Kuantum kuyusu kızılötesi fotodetektör

QWIP ( Kuantum iyi Kızılötesi Fotodetektör olarak ( Fransız "kızılötesinde fotodetektör kuantum") a, detektör radyasyon , kızılötesi detektör tipi tarafından yayılan termal radyasyona duyarlı .. 2007 kaplı dalga boyu aralığı üzerinde 30 mikron Ce 3 mikron arasında uzanır sıcaklığı sıfır olmayan herhangi bir cisim ( Max Planck tarafından getirilen kara cisim radyasyon yasasına göre ).

Giriş

QWIP bir kuantum dedektörüdür: gelen radyasyonun absorpsiyonu elektronik bir geçiş yoluyla gerçekleşir. Bu geçiş, kuantum kuyusunun temel seviyesi ile ilk uyarılmış seviye arasında gerçekleşir. Yalnızca bir sınırlı düzey varsa, geçiş, temel düzey ile yerelleştirilmiş durumların sürekliliği arasında gerçekleşir.

Elektromanyetik radyasyon ve elektronlar arasındaki etkileşimi yöneten seçim kuralları, bu bileşenin çok önemli iki özelliğine yol açar:

absorpsiyon rezonanttır: dedektör dar bir dalga boyu bandında absorbe eder, absorpsiyonu maksimumun konumu ve orta yükseklikteki genişliği ile karakterize edilen bir tepe şeklindedir. 9 µm (33 THz) merkezli bir tepe noktası için, tepe noktasının orta yüksekliğindeki genişlik 1 µm'ye yakındır.
normal gelişte gelen radyasyonun absorpsiyonu düşüktür (sonsuz yüzeye sahip bir dedektör için teorik olarak sıfır). Bu nedenle, her detektör elemanının (piksel), örneğin yansımada çalışan bir kırınım ızgarası gibi bir optik bağlantı yapısı ile donatılması gereklidir.

QWIP, soğutmalı bir dedektördür. Aslında, ilgili elektronik geçişler fononlar , yani kristal kafesin titreşimleri tarafından da uyarılabilir . Bu titreşimleri azaltmak için dedektör soğutulmalıdır. Çalışma sıcaklığı dalga boyuna bağlıdır. 9 µm'de algılama yapan bir QWIP için, bugün çalışma sıcaklığı 77 K'yi (-196 ° C, sıvı nitrojen sıcaklığı) aşıyor.

QWIP tek kutuplu bir dedektördür: elektrik akımı sadece elektronlardan kaynaklanır. Bu, fotodiyotları (pn bağlantıları) kullanan diğer algılama teknolojilerine kıyasla büyük bir farktır. Bir fotodiyotta, gelen fotonlar elektronları değerlik bandından yarı iletkenin iletim bandına uyarır. Akım hem elektronlar hem de delikler tarafından taşınır. Bir fotodiyot bu nedenle iki kutuplu bir bileşendir.

QWIP teknolojisi, III-V yarı iletkenlerin endüstriyel sektöründen yararlanır: GaAs ve alaşımları (AlGaAs, InGaAs). QWIP'ler, mikro elektronik ( yani cep telefonları) ve optoelektronik (fiber telekomünikasyon) uygulamaları için geliştirilmiş bu ikili teknolojinin tüm avantajlarından yararlanır :

büyük alt tabakaların mevcudiyeti. GaAs gofretleri bugün 6 inç (15 cm) çaplara ulaşmaktadır. Buna karşılık, mercatel için kullanılan substratların (HgCdTe, kızılötesi algılama için referans malzeme) çapı 5 cm'yi geçmez. Büyük substratların mevcudiyeti, büyük dedektör dizilerinin imalatını üstlenmeyi mümkün kılar.
malzemenin mükemmel tekdüzeliği ve tekrarlanabilirliği. Bu, matris format dedektörleri ve düşük maliyetli üretim faaliyeti için çok önemlidir.
çok düşük kusur oranı. Bir dedektör matrisinde her piksel önemlidir. Toplam kusurlu piksel sayısının yanı sıra kümelerin (kusurlu piksel grupları) sayısını da en aza indirmek önemlidir. Tekniğin mevcut durumu, 640 × 512 formatındaki bir matris için birkaç onluk kullanılamaz pikseldir (yani, %99.97'den daha yüksek bir işlenebilirlik oranı).
çok yüksek üretim verimliliği. Büyük gofretlerin mevcudiyeti, paralel olarak birkaç düzine kalıp üretmeyi mümkün kılar. Düşük kusur sayısı, nispeten mütevazı teknolojik araçlarla %90'a yakın üretim verimi elde etmeyi mümkün kılar.
görüntünün mükemmel zamansal kararlılığı. QWIP dedektörleri gerçekten de ihmal edilebilir düşük frekanslı gürültü (1/f gürültüsü olarak bilinir) ile karakterize edilir. Diğer kızılötesi görüntüleme teknolojilerinden farklı olarak, düzenli aralıklarla görüntü düzeltmesi yapmak gerekli değildir. Bu, son kullanıcı için uygulanması daha kolay sistemler tasarlamayı mümkün kılar.

