Forscher haben neue, transparente organische Fotodetektoren entwickelt und demonstriert, die grünes Licht absorbieren, hochempfindlich sind und mit CMOS-Fertigungsverfahren kompatibel sind. Der Einsatz dieser neuen Fotodetektoren in hybriden Silizium-Bildsensoren könnte für zahlreiche Anwendungen nützlich sein. Dazu gehören die lichtbasierte Herzfrequenzmessung, die Fingerabdruckerkennung und Geräte zur Erkennung von Objekten in der Nähe.
Ob in Smartphones oder wissenschaftlichen Kameras – die meisten Bildsensoren basieren heute auf CMOS-Technologie und anorganischen Fotodetektoren, die Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln. Obwohl Fotodetektoren aus organischen Materialien aufgrund ihres Potenzials zur Verbesserung der Empfindlichkeit zunehmend an Bedeutung gewinnen, gestaltet sich die Herstellung leistungsstarker organischer Fotodetektoren bisher schwierig.
Der Co-Leiter der Studie, Sungjun Park von der Ajou-Universität in Südkorea, erklärte: „Die Integration organischer Fotodetektoren in serienmäßig gefertigte CMOS-Bildsensoren erfordert organische Lichtabsorber, die sich einfach und in großem Maßstab herstellen lassen und eine klare Bilderkennung ermöglichen, um auch bei Dunkelheit scharfe Bilder mit hohen Bildraten zu erzeugen. Wir haben transparente, grünempfindliche organische Fotodioden entwickelt, die diese Anforderungen erfüllen.“
Die Forscher beschreiben den neuen organischen Fotodetektor in der Fachzeitschrift Optica. Sie entwickelten außerdem einen hybriden RGB-Bildsensor, indem sie einen transparenten, grün absorbierenden organischen Fotodetektor auf eine Siliziumfotodiode mit Rot- und Blaufiltern aufbrachten.
Kyung-Bae Park, Co-Leiter des Forschungsteams vom Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) in Südkorea, sagte: „Dank der Einführung einer hybriden organischen Pufferschicht reduziert die in diesen Bildsensoren verwendete grünselektive lichtabsorbierende organische Schicht das Übersprechen zwischen Pixeln unterschiedlicher Farbe erheblich, und dieses neue Design könnte Hochleistungs-Organische Fotodioden zu einer wichtigen Komponente von Bildgebungsmodulen und Fotosensoren für eine Vielzahl von Anwendungen machen.“
Praktischere organische Fotodetektoren
Die meisten organischen Materialien eignen sich aufgrund ihrer Temperaturempfindlichkeit nicht für die Massenproduktion. Sie halten entweder den hohen Temperaturen der Nachbehandlung nicht stand oder werden bei längerer Nutzung moderater Temperaturen instabil. Um diese Herausforderung zu bewältigen, konzentrierten sich Wissenschaftler auf die Modifizierung der Pufferschicht des Photodetektors, um Stabilität, Effizienz und Detektionsfähigkeit zu verbessern. Die Detektionsfähigkeit beschreibt, wie gut ein Sensor schwache Signale erfassen kann. „Wir haben eine Hybrid-Pufferschicht aus Badkupferleitung (BCP):C60 als Elektronentransportschicht eingeführt. Diese verleiht dem organischen Photodetektor besondere Eigenschaften, darunter eine höhere Effizienz und einen extrem niedrigen Dunkelstrom, wodurch das Rauschen reduziert wird“, erklärt Sungjun Park. Der Photodetektor kann auf einer Silizium-Photodiode mit Rot- und Blaufiltern platziert werden, um einen hybriden Bildsensor zu erzeugen.
Die Forscher zeigen, dass der neue Fotodetektor Detektionsraten aufweist, die mit denen herkömmlicher Silizium-Fotodioden vergleichbar sind. Der Detektor arbeitete zwei Stunden lang stabil bei Temperaturen über 150 °C und zeigte über 30 Tage bei 85 °C eine hohe Betriebsstabilität. Zudem weisen diese Fotodetektoren eine gute Farbwiedergabe auf.
Als nächstes planen sie, neue Fotodetektoren und hybride Bildsensoren für eine Vielzahl von Anwendungen anzupassen, wie z. B. mobile und tragbare Sensoren (einschließlich CMOS-Bildsensoren), Näherungssensoren und Fingerabdruckgeräte auf Displays.
Veröffentlichungsdatum: 07.07.2023