如果手机屏幕不仅能显示图像，还能像相机一样“看见”手指的纹理或空中的手势，会催生多少新的应用？将显示与传感功能集成于同一像素，是下一代交互式显示从“被动呈现”迈向“主动感知”的关键一步。

当前主流屏下光学方案多采用物理堆叠或并排集成方式，虽然实现了功能叠加，却不可避免地压缩感测区域，牺牲开口率与灵敏度（图1）。学术界虽已在无源架构下验证了同像素发光与感测的可行性，但由于缺乏独立寻址与信号放大能力，难以支撑高分辨率、高灵敏度应用。真正的突破需要建立在有源矩阵之上——为每个像素配备独立的薄膜晶体管，实现像素级精准控制与快速响应。

然而，在有源架构下同时实现高效发光与灵敏探测并非简单叠加即可完成。发光层通常对入射光吸收较弱，加之器件内部光生载流子解离效率有限，使得同一器件在感光模式下的探测能力先天受限。如何让一个本征吸收弱、解离效率低的发光二极管，实现高灵敏度光探测？这是该领域长期存在的核心挑战。

近日，中山大学、浙江大学等单位组成的联合研究团队在《Advanced Materials》发表重要成果。研究人员从材料、界面与电路架构三个层面协同创新，提出“opto-DRAM”像素概念，实现了有源矩阵下自发光与弱光成像的一体化，在像素级获得数十万倍的响应度提升。

图1. 显示技术中发光与探测像素架构的演变

从“屏下探测”到“像素自感”：有源矩阵的再升级

在现有智能手机中，光学感测功能通常通过在屏幕下方集成独立光电探测器实现。这种“屏下方案”虽然实用，却本质上仍是显示与感测的物理分离：像素负责发光，探测器负责接收信号。

在更先进的技术路线中，如韩国三星公司在2025年国际显示周（Display Week）展示的方案，则在像素区域内将发光二极管与光电探测器并排排布，实现更高程度的集成。但这种结构仍需为探测单元预留独立面积，不可避免地压缩像素开口率。

相比之下，本工作再往前迈出一步：不再“叠加”或“并排”集成探测单元，而是让同一个发光二极管同时承担发光与感光功能，并通过有源矩阵电路实现信号放大与独立读出。每个像素既能发光，又能“看见”，无需额外探测器或面积牺牲。

这种从“屏下探测”到“像素自感”的转变，使显示屏本身成为主动感知界面，而非被动输出终端。

Opto-DRAM像素架构：从“收电流”到“测电压”

如图2所示，研究团队受到动态随机存储器（DRAM）中“双晶体管单电容（2T1C）”结构的启发，提出“双晶体管单二极管（2T1D）”光电压驱动像素架构，即“opto-DRAM”。

这一设计的关键在于改变感光的读出方式。传统光电探测器依赖光生电流，而对于吸收弱、解离能力有限的发光器件来说，这一信号往往极其微弱。光伏模式则不同，它直接测量光生电压——即便光电流很小，只要载流子在界面处有效分离并积累，就能产生稳定可读的电压信号。

在opto-DRAM像素中，发光二极管取代了传统DRAM中的电容。发光模式下，一只晶体管驱动二极管发光；感光模式下，二极管产生的光电压暂存于节点，另一只晶体管读取并利用自身跨导实现原位放大。这样，光电压不仅被产生，还可暂存于像素节点，赋予屏幕以类似“短时间光学记忆”的能力。光信号在单个像素内部完成“感知—暂存—调制—放大”的过程，实现“感知即暂存，暂存即放大”的像素机制。

图2. Opto-DRAM像素设计理念

材料与界面双优化：补齐探测短板

要让发光二极管在感光模式下突破固有限制，必须针对其短板进行系统优化。团队从材料与界面两个层面入手。

一是材料优化。准二维钙钛矿具有独特的能量级联结构，这种结构像“能量漏斗”一样，使光生载流子能够高效汇聚。即便在微弱光激发下也能产生稳定光电压。研究人员在准二维钙钛矿中引入氟代苯乙酸多功能添加剂，通过氢键作用调节局域化学环境，抑制缺陷与非辐射复合，从而显著提升发光效率。

二是界面工程。传统电子传输层TPBi与钙钛矿形成I型能带对齐，有利于发光却不利于光生载流子分离。研究团队采用高迁移率材料PO-T2T，使界面形成近似II型解离异质结，在保持发光效率的同时促进光生载流子提取。

如图3所示，优化后的天蓝色钙钛矿发光二极管在显示相关亮度下外量子效率超过20%，功率效率41.8 lm/W达到同类器件领先水平，约是普通白炽灯的两倍效率；在感光模式下，其光电压亦表现出优异性能。



图3. 钙钛矿发光二极管的器件性能表征

像素内增益：从微弱光信号到强电信号

当该二极管与氧化铟镓锌薄膜晶体管（IGZO TFT）集成构成2T1D像素单元后，探测性能实现质的飞跃。在增强感光模式下，二极管产生的光电压经晶体管跨导放大，响应度较单独二极管探测模式提升数十万倍，探测率亦实现同数量级跃升。

这种像素内增益机制正是opto-DRAM架构的核心：先将微弱光信号转化为稳定光电压，再通过晶体管实现电流调制与放大。由于晶体管工作点可调，像素内部能够对光信号进行响应幅度调节，实现高灵敏度读出。

基于此，团队构建了有源矩阵像素阵列（图4）。在显示模式下清晰呈现图案；切换至成像模式后，同一块屏幕即可对外部投射的光学图案进行实时成像，实现像素级“发光—感知”自由切换。

图4. 有源矩阵显示与成像演示

结语

这项研究提出opto-DRAM新型像素架构，并通过IGZO-钙钛矿材料体系验证了其在高效发光与弱光成像方面的潜力。通过材料与界面协同优化调和发光与感光之间的矛盾，通过电路创新实现光电压暂存与像素内增益。

这一成果不仅为下一代交互式显示、生物识别与智能传感提供了紧凑的解决方案，也为发光器件向“功能型像素”演进提供了新的架构路径。

从“看不见”的屏下探测，到“看得见”的像素自感，显示技术正从单纯的信息输出走向主动环境感知。当每个像素都具备“看见”的能力，全屏感知或将成为下一代智能显示的新焦点之一。

（来源：CINNO）