InP:n sovellusalueet jakautuvat kolmeen pääalueeseen. Sitä käytetään
– optoelektronisten komponenttien
– suurnopeuselektroniikan perustana.
– aurinkosähkötekniikassa
Sähkömagneettisessa spektrissä on edelleen valtavan vähän hyödynnetty, mutta teknisesti jännittävä alue mikroaaltojen ja infrapunan välissä, jota kutsutaan usein ”terahertsialueeksi”. Tämän alueen sähkömagneettisilla aalloilla on hybridiominaisuuksia, niillä on samanaikaisesti suurtaajuus- ja optisia ominaisuuksia. InP-pohjaiset komponentit avaavat tämän spektrialueen tärkeille uusille sovelluksille.
Optoelektroniset sovelluksetEdit
InP-pohjaiset laserit ja LEDit voivat lähettää valoa hyvin laajalla alueella 1200 nm:stä 12 µm:iin. Tätä valoa käytetään kuitupohjaisissa tietoliikenne- ja tietoliikennesovelluksissa kaikilla digitalisoituneen maailman alueilla. Valoa käytetään myös anturisovelluksissa. Yhtäältä on olemassa spektroskopiasovelluksia, joissa tarvitaan tiettyä aallonpituutta vuorovaikutuksessa aineen kanssa esimerkiksi erittäin laimeiden kaasujen havaitsemiseksi. Optoelektronista terahertsiä käytetään erittäin herkissä spektroskopianalysaattoreissa, polymeerien paksuusmittauksissa ja monikerrospinnoitteiden havaitsemisessa autoteollisuudessa. Toisaalta erityisistä InP-lasereista on valtava hyöty, koska ne ovat silmille turvallisia. Säteily absorboituu ihmisen silmän lasiaiseen, eikä se voi vahingoittaa verkkokalvoa.
Telecom/DatacomEdit
Indiumfosfidia (InP) käytetään tehokkaiden lasereiden, herkkien valonilmaisimien ja modulaattoreiden valmistukseen tietoliikenteessä tyypillisesti käytetyllä aallonpituusikkunalla eli 1550 nm:n aallonpituuksilla, sillä InP:stä valmistetaan suoran kaistanhalkaisijan omaavaa III-V-yhdisteistä puolijohdemateriaalia. Noin 1510 nm:n ja 1600 nm:n välisellä aallonpituudella on optisen kuidun pienin mahdollinen vaimennus (noin 0,26 dB/km). InP:tä käytetään yleisesti lasersignaalien tuottamiseen sekä näiden signaalien havaitsemiseen ja muuntamiseen takaisin elektroniseen muotoon. Kiekkojen halkaisijat vaihtelevat 2-4 tuuman välillä.
Sovelluksia ovat:
– Pitkät optiset kuituyhteydet pitkien etäisyyksien yli jopa 5000 km:n päähän tyypillisesti >10 Tbit/s
– Metrorengasliityntäverkot
– Yritysverkot ja datakeskukset
– Kuitu kotiin
– Yhteydet langattomaan 3G:hen, LTE- ja 5G-tukiasemiin
– Satelliittiviestintä vapaassa avaruudessa
Optinen anturointiEdit
Spektroskooppinen anturointi, jonka tavoitteena on ympäristönsuojelu ja vaarallisten aineiden tunnistaminen
– Kasvava ala on InP:n aallonpituusjärjestelmään perustuva anturointi. Yksi esimerkki kaasuspektroskopiasta on ajotestilaitteet, joissa mitataan reaaliaikaisesti (CO, CO2, NOX ).
– Toinen esimerkki on FT-IR-spektrometri VERTEX, jossa on terahertsilähde. Terahertsisäteily tuotetaan kahden InP-laserin sykkivästä signaalista ja InP-antennista, joka muuntaa optisen signaalin terahertsialueelle.
– Pinnoilla olevien räjähdysainejäämien pystysuora havaitseminen, esim. lentokenttien turvallisuussovelluksissa tai murhayritysten jälkeisessä rikospaikkatutkinnassa.
– Myrkyllisten aineiden jäämien nopea todentaminen kaasuissa ja nesteissä (mukaan lukien vesijohtovesi) tai pintakontaminaatioiden nopea todentaminen ppb-tasolle asti.
– Spektroskopian käyttö esimerkiksi elintarvikkeiden rikkomattomassa tuotevalvonnassa (pilaantuneiden elintarvikkeiden varhainen havaitseminen)
– Spektroskopian käytöstä monissa uusissa sovelluksissa, erityisesti ilman pilaantumisen valvonnassa, keskustellaan nykyään, ja toteutuksia on tulossa.
LiDAR-järjestelmät autoteollisuudelle ja teollisuus 4.0:lleEdit
LiDAR-alalla keskustellaan paljon signaalin aallonpituudesta. Vaikka jotkut toimijat ovat valinneet 830-940 nm:n aallonpituudet hyödyntääkseen saatavilla olevia optisia komponentteja, yritykset (mukaan lukien Blackmore, Neptec, Aeye ja Luminar) ovat yhä useammin siirtymässä pidempiin aallonpituuksiin 1550 nm:n aallonpituuskaistalla, koska näillä aallonpituuksilla voidaan käyttää noin 100 kertaa suurempia lasertehoja vaarantamatta yleistä turvallisuutta. Lasereita, joiden emissioaallonpituus on pidempi kuin ≈ 1,4 μm, kutsutaan usein ”silmäturvallisiksi”, koska tämän aallonpituusalueen valo absorboituu voimakkaasti silmän sarveiskalvossa, linssissä ja lasiaiskehossa eikä siten voi vaurioittaa herkkää verkkokalvoa).
