Onderzoekers van de Northwestern University hebben een nieuwe benadering van het ontwerp van kwantumapparaten ontwikkeld die de eerste op gain gebaseerde lange-golflengte infrarood (LWIR) fotodetector heeft geproduceerd met behulp van bandstructuurtechniek op basis van een type II superroostermateriaal.

Dit nieuwe ontwerp, die verbeterde LWIR-fotodetectie tijdens het testen aantoonde, zou kunnen leiden tot nieuwe gevoeligheidsniveaus voor LWIR-fotodetectoren van de volgende generatie en focal plane array-imagers. Het werk zou toepassingen kunnen hebben in aardwetenschappen en astronomie, teledetectie, nachtzicht, optische communicatie, en thermische en medische beeldvorming.

"Ons ontwerp kan helpen tegemoet te komen aan de dringende vraag naar ultragevoelige fotodetectoren, " zei Manijeh Razeghi, Walter P. Murphy hoogleraar elektrische en computertechniek, die de studie leidde. "De architectuur maakt gebruik van een uniek type II superroostermateriaal dat LWIR-fotodetectoren optimaliseert om met een laag vermogen te werken, hogere optische winst, en uitstekende stabiliteit."

Hoewel recente ontwikkelingen op het gebied van halfgeleidermaterialen en apparaten hebben geleid tot opmerkelijke vooruitgang bij de ontwikkeling van fotodetectoren die LWIR-golflengten kunnen vastleggen, state-of-the-art LWIR-detectietechnologie vertoont nog steeds tekortkomingen. Veel fotodetectoren vertrouwen op kwik-cadiumtelluride als halfgeleider, een materiaal dat uitstekende gevoeligheid en snelheid kan bereiken, maar produceert ook een lage fotostroomversterking en overmatige spectrale ruis.

Razeghi, die het Northwestern's Center for Quantum Devices (CQD) leidt, ontwierp de fotodetector met behulp van een type II superrooster, een materiaalsysteem dat bekend staat om zijn uitstekende groei-uniformiteit en uitzonderlijke bandstructuurtechniek - het vermogen om de bandafstand in een materiaal te beheersen, de ruimte waar geen elektronenlading aanwezig is. Dit maakte het een optimaal alternatief halfgeleider voor kwik-cadmiumtelluride voor een LWIR-systeem. Haar team paste het nieuwe materiaal vervolgens toe op een heterojunctie fototransistorapparaatstructuur, een detectiesysteem dat bekend staat om zijn hoge stabiliteit, maar een die voorheen beperkt was tot kortegolf- en nabij-infrarooddetectie.

Tijdens het testen, dankzij het type II superrooster kon elk deel van de fotodetector zorgvuldig worden afgesteld om de fototransistor te gebruiken om een ​​hoge optische versterking te bereiken, laag geluidsniveau, en hoge detectiviteit.

"De aangetoonde flexibiliteit van het materiaal zorgt voor nauwgezette, op kwantummechanica gebaseerde bandstructuur-engineering voor het heterostructuurontwerp, waardoor het een veelzijdige kandidaat is om de grenzen van infrarooddetectie te verleggen, ' zei Razeghi.

Het onderzoek bouwt voort op de lange geschiedenis van CQD in het ontwikkelen en begrijpen van de fysica van kwantumhalfgeleiderapparaten voor nieuwe toepassingen, van militaire en aardwetenschappen tot medische systemen. Deze nieuwe kunstmatige kwantumstructuur opent de deur naar high-gain fotodetectoren van de volgende generatie met potentieel voor snelle toepassingen met ultragevoelige detectiemogelijkheden voor detectie van één foton.

Een document waarin het werk wordt beschreven, getiteld "Band-structuur-ontworpen High-gain LWIR-fotodetector op basis van een Type-II superrooster, " werd 14 januari gepubliceerd in het tijdschrift Licht:wetenschap en toepassingen.