IR- detektorer tillverkade av indiumgalliumarsenid, InGaAs, kan nu detektera våglängder upp till 2,6 μm. Detta öppnar nya möjligheter för mätningar i våglängdsområdet 1,55 till 2,6 μm.

Hamamatsu Photonics har lyckats tillverka en IR-detektor i InGaAs som inte bara klarar av våglängder upp till 1,55 μm utan ända upp till 2,6 μm.

Därmed kan fotodioder i InGaAs komma att användas för andra ändamål än fiberoptisk kommunikation, till exempel i industrin och i medicinska tillämpningar.

Svårigheten med att tillverka fotodioder som är känsliga för längre våglängder än 1,7 μm har länge varit att konstruera en detektor som är mekaniskt stabil. Om olika material har olika gitterkonstanter, det vill säga olika avstånd mellan atomerna i kristallerna, är det svårt att lägga dem intill varandra i en komponent. I gränsområdet mellan materialen uppstår mekaniska spänningar som bryter ned komponenten.

Vad Hamamatsu har gjort är att lägga in flera tunna skikt i gränsövergången mellan substratet av indiumfosfid, InP, och det aktiva skiktet av InGaAs. Mellan varje skikt ökas gitterkonstanten så lite att skillnaden kan absorberas av kristallen utan att den skadas.

Därmed kan Hamamatsu vid tillverkningen blanda in mera indium än tidigare i InGaAs. Mera indium betyder ett mindre bandgap och därmed känslighet för längre våglängder.



Mindre brusiga


Detektorer för infrarött ljus kan tillverkas av till exempel InGaAs eller blysulfid, PbS. InGaAs har flera fördelar jämfört med blysulfid. InGaAs- detektorerna är mindre brusiga, de driver mindre med temperaturen och har 10 gånger högre detektivitet.

Detektivitet kan sägas vara känsligheten per areaenhet, och gör det möjligt att jämföra prestanda hos detektorer oberoende av arean.

InGaAs klarar även frekvenser på tiotals megahertz jämfört med kilohertz för blysulfid.

Nackdelarna med indiumgalliumarsenid har hittills varit att de inte fungerat för lika långa våglängder som blysulfid, och att de är dyrare att tillverka. För ljusmätningar mellan 1,55 och 2,6 μm har hittills blysulfiddetektorer använts mest.

Trots att InGaAs-detektorer i sig är dyrare än PbS-detektorer, kan totalkostnaden ändå blir mindre i många tillämpningar genom att det går att minska kostnaden för temperaturreglering och andra kringkretsar. Ibland kan även kraven på kylning minskas så att en okyld InGaAs kan ersätta en kyld PbS.

I många industriella processer kan dessutom PbS inte användas alls, eftersom temperaturen är för hög. InGaAs klarar däremot drifttemperaturer upp till 85 °C.

Andra vanliga tillämpningar är mätning av temperatur eller vattenhalt, granskning av sedlar och sortering av livsmedel som till exempel ris i olika kvalitetsklasser.

Inom läkemedelsindustrin, jordbruket, den kemiska industrin eller i medicinsk analys kan InGaAs användas för att mäta halten av olika organiska ämnen, det vill säga kemiska föreningar baserade på kol. Den lägsta halt som kan mätas är typiskt 0,1 procent.

Genom det utökade känslighetsområdet hoppas nu Hamamatsu

på fler användningsområden för InGaAs-detektorer. Och om fler använder dem och produktionen av dem ökar, då sjunker priserna och ytterligare användningsområden öppnas.

Henrik Sievers

Författaren arbetar på Hamamatsu Photonics



Fotoner och bandgap


Ljus består av fotoner. Varje ljusvåglängd motsvarar en viss energi hos fotonen, ju längre våglängd desto mindre energi per foton.

För att kunna detekteras i en fotodiod måste fotonens energi frigöra en elektron i halvledarmaterialet. För att frigöra denna elektron måste energin i fotonen vara större än bandgapet hos det aktuella materialet. Bandgapet är således den minsta energi som krävs för att ge fria elektroner i en halvledare.

I en fotodiod bestämmer bandgapet den längsta våglängd, så kallad cut off- våglängd, som kan frigöra laddningar och därmed ström i dioden. Som jämförelse har kisel cut off-våglängden 1 100 nm.

Hos InGaAs kan bandgapets storlek varieras genom att ändra andelen In och Ga i materialet.



Tunna skikt ger gradvis övergång


Genom att öka halten indium, In, i InGaAs har Hamamatsu utökat känslighetsområdet för InGaAs-fotodioderna ända upp till 2,6 μm. Tidigare har relationen InGa varit 53:47. Mera indium gav för stora skillnader i kristallstruktur mellan substratet och det aktiva området av InGaAs. Nu kan man bygga kristaller med upp till runt 90 procent indium, det vill säga x=0,9 i högra figuren.

Nyckeln till detta ligger i att man har lagt in i flera tunna skikt i gränsövergången mellan substratet och InGaAs. Mellan skikten ändras gitterkonstanten, det vill säga avståndet mellan atomerna i kristallerna, lite grann.

Ändringen mellan varje skikt är så liten att det inte blir några mekaniska spänningar i materialet.