基於平板顯示TFT基板的大面積紅外探測器件及其驅動方法與流程

2023-04-26 11:30:02

本發明屬於紅外探測技術領域，具體涉及一種基於平板顯示TFT基板的大面積紅外探測器件及其驅動方法。

背景技術：

紅外探測技術是利用紅外光電轉換器件將探測物體所輻射的紅外信號轉換為電流或者電壓信號，並經過讀出電路對電信號進行放大和輸出等一系列操作，從而獲取探測物體和背景的紅外圖像信息。紅外探測技術廣泛應用於軍事國防、工業控制、刑事偵查、醫療衛生、資源勘查等關係到國計民生的各個領域。

從二十世紀四十年代出現了高靈敏度的紅外探測器至今，紅外光電探測器大體可分為三代：第一代採用單元或小規模線列探測器，它使用二維機械掃描系統來獲取紅外圖像。製冷型探測器通過引線穿過低溫系統後與室溫下前置放大器連接，其內部並沒有集成讀出電路。

第二代紅外探測器的特徵是大規模的探測器陣列和矽工藝讀出集成電路(ROIC,Readout Integrated Circuit)採用機械聯結的方式形成焦平面陣列(FPA，Focal Plane Array)。整個紅外探測器可以分為紅外探測陣列和讀出電路兩個部分。紅外探測陣列的主要功能是將輻射紅外圖像信號變成在空間與其對應的電信號陣列，而讀出電路則將所獲取的空間電信號陣列按一定次序輸出。第三代紅外探測器是第二代探測器進一步發展的結果，其主要代表型器件為大規模、超大規模高性能的凝視型探測器。

紅外探測器根據結構的不同又可將其分為單片式和混成式。單片式紅外探測陣列和讀出電路製作在同一襯底上，一般來說襯底需要採用特定的具有合適光譜效應的紅外探測材料。混成式紅外探測器的探測陣列和讀出電路分別製作在不同的襯底上，然後通過銦柱倒焊互聯。混成式紅外探測器的探測陣列和讀出電路可以分別選用最合適自身的材料和工藝製作，而且可以分別進行測試篩選，確定其最優性能，挑選出最好的晶片進行倒焊互聯，所以能夠有效保證整個器件的性能處於較為理想的狀態。現階段普遍採用這種混成式結構，

在紅外探測器中，探測陣列大都採用HgCdTe、InGaAs等三元半導體化合物做為光電轉換材料，以提高光電轉換效率和獲得較好的波長響應特性。讀出電路是紅外探測器的重要組成部分，它通常是採用標準CMOS矽工藝製作的集成電路，其基本功能是對紅外探測陣列所產生的空間分布電流信號或者電壓信號按一定的次序輸出，以及片上數位化處理等。

在現有的紅外探測器件中，由於讀出電路大都是基於CMOS矽工藝的集成電路，所以其探測陣列的面積非常有限，需要一定的光學系統對探測圖像進行聚焦成像，無法實現直接大面積平板探測成像。另外，無論是矽基的讀出電路，還是三元半導體探測陣列，都需要採用高溫的擴散、摻雜等工藝，所以無法製備於玻璃、塑料、聚合物等襯底上。因此現有的紅外探測器結構和製備方法等，都無法滿足人們對柔性器件以及可穿戴設備的要求。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基於平板顯示TFT基板的紅外探測器及其驅動方法。與紅外陣列探測器相似，平板顯示器件，如TFT-LCD和TFT-OLED等，也需要一個陣列型的驅動電路向各個顯示像素提供所需要的電壓或者電流信號。不同之處在於為了實現大面積顯示，平板顯示的陣列驅動電路不是基於CMOS工藝的矽基集成電路，而是在玻璃基板上採用低溫薄膜技術製備的非晶矽薄膜電晶體電路、或者多晶矽薄膜電晶體電路、或者氧化物薄膜電晶體電路。本發明提出利用平板顯示器的TFT基板向每一個像素的源極金屬層提供一定的偏壓，再在源極金屬層上製備紅外光電轉換層，在光電轉換層上製備陰極電極，從而構成光電探測陣列，並從陰極輸出每個像素探測的光電流或者光電壓。

