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