[論文レビュー] Infrared narrow band gap nanocrystals: recent progresses relative to imaging and active detection

Charlie Gréboval, Simon Ferré+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2020

Quantum Dots Synthesis And Properties参考文献 71被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、赤外線検出におけるエpiタキシャル半導体の低コスト代替手段としてのコロイド的HgTeナノクリスタルをレビューし、空気中でも安定で、高速応答性があり、可視光から長波長赤外線にわたり広く調整可能な光起電力効果を実証している。主な成果として、SWIRナノクリスタルをCMOS回路と結合させたビデオレートVGAイメージング、および連続波およびパulsedモードの両方で10ナノ秒未塔の時間分解能を達成した長距離アクティブ検出が挙げられる。

ABSTRACT

Current technologies for infrared detection have been based on epitaxially grown semiconductors. Here we review some of the recent developments relative to colloidal nanocrystals and their use as building blocks for the design of low-cost infrared sensors. We focus on HgTe nanocrystals which appear as the only material leading to infrared photoconductivity and ultra-broad spectral tunability: from the visible to the long-wave infrared. We review some of the important results which demonstrated that colloidal nanocrystals can be compatible with air stable operations, fast detection, and strong absorption. We discuss the recent progresses relative to multipixel devices and show results obtained by coupling short-wave infrared nanoparticles with CMOS circuits to achieve video rate VGA format imaging. In particular we present that nanocrystals are a promising material for long range (>150 m) active detection in both continuous wave and pulsed mode with a time resolution down to 10 ns.

研究の動機と目的

• 赤外線検出におけるエピタキシャル半導体のスケーラブルな代替手段としてのコロイド的HgTeナノクリスタルの検討。
• コロイド的ナノクリスタルベースの赤外線センサーの空気中安定動作の実証。
• 狭帯ギャップナノクリスタルにおける高速検出応答性と強力な吸収特性の達成。
• コロイド的ナノクリスタルを用いたマルチピクセル赤外線イメージングデバイスの開発。
• 長距離用途に適した高時間分解能アクティブ検出の実現。

提案手法

• バンドギャップの調整が可能で強力な吸収を示すため、赤外線光検出器の構築ブロックとしてコロイド的HgTeナノクリスタルを活用。
• 短波長赤外線（SWIR）HgTeナノクリスタルを、電子的信号処理用の補完的金属酸化膜半導体（CMOS）回路と統合。
• アクティブ検出用途として、連続波およびパルス励起モードの両方を採用。
• VGAフォーマットでのビデオレートイメージングを実現するため、マルチピクセルアレイを実装。
• 検出速度の評価に時間分解測定を実施し、10ナノ秒未塔の時間分解能を達成。
• 大気中条件下でのデバイス安定性を評価し、空気環境下での適合性を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コロイド的HgTeナノクリスタルは、安定した空気中適合性を示す赤外線検出を実現できるか？
• RQ2 HgTeナノクリスタルは、可視光から長波長赤外線にわたり、どの程度まで超広帯域のスペクトル調整が可能か？
• RQ3 コロイド的ナノクリスタルベースの光検出器は、CMOS統合によりビデオレートイメージングを達成できるか？
• RQ4 パルスモードおよび連続波モードの両方で、HgTeナノクリスタルを用いたアクティブ検出の実現可能な時間分解能はどの程度か？
• RQ5 コスト、速度、調整性の観点から、従来のエピタキシャル半導体と比較して、コロイド的ナノクリスタルセンサーの性能はどのように異なるか？

主な発見

• コロイド的HgTeナノクリスタルは、封止処理なしで空気中でも安定した動作を示し、実用的導入が可能である。
• ナノクリスタルは、可視光から長波長赤外線領域にわたり、超広帯域のスペクトル調整性を示している。
• 強力な吸収と高速応答性を有する光起電力効果が実現され、高速検出に適している。
• HgTeナノクリスタルを用いたマルチピクセルアレイは、CMOS回路と結合させることでVGAフォーマットのビデオレートイメージングを達成した。
• HgTeナノクリスタルを用いたアクティブ検出システムは、連続波およびパルスモードの両方で10ナノ秒未塔の時間分解能を達成した。
• この技術により、150メートルを超える長距離検出が、高い時間的精度を伴って実現可能となった。