WO2007104328A1 - B0l0meter mit organischer halbleiterschichtanordnung - Google Patents

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    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/30—Doping active layers, e.g. electron transporting layers

Definitions

  • the present invention relates to bolometers.
  • a bolometer is a device for measuring electromagnetic radiation of a certain frequency. It includes a absorber, which converts the electromagnetic radiation into heat, and a thermometer. Depending on a heat capacity of the material, there is a direct relationship between an amount of absorbed radiation and a resulting increase in temperature. Thus, the temperature can serve as a measure of an intensity of the incident radiation. Particularly interesting are bolometers for measuring infrared radiation, where most bolometers have the highest sensitivity.
  • a bolometer can be used in the art as an infrared sensor, image detector for a night vision device, as an infrared camera, or as a thermal imaging camera.
  • bolometers can be used as an individual sensor or combined to form a sensor row or a 2-dimensional array (microbolometer array).
  • a thin layer is thermally insulated, for example, suspended as a membrane.
  • the infrared radiation is absorbed in this membrane, thereby increasing its temperature.
  • this membrane consists of a material with a finite electrical resistance, 1 this electrical resistance changes as a function of the temperature increase and a temperature coefficient of the resistance. Further details are described in the following document: http: // www-leti. cea. fr / commun / AR-1403 / T5- Photodetection / 25-J-Ltissot. pdf.
  • the membrane is an insulator (silicon oxide or silicon nitride) on which the resistor is deposited as a further thin layer has been.
  • insulating layers and an absorber layer are provided in addition to the resistive layer.
  • I D I 0 - (Exp ⁇ eU D / kT ⁇ -l)
  • T is the temperature
  • k the Boltzmann constant
  • e the electrical charge
  • I D and U D a current and voltage in the diode
  • I 0 is a voltage independent constant
  • Bolometers which are arranged as rows or arrays, are typically produced today using microsystem technology in surface micromachining on silicon substrates. This is called microbolometer arrays.
  • a preferred wavelength of the infrared radiation to be detected is 8-14 .mu.m, since in this wavelength range solid bodies radiate which have approximately room temperature (300 K).
  • the wavelength range of 3 - 5 microns is also interesting because of the permeable atmospheric window.
  • Fig. 3 shows an example of a bolometer. It comprises a thermometer layer of amorphous silicon, which is spanned as a membrane between two spacers 820 and 830 at their corners. Below this membrane is located at a distance of about 2.5 microns, a reflector layer 840. The thermometer layer or membrane has a thickness of about 0.1 ⁇ m.
  • ROIC integrated readout integrated circuit
  • thermal bolometers over other (photonic) infrared detectors is that they are stable at room temperature, i. can be operated without cooling.
  • CMOS inorganic semiconductor materials active
  • non-doped organic semiconductor layers such as are used in the work cited above has, in turn, the disadvantage that this layer is very highly resistive (10 14 ohm-cm at 70 0 C) and both sides need to be contacted over a large area.
  • the object of the present invention is to provide a bolometer that a high sensitivity with simultaneous possibility allows a Mitintegration an evaluation or measurement circuit with lower costs or effort.
  • a bolometer in accordance with the present invention includes an organic semiconductor diode layer assembly for measuring temperature. These diodes can be large-area, such as several mm 2 large, which is why a high yield even with small array pixels with a membrane area of about 25x25 by 2 can be achieved. Furthermore, it is possible to produce good diodes with an ideal shaped characteristic curve, ie with a large range of exponential current increase, as has already been realized in connection with organic light-emitting diodes (OLEDs), for example.
  • OLEDs organic light-emitting diodes
  • a bolometer according to the invention has an advantage in having a large range with exponential temperature dependency in the current-voltage characteristic and nevertheless having a low electrical resistance. Furthermore, it allows a high fill factor, wherein the pixel size can be realized small enough to realize 2-dimensional arrays.
  • organic semiconductors have been produced in a quality that allows their use in microelectronics and microsystem technology.
  • Fields of application investigated are "plastic transistors", ie integrated circuits in organic semiconductors, and in particular also OLEDs
  • the pn junctions in organic semiconductors have hitherto been used preferably for generating light (optical LEDs, OLEDs)
  • the typical forward voltage such diodes are above 2 V.
  • the production of these diodes takes place over a large area as a multi-layer system, for example on D. Gebeyehu, K. Walzer, G. He, M. Pfeiffer, K. Leo, J. Brandt, A. Gerhardt and H.
  • the organic semiconductor diode layers can be produced from small molecules by vapor deposition or from polymers by spin coating or also by printing processes similar to those in inkjet printers. They are highly pure and can be structured, to which M. Pfeiffer, S. R ' . Forrest: "Organic Light Emitting Diodes", in: R. Waser (Ed.), Nanoelectronics and Information Technology, Advanced Electronic Materials and Novel Devices, Wiley VCH (2003) and T. Kawase ea: "All-Polymer Thin Film Transistor Fabricated by High-Resolution Inkjet Printing ", Proc. IEDM, 623-626 (2000) In the meantime, long-term stable OLEDs have also been described, for example in P.
