赤外線検出器の超小型化 (Miniaturized infrared detectors)

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2022-10-25 スイス連邦材料試験研究所(EMPA)

figure 1

・ EMPA、チューリッヒ工科大学(ETH Zurich)、スペイン・サラマンカ大学や欧州宇宙機関(ESA)等から成る国際研究チームが、量子ドット(QD)ベースの赤外線分光計(IR spectrometer)の概念実証に成功。
・ コスト効果的な微細化プロセスにより、単一チップに集積可能な IR 検出器を作製。次世代の消費者家電、ウェアラブル電子機器や超小型人工衛星への IR 検出器の統合には超微細化が鍵となるが、現行の材料・技術は大型で高コスト。
・ IR 検出器の微細化により、スマートフォンでの食品管理、有害な化学物質の検出や大気汚染観測に加え、ウェアラブル電子機器での幅広いアプリケーションが期待できる。また、偽造医薬品やメタン、CO2 等の温暖化ガスの検出にも利用できる。
・ 新 IR 分光計は、テルル水銀(HgTe)によるコロイド状 QD のサブ波長光検出器を光センサーとして統
合したフーリエ変換型導波路分光器で、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)技術にも適合する。100μm×100μm×100μm を下回る体積で、広範囲のスペクトルバンド幅と 50cm-1 のスペクトル分解能を提供する。
・ 電子機器や宇宙探査デバイスへのサブ波長の IR 検出器のモノリシックな統合は、フーリエ変換型導波路分光器のスケーリングに多大な効果をもたらすもの。微細化したラーマン分光器、バイオセンサーやラボ・オン・チップデバイスに加え、高分解能ハイパースペクトルカメラの開発での利用にも有効となる。
URL: https://www.empa.ch/web/s604/miniaturized-infrared-detectors

<NEDO海外技術情報より>

関連情報

Nature Photonics 掲載論文(フルテキスト)
Integrated photodetectors for compact Fourier-transform waveguide spectrometers
URL: https://www.nature.com/articles/s41566-022-01088-7

Abstract

Extreme miniaturization of infrared spectrometers is critical for their integration into next-generation consumer electronics, wearables and ultrasmall satellites. In the infrared, there is a necessary compromise between high spectral bandwidth and high spectral resolution when miniaturizing dispersive elements, narrow band-pass filters and reconstructive spectrometers. Fourier-transform spectrometers are known for their large bandwidth and high spectral resolution in the infrared; however, they have not been fully miniaturized. Waveguide-based Fourier-transform spectrometers offer a low device footprint, but rely on an external imaging sensor such as bulky and expensive InGaAs cameras. Here we demonstrate a proof-of-concept miniaturized Fourier-transform waveguide spectrometer that incorporates a subwavelength and complementary-metal–oxide–semiconductor-compatible colloidal quantum dot photodetector as a light sensor. The resulting spectrometer exhibits a large spectral bandwidth and moderate spectral resolution of 50 cm−1 at a total active spectrometer volume below 100 μm × 100 μm × 100 μm. This ultracompact spectrometer design allows the integration of optical/analytical measurement instruments into consumer electronics and space devices.

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