【重點摘要】

1. 硅光電二極管的剛性結構給大面積低成本擴展帶來困難,限制了它在一些新興應用中的使用。

2. 通過詳細的表征方法,揭示了基于聚合物體異質(zhì)結的有機光電二極管中,收集電荷的電極對低頻噪聲的影響。

3. 經(jīng)過優(yōu)化的有機光電二極管在可見光范圍內(nèi)的各項指標(響應時間除外)可媲美低噪聲硅光電二極管。

4. 溶液處理制備的有機光電二極管提供了一些設計機會,例如用于生物識別監(jiān)測的大面積柔性環(huán)形有機光電二極管,其性能可達到硅器件的水平。

【硅光電二極管的局限性】

數(shù)十年來,硅光電二極管一直是光檢測技術的基石,但它們的結構剛性給大面積低成本擴展應用帶來許多局限。這給新興的光電檢測應用帶來挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)更大面積的光電檢測以及柔性基片上低成本光電二極管的制作,我們需要尋找新的材料體系。

【有機光電二極管的低頻噪聲特性】 

有機光電二極管常基于聚合物制成,具有結構靈活性等優(yōu)勢。研究人員通過詳細的表征方法學,考察了這類二極管低頻電子噪聲的來源,發(fā)現(xiàn)負責收集電荷的電極對低頻噪聲有重要影響。這為設計低噪聲的有機光電二極管奠定了基礎。

【有機光電二極管的指標表現(xiàn)】 

經(jīng)過優(yōu)化設計后,有機光電二極管的大多數(shù)指標已可達到商用硅光電二極管的水平,特別是在可見光范圍內(nèi)。例如響應度、靈敏度、線性度、功耗等。它們的響應時間仍比不上硅二極管,但對大多數(shù)視頻速率的應用已經(jīng)足夠。

【應用展望】 

溶解性的有機光電二極管制造過程為它們帶來了許多應用機會。例如,大面積柔性的環(huán)形有機光二極管可用于生物識別監(jiān)測。此類二極管成本低,可在多種非平面基片上制作,性能已達商用硅器件的水平。它們有望在新興的光電子學領域大放異彩。

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(tài)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(tǒng)計框圖(N 代表數(shù)據(jù)點數(shù)量)。Max,最大值;Min,最小值。

圖2 SiPD 和 OPD 中的穩(wěn)態(tài)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(guī)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(tǒng)計框圖。(C) S1133 SiPD 和環(huán)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(qū)動的環(huán)形 Flex-OPD PPG 陣列比較(下)。