QWIP'ler, yüksek çözünürlük ve yüksek hassasiyet gerektiren hızlı (saniyede 50'den fazla), uzun mesafeli (birkaç kilometre) görüntüleme uygulamaları için özellikle uygundur. Olası uygulamaların kapsamlı olmayan bir listesi:

tüm hava koşullarında (gece, sis) uzaktan izleme. Bazı örnekler: kıyı gözetimi, boru hattı gözetimi.
uçakların kötü hava koşullarında (sis) inmesine yardımcı olur.
tıbbi uygulamalar: meme kanseri tespiti, hassas cerrahi prosedürler sırasında görsel yardım vb.
tehlikeli ürünlerin (patlayıcılar, zehirli gazlar) uzaktan tespiti.
meteorolojik uydular.
uzamsal görüntü ve spektroskopi (astronomi).
askeri uygulamalar: tank manzaraları, yerleşik kameralar, taşınabilir dürbünler, gömülü mayın tespiti ...

Belirli bir spektral bantta, geleneksel termal görüntülemeye ek olarak, QWIP'ler diğer sözde üçüncü nesil uygulamaların önünü açar:

yüksek çözünürlüklü görüntüler (yüksek tanımlı format, 1280 × 1024 piksel);
multispektral görüntüleme Rezonans absorpsiyonları sayesinde QWIP'ler aynı piksel içinde birkaç dalga boyunu algılamayı mümkün kılar. Bugüne kadar 3-5 µm / 8-10 µm ve 8-10 µm / 10-12 µm bantları için gösterimler yapılmıştır. Bir multispektral görüntüleyici, nesnelerin mutlak sıcaklığına ve kimyasal yapılarına erişmeyi mümkün kılar;
polarimetrik görüntüleme. Bir polarimetrik görüntüleyici, bir yandan radyasyonun yoğunluğuna, diğer yandan bu radyasyonun polarizasyonuna duyarlıdır. QWIP'ler şu anda dünyada bir dedektör matrisini ve bir polarizör matrisini monolitik olarak entegre eden tek teknolojidir. Polarizör görevi gören optik bağlantı yapısıdır ( yani 1D katmanlı dizi). Böyle bir termal görüntüleyici, örneğin herhangi bir ortamda üretilmiş nesneleri algılamayı mümkün kılacaktır;

Fransa'da, ana kızılötesi endüstriyel oyuncu, Thales ve Sagem'in bir yan kuruluşu olan Sofradir'dir. 2013 yılında iki ana şirketinden InSb, QWIP ve InGaAs teknolojilerini devraldı ve böylece iki grup için QWIP faaliyetlerini birleştirdi. Bu birleşmeden önce, bu teknolojileri geliştiren her şeyden önce Alcatel-Thales III-V Lab Ekonomik Çıkar Grubu (GIE) idi.

Küresel olarak, kuantum kuyu dedektörleri Amerika Birleşik Devletleri, Almanya, İsveç, İsrail, Kanada, Avustralya'da çalışılmakta ve üretilmektedir. III-V teknolojisinin erişilebilirliği sayesinde giderek daha fazla ülke (Türkiye, Hindistan, Güney Kore) ilgileniyor (araştırma bir üniversite laboratuvarında yapılabilir).

