光感測器廣泛運用在科技生活之中，如自動化生產線、機械視覺、影像擷取等。傳統上使用矽材料或是三五族半導體材料之技術均非常純熟，然而其吸收係數低、製程溫度高，往往會有過於厚重之問題，並且無法製作在曲面或是可撓基板之上，限制了其運用彈性。金屬鹵素鈣鈦礦材料近年在太陽電池應用領域上受到極大的重視，自2009年到2017年的發展中，其光電轉換效率已經突破22%，同時金屬鹵素鈣鈦礦還具有低成本、低溫製程的特色，因此可以直接塗佈在CMOS金屬線路之上形成薄膜式影像感測器。
光感測器的結構與關鍵參數
薄膜式光感測器主要可以分成三種結構，第一是屬於垂直結構，也就是光二極體(Photodiode)，如圖一所示，在感光層與陰極、陽極之間使用功函數可以匹配的電子傳輸層與電洞傳輸層，促使電子與電洞能有效的分離蒐集。這種結構與太陽電池相同，甚至不需要額外加電壓便可以產生光電流，也因此一些文獻會稱之為Selfpowered Photodetector，此種結構牽涉多種鍍膜製程，除了需要正確的材料選擇外，製程也相對複雜。
垂直結構鈣鈦礦光感測器之研究
率先評估鹵素鈣鈦礦材料應用在光二極體的研究團隊是來自加州大學洛杉磯分校的Yang Yang教授，在這個研究中清楚地比較了介面層對於元件性能之影響，其結構如圖四，研究中指出PCBM之上加入Hole Blocking Layer將大幅改善元件特性，其中比較的材料包括Bathocuproine(BCP)與Poly[(9,9-bis(3’-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)](PFN)。
全無機鈣鈦礦光感測器之研究
由於有機無機鹵素鈣鈦礦具有嚴重的壽命問題，因此更為穩定的全無機鹵素鈣鈦礦材料受到了更大的重視，其分子式為CsPbX3，其中X為單一鹵素或是混合鹵素，CsPbX3材料在發光元件、雷射元件與太陽電池的應用上都展現不錯之特性，並且更加穩定。曾海波教授之研究中透過成膜方式的優化，提升量子點CsPbBr3光導體元件之性能，其特點是使用Centrifugal Casting法進行量子點薄膜之塗佈，於圖七(d)的光電流與暗電流比較中可看到，在暗電流不變的情況下，光電流確實有大幅的提升，並且光電流上升時間由24 ms大幅下降到0.2ms，同樣在光導體結構上屬於極為突出的結果。
圖七、不同CsPbBr3量子點薄膜形成方法之表面結構差異與光電特性之影響
工研院於鹵素鈣鈦礦光感測器之研究
工研院率先將鹵素鈣鈦礦導入CMOS影像感測器(CMOS Image Sensor; CIS)應用，鹵素鈣鈦礦的吸收係數高於矽材料10倍，因此可以將每個畫素之感光層厚度由2微米縮減到0.2微米，當像素面積持續微縮時將可有效避免光學串音(Optical Crosstalk)。目前工研院材化所合成2D/3D混合型鹵素鈣鈦礦形成感光薄膜，可同時兼顧2D鹵素鈣鈦礦與3D鹵素鈣鈦礦之優點，透過蒸鍍與大氣反應法可良好披覆在指叉狀鋁電極之上，形成水平式光導體感光元件結構。圖八(a)為指叉狀元件陣列，圖八(b)則是透過截面觀察鈣鈦礦薄膜覆蓋在鋁電極表面之狀況。以25微米大小之感光元件於0.29 mW/cm2鹵素燈泡之白光燈源下測量元件電流與電壓特性，如圖九(a)所示，施加2.5 V偏壓之響應度經計算為47 A/W，圖九(b)為Jph/Jd之比值稱為On/Off Ratio在2.5 V偏壓下為103等級，目前製備的元件在沒有任何封裝並儲存在相對濕度45%環境下，可維持超過六個月沒有衰退...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖九、工研院合成之鹵素鈣鈦礦光感測器元件(a)電壓與電流曲線；(b)On/Off Ratio曲線
作者：游勝閔 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」369期，更多資料請見下方附檔。