料)來實現所述的顏色靈敏度。實施例包括像素，其中兩個分量(一個是光電導材料，另一個是波長選擇光吸 收材料)在處理過程中基本上相隔離(phase-segregate)，導致像素的頂部主要由波長選擇 光學吸收材料構成，而像素的底部主要由光電導材料構成。實施例包括基于使用膠體量子點制成的薄膜的靈敏、低暗電流光檢測器。實 施例包括像素，其成分給了它們所期望的光電導光檢測器特性，包括高靈敏度和高信噪 比，其中靈敏度意味著檢測低光的能力。像素的其它所期望的特性包括速度或者低滯 后，這允許捕捉照片或者視頻而沒有重影效應。所描述的像素也是非常敏感的。響應度 與靈敏度有關，但是不是同一事物。如這里所使用的，響應度意味著對于給定量的光信 號相對大量的電信號。所描述的像素還實現了低背景水平。以完成的或者部分完成的電 子集成電路來容易地集成所描述的像素，該集成電路實現信號的低噪聲讀出，并且將所 產生的電子信號傳遞到集成電路的其它部分(諸如放大器、模數轉換器、數字邏輯處理 和存儲器)，其中該信號以已知方式與在指定積分周期接收的積分光子通量有關。包括這里所描述的像素的光電導光檢測器的實施例在弱照度處保持了高水平的 信噪比。包括這里所描述的像素的光電導光檢測器的實施例還將當器件在暗中時在這些 器件中流過的電流的量(暗電流)降低了許多量級，由此顯著地改進對于給定照明水平的 信號背景比。包括這里所描述的像素的光電導光檢測器的實施例還保證器件顯示足夠快的對 光的響應以及從光的恢復，以允許具有短暫曝光(毫秒到秒)的無模糊成像和令人滿意的 視頻的捕捉(例如，60fps、30fps、15fps)。
包括這里所描述的材料成分和制造方法的實施例可適用于之前所描述的結構。 一般而言，器件結構包括實現與光電導材料歐姆接觸的電極。這形成簡單電路，例如在 固定電壓下操作的可變電阻器。在該示例中，在存在光的情況下存在通過可變電阻器的 電流。材料的傳導率最終確定阻抗，并且該傳導率與遷移率和載流子密度成比例。載流 子流的遷移率或容易程度以及載流子密度描述可用的載流子數量。這兩個數字非零的意 味著即使在黑暗中也存在一定密度的電荷載流子(電子、空穴或者二者)將流動并且生成 背景。當照明時，存在傳導率的增加，假定將基本上不改變載流子流動的傾向，但是載 流子的數量將不同并且將存在“過度載流子密度”。響應于光的改變的電流改變(可歸 因于載流子密度的改變)是設法要感測的?，F有器件中的該簡單光電導的挑戰(zhàn)是信號與背景的比率等于傳導率的改變除以 傳導率，并且消去了這些遷移率數字，產生了常數。這留下了載流子密度與潛在暗載流 子密度的比率的改變。在該結構中不具有充分的信號背景比的事實與在該器件中存在單 一類型的載流子流有關。為了將其克服，實施例使用了基于產生允許進入新的靈敏度機 制的光電晶體管的新的光檢測器結構?？梢詫⒐怆娋w管描繪成包括三個接觸的雙極結 晶體管，每個該接觸到發(fā)射極、基極和集電極。與具有電基極不同，光是第三“信號” 的源極。光是被放大的信號，類似于雙極結晶體管中的基極信號。更具體地，放大由光 的吸收導致的電信號。實施例包括以作為光電導層的膠體量子點薄膜例示的新的光電晶體管。另外的 實施例包括對接觸的各種選擇以及制造器件的方法和具有物理器件結構的單元。光電晶體管的實施例利用存在兩種類型的載流子的事實，該事實提供了改進該 器件中的信號背景比的機會。例如，實施例包括這樣的器件，其中暗電流響應于電子， 并且其中由光通量造成的傳導率改變響應于過度空穴。遷移率不像以前那樣彼此抵消， 而是存在可以控制的遷移率比。實施例還包括基于膠體量子點的光電導光檢測器，其中在黑暗中，一種載流子 類型(例如電子)是主要的。在照明下，甚至是弱照度(例如< 10nW/cm2)，另一種載 流子類型(例如空穴)為電流提供最主要的貢獻。實施例還包括光電導光檢測器，其是用于光的傳感器，其提供基于一種載流子 類型(例如電子)的俘獲結合另一種類型(例如空穴)的流動的增益。實施例還包括光電導光檢測器，其中空穴是主要的，并且在照明下，電子主導 電流。實施例還包括使用N型膠體量子點制成的光電導光檢測器。這與使用η型和ρ 型材料的組合的光電二極管或者光伏器件(photovoltaic)不同。相反地，實施例可以包括P型半導體和低功函數金屬(功函數淺于4.5eV，包括 Al、Mg、Ag、Ca、適當處理的 TiN、TaN)。實施例還包括包括薄膜的拓撲，該薄膜包括熔融晶體的網絡，該納米晶體具有 核和外表面，其中至少部分熔融的納米晶體的核與至少一個相鄰的熔融的納米晶體的核 直接物理接觸和電連接，并且其中薄膜在熔融的納米晶體的核的區(qū)域中基本上沒有缺陷 態(tài)。實施例還包括前述的具有N型半導體的拓撲，其中膠體量子點組成半導體。
實施例還包括前述的具有N型半導體的拓撲，其中膠體量子點組成半導體，其中不存在P型半導體材料。實施例還包括作為具有深于4.5eV的功函數的金屬的深功函數接觸。示例包括 Au、Pt、Pd、ITO、 Cu、Ni 和適當修改的 TaN 和 TiN。實施例還包括與N型半導體結合的深功函數接觸，其中膠體量子點組成該半導 體。深功函數接觸被描述為肖特基接觸，其中通過這樣的金屬接觸η型半導體，與該金 屬的導電帶(其傳導電子)相比，該金屬的功函數更靠近其價帶(對于空穴)。之前一般 已經在半導體和金屬之間形成了肖特基接觸(對比于對膠體量子點薄膜的這種接觸)。實施例還包括與上述拓撲進一步結合的與N型半導體結合的深功函數接觸。實施例還包括與基于膠體量子點的η型半導體結合的貴金屬接觸。如下面所描述的，存在各種方法實現如上所敘述的光電晶體管概念。例如，金 屬半導體界面的選擇提供了控制流動的載流子類型的機會。實施例包括注射或者提取空 穴而不是電子的選擇性接觸。這提供了進入載流子類型之間的區(qū)別的機制。在其它實施例中，界面可以不是純的簡單金屬半導體界面。所期望的選擇可以 來自中介層以及來自金屬選擇。中介層可以是半導體或者絕緣體。另外，實施例包括這 樣的器件，其中有若干特性通過光電導層控制。這些特性之一是該介質中的空穴遷移率 與電子遷移率的比。另一特性是平衡載流子密度，基本上凈摻雜。例如，在半導體中， 可以通過所謂的補償獲得凈類型。光電導層的另一個屬性是載流子壽命，利用該屬性以獲得靈敏度并且該屬性在 獲得低滯后方面也是重要的。如以下進一步描述的，設計光電導層材料和組成該材料的 膠體量子點，以獲得光電晶體管的期望的特性。圖39是根據實施例的橫向像素的功能塊 的框圖。圖40是根據實施例的垂直像素的功能塊的框圖。現在將參考圖39和40描述各個實施例的方面，包括物質的成分和制作方法。盡 管在所聲明的發(fā)明的范圍內可能有廣泛種類的特定器件幾何，但是各種器件通常包括以 各種組合具有以下所述的一個或者更多個屬性的材料。參考圖39和40，像素100和200 每個包括包括光電導材料的有源層(分別為104和204)。像素100和200還包括覆蓋層 102和202，該覆蓋層包括鈍化層、密封層、透明電介質、濾光器、其它像素(有源層和 接觸)和微透鏡。像素100和200還包括注入接觸110和210以及取出接觸108和208。 像素100和200還包括包括硅CMOS集成電路的襯底層106和206。有源層104和204具 有一種被稱為流動載流子的載流子類型(例如空穴)。流動載流子通常具有l(wèi)E-5Cm2/Vs 或者更高的遷移率，其中具體期望值包括lE_4cm2/Vs、2E_4cm2/Vs和lE_3cm2/Vs。 有源層104和204中的其它載流子類型(例如電子)被稱為被俘獲載流子。在一實施例中，被俘獲載流子具有小于流動載流子類型的遷移率至少10倍的遷 移率，其中具體期望值包括小于流動載流子100倍和小于流動載流子1000倍。被俘獲載 流子還具有特定密度的陷阱態(tài)，其具有以下特點壽命通常在1微秒到1秒的范圍，其中 具體期望值包括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 的范圍，其中具體期望值包括 lE14cm_3、lE15cm_3、lE16cm_3、lE18cm_3 和lE19cm-3。流動載流子穿過器件而基本上不增加超過散粒噪聲和Johnson噪聲以及 其作為電阻器操作所特有的產生復合噪聲的噪聲(諸如倍增噪聲)。如果散粒噪聲限制器件，那么噪聲電子的數量Q_n應該基本上不超過暗電子的數量Q_d的平方根。如果 Johnson噪聲限制器件，那么噪聲電流i_n應該不顯著超過(4kBTAf/R)的平方根，其中 kB是玻爾茲曼常數，T是器件溫度，Af是帶寬，并且R是器件的阻抗。在沒有照明時，載流子的體積密度極其小。如果空穴是流動載流子，那么空穴密度可以是10Λ12αη-3，使得有源層為非常輕微摻雜的ρ型材料。空穴密度仍然可以更 低，諸如10Λ6αη-3，以使得有源層為有效地本征材料。空穴密度仍還可以更低，諸如 10Λ0αη-3或者更低，使得有源層為η型材料。這保證了多數載流子是被俘獲載流子而不 是流動載流子。像素100和200分別包括注入接觸(110和210)以及取出接觸(108和208)。在 偏壓條件下，注入接觸以比其從有源層將被俘獲載流子抽出到接觸中更高的效率將流動 載流子注入到有源層中。在偏壓條件下，取出接觸以比其將被俘獲載流子注入到有源層 中高得多的效率從有源層將被俘獲載流子取出到接觸中。偏壓條件包括在注入接觸上的相對于取出接觸的偏壓，如果流動載流子是空 穴，則通常為+0.1V、+IV、+1.8V或者+2.8V。如果流動載流子是電子，則極性相反。像素100和200分別包括光電導材料的有源層(104和204)。在一實施例中，有 源層材料由相互接觸的半導體納米微粒組成，其中可用以下中的一個或者更多個涂覆所 連接的粒子的未接觸表面無機材料，諸如氧化物或者硫酸鹽；以及有機材料，諸如有 機配體。相互接觸的半導體納米微粒可以由諸如以下的晶體半導體制成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。涂覆所連接的納米微粒的未接觸表面的無機材料可包括以下中的一個或者更多 個PbS04、PbO> PbSe04、PbTe04以及其組合;以各種比例的SiOxNy ；以各種比例 的In203;硫、硫酸鹽和硫氧化物；碳和碳酸鹽(諸如PbC03)；以及金屬或者半金屬 (諸如過量Pb、Cd、In)。涂覆所連接的納米微粒的未接觸表面的有機材料可包括硫醇，諸如乙硫醇、 乙二硫醇、苯硫醇、苯二硫醇；胺，諸如吡啶、丁胺和辛胺；胼；以及羧酸鹽，諸如油酸。垂直于光的入射方向的有源層的尺寸可通常為100到3000nm，其中以使得基本 上吸收所感興趣的光的波長的方式選擇厚度。例如，如果使用PbS相互接觸半導體納米 微粒，并且如果它們的體積填充分數大于10%，那么150到350nm之間的厚度將通常實 現可見光的基本吸收。像素100和200分別包括注入接觸(110和210)以及取出接觸(108和208)。在 實施例中使用相同的材料制作注入接觸和取出接觸，或者在其它實施例中使用彼此不同 的材料制作注入接觸和取出接觸。接觸可由導電材料(諸如金屬或者退化摻雜的半導體) 或者這種材料的組合組成。如果空穴是流動載流子，則注入接觸可由Au、Pt、Pd、Cu、Ni、NiS> TiN、
