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 su uso en la detección infrarroja, los parámetros de los pozos cuánticos en el fotodetector infrarrojo de pozo cuántico se ajustan de manera que la diferencia de energía entre sus estados cuantizados primero y segundo coincida con la energía del fotón infrarrojo incidente . 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 del diseño de los pozos cuánticos, los niveles de energía del QWIP se pueden adaptar para absorber 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. Se caracterizan por su estabilidad, alta uniformidad píxel a píxel y alta operatividad 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 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 hacían que los electrones superaran las barreras. Sin embargo, los detectores resultantes mostraron 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, se mejoró aún más la sensibilidad a bajas temperaturas de la tecnología aumentando el espesor de la barrera, lo que suprimió la corriente de tunelización. ^{[ 5 ]} En este punto, estos dispositivos se conocieron formalmente como fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico. ^{[ 5 ] [ 6 ]} En 1991, se obtuvo la primera imagen infrarroja utilizando este método. ^{[ 5 ]}

En 2002, investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos (ARL) desarrollaron un detector QWIP bicolor 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 máxima de 7,5 micrómetros para 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, la tecnología QWIP fue considerada insuficiente por el ejército estadounidense para uso militar. En aquel entonces, los fotodetectores solo podían detectar la cuantización unidimensional cuando la luz viajaba en paralelo a las capas del material, lo que generalmente ocurría cuando la luz incidía en el borde del detector. Como resultado, la tecnología QWIP tenía una eficiencia cuántica de tan solo el 5 por ciento. Además, las rejillas de reflexión comúnmente utilizadas en la industria para mitigar este problema estaban hechas de postes periódicos muy finos y eran difíciles de producir en grandes formatos. ^{[ 1 ]}

Para abordar este problema, investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército desarrollaron en 2008 el fotodetector infrarrojo cuántico corrugado (C-QWIP), que utilizaba micromirrores 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 paralelamente a las capas del material para producir una señal eléctrica. ^{[ 10 ]} Las pruebas realizadas por investigadores del ARL y L-3 Communications Cincinnati Electronics determinaron que el C-QWIP demostraba anchos de banda superiores a 3 micrómetros, cinco veces mayores que los del QWIP comercial de la época. ^{[ 9 ]} Dado que los C-QWIP se pueden fabricar con arseniuro de galio, servían 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 equipado con el instrumento Sensor Térmico Infrarrojo (TIRS) como parte de su Misión de Continuidad de Datos Landsat . El TIRS utilizaba 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 el uso del 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 dicha 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 detector, ya que se basan en la transición óptica dentro de una única banda de energía. Como resultado, pueden utilizarse para detectar objetos con radiación de energía mucho menor que la que se podía detectar anteriormente. ^{[ 5 ]}

Los elementos básicos de un QWIP son pozos cuánticos , separados por barreras. Estos pozos están diseñados para tener un estado confinado en su interior y un primer estado excitado alineado con la parte superior de la barrera. Los pozos están dopados con tipo n, de modo que el estado fundamental se llena de electrones. Las barreras son lo suficientemente anchas como para evitar el efecto túnel cuántico entre los pozos. Los QWIP típicos constan de entre 20 y 50 pozos cuánticos. Al aplicar una tensión de polarización al QWIP, toda la banda de conducción se inclina. Sin luz, los electrones en los pozos cuánticos permanecen en el estado fundamental. Cuando el QWIP se ilumina con luz de la misma energía o superior a la energía de transición entre subbandas, se excita un electrón.

Una vez que el electrón se encuentra en un 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${\displaystyle \phi }$(número de fotones por unidad de tiempo), la fotocorriente${\displaystyle I_{ph}}$es

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

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

Ganancia fotoconductiva

La ganancia fotoconductiva${\displaystyle g_{ph}}$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 pueda parecer contraintuitivo, es posible que${\displaystyle g_{ph}}$ser 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${\displaystyle p_{c}\leq 1}$, por lo que un electrón inyectado podría a veces pasar por encima del pozo cuántico y entrar en el contacto opuesto. En ese caso, se inyecta otro electrón desde el contacto emisor para equilibrar la carga, y de nuevo se dirige hacia el pozo donde podría o no ser capturado, y así sucesivamente, hasta que finalmente un electrón sea capturado en el pozo. De esta manera,${\displaystyle g_{ph}}$puede llegar a ser más grande que uno.

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

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

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

• telururo de mercurio y cadmio
• Microbolómetro
• Termografía

• Investigación QWIP de la NASA
• QWIP corregido para sensores de megapíxeles (Vigésimo séptima Conferencia Científica del Ejército). Archivado el 11 de junio de 2023 en Wayback Machine.