有机光电二极管（OPD）因其低温大面积加工性和宽光谱可调性，在物联网（IoT）和光学成像领域具有巨大潜力。然而，传统本体异质结（BHJ）结构存在组分分布差异小、迁移率低、载流子复合严重等问题，难以兼顾高光电流与低暗电流，限制了其在成像中的应用。为解决活性层形貌不佳的问题，准平面异质结逐渐替代本体异质结，并广泛应用于有机太阳能电池等领域，以提升光电转换效率。该结构虽然改善了活性层垂直方向的组分分布，降低了暗电流密度，但电极界面反向电子注入问题依旧存在。此外，采用转印工艺在界面处构建单一组分阻挡层以提高暗电流注入势垒，但工艺复杂且难以实现大规模集成。因此，亟需开发新型OPD结构，既能提高比探测率，又能满足制备工艺与TFT有源矩阵背板的集成需求，从而推动有机光探测技术的商业化应用。

针对以上问题，深圳技术大学单通助理教授（李顺朴教授团队）联合上海交通大学郭小军教授等人提出了一种新的OPD器件结构，在光活性层结构的构建和界面工程方面提出了新的见解，利用自组装单分子层（SAM）双相异质结（BPHJ）的协同作用，不仅显著降低了暗电流，还实现了高灵敏度和快速响应，为极弱光成像技术提供了新的解决方案。新型器件结构使OPD器件的暗电流密度降低至2.22×10⁻¹⁰ A/cm⟡（比传统器件结构降低3个数量级），比探测率（D*）高达5.54×10¹³ Jones，线性动态范围（LDR）153 dB，同时表现出极好的器件稳定性。该器件策略也表现出很好的普适性，在多种经典材料体系中获得了器件性能的显著提升，实现了覆盖可见光至近红外光范围的灵敏探测。更重要的是，该器件技术完美兼容标准显示面板工业背板的后端集成，与分辨率为64×64的a-Si:H TFT有源矩阵背板集成后，在4 nW/cm⟡弱光下可以实现清晰成像（检测限行业领先），并成功捕捉OLED屏0.04 nit超低亮度图像。

图 1 本文提出的有机光电二极管的器件结构示意图与成像系统演示。

图2（a-b）无透镜光学分析（Organic Active-Matrix Imager with Ultra-low Illumination Detection Capacity for Lens-Free Optical Analysis，2023 IEDM）。（c）多模态人机交互界面（Multi-modal Full-area High-resolution Human-Machine Interactive Surface with 3D Stacking of IGZO TFT Active-Matrix Capacitive and Optical Sensing Arrays，2024 IEDM）

这项研究通过界面-结构协同设计，解决了OPD暗电流与光电流难以兼顾的问题，该器件技术与面向显示产业的有源矩阵背板集成兼容度高，突破了有机光传感面阵成像的弱光探测极限，为高灵敏度光学成像设备提供了新范式。相关研究成果近期以“Self-assembled Monolayer Assisted Biphasic Heterojunction Organic Photodiode for Panel-level Manufacturing of Active-Matrix Optical Imager”为题发表于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》，单通助理教授为第一作者兼共同通讯作者。此外，研究团队还基于该关键器件技术进一步探索了有机光探测器在无透镜光学分析和多模态感知集成方面的应用，实现了比肩大型商业光谱仪的准确性和光/触控感知的多模态人机交互界面，相关成果连续两年发表在微电子器件、集成电路顶级会议IEEE International Electron Devices Meeting（IEDM）。