Forscher bauen eine funktionierende Kamera aus atomar dünnen Halbleitern

Mar 09, 2024

John Timmer - Nov 18, 2022 8:51 pm UTC

Seit der Isolierung von Graphen haben wir eine Reihe von Materialien identifiziert, die atomar dünne Schichten bilden. Einige dieser Schichten bestehen wie Graphen aus einem einzigen Element. andere entstehen aus Chemikalien, bei denen die Atombindungen auf natürliche Weise eine blattartige Struktur erzeugen. Viele dieser Materialien haben unterschiedliche Eigenschaften. Während Graphen ein ausgezeichneter Stromleiter ist, sind einige andere Halbleiter Halbleiter. Und es ist möglich, ihre Eigenschaften weiter zu optimieren, je nachdem, wie Sie die Ebenen eines Stapels mit mehreren Blättern anordnen.

Angesichts all dieser Optionen sollte es niemanden überraschen, dass Forscher herausgefunden haben, wie man aus diesen Materialien Elektronik herstellen kann, darunter Flash-Speicher und die kleinsten jemals hergestellten Transistoren. Die meisten davon sind jedoch Demonstrationen der Fähigkeit, die Hardware herzustellen – sie sind nicht in ein nützliches Gerät integriert. Doch ein Forscherteam hat nun gezeigt, dass es möglich ist, über einfache Demonstrationen hinauszugehen, indem es einen 900-Pixel-Bildsensor aus einem atomar dünnen Material baut.

Die meisten Bildsensoren bestehen derzeit aus Standard-Siliziumhalbleitern, die mit den üblichen CMOS-Prozessen (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) hergestellt werden. Aber es ist möglich, das Silizium durch einen anderen Halbleiter zu ersetzen. In diesem Fall verwendeten die Forscher Molybdändisulfid, ein atomar dünnes Material, das in experimentellen Geräten häufig verwendet wird.

Um dies in einem Gerät zu nutzen, begannen die Forscher damit, durch Dampfabscheidung eine einschichtige Schicht aus Molybdändisulfid auf einem Saphirsubstrat wachsen zu lassen. Anschließend wurde es vom Saphir abgehoben und auf eine zuvor hergestellte Siliziumdioxidoberfläche abgesenkt, in die bereits einige Drähte eingeätzt waren. Die weitere Verkabelung wurde dann oben abgelegt.

Das Endergebnis dieses Prozesses war ein 30 x 30 großes Gerätegitter, wobei jedes Gerät aus einer Source- und einer Drain-Elektrode besteht, die durch eine Schicht aus Molybdändisulfid verbunden sind. Bei Beleuchtung würde jedes dieser Geräte Streuladungen aufnehmen, die ihre Fähigkeit zur Stromübertragung zwischen den Source- und Drain-Elektroden beeinträchtigen würden. Dieser Widerstandsunterschied liefert ein Maß dafür, wie viel Licht das Gerät ausgesetzt war, und ermöglicht so die Rekonstruktion von Bildinformationen.

Während die Ladungen, die sich nach der Einwirkung von Licht aufbauen, langsam von selbst verschwinden, beseitigen die meisten Geräte sie aktiv, indem sie eine starke Spannung zwischen den Source- und Drain-Elektroden anlegen.

Wenn man dies mit einem Standard-Siliziumsensor vergleicht, sieht das etwas gemischt aus: in mancher Hinsicht besser, in anderen deutlich schlechter. Positiv ist, dass die Geräte für den Betrieb bemerkenswert wenig Strom benötigen; Die Forscher schätzen, dass im Betrieb weniger als ein PicoJoule pro Pixel benötigt wird. Das Zurücksetzen des Geräts ist nach wie vor ein einfacher Vorgang, bei dem eine große Spannungsdifferenz an die Molybdändisulfidschicht angelegt wird.

Die Forscher fanden heraus, dass das Anlegen einer viel geringeren Spannung an das Molybdändisulfid es für Licht empfindlich machen könnte. Dies ermöglicht eine einfache Anpassung der Signal-Rausch-Empfindlichkeit der Bildsensoren im laufenden Betrieb. Normalerweise erfordert dies eine beträchtliche Menge an externen Schaltkreisen auf siliziumbasierter Bildgebungshardware, was mit einem entsprechenden Anstieg der Herstellungskomplexität und des Stromverbrauchs während der Bildgebung einhergeht. Dieses Gerät bietet also einige Vorteile.

Was es nicht bietet, ist Geschwindigkeit. Während die erste Reaktion auf Licht in nur 100 Nanosekunden registriert werden kann, dauert eine vollständige, kontrastreiche Belichtung Sekunden – pro Farbe. Eine Blaubelichtung dauert also über zwei Sekunden und der Rotkanal benötigt für eine Vollbelichtung fast 10 Sekunden. Erwarten Sie also nicht, dass Sie damit schnell ein paar Videos auf Ihrem Handy aufnehmen können.

Das bedeutet natürlich nicht, dass es nutzlos ist; es schränkt lediglich seinen Nutzen ein. Es gibt viele Anwendungen, bei denen die Leistung eine größere Einschränkung darstellt als die Zeit, wie etwa Umweltsensoren und dergleichen (die Leute, die sie entwickelt haben, sind von IoT-Anwendungen begeistert). Aber die größere Geschichte hier könnte sein, dass die Forscher ein ziemlich großes, kompliziertes Gerät gebaut haben, das auf atomar dünnem Material basiert.

Nature Materials, 2022. DOI: 10.1038/s41563-022-01398-9 (Über DOIs).