窄带隙有机半导体材料及其制备的短波红外光电探测器
所属单位:中国科学院大学
所 在 地：北京
技术领域:新材料
技术成熟度：研发阶段
项目简介
有机光电探测器是使用有机半导体材料作为光响应层的器件。目前，对于有机光电探测器的研究集中在实现高性能的红外区响应的材料与器件。然而，在短波红外区（Short-wavelength infrared，SWIR：1-3μm）具有优异光响应性能的材料还很少。当前商用的短波红外光电探测器都是基于无机半导体材料，如Ge，InGaAs，PbS，和HgCdTe等，这些无机材料含有有毒的重金属元素和较高的加工成本。此外，探测器阵列的有效区域需要与外接读取电路精准对齐，这限制了像素单元尺寸的缩小。若将光响应材料直接加工在读取电路上，器件在工作时由于各层材料的热膨胀系数不同而导致器件损坏失效。与无机半导体材料相比，有机半导体材料具有强的吸光能力，纳米级别厚度的薄膜就可以实现良好的光吸收作用。此外，有机半导体材料具有本征柔性和可溶液大面积加工的特点。将其制备在读取电路上时，内应力导致器件失效的问题可以有效的避免。
有机短波红外光电探测器具有可溶液大面积加工、优异的光响应性能，在光电成像应用中具有优势。目前的挑战是如何开发光电响应性能优异的有机半导体材料，以保证光电探测器在短波红外区具有优异的光响应度、比探测率和快速的响应速度等，确保器件在成像应用中具有高灵敏度和快的成像速度。
为了克服现有技术的不足之处，本技术提供一种窄带隙小分子材料和一种基于苯并双噻吩二唑的窄带隙共轭聚合物材料，及其制备的短波红外有机光电探测器，能够在短波红外区具有优异的光电响应性能。
基于小分子受体材料的光电探测器采用光电二极管型器件结构，响应度（R）和比探测率（Dsh*），基于分子M1-1/M1-2/M1-3/M1-4加工的短波红外光电探测器在0、-0.1、-1和-2V偏压下的R和Dsh*结果展示在下图展示。首先，在-2 V偏压下，主要的可见光区和部分近红外区范围内，基于PCE10：M1-1的材料体系的响应度在超过940 nm波长后，该体系的响应度迅速下降，与材料的吸收变化一致。在NIR到SWIR区转变的区域，PCE10：M1-3的响应度达到峰值，为0.54 A W-1（990 nm）。进入SWIR区，仍具有较高的响应度，其中在1000 nm时，响应度仍能达到0.53 A W-1。此外，假定器件的散粒噪声对暗电流产生主要的贡献计算器件的Dsh*。对比四种材料体系在0V偏压下的比探测率，从可见光到SWIR区均可以超过1013 Jones，表现出良好的光探测能力。随着外加工作偏压增大，器件的Dsh*逐渐降低，表明探测的限制是暗电流特性，而不是光电流。器件即使在-2V偏压下（对应外加电场为20 kV cm-1），在超过1000 nm波长范围，Dsh*仍然保持在1012 Jones以上，表明器件具有很好的SWIR光响应能力。
此外，基于共轭聚合物材料的器件采用光电导型结构，峰值响应波长为1122 nm，计算得到的响应度为0.96 A W-1。
有机短波红外光电探测器的应用前景广阔，如基于单晶硅的吸收光谱，其在短波红外波段的吸收系数很低，可以使短波红外光穿透硅基底，实现对硅基底上电子元件及布线连接的损伤检测。采用这种检测方式的优势在于一方面可以避免使用辐射性的x射线，另一方面可以避免目前使用光热成像技术导致分辨率较低的问题。实现用于硅基集成电路的无损检测的一种新技术。
