专利名称：有机光耦器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光耦器件，特别是一种新型的有机光耦器件，属光电子领域。
背景技术：
光耦是一种通常用于电隔离时能传输信号的光电子器件。它可以把一种信号 转化为光信号，再把光信号转化为一种可以探索的信号， 一般它至少包含两个功 能部件，即能输出光的功能部件(输入端功能部件)和以光信号为输入而输出为 可探测信号的功能部件(输出端功能部件)。最常用的光耦是利用一个电致发光 器件把一个电信号转化为光信号，再利用一个光敏器件，比如光敏电阻、光敏电 容、光敏二极管或者光敏三极管等把光信号转化为电信号。光耦器件可以应用到 高压电隔离控制中，比如，可以在低压端把控制电信号加载到发光二极管上，得 到反映电信号的光信号，然后光照射到处于高电压的光敏器件上得到加载于高压 上的电信号，该电信号就可以用来控制高压端的电路、设备等；光耦器件还可以 用到光计算机上，作为输入和输出器件。
目前光耦多数是由无机发光器件和无机光敏器件组成，是建立在无机单晶半 导体技术上的器件，不但成本比较高，而且很难集成到柔性基底上。
随着有机半导体材料的迅速发展，有机半导体器件的性能得到了大幅度的提 高，在一定范围可以与无机半导体器件相媲美，相关的有机半导体器件有很多已 经大批量商品化，比如利用有机光导材料的复印机上光导鼓、有机发光二极管阵 列显示器件和有机薄膜晶体管以及有机太阳能电池。
有机电致发光显示器件和有机晶体管器件的发展使得有机光耦的实现成为 可能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种采用新型结构的有机光敏二极管的高性能的有机光耦器件。
本发明的有机光耦器件，其组成部分包括接收已知电信号并将其转换成光 信号的有机电致发光器件部分，还包括接收有机电致发光器件发出的光信号并将 其转换成可检测电信号的有机光敏二极管部分，有机光敏二极管器件结构中包括 缓冲层。
有机光敏二极管中的缓冲层位于有机半导体材料和电极之间。
机光敏二极管中的缓冲层材料选自碱金属的氮化物、碱金属的氟化物或碱金 属的盐。优选的材料为氟化锂、氮化锂、碳酸铯、钴酸锂。
有机光敏二极管中的缓冲层的厚度为0.8 nm至20 nm。
有机光敏二极管为异质结构。其中N型半导体材料选自Qo、八羟基奎林铝^ 全氟酮酞菁、全氟并五苯，2，3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌、4， 7-二苯基 -1，10-邻菲咯啉或1，3,5-三(苯基-2-苯并咪唑基)苯(TPBI)、顺式-二硫腈基-二 (4,4，-二羧基-2,2，-联吡啶)钌染料，P型半导体材料选自N,N，-二- (l-萘基) -N,N'-二苯基-U-联苯基-4,4-二胺、芳酸类染料、并五苯。
本方面的光耦器件中，有机电致发光器件和有机光敏二极管器件共同使用一 个基底，有机电致发光器件和有机光敏二极管分别位于基底的两个面并且两个器 件面正对，该基底同时作为连接上述两个器件的电绝缘部件。
或者有机电致发光器件和有机光敏二极管器件共同使用两个基底，有机电致 发光器件和有机光敏二极管分别位于一个基底上，两个基底上没有功能元件的面 直接接触。
或者有机电致发光器件和有机光敏二极管器件共同使用两个基底，有机电致 发光器件和有机光敏二极管分别位于一个基底上，两个基底上没有功能元件的面 通过一个支撑部件相连。
本发明的光耦器件中，两个基底通过支撑部件相连后，有机电致发光器件面 积和光敏器件面积正对，两个基片正对的中间部分为真空或气体，或者是对发光 二极管所发出的光为透明的绝缘介质。本发明的光耦器件中，有机电致发光器件和光敏二极管器件可以均为柔性器 件，当两器件之间有电绝缘层时，该电绝缘层也为柔性材料。
本发明的有机光耦器件，可以应用在生物仿真领域、医疗机械领域、纤维智 能领域、智能军装和武器领域。
