Visione nell’infrarossoVisione nell’infrarosso ee

QWIP QWIPQuantum-Well Infrared PhotodetectorsQuantum-Well Infrared Photodetectors

Docente: Mauro MoscaDocente: Mauro Mosca(www.dieet.unipa.it/tfl)(www.dieet.unipa.it/tfl)

last release: 24/10/2017last release: 24/10/2017

Università di Palermo – DEIM

Un po’ di storia: esperimento di HerschelUn po’ di storia: esperimento di Herschel

1800

Un po’ di storia: termopila di Nobili-MeloniUn po’ di storia: termopila di Nobili-Meloni

1829… arrivano i rivelatori

Un po’ di storia: primo tubo Un po’ di storia: primo tubo convertitore d’immaginiconvertitore d’immagini

first photon effect (selenium) by W. Smith in 1873

seconda guerra mondiale… visione al buio

galena (PbS)-metal diode by F. Braun in 1874

IR photoconductivity of Tl2S by Case in 1917

Cs−O−Ag photocathode (S−1)

photoemissive cathodes in 1887

1942

Sviluppo dei sistemi di rivelazione IRSviluppo dei sistemi di rivelazione IR

seriale parallelo

Rivelatori termici e fotoniciRivelatori termici e fotonici

Bettersignal-to-noise ratio

BUT…

Eccitazione ottica nei semiconduttoriEccitazione ottica nei semiconduttori

generazione termica comparabile a quella ottica!!

Detectivity di vari rivelatori IRDetectivity di vari rivelatori IR

BLIP BLIP ((background-limited infrared photodetection)background-limited infrared photodetection)

Problema della background radiationProblema della background radiation

G = GG = Gthth + + GGoptopt

The optical generation may be due to the The optical generation may be due to the signal or background radiation.signal or background radiation.If the thermal generation is reduced much If the thermal generation is reduced much below the background level, the below the background level, the performance of the device is determined performance of the device is determined by the background radiation (BLIP)by the background radiation (BLIP)

For the BLIP requirements: For the BLIP requirements: GGoptopt > > GGthth

Focus Plane Arrays (FPA): prima Focus Plane Arrays (FPA): prima generazionegenerazione

common module HgCdTe arrays employ60, 120 or 180 photoconductive elements

scanning system

FPA: seconda generazioneFPA: seconda generazione

pixel deselecting, antiblooming on each pixel, subframe imaging, output preamplifiers

~ 7 m

example: HgCdTe multilinear 288×4 arrays (Sofradir)

eccessiva esposizione: glielettroni debordano e un’interaarea dell’immagine appare bianca

staring system (fisso)or full-framing system

staring arrays are scanned electronically by ROIC:

FPA ibridoFPA ibrido

COLD or MELT

CdTe, CdZnTe(typ. chip size 100 mm2)

PACE(Producible Alternative to CdTe for Epitaxy)

(Si, sapphire)

layered−hybrid design suitablefor large format arrays

Evoluzione pixels per arrayEvoluzione pixels per array

Why HgCdTe?Why HgCdTe?

- Problems in mass production, which result from a weak Hg–Te bond

- Health hazard (toxic compounds)

- High mercury vapour pressure over melts

- Difficulties in repeatable growth of uniform composition bulk crystals and epitaxial layers

but…

- Can be tailored for optimised detection at any region of IR spectrum (1-25 m)

- HgCdTe is the only material covering the whole IR spectral range having nearly the same lattice parameter

- The difference of lattice parameter between CdTe andHg0.8Cd0.2Te is 0.2%. Replacing small fraction of Cd with Zn or Te with Se can compensate the residual latticemismatch.

HgCdTe: gap vs. lattice constantHgCdTe: gap vs. lattice constant

semimetal

Fotodiodi HgCdTe (illuminati dall’alto)Fotodiodi HgCdTe (illuminati dall’alto)

Fotodiodi HgCdTe (illuminati dall’alto)Fotodiodi HgCdTe (illuminati dall’alto)

• HgCdTe p-type (V”Hg)• Thermal annealing under Hg saturation

n-type

Fotodiodi HgCdTe (illuminati dal basso)Fotodiodi HgCdTe (illuminati dal basso)

Fotodiodi HgCdTe (illuminati dal basso)Fotodiodi HgCdTe (illuminati dal basso)

Diagramma a bande di una Diagramma a bande di una omogiunzione omogiunzione n+ n+ onon p p

trasparente

Assorbimento intersubbandaAssorbimento intersubbanda

interbanda interSUBbandaQWs must be dopedsince photon energyis not sufficient to createphotocarriers (h < Eg)

suggested by Esaky (1977);invented in 1987 by Levine et al.

