Tutkijat kehittivät infrapunasensoreista aiempaa herkempiä

Infrapunavalon havaitseminen on olennaista lukuisissa erilaisissa sovelluksissa, aina kaukosäätimistä ja automaattitarkennusjärjestelmistä itseohjautuviin autoihin ja virtuaalilaseihin. Niinpä infrapunailmaisimien, kuten fotodiodien, herkkyyden parantaminen toisi merkittäviä hyötyjä moneen eri teknologiaan.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen infrapunafotodiodin, joka on muun muassa 35 prosenttia herkempi muihin germaniumkomponentteihin verrattuna tärkeimmällä tietoliikenneaallonpituudella (1.55 µm).

”Meillä meni lopulta kahdeksan vuotta ideasta toimivuuden todistamiseen käytännössä”, kommentoi professori Hele Savin tuoretta tutkimustulosta.

Tutkijoiden kehittämän teknologian perusideana on valmistaa fotodiodit perinteisen indiumgalliumarsenidi- eli InGaAs-puolijohteen sijaan germaniumista. Germaniumfotodiodit ovat paitsi edullisempia, myös täysin yhteensopivia nykyisessä elektroniikassa käytettyjen puolijohteiden valmistusprosessin kanssa. Tähän asti niiden suorituskykyä infrapunavalon havaitsemisessa on kuitenkin pidetty heikkona.

Savin tutkimusryhmineen onnistui kuitenkin nyt valmistamaan germaniumfotodiodeja, jotka pystyvät hyödyntämään lähes kaiken niiden pinnalle osuvan infrapunavalon.

”Huippusuorituskyky saavutettiin yhdistämällä useita uusia lähestymistapoja: optiset häviöt poistettiin käyttämällä pintananorakenteita, sähköiset häviöt taas minimoitiin kahdella eri tavalla”, selittää väitöskirjatutkija Hanchen Liu, joka valmisti ennätysherkän ilmaisimen.

Ryhmän kokeet osoittivat, että heidän fotodiodinsa ylitti paitsi nykyisten germaniumfotodiodien suorituskyvyn, myös kaupallisten InGaAs-fotodiodien herkkyyden. Uusi teknologia havaitsee infrapunafotonit erittäin tehokkaasti ja toimii hyvin laajalla aallonpituusalueella. Lisäksi uudet fotodiodit voidaan valmistaa helposti nykyisillä tuotantolaitteilla, ja tutkijat uskovatkin niiden olevan suoraan integroitavissa moniin eri laitteisiin.

“Ajoitus ei voisi olla parempi. Nykypäivänä niin monet alat hyödyntävät infrapunasäteilyä, että kyseinen teknologia on jo osa jokapäiväistä elämäämme”, Savin sanoo.

Savin tiimeineen odottaakin nyt innolla, miten heidän teknologiansa vaikuttaa olemassa oleviin sovelluksiin – ja toisaalta mitä uusia käyttötarkoituksia tämä parantunut herkkyys vielä mahdollistaa.

Tutkimus on julkaistu 1. tammikuuta 2025 Naturen Light: Science & Applications -tiedelehdessä.