研究者らは原子レベルで薄い半導体から実用的なカメラを構築

Nov 25, 2023

ジョン・ティマー - 2022年11月18日午後8時51分（UTC）

グラフェンの単離以来、私たちは原子的に薄いシートを形成する多くの材料を特定してきました。 グラフェンと同様に、これらのシートの一部は単一の要素でできています。 他のものは化学物質から形成され、原子結合が自然にシート状の構造を形成します。 これらの材料の多くは独特の特性を持っています。 グラフェンは優れた電気伝導体ですが、他の多くは半導体です。 また、複数シート スタックのレイヤーをどのように配置するかに基づいて、プロパティをさらに調整することもできます。

これらすべての選択肢を考慮すると、フラッシュメモリやこれまでに作られた最小のトランジスタなど、これらの材料からエレクトロニクスを何らかの方法で作る方法を研究者が発見したとしても、誰も驚かないはずだ。 ただし、これらのほとんどはハードウェアの製造能力を示すものであり、有用なデバイスに統合されていません。 しかし研究者チームは、原子レベルで薄い材料を使用して 900 ピクセルのイメージング センサーを構築することで、単純な実証を超えることが可能であることを実証しました。

現在、ほとんどのイメージ センサーは標準的なシリコン半導体で構成されており、通常の相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) プロセスを使用して製造されています。 しかし、シリコンを別の半導体に置き換えることは可能です。 この場合、研究者らは二硫化モリブデンを使用しました。二硫化モリブデンは、実験装置でよく使われている原子レベルで薄い材料です。

これをデバイスで使用するために、研究者らは蒸着を使用してサファイア基板上に二硫化モリブデンの単層シートを成長させることから始めました。 次に、それをサファイアから持ち上げて、すでに配線がエッチングされている事前に作成された二酸化シリコンの表面上に下げました。 次いで、さらなる配線がその上に堆積された。

このプロセスの最終結果は、30 x 30 グリッドのデバイスであり、各デバイスは二硫化モリブデンのシートで接続されたソース電極とドレイン電極で構成されています。 光が当たると、これらのデバイスのそれぞれが浮遊電荷を拾い、ソース電極とドレイン電極の間で電流を伝達する能力に影響を及ぼします。 この抵抗の違いにより、デバイスがどれだけの光にさらされたかの尺度が得られ、画像情報の再構築が可能になります。

光にさらされた後に蓄積された電荷は自然にゆっくりと消えますが、ほとんどのデバイスはソース電極とドレイン電極の間に強い電圧を印加することによって積極的に電荷を除去します。

これを標準のシリコン センサーと比較すると、少し複雑な状況になります。ある意味では優れていますが、他の点では著しく劣っています。 良い面としては、デバイスの動作に必要な電力が非常に少ないことです。 研究者らは、動作中にかかる時間はピクセルあたり 1 ピコジュール未満であると推定しています。 デバイスのリセットは、二硫化モリブデン シートに大きな電圧差を印加する単純なプロセスのままです。

研究者らは、二硫化モリブデンにはるかに小さな電圧を印加すると、二硫化モリブデンが光に敏感になる可能性があることを発見しました。 これにより、動作中にイメージセンサーの信号対ノイズ感度を簡単に調整できます。 通常、これにはシリコンベースのイメージング ハードウェア上にかなりの量の外部回路が必要となり、それに応じて製造の複雑さとイメージング時の電力使用量が増加します。 したがって、このデバイスにはいくつかの利点があります。

提供できないのはスピードです。 光に対する初期反応はわずか 100 ナノ秒で記録できますが、完全な高コントラスト露光には 1 色あたり数秒かかります。 したがって、青の露出には 2 秒以上かかり、赤のチャンネルは完全に露出するのに 10 秒近くかかります。 したがって、これを携帯電話で簡単なビデオを取り込むために使用するとは期待しないでください。

もちろん、これは役に立たないという意味ではありません。 それは役に立つことを制限するだけです。 環境センサーなど、時間よりも電力が大きな制約となるアプリケーションはたくさんあります (開発者は IoT アプリケーションに興奮しています)。 しかし、ここでのより大きな話は、研究者らが原子のように薄い材料に依存するかなり大規模で複雑な装置を構築したということかもしれない。