Инфракрасный фотодетектор с квантовой ямой

Инфракрасный фотодетектор с квантовой ямой ( QWIP ) — это инфракрасный фотодетектор , который использует электронные межподзонные переходы в квантовых ямах для поглощения фотонов. Чтобы его можно было использовать для инфракрасного обнаружения, параметры квантовых ям в инфракрасном фотодетекторе с квантовыми ямами настраиваются так, чтобы разница энергий между его первым и вторым квантованными состояниями соответствовала энергии входящих инфракрасных фотонов. QWIP обычно изготавливаются из арсенида галлия — материала, который обычно используется в смартфонах и высокоскоростном коммуникационном оборудовании. ^[1] В зависимости от материала и конструкции квантовых ям энергетические уровни QWIP могут быть адаптированы для поглощения излучения в инфракрасной области от 3 до 20 мкм. ^[2]

QWIP — одна из простейших структур квантово-механических устройств, способных обнаруживать средневолновое и длинноволновое инфракрасное излучение. Они известны своей стабильностью, высокой однородностью пикселей и работоспособностью в высоком разрешении. ^[3]

История

В 1985 году Стивен Иглаш и Лоуренс Уэст наблюдали сильный межподзонный переход в множественных квантовых ямах (MQW) , что побудило более серьезно рассмотреть возможность использования квантовых ям для инфракрасных детекторов. ^[4] Ранее попытки использовать квантовые ямы для обнаружения инфракрасного излучения были основаны на свободном поглощении в квантовых ямах, которое переносит электроны через верхнюю часть барьеров. Однако полученные детекторы показали низкую чувствительность. ^[5]

К 1987 году были сформулированы основные принципы работы инфракрасного фотодетектора с квантовой ямой, который продемонстрировал чувствительное обнаружение инфракрасного излучения. В 1990 году низкотемпературная чувствительность технологии была дополнительно улучшена за счет увеличения толщины барьера, что подавило туннельный ток. ^[5] На тот момент эти устройства были формально известны как инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами. ^[5]^[6] В 1991 году с помощью этого подхода было получено первое инфракрасное изображение. ^[5]

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

Тем не менее, несмотря на использование технологии QWIP в гражданских целях, военные США сочли технологию QWIP недостаточной для использования в военных целях. В то время фотодетекторы могли воспринимать одномерное квантование только тогда, когда свет распространялся 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, изготавливались из очень тонких периодических столбов, и их было трудно производить в больших форматах. ^[1]

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Армейской исследовательской лаборатории в 2008 году разработали гофрированный квантовый инфракрасный фотодетектор (C-QWIP), в котором использовались микрозеркала на фотодетекторе для повышения эффективности перенаправления света в область квантовой ямы на любой длине волны. ^[9] По сути, боковые стенки детектора, наклоненные под углом 45 градусов, позволяли свету отражаться параллельно слоям материала, создавая электрический сигнал. ^[10] Испытания, проведенные исследователями из ARL и L-3 Communications Cincinnati Electronics, показали, что C-QWIP продемонстрировал полосу пропускания, превышающую 3 микрометра, что было в 5 раз шире, чем у коммерческого QWIP того времени. ^[9] Поскольку C-QWIP могут быть изготовлены с использованием арсенида галлия, они послужили более доступной альтернативой обычным инфракрасным детекторам для армейских вертолетов, не жертвуя разрешением и требуя меньше калибровки и обслуживания. ^[11]

В феврале 2013 года НАСА запустило спутник с термоинфракрасным датчиком (TIRS) в рамках своей миссии Landsat по обеспечению непрерывности данных . В TIRS использовались три C-QWIP, разработанные Армейской исследовательской лабораторией, для обнаружения длинных волн света, излучаемого Землей, и отслеживания того, как используются вода и земля планеты. Это приложение ознаменовало первый случай использования QWIP в космосе. ^[1]^[11]^[12]

Функция

Инфракрасные детекторы обычно работают путем обнаружения излучения , испускаемого 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, поскольку в их основе лежит оптический переход в пределах одной энергетической полосы. В результате его можно использовать для обнаружения объектов с гораздо более низкой энергией излучения, чем это было возможно ранее. ^[5]

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

Когда электрон находится в возбужденном состоянии, он может выйти в континуум и быть измерен как фототок. Для внешнего измерения фототока электроны необходимо извлечь, приложив электрическое поле к квантовым ямам. Эффективность этого процесса поглощения и экстракции зависит от нескольких параметров.

