專利名稱：有機光耦器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及的有機光耦是一種利用全有機半導體的器件，制備工藝簡單，可大面積制備，因此會極大地降低成本，另外還可以集成在柔性基底上，本發明開拓了光耦在生物仿真、醫療機械方面的應用，特別是在柔性和纖維智能領域有廣闊應用前景，還可以應用于智能軍裝、武器等方面，更具有特殊的意義。
圖1為有機光耦器件的信號傳輸流程圖；圖2為有機電致發光器件結構圖；圖3為有機光敏電阻的器件結構圖；圖4為有機光敏晶體管的結構圖；圖5為實施例1的有機光耦器件結構圖及其表示符號；圖6為實施例1中有機電致發光器件的輸入電流和輸出光亮度特性7為實施例1中并五苯光敏電阻的輸入光亮度和輸出光電流特性8為實施例1中有機光耦輸入_輸出電流密度特性圖；圖9中(a) 、 (b) 、 (c)是三種有機光敏二極管結構；圖10為有機光敏三極管結構圖。
具體實施例方式本發明的有機光耦器件的信號傳輸流程圖如附圖1所示，其的制備方法如下
部件A部分優選是一種有機電致發光器件，可以是一種有機小分子電致發光器件，也可以是一種有機聚合物電致發光器件，器件結構如附圖2所示 其中21基底，通常的基底為透明基片，可以是玻璃或是柔性基片，柔性基片采用聚酯類、聚酰亞胺類化合物中的一種材料，可以包括聚碳酸脂(PC)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等；如果制備使用從陰極發光的OLED器件，其基底可為不透明的基片，如金屬、陶瓷、半導體基片等。 22為基底上的陽極層，可以采用無機材料或有機導電聚合物，無機材料一般為氧化銦錫(以下簡稱ITO)、氧化鋅、氧化錫鋅等金屬氧化物或金、銅、銀等功函數較高的金屬，最優化的選擇為ITO，有機導電聚合物優選為聚噻吩/聚乙烯基苯磺酸鈉(以下簡稱PEDOT:PSS)、聚苯胺(以下簡稱PANI)中的一種材料；如果想制備從陰極發光的OLED器件，也可使用金屬薄膜作為陽極材料； 23是空穴注入層，其材料可以采用銅酞菁(CuPc); 24是空穴傳輸層，可以采用芳胺類和枝聚物族類低分子材料，優選為N，N' -二-(l-萘基)-N，N' -二苯基-1，1-聯苯基-4，4-二胺(NPB); 25是發光層， 一般采用小分子材料，可以為熒光材料，如金屬有機配合物，可選自三(8-羥基喹啉)鋁(Alq3)、(水楊醛縮鄰胺苯酚)-(8-羥基喹啉)合鋁(III) (Al (S即h-q))類化合物，該小分子材料中可摻雜有染料，摻雜濃度為小分子材料的0. 01wt% 20wt%， 染料一般為芳香稠環類材料，如5，6，ll，12-四苯基并四苯(簡稱rubrene)，香豆素類材料， 如N， N' -二甲基喹吖啶酮(簡稱DMQA)、10-(2-苯并噻唑)-l，1，7，7，-四甲基-2，3，6， 7-四氫-lH，5H，llH-苯并[1]吡喃[6，7，8-ij]喹啉嗪(簡稱C545T)，或為雙吡喃類材料， 如4-4- 二氰基亞甲基-2-叔丁基-6-(1， 1， 7， 7-四甲基-久洛尼定-9-乙烯基)_4H_吡喃 (簡稱DCJTB);發光層材料也可采用咔唑衍生物如4，4'-N，N'_ 二咔唑-聯苯(簡稱CBP)、 聚乙烯咔唑(PVK)，該材料中可摻雜磷光染料，如三(2-苯基吡啶)銥(Ir(卯y)》，二 (2_苯 基吡啶)(乙酰丙酮)銥(Ir(ppy)2(acac))，八乙基卟啉鉑(PtOEP)等；
26是陰極金屬層，其材料一般采用鋰、鎂、鈣、鍶、鋁、銦等功函數較低的金屬或它 們與銅、金、銀的合金，或金屬與金屬氟化物交替形成的電極層，如果將該陰極金屬層制備 得足夠薄，或者也使用ITO作為陰極，有機電致發光器件所發出的光就可以透過該層射出。
