量子ドットがトリッキーな波長を拾う

January, 17, 2024, Washington--量子ドットとして知られる半導体の小さな破片は、短波赤外光を拾うことができる安価でコンパクトな光検出器を可能にし、新しい種類の機械や暗視につながる可能性がある。しかし、このようなデバイスの実用化は、必要な波長の放射線を吸収できる環境に優しいナノ結晶の不足によって妨げられてきた。

スペインの研究チームは、テルル化銀からコロイド量子ドットを合成する新しい方法を考案することで、この問題を克服したと考えている(Nat. Phot., doi: 10.1038/s41566-023-01345-3)。研究チームは、この材料を使用して高感度の広帯域光検出器を作成し、それを集積回路と組み合わせてCMOSベースのイメージセンサを作ることで、この材料の有望性を示した。

SWIRの活用
短波赤外光(SWIR)は、太陽光やレーザ/発光ダイオードなど、様々なセンシングやイメージングアプリケーションに適している。人間の目には無害で、霧や霞を透過することができるため、その検出は自動運転車や環境モニタリングに利用できる可能性がある。また、パッシブ暗視も可能になり、分光法の取り入れは、新しい種類の生体分子イメージングや食品検査につながる可能性がある。

現在のSWIR検出器は、高価なエピタキシャル半導体に依存しており、相補的な金属酸化膜半導体（CMOS）エレクトロニクスとの統合が難しいため、安価ではない。溶液から合成されるコロイド量子ドットは、CMOS技術との互換性を持ちながら、原理的には製造コストを大幅に削減することが可能。しかし、これまでは鉛や水銀などの有毒な重金属が使われてきた。

テルル化銀
バルセロナの光科学研究所(ICFO)のGerasimos Konstantatosとチームによると、重金属を除去する方法を示した。チームはもともと、太陽電池の性能を向上させるために、テルル化ビスマス銀のナノ結晶を合成する方法を検討していた。しかし、その過程でテルル化銀が作られ、SWIRの特定の波長を吸収するように調整できることがわかり、光検出器に適していることが示唆された。

しかし、必要な量子ドットを作るために、Konstantatosとチームは、溶解して加熱すると分解し、核となるモノマーを生成してナノ結晶(量子ドット)になる化合物である新しい前駆体を見つける必要があった。チームの課題は、ナノ結晶のサイズを制御して、特定の色合いの赤外線を吸収し、結晶が大きいほど長い波長に敏感になるようにすることだった。テルル化銀の最も一般的に使用される前駆体であるトリアルキルフォスフィンテルルは、研究チームによると、結晶が広範囲の直径を持つことになるため、吸収ピークが明確に定義されていない。

前駆体候補のさまざまな組み合わせをスクリーニングした後、研究チームは、銀-オレイルアミンとテルル-チオールと呼ばれるホスフィンを含まないテルル分子のペアに落ち着いた。その後、直径が約3μm～7μmの球状ナノ結晶を5種類作製し、反応温度と前駆体の供給量を変化させることで、サイズ、つまり吸収ピークを正確に調整できることを発見した。結晶の均一なサイズと形状は透過型電子顕微鏡（TEM）で確認され、それらの吸収スペクトルは、異なるサイズの結晶のそれぞれに対応する1310〜1940nmのかなり明確なピークを明らかにした。

概念実証
その後、研究チームは量子ドットを使用してSWIR光検出器を作製した。検出器スタックは、テルル化銀ナノ結晶の5層で構成されており、上部に金電極、下部に他のいくつかの材料(酸化インジウムスズで覆われたガラスと、暗電流によるノイズを制限するための銀-ビスマス-硫化物バッファ層)があった。このセットアップにより、広い入力電力範囲にわたって高感度と直線的な応答が可能になり、室温での検出率は約1012Jones、0.1MHzを超える3dB帯域幅、118dBを超えるリニア・ダイナミック・レンジを実現した。

最後に、ICFOのスピンオフ企業Qurvの同僚と協力して、研究チームは光検出器と読み出し集積回路を組み合わせて、概念実証イメージセンサを実証した。SWIRで対象物を照らすことで、シリコンベースのカメラで撮影した一般的な携帯電話の写真では隠れていた細部を浮かび上がらせることができることがわかった。例えば、シリコンウエファで隠れているロゴを読み取り、暗いボトルの中の液体を観察することができた。

しかし、このようなデバイスを商品化する前に、Konstantatosと同僚は、まず、入射光子ごとに生成される電荷キャリアの数を2倍にすることを目指して、回復力と効率を高める必要があると話している。また、デバイスの暗電流の低減にも取り組んでいると付け加えている。