Forskare från Northwestern University har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för design av kvantenheter som har producerat den första förstärkningsbaserade infraröda (LWIR) fotodetektorn med lång våglängd med hjälp av bandstrukturteknik baserad på ett supergittermaterial av typ II.

Denna nya design, som visade förbättrad LWIR-fotodetektion under testning, kan leda till nya nivåer av känslighet för nästa generations LWIR-fotodetektorer och focal plane array imagers. Arbetet kan ha tillämpningar inom geovetenskap och astronomi, fjärranalys, nattseende, optisk kommunikation, och termisk och medicinsk avbildning.

"Vår design kan hjälpa till att möta den brådskande efterfrågan på ultrakänsliga fotodetektorer, sa Manijeh Razeghi, Walter P. Murphy professor i elektro- och datateknik, som ledde studien. "Arkitekturen använder ett unikt typ II supergittermaterial som optimerar LWIR-fotodetektorer för att köras med låg effekt, högre optisk förstärkning, och utmärkt stabilitet."

Medan de senaste framstegen inom halvledarmaterial och -enheter har lett till betydande framsteg i utvecklingen av fotodetektorer som kan fånga LWIR-våglängder, den senaste LWIR-detektionstekniken lider fortfarande av brister. Många fotodetektorer förlitar sig på kvicksilverkadiumtellurid som en halvledare, ett material som kan uppnå utmärkt känslighet och hastighet, men producerar också låg fotoströmförstärkning och överskott av spektralt brus.

Razeghi, som leder Northwesterns Center for Quantum Devices (CQD), designade fotodetektorn med ett supergitter av typ II, ett materialsystem känt för sin enastående tillväxtlikformighet och exceptionella bandstrukturteknik – förmågan att kontrollera bandgapet i ett material, utrymmet där ingen elektronladdning finns. Detta gjorde den till en optimal alternativ halvledare till kvicksilver kadmiumtellurid för ett LWIR -system. Hennes team applicerade sedan det nya materialet på en heterojunction fototransistorenhetsstruktur, ett detekteringssystem känt för sin höga stabilitet, men en tidigare begränsad till kortvågs- ​​och nära infraröd detektering.

Under testning, supergittret av typ II gjorde att varje del av fotodetektorn kunde ställas in noggrant för att använda fototransistorn för att uppnå hög optisk förstärkning, lågt ljud, och hög detektivitet.

"Materialets påvisade flexibilitet möjliggör noggrann kvantmekanikbaserad bandstrukturkonstruktion för heterostrukturdesignen, vilket gör det till en mångsidig kandidat för att tänja på gränserna för infraröd detektering, sa Razeghi.

Forskningen bygger på CQD:s långa historia av arbete med att utveckla och förstå fysiken för kvanthalvledaranordningar för nya applikationer, från militär och geovetenskap till medicinska system. Denna nya konstgjorda kvantstruktur öppnar dörren mot nästa generations högförstärkningsfotodetektorer med potential för höghastighetsapplikationer med ultrakänsliga detektionsmöjligheter för enfotondetektion.

Ett papper som beskriver arbetet, med titeln "Bandstruktur-konstruerad LWIR-fotodetektor med hög förstärkning Baserad på en typ-II Superlattice, " publicerades den 14 januari i tidskriften Ljus:Vetenskap och tillämpningar.