TaN或者ρ型多晶硅或者ρ型無定形硅組成。如果電子是流動載流子，則注入接觸可由Al、Ag、In、Mg、Ca、Li、Cu、Ni、NiS> TiN、TaN或者η型多晶硅或者η型無定形硅組成。可選地，接觸可由以下的組合組成金屬或者退化摻雜的半導體，或者這種材 料的組合；以及半導體或者甚至絕緣體(例如，具有帶隙的材料)。在后面的情況中， 第二種材料(半導體或者絕緣體)通常是與有源層直接物理接觸的材料。第一層成分的 示例與以上關于接觸所列出的一樣。如上面在描述有源層時所描述的那樣，第二層(半 導體或者絕緣體)成分的示例包括相互接觸的半導體納米微粒的薄(例如5-50nm)層。 然而，在第二層的情況中，將通常使用較大帶隙材料(例如，具有與有源層相同材料成 分的較小納米微粒，或者具有大于有源層的帶隙并且也可能不同尺寸的不同納米微粒) 來制成該薄層。另外，通常將使用更重摻雜的半導體來制成該薄層。如果在有源層中 空穴是流動載流子，那么通?？墒褂胠E16cm-3或者lE18Cm_3或者甚至lE20cm-3的ρ 型摻雜。薄(例如2-20nm)層可以是諸如以下的無定形材料或者多晶材料PbSnTe ； As2S3 ； As2Se3 ； Si02 ； Si3N4 ；或者 SiOxNY。在不同的實施例中，可通過以下過程制成有源層合成合成一般具有相同大 小的膠體量子點，其中典型大小在I-IOnm的范圍內。在合成期間通?？赏ㄟ^使用希萊克 技術來小心地排除氧氣和水；或者可選地，可以受控方式在合成的各個階段引入氧氣和 水中之一。納米微粒清洗可選擇地，使用非溶劑(諸如丙酮、異丙醇、甲醇)來引起 量子點沉淀；包括可能在高旋轉速率(諸如10,000或者13,OOOrpm)的離心；再分散在新 的溶劑(諸如氯仿、甲苯、己烷、辛烷)中。在合成過程中通?？赏ㄟ^使用希萊克技術 或者手套箱或者其它環(huán)境受控室來小心地排除氧氣和水；或者可選地，可以受控方式在 合成的各個階段引入氧氣和水之一。溶液相配體交換可選擇地，使用非溶劑(諸如丙 酮、異丙醇、甲醇)來引起量子點沉淀；再分散在可混合至少一個種類(例如乙硫醇、乙 二硫醇、苯硫醇、苯二硫醇、己硫醇、諸如包含鉍、銦、銻的可溶性鹽、諸如Na2S04的 硫酸鹽)的新溶劑(諸如乙腈、水、甲醇、氯仿、甲苯、己烷、辛烷、丁胺、辛胺)中； 然后通?？稍诙栊原h(huán)境(N2、Ar2)或者已經引入了附加反應物(02、H20、H2S、氣相硫 醇)的環(huán)境中，將該新分散在室溫或者提高的溫度(例如60°C或者80°C)留置短暫的時期 (例如1-5分鐘)或者更延長的時期(例如許多天)；并且，在該時期之后，可如(2)納 米微粒清洗中那樣選擇性地對其進行沉淀和再分散(包括多次)。薄膜鑄包含從(1)、 或者⑴繼之以(2)、或者⑴繼之以(3)、或者⑴繼之以⑵繼之以(3)得到的膠體 量子點的溶液，然后可用于制造薄固體薄膜或者薄固體薄膜的多個順序層。方法包括旋 鑄，其中將溶液的小滴分配到襯底或集成電路上；可選擇地允許延展；并且然后通過放 置該小滴的襯底的旋轉來引起小滴延展和干燥，通常使用通常超過幾分鐘的旋轉加速、 恒定旋轉速度和旋轉減速的次序，并且通常在500到IOOOOrpm的范圍，其中1000、3000 和5000rpm為典型值。薄膜處理然后可結合(之前或者之后或者二者)溫度的提 高，將 所產生的薄膜(和/或組成最終的多層薄膜的多個層的每層)暴露到某些溶液環(huán)境和/或 氣相環(huán)境中。典型溫度包括室溫、60°C、80°C、IOO0C> 130°C、150°C、180°C、200°C、 250300350°C和400°C。以下所列出的針對各個步驟、溫度步驟和化學處理步驟 的典型時間包括30秒、1分鐘、3分鐘、5分鐘、10分鐘、30分鐘、1小時、14小時和3 天。典型溶液相處理包括將襯底和薄膜浸沒在無水乙腈和無水甲苯或者無水氯仿的溶 液中，該溶液按照體積的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、鉍鹽中的一個或者 更多個。使氣體(諸如氣相硫醇、H2S、02、H20)或者合成氣體(以諸如3.5 97.5 或者5 95的比率的H2 Ar或者H2 N2)經過該襯底和薄膜，無論襯底或者薄膜是 否在溶液中(諸如在(5)a中)?，F在將討論制造接觸的方法?？墒?用多種過程來形成需要形成注入和取出部件 的導電部分的材料。在將CMOS硅部分與這里所描述的光電導覆蓋層組合的集成電路的 制造中，可使用預先存在的標準過程在CMOS制作內(例如TSMC、SMIC> UMC)制造 接觸。所使用的過程可包括蒸發(fā)噴鍍、無電沉積或者電沉積。如果之前提供所期望的用 于最終接觸的布局的層預存在于襯底上，那么電沉積或者無電沉積可用于基本上重制具 有頂上沉積的附加層的空間圖案?，F在將討論形成可選頂半導體層或者絕緣層的方法?？墒褂枚喾N工藝來形成需 要形成注入和取出部件的半導體或者絕緣部分的材料，該部件的目的是進一步增強有利 于流動載流子并且不利于被俘獲載流子的選擇性。在將CMOS硅部分與這里所描述的光 電導覆蓋層結合的集成電路的制造中，可使用預先存在的標準過程在CMOS制作內(例 如TSMC、SMIC、UMC)制造接觸。所使用的過程可包括蒸發(fā)噴鍍、無電沉積或者電沉 積。如果之前提供所期望的用于最終接觸的布局的層預存在于襯底上，那么電沉積或者 無電沉積可用于基本上重制具有頂上沉積的附加層的空間圖案。尋求提供低水平光的靈敏檢測的光電導光檢測器像素包括像素，該像素包括 注入接觸；取出接觸；以及包括膠體量子點薄膜的光電導材料，該膠體量子點薄膜與注 入接觸和取出接觸中的每個接觸，以形成光電晶體管，其中在光電導材料中的兩種載流 子流類型包括電子流和空穴流，并且其中將光電導體材料成分設計成控制兩種類型的載 流子的流動并且影響信噪比。在一實施例中，暗電流響應于電子而流動。在一實施例中，響應于過量空穴的光流與光電導材料的傳導率的改變有關。
在一實施例中，在接觸和光電導材料之間的金屬半導體界面的成分控制兩種載 流子類型的哪種是流動載流子。在一實施例中，光電導材料的成分控制電子遷移率對空穴遷移率的比。在一實施例中，光電導材料的成分控制平衡載流子密度。在一實施例中，光電導材料的成分決定載流子壽命，其改進滯后。實施例還包括膠體量子點薄膜光電導光檢測器像素，該像素包括襯底層；包 括光電導材料的有源層，其中光電導材料包括兩種載流子類型，包括空穴類型載流子和 電子類型載流子，其中一種類型是流動載流子而另一種類型是被俘獲載流子；以及緊鄰 光電導材料的注入接觸，其中在偏壓條件下，注入接觸以比其將被俘獲載流子從有源層 取出到接觸中大得多的相對效率來將流動載流子注入到有源層中；取出接觸緊鄰光電導 材料，其中在偏壓條件下，取出接觸以比其將被俘獲載流子注入到接觸中大得多的效率 來將流動載流子從有源層取出到接觸中；以及一個或更多個覆蓋層。在一實施例中，一個或者更多個覆蓋層緊鄰取出接觸。在一實施例中，一個或者更多個覆蓋層緊鄰有源層。在一實施例中，流動載流子具有至少lE_5cm2/V的遷移率。
在一實施例中，被俘獲載流子具有比流動載流子的遷移率小至少10倍的遷移
率。
在一實施例中，被俘獲載流子具有陷阱態(tài)的密度，該陷阱態(tài)具有在1微秒到1秒 之間的壽命。在一實施例中，被俘獲載流子具有陷阱態(tài)的密度，該陷阱態(tài)具有l(wèi)E12cm-3到 lE22cm-3范圍內的密度。在一實施例中，針對像素的偏壓條件包括注入接觸上的相對于取出接觸的偏 壓，當流動載流子是空穴時，該偏壓具有從包括+0.1V、+IV、+1.8V和+2.8V的組中選 擇的值。如果流動載流子是電子，則極性相反。在一實施例中，針對像素的偏壓條件包括注入接觸上的相對于取出接觸的偏 壓，當流動載流子是電子時，該偏壓具有從包括-0.1V、-IV、-1.8V和-2.8V的組中選 擇的值。在一實施例中，一個或者更多個覆蓋層包括以下的一個或者更多個鈍化層； 密封層；透明電介質；濾光器；包括其它有源層和其它接觸的其它像素；以及微透鏡。在一實施例中，有源層的光電導材料包括相互接觸的半導體納米微粒，該半導 體納米微粒包括未接觸表面，并且其中可由從以下的組中選擇的一個或者更多個涂料來 涂覆未接觸表面包括氧化物或者硫酸鹽的無機材料；以及包括有機配體的有機材料。在一實施例中，相互接觸半導體納米微粒包括從以下的組中選擇的晶體半導 體PbS、PbSe、PbTe ； CdS > CdSe、CdTe ； Si、Ge、C ；包括 α 相或者 β 相的 In2Se3、In2S3 ； InP ；以及 Bi2S3。在一實施例中，涂覆納米微粒的未接觸表面的無機材料包括從以下的組中選擇 的一種或者更多種材料PbS04、PbO> PbSe04、PbTe04以及其組合；以各種比例的 SiOxNy ；以各種比例的In203;硫、硫酸鹽和硫氧化物；碳和碳酸鹽(諸如PbC03)； 以及金屬和包括過量Pb、Cd、In的半金屬。在一實施例中，涂覆納米微粒的未接觸表面的有機材料包括從以下組中選擇的 一種或者更多種材料硫醇，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；以及羧酸鹽，包括油酸。在一實施例中，垂直于光的入射方向的有源層的尺寸包括在IOOnm和3000nm之 間，并且其中以基本上吸收感興趣的光的波長的方式來選擇有源層的厚度。在一實施例中，注入接觸和取出接觸由相同的材料制成。在一實施例中，注入接觸和取出接觸由不同的材料制成。在一實施例中，注入接觸和取出接觸中的至少一個包括導電材料，該導電材料 包括從以下組中選擇的一種或者更多種材料金屬；退化摻雜的半導體；以及金屬和退 化摻雜的半導體的組合。在一實施例中，流動載流子包括空穴，并且其中注入接觸包括從以下組中選擇 的一種或者更多種材料Au、Pt、Pd、Cu、Ni、NiS> TiN、TaN、ρ型多晶硅以及ρ型
無定形硅。在一實施例中，流動載流子包括電子，并且其中注入接觸包括從以下組中選擇 的一種或者更多種材料Al、Ag、In、Mg、Ca、Li、Cu、Ni、NiS> TiN、TaN、η 型多晶硅和η型無定形硅。在一實施例中，至少一種接觸包括第一層，其包括從以下組中選擇的一種或 者更多種材料金屬；退化摻雜的半導體；以及金屬和退化摻雜的半導體的組合；以 及第二層，其包括從以下組中選擇的一種或者更多種材料半導體；以及具有帶隙的材 料。在一實施例中，第二層包括相互接觸半導體納米微粒，并且其中當在有源層中 空穴是流動載流子時，使用ρ型摻雜。在一實施例中，第二層具有近似5nm到50nm的厚度。在一實施例中，第二層具有從以下組中選擇的ρ型摻雜濃度lE16cm-3; lE18cm-3 ；以及 lE20cm_3。在一實施例中，第二層包括從以下組中選擇的無定形材料和多晶材料中的一種 或者更多種PbSnTe ； As2S3 ； As2Se3 ； Si02 ； Si3N4 ；以及 SiOxNY。實施例還包括制造光電導光檢測器的方法，該光電導光檢測器實現低水平光的 靈敏檢測，該方法包括形成活性光電導層，包括合成具有Inm到IOnm范圍內的尺寸的 膠體量子點；從包含膠體量子點的溶液制造至少一個薄固體薄膜；處理至少一個薄固體 薄膜，包括暴露到溶液相環(huán)境和氣相環(huán)境中的至少一個；以及溫度的提高。實施例還包括形成接觸，包括通過從以下組中選擇的一種或者更多種工藝來形 成接觸的導電層蒸發(fā)噴鍍；無電沉積；以及電沉積。實施例還包括通過從以下組中選擇的一種或者更多種工藝來形成接觸的半導體 層蒸發(fā)噴鍍；無電沉積；以及電沉積。實施例還包括納米微粒清洗，其使用非溶劑來引起量子點沉淀；離心量子 點，包括以高旋轉速率離心；以及將量子點再分散在新溶劑中。在一實施例中，高速選擇包括IOOOOrpm到13000rpm范圍內的速率。實施例還包括溶液相配體交換，包括使用非溶劑來引起量子點沉淀；將量子 點再分散在包含至少一個種類的新溶劑中；以及將新分散留置一段時期。在一實施例中，該時期包括1分鐘到5分鐘的短暫時期，以及許多天的更長的時 期，并且其中在包括室溫和提高的溫度(包括60°C和80°C)的溫度下留置新分散。實施例還包括將新分散留置在以下環(huán)境中，包括惰性環(huán)境以及已經引入了附 加反應物的環(huán)境；以及沉淀并且再分散膠體量子點。在一實施例中，制造至少一個薄固體薄膜還包括從以下組中選擇的一種或者更 多種方法旋鑄，其中將溶液的小滴分配到包括襯底和集成電路之一的表面上；以及通 過表面的旋轉來引起小滴延展和干燥。在一實施例中，表面的旋轉包括超過幾分鐘的旋轉加速、恒定旋轉速度和旋轉 減速的次序，其中旋轉速率在500rpm到IOOOOrpm的范圍內。在一實施例中，在處理至少一個薄固體薄膜過程中的溫度提高包括從以下組 中選擇的一個或者更多個溫度室溫、60°C、80°C、100°C、130°C、150°C、180°C、 200°C、250°C、300°C、350°C和 400°C。
在一實施例中，以從以下組中選擇的時期提高文圖30秒、1分鐘、3分鐘、5 分鐘、10分鐘、30分鐘、1小時、14小時和3天。
