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成果展示

半球图像传感器（Hemispherical image sensors）简化了镜头设计，减少了光学畸变，并提高了紧凑型宽视场相机的图像分辨率。为实现半球形图像传感器，有机材料具有以下优点：光电/光谱响应的可调性和低温低成本工艺。

基于此，斯坦福大学鲍哲南院士（通讯作者）等人报道了一种光刻工艺，利用密度为308像素/cm²的有机薄膜照片存储晶体管制备半球形图像传感器阵列。在文中，作者成功地展示了一个12×12半球形图像传感器阵列，该阵列由光刻工艺制备的有机光存储晶体管组成。在0.24 A m^-2的暗电流（偏置电压为-1.5 V）条件下，观察到半球形有机光存储晶体管的响应率为1.6 A W^-1（波长为465 nm），该值在所报道的半球形图像传感器在相同条件下是最高值，并具有线性光响应（光强度范围为1-50 W m^-2）。另一个优点是，使用有机半导体可以更容易地将光学吸收特性调谐到不同波长。代替由一个选择晶体管、一个光电二极管和一个存储器件组成的更复杂的像素结构，单个光电存储晶体管有效地充当了像素的等效功能，从而极大降低了阵列结构的复杂性。

此外，作者开发了一种基于光刻的制备方法，并使用压缩屈曲将其转移到曲面上。该制备方法利用了成熟的光刻工艺，在不使用可能降解有机半导体的条件下实现了高分辨率，例如加热、紫外线照射、有机溶剂和苛刻的酸或碱。原则上，该有机光存储晶体管阵列设计和制造应该是可扩展的。该工作构成了通过基于光刻的制备工艺制作半球形有机图像传感器阵列的首次报道。

背景介绍

半球形图像传感器类似于人眼，具有简单的透镜设计、低光学像差和宽视角等优点。有机半导体材料由于其通过多种材料结构的可调谐光谱响应而具有优势，同时可通过低温、轻质、大面积和低成本工艺在弯曲、软基底等各种基底上制造。然而，在为无机材料开发的常规光刻图案化和转移过程中，有机半导体容易受到热、有机溶剂、强酸/碱和紫外光的损害。同时，已报道的空间成像分辨率受到液体金属丝间距（~1600 µm）或微针间距（~200 µm）的限制。

单二极管单单元传感阵列由于在每个像素中缺少一个选择晶体管或阻塞二极管，因此存在较大的脱电流问题。此外，其关键制备方法是使用金属-金属键合在曲面上进行接触印刷，因而无法1）实现更复杂的器件结构或阵列结构；2）获得小于5 µm的金属线宽。鉴于上述限制，主要有以下两个挑战，以实现使用有机半导体材料制备的半球形图像传感器阵列：（i）设计具有与硅光电二极管相当的传感性能的有机光电探测器像素，以及用于可扩展集成的阵列架构；（ii）开发可扩展的制造工艺和转移方法，以实现半球形有机图像传感器阵列。

图文速递

图1. 由有机光存储晶体管制成的半球焦平面阵列

图2. 光存储晶体管的机理

图3. 半球形图像传感器阵列中有机光电存储晶体管像素的特性

图4. 用于光存储晶体管阵列的DINOR架构

小结

总之，作者利用有机光电存储晶体管制备了具有线性光响应的半球面焦平面阵列。在偏置电压为-1.5 V、暗电流为0.24 A m^-2时，半球图像传感器的响应率达到了创纪录的1.6 A W^-1（波长为465 nm）。在图像传感器阵列中，每个像素仅由一个光存储晶体管组成。此外，作者开发了一种基于光刻技术的有机半导体半球形图像传感器阵列的图形和传输技术，以允许图像传感器阵列的可扩展性而不影响器件性能。作者认为该方法将适用于通过简单集成各种具有不同光谱响应的有机半导体来实现全彩图像传感器阵列。这种器件设计，连同已开发的制造技术，应该是实现高分辨率和3D有机半导体器件的广泛兴趣。

文献信息

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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