Visione nell’infrarosso
e
QWIP
Quantum-Well Infrared Photodetectors
Docente: Mauro Mosca
(www.dieet.unipa.it/tfl)
A.A. 2015-16
Università di Palermo – Scuola Politecnica - DEIM
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
galena (PbS)-metal diode by Braun in 1874
IR photoconductivity of Tl2S by Case in 1917
seconda guerra mondiale… visione al buio
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
scanning system
US common module HgCdTe arrays employ
60, 120 or 180 photoconductive elements
FPA: seconda generazione
example: HgCdTe multilinear 288×4 arrays (Sofradir)
staring system (fisso)
or full-framing system
eccessiva esposizione: gli
~ 7 mm
elettroni debordano e un’intera
area
dell’immagineby
appare
bianca
staring arrays are scanned
electronically
ROIC:
pixel deselecting, antiblooming on each pixel,
subframe imaging, output preamplifiers
FPA ibrido
COLD or MELT
CdTe, CdZnTe
(max chip size 10 mm2)
PACE
(Producible Alternative to CdTe for Epitaxy)
Evoluzione pixels per array
Why HgCdTe?
- Can
be tailored
for production,
optimised detection
at any
region
of
Problems
in mass
which result
from
a weak
IR
spectrum
Hg–Te
bond (1-25 mm)
- HgCdTe
is the (toxic
only material
covering the whole IR
Health hazard
compounds)
spectral range having nearly the same lattice parameter
- High mercury vapour pressure over melts
- The difference of lattice parameter between CdTe
andHg
is 0.2%. Replacing
small fraction
of Cd
- Difficulties
inTe
repeatable
growth of uniform
composition
0.8Cd0.2
with
or Te and
withepitaxial
Se can compensate
the residual lattice
bulk Zn
crystals
layers
mismatch.
but…
HgCdTe: gap vs. lattice constant
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)
Diagramma a bande di una
omogiunzione n+ on p
trasparente
Assorbimento intersubbanda
interbanda
QWs must be doped
since photon energy
is not sufficient to create
photocarriers (hn < Eg)
suggested by Esaky (1977)
invented in 1983
number of QWs depends
on composition and on
width of QWs
interSUBbanda
n-doped bound-to-bound QWIP
tunneling
trasporto
perpendicolare
le eterobarriere
bloccano il tra(mobilità
dello
stato eccitato
più alta)
sporto delle
cariche
nel ground-state
si blocca la dark current dovuta alle cariche
del ground-state
n-doped bound-to-continuum QWIP
no tunneling
si può diminuire la V
di polarizzazione e
quindi abbassare la
dark current
60
per ottenere il
ground-state
current
continuum si deve
restringere la
la barriera si può allargare
larghezza della well senza far diminuire la fotocorrente
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 Lw
ma appena sale al continuum la barriera diminuisce
n-doped broadbound QWIP
si può sostituire con
un super-reticolo
quasibound
progettati per
diverse l
n-doped bound-to-bound miniband QWIP
solo gli elettroni eccitati in corrispondenza delle QW vicino
all’elettrodo
di raccolta
contribuiscono
alla corrente
quando
le larghezze
delle
barriere diventano
comparabili
con quelle delle quantum-wells…
rivela a ca. 0 V bias
(tunneling)
la fotocorrente passa
le funzioni d’onda delle singole wells si sovrappongono
a causa del tunneling…
la dark current NO!
formazione
di
MINIBANDE
MODESTA
DETECTIVITY
(109 Jones)
RESPONSIVITY
≈ 100
mA/W
super-reticolo
bassa efficienza di raccolta
riduce la ground-state
dark current
n-doped bound-to-continuum miniband QWIP
migliora il
trasporto
degli
elettroni
eccitati
in fact, raising the higher level to continuum cause
the ground level to raise as well
aumenta
la dark
current
termoionica
n-doped bound-to-miniband QWIP
come bound-to-continuum (ma minore mobilità perché
gli elettroni possono essere catturati in una QW)
lower photoconductive gain
dark current relativamente alta
n-doped step bound-to-miniband QWIP
GaAs/AlGaAs superlattice barriers
si riduce la dark current
(barriere più profonde)
InGaAs.strained quantum wells
(più profonde delle barriere del super-reticolo)
Dark current
thermoionic emission
(T>55 K)
thermal-assisted
tunneling (30<T<55 K)
tunneling (T<30 K)
Risposta spettrale
larger
Unlike the responsivity spectra of intrinsic infrared
detectors, the responsivity spectra of QWIPS are
much narrow and sharper
due to their resonance intersubband absorption.
the higher state
(continuum) is
not confined
Risposta spettrale
Risposta spettrale
ground state-barrier
resonance
lower bias voltage
atathigher
escape probability of
the photoexcited
electrons at the
bounded first
excited state
is much smaller
AtThis
low saturation
bias the responsivity
is saturation
nearly linearly
dependent
on bias
is due to the
of carrier
drift velocity
and it saturates at high bias
Accoppiamento della luce
Radiazione incidente NON
normale alla superficie
s-polarization
E
H
E
p-polarization
Accoppiamento della luce: random reflector
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
E
Accoppiamento della luce: reticolo 2D
Using 2-D gratings, the periodicity of the grating repeats
in two perpendicular directions on the detector plane, leading
to the absorption of both polarizations of incident IR radiation
hnfgb
Applicazioni QWIP: regime MWIR e LWIR
maximum blackbody
emission at
300 K
maximum thermal contrast
Applicazioni QWIP: regime MWIR e LWIR
MWIR
LWIR
Applicazioni QWIP: visione dual band IR
LWIR emission is very sensitive to the surface roughness
RED
CYAN
Applicazioni QWIP: campi minati
negative
(disturbed
soil)
Disturbed soil associated with buried mines
has high emissivity in a narrow portion of the
LWIR spectrum relative to undisturbed soil 1
2
LWIR
region
sensitive
LWIR
region
non
sensitive
subtraction of
band 2 data
from band 1