Wetenschappers van het U.S. Army Research Laboratory en Stony Brook University hebben een nieuw syntheseproces ontwikkeld voor goedkope fabricage van een materiaal dat voorheen in de literatuur werd verdisconteerd voor hooggevoelige infraroodcamera's. nieuwe mogelijkheden openen voor toekomstige nachtelijke operaties van het leger.

ARL's Drs. Wendy Sarney en Stefan Svensson leidden een nieuwe benadering van het gebruik van de halfgeleider InAsSb, een materiaal dat nog niet eerder is gebruikt in hoogwaardige IR-camera's voor de langste golflengten (10 micron). De beste materialen voor de IR-camera-lichtsensoren zijn momenteel gebaseerd op HgCdTe, die tot de familie van II-VI-verbindingen behoort.

"Helaas, Ze zijn heel duur, vooral omdat er alleen militaire klanten zijn voor dit materiaal, ' zei Svensson.

InAsSb is een III-V halfgeleider, dat is een materiaalklasse die wordt gebruikt in opto-elektronica in veel commerciële producten zoals dvd-spelers en mobiele telefoons.

"Het menselijk oog is van nature geoptimaliseerd om gereflecteerd licht van de zon waar te nemen in een zeer smalle band van kleuren (golflengten van licht), bekend als het zichtbare spectrum; echter, alle objecten in de natuur gloeien met een zwak licht, zelfs bij lage temperaturen, die kleuren produceert in het infrarood (IR) bereik die onzichtbaar zijn voor het blote oog. Deze golflengten zijn ongeveer tien keer langer dan die van zichtbaar licht.

"Door camera's te gebruiken die het zwakke IR-licht kunnen zien, soldaten kunnen 's nachts opereren, " zei Sarney. "Hoe gevoeliger zo'n camera is, of met andere woorden, hoe kleiner de kleur- of temperatuurverschillen zijn die hij kan zien, hoe meer details op een slagveld kunnen worden waargenomen en hoe meer vijanden op grotere afstanden kunnen worden gedetecteerd. Krachtige IR-camera's zijn daarom extreem belangrijk voor het leger."

De sleutel tot deze ontdekking was het besef dat het materiaal niet door spanning vervormd moest worden om op 10 micron te kunnen zien. Dit was een groot probleem dat moest worden overwonnen voordat InAsSb als sensormateriaal kon worden gebruikt. De prestaties van apparaten op basis van halfgeleidermaterialen zijn ook afhankelijk van de kristallijne perfectie van het materiaal. InAsSb moet worden afgezet op een kristallijn uitgangsmateriaal (een substraat) dat een kleinere afstand tussen de atomen heeft. Deze mismatch op atomaire schaal moet buitengewoon goed worden beheerd om het lichtgevoelige materiaal goed te laten werken.

Onder mogelijke substraten, grotere en goedkopere hebben doorgaans steeds kleinere atomaire afstanden. In de loop van een aantal jaren hebben ARL en Stony Brook een manier gevonden om de atomaire afstandsmismatch te beheersen, wat culmineerde in het huidige werk dat GaAs als substraat gebruikt. Dit is het meest gebruikte substraat in de III-V-industrie voor tal van consumentenproducten. Het is goedkoop en verkrijgbaar in grote maten. Substraten met een groot oppervlak maken de productie van meerdere camerasensoren tegelijkertijd mogelijk, wat in commerciële gieterijen zou kunnen worden gedaan. Dit alles opent mogelijkheden om IR-camera's van hoge kwaliteit voor soldaten te produceren tegen veel lagere kosten.

ARL en Stony Brook combineerden spanningsmedierende technieken om de atomaire afstand van ongeveer 10% tussen het InAsSb-detectiemateriaal en het GaAs-substraat effectief te beheersen. Om dit te doen, ze hebben een tussenlaag van GaSb op GaAs afgezet op een manier die de meeste defecten opving die werden veroorzaakt door de mismatch in grootte. Vervolgens vergrootten ze de atomaire afstand verder met een gegradeerde laag die ook defecten weghield van het InAsSb-sensormateriaal.

Het materiaal werd onderzocht met transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie om er zeker van te zijn dat het voldoende structurele kwaliteit had. Ze ontdekten ook dat de optische kwaliteit met betrekking tot detectie-eigenschappen opmerkelijk hoog was. Dit onderzoek toont een weg naar een praktische, goedkopere oplossing voor de uiteindelijke fielding van nachtzichtsystemen op basis van III-V lange golflengte infrarood materialen.