Rozmowa z prof. Józefem Piotrowskim, dyrektorem R&D w firmie Vigo System

• Jakie przełomowe zmiany w ostatnich latach w firmie Vigo warto odnotować?

• Największa zmiana w Vigo w ostatnich latach dotyczy wykorzystywanej przez nas technologii produkcji niechłodzonych półprzewodnikowych fotodetektorów średnio- i długofalowego promieniowania podczerwonego. Do tej grupy detektorów zaliczane są fotodetektory promieniowania o długości fali od 3 do 16μm, pracujące w temperaturze otoczenia lub chłodzone za pomocą prostych i tanich chłodziarek termoelektrycznych.

  Konieczność kriogenicznego chłodzenia fotodetektorów jest główną przeszkodą w rozwoju techniki podczerwieni. Już w latach 70. ubiegłego wieku dostrzegliśmy możliwość konstrukcji fotodetektorów niechłodzonych o użytecznych parametrach i ogromne znaczenie praktyczne rozwoju detektorów tego typu. Trzymamy się tej tematyki przez cały czas, konsekwentnie rozwijając technologię produkcji i opracowując nowe, coraz lepsze konstrukcje.

  Do konstrukcji detektorów wykorzystujemy tellurek kadmowortęciowy, unikalny materiał, którego przerwa energetyczna może być zmieniana w szerokich granicach przez zmianę składu. W tym materiale niezmienność stałej sieciowej ze zmianą składu potencjalnie umożliwia inżynierię przerwy energetycznej, pozwala na wytwarzanie heterostruktur półprzewodnikowych o praktycznie dowolnej strukturze przestrzennej.

  Niestety, tellurek kadmowo-rtęciowy jest uważany za półprzewodnik o najtrudniejszej technologii. Do 2003 roku produkowaliśmy detektory za pomocą prostej metody epitaksji izotermicznej HgCdTe z fazy gazowej. Jej zaletą było to, że nie wymagała kosztownych urządzeń, z drugiej strony nie pozwalała produkować skomplikowanych struktur półprzewodnikowych, na przykład takich, w których szerokość przerwy zabronionej mogła być zwiększana lub zmniejszana w kolejnych warstwach heterostruktury.

  Możliwość swobodnego kształtowania w przestrzeni przerwy zabronionej i poziomu domieszkowania z czasem stała się dla nas kluczowym zagadnieniem z punktu widzenia rozwoju nowych sensorów o optymalnych parametrach, zarówno dla detekcji promieniowania monochromatycznego, jak i promieniowania o złożonym widmie. Taką zmianę technologii zapewnił nam reaktor MOCVD kupiony w 2003 roku. Nabyliśmy wtedy samo urządzenie, bez technologii, gdyż nikt na świecie nie sprzedaje technologii dla HgCdTe, materiału o wielkim znaczeniu dla zastosowań militarnych, naukowych i przemysłowych.

  W ciągu niecałego roku, po setkach eksperymentów, stworzyliśmy procedury technologiczne umożliwiające wytwarzanie wszystkich typów przyrządów opracowanych wcześniej i wielu nowych.

• W jaki sposób produkuje się sensory promieniowania podczerwonego?

• Podstawą technologii detektorów podczerwieni jest heteroepitaksja tellurku kadmowo-rtęciowego na niedopasowanym podłożu dwucalowym z arsenku galu metodą MOCVD. Otrzymywane są w ten sposób wielowarstwowe, zawierające do dwudziestu kilku warstw, heterostruktury półprzewodnikowe różniące się grubością, składem, domieszkowaniem i rozmyciem obszarów przejściowych. Spełniają one różne funkcje: konstrukcyjne, optyczne, fotoelektryczne i elektroniczne.

