近日，復旦大學微電子學院丁士進教授團隊以帶隙遞變的鈣鈦礦薄膜為光敏導電通道，開發出一種能直接探測入射光的光譜信息，感知入射光顏色的新型光電元器件。相關研究成果以「Spectrum projection with a bandgap-gradient perovskite cell for color perception」為題發表在《Light: Science & Applications》。
圖片來源：Light: Science & Applications
撰稿 | 吳小晗
光信號是宇宙空間中重要的信息載體，人們對能感知、測量光信號的方法、器件或設備的研究由來已久，其應用涉及到國防軍事、工業生產及日常生活的方方面面。
光探測器能即時地將入射光信號轉化為電信號輸出，具有體積小、性能優異、易於集成等優點。然而，受限於其工作原理，現有的光探測器僅僅只能探測光信號的光強（光功率密度），而不能獲得光信號的顏色或光譜信息。結合光探測器與分光系統的光譜儀能詳細地測量光譜信息，但該設備體積較大，測量耗時較長，不能以元器件的形式與其他器件集成。
隨著後摩爾時代的來臨，能探測光譜、感知顏色的元器件將對萬物互聯的物聯網具有重要的意義。
近日，復旦大學微電子學院丁士進教授團隊以帶隙遞變的鈣鈦礦薄膜為光敏導電通道，開發出一種能直接探測入射光的光譜信息，感知入射光顏色的新型光電元器件。
現有的各種光探測器僅僅只能測量入射光的光強（即光功率密度），而不能給出光譜/顏色相關的信息，比如，它們可能對具有完全不同光譜的入射光輸出相同的電信號。這是由光探測器的工作原理決定的。
一般說來，光探測器從工作原理上可分為熱電型與光電半導體型兩種。熱電型光探測器，通常結合使用光吸收薄膜和熱電堆，將入射光轉換為熱能再轉換為電信號，從而間接地測量入射光的光功率密度。而光電半導體型光探測器則直接將吸收的光子轉換為光激子，其輸出電流與入射光的光子能量和光通量同時相關。當光通量固定時，器件電流與光子能量的關係取決於半導體材料的光吸收性能和光電轉換量子效率。通常，直接帶隙半導體的光吸收和量子效率隨光子能量的變化呈臺階狀變化，而間接帶隙半導體（如矽）的光吸收和量子效率隨光子能量變化的曲線是傾斜起伏的，這導致器件要麼不能提供足夠的關於光子能量的信息，要麼對光子能量的響應度也是起伏不定的。
因此，常用的光電半導體型光探測器將入射光的光子能量和光通量綁定為光強作為輸出信號，某些器件在使用時還需要輸入入射光的波長（如矽基光電二極體）。上述兩種類型的光探測器都不能收集光譜信號，即不能有區別地檢測入射光中對應不同光子能量的光通量。
此外，一些研究者報導的「窄帶」光探測器可實現僅對某些固定波段10-20 nm波長範圍內的入射光的選擇性探測。然而，這種光探測器一般都是對其可探測波段內的入射光表現出與光子能量無關的響應度，而對其可探測波段以外的入射光沒有響應。他們不能有區別地收集入射光中對應不同光子能量的光通量，因此無法實現基於單個器件的顏色感知。
近期報導的將一系列具有不同帶隙的半導體光探測器組合而成的微型光譜儀，能重構出入射光的光譜信息，但這種方法需要晶片級的器件集成及複雜的信號處理系統，而且對於一些不需要細節光譜信息的應用來說，將產生大量冗餘信息。
圖1 彩虹半導體顏色感知器件的結構、工作原理示意圖及柔性器件的螢光照片
人類的大腦將光信號感知為顏色與光強這兩個代表性的參數，從而能實時、高效地處理大量的光信息。
受此啟發，將二維的光譜信息投影成代表性的統計參數的方法，可能使元器件級別的高效光譜信息處理得以實現。而這樣的器件應當具有以下特點：1）能夠有區別地收集光信號中對應不同光子能量的光通量；2）輸出的電信號能直接指示入射光的顏色與光強。圖1展示了這種新型光電元器件的結構設計，它包含兩個部分，輸出兩個電流信號。其中一個部分以帶隙較窄的半導體為導電通道，其電流信號僅與總光通量有關；而另一個部分以帶隙遞變的半導體（彩虹半導體）為導電通道，其輸出電流與入射光信號的平均光子能量及光通量均成線性關係。結合這兩個輸出信號，器件可直接給出入射光信號的平均光子能量與總光通量，從而實現基於光譜投影的顏色感知。
