光电探测器（PD）在现代社会中至关重要，因为它们能够探测各种基于光的信号。随着光电探测器的开发指数级增长，各种材料被尝试用于制造在实现各种应用和技术方面发挥着关键作用的光电探测器。然而，缺乏可以将所有类型的光电探测器与硅基读出集成电路（ROIC）集成的通用系统，使得图像传感器技术的发展受到严重阻碍。
据麦姆斯咨询报道，近日，由复旦大学、绍芯实验室、中国科学院上海技术物理研究所和苏州大学组成的科研团队开发了一种基于二维半导体材料的晶圆级集成通用光电成像平台，实现了高性能、多功能和大规模集成的成像系统。相关研究成果以“A universal optoelectronic imaging platform with wafer-scale integration of two-dimensional semiconductors”为题发表在Chip期刊上。
这项研究聚焦于开发一种基于二维半导体材料的晶圆级集成通用光电成像平台。研究团队采用了多种创新方法来实现这一目标。首先，研究人员选择了多种二维材料，包括MoS₂、MoTe₂等，这些材料具有独特的光电特性。为了促进二维材料与传统硅基电子器件的高效集成，研究人员创新性地研发了晶圆级集成制备技术。该技术突破了传统界限，能够直接在预先精心设计的衬底上，精准地生长出大面积且品质卓越的二维材料薄膜，实现了两者间无缝且高兼容性的集成，为电子器件的性能提升开辟了新路径。
图1 光电导（PC) 和光伏（PV）特性
在器件制造过程中，研究团队还优化了读出电路的设计，以确保其与二维材料探测器的特性相匹配。研究人员采用了先进的微纳加工技术来制作电极和互连结构，确保了器件的高性能和可靠性。此外，研究人员还开发了特殊的封装技术，以保护敏感的二维材料免受环境因素的影响，从而延长器件的使用寿命。
图2 光电探测器的特性
该研究团队成功制造出了大规模集成的二维半导体光电探测器阵列，实现高分辨率和超过100帧每秒的高帧率成像。这个系统不仅能够进行常规的可见光成像，还能够在近红外和短波红外波段工作，展现了优异的多光谱成像能力。特别值得一提的是，研究人员通过精心设计的光学系统和信号处理算法，实现了高质量的彩色成像、近红外夜视成像以及短波红外物质识别成像。
图3 ROIC结构和耦合系统
研究团队深入分析了这种新型成像平台的优势和潜在应用。与传统的硅基图像传感器相比，这种基于二维材料的平台具有更广的光谱响应范围，能够在单一芯片上实现多波段成像。这一特性在许多领域都有重要应用，例如在医疗成像中可以同时获取表面和深层组织的信息，在环境监测中可以识别不同的气体和污染物。
此外，研究人员还探讨了这种技术的可扩展性和工业化前景。虽然目前的制造成本较高，但随着二维材料生产技术的进步和规模效应的显现，成本有望大幅降低。研究团队还提出了几个改进方向，包括进一步提高材料质量、优化器件结构以及开发更先进的信号处理算法，以进一步提升系统性能。
最后，研究人员展望了这项技术的未来发展。随着二维材料科学和工程的不断进步，这种通用光电成像平台有望在更多领域找到应用，如自动驾驶、增强现实、工业检测等。这项研究不仅推动了二维材料在光电子领域的应用，也为下一代多功能、高性能成像系统的发展指明了方向。
https://doi.org/10.1016/j.chip.2024.100107
