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)

Università di Palermo – Scuola Politecnica - DEIM

A.A. 2014-15A.A. 2014-15

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 Smith in 1873

seconda guerra mondiale… visione al buio

galena (PbS)-metal diode by Braun in 1874

IR photoconductivity of Tl2S by Case in 1917

Cs−O−Ag photocathode (S−1)

Sviluppo dei sistemi di rivelazione IRSviluppo dei sistemi di rivelazione IR

seriale parallelo

Eccitazione ottica nei semiconduttoriEccitazione ottica nei semiconduttori

generazione termica comparabile a quella ottica

Rivelatori termici e fotoniciRivelatori termici e fotonici

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

FPA: prima generazioneFPA: prima generazione

US common module HgCdTe arrays employ60, 120 or 180 photoconductive elements

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

FPA ibridoFPA ibrido

CdTe, CdZnTe(max chip size 10 mm2)

PACE(Producible Alternative to CdTe for Epitaxy)

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

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

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

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 interSUBbanda

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

trasporto perpendicolare(mobilità dello stato eccitato più alta)

si blocca la dark current dovuta alle carichedel ground-state

tunneling

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

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

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 eccitato si innalza al diminuire di Lw

ma appena sale al continuum la barriera diminuisce

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

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

migliora iltrasportodeglielettronieccitati

aumentala darkcurrenttermo-ionica

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)

dark current relativamente alta

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

si riduce la dark current (più barriere da attraversare)

InGaAs.strained quantum wells(più profonde delle barriere del super-reticolo)

Dark currentDark current

tunneling (T<30 K)

thermal-assistedtunneling (30<T<55 K)

thermoionic emission(T>55 K)

Risposta spettraleRisposta spettrale

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

due to their resonance intersubband absorption.

larger

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

Accoppiamento della luce: Accoppiamento della luce: random reflectorrandom reflector

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

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

maximum blackbodyemission at

300 K

maximum thermal contrast

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

Applicazioni QWIP: campi minatiApplicazioni QWIP: campi minati

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