Forscher entwickeln das erste Breitband-Bildsensor-Array auf Basis der Graphen-CMOS-Integration

In den letzten 40 Jahren hat sich die Mikroelektronik dank der Silizium- und CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) sprunghaft weiterentwickelt und ermöglicht Computer, Smartphones, kompakte und kostengünstige Digitalkameras sowie die meisten elektronischen Geräte, auf die wir angewiesen sind heute.

Die Diversifizierung dieser Plattform in andere Anwendungen als Mikroschaltungen und Kameras für sichtbares Licht wurde jedoch durch die Schwierigkeit behindert, Nicht-Silizium-Halbleiter mit CMOS zu kombinieren.

ICFO-Forscher haben dieses Hindernis nun überwunden und erstmals die monolithische Integration eines integrierten CMOS-Schaltkreises mit Graphen gezeigt, was zu einer hohen Auflösung führte Bildsensor bestehend aus Hunderttausenden Fotodetektoren auf Basis von Graphen und Quantenpunkten (QD). Sie bauten es in eine Digitalkamera ein, die gleichzeitig hochempfindlich auf UV-, sichtbares und infrarotes Licht reagiert. Dies wurde mit vorhandenen Bildsensoren noch nie zuvor erreicht. Im Allgemeinen ermöglicht diese Demonstration der monolithischen Integration von Graphen mit CMOS eine breite Palette optoelektronischer Anwendungen, wie etwa optische Datenkommunikation mit geringem Stromverbrauch und kompakte und hochempfindliche Sensorsysteme.

Die Studie wurde veröffentlicht in Naturphotonikund auf dem Titelbild hervorgehoben. Die Arbeiten wurden von ICFO in Zusammenarbeit mit der Firma Graphenea durchgeführt. Der Graphen-QD-Bildsensor wurde unter Verwendung von kolloidalem PbS hergestellt Quantenpunkte, Ablagerung auf dem CVD-Graphen und anschließende Ablagerung dieses Hybridsystems auf einem CMOS-Wafer mit Bildsensorchips und einer Ausleseschaltung. Stijn Goossens kommentiert: „Für die Herstellung dieses Graphen-Quantenpunkt-CMOS-Bildsensors waren keine komplexen Materialverarbeitungs- oder Wachstumsprozesse erforderlich. Es erwies sich als einfach und kostengünstig bei Raumtemperatur und unter Umgebungsbedingungen herzustellen, was eine erhebliche Senkung der Produktionskosten bedeutet. Darüber hinaus lässt es sich aufgrund seiner Eigenschaften problemlos auf flexiblen Substraten sowie in integrierten Schaltkreisen vom CMOS-Typ integrieren.“

„Wir haben die QDs so konstruiert, dass sie sich auf den kurzen Infrarotbereich des Spektrums (1100–1900 nm) erstrecken, bis zu einem Punkt, an dem wir das nächtliche Leuchten der Atmosphäre an einem dunklen und klaren Himmel demonstrieren und erkennen konnten, was passive Nachtsicht ermöglicht. Diese Arbeit zeigt, dass diese Klasse von Fototransistoren der richtige Weg für hochempfindliche und kostengünstige Infrarotbilder sein könnte Sensoren „Wir arbeiten bei Raumtemperatur und adressieren damit den riesigen Infrarotmarkt, der derzeit nach billigen Technologien dürstet“, sagt Goossens.

„Die Entwicklung dieses monolithischen CMOS-basierten Bildsensors stellt einen Meilenstein für kostengünstige, hochauflösende Breitband- und hyperspektrale Bildgebungssysteme dar“, sagt ICREA-Professor Frank Koppens. Er sagt, dass „die Graphen-CMOS-Technologie im Allgemeinen eine Vielzahl von Anwendungen ermöglichen wird, die von Sicherheit, kostengünstigen Taschen- und Smartphone-Kameras, Feuerleitsystemen, passiven Nachtsicht- und Nachtüberwachungskameras, Automobilsensorsystemen und Medizin reichen.“ Bildgebungsanwendungen, Lebensmittel- und Pharmainspektion bis hin zur Umweltüberwachung, um nur einige zu nennen.“