近红外传感器 科学家发明近红外传感器：易于制造 尺寸和手机传感器相当

科学家发明近红外传感器：易于制造 尺寸和手机传感器相当

来自埃因霍温理工大学的一支科研团队近日开发出了一种全新的近红外传感器，它易于制造，尺寸与智能手机中的传感器相当，并可立即用于工业过程监测和农业。 这一突破刚刚发表在《Nature Communications》上。

人眼是一个神奇的传感器。通过使用三种不同类型的感光锥细胞，将可见光转化为不同颜色的信号，眼睛提供了关于我们周围世界的基本信息。该研究的共同第一作者、应用物理系光子学和半导体纳米物理学小组的博士研究员 Kaylee Hakkel 解释说：“当我们的大脑将这些信号放在一起时，它根据我们的经验对这些信号的含义进行预测。例如，红色的草莓是甜的，但绿色的草莓不是”。

虽然人类的眼睛令人印象深刻，但在自然界中却不是最厉害的。Hakkel 表示：“螳螂虾的眼睛有 16 种不同类型的细胞，它们对紫外线、可见光和近红外（NIR）光敏感。而测量红外线的光谱对于工业和农业的应用是最有趣的，但有一个主要问题--目前的近红外光谱仪实在是太大太贵了”。

Hakkel 和她的合作者通过开发一种适合于小芯片的近红外传感器解决了这个问题。而且就像螳螂虾的眼睛一样，它有 16 个不同的传感器--但它们都对近红外线敏感。她表示：“传感器的微型化同时保持低成本是一个重大挑战。因此，我们设计了一种新的晶圆级制造工艺来实现这一目标”。

她继续说道：“它的成本很低，因为我们可以同时生产多个传感器，而且它已经准备好了，现在就可以在现实世界的实际应用中使用。该传感器芯片很小，甚至可以嵌入到未来的智能手机中”。

InfoMat彩色-近红外双功能WS2阵列图像传感器

一. 研究背景

过渡金属二硫属化物 (T M D) 具有独特的光学和电学特性，包括高载流子迁移率、可调带隙和强光物质相互作用。T M D光电传感器在车辆、计算机视觉、无人机、生物医学成像和安全监控中具有潜在应用前景。

传统的可见光和红外光电检测系统依赖于两种不同的光谱范围传感器，每种传感器需要分别进行优化。然而，T M D 兼具可见光到红外的宽光谱吸收特性和强的光与物质相互作用带来的高量子效率，使其有望采用单个器件同时满足在明亮和弱光条件下进行工作，并实现多光谱图像融合。

在各种 T M D 中，原子级厚度的 MoS2得到的研究最为广泛。然而，WS2可能比 MoS2更有前景，因为它具有独特的物理特性，例如出色的载流子迁移率、强光致发光 ( PL ) 和自旋谷耦合现象。此外，理论模型表明，在半导体 T M D 家族中，WS2拥有最高的迁移率，这归因于其降低的有效质量。

因此，大面积薄 WS2薄膜的合成对于工业规模的电子和光电器件来说是非常必要的。迄今为止，已经提出了各种用于获得原子级厚度 WS2薄膜的技术。化学气相沉积 (CVD) 被认为是一种生长大面积 WS2的可扩展方法。此外，据报道，通过溅射和原子层沉积 (ALD) 加上额外的后处理可以获得晶圆级 WS2薄膜。

总体而言，在之前的报告中，硫粉被广泛用作 WS2生长的前体。然而，在基于粉末前体的硫化过程中，硫浓度的局部变化会导致有害的形貌，从而导致薄膜均匀性低和电气性能受限。尽管之前的研究已经报道了具有高载流子迁移率的良好结晶 WS2薄膜，但探索具有可扩展适用性的大规模集成架构仍然具有挑战性。

