最新研究表明，OPD已能达到与硅光电二极管相当的高光敏度和低噪声水平。为实现大规模、高分辨率成像，需要在每个像素内采用薄膜晶体管（TFT）作为开关的有源矩阵（AM）寻址方式，以便在每一帧周期内存储光生电荷。因此，开发与显示产线TFT AM背板工艺兼容的OPD技术，对于快速迈向量产至关重要。

OPD最核心的指标是低暗电流和高响应度，以获得高信噪比（SNR）。器件性能同时受活性层和界面层影响。大量研究沿用有机光伏（OPV）中常用的体异质结（BHJ）活性层：虽然BHJ能促进激子分离、提高量子效率，但也会在反向偏压下在活性层与载流子传输层之间引入漏电流通道。平面异质结可消除这些漏电路径，但连续沉积给/受体时容易溶解下层，需借助转印或选择性溶剂清洗等难以放大的工艺。

文中提出“双相异质结（BPHJ）”——在经自组装单分子层（SAM）处理的ITO上依次沉积给体和受体，自发形成“单层给体 + 上层BHJ”结构；利用底层给体/SAM双重阻挡电子并辅助空穴提取，兼顾低暗电流、高探测率、大线性动态范围及快速响应，且工艺兼容显示背板后端制程。

（1）提出的BPHJ结构OPD无需额外空穴传输层（HTL），既简化了制程，又能有效阻挡来自阳极的电子注入并促进光生空穴的提取。

（2）制备出的器件相比传统结构暗电流显著降低，比探测率提升，线性动态范围更大，响应速度更快。该策略对聚合物/小分子及全聚合物等多种给/受体体系均适用，覆盖可见至近红外宽波段。

（3）BPHJ结构与半导体显示产线TFT背板的末端制程完全兼容。基于该结构的主动矩阵光学成像器可在 nW cm⁻² 级超低照度下仍呈现理想图像质量。

研究采用了多种测试表征技术，包括场发射扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、瞬态光电流（TPC）、瞬态上升下降响应时间（TRTF）、SCLC、光电流、暗电流、外量子效率（EQE）、响应度（R）、稳定性、探测率（D*）等。

图1. SAM辅助BPHJ OPD的概念示意图。a) 提出的BPHJ器件结构示意图，以及通过氧化铟锡(ITO)表面自组装单分子层(SAM)处理提高电子注入势垒的效果。b) 通过顺序沉积法形成BPHJ的示意图。SD-x/y表示顺序沉积(SD)处理的薄膜，其中x代表预沉积PM6层的厚度(nm)，y代表总厚度(nm)。c) SD-190/280薄膜在不同减薄厚度下的剩余部分紫外-可见吸收光谱。d) SD-130/230、SD-190/280和SD-320/400样品随薄膜减薄厚度变化的归一化吸收光谱等高图。e) 具有不同活性层结构的OPD器件的暗电流密度(Jd)随电压变化的特性曲线。f) ITO/PM6/Ag和SAM-ITO/PM6/Ag器件在暗态下测量的电流-电压曲线。g) 在ITO和SAM-ITO基底上沉积的10 nm PM6薄膜的表面高度分布直方图。

图2. OPD器件的性能与特性表征。a) 传统含HTL的OPD器件结构与不含HTL的BPHJ OPD器件结构示意图。b) 器件的暗电流密度随电压变化特性曲线。c) 优化器件在-0.5V偏压下的外量子效率(EQE)曲线及d) 比探测率(D*)曲线。e) 奈奎斯特图(插图为等效电路模型)。f) BHJ和BPHJ薄膜的载流子迁移率对比。g) 本工作标准结构器件的暗电流与EQE性能与学术机构已报道研究的对比(工艺分类包含除电极外OPD所有功能层)。h) (i)共混制备的BHJ结构活性层薄膜及(ii)顺序沉积制备的BPHJ结构活性层薄膜的原子力显微镜高度图与相位图。

图3. SAM辅助BPHJ OPD的动态范围与响应速度特性。a) 器件D在660 nm LED不同光强照射下的电流密度-电压特性曲线。b) -0.5 V偏压下计算的线性动态范围，实线代表数据的线性拟合结果。c) 器件D在白光LED照射下的瞬态响应特性。

图4. 采用SAM辅助BPHJ策略的OPD器件存储稳定性及其对不同材料体系器件的普适性研究。a)未封装器件在100 mW cm−2模拟太阳光下、干燥空气条件(相对湿度25%-35%)中存放30天的归一化光电流密度(Jph)变化；b)暗电流密度(Jd)及c)比探测率(D*)随时间的变化曲线。d)采用传统器件结构(ITO/CuSCN/BHJ/PFN-Br/Ag)和SAM辅助BPHJ结构(SAM-ITO/BPHJ/PFN-Br/Ag)制备的不同活性层材料器件(包括PM6:Y6、PTB7-Th:IDFT、P3HT:o-IDTBR和PBDB-T:N2200体系)的测量结果对比：d)光电流密度(Jph)、e)暗电流密度(Jd)和f)比探测率(D*)。

图5. 基于OPD的有源矩阵光学成像系统演示。a) 成像器阵列中像素的截面结构示意图，显示提出的BPHJ OPD位于a-Si:H TFT之上。b) 由单个开关TFT和单个OPD组成像素的有源矩阵阵列示意图。c) 连接读取系统的有源矩阵光学成像器实物照片，该系统通过无线连接智能手机进行图像显示。插图：从'中国光学'图案样本捕获的输出图像。d) 基于标准结构BHJ OPD和SAM-BPHJ OPD的图像传感器中所有像素在660 nm、480 μWcm−2光强下的读取暗电流与光电流对比。e) 在660 nm LED弱光照射(4 nW cm−2)下，分别采用传统结构OPD和SAM-BPHJ OPD的成像器对'SJTU'输入图案的输出图像对比。f) 制备的有机光学成像器最低成像光强度与阵列尺寸同先前工作的对比。g) OPD有源矩阵成像器(左)与智能手机摄像头(右)对亮度为0.04 nit的OLED显示屏上'SJTU'输入图像的捕获效果对比。

图 光探测器综合测量系统FineDet 990

光探测器综合测量系统FineDet 990，是东谱科技开发的光响应器件特性综合测试平台，可根据需求选择、定制功能，针对微纳器件提供显微系统，针对模组/阵列提供显微+自动扫描测试系统等。测试功能模块包括：（1）光谱响应测试：光谱响应度、外量子效率EQE、内量子效率IQE；（2）探测器瞬态测试：上升、下降时间TRTF、3dB截止频率、线性动态范围LDR；（3）探测器噪声测试：噪声频谱密度、噪声等效功率NEP、探测率和比探测率D*；（4）伏安特性测试：IV单点测试、IV分段扫描测试、IV循环扫描测试；（5）探测器稳定性测试：光谱响应参数稳定性、伏安特性参数稳定性等。

▍引用文章

Self-Assembled Monolayer Assisted Biphasic Heterojunction Organic Photodiode for Panel-Level Manufacturing of Active-Matrix Optical Imager

https://doi.org/10.1002/adfm.202419941