本发明涉及的有机光耦是一种利用全有机半导体的器件，制备工艺简单，可 大面积制备，因此会极大地降低成本，另外还可以集成在柔性基底上，本发明开 拓了光耦在生物仿真、医疗机械方面的应用，特别是在柔性和纤维智能领域有广 阔应用前景，还可以应用于智能军装、武器等方面，更具有特殊的意义。
图1为有机光耦器件的信号传输流程图； 图2为有机电致发光器件结构图3中(a)、 (b)、 (c)是三种有机光敏二极管结构；
图4中(a)为OLED的电流电压亮度曲线、发光波长分布和器件中使用的三种材 料的分子结构；(b)为封装的OLED结构示意图5中(a)为pn结型光敏二极管的结构示意图和有无光照情况下的电流电压特性; (b)为封装好的光敏二极管结构示意图6为固定连接后的有机光耦结构示意图。
具体实施例方式
本发明的有机光耦器件的信号传输流程图如附图1所示，其的制备方法如
下
接收已知电信号并将其转换成光信号的是一种有机电致发光器件，可以是一 种有机小分子电致发光器件，也可以是一种有机聚合物电致发光器件，器件结构 如附图2所示
其中21基底，通常的基底为透明基片，可以是玻璃或是柔性基片，柔性基
片采用聚酯类、聚酰亚胺类化合物中的一种材料，可以包括聚碳酸脂(PC)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等；如果制备使用从阴极发光的OLED器件，
其基底可为不透明的基片，如金属、陶瓷、半导体基片等。
22为基底上的阳极层，可以采用无机材料或有机导电聚合物，无机材料一 般为氧化铟锡(以下简称ITO)、氧化锌、氧化锡锌等金属氧化物或金、铜、银 等功函数较高的金属，最优化的选择为ITO，有机导电聚合物优选为聚噻吩/聚 乙烯基苯磺酸钠(以下简称PEDOT:PSS)、聚苯胺(以下简称PANI)中的一种 材料；如果想制备从阴极发光的OLED器件，也可使用金属薄膜作为阳极材料；
23是空穴注入层，其材料可以采用铜酞菁(CuPc);
24是空穴传输层，可以采用芳胺类和枝聚物族类低分子材料，优选为N，N'-二- (l-萘基)->^^，-二苯基-1,1-联苯基-4,4-二胺(NPB);
25是发光层， 一般采用小分子材料，可以为荧光材料，如金属有机配合物， 可选自三(8-羟基喹啉)铝(Alq3)、(水杨醛縮邻胺苯酚)一 (8 —羟基喹啉) 合铝(III) (Al (Saph-q))类化合物，该小分子材料中可掺杂有染料,掺杂浓度为 小分子材料的0.01wt% 20wt%，染料一般为芳香稠环类材料，如5， 6， 11， 12 —四苯基并四苯(简称rubrene)，香豆素类材料，如N,N，-二甲基喹吖啶酮(简 称DMQA)、 10-(2-苯并噻唑)-1,1,7，7,-四甲基-2，3,6,7-四氢-lH,5H,llH-苯并[l]吡 喃[6,7,8-ij]喹啉嗪(简称C545T)，或为双吡喃类材料，如4-4-二氰基亚甲基-2-叔丁基-6-(l,l,7,7-四甲基-久洛尼定-9-乙烯基)-4H-吡喃(简称DCJTB);发光层 材料也可采用咔唑衍生物如4,4，一N,N，-二咔唑一联苯(简称CBP)、聚乙烯咔唑 (PVK)，该材料中可掺杂磷光染料，如三(2 —苯基吡啶)铱(Ir(ppy)3)， 二(2 — 苯基吡啶)(乙酰丙酮)铱(Ir(ppy)2(acac))，八乙基卟啉铂(PtOEP)等；
26是阴极金属层，其材料一般釆用锂、镁、钙、锶、铝、铟等功函数较低 的金属或它们与铜、金、银的合金，或金属与金属氟化物交替形成的电极层，如 果将该阴极金属层制备得足够薄，或者也使用ITO作为阴极，有机电致发光器 件所发出的光就可以透过该层射出。
接收有机电致发光器件发出的光信号并将其转换成可检测电信号的是有机 光敏二极管。
有机光敏二极管的结构中有多种，其中可以包括p-n结型光敏二极管、金属 —有机半导体型光敏二极管和p-i-n型有机光敏二极管等。本发明中光敏二极管
7的特点是至少有一层有机半导体，在其与相连的电极间有一次缓冲层。附图3 中(a)、 (b)、 (c)是三种有机光敏二极管结构图。
