フレキシブル高性能有機フォトダイオード：シリコンデバイスに匹敵・超越

フレキシブル大面積有機フォトダイオードの性能が向上し、従来のシリコンフォトダイオード技術に対して優位性を提供できるようになりました。特に、広い領域で低レベルの光を検出する必要がある生体医用イメージングや生体認証モニタリングなどの用途において顕著です。低ノイズ、溶液プロセス対応、フレキシブルな有機デバイスは、任意の形状の大面積フォトダイオードを使用して、従来のシリコンフォトダイオードでは必要とされる複雑なアレイを置き換える能力を提供します。シリコンフォトダイオードは大面積用途にスケールアップするのが高価だからです。有機デバイスは、応答時間を除き、可視光スペクトルにおいて硬質シリコンフォトダイオードと同等の性能を提供します。

「私たちが達成したのは、低温で溶液から製造されたこれらのデバイスが、暗い空の一等星から目に届く光の量と同程度の、毎秒数十万光子の可視光を検出できることを初めて実証したことです」と、ジョージア工科大学電気コンピュータ工学部の主任研究科学者Canek Fuentes-Hernandez氏は述べています。「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能力は、応答時間が数十マイクロ秒の範囲で求められる用途において、フレキシブル有機フォトダイオードが最先端シリコンフォトダイオードに対して明確な利点を持つことを意味します。」

有機電子デバイスは、従来のシリコンなどの無機半導体ではなく、炭素ベースの分子やポリマーから製造される材料に基づいています。デバイスは、従来のエレクトロニクス製造に関わる高価で複雑なプロセスではなく、シンプルな溶液やインクジェット印刷技術で作れます。この技術はディスプレイ、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、Bernard Kippelen氏（ジョージア工科大学Joseph M. Pettit教授）の研究室で開発された光起電力デバイスで、空気安定で低仕事関数電極を生成するアミン含有ポリマー表面修飾剤であるポリエチレンイミンを使用しています。ポリエチレンイミンの使用は、ダークカレント（暗闇でもデバイスを流れる電流）が低い光起電力デバイスも生成することが示されました。これは、微弱な可視光信号を捕捉するフォトディテクタに材料が有用であることを意味します。

新デバイスの用途の一つは、心拍数と血中酸素レベルを測定するために指に装着されるパルスオキシメーターです。有機フォトダイオードは、従来デバイスの10分の1の光量で、体の複数箇所にデバイスを配置して動作させることを可能にするかもしれません。これにより、頻繁な電池交換なしで継続的なモニタリングと改善された生理学的情報を提供する着用型健康モニターが実現できます。他の潜在的用途には、タッチレスジェスチャー認識と制御などのヒューマンコンピュータインターフェースが含まれます。

将来の用途は、シンチレーションによる電離放射線検出です。高エネルギー粒子が蛍光体に衝突して放出される光の閃光です。検出可能な光レベルを下げることでデバイスの感度が向上し、より低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の検出には大面積検出器が必要で、有機フォトダイオードならシリコンフォトダイオードアレイより容易に作れます。

有機フォトダイオードはX線装置でも同様の利点を持つ可能性があります。医師は患者への線量を最小限に抑えるため、可能な限り最小の放射線レベルを使用したいと考えています。ここでも、感度、大面積、フレキシブルなフォームファクタが有機フォトダイオードにシリコンベースアレイに対する優位性を与えるはずです。

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せます。有機フォトダイオードの主要性能要因は応答時間の領域を除きシリコンとよく比較されます。研究者たちは、将来の用途を可能にするため、応答時間で100倍の改善に取り組んでいます。

「有機薄膜はシリコンより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小さいです」とKippelen氏。「面積をスケールアップしても、有機材料では検出器の全体積が小さままです。シリコン検出器の面積を増やすと、室温で大量の電子ノイズを生成するより多くの材料体積が生じます。」

Kippelen氏の研究室で作られたフォトダイオードは、わずか500ナノメートルの活性層を使用しています。指先ほどのサイズ、約1グラムの材料で、オフィスデスクの表面をコーティングできます。