Mitigating Dark Current for High-Performance Near-Infrared Organic Photodiodes via Charge Blocking and Defect Passivation

光电二极管 暗电流 材料科学 光电子学 响应度 光电探测器 钝化 量子效率 纳米技术 图层(电子)
作者
Weitao Yang,Weiming Qiu,Epimitheas Georgitzikis,Eddy Simoen,Jill Serron,Jiwon Lee,Itai Lieberman,David Cheyns,Paweł E. Malinowski,Jan Genoe,Hongzheng Chen,Paul Heremans
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (14): 16766-16774 被引量:70
标识
DOI:10.1021/acsami.1c02080
摘要

Thin-film organic near-infrared (NIR) photodiodes can be essential building blocks in the rapidly emerging fields including the internet of things and wearable electronics. However, the demonstration of NIR organic photodiodes with not only high responsivity but also low dark current density that is comparable to that of inorganic photodiodes, for example, below 1 nA cm–2 for silicon photodiodes, remains a challenge. In this work, we have demonstrated non-fullerene acceptor-based NIR photodiodes with an ultralow dark current density of 0.2 nA cm–2 at −2 V by innovating on charge transport layers to mitigate the reverse charge injection and interfacial defect-induced current generation. The same device also shows a high external quantum efficiency approaching 70% at 850 nm and a specific detectivity of over 1013 Jones at wavelengths up to 940 nm. Furthermore, the versatility of our approach for mitigating dark current is demonstrated using a NIR photodetector utilizing different non-fullerene systems. Finally, the practical application of NIR organic photodiodes is demonstrated with an image sensor integrated on a silicon CMOS readout. This work provides new insight into the device stack design of low-dark current NIR organic photodiodes for weak light detection.
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