Opinion · Un poco de ciencia, por favor

Tecnología de los detectores de radiación infrarroja

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

En el anterior artículo de este blog, expliqué las características y las principales aplicaciones de la radiación infrarroja. En este, describiré la tecnología de los detectores de este tipo de radiación.

1. Materiales y dispositivos para la detección de radiación infrarroja
La radiación infrarroja (en lo que sigue, IR) se puede detectar mediante dispositivos fabricados con ciertos semiconductores, cuyas propiedades los hacen adecuados para tal fin. Dependiendo del rango IR, los semiconductores que se utilizan en la actualidad son principalmente los siguientes: PbSe, PbS, InSb, InGaAs y HgCdTe.
Los detectores de IR fabricados con estos materiales son de dos tipos principales, detectores térmicos y detectores fotónicos:

i) Térmicos. La radiación IR, tras ser absorbida, provoca un aumento en la temperatura del detector, lo que a su vez modifica alguna propiedad de éste que lo utiliza para generar una señal eléctrica (una corriente o una tensión). La señal generada es independiente de la longitud de onda de la radiación incidente, lo que hace a estos detectores poco recomendables para discriminar el valor de la misma. Además, son de respuesta lenta.

ii) Fotónicos. La radiación IR absorbida en el detector, provoca un aumento de la concentración de electrones, que a su vez se traduce en un incremento de la conductividad eléctrica. Son muy sensibles a la longitud de onda de la radiación incidente y extremadamente rápidos de respuesta, pero para conseguir estas características, requieren enfriamiento criogénico, ya que de no enfriarlos, son muy ruidosos e imprecisos. Puesto que todo el impresionante desarrollo alcanzado por los detectores IR se debe principalmente a estos últimos, en lo que sigue serán los únicos a los que me refiera.

2. La complejidad de la tecnología de fabricación de detectores IR
La figura muestra los elementos que componen un sistema de detección IR típico, que está integrado por un sistema óptico, un detector IR, un circuito electrónico de lectura y procesado de la señal generada en el detector y una pantalla de visión:

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Esquema de un detector fotónico de IR

Cuando lo que se pretende detectar es luz visible, como sucede con las cámaras fotográficas de los teléfonos móviles, el conjunto formado por el detector y el circuito de lectura se fabrica sobre un único semiconductor, silicio, de modo que el detector y la electrónica de lectura están integrados en el mismo “chip” de silicio, dando lugar a un sistema monolítico compacto y de alto rendimiento. Estos dispositivos, eficaces, baratos y tan familiares para nosotros hoy en día al ir incorporados a los teléfonos móviles actuales (smartphones), son económicamente asequibles para casi todo el mundo en buena medida gracias al espectacular desarrollo de la tecnología de circuitos integrados, alcanzado en las últimas décadas.

Por lo que hace relación a la detección de la radiación IR, le tecnología necesaria para llevarlo a efecto sería más sencilla de lo que realmente es si el silicio pudiera detectar esa radiación, pero no es así, ya que el silicio es transparente a la mayor parte del espectro IR, por lo que en los sistemas de detección IR el detector y el circuito de lectura se deben fabricar con semiconductores diferentes, para luego unirlos, proceso de gran complejidad tecnológica, como veremos en el siguiente párrafo. A esto se suma que los detectores deben trabajar a bajas temperaturas, típicamente -200 ºC o inferiores, por lo que deben estar inmersos en un dispositivo refrigerador. Todo ello implica incrementos en la complejidad y en los costes de los dispositivos operativos.

A grandes líneas, el sistema de detección mostrado en la figura anterior funciona así: la radiación IR es recogida y concentrada por una lente, que la dirige hacia su plano focal donde se sitúa el sistema de detección propiamente dicho, que como ya se ha indicado es un circuito híbrido integrado por dos componentes: el detector de IR, constituido por una matriz de pequeños detectores (denominados pixeles) de un semiconductor sensible al IR y el circuito electrónico de lectura, realizado en silicio. La radiación IR genera electrones en cada pixel, que se transfieren al circuito de lectura a través de pequeñas columnas de indio (bumps) de tamaño micrométrico, mediante los que se conectan todos y cada uno de los píxeles con su circuito de lectura situado en el chip de silicio. Una vez que la señal generada en cada pixel del detector llega al circuito de lectura, se convierte en una señal eléctrica y se envía a una pantalla donde se transforma en una imagen visible.

Una vez fabricados de manera independiente la matriz de detectores y el circuito de lectura, la conexión entra el primero y el segundo se realiza mediante soldadura en frío, para ello, la matriz de los detectores y el circuito de lectura son alineados adecuadamente y se aplica una fuerza que causa que los bumps de indio se suelden en frío. La imagen muestra diversos detalles de un detector IR completo:

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Izquierda: esquema de una matriz de detectores IR (arriba) y de su circuito integrado de lectura (abajo). Centro: esquema de la conexión de la matriz con el circuito integrado de lectura. Derecha: imagen de los “bumps” de indio que conectan cada pixel del sensor con el circuito de lectura.