Dedektörün gerçekleştirilmesi

Kuantum kuyusu dedektörünün gerçekleştirilmesi dört ana adım gerektirir:

kuantum yapısının tasarımı (teorik ve simülasyon kısmı)
epitaksi tekniği ile kuantum yapısının gerçekleştirilmesi
dedektör matrisinin gerçekleştirilmesi
dedektör performansının karakterizasyonu

Kuantum yapısının tasarımı

Dedektörün aktif katmanı, yarı iletkenlere dayalı bir heteroyapıdır. Günümüzde en yaygın kullanılan malzemeler AlGaAs ( galyum ve alüminyum arsenit ) ve InGaAs (galyum ve indiyum arsenit) alaşımlarıdır .

Yapı, farklı kimyasal nitelikteki katmanların periyodik olarak art arda gerçekleştirilmesiyle elde edilir. Örneğin, bir AlGaAs - GaAs - AlGaAs - GaAs - ... değişimi gerçekleştirmek mümkündür.Bu yapıda, AlGaAs katmanlarının elektronlar için daha düşük bir afinitesi vardır. Bunlar, lavaboları oluşturacak olan GaAs katmanlarında sınırlandırılacaktır. AlGaAs katmanları, muhafaza bariyerleri görevi görür. Elektronlar, belirli katmanlara bir donör element ( silikon ) ile doping yapılarak yapıya verilir .

Kuantum kuyuları, elektrik kontağı görevi gören iki kat katkılı yarı iletken arasına sıkıştırılmıştır. Bu kontaklar, bileşene potansiyel bir fark uygulamayı ve bir akımı geri kazanmayı mümkün kılar.

Yapının tasarımı, kalınlığın yanı sıra farklı katmanların bileşimini, periyot sayısını, kuyuların katkısını, kontakların kalınlığını ve katkısını vb.

Örnek: absorpsiyon zirvesi 9 μm'de ortalanmış bir yapı, yaklaşık 5 nm genişliğindeki GaAs kuyularına (yani 18 atomik katman) karşılık gelir. AlGaAs bariyerleri %25 alüminyum içerir ve kalınlıkları yaklaşık 40 nm'dir. Bir dedektör birkaç düzine kuyu içerir.

yapının epitaksi

Aktif tabakanın üretimi, moleküler ışın epitaksi (MJS) gibi bir epitaksi tekniği ile yapılır . Bu teknik, üzerinde atomların biriktiği bir gofret şeklinde (5 ila 10 cm çap, 0,5 mm kalınlık) tek kristalli substratlar kullanır, atomik katman atomik katman. Birikmiş atomların uzamsal organizasyonunu dayatan substrattır. Kristal büyümesi vakum altında (10 −10 bar) ve yüksek sıcaklıkta (500-600 °C) gerçekleşir.

Tekniğin avantajları:

büyüme sırasında biriken atomların kimyasal yapısını değiştirmeyi ve kimyasal bileşimin homojen olmadığını belirtmek için heteroyapılar olarak nitelendirilen yapay yapılar elde etmeyi mümkün kılar;
büyüme hızı çok düşük (tipik olarak 0,2 nm/s), bu teknik arayüzleri atomik tek katmana kadar kontrol etmeyi mümkün kılar;
son 10-15 yılda teknolojik gelişmeler sayesinde, bu büyüme tekniği sentezlenmiş malzemenin yanı sıra çok yüksek saflık gibi (en az 10, büyük alanlar üzerinde bileşimin mükemmel dengede garanti 15 kirlilikler / cm 3 , 10 ile karşılaştırıldığında 23 atom / cm 3 , bir kristalin tipik yoğunluğu).

Dedektör matrisinin gerçekleştirilmesi

Aktif katman elde edildikten sonra dedektör dizilerinin üretimine geçilir. Çalışma temiz bir odada gerçekleştirilir. Matrislerin kalitesi (kullanılabilir piksellerin yüzdesi) doğrudan atmosferin kalitesine ve kullanılan kimyasallara bağlıdır. Örneğin, 1 µm boyutunu aşan her şey kritik kirlilik olarak kabul edilir.

Birkaç teknolojik süreç gereklidir:

ışığa duyarlı reçineler kullanarak fotolitografi. Yarı iletkenin yüzeyinde daha sonra kazınacak olan desenleri tanımlamayı mümkün kılar;
kuru dağlama teknikleri: reaktif iyonik dağlama, plazma dağlama;
metal katmanları biriktirme teknikleri, elektriksel temaslar kurmayı mümkün kılar;

Matrislerin gerçekleştirilmesi için mikron altı desenlerin (0.3-0.7 µm) aşındırılmasında ustalaşmak gerekir.

