Fotodetector infrarrojo de pozo cuántico

Perfil de banda de conducción de un QWIP fotoconductor. El perfil de la banda de conducción se inclina cuando se aplica un voltaje de polarización.

Un fotodetector de infrarrojos de pozo cuántico ( QWIP ) es un fotodetector de infrarrojos que utiliza transiciones electrónicas entre subbandas en pozos cuánticos para absorber fotones. Para ser utilizados para la detección infrarroja, los parámetros de los pozos cuánticos en el fotodetector infrarrojo del pozo cuántico se ajustan de modo que la diferencia de energía entre su primer y segundo estado cuantificado coincida con la energía del fotón infrarrojo entrante. Los QWIP suelen estar hechos de arseniuro de galio , un material que se encuentra comúnmente en teléfonos inteligentes y equipos de comunicaciones de alta velocidad. ^[1]Dependiendo del material y el diseño de los pozos cuánticos, los niveles de energía del QWIP se pueden adaptar para absorber la radiación en la región infrarroja de 3 a 20 µm. ^[2]

Los QWIP son una de las estructuras de dispositivos de mecánica cuántica más simples que pueden detectar radiación infrarroja de longitud de onda media y de longitud de onda larga. Son conocidos por su estabilidad, alta uniformidad de píxel a píxel y alta operatividad de píxeles. ^[3]

Historia

En 1985, Stephen Eglash y Lawrence West observaron una fuerte transición entre subbandas en múltiples pozos cuánticos (MQW) que motivó una consideración más seria sobre el uso de pozos cuánticos para detectores infrarrojos. ^[4] Anteriormente, los intentos de utilizar pozos cuánticos para la detección infrarroja se basaban en la absorción libre en pozos cuánticos que llevan a los electrones por encima de las barreras. Sin embargo, los detectores resultantes mostraron una baja sensibilidad. ^[5]

En 1987, se formularon los principios operativos básicos para un fotodetector infrarrojo de pozo cuántico que demostraba una detección infrarroja sensible. En 1990, la sensibilidad de la tecnología a las bajas temperaturas se mejoró aún más al aumentar el espesor de la barrera, lo que suprimió la corriente de túnel. ^[5] En este punto, estos dispositivos se conocían formalmente como fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico. ^{[5] [6]} En 1991, se obtuvo la primera imagen infrarroja utilizando este enfoque. ^[5]

En 2002, los investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) desarrollaron un QWIP de dos colores sintonizable por voltaje con conmutación de longitud de onda efectiva para la detección remota de temperatura. El instrumento exhibió una longitud de onda de detección de pico de 7,5 micrómetros para polarización positiva a 10 K cuando los electrones residían en uno de los pozos cuánticos y cambiaron a 8,8 micrómetros con una gran polarización negativa cuando los electrones se transfirieron al otro pozo. ^{[7] [8]}

Sin embargo, a pesar de su uso en aplicaciones civiles, la tecnología QWIP fue considerada insuficiente por el ejército estadounidense para uso militar. En ese momento, los fotodetectores solo podían detectar la cuantificación unidimensional cuando la luz viajaba en paralelo a las capas de material, lo que generalmente ocurría cuando la luz brillaba en el borde del detector. Como resultado, la tecnología QWIP tenía una eficiencia cuántica de solo el 5 por ciento. Además, las rejillas de reflexión comúnmente utilizadas en la industria para paliar este problema estaban hechas de postes periódicos muy finos y eran difíciles de producir en grandes formatos. ^[1]

Para abordar este problema, los investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército desarrollaron el fotodetector infrarrojo cuántico corrugado (C-QWIP) en 2008, que utilizó microespejos en el fotodetector para aumentar la efectividad de redirigir la luz hacia la región del pozo cuántico en cualquier longitud de onda. ^[9] En esencia, las paredes laterales del detector inclinadas a 45 grados permitían que la luz se reflejara en paralelo a las capas de material para producir una señal eléctrica. ^[10] Las pruebas realizadas por investigadores de ARL y L-3 Communications Cincinnati Electronics determinaron que el C-QWIP demostró anchos de banda superiores a 3 micrómetros, que era 5 veces más ancho que el QWIP comercial en ese momento. ^[9]Dado que los C-QWIP se pueden fabricar con arseniuro de galio, sirvieron como una alternativa más asequible a los detectores infrarrojos convencionales para helicópteros del Ejército sin sacrificar la resolución y requiriendo menos calibración y mantenimiento. ^[11]

