A QWIP ( Quantum Well Infravörös fotodetektor (in francia : „infravörös fotodetektor kvantumforrás”) egy detektor sugárzást infravörös hullámhossztartományban lefedett 2007 terjed 3 mikron és több mint 30 mikron Ce .. típusú érzékelő érzékeny által kibocsátott hősugárzás bármely test, amelynek hőmérséklete nem nulla ( a Max Planck által bevezetett fekete test sugárzási törvény szerint ).
A QWIP egy kvantumdetektor: a beeső sugárzás elnyelése elektronikus átmenet útján történik. Ez az átmenet a kvantumkút alapvető szintje és az első gerjesztett szint között történik. Ha csak egy korlátozott szint létezik, akkor az átmenet megtörténik az alapszint és a delokalizált állapotok folytonossága között.
Az elektromágneses sugárzás és az elektronok kölcsönhatását szabályozó kiválasztási szabályok ennek az összetevőnek két nagyon fontos jellemzőjéhez vezetnek:
A QWIP hűtött detektor. Valójában az érintett elektronikus átmeneteket a fononok is gerjeszthetik , vagyis a kristályrács rezgései. Ezen rezgések csökkentése érdekében az érzékelőt le kell hűteni. Az üzemi hőmérséklet a hullámhossztól függ. 9 µm-nél detektált QWIP esetén az üzemi hőmérséklet ma meghaladja a 77 K-t (-196 ° C, folyékony nitrogén hőmérséklete).
A QWIP egypólusú detektor: az elektromos áram csak az elektronoknak köszönhető. Ez jelentős különbség más detektálási technológiákhoz képest, amelyek fotodiódákat (pn csomópontokat) használnak. Egy fotodiódában a beeső fotonok gerjesztik az elektronokat a vegyérték sávtól a félvezető vezetősávjáig. Az áramot mind az elektronok, mind a furatok továbbítják. A fotodióda tehát bipoláris komponens.
A QWIP technológia kihasználja a III-V félvezetők ipari szektorát: a GaAs-t és ötvözeteit (AlGaAs, InGaAs). A QWIP-k élvezhetik ennek a mikroelektronikai ( azaz mobiltelefonok) és optoelektronikai (szálas távközlési) alkalmazásokhoz kifejlesztett kettős technológiának az összes előnyét :
A QWIP különösen jól alkalmazható gyors (több mint 50 kép másodpercenként), nagy távolságú (több kilométer) képalkotó alkalmazásokhoz, amelyek nagy felbontást és nagy érzékenységet igényelnek. Itt található a lehetséges alkalmazások nem teljes listája:
A hagyományos termikus képalkotás mellett egy adott spektrális sávban a QWIP-k előkészítik az utat más, úgynevezett harmadik generációs alkalmazások számára:
Franciaországban a fő infravörös ipari szereplő Sofradir, a Thales és a Sagem leányvállalata. 2013-ban két anyavállalatától átvette az InSb, a QWIP és az InGaAs technológiákat, és így egyesíti a QWIP tevékenységeket a két csoport számára. Az egyesülés előtt mindenekelőtt az Alcatel-Thales III-V Lab Economic Interest Group (GIE) fejlesztette ki ezeket a technológiákat.
Globálisan kvantumkút-detektorokat tanulmányoznak és gyártanak az Egyesült Államokban, Németországban, Svédországban, Izraelben, Kanadában, Ausztráliában. Egyre több ország érdekli (Törökország, India, Dél-Korea) a III-V technológia hozzáférhetőségének köszönhetően (a kutatás egyetemi laboratóriumban végezhető).
A kvantumkút-detektor megvalósításához négy fő lépés szükséges:
A detektor aktív rétege egy félvezetőkön alapuló heteroszerkezet. Ma a legszélesebb körben használt anyagok az AlGaAs ( gallium- és alumínium- arzenid ) és az InGaAs (gallium- és indium-arsenid) ötvözetek .
A szerkezetet különböző kémiai természetű rétegek periodikus egymás utáni elvégzésével kapjuk. Például lehetséges egy AlGaAs - GaAs - AlGaAs - GaAs - ... váltakozás végrehajtása . Ebben a struktúrában az AlGaAs rétegek kisebb affinitással rendelkeznek az elektronok iránt. Ezek a GaAs rétegekben lesznek bezárva, amelyek így mosogatókat alkotnak. Az AlGaAs rétegek elszigetelő akadályként működnek. Az elektronokat úgy vezetik be a szerkezetbe, hogy bizonyos rétegeket donorelemmel ( szilícium ) adalékolnak .
