有机光电二极管 - 超越硅光电二极管的新星

更新时间:2023-12-14      点击次数:181


【重点摘要】

  1. 硅光电二极管的刚性结构给大面积低成本扩展带来困难,限制了它在一些新兴应用中的使用。

  2. 通过详细的表征方法,揭示了基于聚合物体异质结的有机光电二极管中,收集电荷的电极对低频噪声的影响。

  3. 经过优化的有机光电二极管在可见光范围内的各项指标(响应时间除外)可媲美低噪声硅光电二极管。

  4. 溶液处理制备的有机光电二极管提供了一些设计机会,例如用于生物识别监测的大面积柔性环形有机光电二极管,其性能可达到硅器件的水平。

【硅光电二极管的局限性】

数十年来,硅光电二极管一直是光检测技术的基石,但它们的结构刚性给大面积低成本扩展应用带来许多局限。这给新兴的光电检测应用带来挑战。为实现更大面积的光电检测以及柔性基片上低成本光电二极管的制作,我们需要寻找新的材料体系。

【有机光电二极管的低频噪声特性】 

有机光电二极管常基于聚合物制成,具有结构灵活性等优势。研究人员通过详细的表征方法学,考察了这类二极管低频电子噪声的来源,发现负责收集电荷的电极对低频噪声有重要影响。这为设计低噪声的有机光电二极管奠定了基础。

【有机光电二极管的指标表现】 

经过优化设计后,有机光电二极管的大多数指标已可达到商用硅光电二极管的水平,特别是在可见光范围内。例如响应度、灵敏度、线性度、功耗等。它们的响应时间仍比不上硅二极管,但对大多数视频速率的应用已经足够。

【应用展望】 

溶解性的有机光电二极管制造过程为它们带来了许多应用机会。例如,大面积柔性的环形有机光二极管可用于生物识别监测。此类二极管成本低,可在多种非平面基片上制作,性能已达商用硅器件的水平。它们有望在新兴的光电子学领域大放异彩。

圖1 矽光電二極體(SiPD)與有機光電二極體(OPD)性能比較

(A) OPD 幾何結構。(B) 測量所得光譜響應度。EQE,外量子效率。(C) 測量所得光照度依賴的光電流和響應度。LDR,線性動態範圍。(D) 測量所得均方根噪聲電流、噪聲當量功率(NEP)和特定探測度統計框圖(N 代表數據點數量)。Max,最大值;Min,最小值。

圖2 SiPD 和 OPD 中的穩態暗電流密度和電子噪聲特性

(A) 電壓依賴的暗電流密度。Exp.,實驗值。(B) 反向偏壓下,建模和測量所得均方根噪聲電流比較。

圖3 SiPD 和 OPD 中的時域響應特性

(A) 負載電阻依賴的10-90%上升和下降響應時間。(B) 525 nm 下頻率依賴的規範化響應度。

圖4 彎曲OPD (Flex-OPD) 及其在光電容積圖(PPG)中的應用

(A) Flex-OPD器件幾何結構。PES,聚醚砜。 (B) 小面積、大面積 Flex-OPD 和大面積 OPD 中的均方根噪聲電流、響應度、NEP 和特定探測度統計框圖。(C) S1133 SiPD 和環形 Flex-OPD PPG 陣列原理圖(上);手指反射模式 PPG 信號的 SiPD 和不同功率紅色 LED 驅動的環形 Flex-OPD PPG 陣列比較(下)。


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