I campi di applicazione dell’InP si dividono in tre aree principali. Viene utilizzato come base

– per componenti optoelettronici

– per l’elettronica ad alta velocità.

– per il fotovoltaico

C’è ancora una zona molto sottoutilizzata, ma tecnicamente eccitante nello spettro elettromagnetico tra le microonde e l’infrarosso, spesso indicata come “Terahertz”. Le onde elettromagnetiche in questa gamma possiedono proprietà ibride che mostrano caratteristiche ad alta frequenza e ottiche contemporaneamente. I componenti basati su InP sbloccano questa gamma spettrale per nuove importanti applicazioni.

Applicazioni optoelettronicheModifica

I laser e i LED basati su InP possono emettere luce nella gamma molto ampia di 1200 nm fino a 12 µm. Questa luce è usata per applicazioni Telecom e Datacom basate su fibre in tutte le aree del mondo digitalizzato. La luce è usata anche per applicazioni di rilevamento. Da un lato ci sono le applicazioni spettroscopiche, dove una certa lunghezza d’onda è necessaria per interagire con la materia per rilevare gas altamente diluiti, per esempio. Il terahertz optoelettronico è usato in analizzatori spettroscopici ultrasensibili, misure di spessore di polimeri e per il rilevamento di rivestimenti multistrato nell’industria automobilistica. D’altra parte c’è un enorme vantaggio dei laser InP specifici perché sono sicuri per gli occhi. La radiazione viene assorbita nel corpo vitreo dell’occhio umano e non può danneggiare la retina.

Telecom/DatacomEdit

Il fosfuro di indio (InP) è usato per produrre laser efficienti, fotorivelatori sensibili e modulatori nella finestra di lunghezza d’onda tipicamente usata per le telecomunicazioni, cioè 1550 nm, poiché è un materiale semiconduttore composto III-V con bandgap diretto. La lunghezza d’onda tra circa 1510 nm e 1600 nm ha la più bassa attenuazione disponibile sulla fibra ottica (circa 0,26 dB/km). L’InP è un materiale comunemente usato per la generazione di segnali laser e il rilevamento e la conversione di questi segnali in forma elettronica. I diametri dei wafer vanno da 2 a 4 pollici.

Le applicazioni sono:

– Collegamenti in fibra ottica a lunga distanza fino a 5000 km tipicamente >10 Tbit/s

– Reti di accesso ad anello metropolitano

– Reti aziendali e data center

– Fibra fino alla casa

– Connessioni a stazioni base wireless 3G, LTE e 5G

– Comunicazione satellitare nello spazio libero

Rilevamento otticoModifica

Rilevamento spettroscopico per la protezione ambientale e l’identificazione di sostanze pericolose

– Un campo in crescita è il rilevamento basato sul regime di lunghezza d’onda di InP. Un esempio per la spettroscopia di gas è l’attrezzatura di prova dell’azionamento con misurazione in tempo reale di (CO, CO2, NOX ).

– Un altro esempio è lo spettrometro FT-IR VERTEX con una sorgente terahertz. La radiazione terahertz è generata dal segnale di battito di 2 laser InP e un’antenna InP che trasforma il segnale ottico nel regime terahertz.

– Rilevamento stand-off di tracce di sostanze esplosive sulle superfici, ad esempio per applicazioni di sicurezza negli aeroporti o indagini sulla scena del crimine dopo tentativi di omicidio.

– Verifica rapida di tracce di sostanze tossiche in gas e liquidi (compresa l’acqua di rubinetto) o contaminazioni superficiali fino al livello ppb.

– Spettroscopia per il controllo non distruttivo dei prodotti, per esempio del cibo (rilevamento precoce di alimenti avariati)

– La spettroscopia per molte nuove applicazioni, specialmente nel controllo dell’inquinamento dell’aria, viene discussa oggi e le implementazioni sono in corso.

Sistemi LiDAR per il settore automobilistico e l’industria 4.0Modifica

Si discute molto nell’arena LiDAR sulla lunghezza d’onda del segnale. Mentre alcuni giocatori hanno optato per lunghezze d’onda da 830 a 940-nm per sfruttare i componenti ottici disponibili, le aziende (tra cui Blackmore, Neptec, Aeye e Luminar) si stanno sempre più rivolgendo a lunghezze d’onda più lunghe nella banda di lunghezza d’onda 1550-nm, anch’essa ben servita, poiché queste lunghezze d’onda consentono di impiegare potenze laser circa 100 volte superiori senza compromettere la sicurezza pubblica. I laser con lunghezze d’onda di emissione più lunghe di ≈ 1,4 μm sono spesso chiamati “eye-safe” perché la luce in quella gamma di lunghezze d’onda è fortemente assorbita nella cornea dell’occhio, nelle lenti e nel corpo vitreo e quindi non può danneggiare la sensibile retina).