  Początkowo nakładamy na podłoże warstwy buforowe tellurku kadmowego i kadmowo-rtęciowego, po to, aby dopasować nowy materiał do podłoża w sposób ograniczający liczbę dyslokacji, a następnie kolejne warstwy HgCdTe o różnym przeznaczeniu. Najważniejsze warstwy funkcjonalne to absorber, w którym następuje pochłanianie promieniowania podczerwonego oraz obszary kontaktowe, które zbierają generowane optycznie nośniki ładunku.

  Inne warstwy umożliwiają uzyskanie wewnętrznego wzmocnienia fotoelektrycznego, ograniczają szumogenną termiczną generację nośników ładunku, ograniczają prądy tunelowe, spełniają rolę filtrów optycznych kształtujących charakterystyki widmowe przyrządu, zwiększają odbicie promieniowania od tylnej powierzchni struktury, aby umożliwić dwukrotne przejście słabo pochłanianego promieniowania przez absorber. Wiele przyrządów jest projektowanych tak, aby wielowarstwowa heterostruktura tworzyła optyczną wnękę rezonansową, znacznie zwiększającą wydajność kwantową przyrządu.

  Architektura detektora jest zależna od jego przeznaczenia. Jest projektowana za pomocą symulacji komputerowych, tak aby uzyskać pożądane charakterystyki. Praktyczna realizacja heterostruktury wymaga opracowania procedur opisywanych dziesiątkami parametrów i charakterystyk. Każda zmiana jednego parametru wzrostu pociąga za sobą konieczność zmiany wielu innych. Powoduje to, że dopracowanie technologii jest koszmarem i wymaga niesłychanego nakładu pracy. Producent, oddając urządzenie, miał zademonstrować wykonanie pojedynczej warstwy, co zresztą się nie udało.

  Technologia heterostruktur jest nieustannie doskonalona. Szczęśliwie maszyna jest bardzo wydajna, znacznie przewyższając nasze potrzeby. Z każdej heterostruktury możemy otrzymać kilkaset detektorów, co przy naszej specjalistycznej produkcji jest ilością bardzo dużą. Umożliwia to prowadzenie równolegle do produkcji prac badawczych. Epitaksja heterostruktur jest krytycznym etapem produkcji detektorów.

  Jest to jednak dopiero początek procesu wytwarzania detektorów, która wymaga kilkudziesięciu dalszych operacji technologicznych takich jak trawienie, nanoszenie warstw pasywacyjnych i kontaktowych, cięcie płytek na chipy czy wytwarzanie mikrosoczewek immersyjnych monolitycznie zintegrowanych ze strukturą detektora. Wykonywana jest również wszechstronna charakteryzacja struktur testowych i gotowych przyrządów, pomiary charakterystyk impedancyjnych, widmowych, szumowych i ich zależności od temperatury i innych czynników.

  Dzięki stałemu doskonaleniu technologii tworzymy przyrządy lepsze, o większej wykrywalności i szybkości działania, bardziej niezawodne, wygodniejsze w stosowaniu i tańsze w produkcji. Elastyczność procesów technologicznych i duża wydajność reaktora pozwala nam tworzyć sensory na zamówienie, dopasowane do specyficznych potrzeb użytkownika, w szczególności do każdego pasma promieniowania w zakresie 3–16μm i na różne temperatury pracy.

• Z czego wynika tak wielkie skomplikowanie konstrukcji sensora? Jakie cechy wyróżniają niechłodzone detektory półprzewodnikowe?

• Obecnie coraz więcej naukowców jest przekonanych, że fundamentalne granice wykrywalności promieniowania określane przez szum kwantowy termicznego promieniowania otoczenia mogą być osiągnięte bez chłodzenia detektorów. Jest to tylko problem techniczny, związany z właściwościami zastosowanych półprzewodników i strukturą przestrzenną przyrządów.

