W półprzewodnikowych fotonowych detektorach podczerwieni

Nr wniosku: 205512, nr raportu: 19296. Kierownik (z rap.): dr hab. inż. Piotr Marcin Martyniuk
W półprzewodnikowych fotonowych detektorach podczerwieni padające promieniowanie jest absorbowane
na skutek oddziaływania fotonów z elektronami, a sygnał detektora wywołany jest zmianą rozkładu energii
nośników ładunku elektrycznego. Detektory te wykazują selektywną zależność czułości od długości fali
padającego promieniowania. Detektory podczerwieni o długofalowej granicy czułości powyżej 3 µm są zwykle
chłodzone znacznie poniżej temperatury pokojowej (300 K), nawet kriogenicznie (77 K) w celu zmniejszenia
termicznych procesów wzbudzania nośników.
Detektory podczerwieni nowej generacji, w konstrukcji których wykorzystuje się możliwości tzw. inżynierii
przerwy energetycznej, mogą pracować bez konieczności stosowania drogiego, a także w wielu aplikacjach
niewygodnego, chłodzenia kriogenicznego. Opracowanie przyrządu o zaawansowanej architekturze
wewnętrznej wymaga jednak dokładnego zrozumienia zjawisk fotoelektrycznych w półprzewodnikach.
Natomiast do zrealizowania optymalnie zaprojektowanej struktury detekcyjnej niezbędne jest posiadanie
nowoczesnych technik epitaksjalnych, takich jak epitaksja z wiązek molekularnych (MBE - Molecular Beam
Epitaxy).
Projekt dotyczył badań nad termoelektrycznie chłodzonymi, barierowymi detektorami zakresu średniej
podczerwieni (3–5 m) z supersieci-II rodzaju (T2SLs - type II syperlattice) InAs/GaS. T2SLs dzięki swoim
unikalnym własnościom powiązanym z inżynierią przerwy energetycznej, ograniczeniem procesów
rekombinacyjnych Augera, ograniczeniem efektów tunelowych i zaawansowanej technologii MBE, stanowią
obecnie nowy kierunek rozwoju detektorów podczerwieni.
W ramach projektu zbadano wpływ mechanizmów ograniczających osiągi unipolarnych barierowych
detektorów nBn. Zaproponowano architekturę barierowego detektora nBn, pozwalajacą ograniczyć
niepożądaną barierę w paśmie walencyjnym blokującą generowane optycznie nośniki. Przeprowadzono
również teoretyczną optymalizację osiągów detektorów nBn z InAs/GaSb.
W ramach zrealizowanego projektu wykonano szereg analiz numerycznych, które pozwoliły na lepsze
zrozumienie zjawisk transportu w detektorach barierowych, w szczególności określeno mechanizmy
generacyjno-rekombinacyjne wpływające na wartości prądów ciemnych i optymalizację architektury detektora
barierowego z T2SLs InAs/GaSb.
Poza analizami teoretycznymi, wykonano szereg eksperymentów wzrostu warstw epitaksjalnych
o architekturze barierowej techniką MBE w zespole prof. Krishny z Center for High Technology Materials,
University of New Mexico. Opracowano konstrukcję detektorów, których osiągi (biorąc pod uwagę fakt,
że były to przyrządy testowe) są porównywalne z parametrami najlepszych detektorów pracujących w tym
zakresie widma elektromagnetycznego oraz w temperaturach uzyskiwanych przez chłodziarki
termoelektryczne.
Powszechnie wiadomo, że jedyną obecnie alternatywą do HgCdTe są T2SLs z InAs/GaSb. Potwierdzono,
że detektory z T2SLs z InAs/GaSb pozwalają na pracę bez chłodzenia kriogenicznego, co jest bardzo
atrakcyjnym i perspektywicznym kierunkiem rozwoju technik detekcji promieniowania podczerwonego.
Uzyskane wyniki pozwoliły na opracowanie architektury
przyrządów o wysokich osiagach i niższych kosztach
produkcji. To z kolei przyczyni się do zwiększenia ich
funkcjonalności, a przez to rozszerzenia zastosowań
przemysłowych.
W
kraju,
interesującym
obszarem
o ogromnym potencjale poznawczym i aplikacyjnym stają się
systemy z laserami kaskadowymi, które w sprzężeniu
z modułami detekcyjnymi można wykorzystać, jako szybkie
systemy detekcji gazów o wyskiej czułości. Systemy te mogą
być wykorzystywane do bezinwazyjnej diagnostyki
medycznej, do wykrywania narkotyków i materiałów
Detektor barierowy nBn zamontowany na chłodziarce
wybuchowych, do monitorowania jakości powietrza i wody,
termoelektrycznej.
w lotnictwie i kosmonautyce. Nie bez znaczenia pozostają
również aplikacje detektorów podczerwieni do monitorowania jakości powietrza, wody, zastosowania
w lotnictwie, kosmonautyce, sprzęcie wojskowym i w końcu do konstrukcji różnego typu łącz
optoelektronicznych. Przyszłe podjęcie prac wdrożeniowych w VIGO System S.A. zwiększy konkurencyjność
istniejącej w Polsce produkcji detektorów promieniowania podczerwonego oraz ugruntuje naszą, jak również
firmy VIGO System S.A. pozycję na świecie.
Jeszcze na jeden aspekt należy zwrócić uwagę. Roztwór stały HgCdTe jest już w zasadzie “wyczerpanym”
naukowo materiałem po ponad 50-cioletnim okresie intensywnych badań. Obecnie obowiązująca dyrektywa
Unii Europejskiej wymusza wyeliminowanie związków rtęci w produkcji przemysłowej. Ta ostatnia dyrektywa
nie jest w pełni egzekwowana ze względu na dominującą pozycję HgCdTe jako materiału strategicznego
o dużym znaczeniu militarnym do produkcji detektorów podczerwieni. Postęp technologiczny i wzrastające
osiągi detektorów podczerwieni z T2SLs InAs/GaSb gwarantują zastąpienie HgCdTe w przyszłości.