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光學工程
石墨烯和量子點技術制造新型相機


新相機將石墨烯和量子點集成于CMOS中。圖片提供:西班牙光子科學研究所(ICFO)。

西班牙光子科學研究所的研究人員已經研發出一種石墨烯的工業半導體加工方法,用于制造相機的CMOS元件。該研究團隊制造出的相機比任何商業攝像機的感光范圍更廣,他們還表示,這一方法也可用于創建高速光纖互連通信網絡。

石墨烯是一種僅有一個原子厚的碳原子薄片,這種“神奇材料”具有許多非常實用的電學特性——例如極高的電子遷移率。因此,石墨烯已被用于制造顯示器、揚聲器、觸摸屏等電子設備。然而,石墨烯的大多數應用都處于發展的早期階段,研究人員們仍在努力研究如何將石墨烯整合到大規模的工業生產過程中。

現今電子行業的主要技術是互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝,它將硅、金屬與絕緣體組裝為晶體管,并將數十億個晶體管集成在單個晶圓上。然而,將諸如石墨烯半導體集成到CMOS中會產生一個問題,即不同材料之間的晶格失配使得無法在硅晶圓上集成其他高質量的半導體層。事實上,當研究人員開發出石墨烯電子元件時,它們還沒有被集成到CMOS電路中。

有限的波長范圍

無法集成其他種類的半導體限制了CMOS相機的性能提升。西班牙光子科學研究所的Frank Koppens解釋說:“智能手機中的相機只能接收可見光,因為硅只吸收可見光。如果要檢測紅外光,就需要購買砷化銦鎵攝像頭,因為砷化銦鎵無法與CMOS集成,所以這會多花費大約40,000美元或50,000美元,而且集成這種攝像頭的讀出電路與光電檢測器的工藝十分復雜。”

2011年,Koppens及其同事將兩個電極連接到涂覆有硫化鉛量子點的石墨烯片,制造出可探測紅外和可見光波段的高靈敏度光電探測器。量子點吸收光子后形成電子空穴對,電子被保留在量子點中,而空穴對向下移動到石墨烯中,這將顯著增加石墨烯的導電性并使電流增大。但是,研究人員無法用該探測器制造相機。Koppens解釋說:“一個光電探測器必須連接一個電路板。而一臺相機需要數百萬個光電探測器,所以我們需要一個微電子電路。”

在新的研究工作中,Koppens的團隊將原本在銅箔外延的石墨烯轉移到硅CMOS芯片的表面。該芯片中嵌入了讀取電路,以分別讀出相機的所有像素。其后,他們為每個像素點都配置了一層模塊化的石墨烯,并在其頂部沉積了一層量子點。經過以上處理的相機可以檢測300nm(近紫外)至2000nm(短波紅外)波長的光。盡管石墨烯不吸收光,但是其較高的電子遷移率使其能夠產生較強的信號,這使得該相機能夠檢測到其他設備所忽略的噪聲中的紅外光信號。研究人員認為該設備可用于智能手機、安全系統、車輛以及食品和藥物檢測系統。更重要的是,使用該方法集成CMOS的成本有可能比目前的智能相機更便宜。

前所未有的處理速度

研究人員還在致力于基于石墨烯的光纖互連技術,該技術能夠提高光通信網絡的傳輸容量,甚至有助于光學計算機的問世。盡管在目前的設計中,量子點限制了相機的速度,但石墨烯本身能夠以前所未有的速度吸收光線,雖然效率很低——“對于數據通信而言,我們需要將石墨烯與硅光子學結合在一起,”Koppens說,“這也是基于硅CMOS的技術。”

英國劍橋大學的Andrea Ferrari說:“最重要的研究結果毫無疑問是第一個真正的大尺寸石墨烯CMOS集成器件,這是石墨烯光電技術的最終挑戰。”他說,該技術面臨的重大障礙之一將是開發適合“fabs”——一種價值十億美元的商業CMOS芯片生產設備——的生產流程。“如果石墨烯CMOS集成技術能夠在晶圓廠中實際應用,那么我們就實現了一項重大革命:手機中的光電器件,物聯網的數據發射器單元都將使用石墨烯,這是這一技術最主要的成果。”


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