  Fundamentalne granice czułości przyrządów mogą być osiągnięte tylko przy odpowiedniej architekturze przyrządu, składającego się z rozmieszczonych w przestrzeni półprzewodników o różnej szerokości przerwy energetycznej, różnym domieszkowaniu i wynikających z tego różnych właściwościach optycznych i fotoelektrycznych. W takich przyrządach możliwe jest wykorzystanie niemal wszystkich fotonów promieniowania podczerwonego do optycznej generacji nośników i tworzenia sygnału elektrycznego, a równocześnie eliminacja szumogennej generacji termicznej.

  Obecnie produkowane detektory, które pracują z wbudowaną dwustopniową chłodziarką termoelektryczną obniżającą temperaturę do około –40ºC i są zaopatrzone w mikrosoczewki immersyjne, osiągają już parametry bliskie fundamentalnych granic w dość szerokim i ważnym zakresie widmowym 3–6μm. Prowadzone obecnie prace badawczo- rozwojowe prowadzą do systematycznej poprawy parametrów przyrządów długofalowych, które ciągle znacznie odbiegają od fundamentalnych granic. Wysoce pożądaną cechą detektorów podczerwieni dla większości zastosowań jest szybkość działania.

  Długofalowe detektory podczerwieni charakteryzują się dużą szybkością działania, opisywaną przez nano- i subnanosekundowe stałe czasowe. Niedawno udało się nam znacznie zwiększyć szybkość działania, osiągając stałe czasowe mniejsze od 100ps. Zostało to osiągnięte dzięki udoskonaleniom architektury umożliwiającą szybkie zbieranie generowanych optycznie nośników ładunku, a nie przez zwiększanie szumogennej rekombinacji nośników.

  Wysokoczułe i szybkie w działaniu detektory są wykorzystywane w wojsku w dalmierzach laserowych, systemach ostrzegających załogi pojazdów wojskowych i helikopterów do wykrywania promieniowana laserowego z dalmierzy i systemów naprowadzania broni. Sensory sprawdzają się także w systemach łączności optycznej i telekomunikacji. Jednym z ostatnich odkryć jest wykorzystanie detektorów podczerwieni w ultraczułych analizatorach gazów. Są to elektroniczne nosy zdolne wykrywać pojedyncze molekuły substancji.

  Daje to fantastyczne możliwości zastosowań w medycynie, gdzie taki „nos” jest w stanie wykryć „zapach” komórek rakowych w oddechu lub emitowany przez skórę, a także zapach materiałów wybuchowych umieszczonych w walizce. Takie urządzenia diagnostyki stają się coraz tańsze i dostępne, z czasem będą zapewne takim samym elementem diagnostyki jak termometr lekarski. Coraz bardziej masowe zastosowania wywołują wzrost rynku i spadek cen detektorów.

• Jaką pozycję na rynku ma Vigo? Jak kształtują się ceny detektorów na rynku?

• Vigo jest obecnie globalnym dostawcą niechłodzonych fotodetektorów średniej i dalekiej podczerwieni pracujących bez chłodzenia kriogenicznego. Są to obecnie najbardziej czułe i najszybsze detektory w tej klasie. Nasza produkcja jest bardzo elastyczna, wytwarzamy różnorakie przyrządy dostosowane do specyficznych potrzeb. Obecnie najczęstsze zamówienia dotyczą setek sztuk rocznie, największe wykonywane dotąd serie przyrządów jednego typu sięgały tysięcy sztuk, ale jednostkowe zamówienia ciągle stanowią znaczną część produkcji.

  Nasze detektory są dostarczane do kilkudziesięciu firm i rozproszonych odbiorców w niemal wszystkich krajach świata. Głównym odbiorcą są znane firmy z USA, Europy, Japonii, Korei, Tajwanu. Stosunkowo mało detektorów jest sprzedawanych w Polsce, jedynym dużym odbiorcą jest PCO, producent nowoczesnych systemów optoelektronicznych dla zastosowań wojskowych. Wielu naszych odbiorców nie pozwala na ujawnianie ich danych. Co więcej, niektórzy nasi partnerzy zamawiający nowe rozwiązania zastrzegają sobie, aby osoby postronne nie miały kontaktu z produkowanymi dla nich detektorami.

