I ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato un nuovo approccio alla progettazione di dispositivi quantistici che ha prodotto il primo fotorilevatore a infrarossi a lunghezza d'onda lunga (LWIR) basato sul guadagno utilizzando l'ingegneria della struttura a bande basata su un materiale superreticolo di tipo II.

Questo nuovo disegno, che ha dimostrato una migliore fotorilevazione LWIR durante i test, potrebbe portare a nuovi livelli di sensibilità per i fotorilevatori LWIR di nuova generazione e gli imager a matrice sul piano focale. Il lavoro potrebbe avere applicazioni nelle scienze della terra e nell'astronomia, telerilevamento, visione notturna, comunicazione ottica, e l'imaging termico e medico.

"Il nostro design può aiutare a soddisfare l'urgente domanda di fotorilevatori ultrasensibili, " ha detto Manijeh Razeghi, Walter P. Murphy Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica, che ha condotto lo studio. "L'architettura utilizza un esclusivo materiale superreticolo di tipo II che ottimizza i fotorilevatori LWIR per funzionare a bassa potenza, maggiore guadagno ottico, e ottima stabilità."

Mentre i recenti progressi nei materiali e nei dispositivi semiconduttori hanno portato a notevoli progressi nello sviluppo di fotorivelatori in grado di catturare lunghezze d'onda LWIR, la tecnologia di rilevamento LWIR allo stato dell'arte soffre ancora di carenze. Molti fotorivelatori si affidano al tellururo di mercurio e cadio come semiconduttore, un materiale in grado di raggiungere un'ottima sensibilità e velocità, ma produce anche un basso guadagno di fotocorrente e un rumore spettrale eccessivo.

Razeghi, che dirige il Center for Quantum Devices (CQD) della Northwestern, progettato il fotorivelatore utilizzando un superreticolo di tipo II, un sistema di materiali noto per la sua eccezionale uniformità di crescita e l'eccezionale ingegneria della struttura delle bande:la capacità di controllare il gap di banda in un materiale, lo spazio in cui non è presente carica di elettroni. Ciò lo ha reso un semiconduttore alternativo ottimale al tellururo di cadmio e mercurio per un sistema LWIR. Il suo team ha quindi applicato il nuovo materiale a una struttura di un dispositivo a fototransistor a eterogiunzione, un sistema di rilevamento noto per la sua elevata stabilità, ma in precedenza limitato al rilevamento a onde corte e vicino infrarosso.

Durante il test, il superreticolo di tipo II ha permesso di sintonizzare attentamente ogni parte del fotorilevatore per utilizzare il fototransistor per ottenere un elevato guadagno ottico, rumore basso, e ad alta rilevabilità.

"La flessibilità dimostrata del materiale consente una meticolosa ingegneria della struttura a bande basata sulla meccanica quantistica per la progettazione dell'eterostruttura, rendendolo un candidato versatile per spingere i limiti del rilevamento a infrarossi, " ha detto Razeghi.

La ricerca si basa sulla lunga storia di lavoro di CQD nello sviluppo e nella comprensione della fisica dei dispositivi quantistici a semiconduttore per nuove applicazioni, dalle scienze militari e della terra ai sistemi medici. Questa nuova struttura quantistica artificiale apre le porte alla prossima generazione di fotorivelatori ad alto guadagno con potenziale per applicazioni ad alta velocità con capacità di rilevamento ultrasensibile per il rilevamento di singoli fotoni.

Un documento che illustra il lavoro, intitolato "Fotorivelatore LWIR ad alto guadagno progettato con struttura a banda basato su un superreticolo di tipo II, " è stato pubblicato il 14 gennaio sulla rivista Luce:scienza e applicazioni.