Carriers dynamics study of photodetectors based in InGaAs/InAlAs quantum wells (QWIPs) for gas...
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Carriers dynamics study of Carriers dynamics study of photodetectors based in photodetectors based in
InGaAs/InAlAs quantum wells InGaAs/InAlAs quantum wells (QWIPs) for gas detection.(QWIPs) for gas detection.
D. N. MichaD. N. Micha1,41,4, M. P. Pires, M. P. Pires1,41,4, P. L. Souza, P. L. Souza2,42,4,,
R. M. KawabataR. M. Kawabata2,42,4, J. M. Villas-Bôas, J. M. Villas-Bôas3,43,4
G. M. PenelloG. M. Penello1,41,4
11 IF - UFRJ IF - UFRJ22 Labsem – CETUC – PUC-RJ Labsem – CETUC – PUC-RJ
33 IF - UFU IF - UFU44 INCT - DISSE INCT - DISSE
MotivationMotivation Quantum well infrared photodetectors- Quantum well infrared photodetectors-
QWIPsQWIPs Sample:Sample:
ProductionProduction CharacterizationCharacterization
ConclusionConclusion
OutlineOutline
Thermal imagingThermal imaging
Gas detection:Gas detection: Enviroment monitoring;Enviroment monitoring; Medical diagnosis.Medical diagnosis.
MotivationMotivation
A B A+ +
Efective mass approximation
EgapA EgapB
Ec = CBO.Egap
EV = VBO.Egap
gap = EgapB - EgapA
QWIPQWIP
Intraband
Intraband
Interband
EgapB < EgapA
x50
SampleSample nn – QWIP In – QWIP In0.530.53GaGa0.470.47As:n/InAs:n/In0.520.52AlAl0.480.48AsAs
E
E
Selection rules!!!
Ez
ProductionSubstrato InP:Fe
InGaAs:n 500nm
InGaAs:n 3nm
InAlAs 30nm
InAlAs 30nm
InGaAs:n 500nm
Contact 1
BarrierQW
Barrier
Contact 2
507 meV
212 meV
E = 295 meV
SampleSampleSchrodinger eq. solution
0 < E < V0
zL/2-L/2
V(z)
E
E > V0
R
T
zL/2-L/2
E
V(z)
Dark currentDark current
I
I
Sample characterizationSample characterizationElectron dinamics
Vdc
T
PhotocurrentPhotocurrent
Ipc
Sample characterizationSample characterizationElectron dinamics
Vdc
T
Up to 120K, almost no changes
Above 140K,exponential growth
Dark currentDark currentCurrent thermally generated without light
Temperature and bias dependance
kT
eELEEV
sat
ew
bTH
wfb
e
vE
EEA
L
LmeI
1
22
*2
)(1
Dark currentDark currentTheoretical curve fitting
Thermoionic emission (Levine, BF. JAP 74:R1)
T (K)T (K)
(m(m22/Vs/Vs))
vvsatsat (m/s)(m/s)
230230 0,090,0988
514,514,55
260260 0,090,0999
274,274,55
300300 0,090,0988
97,497,4
InGaAs – exp. (300K) = 0,4 m2/Vsvsat GaAs – lit. = 5 x 104 m/s
kT
eELEEV
sat
ew
bTH
wfb
e
vE
EEA
L
LmeI
1
22
*2
)(1
Activation energy
Dark currentDark current
High T – Thermionic emission Low T – Impurity ionization
260 meV!!!
2 meV!!!
e-Elig – InGaAs = 2,9 meVElig – InAlAs = 6,3 meV
PhotocurrentPhotocurrent
Peak intensity
Peak wavelength
Voltage and wavelength dependance
Light generated current
PhotocurrentPhotocurrentLight generated currentTemperature and wavelength dependance
PhotocurrentPhotocurrent
Bound-to-bound fitting(only two level transition)
Virtual energy bandT = 1
PhotocurrentPhotocurrent
R
T
zL/2-L/2
E
Theoretical fitting-Lorentzians-Virtual energy bands
PhotocurrentPhotocurrent
TransiçãTransiçãoo
N1N1
--
B1B1
N1N1
--
B2B2
N1N1
--
B3B3
N1N1
--
B4B4
N1N1
--
B5B5
CalculateCalculated Energyd Energy
(meV)(meV)
299,299,55
314,314,77
341,341,99
377,377,55
424,424,55
ExpmntaExpmntall
Energy Energy (meV)(meV)
291,291,99
310,310,00
338,338,00
372,372,00
--
Band Band widthwidth
(meV)(meV)3,03,0 5,45,4 11,811,8 19,019,0 27,027,0
ExpmntaExpmntall
Width Width (meV)(meV)
14,514,5 25,825,8 34,834,8 19,419,4 --
ExpmntaExpmntal l
AmplituAmplitude(a.u.)de(a.u.)
97,397,3 147,147,55
114114 21,521,5 0,00,0
Data with V = -100mV
V = 1V
Oscillator strength????
Good understanding of the current generation Good understanding of the current generation mechanism;mechanism;
The theoretically predicted virtual level The theoretically predicted virtual level transitions are experimentally confirmed.transitions are experimentally confirmed.
