矽光電二極體作為光檢測技術的基石已使用數十年,但它們的結構僵硬,在大面積低成本擴充應用時存在諸多限制。這給新興的光電檢測應用帶來挑戰。為了實現更大面積的光電檢測以及在柔性基板上製作低成本光電二極體,我們需要尋找新的材料體系。
有機光電二極體常基於聚合物製成,具有結構靈活等優勢。研究人員通過詳細的特性描述方法學,考察了這類二極體低頻電子噪聲的來源,發現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體奠定了基礎。
在經過優化設計後,有機光電二極體的大多數指標已可達到商用矽光電二極體的表現水平,尤其是在可見光範圍內。例如響應度、靈敏度、線性度、功耗等。它們的響應時間仍然比不上矽二極體,但對大多數視頻速率的應用而言已經足夠。
解決示性的有機光電二極體製造過程為它們帶來了許多應用機會。例如利用大面積、柔性的環形有機光二極體來實現生物識別監測。這類二極體成本低,可在各種非平面基片上製作,性能已達商用矽器件的水平。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)。