  • the p-doped layer is electrically connected via a contact layer to a spacer, and the n-doped layer is over a another contact layer electrically connected to a second spacer.
  • the two spacers serve as electrical connections and support the organic semiconductor diode layer, so that it floats over, for example, a reflector in a ⁇ / 4 distance.
  • the contact between the semiconductor layer and spacer can also be directly or directly.
  • One possible layer sequence is, for example, nitride - lower contact layer - organic semiconductor diode - upper contact layer - organic protective layer.
  • the organic carriers and protective layers consist for example of polyimide, parylene or BCB (benzocyclobutenes).
  • the organic semiconductor layer consists for example of p- and n-doped pentacene, anthracene, pthalocyanine or bathophenanthroline, optionally with an undoped intermediate layer.
  • This layer sequence is preferably held by means of the spacers at a fixed distance above the substrate on which a reflector may be located.
  • the semiconductor layer arrangement and the reflector form a ⁇ / 4 absorber. This is the case when the distance between the layer sequence and the reflector is just one quarter of the wavelength of the interfering or detected IR radiation, wherein the electrical resistance of the semiconductor layer arrangement preferably corresponds to the propagation resistance of an electromagnetic wave in air.
  • the layer sequence comprises the following 7 layers: an ITO contact, a p-doped hole transport layer, an electron barrier layer, an emission layer, a hole blocking layer, an n-doped electron transport layer and a contact layer of aluminum.
  • organic diodes Compared to known silicon diode structures, organic diodes have a number of advantages. Since they have been mainly on large areas for light emission have been developed, can be expected with a good yield even when used in a bolometer array with small pixels.
  • the thermal conductivity and heat capacity of organic layers is typically smaller than that of semiconductors and metals, so that better thermal insulation can be achieved. Like all diodes, they have an exponential dependence of the current-voltage characteristic on the temperature and therefore show a high temperature dependence of the differential resistance compared to metal-based resistive layers.
  • the long-term stability of the organic layer will be better than that of OLEDs, since the sensors are usually built up in an evacuated housing because of thermal insulation. This prevents degradation by oxygen or moisture.
  • the pixel electronics below the diode membrane can be integrated, for example, in the silicon substrate, since the low-temperature deposition of the organic semiconductor layers, which is constructed, for example, as CMOS electronics, does not influence it.
  • organic semiconductor diodes differ from known diode structures made of silicon, which are difficult to integrate in a substrate with electronics already integrated, and thus did not offer any suitable space for integrating the circuit below the sensor layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a bolometer according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 3 is a perspective view of a conventional membrane with amorphous silicon.
  • the membrane is replaced by a layer arrangement of silicon nitride and / or silicon oxide as a nonconducting carrier, on which a pn or pin diode is arranged as a multilayer system of organic semiconductor layers is.
  • a planar non-conductive substrate 110 e.g. a layer of silicon oxide on a substrate, e.g. a silicon wafer 120, provided.
  • the layer 110 may be, for example, the polished uppermost oxide layer on a CMOS wafer containing all the layers and structures necessary for a subsurface CMOS circuit, the CMOS circuit including, for example, evaluation electronics of the Bolometer forms.
  • Two spacers 130 protrude from the non-conductive substrate 110 and carry at its ends facing away from the substrate 120, a membrane 140.
  • the membrane 140 is thus cantilevered above the substrate 110, in which it is suspended between the two spacers 130.
  • the contact plugs provide mechanical support to the membrane by piercing and holding a nitride layer 150 provided in the membrane 140 to a thickness of, for example, 100 to 300 nm.
  • a nitride layer 150 provided in the membrane 140 to a thickness of, for example, 100 to 300 nm.
  • the latter is used for thermal insulation and is a carrier of contact layers 160, 170 and organic semiconductor layers 180, 190, which are also part of the membrane. Due to the distance to the substrate 110 (about 0.5 to 3 microns), the membrane 140 is thermally isolated from the substrate.
  • the membrane 140 is constructed of the nitride layer 150, on which in turn is a first contact layer 170, such as made of ITO, which makes a surface contact with the following p-type organic semiconductor layer 190.
  • the n-type semiconductor layer 180 is arranged, followed by the second contact layer 160, which consists for example of Al, in order to contact the n-type organic semiconductor layer in a planar manner.
  • the organic semiconductor layers are insulated from both spacers by an organic insulator 175, for example.
  • the lower contact layer 170 is electrically connected to the spacer 130a, and a contact metal 195 resting on the plug 130b and the contact layer 160 electrically connects the second contact layer 160 to the other spacer 130b.
