政大大學報

陽明創廣譜光感測器 提升光電轉換效率

2020/10/22 00:46:03

【記者林昕璿綜合報導】光感測器是透過接收光波產生電流的裝置,常被運用於遙控家電、智慧型手機的影像感測。國立陽明大學生醫光電研究所教授薛特(Surojit Chattopadhyay)的研究團隊與國立臺灣科技大學、國家實驗研究院學者合作,共同研發新型奈米材料,進而開發出兼具光譜吸收範圍廣,及光電轉換效率佳的光感測器。

國立陽明大學生醫光電所教授薛特帶領博士生高聖禹,研發新型奈米材料,打造廣譜光感測器。 圖/薛特實驗室提供

薛特表示,傳統半導體的光檢測器,雖然光響應(註)速度快,但是光能轉換的電流小。而電流是因為自由電子移動而產生,因此電流小代表裝置在光的吸收遷移率(即電子移動)上受到限制。雖然現今廠商亦有開發新式材料的光感測器,如二硫化鉬(MoS2),但其仍有電子移動性差,及光可吸收範圍侷限於紫外線或可見光的缺點。

註:光響應為光電轉換能力的指標,意為每一瓦特的光,可轉換為多少安培的電量。

為了突破光響應度不足的問題,薛特與他帶領的生醫光電所博士生高聖禹(Sandip Ghosh)想到利用二硫化鉬吸光的特性,結合可吸收紅外線的材料——上轉換奈米粒子,來製作光感測器。團隊以二硫化鉬作為主要電荷運輸載體,並藉由讓兩物質同時吸收光的方式,大幅提升光響應能力。

二硫化鉬吸光範圍約在650微米,透過結合上轉換奈米材料,能讓吸光範圍達到1064微米。 圖/薛特實驗室提供

「儘管響應度值很小,但現今商用的感測器,仍多以矽半導體製成。」薛特解釋,矽半導體製成的感測器需透過低溫才能展現良好的性能。而團隊的廣譜光感測器不僅可吸收光譜範圍廣,吸光範圍涵蓋紫外線、可見光與紅外線,且在室溫就可進行,並同時具有高穩定性。團隊表示,有別於一般光感測器每瓦特僅能產生約一安培的電流,團隊的感測器在呈現最佳感測性能時,其光電轉換能力是一般感測器的1000多倍。

此外,團隊研發的廣譜光感測器具有體積小的優勢,大小只有4.5微米。不過在製作階段,將二硫化鉬、 上轉換奈米粒子兩種材料結合的過程,需花費18到20小時。另一方面,薛特表示,雖然廣譜光感測器實現創紀錄的光響應性,但相比傳統矽為基底的光感測器,在光響應速度上仍有差距。

而在商業運用上,此廣譜光感測器還需進一步改良,薛特說:「大多數智慧型手機使用半導體處理,但我們的設備並沒有半導體,因此還要時間來達成技術上的兼容與封裝。」國立彰化師範大學電子工程系教授林得裕也表示,此技術的高光電轉換率已是很大的突破,但若要運用於智慧手機的拍攝功能,速度仍過慢而不能及時顯現影像。不過在低端運用如遙控器,僅需再經過相關設計與系統工程,就可望進入商品化。