DE102006049120A1 - An organic photodiode imager and method of making the same - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bildaufnehmer, wie eine Digitalkamera und/oder eine Videokamera, die für verschiedene Spektralbereiche, wie auch beispielsweise für den Infrarot-Spektralbereich, einsetzbar ist.The invention relates to an image recorder, such as a digital camera and / or a video camera, which can be used for different spectral ranges, as well as for example for the infrared spectral range.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bildaufnehmer, wie eine Digitalkamera und/oder eine Videokamera, die für verschiedene Spektralbereiche, wie auch beispielsweise für den Infrarot-Spektralbereich, einsetzbar ist.The The invention relates to an imager, such as a digital camera and / or a video camera for different spectral ranges, as for example for the infrared spectral range, can be used.

In digitalen Bildaufnehmern werden als Auslesechips CCD oder CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Chips mit mehreren Megapixeln Auflösung eingesetzt.In digital imagers are used as readout chips CCD or CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) chips with a resolution of several megapixels.

Speziell CMOS Chips setzen sich immer mehr gegenüber CCD Chips durch, da diese CMOS Chips bereits sehr viel Logik in dem Chip integriert haben. Neben der aktiven Fläche ist eine Vielzahl weiterer Funktionen wie Weißabgleich, Belichtungskontrolle, etc. bereits im Chip integriert. Weiterhin erfolgt die Analog-Digital-Wandlung ebenfalls im Chip, so dass alle externen Signale bereits digital vorhanden sind. Diese Bildaufnehmer haben eine typische Baugröße von einigen mm2 bei einer Pixelgröße zwischen 2 und 10 μm. Die Chips werden in herkömmlicher Halbleitertechnologie aus Silizium gefertigt. Jeder Bildpunkt hat einen Dünnfilmtransistor (TFT) als Schalter und einer Photodiode zur Detektion des einfallenden Lichts. Dies nennt man auch Aktiv-Matrix-Ansteuerung.Especially CMOS chips are becoming more and more common with CCD chips because these CMOS chips already have a lot of logic integrated into the chip. In addition to the active surface, a variety of other functions such as white balance, exposure control, etc. already integrated in the chip. Furthermore, the analog-to-digital conversion also takes place in the chip, so that all external signals are already available digitally. These image recorders have a typical size of a few mm 2 with a pixel size between 2 and 10 μm. The chips are made of silicon using conventional semiconductor technology. Each pixel has a thin film transistor (TFT) as a switch and a photodiode for detecting the incident light. This is called active matrix control.

Nachteilig an den bisher bekannten CMOS Bildaufnehmern ist, dass sie wegen der herkömmlichen Halbleitertechnologie auf Silizium basierend hohe Herstellungskosten haben. Zudem ist es nicht möglich, mit der auf Silizium basierenden Photodiode einen Bildaufnehmer für einen breitbandigen Bereich zu schaffen, weil die Silizium-Photodioden in ihrem Empfindlichkeitsbereich festgelegt sind (ca. 350 bis 1000 nm).adversely on the previously known CMOS imagers is that because of the conventional one Semiconductor technology based on silicon high production costs to have. Moreover, it is not possible with the silicon-based photodiode an imager for one to create broadband area, because the silicon photodiodes within their sensitivity range (about 350 to 1000 nm).

Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass das Verhältnis von aktiver Fläche zur Fläche der Dünnfilmtransistoren sehr klein ist. Dieses als Füllfaktor bezeichnete Verhältnis liegt bei den CMOS Chips oft unter 50%, das heißt, dass die Hälfte der Lichtquanten nicht detektiert werden. Zwar werden Mikrolinsenarrays eingesetzt, jedoch führt dies wieder zu einer Komplikation des Gerätes und zur Kostensteigerung.One Another disadvantage is the fact that the ratio of active area to the surface the thin-film transistors is very small. This as a fill factor designated ratio is often below 50% for CMOS chips, that is, half of the light quanta can not be detected. Although microlens arrays are used, however, leads this again to a complication of the device and to increase costs.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, großflächige Photodioden mit hoher Quanteneffizienz und einer einfach einstellbaren Bandbreite zur Verfügung zu stellen.task The invention is therefore, large-area photodiodes with high quantum efficiency and an easily adjustable bandwidth available too put.

