高性能自己駆動型赤外線光検出器

高性能自動運転赤外線光検出器

赤外線光検出器強力な耐干渉性、強力な目標認識能力、全天候型動作、優れた隠蔽性といった特徴を持ち、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、自律走行型は光電検出外部電源を必要とせずに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、高安定性など）により、赤外線検出分野で大きな注目を集めている。一方、シリコンベースや狭帯域半導体ベースの赤外線チップといった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のバイアス電圧が必要なだけでなく、熱雑音を低減し応答性を向上させるための冷却システムも必要となる。そのため、低消費電力、小型化、低コスト、高性能といった、将来の次世代赤外線検出チップに求められる新たな概念や要件を満たすことが困難になっている。

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）フィルム/アルミナ/単結晶シリコンをベースとした、ピンヘテロ接合型の自己駆動型短波赤外線（SWIR）光電検出チップを提案した。異種界面によって引き起こされる光ゲート効果と内蔵電界の複合効果により、このチップはゼロバイアス電圧で超高応答性と検出性能を示した。この光電検出チップは、自己駆動モードで75.3 A/Wという高い応答率、7.5 × 10¹⁴ Jonesという検出率、そして104%に近い外部量子効率を実現し、同種のシリコンベースチップの検出性能を記録的な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、いずれも現在の研究で報告されている最高値である。一方、この研究は、光通信や赤外線イメージングの分野における光電検出チップの実用化も実証し、その大きな応用可能性を浮き彫りにした。

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に、研究者らは静的特性応答（電流-電圧曲線）と動的特性応答（電流-時間曲線）をテストした。異なるバイアス電圧下での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に、研究者らは、光パワー密度8.15 μW/cm²で、0 V、-1 V、-3 V、および-5 Vのバイアスにおける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で高速応答速度を示した。

最後に、研究者らはイメージングシステムを製作し、短波赤外線の自己給電イメージングに成功した。このシステムはバイアス電圧ゼロで動作し、エネルギー消費は全くない。光検出器のイメージング性能は、文字「T」のパターンが描かれた黒色のマスクを用いて評価した（図1参照）。

結論として、本研究はグラフェンナノリボンをベースとした自己給電型光検出器の作製に成功し、記録的な高応答率を達成した。同時に、研究者らはこの光検出器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た。高応答性光検出器この研究成果は、グラフェンナノリボンと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、自己給電型短波赤外線光検出器としての優れた性能も実証している。