Các nhà nghiên cứu phát triển mảng cảm biến hình ảnh băng thông rộng đầu tiên dựa trên sự tích hợp graphene-CMOS

Trong 40 năm qua, vi điện tử đã có những bước tiến nhảy vọt nhờ công nghệ silicon và chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS), cho phép máy tính, điện thoại thông minh, máy ảnh kỹ thuật số nhỏ gọn và giá rẻ cũng như hầu hết các thiết bị điện tử mà chúng ta tin dùng. vào ngày hôm nay.

Tuy nhiên, việc đa dạng hóa nền tảng này sang các ứng dụng khác ngoài vi mạch và máy ảnh ánh sáng khả kiến đã bị cản trở do khó kết hợp chất bán dẫn không silicon với CMOS.

Các nhà nghiên cứu của ICFO hiện đã vượt qua trở ngại này, lần đầu tiên cho thấy sự tích hợp nguyên khối của mạch tích hợp CMOS với graphene, dẫn đến hình ảnh có độ phân giải cao cảm biến ảnh bao gồm hàng trăm ngàn bộ tách sóng quang dựa trên graphene và các chấm lượng tử (QD). Họ đã kết hợp nó vào một máy ảnh kỹ thuật số có độ nhạy cao đồng thời với tia UV, ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại. Điều này chưa bao giờ đạt được trước đây với các cảm biến hình ảnh hiện có. Nhìn chung, việc trình diễn sự tích hợp nguyên khối của graphene với CMOS cho phép thực hiện nhiều ứng dụng quang điện tử, chẳng hạn như truyền thông dữ liệu quang công suất thấp và các hệ thống cảm biến nhỏ gọn và cực nhạy.

Nghiên cứu được công bố trên Quang tử thiên nhiênvà được đánh dấu trên ảnh bìa trước. Công việc được thực hiện bởi ICFO phối hợp với công ty Graphenea. Cảm biến hình ảnh graphene-QD được chế tạo bằng cách lấy keo PbS chấm lượng tử, đặt chúng lên graphene CVD và sau đó đặt hệ thống lai này lên một tấm bán dẫn CMOS có khuôn cảm biến hình ảnh và mạch đọc ra. Như Stijn Goossens nhận xét: “Không cần quá trình xử lý hoặc tăng trưởng vật liệu phức tạp để tạo ra cảm biến hình ảnh CMOS chấm lượng tử graphene này. Nó tỏ ra dễ dàng và rẻ tiền khi chế tạo ở nhiệt độ phòng và trong điều kiện môi trường xung quanh, điều này giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất. Hơn nữa, nhờ các đặc tính của nó, nó có thể được tích hợp dễ dàng trên các chất nền linh hoạt cũng như các mạch tích hợp loại CMOS.”

“Chúng tôi đã thiết kế các QD để mở rộng phạm vi hồng ngoại ngắn của quang phổ (1100-1900nm), đến mức chúng tôi có thể chứng minh và phát hiện ánh sáng ban đêm của bầu khí quyển trên bầu trời tối và trong, cho phép nhìn đêm thụ động. Công trình này cho thấy loại chất bán dẫn quang này có thể là hướng đi cho hình ảnh hồng ngoại có độ nhạy cao, chi phí thấp. cảm biến hoạt động ở nhiệt độ phòng nhằm giải quyết thị trường hồng ngoại khổng lồ hiện đang khát khao các công nghệ giá rẻ,” Goossens nói.

Giáo sư Frank Koppens của ICREA cho biết: “Sự phát triển của cảm biến hình ảnh dựa trên CMOS nguyên khối này đánh dấu một cột mốc quan trọng đối với các hệ thống hình ảnh siêu phổ và băng thông rộng có độ phân giải cao, chi phí thấp”. Ông nói rằng “nói chung, công nghệ graphene-CMOS sẽ cho phép một số lượng lớn các ứng dụng từ an toàn, bảo mật, máy ảnh bỏ túi và điện thoại thông minh giá rẻ, hệ thống điều khiển hỏa lực, camera quan sát ban đêm và giám sát ban đêm thụ động, hệ thống cảm biến ô tô, y tế.” các ứng dụng hình ảnh, kiểm tra thực phẩm và dược phẩm đến giám sát môi trường, v.v.”