在一實施例中，暴露到溶液相環(huán)境包括浸沒在無水乙腈以及無水甲苯和無水氯 仿之一的溶液中，該溶液包含0.1%、1%, 2%, 5%, 10%, 20%或者30%體積的從以 下組選擇的一種或更多種化學物質丁胺、乙硫醇、乙二硫醇、苯硫醇、苯二硫醇、己 硫醇、吡啶、胼、Na2S04和鉍鹽。在一實施例中，暴露到氣相環(huán)境包括使氣體經過薄固體薄膜，其中氣體包括 氣相硫醇、H2S、02、H20中的一種或者更多種；以及合成氣體，包括(包括3.5 97.5 或者5 95的比率的)H2 Ar或者H2 N2。在一實施例中，在將薄膜浸沒在無水乙腈以及無水甲苯和無水氯仿之一的溶液 中時暴露到氣相環(huán)境，該溶液包含0.1%、1%, 2%, 5%, 10%, 20%或30%體積的從 以下組中選擇的一種或者更多種化學物質丁胺、乙硫醇、乙二硫醇、苯硫醇、苯二硫 醇、己硫醇、吡啶、胼、Na2S04和鉍鹽。現在討論與視頻幀速率兼容并且具有光電導增益的光檢測器。這里所描述的實 施例包括光電導光檢測器，其中已經使基本上單一的化學種類與基本上單一的能量深度 相關，并且因此在給定溫度下與基本上單一的陷阱態(tài)壽命相關，并且因此與入射光瞬時 期間的光電流的上升和下降相關的基本上單一的時間分量相關。實施例包括光電導光檢 測器，其中單一的化學種類是PbS03(亞硫酸鉛)；單一的能量深度是近似O.leV;在室 溫下，基本上單一的陷阱態(tài)壽命是大約30毫秒；與光電流的上升和下降相關的基本上單 一的時間分量是大約30毫秒。在實施例中，以下將基本上不包括在光電導介質中硫酸 鉛PbS04，其具有0.3eV或者更高的深度，并且具有秒量級的瞬時分量；羧酸鉛，具有 0.2eV或更高的深度，并具有半秒或更高量級的瞬時分量。還應注意，如果其它化學種類沒有將其與陷阱態(tài)相關聯，則可存在其它化學種 類。例如，PbS可用作用于光電導半導體介質的基礎；并且都可包括諸如以下的有機配 體乙硫醇、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，以及它們與Pb的復合物。圖41-51圖解包括經由表面陷阱態(tài)的選擇性引入來控制光電導光檢測器的時間 響應的實施例。最近已經示出光電導光檢測器顯示高增益(> 1000)和突出的靈敏度(D*> IO13Jones)。利用光電導增益的一個表面缺陷是時間響應受載流子從陷阱態(tài)釋放的限制。 實施例包括在膠體量子點表面上引入特定化學種類，其僅引入具有預定壽命的單一的、 期望的陷阱態(tài)。實施例包括器件，該器件顯示出有吸引力的、結合有助于成像的響應時 間(大約25毫秒)光電導增益(> 10)。將其實現的方法包括提供基本上單一的表面種 類(亞硫酸鉛)，同時排除硫酸鉛和羧酸鉛的存在。實施例因此包括保持了這些器件的突 出靈敏度的光檢測器，這些器件實現可見光中的IO12J0nes的具體檢測靈敏度，同時產生 適合于成像應用的時間響應。時間響應在光檢測中是重要的。 如果光檢測器對光學瞬間的響應超過幀周期， 則可能在圖像中感知到滯后或者重像。傳統(tǒng)成像應用通常要求幀速率在每秒10、15、30 或者60幀的范圍。因此需要具有幾十毫秒范圍內的時間常數的時間響應。對于實現創(chuàng)新的成像系統(tǒng)的新材料和新處理方法存在高度的興趣。溶液處理光 電材料提供低成本的大面積4 ；物理靈活性的好處；與頂表面光檢測器技術5相關聯的100%填充因子；感測波長的能力，諸如在短波長IR6中的、不可由傳統(tǒng)電子材料(諸如 硅)取得的那些。膠體量子點光檢測器的某些實施例已經顯示了極好的靈敏度(D*> 1E13 Jones) 但較慢的響應(幾百毫秒瞬時)；或者快速響應(MHz以及以上)但較低的靈敏度(D* < IO10Jones)8?，F在描述的實施例包括對材料成分的精心控制，其導致光電導光檢測器的時間 響應的設計同時實現突出的靈敏度和可接受的時間響應。由τ。/、給出光電導增益，其中τ 4是流動載流子通過器件的延伸距離的時間， 而是τ。載流子壽命。單獨從靈敏度的來看，這支持了較長的陷阱態(tài)壽命。然而，瞬時 響應直接由載流子壽命確定。實際光電導光檢測器設計的挑戰(zhàn)因此是在增益和瞬時響應 之間建立適當的平衡，并且精心控制材料成分來實現所產生的設計。已經研究了與具有百A/W量級的增益的PbS膠體量子點光檢測器中的陷阱態(tài)相 關聯的能量水平。在情況中，能量水平的三個感光中心位于距離導電帶近似0.1、0.2和 0.34eV，導致大約60ms、300ms和2000ms的載流子壽命(圖41)。盡管30ms的最短 壽命適合于許多成像應用，但是較長的壽命由于其較低的能量而在較低的光強度處占主 導，因此引入了不可接受的滯后。在實施例中，通過旋涂所合成的納米晶體來制造光電導器件，其第一激子峰值 在790nm處，在預先圖案化的交叉梳狀金電極上由油酸修飾。這里所報告的器件的厚度 固定保持在大約250nm。器件的有效面積由電極的5 μ m間隔并且乘以其3mm長度確 定。對于照明，除非另外聲明，否則在642nm處使用具有3.1yW/cm2的光強度的紅色 LED。施加到這里所研究的器件的偏壓是10V，對應于2V/ym的電場。在真空條件下 用裝在低溫保持器中的器件執(zhí)行光電導測量，以便消除氧氣和水分化學吸收效應。丁胺(BA)處理的納米晶體的XPS分析揭示硫酸鉛(PbS04)、亞硫酸鉛(PbS03) 以及羧酸鉛的存在，其歸因于附著到納米微粒的表面的油酸配體。S2p信號的XPS分析 產生了歸因于PbS03的165.5eV處的峰以及由PbS04產生的峰167.8eV(圖42b)，然而 Pb4f信號分析揭示了 138.5eV處的歸因于PbS04和PbS03的氧化態(tài)和歸因于Pb_羧酸 鹽的在139.1eV處發(fā)現的Pb的高度氧化態(tài)(圖42a)。為了驗證該最后的發(fā)現，我們對 Pb-油酸鹽(與用于PbS納米晶體合成的相同)進行了 XPS，揭示了 139.1eV處的Pb的 單峰(見針對XPS結果的詳細分析的補充材料)。然后將羧酸鉛峰(歸因于油酸"Pb鍵)與具有特定時間響應的相應感光陷阱態(tài) 關聯。我們用乙腈中體積比30%的蟻酸的溶液來處理納米晶體薄膜，以用較短的配體來 交換長油酸配體。在這樣做時，我們減小了納米微粒間的間隔，同時保持羧酸鹽部分結 合到納米晶體表面上的Pb原子。以此方式，我們將絕緣器件轉換成了光電導檢測器。 光電流響應的時間測量揭示了大約400ms的主時間常數(圖41)以及還有具有大約33ms 的時間常數的較快分量。XPS將氧化分量揭示為如圖42a所示出的Pb-羧酸鹽組的特征 的139.1eV處的Pb4f信號，以及如由S2p信號(圖42b)所驗證的PbSO3的存在引起的 138.5eV處的信號。該證據表明Pb-羧酸鹽或者PbSO3用作具有(不期望長有效的)大 約420ms時間常數的感光種類。因此需要油酸鹽配體的完 全取出，以便將400ms時間常數指定給特定氧化物種類。我們尋找足夠短以促進輸運并且缺少羧酸鹽功能的配體。為了實現熱力學有利的 羧酸鹽終止配體的取代，我們假定我們將需要將比Pb-羧酸鹽更有力地結合到Pb的端 基。我們選擇乙硫醇，由于其較短的長度的以及預期有力地與Pb結合的半硫醇(thiol moiety)。我們通過浸沒在乙腈中40%體積比的乙硫醇中近似5分鐘來處理器件。我們 從溶液移除器件，用乙腈清洗，并干燥。根據在大約139.1eV處沒 有Pb4f峰(圖42a)，我們推斷真正從納米晶體表明完 全移除了油酸鹽配體。硫醇處理也從納米晶體表面取出了多亞硫酸鹽和硫酸鉛，留下了 PbS03作為單獨的氧化種類(圖42b)。瞬時光電流測量示出了 ET處理納米晶體薄膜在 室溫處顯示具有大約27ms時間常數的單一瞬時分量(圖41)。我們發(fā)現具有硫酸鉛(PbS04)、亞硫酸鉛(PbS03)和羧酸鉛的PbS納米晶體薄 膜顯示具有時間常數大約2s、300毫秒和大約60ms的光電流衰減。擁有羧酸鉛和PbS03 的PbS納米晶體顯示具有時間常數大約420ms和大約33ms的光電流衰減。其上僅存在 亞硫酸鉛的硫醇處理納米晶體顯示大約27ms的單一光電流弛豫時間常數。我們通過將硫 醇處理器件在周圍環(huán)境中老化若干小時確認了在硫酸鹽和較長的兩秒時間常數之間的關 聯。我們發(fā)現顯現出的慢分量具有若干秒的時間常數，并且使用XPS發(fā)現已經發(fā)生了硫 酸鉛的顯著生長(見補充材料)。我們試圖更詳細地研究與所期望的25毫秒陷阱態(tài)相關聯的能量水平。圖43a示 出了作為溫度的函數的光電流。在低溫下，其中感光中心不是熱淬火并且因此器件被完 全敏化，在針對這種材料類似報告的0.14eV的遷移率熱激活之后響應度隨著溫度增加。 在提高的溫度下，光電流猝滅作為感光中心的熱去激活的結果而發(fā)生。淬火速率隨著溫 度的斜率(圖43a的插圖)產生了距離導電帶0.16eV的活化能量。這很好地符合之前報 告的丁胺處理PbS納米晶體光檢測器中的最淺中心。我們使用獨立的方法，即通過研究 光電流瞬態(tài)對溫度的依賴性12來確定相同的激活能量。使用該方法，我們確定感光中心 能量在導電帶以下0.12eV，合理地符合響應度猝滅結果(圖43b)?，F在討論硫醇處理器件的全特性結果，集中于其在需要靈敏度和可接受的時間 響應的組合的成像應用的適用性。在圖43a中報告了譜響應度。使用642nm LED在大 約300nW/cm2的強度水平下測量響應度。向器件施加IOV的偏壓。我們測量器件中的 噪聲電流15并且在圖43a中標繪檢測靈敏度D *。保持靈敏度而受影響在可見光譜上 獲得大于的IO12J0nes的D*。圖43b還示出了作為調制頻率的函數的器件響應度和檢測 靈敏度。根據5Hz以下頻率處的響應度的平坦響應，沒有長壽命陷阱態(tài)是明顯的，其中 與大約400ms和大約2s時間常數相關聯的感光中心將確定響應度跌落。這里所描述的實施例因此經由納米晶體表面上的現存材料種類的精心控制來提 供在宏觀水平的器件性能的精細調節(jié)。我們示出了我們可以將具有在若干秒內發(fā)生的光 電流衰減的慢光電導光檢測器轉換成具有25ms級的光電流時間常數的較快光電導體。我 們通過進一步減小納米微粒間的間隔來實現該轉換而不犧牲光電導增益。該工作也表明 了納米晶體表面材料的全面研究和控制實現了光電特性的修改，其不僅可以發(fā)現這里所 闡明的光電導性方面的應用的進步，而且可以發(fā)現光發(fā)射或者光致電壓方面的應用的進
止
少ο圖44a和44b示出了圖中所標記的器件的譜響應度和檢測靈敏度。
圖45是在圖中所標記的氧化物種類和光電流時間之間的關聯的概括。圖46a和圖46b示出了圖中所標記的各種方式處理的PbS納米晶體薄膜的XPS分 析。圖47是示出圖中所標記的Pb-油酸鹽實施例的所觀察的性能的圖示。圖48a和48b示出了圖中所標記的丁胺處理的納米晶體的所觀察的性能。圖49a和49b示出了圖中所標記的蟻酸處理的納米晶體的所觀察的性能。圖50a和50b示出了圖中所標記的乙硫醇處理的納米晶體的所觀察的性能。圖51是示出圖中所標記的在外界環(huán)境中老化的乙硫醇處理的所觀察的性能的圖示。 現在討論制造用于成像應用的高性能溶液處理光檢測器的可選實施例和方法。 光電導光檢測器提供對弱光的巨大靈敏度(已經示出了大于1E12的D* (歸一化檢測靈敏 度))，然而該靈敏度是在損害暗電流的情況下產生的。相反，光電二極管可以沒有偏壓地操作，并且因此可以具有基本上為零的暗電 流。實施例包括基于光電二極管的光檢測器，該光檢測器具有高外部量子效率；低暗電 流(< 0.1nA/cm2) ； 3dB帶寬> IkHz (已經良好地適于成像)。實施例包括這樣的器件，該器件由以下的堆疊組成(a)深功函數電接觸；(b) 膠體量子點固體；(C)淺功函數電接觸。兩種接觸中的至少一種是基本上透明的。實施 例包括這樣的在前器件，其中(a)由Au、Pt、Pd、Ni、Cu或者富Au、富Pt、富Pd的 ITO或者深功函數ITO組成；其中(b)由以下部分組成膠體量子點，諸如PbS、CdS> In2S3、In2Se3、Bi2S3、Bi2Se3、CuInGaSe ；有機配體，諸如油酸(或者其它羧酸)、苯 硫醇(或者其它硫醇)或者丁胺(或者其它胺)；雙配位基有機配體，諸如丁二硫醇、苯 二硫醇、乙二硫醇、己二硫醇；組成膠體量子點的種類的氧化物、硫酸鹽和氫氧化物； (c)由Al、Mg、Ca、或者深功函數ITO組成。實施例包括這樣的器件，其中膠體量子 點固體是基本上完全耗盡的。實施例包括這樣的器件，其中膠體量子點固體包括基本上 完全耗盡的區(qū)域，還有基本上準中性的區(qū)域。實施例包括這樣的器件，其中外部量子 效率大于40%、或60%、或80%或90%;其中，暗電流密度是近似0.1nA/cm2、或者 0.01nA/cm2、或者lpA/cm2或者0.1pA/cm2 ；其中，在關閉入射照明后，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微秒或者更短時間內返回到其暗電 流值；其中，在打開入射照明后，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微秒或者更短時間內上升到其穩(wěn)態(tài)光電流值。實施例包括具有〉60kHz帶寬、D*>lel2 emV^W·1以及O.lnA cm2的暗電