En febrero de 2013, la NASA lanzó un satélite que incluía el sensor de infrarrojos térmicos (TIRS) como parte de su misión de continuidad de datos Landsat . El TIRS utilizó tres C-QWIP diseñados por el Laboratorio de Investigación del Ejército para detectar longitudes de onda largas de luz emitida por la Tierra y rastrear cómo se utilizan el agua y la tierra del planeta. Esta aplicación marcó la primera vez que se utilizó un QWIP en el espacio. ^{[1] [11] [12]}

Función

Ganancia fotoconductora en un fotodetector infrarrojo de pozo cuántico. Para equilibrar la pérdida de electrones del pozo cuántico, se inyectan electrones desde el contacto del emisor superior. Dado que la probabilidad de captura es menor que uno, es necesario inyectar electrones adicionales y la fotocorriente total puede ser mayor que la corriente de fotoemisión.

Los detectores de infrarrojos generalmente funcionan detectando la radiación emitida por un objeto, y la intensidad de la radiación está determinada por factores como la temperatura, la distancia y el tamaño del objeto. A diferencia de la mayoría de los fotodetectores de infrarrojos, los QWIP son independientes de la banda prohibida del material de detección, porque se basan en la transición óptica dentro de una única banda de energía. Como resultado, se puede utilizar para detectar objetos con una radiación de energía mucho más baja de lo que era posible anteriormente. ^[5]

Los elementos básicos de un QWIP son los pozos cuánticos , que están separados por barreras. Los pozos cuánticos están diseñados para tener un estado confinado dentro del pozo y un primer estado excitado que se alinea con la parte superior de la barrera. Los pocillos están dopados con n de manera que el estado fundamental está lleno de electrones. Las barreras son lo suficientemente anchas para evitar la formación de túneles cuánticos entre los pozos cuánticos. Los QWIP típicos constan de 20 a 50 pozos cuánticos. Cuando se aplica un voltaje de polarización al QWIP, se inclina toda la banda de conducción. Sin luz, los electrones en los pozos cuánticos simplemente se sientan en el estado fundamental. Cuando el QWIP se ilumina con luz de la misma o mayor energía que la energía de transición entre subbandas, se excita un electrón.

Una vez que el electrón está en un estado excitado, puede escapar al continuo y medirse como fotocorriente. Para medir externamente una fotocorriente, los electrones deben extraerse aplicando un campo eléctrico a los pozos cuánticos. La eficiencia de este proceso de absorción y extracción depende de varios parámetros.

Reproducir medios

Este video muestra la evolución de tomar el fotodetector infrarrojo de pozo cuántico (QWIP) desde el inicio, hasta las pruebas en tierra y desde un avión, y finalmente hasta una misión científica de la NASA.

Corriente fotoeléctrica

Suponiendo que el detector está iluminado con un flujo de fotones (número de fotones por unidad de tiempo), la fotocorriente es${\displaystyle \phi }$${\displaystyle I_{ph}}$

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

donde es la carga elemental, es la eficiencia de absorción y es la ganancia fotoconductora. ^[13] y son las probabilidades de que un fotón agregue un electrón a la fotocorriente, también llamada eficiencia cuántica . es la probabilidad de que un fotón excite a un electrón y depende de las propiedades de transporte electrónico.${\displaystyle e}$${\displaystyle \eta }$${\displaystyle g_{ph}}$ ${\displaystyle \eta }$${\displaystyle g_{ph}}$${\displaystyle \eta }$${\displaystyle g_{ph}}$