部件B部分可以是有機光敏電阻、有機光敏二極管、有機光敏三極管、有機光敏晶 體管。 有機光敏電阻的結構如附圖3所示，包括基底31、有機絕緣層32、光敏電阻層33
和金屬電極34、35。其中，基底可為玻璃也可為聚酯類、聚酰亞胺類的柔性材料。 當入射光照射到有機光敏半導體上時，光敏半導體吸收入射光子的能量通過本征
激發產生電子-空穴對，使載流子濃度增加，從而使得半導體的電導率增加。這種由光照引
起半導體導電率增加的現象稱為光電導效應。光敏電阻就是利用半導體材料的光電導效應
制成的光敏元件。 有機光敏晶體管的結構如附圖4中所示，包括基底41、輔助柵極42、有機絕緣層 43、有機光敏半導體44、漏極金屬層45和源極金屬層46。其中，基底可為玻璃也可為聚酯 類、聚酰亞胺類的柔性材料；輔助柵極，可為無機材料或有機導電聚合物，優選為ITO ;有機 絕緣層材料可選用聚酯類材料，優選為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA);有機光敏半導體材料可 選用銅酞菁；漏極金屬和源極金屬材料可使用金屬金。 當光照到光敏晶體管中的有機半導體銅酞菁上時產生光生載流子，使得晶體管導 電溝道中的載流子濃度增加，從而使得在相同漏源電壓下的漏極電流增加。附圖4中有輔 助柵極，該電極對源極加正電壓可以在晶體管的導電溝道中感生出更多空穴載流子，使得 輸出電流增加，還會使得器件的光靈敏度增加。有些光敏晶體管也可能沒有輔助柵極。
有機光敏二極管的結構中有多種，其中可以包括p-n結型光敏二極管、金屬-有機 半導體型光敏二極管和p-i-n型有機光敏二極管等。附圖9中(a) 、 (b) 、 (c)是三種有機光 敏二極管結構圖。 其中(a)是p-n結型光敏二極管結構原理圖，圖中9al和9a2分別表示p型和n 型有機半導體，比如P型半導體可用CuPc，n型半導體可用Alq。由于p型半導體和n型半 導體接觸后P型半導體中的多子空穴向n型半導體中擴散，n型半導體中的多子電子向p 型半導體擴散，從而形成一個內建電場區，如圖中9a3所示區域。當光照射在有機半導體上 時，就產生光生載流子，光生空穴和電子載流子在內建場的作用下發生分離，分別漂移到P 型半導體和n型半導體端，形成光電流。如果在p-n結的兩端加上和內建場一致的電壓，如 圖中9a4所示，會收集更多的光生載流子，最后達到飽和。飽和后光電流的大小就與光照的 強度相關。圖中9a5和9a6表示二極管的引出電極。
5
圖9(b)是金屬-有機半導體型光敏二極管結構圖，9bl表示有機光敏半導體，比如并五苯、紅熒烯、偶氮苯類有機光電材料等，厚度在5-100nm之間。9b2表示金屬電極，材料可用Ca:Ag或Mg:Ag合金，其厚度在20-300nm之間。由于金屬的功函數和有機半導體的功函數有差異，在金屬_有機半導體界面上產生了肖特基勢壘，當光照有機半導體時，產生的光生載流子在勢壘的作用下分離產生界面電勢或形成光電流。9b3表示引出電極，材料可為透明的ITO電極或者金電極，其厚度在2-10nm之間。 圖9(c)是p-i-n型有機光敏二極管結構示意，其中9cl表示傳輸空穴的p 型半導體層，材料可用CuPc，厚度可在5-100nm之間，；9c2表示可以傳輸電子的n型半導體，材料可用4，7-二苯基-1，10-鄰菲咯啉(簡稱Bphen)，其厚度在5-100nm間；9c3是一種絕緣材料，可為有機釕金屬(簡稱N3)，厚度在10-200nm間；9cl、9c2、9c3材料的能級要匹配，使得光生空穴載流子能夠自動通過絕緣層傳遞到P型半導體材料再傳到陽極，同時使得光生電子能夠自動通過絕緣層傳遞到n型半導體材料再傳到陰極。其中9c4是透明或半透明電極可為ITO或Mg:Ag合金電極，厚度在2-10nm之間；9c5是表示二極管的電極，材料可用Ag或Au等，厚度為20-300nm之間。 