A kvantumkút két adalékolt félvezető közé kerül, amelyek az elektromos érintkezők szerepét töltik be. Ezek az érintkezők lehetővé teszik a potenciálkülönbség alkalmazását az alkatrészre és az áram visszanyerését.
A szerkezet kialakítása a vastagság, valamint a különböző rétegek összetételének, az időszakok számának, a kutak doppingolásának, a vastagság és az érintkezők doppingolásának megválasztásában áll.
Példa: egy szerkezet, amelynek abszorpciós csúcsa 9 μm-es középpontban van, megfelel a körülbelül 5 nm széles GaAs-kutaknak (azaz 18 atomrétegnek). Az AlGaAs gátak 25% alumíniumot tartalmaznak, vastagságuk pedig megközelítőleg 40 nm. Egy detektor tartalmaz néhány tucat kutat.
Az aktív réteg előállítása epitaxiás technikával , például molekuláris nyaláb-epitaxiával (MJS) történik. Ez a technika monokristályos szubsztrátumokat használ, amelyek ostya alakúak (átmérője 5-10 cm, vastagsága 0,5 mm), és amelyekre atomok kerülnek atomrétegenként. A hordozó az, amely előírja a lerakódott atomok térbeli szerveződését. Kristálynövekedés játszódik vákuumban (10 -10 bar) és magas hőmérsékleten (500-600 ° C).
A technika előnyei:
Az aktív réteg megszerzése után folytatódik a detektor tömbök előállítása. A munkát tiszta helyiségben végzik. A mátrixok minősége (a használható pixelek százalékos aránya) közvetlenül függ a légkör és a felhasznált vegyszerek minőségétől. Például bármi, ami meghaladja az 1 µm-es méretet, kritikus szennyeződésnek minősül.
Számos technológiai folyamatra van szükség:
A mátrixok megvalósításához el kell sajátítani a szubmikronos minták maratását (0,3-0,7 µm).
A mátrix megvalósítása több szakaszban történik:
Így a mátrixokat TV (640 × 512 pixel) vagy TV / 4 (384 × 288 pixel) formátumban, vagy akár nemrégiben HDTV (1280 × 1024) formátumban kapják meg. A pixelek mérete 15-25 um.
A detektorok tömbje indium gyöngyökkel kapcsolódik egy hasonló tömbhöz, amely kis szilícium olvasási áramkörökből áll. Ezek az áramkörök lehetővé teszik az érzékelő torzítását és a jel összegyűjtését. Az összeszerelési műveletet hibridizációnak nevezzük.
A kapott hibridet egy kis kriosztátba helyezik (emlékeztető: a detektor alacsony hőmérsékleten működik), amelyet ezután egy kis hideg géphez kapcsolnak, a kompressziós-tágulás elvén működve. A kriosztát-hideg gép szerelvény alkotja az érzékelő blokkot. Ez nagyon kompakt: egy tucat centiméter néhány száz grammért.
Az érzékelő egység beépítve van egy kamerába, amely tartalmazza a kép kialakításához szükséges optikát, valamint az olvasó és feldolgozó elektronikát is.
Amikor a teljesítményről beszélünk, meg kell különböztetnünk a detektor és a kamera teljesítményét. A detektor teljesítményéről itt fogunk beszélni.
Az infravörös detektor elektro-optikai teljesítményét a következő fizikai mennyiségek alkalmazásával értékelik:
Vannak más fizikai mennyiségek is, például a NETD (Noise Equivalent Temperature Difference: zaj-egyenértékű hőmérséklet-különbség: a zajnak megfelelő jelnek megfelelő fokozat-hőmérséklet-különbség). Mivel a detektoron kívüli paramétereket tartalmaz, nem használható fel a detektor teljesítményének becslésére.
A teljes hőkamera esetében a releváns paraméter a NETD, vagy a hatótávolság (kilométerben). Ma a QWIP-ek lehetővé teszik 10 - 30 millikelvin (1-3 fok százaléka) hőfelbontások elérését, a képalkotó konfigurációjától függően.
Míg a QWIP-knek számos előnye van a fotodióda típusú fotodetektorokkal ( HgCdTe ) szemben, különösen az anyag egységessége tekintetében, amely lehetővé teszi, hogy ne kelljen korrekciós algoritmusokra támaszkodni, vagy az a tény, hogy különböző rétegek kialakításával lehetséges, vagy a viszonylag egyszerű változtatások lehetővé teszik az érzékelő számára, hogy egyszerre több hullámhosszt érzékeljen, azonban megvannak a maguk hiányosságai:
Ezen okokból más típusú fotodetektorok vannak fejlesztés alatt, különösen a QDIP ( Quantum Dot Infrared Photodetector ).