Исследовательская группа Корейского научно-исследовательского института химической технологии (KRICT) разработала новый широкополосный фотодетекторный материал, который может воспринимать более широкий диапазон длин волн по сравнению с существующими коммерческими материалами, а также добилась экономичного синтеза на 6-дюймовой подложке.
Фотодетекторы обычно делятся на несколько категорий в зависимости от диапазона длин волн, которые они регистрируют. Они используются в интеллектуальных устройствах, системах безопасности, мониторинге окружающей среды и здравоохранении. До недавнего времени требовались отдельные датчики для видимого, ближнего инфракрасного (БИК), среднего инфракрасного (СИК) и дальнего инфракрасного (ДИК) диапазонов. Например, автономным транспортным средствам или военным дронам требовалось несколько датчиков для разных функций. Однако широкополосные фотодетекторы объединяют несколько диапазонов длин волн в одном датчике. Обычные широкополосные датчики на основе двумерных (2D) материалов могли обнаруживать излучение только в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного, в то время как обнаружение в среднем и дальнем инфракрасном диапазонах было ограничено, а их низкая стабильность при изменении влажности и температуры не позволяла использовать их на открытом воздухе или в оборонной сфере.
Недавно разработанный широкополосный фотодетекторный материал регистрирует весь спектр от видимого до дальнего инфракрасного диапазона и сохраняет стабильность даже в условиях высокой температуры и влажности. Это позволяет упростить конструкцию изделий и снизить производственные затраты за счёт замены нескольких датчиков одним интегрированным устройством. Например, автономное транспортное средство или военный беспилотник могут быть оснащены датчиками видимого света (для получения изображений и распознавания в дневное время), датчиками ближнего инфракрасного диапазона, такими как LiDAR (для измерения расстояния), и датчиками среднего и дальнего инфракрасного диапазона (для обнаружения людей в ночное время).
Команда использовала топологический кристаллический изолятор (SnSe), полученный из двумерного полупроводникового селенида олова (SnSe) с заменой теллуром (Te). Как квантовый материал, TCIS обладают узкой запрещенной зоной, что позволяет обнаруживать длинноволновый свет, такой как MWIR и LWIR, сохраняя при этом высокую стабильность. В отличие от обычных двумерных полупроводников, которые не могут обнаруживать низкоэнергетические фотоны из-за широкой запрещённой зоны, структура TCI позволяет электронам свободно перемещаться по поверхностным состояниям, обеспечивая широкополосное и высокочувствительное обнаружение, в том числе едва заметного теплового излучения в дальнем инфракрасном диапазоне, например того, которое излучают человеческие пальцы.
В результате этот новый материал обеспечивает широкополосное обнаружение в диапазоне, который примерно в 8 раз шире (0,5–9,6 мкм), по сравнению с обычными двумерными полупроводниками (0,4–1,2 мкм). Он также тонкий, лёгкий и очень стабильный при высоких температурах, влажности и даже под водой.
Ещё одним ключевым преимуществом является упрощённый и недорогой процесс производства. В то время как для традиционного синтеза TCI требовалось дорогостоящее оборудование для сверхвысокого вакуума, такое как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), исследовательская группа разработала SnSe₀.₉Te₀.₁, который сохраняет топологические свойства, но при этом менее чувствителен, что позволяет проводить экономичный синтез методом термического разложения. Это позволило добиться равномерного производства на 6-дюймовой пластине размером с ладонь, которая совместима с существующими полупроводниковыми процессами, что делает её подходящей для крупномасштабного производства.
Сейчас команда работает над внедрением этой технологии в 8-дюймовые и более крупные пластины, а также над интеграцией сенсорных массивов и схем для создания полноценных сенсорных модулей.
Доктор Вусок Сонг объяснил: «Этот датчик может использоваться в самых разных областях: от автономных транспортных средств и военных дронов до смарт-часов и домашних систем безопасности IoT».