Gegenstand der Erfindung ist ein Bildaufnehmer, eine Schaltmatrix mit zumindest ein Substrat, einen Silizium-basierten Auslesechip und einen Elektrodenkontakt umfassend, wobei auf dem Elektrodenkontakt eine unteren Elektrode aufgebracht ist, auf der zumindest eine organisch basierte photoaktive Schicht und darauf eine obere transparente Elektrode aufgebracht ist.object The invention is an image sensor, a switching matrix with at least a substrate, a silicon-based readout chip, and an electrode contact comprising, on the electrode contact, a lower electrode is applied on the at least one organically based photoactive Layer and applied to an upper transparent electrode is.

Photodioden auf der Basis von organischen Halbleitermaterialien bieten die Möglichkeit, großflächige Photodioden mit hohen Quanteneffizienzen herzustellen. Die hierbei eingesetzten dünnen organischen Schichtsysteme können mit bekannten Herstellungsverfahren wie Spin-Coating, Rakeln oder Druckverfahren kostengünstig hergestellt werden und ermöglichen so einen Preisvorteil, vor allem für größerflächige Bildaufnehmer.photodiodes based on organic semiconductor materials offer the possibility large-area photodiodes produce with high quantum efficiencies. The used here thin organic layer systems can with known manufacturing processes such as spin coating, doctor blading or printing process economical be produced and enable such a price advantage, especially for larger image sensors.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden Halbleitermaterialien eingesetzt, die im IR (infraroten) Bereich absorbieren, so dass ein Bildaufnehmer für den IR-Bereich geschaffen wird.To an advantageous embodiment of the Invention are semiconductor materials used in the IR (infrared) Absorb area so that an image sensor for the IR range is created.

Nach einer weiteren Ausführungsform können Bildaufnehmer mit einer an das menschliche Auge angepassten Empfindlichkeitskurve hergestellt werden. Dafür ist das organische Material viel besser geeignet als das auf Silizium basierende, da Silizium in dem für das menschliche Auge unsichtbaren NIR Bereich > 700 nm besonders empfindlich ist, d.h. dieser Bereich muss bei einem Silizium basierten Bildaufnehmer aufwendig weggefiltert werden.To a further embodiment can Image sensor with a sensitivity curve adapted to the human eye getting produced. Therefore the organic material is much better suited than that on silicon based, since silicon in the for the human eye invisible NIR range> 700 nm is particularly sensitive, i. This area must be complicated with a silicon-based image sensor be filtered out.

Nach einer anderen Ausführungsform wird als Schaltmatrix eine CMOS-Schaltmatrix, beispielsweise wie sie von der Firma Omnivision bekannt ist, eingesetzt. Das Blockdiagramm eines CMOS-Bildaufnehmers der Firma Omnivision zeigt, dass hier neben der tatsächlich aktiven Fläche des Chips eine Vielzahl weiterer Funktionen integriert ist.To another embodiment is a switching matrix CMOS switching matrix, such as It is used by the company Omnivision. The block diagram a CMOS imager the company Omnivision shows that here in addition to the actually active area the chip is integrated with a variety of other functions.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand zweier Figuren näher erläutert:in the The invention will be explained in more detail below with reference to two figures:

1 zeigt den Aufbau einer organischen Photodiode und 1 shows the structure of an organic photodiode and

2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, nämlich die Kombination einer herkömmlichen CMOS-Imager Schaltmatrix mit einer organisch basierten photoaktiven Schicht. 2 shows an embodiment of the invention, namely the combination of a conventional CMOS imager switching matrix with an organic-based photoactive layer.

