Матричный органический фотоприемник для биометрической аутентификации и рентгеновского детектирования высокого разрешения

Сергей Каргапольцев, Павел Новоселов, Карина Куприянова, Мария Санджиева, Данил Алёшин, Эдуард Даниловский, sk@tenflecs.com

Матричный фотоприемник (МФП) — это устройство, которое состоит из сетки светочувствительных элементов, называемых пикселями, расположенных в виде матрицы. Каждый пиксель фотоприемника способен преобразовывать свет (попавшие на пиксель фотоны) в электрический цифровой сигнал за счет фоточувствительных полупроводниковых элементов пикселя. Цифровой сигнал передает информацию о цвете и яркости для каждого пикселя. Этот процесс образует цифровое изображение, которое можно сохранить или обработать. Функциональность матричного фотоприемника определяется его способностью преобразовывать свет в электрический сигнал с высокой чувствительностью, точностью и минимальным уровнем шумов. Матричные фотоприемники разных типов используют разные технологии и методы для эффективного преобразования света в цифровую информацию, каждый из которых имеет свои особенности и преимущества. Одним из наиболее известных типов является CCD (Charge-Coupled Device) приемник. Это исторически первый матричный фотоприемник, используемый в цифровых камерах и научных приборах. Его работа основана на принципе накопления заряда в пикселях, которые затем считываются по строкам и столбцам для формирования изображения. Альтернативным фотоприемником, получившим большое распространение в современных устройствах, является фотоприемник типа КМОП (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS). Фотоприемники такого рода обладают преимуществом в виде низкого энергопотребления, высокой скорости съемки и меньшего нагрева. Каждый пиксель КМОП оснащен собственным усилителем и преобразователем, что позволяет осуществлять параллельное считывание данных. Сравнительно недавно стали появляться органические фотодетекторы OPD (Organic Photodetector), представляющие собой новый класс фотоприемников, созданных на основе органических полупроводников. Органические материалы предоставляют уникальную возможность для изготовления гибких, легких и дешевых фотоприемников, обладающих потенциалом для создания устройств на больших площадях. Эти материалы также демонстрируют высокую светочувствительность в широком спектральном диапазоне, что делает их привлекательными для разных приложений Толчком к серьезному развитию органических полупроводниковых материалов послужило их первое применение в дисплейных OLED-технологиях и сопутствующее развитие пленочных транзисторных матриц. Обе технологии обладают потенциалом для создания легких тонкопленочных устройств (с улучшенными характеристиками и новой функциональностью), и востребованы в гибкой электронике, в носимых устройствах и других областях, где традиционные кремниевые технологии неэффективны. Таким образом, органические фотоприемники позволяют обойти определенные ограничения традиционных фотоприемников, а также открыть новые возможности для электронных устройств, особенно в сфере гибкой и носимой электроники. Наглядной иллюстрацией такой тенденции может послужить тот факт, что производители смартфонов стараются использовать всю площадь поверхности гаджета под дисплей, перенося на поверхность дисплея функционал механических кнопок, расположенных на лицевой панели или на торцах устройства. Элегантным решением тут могло бы стать внедрение тонкопленочного датчика отпечатков пальцев в область отображения информации. Существенное отличие органических фотоприемников (ОФП) от классических неорганических фотоприемников состоит в том, что ОФП можно наносить из раствора, создавая электронные устройства большой площади (благодаря такой возможности они иногда называются печатными, так как одним из способов нанесения материалов из раствора может быть струйная печать). Коэффициент экстинкции таких материалов очень высокий. Таким образом, собственно фотоактивный слой может быть очень тонким (<300 нм). В сочетании с управляющей гибкой тонкопленочной транзисторной матрицей общая толщина устройств не превышает 1 мкм, что позволяет изготавливать гибкие и ультралегкие органические МФП. К настоящему времени созданы предпромышленные прототипы таких гибких матричных органических фотоприемников, которые найдут применение в таких устройствах нового поколения как дактилоскопические сканеры отпечатков пальцев и ладоней, медицинские рентгеновские детекторы и детекторы неразрушающего контроля. Некоторые примеры таких образцов приведены на рис. 1

Прогнозируется, что к 2025 г. рынок детекторов отпечатков пальцев превысит отметку в 4 млрд долл., а рынок крупноформатных датчиков рентгеновского излучения составит порядка 2 млрд долл. Активно развивающиеся крупноформатные печатные матричные фотоприемные устройства достигли уровня предпромышленных прототипов. К настоящему времени сложно прогнозировать, какую часть рынка займут органические фотоприемники, но их конкурентным преимуществом является более низкая, относительно кремния, цена детекторов изображений большой площади. Таким образом, их наибольший рост ожидается в области биометрической аутентификации (сканеры отпечатков пальцев и ладоней), а к концу текущего десятилетия — в рентгеновских сенсорах изображения (рис. 2). На сегодняшний день к ведущим компаниям, занимающимся разработкой органических приемников и их продвижением на рынке, относятся Siemens, Cambridge Display Technology, IMEC, IZORG, Fujifilm, Panasonic.

