Megapixel-supergitterdetektorer med optiska metastrukturer

En av de största utmaningarna idag gäller jordens klimat och ökningen av växthusgaser i atmosfären på grund av mänsklig aktivitet. För att kunna mäta hur stor koncentrationen av växthusgaser som finns i atmosfären och för att kunna se var de största utsläppen kommer ifrån kan man använda sig av bildalstrande sensorer som är känsliga för infrarött ljus (IR). IR absorberas nämligen av dessa gaser och ljuset som når IR-kameran innehåller ett slags fingeravtryck av de gaser som finns i atmosfären. I detta projekt kommer vi att utveckla en IR-sensor för att mäta väldigt små skillnader i temperatur eller gaskoncentration. En IR-sensor består av en matris av pixlar där varje pixel motsvarar en bildpunkt i IR-bilden.

Den sensor vi ska utveckla kommer att ha en hög bildupplösning med över en miljon pixlar (1 Megapixel) och varje pixel ska vara väldigt liten (mindre än 10 µm). Dessa små pixlar ställer höga krav på både design och tillverkningsprocess: dels krävs att den andel av ljuset som genererar ström i varje pixel är hög och dels behöver vi se till att det inte finns några genvägar för strömmen på pixlarnas ytor som kan fungera som en kortslutning av pixeln.

Det IR-känsliga material som kommer att användas i denna bildsensor kallas för ett supergittermaterial. Supergittret består av tunna skikt av olika halvledarmaterial som när de kombineras bildar ett helt nytt material som kan skräddarsys för de våglängder man vill se med IR-kameran. För att få så hög känslighet som möjligt i varje pixel kommer vi att specialdesigna pixlarna genom att skapa en mönstrad, topografisk yta på baksidan av varje pixel, en så kallad optisk metastruktur. Metastrukturen sprider ljuset så att det studsar runt inuti pixeln tills dess att allt ljus absorberas.

För att dessutom undvika läckströmmar på pixlarnas ytor, kommer vi att undersöka olika kemiska metoder att förbehandla pixelytorna innan ytan bäddas in i ett material som ska skydda ytan och göra det beständigt.

Detta projekt är ett samarbete mellan IRnova och Högskolan i Halmstad. IRnova är ett företag i Kista som är experter på design och tillverkning av IR-sensorer baserade på denna typ av supergittermaterial medan Högskolan i Halmstad har specialistkunskap inom optisk design och simulering. Med denna kombinerade kompetens och med tid för grundliga studier av både design, tillverkningsprocess och ytornas egenskaper kommer vi gemensamt kunna öka förståelsen för och demonstrera en IR-sensor av världsklass.