Breedband Photodetector-materiaal voelt zichtbaar licht voor lange golfinfrarood, vereenvoudiging van apparaatontwerp

Een onderzoeksteam in Zuid-Korea heeft een sensormateriaal van de volgende generatie ontwikkeld die in staat is om de detectie van meerdere lichtgolflengten te integreren.

Een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van Dr. Wooseok Song bij het Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) en professor Dae Ho Yoon aan de Sungkyunkwan University ontwikkelde met succes een nieuw breedbandfotodetector-materiaal dat een breder scala aan golflengten kan voelen in vergelijking met bestaande commerciële materialen, en bereikte kosteneffectieve synthese op een 6-inch wafer-wafer-wafer-wafer-waferwaferwaferwafer.

Dit onderzoek is gepubliceerd in ACS nano.

Fotodetectoren zijn meestal verdeeld in verschillende categorieën, afhankelijk van het golflengtebereik dat ze detecteren, die applicaties bedienen in slimme apparaten, beveiliging, milieumonitoring en gezondheidszorg.

Tot nu toe waren afzonderlijke sensoren voor zichtbare, nabij-infrarood (NIR), midden-infrarood (MWIR) en lange golfinfrarood (LWIR) vereist. Autonome voertuigen of militaire drones moeten bijvoorbeeld meerdere sensoren opzetten voor verschillende functies. Breedbandfotodetectoren integreren echter meerdere golflengtebereiken in een enkele sensor.

Conventionele breedbandsensoren op basis van tweedimensionale (2D) materialen konden alleen detecteren van zichtbare naar NIR-golflengten, terwijl MWIR en LWIR-detectie beperkt waren, en hun slechte stabiliteit onder vochtigheid en temperatuurvariaties belemmerden buiten- of defensietoepassingen.

Het nieuw ontwikkelde breedbandfotodetectormateriaal detecteert het volledige spectrum van zichtbare naar LWIR en handhaaft stabiliteit zelfs onder hoge temperatuur- en hoge-humiditeitsomstandigheden. Hierdoor kunnen productontwerpen worden vereenvoudigd en de productiekosten verlaagd door meerdere sensoren te vervangen door een enkel geïntegreerd apparaat.

Een autonome voertuig of militaire drone kan bijvoorbeeld zichtbare lichtsensoren (voor overdag beeldvorming en herkenning) integreren, NIR-sensoren zoals lidar (voor afstandsmeting) en MWIR/LWIR-sensoren (voor nachtelijke menselijke detectie) in één.

Het team gebruikte een topologische kristallijne isolator (SNSE₀.₉TE₀.₁), afgeleid van het 2D halfgeleider tin selenide (SNSE) met tellurium (TE) -vervanging.

Als een kwantummateriaal vertoont TCIS een smalle bandafstand, waardoor detectie van lange golflengtelicht zoals MWIR en LWIR kan worden gedetecteerd, terwijl hij ook hoge stabiliteit behoudt.

In tegenstelling tot conventionele 2D-halfgeleiders die geen fotonen met lage energie kunnen detecteren vanwege een brede bandafstand, stelt de TCI-structuur elektronen in staat om vrij te bewegen op de oppervlaktestoestanden, waardoor breedband en zeer gevoelige detectie mogelijk is-inclusief subtiele thermische straling van de LWIR, zoals die uitgezonden door menselijke vingers.

Als gevolg hiervan bereikt dit nieuwe materiaal breedbanddetectie over een ~ 8 × breder bereik (0,5 – 9,6 μm), vergeleken met conventionele 2D -halfgeleiders (0,4-1,2 μm). Het is ook dun, lichtgewicht en zeer stabiel onder hoge temperatuur, vochtigheid en zelfs onderwateromstandigheden.

Een ander belangrijk voordeel is het vereenvoudigde en goedkope fabricageproces.

Hoewel de traditionele TCI-synthese dure ultrahoge vacuümapparatuur zoals moleculaire bundelpitaxie (MBE) vereiste, ontwierp het onderzoeksteam SNSE₀.₉Te₀.₁ om topologische eigenschappen te behouden, terwijl het minder gevoelig was, waardoor kostenefficiënte op oplossing gebaseerde thermische decempositie-synthese mogelijk was. Dit maakte een uniforme productie mogelijk op een 6-inch wafer op de palm, die compatibel is met bestaande halfgeleiderprocessen, waardoor het gunstig is voor grootschalige productie.

Het team breidt deze technologie nu uit naar 8-inch of grotere wafels en integreert sensorarrays en circuits om volledige sensormodules te ontwikkelen.

Dr. Wooseok Song legde uit: “Deze sensor kan toepassingen behandelen, variërend van autonome voertuigen en militaire drones tot smartwatches en Home IoT -beveiligingssystemen.”

Krict-president Young-Kuk Lee benadrukte: “Deze doorbraak zal een keerpunt markeren bij het vervangen van dure geïmporteerde breedbandsensoren en een tijdperk van krachtige, in eigen land geproduceerde breedbandsensoren insourneren.”