Beschreibung

Bildaufnehmer mit organisch basierter Photodiode und Verfahren zur Herstellung davon

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.

In digitalen Bildaufnehmern werden als Auslesechips CCD oder CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Chips mit mehreren Megapixeln Auflösung eingesetzt.

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 mm ² bei einer Pixelgröße zwischen 2 und lOμm. Die Chips werden in herkömmlicher Halbleitertechnologie aus Silizium gefertigt. Jeder Bildpunkt hat mindestens einen Dünnfilmtransistor (TFT) als Schalter und einer Photodiode zur Detektion des einfallenden Lichts. Dies nennt man auch Aktiv-Matrix-Ansteuerung.

Nachteilig an den bisher bekannten CMOS Bildaufnehmern ist, dass es nicht möglich ist, 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 lOOOnm) .

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 Mikro- linsenarrays eingesetzt, jedoch führt dies wieder zu einer Komplikation des Gerätes und zur Kostensteigerung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, großflächige Photodioden mit hoher Quanteneffizienz und einer einfach einstellbaren Bandbreite zur Verfügung zu stellen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Bildaufnehmer, eine Schalt- matrix mit zumindest ein Substrat, einen Silizium-basierten Auslesechip und einen Elektrodenkontakt umfassend, wobei auf dem Elektrodenkontakt eine untere Elektrode aufgebracht ist, auf der zumindest eine organisch basierte photoaktive Schicht und darauf eine obere transparente Elektrode aufgebracht ist.

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 Her- stellungsverfahren wie Spin-Coating, Rakeln oder Druckverfahren kostengünstig hergestellt werden und ermöglichen so einen Preisvorteil, vor allem für größerflächige Bildaufnehmer.

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.

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 >700nm besonders empfindlich ist, d.h. dieser Bereich muss bei einem Silizium basierten Bildaufnehmer aufwendig weggefiltert werden.

Nach einer anderen Ausführungsform wird als Schaltmatrix eine CMOS-Schaltmatrix, beispielsweise wie sie von der Firma Omni- vision 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.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand zweier Figuren näher erläutert:

Figur 1 zeigt den Aufbau einer organischen Photodiode und

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, nämlich die Kombination einer herkömmlichen CMOS-Imager Schaltmatrix mit einer organisch basierten photoaktiven Schicht.

Zu Figur 1: Die organischen Photodioden bestehen z.B. aus einem vertikalen Schichtsystem: Unten befindet sich ein Sub- strat 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 (Elektronenakzep- tor 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.

Das im Beispiel und in der Figur 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 Emp-

findlichkeitskurve herstellen, ist diese Materialkombination viel besser geeignet als Silizium, das in dem für das menschliche Auge unsichtbaren NIR Bereich (Wellenlänge des Lichts >700nm) besonders empfindlich ist. Deshalb müsste bei einem entsprechenden Silizium Imager dieser Bereich aufwendig weggefiltert werden.

Durch Verwendung anderer organischer Halbleiterkombinationen kann die spektrale Empfindlichkeit des Detektors leicht ange- passt werden. Weiterhin kann durch den Zusatz von Kohlen- stoff-Nanoröhrchen oder anorganischer Nanokristalle wie HgTe, CdSe, PbS, etc. der Spektralbereich bis zu 4μm erweitert werden .

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 unstruktu- riert, die obere Elektrode aufgebracht werden.

Die ganzflächigen Schichten können extrem kostengünstig durch Spin Coating, Sprühen, Rakeln etc. aufgebracht werden.

Trotz durchgängiger photoaktiver Schicht wurde ein Crosstalk (übersprechen, das bei Erzeugen einer Spannung an einem Pixel die benachbarten Pixel auch zumindest teilweise aktiviert) zwischen den Pixeln von unter 5% gemessen werden (Pixelgröße ca . 150μm) .

Figur 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 Passi- vierungsschicht 7 eingebettet ist. Auf der Passivierungs- schicht 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.

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 Schicht 4, wie oben beschrieben, aufgebracht. Optional kann davor noch eine Lochtransporterschicht 3, ebenfalls großflächig, kostengünstig und unstrukturiert aufgebracht werden.

Die Bulk-Heterojunction Schicht 4 umfasst in der Regel zwei Komponenten und kann beispielsweise ein Blend aus einem lochtransportierenden Polythiophen und einem Elektronen transpor- tierenden Fulleren-Derivat, wie beispielsweise einem P3HT- PCBM-Blend, sein.

Auf diese Schicht 4 kann wiederum unstrukturiert und durch billige Herstellungsmethoden realisierbar, die obere Elektro- de 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.

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 un- strukturierte Elektrodenschicht aufgebracht werden.

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%.

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 .

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.