圖像傳感器運用石墨烯與CMOS技術

硅基CMOS技術是當今大多數電子產品依賴的主要技術。然而，為了電子行業的進一步發展，新技術必須開發具有能將CMOS與其他半導體器件集成的能力。歐洲最大的一項研究計劃石墨烯旗艦項目(Graphene Flagship)，即以10億歐元的預算將實驗室石墨烯轉向市場，參與市場化競爭。

現在，來自巴塞羅那光電科學研究所ICFO的石墨烯旗艦項目研究人員，宣稱已經可以將石墨烯整合到CMOS集成電路中。這項工作在“Nature Photonics”上發表。

該團隊將石墨烯CMOS器件與量子點相結合，以形成一個陣列的光電探測器，產生高分辨率圖像傳感器。當作數碼相機使用時，該設備能夠同時感測紫外光、可見光和紅外光。科學家們說，這只是這個器件可能應用的一個例子，也可能應用在微電子學、傳感器陣列和低功率光子學。

ICFO的ICREA教授Frank Koppens評論說：“這種單片CMOS為基礎的圖像傳感器的發展是一個里程碑，因為他們是低成本、具有高分辨率寬帶而且高光譜成像的系統。他補充說：“一般來說，石墨烯CMOS技術將能夠實現大量應用，范圍包括安全、安保、低成本微型智能手機相機、消防系統、被動夜視儀和夜間監控攝像頭、汽車傳感器系統、醫療成像應用以及食品和藥品檢驗到環境監測。”

這些結果是由石墨烯旗艦項目合作伙伴Graphenea(西班牙石墨烯供應商)和ICFO在石墨烯旗艦項目的光電工程包中進行合作實現的。

通過使用分層和圖案化方法在CMOS晶片上創建混合石墨烯和量子點系統，該項目團隊聲稱通過簡單的方案解決了一個復雜的問題：首先沉積石墨烯，然后圖案化以定義像素形狀，最后添加一層PbS膠體量子點。

該系統的光響應基于光門效應，其起始于量子點層吸收光并將其作為光生空穴或電子轉移到石墨烯，由于施加在兩個像素觸點之間的偏置電壓使得它們循環往復。之后通過石墨烯電導率的變化來感測光信號，由于石墨烯的高電荷遷移率，使得此器件具有高靈敏度。

Stijn Goossens研究員評論說：“實現這種石墨烯-量子點CMOS圖像傳感器不需要復雜的材料處理或生長工藝。在室溫和環境條件下，制備簡單且價格低廉，這意味著生產成本的大幅度降低。更重要的是，由于其性能可以輕松集成到柔性基板以及CMOS型集成電路上。

這項研究的商業用途以及成像和傳感技術的潛能現在正在ICFO的Launchpad孵化器中探索。

科學技術官兼石墨烯旗艦項目管理小組主席Andrea Ferrari教授補充說：“石墨烯與CMOS技術的融合是未來石墨烯進入消費電子產品的基石，這一工作清楚地表明了這種方法的可行性。旗艦項目對石墨烯的系統級整合進行了大量投資，并將隨著技術和創新路線圖的不斷發展繼續增大投入。”