Ikke-giftige kvanteprikker baner vejen mod CMOS kortbølge infrarøde billedsensorer til forbrugerelektronik

Usynligt for vores øjne kan kortbølget infrarødt (SWIR) lys muliggøre hidtil uset pålidelighed, funktion og ydeevne i højvolumen, computervision første applikationer i servicerobotik, bilindustrien og forbrugerelektronikmarkeder.

Billedsensorer med SWIR-følsomhed kan fungere pålideligt under ugunstige forhold såsom stærkt sollys, tåge, dis og røg. Desuden giver SWIR-serien øjensikre belysningskilder og åbner muligheden for at detektere materialeegenskaber gennem molekylær billeddannelse.

Colloidal quantum dots (CQD)-baseret billedsensorteknologi tilbyder en lovende teknologiplatform, der muliggør kompatible billedsensorer med høj volumen i SWIR.

CQD'er, nanometriske halvlederkrystaller, er en løsningsbehandlet materialeplatform, der kan integreres med CMOS og giver adgang til SWIR-serien. Der eksisterer imidlertid en fundamental vejblokering i at oversætte SWIR-følsomme kvanteprikker til nøgleteknologi til massemarkedsapplikationer, da de ofte indeholder tungmetaller som bly eller kviksølv (IV-VI Pb, Hg-chalcogenid-halvledere).

Disse materialer er underlagt reguleringer af begrænsningen af ​​farlige stoffer (RoHS), et europæisk direktiv, der regulerer deres brug i kommercielle elektroniske forbrugerapplikationer.

I en undersøgelse offentliggjort i Nature Photonics , ICFO-forskere Yongjie Wang, Lucheng Peng og Aditya Malla ledet af ICREA-professor ved ICFO Gerasimos Konstantatos i samarbejde med forskerne Julien Schreier, Yu Bi, Andres Black og Stijn Goossens fra Qurv har rapporteret om udviklingen af ​​høj- ydeevne infrarøde fotodetektorer og en SWIR-billedsensor, der fungerer ved stuetemperatur baseret på ikke-toksiske kolloide kvanteprikker.

Undersøgelsen beskriver en ny metode til at syntetisere størrelsesjusterbar, fosphinfri sølvtellurid (Ag₂ Te) kvanteprikker, samtidig med at de fordelagtige egenskaber ved traditionelle tungmetalmodstykker bevares, hvilket baner vejen for introduktionen af ​​SWIR kolloid kvanteprikkerteknologi på markeder med store mængder.

Mens vi undersøger, hvordan man syntetiserer sølvvismuttellurid (AgBiTe₂ ) nanokrystaller for at udvide den spektrale dækning af AsBiS₂ teknologi til at forbedre ydeevnen af ​​fotovoltaiske enheder opnåede forskerne sølvtellurid (Ag₂ Te) som et biprodukt.

Dette materiale viste en stærk og afstembar kvantebegrænset absorption beslægtet med kvanteprikker. De indså dets potentiale for SWIR-fotodetektorer og billedsensorer og fokuserede deres bestræbelser på at opnå og kontrollere en ny proces til at syntetisere fosfinfrie versioner af sølvtellurid kvanteprikker, da fosfin viste sig at have en skadelig indvirkning på kvanteprikkernes optoelektroniske egenskaber relevant for fotodetektion.

I deres nye syntetiske metode brugte holdet forskellige phosphinfrie komplekser såsom et tellur og sølvprækursorer, der førte dem til at opnå kvanteprikker med velkontrolleret størrelsesfordeling og excitoniske toppe over et meget bredt spektrum af spektret.

Efter at have fremstillet og karakteriseret dem udviste de nyligt syntetiserede kvanteprikker bemærkelsesværdige præstationer med tydelige excitoniske toppe over 1.500 nm - en hidtil uset præstation sammenlignet med tidligere phosphinbaserede teknikker til kvanteprikkerfremstilling.

