Fotodetector infrarrojo de pozo cuántico

Un fotodetector infrarrojo de pozo cuántico ( QWIP ) es un fotodetector infrarrojo que utiliza transiciones electrónicas entre subbandas en pozos cuánticos para absorber fotones. Para poder utilizarlo en la detección infrarroja, los parámetros de los pozos cuánticos en el fotodetector infrarrojo de pozo cuántico se ajustan de modo que la diferencia de energía entre su primer y segundo estado cuantizado 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 mecánicos cuánticos más simples que pueden detectar radiación infrarroja de longitud de onda media y larga. Son conocidos por su estabilidad, alta uniformidad de píxel a píxel y alta operabilidad de píxeles. ^[3]

En 1985, Stephen Eglash y Lawrence West observaron una fuerte transición entre subbandas en pozos cuánticos múltiples (MQW) , lo que impulsó una consideración más seria del 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 los electrones por encima de las barreras. Sin embargo, los detectores resultantes mostraron una baja sensibilidad. ^[5]

En 1987 se formularon los principios básicos de funcionamiento de un fotodetector infrarrojo de pozo cuántico que demostró una detección infrarroja sensible. En 1990, la sensibilidad a baja temperatura de la tecnología se mejoró aún más al aumentar el espesor de la barrera, lo que suprimió la corriente de tunelización. ^[5] En ese momento, estos dispositivos se conocieron 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 los Estados Unidos (ARL) desarrollaron un QWIP bicolor ajustable por voltaje con conmutación eficaz de longitud de onda para la detección remota de temperatura. El instrumento exhibió una longitud de onda de detección máxima de 7,5 micrómetros para una polarización positiva a 10 K cuando los electrones residían en uno de los pozos cuánticos y cambió a 8,8 micrómetros con una polarización negativa grande cuando los electrones se transfirieron al otro pozo. ^{[7] [8]}

Sin embargo, a pesar de su uso en aplicaciones civiles, el ejército estadounidense consideró que la tecnología QWIP no era suficiente para su 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 normalmente ocurría cuando la luz incidía 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 que se usaban comúnmente en la industria para aliviar este problema estaban hechas de postes periódicos muy finos y eran difíciles de producir en formatos grandes. ^[1]

Para abordar este problema, los investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército desarrollaron en 2008 el fotodetector infrarrojo cuántico corrugado (C-QWIP), que utilizaba microespejos en el fotodetector para aumentar la eficacia 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 los 3 micrómetros, lo que era 5 veces más amplio que el QWIP comercial en ese momento. ^[9] Dado que los C-QWIP se pueden fabricar utilizando 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 instrumento 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 emitidas 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]}

Los detectores 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 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 pueden utilizar para detectar objetos con una radiación energética mucho menor de lo que era posible anteriormente. ^[5]

Los elementos básicos de un QWIP son 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 pozos están dopados con n de modo que el estado fundamental está lleno de electrones. Las barreras son lo suficientemente anchas para evitar el efecto túnel cuántico entre los pozos cuánticos. Los QWIP típicos constan de entre 20 y 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 permanecen en el estado fundamental. Cuando el QWIP se ilumina con luz de la misma energía o mayor que la energía de transición entre subbandas, se excita un electrón.

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

Corriente fotoeléctrica

Suponiendo que el detector está iluminado con un flujo de fotones (número de fotones por unidad de tiempo), la fotocorriente es${\estilo de visualización \phi}$$estilo de visualización 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 un electrón, y depende de las propiedades de transporte electrónico.${\estilo de visualización e}$${\estilo de visualización \eta}$$estilo de visualización g_ {ph}}$ ${\estilo de visualización \eta}$$estilo de visualización g_ {ph}}$${\estilo de visualización \eta}$$estilo de visualización 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 puede parecer contradictorio al principio, es posible que sea mayor que uno. Siempre que un electrón se excita y se extrae como fotocorriente, se inyecta un electrón adicional desde el contacto opuesto (emisor) para equilibrar la pérdida de electrones del pozo cuántico. En general, la probabilidad de captura , por lo que un electrón inyectado a veces puede pasar por encima del 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 puede o no ser capturado, y así sucesivamente, hasta que finalmente un electrón es capturado en el pozo. De esta manera, puede llegar a ser mayor que uno.$estilo de visualización g_ {ph}}$$estilo de visualización g_ {ph}}$$estilo de visualización p_{c}\leq 1$$estilo de visualización g_ {ph}}$

El valor exacto de se determina mediante la relación entre la probabilidad de captura y la probabilidad de escape .$estilo de visualización g_ {ph}}$$estilo de visualización p_{c}}$$estilo de visualización 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 .${\estilo de visualización N}$$estilo de visualización p_{c}}$$estilo de visualización p_e$

• Investigación QWIP de la NASA
• QWIP corrugado para sensores de megapíxeles (vigésima séptima conferencia científica del ejército) ^{[ enlace muerto permanente ]}