Zu 1: Die organischen Photodioden bestehen z.B. aus einem vertikalen Schichtsystem: Unten befindet sich ein Substrat 1 darüber eine Anode 2, die beispielsweise aus Indium Zinn Oxid (ITO) oder einem Metall ist. Darüber befindet sich gemäß der gezeigten Ausführungsform eine organische Lochleitschicht 3. Auf diese Schicht folgt die eigentlich aktive Schicht, die organische photoaktive Schicht 4 über der sich die transparente Topelektrode 5 befindet. Das Schichtsystem besteht beispielsweise aus einer Gold-Elektrode als Anode 2, einer so genannten Bulk-Heterjunction als aktive Schichten 3 und 4, die beispielsweise die beiden Komponenten P3HT (Absorber- und Lochtransportkomponente) und PCBM (Elektronenakzeptor und -transportkomponente) umfasst. Die Wirkung als „Bulk-Heterojunction" ist, dass an den Grenzflächen der beiden Materialien eine Trennung der Ladungsträger erfolgt, die sich innerhalb des gesamten Schichtsystems ausbilden.To 1 The organic photodiodes consist, for example, of a vertical layer system: Below is a substrate 1 above an anode 2 which is, for example, indium tin oxide (ITO) or a metal. Above this, according to the embodiment shown, there is an organic hole-conducting layer 3 , This layer is followed by the actually active layer, the organic photoactive layer 4 above the transparent top electrode 5 located. The layer system consists for example of a gold electrode as the anode 2 , one so called Bulk heterojunction as active layers 3 and 4 comprising, for example, the two components P3HT (absorber and hole transport component) and PCBM (electron acceptor and transport component). The effect as a "bulk heterojunction" is that at the interfaces of the two materials a separation of the charge carriers takes place, which form within the entire layer system.

Das im Beispiel und in der 1 gezeigte Halbleitersystem zeigt hohe Quanteneffizienz in einem Spektralbereich von 350 bis 650 nm. Möchte man einen CMOS Bildaufnehmer („CMOS- Imager") mit einer an das menschliche Auge angepassten Empfindlichkeitskurve herstellen, ist diese Materialkombination viel besser geeignet als Silizium, das in dem für das menschliche Auge unsichtbaren NIR Bereich (Wellenlänge des Lichts > 700 nm) besonders empfindlich ist. Deshalb müsste bei einem entsprechenden Silizium Imager dieser Bereich aufwendig weggefiltert werden.That in the example and in the 1 The semiconductor system shown shows high quantum efficiency in a spectral range from 350 to 650 nm. If one wishes to produce a CMOS image sensor ("CMOS imager") with a sensitivity curve adapted to the human eye, this combination of materials is much better suited than silicon used in the human eye invisible NIR range (wavelength of the light> 700 nm) is particularly sensitive.Therefore, with a corresponding silicon imager this range would have to be filtered out consuming.

Durch Verwendung anderer organischer Halbleiterkombinationen kann die spektrale Empfindlichkeit des Detektors leicht angepasst werden. Weiterhin kann durch den Zusatz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder anorganischer Nanokristalle wie HgTe, CdSe, PbS, etc. der Spektralbereich bis zu 4 μm erweitert werden.By Use of other organic semiconductor combinations may be spectral sensitivity of the detector can be easily adjusted. Furthermore, by the addition of carbon nanotubes or inorganic nanocrystals such as HgTe, CdSe, PbS, etc. the spectral range up to 4 μm be extended.

Zur Herstellung eines CMOS Imagers mit organischer Photodiode kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden:
Eine fertige Schaltmatrix, wie beispielsweise die eines CMOS-Imagers, bei dem die Photodiode noch nicht aufgebracht ist, wird handelsüblich erhalten. Dieser CMOS Imager hat bevorzugt noch eine untere beispielsweise strukturierte Elektrode für jede Photodiode. Auf diese untere Elektrode wird ganzflächig die organische photoaktive Schicht (Bulk-heterojunction) aufgebracht. Darauf kann, ebenfalls ganzflächig und unstrukturiert, die obere Elektrode aufgebracht werden.To produce a CMOS imager with an organic photodiode, for example, proceed as follows:
A finished switching matrix, such as that of a CMOS imager, in which the photodiode is not yet applied, is obtained commercially. This CMOS imager preferably has a lower, for example, structured electrode for each photodiode. The organic photoactive layer (bulk heterojunction) is applied over this entire surface to this lower electrode. On top, also the whole surface and unstructured, the upper electrode can be applied.