有機光敏三極管的結構包括發射極半導體層、基極半導體層、基電極半導體層和兩個電極。附圖10是一種有機光敏三極管結構，101是發射極半導體層，材料可使用Alq3，厚度在10-lOOnm間；102是基極半導體層，材料可選用CuPc，厚度在10-lOOnm間；103是集電極半導體層，材料可選用2，3，6，7-四甲基-9，10-(2-二奈基)-蒽(以下簡稱P-TMADN)，厚度為10-100nm之間。發射極半導體層IOI和基極半導體層102組成一個光二極管結構，當有光照射時，光生電子在光二極管內建電場的作用下向發射極漂移，光生空穴向基極漂移，由于基極層很薄，光生空穴很容易就到達基極和集電極界面，在外界電壓106的作用下，集電極和基極間施加的是正向電場，光生空穴載流子就在外加電場的作用下漂移到集電極。104和105分別是三極管的兩個金屬電極，厚度為20-300nm。 本發明的有機光耦中，部件A部分和部件B部分的連接方式有三種， 一種是部件A和B共用同一個基底，A和B分別位于基底的兩個面，該基底即同時作為連接A和B的電絕緣部件；另一種是部件B位于部件A的頂部，在A和B之間有一層由透光絕緣材料形成的電隔離部件，當然，部件B的基底，也可以同時作為此電隔離部件；還有一種，是部件A位于部件B的頂部，在A和B之間有一層由透光絕緣材料形成的電隔離部件，當然部件A的基底也可以同時作為此電隔離部件。當部件A和部件B均制備成柔性器件時，可以也把A和B之間的電絕緣部件制備成柔性器件，從而保證整個電耦為柔性的。
實施例1 : 制備一種由有機電致發光顯示器(OLED)和并五苯光敏電阻結合在一起的有機光耦器件，其結構示意圖及其表示符號如附圖5所示，其中51是玻璃基底，52是OLED器件，53是并五苯光敏電阻器件，54是該有機光耦的一種電路表示符號。 該有機光耦器件的制備工藝步驟如下首先在玻璃基底51上制備OLED器件52，然后在玻璃基底51的另一面制備并五苯光敏電阻器件53。 首先在玻璃基底上制備一層透明的氧化銦錫(ITO)導電薄膜，利用光刻的方法把ITO制備成需要的圖形作為OLED的陽極；經過清洗后，利用真空蒸鍍的方法，在ITO電極上沉積lOOnm的銅酞菁作為空穴載流子的注入緩沖層；然后利用真空蒸鍍的方法，在CuPc上沉積20nm的NPB空穴載流子的傳輸層；再繼續利用真空中二源共蒸的方法，蒸鍍30nmAlq3和C545T， C545T是一種綠光染料，它作為該0LED器件的發光材料，在Alq3中的摻雜比例為0.8% (體積)；之后，再真空蒸鍍的方法蒸鍍20nm的Alq3，作為陰極電子傳輸層；然后真空蒸鍍的方法沉積0. 7nm的LiF作為電子注入層；最后，再真空蒸鍍150nm的Al電極，作為OLED器件的陰極。這樣整個OLED器件制備完成。附圖6是該OLED器件的輸入電流-發光亮度特性曲線圖，由圖可見，輸入電流信號與輸出的光亮度信號成線性關系。
然后在玻璃基底的另一面先利用旋涂的方法沉積一層50nm聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為有機絕緣層，然后再利用真空蒸鍍的方法沉積50nm并五苯薄膜作為光敏電阻層，最后，再利用模板，真空蒸鍍沉積兩個Au電極，作為并五苯光敏電阻的電極。附圖7是該光敏電阻的輸入光亮度-輸出光電流特性曲線圖，從圖中可見，該光敏電阻的輸入光信號和輸出光電流信號有很好的線性關系。 本實施例中，作為光耦部件A的OLED器件接收了已知的電信號后，向玻璃基底面
發出了光，此光信號被作為光耦部件B的并五苯光敏電阻接收，然后將其轉換成了可檢測
的電信號再發出。附圖8是整個有機光耦的輸入電流密度信號和輸出電流密度信號間的關
系。從圖可見該器件的輸入和輸出有非常好的線性關系，可以與現有技術中的無機光耦器
