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Fotorilevatori a iniezione di carica di grafene con una larghezza di banda di rilevamento più ampia

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I fotorilevatori che offrono imaging a banda larga dall’ultravioletto all’infrarosso possono essere creati utilizzando grafene multistrato per l’iniezione di carica fotografica a infrarossi, un pozzo di esaurimento del silicio per l’integrazione della carica e grafene a strato singolo per la lettura diretta non distruttiva. Credito: Liu et al.

I fotorilevatori, sensori in grado di rilevare la luce o altre forme di radiazione elettromagnetica, sono componenti essenziali degli strumenti di imaging, dei sistemi di comunicazione e di varie altre tecnologie sul mercato. Questi sensori funzionano convertendo i fotoni (cioè le particelle di luce) in corrente elettrica.

I ricercatori dell’Università di Zhejiang hanno recentemente sviluppato un nuovo fotorilevatore in grado di rilevare la luce all’interno di una larghezza di banda più ampia. Il loro dispositivo, presentato in un articolo pubblicato su Elettronica della naturapotrebbe essere utilizzato per sviluppare tecnologie di imaging nuove e più avanzate.

“Il nostro recente progetto si basa su tradizionali dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) e tecnologie di imaging complementari a semiconduttore di ossido di metallo (CMOS)”, ha affermato il prof. Yang Xu, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto a TechXplore. “I nostri nuovi dispositivi di imaging che combinano il fotogate MOS del CCD per un’elevata sensibilità e la struttura dei pixel indipendenti del CMOS possono avvantaggiare in modo significativo l’integrazione, le prestazioni e la lettura monolitiche”.

Tipicamente, gli imager CCD e CMOS basati sul silicio (Si) possono rilevare solo la luce nell’intervallo visibile, a causa del loro limite di assorbimento del gap di banda intrinseco. Xu e i suoi colleghi sono stati in grado di ampliare la larghezza di banda della luce che può essere captata dal loro fotorilevatore incorporandovi il grafene.

“Il nostro obiettivo era migliorare la reattività e le prestazioni spettrali dei sensori di immagine basati su Si”, ha spiegato Xu. “In primo luogo, abbiamo formato una giunzione Schottky tra il Si e il grafene multistrato (MLG), dove i fori caldi indotti dalla luce IR in MLG vengono iniettati in Si (tipo n) sotto il campo elettrico di Vg tramite fototermoionico (PTI ) emissione. In secondo luogo, abbiamo formato un pozzo di esaurimento profondo nel SiO2/Si interfaccia sotto l’impulso di tensione, memorizzando e integrando le foto-cariche.”

Alla fine, i ricercatori hanno posizionato il grafene a strato singolo (SLG) sopra l’ossido nel loro dispositivo. Questo strato consente infine al fotorilevatore di leggere direttamente e in modo non distruttivo i portatori immagazzinati nel pozzo di svuotamento profondo attraverso l’effetto fotogate, che è causato dal campo forte del grafene.

“Il design del nostro dispositivo proposto realizza la lettura in situ a livello di pixel delle cariche nel profondo potenziale di esaurimento, evitando il trasferimento sequenziale della carica nei dispositivi CCD tradizionali”, ha affermato Xu. “Inoltre, abbiamo ampliato la larghezza di banda di rilevamento a IR integrando un percorso di iniezione di carica MLG nella parte inferiore del dispositivo”.

Nei test iniziali, Xu e i suoi colleghi hanno scoperto che la larghezza di banda di rilevamento del loro fotorilevatore è significativamente più ampia di quella dei tradizionali dispositivi basati su Si, che in genere rilevano solo la luce nella lunghezza d’onda visibile. Poiché integra un canale di lettura SLG, un pozzo di svuotamento profondo a base di Si e uno strato di iniezione di carica (MLG), il dispositivo potrebbe essere particolarmente prezioso per applicazioni di imaging con integrazione ad alta densità.

“Il nostro documento risolve due problemi cruciali, sostituendo il trasferimento di carica sequenziale con la lettura diretta, che semplifica l’architettura e l’elaborazione dei dati, ampliando anche il campo di risposta all’IR mediante l’iniezione di carica a infrarossi”, ha affermato Xu. “Vorrei anche ringraziare i nostri collaboratori, il Prof. Chao Gao, il Prof. Xiangfeng Duan, il Prof. Xiaomu Wang, il Prof. Tawfique Hasan, il Prof. Zhipei Sun e il Prof. Bin Yu per il loro significativo contributo”.

In futuro, il fotorilevatore sviluppato da questo team di ricercatori potrebbe essere utilizzato per sviluppare dispositivi di imaging per la fusione di immagini a banda larga, la visione artificiale, i robot e varie altre applicazioni. Nel loro articolo, Xu e i suoi colleghi delineano anche brevemente una serie di suggerimenti per la progettazione di circuiti che potrebbero consentire l’integrazione dei loro dispositivi con tecnologie nuove o esistenti.

“Nei nostri prossimi studi, ci concentreremo in modo più approfondito sull’integrazione dei nostri dispositivi”, ha aggiunto Xu. “I nostri dispositivi possono eseguire la funzione di archiviazione delle informazioni sui pixel tramite l’archiviazione di portatori indotti dalla luce nel pozzo potenziale. Questo, combinato con la reattività sintonizzabile, potrebbe potenzialmente rivelarsi prezioso per la costruzione di dispositivi neuromorfici”.


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