流密度的溶液處理光電二極管光檢測器。這表示了響應速度的> 3300倍的改進以及關于 最靈敏溶液處理光檢測器的暗電流密度的> 11個量級的減小，以及關于最快譜調諧溶液 處理光檢測器的靈敏度的100000倍的改進。通過針對增加的靈敏度的固有快速光電二 極管檢測器結構的優(yōu)化來實現該性能。根據光生載流子輸運來詳細檢查并且說明器件操 作。溶液處理半導體已經表明了對于在可見光和紅外線中操作的高靈敏光電導光檢 測器的制造的巨大潛力。然而，這些器件一般可以對照明的改變緩慢響應?；诠怆姸?極管結構的溶液處理光檢測器提供了寬帶寬和高均質的頻率響應，但是該光檢測器受低靈敏度限制。圖52示出了迄今所報告的最快和最靈敏的溶液處理光檢測器示例的帶寬和靈敏度。膠體 量子點(CQD)的使用提供了關于有機溶液處理半導體的好處跨越可見光 和紅外的譜功能性，以及通過量子尺寸效應對吸收帶邊的直接控制。IR波長處的操作允 許對通過大氣、生物和材料吸收窗口傳輸的光的檢測，顯著地增加了光檢測器的潛在應 用的范圍。隨著將半導體的吸收帶邊朝著較長的波長移動，熱噪聲產生速率增加，限制 了光檢測器的靈敏度。通過調節(jié)吸收帶邊以僅包括感興趣的波長，拒絕較長波長處的熱 噪聲。使用光電二極管結構實現的附加好處包括零電壓或低電壓操作、非常低的功率 耗散以及對照明強度和調制頻率改變的高線性的信號響應。由于暗電流和光電流密度非 常相似，因此低暗電流允許使用CQD光電二極管直接取代晶體檢測器。相反，之前所展 示的光電導檢測器具有非常大的暗和光電流密度，需要開發(fā)能夠從大電流提取高質量信 號的新的信號處理電路。溶液可處理半導體提供低成本、大面積、靈活結構和與廣泛的襯底的兼容性， 使得能夠直接集成到新興技術中，諸如集成有機電路、微射流技術和集成光學電路以及 商用微電子。溶液處理半導體已經顯示了對于在可見光和IR下操作的高靈敏光檢測器 的制造的巨大潛力。然而，這些光電導器件對照明的改變響應非常慢。相反，基于光電 二極管結構的溶液處理光檢測器提供寬帶寬和高度均質的頻率響應，但是受低靈敏度限 制。溶液處理的半導體與由柔性塑料到金屬、玻璃和其它半導體的結構兼容性歸因 于沒有晶體半導體中固有的晶體點陣匹配要求。溶液處理的半導體包括有機材料(諸如 聚合體和小分子)和有機無機混合物(諸如膠體量子點)。檢測器的靈敏度描述其分辨非常低強度的光信號的能力。通過噪聲等效功率 (NEP = [/R1)來表征該限制，噪聲等效功率以瓦特為單位，并且與器件中的總內部噪聲 電流(in)除以其響應度(R1)(對光激發(fā)的電流響應)成比例。NEP表示需要用于產生等 于檢測器的內部噪聲的照明量。一般將檢測器的靈敏度報告為以cmV^T-1 (Jones)為 單位的歸一化檢測靈敏度(D^ = ^INEP )，以允許具有不同有效面積(A)和噪聲帶寬 (Af)的檢測器的比較。通常由光檢測器的3dB頻率(F3dB)(照明調制頻率，其中將檢測器的響應減小到 其最大值的50% )來表征其帶寬。盡管大約20Hz的帶寬足以用于最低帶寬的光檢測器 應用(即視頻成像陣列)，但是其對多數光檢測器應用仍然太慢。另外，這些慢光檢測器 的頻率響應的不均勻性使得在檢測期間的寬帶寬信號失真6’ 7，限制了需要定量信號分析 的應用。快速CQD檢測器(F3dB大約50,000Hz)的唯一報告展示了近似IeTcmV^T1的 靈敏度(低于晶體半導體光檢測器5個量級)。某些現有靈敏CQD光檢測器的一個缺點是高暗電流密度(> IOmAcm2)。結合 高操作偏壓(高達100V)，光電導CQD檢測器消耗大量的功率并且需要能夠從大電流中 提取高質量信號的專用信號處理電路的開發(fā)。這可能是普通光檢測器應用(諸如有源矩 陣成像陣列)的限制因素，其中分配給單個獨像素的電路的復雜性受像素面積限制。相反，溶液處理光電二極管檢測器具有顯著較低的暗電流密度(1到20nACm_2)和操作電壓 (0到6V)，允許與現有信號處理電路集成。CQD的吸收帶邊僅受CQD的組成半導體材料的體帶隙限制，并且能夠通過量子 尺寸效應通過波長的連續(xù)范圍調節(jié)。已經展示了在針對PbSCQD11高達2000nm或者針對 HgCdTe CQD的3000nm處的CQD吸收帶邊。相反，有機半導體的吸收帶邊由它們的成 分確定，并且迄今為止已經被限制到波長< 1000nm。在IR波長處的操作允許通過大氣、 生物以及其它材料吸收窗口傳輸的光的檢測，顯著增加了遠程感測、成像、度量以及通 信方面的潛在應用的范圍。限制譜靈敏度的能力也是重要的。由于半導體的吸收帶邊朝 著較長波長移動(通常通過減小能量帶隙)，內部熱生成的噪聲增加，限制了光檢測器的 靈敏度。CQD提供寬范圍波長的吸收，同時維持吸收帶邊的精確控制和長波長熱噪聲阻 礙，使得它們成為用于半導體光子檢測器的制造的引人注目的材料。與作為光電導體操作的許多之前的CQD光檢測器不同，在此報告中提出的光檢 測器作為光電二極管操作。如圖53(a)的插圖所示，CQD光電二極管由夾在平面ITO和 Al電極之間的PbS膠體量子點的薄膜組成。通過玻璃襯底和透明ITO接觸入射的光在 CQD薄膜中產生分別在Al和ITO接觸處收集的電子和空穴。圖55(a)中的能帶圖示出 了在Al/PbSCQD界面處形成的肖特基勢壘，以及由CQD和金屬接觸之間的功函數差別 得到的固有電勢。半導體和金屬之間的電荷轉移導致了 CQD薄膜中寬耗盡區(qū)(DR)的形 成，而CQD薄膜的其余體積是沒有凈電荷或者電場的ρ型半導體的準中性區(qū)域(QNR)。 價帶中的大勢壘限制了大部分載流子(空穴)從Al接觸注入，導致高度整流的暗I-V特 性。固有電勢是光電二極管和光電導檢測器之間的區(qū)別特征，并且以最小的暗電流提供 零或低偏壓操作處的有效光載流子收集。我們合成了具有大約6nm直徑的PbS CQD,通過尺寸量化“1有效地將PbS的能 量帶隙從0.42eV增加到0.86eV。該有效帶隙對應于在1450nm處的基態(tài)激子吸收特征， 并且能夠在圖53 (a)的CQD薄膜吸收譜中看到該有效帶隙。如所合成的，以2.5nm長的 油酸鹽配體修飾CQD，該油酸鹽配體提供膠體穩(wěn)定性并且鈍化納米晶體表面。為了減小 薄膜中粒子間的間隔并且改進載流子輸運，使用溶液相配體交換6來有利于較短一代丁胺 配體而部分交換原始配體。通過旋鑄從溶液沉積CQD薄膜(大約350nm厚)。在薄膜 沉積之后，通過將薄膜浸沒在乙腈中的苯二硫醇(BDT)的溶液中來執(zhí)行第二固態(tài)配體交 換。該交換消除了 CQD薄膜中過多的丁胺，其被觀察到與Al接觸進行化學反應。在 BDT處理之后，通過熱蒸發(fā)沉積Al接觸并且將整個器件暴露到空氣氣氛中。BDT處理將光電二極管壽命從近似4小時增加到超過2個月并且將短電路暗電流 密度從大約IOOnA cm 2顯著減小到O.lnA cm 2。與這些暗電流相關聯的噪聲之前將CQD 光電二極管的檢測靈敏度限制到大約IelOcmV^妒-1。BDT處理還影響Al/PbS CQD肖特 基勢壘，最初導致二極管I-V特性的顯著下降。假設BDT化學地減小了 PbS CQD，抑制 了從PbS的氧化得到的ρ型半導體特性19，并且因此減小了肖特基勢壘的固有電勢。發(fā) 現隨后暴露到空氣氣氛中若干小時的光電二極管維持了大大減小的短電路暗電流，同時 重新獲得了在BDT處理之前觀察的二極管I-V特性。該觀察表明PbS CQD的再氧化可 能發(fā)生在BDT處理之后。外部量子效率(EQE)和歸一化零偏壓旁路阻抗(RtlA)描述了光電二極管性能的基本成分(光生載流子收集效率和內部噪聲)。(在不存在照明或者偏置電壓的情況下， 光電二極管中的噪聲完全源自熱噪聲，并且可以計算，
權利要求
1.一種光電檢測器，包括集成電路；以及至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極；其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號，其 中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關。
2.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述光敏層中的至少一個光敏層包括具有 體帶隙的材料的納米晶體，并且其中所述納米晶體被量子局限為具有大于所述體帶隙的 兩倍的有效帶隙。
3.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述光敏層中的至少一個光敏層包括包含 納米粒子的納米晶體，其中所述納米粒子的納米粒子直徑小于所述納米粒子內的束縛電 子空穴對的玻爾激子半徑。
4.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中至少一個光敏層包括與相應的第一電極及 相應的第二電極相接觸的互連的納米晶體粒子的連續(xù)膜。
5.根據權利要求4所述的光電檢測器，其中所述納米晶體粒子包括多個納米晶體核及 所述多個納米晶體核上的殼。
6.根據權利要求5所述的光電檢測器，其中所述多個納米晶體核被熔融。
7.根據權利要求5所述的光電檢測器，其中相鄰的納米晶體粒子的納米晶體核的物理 鄰近提供所述相鄰的納米晶體粒子之間的電連接。
8.根據權利要求5所述的光電檢測器，其中所述多個納米晶體核通過鏈接劑分子電互連。
9.根據權利要求4所述的光電檢測器，其中所述光敏層中的至少一個光敏層包括單極 光電導層，該單極光電導層包括第一載流子類型及第二載流子類型，其中所述第一載流 子類型的第一遷移率高于所述第二載流子類型的第二遷移率。
10.根據權利要求4所述的光電檢測器，其中所述納米晶體粒子包括緊密堆積的半導 體納米粒子核。
11.根據權利要求10所述的光電檢測器，其中每個核被不完整的殼部分地覆蓋，其中 所述殼產生具有基本單一時間常數的陷阱態(tài)。
12.根據權利要求10所述的光電檢測器，其中使用至少一個長度的至少一個交聯分子 鈍化并交聯所述納米粒子核。
13.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層包括具有第一厚度的第 一材料，并且所述第一材料與所述第一厚度的組合提供對第一波長的光的第一響應度， 其中所述第二光敏層包括具有第二厚度的第二材料，并且所述第二材料與所述第二厚度 的組合提供對第二波長的光的第二響應度，其中所述第一響應度與所述第二響應度大致 相等。
14.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層包括具有第一厚度的第 一材料，并且所述第一材料與所述第一厚度的組合提供對第一波長的光的第一光電導增益，其中所述第二光敏層包括具有第二厚度的第二材料，并且所述第二材料與所述第二 厚度的組合提供對第二波長的光的第二光電導增益，其中所述第一光電導增益與所述第 二光電導增益大致相等。
15.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層包括具有第一厚度的第 一材料，并且所述第一材料與所述第一厚度的組合提供對第一波長的光的第一吸收率， 其中所述第二光敏層包括具有第二厚度的第二材料，并且所述第二材料與所述第二厚度 的組合提供對第二波長的光的第二吸收率，其中所述第一吸收率與所述第二吸收率大致 相等。
16.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述光敏層中的至少一個光敏層包括單 分散納米晶體粒子。
17.根據權利要求16所述的光電檢測器，其中所述納米晶體粒子為膠體量子點。
18.根據權利要求17所述的光電檢測器，其中所述量子點包括第一載流子類型及第二 載流子 類型，其中所述第一載流子類型是流動的載流子，并且所述第二載流子類型是基 本上被阻止的載流子及被捕捉的載流子之一。
19.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層包括第一成分，該第一 成分包含硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、硫碲化鉛(PbTe)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs) 及鍺(Ge)之一，并且所述第二光敏層包括第二成分，該第二成分包含硫化銦(In2S3)、硒 化銦(In2Se3)、碲化銦(In2Te3)、硫化鉍(Bi2S3)、硒化鉍(Bi2Se3)、碲化鉍(Bi2Te3)、磷化 銦(InP)、硅(Si)及鍺(Ge)之一。
20.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述偏壓包括在第一時間段期間加偏壓到所述光敏層，以使其作為電流吸收器工作；以及在第二時間段期間加偏壓到所述光敏材料，以使其作為電流源工作。
21.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層的相應的第一電極及第 二電極是與所述第二光敏層的相應的第一電極及第二電極不同的電極。
22.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層的相應的第一電極是與 所述第二光敏層的相應的第一電極不同的電極。
23.根據權利要求22所述的光電檢測器，其中所述第二光敏層的相應的第二電極是對 所述第一光敏層及所述第二光敏層公共的公共電極。
24.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中每個相應的第一電極與相應的第一光敏 層相接觸。
25.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中每個相應的第二電極與相應的第二光敏 層相接觸。
