Optica |?具有透明有机光电二极管的高检测率 CMOS 图像传感器

论文导读

      大多数有机材料不适合大规模生产，因为它们无法承受高温，在中等温度下长期使用时变得不稳定。为了克服这一挑战，韩国的亚洲大学研究人员专注于修改光电探测器的缓冲层，实现了透明的绿色敏感有机光电探测器（TG-OPD），由于其具有更高的效率和极低的暗电流，从而降低了噪声，该光电探测器可以放置在具有红色和蓝色滤光片的硅光电二极管上，以创建混合图像传感器，该工作“Transparent organic photodiodes for high-detectivity CMOS image sensors”发表在Optica上。该工作的新型OPD表现出与传统硅光电二极管相当的比检测率也表现出良好的色彩表现力。

研究背景

      当今的大多数成像传感器都基于CMOS技术和无机光电探测器，可将光信号转换为电信号。尽管由有机材料制成的光电探测器（OPD）因其有助于提高灵敏度而受到关注，但事实证明，制造高性能（高比探测率、高外量子效应、低暗电流和低噪声谱密度）有机光电探测器非常困难。虽然界面阶梯能级的形成可以最大限度地提高电荷收集效率，最小化电荷重组，但这通常很难达到。此外，缓冲层应具有光滑的形貌和非晶态原子结构，以实现高透明度和防止电流泄漏。因此，为了制造适合实际应用的高性能OPD必须开发具有所需的内部能级分布和理化稳定性的高质量缓冲层。尽管OPD具有明智的潜力应用到CMOS图像传感器中，但应进一步改善其电气特性，以实现生动的图像识别，黑暗中的清晰图像和高帧速率。

技术突破

      本文提出了一种新型的TG-OPD，在BHJ层将PSE-SE-CPND用作电子（P型）材料，富勒烯（C₆₀）以1：1的体积比为电子受体（N型）材料，在ETL层我们通过混合两种材料（BCP：C₆₀）作为单个缓冲层。用作ETL的BCP：C₆₀缓冲层能最小化光损耗，调节能量水平，从而实质上改善了OPD的电特性，并且提供平稳的形态，此外，它对OPD的热和长期操作稳定性产生了积极影响。

      然后使用TG-OPD的垂直堆叠设计硅混合CMOS图像传感器，TG-OPD放置在带有蓝色和红色滤光片的硅PD的顶部。该独特堆叠设计使位于硅 PD顶部的TG-OPD的光敏性提高了一倍，两侧带有蓝色/红色滤光片和完全透明的ITO电极。通过TG-OPD和滤光片传输的光被底部Si PD吸收，以区分蓝色和红色分量。

观点评述

      本工作引入了BPP与C₆₀混合缓冲层作为电子传输层，提出了一种新型的透明绿色敏感有机光电探测器，这些光电探测器具有高灵敏度，与CMOS制造方法兼容。将这些TG-OPD叠加到具有红色和蓝色滤光片的硅光电二极管上，创造了一种混合RGB成像传感器。光电探测器在150°C以上的温度下稳定运行2小时，并在85°C下显示出30天的长期运行稳定性，同时也表现出良好的色彩表现力。这种新设计可以使高性能有机光电二极管成为各种应用中使用的成像模块和光电传感器的主要组件。研究结果促进了透明OPD在可穿戴设备、显示器指纹和接近传感器等各种传感器应用中的产业化。

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