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)
last release: 24/10/2017last release: 24/10/2017
Università di Palermo – DEIM
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 W. Smith in 1873
seconda guerra mondiale… visione al buio
galena (PbS)-metal diode by F. Braun in 1874
IR photoconductivity of Tl2S by Case in 1917
Cs−O−Ag photocathode (S−1)
photoemissive cathodes in 1887
1942
Sviluppo dei sistemi di rivelazione IRSviluppo dei sistemi di rivelazione IR
seriale parallelo
Rivelatori termici e fotoniciRivelatori termici e fotonici
Bettersignal-to-noise ratio
BUT…
Eccitazione ottica nei semiconduttoriEccitazione ottica nei semiconduttori
generazione termica comparabile a quella ottica!!
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
Focus Plane Arrays (FPA): prima Focus Plane Arrays (FPA): prima generazionegenerazione
common module HgCdTe arrays employ60, 120 or 180 photoconductive elements
scanning system
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
staring system (fisso)or full-framing system
staring arrays are scanned electronically by ROIC:
FPA ibridoFPA ibrido
COLD or MELT
CdTe, CdZnTe(typ. chip size 100 mm2)
PACE(Producible Alternative to CdTe for Epitaxy)
(Si, sapphire)
layered−hybrid design suitablefor large format arrays
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
semimetal
Fotodiodi HgCdTe (illuminati dall’alto)Fotodiodi HgCdTe (illuminati dall’alto)
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)
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 interSUBbandaQWs must be dopedsince photon energyis not sufficient to createphotocarriers (h < Eg)
suggested by Esaky (1977);invented in 1987 by Levine et al.
number of QWs dependson composition and onwidth of QWs
nn-doped bound-to-bound QWIP-doped bound-to-bound QWIP
trasporto perpendicolare(exc-ground più alta che nel trasporto parallelo)
si blocca la dark current dovuta alle carichedel ground-state
tunneling
le eterobarriere bloccano il tra-sporto delle cariche nel ground-state
polarizzazione
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
60
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 ground si abbassa all’aumentare di Lw
quindi la barriera aumenta rispetto al caso continuum
Diminuisce la dark current
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
RESPONSIVITY ≈ 100 mA/W
nn-doped bound-to-continuum miniband QWIP-doped bound-to-continuum miniband QWIP
migliora iltrasportodeglielettronieccitati
aumentala darkcurrenttermo-ionica
in fact, raising the higher level to continuum causethe ground level to raise as well
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)
barriera per le cariche nel ground-state (migliore che con la miniband)
lower photoconductive gain
Dark currentDark current
tunneling (T<30 K)
thermal-assistedtunneling (30<T<55 K)
thermoionic emission(T>55 K)
Risposta spettraleRisposta spettrale
Unlike the responsivity spectra of intrinsic infrared detectors, the responsivity spectra of QWIPS aremuch narrow and sharper
due to their resonance intersubband absorption.
larger
the higher state(continuum) is not confined
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(no tunneling)
at higher bias voltage
E
H
E
Hs-polarization
E
p-polarization
Radiazione incidente
Accoppiamento della luceAccoppiamento della lucenormale alla superficieNON
Accoppiamento della luce: Accoppiamento della luce: random reflectorrandom reflectoree 45° polished-facet illumination 45° polished-facet illumination
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
Using 2-D gratings, the periodicity of the grating repeatsin two perpendicular directions on the detector plane, leadingto the absorption of both polarizations of incident IR radiation
Applicazioni QWIP: regime MWIR e LWIRApplicazioni QWIP: regime MWIR e LWIR
maximum blackbodyemission at
300 K
maximum thermal contrast
hnfgb
derivative of the Planck radiationfunction is maximal
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
RED CYAN
Applicazioni QWIP: campi minatiApplicazioni QWIP: campi minati
1
2
Disturbed soil associated with buried mines has high emissivity in a narrow portion of the LWIR spectrum relative to undisturbed soil
LWIRregion
sensitive
LWIRregion
nonsensitive
subtraction ofband 2 datafrom band 1
negative(disturbedsoil)