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成果展示

半球圖像傳感器（Hemispherical image sensors）簡化了鏡頭設(shè)計(jì)，減少了光學(xué)畸變，并提高了緊湊型寬視場相機(jī)的圖像分辨率。為實(shí)現(xiàn)半球形圖像傳感器，有機(jī)材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：光電/光譜響應(yīng)的可調(diào)性和低溫低成本工藝。

基于此，斯坦福大學(xué)鮑哲南院士（通訊作者）等人報(bào)道了一種光刻工藝，利用密度為308像素/cm²的有機(jī)薄膜照片存儲晶體管制備半球形圖像傳感器陣列。在文中，作者成功地展示了一個(gè)12×12半球形圖像傳感器陣列，該陣列由光刻工藝制備的有機(jī)光存儲晶體管組成。在0.24 A m^-2的暗電流（偏置電壓為-1.5 V）條件下，觀察到半球形有機(jī)光存儲晶體管的響應(yīng)率為1.6 A W^-1（波長為465 nm），該值在所報(bào)道的半球形圖像傳感器在相同條件下是最高值，并具有線性光響應(yīng)（光強(qiáng)度范圍為1-50 W m^-2）。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，使用有機(jī)半導(dǎo)體可以更容易地將光學(xué)吸收特性調(diào)諧到不同波長。代替由一個(gè)選擇晶體管、一個(gè)光電二極管和一個(gè)存儲器件組成的更復(fù)雜的像素結(jié)構(gòu)，單個(gè)光電存儲晶體管有效地充當(dāng)了像素的等效功能，從而極大降低了陣列結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

此外，作者開發(fā)了一種基于光刻的制備方法，并使用壓縮屈曲將其轉(zhuǎn)移到曲面上。該制備方法利用了成熟的光刻工藝，在不使用可能降解有機(jī)半導(dǎo)體的條件下實(shí)現(xiàn)了高分辨率，例如加熱、紫外線照射、有機(jī)溶劑和苛刻的酸或堿。原則上，該有機(jī)光存儲晶體管陣列設(shè)計(jì)和制造應(yīng)該是可擴(kuò)展的。該工作構(gòu)成了通過基于光刻的制備工藝制作半球形有機(jī)圖像傳感器陣列的首次報(bào)道。

背景介紹

半球形圖像傳感器類似于人眼，具有簡單的透鏡設(shè)計(jì)、低光學(xué)像差和寬視角等優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)半導(dǎo)體材料由于其通過多種材料結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧光譜響應(yīng)而具有優(yōu)勢，同時(shí)可通過低溫、輕質(zhì)、大面積和低成本工藝在彎曲、軟基底等各種基底上制造。然而，在為無機(jī)材料開發(fā)的常規(guī)光刻圖案化和轉(zhuǎn)移過程中，有機(jī)半導(dǎo)體容易受到熱、有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸/堿和紫外光的損害。同時(shí)，已報(bào)道的空間成像分辨率受到液體金屬絲間距（~1600 μm）或微針間距（~200 μm）的限制。

單二極管單單元傳感陣列由于在每個(gè)像素中缺少一個(gè)選擇晶體管或阻塞二極管，因此存在較大的脫電流問題。此外，其關(guān)鍵制備方法是使用金屬-金屬鍵合在曲面上進(jìn)行接觸印刷，因而無法1）實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)或陣列結(jié)構(gòu)；2）獲得小于5 μm的金屬線寬。鑒于上述限制，主要有以下兩個(gè)挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)使用有機(jī)半導(dǎo)體材料制備的半球形圖像傳感器陣列：（i）設(shè)計(jì)具有與硅光電二極管相當(dāng)?shù)膫鞲行阅艿挠袡C(jī)光電探測器像素，以及用于可擴(kuò)展集成的陣列架構(gòu)；（ii）開發(fā)可擴(kuò)展的制造工藝和轉(zhuǎn)移方法，以實(shí)現(xiàn)半球形有機(jī)圖像傳感器陣列。

圖文速遞

圖1. 由有機(jī)光存儲晶體管制成的半球焦平面陣列

圖2. 光存儲晶體管的機(jī)理

圖3. 半球形圖像傳感器陣列中有機(jī)光電存儲晶體管像素的特性

圖4. 用于光存儲晶體管陣列的DINOR架構(gòu)

小結(jié)

總之，作者利用有機(jī)光電存儲晶體管制備了具有線性光響應(yīng)的半球面焦平面陣列。在偏置電壓為-1.5 V、暗電流為0.24 A m^-2時(shí)，半球圖像傳感器的響應(yīng)率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的1.6 A W^-1（波長為465 nm）。在圖像傳感器陣列中，每個(gè)像素僅由一個(gè)光存儲晶體管組成。此外，作者開發(fā)了一種基于光刻技術(shù)的有機(jī)半導(dǎo)體半球形圖像傳感器陣列的圖形和傳輸技術(shù)，以允許圖像傳感器陣列的可擴(kuò)展性而不影響器件性能。作者認(rèn)為該方法將適用于通過簡單集成各種具有不同光譜響應(yīng)的有機(jī)半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)全彩圖像傳感器陣列。這種器件設(shè)計(jì)，連同已開發(fā)的制造技術(shù)，應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)高分辨率和3D有機(jī)半導(dǎo)體器件的廣泛興趣。

文獻(xiàn)信息

A Hemispherical Image Sensor Array Fabricated with Organic Photo-memory Transistors. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202203541.

https://doi.org/10.1002/adma.202203541.

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