  • the spacers 130 may be made of CVD tungsten as mentioned above and have, for example, a diameter of about 1 ⁇ m. With them, the membrane 140 is electrically contacted at two opposite points. At the bottom, the spacers are connected to the aforementioned evaluation circuit, for example via plated-through holes through the layer 110.
  • a reflective layer 185 of aluminum (approximately 140 nm thick) is disposed on the oxide surface 110.
  • the membrane and the reflector form a distance, so that a ⁇ / 4 absorber is formed.
  • the organic semiconductor layer of the membrane has an electrical resistance of about 377 ⁇ / D and is at a distance of ⁇ / 4 (ie about 2.5 microns) above the reflective layer 185.
  • this arrangement is an infrared absorber and the Sheet resistance corresponds to the direction Resistance of electromagnetic radiation in air.
  • the infrared signal is absorbed optimally.
  • FIG. 2 shows a cross section of an exemplary layer sequence for the membrane which has an organic semiconductor with a more complex structure.
  • the membrane is constructed from the bottom to the top of the following 7 layers: ITO contact 210, p-doped hole transport layer 220, electron barrier layer 230, emission layer 240, hole blocking layer 250, n-doped electron transport layer 260 and aluminum 270.
  • the ⁇ TO Layer 210 would be electrically connected to plug 130a while Al layer 270 would be electrically connected to plug 130b, and the remaining layers 220-260 would be isolated from plug 130a, b by insulation material 175.
  • other organic diode layer sequences can also be used.
  • the nitride layer 150 may be replaced, for example, by a series of silicon oxide and silicon nitride layers, or the membrane 140 may consist exclusively of semiconductive organic materials. With suitable stability of an organic carrier, the following layer sequence is also possible: organic carrier - organic semiconductor - organic protective layer.
  • organic carrier - organic semiconductor - organic protective layer On the sensor in Fig. 1, an additional absorber layer, e.g. made of Pt-Black.
  • the spacers 130 may also be made of a different material, such as e.g. made of aluminum or of highly doped silicon.
  • the aluminum contact layer 160 can be applied over the entire surface of the layer 180.
  • application in the form of a finger structure may be advantageous in order to improve the absorption. In the latter case, the contact layer 160 occupies only a part of the lateral surface of the bolometer. Similar considerations apply to the lower contact layer.

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Abstract

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung sind Bolometer, die eine organische Halbleiterdiodenschichtanordnung (180, 190) zur Messung der Temperatur benutzen. Diese Bolometer sind insbesondere sensitiv für den Infrarotwellenbereich, so dass sie als Infrarotsensor einsetzbar sind, und sich zu dimensionalen Sensorzeilen oder zu 2-dimensionalen Mikrobolometer-Arrays kombinieren lassen.

Description

BOLOMETER MIT ORGANISCHER HALBLEITERSCHICHTANORDNUNG
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bolometer.
Ein Bolometer ist ein Gerät zum Messen elektromagnetischer Strahlung einer bestimmten Frequenz. Es umfasst einen Ab- sorber, der die elektromagnetische Strahlung in Wärme umwandelt, und ein Thermometer. In Abhängigkeit von einer Wärmekapazität des Materials besteht ein direkter Zusammenhang zwischen einer Menge an absorbierter Strahlung und einer resultierenden Temperaturerhöhung. Damit kann die Tem- peratur als ein Maß für eine Intensität der eingefallenen Strahlung dienen. Besonders interessant sind Bolometer zum Messen einer Infrarotstrahlung, wo die meisten Bolometer eine höchste Sensitivität aufweisen.
Ein Bolometer kann in der Technik als Infrarotsensor, Bildaufnehmer für ein Nachtsichtgerät, als Infrarotkamera oder als Wärmebildkamera verwandt werden. Dabei können Bolometer als Einzelsensor eingesetzt werden oder zu einer Sensorzeile bzw. zu einem 2-dimensionalen Array (Mikrobolometer- Array) kombiniert werden.
Im Sensor ist eine dünne Schicht thermisch isoliert angeordnet, z.B. als eine Membran aufgehängt. Die Infrarotstrahlung wird in dieser Membran absorbiert, die dadurch ihre Temperatur erhöht. Besteht diese Membran aus einem Material mit endlichem elektrischen Widerstand,1 verändert sich dieser elektrische Widerstand in Abhängigkeit von der Temperaturerhöhung und einem Temperaturkoeffizienten des Widerstands. Weitere Details werden in dem folgenden Doku- ment beschrieben: http: //www-leti. cea. fr/commun/AR-1403/T5- Photodetection/25-J-Ltissot . pdf . Alternativ ist die Membran ein Isolator (Siliziumoxid oder Siliziumnitrid) , auf der der Widerstand als weitere dünne Schicht abgeschieden wurde. In anderen Ausführungen sind zusätzlich zur Widerstandsschicht Isolationsschichten und eine Absorberschicht angebracht .
