Visione nell’infrarosso e QWIP Quantum-Well Infrared Photodetectors Visione nell’infrarosso e QWIP Quantum-Well Infrared Photodetectors Docente: Mauro Mosca ( Università di Palermo – Scuola Politecnica - DEIM A.A

Un po’ di storia: esperimento di Herschel 1800

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

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)

Sviluppo dei sistemi di rivelazione IR seriale parallelo

Eccitazione ottica nei semiconduttori generazione termica comparabile a quella ottica

Rivelatori termici e fotonici

Detectivity di vari rivelatori IR

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

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

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

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

Evoluzione pixels per array

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.

HgCdTe: gap vs. lattice constant

Fotodiodi HgCdTe (illuminati dall’alto)

Fotodiodi HgCdTe (illuminati dal basso)

Diagramma a bande di una omogiunzione n+ on p trasparente

Assorbimento intersubbanda interbanda interSUBbanda

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

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

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

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

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

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

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

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)

Dark current tunneling (T<30 K) thermal-assisted tunneling (30<T<55 K) thermoionic emission (T>55 K)

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

Risposta spettrale

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

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

Accoppiamento della luce: reticolo 2D

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

MWIR LWIR Applicazioni QWIP: regime MWIR e LWIR

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

Applicazioni QWIP: campi minati 1 2