Инфракрасный фотоприемник с квантовыми ямами - Quantum well infrared photodetector

Профиль зоны проводимости фотопроводящего QWIP. Профиль зоны проводимости наклоняется при приложении напряжения смещения.

Квантовый Хорошо Инфракрасный фотоприемник ( QWIP ) представляет собой ИК - фотоприемника , который использует электронные переходы межподзонных в квантовых ямах , чтобы поглощать фотоны. Для того, чтобы его можно было использовать для инфракрасного обнаружения, параметры квантовых ям в инфракрасном фотодетекторе с квантовыми ямами настраиваются таким образом, чтобы разность энергий между его первым и вторым квантованными состояниями соответствовала энергии входящего инфракрасного фотона. QWIP обычно изготавливаются из арсенида галлия , материала, который обычно используется в смартфонах и высокоскоростном коммуникационном оборудовании. В зависимости от материала и конструкции квантовых ям уровни энергии QWIP могут быть адаптированы для поглощения излучения в инфракрасной области от 3 до 20 мкм.

QWIP - это одна из простейших структур квантово-механических устройств, которые могут обнаруживать средневолновое и длинноволновое инфракрасное излучение. Они известны своей стабильностью, высокой однородностью от пикселя к пикселю и работоспособностью с высоким разрешением.

История

В 1985 году Стивен Эглаш и Лоуренс Уэст наблюдали сильный межподзонный переход во множественных квантовых ямах (МКЯ), что побудило более серьезно задуматься об использовании квантовых ям для инфракрасных детекторов. Раньше попытки использовать квантовые ямы для инфракрасного обнаружения были основаны на свободном поглощении в квантовых ямах, которое выводит электроны за пределы барьеров. Однако полученные детекторы показали низкую чувствительность.

К 1987 году были сформулированы основные принципы работы инфракрасного фотодетектора с квантовыми ямами, который продемонстрировал чувствительное инфракрасное обнаружение. В 1990 году низкотемпературная чувствительность технологии была дополнительно улучшена за счет увеличения толщины барьера, который подавлял туннельный ток. В то время эти устройства были формально известны как инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами. В 1991 году с использованием этого подхода было получено первое инфракрасное изображение.

В 2002 году исследователи из Исследовательской лаборатории армии США (ARL) разработали регулируемый по напряжению двухцветный QWIP с эффективным переключением длины волны для дистанционного измерения температуры. Прибор показал длину волны детектирования пика 7,5 микрометров для положительного смещения при 10 К, когда электроны находились в одной из квантовых ям, и переключился на длину волны 8,8 микрометров при большом отрицательном смещении, когда электроны переносились в другую лунку.

Тем не менее, несмотря на ее использование в гражданских приложениях, американские военные сочли технологию QWIP недостаточной для использования в военных целях. В то время фотодетекторы могли воспринимать одномерное квантование только тогда, когда свет проходил параллельно слоям материала, что обычно происходило, когда свет падал на край детектора. В результате технология QWIP имела квантовую эффективность всего 5 процентов. Кроме того, отражающие решетки, обычно используемые в промышленности для решения этой проблемы, были сделаны из очень тонких периодических столбов, и их было трудно производить в больших форматах.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Лаборатории армейских исследований в 2008 году разработали гофрированный квантовый инфракрасный фотодетектор (C-QWIP), в котором использовались микрозеркала на фотоприемнике для повышения эффективности перенаправления света в область квантовой ямы на любой длине волны. По сути, боковые стенки детектора, наклоненные под углом 45 градусов, позволяли свету отражаться параллельно слоям материала, создавая электрический сигнал. Тесты, проведенные исследователями из ARL и L-3 Communications Cincinnati Electronics, показали, что C-QWIP демонстрирует полосу пропускания более 3 микрометров, что в 5 раз шире, чем у коммерческого QWIP в то время. Поскольку C-QWIP могут изготавливаться с использованием арсенида галлия, они служили более доступной альтернативой обычным инфракрасным детекторам для армейских вертолетов без ущерба для разрешения и без необходимости калибровки и обслуживания.

В феврале 2013 года НАСА запустило спутник с датчиком теплового инфракрасного излучения (TIRS) в рамках своей миссии Landsat Data Continuity Mission . TIRS использовал три C-QWIP, разработанные Исследовательской лабораторией армии США, для обнаружения длинных волн света, излучаемого Землей, и отслеживания того, как используются вода и суша планеты. Это приложение отметило первое использование QWIP в космосе.

