近日，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的研究團(tuán)隊(duì)宣布，成功開發(fā)出一款無需外部電源即可工作的全球最高性能的無源光傳感器，為可穿戴設(shè)備、生物信號(hào)監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、自動(dòng)駕駛汽車及機(jī)器人等領(lǐng)域帶來了革命性的技術(shù)突破。

元件顯微圖像

傳統(tǒng)光傳感器多采用硅基半導(dǎo)體，其對(duì)光的響應(yīng)性較低，限制了性能提升。而近年來備受關(guān)注的二維半導(dǎo)體材料MoS?（二硫化鉬），雖然具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，但其超薄的特性使得通過摻雜工藝調(diào)節(jié)電學(xué)性能變得極為困難，從而制約了高性能光傳感器的實(shí)現(xiàn)。

面對(duì)這一技術(shù)瓶頸，該研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，引入了“范德華底電極”和“部分柵極”結(jié)構(gòu)，避開了對(duì)傳統(tǒng)摻雜工藝的需要。研究團(tuán)隊(duì)利用范德華力將電極輕柔地附著于二維半導(dǎo)體MoS?底部，形成“范德華底電極”。這一設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)金屬電極對(duì)半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的損傷，確保了二維半導(dǎo)體原始結(jié)構(gòu)的完整性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效的電信號(hào)傳輸。然后，通過在二維半導(dǎo)體的部分區(qū)域施加電信號(hào)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了類似PN結(jié)的功能，即一側(cè)表現(xiàn)為P型（空穴多），另一側(cè)表現(xiàn)為N型（電子多）。這種“部分柵極”結(jié)構(gòu)無需摻雜即可精確控制半導(dǎo)體的電學(xué)特性，顯著提升了光傳感器的性能。

得益于上述創(chuàng)新技術(shù)，新開發(fā)的無源光傳感器在靈敏度上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，并且無需外部電源，在光照下即可非常靈敏地產(chǎn)生電信號(hào)。其光響應(yīng)度超過21 A/W，較傳統(tǒng)有源傳感器高出20倍以上，是硅基無源傳感器的10倍，MoS?基傳感器的2倍以上。如此高的靈敏度使得該傳感器在生物信號(hào)檢測(cè)及暗光環(huán)境下仍能保持卓越性能。

研究人員指出：“我們成功地實(shí)現(xiàn)了無需摻雜工藝即可控制電流流動(dòng)的PN結(jié)，這項(xiàng)技術(shù)不僅限于傳感器領(lǐng)域，還可應(yīng)用于智能手機(jī)及電子設(shè)備內(nèi)部的關(guān)鍵電控部件，為未來電子設(shè)備的小型化與無源化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”

責(zé)編：Ricardo