件相媲美。 實施例2 : 制備一種由有機電致發光顯示器(OLED)和有機光敏二極管結合在一起的有機光耦器件。該有機光耦器件的制備工藝步驟如下首先在基底上制備OLED器件，然后在基底的另一面制備有機光敏二極管。 OLED器件的制備方法可參見實施例1，除其基底部分的材料采用聚酰亞胺外，其它各部分的材料和制備工藝都與實施例1相同。有機光敏二極管可以有三種結構選擇，其制備方法分別如下所述 (a) :p-n結型光敏二極管的一種制備方法如下在作為共用基底的聚酰亞胺的另一面上蒸鍍形成一薄層透明的金電極，厚度為5nm，此作為光敏二極管的一個引線電極，再在該電極薄膜上蒸鍍沉積P型半導體材料CuPc，厚度為10nm，然后在該薄膜上再沉積Alq薄膜作為n型半導體材料，厚度為lOnm，再在該薄膜上沉積5nm的金電極。
(b):金屬-有機半導體型光敏二極管的一種制備方法是，在作為共用基底的聚酰亞胺的另一面上蒸鍍形成一薄層透明的金電極，厚度為2nm，作為光敏二極管的一個引線電極，再在該電極上蒸鍍沉積有機光敏半導體材料紅熒烯薄膜，厚度為50nm，然后在再其上蒸鍍沉積構成肖特基勢壘的金屬Ca:Ag電極，厚度為200nm。 (c) :p-i-n型有機光敏二極管結構的一種制備方法是，在作為共用基底的聚酰亞胺的另一面上蒸鍍形成一層Mg:Ag電極，厚度為2nm，作為光敏二極管的一個引線電極，再在該電極上沉積n型有機半導體Bphen，厚度為80nm，再沉積有機光敏材料N3，厚度為lOOnm，再沉積有機p型半導體CuPc，厚度為50nm，再沉積金屬Ag或Au電極，厚度為lOOnm。
本實施例中，作為光耦部件A的OLED器件接收了已知的電信號后，向其基底面發出了光，此光信號被作為光耦部件B的有機光敏二極管接收，然后將其轉換成了可檢測的電信號再發出。因為此有機光耦的基底使用了有機聚合物柔性材料，所以整個光耦都是柔性可彎曲的，大大拓展了光耦的廣闊領域。
實施例3 : 制備一種由有機電致發光顯示器(0LED)和有機光敏晶體管結合在一起的有機光耦器件。該有機光耦器件的制備工藝步驟如下首先使用陶瓷片作為基底，在其上制備OLED器件，然后繼續在OLED器件的頂部制備有機光敏晶體管。 OLED器件的制備方法可參見實施例l，其基底部分的材料采用陶瓷片，其陽極材料采用15-200nm的Ag真空蒸鍍制備而成，其陰極材料采用20nm的Mg:Ag蒸鍍制備而成，其它各部分的材料和制備工藝都與實施例1相同。 有機光敏晶體管的一種制備方法包括在有機電致發光器件的頂部透明金屬電極上形成一層30nm的聚酯薄膜，再在此層薄膜上蒸鍍形成lOnm的ITO作為輔助柵極，再在該柵極上沉積500nm絕緣材料層PMMA作為柵極絕緣層，再沉積光敏有機半導體銅酞菁，厚度為80nm，再通過mask模板沉積漏源金屬電極材料Ag或Au電極，厚度為200nm。
有機光敏晶體管的的另一種制備方法包括在有機電致發光器件的頂部透明電極上形成一層30nm的聚酯薄膜，再在此層薄膜上利用mask形成一種金屬電極層，厚度為250nm，作為漏源電極，再沉積一層光敏有機半導體層銅酞菁，厚度為100nm，再沉積600nm絕緣層PMMA，再沉積金屬層Ag電極，厚度為200nm。 本實施例中，作為光耦部件A的OLED器件接收了已知的電信號后，從其頂部電極ITO面發出了光，此光信號被作為光耦部件B的有機光敏晶體管接收，然后將其轉換成了可檢測的電信號再發出。如果將OLED使用基底材料換為柔性的有機聚合物材料，此有機光耦就為整體柔性的了。
實施例4 : 制備一種由有機電致發光顯示器(OLED)和有機光敏三級管結合在一起的有機光耦器件。該有機光耦器件的制備工藝步驟如下首先使用玻璃作為基底，在其上制備有機光敏三極管器件，然后繼續在光敏三極管器件的頂部制備有機電致發光器件。
