Компания KAIST (представленная президентом Кван Хен Ли) объявила 27 марта, что исследовательская группа во главе с профессором Сангхен Кимом из Школы электротехники разработала фотодетектор среднего инфракрасного диапазона, который стабильно работает при комнатной температуре, что ознаменовало важный поворотный момент в коммерциализации ультракомпактных оптических датчиков.

Недавно разработанный фотоприемник использует традиционные КМОП-технологии на основе кремния, что обеспечивает недорогое массовое производство при сохранении стабильной работы при комнатной температуре. Примечательно, что исследовательская группа успешно продемонстрировала обнаружение углекислого газа (_CO2) в режиме реального времени с помощью ультракомпактных и ультратонких оптических датчиков, оснащенных этим фотоприемником, доказав его потенциал для мониторинга окружающей среды и анализа опасных газов.

Существующие фотоприемники среднего инфракрасного диапазона, как правило, требуют систем охлаждения из-за высокого теплового шума при комнатной температуре. Эти системы охлаждения увеличивают габариты и стоимость оборудования, что затрудняет миниатюризацию и интеграцию в портативные устройства. Кроме того, обычные фотоприемники среднего инфракрасного диапазона несовместимы с КМОП-процессами на основе кремния, что ограничивает крупномасштабное производство и коммерциализацию.

Чтобы устранить эти ограничения, исследовательская группа разработала интегрированный в волновод фотоприемник с использованием германия (Ge), элемента IV группы, подобного кремнию. Такой подход обеспечивает обнаружение в среднем инфракрасном диапазоне широкого спектра, обеспечивая стабильную работу при комнатной температуре.

Волновод - это конструкция, предназначенная для эффективного направления света по определенному пути с минимальными потерями. Для реализации различных оптических функций на кристалле (on-chip) необходима разработка фотоприемников, интегрированных в волновод, и оптических компонентов на основе волноводов.

В отличие от обычных фотоприемников, которые в основном основаны на принципах поглощения в запрещенной зоне, эта новая технология использует болометрический эффект*, позволяя обнаруживать весь средний инфракрасный диапазон спектра. В результате он может быть широко применен для определения различных видов молекул в режиме реального времени.

*Болометрический эффект: принцип, при котором поглощение света приводит к повышению температуры, вызывая соответствующее изменение электрических сигналов.

Встроенный в волновод фотоприемник среднего инфракрасного диапазона, разработанный исследовательской группой, считается новаторской инновацией, которая преодолевает ограничения существующих технологий датчиков среднего инфракрасного диапазона, включая необходимость охлаждения, трудности в массовом производстве и высокие затраты.

Ожидается, что эта прорывная технология будет применима в различных областях, включая мониторинг окружающей среды, медицинскую диагностику, управление производственными процессами, национальную оборону и безопасность, а также интеллектуальные устройства. Это также открывает путь для усовершенствования датчиков среднего инфракрасного диапазона следующего поколения.

Профессор Сангхен Ким из KAIST заявил: "Это исследование представляет собой новый подход, который преодолевает ограничения существующих технологий фотоприемников среднего инфракрасного диапазона и обладает большим потенциалом для практического применения в различных областях". Далее он подчеркнул: "Поскольку эта сенсорная технология совместима с процессами CMOS, она обеспечивает недорогое массовое производство, что делает ее очень подходящей для систем мониторинга окружающей среды следующего поколения и интеллектуальных производственных площадок".

Исследование, первым автором которого является доктор Джунсуп Шим (в настоящее время научный сотрудник Гарвардского университета), было опубликовано 19 марта 2025 года в журнале Light: Science & Applications.