基于石墨烯和量子点的图像传感器：应用前景广阔！
导读
最近，西班牙光子科学研究所的科研人员首次基于石墨烯和量子点技术，制造出高分辨率的图像传感器，具有这种传感器的摄像头，能同时对于紫外线、可见光和红外线敏感，应用前景十分广阔，例如夜视功能和食品检验等等。
关键字
CMOS、半导体、石墨烯、量子点、传感器
背景
纵观半导体技术的发展，其中有一项技术起到了非常重要的作用，那就是CMOS技术。之前，笔者曾在《摩尔定律，是生存还是毁灭？》一文中，列举了过去几十年来，让摩尔定律保持生机和活力的一些列关键技术，其中就有CMOS。
那么，到底什么是CMOS技术？它又有那些应用呢？
顾名思义，CMOS是 Complementary Metal Oxide Semiconductor（互补金属氧化物半导体）的缩写。具体来说，它是指制造大规模集成电路芯片时，采用的一种技术，也可泛指采用这种技术制造出来的芯片。CMOS技术的核心就在于，采用互补和对称的N型和P型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）进行芯片逻辑功能设计。
CMOS技术，具有宽工作电压范围、抗干扰能力强、静态功耗低等优势。因此，它可以用于保存计算机信息，例如制作一块可读写的RAM芯片，用于保存电脑的BIOS 设置程序的和更项硬件参数信息。另外，在数字影像领域，CMOS可以作为感光元件，用于数码影像相关产品的制造，例如图像传感器、摄像头和单反数码相机等。
过去几十年来，基于硅的CMOS技术促进了微电子领域的迅速发展，我们看到了一些列的低成本、小型化的数码电子产品，例如微型计算机、智能手机、电子摄像机等等。
可是，除了上述的存储芯片和可见光摄像头应用之外，CMOS技术更加多元化的应用，遭受了一些阻碍。目前，困难主要是来源于：
用其他半导体材料，而不是硅，和CMOS技术相结合。
创新
然而，西班牙光子科学研究所（ICFO）的科研人员通过创新探索，克服了这一困难。他们首次利用石墨烯材料，在单块集成电路上制造出CMOS集成电路。他们制造出的这种高分辨率图像传感器，由成千上万的石墨烯光电探测器和量子点（QD）构成。
（图片来源于：ICFO/ D. Bartolome）
由这种传感器制成的高灵敏度摄像头，能同时对于紫外线、可见光、红外线敏感，这是现有摄像头技术无法企及的。总体来说，基于石墨烯CMOS技术，将开启更加广泛的光电方面的应用，例如低功耗的光学数据传输和超灵敏的小型感知系统。
这项研究的论文发表于《自然光子学》“Nature Photonics” 杂志上，并在杂志封面获得展示。该研究由西班牙加泰罗尼亚高等研究院（ICREA）教授 Frank Koppens 和 Gerasimos Konstantatos 领导，ICFO 研究员Stijn Goossens 等参与开发，且与Graphenea公司展开合作。
技术
技术方面，我们要重点介绍两点，第一，图像传感器是如何制造的；第二，何为量子点技术。
图像传感器是如何制造的呢？
简单介绍一下，研究人员通过PbS胶体量子点，将它们沉积到CVD（化学蒸汽沉积）的石墨烯上，随后将这个混合系统沉积到CMOS晶圆上。补充一下，这个CMOS晶圆包含图像传感器裸片和读出电路。
什么是量子点技术?
量子点是这项创新涉及的一个十分关键的技术。量子点，是一些列非常小的半导体粒子，尺寸在100纳米以下，也正是由于尺寸非常小，所以其内部电子在不同方向上的运动都会受到限制。这样就使得它们的光学和电子属性不同于大型粒子。它具有量子限域效应、表面效应、量子隧道效应、介电限域效应等等特殊的物理效应。
当半导体粒子达到纳米尺寸后，不同尺寸的量子点会发射出不同频率的光，如果是在可见光频谱范围内的话，最明显的就是颜色的变化。
（图片来源于：维基百科）
正是由于具备上述各种微观领域的物理特性，量子点技术的应用领域很广，例如半导体晶体管、太阳能电池、LED、量子计算、医疗成像等等。另外，由于它的尺寸很小，还可以与喷墨印刷和旋转涂布等常见的制程相融合，带来更低成本、更高效的半导体制造方案。
价值
对于这项研究的创新价值，我们先来看看几位研究人员的评述。
Stijn Goossens 的评论：
“完成这种石墨烯量子点的CMOS图像传感器，无需复杂的材料处理或者生长过程。它提供了一种简单、廉价的制造方法，可以在室温和普通的环境条件下进行生产，从而大幅降低生产成本。更重要的是，由于它的这些属性，它可以和CMOS类型的集成电路一样，简单地集成到柔性衬底上。”
另外，量子点石墨烯研究方面的专家，Gerasimos Konstantatos 的看法：
“我们设计的量子点，可以扩展到短波红外线的光谱范围 (1100-1900纳米)，在这个意义上，我们可以演示和检测在漆黑的晴朗夜空中，大气中的夜天光现象，从而可以达到被动夜视。这项研究显示此类光电晶体管能够用于高灵敏度、低成本的红外图像传感器，可运行在室温条件下，满足红外线市场目前对于低成本技术的巨大需求。”
Frank Koppens 教授认为：
“这种在单块集成电路上开发的基于CMOS的图像传感器，代表了低成本、高分辨的宽频和高光谱的图像处理系统。”
"总体来说，石墨烯CMOS技术，能够开启一些列的广泛应用，包括安全、保密、低成本的口袋相机和智能手机摄像头，火控系统、被动夜视和夜间监视摄像头、汽车传感器系统、医疗成像应用、食品和药品检测、环境监控等等，仅仅是举几个例子。"
接下来，我们通过ICFO研究人员的演示，在一起看看这项创新的具体应用场景。例如，将该图像传感器集成到智能手机上：
（图片来源于：ICFO）
在超市中检测食品质量：
（图片来源于：ICFO）
在家中检测牛奶的质量：
（图片来源于：ICFO）
辅助驾驶员夜间行车：
（图片来源于：ICFO）
（图片来源于：ICFO）
未来
目前，该项目正在ICFO的Launchpad 进行孵化，团队正在和研究所的技术转让方面的专业人士合作，将这项创新突破以及成像和感知技术方面完整的专利组合带向市场。
参考资料
【1】http://www.icfo.eu/newsroom/news/article/3581
【2】http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.75.html#access
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