В этом видео показана эволюция использования инфракрасного фотодетектора с квантовыми ямами (QWIP) от создания до испытаний на земле и самолете и, в конечном итоге, до научной миссии НАСА.

Фототок

Полагая, что детектор освещается потоком фотонов $\phi$ (число фотонов в единицу времени), фототок $I_{ph}$ является

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

где $e$ это элементарный заряд, $\eta$ - эффективность поглощения и $g_{ph}$ - коэффициент фотопроводимости. ^[13] $\eta$ и $g_{ph}$ — это вероятность того, что фотон присоединит электрон к фототоку, также называемая квантовой эффективностью . $\eta$ - вероятность того, что фотон возбудит электрон, а $g_{ph}$ зависит от свойств электронного транспорта.

Фотопроводящее усиление

Фотопроводящий выигрыш $g_{ph}$ — это вероятность того, что возбужденный электрон вносит вклад в фототок, или, в более общем смысле, количество электронов во внешней цепи, деленное на количество электронов в квантовой яме, которые поглощают фотон. Хотя на первый взгляд это может показаться нелогичным, но вполне возможно, что $g_{ph}$ быть больше единицы. Всякий раз, когда электрон возбуждается и извлекается в виде фототока, дополнительный электрон вводится из противоположного (эмиттерного) контакта, чтобы компенсировать потерю электронов из квантовой ямы. В целом вероятность захвата $p_{c}\leq 1$ , поэтому инжектированный электрон может иногда проходить через квантовую яму и попасть в противоположный контакт. В этом случае еще один электрон выбрасывается из контакта эмиттера, чтобы сбалансировать заряд, и снова направляется к яме, где он может быть захвачен, а может и не быть, и так далее, пока в конечном итоге электрон не будет захвачен в яме. Таким образом, $g_{ph}$ может стать больше единицы.

Точная стоимость $g_{ph}$ определяется соотношением вероятности поимки $p_{c}$ и вероятность побега $p_{e}$ .

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

где $N$ — количество квантовых ям. Количество квантовых ям появляется только в знаменателе, так как оно увеличивает вероятность захвата. $p_{c}$ , но не вероятность побега $p_{e}$ .

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с «От базовой квантовой механики к современной инфракрасной визуализации» . Исследовательская лаборатория армии США . 23 июля 2013 года . Проверено 27 августа 2018 г.
^ «Квантовые ямы инфракрасных детекторов фотонов» . ИК Нова . Архивировано из оригинала 8 марта 2018 года . Проверено 27 августа 2018 г.
^ Гунапала, Сарат; Бандара, Сумит; Лю, Джон; Мумоло, Джейсон; Рафол, сэр; Тинг, Дэвид; Сойбель, Александр; Хилл, Кори (2 июня 2014 г.). «Технология и применение инфракрасных фотодетекторов с квантовыми ямами». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 20 (6): 154. Бибкод : 2014IJSTQ..20..154G . дои : 10.1109/JSTQE.2014.2324538 . S2CID 35168600 .
^ Уэст, Лоуренс (июль 1985 г.). «Спектроскопия квантовых ям GaAs» . Стэнфордский университет . дои : 10.2172/5970233 . ОСТИ 5970233 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Квонг-кит, Чой (1997). Физика квантовых ям инфракрасных фотодетекторов . Всемирная научная. ISBN 978-9810228729 .
^ Рогальски, Антони (сентябрь 2012 г.). «История инфракрасных детекторов» . Обзор оптоэлектроники . 20 (3): 279. Бибкод : 2012ОЭРв...20..279Р . doi : 10.2478/s11772-012-0037-7 – через ResearchGate.
^ Маджумдар, Амлан; Чой, Квонг-Кит (январь 2002 г.). «Двухцветный инфракрасный фотодетектор с квантовыми ямами и перестраиваемыми по напряжению пиками». Письма по прикладной физике . 80 (707): 707–709. Бибкод : 2002АпФЛ..80..707М . дои : 10.1063/1.1447004 . S2CID 121552204 .
^ Литтл, Дж.В.; Кеннеди, Юго-Запад; Ливитт, Р.П.; Лукас, ML; Олвер, К.А. (август 1999 г.). «Новая конструкция двухцветного инфракрасного фотодетектора с использованием связанных квантовых ям INGAAS/INALAS» . Исследовательская лаборатория армии США – через Центр технической информации Министерства обороны.
^ Перейти обратно: ^а ^б Форрай, Дэвид; Эндрес, Даррел; Чой, Квонг-Кит; О'Нил, Джон (декабрь 2008 г.). «Гофрированный QWIP для тактического армейского применения» . Исследовательская лаборатория армии США – через Центр технической информации Министерства обороны.
^ Чой, Квонг-Кит; Мейт, Джозеф (1 ноября 2015 г.). «Введение в Международный год света» . Исследования@ARL . 4 (1): 6. Архивировано из оригинала 10 июня 2017 г. - через Центр технической информации Министерства обороны.
^ Перейти обратно: ^а ^б Акерман, Роберт (август 2010 г.). «Конструкторы инфракрасных датчиков отправляются к колодцу» . Журнал СИГНАЛ . Проверено 27 августа 2018 г.
^ «Термальный инфракрасный датчик (ТИРС)» . НАСА Landsat Science . 23 августа 2018 года . Проверено 27 августа 2018 г.
^ Шнайдер, Харальд и Хуэй Чун Лю. Инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами. Спрингер, 2007.

