第一作者：Shen Zhang

通訊作者：魏大程

通訊單位：復旦大學

魏大程，復旦大學，分子材料與器件實驗室，研究員，博士生導師，國家高層次引進青年人才、上海市優秀學術帶頭人。研究方向為特色原創性研究聚焦在晶體管材料與器件研究領域，開發了材料可控合成和器件加工技術，研究了新型晶體管器件、光電傳感器、化學與生物傳感器的設計原理和功能應用，取得了一系列創新成果。

論文速覽

高性能大規模集成有機光電晶體管需要在高分辨率像素化期間保持其光電轉換能力的半導體層。然而，由于缺乏對納米結構的精確設計，光電性能和器件小型化之間的權衡極大地限制了商業應用的成功。

本研究提出了一種光伏納米單元增強策略，成功克服了光電性能與器件微型化之間的權衡，使得高性能有機光晶體管能夠實現大規模集成。研究團隊將基于鈣鈦礦量子點的核殼結構光伏納米單元嵌入光交聯有機半導體中，通過光刻技術制造了超大規模集成（超過221個單元）的成像芯片。

這些芯片具有高達3.1×10⁶個單位/平方厘米的像素密度，比現有有機成像芯片至少高出兩個數量級，與最新的商業全幅互補金屬氧化物半導體（CMOS）相機芯片相當。嵌入的光伏納米單元實現了原位光門控調制，使得光響應度和探測率達到6.8×10⁶ A W^-1和1.1×10¹³ Jones（在1 Hz時），分別實現了大規模或更高集成有機成像芯片的最高值。

此外，還制造了一種超大規模集成（超過216個單元）的可拉伸仿生視網膜，用于神經形態成像識別，其分辨率、光響應度和功耗接近生物對應物。

圖文導讀

圖1：光伏納米單元與傳統平面光伏單元的工作原理對比。

圖2：使用PQD納米單元制造的超大規模集成（ULSI）成像芯片的制造過程和性能。

圖3：ULSI成像芯片的光電性能。

圖4：高密度互連矩陣的制造和性能，包括電路示意圖、層信息、高密度互連矩陣的光學顯微鏡圖像和統計數據。

圖5：PQD納米單元在納米尺度調制機制中的作用，包括電荷分離和轉移過程。

圖6：超大規模集成（VLSI）仿生視網膜的應用。

總結展望

本研究成功展示了光伏納米單元的概念，并通過納米尺度調制克服了像素密度與光電性能之間的權衡，這可能是實現有機成像芯片商業化的關鍵。嵌入的納米單元可以通過光交聯網絡實現穩定的聚集結構和界面，保持光轉換和調制性能，對抗長期存儲、熱損傷和基板應變，為高性能集成光電子設備的實際應用提供了前景。

此外，該策略不僅適用于成像芯片，還可以擴展到發光二極管和太陽能電池等其他光電子設備。考慮到與微電子工業的兼容性，這種策略有利于實現高密度有機芯片的晶圓級、可靠和標準化制造。

文獻信息

標題：Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors

期刊：Nature Nanotechnology

DOI：10.1038/s41565-024-01707-0