光電探測器（PD）在現代社會中至關重要，因為它們能夠探測各種基于光的信號。隨著光電探測器的開發指數級增長，各種材料被嘗試用于制造在實現各種應用和技術方面發揮著關鍵作用的光電探測器。然而，缺乏可以將所有類型的光電探測器與硅基讀出集成電路（ROIC）集成的通用系統，使得圖像傳感器技術的發展受到嚴重阻礙。
據麥姆斯咨詢報道，近日，由復旦大學、紹芯實驗室、中國科學院上海技術物理研究所和蘇州大學組成的科研團隊開發了一種基于二維半導體材料的晶圓級集成通用光電成像平臺，實現了高性能、多功能和大規模集成的成像系統。相關研究成果以“A universal optoelectronic imaging platform with wafer-scale integration of two-dimensional semiconductors”為題發表在Chip期刊上。
這項研究聚焦于開發一種基于二維半導體材料的晶圓級集成通用光電成像平臺。研究團隊采用了多種創新方法來實現這一目標。首先，研究人員選擇了多種二維材料，包括MoS?、MoTe?等，這些材料具有獨特的光電特性。為了促進二維材料與傳統硅基電子器件的高效集成，研究人員創新性地研發了晶圓級集成制備技術。該技術突破了傳統界限，能夠直接在預先精心設計的襯底上，精準地生長出大面積且品質卓越的二維材料薄膜，實現了兩者間無縫且高兼容性的集成，為電子器件的性能提升開辟了新路徑。
圖1 光電導（PC) 和光伏（PV）特性
在器件制造過程中，研究團隊還優化了讀出電路的設計，以確保其與二維材料探測器的特性相匹配。研究人員采用了先進的微納加工技術來制作電極和互連結構，確保了器件的高性能和可靠性。此外，研究人員還開發了特殊的封裝技術，以保護敏感的二維材料免受環境因素的影響，從而延長器件的使用壽命。
圖2 光電探測器的特性
該研究團隊成功制造出了大規模集成的二維半導體光電探測器陣列，實現高分辨率和超過100幀每秒的高幀率成像。這個系統不僅能夠進行常規的可見光成像，還能夠在近紅外和短波紅外波段工作，展現了優異的多光譜成像能力。特別值得一提的是，研究人員通過精心設計的光學系統和信號處理算法，實現了高質量的彩色成像、近紅外夜視成像以及短波紅外物質識別成像。
圖3 ROIC結構和耦合系統
研究團隊深入分析了這種新型成像平臺的優勢和潛在應用。與傳統的硅基圖像傳感器相比，這種基于二維材料的平臺具有更廣的光譜響應范圍，能夠在單一芯片上實現多波段成像。這一特性在許多領域都有重要應用，例如在醫療成像中可以同時獲取表面和深層組織的信息，在環境監測中可以識別不同的氣體和污染物。
此外，研究人員還探討了這種技術的可擴展性和工業化前景。雖然目前的制造成本較高，但隨著二維材料生產技術的進步和規模效應的顯現，成本有望大幅降低。研究團隊還提出了幾個改進方向，包括進一步提高材料質量、優化器件結構以及開發更先進的信號處理算法，以進一步提升系統性能。
最后，研究人員展望了這項技術的未來發展。隨著二維材料科學和工程的不斷進步，這種通用光電成像平臺有望在更多領域找到應用，如自動駕駛、增強現實、工業檢測等。這項研究不僅推動了二維材料在光電子領域的應用，也為下一代多功能、高性能成像系統的發展指明了方向。
https://doi.org/10.1016/j.chip.2024.100107