Функция

Коэффициент усиления фотопроводимости в инфракрасном фотоприемнике с квантовой ямой. Чтобы уравновесить потерю электронов из квантовой ямы, электроны инжектируются из верхнего контакта эмиттера. Поскольку вероятность захвата меньше единицы, необходимо инжектировать дополнительные электроны, и общий фототок может стать больше, чем ток фотоэмиссии.

Инфракрасные детекторы обычно работают, обнаруживая излучение, испускаемое объектом, а интенсивность излучения определяется такими факторами, как температура объекта, расстояние и размер. В отличие от большинства инфракрасных фотодетекторов, QWIP не зависят от ширины запрещенной зоны детектирующего материала, потому что они основаны на оптическом переходе в пределах одной энергетической полосы. В результате его можно использовать для обнаружения объектов с гораздо меньшей энергией излучения, чем это было возможно ранее.

Основными элементами QWIP являются квантовые ямы , разделенные барьерами. Квантовые ямы спроектированы так, чтобы иметь одно ограниченное состояние внутри ямы и первое возбужденное состояние, которое совпадает с вершиной барьера. Ямы легированы n-примесью, так что основное состояние заполнено электронами. Барьеры достаточно широки, чтобы предотвратить квантовое туннелирование между квантовыми ямами. Типичный QWIP состоит из 20-50 квантовых ям. Когда на QWIP подается напряжение смещения, вся зона проводимости наклоняется. Без света электроны в квантовых ямах просто находятся в основном состоянии. Когда QWIP освещается светом той же или большей энергии, что и энергия межподзонного перехода, электрон возбуждается.

Когда электрон находится в возбужденном состоянии, он может уйти в континуум и измеряться как фототок. Чтобы измерить фототок извне, необходимо извлечь электроны, приложив электрическое поле к квантовым ямам. Эффективность этого процесса абсорбции и экстракции зависит от нескольких параметров.

Воспроизвести медиа

Это видео демонстрирует эволюцию использования инфракрасного фотодетектора с квантовыми ямами (QWIP) от начала до испытаний на земле и с самолета и, в конечном итоге, до научной миссии НАСА.

Фототок

Предполагая, что детектор освещается потоком фотонов (количество фотонов в единицу времени), фототок равен ${\ displaystyle \ phi}$${\ displaystyle I_ {ph}}$

${\ displaystyle I_ {ph} = e \ phi \ eta g_ {ph}}$

где - элементарный заряд, - эффективность поглощения и - коэффициент фотопроводимости. и - вероятности того, что фотон добавит электрон к фототоку, также называемый квантовой эффективностью . - вероятность того, что фотон возбудит электрон, и зависит от транспортных свойств электрона. ${\ displaystyle e}$${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle g_ {ph}}$

Фотопроводящее усиление

Коэффициент усиления фотопроводимости - это вероятность того, что возбужденный электрон вносит вклад в фототок, или, в более общем смысле, количество электронов во внешней цепи, деленное на количество электронов квантовой ямы, поглощающих фотон. Хотя поначалу это может показаться нелогичным, возможно, что оно больше единицы. Каждый раз, когда электрон возбуждается и извлекается в виде фототока, из противоположного контакта (эмиттера) инжектируется дополнительный электрон, чтобы уравновесить потерю электронов из квантовой ямы. В общем, вероятность захвата , поэтому инжектированный электрон может иногда проходить через квантовую яму и попадать в противоположный контакт. В этом случае еще один электрон вводится из контакта эмиттера, чтобы сбалансировать заряд, и снова направляется к колодцу, где он может или не может быть захвачен, и так далее, пока в конечном итоге электрон не будет захвачен в колодце. Таким образом, может стать больше единицы. ${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle p_ {c} \ leq 1}$${\ displaystyle g_ {ph}}$

Точное значение определяется соотношением вероятности захвата и вероятности ухода . ${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle p_ {c}}$${\ displaystyle p_ {e}}$

${\ displaystyle g_ {ph} = {\ frac {p_ {e}} {N \, p_ {c}}}}$

где - количество квантовых ям. Число квантовых ям фигурирует только в знаменателе, поскольку оно увеличивает вероятность захвата , но не вероятность ухода . ${\ displaystyle N}$${\ displaystyle p_ {c}}$${\ displaystyle p_ {e}}$

Рекомендации

внешние ссылки

• НАСА QWIP исследования
• Исправленный QWIP для мегапиксельных сенсоров (Двадцать седьмая армейская научная конференция)