捕捉光:用于万亿传感器时代的新的人体工程学光电探测器

诸平

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据韩国仁川国立大学（Incheon National University）2021年9月28日提供的消息，声称韩国科学家已经制造出用于万亿传感器时代的新的人体工程学光电探测器，可以用于捕捉光（Capturing light: New ergonomic photodetector for the trillion-sensor era）。

世界正朝着“万亿传感器经济”的方向发展，数十亿个使用多个传感器的设备将在物联网的保护伞下连接起来。这种经济的一个重要组成部分是光传感器（light/photo sensors），这是一种微小的基于半导体的电子元件，可以探测光并将它们转换成电信号。光传感器随处可见，从家用电子产品、医疗设备到光通信系统和汽车。

近年来，光传感器的研究取得了显著的进展。科学家们一直在努力开发一种传感器，这种传感器可以检测到高动态范围的光，而且易于制造和节能。大多数用于具有成本效益的消费产品的光传感器都是节能的，但在外部环境中容易受到噪声和不必要的光信息的影响，这对它们的性能产生不利影响。为了解决这个问题，一些产品采用了信噪比更好的光频转换电路(light-to-frequency conversion circuits 简称LFCs)。然而，大多数低氟碳化合物是由硅基光电探测器制成的，这限制了光探测的范围。此外，使用LFCs会导致芯片面积的损耗，这在设计紧致装置(compact devices)的多功能电子电路时成为一个问题。

现在，韩国仁川国立大学由Sung Hun Jin教授领导的一个研究小组，展示了一种高效的光电探测器系统，可以克服传统LFCs的局限性。在他们的研究中(该研究于2021年6月10日在《Small》杂志网站在线发表，随后发表在《Small》杂志第17卷第26期)——Jinheon Jeong, Seung Gi Seo, Seung-Myeong Yu, Yunha Kang, Junyoung Song, Sung Hun Jin. Flexible Light‐to‐Frequency Conversion Circuits Built with Si‐Based Frequency‐to‐Digital Converters via Complementary Photosensitive Ring Oscillators with p‐Type SWNT and n‐Type a‐IGZO Thin Film Transistors. Small, 2021. DOI: 10.1002/smll.202008131. First published: 09 May 2021. https://doi.org/10.1002/smll.202008131.

他们报告了利用p型单壁碳纳米管(single walled carbon nanotubes简称SWNT)和n型非晶铟镓锌氧化物(amorphous indium-gallium-zinc-oxide简称a-IGZO/SWNT)薄膜晶体管开发的免费光敏逆变器（complimentary photosensitive inverters）。

Sung Hun Jin教授解释说:“我们的光电探测器在光-频率转换（light-to-frequency conversion）方面采用了不同的方法。我们使用了与传统LFCs不同的、依赖于光而非电压的组件。”

新的设计架构使得LFC的设计具有优越的芯片面积效率和紧凑的外形因素，使其适用于柔性电子器件。使用该光传感器系统进行的实验表明，该系统具有优异的光学性能，包括高可调谐性和在大范围的光响应性。LFC还显示了大面积可扩展性和易于集成到最先进的硅片芯片的可能性。

本研究开发的LFC系统可用于构建具有高信号完整性、良好信号处理和传输能力的光学传感器系统。这些有前途的特性使其成为未来物联网传感器（Internet-of-Things sensor）应用场景的有力竞争者。Sung Hun Jin教授总结道：“以低维半导体为基础的LFCs将成为万亿传感器领域的核心部件之一。我们的LFC方案将在医疗血氧饱和度（SpO2）检测、农业自动照明、虚拟现实和增强现实的先进显示等领域得到应用。”

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Abstract

In this study, as system-level photodetectors, light-to-frequency conversion circuits (LFCs) are realized by i) photosensitive ring oscillators (ROs) composed of amorphous indium-gallium-zinc-oxide/single-walled carbon nanotube (a-IGZO/SWNT) thin film transistors (TFTs) and ii) phase-locked-loop Si circuits built with frequency-to-digital converters (PFDC). The 3-stage ROs and logic gates based on a-IGZO/SWNT TFTs successfully demonstrate its performance on flexible substrates. Herein, along with the advantage of scalability, a-IGZO films are used as photosensitive n-type TFTs and SWNTs are employed as photo-insensitive p-type TFTs for better photosensitivity in circuit level. Through the controlling a post-annealing condition of a-IGZO film, responsivities and detectivities of a-IGZO TFTs are obtained as 36 AW⁻¹ and 0.3×10¹² Jones for red, 93 AW⁻¹ and 3.1×10¹² Jones for green, and 194 AW^–1 and 11.7×10¹² Jones for blue. Furthermore, as an advanced demonstration for practical application of LFCs, a unique circuit (i.e., PFDC) is designed to analyze the generated oscillation frequency (f_osc) from the LFC device and convert it to a digital code. As a result, the designed PFDC can exactly count the generated f_osc from the flexible a-IGZO/SWNT ROs under light illumination with an outstanding sensitivity and assign input frequencies to respective digital code.