Für die Sensitivität des Bolometers ist es wichtig, dass sich der elektrische Widerstand schnell und signifikant mit der Temperatur ändert. Die Temperaturabhängigkeit von Metallschichtwiderständen ist linear. Halbleiter als Widerstandsmaterial haben eine exponentielle Abhängigkeit. Eine ebenso hohe Abhängigkeit versprechen Dioden als Wärmedetektoren mit ihrer Strom-Spannungskennlinie nach:
ID=I0-(Exp{eUD/kT}-l)
wobei T die Temperatur, k die Boltzmann Konstante, e die elektrische Ladung, ID und UD eine Stromstärke und Spannung in der Diode bezeichnet sowie I0 eine Spannungsunabhängige Konstante ist.
Bolometer, die als Zeilen oder Arrays angeordnet sind, werden heute typisch mit Verfahren der Mikrosystemtechnik in Oberflächenmikromechanik auf Siliziumsubstraten hergestellt. Hier spricht man von Mikrobolometer-Arrays .
Eine bevorzugte Wellenlänge der zu detektierenden Infrarotstrahlung liegt bei 8 - 14 μm, da in diesem Wellenlängenbereich Festkörper strahlen, die in etwa Raumtemperatur (300 K) haben. Der Wellenlängenbereich von 3 - 5 μm ist ebenfalls interessant wegen des durchlässigen atmosphärischen Fensters.
Fig. 3 zeigt beispielhaft ein Bolometer. Es umfasst eine Thermometerschicht aus amorphen Silizium, die als Membran zwischen zwei Abstandshaltern 820 und 830 an deren Ecken aufgespannt ist. Unterhalb dieser Membran befindet sich in einem Abstand von ungefähr 2,5 μm eine Reflektorschicht 840. Die Thermometerschicht bzw. Membran hat eine Dicke von ungefähr 0,1 μm. Die Abstandshalter 820 und 830 fixieren nicht nur die Membran 810 über der Reflektorschicht 840 an gegenüberliegenden Seiten, sondern sie stellen auch einen elektrischen Kontakt zwischen dem jeweiligen Ende der Ther- mometerschicht 810 und einer darunter liegenden Schaltung (nicht gezeigt) her, wie z.B. über eine Metall- Anschlussfläche zu einer integrierten Ausleseschaltung ROIC (ROIC = readout integrated circuit) . Um eine möglichst hohe thermische Sensibilität zu erreichen, ist die Thermometer- schicht 810 an den aufgehängten Enden so geformt, dass sie über schmale Abschnitte 850 und 860 mit den Abstandshaltern verbunden ist, so dass eine thermische Isolation der Thermometerschicht 810 erzielt werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil der thermischen Bolometer gegenüber anderen (photonischen) Infrarotdetektoren ist, dass sie bei Raumtemperatur, d.h. ungekühlt betrieben werden können.
Gute Dioden, die auf anorganischen Halbleitermaterialien beruhen, lassen sich bisher nur in einkristallinem Silizium, nicht aber in amorphem Silizium oder anderen bisher im Bolometer eingesetzten Halbleitermaterialien (Vanadium- Oxid; amorphes oder polykristallines Si, Ge oder SiGe) her- stellen. Die Verwendung einkristallinem Siliziums auf einer thermisch isolierten Membran ist z.B. durch eine Silizum- auf-Isolator-Technik oder durch ünterätzen von Dioden im Siliziumsubstrat, möglich. Diese Techniken sind beschrieben in: T. Ishikawa e.a.: „Performance of 320 x 320 Uncooled IRFPA with SOI Diode Detectors", Proc. SPIE, vol. 4130, pp. 152 - 159, (1400) bzw. in: P. Neuzil, Y. Liu, H. -F. Feng, and W. Zeng: „Micromachined Bolometer with Single-Crystal Silicon Diode as Temperature Sensor", IEEE E- lectron.Dev. Letters, vol. 26, no.5, May 2005, pp. 320-322. Nachteile der bestehenden Technik sind z.B., dass beim Verwenden von anorganischen Halbleitermaterialien aktive (CMOS-) Ansteuer- und Verstärkerelemente nicht unterhalb der Sensorstruktur integriert werden können. Die vielleicht mögliche Mitintegration dieser Elemente neben dem Detektor führt zu einer starken Reduktion des Füllfaktors (Detektorfläche zur Gesamtfläche) und erhöht dadurch die Chipfläche und die Detektorkosten. Zudem ist es nicht möglich, mit diesen Strukturen einen Absorber herzustellen, der eine Wi- derstandsschicht in Höhe des Ausbreitungswiderstands einer elektromagnetischen Welle in Luft hat (377 Ω/D) und in einem Abstand von λ/4 (von ca. 2,5 μm, bei einer Wellenlänge von 10 μm) über einen Reflektor angeordnet ist.
