用于显示集成的大面积氢化非晶硅肖特基光电传感器阵列

《Journal of the Society for Information Display》：Large-Area Hydrogenated Amorphous Silicon Schottky Photosensor Arrays for Display Integration

在玻璃基板上实现了一种实时大范围可见光空间分辨率检测系统，采用氢化非晶硅（a-Si:H）与钼-钽（MoTa）肖特基光电二极管，其内部量子效率达70.96%，响应时间小于20μs，噪声等效功率为2.424×10?1? W/√Hz，并与a-IGZO及a-Si:H薄膜晶体管工艺兼容，通过微控制器与电流输入型ADC实现了阵列驱动与实时读取。

　　这项研究探讨了一种在玻璃基底上实现大范围可见光实时空间分辨检测的系统。通过采用氢化非晶硅（a-Si:H）与钼-钽（MoTa）合金组成的肖特基光电二极管作为检测元件，研究人员成功构建了一种能够满足高灵敏度和快速响应需求的光电传感器。这种新型传感器的内部量子效率高达70.96%，响应时间小于20微秒，噪声等效功率（NEP）为2.424×10?1? W/√Hz。这些性能指标表明，该系统在实际应用中具有较强的竞争力，特别是在需要对光强度进行精确测量的场景下。此外，该系统还兼容常见的非晶氧化铟镓锌（a-IGZO）和a-Si:H薄膜晶体管（TFT）制造工艺，为将光电传感器集成到现代显示技术中提供了重要的技术基础。

光电传感器在现代显示技术中的应用日益广泛，尤其是在智能设备和人机交互系统中。传统的光电传感器主要用于环境光检测，以实现屏幕亮度的自动调节。然而，随着显示技术的发展，对光电传感器的要求也不断提高。研究人员希望通过将光电传感器直接集成到显示面板中，从而实现更精确、更快速的光信号采集和处理。这种集成方式不仅能够提高系统的整体性能，还能够减少外部传感器带来的延迟和复杂性。因此，开发一种能够与现有显示制造工艺兼容的光电传感器成为当前研究的重点。

在制造工艺方面，研究人员采用了两种不同的方法来实现光电二极管与TFT的共沉积。第一种方法是基于a-Si:H TFT的制造流程，这种方法具有较低的工艺复杂度，可以有效降低制造成本并减少制造过程中可能出现的误差。第二种方法则是针对a-Si:H光电二极管与IGZO TFT的共沉积，这种方法在工艺窗口上更为严格，需要特别注意材料的选择和沉积条件的优化。通过引入有机介电材料，研究人员成功解决了由于氢诱导掺杂和界面状态导致的电流泄漏问题，从而提高了传感器的稳定性和可靠性。

在性能测试方面，研究人员对光电二极管的电光特性进行了详细分析。通过使用不同波长的光源（包括红、绿、蓝光LED和540纳米的激光），测试了光电二极管在不同光照条件下的响应情况。结果显示，光电二极管在低至0.58 W/m2和高达385,000 W/m2的光照强度下均表现出良好的线性响应特性。这一结果表明，该传感器不仅适用于常规的光照环境，还能够在极端光照条件下保持较高的检测精度。此外，研究人员还测量了传感器的信号噪声比（SNR），并发现其在1赫兹的低通滤波器下表现出较高的信噪比，进一步验证了其在实际应用中的可行性。

为了评估光电二极管的响应时间，研究人员使用了激光照射和快门轮阻断光源的方法。通过监测传感器输出信号的变化，研究人员确定了光电二极管的响应时间上限。尽管这种方法受到快门轮旋转速度的限制，但测试结果仍显示出传感器在快速响应方面的潜力。响应时间的测试结果表明，该系统能够满足实时检测的需求，这对于需要快速反应的显示系统尤为重要。

在TFT的性能测试中，研究人员对a-Si:H和IGZO两种类型的TFT进行了分析。a-Si:H TFT的迁移率平均为0.44 cm2/(V·s)，这一数值与传统TFT的性能相当。然而，IGZO TFT的性能则受到制造工艺的显著影响。在使用Si?N?作为光电二极管介电材料的情况下，IGZO TFT表现出较大的负电压偏移和阈值电压的不均匀性。这可能与Si?N?在氢气环境下的沉积过程中对半导体层的氢诱导掺杂有关。为了解决这一问题，研究人员采用了有机介电材料，这种方法不仅避免了电流泄漏，还提高了IGZO TFT的性能。经过优化后，IGZO TFT的迁移率从5.1 cm2/(V·s)提升至6.64 cm2/(V·s)，这表明有机介电材料在改善TFT性能方面具有重要作用。

