Kvantbrønn infrarød fotodetektor

Den QWIP ( Quantum Well Infrared Fotodetektor (i fransk : "infrarød fotodetektor quantum well") er en detektor strålings infrarøde bølgelengdeområde som dekkes i 2007 strekker seg fra 3 mikron til over 30 mikron Ce .. detektortype som er følsom for termisk stråling som sendes ut av ethvert legeme hvis temperatur ikke er null (i henhold til strålingsloven for svart kropp innført av Max Planck ).

Introduksjon

QWIP er en kvantedetektor: absorpsjonen av den innfallende strålingen skjer gjennom en elektronisk overgang. Denne overgangen skjer mellom det grunnleggende nivået til kvantebrønnen og det første begeistrede nivået. Hvis bare ett begrenset nivå eksisterer, finner overgangen sted mellom det grunnleggende nivået og kontinuumet av delokaliserte stater.

Valgsreglene som styrer samspillet mellom elektromagnetisk stråling og elektroner, fører til to veldig viktige egenskaper ved denne komponenten:

absorpsjon er resonant: detektoren absorberes i et smalt bånd av bølgelengder, absorpsjonen er i form av en topp preget av posisjonen til sitt maksimale og av bredden i midten av høyden. For en topp sentrert på 9 µm (33 THz) er bredden i midten av høyden på toppen nær 1 µm.
absorpsjonen av stråling som kommer til normal forekomst er lav (teoretisk null for en detektor med en uendelig overflate). Det er derfor nødvendig å forsyne hvert detektorelement (piksel) med en optisk koblingsstruktur, for eksempel et diffraksjonsgitter som fungerer i refleksjon.

QWIP er en avkjølt detektor. Faktisk kan de involverte elektroniske overgangene også begeistres av fononene , det vil si av vibrasjonene i krystallgitteret. For å redusere disse vibrasjonene, må detektoren avkjøles. Driftstemperaturen avhenger av bølgelengden. For en QWIP-deteksjon ved 9 µm overstiger driftstemperaturen i dag 77 K (-196 ° C, flytende nitrogen temperatur).

QWIP er en unipolar detektor: den elektriske strømmen skyldes bare elektronene. Dette er en stor forskjell sammenlignet med andre deteksjonsteknologier, som bruker fotodioder (pn-kryss). I en fotodiode exciterer de innfallende fotonene elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet til en halvleder. Strømmen bæres av både elektronene og hullene. En fotodiode er derfor en bipolar komponent.

QWIP-teknologi utnytter den industrielle sektoren av III-V halvledere: GaAs og dets legeringer (AlGaAs, InGaAs). QWIPs drar nytte av alle fordelene med denne doble teknologien, utviklet for mikroelektronikk ( dvs. mobiltelefoner) og optoelektronikk (fibertelekommunikasjon):

tilgjengeligheten av store underlag. GaAs-vafler når i dag en diameter på 6 tommer (15 cm). Til sammenligning overstiger ikke substratene som brukes til merkatel (HgCdTe, referansemateriale for infrarød deteksjon) 5 cm i diameter. Tilgjengeligheten av store underlag gjør det mulig å produsere store detektorer.
utmerket ensartethet og reproduserbarhet av materialet. Dette er veldig viktig for detektorer for matriseformat og for lavpris produksjonsaktivitet.
veldig lav mangelfrekvens. I en matrise av detektorer er hver piksel viktig. Det er viktig å minimere det totale antallet defekte piksler samt antall klynger (grupper med defekte piksler). Den nåværende teknikkens stand er noen titalls ubrukelige piksler for en matrise i formatet 640 × 512 (dvs. en bruksfrekvens større enn 99,97%).
veldig høy produksjonseffektivitet. Tilgjengeligheten av store vafler gjør det mulig å produsere flere titalls dør parallelt. Det lave antallet mangler gjør det mulig å oppnå produksjonsutbytter nær 90%, med relativt beskjedne teknologiske midler.
utmerket tidsmessig stabilitet i bildet. QWIP-detektorer er faktisk preget av ubetydelig lavfrekvent støy (kjent som 1 / f støy). I motsetning til andre infrarøde bildebehandlingsteknologier er det ikke nødvendig å utføre bildekorrigering med jevne mellomrom. Dette gjør det mulig å designe systemer som er enklere å implementere for sluttbrukeren.

QWIPs er spesielt godt egnet for raske (mer enn 50 bilder per sekund), langdistanse (flere kilometer) bildeapplikasjoner som krever høy oppløsning og høy følsomhet. Her er en ikke-uttømmende liste over mulige applikasjoner:

fjernovervåking til enhver tid (natt, tåke). Noen eksempler: kystovervåking, rørovervåking.
hjelper fly med å lande i dårlige værforhold (tåke).
medisinske applikasjoner: påvisning av brystkreft, visuelt hjelpemiddel under sensitive kirurgiske inngrep, etc.
fjernoppdagelse av farlige produkter (eksplosiver, giftige gasser).
meteorologiske satellitter.
romlig bilder og spektroskopi (astronomi).
militære applikasjoner: tankesikter, innebygde kameraer, bærbar kikkert, nedgravd gruvedeteksjon ...

