一种能够在中红外光谱区域实现宽波段探测的创新性“光探测器”技术已在韩国本土开发成功。
美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韦布空间望远镜利用中红外光谱，对系外行星大气中的水蒸气、二氧化硫等分子成分进行精密分析。能够将极其微弱的光强变化也精确测量出来的高灵敏度光探测器技术，是利用中红外分析分子“指纹”式固有光谱模式的核心所在。
（自左至右）KAIST 电气与电子工程系博士研究生 Kim Ingi（合著者）、教授 Kim Sanghyun（通讯作者）、博士 Sim Junseob（第一作者）、博士 Lim Jinha（合著者）。KAIST 提供
View original imageKAIST表示，电气及电子工程系的 Kim Sanghyun 教授研究团队开发出一种可在室温下稳定工作的中红外光探测器技术，为超小型光学传感器的商业化奠定了转折性基础。相关消息于27日公布。
研究团队开发的这款光探测器采用现有的硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺，可实现低成本大规模生产，并且能够在室温下稳定运行，这是其一大特点。
尤其是，研究团队利用搭载该光探测器的超小型、超薄光学传感器，成功实现了对二氧化碳气体的实时检测，从而证明了其在环境监测、有害气体分析等多种应用领域的可行性。
以往开发的中红外光探测器由于热噪声（Thermal noise）较高，通常需要配套冷却系统。冷却系统会增大设备体积和成本，阻碍传感器的小型化和在便携式设备中的应用。此外，既有中红外光探测器与硅基CMOS工艺不兼容，难以进行大规模生产，也一直是其商业化的障碍。
与此相反，研究团队利用包括硅在内的元素周期表第4族元素——锗（Germanium）半导体为基础的光学平台，在实现宽带中红外探测性能的同时，开发出了可在室温下稳定运行的新型波导集成（waveguide-integrated）光探测器。
“波导”是指能够在特定路径上高效引导光线、并将损耗降至最低的结构。要在芯片（on-chip）上实现具备多种功能的光学电路，就必须开发包括波导型光探测器在内、以波导为基础的光学器件。
此次技术不同于传统光探测器通常采用的带隙吸收原理，而是利用热辐射计效应（Bolometric effect），能够覆盖整个中红外光谱区域，因此可以通用于实时检测多种不同类型的分子。所谓热辐射计效应，是指材料吸收光之后温度升高，温度变化又导致电信号发生变化的原理。
研究团队开发出的这款可在室温工作、且与CMOS工艺兼容的中红外波导型光探测器，被评价为一种创新技术，有望解决既有中红外传感器技术在冷却需求、大规模生产困难以及成本高昂等方面的难题。
研究团队认为，该技术今后有望应用于环境监测、医疗诊断、工业过程管理、国防及安保、智能设备等多个领域。团队还期待，以此为契机，有可能为下一代中红外传感器技术开辟关键性的突破口。
Kim 教授表示：“本研究以一种全新的路径突破了传统中红外光探测器技术的局限，未来在多种应用领域实现实用化的可能性非常大。尤其是，由于该传感器技术与CMOS工艺兼容，可实现低成本大规模生产，预计将在下一代环境监测系统、智能制造现场等方面得到积极应用。”
另一方面，本次研究在韩国研究财团的支持下进行，Shim Junseop 博士（现为哈佛大学博士后研究员）作为第一作者参与。研究成果已于本月19日发表于国际学术期刊《Light: Science & Applications（光：科学与应用，期刊分位JCR前2.9%，影响因子IF=20.6）》。
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