Forskerne besluttede derefter at implementere de opnåede phosphinfrie kvanteprikker for at fremstille en simpel fotodetektor i laboratorieskala på det fælles standard ITO (Indium Tin Oxide)-coated glassubstrat for at karakterisere enhederne og måle deres egenskaber.

"Disse enheder i laboratorieskala betjenes med skinnende lys fra bunden. For CMOS-integrerede CQD-stabler kommer lyset fra toppen, hvorimod den nederste del af enheden er taget af CMOS-elektronikken," siger Yongjie Wang, postdoc-forsker ved ICFO og første forfatter til undersøgelsen. "Så den første udfordring, vi skulle overvinde, var at vende enhedsopsætningen tilbage. En proces, der i teorien lyder simpel, men i virkeligheden viste sig at være en udfordrende opgave."

Oprindeligt udviste fotodioden en lav ydeevne i sensing af SWIR-lys, hvilket førte til et redesign, der inkorporerede et bufferlag. Denne justering forbedrede fotodetektorens ydeevne betydeligt, hvilket resulterede i en SWIR-fotodiode, der udviser et spektralområde fra 350 nm til 1.600 nm, et lineært dynamisk område, der overstiger 118 dB, en -3dB båndbredde over 110 kHz og en rumtemperaturdetektivitet i størrelsesordenen 10 ¹² Jones.

"Så vidt vi ved, har fotodioderne, der er rapporteret her, for første gang realiseret løsningsbehandlede, ikke-toksiske kortbølgede infrarøde fotodioder med værdier på niveau med andre tungmetalholdige modparter," Gerasimos Konstantatos, ICREA prof. ved ICFO og ledende forfatter af undersøgelsen nævner.

"Disse resultater understøtter yderligere det faktum, at Ag₂ Kvanteprikkerne fremstår som et lovende RoHS-kompatibelt materiale til applikationer med lavpris, højtydende SWIR-fotodetektorer."

Med den vellykkede udvikling af denne tungmetalfri kvanteprikbaserede fotodetektor gik forskerne videre og slog sig sammen med Qurv, en ICFO-spin-off, for at demonstrere dens potentiale ved at konstruere en SWIR-billedsensor som et casestudie.

Holdet integrerede den nye fotodiode med et CMOS-baseret udlæsningsintegreret kredsløb (ROIC) focal plane array (FPA), der for første gang demonstrerer en proof-of-concept, ikke-toksisk, rumtemperatur-operativ SWIR kvantepunktbaseret billedsensor .

Forfatterne af undersøgelsen testede billedkameraet for at bevise dets funktion i SWIR ved at tage flere billeder af et målobjekt. De var især i stand til at afbilde transmissionen af ​​siliciumwafers under SWIR-lyset samt at visualisere indholdet af plastikflasker, der var uigennemsigtige i det synlige lysområde.

"At få adgang til SWIR med en lavpristeknologi til forbrugerelektronik vil frigøre potentialet i denne spektrale serie med et stort udvalg af applikationer, herunder forbedrede synssystemer til bilindustrien (biler), der muliggør udsyn og kørsel under ugunstige vejrforhold," siger Gerasimos Konstantatos .

"SWIR-bånd omkring 1,35-1,40 µm, kan give et øje-sikkert vindue, fri for baggrundslys under dag/natforhold, hvilket yderligere muliggør langdistance-lysdetektion og rækkevidde (LiDAR), tredimensionel billeddannelse til biler, udvidet reality- og virtual reality-applikationer."

Nu ønsker forskerne at øge ydeevnen af ​​fotodioder ved at konstruere stakken af ​​lag, der udgør fotodetektorenheden. De ønsker også at udforske nye overfladekemier for Ag₂ Kvanteprikker for at forbedre ydeevnen og den termiske og miljømæssige stabilitet af materialet på vej til markedet.

Flere oplysninger: Wang, Y., Peng, L., Schreier, J. et al. Sølv tellurid kolloide kvanteprikker infrarøde fotodetektorer og billedsensorer. Naturfotonik . (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01345-3

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af ICFO