26.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中每個相應的第一電極相對于相應的第二 電極的至少部分橫向地布置。
27.根據權利要求26所述的光電檢測器，其中每個相應的第二電極的至少部分在所述 集成電路的與相應的第一電極及相應的光敏層相同的層上。
28.根據權利要求26所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層及所述第二光敏層的相 應的第二電極包括公共電極。
29.根據權利要求28所述的光電檢測器，其中所述公共電極從所述第一光敏層垂直地延伸到所述第二光敏層。
30.根據權利要求28所述的光電檢測器，其中所述公共電極從所述集成電路沿所述第 一光敏層及所述第二光敏層的部分垂直地延伸。
31.根據權利要求26所述的光電檢測器，其中每個相應的第二電極布置在相應的第一 電極的周圍。
32.根據權利要求31所述的光電檢測器，其中相應的第二電極被構造為對所述第一電 極周圍的載流子提供勢壘。
33.根據權利要求26所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層及所述第二光敏層的相 應的第二電極包括布置在所述第一電極的周圍的公共電極。
34.根據權利要求33所述的光電檢測器，其中所述公共電極從所述集成電路垂直地延伸。
35.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第二電極至少部分地透明，并且位 于相應的光敏層上。
36.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中相應的第一電極及相應的第二電極是不 透明的，并且分開與寬度尺寸及長度尺寸相對應的距離。
37.根據權利要求36所述的光電檢測器，其中所述寬度尺寸小于約2μ m。
38.根據權利要求36所述的光電檢測器，其中所述長度尺寸小于約2μ m。
39.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述至少兩個光敏層包括第三光敏層， 其中所述第三光敏層在所述第二光敏層的至少部分上，其中所述第一光敏層的相應的第 二電極、所述第二光敏層的第二電極及所述第三層的第三電極是所述第一光敏層、所述 第二光敏層及所述第三層的公共電極，其中所述公共電極是不透明的。
40.根據權利要求1所述的光電檢測器，包括集成在所述集成電路中的第三光敏層， 其中所述第一光敏層的相應的第二電極及所述第二光敏層的第二電極是所述第一光敏層 及所述第二光敏層的公共電極，其中所述第三層的相應的第二電極與所述公共電極不 同。
41.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述至少兩個光敏層包括第三光敏層及 第四光敏層，其中所述第四光敏層在所述第三光敏層的至少部分上，其中所述第四光敏 層的厚度小于所述第一光敏層、所述第二光敏層及所述第三光敏層之一的厚度。
42.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中每個光敏層的持久性大致相等。
43.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中每個光敏層的持久性長于約1毫秒。
44.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述光敏層中的至少一個光敏層包括具 有光電導增益及至少約0.4安培/伏特的響應度的納米晶體材料。
45.根據權利要求44所述的光電檢測器，其中當在相應的第一電極與相應的第二電極 之間施加偏壓時獲得所述響應度，其中所述偏壓約在0.5伏特至5伏特的范圍內。
46.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層包括包含硫化鉛(PbS) 的成分。
47.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層包括包含硒化鉛(PbSe) 的成分。
48.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層包括包含碲化鉛(PbTe)的成分。
49.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層包括包含磷化銦(InP) 的成分。
50.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層包括包含砷化銦(InAs) 的成分。
51.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層包括包含鍺(Ge)的成分。
52.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第二光敏層包括包含硫化銦(In2S3) 的成分。
53.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第二光敏層包括包含硒化銦(In2Se3) 的成分。
54.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第二光敏層包括包含碲化銦(In2Te3) 的成分。
55.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第二光敏層包括包含硫化鉍(Bi2S3) 的成分。
56.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第二光敏層包括包含硒化鉍 (Bi2Se3)的成分。
57.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第二光敏層包括包含碲化鉍 (Bi2Te3)的成分。
58.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第二光敏層包括包含磷化銦(InP) 的成分。
59.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第二光敏層包括包含硅(Si)的成分。
60.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第二光敏層包括包含鍺(Ge)的成分。
61.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中所述第二光敏層包括包含砷化鎵(GaAs) 的成分。
62.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中每個光敏層包括不同粒子尺寸的納米晶體。
63.根據權利要求62所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層的納米晶體粒子大于所 述第二光敏層的納米晶體粒子。
64.根據權利要求62所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層的納米晶體粒子小于所 述第二光敏層的納米晶體粒子。
65.根據權利要求64所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層的第一體帶隙高于所述 第二光敏層的第二體帶隙。
66.根據權利要求64所述的光電檢測器，其中所述第一光敏層中的由量子局限導致的 第一帶隙增大大于所述第二光敏層中的由量子局限導致的第二帶隙增大。
67.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中通過至少一個光敏層的光敏材料的電流 的速率與由該光敏材料吸收的光的強度具有非線性關系。
68.根據權利要求1所述的光電檢測器，其中至少一個光敏層的光敏材料的增益與由 該光敏材料吸收的光的強度具有非線性關系。
69.—種光電檢測器，包括 集成電路；以及至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極；其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號，其 中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關；并且其中所述第一光敏層中的由量子局限導致的第一帶隙增大大于所述第二光敏層中的 由量子局限導致的第二帶隙增大。
70.—種光電檢測器，包括 集成電路；以及至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極；其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號，其 中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關；并且 其中至少一個光敏層的厚度與至少一個其它光敏層的厚度不同。
71.—種光電檢測器，包括 集成電路；以及至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極；其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號，其 中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關；并且其中所述第一光敏層包括具有第一光電導增益的納米晶體材料，并且第二光敏層包 括具有第二光電導增益的納米晶體材料。
72.—種光電檢測器，包括 集成電路；以及至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極；其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號，其 中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關；并且其中至少一個光敏層的暗電流與至少一個其它光敏層的暗電流不同。
73.—種光電檢測器，包括 集成電路；以及至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極；其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號，其 中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關；并且其中對來自至少一個光敏層的信號施加的補償與對來自至少一個其它光敏層的信號 施加的補償不同。
74.—種光電檢測器，包括 集成電路；以及至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極；其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號，其 中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關；并且其中從黑像素接收到暗電流補償信號，并將該暗電流補償信號分別地、按比例地施 加到每個光敏層的信號。
75.—種光電檢測器，包括 集成電路；以及至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極；其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號，其 中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關；并且其中從相應的黑像素接收到與每個相應的光敏層相對應的暗電流補償信號，并將該 暗電流補償信號施加到相應的光敏層的相應的信號。
76.—種光電檢測器，包括 集成電路；以及至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極；其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號，其 中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關；并且其中至少一個光敏層的暗電流約在10納安每平方厘米至500納安每平方厘米的范圍內。
