窄带有机光电探测器的优化设计

窄带有机光电探测器的优化设计

LUO Guo-ping

【摘 要】针对基于无机材料的光电探测器需要借助滤光器或棱镜耦合实现窄带响

应,提出了一种通过有机材料制备窄带光电探测器并提高吸收峰值和降低半高全宽

的方法和结构.该器件由分布布拉格反射器和有机光电二极管构成.有机光电二极管

的顶电极和底电极之间构成光学微腔.采用传输矩阵法,详细分析了分布布拉格反射

器的中心波长、有机光电二极管透明顶电极和光敏感层的厚度对有机光电探测器吸

收性能的影响.研究结果表明,Tamm等离激元共振波长接近光敏感层的光学带隙时,

可获得半高全宽小于20 nm的窄带响应,并且吸收峰值在70％以上.基于

PTB7:PC71 BM和PTB7-Th:IEICO-4F的有机光电探测器分别可用于探测红光和

近红外光.该研究从基本物理机制出发,结合材料和器件结构可将有机光电探测器的

响应窗口从可见光拓展至近红外光.

【期刊名称】《发光学报》

【年(卷),期】2019(040)002

【总页数】7页(P224-230)

【关键词】光电探测器;有机光电二极管;窄带响应;Tamm等离激元

【作 者】LUO Guo-ping

【作者单位】

【正文语种】中 文

【中图分类】TN202

1 引 言

有机共轭聚合物及共轭小分子作为新兴光电子材料，可通过溶液加工、真空蒸镀和

喷墨打印等方法制备大面积及柔性光电器件[1]。到目前为止,已成功地发展出有机

发光二极管[2]、有机场效应晶体管[3]、有机光伏器件[4]、有机存储器[5]和有机

传感器[6]等。部分有机光电器件已经得到规模应用。就光电探测应用而言，有机

半导体材料具有非常大的潜力和吸引力。有机半导体的光谱响应范围十分宽，可覆

盖从紫外到近红外波段。有机光电探测器一般采用有机光电二极管(OPD)结构[7]，

是一种直接将光信号转化成电信号的器件，有望在光通信和图像传感[8]、远程控

制[9]、环境监控[10]等领域取得应用。相比于传统的基于无机半导体的光电探测

器，有机光电探测器在材料选择和器件制备方面具有更大的优势，因此近年来有机

光电探测器备受关注。

光电探测器根据其光谱响应带宽的不同可分为宽带或窄带。通常而言，宽带光电探

测器需要尽可能拓展光谱响应范围，主要应用于弱光条件下的多色探测。过去几年，

研究者在宽带有机光电探测器方面作了大量的研究。Gong与曹镛教授等合作，使

用窄带隙聚合物 PDDTT与PC61BM 共混物作为光敏感层，制备了响应范围为

300～1 450 nm的宽带有机光电探测器[11]。马东阁教授团队成功地开发出了在

300～1 000 nm区域宽光谱响应的有机光电探测器，且器件的探测率达到1012

Jones量级，外量子效率超过40%[12]。对于窄带光电探测器，也有许多应用领

域，如全彩色成像、图像传感阵列[13]、生物传感[14]等。基于无机材料的窄带光

电探测器需要用滤光片或棱镜进行耦合，这种方法增加了设计的复杂性，限制了颜

色辨别的质量。而窄带有机光电探测器可通过材料设计、器件结构创新和调控器件

的光电场等方法制备[15]。Guo等采用PVK∶ZnO的纳米复合材料制备了紫外光

电探测器，室温下在360 nm的比探测率高达3.4×1015 Jones[16]。Sung等合

成了一种新的菲并[110,9,8-cdefg]咔唑-噻吩单元的给体-给体共聚物(PP-Th)，制

备了吸收峰在510 nm、半高全宽为98 nm的绿光有机光电探测器，并且优化后

的器件拥有2 nA·cm-2的暗电流和高达1.42×1012 Jones的比探测率[17]。

Armin等使用2 μm厚的PCDTBT∶PC71BM和DPP-DTT∶PC71BM制成了半

高全宽小于100 nm、比探测率～1012 Jones的红光和近红外有机光电探测器

[18]。尽管使用微米级别的光敏感层，通过调控器件内量子效率的方法能制备红光

和近红外光窄带光电探测器，但是其外量子效率会随着光敏感层厚度的增加而减小，

这是因为厚度的增加意味着光生载流子在光敏感层的传输时间会增加，进而其复合

