大面積の柔軟な有機フォトダイオードはシリコンデバイスと競合する可能性があります

柔軟な大面積有機フォトダイオードの性能は、従来のシリコンフォトダイオード技術に勝る利点を提供できるようになりました。特に、大面積で低レベルの光を検出する必要がある生物医学イメージングや生体認証モニタリングなどのアプリケーションに適しています。低ノイズ、溶液処理、柔軟な有機デバイスは、任意の形状の大面積フォトダイオードを使用して、大面積アプリケーションのスケールアップに費用がかかる可能性がある従来のシリコンフォトダイオードで必要となる複雑なアレイを置き換える機能を提供します。有機デバイスは、応答時間を除いて、可視光スペクトルでリジッドシリコンフォトダイオードと同等のパフォーマンスを提供します。

「私たちが達成したのは、低温の溶液から製造されたこれらのデバイスが、1つの星から私たちの目に届く光の大きさに似た、毎秒わずか数十万光子の可視光を検出できるという最初のデモンストレーションです。暗い空」とジョージア工科大学の電気コンピュータ工学部の主任研究員であるカネック・フェンテス・ヘルナンデスは述べています。 「これらの材料を任意の形状の大面積基板にコーティングできるということは、数十マイクロ秒の応答時間を必要とするアプリケーションにおいて、柔軟な有機フォトダイオードが最先端のシリコンフォトダイオードに比べて明らかな利点を提供することを意味します。」

有機電子デバイスは、シリコンなどの従来の無機半導体ではなく、炭素ベースの分子またはポリマーから製造された材料に基づいています。デバイスは、従来の電子機器の製造に伴う高価で複雑なプロセスの代わりに、単純なソリューションとインクジェット印刷技術を使用して作成できます。この技術は現在、ディスプレイ、太陽電池、その他のデバイスで広く使用されています。

有機フォトダイオードは、ジョージア工科大学のジョセフM.ペティット教授であるバーナードキッペレンの研究室で開発された光起電力デバイスで空気安定性の低い仕事関数電極を生成することがわかったアミン含有ポリマー表面改質剤であるポリエチレンイミンを使用します。ポリエチレンイミンの使用は、低レベルの暗電流（暗闇でもデバイスを流れる電流）を備えた光起電力デバイスを生成することも示されました。これは、これらの材料が可視光の微弱な信号をキャプチャするための光検出器に役立つ可能性があることを意味しました。

新しいデバイスの用途の1つは、心拍数と血中酸素濃度を測定するために現在指に配置されているパルスオキシメータです。有機フォトダイオードを使用すると、複数のデバイスを本体に配置して、従来のデバイスの10分の1の光で動作させることができます。これにより、ウェアラブルヘルスモニターは、バッテリーを頻繁に交換することなく、改善された生理学的情報と継続的なモニタリングを実現できます。その他の潜在的なアプリケーションには、タッチレスジェスチャ認識やコントロールなどのヒューマンコンピュータインターフェイスが含まれます。

将来のアプリケーションは、シンチレーションによる電離放射線の検出です。これは、高エネルギー粒子が当たったときにリン光物質から放出される閃光です。検出できる光のレベルを下げると、デバイスの感度が向上し、より低いレベルの放射線を検出できるようになります。車両や貨物コンテナから放出される放射線を検出するには、大きな検出器領域が必要です。これは、シリコンフォトダイオードのアレイからよりも有機フォトダイオードから作成する方が簡単です。

有機フォトダイオードは、医師が患者に照射される線量を最小限に抑えるために可能な限り最小レベルの放射線を使用したいX線装置でも同様の利点があります。ここでも、感度、大面積、および柔軟なフォームファクタにより、有機フォトダイオードがシリコンベースのアレイよりも優れているはずです。

有機フォトダイオードは、数十フェムトアンペアの範囲の電子ノイズ電流値と、数百フェムトワットのノイズ等価電力値を示すことができます。有機フォトダイオードの主要な性能要因は、将来のアプリケーションを可能にするために研究者が100倍の改善に取り組んでいる応答時間の領域を除いて、シリコンとよく比較されます。

「有機薄膜はシリコンよりも効率的に光を吸収するため、その光を吸収するために必要な全体の厚さは非常に薄いです」とキッペレン氏は述べています。 「それらの領域を拡大しても、検出器の全体的な体積は有機物で小さいままです。シリコン検出器の面積を増やすと、材料の量が増え、室温で大量の電子ノイズが発生します。」

Kippelenの研究室で作られたフォトダイオードは、わずか500ナノメートルの厚さの活性層を使用しています。およそ指先のサイズの1グラムの材料が、オフィスの机の表面​​を覆う可能性があります。