Des chercheurs construisent une caméra fonctionnelle à partir de semi-conducteurs atomiquement minces

Mar 09, 2024

John Timmer - 18 novembre 2022 à 20h51 UTC

Depuis l’isolement du graphène, nous avons identifié un certain nombre de matériaux formant des feuilles atomiquement minces. Comme le graphène, certaines de ces feuilles sont constituées d’un seul élément ; d'autres se forment à partir de produits chimiques où les liaisons atomiques créent naturellement une structure en forme de feuille. Beaucoup de ces matériaux ont des propriétés distinctes. Si le graphène est un excellent conducteur d’électricité, plusieurs autres sont des semi-conducteurs. Et il est possible d'affiner davantage leurs propriétés en fonction de la manière dont vous disposez les couches d'une pile multi-feuilles.

Compte tenu de toutes ces options, cela ne devrait surprendre personne que les chercheurs aient découvert comment fabriquer des composants électroniques à partir de ces matériaux, notamment de la mémoire flash et des plus petits transistors jamais fabriqués, selon certaines mesures. Cependant, la plupart d'entre eux sont des démonstrations de la capacité à fabriquer du matériel : ils ne sont pas intégrés dans un appareil utile. Mais une équipe de chercheurs vient de démontrer qu'il est possible d'aller au-delà de simples démonstrations en construisant un capteur d'imagerie de 900 pixels à l'aide d'un matériau atomiquement mince.

La plupart des capteurs d'image sont actuellement constitués de semi-conducteurs en silicium standard, fabriqués à l'aide des procédés habituels de semi-conducteur métal-oxyde complémentaire (CMOS). Mais il est possible de remplacer le silicium par un autre semi-conducteur. Dans ce cas, les chercheurs ont utilisé du bisulfure de molybdène, un matériau atomiquement mince qui a été largement utilisé dans des dispositifs expérimentaux.

Pour l'utiliser dans un appareil, les chercheurs ont commencé par faire croître une feuille monocouche de bisulfure de molybdène sur un substrat en saphir par dépôt en phase vapeur. Il a ensuite été soulevé du saphir et abaissé sur une surface de dioxyde de silicium préalablement réalisée sur laquelle étaient déjà gravés des câbles. Un câblage supplémentaire a ensuite été déposé sur le dessus.

Le résultat final de ce processus était une grille de dispositifs de 30 x 30, où chaque dispositif est constitué d'une électrode de source et d'une électrode de drain reliées par une feuille de bisulfure de molybdène. Lorsqu'il est éclairé, chacun de ces appareils capterait des charges parasites, ce qui affecterait leur capacité à transmettre le courant entre les électrodes de source et de drain. Cette différence de résistance fournit une mesure de la quantité de lumière à laquelle l’appareil a été exposé, permettant ainsi de reconstruire les informations de l’image.

Alors que les charges qui s'accumulent après l'exposition à la lumière disparaissent lentement d'elles-mêmes, la plupart des appareils les éliminent activement en appliquant une forte tension entre les électrodes de source et de drain.

En comparant cela à un capteur au silicium standard, c'est une histoire un peu mitigée : meilleure à certains égards, notamment pire à d'autres. Du bon côté, les appareils nécessitent remarquablement peu d’énergie pour fonctionner ; les chercheurs estiment qu'il faut moins d'un picoJoule par pixel lors des opérations. La réinitialisation de l'appareil reste un processus simple consistant à appliquer une grande différence de tension aux bornes de la feuille de bisulfure de molybdène.

Les chercheurs ont découvert que l’application d’une tension beaucoup plus faible aux bornes du bisulfure de molybdène pouvait le sensibiliser à la lumière. Cela permet un réglage simple de la sensibilité signal/bruit des capteurs d'images en cours de fonctionnement. Normalement, cela nécessite une quantité importante de circuits externes sur du matériel d'imagerie à base de silicium, avec une augmentation correspondante de la complexité de fabrication et de la consommation d'énergie pendant l'imagerie. Cet appareil offre donc quelques avantages.

Ce qu'il n'offre pas, c'est la vitesse. Alors que la réponse initiale à la lumière peut être enregistrée en seulement 100 nanosecondes, une exposition complète et à contraste élevé prend quelques secondes, par couleur. Ainsi, une exposition bleue prend plus de deux secondes et le canal rouge a besoin de près de 10 secondes pour une exposition complète. Alors, ne vous attendez pas à l’utiliser pour récupérer quelques vidéos rapides sur votre téléphone portable.

Bien sûr, cela ne veut pas dire que c’est inutile ; cela limite simplement son utilité. Il existe de nombreuses applications pour lesquelles la puissance est une contrainte plus importante que le temps, comme les capteurs environnementaux et autres (les personnes qui les ont développées sont enthousiasmées par les applications IoT). Mais le plus important ici est peut-être que les chercheurs ont construit un dispositif assez grand et complexe qui repose sur un matériau atomiquement mince.