其中(a)是p-n结型光敏二极管结构原理图，图中l和2分别表示p型和n 型有机半导体，比如p型半导体可用CuPc， n型半导体可用Alq。由于p型半导 体和n型半导体接触后p型半导体中的多子空穴向n型半导体中扩散，n型半导 体中的多子电子向p型半导体扩散，从而形成一个内建电场区，如图中3所示区 域。当光照射在有机半导体上时，就产生光生载流子，光生空穴和电子载流子在 内建场的作用下发生分离，分别漂移到p型半导体和n型半导体端，形成光电流。 如果在p-n结的两端加上和内建场一致的电压，如图中3a4所示，光生载流子就 会向二极管的引出电极方向(图中的5和6)移动。在n型半导体(图中2)和电 极6间有一层缓冲层7，该层的主要目的是降低n型半导体与电极间的势垒，使 得有机半导体和金属的接触趋于欧姆接触，并使得接触电阻尽可能小。在p型半 导体(图中的l)和电极5间有一层缓冲层8,该层的主要目的是降低p型半导体与 电极间的势垒，使得有机半导体和金属的接触趋于欧姆接触，并使得接触电阻尽 可能小。
图3 (b)是金属一有机半导体型光敏二极管结构图，3bl表示有机光敏半导 体，比如并五苯、红荧烯、偶氮苯类有机光电材料等，厚度在5 — 100nm之间。 3b2表示金属电极，材料可用Ca:Ag或Mg:Ag合金，其厚度在20—300nm之间。 由于金属的功函数和有机半导体的功函数有差异，在金属一有机半导体界面上产 生了肖特基势垒，当光照有机半导体时，产生的光生载流子在势垒的作用下分离 产生界面电势或形成光电流。3b3表示引出电极，材料可为透明的ITO电极或者 金电极，其厚度在2 — 10nm之间。在有机半导体3bl和引出电极3b3之间有一 层3b4，该层为缓冲层，主要目的是降低半导体与引出电极间的势垒，使得有机 半导体和金属的接触趋于欧姆接触，并使得接触电阻尽可能小。
图3 (c)是p-i-n型有机光敏二极管结构示意，其中3cl表示传输空穴的p 型半导体层，材料可用CuPc，厚度可在5 — 100nm之间；3c2表示可以传输电子 的n型半导体，材料可用4,7-二苯基-1,10-邻菲咯啉(简称Bphen)，其厚度在5 一100nm间；3c3是一种本征光敏材料，可为有机钌金属(简称N3)、酞菁氧钛等，厚度在10 — 200nm间；3cl、 3c2、 3c3材料的能级要匹配，使得光生空穴载 流子能够自动通过本征光敏层传递到p型半导体材料再传到阳极，同时使得光生 电子能够自动通过本征光敏层传递到n型半导体材料再传到阴极。其中3c4是透 明或半透明电极可为ITO或Mg: Ag合金电极，厚度在2—10nm之间；3c5是 表示二极管的电极，材料可用Ag或Au等，厚度为20—300nm之间。在有机半 导体3c3和引出电极3c5之间有一层3c6，该层为缓冲层，主要目的是降低半导 体与引出电极间的势垒，使得有机半导体和金属的接触趋于欧姆接触，并使得接 触电阻尽可能小。
本发明的有机光耦中，有机电致发光器件和有机光敏二极管的连接方式有三 种， 一种是两个器件共用同一个基底，两个器件分别位于基底的两个面，该基底 即同时作为连接两个器件的电绝缘部件；另一种是有机电致发光器件位于有机光 敏二极管的顶部，在两个器件之间有一层由透光绝缘材料形成的电隔离部件，当 然，有机电致发光器件的基底也可以同时作为此电隔离部件；还有一种，是有机 光敏二极管位于有机电致发光器件的顶部，在两器件之间有一层由透光绝缘材料
形成的电隔离部件，当然有机光敏二极管的基底也可以同时作为此电隔离部件。 当有机电致发光器件和有机光敏二极管均制备成柔性器件时，可以也把两器件之 间的电绝缘部件制备成柔性器件，从而保证整个电耦为柔性的。
实施例1:
制备一种由有机电致发光显示器(OLED)和有机光敏二极管结合在一起的 有机光耦器件。该有机光耦器件的制备工艺步骤如下首先在玻璃基底上制备 OLED器件，然后在另一基底上制备有机光敏二极管。
