Effect of charge blocking layer for enhancing detectivity in near infrared organic photodetectors

Abstract

유기발광 다이오드를 따라 유기물 광 검출기 또한 많은 연구가 진행되고 있다. 유기물을 사용함으로서 가질 수 있는 낮은 공정 비용, 다양한 기판 선택성, 파장 선택성 등의 장점이 유기물 반도체에 대한 연구의 원동력이 되고 있다. 유기물 광 검출기는 물질의 특정 파장 영역에서 흡수에 따라 다양하게 응용이 가능하다. 근 적외선 광 검출기는 방범용 카메라, 원격 조종, 적외선 카메라 등에 활용될 수 있으며 특히 유기물을 이용하면 인공 망막에도 활용될 수 있는 잠재력이 있다. 하지만 근적외선 유기물 광 검출기는 작은 밴드갭을 가져, 암전류에 의한 노이즈가 크게 나타난다는 문제가 있다. 이는 외부 전압이 가해지는 광전도 방식의 광 검출기에서 특히 암전류가 크게 증가하는 문제가 나타난다. 이는 광 검출기의 검출도를 낮추는 요소가 되고 검출도 향상을 위해서는 암 전류 감소가 요구된다. 암 전류는 전극으로부터 주입되는 전하와 전자 주개와 전자 받개의 계면에서 열적으로 형성되는 전하로 이루어져있다. 따라서 이런 전하의 이동을 막음으로 암 전류를 감소시켜켜 광 검출기의 검출도를 향상시킬 수 있다.

이미지 센서로 구동하기위해 트랜지스터와 결합을 위한 역 구조의 광 검출기가 요구되며, 역 구조의 광 검출기는 상부 투명 전극의 형성으로 유발되는 손상으로 인한 큰 암 전류 밀도를 나타낸다. 따라서 전하 차단 층으로 분자의 에너지 레벨과 정공 이동도가 다양한 물질을 선정하여 전극과 전자 주개 층 사이에 삽입하여 소자를 제작하였다. 그 결과, 4,4-bis(N-carbazolyl)-1,1-biphenyl (CBP)를 전하 차단 층으로 사용하였을 때 -3V에서 164 nA/cm2으로 낮은 암전류가 얻어졌으며, 외부 광전 변환효율이 25.1%에서 29.3%로 증가함으로 9.7×1011 cm Hz1/2/W의 높은 검출도가 얻어졌다. 이는 전하 차단 층의 높은 LUMO 준위로 전극에서 주입되는 전하에 대한 큰 에너지 장벽과 낮은 HOMO 준위에 의해 전극으로 추출되는 전하의 이동을 막은 것의 결과로 나타났다. 전하 차단층의 HOMO 준위에 따라 암전류가 변화하는 경향을 보였는데, 이는 LUMO 준위가 전극에서 주입되는 전자를 막을 정도로 충분히 높으면 HOMO 준위에 의해 암전류가 감소하는 것을 의미한다.

더 나아가 선형 구동 범위, 차단주파수, 응답 시간 등의 중요한 성능 지수 등을 측정하여 비교하였다. 입사되는 빛의 강도에 따라 광 전류가 선형적으로 변화하는 구간은 암 전류가 낮은 소자에서 더 크게 나타났다. 하지만 전하 차단 층을 사용하면 응답 시간이 증가하는 결과가 나타났는데, 이는 두께 증가와 계면에 쌓인 전하가 전극으로 추출이 지연되는 현상에 의한 것으로 여겨진다. 마찬가지로 차단 주파수도 전하 차단 층에 의해 감소하였지만, 전하 이동도가 높은 물질을 사용했을 때는 상대적으로 적은 감소를 보였다.

이 연구를 통해 유기물 광 검출기의 특성에 미치는 전하 차단 층 효과를 알 수 있으며 앞으로 물질 연구 및 소자 구조 개발에 도움이 될 수 있길 바란다.

Potential of organic semiconductors was proved as the development of organic light emitting diodes (OLEDs) used in many areas of our life. Interest in organic photodetectors is also increasing thanks to an advantage of organic materials such as low process cost, using flexible substrate, wavelength selectivity by designing a molecular structure. Organic photodetectors (OPDs) can be applied in various fields depending on the absorption wavelength region. Near-infrared photodetectors have the various application of NIR camera, organ implant, motion detector, and remote controller. However, NIR OPDs have a drawback in terms of small bandgap causing high dark current density, namely noise in OPDs. Noise stand out particularly in the photoconductive mode of photodetectors in which an external voltage is applied. An increase in the dark current reduces the detectivity and it is important to improve the detectivity without decreasing the efficiency.

For enhancing the detectivity of OPDs it is required to reduce dark current density and increase external quantum efficiency. The dark current density is originated from the injected carrier from the electrode and thermally generated carrier in the PN junction and leakage current in devices. Reducing the dark current by blocking this flow of charge is important to improve the detectivity.

In this study, we introduced organic materials as charge blocking layers (CBLs) on inverted-structure NIR OPDs to investigate the origin of the dark current density. Depending on CBLs with various molecular energy levels, characteristics of OPDs is different. The deeper HOMO of the charge blocking layer is, the lower the dark current density is. With inserting 4,4-bis(N-carbazolyl)-1,1-biphenyl (CBP) between anode and donor the dark current density was reduced up to 164 nA/cm2 and EQE also increased from 25.1% to 29.3%. High detectivity of 1.06 ×1012 cm2 Hz/W at 970 nm under a reverse bias of -3V was obtained. The low dark current density was obtained due to low HOMO and high LUMO level of CBP working as energetic barriers on the injected charge from the electrode and thermally generated charge at PN junction respectively.

Other figure of merits including linear dynamic range, cut off frequency, and response time were compared depending on used CBL. The linear region was also longest in the device with CBP due to the low dark current density. However, using charge blocking layers resulted in increased response time compared with the device without CBL because the charge extraction was delayed due to the increase of device thickness and accumulation at the organic interface. Similarly, the cut-off frequency was reduced compared with the device without CBL but high mobility of CBL compensated loss of frequency response.

In this study, we could know the effect of the charge blocking layer on the characteristics of the organic photodetector and it will be useful for the study of material and development of device structure in the future.