연구원들은 원자적으로 얇은 반도체로 작동하는 카메라를 만듭니다.

Mar 09, 2024

존 티머 - 2022년 11월 18일 오후 8:51 UTC

그래핀이 분리된 이후로 우리는 원자적으로 얇은 시트를 형성하는 여러 가지 물질을 확인했습니다. 그래핀과 마찬가지로 이러한 시트 중 일부는 단일 요소로 구성됩니다. 다른 것들은 원자 결합이 자연적으로 시트형 구조를 생성하는 화학 물질로부터 형성됩니다. 이러한 재료 중 다수는 고유한 특성을 가지고 있습니다. 그래핀은 우수한 전기 전도체이지만 다른 것들도 반도체입니다. 그리고 다중 시트 스택의 레이어를 정렬하는 방법에 따라 속성을 추가로 조정할 수도 있습니다.

이러한 모든 옵션을 고려할 때 연구자들이 플래시 메모리와 지금까지 만들어진 가장 작은 트랜지스터를 포함하여 이러한 재료로 전자 장치를 만드는 방법을 어떤 방법으로 알아냈다는 것은 누구도 놀랄 일이 아닙니다. 그러나 이들 중 대부분은 하드웨어를 만드는 능력을 보여주는 것이며 유용한 장치에 통합되지는 않습니다. 그러나 한 연구팀은 이제 원자적으로 얇은 재료를 사용하여 900픽셀 이미징 센서를 구축함으로써 단순한 시연을 넘어서는 것이 가능하다는 것을 입증했습니다.

현재 대부분의 이미지 센서는 일반적인 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 공정을 사용하여 제조된 표준 실리콘 반도체로 구성됩니다. 하지만 실리콘을 다른 반도체로 교체하는 것은 가능하다. 이번 경우, 연구진은 실험 장치에서 많이 사용되는 원자적으로 얇은 물질인 이황화 몰리브덴을 사용했습니다.

이것을 장치에 사용하기 위해 연구진은 증기 증착을 사용하여 사파이어 기판 위에 이황화 몰리브덴의 단일 층 시트를 성장시키는 것부터 시작했습니다. 그런 다음 사파이어에서 들어 올려 이미 일부 배선이 에칭된 이전에 만들어진 이산화규소 표면 위로 내려졌습니다. 그런 다음 추가 배선이 상단에 쌓였습니다.

이 프로세스의 최종 결과는 30 x 30 그리드의 장치였으며, 각 장치는 이황화 몰리브덴 시트로 연결된 소스 및 드레인 전극으로 구성되었습니다. 조명이 켜지면 이들 장치 각각은 부유 전하를 포착하게 되는데, 이는 소스 전극과 드레인 전극 사이에 전류를 전송하는 능력에 영향을 미칩니다. 저항의 차이는 장치가 얼마나 많은 빛에 노출되었는지를 측정하여 이미지 정보를 재구성할 수 있게 해줍니다.

빛에 노출된 후 축적된 전하는 저절로 천천히 사라지지만, 대부분의 장치는 소스 전극과 드레인 전극 사이에 강한 전압을 가하여 이를 적극적으로 제거합니다.

이것을 표준 실리콘 센서와 비교하면 약간 혼합된 이야기가 됩니다. 어떤 면에서는 더 좋고 다른 면에서는 특히 더 나쁩니다. 좋은 점은 장치가 작동하는 데 전력이 거의 필요하지 않다는 것입니다. 연구원들은 작업 중에 픽셀당 피코줄 미만이 소요된다고 추정합니다. 장치를 재설정하는 것은 이황화 몰리브덴 시트에 큰 전압 차이를 적용하는 간단한 과정으로 남아 있습니다.

연구진은 이황화 몰리브덴에 훨씬 더 작은 전압을 가하면 빛에 민감해질 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이를 통해 작동 중에 이미지 센서의 신호 대 잡음 감도를 간단하게 조정할 수 있습니다. 일반적으로 이를 위해서는 실리콘 기반 이미징 하드웨어에 상당한 양의 외부 회로가 필요하며 그에 따라 이미징 중에 제조 복잡성과 전력 사용도 증가합니다. 따라서 이 장치는 몇 가지 장점을 제공합니다.

그것이 제공하지 않는 것은 속도입니다. 빛에 대한 초기 반응은 100나노초 정도에 등록될 수 있지만 전체 고대비 노출은 색상별로 몇 초가 걸립니다. 따라서 파란색 노출은 2초 이상 걸리고 빨간색 채널은 전체 노출에 거의 10초가 필요합니다. 따라서 이 기능을 사용하여 휴대폰에서 빠른 비디오를 촬영할 것으로 기대하지 마십시오.

물론 이것이 쓸모없다는 뜻은 아닙니다. 그것은 단지 그것이 유용한 것을 제한할 뿐입니다. 환경 센서 등과 같이 시간보다 전력이 더 중요한 제약이 되는 애플리케이션이 많이 있습니다(이를 개발한 사람들은 IoT 애플리케이션에 열광하고 있습니다). 그러나 여기서 더 큰 이야기는 연구자들이 원자적으로 얇은 물질에 의존하는 상당히 크고 복잡한 장치를 만들었다는 것입니다.