Osynligt för våra ögon, kortvågigt infrarött (SWIR) ljus kan möjliggöra oöverträffad tillförlitlighet, funktion och prestanda i högvolym, datorseende första tillämpningar inom servicerobotik, fordons- och konsumentelektronikmarknader.
Bildsensorer med SWIR-känslighet kan fungera tillförlitligt under ogynnsamma förhållanden som starkt solljus, dimma, dis och rök. Dessutom tillhandahåller SWIR-serien ögonsäkra belysningskällor och öppnar upp möjligheten att upptäcka materialegenskaper genom molekylär avbildning.
Colloidal quantum dots (CQD)-baserad bildsensorteknik erbjuder en lovande teknologiplattform för att möjliggöra kompatibla bildsensorer med hög volym i SWIR.
CQD, nanometriska halvledarkristaller, är en lösningsbearbetad materialplattform som kan integreras med CMOS och möjliggör tillgång till SWIR-sortimentet. Det finns dock en grundläggande vägspärr när det gäller att översätta SWIR-känsliga kvantprickar till nyckelteknologi för massmarknadstillämpningar, eftersom de ofta innehåller tungmetaller som bly eller kvicksilver (IV-VI Pb, Hg-kalkogenid-halvledare).
Dessa material omfattas av bestämmelser av RoHS (Restriction of Hazardous Substances), ett europeiskt direktiv som reglerar deras användning i kommersiella konsumentelektroniktillämpningar.
I en studie publicerad i Nature Photonics , ICFO-forskarna Yongjie Wang, Lucheng Peng och Aditya Malla ledda av ICREA-professorn vid ICFO Gerasimos Konstantatos, i samarbete med forskarna Julien Schreier, Yu Bi, Andres Black och Stijn Goossens, från Qurv, har rapporterat om utvecklingen av hög- prestanda infraröda fotodetektorer och en SWIR-bildsensor som arbetar vid rumstemperatur baserat på giftfria kolloidala kvantprickar.
Studien beskriver en ny metod för att syntetisera storleksinställbar, fosfinfri silvertellurid (Ag2 Te) kvantprickar samtidigt som de fördelaktiga egenskaperna hos traditionella tungmetallmotsvarigheter bevaras, vilket banar väg för introduktionen av SWIR kolloidal kvantprickteknologi på marknader med stora volymer.
Medan man undersöker hur man syntetiserar silvervismuttellurid (AgBiTe2 ) nanokristaller för att utöka den spektrala täckningen av AsBiS2 teknik för att förbättra prestandan hos fotovoltaiska enheter, erhöll forskarna silvertellurid (Ag2 Te) som en biprodukt.
Detta material visade en stark och avstämbar kvantbegränsad absorption som liknar kvantprickar. De insåg dess potential för SWIR-fotodetektorer och bildsensorer och drev sina ansträngningar för att uppnå och kontrollera en ny process för att syntetisera fosfinfria versioner av silvertelluridkvantprickar, eftersom fosfin visade sig ha en skadlig inverkan på kvantprickarnas optoelektroniska egenskaper relevant för fotodetektion.
I sin nya syntetiska metod använde teamet olika fosfinfria komplex som tellur och silverprekursorer, vilket ledde till att de fick kvantprickar med välkontrollerad storleksfördelning och excitoniska toppar över ett mycket brett spektrum av spektrumet.
Efter att ha tillverkat och karaktäriserat dem uppvisade de nysyntetiserade kvantprickarna anmärkningsvärda prestanda, med distinkta excitoniska toppar över 1 500 nm – en oöverträffad prestation jämfört med tidigare fosfinbaserade tekniker för kvantpricktillverkning.
Forskarna bestämde sig sedan för att implementera de erhållna fosfinfria kvantprickarna för att tillverka en enkel fotodetektor i laboratorieskala på det gemensamma standarden ITO (Indium Tin Oxide)-belagt glassubstrat för att karakterisera enheterna och mäta deras egenskaper.
"Dessa enheter i labbskala drivs med skinande ljus från botten. För CMOS-integrerade CQD-stackar kommer ljus från toppen, medan den nedre delen av enheten tas av CMOS-elektroniken", säger Yongjie Wang, postdoc-forskare vid ICFO och första författare till studien. "Så, den första utmaningen vi var tvungna att övervinna var att återställa enhetens konfiguration. En process som i teorin låter enkel, men som i verkligheten visade sig vara en utmanande uppgift."
Inledningsvis uppvisade fotodioden en låg prestanda vid avkänning av SWIR-ljus, vilket ledde till en omdesign som inkorporerade ett buffertskikt. Denna justering förbättrade fotodetektorns prestanda avsevärt, vilket resulterade i en SWIR-fotodiod som uppvisar ett spektralområde från 350 nm till 1 600 nm, ett linjärt dynamiskt område som överstiger 118 dB, en -3dB bandbredd överstigande 110 kHz och en rumstemperaturdetektivitet av storleksordningen 10 12 Jones.
"Såvitt vi vet har fotodioderna som rapporterats här för första gången realiserat lösningsbearbetade, giftfria kortvågiga infraröda fotodioder med meriter i paritet med andra tungmetallinnehållande motsvarigheter," Gerasimos Konstantatos, ICREA-professor vid ICFO och ledande författare av studien nämner.
"Dessa resultat stöder ytterligare det faktum att Ag2 Kvantprickarna framstår som ett lovande RoHS-kompatibelt material för applikationer med låg kostnad, högpresterande SWIR-fotodetektorer."
Med den framgångsrika utvecklingen av denna tungmetallfria kvantprickbaserade fotodetektor gick forskarna längre och slog sig ihop med Qurv, en ICFO-spin-off, för att demonstrera dess potential genom att konstruera en SWIR-bildsensor som en fallstudie.
Teamet integrerade den nya fotodioden med en CMOS-baserad utläsning integrerad krets (ROIC) focal plane array (FPA) som för första gången demonstrerar en proof-of-concept, giftfri, rumstemperatur-operativ SWIR kvantpunktsbaserad bildsensor .
Författarna till studien testade avbildaren för att bevisa dess funktion i SWIR genom att ta flera bilder av ett målobjekt. I synnerhet kunde de avbilda överföringen av kiselskivor under SWIR-ljuset samt visualisera innehållet i plastflaskor som var ogenomskinliga i det synliga ljusområdet.
"Att komma åt SWIR med en lågkostnadsteknologi för konsumentelektronik kommer att frigöra potentialen i detta spektrala sortiment med ett stort utbud av applikationer inklusive förbättrade visionsystem för bilindustrin (bilar) som möjliggör sikt och körning under ogynnsamma väderförhållanden", säger Gerasimos Konstantatos .
"SWIR-band runt 1,35–1,40 µm, kan ge ett ögonsäkert fönster, fritt från bakgrundsljus under dag-/nattförhållanden, vilket ytterligare möjliggör långdistansljusdetektering och avstånd (LiDAR), tredimensionell bildbehandling för bilar, utökad verklighet och virtuell verklighet."
Nu vill forskarna öka prestanda hos fotodioder genom att konstruera stapeln av lager som utgör fotodetektorenheten. De vill också utforska ny ytkemi för Ag2 Kvantprickar för att förbättra prestandan och den termiska och miljömässiga stabiliteten hos materialet på väg till marknaden.
Mer information: Wang, Y., Peng, L., Schreier, J. et al. Silver tellurid kolloidala kvantpricksinfraröda fotodetektorer och bildsensorer. Naturfotonik . (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01345-3
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av ICFO