77.—種光電檢測器，包括至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在襯底的至少部分 上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中至少一個光敏層是具有約在10納安每平方厘米至500納安每平方厘米的范圍內 的暗電流的納米晶體層。
78.—種光電檢測器，包括 集成電路；以及至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極；其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號，其 中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關；并且其中所述第一光敏層包括第一成分，該第一成分包含硫化鉛(PbS)、硒化鉛 (PbSe)、硫碲化鉛(PbTe)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs)及鍺(Ge)之一，并且所述 第二光敏層包括第二成分，該第二成分包含硫化銦(In2S3)、硒化銦(In2Se3)、碲化銦 (In2Te3)、硫化鉍(Bi2S3)、硒化鉍(Bi2Se3)、碲化鉍(Bi2Te3)、磷化銦(InP)、硅(Si)及鍺 (Ge)之一。
79.—種光電檢測器，包括 集成電路；以及至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極；其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號，其 中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關；并且其中所述第一光敏層包括具有處于第一波長處的吸收帶邊的納米晶體材料，并且所 述第二光敏層包括具有處于第二波長處的吸收帶邊的納米晶體材料，其中所述第一波長 比所述第二波長短，并且所述第一光敏層及所述第二光敏層中的至少一個的吸收譜不存 在局部吸收最大值。
80.—種光電檢測器，包括至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在集成電路的至少 部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；其中所述第一光敏層包括第一吸收帶并缺乏局部吸收最大值，所述第一吸收帶包括 至少一個第一顏色組，并且所述第二光敏層包括第二吸收帶并缺乏局部吸收最大值，所 述第二吸收帶包括至少一個第二顏色組，其中所述第二吸收帶包括所述第一顏色組； 其中每個光敏層插置在相應的第一電極與相應的第二電極之間；并且其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀取信號。
81.—種光電檢測器，包括 集成電路；以及多個光敏層，包括第一光敏層及一組垂直堆疊的光敏層，所述第一光敏層在所述集 成電路的至少部分中，并且所述組垂直堆疊的光敏層在所述第一光敏層上； 其中所述垂直堆疊的光敏層插置在相應的第一電極與相應的第二電極之間； 其中所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述垂直堆疊的光敏層中讀 取信號，其中所述信號與由相應的垂直堆疊的光敏層接收到的光子的數量有關。
82.—種像素陣列，包括多個光電檢測器，其中每個光電檢測器是垂直堆疊的像素， 所述垂直堆疊的像素包括至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在集成電路的至少 部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；以及多個電極，包括其間插置有所述兩個光敏層的至少兩個電極，所述電極包括相應的 第一電極及相應的第二電極；所述集成電路與所述多個電極之間的耦合，通過該耦合，所述集成電路選擇性地施 加偏壓，并從所述光敏層中讀取與由所述光敏層吸收的光相對應的像素信息。
83.—種光電傳感器陣列，包括 集成電路；以及所述集成電路上的多個光電檢測器，其中每個光電檢測器形成垂直堆疊的像素，包括，至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；并且其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二 電極，其中所述集成電路耦合到所述電極，并且選擇性地對所述電極施加偏壓并從所述 光敏層中讀取信號，其中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關。
84.—種垂直堆疊的像素，包括多個光敏層，包括第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層覆蓋集成電路的第一 面的至少部分，并且所述第二光敏層覆蓋所述第一光敏層的第二面的至少部分；多個電極，其中所述多個光敏層插置在所述多個電極的相應的第一電極與相應的第 二電極之間；以及所述集成電路與所述多個電極之間的耦合，通過該耦合，所述集成電路選擇性地施 加偏壓，并從所述光敏層中讀取與由所述光敏層吸收的光相對應的像素信息。
85.—種光電傳感器陣列，包括 集成電路；以及所述集成電路上的多個光電檢測器，其中每個光電檢測器形成垂直堆疊的像素，包括，至少兩個光敏層，即第一光敏層及第二光敏層，所述第一光敏層在所述集成電路的 至少部分上，并且所述第二光敏層在所述第一光敏層上；并且其中每個光敏層插置在兩個電極之間，所述電極包括相應的第一電極及相應的第二電極，其中所述集成電路耦合到所述電極，并且選擇性地對所述電極施加偏壓并從所述 光敏層中讀取信號，其中所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關。
86.—種光電檢測器，包括多個像素區(qū)，每個像素區(qū)具有相應的第一電極及相應的第二電極； 所述第一電極與所述第二電極之間的光敏材料，其中與所述第一電極及所述第二電 極在一起的所述光敏材料為非整流型；耦合到相應的第一電極及相應的第二電極之一的晶體管，與所述光敏材料電連接， 所述晶體管包括被構造為存儲電荷的柵極，其中像素區(qū)的相應的第一電極與所述柵極電 連接，其中在積分時間段期間利用通過所述光敏材料的電流對所述柵極處存儲的電荷進 行放電；以及電路，在所述積分時間段之后基于電荷存儲中剩余的電荷的量從所述柵極產生信號。
87.—種光電檢測器，包括像素區(qū)，每個像素區(qū)具有第一電極及第二電極；所述第一電極與所述第二電極之間的多層光敏材料，其中與所述第一電極及所述第 二電極在一起的所述光敏材料為非整流型；耦合到所述光敏材料的晶體管，所述晶體管包括被構造為存儲電荷的柵極，其中所 述像素區(qū)的相應的第一電極與所述柵極電連接，其中在積分時間段期間利用通過所述光 敏材料的電流對所述柵極處存儲的電荷進行放電；以及電路，在所述積分時間段之后基于電荷存儲中剩余的電荷的量從所述柵極產生信號。
88.—種光電檢測器，包括像素區(qū)，包括第一電極與第二電極之間的光敏材料，其中與所述第一電極及所述第 二電極在一起的所述光敏材料為非整流型；電耦合到所述光敏材料的像素電路，所述像素電路在積分時間段上建立電壓，其中 在所述積分時間段之后基于所述電壓產生信號；轉換器，被構造為將所述信號轉換成數字像素數據。
89.根據權利要求88所述的光電檢測器，其中所述像素電路包括電荷存儲及積分電 路，以基于在所述積分時間段上由所述像素區(qū)的所述光敏材料吸收的光的強度建立所述 電壓。
90.根據權利要求89所述的光電檢測器，其中所述像素電路包括與所述第一電極電連 接的至少一個晶體管，其中所述電荷存儲包括所述至少一個晶體管的寄生電容。
91.根據權利要求90所述的光電檢測器，其中所述像素電路包括具有與所述第一電極 電連接的柵極的源極跟隨器晶體管。
92.根據權利要求91所述的光電檢測器，其中所述寄生電容包括所述源極跟隨器晶體 管的所述柵極與源極之間的寄生電容。
93.根據權利要求90所述的光電檢測器，其中所述像素電路包括具有與所述第一電極 電連接的柵極的復位晶體管。
94.根據權利要求93所述的光電檢測器，其中所述寄生電容包括所述復位晶體管的襯底的結構與源極之間的寄生電容。
95.根據權利要求90所述的光電檢測器，其中所述寄生電容包括所述像素電路的節(jié)點 之間的金屬-金屬寄生電容。
96.根據權利要求90所述的光電檢測器，其中所述寄生電容包括電荷存儲節(jié)點與硅襯 底之間的金屬-襯底寄生電容。
97.根據權利要求90所述的光電檢測器，其中所述寄生電容約在0.5毫微微法拉至3 毫微微法拉的范圍內。
98.根據權利要求90所述的光電檢測器，其中所述寄生電容約在1毫微微法拉至2毫 微微法拉的范圍內。
99.一種方法，包括 將光敏材料暴露于光；基于通過所述光敏材料的電流產生信號；在第一時間段期間加偏壓到所述光敏材料，以使其作為電流吸收器工作；以及 在第二時間段期間加偏壓到所述光敏材料，以使其作為電流源工作。
100.—種圖像傳感器，包括多個像素區(qū)，每個像素區(qū)包括相應的第一電極及公共的第二電極，其中所述公共的 第二電極是所述多個像素區(qū)的公共電極；每個像素區(qū)包括相應的第一電極與所述公共的第二電極之間的光敏材料； 每個像素區(qū)的像素電路，與所述像素區(qū)的相應的第一電極電連接，每個像素區(qū)的所 述像素電路包括積分電路，以基于在積分時間段上由相應的像素區(qū)的所述光敏材料吸收 的光的強度建立電壓，所述像素電路包括讀出電路，在所述積分時間段之后讀出信號； 以及偏壓電路，與所述公共的第二電極電連接，以使所述公共的第二電極的電壓變化。
101.—種圖像傳感器，包括 半導體襯底；多個像素區(qū)，每個像素區(qū)包括所述襯底上的光敏層，所述光敏層被布置來接收光； 每個像素區(qū)的像素電路，每個像素電路包括電荷存儲及讀出電路，所述電荷存儲及 所述讀出電路與相應的像素區(qū)的所述光敏層電連接；以及導電材料，位于相應的像素區(qū)的所述電荷存儲與相應的像素區(qū)的所述光敏層之間， 以使得相應的電荷存儲基本與入射在所述光敏層上的光屏蔽開，其中所述光在波段內， 其中所述導電材料的至少部分是與所述光敏層電連接的金屬層。
102.根據權利要求101所述的圖像傳感器，其中每個像素區(qū)的像素電路包括電荷存儲 及積分電路，以基于在積分時間段上由相應的像素區(qū)的光敏材料吸收的光的強度建立電 壓。
103.根據權利要求102所述的圖像傳感器，其中所述像素電路包括與相應的像素區(qū)的 相應的第一電極電連接的至少一個晶體管，其中所述電荷存儲包括所述至少一個晶體管 的寄生電容。
104.根據權利要求103所述的圖像傳感器，其中所述像素電路包括具有與相應的第一 電極電連接的柵極的源極跟隨器晶體管。
105.根據權利要求104所述的圖像傳感器，其中所述寄生電容包括所述源極跟隨器晶 體管的所述柵極與源極之間的寄生電容。
106.根據權利要求3所述的圖像傳感器，其中所述像素電路包括具有與相應的第一電 極電連接的柵極的復位晶體管。
107.根據權利要求106所述的圖像傳感器，其中所述寄生電容包括所述復位晶體管的 襯底的結構與源極之間的寄生電容。
108.根據權利要求103所述的圖像傳感器，其中所述寄生電容包括所述像素電路的節(jié) 點之間的金屬-金屬寄生電容。
109.根據權利要求103所述的圖像傳感器，其中所述寄生電容包括電荷存儲節(jié)點與硅 襯底之間的金屬-襯底寄生電容。
110.根據權利要求103所述的圖像傳感器，其中所述寄生電容約在0.5毫微微法拉至 3毫微微法拉的范圍內。
111.根據權利要求103所述的圖像傳感器，其中所述寄生電容約在1毫微微法拉至2 毫微微法拉的范圍內。
112.—種光電檢測器，包括半導體襯底；多個像素區(qū)，每個像素區(qū)包括所述襯底上的光敏層，所述光敏層被布置來接收光；以及每個像素區(qū)的像素電路，每個像素電路包括電荷存儲及所述電荷存儲與相應的像素 區(qū)的所述光敏層之間的開關元件，所述電荷存儲及所述開關元件的一個或更多個集成在 所述多個像素區(qū)下的所述半導體襯底上或集成在該襯底中。
113.根據權利要求112所述的光電檢測器，其中所述開關元件同時控制所述多個像素 區(qū)的積分時間段。
114.根據權利要求112所述的光電檢測器，包括位于相應的像素區(qū)的所述電荷存儲與 相應的像素區(qū)的所述光敏層之間的導電材料，以使得相應的電荷存儲與入射在所述光敏 層上的光屏蔽開，其中所述光在波段內，其中所述導電材料的至少部分是與所述光敏層 電連接的金屬層。
115.根據權利要求112所述的光電檢測器，其中所述開關元件是晶體管。
116.根據權利要求112所述的光電檢測器，其中所述開關元件是二極管。
