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光学工程
石墨烯和量子点技术制造新型相机


新相机将石墨烯和量子点集成于CMOS中。图片提供:西班牙光子科学研究所(ICFO)。

西班牙光子科学研究所的研究人员已经研发出一种石墨烯的工业半导体加工方法,用于制造相机的CMOS元件。该研究团队制造出的相机比任何商业摄像机的感光范围更广,他们还表示,这一方法也可用于创建高速光纤互连通信网络。

石墨烯是一种仅有一个原子厚的碳原子薄片,这种“神奇材料”具有许多非常实用的电学特性——例如极高的电子迁移率。因此,石墨烯已被用于制造显示器、扬声器、触摸屏等电子设备。然而,石墨烯的大多数应用都处于发展的早期阶段,研究人员们仍在努力研究如何将石墨烯整合到大规模的工业生产过程中。

现今电子行业的主要技术是互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,它将硅、金属与绝缘体组装为晶体管,并将数十亿个晶体管集成在单个晶圆上。然而,将诸如石墨烯半导体集成到CMOS中会产生一个问题,即不同材料之间的晶格失配使得无法在硅晶圆上集成其他高质量的半导体层。事实上,当研究人员开发出石墨烯电子元件时,它们还没有被集成到CMOS电路中。

有限的波长范围

无法集成其他种类的半导体限制了CMOS相机的性能提升。西班牙光子科学研究所的Frank Koppens解释说:“智能手机中的相机只能接收可见光,因为硅只吸收可见光。如果要检测红外光,就需要购买砷化铟镓摄像头,因为砷化铟镓无法与CMOS集成,所以这会多花费大约40,000美元或50,000美元,而且集成这种摄像头的读出电路与光电检测器的工艺十分复杂。”

2011年,Koppens及其同事将两个电极连接到涂覆有硫化铅量子点的石墨烯片,制造出可探测红外和可见光波段的高灵敏度光电探测器。量子点吸收光子后形成电子空穴对,电子被保留在量子点中,而空穴对向下移动到石墨烯中,这将显著增加石墨烯的导电性并使电流增大。但是,研究人员无法用该探测器制造相机。Koppens解释说:“一个光电探测器必须连接一个电路板。而一台相机需要数百万个光电探测器,所以我们需要一个微电子电路。”

在新的研究工作中,Koppens的团队将原本在铜箔外延的石墨烯转移到硅CMOS芯片的表面。该芯片中嵌入了读取电路,以分别读出相机的所有像素。其后,他们为每个像素点都配置了一层模块化的石墨烯,并在其顶部沉积了一层量子点。经过以上处理的相机可以检测300nm(近紫外)至2000nm(短波红外)波长的光。尽管石墨烯不吸收光,但是其较高的电子迁移率使其能够产生较强的信号,这使得该相机能够检测到其他设备所忽略的噪声中的红外光信号。研究人员认为该设备可用于智能手机、安全系统、车辆以及食品和药物检测系统。更重要的是,使用该方法集成CMOS的成本有可能比目前的智能相机更便宜。

前所未有的处理速度

研究人员还在致力于基于石墨烯的光纤互连技术,该技术能够提高光通信网络的传输容量,甚至有助于光学计算机的问世。尽管在目前的设计中,量子点限制了相机的速度,但石墨烯本身能够以前所未有的速度吸收光线,虽然效率很低——“对于数据通信而言,我们需要将石墨烯与硅光子学结合在一起,”Koppens说,“这也是基于硅CMOS的技术。”

英国剑桥大学的Andrea Ferrari说:“最重要的研究结果毫无疑问是第一个真正的大尺寸石墨烯CMOS集成器件,这是石墨烯光电技术的最终挑战。”他说,该技术面临的重大障碍之一将是开发适合“fabs”——一种价值十亿美元的商业CMOS芯片生产设备——的生产流程。“如果石墨烯CMOS集成技术能够在晶圆厂中实际应用,那么我们就实现了一项重大革命:手机中的光电器件,物联网的数据发射器单元都将使用石墨烯,这是这一技术最主要的成果。”


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