고성능 자가 구동 적외선 광검출기

고성능 자율 주행적외선 광검출기

적외선광검출기자율 주행 로봇은 강력한 항간섭 능력, 뛰어난 표적 인식 능력, 전천후 운용 능력 및 우수한 은폐 능력을 특징으로 하며, 의료, 군사, 우주 기술 및 환경 공학 등의 분야에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.광전 감지외부 전원 공급 없이 독립적으로 동작할 수 있는 칩은 에너지 독립성, 높은 감도 및 안정성 등의 독특한 성능으로 인해 적외선 검출 분야에서 큰 주목을 받고 있습니다. 반면, 실리콘 기반 또는 협대역 반도체 기반 적외선 칩과 같은 기존의 광전 검출 칩은 광전류를 생성하기 위해 광전하 캐리어의 분리를 유도하는 추가적인 바이어스 전압이 필요할 뿐만 아니라, 열 잡음을 줄이고 응답성을 향상시키기 위한 추가 냉각 시스템도 필요로 합니다. 따라서 저전력 소비, 소형화, 저비용 및 고성능과 같은 차세대 적외선 검출 칩의 새로운 개념과 요구 사항을 충족하기 어렵습니다.

최근 중국과 스웨덴 연구팀은 그래핀 나노리본(GNR) 필름/알루미나/단결정 실리콘 기반의 새로운 PIN 이종접합 자가 구동 단파 적외선(SWIR) 광전 검출 칩을 제안했습니다. 이 칩은 이종 계면에 의해 유발되는 광학 게이팅 효과와 내부 전기장의 결합 효과로 인해 제로 바이어스 전압에서 초고응답 및 검출 성능을 나타냈습니다. 이 광전 검출 칩은 자가 구동 모드에서 75.3 A/W에 달하는 높은 응답률, 7.5 × 10¹⁴ Jones의 검출률, 그리고 104%에 가까운 외부 양자 효율을 보여주며, 동일 유형의 실리콘 기반 칩보다 검출 성능을 7배나 향상시켰습니다. 또한, 기존 구동 모드에서도 이 칩의 응답률, 검출률, 외부 양자 효율은 각각 843 A/W, 10¹⁵ Jones, 105%에 달하며, 이는 현재까지 보고된 연구 결과 중 최고 수준입니다. 한편, 본 연구는 광전 검출 칩이 광통신 및 적외선 영상 분야에서 실제 적용이 가능하다는 것을 보여주며, 그 엄청난 응용 가능성을 강조했습니다.

그래핀 나노리본/Al₂O₃/단결정 실리콘 기반 광검출기의 광전 성능을 체계적으로 연구하기 위해 연구진은 정적(전류-전압 곡선) 및 동적 특성 응답(전류-시간 곡선)을 측정했습니다. 다양한 바이어스 전압 조건에서 그래핀 나노리본/Al₂O₃/단결정 실리콘 이종구조 광검출기의 광학적 응답 특성을 체계적으로 평가하기 위해, 연구진은 8.15 μW/cm²의 광 출력 밀도에서 0 V, -1 V, -3 V 및 -5 V의 바이어스 전압을 가하여 소자의 동적 전류 응답을 측정했습니다. 광전류는 역방향 바이어스 전압이 증가함에 따라 증가하며, 모든 바이어스 전압에서 빠른 응답 속도를 보였습니다.

최종적으로 연구진은 이미징 시스템을 제작하여 단파 적외선 영역의 자가 전원 이미징에 성공했습니다. 이 시스템은 제로 바이어스 상태에서 작동하며 에너지 소모가 전혀 없습니다. 광검출기의 이미징 성능은 그림 1에 나타낸 바와 같이 문자 "T" 패턴이 있는 검은색 마스크를 사용하여 평가했습니다.

결론적으로, 본 연구는 그래핀 나노리본 기반의 자가 전원 공급식 광검출기를 성공적으로 제작하고 기록적인 높은 응답률을 달성했습니다. 또한, 연구진은 이 광검출기가 광통신 및 이미징 기능을 갖추고 있음을 성공적으로 입증했습니다.고감응형 광검출기이 연구 성과는 그래핀 나노리본 및 실리콘 기반 광전자 장치 개발을 위한 실용적인 접근 방식을 제공할 뿐만 아니라, 자체 전원 공급식 단파 적외선 광검출기로서의 우수한 성능을 입증합니다.