Photodétecteur infrarouge à puits quantique - Quantum well infrared photodetector

Profil de bande de conduction d'un QWIP photoconducteur. Le profil de bande de conduction est incliné lorsqu'une tension de polarisation est appliquée.

Un photodétecteur infrarouge à puits quantique ( QWIP ) est un photodétecteur infrarouge , qui utilise des transitions électroniques inter- sous- bandes dans des puits quantiques pour absorber les photons. Afin d'être utilisé pour la détection infrarouge, les paramètres des puits quantiques dans le photodétecteur infrarouge à puits quantique sont ajustés de sorte que la différence d'énergie entre ses premier et second états quantifiés corresponde à l'énergie des photons infrarouges entrants. Les QWIP sont généralement constitués d' arséniure de gallium , un matériau couramment trouvé dans les smartphones et les équipements de communication à haut débit. Selon le matériau et la conception des puits quantiques, les niveaux d'énergie du QWIP peuvent être adaptés pour absorber le rayonnement dans la région infrarouge de 3 à 20 µm.

Les QWIP sont l'une des structures de dispositifs de mécanique quantique les plus simples capables de détecter les rayonnements infrarouges de moyenne et longue longueur d'onde. Ils sont connus pour leur stabilité, leur uniformité pixel à pixel élevée et leur opérabilité élevée en pixels.

L'histoire

En 1985, Stephen Eglash et Lawrence West ont observé une forte transition entre sous- bandes dans plusieurs puits quantiques (MQW) qui a incité à envisager plus sérieusement l'utilisation de puits quantiques pour les détecteurs infrarouges. Auparavant, les tentatives d'utilisation de puits quantiques pour la détection infrarouge étaient basées sur l'absorption libre dans des puits quantiques qui amènent les électrons au-dessus des barrières. Cependant, les détecteurs résultants affichent une faible sensibilité.

En 1987, les principes de fonctionnement de base d'un photodétecteur infrarouge à puits quantique qui démontrait une détection infrarouge sensible ont été formulés. En 1990, la sensibilité aux basses températures de la technologie a été encore améliorée en augmentant l'épaisseur de la barrière, ce qui supprimait le courant tunnel. À ce stade, ces dispositifs étaient officiellement connus sous le nom de photodétecteurs infrarouges à puits quantiques. En 1991, la première image infrarouge a été obtenue en utilisant cette approche.

En 2002, des chercheurs du US Army Research Laboratory (ARL) ont mis au point un QWIP bicolore réglable en tension avec une commutation de longueur d'onde efficace pour la détection de température à distance. L'instrument présentait une longueur d'onde de détection de crête de 7,5 micromètres pour une polarisation positive à 10 K lorsque les électrons résidaient dans l'un des puits quantiques et commutaient à 8,8 micromètres à une polarisation négative importante lorsque les électrons étaient transférés dans l'autre puits.

Pourtant, malgré son utilisation dans des applications civiles, la technologie QWIP a été jugée insuffisante par l'armée américaine pour un usage militaire. À l'époque, les photodétecteurs ne pouvaient détecter la quantification unidimensionnelle que lorsque la lumière se déplaçait parallèlement aux couches de matériau, ce qui se produisait généralement lorsque la lumière brillait au bord du détecteur. En conséquence, la technologie QWIP avait une efficacité quantique de seulement 5%. De plus, les réseaux de réflexion couramment utilisés dans l'industrie pour pallier ce problème étaient constitués de très fins tenons périodiques et étaient difficiles à produire dans de grands formats.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs du Laboratoire de recherche de l'armée ont développé le photodétecteur infrarouge quantique ondulé (C-QWIP) en 2008, qui utilisait des micromiroirs sur le photodétecteur pour augmenter l'efficacité de la redirection de la lumière sur la région du puits quantique à n'importe quelle longueur d'onde. Essentiellement, les parois latérales du détecteur inclinées à 45 degrés permettaient à la lumière d'être réfléchie parallèlement aux couches de matériau pour produire un signal électrique. Des tests menés par des chercheurs de l'ARL et de L-3 Communications Cincinnati Electronics ont déterminé que le C-QWIP affichait des bandes passantes supérieures à 3 micromètres, ce qui était 5 fois plus large que le QWIP commercial à l'époque. Étant donné que les C-QWIP peuvent être fabriqués à l'aide d'arséniure de gallium, ils ont servi d'alternative plus abordable aux détecteurs infrarouges conventionnels pour les hélicoptères de l'armée sans sacrifier la résolution et nécessitant moins d'étalonnage et d'entretien.

En février 2013, la NASA a lancé un satellite qui présentait l'instrument du capteur infrarouge thermique (TIRS) dans le cadre de sa mission de continuité des données Landsat . Le TIRS a utilisé trois C-QWIP conçus par le Laboratoire de recherche de l'armée pour détecter les longues longueurs d'onde de lumière émise par la Terre et suivre la façon dont l'eau et la terre de la planète sont utilisées. Cette application marquait la première utilisation d'un QWIP dans l'espace.

