Naukowcy WAT pracują nad detektorami podczerwieni nowej generacji. Pozwalają one pozyskać szereg informacji o obserwowanym obiekcie, m.in. o jego temperaturze, położeniu w przestrzeni, właściwościach powierzchni oraz składzie chemicznym atmosfery. Wytworzone na potrzeby badań struktury pozwalają na budowę urządzeń o wysokich parametrach detekcyjnych dla szerokiego zakresu promieniowania elektromagnetycznego. Wyniki zostały opisane w czasopiśmie „Materials Science and Engineering: B”.
Półprzewodnikowe wąskoprzerwowe detektory podczerwieni nowej generacji są przystosowane do pracy w tak zwanych podwyższonych warunkach termicznych (ang. High-Operating Temperature HOT), czyli bez powszechnie stosowanego w tego typu urządzeniach chłodzenia kriogenicznego. Omawiane w artykule struktury detekcyjne oparte są na supersieciach typu II (T2SL) z InAs / InAsSb. Dają one możliwość wytwarzania urządzeń detekcyjnych o wysokich parametrach detekcyjnych dla szerokiego zakresu promieniowania elektromagnetycznego.
Rodzaje detektorów podczerwieni
Detektory podczerwieni to urządzenia, które pozwalają na przetworzenie energii promieniowania elektromagnetycznego na sygnały łatwe do bezpośredniego pomiaru. Współczesne urządzenia dzielimy na dwie podstawowe grupy: detektory termiczne i fotonowe. W detektorach termicznych padające promieniowanie jest absorbowane w materiale, co powoduje podniesienie temperatury elementu fotoczułego. Sygnał wyjściowy jest wywołany zmianą pewnej właściwości materiału, zależnej od temperatury. Czułość tych detektorów jest niezależna od długości fali i w większości przypadków działają one w temperaturze pokojowej.
„W detektorach fotonowych padające promieniowanie jest absorbowane w materiale półprzewodnikowym na skutek oddziaływania fotonów z elektronami. Sygnał detektora jest wywołany zmianą rozkładu energii nośników. Detektory fotonowe wykazują selektywną zależność czułości od długości fali padającego promieniowania i w porównaniu z detektorami termicznymi charakteryzują się wyższą wykrywalnością oraz większą szybkością odpowiedzi. Urządzenia tego typu mają szeroką gamę zastosowań, w takich dziedzinach jak telekomunikacja, systemy do detekcji gazów i substancji niebezpiecznych, systemy wykrywania widma spalania paliwa rakietowego oraz wielu innych” – wyjaśnia dr inż. Krzysztof Murawski z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT.
Daje to możliwość wykorzystywania tego typu przyrządów m.in. w medycynie, telekomunikacji, astronomii i wojsku. Dominującą technologią dla niechłodzonych detektorów fotonicznych jest nadal ta, oparta o tellurek kadmowo-rtęciowy (HgCdTe). Jest to sprawdzona i dobrze ugruntowana na rynku technologia, która gwarantuje pokrycie długości fal od krótkiej podczerwieni do bardzo długiej podczerwieni, zapewniając wysoką wydajność kwantową i niskie prądy ciemne urządzeń detekcyjnych.
W poszukiwaniu nowych rozwiązań
„HgCdTe to najbardziej dopracowana i ugruntowana technologia. W oparciu o nią zbudowana jest większość dostępnych na rynku detektorów. Ma ona jednak swoje ograniczenia, dlatego należy szukać dla niej alternatyw. Ważnym impulsem do badań jest wprowadzenie w Europie zakazu handlu materiałami niebezpiecznymi (RoHS), takimi jak rtęć, kadm i tellur. To prowadzi do problemów z ich dostępnością. Detektory zawierające rtęć mogą potencjalnie prowadzić do problemów zdrowotnych i środowiskowych” – mówi dr inż. Krzysztof Murawski.
Trwają intensywne prace w poszukiwaniu alternatywy dla technologii opartej na HgCdTe, zwłaszcza w warunkach pracy w podwyższonych temperaturach i w zakresie długofalowym. Materiały z grupy AIIIBV – objętościowe (InAs, InAsSb), a w szczególności supersieci typu II (InAs/GaSb, InAs/InAsSb, T2SLs) zaczęły być szeroko badane przez zespoły naukowe na całym świecie. Detektory wytwarzane na bazie T2SLs są alternatywą dla przyrządów z powszechnie wykorzystywanego w detekcji promieniowania podczerwonego HgCdTe, czyli materiałów z grupy AIIBVI.
„Detektory wytwarzane na bazie materiałów supersieciowych wykazują znaczące dławienie szybkości procesów generacyjno-rekombinacyjnych Augera, co wskazuje na możliwość uzyskania wyższych parametrów detekcyjnych, a to przekłada się na dłuższe czasy życia nośników oraz wyższą wykrywalność w porównaniu z HgCdTe. Zastosowanie materiałów supersieciowych wpływa na wyższą stabilność chemiczną i mechaniczną, co jest związane z większym udziałem wiązań kowalencyjnych w stosunku do wiązań jonowych występujących w detektorach starszego typu. Efektem tego jest również możliwość pracy w warunkach wysokotemperaturowych, znacznie powyżej temperatury pokojowej, co w przypadku przyrządów bazujących na HgCdTe jest niemożliwe” – wyjaśnia dr inż. Krzysztof Murawski.