В этой статье представлены результаты полностью отечественной разработки прототипа матричного фотосенсора на основе оптоэлектронной интегральной микросхемы с высокой степенью интеграции управляющих устройств для светочувствительной матрицы разрешением 400×400 пикселей и плотностью 500 ppi с использованием 5-мкм технологического процесса, обеспечивающего низкие производственные затраты.

Микросхема фотосенсора состоит из трех основных блоков (рис. 3):
1) матрица светочувствительных пикселей размерностью 400×400;
2) интегрированный драйвер строк (левый и правый);
3) интегрированный мультиплексор столбцов

Матрица пикселей построена на основе органических фотодиодов и коммутирующих полевых транзисторов. Матрица преобразует световой сигнал в электрический путем последовательного сканирования строк. Для этого все затворы тонкопленочных полевых транзисторов строки соединены между собой. Драйвер строк представляет собой сдвиговый регистр для организации сканирования матрицы сверху вниз.

Мультиплексор используется для организации конвейера данных и уменьшения внешних соединений. Такая архитектура позволяет минимизировать число внешних микросхем необходимых для управления матрицей пикселей. Все блоки являются частью монолитной интеграционной схемы (ИС), выполненной по технологии металлооксидных полупроводниковых материалов IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide). Индий-галлиево-цинковый оксид используется впроизводстве тонкопленочных транзисторов TFT (Thin Film Transistor) как альтернативный материал кремниевой электроники [1]. ИС на базе технологии IGZO обладают высокой скоростью работы транзисторов, низким энергопотреблением, возможностью к созданию более плотных и эффективных схем благодаря малым размерам транзисторов, а также высокой прозрачностью, что сделало эту технологию востребованной в производстве OLED-дисплеев и других устройств. Ожидается, что в ближайшие 3−5 лет спрос на подложки IGZO TFT достигнет 40 млн м2 В год иони станут стратегической альтернативой технологии LTPS (Low Temperature Polycrystalline Silicon) [2].

Технология тонкопленочных IGZO-транзисторов (SOI, n-типа MOSFET с изолированным затвором, проектная норма 5 мкм) была успешно поставлена и отработана на технологической линии поколения Gen 2.5 в Российском центре гибкой электроники. В ходе проекта по разработке МФП был оптимизирован технологический процесс на основе результатов лабораторных испытаний опытных образцов транзисторных матриц TFT, что привело к улучшению стабильности транзисторов. На основе этой технологии было проведено топологическое проектирование разработанного схемотехнического решения оптоэлектронной интегральной микросхемы для управления МФП, а также выполнен ее опытный образец.

Основными составляющими компонентами стека, из которого сформирован цифровой фотоприемник, являются:
1) подложка (стекло);
2) тонкопленочная транзисторная матрица (TFT);
3) стек фотодетектора (рис. 4a).
Сенсор состоит из двумерной пиксельной структуры с архитектурой 1T-1C [3, 4], — в которой используется один транзистор для коммутации фотодиода к цепи считывания накопленного заряда и один конденсатор заряда. Конденсатор заряда представляет собой емкость обратно смещенного фотодиода (Vсмещения = 1−5 В). Фотодиод преобразует падающие фотоны в электрические заряды, величина которых пропорциональна интенсивности падающего света. Эти заряды накапливаются и считываются с конденсатора пикселя

Послойное топологическое представление поперечного сечения разработанного пикселя МФП представлено на рис. 4б. На нем в пределах пунктирных линий можно четко определить стек TFT-подложки (задняя панель) и стек органического фотодиода OPD (передняя панель). Все паттерны слоев в пределах красной пунктирной линии, включая процесс изготовления задней панели TFT, выполняются методом фотолитографии. Часть передней OPD-панели (до нанесения фотоактивного полимерного слоя ФАС) выполняется внутри техпроцесса TFT. Слой ФАС и последующие слои не требуют паттернирования и наносятся равномерно по всей панели. Все процессы изготовлен плоских дисплеев.

Далее мы подробнее опишем отдельные слои МФП. Материалы слоев при формировании стека сенсора наносятся соответствующими методами и в последовательности, указанной на рис. 4б.

