过渡金属二硫化物（TMD）是开发先进传感器的有前景的候选材料，特别适用于车辆、无人机以及安全监控的全天候视觉系统。虽然传统系统对于不同的照明条件需要依赖不同的传感器，但过渡金属二硫化物可以在宽光谱范围内吸收光。
据麦姆斯咨询报道，近日，由韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）与加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）组成的科研团队在InfoMat期刊上发表了以“Active pixel image sensor array for dual vision using large-area bilayer WS₂”为主题的文章。该论文的第一作者为成均馆大学的Arindam Bala，通讯作者为成均馆大学的Sunkook Kim和滑铁卢大学的Youngki Yoon。
这项研究开发了一种基于双层二硫化钨（WS₂）光电晶体管的双视觉有源像素图像传感器阵列。该双层WS₂薄膜采用射频（RF）溅射与化学气相沉积（CVD）相结合的制造工艺进行制备。基于WS₂的薄膜晶体管（TFT）表现出高平均迁移率、优异的Ion/Ioff比和均匀的电学特性。由于光门控效应（photogating effect），TFT阵列可以探测可见光到近红外（NIR）光，其最高响应度为1821 A/W（λ = 405 nm）。最后，研究团队展示了有源像素图像传感器阵列的红、绿、蓝和近红外图像传感能力。所提出的利用WS₂光电晶体管的图像传感器阵列有望彻底改变视觉传感领域，并为夜视、行人探测、各类监控以及安全系统等各种应用带来一系列新机遇。
与单光谱系统相比，多光谱光电探测器系统提供了更准确且更易理解的信息，多光谱系统通常包括可见光探测器和红外光电探测器，用于解决与高空大气传输、人眼安全和安全监控相关的问题。这些多光谱系统对强光视觉和夜视均有很大助益，因为它们可以克服集成单独的可见光探测器和红外探测器的结构复杂性。为此，本研究介绍了一种基于双层WS₂的双视觉光电探测器系统，图1展示了该双视觉图像传感器的原理。
图1 双视觉图像传感器的原理
为了合成大面积WS₂薄膜，研究人员采用了射频磁控溅射与热CVD相结合的两步制造工艺。首先在SiO₂/Si衬底上溅射一层W薄膜，然后再将其装入充满H₂S气体的热CVD室中沉积第二层薄膜。图2展示了大面积WS₂薄膜的表征。
图2 晶圆级WS₂薄膜的表征
随后，研究人员对WS₂晶体管的电学特性进行了测试，通过研究薄膜晶体管（TFT）的性能来评估两步工艺制备的大面积WS₂薄膜的效果。图3（A）显示了使用标准光刻工艺制备的TFT的顶栅结构。
图3 WS₂晶体管的电学特性
在此基础上，研究人员进一步研究了WS₂ TFT对入射光的光电响应。这种光电晶体管矩阵有利于各种光电应用。本研究所提出的WS₂ TFT阵列在环境条件下具有优异的电均匀性和稳定性，为未来光电子学设计光电晶体管阵列提供了便利。图4（A）展示了WS₂光电晶体管的结构。
图4 WS₂光电晶体管的光传感特性及机理
图5（A）显示了在4英寸晶圆上制备的双视觉图像传感器阵列的图像。一片晶圆包含9颗有源像素WS₂光电晶体管阵列。
图5 双视觉图像传感阵列
综上所述，这项研究展示了一种基于大面积WS₂薄膜的双视觉有源像素图像传感器阵列。研究人员采用射频溅射与CVD相结合的制造工艺，在4英寸Si/SiO₂衬底上生长均匀的WS₂薄膜。利用大面积WS₂薄膜制备的TFT表现出高度均匀的电学性能。当暴露于可见光和近红外光下时，TFT也表现出稳定的响应度、探测率和灵敏度，其最高响应度为1821 A/W（λ = 405 nm）。高的光响应度的主要机制是由亚能隙态中捕获的空穴所引起的主导光门控（PG）效应，该机制已被实验证明并通过理论模型进行分析。为了以“按需”方式调整光电晶体管的功能，研究人员制备了双视觉图像传感器阵列，并成功在可见光和近红外光下清晰地探测到小丑图像。这些成果可以为研发用于安全驾驶、近红外成像、人工视觉系统和生物医学成像的下一代图像传感器提供新方法。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/inf2.12513
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