За последние 40 лет микроэлектроника достигла невероятного прогресса благодаря кремнию и технологии КМОП (комплементарных металл-оксидных полупроводников). Эта технология сделала возможным создание компьютерной техники, смартфонов, компактных и недорогих цифровых камер, а также большинства электронных гаджетов, которыми мы пользуемся сегодня. Однако, диверсификация этой платформы для применения в других устройствах, помимо микросхем и камер видимого света, была затруднена невозможностью комбинирования полупроводников, отличных от кремния, с КМОП.
Теперь это препятствие преодолено. Ученые из Научно-исследовательского института фотоники (ICFO) в Испании впервые продемонстрировали монолитную интеграцию КМОП-микросхемы с графеном, в результате чего был создан датчик изображения высокого разрешения, состоящий из сотен тысяч фотодетекторов на основе графена и квантовых точек (КТ). Они управляли им как цифровой камерой, обладающей высокой чувствительностью одновременно к ультрафиолетовому, видимому и инфракрасному свету. Ранее этого никогда не удавалось достичь с существующими датчиками изображения. Монолитная интеграция графена и КМОП может найти применение в таких областях как передача оптических данных с низким потреблением энергии, а также сверхчувствительные сенсорные системы.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Photonics. Датчик был изготовлен следующим образом: на обычную светочувствительную матрицу была наклеена пленка из чистого графена, на которую в свою очередь, наносились коллоидные квантовые точки из сульфида свинца. Как пишет один из исследователей Стин Гуссенс, «для изготовления этих датчиков не требуется дорогих материалов или применения сложных методик выращивания. Наша технология позволяет достаточно дешево и легко создавать их при комнатной температуре, давлении и других параметрах, что заметно снижает издержки на производство. Более того, благодаря его свойствам, датчик можно легко наносить на гибкие подложки, а также встраивать в интегральные схемы КМОП».
Как объяснил профессор Герасимос Константинос, «мы разработали квантовые точки для обеспечения чувствительности в коротком инфракрасном диапазоне (1100-1900 нм), в результате чего нам удалось продемонстрировать ночное мерцание атмосферы на темном и ясном небе. Эта работа показывает, что новый класс фототранзисторов может привести к созданию высокочувствительных недорогих инфракрасных сенсоров, работающих при комнатной температуре, которые будут востребованы огромным «инфракрасным» рынком, испытывающим острую нужду в дешевых технологиях».
«Разработка этого монолитного КМОП-сенсора является важным этапом в создании недорогих широкополосных и гиперспектральных систем формирования изображения с высоким разрешением», подчеркнул профессор Франк Коппенс. Он уверяет, что «в целом, у наших устройств огромный потенциал. Их можно использовать для самых разных целей, начиная с камер видеонаблюдения, систем управления огнем, смартфонов и противопожарных систем и заканчивая системами ночного видения, «зрением» для автомобилей и систем наблюдения за окружающей средой».