新研究帮助有机光电探测器有效降噪

图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管，光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。图像传感器分为光导摄像管和固态图像传感器。与光导摄像管相比，固态图像传感器具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功耗低、寿命长、价格低等特点。因此在各个行业得到了广泛应用。

有机光电探测器 (OPD) 是图像传感器的“眼睛”，可应用于下一代先进设备的各种二极管系统。与传统无机光电探测器相比，OPD 的明显优势在于其极高的灵活性和低功耗要求。然而，OPD 中的噪声会影响性能。因此，降噪对于提高 OPD 的性能非常重要。

无论是用于智能手机还是科学相机，当天大多数成像传感器都是基于CMOS技术和无机光电探测器将光信号转换成电信号。尽管由有机材料制成的光电探测器正在吸引人们的注意，因为它们可以帮助提高灵敏度，如到目前为止，事实证明很难制造出高性能的有机光电探测器。

研究人员在《Optica》期刊上描述了新的有机光电探测器。他们还通过将透明的绿色吸收有机光电探测器叠加到带有红色和蓝色过滤器的硅光电二极管上创造了一个混合的RGB成像传感器。

几种机制可能会引起噪声的来源。其中，热电子发射(带电粒子从带电金属表面流动，由于热能克服静电结合力)和直接电子隧穿(一种量子力学过程，即使在粒子的能量低于势垒高度)是低偏压下的可能模型。然而，迄今为止，主要的噪声产生机制仍然未知。

为此，由韩国中央大学综合工程学院的 Dong Hwan Wang 教授和他的博士后研究员 Woongsik Jang 博士领导的一项研究合作，通过与热电子相关的实验建模机制研究了 OPD 中的暗电流发射和隧穿以确定 OPD 中产生的噪声的主要原因。

研究人员在 2022 年 11 月 4 日在线发表于Advanced Functional Materials的一篇最新文章中介绍了他们的发现。

王教授解释说：“尽管为减少 OPD 中的噪音做出了很多努力，但在确定噪音来源的机制方面所做的工作很少。” 该团队通过实验证明，形成“肖特基势垒”的电荷载流子势垒能的形成，即电极-光敏层界面处的金属-半导体结，偏压和热能共同使电荷从一个电极注入到另一个电极。这反过来又变成了暗电流。

研究人员分析了电流和电压之间的相关性，以揭开噪声来源的神秘面纱。他们通过调节势垒能来控制三个不同能级的受体，从而确定了电流和势垒能之间的关系。研究人员发现了反向偏压下暗电流密度的自然对数与肖特基势垒高度的平方根之间的线性关系。这一发现有力地表明直接隧穿是暗电流注入的主要机制。

凭借噪声起源的机制，该团队开发了一种具有高效注入屏障的 OPD，可通过噪声抑制提高检测速度。在这项研究中开发的 OPD 可以扩展以促进弯曲设计，从而允许没有滤色器的微型外形。“由于对 OPD 中产生的噪声的解释，我们可以实现这些令人难以置信的特性。开发的弯曲设计 OPD 能够在不受透镜设计限制的情况下进行 100% 全向传感，并且可以检测奇异波长”，Wang 教授指出。

总而言之，这一发展通过理论计算通过实验证明了 OPD 中噪声的主要主导机制，从而实现快速响应和出色的检测。由于通过引入 OPD 使图像传感器小型化，因此可以实现数亿像素的高集成度。对主要噪声产生机制的进一步研究有助于抑制暗电流，从而提高高级应用中的 OPD 性能。