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 merOrganisationer och upphovspersoner
Teknologiska forskningscentralen VTT Ab
Tiira Jonna
Ahopelto Jouni
Grigoras Kestutis
Prunnila Mika
Kilpi Olli Pekka
Publikationstyp
Publikationsform
Artikel
Moderpublikationens typ
Tidning
Artikelstyp
En originalartikel
Målgrupp
VetenskapligKollegialt utvärderad
Kollegialt utvärderadUKM:s publikationstyp
A1 Originalartikel i en vetenskaplig tidskriftPublikationskanalens uppgifter
Journal
Volym
6
Nummer
3
Artikelnummer
036111
ISSN
Publikationsforum
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