最新研究表明，OPD已能達到與矽光電二極管相當的高光敏度和低噪聲水平。為實現大規模、高分辨率成像，需要在每個像素內采用薄膜晶體管（TFT）作為開關的有源矩陣（AM）尋址方式，以便在每一幀周期內存儲光生電荷。因此，開發與顯示產線TFT AM背板工藝兼容的OPD技術，對於快速邁向量產至關重要。

OPD最核心的指標是低暗電流和高響應度，以獲得高信噪比（SNR）。器件性能同時受活性層和界面層影響。大量研究沿用有機光伏（OPV）中常用的體異質結（BHJ）活性層：雖然BHJ能促進激子分離、提高量子效率，但也會在反向偏壓下在活性層與載流子傳輸層之間引入漏電流通道。平面異質結可消除這些漏電路徑，但連續沉積給/受體時容易溶解下層，需借助轉印或選擇性溶劑清洗等難以放大的工藝。

文中提出“雙相異質結（BPHJ）”——在經自組裝單分子層（SAM）處理的ITO上依次沉積給體和受體，自發形成“單層給體 + 上層BHJ”結構；利用底層給體/SAM雙重阻擋電子並輔助空穴提取，兼顧低暗電流、高探測率、大線性動態範圍及快速響應，且工藝兼容顯示背板後端製程。

（1）提出的BPHJ結構OPD無需額外空穴傳輸層（HTL），既簡化了製程，又能有效阻擋來自陽極的電子注入並促進光生空穴的提取。

（2）製備出的器件相比傳統結構暗電流顯著降低，比探測率提升，線性動態範圍更大，響應速度更快。該策略對聚合物/小分子及全聚合物等多種給/受體體系均適用，覆蓋可見至近紅外寬波段。

（3）BPHJ結構與半導體顯示產線TFT背板的末端製程完全兼容。基於該結構的主動矩陣光學成像器可在 nW cm⁻² 級超低照度下仍呈現理想圖像質量。

研究采用了多種測試表征技術，包括場發射掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、瞬態光電流（TPC）、瞬態上升下降響應時間（TRTF）、SCLC、光電流、暗電流、外量子效率（EQE）、響應度（R）、穩定性、探測率（D*）等。

圖1. SAM輔助BPHJ OPD的概念示意圖。a) 提出的BPHJ器件結構示意圖，以及通過氧化銦錫(ITO)表面自組裝單分子層(SAM)處理提高電子注入勢壘的效果。b) 通過順序沉積法形成BPHJ的示意圖。SD-x/y表示順序沉積(SD)處理的薄膜，其中x代表預沉積PM6層的厚度(nm)，y代表總厚度(nm)。c) SD-190/280薄膜在不同減薄厚度下的剩餘部分紫外-可見吸收光譜。d) SD-130/230、SD-190/280和SD-320/400樣品隨薄膜減薄厚度變化的歸一化吸收光譜等高圖。e) 具有不同活性層結構的OPD器件的暗電流密度(Jd)隨電壓變化的特性曲線。f) ITO/PM6/Ag和SAM-ITO/PM6/Ag器件在暗態下測量的電流-電壓曲線。g) 在ITO和SAM-ITO基底上沉積的10 nm PM6薄膜的表面高度分布直方圖。

圖2. OPD器件的性能與特性表征。a) 傳統含HTL的OPD器件結構與不含HTL的BPHJ OPD器件結構示意圖。b) 器件的暗電流密度隨電壓變化特性曲線。c) 優化器件在-0.5V偏壓下的外量子效率(EQE)曲線及d) 比探測率(D*)曲線。e) 奈奎斯特圖(插圖為等效電路模型)。f) BHJ和BPHJ薄膜的載流子遷移率對比。g) 本工作標準結構器件的暗電流與EQE性能與學術機構已報道研究的對比(工藝分類包含除電極外OPD所有功能層)。h) (i)共混製備的BHJ結構活性層薄膜及(ii)順序沉積製備的BPHJ結構活性層薄膜的原子力顯微鏡高度圖與相位圖。

圖3. SAM輔助BPHJ OPD的動態範圍與響應速度特性。a) 器件D在660 nm LED不同光強照射下的電流密度-電壓特性曲線。b) -0.5 V偏壓下計算的線性動態範圍，實線代表數據的線性擬合結果。c) 器件D在白光LED照射下的瞬態響應特性。

圖4. 采用SAM輔助BPHJ策略的OPD器件存儲穩定性及其對不同材料體系器件的普適性研究。a)未封裝器件在100 mW cm−2模擬太陽光下、幹燥空氣條件(相對濕度25%-35%)中存放30天的歸一化光電流密度(Jph)變化；b)暗電流密度(Jd)及c)比探測率(D*)隨時間的變化曲線。d)采用傳統器件結構(ITO/CuSCN/BHJ/PFN-Br/Ag)和SAM輔助BPHJ結構(SAM-ITO/BPHJ/PFN-Br/Ag)製備的不同活性層材料器件(包括PM6:Y6、PTB7-Th:IDFT、P3HT:o-IDTBR和PBDB-T:N2200體系)的測量結果對比：d)光電流密度(Jph)、e)暗電流密度(Jd)和f)比探測率(D*)。

圖5. 基於OPD的有源矩陣光學成像系統演示。a) 成像器陣列中像素的截面結構示意圖，顯示提出的BPHJ OPD位於a-Si:H TFT之上。b) 由單個開關TFT和單個OPD組成像素的有源矩陣陣列示意圖。c) 連接讀取系統的有源矩陣光學成像器實物照片，該系統通過無線連接智能手機進行圖像顯示。插圖：從'中國光學'圖案樣本捕獲的輸出圖像。d) 基於標準結構BHJ OPD和SAM-BPHJ OPD的圖像傳感器中所有像素在660 nm、480 μWcm−2光強下的讀取暗電流與光電流對比。e) 在660 nm LED弱光照射(4 nW cm−2)下，分別采用傳統結構OPD和SAM-BPHJ OPD的成像器對'SJTU'輸入圖案的輸出圖像對比。f) 製備的有機光學成像器最低成像光強度與陣列尺寸同先前工作的對比。g) OPD有源矩陣成像器(左)與智能手機攝像頭(右)對亮度為0.04 nit的OLED顯示屏上'SJTU'輸入圖像的捕獲效果對比。

圖 光探測器綜合測量系統FineDet 990

光探測器綜合測量系統FineDet 990，是東譜科技開發的光響應器件特性綜合測試平台，可根據需求選擇、定製功能，針對微納器件提供顯微系統，針對模組/陣列提供顯微+自動掃描測試系統等。測試功能模塊包括：（1）光譜響應測試：光譜響應度、外量子效率EQE、內量子效率IQE；（2）探測器瞬態測試：上升、下降時間TRTF、3dB截止頻率、線性動態範圍LDR；（3）探測器噪聲測試：噪聲頻譜密度、噪聲等效功率NEP、探測率和比探測率D*；（4）伏安特性測試：IV單點測試、IV分段掃描測試、IV循環掃描測試；（5）探測器穩定性測試：光譜響應參數穩定性、伏安特性參數穩定性等。

▍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