Графеновый фотосенсор в 1000 раз чувствительнее к свету, чем КМОП и ПЗС

Группа учёных под руководством доцента Ван Цицзе (Wang Qijie) из Наньянского технологического университета (Сингапур) заявила о разработке фотодетектора на основе графена. Он которая по всем параметрам превосходит КМОП- и ПЗС-сенсоры, он примерно в 1000 раз более чувствителен к свету, чем созданные ранее экспериментальные графеновые фотодетекторы, потребляет в 10 раз меньше энергии и в 5 раз дешевле, чем современные КМОП-матрицы.

Графен — углеродная плёнка толщиной в один атом. Один квадратный метр материала весит всего 0,77 миллиграмма. Материал отличается тем, что имеет запрещённую зону энергии равную нулю, благодаря этому способен поглощать фотоны любой энергии. Более того, графен при поглощении одиночного фотона преобразует его сразу в несколько электронов. Эти качества материала и позволяет сделать на его основе фотодетектор высокой чувствительности.

Сенсор с использованием графенового слоя «в 1000 раз чувствительнее к свету, чем дешёвые сенсоры из современных компактных камер», сообщается в пресс-релизе на сайте университета. Более того, графеновый сенсор потребляет на порядок меньше энергии, поскольку требует меньшего электрического напряжения.

В конце концов, сенсоры нового типа будут примерно в пять раз дешевле современных КМОП-матриц. Для их производства не пирдётся кардинально менять техпроцесс, потому что они изначально создавались для изготовления на нынешних конвейерах по штамповке КМОП-матриц. Потребуется только небольшая модернизация техпроцесса в связи с заменой основного материала в светочувствительном слое.

Процесс изготовления устройства: (a) одиночный слой графена механически наслаивается на 285-нанометровую подложку SiO₂/Si; (b) из графеновый фотодетектора делают полевой транзистор: добавляют исток и сток из Ti/Au (20 нм/80 нм), сделанных методом фотолитографии, на обратной стороне подложке изготавливают затвор; © на поверхность графена наносится нанометровый «жертвенный» слой титана методом электронно-лучевого испарвния; (d) «жертвенный» слой титана удаляется с помощью влажного травления, после чего на подложке из кремния может быть сформирована решётка с квантовыми точками различного размера, в зависимости от толщины слоя титана.

Графеновая нанорешётка регистрирует фотоны для всего спектра видимого света, а также для инфракрасного излучения ближнего и среднего диапазонов. Таким образом, новые сенсоры пригодны не только для обычных цифровых камер, но также для видеокамер наружного наблюдения, инфракрасных камер, дорожных камер, спутниковой фотосъёмки и т.д.

Увеличение светочувствительности в тысячу раз позволит полностью отказаться от использования фотовспышек. Даже лунного света должно быть достаточно для получения качественного насыщенного изображения. Возможно, сенсор сможет регистрировать свечение тел, излучение которых раньше вообще не регистрировалось приборами.

Научная работа «Broadband high photoresponse from pure monolayer graphene photodetector» опубликована в журнале Nature Communications.