1. Подложка для фотонной микросхемы представляет собой известковое натриевое стекло толщиной 1,1 мм, устойчивое к химическим веществам и высоким температурам; оно выполняет функцию основы для формирования стека транзисторов.
2. Слой барьерного диэлектрика SiхNy наносится методом плазмохимического осаждения из паровой фазы (PECVD) на подложку (1), формируя нижний барьер инкапсуляции.
3. Буферный диэлектрик Si хOy, изолирующий канал транзистора от легирования примесями из барьерного диэлектрика (2), наносится поверх барьерного диэлектрика (2) методом PECVD.
4. Полупроводник оксид индия-галлия-цинка (IGZO). Формирование канала тонкопленочного транзистора происходит путем магнетронного напыления (PVD DC) полупроводникового материала IGZO в равном соотношении металлов (In: Ga: Zn = 1:1:1) и дальнейшего паттернирования методом жидкостного травления.
5. Подзатворный диэлектрик Si Oх y тонкопленочного транзистора формируется методом плазмохимическое осаждения.
6. Электрод затвора для подачи управляющего напряжения напыляется магнетронным способом из сплавов металлов. Подзатворный диэлектрик (5) и электрод затвора (6) затем паттернируется жидкостным травлением с последующим сухим травлением соответственно.
7. Интерметаллический диэлектрик-1. Слой SiхNy для изоляции проводящих треков металла затвора и металла стока-истока наносится поверх затвора (6) тонкопленочного транзистора плазмохимическим осаждением. Затем сухим травлением в интерметаллическом диэлектрике (7) создаются сквозные отверстия для контакта с IGZO и металлом затвора.
8. Сток-исток транзистора для введения и снятия заряда с полупроводника формируется из сплавов металлов магнетронным напылением PVD DC и паттернируется жидкостным травлением.
9. Интерметаллический диэлектрик-2. После формирования транзистора для последующего образования пикселя фотодетектора и планаризации поверхности перед нанесением анода фотоприемника (а также изоляции проводящих областей стока-истока и анода) методом щелевой экструзии наносится слой негативного фоторезиста, выступающего в качестве органического диэлектрика. Межсоединения связывают сток-исток с металлом анода.
10. Пиксельный электрод. Металлический анод — проводящая площадка пикселя, соединенная с контактом транзистора для передачи заряда.
11. Электронный транспортный слой (ETL). ETL обеспечивает улучшенную экстракцию заряда электронов из фотоактивного слоя фотоприемника (13). Пиксельный электрод (10) и электронный транспортный слой (11) (представленный IGZO) наносится методом магнетронного напыления и паттернируется жидкостным травлением.
12. Пиксельный диэлектрик. Слой органического диэлектрика (негативного фоторезиста) обеспечивает функцию разграничения пикселей и наносится перед нанесением фотоактивного слоя методом щелевой экструзии, затем фотолитографически структурируется (экспонирование и проявка), чтобы открыть окна к электроду пикселя.
13. Фотоактивный слой (ФАС). Слой ФАС состоит из смеси двух материалов: донорного и акцепторного в так называемой конфигурации объемного гетероперехода (BHJ) для эффективной генерации заряда. В качестве донорного материала используется полимер p-типа PCDTBT; в качестве акцепторного — фуллерен n-типа PCBM60 в соотношении 1:3,5. Смесь можно наносить из жидкой фазы методами центрифугирования, щелевой экструзии или лезвийным методом (примененном в исходном опытном образце). В создаваемом опытном образце толщина пленки оптимизировалась в диапазоне 150−700 нм.
14. Дырочный транспортный слой (HTL). Дырочно-транспортный слой MoOx обеспечивает лучшую транспортировку положительного заряда (дырок) из ФАС-слоя (13) к катоду фотоприемника (15).
15. Верхний электрод. Верхний электрод осаждается напылением через теневую маску. Слой металлического катода Ag делается довольно тонким (<10 нм), чтобы сохранить прозрачность электрода. Поскольку магнетронное напыление поверх органического слоя приводит к повреждению устройства за счет высокой энергичности процесса, нанесение слоев HTL (14) иверхнего электрода (15) поверх слоя ФАС (13) проводится вакуумным термическим напылением.
16. Инкапсуляция. Прозрачный слой верхней инкапсуляции AlхOy наносится электронно-лучевым напылением для защиты от воздействия внешней окружающей среды, приводящей к деградации материалов ФАС [5].

Оптико-электрические характеристики передней панели были выполнены путем исследования тестовых дискретных устройств OPD с активной площадью 0,2 см². Для измерения характеристик OPD были изготовлены тестовые устройства, имеющие ту же структуру слоев и те же условия обработки, что и фронтальная пластина OPD. Типичная характеристика J-V (-3…1 В) одного из дискретных устройств OPD представлена на рис. 6 при измерении в темноте (черная линия с кружками) и при освещении солнечным симулятором в одно Солнце (1 Sun), что составляет порядка 100 мВт/см2 в спектральном соответствии AM1.5G (красная линия).

