高性能自己駆動型赤外線光検出器

高性能な自走式赤外線光検出器

赤外線光検出器強力な耐干渉性、強力な目標認識能力、全天候型運用、優れた隠蔽性といった特徴を備えており、医療、軍事、宇宙技術、環境工学などの分野でますます重要な役割を果たしています。中でも、自律走行型光電検出外部の追加電源なしで独立して動作できるチップは、その独自の性能（エネルギー独立性、高感度、安定性など）により、赤外線検出分野で大きな注目を集めています。対照的に、シリコンベースまたはナローバンドギャップ半導体ベースの赤外線チップなどの従来の光電検出チップは、光生成キャリアの分離を駆動して光電流を生成するために追加のバイアス電圧を必要とするだけでなく、熱雑音を低減して応答性を向上させるために追加の冷却システムも必要です。そのため、低消費電力、小型、低コスト、高性能など、将来の次世代赤外線検出チップの新しい概念と要件を満たすことが困難になっています。

最近、中国とスウェーデンの研究チームが、グラフェンナノリボン（GNR）膜／アルミナ／単結晶シリコンをベースにした新しいpinヘテロ接合自己駆動型短波赤外線（SWIR）光電検出チップを提案した。 異種界面による光ゲーティング効果と内蔵電場の複合効果により、このチップはゼロバイアス電圧で超高速の応答・検出性能を示した。 この光電検出チップは、自己駆動モードでのA応答率が75.3 A/W、検出率が7.5 × 10¹⁴ Jones、外部量子効率が104%近くに達し、同種のシリコンベースチップの検出性能を7桁向上させた。 さらに、従来の駆動モードでは、チップの応答率、検出率、外部量子効率はそれぞれ843 A/W、10¹⁵ Jones、105%と高く、いずれも現在報告されている研究における最高値である。同時に、この研究では光電検出チップの光通信および赤外線画像分野での実際の応用も実証され、その巨大な応用の可能性が浮き彫りになりました。

グラフェンナノリボン/Al₂O₃/単結晶シリコンをベースとした光検出器の光電性能を体系的に研究するため、研究者らは静的（電流-電圧曲線）および動的（電流-時間曲線）特性の応答を試験した。異なるバイアス電圧下におけるグラフェンナノリボン/Al₂O₃/単結晶シリコンヘテロ構造光検出器の光応答特性を体系的に評価するため、研究者らは0V、-1V、-3V、-5Vのバイアス電圧下において、光パワー密度8.15μW/cm²のデバイスの動的電流応答を測定した。光電流は逆バイアスとともに増加し、すべてのバイアス電圧において高速な応答速度を示した。

最終的に、研究者らは撮像システムを作製し、短波赤外線の自己発電撮像に成功しました。このシステムはゼロバイアスで動作し、エネルギー消費は全くありません。光検出器の撮像能力は、「T」字型パターン（図1参照）を備えたブラックマスクを用いて評価されました。

結論として、本研究はグラフェンナノリボンを用いた自己発電型光検出器の作製に成功し、記録破りの高応答速度を達成しました。また、研究者らはこの光通信およびイメージング機能を実証することに成功しました。高応答光検出器この研究成果は、グラフェンナノリボンやシリコンベースの光電子デバイスの開発に実用的なアプローチを提供するだけでなく、自己発電型短波赤外線光検出器としての優れた性能を実証しています。