In de afgelopen 40 jaar, micro-elektronica is met grote sprongen vooruitgegaan dankzij silicium en complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie (CMOS), computergebruik mogelijk maken, smartphones, compacte en goedkope digitale camera's, evenals de meeste elektronische gadgets waar we tegenwoordig op vertrouwen.

Echter, de diversificatie van dit platform naar andere toepassingen dan microschakelingen en camera's met zichtbaar licht werd belemmerd door de moeilijkheid om niet-silicium halfgeleiders te combineren met CMOS.

ICFO-onderzoekers hebben dit obstakel nu overwonnen, voor het eerst de monolithische integratie van een CMOS-geïntegreerd circuit met grafeen laten zien, wat resulteert in een beeldsensor met hoge resolutie die bestaat uit honderdduizenden fotodetectoren op basis van grafeen en kwantumdots (QD). Ze verwerkten het in een digitale camera die zeer gevoelig is voor UV, zichtbaar en infrarood licht tegelijk. Dit is met bestaande beeldsensoren nog nooit eerder bereikt. In het algemeen, deze demonstratie van monolithische integratie van grafeen met CMOS maakt een breed scala aan opto-elektronische toepassingen mogelijk, zoals optische datacommunicatie met laag vermogen en compacte en ultragevoelige detectiesystemen.

De studie is gepubliceerd in Natuurfotonica , en gemarkeerd op de afbeelding op de voorkant. De werkzaamheden zijn uitgevoerd door ICFO in samenwerking met het bedrijf Graphenea. De grafeen-QD-beeldsensor is gefabriceerd door PbS-colloïdale kwantumdots te nemen, ze deponeren op het CVD-grafeen en vervolgens dit hybride systeem op een CMOS-wafer met beeldsensor-stempels en een uitleescircuit deponeren. Zoals Stijn Goossens opmerkt, "Er waren geen complexe materiaalverwerking of groeiprocessen nodig om deze grafeen-quantum dot CMOS-beeldsensor te realiseren. Het bleek gemakkelijk en goedkoop te vervaardigen bij kamertemperatuur en onder omgevingsomstandigheden, wat een aanzienlijke daling van de productiekosten betekent. Verder, vanwege zijn eigenschappen, het kan eenvoudig worden geïntegreerd op flexibele substraten en op geïntegreerde schakelingen van het CMOS-type."

"We hebben de QD's zo ontworpen dat ze zich uitstrekken tot het korte infraroodbereik van het spectrum (1100-1900nm), tot een punt waarop we de nachtgloed van de atmosfeer op een donkere en heldere hemel konden demonstreren en detecteren, waardoor passief nachtzicht mogelijk werd. Dit werk laat zien dat deze klasse van fototransistoren de beste keuze kan zijn voor hoge gevoeligheid, goedkoop, infraroodbeeldsensoren die bij kamertemperatuur werken en zich richten op de enorme infraroodmarkt die momenteel hongert naar goedkope technologieën, ’ zegt Goossens.

"De ontwikkeling van deze monolithische CMOS-gebaseerde beeldsensor vormt een mijlpaal voor goedkope, breedband- en hyperspectrale beeldvormingssystemen met hoge resolutie, " zegt ICREA-hoogleraar Frank Koppens. Hij zegt dat "in het algemeen, grafeen-CMOS-technologie zal een groot aantal toepassingen mogelijk maken, variërend van veiligheid, veiligheid, goedkope zak- en smartphonecamera's, vuurleidingssystemen, passieve nachtzicht- en nachtbewakingscamera's, automobiel sensorsystemen, medische beeldvormingstoepassingen, voedsel- en farmaceutische inspectie tot milieumonitoring, om er een paar te noemen."