Los investigadores de la Universidad Northwestern han desarrollado un nuevo enfoque para el diseño de dispositivos cuánticos que ha producido el primer fotodetector de infrarrojos de longitud de onda larga (LWIR) basado en ganancia utilizando ingeniería de estructura de banda basada en un material de superrejilla de tipo II.

Este nuevo diseño, que demostró una fotodetección mejorada de LWIR durante las pruebas, podría conducir a nuevos niveles de sensibilidad para fotodetectores LWIR de próxima generación y generadores de imágenes de matriz de plano focal. El trabajo podría tener aplicaciones en ciencias de la tierra y astronomía, Sensores remotos, Vision nocturna, comunicación óptica, e imágenes térmicas y médicas.

"Nuestro diseño puede ayudar a satisfacer la demanda urgente de fotodetectores ultrasensibles, "dijo Manijeh Razeghi, Walter P. Murphy Profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática, quien dirigió el estudio. "La arquitectura utiliza un material de superrejilla de tipo II único que optimiza los fotodetectores LWIR para funcionar con baja potencia, mayor ganancia óptica, y excelente estabilidad ".

Si bien los avances recientes en materiales y dispositivos semiconductores han llevado a un progreso notable en el desarrollo de fotodetectores que pueden capturar longitudes de onda LWIR, La tecnología de detección LWIR de última generación todavía adolece de deficiencias. Muchos fotodetectores se basan en telururo de cadmio de mercurio como semiconductor, un material que puede lograr una excelente sensibilidad y velocidad, pero también produce una baja ganancia de fotocorriente y un exceso de ruido espectral.

Razeghi, quien dirige el Centro de Dispositivos Cuánticos (CQD) de Northwestern, diseñó el fotodetector utilizando una superrejilla de tipo II, un sistema de materiales conocido por su excepcional uniformidad de crecimiento y su excepcional ingeniería de estructura de bandas:la capacidad de controlar la banda prohibida en un material, el espacio donde no hay carga de electrones. Esto lo convirtió en un semiconductor alternativo óptimo al telururo de mercurio y cadmio para un sistema LWIR. Luego, su equipo aplicó el nuevo material a una estructura de dispositivo de fototransistor de heterounión, un sistema de detección conocido por su alta estabilidad, pero uno anteriormente limitado a la detección de onda corta e infrarrojo cercano.

Durante la prueba, la superrejilla de tipo II permitió que cada parte del fotodetector se sintonizara cuidadosamente para usar el fototransistor para lograr una alta ganancia óptica, ruido bajo, y alta detectividad.

"La flexibilidad demostrada del material permite una ingeniería meticulosa de la estructura de bandas basada en la mecánica cuántica para el diseño de la heteroestructura, lo que lo convierte en un candidato versátil para superar los límites de la detección de infrarrojos, "Dijo Razeghi.

La investigación se basa en la larga trayectoria de trabajo de CQD en el desarrollo y la comprensión de la física de los dispositivos semiconductores cuánticos para aplicaciones novedosas. desde las ciencias militares y terrestres hasta los sistemas médicos. Esta novedosa estructura cuántica artificial abre la puerta a fotodetectores de alta ganancia de próxima generación con potencial para aplicaciones de alta velocidad con capacidades de detección ultrasensibles para la detección de un solo fotón.

Un documento que describe el trabajo titulado "Fotodetector LWIR de alta ganancia diseñado con estructura de banda basado en una superrejilla de tipo II, "fue publicado el 14 de enero en la revista Luz:ciencia y aplicaciones.