几率增加，最终使光电转化效率降低，这对探测器是很不利的。

本文提出了一种通过调控Tamm等离激元以实现窄带有机光电探测器的方法和结

构。该结构由分布布拉格反射器(DBR)和OPD构成，入射光从DBR一侧入射时，

可以在OPD的光敏感层形成光学共振，增强本体异质结的光吸收。当共振波长接

近光敏感层的光学带隙时，有望获得半高全宽小于20 nm的窄带响应,且吸收峰值

保持在70%以上。基于PTB7∶PC71BM和PTB7-Th∶IEICO-4F的有机光电探测

器分别可用于红光和近红外光探测。

2 模型结构和理论

图1(a)为窄带有机光电探测器的结构模型示意图，该结构由DBR和OPD两部分

构成。DBR分别由折射率为na=2.08的TiO2和折射率为nb=1.44的SiO2交替

组成。通过调整TiO2和SiO2的厚度(分别为da和db)可以控制DBR的中心波长

(λ0)，它们之间满足的关系为λ0/4=na×da=nb×db，与DBR相连接的是OPD

的透明顶电极(20～40 nm的Ag)，PCDTBT和PC71BM组成的本体异质结为

OPD的光敏感层，MoO3为空穴传输层，PFN为电子传输层，100 nm的Ag为

OPD的底电极。图1(b)为窄带有机光电探测器在光照下的工作原理示意图。光敏

感层吸收入射光后形成激子，激子经过扩散和分离形成自由载流子，其中电子传输

到PFN/Ag电极，空穴传输到Ag/MoO3电极。

图1 窄带有机光电探测器示意图。(a)器件结构;(b)工作原理。Fig.1 Schematic of

narrowband organic photodetector. (a) Device architecture. (b) Working

principle.

有机光电探测器可看作是由m层薄膜构成的光学系统，采用传输矩阵法[19]可以

计算出其反射和透射谱。根据能量守恒，也可以得到吸收光谱。Tamm等离激元

的概念是在2005年由Kavokin等提出的，具有局域场增强效应[20]。2007年，

Kalittevski等分析了DBR和金属界面激发的Tamm等离激元[21]。在DBR-金属

结构中，Tamm等离激元与反射谱中带隙范围内尖锐的反射凹峰相对应，如图2

所示。不同于表面等离激元，Tamm等离激元在垂直于金属层的方向上传播，如

果在传播方向上增加高反射率层，那么很容易在其中形成光学微腔。对于图1(a)

所示DBR-OPD结构，OPD的透明顶电极和底电极之间形成光学微腔，电磁场在

其中来回传播。从图2也可以看到DBR-OPD结构的反射谱有两个反射凹峰。其

中一个反射凹峰作为有机光电探测器的响应窗口，进而实现窄带响应。

图2 DBR-OPD结构的反射光谱(绿色方块)和光敏感层的吸收光谱(红色菱形)，为

了比较也给出了DBR-Ag结构的反射光谱(蓝色圆)。Fig.2 Reflection spectrum

of the DBR-OPD architecture (green square) and the absorption spectrum

of the photoactive layer(red diamond). For comparison，the reflection of

DBR-Ag(blue circle) is also given.

DBR-OPD结构激发的耦合Tamm等离激元共振[22]用方程表述如下:

[1-(rDBRre2iφDBR)-1][1-(rBotre2iφBot)-1)]=

(1)

其中rDBR和φDBR分别表示DBR的反射系数和相移，t和r分别表示透明顶电

极的透射系数和反射系数，rBot和φBot分别表示底电极的反射系数和相移。反

射系数和透射系数可通过传输矩阵法计算。

实现窄带响应的一种策略是将光敏感层放置在光学微腔[23]中，探测器的半高全宽

由微腔的光学特性所控制。吸收较弱的光敏感层是较好的选择，由于可以不断吸收

光学微腔中来回反射的共振光子，有利于获得较高的光学品质因子。

光学微腔可以用有效厚度去描述，即

(2)

