本發(fā)明屬于紅外探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于平板顯示TFT基板的大面積紅外探測器件及其驅(qū)動方法。

背景技術(shù)：

紅外探測技術(shù)是利用紅外光電轉(zhuǎn)換器件將探測物體所輻射的紅外信號轉(zhuǎn)換為電流或者電壓信號，并經(jīng)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(shù)廣泛應(yīng)用于軍事國防、工業(yè)控制、刑事偵查、醫(yī)療衛(wèi)生、資源勘查等關(guān)系到國計民生的各個領(lǐng)域。

從二十世紀四十年代出現(xiàn)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：第一代采用單元或小規(guī)模線列探測器，它使用二維機械掃描系統(tǒng)來獲取紅外圖像。制冷型探測器通過引線穿過低溫系統(tǒng)后與室溫下前置放大器連接，其內(nèi)部并沒有集成讀出電路。

第二代紅外探測器的特征是大規(guī)模的探測器陣列和硅工藝讀出集成電路(ROIC,Readout Integrated Circuit)采用機械聯(lián)結(jié)的方式形成焦平面陣列(FPA，F(xiàn)ocal 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(yīng)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(fā)展的結(jié)果，其主要代表型器件為大規(guī)模、超大規(guī)模高性能的凝視型探測器。

紅外探測器根據(jù)結(jié)構(gòu)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制作在同一襯底上，一般來說襯底需要采用特定的具有合適光譜效應(yīng)的紅外探測材料?；斐墒郊t外探測器的探測陣列和讀出電路分別制作在不同的襯底上，然后通過銦柱倒焊互聯(lián)?；斐墒郊t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制作，而且可以分別進行測試篩選，確定其最優(yōu)性能，挑選出最好的芯片進行倒焊互聯(lián)，所以能夠有效保證整個器件的性能處于較為理想的狀態(tài)?，F(xiàn)階段普遍采用這種混成式結(jié)構(gòu)，

在紅外探測器中，探測陣列大都采用HgCdTe、InGaAs等三元半導體化合物做為光電轉(zhuǎn)換材料，以提高光電轉(zhuǎn)換效率和獲得較好的波長響應(yīng)特性。讀出電路是紅外探測器的重要組成部分，它通常是采用標準CMOS硅工藝制作的集成電路，其基本功能是對紅外探測陣列所產(chǎn)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(shù)字化處理等。

在現(xiàn)有的紅外探測器件中，由于讀出電路大都是基于CMOS硅工藝的集成電路，所以其探測陣列的面積非常有限，需要一定的光學系統(tǒng)對探測圖像進行聚焦成像，無法實現(xiàn)直接大面積平板探測成像。另外，無論是硅基的讀出電路，還是三元半導體探測陣列，都需要采用高溫的擴散、摻雜等工藝，所以無法制備于玻璃、塑料、聚合物等襯底上。因此現(xiàn)有的紅外探測器結(jié)構(gòu)和制備方法等，都無法滿足人們對柔性器件以及可穿戴設(shè)備的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于平板顯示TFT基板的紅外探測器及其驅(qū)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(qū)動電路向各個顯示像素提供所需要的電壓或者電流信號。不同之處在于為了實現(xiàn)大面積顯示，平板顯示的陣列驅(qū)動電路不是基于CMOS工藝的硅基集成電路，而是在玻璃基板上采用低溫薄膜技術(shù)制備的非晶硅薄膜晶體管電路、或者多晶硅薄膜晶體管電路、或者氧化物薄膜晶體管電路。本發(fā)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，再在源極金屬層上制備紅外光電轉(zhuǎn)換層，在光電轉(zhuǎn)換層上制備陰極電極，從而構(gòu)成光電探測陣列，并從陰極輸出每個像素探測的光電流或者光電壓。

由于平板顯示器的TFT基板都采用玻璃襯底，所以必須在TFT基板上常溫制備光電轉(zhuǎn)換層。本發(fā)明提出首先采用化學溶液法制備PbS或者Ge量子點，然后再采用旋涂、噴墨打印或者轉(zhuǎn)印等方法在TFT基板上沉積量子點，并將其做為光電轉(zhuǎn)換層。

由于采用成熟的平板顯示器TFT基板，本發(fā)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(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于平板顯示TFT基板的大面積紅外探測器件，采用TFT基板，其結(jié)構(gòu)為：以玻璃襯底為基板，上設(shè)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(cè)覆蓋有絕緣介質(zhì)層，所述漏級電極和源級電極分別位于所述絕緣介質(zhì)層兩側(cè)并與其上部及兩側(cè)連接，所述漏級電極和源級電極之間設(shè)有半導體溝道；

