Investigadores desarrollan el primer conjunto de sensores de imagen de banda ancha basado en la integración de grafeno-CMOS

En los últimos 40 años, la microelectrónica ha avanzado a pasos agigantados gracias al silicio y a la tecnología de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS), lo que ha permitido que la informática, los teléfonos inteligentes, las cámaras digitales compactas y de bajo coste, así como la mayoría de los dispositivos electrónicos de los que dependemos. hoy.

Sin embargo, la diversificación de esta plataforma hacia aplicaciones distintas de los microcircuitos y las cámaras de luz visible se ha visto obstaculizada por la dificultad de combinar semiconductores sin silicio con CMOS.

Los investigadores del ICFO ahora han superado este obstáculo, mostrando por primera vez la integración monolítica de un circuito integrado CMOS con grafeno, lo que da como resultado una imagen de alta resolución. sensor de imagen compuesto por cientos de miles de fotodetectores basados en grafeno y puntos cuánticos (QD). Lo incorporaron a una cámara digital altamente sensible a la luz ultravioleta, visible e infrarroja simultáneamente. Esto nunca antes se había logrado con los sensores de imágenes existentes. En general, esta demostración de integración monolítica de grafeno con CMOS permite una amplia gama de aplicaciones optoelectrónicas, como comunicaciones de datos ópticos de baja potencia y sistemas de detección compactos y ultrasensibles.

El estudio fue publicado en Fotónica de la naturalezay resaltado en la imagen de la portada. El trabajo fue realizado por ICFO en colaboración con la empresa Graphenea. El sensor de imagen QD de grafeno se fabricó tomando PbS coloidal puntos cuánticos, depositándolos sobre el grafeno CVD y posteriormente depositando este sistema híbrido en una oblea CMOS con matrices de sensor de imagen y un circuito de lectura. Como comenta Stijn Goossens: “No fue necesario ningún procesamiento de material complejo ni procesos de crecimiento para lograr este sensor de imagen CMOS de puntos cuánticos de grafeno. Resultó fácil y económico de fabricar a temperatura ambiente y en condiciones ambientales, lo que significa una disminución considerable de los costos de producción. Además, debido a sus propiedades, se puede integrar fácilmente en sustratos flexibles, así como en circuitos integrados de tipo CMOS”.

“Diseñamos los QD para extenderlos al rango infrarrojo corto del espectro (1100-1900 nm), hasta un punto en el que pudimos demostrar y detectar el brillo nocturno de la atmósfera en un cielo oscuro y despejado, permitiendo la visión nocturna pasiva. Este trabajo muestra que esta clase de fototransistores puede ser el camino a seguir para obtener imágenes infrarrojas de alta sensibilidad y bajo costo. sensores operando a temperatura ambiente, abordando el enorme mercado de infrarrojos que actualmente está sediento de tecnologías baratas”, dice Goossens.

"El desarrollo de este sensor de imagen monolítico basado en CMOS representa un hito para los sistemas de imágenes hiperespectrales y de banda ancha de alta resolución y bajo costo", dice el profesor ICREA Frank Koppens. Dice que “en general, la tecnología de grafeno-CMOS permitirá una gran cantidad de aplicaciones que van desde seguridad, cámaras de bolsillo y de teléfonos inteligentes de bajo costo, sistemas de control de incendios, visión nocturna pasiva y cámaras de vigilancia nocturna, sistemas de sensores para automóviles, tecnología médica aplicaciones de imágenes, inspección de alimentos y productos farmacéuticos hasta monitoreo ambiental, por nombrar algunos”.