這項工作利用滷化鈣鈦礦材料優異的光電性能，具有直接帶隙且帶隙可通過不同滷素之間的比例來精細調控的特點，開發了一種提拉-滷素取代工藝，製備了滷素比列在提拉方向上遞變的鈣鈦礦薄膜，從而成功地獲得了帶隙遞變的彩虹鈣鈦礦薄膜（圖2）。與傳統的直接帶隙與間接帶隙光探測器分別對光子能量的臺階狀的或起伏的響應行為相比較，基於彩虹鈣鈦礦光探測器能在工作範圍內對光子能量產生線性響應（光通量保持不變）。這是由於更高的光子能量使彩虹鈣鈦礦薄膜中能被光激發的部分變得更多，產生更多的光生載流子，從而提高器件的輸出電流。
更有趣的是，對該新型器件的物理建模結果顯示，當檢測寬譜光信號時，彩虹鈣鈦礦的輸出電流能直接指示其平均光子能量（以光通量為統計權重）。如圖3所示，使用彩虹鈣鈦礦器件探測20個具有不同光譜信息的光信號，結合其輸出電流與標定結果，可獲得這些光信號的平均光子能量。該結果與從商用光譜儀給出的光譜曲線中計算出的平均光子能量相比，具有較好的一致性。彩虹鈣鈦礦器件還實現了對實時變化光信號的強度與顏色的在線探測。製備在聚合物薄膜襯底上的彩虹鈣鈦礦器件表現出優異的柔性，器件的顏色感知性能在彎曲狀態下或多次摺疊後均保持了良好的穩定性。
該工作還進一步演示了彩虹半導體顏色感知器件在化學/生物傳感器中的可應用性。圖4a展示了一種結合刺激響應材料與顏色感知器件的化學/生物傳感器設計示意圖：化學/生物分析物與刺激響應材料發生作用改變其顏色，導致入射到彩虹半導體器件上的光信號的平均光子能量發生改變，從而使器件輸出電流發生變化。這裡以pH試紙作為刺激響應材料，以化學/生物溶液的pH值作為探測參數為例來演示。具有不同pH值的溶液使pH試紙呈現出不同的顏色，傳統的光探測器不能感知出pH試紙的顏色變化（圖4b）。商用光譜儀測量的透過不同顏色pH試紙的光譜曲線能表現出差異，但這種方法不僅需要大型儀器、耗時持久，還產生了對傳感應用來說冗餘的細節光譜信息。而彩虹鈣鈦礦器件的輸出電流隨pH值的增加呈現單調增加，因此實現了對溶液pH值的傳感功能。
圖4 基於彩虹鈣鈦礦器件的化學/生物傳感器的設計示意圖，及其對化學/生物溶液pH值的傳感功能展示這項工作所提出的使用彩虹半導體器件探測光信號是一種基於單個元器件的、高效的光譜信息探測及顏色感知的方法，在材料、器件結構和製備工藝上具有普適性。進一步篩選光電半導體材料和優化帶隙遞變的空間結構，有望獲得性能更優、尺寸更小、製備工藝與CMOS工藝相兼容且易於集成的顏色感知器件。相比於現有數位相機中的感光晶片，彩虹半導體器件作為彩色感光像素點，不需要額外的帶通濾鏡體系，從而可使其構築的感光器件陣列具有更加簡單的晶片結構。利用該器件對光譜/顏色的對比可開發檢測各種物理、化學或生物信息的多功能傳感器。彩虹半導體器件還可能在光通訊領域、波分復用技術中具有廣泛的應用。
該研究成果以" Spectrum projection with a bandgap-gradient perovskite cell for color perception" 為題在線發表在Light: Science & Applications。
本文通訊作者為復旦大學微電子學院丁士進研究員、吳小晗副研究員，第一作者為碩士生張美娜。合作者包括復旦大學材料科學系梅永豐教授，微電子學院青年研究員Antoine Riaud博士，和信息科學與工程學院青年研究員解鳳賢博士。
本文來源：中科院長春光機所 Light學術出版中心
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