Cel projektu

Celem projektu jest opracowanie technologii wytwarzania podzespołów działających w zakresie średniej podczerwieni, przeznaczonych do zastosowania w praktycznych układach do detekcji śladowych ilości zanieczyszczeń gazowych. Prace dotyczyły będą źródeł i detektorów promieniowania nowej generacji; kwantowych laserów kaskadowych i detektorów promieniowania na bazie antymonkowych supersieci II- rodzaju oraz specjalizowanych sensorów gazów je wykorzystujących. Obszar podczerwieni jest niezwykle ważny w spektroskopii molekularnej. Użycie fali świetlnej z zakresu 4 – 10 μm pozwala na detekcję śladowych ilości zanieczyszczeń gazowych (metanu, amoniaku, tlenku węgla, tlenku siarki, tlenków azotu) na poziomie wykrywalności sub-ppm. Proponujemy opracowanie technologii i wykonanie laserów kaskadowych na pasmo 5.2 µm – 5.4 μm oraz 9.0 – 10.0 μm pracujących na fali ciągłej w temperaturze pokojowej (300 K), które będą nadawały się do bezpośredniego wykorzystania w urządzeniach do wykrywania śladowych ilości substancji gazowych gazów, stosowanych w przemyśle, ochronie środowiska i medycynie.
Badania i prace aplikacyjne będące przedmiotem wniosku mają charakter nowatorski i dotyczą elementów, które są trudno dostępne w sprzedaży. W chwili obecnej jedyną możliwością pozyskania źródeł promieniowania (lasery kaskadowe) stosowanych w urządzeniach do wykrywania substancji gazowych jest ich zakup u producentów zagranicznych. W większości przypadków jest to szwajcarska firma Alpes Lasers. Jednakże zakup laserów na określoną długość fali, które nie znajdują się w aktualnym katalogu firmy, a które wymagają opracowania jest bardzo trudny – czasami wręcz niemożliwy. Jednocześnie cena jednostkowa takich laserów może dochodzić do 25 000 euro. Wnioskodawca, Instytut Technologii Elektronowej jest jedynym zespołem Polsce, który zajmuje się tematyką laserów kaskadowych, Lasery z AlGaAs/GaAs, na pasmo 9.4 μm, których technologię opracowaliśmy w latach 2009-2011 mają parametry porównywalne z przyrządami opracowanymi w laboratoriach f-my Thales (Francja), a w zakresie emitowanych mocy, w pracy impulsowej, legitymujemy się światowymi rekordami. Lasery te z powodzeniem zostały wykorzystane do konstrukcji urządzeń do wykrywania sub-ppm stężeń substancji gazowych, opracowanych w IO&nbspWAT. Proponowane w projekcie wykorzystanie do konstrukcji laserów kaskadowych nowej platformy materiałowej, opartej o heterostruktury, AlInAs/GaInAs/InP, pozwoli na opracowanie laserów pracujących na fali ciągłej w temperaturze pokojowej i rozszerzenie zakresu długości fali w kierunku fal krótszych, do ~ 5 μm, co gwarantuje ich użyteczność praktyczną. Uważamy również, że modyfikacje konstrukcji obszarów czynnych laserów, które proponujemy w projekcie, pozwolą w uzyskać poprawę parametrów laserów w stosunku do wartości publikowanych w literaturze. Efektem realizacji projektu będzie również dalszy rozwój metodologii i odpowiednich narzędzi projektowania kwantowych laserów kaskadowych na zadaną długość fali, co stworzy podstawę do elastycznego reagowania na potrzeby rynku w tym zakresie. Lasery kaskadowe są nowym produktem, wymagającym specjalistycznego know how w dziedzinie nanotechnologii i fotoniki, i jako takie mogą stanowić idealne pole do działania dla małych firm ściśle związanych z ośrodkami badawczymi.
W zakresie detektorów podczerwieni przesłankę do podjęcia badań stanowi z jednej strony już osiągnięty w laboratoriach wnioskodawców (ITE, Vigo System S.A.) poziom prac nad strukturami antymonkowych supersieci II-go rodzaju, z drugiej zaś dyrektywy Unii Europejskiej nakazujące stopniowe wycofywanie z rynku produktów zawierających rtęć i kadm. Stwarza to paląca potrzebę zastąpienia w nieodległej przyszłości detektorów z HgCdTe, stanowiących w chwili obecnej podstawowy produkt Vigo Systems S.A., innym typem detektora. Technologia otrzymywania supersieci II-go rodzaju z InAs/GaSb jest we wstępnej fazie rozwoju. Istotne zalety tego związku mogą jednak w przyszłości spowodować dominację supersieci w konstrukcji detektorów podczerwieni, szczególnie w zakresie średniej i dalszej podczerwieni. Poważne trudności związane z kontrolowaniem naprężeń, oraz trudności przy „processingu” występujące przy wytwarzaniu tego typu detektorów powodują, że stosunkowo mało grup na świecie może się poszczycić osiągnięciami w tym zakresie. Dotychczasowe wstępne prace pozwoliły na wykonanie detektorów , które charakteryzowały się następującymi parametrami w T=77K: iloczyn R₀A>200 Ωcm² i wykrywalność D^*>2·10¹⁰cmHz^1/2/W. Stwarza to wyjątkową szansę uzyskania przez Vigo System S.A. uprzywilejowanej pozycji na rynku detektorów nowej generacji. Struktury supersieciowe będą wykonywane w Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie metodą epitaksji z wiązek molekularnych MBE natomiast „processing” i montaż pełnych struktur przyrządowych będą wykonywane w firmie Vigo System.