第一作者：Shen Zhang

通訊作者：魏大程

通訊單位：復(fù)旦大學(xué)

魏大程，復(fù)旦大學(xué)，分子材料與器件實(shí)驗(yàn)室，研究員，博士生導(dǎo)師，國家高層次引進(jìn)青年人才、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人。研究方向?yàn)?/span>特色原創(chuàng)性研究聚焦在晶體管材料與器件研究領(lǐng)域，開發(fā)了材料可控合成和器件加工技術(shù)，研究了新型晶體管器件、光電傳感器、化學(xué)與生物傳感器的設(shè)計(jì)原理和功能應(yīng)用，取得了一系列創(chuàng)新成果。

論文速覽

高性能大規(guī)模集成有機(jī)光電晶體管需要在高分辨率像素化期間保持其光電轉(zhuǎn)換能力的半導(dǎo)體層。然而，由于缺乏對(duì)納米結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計(jì)，光電性能和器件小型化之間的權(quán)衡極大地限制了商業(yè)應(yīng)用的成功。

本研究提出了一種光伏納米單元增強(qiáng)策略，成功克服了光電性能與器件微型化之間的權(quán)衡，使得高性能有機(jī)光晶體管能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模集成。研究團(tuán)隊(duì)將基于鈣鈦礦量子點(diǎn)的核殼結(jié)構(gòu)光伏納米單元嵌入光交聯(lián)有機(jī)半導(dǎo)體中，通過光刻技術(shù)制造了超大規(guī)模集成（超過221個(gè)單元）的成像芯片。

這些芯片具有高達(dá)3.1×10⁶個(gè)單位/平方厘米的像素密度，比現(xiàn)有有機(jī)成像芯片至少高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，與最新的商業(yè)全幅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）相機(jī)芯片相當(dāng)。嵌入的光伏納米單元實(shí)現(xiàn)了原位光門控調(diào)制，使得光響應(yīng)度和探測(cè)率達(dá)到6.8×10⁶ A W^-1和1.1×10¹³ Jones（在1 Hz時(shí)），分別實(shí)現(xiàn)了大規(guī)?；蚋呒捎袡C(jī)成像芯片的最高值。

此外，還制造了一種超大規(guī)模集成（超過216個(gè)單元）的可拉伸仿生視網(wǎng)膜，用于神經(jīng)形態(tài)成像識(shí)別，其分辨率、光響應(yīng)度和功耗接近生物對(duì)應(yīng)物。

圖文導(dǎo)讀

圖1：光伏納米單元與傳統(tǒng)平面光伏單元的工作原理對(duì)比。

圖2：使用PQD納米單元制造的超大規(guī)模集成（ULSI）成像芯片的制造過程和性能。

圖3：ULSI成像芯片的光電性能。

圖4：高密度互連矩陣的制造和性能，包括電路示意圖、層信息、高密度互連矩陣的光學(xué)顯微鏡圖像和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖5：PQD納米單元在納米尺度調(diào)制機(jī)制中的作用，包括電荷分離和轉(zhuǎn)移過程。

圖6：超大規(guī)模集成（VLSI）仿生視網(wǎng)膜的應(yīng)用。

總結(jié)展望

本研究成功展示了光伏納米單元的概念，并通過納米尺度調(diào)制克服了像素密度與光電性能之間的權(quán)衡，這可能是實(shí)現(xiàn)有機(jī)成像芯片商業(yè)化的關(guān)鍵。嵌入的納米單元可以通過光交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的聚集結(jié)構(gòu)和界面，保持光轉(zhuǎn)換和調(diào)制性能，對(duì)抗長期存儲(chǔ)、熱損傷和基板應(yīng)變，為高性能集成光電子設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用提供了前景。

此外，該策略不僅適用于成像芯片，還可以擴(kuò)展到發(fā)光二極管和太陽能電池等其他光電子設(shè)備?？紤]到與微電子工業(yè)的兼容性，這種策略有利于實(shí)現(xiàn)高密度有機(jī)芯片的晶圓級(jí)、可靠和標(biāo)準(zhǔn)化制造。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors

期刊：Nature Nanotechnology

DOI：10.1038/s41565-024-01707-0