Forskere udvikler det første bredbåndsbilledsensorarray baseret på grafen-CMOS-integration

I løbet af de sidste 40 år, mikroelektronikken har avanceret med stormskridt takket være silicium og komplementær metaloxid-halvlederteknologi (CMOS), muliggør databehandling, smartphones, kompakte og billige digitale kameraer, såvel som de fleste af de elektroniske gadgets, vi er afhængige af i dag.

Imidlertid, diversificeringen af ​​denne platform til andre applikationer end mikrokredsløb og kameraer med synligt lys er blevet hæmmet af vanskeligheden ved at kombinere ikke-silicium halvledere med CMOS.

ICFO-forskere har nu overvundet denne hindring, viser for første gang den monolitiske integration af et CMOS integreret kredsløb med grafen, resulterer i en højopløselig billedsensor bestående af hundredtusindvis af fotodetektorer baseret på grafen og kvanteprikker (QD). De inkorporerede det i et digitalkamera, der er meget følsomt over for UV, synligt og infrarødt lys samtidigt. Dette er aldrig før blevet opnået med eksisterende billedsensorer. Generelt, denne demonstration af monolitisk integration af grafen med CMOS muliggør en bred vifte af optoelektroniske applikationer, såsom laveffekt optisk datakommunikation og kompakte og ultrafølsomme sensorsystemer.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturfotonik , og fremhævet på forsidebilledet. Arbejdet er udført af ICFO i samarbejde med virksomheden Graphenea. Grafen-QD billedsensoren blev fremstillet ved at tage PbS kolloide kvanteprikker, deponering af dem på CVD-grafen og efterfølgende deponering af dette hybridsystem på en CMOS-wafer med billedsensormatricer og et udlæsningskredsløb. Som Stijn Goossens kommenterer, "Ingen kompleks materialebehandling eller vækstprocesser var påkrævet for at opnå denne grafen-kvanteprik CMOS-billedsensor. Den viste sig let og billig at fremstille ved stuetemperatur og under omgivende forhold, hvilket betyder et betydeligt fald i produktionsomkostningerne. Desuden, på grund af dets egenskaber, det kan nemt integreres på fleksible substrater såvel som integrerede kredsløb af CMOS-typen."

"Vi konstruerede QD'erne til at udvide til det korte infrarøde område af spektret (1100-1900nm), til et punkt, hvor vi var i stand til at demonstrere og detektere atmosfærens natteskær på en mørk og klar himmel, hvilket muliggjorde passivt nattesyn. Dette arbejde viser, at denne klasse af fototransistorer kan være vejen at gå for høj følsomhed, lavpris, infrarøde billedsensorer, der fungerer ved stuetemperatur, og adresserer det enorme infrarøde marked, der i øjeblikket tørster efter billige teknologier, siger Goossens.

"Udviklingen af ​​denne monolitiske CMOS-baserede billedsensor repræsenterer en milepæl for lave omkostninger, højopløselige bredbånd og hyperspektrale billeddannelsessystemer, " siger ICREA-professor Frank Koppens. Han siger, at "i almindelighed, graphene-CMOS-teknologi vil muliggøre et stort antal applikationer, der spænder fra sikkerhed, sikkerhed, billige lomme- og smartphonekameraer, brandkontrolsystemer, passivt nattesyn og natovervågningskameraer, sensorsystemer til biler, medicinsk billedbehandlingsapplikationer, fødevare- og lægemiddelinspektion til miljøovervågning, for at nævne et par stykker."