撰稿 | 张天宇（电子科技大学 博士后）

导读

近日，来自波兰军事技术大学应用物理研究所的Piotr Martyniuk教授团队联合中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室胡伟达研究员等人，系统阐述了室温有机光电探测器（OPDs）的独特性，对比传统无机半导体光电探测器（ISCs），从材料沉积技术、物理特性、器件工作模式到性能优化路径进行了全面分析。OPDs作为新兴技术，需在材料创新、工艺优化与标准建立三方面协同突破，未来有望在柔性电子、生物医疗等领域逐步替代传统ISCs器件，形成千亿级市场规模。

核心观点包括：1、有机半导体（OSCs）通过化学结构调控实现紫外（UV）至近红外（NIR）光谱响应（200-1500 nm），吸收系数达10⁴-10⁵ cm^-1，但载流子迁移率仅为10^-4-100 cm^-1/Vs（远低于Si的1400 cm²/Vs）。2、重点讨论光电导体、光电二极管和光电晶体管三类器件，其中光电二极管的探测率（D*）上限与ISCs相当（~10¹³ Jones），但性能波动达3个数量级。3、指出有机FET探测器的D*普遍被高估（部分文献宣称>10¹⁸ Jones），根源在于未考虑光门控效应导致的噪声模型偏差。

该研究成果以“Peculiarities of room temperature organic photodetectors”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上。论文通讯作者为Piotr Martyniuk教授，论文第一作者为Antoni Rogalski教授。

文章背景与目的

1、发展历程：OSCs研究始于1980年代，近40年通过分子设计与合成，性能显著提升：①光谱响应从UV（300 nm）扩展至NIR（1500 nm）；②探测率（D*）从10⁹ Jones提升至10¹³ Jones（接近HgCdTe水平）；③加工成本降低至无机材料的1/10（溶液法制备）。

2、应用需求：传统ISCs（如Si、InGaAs）存在刚性、高成本、高温制备等局限，而OSCs的柔性（弯曲半径<5 mm）、大面积（>1 m²）、低功耗（<1 V）特性，使其在可穿戴设备、医疗成像、柔性显示等领域具有不可替代性。

3、挑战：①载流子迁移率低（最高100 cm²/Vs vs Si的1400 cm²/Vs）；②稳定性差（空气中半衰期<1000小时）；③探测率测试标准不统一，导致数据可信度低（部分文献存在D*高估）。

本文旨在通过量化对比与机制解析，揭示OPDs区别于商用ISCs器件的核心特性，具体目标包括：

1、材料层面：阐明OSCs的沉积技术（真空蒸发vs溶液法）对薄膜质量的影响，量化吸收系数、载流子迁移率等关键参数。

2、器件层面：对比三类OPDs（光电导体、光电二极管、光电晶体管）的性能极限，建立D*与暗电流、响应速度的定量关系。

3、方法层面：提出D*高估的校正模型，明确光门控效应在噪声分析中的必要性（修正后D*下降2-3个数量级）。

4、应用层面：提出未来5年OPDs的性能目标：迁移率>100 cm²/Vs，D*>10¹⁴ Jones，稳定性提升至10⁴小时。

主要内容

1、OSCs材料基础与沉积技术

有机半导体（OSCs）以sp²杂化碳为核心，通过σ键（sp²轨道）和π键（2pz轨道）形成共轭分子结构，其π电子离域特性决定光电性能。

材料沉积技术分为真空法与溶液法，具体如下：

1）真空热蒸发：纯度高（<10^-6 mbar），膜厚控制精度±5 nm，适用于小分子/寡聚物，但成本高（$500/片），大面积制备受限；

2）溶液法：包括旋涂（成本$5/片，膜厚均匀性±20%）、喷墨打印（分辨率10 μm，材料利用率10%）和喷雾涂布（大面积兼容性，膜厚微米级）。

其中，溶液法在柔性基底（弯曲半径<5 mm）和大面积（>1 m²）制备中优势显著，但薄膜缺陷密度较真空法高1-2个数量级。典型共轭分子如IDTBR（图1）通过化学修饰实现紫外至短波红外（SWIR）响应，带隙可调范围1.0-3.0 eV。

