無毒QD、民生用エレクトロニクスCMOS SWIR画像センサ道を開く

January, 23, 2024, Barcelona--ICFOとQurvの研究者は、無毒のコロイド量子ドット(QD)をベースにした新しい高性能短波赤外線(SWIR)イメージセンサを製作した。
Nature Photonics誌に掲載された研究で、研究チームは、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)技術で集積可能な、機能的、高品質で毒性のないコロイド量子ドットを合成する新しい方法を報告している。

われわれの目には見えない短波赤外(SWIR)光は、サービスロボット、自動車、家電市場における大量のコンピュータビジョンファーストアプリケーションにおいて、これまでにない信頼性、機能、性能を実現できる。SWIR感度を持つイメージセンサは、明るい日差し、霧、霞、煙などの悪条件下でも確実に動作可能である。さらに、SWIRレンジは目に安全な照明光源を提供し、分子イメージングによる材料特性検出の可能性を開く。

コロイド量子ドット(CQD)ベースのイメージセンサ技術は、有望な技術プラットフォームであり、SWIRにおいて互換性のある大量のイメージセンサを可能にする。CQDs(ナノメートル半導体結晶)は、CMOSと統合でき、SWIR領域へのアクセスを可能にする溶液プロセス材料プラットフォームである。しかし、SWIR感度のある量子ドットは、鉛や水銀などの重金属(IV-VI Pb、Hg-カルコゲナイド半導体)を含むことが多いため、マスマーケットアプリケーション向けの重要な実現技術に変換するには、根本的な障害がある。これらの材料は、商用家電製品での使用を規制する欧州指令、有害物質使用制限(RoHS)による規制の対象となる。

Nature Photonics誌に掲載された新しい研究で、ICFOのGerasimos Konstantatos教授が率いるICFOの研究者Yongjie Wang、Lucheng Peng、Aditya Mallaは、Qurvの研究者Julien Schreier、Yu Bi、Andres Black、Stijn Goossensと共同で、無毒のコロイド量子ドットベース、高性能赤外線光検出器と室温動作短波赤外線(SWIR)イメージセンサの開発について報告している。この研究は、サイズ調整可能なホスフィンフリーのテルル化銀(Ag2Te)量子ドットが、従来の重金属の対応物の有利な特性を維持しながら、大量市場におけるSWIRコロイド量子ドット技術の導入への道を開く、と説明している。

太陽光発電装置の性能を向上させるためにAsBiS2技術のスペクトルカバレッジを拡張する目的で合成方法を調べている最中に、研究チームは副産物としてテルル化銀ビスマス(AgBiTe2)を得た。この物質は、量子ドットに似た強力で調整可能な量子閉じ込め吸収を示した。チームは、SWIR光検出器とイメージセンサの可能性を認識し、テルル化銀量子ドットのホスフィンフリーバージョンを合成する新しいプロセスの実現と制御に取り組みを転換した。ホスフィンが光検出に関連する量子ドットの光電子特性に有害な影響を与えることがわかったからである。

研究チームは、新しい合成法において、テルル前駆体や銀前駆体など、様々なホスフィンフリー錯体を用いて、非常に広い範囲のスペクトルにわたって、適切に制御された粒度分布と励起子ピークを持つ量子ドットを得ることに成功した。新たに合成した量子ドットは、1500nmを超える明確な励起子ピークを持つ驚くべきパフォーマンスを示し、従来のホスフィンベース量子ドット作製技術と比較して前例のない成果を示した。

次に研究チームは、得られたホスフィンフリー量子ドットを実装して、一般的な標準ITO(酸化インジウムスズ)コーティングされたガラス基板上に簡単な実験室規模の光検出器を作製し、デバイスの特性評価と特性測定を行うことにした。「これらのラボスケールのデバイスは、底面からの光で操作される。CMOS統合CQDスタックの場合、光は上部から来るが、デバイス下部はCMOSエレクトロニクスによって取り込まれる」と、ICFOのポスドク研究員、研究の筆頭著者Yongjie Wangはコメントしている。「そのため、克服すべき最初の課題は、デバイスのセットアップを元に戻すことだった。理論的には簡単そうに聞こえるプロセスだが、実際には困難な作業であることが判明した」。

当初、フォトダイオードはSWIR光の検出性能が低く、バッファ層を組み込んだ再設計が必要だった。この調整により、光検出器の性能が大幅に向上し、350nmから1600nmのスペクトル範囲、118dBを超える線形ダイナミックレンジ、110kHzを超える-3dB帯域幅、および10^12 Jonesオーダーの室温検出率を示すSWIRフォトダイオードが実現した。

「われわれの知る限り、ここで報告されたフォトダイオードは、他の重金属含有品と同等の性能指数(FOM)を持つ、溶液処理された無毒の短波赤外フォトダイオードが初めて実現された」と、ICFOのICREA教授、研究の筆頭著者Gerasimos Konstantatosは話している。「これらの結果は、Ag2TE量子ドットは、低コストで高性能なSWIR光検出器アプリケーション向けの有望なRoHS準拠材料として登場している」。

重金属を含まない量子ドットを用いた光検出器の開発に成功したことを受け、研究チームはさらに進んで、ICFOのスピンオフQurvとチームを組み、ケーススタディとしてSWIRイメージセンサを構築することでその可能性を実証した。研究チームは、この新しいフォトダイオードをCMOSベースの読み出し集積回路(ROIC)フォーカルプレーンアレイ(FPA)と統合し、概念実証、無毒、室温動作のSWIR量子ドットベースのイメージセンサを初めて実証した。この研究の著者らは、SWIRでの動作を証明するために、ターゲットオブジェクトの写真を数枚撮ることで、イメージャをテストした。特に、SWIR光下でのシリコンウエファの透過率を画像化したり、可視光域で不透明なペットボトルの中身を可視化したりすることができた。

「家電製品向けの低コスト技術でSWIRにアクセスすることで、自動車産業(自動車)向けの改良されたビジョンシステムなど、幅広いアプリケーションでこのスペクトル範囲の可能性が解き放たれ、悪天候下での視界と運転が可能になる。約1.35-1.40µmのSWIRバンドは、昼夜の条件下で背景光のない、目に安全なウィンドウを提供することができるため、自動車、拡張現実、仮想現実アプリケーション向けの長距離光検出および測距(LiDAR)、3次元イメージングをさらに可能にする」とGerasimos Konstantatosはコメントしている。

現在、研究チームは、光検出器デバイスを構成する層のスタックをエンジニアリングすることにより、フォトダイオードの性能を向上させたいと考えている。また、Ag 2Te 量子ドットの新しい表面化学的性質の探求も考えている。狙いは、市場に投入される材料の性能と熱的および環境的安定性向上である。

(詳細は、https://www.icfo.eu/)