OLED器件的结构为ITO/NPB (40腦)/ADN: 7% DPAVBi (30 nm)/BPhen (40 nm)/Mg: Ag(lO:l, 150 nm)/Ag (50 nm)， ADN为9,10-二 (2-萘基)蒽(9,10-bis(2' -naphthyl) anthracene) ， DPAVBi是4,4， -二[ 2-(4-(N, N， -二对甲苯基)胺基苯 基)乙烯基]联苯(4,4， -bis[ 2- (4- (iV, iV'國dimethylphenylamino) phenyl) vinyl] biphenyl)，它们的分子结构和OLED图的电流一电压一亮度曲线和发光光谱示 于图4a中。
9其制备过程为，在玻璃基底上制备一层透明的氧化铟锡(ITO)导电薄膜， 利用光刻的方法把ITO制备成需要的图形作为OLED的阳极；经过清洗后，利 用真空蒸镀的方法，在ITO电极上沉积40 nm的NPB作为空穴载流子的注入缓 冲/g.;然后利用真空蒸镀的方法，在NPB上用真空中二源共蒸的方法，形成掺 杂AND浓度为7%的DPAVBi 30 nm，再真空蒸镀的方法蒸镀BPhen 40 nm， 然后以10: l的比例共蒸Mg: Agl50nm， 最后是50 nm的Al电极。我们可 以把制备好的、有功能层的一面进行封装，如图4b所示，其中11为有机电致发 光器件的功能层、10为基底、12为封装盖，这样整个OLED器件制备完成。
有机光敏二极管可以有三种结构选择，其制备方法分别如下所述-
(a) : p-n结型光敏二极管的一种制备方法如下在玻璃基底上制备一层透明 的氧化铟锡(ITO)导电薄膜，利用光刻的方法把ITO制备成需要的图形作为光 敏二极管的阴极；经过清洗后，利用真空蒸镀的方法，在ITO电极上沉积40nm 的Q。作为n型半导体层，再在该薄膜上蒸镀沉积p型半导体材料 N，N'-diphenyl-N,N'-bis(l-naphthyl)(U'-biphenyl)-4，4'-diamine (NPB)，厚度为80 nm， 然后在该薄膜上再沉积缓冲层LiF，厚度为1 nm，然后沉积Al薄膜150 nm作为 光敏二极管的阳极。图5a所示是该光敏二极管的结构示意图和有光与无光照情 况下晶体管的电流电压曲线。
(b) :金属一有机半导体型光敏二极管的一种制备方法是，在玻璃基底上面 蒸镀形成一薄层透明的ITO电极，作为光敏二极管的一个引线电极，再在该电 极上蒸镀沉积作为缓冲层的LiF， 8nm,之后，沉积有机光敏半导体材料红荧烯 薄膜，厚度为50nm，然后再在其上蒸镀沉积构成肖特基势垒的金属Ca:Ag电极， 厚度为200nm。
(c): p-i-n型有机光敏二极管结构的一种制备方法是，在作为共用基底的聚 酰亚胺的另一面上蒸镀形成一层Mg: Ag电极，厚度为2nm，作为光敏二极管 的一个引线电极，再在该电极上沉积n型有机半导体C60,厚度为40nm，再沉积 有机光敏材料N3，厚度为lOOnm,再沉积有机p型半导体CuPc，厚度为50nm， 再缓冲层LiF 1 nm，然后沉积金属Ag或Au电极，厚度为100nm。
有机光敏二极管制备完成后，我们可以把有功能层的一面进行封装，如图5b所示，其中21为光敏二极管功能层、20为基底、22为封装盖，我们把其没 有功能层的基底面上涂加一圈固定胶，然后将OLED基底上没有功能层的面与 之合并，如图6所示，其中31为固定胶层、32为透明、绝缘的空气介质两个基 底可以紧连在一起，也可以相距一定的距离，比如lmm。
本实施例中，作为光耦部件A的OLED器件接收了已知的电信号后，向其基 底面发出了光，此光信号被作为光耦部件B的有机光敏二极管接收，然后将其 转换成了可检测的电信号再发出。因为此有机光耦的基底使用了有机聚合物柔性 材料，所以整个光耦都是柔性可弯曲的，大大拓展了光耦的广阔领域。
尽管结合优选实施例对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上述实施 例，应当理解，所附权利要求概括了本发明的范围,在本发明构思的引导下，本 领域的技术人员应意识到，对本发明的各实施例方案所进行的一定的改变,都将被 本发明的权利要求书的精神和范围所覆盖。
权利要求