二. 研究进展

近期，Infomat报道了一种基于集成开关晶体管的双层 WS2光电晶体管的双视觉有源像素图像传感器阵列。其中双层WS2薄膜采用射频 (RF) 溅射和 CVD 相结合的工艺合成。 其制备的WS2薄膜晶体管 (TFT) 表现出 7.7 cm2V−1s−1的高平均迁移率、 ~10^6的开关比，以及高度均匀的电气性能。此外，WS2 TFT 阵列表现出均匀的光电特性，并且同时可以检测可见光至近红外 (NIR) 光，得益于光电门控 (PG) 效应，其最高响应度为 1821 A W−1。研究者利用光模板投影展示了WS2有源像素图像传感器阵列的红、绿、蓝 (RGB) 和 NIR 图像感应功能，为可见-近红外融合成像提供了新的技术可能。

三. 图文简介

晶圆级双层硫化钼材料的表征

双层硫化钼晶体管的电学性能

双层硫化钼晶体管的光电性能

双层硫化钼图像传感器彩色-近红外双功能成像展示

WS2薄膜的制备过程：

双层 WS2薄膜采用两步工艺合成，包括射频磁控溅射和热 CVD。

在沉积 薄膜之前，将基底（100）取向的 p 型硼掺杂 Si/SiO2用超声波清洗 10 分钟，依次浸泡在丙酮、异丙醇和去离子水中。

溅射使用直径为 50.8 mm 的高纯度 W 靶材（99.9%），溅射腔体本底压力保持在 3 × 10 −6  Torr 以下。溅射期间，工作压力保持在 10 mTorr，氩气流速为 75 sccm。

沉积之前，对 W 靶材预溅射 10 分钟，以清洁靶材表面并提高等离子体的稳定性。W 薄膜沉积在室温下进行，射频功率为 30 W，时间 9 秒。

将 Si/SiO2基底上沉积的 W 膜放入 4 英寸 CVD 腔中进行硫化。将 CVD 腔抽真空至基准压力 5 × 10 −3  Torr。

随后，以 50 sccm 的流速注入氩气，并在 30 分钟内将温度升至 750°C 并维持 15 分钟。

在升温过程中，在 250°C 时引入 H2 (5 sccm) 和 H2S (5 sccm) 气体。

硫化过程之后，在 H2S (5 sccm) 和 Ar (50 sccm) 环境下在 1000°C 下进行 1 小时的高温退火过程，以提高合成的 WS2膜的质量。

退火过程之后，以 100 sccm 的氩气流速将炉子快速冷却至室温。

WS2光电晶体管和图像传感器阵列的制作：

双层 WS2膜生长完成后，使用简单的光刻工艺对其进行图案化，其中将光刻胶 (PR, AZGXR-601, Merck) 以 3000 rpm 的速度旋涂在膜上 30 秒，然后在 90°C 下软烘烤 90 秒。

然后，将涂有 PR 的基板在指定的掩模下暴露在紫外线下 1 秒，并使用显影剂 (AZ-300MIF) 显影 20 秒。

使用干蚀刻工艺去除 WS2膜不需要的部分，使用 O2等离子体处理 (反应离子蚀刻系统) 在 30 W 功率下进行 30 秒，流速为 50 sccm，然后浸入丙酮中 10 秒以去除 PR 残留物。

在 WS2薄膜图案化之后，使用剥离工艺对源极和漏极 (S/D) 电极进行图案化，其中剥离抗蚀剂和 PR 分别以 2000 rpm 的速度旋涂 45 秒和以 3000 rpm 的速度旋涂 30 秒，然后在上述相同条件下进行紫外线曝光和显影。这里，Ti/Au 用作 S/D 电极并通过电子束蒸发法沉积。

为了去除 S/D 电极的不需要的部分，将预先图案化的 S/D 电极浸入光刻胶去除剂 (mr-Rem 700，Micro-Resist Technology) 中 120 秒，温度为 50°C，然后用去离子 (DI) 水清洗。

在对 S/D 电极进行图案化之后，使用 ALD 方法在 100°C 下沉积厚度为 80 nm 的 Al2O3介电层，并使用上述剥离工艺对顶部栅极电极 (ITO, 30 nm) 进行图案化

。接下来，使用先前的光刻工艺对 S/D 电极进行图案化，其中使用缓冲氧化物蚀刻剂蚀刻 Al2O 3 60 秒，然后用丙酮清洗。

使用相同工艺制造图像传感器阵列。使用激光烧蚀机制备基于 Au 沉积 PET 膜的 Joker 图像模板掩模

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