[논문 리뷰] Infrared narrow band gap nanocrystals: recent progresses relative to imaging and active detection

Charlie Gréboval, Simon Ferré외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 30.

Quantum Dots Synthesis And Properties참고 문헌 71인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 적외선 검출을 위한 에피택셜 반도체의 저비용 대체재로 콜로이드성 HgTe 나노결정을 검토하며, 공기 중에서도 안정되고 빠른 반응 속도를 보이며 가시광선에서 장파장 적외선까지 넓은 범위에서 조절 가능한 광전도성을 입증한다. 주요 결과로는 SWIR 나노결정을 사용한 CMOS 회로와의 결합을 통한 비디오 레이트 VGA 이미징 및 연속 및 펄스 모드에서 모두 10 ns 이하의 시간 해상도를 확보한 장거리 능동 검출이 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 적외선 검출을 위한 에피택셜 반도체의 확장 가능한 대체재로 콜로이드성 HgTe 나노결정을 탐색하기 위해.
• 콜로이드성 나노결정 기반 적외선 센서의 공기 중 안정 작동을 입증하기 위해.
• 窄역간격 반도체에서의 빠른 탐지 반응 속도와 강한 흡수를 달성하기 위해.
• 콜로이드성 나노결정을 사용한 다중픽셀 적외선 이미징 장치를 개발하기 위해.
• 장거리 응용을 위한 고시간 해상도 능동 검출을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 조절 가능한 밴드 갭과 강한 흡수 특성을 지닌 콜로이드성 HgTe 나노결정을 적외선 광검출기의 기본 구성 요소로 활용하기 위해.
• 단파장 적외선(SWIR) HgTe 나노결정을 보완형 산화막 메탈-산화물 반도체(CMOS) 회로와 통합하여 전자 신호 처리를 수행하기 위해.
• 능동 검출 응용을 위해 연속파 및 펄스 자극 모드를 모두 활용하기 위해.
• VGA 형식의 비디오 레이트 이미징을 달성하기 위해 다중픽셀 어레이를 구현하기 위해.
• 탐지 속도 평가를 위해 시간 해상도 측정을 수행하여 10 ns 이하의 시간 해상도를 확보하기 위해.
• 환경 조건에서의 장치 안정성을 평가하여 공기 호환성을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 콜로이드성 HgTe 나노결정은 안정적이고 공기 호환성 있는 적외선 검출을 달성할 수 있는가?
• RQ2 HgTe 나노결정은 얼마나 넓은 스펙트럼 범위에서 초광역 조절이 가능한가? (가시광선에서 장파장 적외선까지)
• RQ3 콜로이드성 나노결정 기반 광검출기에서 CMOS 통합을 통해 비디오 레이트 이미징이 가능한가?
• RQ4 HgTe 나노결정을 사용한 능동 검출의 시간 해상도는 펄스 모드와 연속파 모드에서 각각 얼마인가?
• RQ5 비용, 속도, 조절 가능성 측면에서 콜로이드성 나노결정 센서는 전통적인 에피택셜 반도체와 비교해 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 콜로이드성 HgTe 나노결정은 공기 중에서도 안정된 작동을 보이며 봉입 없이 실용적 적용이 가능하다.
• 이 나노결정들은 가시광선에서 장파장 적외선 영역까지 초광역 스펙트럼 조절 가능성을 보여준다.
• 강한 흡수와 빠른 반응 속도를 보이며 고속 탐지에 적합한 광전도성이 입증되었다.
• CMOS 회로와 결합된 HgTe 나노결정 기반 다중픽셀 어레이가 VGA 형식에서 비디오 레이트 이미징을 달성하였다.
• HgTe 나노결정을 사용한 능동 검출 시스템은 연속파 및 펄스 모드에서 모두 10 ns 이하의 시간 해상도를 확보하였다.
• 이 기술은 고정밀 시간 해상도를 확보하여 150미터 이상의 장거리 검출이 가능하게 하였다.