Megapixel superlattice detectors with optical metasurfaces
- Reference number
- ID21-0093
- Project leader
- Pettersson, Håkan
- Start and end dates
- 221001-260930
- Amount granted
- 2 500 000 SEK
- Administrative organization
- Halmstad University College
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
High-performance imaging sensors are invaluable devices for ensuring many goals in Agenda 2030: reduced pollution, increased security, mitigating pandemics like SARS and Covid-19 and for health diagnosis. For these applications, type-II superlattices (T2SLs) sensitive in the long-wavelength infrared region (LWIR) have been identified as the best detector material. This proposal deals with fundamental understanding and development of the next generation megapixel T2SL sensors, exhibiting state-of-the-art performance. This is accomplished by converting each pixel into an optical resonator (R-pixel) and by developing novel passivation methods. The main objectives are: I. Fundamental studies of planar and 3D metasurfaces for wavelength-selective resonant LWIR-trapping II. Fundamental studies of pixel surface leakage paths and development of mitigating surface passivation methods III. Development of mega(R-)pixel arrays with wavelength selection capability 2-year goals: Realized single R-pixels sensitive to different wavelength ranges In-depth understanding of electronic structure/surface chemistry of pixel sidewalls 4-year goals: Realized state-of-the-art hyperspectral LWIR megapixel detector array with optimized R-pixels The project group, including researchers from Halmstad University (HU)/NanoLund and IRnova, is internationally recognized in nanophotonics, materials science and T2SL detector technology. The PI, H. Pettersson, is at HU and NanoLund.
Popular science description
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.