I tillegg til konvensjonell termisk avbildning, i et gitt spektralbånd, legger QWIP-er vei for andre såkalte tredjegenerasjonsapplikasjoner:

bilder med høy oppløsning (høydefinisjonsformat, 1280 × 1024 piksler);
multispektral bildebehandling. Takket være resonansabsorpsjonen gjør QWIP det mulig å oppdage flere bølgelengder innenfor samme piksel. Hittil er det demonstrert for båndene 3-5 µm / 8-10 µm og 8-10 µm / 10-12 µm. En multispektral avbildning gjør det mulig å få tilgang til objektenes absolutte temperatur, så vel som deres kjemiske sammensetning;
polarimetrisk bildebehandling. Et polarimetrisk kamera er på den ene siden følsomt for intensiteten av strålingen, på den andre siden for polarisasjonen av denne strålingen. QWIP-er er for tiden den eneste teknologien i verden som monolitisk integrerer en matrise av detektorer og en matrise av polarisatorer. Det er den optiske koblingsstrukturen ( dvs. 1D lamellarray) som fungerer som polarisator. En slik termisk kamera ville for eksempel gjøre det mulig å oppdage produserte gjenstander i ethvert miljø;

I Frankrike er Sofradir, et datterselskap av Thales og Sagem, den viktigste infrarøde industrielle aktøren. I 2013 overtok den InSb, QWIP og InGaAs-teknologiene fra de to morselskapene og kombinerer dermed QWIP-aktiviteter for de to gruppene. Før denne sammenslåingen var det fremfor alt Alcatel-Thales III-V Lab Economic Interest Group (GIE) som utviklet disse teknologiene.

Globalt blir kvantebrønndetektorer studert og produsert i USA, Tyskland, Sverige, Israel, Canada, Australia. Flere og flere land er interessert i det (Tyrkia, India, Sør-Korea) takket være tilgjengeligheten til III-V-teknologi (forskning kan utføres i et universitetslaboratorium).

Realisering av detektoren

Realiseringen av en kvantebrønndetektor krever fire hovedtrinn:

utforming av kvantestrukturen (teoretisk del og simuleringsdel)
realisering av kvantestrukturen, ved hjelp av en epitaksteknikk
realisering av detektormatrisen
karakterisering av detektorens ytelse

Design av kvantestrukturen

Det aktive laget av detektoren er en heterostruktur basert på halvledere. I dag er de mest brukte materialene AlGaAs ( gallium og aluminiumarsenid ) og InGaAs (gallium og indiumarsenid) legeringer .

Strukturen oppnås ved å utføre en periodisk rekkefølge av lag av forskjellig kjemisk natur. For eksempel er det mulig å utføre en AlGaAs - GaAs - AlGaAs - GaAs - ... veksling . I denne strukturen har AlGaAs-lagene en lavere affinitet for elektronene. Disse vil være begrenset i GaAs-lagene, som dermed vil utgjøre vasker. AlGaAs-lag fungerer som innesperringsbarrierer. Elektroner introduseres i strukturen ved doping av visse lag med et donorelement ( silisium ).

Kvantebrønner er klemt mellom to lag dopet halvleder, som spiller rollen som elektriske kontakter. Disse kontaktene gjør det mulig å bruke en potensiell forskjell på komponenten og gjenopprette en strøm.

Utformingen av strukturen består i å velge tykkelse, samt sammensetningen av de forskjellige lagene, antall perioder, doping av brønnene, tykkelsen og dopingen av kontaktene, etc.

Eksempel: en struktur hvis absorpsjonstopp er sentrert på 9 mikrometer tilsvarer GaAs-brønner som er omtrent 5 nm brede (dvs. 18 atomlag). AlGaAs-barrierer inneholder 25% aluminium og tykkelsen er omtrent 40 nm. En detektor inkluderer noen titalls brønner.

Epitaksi av strukturen

Produksjonen av det aktive laget gjøres ved hjelp av en epitaksteknikk , slik som molekylær stråleepitaksi (MJE). Denne teknikken bruker monokrystallinske substrater, som har form av en skive (diameter på 5 til 10 cm, tykkelse 0,5 mm), som atomer er avsatt på, atomslag for atomlag. Det er substratet som pålegger den romlige organisasjonen av de avsatte atomer. Krystallvekst foregår under vakuum (10 -10 bar) og ved høy temperatur (500-600 ° C).

Fordeler med teknikken:

gjør det mulig å endre den kjemiske naturen til atomene som er avsatt under vekst og å oppnå kunstige strukturer, kvalifisert som heterostrukturer for å betegne at den kjemiske sammensetningen ikke er homogen;
veksthastigheten er veldig lav (typisk 0,2 nm / s), denne teknikken gjør det mulig å kontrollere grensesnittene ned til det atomare enkeltlaget;
takket være den teknologiske utviklingen de siste 10-15 årene, garanterer denne vekstteknikken utmerket ensartethet i sammensetningen over store områder så vel som meget høy renhet av materialet som er syntetisert (mindre enn 10 15 urenheter / cm 3 , sammenlignet med 10 23 atomer / cm 3 , typisk tetthet av en krystall).