117.根據權利要求112所述的光電檢測器，其中所述開關元件是寄生二極管。
118.根據權利要求112所述的光電檢測器，包括每個像素電路與相應的像素區(qū)之間的 不透明材料，所述不透明材料使所述電荷存儲及所述開關元件與由所述光敏層接收到的 光屏蔽開。
119.根據權利要求112所述的光電檢測器，包括被構造為同時切換每個像素區(qū)的所述 開關元件的電路。
120.—種圖像傳感器，包括半導體襯底；多個像素區(qū)，每個像素區(qū)包括所述半導體襯底上的光敏層，所述光敏層與所述半 導體襯底在一側被至少一個相鄰層分隔，其中通孔將所述光敏層與所述半導體襯底相耦合；以及每個像素區(qū)的像素電路，每個像素電路包括電荷存儲及讀出電路，其中所述電荷存 儲對于每個像素區(qū)是分立的，并且其中所述讀出電路是與至少一組其它像素區(qū)的讀出電 路通用的。
121.—種光電檢測器，包括 半導體襯底；多個像素區(qū)，每個像素區(qū)包括所述襯底上的光敏層；每個像素區(qū)的像素電路，每個像素電路包括電荷存儲及讀出電路；以及選擇多個相鄰的像素區(qū)的所述電荷存儲以同時讀取到共享的讀出電路的電路。
122.—種光電檢測器，包括 半導體襯底；所述半導體襯底上的多個像素區(qū)，每個像素區(qū)包括第一電極、第二電極以及所述第 一電極與所述第二電極之間的光敏層；每個像素區(qū)的像素電路，每個像素電路包括電荷存儲及讀出電路； 在積分時間段期間將一組像素區(qū)的所述第一電極電連接到共享的電荷存儲的電路， 所述多個像素區(qū)包括所述組的像素區(qū)，其中所述共享的電荷存儲是與一個像素區(qū)的一個 像素電路相對應的電荷存儲；從所述共享的電荷存儲中讀出信號的電路，所述信號基于在所述積分時間段期間由 所述組的像素區(qū)中的每個像素區(qū)吸收的光的強度。
123.—種傳感器，包括 至少一個光敏層；以及包括與所述光敏層電連接的至少一個節(jié)點的電路，其中所述電路存儲與在積分時間 段期間入射在所述光敏層上的光的強度成比例的電信號，其中所述光敏層的電特性與由 所述光敏層吸收的光的強度之間存在非線性關系，其中連續(xù)函數表示所述非線性關系。
124.根據權利要求123所述的傳感器，其中至少一個光敏層包括緊密堆積的半導體納 米粒子核。
125.根據權利要求124所述的傳感器，其中每個核被不完整的殼部分地覆蓋，其中所 述殼產生具有基本單一時間常數的陷阱態(tài)。
126.根據權利要求125所述的傳感器，其中所述納米粒子核包括被包含PbS03的殼 部分地覆蓋的PbS。
127.根據權利要求124所述的傳感器，其中使用至少兩個顯著不同長度的配體鈍化所 述納米粒子核。
128.根據權利要求124所述的傳感器，其中使用至少一個長度的至少一個配體鈍化所 述納米粒子核。
129.根據權利要求124所述的傳感器，其中使用至少一個長度的至少一個交聯分子鈍 化并交聯所述納米粒子核。
130.根據權利要求129所述的傳感器，其中所述交聯分子是導電交聯劑。
131.根據權利要求124所述的傳感器，其中每個納米粒子核被殼覆蓋，其中所述殼包 含 PbS03。
132.根據權利要求124所述的傳感器，其中所述納米粒子核包含被部分地氧化且實質 上缺乏PbS04 (硫酸鉛)的PbS。
133.根據權利要求123所述的傳感器，其中至少一個光敏層包含納米晶固體，其中所 述納米晶固體的表面的至少部分被氧化。
134.根據權利要求133中所述傳感器，其中所述納米晶固體的成分不包含第一組原生 氧化物而包含第二組原生氧化物。
135.根據權利要求134所述的傳感器，其中所述第一組原生氧化物包括PbS04(硫酸 鉛)，并且所述第二組原生氧化物包括PbS03。
136.根據權利要求133所述的傳感器，其中所述納米晶固體的陷阱態(tài)提供持久性，其 中從占主導地位的陷阱態(tài)逃逸的能量小于或等于約O.leV。
137.根據權利要求136所述的傳感器，包括非主導地位的陷阱態(tài)，其中從所述非主導 地位的陷阱態(tài)逃逸的能量大于或等于約0.2eV。
138.—種光電子器件，包括集成電路，包括硅襯底、至少一個擴散層、至少一個多晶硅層以及包括至少第一金 屬層及第二金屬層的至少兩個金屬層；與所述第二金屬層電連接的光敏層；并且所述至少一個多晶硅層及所述至少一個擴散層形成通過至少所述第二金屬層與所述 光敏層電連接的多個晶體管。
139.根據權利要求138所述的器件，其中所述集成電路是互補金屬氧化物半導體 (CMOS)集成電路。
140.根據權利要求138所述的器件，其中所述集成電路的最小特征間距在約IOOnm至 200 μ m的范圍內。
141.根據權利要求138所述的器件，其中所述至少兩個金屬層包括金屬互連層。
142.根據權利要求138所述的器件，其中所述第二金屬層形成與所述光敏層電連接的 接觸。
143.根據權利要求142所述的器件，其中所述接觸包括鋁主體、第一涂層及第二涂 層，所述第一涂層包含氮化鈦并位于所述鋁主體與所述光敏層之間，所述第二涂層包含 氮氧化鈦并位于所述第一涂層與所述光敏層之間。
144.根據權利要求142所述的器件，其中所述接觸包括鋁主體、第一涂層及第二 涂層，所述第一涂層包含氮化鈦并位于所述鋁主體與所述光敏層之間，所述第二涂層位 于所述第一涂層與所述光敏層之間并包含從由金、鉬、鈀、鎳及鎢組成的組中選擇的金 jM ο
145.根據權利要求142所述的器件，其中所述接觸具有小于所述第一金屬層的約一半厚度的厚度。
146.根據權利要求142所述的器件，其中所述接觸具有小于約50納米的厚度以及在 約IOOnm至500nm的范圍內的寬度。
147.根據權利要求142所述的器件，其中所述接觸具有至少1 2的厚度對寬度的縱 橫比。
148.根據權利要求142所述的器件，其中所述接觸具有至少1 3的厚度對寬度的縱橫比。
149.根據權利要求142所述的器件，其中所述接觸具有至少1 4的厚度對寬度的縱 橫比。
150.根據權利要求142所述的器件，其中所述接觸由多個金屬子層形成，每個金屬子 層具有小于約50nm的厚度，每個金屬子層包含從由氮化鈦、氮氧化鈦、金、鉬、鈀、鎳 及鎢組成的組中選擇的成分。
151.根據權利要求138所述的器件，其中所述第二金屬層由除鋁以外的金屬組成，所 述金屬包括從由氮化鈦、氮氧化鈦、金、鉬、鈀、鎳及鎢組成的組中選擇的至少一層。
152.根據權利要求138所述的器件，其中所述第二金屬層由除銅以外的金屬組成，所 述金屬包括從由氮化鈦、氮氧化鈦、金、鉬、鈀、鎳及鎢組成的組中選擇的至少一層。
153.根據權利要求138所述的器件，其中所述第二金屬層包括從由氮化鈦、氮氧化 鈦、金、鉬、鈀、鎳及鎢組成的組中選擇的成分。
154.根據權利要求138所述的器件，其中所述光敏層與所述第二金屬層直接地接觸。
155.根據權利要求138所述的器件，其中所述光敏層包括所述第二金屬層上的涂層。
156.根據權利要求138所述的器件，其中所述第一金屬層具有在約IOOnm至500nm 的范圍內的厚度。
157.根據權利要求138所述的器件，其中所述金屬層包括所述第一金屬層與所述第二 金屬層之間的至少一個附加金屬層。
158.—種方法，包括 將光敏材料暴露于光；提供通過所述光敏材料的電流，其中通過所述光敏材料的電流的速率與由所述光敏 材料吸收的光的強度具有非線性關系；在時間段上使用所述電流以從電荷存儲中放電部分電荷；以及在所述時間段之后基于所述電荷存儲中剩余的電荷的量從所述電荷存儲產生信號。
159.—種光電檢測器，包括 像素區(qū)，包括光敏材料；像素電路，電耦合到所述光敏材料，所述像素電路在積分時間段上建立電壓，其中 所述電壓與由相應的像素區(qū)的所述光敏材料吸收的光的強度具有非線性關系，其中在所 述積分時間段之后基于所述電壓產生信號，所述信號具有噪聲電平；轉換器，被構造為將所述信號轉換成數字像素數據，其中所述轉換器具有輸入范 圍；以及所述像素電路及所述光敏層中的至少一個提供大于所述轉換器的所述輸入范圍除以 所述噪聲電平的比率的至少兩倍的動態(tài)范圍。
160.—種光電檢測器，包括 像素區(qū)，包括光敏材料；像素電路，與所述光敏材料電連接，所述像素電路在積分時間段上建立電壓，其中 所述電壓與由相應的像素區(qū)的所述光敏材料吸收的光的強度具有非線性關系； 讀出電路，被構造為在所述積分時間段之后基于所述電壓產生信號； 模數轉換器，被構造為將所述信號轉換成數字像素數據，其中所述模數轉換器具有輸入范圍，并且其中來自所述像素電路的所述信號具有噪聲電平；并且其中所述像素電路及所述光敏層被構造為提供大于所述模數轉換器的所述輸入范圍 除以所述噪聲電平的比率的至少兩倍的動態(tài)范圍。
161.根據權利要求160所述的光電檢測器，其中所述動態(tài)范圍在大于所述輸入范圍除 以所述噪聲電平的比率的至少三倍至約十倍的范圍內。
162.根據權利要求160所述的光電檢測器，其中所述動態(tài)范圍大于所述輸入范圍除以 所述噪聲電平的比率的至少三倍。
163.根據權利要求160所述的光電檢測器，其中所述動態(tài)范圍大于所述輸入范圍除以 所述噪聲電平的比率的至少五倍。
164.根據權利要求160所述的光電檢測器，其中所述動態(tài)范圍大于所述輸入范圍除以 所述噪聲電平的比率的至少十倍。
165.根據權利要求160所述的光電檢測器，其中在所述光敏材料的電特性與由所述光 敏材料吸收的光的強度之間存在非線性關系，其中連續(xù)函數表示所述非線性關系。
166.根據權利要求165所述的光電檢測器，其中所述連續(xù)函數是表示所述光敏材料的 光電導增益與由所述光敏材料吸收的光的強度之間的非線性關系的連續(xù)多項式函數。
167.根據權利要求165所述的光電檢測器，其中與所述數字像素數據相對應的數字與 所述強度具有線性關系。
168.—種光電檢測器，包括像素區(qū)，包括光敏材料；電耦合到所述光敏材料的像素電路，所述像素電路提供通過所述光敏材料的電流， 其中通過所述光敏材料的所述電流的速率與由所述光敏材料吸收的光的強度具有非線性 關系；電荷收集電路，在時間段上收集與所述電流有關的電荷；以及讀出電路，根據在所述時間段上收集到的電荷產生信號。
169.—種光電檢測器，包括像素區(qū)，包括光敏材料；電耦合到所述光敏材料的像素電路，所述像素電路提供通過所述光敏材料的電流， 其中通過所述光敏材料的所述電流的速率與由所述光敏材料吸收的光的強度具有非線性 關系；電荷收集電路，在時間段上收集與所述電流有關的電荷；以及讀出電路，被構造為基于所收集到的電荷產生信號；模數轉換器，被構造為將所述信號轉換成數字像素數據，其中所述模數轉換器具有 輸入范圍，并且其中來自所述像素電路的所述信號具有噪聲電平；并且其中所述像素電路及所述光敏層被構造為提供大于所述模數轉換器的所述輸入范圍 除以所述噪聲電平的比率的至少兩倍的動態(tài)范圍。
170.根據權利要求169所述的光電檢測器，其中所述動態(tài)范圍在大于所述輸入范圍除 以所述噪聲電平的比率的至少三倍至約十倍的范圍內。
171.根據權利要求169所述的光電檢測器，其中在所述光敏材料的電特性與由所述光 敏材料吸收的光的強度之間存在非線性關系，其中連續(xù)函數表示所述非線性關系。
172.根據權利要求171所述的光電檢測器，其中所述連續(xù)函數是表示所述非線性關系 的連續(xù)多項式函數。
173.根據權利要求171所述的光電檢測器，其中與所述數字像素數據相對應的數字與 所述強度具有線性關系。
174.—種光電檢測器，包括多個電極，包括至少第一電極及第二電極； 所述第一電極與所述第二電極之間的光敏材料；電路，在所述第一電極與所述第二電極之間施加電壓差，以使得在積分時間段期間 電流流過所述光敏材料，其中通過所述光敏材料的所述電流的速率與由所述光敏材料吸 收的光的強度具有非線性關系；與所述電極中的至少一個電極電連接的電荷存儲，所述電荷存儲中的電荷的量基于 在所述積分時間段期間通過所述光敏材料的所述電流；以及讀出電路，被構造為在所述積分時間段之后基于所述電荷存儲中的電荷產生信號。
175.—種光電檢測器，包括具有多個像素區(qū)的光電傳感器陣列，所述像素區(qū)排列成多個行及多個列； 每個像素區(qū)包含至少一個光敏材料；每個相應的像素區(qū)的像素電路，每個相應的像素區(qū)的所述像素電路跨相應的像素區(qū) 的所述光敏材料施加電壓差，其中通過所述光敏材料的電流的速率與由相應的像素區(qū)的 所述光敏材料吸收的光的強度具有非線性關系；所述像素電路包括電荷存儲，以提供與在積分時間段期間通過相應的像素區(qū)的所述 光敏材料的電流有關的電荷；所述像素電路包括讀出電路，以在所述積分時間段之后基于相應的像素區(qū)的所述電 荷存儲的所述電荷產生信號；以及像素選擇電路，選擇要被讀出的所述像素區(qū)中的一子組像素區(qū)的所述像素電路。
