I januari i år drog ­projektet igång. Idén är att göra elektriskt avstämbara optiska sensorer som fungerar över ett brett våglängdsområde: från synligt ljus till kortvågig infraröd strålning (SWIR), men även längre ut i det infraröda området – mot 10 µm (LWIR).

En del av en processad optisk sensor, med fyra ­miljoner sammankopplade nanotrådar.

Grunden i projektet är att bygga vidare på all erfarenhet som mångårig forskning kring optiska sensorer baserad på nanoteknik gett forskarna i Halmstad och Lund. Här handlar det om hur nanotrådar kan användas för att skapa elektriskt avstämbara optiska sensorer.

En central del i projektet är att bädda in nanotrådarna i ett periodiskt mönster av olika dielektriska material för att skapa en så kallad fotonisk kristall. Genom att optimera designen skapas resonansfenomen som absorberar den inkommande infraröda strålningen väldigt effektivt inom särskilt utvalda våglängdsområden.

Smala trådar som följer naturen Nanotrådar är extremt tunna nålliknande fibrer, tusen gånger tunnare än ett hårstrå. När de skapas tar man hjälp av naturens egna självorganiserande mekanismer. En fördel med den lilla diametern är att det går att odla segment med olika elektriska och optiska egenskaper längs med tråden i ”sandwich”-strukturer. Det låter sig inte göras i vanliga planära strukturer, eftersom det uppstår spänningar mellan de olika lagren – kristallstrukturerna passar helt enkelt inte ihop utan olika materialfel uppstår. En annan fördel är att man kan växa miljontals nanotrådar i periodiska mönster och där­igenom skapa optiska resonanseffekter. När ljuset kommer in fungerar dessa som en mycket effektiv antenn som absorberar strålningen trots att det är glest mellan trådarna. Genom att kontrollera diametern och avståndet mellan trådarna går det att designa ett nanotrådsmönster som absorberar ljus med en viss våglängd så effektivt som möjligt. Att växa nanotrådar är också ett sätt att minska på materialåtgången. Om man använder trådar med rätt diameter och avstånd mellan trådarna blir absorptionen i det närmaste lika bra som för en plan och homogen struktur, men man sparar väldigt mycket ­material. Denna optimering har forskargruppen i Lund lång erfarenhet av. I detta projekt tillverkas sensorer baserade på 100 nm tunna trådar av materialet indiumfosfid, med extremt tunna segment av indiumarsenidfosfid – så kallade kvantdiskar – odlade längs med trådarna.

– När ir-strålningen kommer in och träffar det periodiska mönstret bryts den på ett särskilt sätt som leder till en kraftig förstärkning av intensiteten särskilt vid långa våglängder, som i sin tur kopplas in i trådarna, förklarar Håkan Pettersson, som leder projektet.

Ytterligare en utmaning i projektet är att skapa en detektor vars känslighet för olika våglängder kan styras elektriskt.

– Vanligtvis är optiska sensorer två-terminalkomponenter. I traditionella nanotrådssensorer kontakteras trådarnas båda ändar. För att kunna styra våglängdsområdet kommer trådarna att förses med en tredje gatekontakt.

– En utmaning är att utveckla en tillverkningsprocess som förser varje nanotråd med en ­gatekontakt. Dessutom skall sedan denna design kombineras med den fotoniska kristallen.

Eftersom tillverkningen är komplicerad och tidskrävande är det viktigt att först göra elektrisk och optisk modellering. Detta arbete är i full gång för att se vilka material som fungerar ihop och ger bäst förstärkning. Samtidigt måste materialen som forskarna väljer fungera ihop med den processutrustning som de har att tillgå.

Framåt är planen att göra två uppsättningar sensorer. Dels vill forskarna ta reda på om det går att göra en gate-struktur och switcha sensorn mellan olika våglängder på ett kontrollerat sätt. Dels vill de jämföra resultatet med och utan den fotoniska kristallen.

– Vi vill visa att det fungerar likadant i båda fall, men att sensorsignalen blir mycket bättre vid de långa våglängderna tack vare den fotoniska kristallen.

Under projektets fyra år ska en detektorprototyp som fungerar tas fram. Vad som sker därefter är ett oskrivet kapitel, men Håkan Pettersson tror att forskningen kan bana väg för nya typer av optiska komponenter inom framtidens elektronikindustri.

I Håkans hand syns en så kallad DIL-provhållare, med metallben, som sensorn är monterad i.

– Inom tio år borde det vara rimligt att tekniken kan byggas in i mer smarta lösningar, exempelvis drönare, småsatelliter eller andra tillämpningar, säger han.

Sensorerna kan enkelt göras som matriser med pixlar. Nanotrådarna kan dessutom odlas vid temperaturer som är kompatibla med den termiska budgeten för CMOS, så åtminstone teoretiskt går det att odla sensorerna direkt på en processad kiselwafer.

Det skulle bädda för flexibla, kompakta, känsliga, billiga, energisnåla detektorer som kan integreras med annan kiselteknik. Placerad på en drönare eller liten satellit kan en sådan sensor hantera flera olika funktioner.

– Uppe i luften skulle man kunna använda sensorn för optisk kommunikation med en markstation eller mellan små samverkande satelliter vid vissa våglängder. Sedan kan man ställa om den elektriskt för att istället mäta till exempel utsläpp av växthusgaser eller för annan övervakning vid helt andra våglängder. Därefter switchar man tillbaka till kommunikationsläge, så att en integrerad transceiver kan skicka data, säger Håkan Pettersson och tillägger:

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt!

– Kanske går det också att driva detektorn med integrerade nanotrådssolceller på samma chip och kombinera sensorenheten med lite AI och annat. Konceptet är jättefräckt, om jag får säga det själv, skrattar han.