Внешние ссылки

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с «От базовой квантовой механики к современной инфракрасной визуализации» . Исследовательская лаборатория армии США . 23 июля 2013 года . Проверено 27 августа 2018 г.

[2] «Квантовые ямы инфракрасных детекторов фотонов» . ИК Нова . Архивировано из оригинала 8 марта 2018 года . Проверено 27 августа 2018 г.

[3] Гунапала, Сарат; Бандара, Сумит; Лю, Джон; Мумоло, Джейсон; Рафол, сэр; Тинг, Дэвид; Сойбель, Александр; Хилл, Кори (2 июня 2014 г.). «Технология и применение инфракрасных фотодетекторов с квантовыми ямами». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 20 (6): 154. Бибкод : 2014IJSTQ..20..154G . дои : 10.1109/JSTQE.2014.2324538 . S2CID 35168600 .

[4] Уэст, Лоуренс (июль 1985 г.). «Спектроскопия квантовых ям GaAs» . Стэнфордский университет . дои : 10.2172/5970233 . ОСТИ 5970233 .

[:1-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Квонг-кит, Чой (1997). Физика квантовых ям инфракрасных фотодетекторов . Всемирная научная. ISBN 978-9810228729 .

[6] Рогальски, Антони (сентябрь 2012 г.). «История инфракрасных детекторов» . Обзор оптоэлектроники . 20 (3): 279. Бибкод : 2012ОЭРв...20..279Р . doi : 10.2478/s11772-012-0037-7 – через ResearchGate.

[7] Маджумдар, Амлан; Чой, Квонг-Кит (январь 2002 г.). «Двухцветный инфракрасный фотодетектор с квантовыми ямами и перестраиваемыми по напряжению пиками». Письма по прикладной физике . 80 (707): 707–709. Бибкод : 2002АпФЛ..80..707М . дои : 10.1063/1.1447004 . S2CID 121552204 .

[8] Литтл, Дж.В.; Кеннеди, Юго-Запад; Ливитт, Р.П.; Лукас, ML; Олвер, К.А. (август 1999 г.). «Новая конструкция двухцветного инфракрасного фотодетектора с использованием связанных квантовых ям INGAAS/INALAS» . Исследовательская лаборатория армии США – через Центр технической информации Министерства обороны.

[:2-9] Перейти обратно: ^а ^б Форрай, Дэвид; Эндрес, Даррел; Чой, Квонг-Кит; О'Нил, Джон (декабрь 2008 г.). «Гофрированный QWIP для тактического армейского применения» . Исследовательская лаборатория армии США – через Центр технической информации Министерства обороны.

[10] Чой, Квонг-Кит; Мейт, Джозеф (1 ноября 2015 г.). «Введение в Международный год света» . Исследования@ARL . 4 (1): 6. Архивировано из оригинала 10 июня 2017 г. - через Центр технической информации Министерства обороны.

[:3-11] Перейти обратно: ^а ^б Акерман, Роберт (август 2010 г.). «Конструкторы инфракрасных датчиков отправляются к колодцу» . Журнал СИГНАЛ . Проверено 27 августа 2018 г.

[12] «Термальный инфракрасный датчик (ТИРС)» . НАСА Landsat Science . 23 августа 2018 года . Проверено 27 августа 2018 г.

[13] Шнайдер, Харальд и Хуэй Чун Лю. Инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами. Спрингер, 2007.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]