图1. 用于紫外至短波红外（SWIR）波段的有机半导体光电探测器的供体分子

2、物理特性对器件性能的影响

OSCs的物理特性与无机半导体（ISCs）差异显著，具体差异如下：

1）吸收系数：10⁴-10⁵ cm^-1（图2），比Si（10³ cm^-1）高一个量级，吸收长度仅100 nm，需优化膜厚平衡光吸收与载流子传输；

2）载流子迁移率：10^-4-100 cm²/Vs（图3），最高值（PQT-12/F4-TCNQ体系）仅为Si（1400 cm²/Vs）的7%，限制响应速度（>10^-6 s）；

3）激子结合能：0.3-0.5 eV（Si为0.01 eV），需异质结（如BHJ）实现电荷分离，效率达80%；

4）稳定性：空气中半衰期<1000小时，热稳定性差（>60℃性能衰减50%），制约长期使用。

这些特性导致OSCs器件暗电流密度（10^-8-10^-10 A/cm²）高于Si光电二极管（10^-11 A/cm²），但柔性与低成本优势不可替代。

图2. 常见有机分子的吸收系数

图3. 常见材料在室温下的电子迁移率

3、器件结构与性能量化

OSCs光电探测器主要分为三类，性能参数如下：

1）光电二极管（OPD）：垂直结构（图4），暗电流密度10^-8-10^-10 A/cm²，探测率（D*）10¹²-10¹³ Jones（350-850 nm），响应速度10^-6-10^-9 s，与商用Si探测器相当；准平面异质结（q-PHJ）设计使电荷分离效率提升至90%，暗电流降低至3.5×10^-10 A/cm²（图5）。

2）光电导体：横向结构，光响应度10⁴-10⁶ A/W（Si为0.5 A/W），但响应时间慢（>10 ms），线性动态范围（LDR）<60 dB；

3）光电晶体管：光门控效应导致D*被高估10²-10³倍，修正后D*从10¹⁸ Jones降至10¹⁵ Jones，响应时间>10 ms，适用于低光强探测。

对比显示，OPD在综合性能（D*、响应速度、稳定性）上最接近ISCs器件。

图4. OPD 的结构示意图：标准结构和倒置结构，其中 BHJ 和 PHJ 分别用于活性/吸收层。

图5. 有机半导体肖特基二极管中的载流子注入机制

4、性能优化策略

针对OSCs的核心瓶颈，优化策略及量化效果如下：

1）界面工程：引入电子阻挡层（如poly-TPD），暗电流降低2860倍（从10^-6降至3.5×10^-10 A/cm²）；

2）陷阱态调控：通过F4-TCNQ掺杂，载流子迁移率提升10倍（从1增至10 cm²/Vs），缺陷密度从10¹⁸ cm^-3降至10¹⁶ cm^-3；

3）光谱拓展：非富勒烯受体（如IDTBR）将响应延伸至1000 nm，EQE达75%，低带隙材料（<1.0 eV）目标覆盖SWIR（2000 nm）；

4）工艺创新：气溶胶喷射打印技术提升材料利用率至50%，分辨率10 μm，为大面积阵列制备奠定基础。

总结展望

OPDs在UV-NIR波段（300-1000 nm）的D*已达10¹³ Jones（图6），响应速度10^-6 s，成本降至$0.1 /cm²，具备商业化潜力。但载流子迁移率（<100 cm²/Vs）、稳定性（<10³小时）、测试标准化是三大核心限制。

图6. 有机半导体探测器（OSC）的室温探测率（D*）

未来有望从以下方向继续开展相关研究：

1）材料设计：开发低带隙（<1.0 eV）非富勒烯受体，将响应拓展至SWIR（2000 nm），EQE>50%。

2）器件优化：使用垂直集成结构，降低响应时间至10^-9 s；利用自修复材料，实现损伤后性能恢复率>80%。

2）产业应用：柔性成像阵列（分辨率>1000 PPI）、可穿戴健康监测模块（功耗<1 μW）。

3）标准化：推动国际电工委员会（IEC）制定OPDs测试标准，统一D*、响应速度等关键指标的测试流程。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息 ：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01939-2