Naukowcy z Zakładu Ciała Stałego WAT zbadali materiały półprzewodnikowe z grupy III‑V. Analizowane były wyniki dla heterostruktur opartych na supersieciach typu II z InAs/InAsSb. Mają one duży potencjał wdrożeniowy, ponieważ znajdują wykorzystanie dla szerszego zakresu spektralnego, szczególnie dla dłuższych zakresów długości fal promieniowania. Oznacza to, że detektory oparte na tych materiałach mogą być wykorzystywane dla zakresu spektralnego obejmującego działanie przyrządów na bazie materiałów składowych, czyli InAs i InAsSb a dzięki unikatowej konstrukcji pozwalają go poszerzyć do zakresu nawet bardzo długo falowego przy zachowaniu wysokich parametrów detekcyjnych.
„O jakości detektora decyduje materiał, który finalnie dostaniemy. Pracując nad nim powinniśmy zadbać, aby jak najlepsza była jego jakość krystalograficzna, ponieważ będzie nam to ograniczało potem parametry detekcyjne. Im lepsza struktura i mniej defektów strukturalnych, tym warstwa aktywna w detektorze jest lepszej jakości. Finalny produkt będzie miał wtedy wyższe parametry, czyli wyższą czułość. Powinien też charakteryzować się niższymi prądami ciemnymi podczas pracy. To są takie parametry, które świadczą o klasie przyrządu” – mówi naukowiec.
Techniki doświadczalne w badaniach
Naukowcom WAT zależało na zbadaniu możliwych poziomów defektowych w specjalnie wytworzonych na potrzebę badań strukturach. Powstały one we wspólnym laboratorium WAT-VIGO, które znajduje się w Ożarowie Mazowieckim, w siedzibie firmy VIGO Photonics. Zostały one następnie osadzone na podłożu GaAs (arsenek galu). Zastosowanie tej technologii daje duże możliwości aplikacyjne, ponieważ umożliwia ona zastosowanie soczewki immersyjnej, która zwiększa właściwości detekcyjne gotowego modułu umożliwiając dotarcie do niego większej ilości promieniowania.
Badania zostały przeprowadzone na bazie trzech technik doświadczalnych: czułości spektralnej (SR), fotoluminescencji (PL) i spektroskopii głębokich poziomów pułapkowych (DLTS). Do tego była dołączona metoda analityczna związana z programem obliczeniowym APSYS. Przeprowadzone pomiary służyły uzyskaniu informacji o aktywnych przejściach wewnątrz materiału.
„Czułość spektralna pomogła określić szerokość przerwy energetycznej badanego materiału i ukazała przejścia na minipasmach. Fotoluminescencja umożliwiła zbadanie przejścia wewnątrz przerwy energetycznej. Okazało się, że pozwala ona również dostrzec te przejścia na minipasmach. Ciekawym efektem ubocznym badań było znalezienie przyjść między poziomem defektowym a pasmem dziur lekkich, czyli poniżej pasma walencyjnego. Dotąd doświadczalnie nie udało się tego zweryfikować nikomu. DTLS posłużył nam do wykonania pomiarów poziomów defektowych wewnątrz materiałów” – tłumaczy dr inż. Krzysztof Murawski.
Nowa metoda badawcza
Zastosowanie trzech eksperymentalnych technik i przeprowadzenie analizy analitycznej w oparciu o program obliczeniowy APSYS pozwoliło na zlokalizowanie, zdiagnozowanie i określenie poziomów defektowych, a także przejść między innymi pasmami dla takiej struktury wytworzonej w laboratorium WAT-VIGO. Stworzoną metodę badawczą można wykorzystać do badania innych materiałów półprzewodnikowych z grupy III‑V.
„Będziemy pracować nad domieszkowaniem materiałów półprzewodnikowych, które ma wpływ na ich wewnętrzną architekturę. Naszym celem będzie wykorzystanie naszej metody badawczej do przebadania innych materiałów. Następnym etapem będzie badanie struktur długofalowych, czyli powyżej 10 mikronów. Mamy model, który ma zastosowanie również do materiałów troszeczkę trudniejszych do interpretacji” – mówi dr inż. Krzysztof Murawski.
Analizowane struktury na potrzebę artykułu były wykonane we wspólnym laboratorium Wojskowej Akademii Technicznej i VIGO Photonics S.A. w ramach grantu „Polska matryca dla zastosowań kosmicznych aktywna w podczerwieni” nr: POIR.01.01.01 – 00-0185/20 – 00, FS/32 – 183/2021/WAT; oraz w ramach projektu „Badanie możliwości opracowania na bazie półprzewodników z grupy AIIIBV architektury detektora podczerwieni osiągającego szybkość odpowiedzi na poziomie 1 GHz” nr 2022/45/B/ST7/01393, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu OPUS-23.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Trap levels analysis in MWIR InAs/InAsSb T2SL photodiode”. Oprócz dr. inż. Krzysztofa Murawskiego w badaniach uczestniczyli: mgr inż. Kinga Majkowycz, dr Tetiana Manyk i dr hab. inż. Małgorzata Kopytko, prof. WAT z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT.
Artykuł otrzymał 100 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 3,6.
Marcin Wrzos
fot. Katarzyna Puciłowska
