Квантовые точки помогут создать уникальные CMOS-датчики для бытовой электроники

Невидимый для наших глаз, коротковолновый инфракрасный свет, SWIR, может обеспечить беспрецедентную надежность, функциональность и производительность в крупносерийных приложениях, использующих компьютерное зрение, в сервисной робототехнике, автомобилях и бытовой электронике.

Датчики изображения с чувствительностью SWIR могут надежно работать в неблагоприятных условиях, таких как яркий солнечный свет, туман, дымка и дым. Кроме того, SWIR-диапазон обеспечивает безопасные для глаз источники освещения и открывает возможность определения свойств материалов с помощью молекулярной визуализации.

Технология датчиков изображения на основе коллоидных квантовых точек (CQD) представляет собой перспективную технологическую платформу для создания совместимых с большими объемами датчиков изображения в SWIR-диапазоне. CQD, нанометрические полупроводниковые кристаллы, представляют собой обработанную раствором материальную платформу, которая может быть интегрирована с CMOS и позволяет получить доступ к SWIR-диапазону. Однако на пути превращения чувствительных к SWIR квантовых точек в ключевую технологию для массового применения стоит серьезное препятствие, поскольку они часто содержат тяжелые металлы, такие как свинец или ртуть (IV-VI Pb, Hg-халькогенидные полупроводники). Эти материалы подпадают под действие европейской директивы Restriction of Hazardous Substances (RoHS), регулирующей их использование в коммерческих потребительских электронных приложениях.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Photonics, ученые ICFO Юнцзе Ванг, Лючэн Пенг и Адитья Малла под руководством профессора ICREA в ICFO Герасимоса Константатоса в сотрудничестве с исследователями Жюльеном Шрейером, Ю Би, Андресом Блэком и Стином Гуссенсом из Qurv сообщили о разработке высокоэффективных инфракрасных фотоприемников и коротковолнового инфракрасного (SWIR) датчика изображения, работающего при комнатной температуре, на основе нетоксичных коллоидных квантовых точек. В исследовании описывается новый метод синтеза настраиваемых по размеру квантовых точек теллурида серебра (Ag2Te) без фосфина при сохранении преимущественных свойств традиционных аналогов из тяжелых металлов, что открывает путь к внедрению технологии коллоидных квантовых точек SWIR на крупносерийные рынки.

Изучая способ синтеза нанокристаллов теллурида висмута серебра (AgBiTe2) для расширения спектрального охвата технологии AsBiS2 с целью повышения эффективности фотоэлектрических устройств, исследователи получили теллурид серебра (Ag2Te) в качестве побочного продукта. Этот материал продемонстрировал сильное и настраиваемое квантовое ограниченное поглощение сродни квантовым точкам. Осознав его потенциал для использования в фотоприемниках и датчиках изображения SWIR, они направили свои усилия на создание и контроль нового процесса синтеза бесфосфиновых версий квантовых точек теллурида серебра, поскольку было установлено, что фосфин оказывает пагубное влияние на оптоэлектронные свойства квантовых точек, необходимые для фотодетектирования.

В своем новом синтетическом методе команда использовала различные бесфосфиновые комплексы, такие как теллур и серебряные прекурсоры, что позволило получить квантовые точки с хорошо контролируемым распределением размеров и экситонными пиками в очень широком диапазоне спектра. После изготовления и определения характеристик новые синтезированные квантовые точки продемонстрировали замечательные характеристики, с отчетливыми экситонными пиками более 1500 нм — беспрецедентное достижение по сравнению с предыдущими методами изготовления квантовых точек на основе фосфина.

Исследователи решили использовать полученные бесфосфиновые квантовые точки для изготовления простого лабораторного фотодетектора на обычной стандартной стеклянной подложке с покрытием ITO (Indium Tin Oxide), чтобы охарактеризовать устройство и измерить его свойства.

Эти лабораторные устройства работают при освещении снизу. В случае CMOS-интегрированных CQD-стеков свет идет сверху, а нижняя часть устройства занята КМОП-электроникой, — комментирует Йонгджи Ванг (Yongjie Wang), постдок-исследователь ICFO и первый автор исследования.

Поэтому первой проблемой, которую нам пришлось преодолеть, стало изменение настройки устройства. Процесс, который в теории звучит просто, но на деле оказался сложной задачей.

Изначально фотодиод демонстрировал низкую производительность при восприятии SWIR-излучения, что заставило пересмотреть конструкцию, включив в нее буферный слой. Эта корректировка значительно улучшила характеристики фотодетектора, в результате чего фотодиод SWIR продемонстрировал спектральный диапазон от 350 до 1600 нм, линейный динамический диапазон более 118 дБ, полосу пропускания -3 дБ более 110 кГц и обнаружительную способность порядка 1012 Джонса при комнатной температуре.

Насколько нам известно, в представленных здесь фотодиодах впервые реализованы нетоксичные коротковолновые инфракрасные фотодиоды, обработанные раствором, с характеристиками, не уступающими другим аналогам, содержащим тяжелые металлы, — отмечает Герасимос Константатос, профессор ICREA в ICFO и ведущий автор исследования.

Эти результаты еще больше подтверждают тот факт, что квантовые точки Ag2Te являются перспективным материалом, соответствующим требованиям RoHS, для недорогих и высокопроизводительных SWIR-фотоприемников.

Успешно разработав этот не содержащий тяжелых металлов фотоприемник на основе квантовых точек, исследователи пошли дальше и совместно с компанией Qurv, подразделением ICFO, продемонстрировали его потенциал, создав в качестве примера датчик изображения SWIR. Команда интегрировала новый фотодиод с матрицей фокальной плоскости (FPA) на основе КМОП-считывающей интегральной схемы (ROIC), впервые продемонстрировав нетоксичный, работающий при комнатной температуре датчик изображения SWIR на основе квантовых точек.

Авторы исследования протестировали устройство, чтобы доказать его работу в SWIR, сделав несколько снимков целевого объекта. В частности, им удалось получить изображение просвечивания кремниевых пластин в SWIR-свете, а также визуализировать содержимое пластиковых бутылок, которые были непрозрачны в видимом диапазоне света.

Доступ к SWIR с помощью недорогой технологии для бытовой электроники позволит раскрыть потенциал этого спектрального диапазона с огромным спектром применений, включая улучшенные системы технического зрения для автомобильной промышленности (автомобили), позволяющие видеть и управлять транспортным средством в неблагоприятных погодных условиях, — говорит Герасимос Константатос.

Диапазон SWIR около 1,35-1,40 мкм может обеспечить безопасное для глаз окно, свободное от фонового света в условиях дня/ночи, что позволит в дальнейшем использовать системы дальнего обнаружения и определения дальности света (LiDAR), трехмерного изображения для автомобильной промышленности, дополненной реальности и виртуальной реальности.

Теперь исследователи хотят повысить производительность фотодиодов, разработав стек слоев, из которых состоит устройство фотодетектора. Они также хотят изучить новые химические составы поверхности для квантовых точек Ag2Te, чтобы улучшить производительность, а также термическую и экологическую стабильность материала на пути к выходу на рынок.

Фото предоставлено ICFO

03.01.2024


Подписаться в Telegram



Хайтек

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
ACS Nano: Зубы нутрий и бобров помогут ученым вывести формулу совершенной эмали
ACS Nano: Зубы нутрий и бобров помогут ученым вывести формулу совершенной эмали
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса