盖世汽车讯 近红外光肉眼不可见，但能相对有效地穿透皮肤和生物组织。这一特性使其在智能手表的心率和血氧监测、医疗诊断、夜间成像和光通信等领域得到广泛应用。

市场对能够紧密贴合皮肤或曲面的柔性近红外传感器的需求也在不断增长。然而，目前可穿戴设备中使用的大多数近红外传感器都依赖于安装在柔性基板上的刚性硅光电探测器，这限制了它们在需要反复弯曲的应用中的适用性。

基于有机半导体和量子点的柔性光电探测器已被研究作为替代方案，但有机半导体通常存在耐久性不足的问题，而量子点的环境稳定性有限，会导致性能下降。

图片来源：期刊《先进科学》

据外媒报道，为了克服这些局限性，韩国材料科学研究院 (KIMS) 能源与环境材料研究部首席研究员Jung-Dae Kwon、Yonghun Kim和尹钟元Jongwon Yoon领导的研究团队开发了一种柔性近红外光电探测器，其光响应度比传统探测器高出五倍以上，且在反复弯曲的情况下仍能保持性能。这项技术有望成为下一代柔性光电器件的核心平台，包括可穿戴医疗保健设备、医疗诊断传感器和光通信接收器。

该器件采用异质结结构，结合了与传统CMOS半导体制造工艺兼容的n型氢化非晶硅 (n-a-Si) 和能够高效吸收近红外光的碲 (Te)。

研究人员同时优化了磷掺杂和器件的内部电场结构，在保持其在反复弯曲下的机械耐久性的同时，显著提高了其光敏性和探测性能。

该研究成果发表在期刊《先进科学》（Advanced Science）上。

精细调控电荷流动

该光电探测器采用柔性无色聚酰亚胺（CPI）衬底，通过依次堆叠碲、氢化非晶硅、前表面场（FSF）层和透明电极制成。碲吸收近红外光并产生载流子，而n型非晶硅层则促进载流子向电极的传输。

研究人员精确控制了非晶硅中的磷掺杂浓度，以减少内部缺陷并改善电荷传输性能。

他们还在透明电极和n型非晶硅层之间引入了FSF层。由此产生的电场结构能够更有效地引导光生载流子向电极移动，同时抑制电子-空穴复合，从而最大限度地减少电信号损耗。

应力下响应更强

因此，与传统器件结构相比，所开发的光电探测器的光响应度提高了约5.1倍，探测率提高了约2.6倍。此外，该器件在400至1600纳米的宽波长范围内均表现出稳定的光探测性能。

经过4000次弯曲循环后，该器件仍保持了初始光响应度的90%以上，展现出优异的机械耐久性，适用于柔性器件应用。

该研究的关键在于，研究团队并非通过开发新型吸光材料或改进光敏层本身来提升光电探测性能，而是同时优化氢化非晶硅的材料质量和半导体器件的内部电场结构。

这种方法无需引入额外的复杂制造工艺即可显著提升光电探测器的性能，从而在降低制造成本和商业化潜力方面具有优势。

适用于大面积可穿戴设备

由于该技术基于与传统CMOS制造工艺兼容的无机半导体，因此也非常适合大面积制造。它在柔性基板上保持高性能和机械耐久性的能力，使其尤其适用于贴附于皮肤的传感器和集成在曲面上的电子器件。

该技术有望成为各种柔性光电应用的关键平台，包括可穿戴医疗保健设备、医疗诊断传感器、光通信接收器以及用于自动驾驶汽车和机器人的图像传感器。

“这项研究表明，通过同时控制半导体材料的微观结构和器件的内部电场，可以显著提高柔性近红外光电探测器的性能，”KIMS首席研究员兼项目负责人Kwon教授表示。

“我们期望这项技术能够成为可穿戴光学传感器和下一代光电系统的核心组件。我们将继续研究，通过整合大面积制造和低功耗运行技术，打造下一代柔性光电平台，”他补充道。