短波红外（SWIR）光电探测器对于监控、质量控制和检测等许多科学与工业应用至关重要。近几十年来，基于有机半导体的光电探测器不断涌现，显示出为宽带和窄带成像及传感应用增值的潜力，特别是在对热预算敏感、需要大面积孔径、成本考虑以及轻量化和柔性要求的应用场景中。现在人们已经认识到，有机光电探测器（OPD）的性能，特别是其比探测率，最终受到无序半导体中普遍存在的陷阱态的限制。
据麦姆斯咨询报道，近日，芬兰埃博学术大学（Åbo Akademi University）、英国斯旺西大学海湾校区（Swansea University Bay Campus）、美国西北大学（Northwestern University）等机构的研究人员组成的团队提出了一种创新的“陷阱掺杂”方法，通过在体异质结（BHJ）光电二极管中引入少量客体分子以利用这些陷阱态，增强了OPD在可见光（VIS）至SWIR波段的性能。实验结果表明，这种方法能够实现宽带探测，其在光电探测器的关键指标上接近（甚至在一定程度上超过）最先进的性能。尽管“陷阱掺杂”方法目前仅是概念验证，但它广泛适用于不同的光谱窗口，代表了一种通过将限制转化为特性的非常规策略来设计光电探测器的新模式。
本研究开发的SWIR光电探测器的架构为：Glass|ITO(150nm)|层|光活性BHJ层|层|Ag(100 nm)。通过优化客体分子的浓度和能级，实现了从可见光到SWIR的宽带探测。具体而言，使用PM6:BTP-eC9为主体系统，并掺入1 w% PTTQ(HD)作为添加剂，获得了最佳性能。在0.95 eV的SWIR区域，比探测率D*达到了3.6×10⁸ Jones，线性动态范围（LDR）超过110 dB，且不影响可见光区域的性能。这一概念验证器件在比探测率和LDR方面接近或超过了先进SWIR探测器的性能。
图1 “陷阱掺杂”OPD中的中间隙陷阱状态和其器件结构
图2 不同材料组合的OPD能级与外部量子效率及掺杂前后的EQE对比及在0.95 eV时的EQE值与能级偏移量之比
图3 PTTQ(HD)添加剂浓度对OPD器件的光敏性能影响
图4 OPD在掺杂前后对于不同波长光的响应能力及掺杂后的器件在光电流线性动态范围方面的改善
综上所述，这项研究在体异质结有机光电探测器中引入了有点反直觉的“陷阱掺杂”方法来实现SWIR和宽带光探测。这种方法利用无序半导体中普遍存在的中隙态来专门增强SWIR光响应。研究人员展示了VIS-SWIR宽带OPD的概念验证，该OPD在0.95 eV的SWIR光谱范围和2.4 eV的VIS光谱范围内的比探测率分别约等于10⁸和10¹² Jones。此外，OPD在SWIR光谱范围内呈现110 dB的线性动态范围，在VIS光谱范围内呈现220 dB的线性动态范围。这些性能指标非常接近甚至部分超过了最先进的VIS-SWIR宽带OPD。虽然“陷阱掺杂”方法目前还处于概念验证阶段，但它已显示出对不同光谱窗口的广泛适用性。
https://doi.org/10.1002/adma.202405061
