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Visione nell’infrarosso e QWIP Quantum-Well Infrared Photodetectors Visione nell’infrarosso e QWIP Quantum-Well Infrared Photodetectors Docente: Mauro.

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1 Visione nell’infrarosso e QWIP Quantum-Well Infrared Photodetectors Visione nell’infrarosso e QWIP Quantum-Well Infrared Photodetectors Docente: Mauro Mosca (www.dieet.unipa.it/tfl) Università di Palermo – Scuola Politecnica - DEIM A.A

2 Un po’ di storia: esperimento di Herschel 1800

3 Un po’ di storia: termopila di Nobili-Meloni 1829… arrivano i rivelatori

4 Un po’ di storia: primo tubo convertitore 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 Tl 2 S by Case in 1917 Cs−O−Ag photocathode (S−1)

5 Sviluppo dei sistemi di rivelazione IR seriale parallelo

6 Eccitazione ottica nei semiconduttori generazione termica comparabile a quella ottica

7 Rivelatori termici e fotonici

8 Detectivity di vari rivelatori IR

9 BLIP (background-limited infrared photodetection) Problema della background radiation G = Gth + Gopt The optical generation may be due to the signal or background radiation. If the thermal generation is reduced much below the background level, the performance of the device is determined by the background radiation (BLIP) For the BLIP requirements: Gopt > Gth

10 FPA: prima generazione US common module HgCdTe arrays employ 60, 120 or 180 photoconductive elements

11 FPA: seconda generazione pixel deselecting, antiblooming on each pixel, subframe imaging, output preamplifiers ~ 7  m example: HgCdTe multilinear 288 × 4 arrays (Sofradir) eccessiva esposizione: gli elettroni debordano e un’intera area dell’immagine appare bianca

12 FPA ibrido CdTe, CdZnTe (max chip size 10 mm 2 ) PACE (Producible Alternative to CdTe for Epitaxy)

13 Evoluzione pixels per array

14 Why HgCdTe? - Problems in mass production, which result from a weak Hg–Te bond - Health hazard (toxic compounds) igh 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 andHg 0.8 Cd 0.2 Te is 0.2%. Replacing small fraction of Cd with Zn or Te with Se can compensate the residual lattice mismatch.

15 HgCdTe: gap vs. lattice constant

16 Fotodiodi HgCdTe (illuminati dall’alto)

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18 Fotodiodi HgCdTe (illuminati dal basso)

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20 Diagramma a bande di una omogiunzione n+ on p trasparente

21 Assorbimento intersubbanda interbanda interSUBbanda

22 n-doped bound-to-bound QWIP trasporto perpendicolare (mobilità dello stato eccitato più alta) si blocca la dark current dovuta alle cariche del ground-state tunneling le eterobarriere bloccano il tra- sporto delle cariche nel ground-state

23 n-doped bound-to-continuum QWIP no tunneling per ottenere il continuum si deve restringere la larghezza della well la barriera si può allargare senza far diminuire la fotocorrente ground-state current si può diminuire la V di polarizzazione e quindi abbassare la dark current

24 n-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 L w ma appena sale al continuum la barriera diminuisce

25 n-doped broadbound QWIP progettati per diverse quasibound si può sostituire con un super-reticolo

26 n-doped bound-to-bound miniband QWIP super-reticolo riduce la ground-state dark current la fotocorrente passa la dark current NO! rivela a ca. 0 V bias (tunneling) quando le larghezze delle barriere diventano comparabili con quelle delle quantum-wells… le funzioni d’onda delle singole wells si sovrappongono a causa del tunneling… formazione di MINIBANDE MODESTA DETECTIVITY (10 9 Jones) bassa efficienza di raccolta solo gli elettroni eccitati in corrispondenza delle QW vicino all’elettrodo di raccolta contribuiscono alla corrente

27 n-doped bound-to-continuum miniband QWIP migliora il trasporto degli elettroni eccitati aumenta la dark current termo- ionica

28 n-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

29 n-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)

30 Dark current tunneling (T<30 K) thermal-assisted tunneling (3055 K)

31 Risposta spettrale Unlike the responsivity spectrums of intrinsic infrared detectors, the responsivity spectrums of QWIPS are much narrow and sharper due to their resonance intersubband absorption. larger

32 Risposta spettrale

33 ground state-barrier resonance At low bias the responsivity is nearly linearly dependent on bias and it saturates at high bias This saturation is due to the saturation of carrier drift velocity at lower bias voltage escape probability of the photoexcited electrons at the bounded first excited state is much smaller

34 Accoppiamento della luce: random 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

35 Accoppiamento della luce: reticolo 2D

36 Applicazioni QWIP: regime MWIR e LWIR maximum blackbody emission at 300 K maximum thermal contrast

37 MWIR LWIR Applicazioni QWIP: regime MWIR e LWIR

38 Applicazioni QWIP: visione dual band IR LWIR emission is very sensitive to the surface roughness

39 Applicazioni QWIP: campi minati 1 2

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