随着现代影像技术的迅速发展，对于高灵敏度、高颜色准确性的彩色图像传感器需求不断增长。传统的彩色图像传感器普遍依赖色彩滤光阵列（CFA）将入射光分为红、绿、蓝三色进行捕获，这种方法虽然成熟，但存在光学效率低、信号损失严重和图像还原失真等缺陷。作为替代方案，垂直堆叠单片钙钛矿彩色光电探测器（Vertically Stacked Monolithic Perovskite Colour Photodetectors）凭借其独特设计理念和材料优势，成为当前影像传感技术领域的研究热点和未来趋势。 垂直堆叠单片钙钛矿光电探测器的核心在于利用钙钛矿材料可调谐的带隙特性，将红、绿、蓝三色光分别吸收于不同的钙钛矿薄膜层中，实现无需传统色彩滤光器即可高效区分颜色。钙钛矿是一类具有ABX3晶体结构的化合物，其中A位为有机或无机阳离子，B位为铅（Pb）等金属离子，X位为卤素离子如氯（Cl）、溴（Br）、碘（I）等。通过调整组成和比例，钙钛矿材料的光学带隙可灵活调控，从而精准覆盖可见光谱中的红、绿、蓝波段。
这种多层堆叠结构以单片方式整体集成，避免了机械堆叠带来的组装复杂度和光学损耗，极大提升了光利用效率和传感精度。 钙钛矿光电探测器的光学性能表现出色，薄膜仅需几百纳米厚度即可几乎完全吸收对应波段的光子。相比传统硅基光电探测器，钙钛矿材料具有更高的吸光系数和更宽的可调带隙，满足彩色光电探测的多样化需求。其内部异质结结构和优异的载流子迁移率保障了光生电子-空穴对的高效分离与收集，确保了探测器具备高外量子效率（EQE）和低暗电流密度。此外，采用物理气相沉积（PVD）中的共蒸发技术制备钙钛矿薄膜，不仅形成了致密无孔洞的高质量薄膜，还有效避免了后续工艺中溶剂对已沉积层的溶解破坏，保证多层结构的完整性和性能稳定性。 该垂直堆叠结构充分利用了钙钛矿的带隙优势，将不同层按蓝绿红顺序堆叠，顶层吸收短波长的蓝光并透过长波长，底层则负责吸收红光。
这种设计使总光吸收效率大幅提升，较传统CFA结构中由于滤色片吸收而浪费的光子得到充分利用。实验数据显示，垂直堆叠钙钛矿探测器的红、绿、蓝通道外量子效率分别达到约53%、47%和50%，整体转换效率提升近两倍。高效的色彩分离与转换确保了探测器在颜色识别上表现出优异的准确率，色彩误差ΔELab低至3.8%，优于市面上大多数商用色彩滤光阵列和Foveon型堆叠硅光电探测器。 在图像处理方面，垂直堆叠钙钛矿光电探测器能够直接捕捉每个像素点的完整RGB三色信号，彻底消除了传统CFA技术中因光学滤色和插值算法带来的色差伪影和分辨率损失。无需对色彩通道进行复杂的插值还原，显著提升成像清晰度和时间效率。此外，薄膜层间的介电间隔也有助于调整光路与波长对应的焦距差异，实现光学畸变的校正，提高成像的一致性和色彩饱和度。
另一方面，垂直堆叠钙钛矿光电探测器的噪声性能表现优异，暗电流低至纳安级别，且实现了超过10亿焦耳单位的高特异探测度（D*）。快速的响应速率和合适的带宽确保感光器件满足高速动态成像的需求。实验数据表明，三个色彩通道在不同光强条件下均展现出线性响应特征，进一步增强了传感器的准确与稳定性。钙钛矿材料的独特优势还体现在其可在低温、低成本条件下实现大面积沉积，适合与现有CMOS兼容技术集成，为高分辨率、高效率的下一代图像传感器奠定了坚实基础。 相较于传统的硅基Foveon结构和有机光电探测器，钙钛矿垂直堆叠设计更容易实现大规模工业生产，且避免了有机材料响应速度慢、电荷迁移率差的问题。同时，钙钛矿良好的晶体结构和电子特性媲美III-V族半导体材质，结合其沉积工艺的灵活性，使其在多层集成和器件性能调控上具有独特优势。
多功能集成后的钙钛矿堆叠探测器不仅能满足消费电子产品对高像素密度、小尺寸和低能耗的需求，也适配机器视觉、人工智能识别等新兴应用场景对色彩解析力和光敏灵敏度的更高要求。 未来，钙钛矿垂直堆叠光电探测技术仍有广阔的发展空间。提升材料的环境稳定性和耐久性，优化层间界面工程及封装技术，将是确保器件长期可靠性的关键。同时，结合先进微纳加工技术，如光刻和多层互连工艺，有望实现高像素集成度的单芯片彩色传感器，为智能手机、无人机、医疗成像及智能监控等领域提供更高性能的图像捕获解决方案。随着人工智能和深度学习的发展，精准的光谱数据获取将助力视觉识别算法的进步，钙钛矿多层堆叠传感器凭借其卓越的光谱响应特性和低功耗优势，必将在智能视觉系统中发挥重要作用。 总之，垂直堆叠单片钙钛矿彩色光电探测器结合了材料科学与器件工程的前沿成果，实现了高效能、精准色彩识别和优异成像品质的完美融合。
其创新架构有效解决了传统彩色传感技术的瓶颈，为未来图像传感器设计树立了新标杆。随着相关制备工艺的不断成熟和技术壁垒的逐步突破，钙钛矿垂直堆叠彩色光电探测器有望成为下一代高性能、多功能视觉传感器的核心组件，推动视觉科技迈入更加智能和高效的新时代。
