Detector de infrarrojos para smartphones y vehículos autónomos
Conmutación entre diferentes longitudes de onda
Investigadores de Jülich, junto con colegas italianos y alemanes, han desarrollado un detector de infrarrojos especialmente rentable que puede integrarse fácilmente en los chips de las cámaras y los teléfonos inteligentes existentes. El nuevo sensor puede hacer visibles dos rangos técnicamente importantes de la radiación infrarroja, que antes no estaban cubiertos por los fotodiodos convencionales. Los resultados se han publicado en la revista ACS Photonics.
El detector SWIR desarrollado en Jülich hace visibles las letras ocultas en el rango NIR y SWIR (VIS = luz visible/cámara)
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Politecnico di Milano
El mundo se ve mucho más claro en el infrarrojo de onda corta, o SWIR: las cámaras que operan en este rango del espectro producen imágenes en escala de grises que suelen ser extremadamente nítidas. Esto se debe a que estos chips fotográficos pueden ver simplemente a través de la lluvia, la niebla o la bruma. La luz visible, en cambio, se dispersa por las pequeñas gotas de agua del aire. Esto crea un velo en la imagen, que limita la visibilidad y el reconocimiento de los detalles. Sin embargo, este efecto no interviene cuando se trata de la luz en el rango SWIR. Por ello, estas cámaras son muy adecuadas para aplicaciones que requieren una visión clara, por ejemplo para la seguridad de la aviación o los vehículos autónomos.
Sin embargo, los chips de cámara convencionales fabricados en silicio sólo pueden obtener imágenes en la gama SWIR de forma muy limitada. "Ya existen otras cámaras que se utilizan para estos fines. Sin embargo, su elevado coste prohíbe su uso en la vida cotidiana", afirma el Dr. Dan Buca, del Forschungszentrum Jülich. El uso de materiales difíciles de combinar con los circuitos estándar de silicio hace que su integración en un chip sea compleja y, por tanto, cara. "Nuestro detector cubre un vacío, ya que abarca un rango del espectro para el que hasta ahora no existían sensores rentables. La combinación inteligente de elementos y aleaciones que son bien compatibles con el silicio nos permite ahora utilizar un proceso de fabricación sencillo con herramientas industriales estándar. Por lo tanto, ahora podemos construir chips de cámara muy económicos que pueden integrarse en cualquier smartphone, al igual que las cámaras visibles que se utilizan actualmente", añade Buca.
Una fina capa de silicio, el material estándar de los chips informáticos, sirve de base para el nuevo detector. Encima se depositan otras capas de materiales semiconductores que contienen los elementos germanio y germanio-estaño, todos ellos del mismo grupo principal de la tabla periódica que el silicio.
"Los semiconductores de germanio-estaño se desarrollaron en Jülich", explica el profesor Giovanni Isella, de la Universidad Politécnica de Milán (Italia), que dirigió el desarrollo del componente junto con Dan Buca. "Hemos tardado casi 10 años en optimizar todos los parámetros del material y los diseños de los dispositivos para ello. Pero ahora estas capas semiconductoras pueden construirse en cualquier fábrica de chips utilizando la tecnología establecida". Esto permite producirlas de forma rentable. Al estar basadas en el silicio, también pueden integrarse en los chips existentes sin mayores dificultades.
Además, estas diferentes capas de semiconductores pueden utilizarse para producir píxeles individuales en los chips fotográficos de las cámaras digitales, y cada píxel es capaz de captar la misma imagen en diferentes rangos infrarrojos del espectro. Esto hace que algunos objetos aparezcan -literalmente- bajo una luz diferente. "En el caso de las pinturas, por ejemplo, podemos utilizar el píxel de Ge-GeSn para mirar a través de las capas de pintura y ver cómo el artista compone lo pintado o lo que hay debajo", dice Isella. Algunas tintas utilizadas como elementos de seguridad de los billetes parecen desaparecer cuando se observan bajo la luz infrarroja. Así, la autenticidad de los billetes puede comprobarse fácilmente con el detector de Jülich.
Conmutación entre diferentes longitudes de onda
Una característica especial del detector es que es receptivo a dos rangos diferentes del espectro infrarrojo. Para ello, sólo hay que invertir la tensión de polarización aplicada al detector. Entonces, el componente pasa del infrarrojo cercano (NIR) al infrarrojo de onda corta (SWIR). "De este modo, ampliamos el ámbito de aplicación del sensor", afirma Isella.
De este modo, es posible distinguir entre sustancias en función de sus diferentes propiedades de absorción en el rango NIR y SWIR. El equipo lo ha demostrado utilizando los disolventes isopropanol y tolueno. Gracias al detector conmutable, se pueden distinguir claramente líquidos que son incoloros para el ojo humano. Esto no sólo se utiliza en el laboratorio de química, sino también en aplicaciones de la vida real.
Los resultados publicados en ACS Photonics son sólo el paso inicial para explotar todo el potencial de aplicación del detector de doble banda NIR/SWIR. Los equipos de investigación que han contribuido continúan colaborando para la realización de un producto comercial.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Enrico Talamas Simola, Vivien Kiyek, Andrea Ballabio, Viktoria Schlykow, Jacopo Frigerio, Carlo Zucchetti, Andrea De Iacovo, Lorenzo Colace, Yuji Yamamoto, Giovanni Capellini, Detlev Grützmacher, Dan Buca and Giovanni Isella; "CMOS-Compatible Bias-Tunable Dual-Band Detector Based on GeSn/Ge/Si Coupled Photodiodes"; ACS Photonics; 2021,8, 2166-2173
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