在传感器阵列的集成方面，研究人员构建了一个10行8列的光电二极管阵列，采用了被动矩阵结构。阵列的像素间距为1.1毫米，这为高分辨率的光信号采集提供了基础。通过使用微控制器和电流输入的模数转换器（ADC），研究人员实现了对传感器阵列的实时驱动和读取。测试结果显示，该系统能够实时检测表面光强度，并在不同的光照条件下保持良好的空间分辨率。尽管在当前实验中，由于ADC通道和GPIO引脚数量的限制，系统的分辨率受到一定影响，但这一结果为未来更高分辨率的传感器阵列设计提供了方向。

此外，研究人员还通过实际测试验证了系统的功能。在实验中，当光源照射到传感器阵列时，系统能够实时采集并显示光强度数据。通过观察光强度变化，研究人员发现，当光源被遮挡时，光强度显著下降，而遮挡区域的像素数据则显示出明显的暗区。这一结果表明，该系统能够有效地捕捉光信号的变化，并且具有较高的空间分辨能力。实验中还展示了系统的稳定性，即使在长时间存储或高温应力条件下，传感器的性能也没有明显下降，这为实际应用提供了可靠的基础。

研究团队还讨论了未来可能的发展方向。他们指出，将光电传感器阵列集成到显示面板中，不仅可以提升显示系统的功能，还能为更复杂的应用场景提供支持。例如，在智能显示设备中，集成光电传感器可以实现更精确的环境光检测，从而优化显示效果。此外，研究人员还建议进一步探索使用同一半导体层制造a-Si-TFT和光电二极管的方法，以进一步简化制造工艺并提高系统的整体性能。

在制造过程中，研究人员采用了多种沉积和结构化技术，以确保传感器的性能和可靠性。金属层的沉积通过直流溅射（DC sputtering）完成，而Si?N?和SiO?的沉积则采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术。通过光学光刻技术对各层进行结构化，确保了传感器的精确制造。在工艺优化方面，研究人员特别关注了沉积时间、材料选择和结构设计对传感器性能的影响。例如，在沉积MoTa合金作为光电二极管的肖特基接触时，研究人员发现其能够显著提高传感器的性能，而使用ITO作为顶部接触则有助于保护半导体层免受氧化影响。

为了提高传感器的可靠性，研究人员还采取了一系列措施。例如，在沉积过程中，通过引入一层薄薄的ITO层，可以有效防止半导体层在后续工艺步骤中的意外蚀刻。此外，通过优化溅射蚀刻的时间，研究人员成功降低了接触电阻，从而提高了TFT的性能。这些工艺优化不仅提高了传感器的性能，还确保了其在大规模制造中的可行性。

在实际应用中，该系统能够实现对可见光的实时空间分辨检测。通过将光电传感器阵列与微控制器和ADC相结合，研究人员构建了一个完整的检测系统，能够在不同的光照条件下实时采集和处理光信号。这一系统为未来在显示技术、环境监测和光学成像等领域提供了新的可能性。例如，在智能显示设备中，集成光电传感器可以实现更精准的环境光检测，从而动态调整屏幕亮度，提高用户体验。此外，在光学成像和光通信领域，该系统也可以作为基础组件，用于高精度的光信号采集和处理。

综上所述，这项研究展示了在玻璃基底上实现高灵敏度、高响应速度和良好工艺兼容性的光电传感器系统的可行性。通过采用优化的制造工艺和材料选择，研究人员成功构建了一种能够与现有显示制造技术兼容的光电传感器，为未来在显示技术中的集成应用提供了重要的技术支持。同时，该系统在实际测试中表现出良好的性能，特别是在信号噪声比、响应时间和空间分辨率方面。未来的研究将进一步探索该技术在更复杂应用场景中的潜力，并推动其在实际产品中的应用。