1. 一种光耦器件，包括接收已知电信号并将其转换成光信号的有机电致发光器件部分，还包括接收有机电致发光器件发出的光信号并将其转换成可检测电信号的有机光敏二极管部分，其特征在于，所述有机光敏二极管器件结构中包括缓冲层。
2. 根据权利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述有机光敏二极管中的缓冲 层位于有机半导体材料和电极之间。
3. 根据权利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述有机光敏二极管中的缓冲 层材料选自碱金属的氮化物、碱金属的氟化物或碱金属的盐。
4. 根据权利要求3所述的光耦器件，其特征在于所述缓冲层材料选自氟化锂、 氮化锂、碳酸铯、钴酸锂。
5. 根据权利要求1或2所述的光耦器件，其特征在于所述有机光敏二极管中的 缓冲层的厚度为0.8 nm至20 nm。
6. 根据权利要求1或2所述的光耦器件，其特征在于所述有机光敏二极管为异 质结构。
7. 根据权利要求6所述的光耦器件，其特征在于所述有机光敏二极管中N型半 导体材料选自C6Q、八羟基奎林铝、全氟酮酞菁、全氟并五苯，2,3,5,6-四氟 -7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌、4,7-二苯基-1， 10-邻菲咯啉或1,3,5-三(苯基 -2-苯并咪唑基)苯、顺式-二硫腈基-二 (4,4'-二羧基-2,2'-联吡啶)钌染料， P型半导体材料选自N,N'-二- (l-萘基)-凡1^，-二苯基-1，1-联苯基-4,4-二胺、 芳酸类染料、并五苯。
8. 根据权利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述有机电致发光器件和有机 光敏二极管器件共同使用一个基底，有机电致发光器件和有机光敏二极管分 别位于基底的两个面并且两个器件面正对，该基底同时作为连接上述两个器 件的电绝缘部件。
9. 根据权利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述有机电致发光器件和有机 光敏二极管器件共同使用两个基底，有机电致发光器件和有机光敏二极管分 别位于一个基底上，两个基底上没有功能元件的面直接接触。
10. 根据权利要求1所述的光耦器件，其特征在于所述有机电致发光器件和有机 光敏二极管器件共同使用两个基底，有机电致发光器件和有机光敏二极管分 别位于一个基底上，两个基底上没有功能元件的面通过一个支撑部件相连。
11. 根据权利要求10所述的光耦器件，其特征在于两个基底通过支撑部件相连 .后，有机电致发光器件面积和光敏器件面积正对，两个基片正对的中间部分为真空或气体，或者是对发光二极管所发出的光为透明的绝缘介质。
12. 根据权利要求8-11中之一所述的光耦器件，其特征在于所述有机电致发光器 件和光敏二极管器件均为柔性器件，当两器件之间有电绝缘层时，该电绝缘 层也为柔性材料。
13. 根据权利要求1所述的光耦器件，在生物仿真领域、医疗机械领域、纤维智 能领域、智能军装或武器领域的应用。
全文摘要
本发明涉及一种新型光耦器件，包括接收已知电信号并将其转换成光信号的有机电致发光器件部分，还包括接收有机电致发光器件发出的光信号并将其转换成可检测电信号的有机光敏二极管部分，其特征在于，所述有机光敏二极管器件结构中包括缓冲层。本发明克服了现有光耦器件由于使用的材料及其结构上存在的缺陷和不足，提出利用全有机半导体器件组成的光耦，其制备工艺简单，可大面积制备而降低成本，还可制备全柔性光耦。本发明开拓了光耦在生物仿真、医疗机械方面的应用，特别是在柔性和纤维智能领域有广阔应用前景，还可以应用于智能军装、武器等方面，更具有特殊的意义。
文档编号H01L25/18GK101442043SQ20081024683
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者炼 段, 董桂芳, 勇 邱, 郑海洋 申请人:清华大学