所述源極電極上設(shè)有量子點光電轉(zhuǎn)換層，所述量子點光電轉(zhuǎn)換層上部設(shè)有公共電極。

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

進一步的，所述PbS半導體量子點采用化學溶液法制備，具體如下：

a)按摩爾質(zhì)量比為2:5將氧化鉛(PbO)粉末分散于油酸(OA)有機溶液，將該分散液溶于十八胺(ODA)溶液配置成為14.5wt％的混合溶液；將該混合溶液置于三頸圓底燒瓶中，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并加熱至180℃，直至PbO完全溶于溶液；

b)將上述反應(yīng)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的六甲基二硅硫烷(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(yīng)液體中并充分攪拌；

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，并將混合完全的溶液轉(zhuǎn)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量子點溶液采用清洗溶液進行離心清洗，取下層溶液，獲得清洗后的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)最后將步驟d)獲得的PbS量子點溶液放置于真空腔體中，在60℃條件下烘干約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(zhuǎn)/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，重復離心清洗過程3～4次，取最后一次離心后的下層溶液，即獲得經(jīng)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(jīng)過初次清洗的PbS量子點溶液注入該清洗溶液，并按照初次清洗的離心清洗方法，再清洗3到4次，獲得經(jīng)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(zhì)，且這些雜質(zhì)不溶于甲醇，因此采用兩次清洗去除雜質(zhì)。

進一步的，所述Ge半導體量子點采用化學溶液法制備，具體如下：

a)將GeO₂粉末溶于NaOH堿液中，得到Ge酸根離子前驅(qū)液，將前驅(qū)液的pH值調(diào)節(jié)為6～8，將天然生物大分子殼聚糖溶入該溶液中，采用磁攪拌器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(yīng)液體；

b)按照NaBH₄與GeO₂摩爾比4：1的比例將NaBH₄加入所述反應(yīng)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，離心冷凍干燥得到粉體，并將粉體溶于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納米顆粒稀釋液置于聚四氟乙烯燒杯中，并進行超聲振蕩；采用微量進液器以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(chǎn)生氫化和氧化反應(yīng)；

e)步驟d)所獲得的反應(yīng)液用100nm孔徑的PVDF(Polyvinylidenefluoride)濾紙過濾，收集量子點材料，烘干后將量子點溶于甲苯之中，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：采用質(zhì)量分數(shù)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(yīng)時間為10～40分鐘，由此控制量子點的尺寸大?。辉谠摲磻?yīng)過程之中，Ge量子點的表面將首先被硝酸氧化為鍺氧化物并被氫氟酸氫化為Ge_xO_yH_z殼層結(jié)構(gòu)，并阻止Ge材料繼續(xù)被氧化。

進一步的，所述量子點光電轉(zhuǎn)換層的制備方法為：在所述源極電極上方于常溫下沉積可傳感紅外信號的PbS或者Ge量子點光電轉(zhuǎn)換層，采用包括低溫旋涂、噴墨打印或者轉(zhuǎn)印的方法。

進一步的，所述公共電極的制備方法為：在所述量子點光電轉(zhuǎn)換層上利用包括濺射在內(nèi)的薄膜沉積方法制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。

上述的基于平板顯示TFT基板的大面積紅外探測器件的驅(qū)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(xiàn)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(zhuǎn)換電流，并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(fā)明提供的一種基于平板顯示TFT基板的紅外探測器及其驅(qū)動方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢：

1.本發(fā)明采用平板顯示器件的TFT基板電路做為探測陣列的讀出電路，制備工藝非常成熟，而且避免了現(xiàn)有技術(shù)中硅基讀出電路與紅外焦平面陣列之間的倒銦焊等復雜工藝，降低了制備成本。

2.本發(fā)明所述的基于平板顯示TFT基板的紅外探測器，由于采用薄膜工藝在玻璃基板上制備TFT驅(qū)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(xiàn)有的紅外探測技術(shù)中，由于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(tǒng)對紅外圖像聚焦成像。

