Le Dr Wendy Sarney utilise la machine d'épitaxie par faisceau moléculaire du laboratoire de recherche de l'armée américaine pour produire des matériaux de détecteur infrarouge avec un nouveau processus de synthèse. Crédit :armée américaine
Des scientifiques du laboratoire de recherche de l'armée américaine et de l'université de Stony Brook ont mis au point un nouveau procédé de synthèse pour la fabrication à faible coût d'un matériau auparavant écarté dans la littérature pour les caméras infrarouges à haute sensibilité, ouvrant de nouvelles possibilités pour les futures opérations nocturnes de l'armée.
Les Drs de l'ARL. Wendy Sarney et Stefan Svensson ont mené une nouvelle approche de l'utilisation du semi-conducteur InAsSb, un matériau qui n'a pas été utilisé auparavant dans les caméras IR hautes performances pour les longueurs d'onde les plus longues (10 microns). Les meilleurs matériaux pour les capteurs de lumière des caméras IR sont actuellement à base de HgCdTe, qui appartient à la famille des composés II-VI.
"Malheureusement, ils sont très coûteux, principalement parce qu'il n'y a que des clients militaires pour ce matériel, " a déclaré Svensson.
InAsSb est un semi-conducteur III-V, qui est une classe de matériaux utilisés en optoélectronique dans de nombreux produits commerciaux tels que les lecteurs DVD et les téléphones portables.
"L'œil humain est optimisé par nature pour observer la lumière réfléchie par le soleil dans une bande de couleurs très étroite (longueurs d'onde de la lumière), connu sous le nom de spectre visible; cependant, tous les objets de la nature brillent d'une faible lumière même à basse température, qui produit des couleurs dans la gamme infrarouge (IR) qui sont invisibles à l'œil nu. Ces longueurs d'onde sont environ dix fois plus longues que celles de la lumière visible.
L'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) est utilisée par les chercheurs de l'armée pour produire de nouveaux matériaux de détecteur infrarouge basés sur InAsSb. Il s'agit d'un semi-conducteur III-V, une classe de matériaux également utilisés en optoélectronique dans de nombreux produits commerciaux tels que les lecteurs DVD et les téléphones portables. Crédit :armée américaine
"En utilisant des caméras qui peuvent voir la faible lumière IR, les soldats peuvent opérer pendant la nuit, " dit Sarney. " Plus une telle caméra est sensible, ou en d'autres termes, plus les différences de couleur ou de température sont petites qu'il peut voir, plus on peut discerner de détails sur un champ de bataille et plus les ennemis peuvent être détectés à plus grande distance. Les caméras IR hautes performances sont donc extrêmement importantes pour l'armée."
La clé de cette découverte a été la réalisation que le matériau devait être non déformé par la déformation afin de voir à 10 microns. Il s'agissait d'une difficulté majeure qui a dû être surmontée avant que l'InAsSb puisse être utilisé comme matériau de capteur. Les performances des dispositifs à base de matériaux semi-conducteurs dépendent également de la perfection cristalline du matériau. InAsSb doit être déposé sur un matériau cristallin de départ (un substrat) qui a un espacement plus petit entre les atomes. Ce décalage de taille à l'échelle atomique doit être extrêmement bien géré pour que le matériau photosensible fonctionne correctement.
Parmi les substrats possibles, les plus grands et les moins chers ont généralement un espacement atomique progressivement plus petit. Pendant plusieurs années, ARL et Stony Brook ont trouvé un moyen de gérer le décalage d'espacement atomique aboutissant aux travaux actuels qui utilisent GaAs comme substrat. C'est le substrat le plus couramment utilisé dans l'industrie III-V pour de nombreux produits de consommation. Il est peu coûteux et disponible en grandes tailles. Les substrats de grande surface permettent la fabrication de plusieurs capteurs de caméra en même temps, ce qui pourrait être fait dans des fonderies commerciales. Tout cela ouvre des opportunités pour produire des caméras IR de haute qualité pour les soldats à un coût très réduit.
Les chercheurs de l'armée ont poursuivi une nouvelle approche pour utiliser le semi-conducteur InAsSb, un matériau qui n'a pas été utilisé auparavant dans les caméras IR hautes performances pour les longueurs d'onde les plus longues (10 microns). Ici, le matériau est agrandi à l'échelle des atomes individuels. Crédit :armée américaine
ARL et Stony Brook ont combiné des techniques de médiation de contrainte pour gérer efficacement le décalage d'espacement atomique d'environ 10 % entre le matériau de détection InAsSb et le substrat GaAs. Pour faire ça, ils ont déposé une couche intermédiaire de GaSb sur GaAs de manière à piéger la plupart des défauts causés par le décalage de taille. Ils ont ensuite augmenté davantage l'espacement atomique avec une couche graduée qui a également maintenu les défauts à l'écart du matériau du capteur InAsSb.
Le matériau a été examiné au microscope électronique à transmission à haute résolution afin de s'assurer qu'il avait une qualité structurelle suffisante. Ils ont également constaté que la qualité optique liée aux propriétés de détection était remarquablement élevée. Cette recherche montre une voie vers une pratique, solution à moindre coût pour la mise en service éventuelle de systèmes de vision nocturne basés sur des matériaux infrarouges à grande longueur d'onde III-V.