Die ganzflächigen Schichten können extrem kostengünstig durch Spin Coating, Sprühen, Rakeln etc. aufgebracht werden.The whole-area Layers can extremely inexpensive by spin coating, spraying, Squeegees, etc. are applied.

Aufgrund der durchgängigen photoaktiven Schicht konnte der Crosstalk (übersprechen, das bei Erzeugen einer Spannung an einem Pixel die benachbarten Pixel auch zumindest teilweise aktiviert) zwischen den Pixeln unter 5% gedrückt werden.by virtue of the universal one photoactive layer could crosstalk (crosstalk when generating a voltage at a pixel, the neighboring pixels also at least partially activated) between pixels below 5%.

2 zeigt die Kombination einer herkömmlichen CMOS-Imager Schaltmatrix mit einer organischen photoaktiven Schicht. Die CMOS Imager Schaltmatrix sieht man unten zunächst mit einem Substrat 1, auf dem ein Elektrodenkontakt 6 in einer Passivierungsschicht 7 eingebettet ist. Auf der Passivierungsschicht befindet sich die untere Elektrode 2, die ebenfalls strukturiert ist. Der Schichtaufbau bis zu diesem Punkt ist im Handel erhältlich, beispielsweise kann eine Schaltmatrix eines CMOS Bildaufnehmers der Firma Omnivision hier eingesetzt werden. 2 shows the combination of a conventional CMOS imager switching matrix with an organic photoactive layer. The CMOS imager switching matrix can be seen below first with a substrate 1 on which an electrode contact 6 in a passivation layer 7 is embedded. On the passivation layer is the lower electrode 2 , which is also structured. The layer structure up to this point is commercially available, for example, a switching matrix of a CMOS image sensor from Omnivision can be used here.

Auf diesen, wie gesagt auch einfach eingekauften oder selbst hergestellten Aufbau wird nun großflächig mit einem kostengünstigen Verfahren eine unstrukturierte photoaktive Schicht, beispielsweise eine Bulk-heterojunction, wie oben beschrieben, aufgebracht.On this, as I said, also simply bought or self-made Construction will now be extensive a cost-effective Process an unstructured photoactive layer, for example a bulk heterojunction is applied as described above.

Diese Bulk-Heterojunction umfasst in der Regel zwei Schichten, eine Schicht aus einem lochtransportierendem Polythiophen (Schicht 3) und einem elektronentransportierendem Fulleren-Derivat (Schicht 4).This bulk heterojunction usually comprises two layers, a layer of a hole-transporting polythiophene (layer 3 ) and an electron-transporting fullerene derivative (layer 4 ).

Auf diese Schicht kann wiederum unstrukturiert und durch billige Herstellungsmethoden realisierbar, die obere Elektrode 5 aufgebracht werden. Auf die obere Elektrode kommen noch eine Passivierungsschicht 8 und eine Verkapselung (hier nicht gezeigt). So lassen sich nach der Erfindung die CMOS-artigen organisch basierten Bildaufnehmer herstellen.In turn, this layer can be unstructured and realized by cheap manufacturing methods, the upper electrode 5 be applied. On top of the electrode there is a passivation layer 8th and an encapsulation (not shown here). Thus, according to the invention, the CMOS-like organic based image sensors can be produced.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden die Bildaufnehmer einfach durch Beschichtungsverfahren hergestellt indem auf eine fertige CMOS-Schaltmatrix durch Beschichten wie Rakeln, Sprühen, coating, dipcoating, spincoating etc. zunächst eine oder mehrere photoaktive Schichten und dann eine unstrukturierte Elektrodenschicht aufgebracht werden.To an embodiment In accordance with the invention, image sensors are easily formed by coating methods made by coating on a finished CMOS switching matrix like doctoring, spraying, coating, dipcoating, spincoating etc. initially one or more photoactive Layers and then applied an unstructured electrode layer become.

Da die organisch basierte photoaktiven Halbleiterschichten ganzflächig und ohne Strukturierung aufgebracht werden, erstrecken sich diese Schichten über 100% der Fläche und damit wird der Füllfaktor bei CMOS-artigen Bildaufnehmern enorm gesteigert und beträgt ungefähr 100%.There the organically based photoactive semiconductor layers over the entire surface and applied without structuring, these layers extend over 100% the area and thus the fill factor becomes CMOS-type image sensors increased enormously and is approximately 100%.