  Utrudnia to współpracę badawczą, w szczególności ogranicza możliwości zwiedzania zakładu i przyjmowania stażystów. Ceny najtańszych detektorów kształtują się na poziomie 200–300 euro, ceny detektorów średniej klasy wahają się na poziomie 1000 euro, zaś za przyrządy najwyższej klasy sięgają kwot nawet 10-krotnie większych.

• Byliście pionierami technologii. Jak obecnie wygląda konkurencja w tym obszarze optoelektroniki?

• Jak już podkreślałem, produkowane przez nas detektory stanowią obecnie stosunkowo niewielką, ale szybko rosnącą niszę rynkową. Konkurencja w tej dziedzinie jest ciągle niewielka. Unikamy natomiast pokusy wchodzenia na rynek przyrządów chłodzonych kriogenicznie, charakteryzujących się najwyższymi parametrami, jednak kosztownymi i kłopotliwymi w zastosowaniach, zwłaszcza cywilnych. Detektory takie są produkowane masowo dla potrzeb militarnych przez potężny przemysł optoelektroniczny w rozwiniętych krajach świata.

  Najczęściej są to zaawansowane detektory mozaikowe chłodzone za pomocą drogich chłodziarek Stirlinga i Thompsona. Konieczność chłodzenia kriogenicznego sprawia, że przyrządy te są kłopotliwe w zastosowaniach. Należy stwierdzić, iż zainteresowanie przyrządami pracującymi bez chłodzenia kriogenicznego rośnie i należy liczyć się ze zwiększoną konkurencją także w tej dziedzinie. Kiedyś staraliśmy się patentować kluczowe rozwiązania technologiczne, co wiązało się z dużymi kosztami i nakładem pracy. Niestety szybki rozwój technologii spowodował, że od patentów odeszliśmy.

  Zamiast ochrony patentowej staramy się uciekać konkurencji do przodu, gdyż szybki rozwój technologii jest dzisiaj skuteczniejszą ochroną przed inżynierią wsteczną niż patenty i ochrona prawna. Wiele produktów różnego typu wytwarzanych na zamówienie, często nawet pojedyncze unikalne sztuki, które też wykonujemy, nie pozwalają na efektywne podglądanie technologii. W naszej pracy nie posługujemy się inżynierią wsteczną, mimo że wiem o kilku programach ewaluacyjnych, gdzie nasze detektory są poddawane badaniom. To dlatego, że Vigo przez cały czas jest liderem w danym segmencie rynku i nasze rozwiązania są obiektem zainteresowania konkurencji.

• Niedawno firma Vigo przeniosła się do Ożarowa Mazowieckiego, a siedziba firmy rozrosła się do dwóch dużych budynków. Jak to się stało?

• W poprzednim miejscu przez cały czas żyliśmy w stanie zagrożenia wymówieniem najmu. Nieplanowana przeprowadzka mogłaby okazać się dla firmy katastrofą, gdyż urządzenia takie jak reaktor MOCVD w zasadzie nie powinny być przenoszone w ogóle. Gdy poprosiliśmy producenta reaktora o wsparcie w przeprowadzce, nie gwarantował nam nawet, że po ponownej instalacji będzie on jeszcze dalej działać. Dlatego woleliśmy uprzedzić fakty i zainwestowaliśmy we własną siedzibę w Ożarowie Mazowieckim.

  Uznaliśmy, że lepiej będzie wziąć kredyt i pracować we własnej siedzibie, niż liczyć na zrozumienie spółdzielni mieszkaniowej. Dzięki temu mamy obecnie własne budynki, gdzie umieszczona jest produkcja, handel, laboratoria i administracja. Urządzenie MOCVD musieliśmy własnymi siłami rozebrać i złożyć, tak aby się nie zanieczyściło i nie uszkodziło przy transporcie. Wykorzystuje ono ultraczyste media i dlatego transport jest bardzo kłopotliwy. Szczęśliwie udało się sprzęt uruchomić ponownie, ale wznowienie produkcji zajęło kilka miesięcy morderczej pracy.

