IR-detektorer baserade på CVD-grafen

Resultat

Vi har i det här projektet lyckats förevisa absorption av infrarött ljus vid skräddarsydda våglängder från hybridkomponenter baserade på grafen och metallantenner som stämmer väl överens med teoretiska modeller. Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften ”Sensors” under 2021, vilket ger ett kvitto på den vetenskapliga och innovativa nivån på arbetet.

Vi lyckades också få till en hög täckningsgrad för grafen på substraten på 4-tumsskivor efter våtöverförings-processen, vilket verifierades av Raman-spektrum upptagna före och efter denna. Vidare kunde vi se en utmärkt ohmisk karakteristik för strömmen genom komponenterna efter överföringen av grafen ovanpå antennmatrisen, vilket visar att grafenskiktet transporterade laddningsbärare som tänkt. Detta demonstrerar även att monolagergrafen fungerar väl för tillverkning av transparenta elektroder på skivskala.

Det första huvudmålet för projektet var att tillverka detektorer baserade på CVD-grafen med stor yta och kopplade metallantennelement. Eftersom vi kunde visa optisk absorption i relevanta delar av spektrum så uppfylldes detta mål delvis. Vi noterar dock att det fortfarande behövs mer arbete för att kunna visa en tydlig elektrisk signal från detektorerna som är lätt att mäta.

Det andra huvudmålet för projektet var att utreda hur tekniken kan skalas upp för industriella tillämpningar och här kan vi konstatera att processen som utvecklats i projektet är enkel att skala upp till stora volymer och även går att modifiera för att fungera med olika substrattyper för stora ytor.

Den viktigaste insikten från detta projekt är att det är mycket utmanande att få fram en effektiv interaktion mellan grafen och antennstrukturer, vilket är en nyckelparameter för en förbättrad komponentdesign. Givet vad som fortfarande behöver göras och utredas för att optimera detektorsignalen utöver övrigt arbete i en produktifieringsprocess så är det ett rimligt antagande att det kommer ta mer än 5 år innan det går att presentera en färdig produkt som kan tillverkas i industriell skala. Med detta sagt så har tekniken stor potential och den nödvändiga expertisen för att fortsätta den tekniska utvecklingen och optimeringen finns i huvudsak redan i nuvarande projektkonsortium.

Abstract in English

CVD graphene-based IR detectors
Results
We have demonstrated IR absorption at designed wavelengths of metal antenna/graphene or graphene/antenna hybrid devices, which is in good agreement with theoretic modelling. The results have been published in the scientific journal ‘Sensor’ in 2021, which is a good indication on the scientific and innovative value of this work.
We also achieved a high coverage of graphene on the substrates on 4’’ wafers after the graphene wet transferring process, as confirmed by Raman spectra before and after the process. Furthermore, the I-V characteristic after graphene transferring on the top of the antenna arrays revealed an excellent ohmic behavior, which means that the graphene functioned well to transport carriers as designed. This demonstrates a promising use of monolayer graphene as transparent electrodes on a wafer scale for a wide range of applications.
The first main objective was to develop detectors using large-area CVD graphene with coupled metal antenna elements and since we could demonstrate optical absorption in the right spectral ranges, this objective was partially accomplished. However, more work is needed to also demonstrate an electrical signal from the detector that can be easily acquired.
The second main objective was to investigate how to scale up the technology for industrial applications and here we note that the developed graphene process technology is straightforward to scale up to fab level, as well as be adapted to different large-area substrates.
An important learning from this project is that it is challenging to directly reveal an efficient graphene/antenna interaction, which is a key factor for an improved design. Given the amount of remaining challenges to optimize the detector response on top ofusual issues for productification such as robustness and reliability, it is likely that it will take more than 5 years to finalize a product step by step from pilot run to industrial scale. That said, the technology has a good potential and the main necessary expertise to continue the technical development and optimization is already present in the current consortium.

Utlysning:
Samverkan kring kommersiella grafentillämpningar, våren 2020

Projektpartners: Senseair, Högskolan i Halmstad, KTH, RISE.

Projektledare: Sri Iyer, Senseair

Projektform: Forsknings- och innovationsprojekt

Bidrag: 950 000 kr

Projektets löptid: 11 maj 2020 - 12 november 2021

Relaterade projekt:
CVD-grafenbaserade sensorer/IR-fotodetektorer med stor yta

Relaterade styrkeområden: