可見光和紅外光同時成像的探測器

人類視覺只能將一小部分光轉換成圖像。儘管我們的眼睛可以看到可見光，但它們完全對99％的紅外光（我們身體只能感知到熱量的一系列光）是不能探知的。我們通常用來捕捉圖像的成像技術（如數碼相機）無法比人眼做得更好。這在一定程度上是巧合，但可以通過以下事實來解釋：最常見的成像系統是基於使用硅電子集成電路和硅光電探測器的硅晶元。這些硅光電探測器只能將可見光轉換為電信號。

將用於IR光的非硅半導體集成到成像系統中是一個具有挑戰性的過程，因為當前基於公認的Si-CMOS技術電路的製造電路組合時，這些類型的半導體表現不佳。這種限制導致紅外成像感測器的成本比可見光波長基於硅的圖像感測器高出三個數量級，更不用說它們也具有有限的像素解析度。

圖1來自ICFO的研究人員將石墨烯和量子點與CMOS技術相結合，創造了一系列光電探測器，從而生產出高解析度的圖像感測器。

光電探測器「看到」紅外光

我們感謝石墨烯和被稱為量子點的半導體納米顆粒，克服了這個主要缺點。石墨烯是原子平層材料，由碳原子的晶格組成，在這種情況下用作電導體，具有非常高的電子遷移率。膠體量子點提供從UV到短波長IR的高吸收及帶隙的可調性。

通過將這些量子點放置在石墨烯的頂部，構建高度敏感的光電探測器，同時用於可見光和紅外光。這些混合光電晶體管與硅技術完全兼容，大大降低了檢測系統以及電子產品的開發和生產成本。

同樣重要的是這些探測器在室溫下工作時仍能保持非常高的靈敏度，儘管它們的光譜覆蓋了紅外光譜，而不像紅外光電二極體那樣需要冷卻才能達到令人信服的靈敏度。由於不需要冷卻，該設備可以非常輕薄，功耗低，對於需要便攜性，移動性和無縫集成的應用來說是必不可少的功能。

11萬個混合光電探測器

巴塞羅那光子科學研究所，首次能夠將石墨烯與硅集成電路集成在一起，以構建288×388像素的成像陣列。這個陣列被認為是世界上最寬頻的CMOS單片圖像感測器。

該感測器是通過將超過110,000個石墨烯量子點光電探測器連接到微晶元內的CMOS電子器件（包含數千個晶體管）而製造的。這種配置允許將入射光轉換為每個像素的電信號，通過讀出來建立圖像。所有這些都是在晶元內部自動且瞬間發生的。因此，獲得了可同時感應紫外線，可見光和紅外線的數碼相機的核心晶元。

圖2具有圖像感測器讀出電路的硅CMOS晶圓，與石墨烯/量子點光電探測器集成

由於石墨烯可以採用化學氣相沉積的方式大規模生長，並且通過簡單的轉移技術與CMOS電路集成，該技術與硅和CMOS技術完全兼容，大大降低了生產成本。

光電應用

這種新型成像系統的應用領域非常多樣化。首先，它可以用作夜視攝像機，因為夜晚的環境總是發出紅外光。我們無法用我們的眼睛或使用傳統的照相機看到這種光。然而，用我們新建的石墨烯量子點照相機，可以感測到這種光線，因此即使在黑色的情況下也能獲得圖像和視頻。

其次，紅外光可以在霧中傳播，並且藉助這台新的攝像機，我們實際上可以通過它透霧「看」物體。

另一個應用是食品檢查。通過區分不同的紅外波長，這種技術可以讓我們看到水果和蔬菜的內部，並測量它們的新鮮程度。

除了這些安全和安全應用之外，該技術還引起了汽車，醫學影像，製藥檢測和環境監測等行業的關注，並可能帶來未來的應用，包括智能手機相機，可穿戴設備等消費類產品如智能眼鏡等。

石墨烯與Si-CMOS電子器件的集成也是廣泛應用（包括集成光子學（用於下一代數據通信基礎設施）和感測器系統（用於物聯網））的有前景的平台。因此，目前正致力於生產低成本，高質量的石墨烯及其與硅CMOS生產線的集成。

這一大規模整合是石墨烯項目的主要目標之一，是歐盟最大的研究計劃，10年內投入10億歐元。預計晶圓級產能將在幾年內準備就緒，為首批以石墨烯為基礎的光電子技術進入市場提供支持。

本文來自SPIE網站，技術詳情參見Nature Photonics文章"Broadband image sensor array based on graphene-CMOS integration

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