其中d和neff分别为光敏感层的厚度和有效折射率，|φTop|为DBR和透明顶电

极的相移，|φBot|为底电极的相移。当满足neffdeff=m×λm/2(m为整数)时，将

会出现Tamm共振模式。求解得到共振波长(λm)，即

(3)

采用传输矩阵法，计算得到电场强度在整个器件中的分布情况，如图3所示。我

们可以看到，由于光学微腔效应，Tamm共振模式发生了明显的相移，在透明顶

电极的两边形成了两个耦合Tamm共振。两个Tamm共振都在光敏感层中有极大

值。波长较短的Tamm共振出现在光敏感层的光学带隙之内，可以显著提高光敏

感层的吸收效率。下文所说的共振模式指的是波长较短的Tamm共振。

图3 光电场强度在DBR-OPD结构中的分布Fig.3 Optoelectrical filed intensity

distribution in the DBR-OPD architecture

3 结果与讨论

由公式(3)可知，Tamm等离激元的共振波长取决于DBR和透明顶电极的相移、

光敏感层的厚度和有效折射率以及底电极的相移。光从DBR一侧入射时，经过透

明顶电极再传输到光敏感层。因此，在讨论DBR-OPD结构对光敏感层吸收性能

的影响时，着重考虑DBR、透明顶电极和光敏感层的参数对器件性能的影响。

3.1 DBR中心波长的影响

DBR具有在禁带的高反特性和在通带的高透特性。对于DBR-Ag结构，Tamm等

离激元共振出现在DBR的一阶禁带内。PCDTBT∶PC71BM的吸收峰位于576

nm，光学带隙为660 nm。在其他因素不变的情况下，通过调整DBR的中心波长，

可以使Tamm等离激元共振波长在较大范围内进行调节。图4给出了3种不同

DBR中心波长所对应的光敏感层吸收光谱。DBR中心波长为520 nm时，共振波

长为581 nm，出现在PCDTBT∶PC71BM吸收峰附近。尽管吸收峰值高达

82.5%，但是光学微腔的作用并不明显，半高全宽也较大，为38 nm。而当DBR

中心波长为640 nm时，将共振波长红移至PCDTBT∶PC71BM的光学带隙。光

学微腔效应大幅提高了光敏感层的吸收，并且形成十分尖锐的凸峰，吸收峰值为

76.7%，半高全宽仅为17 nm。尽管提高DBR中心波长至680 nm会进一步降低

半高全宽(13 nm)，但由于此时共振波长为682 nm，大于PCDTBT∶PC71BM的

光学带隙，光敏感层的吸收系数非常小，会造成吸收峰值下降，并且不能有效地将

其他波段的吸收抑制在半高以下。

图4 不同DBR中心波长光敏感层的吸收光谱Fig.4 Absorption spectra of

photoactive layer with different DBR center wavelengths

图5给出的是DBR中心波长与共振波长、半高全宽以及吸收峰值之间的关系。共

振波长与DBR中心波长近似成线性关系。使DBR中心波长红移可降低半高全宽。

随着DBR中心波长的增大，吸收峰值呈下降的趋势。通过调整DBR的中心波长

使Tamm等离激元共振波长出现在光敏感层的光学带隙，有利于获得比较大的吸

收峰值和较小的半高全宽。

图5 DBR中心波长与共振波长、半高全宽和吸收峰值的关系。Fig.5 Relations

between the DBR center wavelengths and resonant wavelength, FHWM

and peak absorption.

