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NEW 徐亨卓教授研究组开发出以硅半导体为基础的高性能红外线光传感器元件
- 2021-08-23
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2021-08-03
亚洲大学研究组开发出了以硅半导体为基础的超高灵敏度红外线光学检测元件。因此，有望被应用于需要红外线领域高灵敏度、高效率传感器的自动驾驶汽车、太阳能电池、医疗诊断仪器等多个领域。
我校徐亨卓教授（新材料工学系、研究生院能源系统系）表示，利用半导体晶体结构的松弛产生的变电效果，成功开发出了具有优秀性能的以硅为基础的红外线光传感器。
相关研究内容以"根据结构松弛和变电效果可控制的以自带电力为基础的高性能短波长红外线光检测元件(Controllable, Self-Powered, and High-Performance Short-Wavelength Infrared Photodetector Driven by Coupled Flexoelectricity and Strain Effect)"为题，刊登在纳米领域国际学术杂志《Small Methods, IF=14.188》7月19日的网络版上。该论文被选定为相关期刊卷头论文(Frontispiece Cover)。作为第一作者，亚洲大学教授Kumar(研究生院能源系统系)和朴志龙(物理系•研究生院能源系统系)共同参与了此次研究。
以光转换成电信号的光电效果（通过光形成的电子和精工的移动感知光电流的方式）为基础的光传感器是新再生能源的利用和智能手机、物联网、光通信等必需的零部件。其中，红外线光检测利用领域最广，不仅可以用于医疗领域的热成像测定、夜间透视，还可以用于自动驾驶车辆的前方传感器、物体移动感知传感器等。为了感知红外线光，光传感器的工作原理有很多，但是利用红外线直接吸收产生的光电效果的方式表现出最高的灵敏度。这种方式也适用于高附加值应用领域。 但是，为了制造这种光电效果方式的红外线传感器，光吸收半导体的带隙（半导体材料吸收光所需的最小能量）必须低于红外线光能。因此，到目前为止主要应用了镓砷等化合物半导体元件。 但是，像镓砷等化合物半导体元件的价格非常昂贵，在红外线领域检测灵敏度较低，而且性能一直处于低谷。
亚洲大学研究组关注了以前不能用作红外线感知材料的硅材料。硅材料中使用了变电效果变电效果（因材料的局部变形导致电气特性变化的效果导致带隙变化），对半导体晶体结构产生了适当的放松效果（straine effect，因外部应力等半导体晶体结构的弹性变化导致物理性质发生变化），确认了带隙能量可以大幅减少到红外线光能以下。研究组利用该方法查明了最大化红外线领域光学响应性的光检测原理，并成功开发了光传感器结构。
研究组利用黄金处理器，在960微米的直径范围内依次施加了数微牛顿大小的微小压力，诱导了带隙能量急剧减少。通过这一技术，仅对红外线波长的光进行硅半导体就获得了具有高敏感度和检测率及应答度的优秀元件。这与目前商用化的红外线检测元件相比，性能更为优越。
特别是，研究组利用交流光电流在光传感器上，通过反复快速关闭和打开的红外线入射光吸收，在没有外部电源供应的情况下，以光电效果为基础的自带电力驱动元件。研究组开发的元件的检测速度为100微秒（0.1msec），可以高速检测，利用原子显微镜，在30纳米大小也可以实现同样的变电效果基础红外线检测。
徐亨卓教授解释说:"利用广泛应用于传感器和集成电路半导体材料的通用硅(Si)材料，以超高灵敏度实现了此前不可能的红外线检测，具有重要的学术和技术意义"，"如果应用这种方式，可以将高速、高灵敏度红外线检测元件融入现有的硅集成电路，并适用于低成本、高性能物联网(IoT)传感器。"
另外，此次研究是在科学技术信息通信部和韩国研究财团主管的中坚·基本基础研究支援事业的支援下进行的，专利申请正在进行中。
* 图片出处 = WILEY-VCH
（注：本文出现的人名均系音译）