  Firma zatrudnia około 60 osób. Nasza pozycja rynkowa w dużej mierze bazuje na nieustannym rozwoju, opartym o intensywnie prace badawczo-rozwojowe, finansowane głównie ze środków własnych. Uzyskujemy również wsparcie w postaci grantów polskich i EU. Publikujemy wiele artykułów w znanych w periodykach naukowych, w firmie powstało kilka monografii i książek. Nasze produkty są nieustannie doskonalone, a do oferty handlowej są wprowadzane nowe typy detektorów.

• Czym oprócz detektorów się zajmujecie?

• Oprócz samych detektorów wprowadzamy do produkcji moduły, w których integrujemy w jedną funkcjonalną całość detektor z układem optycznym, mikrochłodziarkami termoelektrycznymi i obwodami kondycjonowania sygnału. Pracujemy też nad integracją układów wzmacniających wewnątrz obudowy detektora, co jest fundamentalną podstawą rozwoju układów szerokopasmowych. Chcemy rozwijać także produkty gotowe, czego przykładem może być nasza kamera termowizyjna V50.

  Szczególnie atrakcyjne wydają się moduły detekcyjne OEM, odpowiadające specyficznym potrzebom naszych partnerów. Mają one standardowe parametry, odporną i przetestowaną konstrukcję, która chroni wrażliwe elementy detekcyjne przed narażeniami środowiskowymi, elektrycznością statyczną i przepięciami generowanymi przez obwody wejściowe urządzeń techniki podczerwieni.

• Czy coraz lepsze parametry detektorów niechłodzonych zmieniają układ sił na rynku?

• Przykładem polepszania parametrów niechłodzonych detektorów podczerwieni jest detektor promieniowania lasera na dwutlenku węgla. Od chwili wprowadzenia na rynek wykrywalność tego przyrządu wzrosła o trzy rzędy wielkości, jednak jest kilka razy niższa od fundamentalnej granicy. Rynek niechłodzonych fotodetektorów i urządzeń, w których są wykorzystywane, rozwija się dynamicznie. Przyrządy te coraz częściej są w stanie zastąpić detektory chłodzone kriogenicznie.

  Co więcej, handlowa dostępność detektorów niechłodzonych o wysokich parametrach generuje nowe aplikacje, które nie były dotąd możliwe ze względu na ograniczenia chłodzenia kriogenicznego. Istotne znaczenie ma również rozwój chłodziarek termoelektrycznych, które stają się coraz lepsze, mniejsze i tańsze.

• Co jest największym wyzwaniem i problemem w Pana pracy?

• Do niedawna największym wyzwaniem była potrzeba polepszenia czułości i szybkości działania detektorów niechłodzonych oraz rozszerzenie zakresu widmowego ich pracy. Potrzeby te są dalej istotne, jednak największym wyzwaniem jest obecnie konieczność radykalnego zwiększenia produktywności wytwarzania bardzo szerokiej gamy produktów dostosowanych do potrzeb odbiorców.

  Mamy tu wiele do zrobienia. Różnorodność produkcji, asortymentu i skali, stwarza wielkie bariery, zwłaszcza w processingu elementów i ich montażu w obudowach. Niektóre operacje technologiczne i pomiarowe są ciągle niedopracowane, a ich zestawianie dla różnych produktów źle zorganizowane. Ręczny mikromontaż pod kontrolą mikroskopu musi być zastąpiony urządzeniami półautomatycznymi z mikromanipulatorami.

  Zakupy nowoczesnych analizatorów widma i impedancji, skomputeryzowanych profilometrów wysokiej rozdzielczości, szerokopasmowych spektrofotometrów fourierowskich znacznie ułatwiły charakteryzację produkowanych przyrządów. Badania szybkości działania detektorów o wysokiej szybkości działania są wykonywane w zagranicznych laboratoriach dysponujących unikalnymi źródłami krótkich impulsów promieniowania, takich jak lasery na wolnych elektronach i źródła synchrotronowe.