– LiDAR-pohjainen anturitekniikka voi tarjota korkeatasoisen kohteiden tunnistamisen ja luokittelun kolmiulotteisilla (3D) kuvantamistekniikoilla.
– Autoteollisuus ottaa tulevaisuudessa käyttöön sirupohjaisen, edullisen kiinteän tilan LiDAR-anturitekniikan suurten, kalliiden, mekaanisten LiDAR-järjestelmien sijaan.
– Kehittyneimmissä sirupohjaisissa LiDAR-järjestelmissä InP:llä on tärkeä rooli ja se mahdollistaa autonomisen ajamisen. (Raportti: Blistering Growth for Automotive Lidar, Stewart Wills). Pidempi silmille turvallinen aallonpituus on myös sopivampi käsitellä todellisia olosuhteita, kuten pölyä, sumua ja sadetta.
SuurnopeuselektroniikkaMuutos
Tämän päivän puolijohdetekniikka mahdollistaa erittäin korkeiden, 100 GHz:n ja sitä korkeampien taajuuksien luomisen ja havaitsemisen. Tällaisia komponentteja käytetään langattomassa nopeassa tiedonsiirrossa (suuntaradio), tutkissa (kompaktit, energiatehokkaat ja korkearesoluutioiset) ja radiometrisessä havaitsemisessa esim. sää- tai ilmakehähavainnoissa.
InP:tä käytetään myös nopean mikroelektroniikan toteuttamiseen, ja tällaiset puolijohdekomponentit ovat nopeinta nykyisin saatavilla olevaa laitetta. Tyypillisesti InP:hen perustuva mikroelektroniikka perustuu korkean elektroniliikkuvuuden transistoreihin (HEMT) tai heterorakenteisiin bipolaaritransistoreihin (HBT). Molempien InP-materiaaliin perustuvien transistorien koot ja tilavuudet ovat hyvin pieniä: 0,1 µm x 10 µm x 1 µm. Tyypillinen substraatin paksuus on < 100 µm. Nämä transistorit kootaan piireiksi ja moduuleiksi seuraavia sovelluksia varten:
– Turvatarkastusjärjestelmät: Lentokenttien turvakuvausjärjestelmät ja siviiliturvallisuussovellusten skannerit
– Langaton viestintä: Nopea langaton 5G-viestintä tutkii InP-tekniikkaa sen ylivoimaisen suorituskyvyn vuoksi. Tällaiset järjestelmät toimivat yli 100 GHz:n taajuuksilla tukeakseen suuria tiedonsiirtonopeuksia
– Biolääketieteelliset sovellukset: Millimetriaalto- ja THz-spektrometrejä käytetään ei-invasiiviseen diagnostiikkaan lääketieteellisissä sovelluksissa syöpäkudoksen tunnistamisesta, diabeteksen havaitsemisesta lääketieteelliseen diagnostiikkaan ihmisen uloshengitysilman avulla.
– Rikkomaton testaus: Teollisuussovelluksissa käytetään skannausjärjestelmiä laadunvalvontaan esim. autojen maalipaksuussovelluksissa ja komposiittimateriaalien vikoihin ilmailu- ja avaruusalalla
– Robotiikka: Robottinäkö perustuu pääasiassa millimetriaaltojen korkearesoluutioisiin kuvantamistutkajärjestelmiin
– Radiometrinen havainnointi: Lähes kaikilla ilmakehän komponenteilla ja epäpuhtauksilla on tyypillisiä absorptioita/emissioita (sormenjälkiä) mikroaaltoalueella. InP:n avulla voidaan valmistaa pieniä, kevyitä ja siirrettäviä järjestelmiä tällaisten aineiden tunnistamiseksi.
Valosähköiset sovellukset Muokkaa
Valosähköisissä kennoissa, joiden korkein hyötysuhde on jopa 46 % (Lehdistötiedote, Fraunhofer ISE, 1. joulukuuta 2014), käytetään InP-substraatteja optimaalisen kaistaläpivientiyhdistelmän aikaansaamiseksi, jotta auringon säteily voidaan muuntaa tehokkaasti sähköenergiaksi. Nykyisin vain InP-alustoilla saavutetaan ristikkovakio, joka mahdollistaa vaadittujen matalan kaistanleveyden materiaalien kasvattamisen korkealla kiteellisellä laadulla. Tutkimusryhmät kaikkialla maailmassa etsivät korvaavia materiaaleja näiden materiaalien korkeiden kustannusten vuoksi. Tähän mennessä kaikki muut vaihtoehdot ovat kuitenkin tuottaneet heikompaa materiaalilaatua ja siten alhaisempaa muuntotehokkuutta. Jatkotutkimuksissa keskitytään InP-alustan uudelleenkäyttöön mallina uusien aurinkokennojen valmistuksessa.
Nykyaikaisissa korkean hyötysuhteen aurinkokennoissa, joita käytetään nykyään keskittimissä (CPV) ja avaruussovelluksissa, käytetään (Ga)InP:tä ja muita III-V-yhdisteitä vaadittujen kaistanleveysyhdistelmien saavuttamiseksi. Muut teknologiat, kuten Si-aurinkokennot, tuottavat vain puolet enemmän tehoa kuin III-V-kennot, ja lisäksi ne heikkenevät paljon voimakkaammin ankarassa avaruusympäristössä. Si-pohjaiset aurinkokennot ovat myös paljon raskaampia kuin III-V-aurinkokennot ja altistuvat suuremmalle määrälle avaruusromua. Yksi tapa lisätä muuntohyötysuhdetta merkittävästi myös maanpäällisissä aurinkosähköjärjestelmissä on käyttää samanlaisia III-V-aurinkokennoja CPV-järjestelmissä, joissa vain noin kymmenesosa pinta-alasta on katettu korkean hyötysuhteen III-V-aurinkokennoilla.