由於平板顯示器的TFT基板都採用玻璃襯底，所以必須在TFT基板上常溫製備光電轉換層。本發明提出首先採用化學溶液法製備PbS或者Ge量子點，然後再採用旋塗、噴墨列印或者轉印等方法在TFT基板上沉積量子點，並將其做為光電轉換層。

由於採用成熟的平板顯示器TFT基板，本發明提出的紅外傳感器具有探測面積大、成本低廉、可以擴展到塑料等柔性襯底的特點。

技術方案：為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種基於平板顯示TFT基板的大面積紅外探測器件，採用TFT基板，其結構為：以玻璃襯底為基板，上設柵極電極，以及漏級電極和源級電極；

所述柵極電極的上部及外側覆蓋有絕緣介質層，所述漏級電極和源級電極分別位於所述絕緣介質層兩側並與其上部及兩側連接，所述漏級電極和源級電極之間設有半導體溝道；

所述源極電極上設有量子點光電轉換層，所述量子點光電轉換層上部設有公共電極。

進一步的，所述量子點光電轉換層所用的紅外光電轉換材料為PbS或者Ge半導體量子點。

進一步的，所述PbS半導體量子點採用化學溶液法製備，具體如下：

a)按摩爾質量比為2:5將氧化鉛(PbO)粉末分散於油酸(OA)有機溶液，將該分散液溶於十八胺(ODA)溶液配置成為14.5wt％的混合溶液；將該混合溶液置於三頸圓底燒瓶中，抽真空；其次通入氮氣，在燒瓶中形成氮氣保護氛圍，在氮氣保護下將混合溶液充分攪拌並加熱至180℃，直至PbO完全溶於溶液；

b)將上述反應得到的溶液自然冷卻，當溫度降至140℃時，將與液體體積比為0.02的六甲基二矽硫烷(TMS)和0.13的正十八烷(ODE)混合溶液注入到步驟a)得到的反應液體中並充分攪拌；

c)向步驟b)得到的溶液注入液體體積比為0.4的正己烷溶液混合均勻，並將混合完全的溶液轉移到室溫溫度的水浴器中，將液體溫度降低到室溫，獲得PbS量子點溶液；

d)所述PbS量子點溶液採用清洗溶液進行離心清洗，取下層溶液，獲得清洗後的PbS量子點溶液；所述清洗溶液依次分別為異丙醇與丙酮溶液的混合溶液、甲醇溶液和丙酮溶液混合；

e)最後將步驟d)獲得的PbS量子點溶液放置於真空腔體中，在60℃條件下烘乾約10個小時，獲得PbS量子點粉體。

進一步的，所述步驟d)的清洗方法，具體為：

初次清洗：首先異丙醇與丙酮溶液按照體積比1:2混合，形成清洗溶液，將步驟c)得到的PbS量子點溶液注入清洗溶液，離心機7000轉/分鐘離心5分鐘，得到分層的離心溶液；將分層的離心溶液的上層溶液倒掉，重新加入清洗溶液，重複離心清洗過程3～4次，取最後一次離心後的下層溶液，即獲得經過初次清洗的PbS量子點溶液；

二次清洗：將甲醇溶液和丙酮溶液按照體積比1:2混合，形成清洗溶液，將經過初次清洗的PbS量子點溶液注入該清洗溶液，並按照初次清洗的離心清洗方法，再清洗3到4次，獲得經過兩次清洗的PbS量子點溶液。

因為通過步驟(a)、(b)、(c)獲得的PbS量子點溶液存在殘存溶劑雜質，且這些雜質不溶於甲醇，因此採用兩次清洗去除雜質。

進一步的，所述Ge半導體量子點採用化學溶液法製備，具體如下：

a)將GeO2粉末溶於NaOH鹼液中，得到Ge酸根離子前驅液，將前驅液的pH值調節為6～8，將天然生物大分子殼聚糖溶入該溶液中，採用磁攪拌器100～300rpm的攪拌速度混合均勻，過濾掉不溶物，得到分散良好的反應液體；

b)按照NaBH4與GeO2摩爾比4：1的比例將NaBH4加入所述反應液體中；混合液體在氮氣保護中以800～1000rpm速度攪拌2～4h，得到紅棕色樣品溶液；

c)將所述紅棕色樣品溶液透析24h，離心冷凍乾燥得到粉體，並將粉體溶於甲苯之中形成黃色溶液，獲得Ge納米顆粒稀釋液；

d)將所述Ge納米顆粒稀釋液置於聚四氟乙烯燒杯中，並進行超聲振蕩；採用微量進液器以10s一次，每次2μL體積的速率將氫化與氧化劑溶液滴入至Ge納米顆粒稀釋液，產生氫化和氧化反應；

e)步驟d)所獲得的反應液用100nm孔徑的PVDF(Polyvinylidenefluoride)濾紙過濾，收集量子點材料，烘乾後將量子點溶於甲苯之中，獲得Ge量子點溶液。