Fonction

Gain photoconducteur dans un photodétecteur infrarouge à puits quantique. Pour équilibrer la perte d'électrons du puits quantique, des électrons sont injectés à partir du contact émetteur supérieur. Puisque la probabilité de capture est inférieure à un, des électrons supplémentaires doivent être injectés et le photocourant total peut devenir plus grand que le courant de photoémission.

Les détecteurs infrarouges fonctionnent généralement en détectant le rayonnement émis par un objet, et l'intensité du rayonnement est déterminée par des facteurs tels que la température, la distance et la taille de l'objet. Contrairement à la plupart des photodétecteurs infrarouges, les QWIP sont indépendants de la bande interdite du matériau de détection, car ils sont basés sur la transition optique dans une seule bande d'énergie. En conséquence, il peut être utilisé pour détecter des objets avec un rayonnement d'énergie beaucoup plus faible que ce qui était auparavant possible.

Les éléments de base d'un QWIP sont les puits quantiques , qui sont séparés par des barrières. Les puits quantiques sont conçus pour avoir un état confiné à l'intérieur du puits et un premier état excité qui s'aligne avec le haut de la barrière. Les puits sont dopés n de sorte que l'état fondamental est rempli d'électrons. Les barrières sont suffisamment larges pour empêcher le tunnel quantique entre les puits quantiques. Les QWIP typiques se composent de 20 à 50 puits quantiques. Lorsqu'une tension de polarisation est appliquée au QWIP, toute la bande de conduction est inclinée. Sans lumière, les électrons dans les puits quantiques restent simplement à l'état fondamental. Lorsque le QWIP est éclairé avec une lumière de la même énergie ou d'une énergie supérieure à l'énergie de transition entre sous-bandes, un électron est excité.

Une fois que l'électron est dans un état excité, il peut s'échapper dans le continuum et être mesuré comme photocourant. Pour mesurer extérieurement un photocourant, les électrons doivent être extraits en appliquant un champ électrique aux puits quantiques. L'efficacité de ce processus d'absorption et d'extraction dépend de plusieurs paramètres.

Lire le média

Cette vidéo montre l'évolution de la prise du photodétecteur infrarouge à puits quantique (QWIP) depuis sa création, jusqu'aux tests au sol et à partir d'un avion, et finalement à une mission scientifique de la NASA.

Photocourant

En supposant que le détecteur est éclairé par un flux de photons (nombre de photons par unité de temps), le photocourant est ${\ displaystyle \ phi}$${\ displaystyle I_ {ph}}$

${\ displaystyle I_ {ph} = e \ phi \ eta g_ {ph}}$

où est la charge élémentaire, est l'efficacité d'absorption et est le gain photoconducteur. et sont les probabilités pour un photon d'ajouter un électron au photocourant, également appelé efficacité quantique . est la probabilité qu'un photon excite un électron et dépend des propriétés de transport électronique. ${\ displaystyle e}$${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle g_ {ph}}$

Gain photoconducteur

Le gain photoconducteur est la probabilité qu'un électron excité contribue au photocourant - ou plus généralement, le nombre d'électrons dans le circuit externe, divisé par le nombre d'électrons de puits quantiques qui absorbent un photon. Bien que cela puisse être contre-intuitif au début, il est possible qu'il soit supérieur à un. Chaque fois qu'un électron est excité et extrait sous forme de photocourant, un électron supplémentaire est injecté à partir du contact opposé (émetteur) pour équilibrer la perte d'électrons du puits quantique. En général, la probabilité de capture , donc un électron injecté peut parfois passer sur le puits quantique et dans le contact opposé. Dans ce cas, un autre électron est injecté depuis le contact de l'émetteur pour équilibrer la charge, et se dirige à nouveau vers le puits où il pourrait ou non être capturé, et ainsi de suite, jusqu'à ce qu'un électron soit finalement capturé dans le puits. De cette façon, peut devenir plus grand qu'un. ${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle p_ {c} \ leq 1}$${\ displaystyle g_ {ph}}$

La valeur exacte de est déterminée par le rapport entre la probabilité de capture et la probabilité de fuite . ${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle p_ {c}}$${\ displaystyle p_ {e}}$

${\ displaystyle g_ {ph} = {\ frac {p_ {e}} {N \, p_ {c}}}}$

où est le nombre de puits quantiques. Le nombre de puits quantiques n'apparaît que dans le dénominateur, car il augmente la probabilité de capture , mais pas la probabilité d'échappement . ${\ displaystyle N}$${\ displaystyle p_ {c}}$${\ displaystyle p_ {e}}$

Références

Liens externes

• Recherche QWIP de la NASA
• QWIP corrigé pour les capteurs mégapixels (vingt-septième conférence scientifique de l'armée)