随着数字成像技术的不断进步，色彩再现的精准度和图像质量成为衡量图像传感器性能的重要指标。传统的彩色图像传感器普遍采用彩色滤光阵列（CFA）技术，通过被动光学滤光片分离红、绿、蓝三基色。然而，这种方式存在光损失严重和成像效率不足的问题，约有三分之二的入射光因滤光片吸收而未被利用，制约了灵敏度和图像质量的进一步提升。此外，为获得准确色彩，传统方法还依赖复杂的插值算法进行去马赛克处理，这不仅导致图像伪影和分辨率损失，也增加了计算资源的需求。针对这些瓶颈，垂直堆叠单片钙钛矿彩色光电探测器应运而生，成为新兴的成像技术创新方向。该技术利用钙钛矿材料的能带调控能力，将不同带隙的钙钛矿薄膜分别制备成红、绿、蓝三种颜色响应层，按照光谱顺序垂直堆叠，实现光谱选择性的顺序吸收。
这样，传感器本身无需额外的颜色滤光片，即可直接完成彩色分辨和探测，有效避免了传统滤光片的光损耗问题。钙钛矿材料作为一类兼具优异光学和电学性能的新兴半导体，拥有可调节的带隙范围以及高光吸收系数，是构建多层薄膜光电探测器的理想选择。从材料制备到器件集成，研究团队开发了共蒸发工艺，以实现连续均匀且无针孔的薄膜堆叠，保证每一层的良好功能性和相互兼容性。同时，为避免钙钛矿层之间的溶解和机械损伤，还采用了透明氧化物电极以及介电层的保护设计，实现高质量的垂直单片结构。该结构不仅显著提升了每个像素的外量子效率（EQE），使红绿蓝三色通道分别达到约50%左右的转换效率，远高于传统CFA传感器的平均水平，而且还大幅减少了光学损失和信号交叉影响，提高了颜色选择性和图像还原的准确性。相比现有的Foveon型垂直堆叠硅光电探测器，钙钛矿技术展现出更强的光谱响应调控能力，兼具宽视角和高灵敏度的特点，特别是在红光区域具有显著优势。
此外，其波长选择性确保了传感器内颜色通道的最小重叠，从而实现更精细的色彩分辨和更低的颜色误差。针对成像过程中的颜色准确性，研究团队借助标准的Macbeth色卡进行了传感器的定量测试。通过复杂的信号矩阵转换以及色彩空间纠正，垂直堆叠钙钛矿传感器表现出极低的ΔELab色差值，远优于市场主流的CFA和Foveon传感器。这意味着该技术在还原人眼所见真实颜色方面进一步取得了突破，大幅减少颜色失真及噪声引入，为高清晰度彩色摄影和机器视觉应用带来了极大潜力。此外，由于每个像素位置均包含完整的三个颜色响应层，垂直堆叠结构天然避免了传统CFA所必需的去马赛克算法，消除伪影和分辨率损失，极大简化后端图像处理流程，提高成像效率并节约了计算资源。实验中，研究者还成功制备了8×8×3以及机械堆叠的64×64×3像素阵列，实现了彩色图像的直接采集与高分辨率成像验证。
该结构的潜力不仅限于消费类电子和数码摄影，未来还将在自动驾驶、机器视觉、工业检测等领域发挥关键作用。钙钛矿堆叠探测器因其薄膜制备简便、工艺兼容性优异，可直接集成于传统CMOS或薄膜晶体管阵列，有望为便携设备及微型传感器实现更高像素密度和更优成像效果。面对其他半导体材料的局限性，如III-V族化合物昂贵且受衬底限制，或有机半导体响应速度慢、迁移率不足，钙钛矿材料综合了两者优点，兼具高性能电子特性与加工易用性，成为多色垂直堆叠探测器领域的最佳选择。总的来看，垂直堆叠单片钙钛矿彩色光电探测器凭借其创新的结构设计和材料优势，突破了传统彩色图像传感器的技术瓶颈，实现了更高的光利用效率、出色的颜色分辨率和优异的图像质量。这一技术的发展不仅推动了光电器件的创新升级，也为未来智能视觉系统的多样化需求提供了有力的支持。伴随着钙钛矿材料及制造工艺的不断进步，垂直堆叠彩色光电探测器有望成为下一代高性能图像传感器的关键技术，带来影像领域的革命性变革。
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