進一步的，所述步驟d)中的氫化與氧化劑溶液為：採用質量分數為69wt％硝酸(HNO3)與46wt％氫氟酸(HF)以體積比1:4混合而成。

進一步的，所述步驟d)的反應時間為10～40分鐘，由此控制量子點的尺寸大小；在該反應過程之中，Ge量子點的表面將首先被硝酸氧化為鍺氧化物並被氫氟酸氫化為GexOyHz殼層結構，並阻止Ge材料繼續被氧化。

進一步的，所述量子點光電轉換層的製備方法為：在所述源極電極上方於常溫下沉積可傳感紅外信號的PbS或者Ge量子點光電轉換層，採用包括低溫旋塗、噴墨列印或者轉印的方法。

進一步的，所述公共電極的製備方法為：在所述量子點光電轉換層上利用包括濺射在內的薄膜沉積方法製備透紅外的導電電極，包括透明的氧化銦錫導電層，即為公共電極。

上述的基於平板顯示TFT基板的大面積紅外探測器件的驅動方法，包括以下步驟：

1)在柵極電極上施加行選信號，在漏極電極上施加列選信號，實現傳感單元尋址；

2)在公共電極上按時序輸出每個探測單元的光電轉換電流，並通過放大器進行輸出信號放大，從而完成紅外圖像的探測。

有益效果：本發明提供的一種基於平板顯示TFT基板的紅外探測器及其驅動方法，與現有技術相比，具有以下優勢：

1.本發明採用平板顯示器件的TFT基板電路做為探測陣列的讀出電路，製備工藝非常成熟，而且避免了現有技術中矽基讀出電路與紅外焦平面陣列之間的倒銦焊等複雜工藝，降低了製備成本。

2.本發明所述的基於平板顯示TFT基板的紅外探測器，由於採用薄膜工藝在玻璃基板上製備TFT驅動和讀出電路，所以TFT基板尺寸可以增大到50英寸以上，由此可以獲得相同的紅外圖像探測面積。而在現有的紅外探測技術中，由於受到紅外焦平面為加工工藝以及讀出電路CMOS工藝的限制，其圖像探測面積通常在2英寸以下，因此需要額外的光學系統對紅外圖像聚焦成像。

3.本發明所述的基於平板顯示TFT基板的紅外探測器，其TFT基板採用低溫薄膜工藝製備，光電轉換層則採用旋塗、噴墨列印或者轉印等方法在常溫下沉積，公用電極通過濺射製備。因此，本發明提出的探測器結構和製備方法，可以適用於塑料、聚合物等柔性襯底，製備柔性的紅外探測器件，滿足穿戴式設備的需要。

附圖說明

圖1為本發明的基於平板顯示TFT基板的紅外探測器截面圖；

其中有：玻璃襯底1、柵極電極2、絕緣介質層3、半導體溝道4、漏極電極5、源極電極6、量子點光電轉換層7、公共電極8；

圖2為圖1的俯視剖面圖；

圖3為本發明的基於平板顯示TFT基板的紅外探測器的探測陣列的行列選址和驅動信號；

圖4為本發明的基於平板顯示TFT基板的紅外探測器單個探測像素的電路結構。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