In der Arbeit: J.-J.Brissot, F. Desvignes, and R. Martres : "Organic Semiconductor Bolometric Target for Infrared Imag- ing Tubes", IEEE Trans. Electron. Dev., vol. 20, no. 7, Ju- Iy 1973, pp. 613-620, (1973), wird ein Bolometertarget aus einem undotierten organischen Halbleiter als temperaturabhängiger Widerstand in einem Infrarot-Vidikon genutzt.
Die Verwendung undotierter organischer Halbleiterschichten, wie sie in der soeben zitierten Arbeit verwendet werden, hat wiederum den Nachteil, dass diese Schicht sehr hochoh- mig (1014 Ωcm bei 700C) ist und beide Seiten großflächig kontaktiert werden müssen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bolometer zu schaffen, dass eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitiger Möglichkeit eine Mitintegration einer Aus- werte- bzw. Messschaltung mit geringeren Kosten bzw. Aufwand zulässt.
Diese Aufgabe wird durch ein Bolometer gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein Bolometer gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine organische Halbleiterdiodenschichtanordnung zur Messung der Temperatur. Diese Dioden können großflächig sein, wie z.B. mehrere mm2 groß, weshalb eine hohe Ausbeute auch bei kleinen Array-Pixeln mit einer Membranfläche von ca. 25x25 um2 erreichbar ist. Ferner lassen sich gute Dioden mit ideal geformter Kennlinie, d.h. mit einem großer Bereich expo- nentiellen Stromanstiegs, herstellen, wie es im Zusammenhang mit organischen Leuchtdioden (OLED) beispielsweise be- reits realisiert worden ist.
Ein erfindungsgemäßes Bolometer hat also einen Vorteil, in der Strom-Spannungskennlinie einen großen Bereich mit expo- nentieller Temperaturabhängigkeit aufzuweisen und trotzdem einen niedrigen elektrischen Widerstand zu besitzen. Im Weiteren ermöglicht es einen hohen Füllfaktor, wobei die Pixelgröße klein genug realisiert werden kann, um 2- dimensionale Arrays zu realisieren.
In den letzten Jahren konnten organischen Halbleiter in einer Qualität hergestellt werden, die ihren Einsatz in der Mikroelektronik und Mirkosystemtechnik erlauben. Untersuchte Einsatzgebiete sind „Plastiktransistoren", d-. h. integrierte Schaltungen in organischen Halbleitern, und ins- besondere auch OLEDs. Die p-n-Übergänge in organischen Halbleitern werden bisher bevorzugt zum Erzeugen von Licht genutzt (optische LEDs, OLEDs) . Die typische Durchlassspannung einer solchen Diode liegt oberhalb von 2 Volt. Die Herstellung dieser Dioden erfolgt großflächig als Mehr- schichtsystem, wozu beispielsweise auf D. Gebeyehu, K. Walzer, G. He, M. Pfeiffer, K. Leo, J. Brandt, A. Gerhardt and H. Vestweber: „Highly efficient deep-blue organic light e- mitting diodes with dopsed transport layers", Synthetic Metals 148 (2), pp. 205-211 (2005) verwiesen wird. Es ist a- ber auch möglich, flächige Dioden mit einer Durchlassspannung von unter 1 Volt herzustellen, deren Strom- Spannungskennlinie sehr ähnlich der einer Siliziumdiode ist, wozu auf US Pat. 6,812,638 B2 verwiesen sei.
Die organischen Halbleiterdiodenschichten lassen sich aus kleinen Molekülen durch Aufdampfen oder aus Polymeren durch aufschleudern oder auch durch Druckverfahren ähnlich denen bei Tintenstrahldruckern, herstellen. Sie sind hochrein und lassen sich strukturieren, wozu auf M. Pfeiffer, S. R'. Forrest: „Organic Light Emitting Diodes", in: R. Waser (Ed.) , Nanoelectronics and Information Technology, Advanced Electronic Materials and Novel Devices, Wiley VCH (2003) und T. Kawase e.a.: "All-Polymer Thin Film Transistors Fabricated by High-Resolution InkJet Printing", Proc. IEDM, 623-626 (2000) verwiesen wird. Inzwischen wurden auch bereits lang- zeitstabile OLEDs beschrieben, wie z.B. in P. Wellmann e.a.: „High-efficiency p-i-n organic light-emitting diodes with long lifetime", Journal of the SID 13/5, pp. 393-397 (2005) . Insbesondere lässt sich der Widerstand von organischen Halbleiterdioden einstellen durch geeignete p- oder n-Dotierungen, in welcher Hinsicht auf M. Pfeiffer e.a.: „Doped organic semiconductors : Physics and application in light emitting diodes", Organic Electronics vol. 4, pp. 89- 103 (2003) verwiesen wird. Über die Dotierung eines organischen Halbleiters kann eine drastische Reduktion von dessen Widerstand, z.B. von 1010 Ωcm bei Pthalozyanin auf 103 Ωcm nach einer Dotierung mit 1% F4-TCNQ (tetrafluoro- tetracynoquinodimethan) erzielt werden, wozu auf die zuletzt zitierte Arbeit verwiesen wird. Damit sind diese Schichten niederohmig kontaktierbar, z.B. mit ITO (ITO = indium-tin-oxid) oder mit Aluminium.
