นักวิจัยพัฒนาอาร์เรย์เซ็นเซอร์รับภาพบรอดแบนด์ตัวแรกโดยใช้การบูรณาการกราฟีน-CMOS

ในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ก้าวหน้าอย่างก้าวกระโดดด้วยเทคโนโลยีซิลิคอนและเซมิคอนดักเตอร์เมทัลออกไซด์เสริม (CMOS) ช่วยให้สามารถใช้งานคอมพิวเตอร์ สมาร์ทโฟน กล้องดิจิตอลขนาดกะทัดรัดและราคาประหยัด รวมถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ที่เราไว้วางใจ ในวันนี้

อย่างไรก็ตาม การกระจายตัวของแพลตฟอร์มนี้ไปสู่การใช้งานอื่นนอกเหนือจากวงจรไมโครและกล้องแสงที่มองเห็นได้ ถูกขัดขวางโดยความยากลำบากในการรวมเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่ใช่ซิลิคอนเข้ากับ CMOS

ขณะนี้นักวิจัยของ ICFO ได้เอาชนะอุปสรรคนี้แล้ว โดยแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกของการบูรณาการเสาหินของวงจรรวม CMOS เข้ากับกราฟีน ส่งผลให้มีความละเอียดสูง เซ็นเซอร์รูปภาพ ประกอบด้วยเครื่องตรวจจับแสงหลายแสนตัวที่ใช้กราฟีนและควอนตัมดอท (QD) พวกเขารวมมันไว้ในกล้องดิจิตอลที่มีความไวสูงต่อแสง UV, แสงที่มองเห็นและแสงอินฟราเรดพร้อมกัน สิ่งนี้ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนด้วยเซนเซอร์ภาพที่มีอยู่ โดยทั่วไป การสาธิตการรวมกราฟีนแบบเสาหินกับ CMOS ช่วยให้สามารถใช้งานออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้หลากหลาย เช่น การสื่อสารข้อมูลแบบออปติคัลพลังงานต่ำ และระบบการตรวจจับขนาดกะทัดรัดและละเอียดอ่อนเป็นพิเศษ

การศึกษาถูกตีพิมพ์ใน โฟโตนิกส์ธรรมชาติและเน้นที่ภาพปกหน้า งานนี้ดำเนินการโดย ICFO โดยความร่วมมือกับบริษัท Graphenea เซนเซอร์ภาพกราฟีน-QD ถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยการนำ PbS คอลลอยด์ จุดควอนตัมโดยฝากพวกมันไว้บนกราฟีน CVD จากนั้นฝากระบบไฮบริดนี้ลงบนเวเฟอร์ CMOS โดยมีเซ็นเซอร์รับภาพตายและวงจรอ่านค่า ดังที่ Stijn Goossens กล่าวไว้ว่า "ไม่จำเป็นต้องมีการประมวลผลวัสดุหรือกระบวนการเติบโตที่ซับซ้อนเพื่อให้ได้เซนเซอร์ภาพ CMOS แบบกราฟีน-ควอนตัมดอทนี้ ได้รับการพิสูจน์ว่าง่ายและราคาถูกในการผลิตที่อุณหภูมิห้องและภายใต้สภาวะแวดล้อม ซึ่งหมายความว่าต้นทุนการผลิตลดลงอย่างมาก นอกจากนี้ เนื่องจากคุณสมบัติของมัน จึงสามารถรวมเข้ากับซับสเตรตที่ยืดหยุ่นและวงจรรวมประเภท CMOS ได้อย่างง่ายดาย”

“เราออกแบบ QD ให้ขยายไปสู่ช่วงอินฟราเรดที่สั้นของสเปกตรัม (1100-1900 นาโนเมตร) จนถึงจุดที่เราสามารถสาธิตและตรวจจับแสงเรืองแสงยามค่ำคืนของบรรยากาศบนท้องฟ้าที่มืดและปลอดโปร่ง ทำให้มองเห็นในเวลากลางคืนแบบพาสซีฟได้ งานนี้แสดงให้เห็นว่าโฟโตทรานซิสเตอร์ประเภทนี้อาจเป็นหนทางในการเลือกภาพอินฟราเรดที่มีความไวสูง ต้นทุนต่ำ เซ็นเซอร์ ทำงานที่อุณหภูมิห้องเพื่อตอบโจทย์ตลาดอินฟราเรดขนาดใหญ่ที่กำลังกระหายเทคโนโลยีราคาถูก” Goossens กล่าว

“การพัฒนาเซ็นเซอร์ภาพที่ใช้ CMOS แบบเสาหินนี้ถือเป็นก้าวสำคัญของระบบภาพบรอดแบนด์และไฮเปอร์สเปกตรัมที่มีต้นทุนต่ำและมีความละเอียดสูง” ศาสตราจารย์ Frank Koppens ของ ICREA กล่าว เขากล่าวว่า “โดยทั่วไปแล้ว เทคโนโลยีกราฟีน-CMOS จะช่วยให้ใช้งานแอพพลิเคชั่นได้มากมาย ตั้งแต่ความปลอดภัย การรักษาความปลอดภัย กล้องพกพาและสมาร์ทโฟนราคาประหยัด ระบบควบคุมอัคคีภัย กล้องมองกลางคืนแบบพาสซีฟและกล้องวงจรปิดตอนกลางคืน ระบบเซ็นเซอร์ยานยนต์ การแพทย์ การใช้งานด้านการถ่ายภาพ การตรวจสอบอาหารและยา ไปจนถึงการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม และอื่นๆ อีกมากมาย”