Gracias al impresionante desarrollo de la tecnología microelectrónica, los circuitos de lectura se realizan en las fábricas de circuitos integrados comerciales mediante procedimientos de fabricación idénticos a los empleados para realizar los chips que incorporan dispositivos tan habituales en nuestra vida diaria como son los ordenadores personales o los teléfonos móviles.

3. La vanguardia de la tecnología IR: los nuevos telescopios
En la actualidad, una de las principales aplicaciones civiles de la tecnología IR es la observación en esa zona del espectro electromagnético proveniente de diversas fuentes emisoras del Universo, siendo uno de los campos más activos de desarrollo de esta tecnología. Este hecho no deja de ser sorprendente, habida cuenta de los muy diferentes presupuestos que mueven el mercado de armamentos (principal aplicación de estos sistemas) y el de la comunidad astronómica.

Mediante el desarrollo de lo que se denominan mosaicos de detectores, integrados por varias matrices de estos, se consigue elevar la resolución y la capacidad de detección de la radiación IR proveniente de fuentes astronómicas muy débiles o alejadas. Este es el objetivo central de muchos observatorios repartidos por todo el mundo. Muestro a continuación algunos ejemplos:

El telescopio terrestre UH-2.2 del complejo situado en Mauna Kea (Hawai, EEUU) dispone, desde mediados de 2012, de un sistema de detección IR compuesto por matrices de 4096 x 4096 pixeles, la primera cámara de estas características que se instaló en el mundo. El dispositivo integra 16,7 millones de pixeles individuales, está fabricado por uno de los gigantes del sector (Teledyne), y se sitúa en los límites de la tecnología actual y de la previsible en un futuro inmediato. La imagen muestra la matriz completa así como su soporte:

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Imagen frontal del detector H4RG-15 del telescopio UH 2.2. El tamaño es de 6,4 x 6,4 cm2. Los 16,7 millones de pixeles individuales son demasiado pequeños (15 x 15 µm²) para poder apreciarlos en la imagen

La siguiente imagen muestra un mosaico de 16 matrices de detectores IR, instalado en la cámara principal del telescopio VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy), instalado en Cerro Paranal, en el observatorio de la ESO (European Southern Observatory) en Chile; el telescopio VISTA está destinado a observar el cielo del hemisferio sur:

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Cámara del telescopio VISTA, formada por un mosaico de 4 x 4 matrices de detectores de 2048 x 2048 pixeles cada uno. El tamaño de cada matriz individual es de 4 x 4 cm² y el conjunto tiene 67 millones de pixeles. Fuente: Teledyne Scientific & Imaging

Finalmente, el futuro telescopio espacial James Web (JWST), el sustituto del Hubble, dispondrá de los últimos avances en la tecnología de detección IR. Dicho telescopio está destinado a observar todas las fases de la historia del Cosmos, desde los primeros instantes posteriores al Big Bang, a la formación de galaxias, estrellas y planetas, así como la evolución de nuestro Sistema Solar. Para cubrir esos objetivos, dispondrá de diversos instrumentos de observación en el IR, con una sensibilidad sin precedentes.

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El corazón del detector de uno de los instrumentos del JWST (NIRCam), mostrando el mosaico de 2 x 2 detectores IR de 2048 x 2048 pixeles cada uno (4,2 millones de pixeles cada matriz; 16,7 millones de pixeles el mosaico completo)

4. Conclusiones
El desarrollo de la tecnología de infrarrojos ha estado dominada por los detectores fotónicos desde los años 50 del siglo XX. Estos detectores requieren enfriamiento criogénico, que es el principal obstáculo para su uso generalizado, ya que los sistemas completos son voluminosos, pesados, caros e incómodos de usar.

Por otra parte, debido a que su campo principal de aplicaciones hasta la fecha son las militares, el secreto asociado a sus desarrollos ha impedido que se generalicen las colaboraciones entre laboratorios y empresas a escala internacional. No obstante, durante las últimas cuatro décadas se han realizado progresos significativos en este ámbito, al haberse ampliado su abanico de utilidades al campo civil.

En el futuro más o menos inmediato, las aplicaciones de los sistemas de imágenes IR requerirán un mayor número de píxeles, lo que pasa por disponer de mosaicos con varias decenas de millones de estos, así como una reducción de costes de los sistemas completos, lo que obligará a optimizar y principalmente reducir los requerimientos de refrigeración de los sensores. En pocos años será factible disponer de mosaicos con más de 100 millones de píxeles, estando limitado su número por razones económicas, pero no tecnológicas.