本發明為一種基於平板顯示薄膜電晶體(TFT)基板的大面積紅外探測器件，包括器件結構、製備方法和驅動方法。因為平板顯示器的TFT基板技術成熟，所以本發明提出的紅外探測器件成像面積大，且成本低廉，可用於工業探測、安全檢查以及醫療檢查等。該紅外探測器的發明點包括：1.TFT基板。為了簡化器件結構，降低製作成本，本發明採用與TFT-LCD相同的薄膜電晶體基板。2.採用化學溶液法製備PbS或者Ge半導體量子點，並將其作為光電轉換材料3.在薄膜電晶體基板上方採用低溫旋塗、噴墨列印或者轉印等方法，沉積可傳感紅外信號的PbS或者Ge量子點層。4.在量子點光電轉換層上利用濺射方法製備對紅外吸收較少的公共導電層，如透明的氧化銦錫導電層；5.薄膜電晶體背板的像素源電極、量子點光電轉換層，以及透明電極構成紅外光敏電阻結構。該光敏電阻吸收紅外信號後，產生光生載流子，從而改變電阻的阻值。由於採用薄膜電晶體基板，量子點層與透明公共電極層皆不需要圖案化。

如圖1所示為一種基於平板顯示TFT基板的紅外探測器，該探測器典型結構包括：玻璃基板即玻璃襯底1上設有柵極電極2，柵極電極2上設有絕緣介質層3，絕緣介質層3上設有漏電極5和源電極6，漏電極5和源電極6之間設有半導體溝道4材料，在源電極6上設有用於紅外光電轉換的量子點層7(如PbS或者Ge量子點)，量子點層7上設有公共電極8。由於平板顯示器TFT技術成熟，且可以製備大尺寸基板，因此本發明可以實現大面積的紅外圖像成像，不需要額外的光學成像系統。另外，TFT電路和量子點光電轉換層皆可以在較低溫度下工藝製備，所以本發明提供的探測器結構和製備方法適合在塑料等柔性襯底上製備傳感器。

實施例

參考圖1是本發明提出的一種基於平板顯示TFT基板的大面積紅外探測器件，該傳感器包括：玻璃基板1上設有柵極電極2，柵極電極上設有絕緣介質層3，絕緣介質層上設有漏電極5和源電極6，漏電極5和源電極6之間設有半導體溝道材料4，在源電極上設有用於紅外光電轉換的量子點層7，量子點層上設有公共電極8，構成紅外傳感器。

針對平板顯示TFT基板選用玻璃襯底的特點，本發明採用化學溶液法製備PbS或者Ge量子點，將其作為光電轉換材料，並利用旋塗、噴墨列印或者轉印等方法在玻璃TFT極板上常溫沉積光電轉換層。即採用旋塗、噴墨列印、以及轉印等方法將PbS或者Ge量子點光電轉換層常溫下沉積於漏電極之上。

PbS量子點製備方法為：

a)按摩爾質量比為2:5準備氧化鉛(PbO)粉末與油酸(OA)有機溶液，將PbO完全分散於OA溶液後，將該分散液溶於十八胺(ODA)溶液配置成為14.5wt％的混合溶液。將該混合溶液置於三頸圓底燒瓶中，利用真空泵將燒瓶抽真空，每20分鐘抽一次，共抽三次。其次通入氮氣約5分鐘，在燒瓶中形成氮氣保護氛圍。在氮氣保護下將混合溶液充分攪拌並加熱至180℃，直至PbO完全溶於溶液。。

b)將上述反應得到的溶液自然冷卻，當溫度降至140℃時，將於液體體積比為0.02的六甲基二矽硫烷(TMS)和0.13的正十八烷(ODE)混合溶液被注入到步驟a)得到的反應液體中並充分攪拌。

c)向步驟b)得到的溶液注入液體積比為0.4的正己烷溶液，並將混合完全的溶液轉移到室溫溫度的水浴器中，將液體溫度降低到室溫，獲得PbS量子點溶液。

d)將足量的異丙醇與丙酮溶液按照體積比1:2混合，形成清洗溶液。將步驟(c)得到的PbS量子點溶液注入清洗溶液，利用離心機在7000轉/分鐘條件下離心5分鐘，得到分層的離心溶液。將分層的離心溶液的上層溶液倒掉，重新加入足量的清洗溶液，重複離心清洗過程3～4次。將最後一次獲得的離心層層溶液上層倒掉，獲得經過初次清洗的PbS量子點溶液。

e)將甲醇溶液和丙酮溶液混合，形成清洗溶液。將步驟(d)得到的量子點溶液注入該清洗溶液，並按照(d)所示的離心清洗方法，再清洗3到4次，獲得經過兩次清洗的PbS量子點溶液。