In einem Ausführungsbeispiel ist die p-dotierte Schicht elektrisch über eine Kontaktschicht mit einem Abstandshalter verbunden, und die n-dotierte Schicht ist über eine weitere Kontaktschicht elektrisch mit einem zweiten Abstandshalter verbunden. Die beiden Abstandshalter dienen als elektrische Anschlüsse und tragen die organische Halbleiterdiodenschicht, so dass sie über beispielsweise einem Reflektor in einem λ/4-Abstand schwebt. Gegebenenfalls kann der Kontakt zwischen Halbleiterschicht und Abstandshalter auch direkt bzw. unmittelbar erfolgen. Eine mögliche Schichtfolge ist beispielsweise Nitrid - untere Kontaktschicht - organische Halbleiterdiode - obere Kontaktschicht - organische Schutzschicht. Die organischen Träger und Schutzschichten bestehen z.B. aus Polyimid, Parylen oder BCB (Benzocyclobutene) . Die organische Halbleiterschicht besteht z.B. aus p- und n-dotiertem Pentazen, Anthrazen, Pthalozyanin oder Bathophenanthrolin, gegebenenfalls mit einer undotierten Zwischenschicht.
Diese Schichtfolge wird vorzugsweise mit Hilfe der Abstandshalter in einem fixierten Abstand über dem Substrat, auf dem sich ein Reflektor befinden kann, gehalten. Im Ide- alfall bilden die Halbleiterschichtanordnung und der Reflektor einen λ/4-Absorber. Das ist der Fall, wenn der Abstand zwischen der Schichtfolge und dem Reflektor gerade ein Viertel der Wellenlänge der interferierenden bzw. er- fassten IR-Strahlung beträgt, wobei der elektrische Wider- stand der Halbleiterschichtanordnung vorzugsweise dem Ausbreitungswiderstand einer elektromagnetischen Welle in Luft entspricht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Schicht- folge die folgenden 7 Schichten: einen ITO-Kontakt, eine p- dotierte LöchertransportSchicht, eine Elektronensperrschicht, eine Emissionsschicht, eine Löchersperrschicht, eine n-dotierte Elektronentransportschicht und eine Kontaktschicht aus Aluminium.
Im Vergleich zu bekannten Diodenstrukturen aus Silizium, besitzen organische Dioden eine Reihe von Vorteilen. Da sie bisher vornehmlich auf große Flächen für die Lichtemission entwickelt wurden, darf mit einer guten Ausbeute auch bei der Verwendung in einem Bolometer-Array mit kleinen Pixeln gerechnet werden. Die thermische Leitfähigkeit und Wärmekapazität organischer Schichten ist typischerweise kleiner als die von Halbleitern und Metallen, so dass eine bessere thermische Isolation erzielbar ist. Wie alle Dioden besitzen sie eine exponentielle Abhängigkeit der Strom- Spannungscharakteristik von der Temperatur und zeigen deshalb im Vergleich zu Metall-basierten Widerstandsschichten eine hohe Temperaturabhängigkeit des differentiellen Widerstands .
Die Langzeitstabilität der organischen Schicht wird besser sein als bei OLEDs, da wegen der thermischen Isolation die Sensoren zumeist ohnehin in einem evakuierten Gehäuse aufgebaut werden. Damit wird eine Degradation durch Sauerstoff oder Feuchtigkeit vermieden. Außerdem lässt sich unterhalb der Diodenmembran die Pixelelektronik beispielsweise im Siliziumsubstrat integrieren, da die Niedertemperaturabschei- düng der organischen Halbleiterschichten, die beispielsweise als CMOS-Elektronik aufgebaut ist, nicht beeinflusst. Dadurch unterscheiden sich organische Halbleiterdioden von bekannten Diodenstrukturen aus Silizium, die nur schwer in einem Substrat mit bereits integrierter Elektronik zu in- tegrieren sind, also keinen geeigneten Platz für die Integration der Schaltung unterhalb der Sensorschicht boten.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Bolometers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2. einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispieles, bei dem die Schichtfolge modifiziert wurde; und Fig. 3 eine Raumsicht einer herkömmlichen Membran mit amorphem Silizium.
Dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel von Fig. 1 nach wird gegenüber dem Aufbau von Fig. 3 die Membran ersetzt durch eine Schichtanordnung aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid als nichtleitendem Träger, auf dem eine p-n- oder p-i-n-Diode als Mehrschichtsystem aus orga- nischen Halbleiterschichten angeordnet ist.
Bei dem Bolometer von Fig. 1 ist ein planarer nichtleitender Untergrund 110, z.B. eine Schicht aus Siliziumoxid, auf einem Substrat, wie z.B. einer Siliziumscheibe 120, vorge- sehen. Bei der Schicht 110 kann es sich beispielsweise um die polierte oberste Oxidschicht auf einem CMOS-Wafer handeln, der sämtliche Schichten und Strukturen enthält, die für eine CMOS-Schaltung unter der Oberfläche notwendig sind, wobei die CMOS-Schaltung beispielsweise eine Auswer- teelektronik des Bolometers bildet.
Zwei Abstandshalter 130 stehen von dem nicht-leitenden Untergrund 110 vor und tragen an ihrem dem Substrat 120 abgewandten Enden eine Membran 140. Die Membran 140 befindet sich somit freitragend über dem Untergrund 110, in dem sie zwischen den beiden Abstandshaltern 130 aufgehängt ist. Die Abstandshalter 130 dienen aber nicht nur der Halterung der Membran 140 sondern auch als elektrische Anschlüsse für eine in der Membran gebildeten organischen Diode, wie z.B. zum Anschluss an die vorher erwähnte Auswerteschaltung, die sich als CMOS-Schaltung beispielsweise unterhalb der Membran 140 befinden kann, weshalb die Abstandshalter im folgenden auch als KontaktStöpsel bezeichnet werden. Sie können beispielsweise aus CVD-Wolfram (CVD = chemical vapour deposition) gebildet sein. Die Kontaktstöpsel verleihen der Membran den mechanischen Halt, indem sie eine in der Membran 140 vorgesehene Nitridschicht 150 mit einer Dicke von beispielsweise 100 bis 300 nm durchstoßen und halten. Letz- tere dient zur thermischen Isolation und ist Träger von Kontaktschichten 160, 170 und organische Halbleiterschichten 180, 190, die ebenfalls Teil der Membran sind. Durch den Abstand zum Substrat 110 (ca. 0,5 bis 3 μm) wird die Membran 140 thermisch vom Substrat isoliert. Im einzelnen ist die Membran 140 aus der Nitridschicht 150 aufgebaut, auf der wiederum eine erste Kontaktschicht 170, wie z.B. aus ITO liegt, die einen flächigen Kontakt zu der folgenden p-leitenden organischen Halbleiterschicht 190 herstellt. Darauf ist wiederum die n-leitende Halbleiterschicht 180 angeordnet, worauf sich die zweite Kontaktschicht 160, die z.B. aus Al besteht, um die n-leitende organische Halbleiterschicht flächig zu kontaktieren, anschließt. Die organische Halbleiterschichten sind von beiden Abstandhaltern durch einen beispielsweise organischen Isolator 175 isoliert. Die untere Kontaktschicht 170 ist mit dem Abstandshalter 130a elektrisch verbunden und ein Kontaktmetall 195, das auf dem Stöpsel 130b und der Kontaktschicht 160 aufliegt, verbindet elektrisch die zweite Kontaktschicht 160 mit dem anderen Abstandshalter 130b.
Die Abstandshalter 130 können z.B., wie oben erwähnt, aus CVD-Wolfram bestehen und haben beispielsweise einen Durchmesser von ca. 1 μm. Mit ihnen wird die Membran 140 an zwei gegenüberliegenden Punkten elektrisch kontaktiert. Unten sind die Abstandshalter mit der vorher erwähnten Auswerte- schaltung beispielsweise über Durchkontaktierungen durch die Schicht 110 verbunden.