number of QWs dependson composition and onwidth of QWs

nn-doped bound-to-bound QWIP-doped bound-to-bound QWIP

trasporto perpendicolare(exc-ground più alta che nel trasporto parallelo)

si blocca la dark current dovuta alle carichedel ground-state

tunneling

le eterobarriere bloccano il tra-sporto delle cariche nel ground-state

polarizzazione

nn-doped bound-to-continuum QWIP-doped bound-to-continuum QWIP

no tunneling

per ottenere ilcontinuum si deverestringere lalarghezza della well

la barriera si può allargaresenza far diminuire la fotocorrente

ground-statecurrent

si può diminuire la V di polarizzazione equindi abbassare la dark current

60

nn-doped bound-to-quasibound QWIP-doped bound-to-quasibound QWIP

barriera per l’emissione termoionica(dark current) = barriera per

la fotocorrente

la barriera sale di ca. 15 meV rispetto al caso continuo

Lo stato ground si abbassa all’aumentare di Lw

quindi la barriera aumenta rispetto al caso continuum

Diminuisce la dark current

nn-doped broadbound QWIP-doped broadbound QWIP

progettati perdiverse

quasibound

si può sostituire con un super-reticolo

nn-doped bound-to-bound miniband QWIP-doped bound-to-bound miniband QWIP

super-reticolo riduce la ground-statedark current

la fotocorrente passa

la dark current NO!

rivela a ca. 0 V bias (tunneling)

quando le larghezze delle barriere diventano comparabilicon quelle delle quantum-wells…

le funzioni d’onda delle singole wells si sovrappongonoa causa del tunneling…

formazione di MINIBANDEMODESTA DETECTIVITY (109 Jones)

bassa efficienza di raccolta

solo gli elettroni eccitati in corrispondenza delle QW vicinoall’elettrodo di raccolta contribuiscono alla corrente

RESPONSIVITY ≈ 100 mA/W

nn-doped bound-to-continuum miniband QWIP-doped bound-to-continuum miniband QWIP

migliora iltrasportodeglielettronieccitati

aumentala darkcurrenttermo-ionica

in fact, raising the higher level to continuum causethe ground level to raise as well

nn-doped bound-to-miniband QWIP-doped bound-to-miniband QWIP

come bound-to-continuum (ma minore mobilità perché gli elettroni possono essere catturati in una QW)

barriera per le cariche nel ground-state (migliore che con la miniband)

lower photoconductive gain

Dark currentDark current

tunneling (T<30 K)

thermal-assistedtunneling (30<T<55 K)

thermoionic emission(T>55 K)

Risposta spettraleRisposta spettrale

Unlike the responsivity spectra of intrinsic infrared detectors, the responsivity spectra of QWIPS aremuch narrow and sharper

due to their resonance intersubband absorption.

larger

the higher state(continuum) is not confined

Risposta spettraleRisposta spettrale

Risposta spettraleRisposta spettrale

ground state-barrierresonance

At low bias the responsivity is nearly linearly dependent on biasand it saturates at high bias

This saturation is due to the saturation of carrier drift velocity

at lower bias voltageescape probability of

the photoexcitedelectrons at the

bounded firstexcited state

is much smaller(no tunneling)

at higher bias voltage

E

H

E

Hs-polarization

E

p-polarization

Radiazione incidente

Accoppiamento della luceAccoppiamento della lucenormale alla superficieNON

Accoppiamento della luce: Accoppiamento della luce: random reflectorrandom reflectoree 45° polished-facet illumination 45° polished-facet illumination

E

QWIPs do not absorb radiation incident normal to the surface since the light polarization must have an electric field component normal to the superlattice (growth direction) to be absorbed by the confined carriers

Accoppiamento della luce: reticolo 2DAccoppiamento della luce: reticolo 2D

Using 2-D gratings, the periodicity of the grating repeatsin two perpendicular directions on the detector plane, leadingto the absorption of both polarizations of incident IR radiation

Applicazioni QWIP: regime MWIR e LWIRApplicazioni QWIP: regime MWIR e LWIR

maximum blackbodyemission at

300 K

maximum thermal contrast

hnfgb

derivative of the Planck radiationfunction is maximal

MWIR LWIR

Applicazioni QWIP: regime MWIR e LWIRApplicazioni QWIP: regime MWIR e LWIR

Applicazioni QWIP: visione Applicazioni QWIP: visione dual band IRdual band IR

LWIR emission is very sensitive to the surface roughness

RED CYAN

Applicazioni QWIP: campi minatiApplicazioni QWIP: campi minati

1

2

Disturbed soil associated with buried mines has high emissivity in a narrow portion of the LWIR spectrum relative to undisturbed soil

LWIRregion

sensitive

LWIRregion

nonsensitive

subtraction ofband 2 datafrom band 1

negative(disturbedsoil)