undefined

Nano-thermoelectric infrared bolometers

Publiceringsår

2021

Upphovspersoner

Varpula, Aapo; Tappura, Kirsi; Tiira, Jonna; Grigoras, Kestutis; Kilpi, Olli Pekka; Sovanto, Kuura; Ahopelto, Jouni; Prunnila, Mika

Abstrakt

Infrared (IR) radiation detectors are used in numerous applications from thermal imaging to spectroscopic gas sensing. Obtaining high speed and sensitivity, low-power operation, and cost-effectiveness with a single technology remains to be a challenge in the field of IR sensors. By combining nano-thermoelectric transduction and nanomembrane photonic absorbers, we demonstrate uncooled IR bolometer technology that is material-compatible with large-scale CMOS fabrication and provides fast and high sensitivity response to long-wavelength IR (LWIR) around 10 μm. The fast operation speed stems from the low heat capacity metal layer grid absorber connecting the sub-100 nm-thick n- and p-type Si nano-thermoelectric support beams, which convert the radiation induced temperature rise into voltage. The nano-thermoelectric transducer-support approach benefits from enhanced phonon surface scattering in the beams, leading to reduction in thermal conductivity, which enhances the sensitivity. We demonstrate different size nano-thermoelectric bolometric photodetector pixels with LWIR responsitivities, specific detectivities, and time constants in the ranges 179 V/W-2930 V/W, 1.5 × 107 cm Hz1/2/W-3.1 × 108 cm Hz1/2/W, and 66 μs-3600 μs, respectively. We benchmark the technology against different LWIR detector solutions and show how nano-thermoelectric detector technology can reach the fundamental sensitivity limits posed by phonon and photon thermal fluctuation noise.
Visa mer

Organisationer och upphovspersoner

Teknologiska forskningscentralen VTT Ab

Varpula Aapo Orcid -palvelun logo

Tappura Kirsi Orcid -palvelun logo

Sovanto Kuura Orcid -palvelun logo

Tiira Jonna

Ahopelto Jouni

Grigoras Kestutis

Prunnila Mika

Kilpi Olli Pekka

Publikationstyp

Publikationsform

Artikel

Moderpublikationens typ

Tidning

Artikelstyp

En originalartikel

Målgrupp

Vetenskaplig

Kollegialt utvärderad

Kollegialt utvärderad

UKM:s publikationstyp

A1 Originalartikel i en vetenskaplig tidskrift

Publikationskanalens uppgifter

Volym

6

Nummer

3

Artikelnummer

036111

Publikationsforum

84474

Publikationsforumsnivå

1

Öppen tillgång

Öppen tillgänglighet i förläggarens tjänst

Ja

Öppen tillgång till publikationskanalen

Helt öppen publikationskanal

Licens för förläggarens version

CC BY

Parallellsparad

Nej

Publiceringsavgift för öppen tillgång €

2400

Betalningsår för den öppen tillgång publiceringsavgiften

2021

Övriga uppgifter

Vetenskapsområden

Fysik

Språk

engelska

Internationell sampublikation

Nej

Sampublikation med ett företag

Nej

DOI

10.1063/5.0040534

Publikationen ingår i undervisnings- och kulturministeriets datainsamling

Ja