該類有機光敏三極管的一種制備方法是，在玻璃基底上形成一層Mg:Ag電極，厚度為30nm，作為光敏三極管的發射極引線電極，再在該電極上蒸鍍沉積n型有機半導體Al化，厚度為lOOnm，再繼續蒸鍍沉積有機p型半導體材料CuPc，厚度為lOOnm，接著再蒸鍍沉積有機n型半導體P-TMADN，厚度為lOOnm，最后再沉積ITO電極，厚度為lOOnm。
OLED器件的制備方法，在有機光敏三極管的頂部ITO電極上形成一層30nm的聚酯薄膜，再在此層薄膜上繼續蒸鍍形成lOnm的ITO作為OLED的陽極，OLED其它各部分的材料和制備工藝都與實施例1相同。 本實施例中，作為光耦部件A的OLED器件接收了已知的電信號后，從其底部電極ITO面發出了光，此光信號被位于其底部的作為光耦部件B的有機光敏三級管接收，然后將其轉換成了可檢測的電信號再發出。如果將有機光敏三極管使用基底材料換為柔性的有機聚合物材料，此有機光耦就為整體柔性的了 。 盡管結合優選實施例對本發明進行了說明，但本發明并不局限于上述實施例，應當理解，所附權利要求概括了本發明的范圍，在本發明構思的引導下，本領域的技術人員應
意識到，對本發明的各實施例方案所進行的一定的改變，都將被本發明的權利要求書的精神和范圍所覆蓋。
權利要求
一種光耦器件，包括接收已知電信號并將其轉換成光信號的部件A部分，接收部件A發出的光信號并將其轉換成可檢測電信號的部件B部分，以及部件A部分和部件B部分之間的電絕緣連接部分，其特征在于，所述部件A部分和部件B部分均為有機半導體器件。
2. 根據權利要求l所述的光耦器件，其特征在于所述部件A部分為有機電致發光器件。
3. 根據權利要求2所述的光耦器件，其特征在于所述部件A部分為有機小分子電致發 光器件或者為有機聚合物電致發光器件。
4. 根據權利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述部件B部分為有機光敏電阻、有機 光敏二極管、有機光敏三極管或有機光敏晶體管中的 一種。
5. 根據權利要求l所述的光耦器件，其特征在于所述部件A和B共同使用一個基底，A 和B分別位于基底的兩個面，該基底同時作為連接部件A和部件B的電絕緣部件。
6. 根據權利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述部件B位于部件A的頂部，部件B 的基底同時作為連接部件A和部件B的電絕緣部件。
7. 根據權利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述部件A位于部件B的頂部，部件A 的基底同時作為連接部件A和部件B的電絕緣部件。
8. 根據權利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述部件A和部件B均為柔性器件，部 件A和部件B之間的電絕緣部件也為柔性材料。
9. 根據權利要求1所述的光耦器件，可以應用在生物仿真領域、醫療機械領域、纖維智 能領域、智能軍裝和武器領域。
全文摘要
本發明涉及一種新型光耦器件，包括接收已知電信號并將其轉換成光信號的部件A部分，接收部件A發出的光信號并將其轉換成可檢測電信號的部件B部分，以及位于部件A部分和部件B部分之間的連接部分，部件A部分和部件B部分均為有機半導體器件。本發明克服了現有光耦器件由于使用的材料及其結構上存在的缺陷和不足，提出利用全有機半導體器件組成的光耦，其制備工藝簡單，可大面積制備而降低成本，還可制備全柔性光耦。本發明開拓了光耦在生物仿真、醫療機械方面的應用，特別是在柔性和纖維智能領域有廣闊應用前景，還可以應用于智能軍裝、武器等方面，更具有特殊的意義。
文檔編號H01L27/28GK101783358SQ20091022293
公開日2010年7月21日 申請日期2006年5月16日 優先權日2006年5月16日
發明者王立鐸, 董桂芳, 邱勇 申請人:清華大學