Invisible à nos yeux, la lumière infrarouge à ondes courtes (SWIR) peut permettre une fiabilité, une fonctionnalité et des performances sans précédent dans les premières applications de vision par ordinateur à grand volume sur les marchés de la robotique de service, de l'automobile et de l'électronique grand public.
Les capteurs d'images dotés de la sensibilité SWIR peuvent fonctionner de manière fiable dans des conditions défavorables telles que la lumière du soleil, le brouillard, la brume et la fumée. De plus, la gamme SWIR fournit des sources d'éclairage sans danger pour les yeux et ouvre la possibilité de détecter les propriétés des matériaux grâce à l'imagerie moléculaire.
La technologie de capteur d'image basée sur les points quantiques colloïdaux (CQD) offre une plate-forme technologique prometteuse pour permettre des capteurs d'image compatibles à grand volume dans le SWIR.
Les CQD, cristaux semi-conducteurs nanométriques, sont une plate-forme matérielle traitée en solution qui peut être intégrée au CMOS et permet d'accéder à la gamme SWIR. Cependant, il existe un obstacle fondamental à la traduction des points quantiques sensibles au SWIR en une technologie clé pour les applications grand public, car ils contiennent souvent des métaux lourds comme le plomb ou le mercure (semi-conducteurs IV-VI Pb, Hg-chalcogénure).
Ces matériaux sont soumis aux réglementations de la Restriction des substances dangereuses (RoHS), une directive européenne qui réglemente leur utilisation dans les applications électroniques commerciales grand public.
Dans une étude publiée dans Nature Photonics , les chercheurs de l'ICFO Yongjie Wang, Lucheng Peng et Aditya Malla dirigés par le professeur ICREA de l'ICFO Gerasimos Konstantatos, en collaboration avec les chercheurs Julien Schreier, Yu Bi, Andres Black et Stijn Goossens, de Qurv, ont rendu compte du développement de hautes technologies. des photodétecteurs infrarouges performants et un capteur d'image SWIR fonctionnant à température ambiante sur la base de points quantiques colloïdaux non toxiques.
L'étude décrit une nouvelle méthode de synthèse de tellurure d'argent sans phosphine et à taille réglable (Ag2 Te) des points quantiques tout en préservant les propriétés avantageuses de leurs homologues traditionnels en métaux lourds, ouvrant la voie à l'introduction de la technologie des points quantiques colloïdaux SWIR sur les marchés à haut volume.
En étudiant comment synthétiser le tellurure d'argent et de bismuth (AgBiTe2 ) des nanocristaux pour étendre la couverture spectrale de l'AsBiS2 technologie pour améliorer les performances des appareils photovoltaïques, les chercheurs ont obtenu du tellurure d'argent (Ag2 Te) comme sous-produit.
Ce matériau a montré une absorption confinée quantique forte et réglable, semblable aux points quantiques. Ils ont réalisé son potentiel pour les photodétecteurs SWIR et les capteurs d'images et ont réorienté leurs efforts pour réaliser et contrôler un nouveau processus permettant de synthétiser des versions sans phosphine de points quantiques de tellurure d'argent, car la phosphine s'est avérée avoir un impact néfaste sur les propriétés optoélectroniques des points quantiques. pertinent pour la photodétection.
Dans leur nouvelle méthode de synthèse, l'équipe a utilisé différents complexes sans phosphine, tels qu'un tellure et des précurseurs d'argent, ce qui leur a permis d'obtenir des points quantiques avec une distribution de taille bien contrôlée et des pics excitoniques sur une très large gamme de spectre.
Après leur fabrication et leur caractérisation, les points quantiques nouvellement synthétisés ont présenté des performances remarquables, avec des pics excitoniques distincts supérieurs à 1 500 nm :une réalisation sans précédent par rapport aux techniques précédentes basées sur la phosphine pour la fabrication de points quantiques.
Les chercheurs ont ensuite décidé d'utiliser les points quantiques sans phosphine obtenus pour fabriquer un photodétecteur simple à l'échelle du laboratoire sur un substrat en verre recouvert d'ITO (oxyde d'étain d'indium) standard commun afin de caractériser les dispositifs et de mesurer leurs propriétés.