  Aktualnym problemem jest zakup źródła pikosekundowych impulsów promieniowania, przestrajalnego w szerokim zakresie widmowym od ultrafioletu do dalekiej podczerwieni. Umożliwi to 100% kontrolę szybkości działania. Potencjalnym zagrożeniem dla przyszłości Vigo jest zwiększone zainteresowanie detektorami niechłodzonymi, a w szczególności możliwość powstania na świecie innych firm podobnych do naszej.

  Szczególnie jest to istotne w przypadku Chin, gdzie realizowanych jest wiele projektów badawczych i inwestycji w dziedzinie optoelektroniki. Chińscy inżynierowie są innowacyjni, ciężko pracują i stają się zagrożeniem dla niewielkich firm jak nasza. Rynek chiński jest bardzo duży, a upowszechnienie się różnorakich urządzeń z niechłodzonymi detektorami podczerwieni, np. elektronicznych nosów diagnostycznych w medycynie, spowoduje, że rynek detektorów z niszowego zmieni się w masowy, co przyciągnie wielkie pieniądze i koncerny.

  Tym samym niebezpieczeństwo, iż duża firma zainwestuje potężny kapitał w produkcję, staje się powoli realne. Na rynku jest coraz trudniej. Mimo że mamy coraz więcej produktów i są one coraz lepsze, to jednak liczy się coraz więcej czynników biznesowych i dzisiaj nie wystarczy mieć dobre produkty, trzeba produkować niedrogo i na czas. Dlatego w przyszłości chciałbym doprowadzić do wzrostu operatywności działu produkcyjnego firmy.

  Coraz lepiej znamy rynek i naszych konkurentów, docierają do nas informacje od dystrybutorów, od klientów, z którymi razem uczestniczymy w realizacji projektów, przez co możemy lepiej przygotować się do nadchodzących czasów.

• W jakim kierunku będzie podążał rozwój detektorów?

• Niewątpliwie będzie to dalsze polepszanie czułości i szybkości działania, zwiększanie niezawodności i odporności na narażenia środowiskowe, a może przede wszystkim zmniejszanie kosztów wytwarzania. Mam wiele pomysłów, gdyż rozwój detektorów promieniowania podczerwonego w wielu miejscach opiera się na wykorzystaniu nowych zjawisk fizycznych i doskonaleniu konstrukcji, ale także różnorakich sztuczkach i technologicznych zawiłościach.

  Na pewno jednym z celów jest integracja detektora z elektroniką w mikroobudowach, po to, aby całość stanowiła gotowy do użycia od strony elektrycznej czujnik. Kolejnym tematem jest zapewnienie wewnętrznego wzmocnienia generowanego przez detektor sygnału, w sposób podobny do działania fotopowielaczy. Wystarczające byłoby osiągnięcie wzmocnienia rzędu 10, co uprościłoby konstrukcję obwodów kondycjonujących.

  Praca ta daje niezwykle wiele satysfakcji. Zwłaszcza gdy nasze detektory trafiają do spektakularnych aplikacji. Przykładem, którym wyjątkowo możemy się pochwalić, jest bezzałogowy robot NASA, jaki zostanie wysłany na Marsa w 2009 roku i będzie tam szukał śladów życia. Nasze czujniki są kluczowym elementem urządzenia analizującego skład chemiczny skał. Bazuje on na oświetlaczach laserowych i detektorach promieniowania podczerwonego, które razem tworzą precyzyjny analizator zdolny do wykrycia śladów materii organicznej.

  Jesteśmy preferowanym dostawcą NASA i otrzymaliśmy zgodę na podawanie tej informacji, co uważamy za wyróżnienie.

Rozmawiał Robert Magdziak