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導讀 最近，西班牙光子科學研究所的科研人員首次基於石墨烯和量子點技術，製造出高解析度的圖像傳感器，具有這種傳感器的攝像頭，能同時對於紫外線、可見光和紅外線敏感，應用前景十分廣闊，例如夜視功能和食品檢驗等等。
關鍵字 CMOS、半導體、石墨烯、量子點、傳感器
背景 縱觀半導體技術的發展，其中有一項技術起到了非常重要的作用，那就是CMOS技術。之前，筆者曾在《摩爾定律，是生存還是毀滅？》一文中，列舉了過去幾十年來，讓摩爾定律保持生機和活力的一些列關鍵技術，其中就有CMOS。 那麼，到底什麼是CMOS技術？它又有那些應用呢？
顧名思義，CMOS是 Complementary Metal Oxide Semiconductor（互補金屬氧化物半導體）的縮寫。具體來說，它是指製造大規模集成電路晶片時，採用的一種技術，也可泛指採用這種技術製造出來的晶片。CMOS技術的核心就在於，採用互補和對稱的N型和P型金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）進行晶片邏輯功能設計。
CMOS技術，具有寬工作電壓範圍、抗干擾能力強、靜態功耗低等優勢。因此，它可以用於保存計算機信息，例如製作一塊可讀寫的RAM晶片，用於保存電腦的BIOS 設置程序的和更項硬體參數信息。另外，在數字影像領域，CMOS可以作為感光元件，用於數碼影像相關產品的製造，例如圖像傳感器、攝像頭和單反數位相機等。 過去幾十年來，基於矽的CMOS技術促進了微電子領域的迅速發展，我們看到了一些列的低成本、小型化的數碼電子產品，例如微型計算機、智慧型手機、電子攝像機等等。 可是，除了上述的存儲晶片和可見光攝像頭應用之外，CMOS技術更加多元化的應用，遭受了一些阻礙。目前，困難主要是來源於： 用其他半導體材料，而不是矽，和CMOS技術相結合。
創新 然而，西班牙光子科學研究所（ICFO）的科研人員通過創新探索，克服了這一困難。他們首次利用石墨烯材料，在單塊集成電路上製造出CMOS集成電路。他們製造出的這種高解析度圖像傳感器，由成千上萬的石墨烯光電探測器和量子點（QD）構成。
（圖片來源於：ICFO/ D. Bartolome） 由這種傳感器製成的高靈敏度攝像頭，能同時對於紫外線、可見光、紅外線敏感，這是現有攝像頭技術無法企及的。總體來說，基於石墨烯CMOS技術，將開啟更加廣泛的光電方面的應用，例如低功耗的光學數據傳輸和超靈敏的小型感知系統。 這項研究的論文發表於《自然光子學》「Nature Photonics」 雜誌上，並在雜誌封面獲得展示。該研究由西班牙加泰羅尼亞高等研究院（ICREA）教授 Frank Koppens 和 Gerasimos Konstantatos 領導，ICFO 研究員Stijn Goossens 等參與開發，且與Graphenea公司展開合作。
技術 技術方面，我們要重點介紹兩點，第一，圖像傳感器是如何製造的；第二，何為量子點技術。 圖像傳感器是如何製造的呢？
簡單介紹一下，研究人員通過PbS膠體量子點，將它們沉積到CVD（化學蒸汽沉積）的石墨烯上，隨後將這個混合系統沉積到CMOS晶圓上。補充一下，這個CMOS晶圓包含圖像傳感器裸片和讀出電路。 什麼是量子點技術?
量子點是這項創新涉及的一個十分關鍵的技術。量子點，是一些列非常小的半導體粒子，尺寸在100納米以下，也正是由於尺寸非常小，所以其內部電子在不同方向上的運動都會受到限制。這樣就使得它們的光學和電子屬性不同於大型粒子。它具有量子限域效應、表面效應、量子隧道效應、介電限域效應等等特殊的物理效應。 當半導體粒子達到納米尺寸後，不同尺寸的量子點會發射出不同頻率的光，如果是在可見光頻譜範圍內的話，最明顯的就是顏色的變化。 ADVERTISEMENT
（圖片來源於：維基百科） 正是由於具備上述各種微觀領域的物理特性，量子點技術的應用領域很廣，例如半導體電晶體、太陽能電池、LED、量子計算、醫療成像等等。另外，由於它的尺寸很小，還可以與噴墨印刷和旋轉塗布等常見的製程相融合，帶來更低成本、更高效的半導體製造方案。 價值 對於這項研究的創新價值，我們先來看看幾位研究人員的評述。 Stijn Goossens 的評論： 「完成這種石墨烯量子點的CMOS圖像傳感器，無需複雜的材料處理或者生長過程。它提供了一種簡單、廉價的製造方法，可以在室溫和普通的環境條件下進行生產，從而大幅降低生產成本。更重要的是，由於它的這些屬性，它可以和CMOS類型的集成電路一樣，簡單地集成到柔性襯底上。」
另外，量子點石墨烯研究方面的專家，Gerasimos Konstantatos 的看法： 「我們設計的量子點，可以擴展到短波紅外線的光譜範圍 (1100-1900納米)，在這個意義上，我們可以演示和檢測在漆黑的晴朗夜空中，大氣中的夜天光現象，從而可以達到被動夜視。這項研究顯示此類光電電晶體能夠用於高靈敏度、低成本的紅外圖像傳感器，可運行在室溫條件下，滿足紅外線市場目前對於低成本技術的巨大需求。」
Frank Koppens 教授認為： 「這種在單塊集成電路上開發的基於CMOS的圖像傳感器，代表了低成本、高分辨的寬頻和高光譜的圖像處理系統。」
"總體來說，石墨烯CMOS技術，能夠開啟一些列的廣泛應用，包括安全、保密、低成本的口袋相機和智慧型手機攝像頭，火控系統、被動夜視和夜間監視攝像頭、汽車傳感器系統、醫療成像應用、食品和藥品檢測、環境監控等等，僅僅是舉幾個例子。"
接下來，我們通過ICFO研究人員的演示，在一起看看這項創新的具體應用場景。例如，將該圖像傳感器集成到智慧型手機上： （圖片來源於：ICFO） 在超市中檢測食品質量： （圖片來源於：ICFO） 在家中檢測牛奶的質量： （圖片來源於：ICFO） 輔助駕駛員夜間行車： （圖片來源於：ICFO） （圖片來源於：ICFO） 未來 目前，該項目正在ICFO的Launchpad 進行孵化，團隊正在和研究所的技術轉讓方面的專業人士合作，將這項創新突破以及成像和感知技術方面完整的專利組合帶向市場。 參考資料 原文網址：https://kknews.cc/science/3jeyb93.html
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