Världen är på väg mot en biljonsensorekonomi där miljarder enheter som använder flera sensorer kommer att anslutas under paraplyet av Internet-of-things. En viktig del av denna ekonomi utgörs av ljus/fotosensorer, som är små halvledarbaserade elektroniska komponenter som känner av ljus och omvandlar dem till elektriska signaler. Ljussensorer finns överallt runt omkring oss, från elektroniska hushållsprylar och sjukvårdsutrustning till optiska kommunikationssystem och bilar.

Över åren, det har gjorts markanta framsteg i forskningen om fotosensorer. Forskare har strävat efter att utveckla sensorer som kan upptäcka ett högt dynamiskt ljusområde och som är lätta att tillverka och energieffektiva. De flesta ljussensorer som används i kostnadseffektiva konsumentprodukter är energieffektiva men är känsliga för brus – oönskad ljusinformation – i den yttre miljön, vilket påverkar deras prestanda negativt. För att ta itu med denna fråga, produkter har designats med hjälp av ljus-till-frekvensomvandlingskretsar (LFCs), som visar bättre signal/brusförhållande. Dock, de flesta LFC:er är gjorda av kiselbaserade fotodetektorer som kan begränsa ljusdetektionsområdet. Också, användning av LFC leder till slöseri med spånområde, vilket blir ett problem när man designar multifunktionella elektroniska kretsar för kompakta enheter.

Nu är ett team av forskare från Incheon National University, Sydkorea, leds av prof. Sung Hun Jin, har visat ett mycket effektivt system av fotodetektorer som kan övervinna begränsningarna hos konventionella LFC. I deras studie, som gjordes tillgänglig online den 10 juni 2021 och publicerades därefter i volym 17, nummer 26 av tidskriften Små , de rapporterar att de utvecklar gratis ljuskänsliga växelriktare med p-typ enkelväggiga kolnanorör (SWNT) och n-typ amorf indium-gallium-zink-oxid (a-IGZO/SWNT) tunnfilmstransistorer.

Prof. Jin förklarar, "Vår fotodetektor tillämpar ett annat tillvägagångssätt när det gäller ljus-till-frekvensomvandlingen. Vi har använt komponenter som är ljusberoende och inte spänningsberoende, till skillnad från konventionella LFC."

Den nya designarkitekturen gjorde det möjligt för teamet att designa LFC med överlägsen chipområdeseffektivitet och kompakt formfaktor, vilket gör den lämplig för användning i flexibla elektroniska enheter. Experiment utförda med fotosensorsystemet visade utmärkta optiska egenskaper, inklusive hög inställningsförmåga och lyhördhet över ett brett ljusområde. LFC visade också möjlighet till skalbarhet med stor yta och enkel integrering i toppmoderna kiselwafer-baserade chips.

LFC-systemet som utvecklats i denna studie kan användas för att bygga optiska sensorsystem som har högnivåsignalintegritet, samt utmärkta signalbehandlings- och sändningsförmåga. Dessa lovande egenskaper gör den till en stark utmanare för tillämpning i framtida Internet-of-Things-sensorscenarier. "LFCs baserade på lågdimensionella halvledare kommer att bli en av kärnkomponenterna inom området för biljoner sensorer. Vårt LFC-schema kommer att användas inom medicinsk SpO ₂ upptäckt, automatisk belysning inom jordbruket, eller i avancerade skärmar för virtuell och förstärkt verklighet", avslutar prof. Jin.