量子ドット

非毒性量子ドットによるSWIR 光検出器とイメージセンサの実現
サリー・コール・ジョンソン
スペインの研究者らは、重金属を含む量子ドットの有益な特性を維持する非が、市場と社会に影響を与えることを毒性量子ドットを開発し、それを使用して高性能な SWIR 光検出器とイメー望んでいるのだから」（コンスタンタトジセンサを実現した。

ス氏）。

研究のセレンディピティ

現時点において、短波赤外（ short­の機能的光電子ナノ材料を専門とする

wave infrared：SWIR ）領域に感度をゲラシモス・コンスタンタトス教授

同チームは、AgBiS2（銀とビスマス持つ量子ドットを、大衆市場分野向け（ Gerasimos Konstantatos ）率 い る 研と硫黄からなる鉱物）ナノ結晶に基づの主要な実現技術に転換するには、根究者チームは、室温で機能する非毒性く非毒性太陽電池を開発するプロジェ本的な障害が存在する。量子ドットに量子ドット（図 1）の開発に乗り出した。

クトに取り組んでいた。より多くの太は、鉛、カドミウム、水銀など、電気・「赤外領域における量子ドットに関陽光を取得するためにこの材料のバン電子機器における有害物質の使用を制するこれまでのほぼすべての取り組みドギャップを減少させることが目的だ

限 する欧 州 連 合（ EU ）の規 制 であるが、鉛、カドミウム、または水銀に基ったが、それが好奇心をそそる思いがRoHS（ Restriction of Hazardous Sub­

づいているが、学術機関においてそうけない発見につながった。

stances ）指令の対象となる重金属が含した物質を使用することが、エレクト同チームの方法は、重金属を含む量まれている場合が多いためだ。

ロニクス業界によるこの技術の採用を子ドットの有益な特性を維持しつつ、民生エレクトロニクス市場で事業を阻む、大きな障害になり得るというこサイズ調整可能でホスフィンフリーの運 営 す る OEM（ Original Equipmentとを、認識することが重要である」と、テルル化銀量子ドットを合成するもの

Manufacturer ）は、そうした有害物質

コンスタンタトス氏は述べた。
「われで、SWIR コロイド量子ドット技術をを排除した量子ドット技術を求めてい

われは、非毒性の量子ドットの研究と量産市場に導入するための道を開く。

るため、スペインの光科学研究所（The開発を目指すべきだ。最終的には、わ研究者らは、太陽光発電デバイスのInstitute of Photonic Sciences：ICFO）

れわれが研究室で開発している技術

性能を向上させるために、スペクトル範囲が拡大するように AgBiTe2（テルル化銀ビスマス）ナノ結晶を合成する方法を探究する過程で、テルル化銀（ Ag2Te ）という副産物を得た。
「 AgBiTe2 を作製する可能性を調べていたが、ナノ結晶のサイズとともに変化する、良好な励起子ピークのような吸収スペクトルを示す溶液が得られ、それは、量子ドットの形成を指し示すものだった。そこでこれらの量子ドットを解析したところ、鉛フリーのオプトエレクトロニクス、特に光検出器の有望な候補になり得ることに、す図１ チームが開発した非毒性量子ドットのサンプルを手に持つ ICFO の研究者ヨンジェ・ワン氏（ Yongje Wang ）。写真提供：ICFO

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2024.5 Laser Focus World Japanぐに気づいた」と、コンスタンタトス
氏は説明した。

SWIR 光検出器（図 2 ）とイメージセンサに対するその可能性に気づいた同チームは、ホスフィンフリーのテルル化銀を合成するための新しいプロセスの実現と制御に、研究目的を転換した。
ホスフィンは、光検出に関連する量子ドットの光電子特性に有害な影響を与える可能性があるためである。
新しい合成方法は、テルル前駆体や銀前駆体など、さまざまなホスフィンフリー錯体を使用するもので、これによって同チームは、広い範囲のスペクトルにわたって適切に制御された粒度分布と励起子ピークを持つ量子ドット

図２ 非毒性量子ドットのサンプルとチームが開発した光検出器を手に持つ、ヨンジェ・ワン氏（左）とジュリアン・シュライヤー氏（ Julian Schreier、右）。写真提供：ICFOを得ることに成功した。作製と特性評価を行ったところ、合成された量子ド焦 点 面 ア レ イ（ Focal Plane Array：

可能性が幅広い分野に対して解き放た

ットは、1500nm を超える明確な励起FPA ）に集積する作業も、開発と最適れる。例えば、自動車業界向けのビジ子ピークを持つ、素晴らしい光学特性化にいくらかの時間を要した。

ョンシステムを改良して、悪天候下でを示した。
そこで、このホスフィンフリー量子

Qurv 社との連携の視界と運転を改善することができる。約 1.35 〜 1.40μm の SWIR 帯域は、ドットを使用して、ITO（酸化インジウ

重金属を含まない量子ドットに基づ昼夜ともに背景光のない、目に安全なムスズ）コーティングされたガラス基板

く光検出器の開発に成功した後、研究領域であり、自動車、拡張現実、仮想上に簡単な実験室規模の光検出器を作者らはさらに一歩進んで、ICFO のス

現実の分野を対象とした、長距離の光製し、デバイスの特性評価と特性測定

ピンオフ企業である Qurv 社と手を組検出と測距（ LiDAR ）や 3 次元イメージを行った。

み、概念実証として SWIR イメージセングをさらに可能にする」と、ゲラシモンサを構築することによって、その可ス・コンスタンタトス氏は述べている。

最初に作製したフォトダイオードはSWIR 光の検出性能が低かったため、能性を実証した。

同チームが知る限り、納得のいく性能を備えた、溶液処理された非毒性再設計を行ってバッファ層を追加する

同チームは、この新しいフォトダイオことにした。この調整により、光検出ードを CMOS ベースの読み出し集積回

SWIR フォトダイオードを実 現 して、器の性能が向上し、350nm 〜 1600nm路（ Read Out Integrated Circuit：CMOS ROIC に集積したのは、彼らがのスペクトル範囲、118dB を超える線ROIC ）FPA に組み込み、概念実証と初 めてである。
「われわれの結 果 は、形ダイナミックレンジ、110kHz を超なる非毒性で室温動作の SWIR 量子ド

Ag2TE 量子ドットが、低コストで高性える -3dB 帯域幅、約 1012 Jones の室ットに基づくイメージセンサを、初めて能な SWIR 光検出器アプリケーション

温検出率を備える、SWIR フォトダイ実装した。対象物体の画像を複数枚撮に対する有望な RoHS 準拠材料であるオードが得られた。

影することによって、SWIR 領域におという事実を、さらに裏付けるものでこの過程における最大の課題は、適けるその動作の確認を行い、SWIR 光ある」と、コンスタンタトス氏は述べた。

切に機能するダイオードを形成するた下でのシリコンウエハの透過率の画像

同チームは現在、「検出器の量子効めに、量子ドットスタックをどのように化と、可視光領域において不透明なペ率の増加による性能の改善に取り組ん積層するかを考案することだった。スタットボトルの中身の可視化に成功した。

でおり、環境と温度に対するレジリエックを実験室のガラス基板からCMOS「民生エレクトロニクス向けの低コンスをさらに評価して改良するつもり（ Complementary Metal Oxide Semi­

ストの技術で SWIR にアクセスできるだ」と、コンスタンタトス氏は付け加conductor：相補型金属酸化膜半導体）ようになれば、このスペクトル範囲のえた。
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