f)最後將步驟(e)獲得的PbS量子點溶液放置於真空腔體中，在60℃條件下烘乾約10個小時，獲得PbS量子點粉體。

Ge量子點的製備方法為：

a)將GeO2粉末溶於NaOH鹼液中，得到Ge酸根離子前驅液，將前驅液的pH值調節為6～8左右，將天然生物大分子殼聚糖溶入該溶液中，採用磁攪拌器攪拌速度約為100～300rpm，混合均勻並利用濾紙過濾掉不溶物，得到分散良好的反應液體。

b)將NaBH4加入到步驟(a)獲得的反應物中，NaBH4與GeO2的摩爾比為4：1。將前面得到的混合液體在氮氣保護中攪拌，攪拌速度約為800～1000rpm。在攪拌的過程中將產生化學反應，將反應時間控制為2～4小時，得到紅棕色的樣品溶液。

c)將步驟(b)反應得到的橙紅色的溶液使用透析袋透析24小時後，離心冷凍乾燥得到粉體，並將粉體溶於甲苯之中形成黃色溶液，獲得Ge納米顆粒稀釋液。

d)採用質量分數為69wt％硝酸HNO3與46wt％氫氟酸HF以體積比為(1:4)混合併作為氫化與氧化劑溶液。

e)將步驟(c)獲得的Ge納米顆粒稀釋液置於聚四氟乙烯燒杯中，並將燒杯置於超聲清洗機中超聲振蕩。採用微量進液器以10s一次，每次2μL體積的速率將步驟(e)獲得的氫化與氧化劑溶液滴入至Ge納米顆粒稀釋液，產生氫化和氧化反應。

f)將步驟(e)的反應時間控制在10至40分鐘之間，並由此來控制量子點的尺寸大小。在該反應過程之中，Ge量子點的表面將首先被硝酸氧化為鍺氧化物並很快被氫氟酸氫化為GexOyHz殼層結構，並阻止Ge材料繼續被氧化。

g)最後利用孔徑尺寸為100nm的PVDF(Polyvinylidenefluoride)濾紙過濾步驟(f)所獲得的反應液，取出PVDF濾紙收集濾紙中的量子點材料烘乾後將量子點溶於甲苯之中，獲得Ge量子點溶液。

本發明提出的紅外探測器，其公共電極採用濺射製備，選用對紅外吸收較少的導電材料構成，如ITO等。採用濺射等薄膜沉積的方法在光電轉換層上製備透紅外的導電電極，如氧化銦錫電極。

參考圖2是參考圖1的俯視剖面圖。探測器基板的結構和製備工藝與平板顯示器件基板，如TFT-LCD基板和TFT-OLED基板等完全一樣，並不局限於圖1和圖2所示的基本結構。

參考圖3是探測陣列的行列選址和驅動信號。其中行驅動器與探測陣列各個像素的柵極電極2相連接，列驅動器與各個像素的漏極電極相連接。當某一行施加一個電壓脈衝時，該行像素被選中。在柵極電極2上施加行選信號，在漏極電極5上施加列選信號，實現傳感單元尋址。此時，對各個列線逐次施加電壓脈衝，對應該行中每一個探測像素逐次工作，由公共電極輸出每個探測像素的光生電流或者電壓。在公共電極8上按時序輸出每個探測單元的光電轉換電流，並通過放大器進行輸出信號放大，從而完成紅外圖像的探測。

參考圖4是單個探測像素的電路結構。其中場效應管是由平板顯示器TFT基板提供的，而光敏電阻則是由場效應管源電極、量子點光電轉換層、以及公共電極構成。

本發明採用平板顯示器件的TFT基板電路做為探測陣列的讀出電路，製備工藝非常成熟。和現有紅外探測技術相比較，可以實現大面積和低成本製備。採用本發明的傳感器結構和製備工藝，傳感器陣列面積可以增大至50英寸以上，器件成本可以低於100美元/英寸。另外，在本發明中，TFT基板採用低溫薄膜工藝製備，光電轉換層則採用旋塗、噴墨列印或者轉印等方法在常溫下沉積，公用電極通過濺射製備。因此，本發明提出的探測器結構和製備方法，可以適用於塑料、聚合物等柔性襯底，製備柔性的紅外探測器件，滿足穿戴式設備的需要。

該發明主要優點是利用成熟的平板顯示製備工藝，所以降低了成本。另外，採用薄膜電晶體技術，所以可以大面積製備。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。