Amélioration des performances des photodétecteurs organiques pour les capteurs d’image avancés

Les photodétecteurs organiques (OPD) sont les “yeux” du capteur d’image et peuvent être appliqués à divers systèmes de diodes pour les dispositifs avancés de nouvelle génération. Les avantages distincts des OPD par rapport aux photodétecteurs inorganiques conventionnels sont leur extrême flexibilité et leurs faibles besoins en énergie. Cependant, le bruit dans les OPD nuit aux performances. Par conséquent, la réduction du bruit est importante pour améliorer les performances des OPD.

Plusieurs mécanismes induisent potentiellement l’origine du bruit. Parmi eux, l’émission thermionique (le flux de particules chargées à partir d’une surface métallique chargée, en raison de l’énergie thermique surmontant les forces de liaison électrostatiques) et l’effet tunnel direct d’électrons (un processus de mécanique quantique par lequel un électron peut pénétrer une barrière de potentiel même lorsque le l’énergie de la particule est inférieure à la hauteur de la barrière) sont des modèles possibles à faible biais appliqué. Cependant, le mécanisme dominant à l’origine du bruit restait jusqu’à présent inconnu.

À cette fin, une collaboration de recherche dirigée par le professeur Dong Hwan Wang et son chercheur postdoctoral, le Dr Woongsik Jang de l’École d’ingénierie intégrative de l’Université Chung-Ang, en Corée, a étudié le courant d’obscurité dans les OPD en modélisant expérimentalement les mécanismes liés à la thermoionique. l’émission et l’effet tunnel pour déterminer la cause principale du bruit généré dans un OPD.

Les chercheurs ont présenté leurs conclusions dans un récent article mis en ligne le 4 novembre 2022, dans Matériaux fonctionnels avancés.

“Malgré de nombreux efforts pour réduire le bruit dans les OPD, peu de travaux ont été réalisés pour identifier le mécanisme à l’origine du bruit”, explique le professeur Wang. L’équipe a démontré expérimentalement que la formation d’une énergie de barrière pour les porteurs de charge formée comme la “barrière Schottky”, une jonction métal-semi-conducteur à l’interface électrode-couche photosensible, la polarisation et l’énergie thermique permettent ensemble l’injection de charge d’une électrode à l’autre. Ceci, à son tour, devient un courant d’obscurité.

Les chercheurs ont analysé les corrélations entre le courant et la tension pour démystifier l’origine du bruit. Ils ont confirmé la relation entre le courant et l’énergie de barrière en contrôlant trois accepteurs avec différents niveaux d’énergie en ajustant les énergies de barrière. Les chercheurs ont mis au jour une relation linéaire entre le logarithme naturel de la densité de courant d’obscurité sous polarisation inverse et la racine carrée de la hauteur de la barrière Schottky. Cette découverte indique fortement que l’effet tunnel direct est le mécanisme dominant pour l’injection de courant d’obscurité.

Armée du mécanisme de l’origine du bruit, l’équipe a développé un OPD avec une barrière d’injection efficace qui améliore la vitesse de détection grâce à la suppression du bruit. Les OPD développés dans cette recherche peuvent être étendus pour faciliter une conception incurvée permettant un facteur de forme miniature sans filtre de couleur. « Nous avons pu obtenir ces fonctionnalités incroyables grâce à l’interprétation du bruit généré dans les OPD. Les OPD de conception incurvée développés sont capables d’une détection 100 % omnidirectionnelle sans les contraintes de conception de l’objectif et peuvent détecter des longueurs d’onde singulières », note le professeur Wang.

Pris ensemble, ce développement démontre expérimentalement le mécanisme principal et dominant du bruit dans les OPD avec un calcul théorique, ce qui conduit à une réponse rapide ainsi qu’à une excellente détection. Cela permet une densité d’intégration élevée de centaines de millions de pixels en raison de la miniaturisation du capteur d’image en introduisant les OPD. Des recherches plus approfondies sur le mécanisme dominant à l’origine du bruit peuvent contribuer à la suppression du courant d’obscurité pour améliorer les performances de l’OPD dans les applications avancées.

Fourni par l’Université Chung Ang