ScienceAdvances I 类皮肤二维像素化全色量子点光电探测器

2021-12-04 10:30:29, Park原子力显微镜 Park帕克原子力显微镜

ScienceAdvances ^.Vol 5. Issue 11

A skin-like two-dimensionally pixelized full-color quantum dot photodetector

类皮肤二维像素化全色量子点

光电探测器

原文参考 DOI: 10.1126/sciadv.aax8801

在类似皮肤的软平台上制造的集成全色 [紫外 (UV) 到红外 (IR)] 光电探测器可以提供来自身体和周围环境中的各种有意义信息，从而实现面向人类的全新技术，例如神经形态图像传感器、软机器人和生物健康监测。此外，在应对复杂的监测目标和环境条件时，单一平台上的二维全彩光电探测与单波段或窄带光电探测相比，在目标识别和获取更可靠、更广泛的信息方面可能具有相当大的优势。然而，传统和最近报道的光电检测系统大多是由单个光电检测器的简单组合组成，这些光电检测器只能检测特定或有限范围的波长，导致像素分辨率低、带宽可调性有限和设备架构复杂。并且，将高分辨率多层光敏材料和用于全色范围光电检测的器件阵列与单片集成的这些困难一直是实现高响应和全色可辨别类皮肤光电检测器阵列的严重障碍。

由于这些因素，人们付出了巨大的努力来开发具有用于宽带光电检测的新型光敏材料和器件架构的光电探测器，例如胶体量子点 (QD)、非晶氧化物半导体 (AOS)、有机半导体、钙钛矿材料和二维材料（石墨烯和过渡金属二硫属化物）。特别是，为了最大限度地提高宽带范围内的光敏度，光电探测器的混合器件架构已被广泛采用。然而，尽管先前的进展值得注意，但它们通常呈现出一种窄带吸收材料，其带隙可调性和波长识别能力有限。为了克服这些限制，特别是在光敏性、全色光电检测和波长区分方面，胶体 QD 因其独特的光电特性（例如宽带隙可调性和高光吸收系数）引起了相当多的关注。此外，对于光电探测器的大面积和有源矩阵驱动，AOS 已得到积极研究，例如非晶铟镓锌氧化物 (a-IGZO) 基薄膜晶体管 (TFT)，因为它们具有高载流子移动性、低断态电流和可扩展性。

然而，结合各种多光谱半导体和提高高性能光电器件的光子传输效率的困难阻碍了这些平台转化为实际实现。在这里，Jaehyun Kim, Sung-Min Kwon等研究者们在ScienceAdvances (

SCIENCE ADVANCES•22 Nov 2019•Vol 5, Issue 11•DOI: 10.1126/sciadv.aax8801) 报告了一种通过使用各种尺寸胶体量子点 (QD) 和非晶铟镓锌氧化物半导体的单片集成低温（<150°C）制造的二维像素化全色光电探测器。通过引入陷阱还原螯合金属硫配体，成功实现了高效的电荷载流子传输和无光敏电阻的 QD 层精细图案化，表现出极高的光电探测率 (>4.2 × 10¹⁷ Jones) 和光响应性 (>8.3 × 10³ AW⁻¹)在广泛的波长范围内（365 至 1310 nm）。在这些技术的基础上，在类似皮肤的软平台上实现了波长可辨别的光电晶体管电路阵列（>600 个光电晶体管），有望成为宽光谱图像传感器和面向人类的生物设备的通用且可扩展的方法。

QD/AOS混合光电晶体管的器件结构示意图

精细的QD图案化

Park Journal

追求 QD 和 AOS 层的单片集成以实现高光响应特性，还需要用于像素化的 QD 多层高分辨率图案化，以制造功能性光电探测器阵列，通过减少漏电流来保证高光电探测率和宽动态范围。在这里，实验人员使用与 CMOS 兼容的直接光刻工艺，利用 Sn₂S₆⁴⁻ 配体的高光化学反应性，在没有任何光刻胶的情况下实现传感器阵列的隔离 QD 层通过 UV 曝光，使得用于 QD 层像素化的光刻工艺成为可能。而在图案化的三维观测和缺陷检测中，原子力显微镜 (AFM) 也起到了至关重要的作用。图像证实了 QD 层的具有清晰的表面结构图案，而高分辨率纳米级的扫描轮廓，也检测出其厚度约为 17 nm。本研究中，原子力显微镜采用的是帕克原子力显微镜公司(Park Systems) NX系列中NX10设备 (Park NX10)，利用非接触模式进行纳米级表面三维成像。