Durch Verwendung passender organischer Halbleitersysteme kann auf einfache Weise ein schmalbandiger Photodetektor realisiert werden. Selbst der infrarote Spektralbereich ist durch diesen einfachen Ansatz mit sehr niedrigen Prozesskosten abgedeckt. Die CMOS-Schaltmatrix ist für alle Detektoren gleich. Es wird am Ende des Prozesses lediglich der passende organische Halbleiter großflächig, unter Vermeidung teurer Lithographieprozesse, aufgebracht.By Use of suitable organic semiconductor systems can be simple Way a narrowband photodetector can be realized. Even the infrared spectral range is through this simple approach covered with very low process costs. The CMOS switching matrix is for all detectors equal. It will only be at the end of the process the suitable organic semiconductor over a large area, while avoiding expensive Lithography processes, applied.

In der vorliegenden Erfindung wird erstmals eine CMOS-Schaltmatrix eines Bildaufnehmers mit einer organischen photoaktiven Schicht kombiniert. Dadurch können schmalbandige Detektoren und Detektoren für unterschiedliche Spektralbereiche kostengünstig hergestellt werden.In the present invention, for the first time, a CMOS switching matrix of an image sensor is combined with an organic photoactive layer. As a result, narrowband detectors and De be produced at low cost for different spectral ranges.

Claims (8)

Bildaufnehmer, eine Schaltmatrix mit zumindest ein Substrat, einen Silizium-basierten Auslesechip und einen Elektrodenkontakt umfassend, wobei auf dem Elektrodenkontakt eine unteren Elektrode aufgebracht ist, auf der zumindest eine organisch basierte photoaktive Schicht und darauf eine obere transparente Elektrode aufgebracht ist.Image sensor, a switching matrix with at least a substrate, a silicon-based readout chip, and an electrode contact comprising, on the electrode contact, a lower electrode is applied on the at least one organically based photoactive Layer and applied to an upper transparent electrode is. Bildaufnehmer nach Anspruch 1, der im Infrarotbereich Bilder aufnimmt.Image sensor according to claim 1, which is in the infrared range Taking pictures. Bildaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schaltmatrix eine CMOS-Schaltmatrix ist.Image sensor according to claim 1 or 2, wherein the Switching matrix is a CMOS switching matrix. Bildaufnehmer nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die untere Elektrode noch Bestandteil der Schaltmatrix ist.Image sensor according to one of claims 1, 2 or 3, in which the lower electrode is still part of the switching matrix is. Bildaufnehmer nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem durch die Wahl und/oder Dotierung des Materials der organisch basierten photoaktiven Schicht der Wellenlängenbereich der aufzunehmenden Lichtquanten einstellbar ist.Image sensor according to one of the preceding claims, wherein by the choice and / or doping of the material of the organic based photoactive layer of the wavelength range of the male Light quantum is adjustable. Bildaufnehmer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der organisch basierten photoaktiven Schicht eine Kombination mehrerer Materialien in Form eines Elends und/oder einer „Bulk-heterojunction" vorliegen.Image sensor according to one of the preceding claims, wherein in the organically based photoactive layer a combination multiple materials in the form of a misery and / or a "bulk heterojunction" present. Bildaufnehmer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Silizium basierte Auslesechip noch logische Funktionen wie Weissabgleich, Zoom, Belichtungskontrolle, Uhrzeit und/oder Datum integriert hat.Image sensor according to one of the preceding claims, wherein the silicon-based readout chip still has logical functions such as white balance, Zoom, exposure control, time and / or date has been integrated. Verfahren zur Herstellung eines Bildaufnehmers nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem auf eine Schaltmatrix eine organisch basierte photoaktive Schicht und eine transpa rent Elektrode unstrukturiert durch einfache Beschichtungsmethoden aufgebracht werden.A method for producing an image sensor according to one of the preceding claims, in which an organically based photoactive on a switching matrix Layer and a transparent electrode unstructured by simple Coating methods are applied.
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