Ganancia fotoconductora

La ganancia fotoconductora es la probabilidad de que un electrón excitado contribuya a la fotocorriente, o más generalmente, el número de electrones en el circuito externo, dividido por el número de electrones del pozo cuántico que absorben un fotón. Aunque al principio puede ser contrario a la intuición, es posible que sea más grande que uno. Siempre que un electrón se excita y extrae como fotocorriente, se inyecta un electrón extra del contacto opuesto (emisor) para equilibrar la pérdida de electrones del pozo cuántico. En general, la probabilidad de captura${\displaystyle g_{ph}}$${\displaystyle g_{ph}}$${\displaystyle p_{c}\leq 1}$, por lo que un electrón inyectado a veces puede pasar sobre el pozo cuántico y entrar en el contacto opuesto. En ese caso, se inyecta otro electrón desde el contacto del emisor para equilibrar la carga, y nuevamente se dirige hacia el pozo donde podría o no ser capturado, y así sucesivamente, hasta que finalmente se captura un electrón en el pozo. De esta forma, puede llegar a ser más grande que uno.${\displaystyle g_{ph}}$

El valor exacto de está determinado por la relación entre la probabilidad de captura y la probabilidad de escape .${\displaystyle g_{ph}}$${\displaystyle p_{c}}$${\displaystyle p_{e}}$

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

donde es el número de pozos cuánticos. El número de pozos cuánticos aparece solo en el denominador, ya que aumenta la probabilidad de captura , pero no la probabilidad de escape .${\displaystyle N}$${\displaystyle p_{c}}$${\displaystyle p_{e}}$

Referencias

1. "De la mecánica cuántica básica a la imagen infrarroja de última generación" . Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU . 23 de julio de 2013 . Consultado el 27 de agosto de 2018 .
2. "Detectores de fotones infrarrojos de pozo cuántico" . IR Nova . Consultado el 27 de agosto de 2018 .
3. Gunapala, Sarath; Bandara, Sumith; Liu, John; Mumolo, Jason; Rafol, señor; Ting, David; Soibel, Alexander; Hill, Cory (2 de junio de 2014). "Tecnología y aplicaciones de fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico". Revista IEEE de temas seleccionados en electrónica cuántica . 20 (6): 154. Bibcode : 2014IJSTQ..20..154G . doi : 10.1109 / JSTQE.2014.2324538 . S2CID 35168600 . 
4. West, Lawrence (julio de 1985). "Espectroscopia de pozos cuánticos de GaAs". Universidad de Stanford . OSTI 5970233 . 
5. Kwong-kit, Choi (1997). La física de los fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico . World Scientific. ISBN 978-9810228729.
6. Rogalski, Antoni (septiembre de 2012). "Historia de los detectores de infrarrojos" . Revisión de optoelectrónica . 20 (3): 279. Bibcode : 2012OERv ... 20..279R . doi : 10.2478 / s11772-012-0037-7 - a través de ResearchGate.
7. Majumdar, Amlan; Choi, Kwong-Kit (enero de 2002). "Fotodetector infrarrojo de pozo cuántico de dos colores con picos ajustables de voltaje" . Letras de Física Aplicada . 80 (707): 707–709. Código bibliográfico : 2002ApPhL..80..707M . doi : 10.1063 / 1.1447004 . S2CID 121552204 . 
8. Pequeño, JW; Kennedy, SW; Leavitt, RP; Lucas, ML; Olver, KA (agosto de 1999). "Un nuevo diseño de fotodetector infrarrojo de dos colores utilizando pozos cuánticos acoplados INGAAS / INALAS" . Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. , A través del Centro de Información Técnica de Defensa
9. Forrai, David; Endres, Darrel; Choi, Kwong-Kit; O'Neill, John (diciembre de 2008). "QWIP corrugado para aplicaciones tácticas del ejército" . Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. , A través del Centro de Información Técnica de Defensa
10. Choi, Kwong-Kit; Mait, Joseph (1 de noviembre de 2015). "Introducción al Año Internacional de la Luz" . Research @ ARL . 4 (1): 6 - a través del Centro de Información Técnica de Defensa.
11. Ackerman, Robert (agosto de 2010). "Los diseñadores de sensores infrarrojos van al pozo" . Revista SIGNAL . Consultado el 27 de agosto de 2018 .
12. "Sensor de infrarrojos térmico (TIRS)" . Ciencia Landsat de la NASA . 23 de agosto de 2018 . Consultado el 27 de agosto de 2018 .
13. Schneider, Harald y Hui Chun Liu. Fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico. Springer, 2007.

Enlaces externos

• Investigación QWIP de la NASA
• QWIP corrogado para sensores de megapíxeles (Vigésima Séptima Conferencia Científica del Ejército) ^{[ enlace muerto permanente ]}