176.—種方法，包括 設置光敏材料；在積分時間段期間通過提供跨所述光敏材料的電壓差并將所述光敏材料暴露于光來 使電流流過所述光敏材料，其中通過所述光敏材料的所述電流的速率取決于跨所述光敏 材料的所述電壓差以及由所述光敏材料吸收的光的強度；在所述積分時間段期間使用通過所述光敏材料的所述電流以從電荷存儲中放電部分 電荷；在所述積分時間段的至少部分期間使跨所述光敏材料的所述電壓差及通過所述光敏 材料的所述電流的速率變化；以及在所述積分時間段之后基于所述電荷存儲中剩余的電荷的量產生信號。
177.—種方法，包括 設置光敏材料；在積分時間段期間通過提供跨所述光敏材料的電壓差并將所述光敏材料暴露于光來 使電流流過所述光敏材料，其中通過所述光敏材料的所述電流的速率取決于跨所述光敏 材料的所述電壓差以及由所述光敏材料吸收的光的強度；在所述積分時間段期間從所述電流中收集電荷；在所述積分時間段的至少部分期間在保持所述光的強度基本恒定的同時，使跨所述 光敏材料的所述電壓差及通過所述光敏材料的所述電流的速率變化；以及 基于在所述積分時間段期間收集到的電荷產生信號。
178.—種光電檢測器，包括多個電極，包括至少第一電極及第二電極； 所述第一電極與所述第二電極之間的光敏材料；電路，被構造為在積分時間段期間在所述第一電極與所述第二電極之間施加電壓 差，以使得電流流過所述光敏材料，其中通過所述光敏材料的所述電流的速率取決于跨 所述光敏材料的所述電壓差以及由所述光敏材料吸收的光的強度；所述電路被構造為在所述積分時間段的至少部分期間，對于恒定的光強，使跨所述 光敏材料的所述電壓差及通過所述光敏材料的所述電流的速率變化；與所述電極中的至少一個電極電連接的電荷存儲，所述電荷存儲被構造為響應于在 所述積分時間段期間通過所述光敏材料的所述電流提供電荷；以及讀出電路，被構造為在所述積分時間段之后基于所述電荷存儲的所述電荷產生信號。
179.—種光電檢測器，包括具有多個像素區(qū)的光電傳感器陣列，所述像素區(qū)排列成多個行及多個列； 每個像素區(qū)包括至少一個光敏材料；每個相應的像素區(qū)的像素電路，每個相應的像素區(qū)的所述像素電路被構造為跨相應 的像素區(qū)的所述光敏材料施加電壓差，其中通過所述光敏材料的電流的速率取決于跨所 述光敏材料的所述電壓差以及由相應的像素區(qū)的所述光敏材料吸收的光的強度；所述像素電路被構造為在積分時間段的至少部分期間，對于恒定的光強，使跨所述 光敏材料的所述電壓差及通過所述光敏材料的所述電流的速率變化；所述像素電路包括電荷存儲，所述電荷存儲被構造為響應于在所述積分時間段期間 通過相應的像素區(qū)的所述光敏材料的所述電流提供電荷；所述像素電路包括讀出電路，被構造為在所述積分時間段之后基于相應的像素區(qū)的 所述電荷存儲的所述電荷產生信號；以及像素選擇電路，被構造為選擇要被讀出的所述像素區(qū)中的一子組像素區(qū)的所述像素 電路。
180.—種方法，包括 將光敏材料暴露于光；提供通過所述光敏材料的電流，其中所述光敏材料的光靈敏度取決于由所述光敏材 料吸收的光的強度；在時間段上使用所述電流以從電荷存儲中放電部分電荷；以及在所述時間段之后基于所述電荷存儲中剩余的電荷的量從所述電荷存儲產生信號。
181.根據權利要求180所述的方法，其中在小于約1勒克斯的光強時所述光敏材料的 光靈敏度大于在至少100勒克斯的光強時所述光敏材料的光靈敏度的兩倍。
182.根據權利要求180所述的方法，其中在小于約1勒克斯的光強時所述光敏材料的光靈敏度大于在至少100勒克斯的光強時所述光敏材料的光靈敏度的十倍。
183.—種光電檢測器，包括包括光敏材料的像素區(qū)，其中所述光敏材料的光靈敏度取決于由所述光敏材料吸收 的光的強度；像素電路，電耦合到所述光敏材料，所述像素電路在積分時間段上建立電壓，其中 在所述積分時間段之后基于所述電壓產生信號，所述信號具有噪聲電平；轉換器，被構造為將所述信號轉換成數字像素數據，其中所述轉換器具有輸入范 圍；以及所述像素電路及所述光敏層中的至少一個提供大于所述轉換器的所述輸入范圍除以 所述噪聲電平的比率的至少兩倍的動態(tài)范圍。
184.—種方法，包括 將光敏材料暴露于光；提供通過所述光敏材料的電流，其中通過所述光敏材料的所述電流的速率隨所述光 敏材料的光靈敏度變化，其中光靈敏度取決于由所述光敏材料吸收的光的強度； 在時間段上從所述電流中收集電荷；以及 根據在所述時間段上收集到的電荷產生信號。
185.—種光電檢測器，包括多個電極，包括至少第一電極及第二電極； 所述第一電極與所述第二電極之間的光敏材料；電路，在積分時間段期間在所述第一電極與所述第二電極之間施加電壓差，以使得 電流流過所述光敏材料，其中所述光敏材料的光靈敏度取決于由所述光敏材料吸收的光 的強度；與所述電極中的至少一個電極電連接的電荷存儲，所述電荷存儲存儲基于在所述積 分時間段期間通過所述光敏材料的所述電流的能量；以及讀出電路，被構造為在所述積分時間段之后基于所述電荷存儲的所述能量產生信號。
186.—種光電檢測器，包括具有多個像素區(qū)的光電傳感器陣列，所述像素區(qū)排列成多個行及多個列； 每個像素區(qū)包括至少一個光敏材料；每個相應的像素區(qū)的像素電路，每個相應的像素區(qū)的所述像素電路跨相應的像素區(qū) 的所述光敏材料施加電壓差，其中所述光敏材料的光靈敏度取決于由所述光敏材料吸收 的光的強度；所述像素電路包括電荷存儲，以提供與在積分時間段期間通過相應的像素區(qū)的所述 光敏材料的電流有關的電荷；所述像素電路包括讀出電路，在所述積分時間段之后基于相應的像素區(qū)的所述電荷 存儲的所述電荷產生信號；以及像素選擇電路，選擇要被讀出的所述像素區(qū)中的一子組像素區(qū)的所述像素電路。
187.—種方法，包括 將光敏材料暴露于光；提供通過所述光敏材料的電流；在時間段上使用所述電流以從電荷存儲中放電所存儲的部分電荷； 在所述時間段之后基于所述電荷存儲中剩余的電荷的量從所述電荷存儲產生信號； 其中作為所述電流與由所述光敏材料吸收的光的強度之間的非線性關系的結果，在 相對高的照度下通過所述光敏材料的電流的速率將所存儲的電荷保持在最小閾值以上， 其中當所存儲的電荷高于所述最小閾值時發(fā)生所述信號的產生。
188.—種光電檢測器，包括 像素區(qū)，包括光敏材料；像素電路，電耦合到所述光敏材料，所述像素電路在積分時間段上建立電壓，其中 在所述積分時間段之后基于所述電壓產生信號，所述信號具有噪聲電平；其中作為所述電壓與由相應的像素區(qū)的所述光敏材料吸收的光的強度之間的非線性 關系的結果，在相對高的照度下通過所述光敏材料的電流的速率使所述電壓保持在最小 閾值以上，其中當所述電壓大于所述最小閾值時發(fā)生所述信號的產生；轉換器，被構造為將所述信號轉換成數字像素數據，其中所述轉換器具有輸入范 圍；并且所述像素電路及所述光敏層中的至少一個提供大于所述轉換器的所述輸入范圍除以 所述噪聲電平的比率的至少兩倍的動態(tài)范圍。
189.—種方法，包括 將光敏材料暴露于光；提供通過所述光敏材料的電流； 在時間段上從所述電流中收集電荷； 根據在所述時間段上收集到的電荷產生信號；其中作為所述電流與由所述光敏材料吸收的光的強度之間的非線性關系的結果， 在相對高的照度下通過所述光敏材料的電流的速率使所收集到的電荷保持在最小閾值以 上，其中當所收集到的電荷大于所述最小閾值時發(fā)生所述信號的產生。
190.—種光電檢測器，包括多個電極，包括至少第一電極及第二電極； 所述第一電極與所述第二電極之間的光敏材料；電路，在積分時間段期間在所述第一電極與所述第二電極之間施加電壓差，以使得 電流流過所述光敏材料；與所述電極中的至少一個電極電連接的電荷存儲，所述電荷存儲存儲基于在所述積 分時間段期間流過所述光敏材料的所述電流的能量；以及讀出電路，被構造為在所述積分時間段之后基于所述電荷存儲的所述能量產生信號；其中作為所述電流與由所述光敏材料吸收的光的強度之間的非線性關系的結果，在 相對高的照度下通過所述光敏材料的電流的速率使所存儲的能量保持在最小閾值以上， 其中當所存儲的能量大于所述最小閾值時發(fā)生所述信號的產生。
191.一種光電檢測器，包括具有多個像素區(qū)的光電傳感器陣列，所述像素區(qū)排列成多個行及多個列；每個像素區(qū)包括至少一個光敏材料；每個相應的像素區(qū)的像素電路，每個相應的像素區(qū)的所述像素電路跨相應的像素區(qū) 的所述光敏材料施加電壓差；所述像素電路包括電荷存儲，以提供與在積分時間段期間通過相應的像素區(qū)的所述 光敏材料的電流有關的電荷；所述像素電路包括讀出電路，在所述積分時間段之后基于相應的像素區(qū)的所述電荷 存儲的所述電荷產生信號；以及像素選擇電路，選擇要被讀出的所述像素區(qū)中的一子組像素區(qū)的所述像素電路； 其中作為所述電流與由所述光敏材料吸收的光的強度之間的非線性關系的結果，在 相對高的照度下通過所述光敏材料的電流的速率使所存儲的電荷保持在最小閾值以上， 其中當所存儲的電荷大于所述最小閾值時發(fā)生所述信號的產生。
192.—種光電檢測器，包括 半導體襯底；具有多個像素區(qū)的光電傳感器陣列，所述像素區(qū)排列成多個行及多個列； 每個像素區(qū)包括所述半導體襯底的部分上的至少一個光敏材料； 每個相應的像素區(qū)的形成在所述半導體襯底上的像素電路，每個相應的像素區(qū)的所 述像素電路被構造為跨相應的像素區(qū)的所述光敏材料施加電壓差，并讀出基于在時間段 上通過所述光敏材料的電流的信號；以及所述第一相應像素區(qū)的所述像素電路的至少部分形成在未被第一相應像素區(qū)的所述 像素電路讀出的不同的相應像素區(qū)的所述光敏材料下。
193.根據權利要求192所述的光電檢測器，其中所述第一相應像素區(qū)的所述像素電路 包括多個電路元件，其中在所述第一相應像素區(qū)的所述光敏材料及所述不同的相應像素 區(qū)的所述光敏材料下形成至少一個電路元件。
194.根據權利要求192所述的光電檢測器，其中所述第一相應像素區(qū)的第一像素電路 形成在所述半導體襯底的第一區(qū)域的第一半及所述半導體襯底的第二區(qū)域的第一半中， 其中第二相應像素區(qū)的第二像素電路形成在所述半導體襯底的所述第一區(qū)域的第二半及 所述半導體襯底的所述第二區(qū)域的第二半中。
195.根據權利要求194所述的光電檢測器，其中所述第一區(qū)域在所述半導體襯底上形 成第一矩形區(qū)域，并且所述第二區(qū)域在所述半導體襯底上形成第二矩形區(qū)域，其中所述 第一區(qū)域的第一尺寸與所述第二區(qū)域的第一尺寸以第一縱橫比相關聯。
196.根據權利要求195所述的光電檢測器，其中所述第一縱橫比為1 1。
197.根據權利要求195所述的光電檢測器，其中所述第一縱橫比為2 3。
198.根據權利要求195所述的光電檢測器，其中所述第一縱橫比為3 4。
199.根據權利要求195所述的光電檢測器，其中所述第一像素電路基本包含在第三矩 形區(qū)域中，并且所述第二像素電路基本包含在第四矩形區(qū)域中，其中所述第三矩形區(qū)域 的第三尺寸與所述第四矩形區(qū)域的第四尺寸以第二縱橫 比相關聯。
200.根據權利要求8所述的光電檢測器，其中所述第二縱橫比大于所述第一縱橫比。
201.根據權利要求8所述的光電檢測器，其中所述第二縱橫比大于所述第一縱橫比的 兩倍。
全文摘要
描述了一種光電檢測器以及相應的材料、系統(tǒng)及方法。所述光電檢測器包括集成電路及至少兩個光敏層。第一光敏層在所述集成電路的至少部分上，并且第二光敏層在所述第一光敏層上。每個光敏層插置在兩個電極之間。所述兩個電極包括相應的第一電極及相應的第二電極。所述集成電路選擇性地對所述電極施加偏壓，并從所述光敏層中讀出信號。所述信號與由相應的光敏層接收到的光子的數量有關。
文檔編號H01L27/14GK102017147SQ200880020973
公開日2011年4月13日 申請日期2008年4月18日 優(yōu)先權日2007年4月18日
發(fā)明者亞瑟·阿加雅尼亞恩, 代安·代萊漢蒂·麥克尼爾, 伊恩·斯圖爾特·亞當斯, 伊戈爾·康斯坦丁·伊萬諾夫, 伊?！ぱ鸥鞑肌ざ趴戏茽柕隆た巳R姆, 先·奧賴利·欣茲, 凱文·亨特, 史蒂文·大衛(wèi)·奧利佛, 唐江, 基思·威廉·約翰斯通, 基思·格里恩·菲費, 威廉·馬丁·斯內爾格羅夫, 安德拉斯·格察·帕坦蒂烏斯阿夫拉姆, 拉里莎·萊溫娜, 杰斯·賈恩·揚·里, 杰森·保羅·克利福德, 愛德華·哈特利·薩金特, 田輝, 皮埃爾·亨利·雷涅·德拉納韋, 米爾頓·董, 耶拉西莫斯·康斯坦塔托斯, 舒爾德·霍格蘭, 邁克爾·查爾斯·布羅丁, 阿爾明·費希爾, 雷蒙德·奇克 申請人:因維薩熱技術公司