[发明专利]一种高灵敏度的有机光电二极管及其所构成的阵列，以及该有机光电二极管的制备方法

说明书

本发明涉及一种高灵敏度的有机光电二极管，其包括光敏层，其中所述光敏层为本体异质结结构，即(i)包括一种给体材料D1与一种受体材料A1；以及给体材料D2‑Dn；并且所述给体材料D2‑Dn的能隙，大于给体材料D1的能隙和/或受体材料A1的能隙；或者(ii)包括一种给体材料D1与一种受体材料A1；以及受体材料A2‑An；并且所述受体材料A2‑An的能隙，大于给体材料D1的能隙和/或受体材料A1的能隙。光敏层中新组分的加入有效减少了本体异质结能隙内杂质缺陷态密度，抑制了光生电荷的陷阱辅助复合通道，增强了外量子效率，减小了暗电流，进而提高了器件的比探测率。本发明还涉及其组成的阵列以及相关的制备方法。

技术领域

本发明属于有机光电探测器领域，具体涉及一种高灵敏度的有机光电二极管及其所构成的阵列，以及该有机光电二极管的制备方法。

背景技术

有机光电二极管，以及由其所构成的阵列，有望应用于机器视觉、健康监控以及生物特征识别等新兴领域。然而，尽管基于硅单晶的光电二极管已被广泛用于图像传感器的关键零部件，但它们仍具有较差的红外响应和较复杂的制造流程，这导致了其较高的制备成本，并限制其进一步的应用。传统的前向入射的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器由于较薄光感应层，在700-1000nm的近红外光响应效率快速下降，单色图像传感器(如SONY IMX250)在850nm和940nm波长处的外量子效率(EQE)仅有18％和7％(参照菲力尔FLIR公司的图像传感器产品指南，https://www.flir.com/discover/iis/machine-vision/pregius-s)。

一方面，为改善在近红外区的光响应，有相关团队近期开发了背入射的CMOS图像传感器阵列，同时也开发了将绝缘衬底上的硅层(SOI)制备的光敏像元阵列与CMOS读出阵列相集成的技术。然而，这些图像阵列都需要深度沟槽蚀刻和复杂的后处理工艺，因而限制了图像传感器的像素间距、工艺产量和器件成本。进一步地，即使对上述缺陷进行改进，这些CMOS阵列在940nm波长处的EQE仍低于30％。

另一方面，迄今为止用于短波红外(SWIR)波段(1000-1700nm)的图像传感器是通过混合技术生产的，在该技术中，基于III-V单晶的光电探测器阵列(通常基于InGaAs)被倒装芯片连接至硅基读出电路。这些传感器在低温工作时非常灵敏，但由于暗导过高很难用于室温测量，特别是弱光条件下。基于III-V单晶的光电探测器对于批量生产而言非常昂贵，并且像素大小和像素数量受到限制，阻碍了其在对成本、分辨率和/或形状因数至关重要的市场中的应用。

作为一种替代材料，有机半导体具有良好的机械柔性、吸收光谱可调节性和易于集成至CMOS或薄膜晶体管(TFT)背板的特性，为可穿戴电子设备和人工智能领域提供了新的机遇。在过去的20年中，可见光波段响应的有机光电二极管的暗电流已被降低至亚nA/cm²量级。但是，对于光谱响应在近红外波段甚至超过1000nm的短波红外有机光电二极管，如此低的暗电流密度还未见报道。这是由于随着材料能隙的减小，电荷的热激发开始对暗电流产生不可忽略的影响，加之薄膜光敏层中针孔和缺陷导致的电荷注入，使得短波红外有机光电二极管具有固有的噪声和探测率限制。此外，能隙的变窄也使得激子解离的驱动力减小，难以实现高的外量子效率。

因此，如何使得有机光电二极管同时实现低暗电流和高响应度的特性，仍是一个待开发的课题。

发明内容

本发明的目的是公开一种高灵敏度的有机光电二极管及其阵列，该高灵敏度有机光电二极管在近红外及短波红外区域，具有极高的响应度，以及极低的暗电流，可以极大地提升有机光电二极管在红外区域对弱光的探测能力。本发明还涉及该有机光电二极管的制备方法。

本发明中的术语“本体异质结结构”，是指将给受体材料共混所形成的一种具有纳米尺度相分离的互穿网络结构。

本发明中的术语“给体材料”，是指一种P型的有机半导体材料。