Кривые J-V не имеют гистерезиса и ведут себя как характеристики хороших диодов в диапазоне напряжения смещения −3…−1 В. Плотность тока при освещении OPD увеличивается более чем на пять порядков и незначительно зависит от напряжения, что свидетельствует о хорошей способности этих приборов к извлечению заряда. Для извлечения установившегося темнового тока измерения выполнялись в темноте при выдержке 10 мин и разном напряжении смещения. Стабильность темнового тока оказалась высокой и не превысила 50 нА/см2 при смещении -1 В. Низкий темновой ток указывает на то, что ОФП может работать даже при малом уровне освещенности. Эти значения сопоставимы с фотодиодами на основе a-Si [7] и находятся среди минимальных показателей ОФП, указанных в [8]. Фактором снижения темнового тока являются блокирующие слои, которые эффективно ограничивают инжекцию носителей заряда через электроды, в данном случае MoOx (HTL) и a-IGZO (ETL) [9].

Была измерена внешняя квантовая эффективность (EQE) органических фотодиодов и спектральная чувствительность (SR) в зависимости от длины волны (рис. 7). Квантовый выход EQE смеси ФАС максимален и составляет около 60% в диапазоне 510−620 нм, а в видимом диапазоне 420−630 нм этот показатель превышает 55%. Спектральная чувствительность ФАС составляет 0,31 А/Вт при 620 нм. В целом, стек ОФП имеет высокие показатели по охарактеризованным параметрам.

Полные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики прототипа органического матричного ФПДТ приведены в табл.

Фотография конечного устройства представлена на рис. 8. К сенсорной платформе присоединяется шлейф для подключения к микросхеме считывания.

На основе разработанных компонентных составов тонкопленочных покрытий и перспективной технологии металлооксидных полупроводников был успешно создан прототип органического матричного фотоприемника диодного типа с интегрированной управляющей микросхемой активной матрицы тонкопленочных IGZO-транзисторов. Была показана принципиальная технологическая возможность применения техпроцессов гибкой электроники и реализации детектора на основе некремниевых материалов. Полученный опытный образец матричного фотодетектора имеет чувствительность в широком спектральном диапазоне и обладает полной функциональностью для детектирования изображений в области биометрии и персональной идентификации. Следующим этапом проекта станет масштабирование полученной технологии и создание более сложных сенсорных устройств с повышенной размерностью, а также увеличение частоты кадровой развертки матричного фотоприемника и переход к динамическому режиму регистрации изображений.

Подводя итог, можно сказать, что ОФП имеют значительные преимущества перед традиционными неорганическими фотоприемниками. Органические полупроводниковые материалы открывают широкий ряд возможностей для применения в фотоприемных устройствах (включая использование в биометрии, медицинских датчиках для мониторинга здоровья, тонкопленочных датчиках рентгеновского излучения нового поколения). Их очевидным преимуществом являются растворные низкотемпературные методы нанесения тонких фотоактивных слоев, которые обеспечивают высокий показатель производительности и позволяют значительно снизить стоимость производства.

Таким образом, устройства на их основе (например, сканер изображения) можно экономично масштабировать до очень больших размеров. Тонкий форм-фактор сканера изображения обеспечивает его плавную интеграцию в другие электронные устройства, к которым относятся дисплеи, автономные биометрические приложения для мобильных телефонов (обеспечивающие безопасный доступ) или медицинские датчики.

1. K. Nomura, H. Ohta, A. Takagi, T. Kamiya, M. Hirano, H. Hosono (2004). Room-temperature Fabrication of Transparent Thin-Film Transistors Using Amorphous Oxide Semiconductors. Nature. 432. 488–492.
2. I. Hendy, J. Brewer, S. Muir. Development of High-Performance IGZO Backplanes for Displays. Information Display // https://doi.org/10.1002/ msid.1342.
3. K. S. Karim, S. Yin, A. Nathan, J.A. Rowlands. High Dynamic Range Pixel Architectures for Diagnostic Medical Imaging. In Medical Imaging 2004: Physics of Medical Imaging. M. Yaffe, M.J. Flynn. Editors. 2004. C. 1–4.
4. S.O. Kasap, J.A. Rowlands. Direct Conversion Flat Panel X-Ray Image Sensors for Digital Radiography. 2002. C. 2–3.
5. P. van de Weijer, H.B. Akkerman. Org. Electron. 2019. 66. 43.
6. Peng Hu, Xuexia He, Hui Jiang, InfoMat. 2021. 3 (6).
7. T.N. Ng, R.A. Lujan, S. Sambandan, R.A. Street, S. Limb, W. S. Wong. Appl. Phys. Lett. 2007. 91. 063505.
8. R.D. Jansen-van Vuuren, A. Armin, A.K. Pandey, P.L. Burn, P. Meredith, Adv. Mater. 2016. 28. 4766.
9. H. Arora, P.E. Malinowski, A. Chasin, D. Cheyns, S. Steudel, S. Schols, P. Heremans. Appl. Phys. Lett. 2015. 106. 143301.