大面積有機フォトダイオードに置き換わる？「シリコンフォトダイオード技術」

ダイオードと言うのは、光検出器の事で光が入射されるとエネルギーを生むというデバイスの事です。ジョージア工科大学から発表された研究によると、従来のシリコン型から有機フォトダイオードに移管していきそうな未来が感じ取れます。

The performance of flexible large-area organic photodiodes has advanced to the point that they can now offer advantages over conventional silicon photodiode technology, particularly for applications such as biomedical imaging and biometric monitoring that require detecting low levels of light across large areas.

参照元：http://www.news.gatech.edu/2020/11/05/large-area-flexible-organic-photodiodes-can-compete-silicon-devices

ジョージア工科大学からフォトダイオードに関する新しい研究結果が発表されました。

フォトダイオードのエネルギーの話です。

フォトダイオードはつまり光が入射されればエネルギーを生み出すという仕組みのデバイスです。

これまでのシリコンで製造されていたダイオードを使用していたアプリケーションの一部を、有機体のダイオードに置き換えると様々な利点があるという事がわかりました。

ジョージア工科大学の研究によると、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に匹敵する性能を提供します。

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・ヘルナンデス氏は話します。

「私たちが達成したのは、低温の溶液から生成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。」

「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、柔軟な有機フォトダイオードが、数十マイクロ秒の範囲の応答時間を必要とするアプリケーションにおいて、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。」

この研究は、海軍研究局、空軍科学研究局、米国エネルギー省の国家核安全保障局など、複数の組織によってサポートされていました。

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氏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、つまり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捕捉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。

論文の筆頭著者であるフエンテス-ヘルナンデス氏は説明します。

「何年にもわたって、暗電流レベルが大幅に低下したため、100万分の1秒で1つの電子の変動に対応する電子ノイズを検出するために測定機器を再設計する必要がありました。この作業は、6年以上にわたってKippelenグループで行われた継続的なチームの取り組みを反映しており、最近の卒業生であるTalhaKahnとWen-FangChouの博士号の作業の一部を網羅しています。」

新しいデバイスの1つのアプリケーションは、心拍数と血中酸素濃度を測定するために指に配置された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、複数のデバイスを身体に配置して、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、頻繁なバッテリー交換なしに、改善された生理学的情報と継続的なモニタリングを生成できます。

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蛍光体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はシリコンベースのアレイよりも優れているはずです。

フエンテス-ヘルナンデス氏は説明します。

「高速光検出器を製造することで、さらに多くの重要なアプリケーションが可能になるため、光検出器の応答時間の改善に取り組んでいます。よりスケーラブルな光検出器技術を開発することが本当に必要であり、この作業の動機の1つは、スケーリングに費用効果が高いことがわかっている有機技術を進歩させることです。」

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、研究者が将来のアプリケーションを可能にするために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。

キッペレン氏は話します。

「私たちは印刷技術を使用してインクから処理された材料を使用しているため、それらは結晶性材料ほど注文されていません。その結果、これらの材料を通過できるキャリアの移動度とキャリアの速度が低下するため、シリコンで得られるのと同じ高速信号を得ることができません。しかし、多くのアプリケーションでは、ピコ秒やナノ秒は必要ありません。」

キッペレン氏の場合、フォトダイオードの研究は、有機電子材料の性能を改善するための25年間の努力の結果を示しています。

ジョージア工科大学の有機フォトニクスおよび電子工学センターの一部であるこの研究には、基礎科学を理解するための広範なデバイスモデリングと、材料の性能を継続的に向上させるための研究が含まれています。

キッペレン氏は続けます。

「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。それらの面積を拡大しても、検出器の全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、室温で多くの電子ノイズを生成する材料の量が多くなります。」

キッペレン氏の研究室で作られたフォトダイオードは、わずか500ナノメートルの厚さの活性層を使用しています。

およそ指先の大きさの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。

キッペレン氏は、サイエンスペーパーが有機半導体の新しい扉を開くのに役立つことを望んでいます。

キッペレン氏は続けます。

「このような進歩により、スケーラブルなデバイスにつながる可能性のある有機材料に切り替えることはパフォーマンスを放棄することを意味するという従来の常識を変えることができます。この進歩によって可能になる可能性のあるすべての新しいアプリケーションを予測することはできません。」