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Un imager colloidale a punti quantici altamente efficiente che opera a lunghezze d’onda del vicino infrarosso

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Imager CQD mediante integrazione monolitica di array di fotodiodi CQD e ROIC a base di silicio. Credito: Liu et al.

I progressi nei campi della robotica, della guida autonoma e della visione artificiale hanno aumentato la necessità di sensori ad alte prestazioni in grado di raccogliere dati in modo affidabile in diverse condizioni ambientali. Ciò include imager in grado di funzionare a lunghezze d’onda del vicino infrarosso (cioè 0,7–1,4 µm), raccogliendo così potenzialmente immagini ad alta risoluzione in condizioni atmosferiche complesse o sfavorevoli, come in presenza di pioggia, nebbia e fumo.

I ricercatori dell’Università di scienza e tecnologia di Huazhong (HUST), HiSilicon Optoelectronics Co. Limited e Optical Valley Laboratory hanno recentemente sviluppato un imager a punti quantici colloidali (CQD) nel vicino infrarosso. Questo imager altamente efficiente è stato presentato in un articolo pubblicato in Elettronica della natura.

“Il nostro gruppo è stato fondato presso il Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, HUST nel 2012 e conduce continuamente ricerche su materiali e dispositivi CQD con il Prof. Jianbing Zhang associato”, ha detto a TechXplore Liang Gao, uno dei ricercatori coinvolti nello studio.

Il recente lavoro di Tang, Gao e dei loro colleghi è il prodotto della loro collaborazione con HiSilicon Optoelectronics Co. Limited, una rinomata azienda di semiconduttori con sede a Shanghai, avviata nel 2018. Dopo aver ricevuto finanziamenti dall’azienda quattro anni fa, i ricercatori hanno concentrato gran parte dei loro sforzi di ricerca sullo sviluppo di un imager CQD ad alte prestazioni.

“Lavoriamo da molto tempo sul nostro imager CQD”, ha detto a TechXplore Jiang Tang, ricercatore capo dello studio. “Mi sono laureato all’Università di Toronto sotto la supervisione del Prof. Edward Sargent, un pioniere dei fotorilevatori a infrarossi CQD e fondatore dell’azienda InVisage. Il nostro team nella missione principale di HUST è quello di costruire un imager a infrarossi vicino e corto affidabile a basso costo.”

I tradizionali imager nel vicino infrarosso sono prodotti integrando in modo eterogeneo un array di fotodiodi cresciuti in modo epitassiale e un circuito integrato di lettura a base di silicio (ROIC). Al contrario, l’imager CQD introdotto da Tang, Gao e dai loro colleghi è stato creato tramite l’integrazione monolitica di un array di fotodiodi CQD e un ROIC a base di silicio.

I CQD sono cristalli semiconduttori di dimensioni nanometriche che contengono ligandi di superficie, che consentono loro di disperdersi nei solventi. Questi cristalli hanno proprietà ottiche, elettroniche e fisiche favorevoli che li rendono altamente promettenti per lo sviluppo di numerose tecnologie, inclusi imager, diodi emettitori di luce e sensori di gas.

“L’array di fotodiodi CQD trasferisce i fotoni incidenti agli elettroni e il ROIC a base di silicio manipola gli elettroni fotogenerati per emettere segnali di immagine”, ha spiegato Gao. “L’integrazione monolitica consente potenzialmente dimensioni dei pixel più piccole e una risoluzione più elevata dell’imager CQD rispetto all’imager integrato in modo eterogeneo”.

La maggior parte degli imager nel vicino infrarosso introdotti in passato hanno costi di produzione elevati, a causa della complessità dell’integrazione tra fotodiodi a infrarossi e circuiti a base di silicio. Il distinto processo di progettazione e fabbricazione del nuovo imager, d’altro canto, ne semplifica la realizzazione, riducendo significativamente i costi di produzione.

“Abbiamo depositato direttamente lo strato di rilevamento sopra il ROIC”, ha spiegato Tang. “Il vantaggio unico del nostro imager è l’integrazione monolitica, che consente l’integrazione di wafer da 12 pollici e limita i costi di produzione. Siamo partiti dalle sostanze chimiche fino ai chip finali, ottenendo un buon imager”.

Questo team di ricercatori è stato uno dei primi a dimostrare l’integrazione di un array di fotodiodi CQD con illuminazione superiore con la tecnologia ROIC a base di silicio. Nei test iniziali, i loro fotodiodi (cioè i fotorivelatori) hanno mostrato un intervallo spettrale di 400–1.300 nm, rilevamento della temperatura ambiente di 2,1 × 1012Jones, larghezza di banda di -3 dB di 140 kHz e gamma dinamica lineare di oltre 100 dB.

Tang, Gao e i suoi colleghi hanno finora utilizzato i loro fotodiodi di nuova concezione per creare un imager di grandi dimensioni (640 x 512 pixel). Hanno scoperto che questo imager ha raggiunto una notevole efficienza e risoluzione spaziale.

“Il nostro imager CQD mostra la più alta efficienza quantistica esterna del 63% tra gli imager CQD riportati a causa della struttura del dispositivo sviluppato”, ha affermato Gao. “La presentazione dettagliata del nostro nuovo imager CQD potrebbe servire da riferimento per ricercatori e tecnici specializzati nei campi emergenti di imager integrati monoliticamente”.

In futuro, questo nuovo imager CQD potrebbe essere utilizzato per raccogliere immagini ad alta risoluzione di vene, sistemi biologici e particelle di materia. Nei loro prossimi studi, i ricercatori hanno in programma di sviluppare imager CQD con lunghezze d’onda più lunghe e risoluzioni più elevate. Inoltre, vorrebbero provare a integrare altri sensori funzionali con circuiti a base di silicio utilizzando la loro strategia di integrazione monolitica.

“Nei nostri lavori futuri, aumenteremo la risoluzione del nostro imager (1K x 1K), la sua lunghezza d’onda (1700 nm e oltre) e la sua stabilità (sosteniamo 120°C o anche 150°C per soddisfare i severi requisiti delle applicazioni automobilistiche), cercando anche di creare wafer più grandi (da 4 pollici a 12 pollici)”, ha aggiunto Tang.


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