3.本發(fā)明所述的基于平板顯示TFT基板的紅外探測器，其TFT基板采用低溫薄膜工藝制備，光電轉(zhuǎn)換層則采用旋涂、噴墨打印或者轉(zhuǎn)印等方法在常溫下沉積，公用電極通過濺射制備。因此，本發(fā)明提出的探測器結(jié)構(gòu)和制備方法，可以適用于塑料、聚合物等柔性襯底，制備柔性的紅外探測器件，滿足穿戴式設(shè)備的需要。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于平板顯示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(zhì)層3、半導體溝道4、漏極電極5、源極電極6、量子點光電轉(zhuǎn)換層7、公共電極8；

圖2為圖1的俯視剖面圖；

圖3為本發(fā)明的基于平板顯示TFT基板的紅外探測器的探測陣列的行列選址和驅(qū)動信號；

圖4為本發(fā)明的基于平板顯示TFT基板的紅外探測器單個探測像素的電路結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

本發(fā)明為一種基于平板顯示薄膜晶體管(TFT)基板的大面積紅外探測器件，包括器件結(jié)構(gòu)、制備方法和驅(qū)動方法。因為平板顯示器的TFT基板技術(shù)成熟，所以本發(fā)明提出的紅外探測器件成像面積大，且成本低廉，可用于工業(yè)探測、安全檢查以及醫(yī)療檢查等。該紅外探測器的發(fā)明點包括：1.TFT基板。為了簡化器件結(jié)構(gòu)，降低制作成本，本發(fā)明采用與TFT-LCD相同的薄膜晶體管基板。2.采用化學溶液法制備PbS或者Ge半導體量子點，并將其作為光電轉(zhuǎn)換材料3.在薄膜晶體管基板上方采用低溫旋涂、噴墨打印或者轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層上利用濺射方法制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.薄膜晶體管背板的像素源電極、量子點光電轉(zhuǎn)換層，以及透明電極構(gòu)成紅外光敏電阻結(jié)構(gòu)。該光敏電阻吸收紅外信號后，產(chǎn)生光生載流子，從而改變電阻的阻值。由于采用薄膜晶體管基板，量子點層與透明公共電極層皆不需要圖案化。

如圖1所示為一種基于平板顯示TFT基板的紅外探測器，該探測器典型結(jié)構(gòu)包括：玻璃基板即玻璃襯底1上設(shè)有柵極電極2，柵極電極2上設(shè)有絕緣介質(zhì)層3，絕緣介質(zhì)層3上設(shè)有漏電極5和源電極6，漏電極5和源電極6之間設(shè)有半導體溝道4材料，在源電極6上設(shè)有用于紅外光電轉(zhuǎn)換的量子點層7(如PbS或者Ge量子點)，量子點層7上設(shè)有公共電極8。由于平板顯示器TFT技術(shù)成熟，且可以制備大尺寸基板，因此本發(fā)明可以實現(xiàn)大面積的紅外圖像成像，不需要額外的光學成像系統(tǒng)。另外，TFT電路和量子點光電轉(zhuǎn)換層皆可以在較低溫度下工藝制備，所以本發(fā)明提供的探測器結(jié)構(gòu)和制備方法適合在塑料等柔性襯底上制備傳感器。

實施例

參考圖1是本發(fā)明提出的一種基于平板顯示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(shè)有柵極電極2，柵極電極上設(shè)有絕緣介質(zhì)層3，絕緣介質(zhì)層上設(shè)有漏電極5和源電極6，漏電極5和源電極6之間設(shè)有半導體溝道材料4，在源電極上設(shè)有用于紅外光電轉(zhuǎn)換的量子點層7，量子點層上設(shè)有公共電極8，構(gòu)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(fā)明采用化學溶液法制備PbS或者Ge量子點，將其作為光電轉(zhuǎn)換材料，并利用旋涂、噴墨打印或者轉(zhuǎn)印等方法在玻璃TFT極板上常溫沉積光電轉(zhuǎn)換層。即采用旋涂、噴墨打印、以及轉(zhuǎn)印等方法將PbS或者Ge量子點光電轉(zhuǎn)換層常溫下沉積于漏電極之上。

PbS量子點制備方法為：

a)按摩爾質(zhì)量比為2:5準備氧化鉛(PbO)粉末與油酸(OA)有機溶液，將PbO完全分散于OA溶液后，將該分散液溶于十八胺(ODA)溶液配置成為14.5wt％的混合溶液。將該混合溶液置于三頸圓底燒瓶中，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并加熱至180℃，直至PbO完全溶于溶液。。

b)將上述反應(yīng)得到的溶液自然冷卻，當溫度降至140℃時，將于液體體積比為0.02的六甲基二硅硫烷(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(yīng)液體中并充分攪拌。

