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成果展示

半球圖像傳感器（Hemispherical image sensors）簡化了鏡頭設計，減少了光學畸變，并提高了緊湊型寬視場相機的圖像分辨率。為實現半球形圖像傳感器，有機材料具有以下優點：光電/光譜響應的可調性和低溫低成本工藝。

基于此，斯坦福大學鮑哲南院士（通訊作者）等人報道了一種光刻工藝，利用密度為308像素/cm²的有機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，觀察到半球形有機光存儲晶體管的響應率為1.6 A W^-1（波長為465 nm），該值在所報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（光強度范圍為1-50 W m^-2）。另一個優點是，使用有機半導體可以更容易地將光學吸收特性調諧到不同波長。代替由一個選擇晶體管、一個光電二極管和一個存儲器件組成的更復雜的像素結構，單個光電存儲晶體管有效地充當了像素的等效功能，從而極大降低了陣列結構的復雜性。

此外，作者開發了一種基于光刻的制備方法，并使用壓縮屈曲將其轉移到曲面上。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半導體的條件下實現了高分辨率，例如加熱、紫外線照射、有機溶劑和苛刻的酸或堿。原則上，該有機光存儲晶體管陣列設計和制造應該是可擴展的。該工作構成了通過基于光刻的制備工藝制作半球形有機圖像傳感器陣列的首次報道。

背景介紹

半球形圖像傳感器類似于人眼，具有簡單的透鏡設計、低光學像差和寬視角等優點。有機半導體材料由于其通過多種材料結構的可調諧光譜響應而具有優勢，同時可通過低溫、輕質、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，在為無機材料開發的常規光刻圖案化和轉移過程中，有機半導體容易受到熱、有機溶劑、強酸/堿和紫外光的損害。同時，已報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像素中缺少一個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，其關鍵制備方法是使用金屬-金屬鍵合在曲面上進行接觸印刷，因而無法1）實現更復雜的器件結構或陣列結構；2）獲得小于5 μm的金屬線寬。鑒于上述限制，主要有以下兩個挑戰，以實現使用有機半導體材料制備的半球形圖像傳感器陣列：（i）設計具有與硅光電二極管相當的傳感性能的有機光電探測器像素，以及用于可擴展集成的陣列架構；（ii）開發可擴展的制造工藝和轉移方法，以實現半球形有機圖像傳感器陣列。

圖文速遞

圖1. 由有機光存儲晶體管制成的半球焦平面陣列

圖2. 光存儲晶體管的機理

圖3. 半球形圖像傳感器陣列中有機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

小結

總之，作者利用有機光電存儲晶體管制備了具有線性光響應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，半球圖像傳感器的響應率達到了創紀錄的1.6 A W^-1（波長為465 nm）。在圖像傳感器陣列中，每個像素僅由一個光存儲晶體管組成。此外，作者開發了一種基于光刻技術的有機半導體半球形圖像傳感器陣列的圖形和傳輸技術，以允許圖像傳感器陣列的可擴展性而不影響器件性能。作者認為該方法將適用于通過簡單集成各種具有不同光譜響應的有機半導體來實現全彩圖像傳感器陣列。這種器件設計，連同已開發的制造技術，應該是實現高分辨率和3D有機半導體器件的廣泛興趣。

文獻信息

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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