Realisering av detektormatrisen

Når det aktive laget er oppnådd, fortsetter man til produksjonen av detektorer. Arbeidet utføres i et rent rom. Kvaliteten på matriser (prosentandel av brukbare piksler) avhenger direkte av kvaliteten på atmosfæren og kjemikaliene som brukes. For eksempel blir alt som overstiger en størrelse på 1 mikrometer betraktet som en kritisk urenhet.

Flere teknologiske prosesser er nødvendige:

fotolitografi ved bruk av lysfølsomme harpikser. Det gjør det mulig å definere mønstre på overflaten til halvlederen, som deretter blir etset;
tørre etsingsteknikker: reaktiv ionisk etsning, plasmaetsing;
teknikker for avsetning av metallag, som gjør det mulig å lage elektriske kontakter;

For realisering av matrisene er det nødvendig å mestre etsingen av submikronmønstre (0,3-0,7 µm).

Realiseringen av matrisen gjøres i flere trinn:

etsing av den optiske koblingsstrukturen, som er integrert i øvre kontakt;
gravering av piksler;
lage elektriske kontakter.

Matriser oppnås således i TV-format (640 × 512 piksler) eller TV / 4 (384 × 288 piksler), eller til og med nylig i HDTV (1280 × 1024) -format. Pikslene har dimensjoner fra 15 til 25 pm.

Utvalget av detektorer er koblet ved hjelp av indiumperler til en lignende oppstilling, bestående av små silisiumavlesningskretser. Disse kretsene gjør at detektoren kan være partisk og signalet kan samles inn. Monteringsoperasjonen kalles hybridisering.

Realisering av et kamera

Den resulterende hybriden er montert i en liten kryostat (påminnelse: detektoren fungerer ved lav temperatur), som deretter kobles til en liten kald maskin, som fungerer på prinsippet om komprimeringsutvidelse. Kryostat-kald maskinsamling danner detektorblokken. Denne er veldig kompakt: et dusin centimeter for noen hundre gram.

Detektorenheten er integrert i et kamera som også inneholder optikken for å danne bildet og lese- og prosesseringselektronikken.

Ytelseskarakterisering

Når vi snakker om ytelse, må vi skille mellom detektorytelse og kameraytelse. Vi vil snakke om ytelsen til detektoren her.

Den elektrooptiske ytelsen til en infrarød detektor blir evaluert ved hjelp av følgende fysiske størrelser:

spektral respons (i ampere per watt). Denne mengden gjør det mulig å kjenne det spektrale følsomhetsområdet til detektoren. Det er definert som forholdet mellom antall elektroner som gjenvinnes ved kontaktene (en strøm) og antall innfallende fotoner (en effekt).
mørk strøm (i ampere). Denne strømmen genereres av andre fysiske prosesser enn absorpsjonen av fotonene som skal oppdages. I QWIPs er hovedkomponenten i den mørke strømmen termisk aktivert (Arrhenius-loven).
nåværende spektral støytetthet (i ampere per hertzrot).
spesifikk spektral detektivitet.

Det er også andre fysiske størrelser, for eksempel NETD (Noise Equivalent Temperature Difference: stage temperature difference tilsvarer et signal som tilsvarer støy). Ettersom det involverer parametere utenfor detektoren, kan den ikke brukes til å estimere ytelsen til en detektor.

For hele termokameraet vil den aktuelle parameteren være NETD, eller rekkevidden (i kilometer). I dag tillater QWIPs termiske oppløsninger på 10-30 millikelvin (1 til 3 hundredeler av en grad), avhengig av bildekonfigurasjonen.

Standardinnstillinger

Mens QWIP har flere fordeler i forhold til fotodetektorer av fotodiodetypen ( HgCdTe ), spesielt når det gjelder ensartethet av materialet som gjør det mulig å unngå å måtte stole på korreksjonsalgoritmer, eller ved at det er mulig ved å danne forskjellige lag, eller relativt enkle endringer tillater detektoren å oppdage flere bølgelengder samtidig, de har imidlertid sine egne mangler:

på grunn av detektorens struktur, kan de ikke oppdage en hendende stråling som kommer til det normale til detektoren;
deres mørke strøm er mye høyere enn andre detektorer, noe som reduserer detektiviteten og gjør det nødvendig å arbeide ved lav temperatur;
deres driftstemperatur forblir lav (~ 60 K eller mindre), nettopp for å kompensere for denne høye graden av mørk strøm;
deres kvanteeffektivitet er redusert (ca. 50%).

Av disse grunner er andre typer fotodetektorer under utvikling, spesielt QDIP ( Quantum Dot Infrared Photodetector ).