"Ces appareils à l'échelle du laboratoire fonctionnent avec une lumière brillante provenant du bas. Pour les piles CQD intégrées CMOS, la lumière vient du haut, tandis que la partie inférieure de l'appareil est captée par l'électronique CMOS", a déclaré Yongjie Wang, chercheur postdoctoral à l'ICFO. et premier auteur de l'étude. "Le premier défi que nous avons dû surmonter a donc été d'annuler la configuration de l'appareil. Un processus qui en théorie semble simple, mais qui s'est en réalité avéré être une tâche difficile."
Initialement, la photodiode présentait de faibles performances en matière de détection de la lumière SWIR, ce qui a conduit à une refonte intégrant une couche tampon. Cet ajustement a considérablement amélioré les performances du photodétecteur, ce qui a permis d'obtenir une photodiode SWIR présentant une plage spectrale de 350 nm à 1 600 nm, une plage dynamique linéaire supérieure à 118 dB, une bande passante de -3 dB supérieure à 110 kHz et une détectivité à température ambiante de l'ordre de 10 12 Jones.
"Au meilleur de nos connaissances, les photodiodes rapportées ici ont pour la première fois réalisé des photodiodes infrarouges à ondes courtes non toxiques traitées en solution avec des valeurs de mérite comparables à celles d'autres homologues contenant des métaux lourds", Gerasimos Konstantatos, professeur ICREA à l'ICFO. et auteur principal de l'étude.
"Ces résultats confirment en outre le fait que Ag2 Les points quantiques apparaissent comme un matériau prometteur conforme à la directive RoHS pour les applications de photodétecteurs SWIR à faible coût et hautes performances."
Avec le développement réussi de ce photodétecteur basé sur des points quantiques sans métaux lourds, les chercheurs sont allés plus loin et se sont associés à Qurv, une spin-off de l'ICFO, pour démontrer son potentiel en construisant un capteur d'image SWIR comme étude de cas.
L'équipe a intégré la nouvelle photodiode à un réseau de plan focal (FPA) à circuit intégré de lecture (ROIC) basé sur CMOS, démontrant pour la première fois une preuve de concept, non toxique, fonctionnant à température ambiante. capteur d'image basé sur des points quantiques SWIR .
Les auteurs de l'étude ont testé l'imageur pour prouver son fonctionnement dans le SWIR en prenant plusieurs photos d'un objet cible. Ils ont notamment pu imager la transmission de plaquettes de silicium sous la lumière SWIR ainsi que visualiser le contenu de bouteilles en plastique opaques dans le domaine de la lumière visible.
"L'accès au SWIR avec une technologie peu coûteuse pour l'électronique grand public libérera le potentiel de cette gamme spectrale avec une vaste gamme d'applications, notamment des systèmes de vision améliorés pour l'industrie automobile (voitures), permettant la vision et la conduite dans des conditions météorologiques défavorables", déclare Gerasimos Konstantatos. .
"La bande SWIR d'environ 1,35 à 1,40 µm peut fournir une fenêtre de sécurité pour les yeux, exempte de lumière de fond dans des conditions de jour et de nuit, permettant ainsi la détection et la télémétrie de la lumière à longue portée (LiDAR), l'imagerie tridimensionnelle pour l'automobile, augmentée. applications de réalité et de réalité virtuelle."
Les chercheurs souhaitent désormais augmenter les performances des photodiodes en concevant l’empilement de couches qui composent le dispositif photodétecteur. Ils souhaitent également explorer de nouvelles chimies de surface pour l'Ag2 Les points quantiques pour améliorer les performances et la stabilité thermique et environnementale du matériau en route vers le marché.
Plus d'informations : Wang, Y., Peng, L., Schreier, J. et al. Photodétecteurs infrarouges et capteurs d'image à points quantiques colloïdaux au tellurure d'argent. Photonique naturelle . (2024). DOI :10.1038/s41566-023-01345-3
Informations sur le journal : Photonique naturelle
Fourni par ICFO