Matrisin gerçekleştirilmesi birkaç aşamada gerçekleştirilir:

üst kontağa entegre edilmiş optik bağlantı yapısının aşındırılması;
piksel gravürü;
elektrik kontakları yapmak.

Matrisler böylece TV (640 × 512 piksel) veya TV / 4 (384 × 288 piksel) formatında veya hatta yakın zamanda HDTV (1280 × 1024) formatında elde edilir. Piksellerin boyutları 15 ila 25 µm arasında değişir.

Dedektör dizisi, küçük silikon okuma devrelerinden oluşan benzer bir diziye indiyum boncuklar kullanılarak bağlanır. Bu devreler, dedektörün önyargılı olmasına ve sinyalin toplanmasına izin verir. Montaj işlemine hibridizasyon denir.

Bir kameranın gerçekleştirilmesi

Ortaya çıkan hibrit, küçük bir kriyostat içine monte edilir (hatırlatma: dedektör düşük sıcaklıkta çalışır), daha sonra sıkıştırma-genleşme prensibi ile çalışan küçük bir soğuk makineye bağlanır. Kriyostat-soğuk makine tertibatı, dedektör bloğunu oluşturur. Bu çok kompakt: birkaç yüz gram için bir düzine santimetre.

Dedektör ünitesi, aynı zamanda görüntü oluşturma optiklerini ve okuma ve işleme elektroniklerini de içeren bir kameraya entegre edilmiştir.

Performans karakterizasyonu

Performans hakkında konuştuğumuzda, dedektör performansı ile kamera performansını ayırt etmeliyiz. Burada dedektörün performansından bahsedeceğiz.

Kızılötesi dedektörün elektro-optik performansı, aşağıdaki fiziksel miktarlar kullanılarak değerlendirilir:

spektral tepki (watt başına amper olarak). Bu miktar, dedektörün spektral hassasiyet aralığının bilinmesini mümkün kılar. Kontaklarda geri kazanılan elektron sayısı (bir akım) ile gelen foton sayısı (bir güç) arasındaki oran olarak tanımlanır.
karanlık akım (amper olarak). Bu akım, tespit edilecek fotonların absorpsiyonu dışındaki fiziksel süreçler tarafından üretilir. QWIP'lerde karanlık akımın ana bileşeni termal olarak etkinleştirilir (Arrhenius yasası).
mevcut spektral gürültü yoğunluğu (hertz kökü başına amper cinsinden).
Spesifik spektral algılama.

NETD (Gürültüye Eşdeğer Sıcaklık Farkı: gürültüye eşdeğer bir sinyale karşılık gelen aşama sıcaklık farkı) gibi başka fiziksel nicelikler de vardır. Dedektörün dışındaki parametreleri içerdiğinden, bir dedektörün performansını tahmin etmek için kullanılamaz.

Tam termal görüntüleyici için ilgili parametre NETD veya menzil (kilometre cinsinden) olacaktır. Bugün, QWIP'ler, görüntüleyicinin yapılandırmasına bağlı olarak 10 - 30 millikelvin (1 ila 3 yüzdelik derece) termal çözünürlüklerin elde edilmesini sağlar.

varsayılanlar

QWIP'lerin fotodiyot tipi ( HgCdTe ) fotodetektörlere göre, özellikle de düzeltme algoritmalarına güvenmekten kaçınmayı mümkün kılan malzemenin tekdüzeliği veya farklı katmanlar oluşturarak mümkün olması nedeniyle çeşitli avantajları olmasına rağmen , veya nispeten basit değişiklikler, dedektörün aynı anda birkaç dalga boyunu algılamasına izin verir, ancak kendi eksiklikleri vardır:

dedektörün yapısı nedeniyle, dedektörün normaline gelen bir gelen radyasyonu algılayamazlar;
bunların karanlık akım kendi detectivity azaltır ve düşük sıcaklıkta çalışma için gerekli kılan, çok daha yüksek bir diğer detektörlerden olduğu;
bu yüksek karanlık akım oranını tam olarak telafi etmek için çalışma sıcaklıkları düşük (~ 60 K veya daha az) kalır;
bunların kuantum etkinliği, (yaklaşık% 50) indirgenir.

Bu nedenlerle, özellikle QDIP ( Quantum Dot Infrared Photodedektör ) olmak üzere diğer fotodedektör türleri geliştirilmektedir .