利用纳米天线突破传统红外探测器设计极限,大幅提升探测器性能

麦姆斯咨询报道,美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的研究人员开发了一种微型纳米天线,可以为“捕捉”热量的相机和传感器提供更清晰的热红外辐射图像,用于从天文学研究到人、建筑物和物品等安防应用。

利用纳米天线突破传统红外探测器设计极限,大幅提升探测器性能

美国桑迪亚国家实验室研究人员开发的这种基于纳米天线的探测器,可以将热红外相机的信号提升2~3倍,同时将暗电流降低10至100倍,从而大幅提高成像质量。

“热红外相机和传感器已经存在了50年,但相机镜头或传感器光学系统背后的探测器传统设计似乎已经达到了性能极限。”美国桑迪亚国家实验室纳米天线项目负责人David Peters说。

他表示,提高红外探测器的灵敏度,突破典型设计所能提供的性能极限,对美国桑迪亚国家实验室的国家安全工作,以及其他应用(如天文学研究)都很重要。

用更少的材料,捕捉更多的信号

红外探测器的灵敏度和成像质量通常依赖于一定厚度的探测器材料层,该材料层吸收入射热量并将其转化为可捕捉的电信号,然后转化为图像。探测器材料层的厚度决定了相机可以吸收并读取的热量,但是,过厚的探测器材料层也有缺点。

Peters介绍说:“探测器材料会自发地产生可被捕捉的电子,这增加了图像噪声,进而降低成像质量。这种被称为暗电流的现象会随着探测器材料层的厚度而增加,材料层越厚,暗电流造成的图像噪声就越多。”

美国桑迪亚国家实验室的研究小组开发了一种新的探测器设计,不再依赖于较厚的探测器材料层,而是使用一种亚波长纳米天线——一种黄金制成的方形或十字形图案化阵列,将光集中在较薄的探测器材料层上。该设计仅使用厚度不到1微米的探测器材料层,而传统的热红外探测器材料层的厚度有5~10微米。作为参照,人头发丝的宽度约为75微米。

探测器表面应用的纳米天线(金黄色),可以帮助红外辐射聚焦在探测器上
探测器表面应用的纳米天线(金黄色),可以帮助红外辐射聚焦在探测器上

这种纳米天线增强型设计,可以将探测器对物体红外辐射的吸收提高到50%以上,目前的技术仅能捕捉约25%的红外辐射,同时,还可以降低由暗电流引起的图像失真。它还能够支持现有技术无法实现的新探测器概念。

“例如,使用这种纳米天线,通过对光谱响应的像素级精确控制,可以显著扩大图像中获取的信息量。”Peters说。

该团队通过对传统红外探测器的常规工艺稍作改进,制造了这种基于纳米天线的探测器。首先在晶圆顶部生长探测器材料。然后将探测器材料倒装到电路层上,该电路层读取由纳米天线和探测器层收集的信号。在除去晶圆之后,应用微量的黄金以在探测器材料顶部形成图案化的纳米天线层。

美国桑迪亚国家实验室开发的基于纳米天线的探测器,该探测器阵列顶部的金纳米天线非常小,以至于肉眼无法看到
美国桑迪亚国家实验室开发的基于纳米天线的探测器,该探测器阵列顶部的金纳米天线非常小,以至于肉眼无法看到

从实验室走向产业化

Peters说道:“我们没有预料到可以获得这么好的实验结果。现在,我们已经证明了这一概念,并且这项技术已经准备好商业化。这个概念可以应用于不同的探测器类型,因此,红外探测器制造商有机会将这项新技术整合到现有产品中。”

Peters表示,美国桑迪亚国家实验室正在寻求合作研究与开发,以将该技术产业化。

“该项目是一个完美的案例,展示了我们国家实验室如何验证一个技术概念,然后将其转移至可以进一步开发的产业界。” Peters自信地说。

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