正反馈有机-硅上转换器件

《Advanced Science》：Positive Feedback Organic-on-Silicon Upconversion Devices

提出一种有机发光二极管（OLED）与有机/硅异质结光电二极管（HPD）结合的混合器件架构，通过正反馈机制实现近红外（λ≈1.1微米）到可见光的9倍光子增益。优化HPD电容以提升响应速度，并发现电气串扰会导致像素化阵列中的级联效应。该架构可集成硅微电子系统，未来有望扩展至锗或铟镓砷材料以增强近红外响应。

　　该研究提出了一种新型的光电子正反馈上转换器件架构，该架构结合了有机发光二极管（OLED）和有机/硅（Si）异质结光电二极管。这种混合结构的器件能够对近红外（NIR）光进行放大和转换，将其直接转化为可见光，具有在夜间视觉、生物成像和神经形态图像分类等领域的广泛应用潜力。研究重点在于通过优化器件结构，提高其响应速度和灵敏度，同时克服像素间电学串扰的问题，从而实现高分辨率的光电子上转换成像系统。

在传统光电子上转换系统中，通常采用有机光电二极管（OPD）与OLED的组合，其中OPD在反向偏置下吸收NIR光，产生光电流，再通过正向偏置的OLED转化为可见光。然而，这种结构在实际应用中存在一定的局限性，例如较低的灵敏度和较短的光谱响应范围。为了突破这些限制，研究团队设计了一种新型的混合器件，其核心是将OLED集成在有机-硅异质结光电二极管上。该异质结由n型硅和p型有机空穴传输材料（HTM）组成，利用其界面处的能带结构差异，有效收集光生空穴并抑制暗电流，从而提升器件的整体性能。

研究发现，该混合器件对波长达到约1.1微米的近红外光具有良好的响应能力，并且在输入光强低于1微瓦/平方厘米的情况下，能够实现高达9倍的光子到光子上转换增益（ηpp）。这一结果表明，该结构不仅能够显著提高光转换效率，还能够在较低的光强条件下启动正反馈循环，从而实现高效的光放大。为了进一步优化器件性能，研究团队还探讨了如何通过减少光电二极管的电容来提升其响应速度，从而支持实时成像应用。此外，实验表明，当器件被设计为像素化阵列时，需要解决像素间的电学串扰问题，以防止一个激活的像素触发多个相邻像素，造成图像失真或误判。

在实验过程中，研究团队对器件的性能进行了详细测试，包括电流-电压特性（J-V曲线）、外部量子效率（EQE）和瞬态响应分析。J-V曲线显示，该混合器件在暗态下表现出明显的滞后效应和双稳态行为，这是正反馈机制的直接证据。在光照条件下，器件的响应特性进一步验证了其上转换增益和双稳态行为的可行性。通过调整偏置电压，研究团队能够控制器件的上转换响应范围，并观察到在特定光强阈值下，器件能够从低稳态迅速跳转至高稳态，导致输出亮度出现数百倍的跳跃变化。

为了实现高效的光电子上转换，研究团队还探讨了器件结构的优化策略。例如，通过采用更薄的有机层和更高效的电荷传输材料，可以减少器件的电容，从而提升其响应速度。此外，研究团队指出，当将OLED与有机光电二极管结合时，由于有机材料的特性，器件通常需要较高的反向偏置电压才能实现有效的光转换。而该混合器件的结构设计使得光电二极管在较低电压下即可实现高效的电荷收集，从而减少了整体所需的驱动电压，提高了器件的功率效率。

在像素化应用方面，研究团队测试了一种50×50微米2的像素阵列，发现即使通过光栅化设计将每个像素的活动区域分开，正反馈效应仍然会导致横向的电流扩散，最终激活整个阵列。这一现象表明，像素间的电学串扰仍然是当前混合器件设计中的一个重要挑战。为了解决这一问题，研究团队建议采用类似于CMOS图像传感器中的隔离技术，如隔离沟槽或导电层之间的物理屏障，以有效阻断电流的横向流动。

此外，研究还讨论了如何进一步提升器件的灵敏度和响应速度。例如，通过引入更优化的硅p-i-n异质结结构，可以显著降低暗电流并提高光电二极管的响应效率。同时，采用更高效的电荷传输层和更薄的有机层，有助于减少器件的电容，从而加快其响应速度。这些优化措施将有助于开发更高性能的光电子上转换系统，使其能够应用于更广泛的领域，如高分辨率图像增强、光学神经网络加速器等。

研究团队还指出，该混合器件的结构设计为未来的光电子上转换技术提供了新的方向。例如，通过将光电二极管替换为其他无机半导体材料，如锗（Ge）或InGaAs，可以进一步拓展器件的光谱响应范围，使其能够覆盖更长波长的近红外光。这不仅有助于提升器件在低光条件下的成像能力，还可能为光学通信、环境监测和安全成像等应用提供新的可能性。

在实验方法上，研究团队采用了一系列标准测试手段，包括使用锁相放大器同步检测光电流、利用Zurich Instruments MFIA阻抗分析仪测量电容-电压特性，以及使用Keysight B2912A源表进行电流-电压扫描。这些测试方法不仅验证了器件的基本性能，还帮助研究团队深入理解其工作原理和优化潜力。此外，通过引入电荷生成层（CGL）和电子注入层（EIL），研究团队能够更精确地控制电荷的注入和提取过程，从而提升器件的整体效率。

该研究的结果表明，混合器件在光电子上转换领域具有重要的应用前景。通过结合有机材料的发光特性与无机半导体的高灵敏度和低暗电流优势，该结构不仅能够实现高效的光转换，还能够支持高分辨率和高速度的成像需求。此外，由于其良好的集成性，该器件有望与现有的硅微电子技术相结合，推动光电子上转换在更广泛的应用场景中的落地。例如，在神经形态计算中，该器件可以作为非线性激活函数的物理实现，从而提升光学神经网络的计算效率和实时性。

总体而言，这项研究为光电子上转换技术的发展提供了新的思路和实验验证。通过优化器件结构和材料选择，研究团队成功实现了在较低光强条件下的高效光转换，并解决了像素化器件中可能出现的电学串扰问题。这些成果不仅推动了光电子上转换器件在图像增强和光学计算等领域的应用，还为未来更先进的光电子系统设计奠定了基础。随着进一步的技术改进和材料优化，这类混合器件有望成为下一代光电子成像和计算设备的核心组件。