Licht vangen: nieuwe ergonomische fotodetector voor het tijdperk van biljoenen sensoren

De wereld stevent af op een economie met biljoenen sensoren waarin miljarden apparaten die meerdere sensoren gebruiken, met elkaar verbonden zullen worden onder de paraplu van Internet-of-things. Een belangrijk onderdeel van deze economie wordt gevormd door licht-/fotosensoren, dit zijn kleine elektronische componenten op basis van halfgeleiders die licht detecteren en omzetten in elektrische signalen. Lichtsensoren zijn overal om ons heen te vinden, van huishoudelijke elektronische gadgets en apparatuur voor de gezondheidszorg tot optische communicatiesystemen en auto’s.

In de loop der jaren is er duidelijke vooruitgang geboekt in het onderzoek naar fotosensoren. Wetenschappers hebben getracht sensoren te ontwikkelen die een hoog dynamisch bereik van licht kunnen detecteren en die eenvoudig te vervaardigen en energiezuinig zijn. De meeste lichtsensoren die worden gebruikt in kosteneffectieve consumentenproducten zijn energiezuinig, maar zijn gevoelig voor ruis (ongewenste lichtinformatie) in de externe omgeving, wat hun prestaties nadelig beïnvloedt. Om dit probleem aan te pakken, zijn producten ontworpen met behulp van licht-naar-frequentie-omzettingscircuits (LFC’s), die een betere signaal-ruisverhouding laten zien. De meeste LFC’s zijn echter gemaakt van op silicium gebaseerde fotodetectoren die het bereik van lichtdetectie kunnen beperken. Het gebruik van LFC’s leidt ook tot verspilling van chipgebied, wat een probleem wordt bij het ontwerpen van multifunctionele elektronische circuits voor compacte apparaten.

Nu heeft een team van onderzoekers van de Incheon National University, Zuid-Korea, onder leiding van prof. Sung Hun Jin, een zeer efficiënt systeem van fotodetectoren gedemonstreerd dat de beperkingen van conventionele LFC’s kan overwinnen. In hun onderzoek, dat op 10 juni 2021 online beschikbaar is gesteld en vervolgens is gepubliceerd in volume 17, nummer 26 van het tijdschrift Klein, rapporteren ze de ontwikkeling van complementaire lichtgevoelige omvormers met p-type enkelwandige koolstofnanobuizen (SWNT) en n-type amorfe indium-gallium-zink-oxide (a-IGZO/SWNT) dunne-filmtransistoren.

Prof. Jin legt uit: “Onze fotodetector past een andere benadering toe met betrekking tot de conversie van licht naar frequentie. We hebben componenten gebruikt die lichtafhankelijk zijn en niet spanningsafhankelijk, in tegenstelling tot conventionele LFC’s.”

Dankzij de nieuwe ontwerparchitectuur kon het team LFC ontwerpen met een superieure efficiëntie van het chipgebied en een compacte vormfactor, waardoor het geschikt is voor gebruik in flexibele elektronische apparaten. Experimenten uitgevoerd met het fotosensorsysteem wezen op uitstekende optische eigenschappen, waaronder een hoge afstembaarheid en reactievermogen over een breed lichtbereik. De LFC toonde ook de mogelijkheid van schaalbaarheid van een groot gebied en eenvoudige integratie in ultramoderne op siliciumwafels gebaseerde chips.

Het LFC-systeem dat in deze studie is ontwikkeld, kan worden gebruikt om optische sensorsystemen te bouwen met een hoge signaalintegriteit, evenals uitstekende signaalverwerkings- en zendcapaciteiten. Deze veelbelovende eigenschappen maken het een sterke kandidaat voor toepassing in toekomstige Internet-of-Things-sensorscenario’s. “LFC’s op basis van laagdimensionale halfgeleiders zullen een van de kerncomponenten worden op het gebied van biljoenen sensoren. Ons LFC-schema zal worden toegepast in medische SpO₂ detectie, automatische verlichting in de landbouw of in geavanceerde displays voor virtual en augmented reality”, besluit prof. Jin.