고성능 자체 구동 적외선 광검출기

고성능 자율 주행적외선 광검출기

적외선광검출기강력한 간섭 방지 능력, 뛰어난 표적 식별 능력, 전천후 작전 능력, 뛰어난 은폐력 등의 특징을 갖추고 있습니다. 의학, 군사, 우주 기술, 환경 공학 등 다양한 분야에서 점점 더 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 그중에서도 자율 주행은광전 검출외부 추가 전원 공급 없이 독립적으로 작동할 수 있는 칩은 고유한 성능(에너지 독립성, 고감도 및 안정성 등)으로 인해 적외선 감지 분야에서 큰 주목을 받고 있습니다. 반면, 실리콘 기반 또는 협대역갭 반도체 기반 적외선 칩과 같은 기존의 광전 감지 칩은 광전류 생성을 위한 광생성 캐리어 분리를 구동하기 위해 추가적인 바이어스 전압이 필요할 뿐만 아니라, 열 잡음을 줄이고 응답성을 향상시키기 위한 추가적인 냉각 시스템도 필요합니다. 따라서 저전력 소모, 소형화, 저비용, 고성능과 같은 차세대 적외선 감지 칩의 새로운 개념과 요구 사항을 충족하는 것이 어려워졌습니다.

최근 중국과 스웨덴 연구팀은 그래핀 나노리본(GNR) 필름/알루미나/단결정 실리콘을 기반으로 하는 새로운 핀 헤테로접합 자가 구동 단파 적외선(SWIR) 광전 검출 칩을 제안했습니다. 이종 계면에 의해 촉발되는 광 게이팅 효과와 내부 전기장의 결합 효과로, 이 칩은 제로 바이어스 전압에서 초고응답 및 검출 성능을 보였습니다. 이 광전 검출 칩은 자가 구동 모드에서 최대 75.3 A/W의 높은 A 응답률, 7.5 × 10¹⁵ Jones의 검출률, 그리고 104%에 가까운 외부 양자 효율을 달성하여, 동일 유형의 실리콘 기반 칩의 검출 성능을 7자릿수(7 order)까지 향상시켰습니다. 또한, 기존 구동 모드에서도 칩의 응답률, 검출률, 외부 양자 효율은 각각 최대 843 A/W, 10¹⁵ Jones, 105%로, 현재 연구에서 보고된 최고 수준입니다. 또한, 이 연구에서는 광통신 및 적외선 이미징 분야에서 광전 검출 칩의 실제 응용 사례를 보여주어 엄청난 응용 잠재력을 강조했습니다.

그래핀 나노리본/Al₂O₃/단결정 실리콘 기반 광검출기의 광전 성능을 체계적으로 연구하기 위해, 연구진은 정적 특성(전류-전압 곡선)과 동적 특성(전류-시간 곡선)을 측정했습니다. 다양한 바이어스 전압에서 그래핀 나노리본/Al₂O₃/단결정 실리콘 이종구조 광검출기의 광학 응답 특성을 체계적으로 평가하기 위해, 연구진은 8.15 μW/cm²의 광 전력 밀도로 0 V, -1 V, -3 V, -5 V 바이어스에서 소자의 동적 전류 응답을 측정했습니다. 광전류는 역방향 바이어스에 따라 증가하며 모든 바이어스 전압에서 빠른 응답 속도를 보였습니다.

마지막으로, 연구진은 이미징 시스템을 제작하여 단파 적외선의 자가 구동 이미징을 성공적으로 달성했습니다. 이 시스템은 제로 바이어스(zero bias) 조건에서 작동하며 에너지 소비가 전혀 없습니다. 광검출기의 이미징 성능은 "T"자 패턴이 있는 검은색 마스크(그림 1 참조)를 사용하여 평가했습니다.

결론적으로, 본 연구는 그래핀 나노리본 기반 자가 구동 광검출기를 성공적으로 제작하고 기록적인 높은 응답률을 달성했습니다. 또한, 연구진은 이 광검출기의 광통신 및 이미징 성능을 성공적으로 입증했습니다.반응성이 뛰어난 광검출기이 연구 성과는 그래핀 나노리본과 실리콘 기반 광전자 소자 개발에 실용적인 접근 방식을 제공할 뿐만 아니라, 자체 구동식 단파장 적외선 광검출기로서 뛰어난 성능을 보임을 보여줍니다.