– La tecnologia dei sensori basata su LiDAR può fornire un alto livello di identificazione e classificazione degli oggetti con tecniche di imaging tridimensionale (3D).

– L’industria automobilistica adotterà in futuro una tecnologia di sensori LiDAR a stato solido basata su chip e a basso costo invece di grandi e costosi sistemi LiDAR meccanici.

– Per i sistemi LiDAR più avanzati basati su chip, l’InP avrà un ruolo importante e permetterà la guida autonoma. (Rapporto: Blistering Growth for Automotive Lidar, Stewart Wills). La lunghezza d’onda più lunga e sicura per gli occhi è anche più appropriata per affrontare le condizioni del mondo reale come polvere, nebbia e pioggia.

Elettronica ad alta velocitàModifica

La tecnologia dei semiconduttori di oggi permette la creazione e la rilevazione di frequenze molto alte di 100 GHz e superiori. Tali componenti trovano le loro applicazioni nella comunicazione dati wireless ad alta velocità (radio direzionale), nei radar (compatti, a basso consumo energetico e ad alta risoluzione), e nel rilevamento radiometrico, ad esempio per le osservazioni meteorologiche o atmosferiche.

InP è anche usato per realizzare microelettronica ad alta velocità e tali dispositivi a semiconduttore sono i dispositivi più veloci oggi disponibili. Tipicamente, la microelettronica su InP è basata su transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) o su transistor bipolari eterostrutturati (HBT). Le dimensioni e i volumi di entrambi i transistor basati su materiale InP sono molto piccoli: 0,1 µm x 10 µm x 1µm. Lo spessore tipico del substrato è < 100 µm. Questi transistor sono assemblati in circuiti e moduli per le seguenti applicazioni:

– Sistemi di scansione di sicurezza: Sistemi di imaging per la sicurezza aeroportuale e scanner per applicazioni di sicurezza civile

– Comunicazioni wireless: Le comunicazioni wireless 5G ad alta velocità esploreranno la tecnologia InP grazie alle sue prestazioni superiori. Tali sistemi operano a frequenze oltre i 100 GHz per supportare elevate velocità di trasmissione dati

– Applicazioni biomediche: Gli spettrometri a onde millimetriche e THz sono impiegati per la diagnostica non invasiva in applicazioni mediche, dall’identificazione del tessuto canceroso, al rilevamento del diabete, alla diagnostica medica utilizzando l’aria espirata umana.

– Test non distruttivi: Le applicazioni industriali impiegano sistemi di scansione per il controllo di qualità, ad esempio nelle applicazioni di spessore delle vernici automobilistiche e i difetti nei materiali compositi nel settore aerospaziale

– Robotica: La visione robotica si basa essenzialmente su sistemi radar di imaging ad alta risoluzione ad onde millimetriche

– Rilevamento radiometrico: Quasi tutti i componenti e gli inquinanti nell’atmosfera mostrano assorbimenti/emissioni caratteristiche (impronte digitali) nella gamma delle microonde. InP permette di fabbricare sistemi piccoli, leggeri e mobili per identificare tali sostanze.

Applicazioni fotovoltaicheModifica

Celle fotovoltaiche con efficienze più elevate fino al 46% (Comunicato stampa, Fraunhofer ISE, 1. dicembre 2014) implementano substrati InP per ottenere una combinazione ottimale di bandgap per convertire in modo efficiente la radiazione solare in energia elettrica. Oggi, solo i substrati InP raggiungono la costante di reticolo per coltivare i materiali a basso bandgap richiesti con un’elevata qualità cristallina. I gruppi di ricerca di tutto il mondo stanno cercando dei sostituti a causa degli alti costi di questi materiali. Tuttavia, fino ad ora tutte le altre opzioni producono materiali di qualità inferiore e quindi efficienze di conversione inferiori. Ulteriori ricerche si concentrano sul riutilizzo del substrato InP come modello per la produzione di altre celle solari.

Anche le attuali celle solari ad alta efficienza per il fotovoltaico a concentrazione (CPV) e per le applicazioni spaziali usano (Ga)InP e altri composti III-V per ottenere le combinazioni di bandgap richieste. Altre tecnologie, come le celle solari al Si, forniscono solo la metà della potenza delle celle III-V e inoltre mostrano una degradazione molto più forte nel duro ambiente spaziale. Infine, le celle solari a base di Si sono anche molto più pesanti delle celle solari III-V e sono soggette a una maggiore quantità di detriti spaziali. Un modo per aumentare significativamente l’efficienza di conversione anche nei sistemi fotovoltaici terrestri è l’uso di simili celle solari III-V nei sistemi CPV, dove solo un decimo della superficie è coperto da celle solari III-V ad alta efficienza.