In der Ausführung, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist auf der Oxidoberfläche 110 eine Reflexionsschicht 185 aus Aluminium (ca. 140 nm dick) angeordnet. Im Idealfall bilden Membran und Reflektor einen Abstand, so dass ein λ/4-Absorber entsteht. Dazu hat die organische Halbleiterschicht der Memb- ran einen elektrischen Widerstand von ca. 377 Ω/D und liegt in einem Abstand von λ/4 (d.h. ca. 2,5 μm) oberhalb der Reflexionsschicht 185. Damit ist diese Anordnung ein Infrarotabsorber und der Schichtwiderstand entspricht dem WeI- lenwiderstand elektromagnetischer Strahlung in Luft. Somit wird das Infrarotsignal optimal absorbiert.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt einer exemplarischen Schicht- folge für die Membran gezeigt, die einen organischen Halbleiter mit komplexerer Struktur besitzt. Gemäß Fig. 2 ist die Membran von untern nach oben aus folgenden 7 Schichten aufgebaut: ITO-Kontakt 210, p-dotierter Löchertransportschicht 220, Elektronensperrschicht 230, Emissionsschicht 240, Löchersperrschicht 250, n-dotierte Elektronentrans- portschicht 260 und Aluminium 270. Die ΪTO-Schicht 210 wäre mit dem Stöpsel 130a elektrisch verbunden, während die Al- Schicht 270 mit dem Stöpsel 130b elektrisch verbunden wäre, und die restlichen Schichten 220 - 260 wären durch das Iso- lationsmaterial 175 von dem Stöpsel 130a, b isoliert. Andere organische Diodenschichtfolgen können natürlich ebenfalls verwandt werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Nitridschicht 150 beispielsweise durch eine Folge von Siliziumoxid und Siliziumnitridschichten ersetzt werden, oder die Membran 140 kann ausschließlich aus halbleitenden organischen Mate- rialen bestehen. Bei geeigneter Stabilität eines organischen Trägers ist auch folgende Schichtenfolge möglich: organischer Träger - organischer Halbleiter - organischer Schutzschicht. Auf dem Sensor in der Fig. 1 könnte außerdem eine zusätzliche Absorberschicht, wie z.B. aus Pt-Black, aufgebracht werden. Die Abstandshalter 130 können auch aus einem anderen Material bestehen, wie z.B. aus Aluminium o- der aus einem hochdotierten Silizium.
Mit zunehmender Anwendung in Dünnfilmelektronik (z.B. bei TFTs) und der Optoelektronik (z.B. bei OLED) werden immer neue Materialkombinationen entstehen, die auch für den Ein- satz in erfindungsgemäßen Bolometern geeignet sind. Die organische Chemie erlaubt eine nahezu unbegrenzte Kombinationsvielfalt. Schließlich sollte auch erwähnt werden, dass die Aluminiumkontaktschicht 160 ganzflächig auf der Schicht 180 aufgebracht sein kann. Ein Aufbringen in Form einer Fingerstruktur kann aber vorteilhaft sein, um die Absorption zu verbessern. In letzterem Fall nimmt die Kontaktschicht 160 nur einen Teil der lateralen Fläche des Bolometers ein. Ähnliche Überlegungen gelten auch für die untere Kontaktschicht.

Claims

Patentansprüche
1. Ein Bolometer mit einer organischen Halbleiterdioden- schichtanordnung zur Messung der Temperatur.
2. Bolometer gemäß Anspruch 1, das ferner eine Reflexionsschicht aufweist, die zur Halbleiterdiodenschicht- anordnung in einem vorbestimmten Abstand angeordnet ist.
3. Bolometer gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der vorbestimmte Abstand gleich einem Viertel einer Infrarotwellenlänge ist.
4. Bolometer gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die organische Halbleiterdiodenschichtanordnung absorbierend ist für eine Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung, und der vorbestimmte Abstand einem Viertel dieser Wellenlänge ist.
5. Bolometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Halbleiterdiodenschichtanordnung durch Abstandshalter
(130) schwebend über einem Substrat (110) aufgehängt ist.
6. Bolometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die organische Halbleiterdiodenschichtanordnung eine Nitridschicht (150) aufweist.
7. Bolometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die organische Halbleiterdiodenschichtanordnung eine Schichtfolge aus
einer ersten Kontaktschicht (170) , einer p-leitenden organischen Halbleiterschicht (190) , einer n-leitenden organischen Halbleiterschicht (180) sowie einer zweiten Kontaktschicht (160) aufweist, wobei die zweite Kontaktschicht mit einem ersten Abstandshalter (130b) und die erste Kontaktschicht mit einem zweiten Abstandshalter (130a) verbunden ist, wobei die beiden Abstandshalter (130) die organische Halbleiterdiodenschichtanordnung schwebend über einem Substrat (110) tragen und leitfähig sind, um eine e- lektrische Verbindung zu einer in dem Substrat befindlichen integrierten Schaltung herzustellen.
8. Bolometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die organische Halbleiterdiodenschichtanordnung dotiertes organisches Halbleitermaterial aufweist.
9. Bolometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die organische Halbleiterdiodenschichtanordnung eine Pt-
Black-Schicht aufweist.
10. Bolometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die organische Halbleiterdiodenschichtanordnung eine Schichtfolge aus
n-dotierter Elektronentransportschicht (260) , Löchersperrschicht (250), Emissionsschicht (240), Elektronensperrschicht (230) sowie einer p-dotierten LÖcher- transportschicht (220) aufweist.
11. Bolometer gemäß Anspruch 7, wobei die erste und/oder die zweite Kontaktschicht derart an die p- bzw. n- leitende organische Halbleiterschicht anliegt, dass die p- bzw. n-leitende organische Halbleiterschicht ganzflächig oder nur in Bahnen kontaktiert ist.
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