Forskere designer næste generations fotodetektor

Northwestern University-forskere har udviklet en ny tilgang til design af kvanteanordninger, der har produceret den første forstærkningsbaserede langbølgelængde infrarøde (LWIR) fotodetektor ved hjælp af båndstrukturkonstruktion baseret på et type II supergittermateriale.

Dette nye design, som demonstrerede forbedret LWIR-fotodetektion under test, kunne føre til nye niveauer af følsomhed for næste generation af LWIR-fotodetektorer og focal plane array imagers. Arbejdet kan have anvendelser inden for geovidenskab og astronomi, fjernmåling, nattesyn, optisk kommunikation, og termisk og medicinsk billeddannelse.

"Vores design kan hjælpe med at imødekomme den presserende efterspørgsel efter ultrafølsomme fotodetektorer, " sagde Manijeh Razeghi, Walter P. Murphy professor i elektro- og computerteknik, der ledede undersøgelsen. "Arkitekturen bruger et unikt type II supergittermateriale, der optimerer LWIR-fotodetektorer til at køre med lav effekt, højere optisk forstærkning, og fremragende stabilitet."

Mens de seneste fremskridt inden for halvledermaterialer og -enheder har ført til bemærkelsesværdige fremskridt i udviklingen af ​​fotodetektorer, der kan fange LWIR-bølgelængder, state-of-the-art LWIR-detektionsteknologi lider stadig af mangler. Mange fotodetektorer er afhængige af kviksølvcadiumtellurid som en halvleder, et materiale, der kan opnå fremragende følsomhed og hastighed, men producerer også lav fotostrømforstærkning og overdreven spektral støj.

Razeghi, der leder Northwestern's Center for Quantum Devices (CQD), designet fotodetektoren ved hjælp af en type-II supergitter, et materialesystem kendt for sin enestående vækstensartethed og enestående båndstrukturkonstruktion - evnen til at kontrollere båndgabet i et materiale, det rum, hvor der ikke er elektronladning. Dette gjorde det til et optimalt alternativ halvleder til kviksølvcadmiumtellurid til et LWIR-system. Hendes team anvendte derefter det nye materiale til en heterojunction fototransistor enhedsstruktur, et detektionssystem kendt for dets høje stabilitet, men en tidligere begrænset til kortbølge- og nær-infrarød detektion.

Under test, type-II supergitteret tillod hver del af fotodetektoren at blive nøje afstemt til at bruge fototransistoren til at opnå høj optisk forstærkning, lav støj, og høj detektivitet.

"Materialets demonstrerede fleksibilitet giver mulighed for omhyggelig kvantemekanik-baseret båndstrukturkonstruktion til heterostrukturdesignet, gør det til en alsidig kandidat til at skubbe grænserne for infrarød detektion, " sagde Razeghi.

Forskningen bygger på CQD's lange historie med at udvikle og forstå fysikken i kvantehalvlederenheder til nye applikationer, fra militær og geovidenskab til medicinske systemer. Denne nye kunstige kvantestruktur åbner døren mod næste generations højforstærkningsfotodetektorer med potentiale for højhastighedsapplikationer med ultrafølsomme detektionsmuligheder til enkeltfotondetektion.

Et papir, der beskriver arbejdet, med titlen "Band-struktur-konstrueret High-gain LWIR fotodetektor baseret på en Type-II Supergitter, "blev offentliggjort 14. januar i tidsskriftet Lys:Videnskab og applikationer.