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，并將混合完全的溶液轉(zhuǎn)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(zhuǎn)/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，重復離心清洗過程3～4次。將最后一次獲得的離心層層溶液上層倒掉，獲得經(jīng)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，并按照(d)所示的離心清洗方法，再清洗3到4次，獲得經(jīng)過兩次清洗的PbS量子點溶液。

f)最后將步驟(e)獲得的PbS量子點溶液放置于真空腔體中，在60℃條件下烘干約10個小時，獲得PbS量子點粉體。

Ge量子點的制備方法為：

a)將GeO₂粉末溶于NaOH堿液中，得到Ge酸根離子前驅(qū)液，將前驅(qū)液的pH值調(diào)節(jié)為6～8左右，將天然生物大分子殼聚糖溶入該溶液中，采用磁攪拌器攪拌速度約為100～300rpm，混合均勻并利用濾紙過濾掉不溶物，得到分散良好的反應(yīng)液體。

b)將NaBH₄加入到步驟(a)獲得的反應(yīng)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(chǎn)生化學反應(yīng)，將反應(yīng)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(yīng)得到的橙紅色的溶液使用透析袋透析24小時后，離心冷凍干燥得到粉體，并將粉體溶于甲苯之中形成黃色溶液，獲得Ge納米顆粒稀釋液。

d)采用質(zhì)量分數(shù)為69wt％硝酸HNO₃與46wt％氫氟酸HF以體積比為(1:4)混合并作為氫化與氧化劑溶液。

e)將步驟(c)獲得的Ge納米顆粒稀釋液置于聚四氟乙烯燒杯中，并將燒杯置于超聲清洗機中超聲振蕩。采用微量進液器以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(chǎn)生氫化和氧化反應(yīng)。

f)將步驟(e)的反應(yīng)時間控制在10至40分鐘之間，并由此來控制量子點的尺寸大小。在該反應(yīng)過程之中，Ge量子點的表面將首先被硝酸氧化為鍺氧化物并很快被氫氟酸氫化為Ge_xO_yH_z殼層結(jié)構(gòu)，并阻止Ge材料繼續(xù)被氧化。

g)最后利用孔徑尺寸為100nm的PVDF(Polyvinylidenefluoride)濾紙過濾步驟(f)所獲得的反應(yīng)液，取出PVDF濾紙收集濾紙中的量子點材料烘干后將量子點溶于甲苯之中，獲得Ge量子點溶液。

本發(fā)明提出的紅外探測器，其公共電極采用濺射制備，選用對紅外吸收較少的導電材料構(gòu)成，如ITO等。采用濺射等薄膜沉積的方法在光電轉(zhuǎn)換層上制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(jié)構(gòu)和制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，并不局限于圖1和圖2所示的基本結(jié)構(gòu)。

參考圖3是探測陣列的行列選址和驅(qū)動信號。其中行驅(qū)動器與探測陣列各個像素的柵極電極2相連接，列驅(qū)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沖時，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(xiàn)傳感單元尋址。此時，對各個列線逐次施加電壓脈沖，對應(yīng)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(zhuǎn)換電流，并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(jié)構(gòu)。其中場效應(yīng)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(yīng)管源電極、量子點光電轉(zhuǎn)換層、以及公共電極構(gòu)成。

本發(fā)明采用平板顯示器件的TFT基板電路做為探測陣列的讀出電路，制備工藝非常成熟。和現(xiàn)有紅外探測技術(shù)相比較，可以實現(xiàn)大面積和低成本制備。采用本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)和制備工藝，傳感器陣列面積可以增大至50英寸以上，器件成本可以低于100美元/英寸。另外，在本發(fā)明中，TFT基板采用低溫薄膜工藝制備，光電轉(zhuǎn)換層則采用旋涂、噴墨打印或者轉(zhuǎn)印等方法在常溫下沉積，公用電極通過濺射制備。因此，本發(fā)明提出的探測器結(jié)構(gòu)和制備方法，可以適用于塑料、聚合物等柔性襯底，制備柔性的紅外探測器件，滿足穿戴式設(shè)備的需要。

該發(fā)明主要優(yōu)點是利用成熟的平板顯示制備工藝，所以降低了成本。另外，采用薄膜晶體管技術(shù)，所以可以大面積制備。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)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(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。