3.2 透明顶电极厚度的影响

透明顶电极(Ag薄膜)的厚度直接影响其反射系数和透射系数。对于DBR-OPD结

构，顶电极和底电极之间构成光学微腔。因此，通过调节Ag薄膜的厚度，使

DBR-OPD中出现共振模式，可以有效地实现窄带响应。图6是光敏感层的吸收随

Ag薄膜厚度变化的分布图。当Ag薄膜厚度小于20 nm时，尽管能激发出

Tamm等离激元共振，但不能有效抑制响应窗口外(特别是400～500 nm)的光吸

收。随着Ag薄膜厚度的增加，共振波长略微发生红移，并且会降低光敏感层的吸

收。采用25～40 nm的Ag薄膜作为透明顶电极可确保窄带响应有机光电探测器

的吸收峰值在70%以上。同时，可以较好地抑制响应窗口之外的光吸收。因此，

在具体的结构设计中可先固定Ag薄膜的厚度在25～40 nm，然后通过调节DBR

中心波长以获得窄带响应，再微调Ag薄膜厚度以实现较大吸收峰值。

图6 光敏感层光吸收随透明顶电极厚度变化的分布图Fig.6 Absorption of

photoactive layer profiles when varying the transparent top contact

thickness

3.3 光敏感层厚度的影响

光敏感层厚度的变化对光学微腔具有明显的调节作用。|φTop|和|φBot|不变时，

对于同一阶共振模式，共振波长近似与光敏感层厚度成线性关系。从图7可以看

到，一阶、二阶和三阶共振模式所对应的光敏感层厚度分别在100,275,460 nm

附近。常规宽带响应有机光电探测器所采用的厚度约为100 nm。增加光敏感层的

厚度通常能够降低有机光电探测器的暗电流，进而提高比探测率。另一方面，增加

光敏感层的厚度也会增大载流子的复合损耗，降低外量子效率。综合考虑暗电流和

外量子效率，基于PCDTBT∶PC71BM的有机光电探测器可选取二阶共振模式，

光敏感层的厚度约为275 nm。

图7 光敏感层的吸收随厚度变化的关系Fig.7 Absorption for varying

photoactive layer thickness

3.4 红光和近红外窄带有机光电探测器

由上述分析结果可知，通过调控DBR的中心波长、透明顶电极和光敏感层的厚度，

可以使Tamm等离激元共振出现在光敏感层的光学带隙，有望获得小于20 nm

的半高全宽，并保持较大的吸收峰值。窄带隙聚合物给体和受体的出现，丰富了有

机光探测器的材料选择。同时，也可将响应窗口从可见光波段延伸至近红外波段。

PTB7和PTB7-Th是高性能的窄带隙聚合物给体材料，IEICO-4F是窄带隙小分子

受体材料。采用PTB7∶PC71BM(1%∶1.5%)[24]和PTB7-Th∶IEICO-

4F(1%∶1.5%)[25]制备的聚合物太阳电池都呈现出十分优异的光电性能，本文进

一步探索了两者用于窄带有机光电探测器的潜能。图8给出了

PTB7∶PC71BM(1%∶1.5%)和PTB7-Th∶IEICO-4F(1%∶1.5%)的消光系数。模

拟结果表明，基于PTB7∶PC71BM和PTB7-Th∶IEICO-4F分别可用于制备红光

和近红外光有机光电探测器，器件光敏感层的吸收光谱如图9所示。部分性能参

数总结于表1。红光和近红外光有机光电探测器的最大吸收波长分别为744 nm和

971 nm，半高全宽分别为13 nm和19 nm。

图8 PTB7∶PC71BM和PTB7-Th∶IEICO-4F的消光系数Fig.8 Extinction

coefficients of PTB7∶PC71BM and PTB7-Th∶IEICO-4F

表1 窄带有机光探测器的结构和性能参数Tab.1 Device structures and

performances of narrowband organic

photodetectorsBHJAg/nmλ0/nmλm/nmFWHM /nmPeak

Abs/%PCDTBT∶PC71BM256406721674.4PTB7∶PC71BM3.7P

TB7-Th∶IEICO-4F359309711969.9

图9 红光和近红外窄带有机光电探测器的吸收光谱Fig.9 Absorption spectra of

the red and NIR narrowband organic photodetectors

4 结 论

本文提出了一种通过Tamm等离激元的光学微腔以提高有机光电探测器光敏感层

的光吸收、获得半高全宽小于20 nm的方法和器件结构，并采用传输矩阵法分析

了窄带有机光电探测器的响应特性。分析表明，通过调控DBR的中心波长、透明

顶电极的厚度和光敏感层的厚度，可以有效地调控器件中的光电场分布。Tamm

等离激元共振出现在光敏感层的光学带隙附近时，能够获得半高全宽小于20 nm

的窄带响应，并保持70%以上的吸收峰值。采用PTB7∶PC71BM和PTB7-

Th∶IEICO-4F的光敏感层有望用于制备红光和近红外光窄带有机光电探测器。本

文提出的综合材料和器件光学工程的方法，为制备窄带有机光电探测器提供了一种

新的思路。

参 考 文 献：

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