ConclusionsConclusions
Advisors:Advisors:-Mauricio P. Pires-Mauricio P. Pires
-Patrícia L. de Souza-Patrícia L. de Souza LabSem: LabSem:
-Rudy, Germano-Rudy, Germano-Anderson, Rafael, Anna, Téo, -Anderson, Rafael, Anna, Téo,
Luiza, Alan, FláviaLuiza, Alan, Flávia-Iracildo, Fabiane-Iracildo, Fabiane
DISSE:DISSE:-Déborah Alvarenga (UFMG), profs.: -Déborah Alvarenga (UFMG), profs.: Paulo Sérgio Guimarães (UFMG), Paulo Sérgio Guimarães (UFMG), Gustavo Soares (IEAV), J.M.Villas-Bôas (UFU)Gustavo Soares (IEAV), J.M.Villas-Bôas (UFU)
Friends and familyFriends and family CAPESCAPES
ThanksThanks
Simulação do dispositivo Simulação do dispositivo sensor de COsensor de CO22
FTIR Lock-in
50%
15%
15%
E
Tipo de gásTipo de gásEnergia Energia
absorção absorção (meV)(meV)
Largura do Largura do poço (nm)poço (nm)
x Gax Ga
(%)(%)
COCO258258 4,94,9 10,510,5
270270 4,84,8 8,58,5
COCO22
8383 -- --
295295 4,54,5 5,55,5
459459 -- --
NONO
159159 6,16,1 21,521,5
200200 5,55,5 16,516,5
225225 5,25,2 13,513,5
SOSO22
6262 -- --
165165 6,06,0 20,520,5
HH22SS 155155 6,36,3 22,522,5
Corrente de escuroCorrente de escuro
E
T 0K
50K
100K
150K
200K
Intrínsecos Extrínsecos Ligas III-V, II-VI QWIPs
Fotodetectores de radiação Fotodetectores de radiação IVIV
Tipo de fotodetectorTipo de fotodetector VantagensVantagens DesvantagensDesvantagens
Intrínseco Intrínseco
(MCT)(MCT)-Fácil sintonização de gap-Fácil sintonização de gap
-Detecção multicor-Detecção multicor
-Dificuldades no -Dificuldades no crescimento e crescimento e
processamento de “gaps” processamento de “gaps” pequenospequenos
ExtrínsecoExtrínseco
(SI:Ga, Ge:Cu)(SI:Ga, Ge:Cu)
-Tecnologia simples e -Tecnologia simples e maduramadura
-opera em VLWIR-opera em VLWIR
-Opera a temperaturas -Opera a temperaturas muito baixasmuito baixas
QWIPsQWIPs(GaAs/AlGaAs, (GaAs/AlGaAs, InGaAs/InAlAs)InGaAs/InAlAs)
-Boa uniformidade em -Boa uniformidade em grandes áreasgrandes áreas
-Técnicas de crescimento -Técnicas de crescimento madurasmaduras
-Detecção multicor-Detecção multicor
-Alta excitação térmica-Alta excitação térmica
-Acoplamento da luz com -Acoplamento da luz com incidência normalincidência normal
QDIPsQDIPs(InAs/GaAs, InAs/InP)(InAs/GaAs, InAs/InP)
-Acoplamento da luz com -Acoplamento da luz com incidência normalincidência normal
-Baixa excitação térmica-Baixa excitação térmica
-Crescimento de -Crescimento de estruturas complicadaestruturas complicada
-Uniformidade e densidade-Uniformidade e densidade
Fotodetectores de radiação Fotodetectores de radiação IVIV
a – espelho refletorb – fonte c – lentesd – janelase – célula gasosaf – filtro ópticog – fotodetector
Dispositivo sensor de gasesDispositivo sensor de gases
Duas abordagens:
Célulagasosa
Fotodetector:-Esp. largo
-Esp. estreito
Globar
LED’s
LASER
Fonte:-Esp. estreito
-Esp. largo
Fonte de radiaçãoFonte de radiação Célula gasosaCélula gasosa
FotodetectoFotodetectorr
GlobarLED’s
Componentes do dispositivo Componentes do dispositivo sensor de gasessensor de gases
LASER
Detecção de gasesDetecção de gases Detectores por ionização do gás:Detectores por ionização do gás:
CalorCalor RadiaçãoRadiação
Detectores eletroquímicosDetectores eletroquímicos Oxidação ou redução de gasesOxidação ou redução de gases
ExplosímetroExplosímetro Gases inflamáveisGases inflamáveis
Infravermelho não-dispersivoInfravermelho não-dispersivo Absorção de IV por moléculas Absorção de IV por moléculas
dos gasesdos gases
Inserção dos materiais
Simulação
Resultados
Mapeamento da transição E2 – E1 em poços de
In0.53Ga0.47As/In0.53GaxAl(1-x)As
Simulação computacional de Simulação computacional de QWIPsQWIPs
- Quantum Well Simulator - Quantum Well Simulator (QWS) -(QWS) -
n n - QWIPs Bound to Quasibound- QWIPs Bound to Quasibound Probabilidade de transição entre estados ligados maiorProbabilidade de transição entre estados ligados maior Retirada do elétron da região do poço mais fácilRetirada do elétron da região do poço mais fácil
Gases e QWIPsGases e QWIPs
CO
CO2
NO
COCO2
NO
4,8m – 258 meV
4,2m – 295 meV
5,5m – 225 meV
Simulação do dispositivo Simulação do dispositivo sensor de COsensor de CO22
ArCO2
IV Gás Fotodetector
I0I
Absorção de gases
Lei de Beer-Lambert
I = I0 e –nL
n.L fixo I/I0 fixoAplicação Aplicação
COCO22n (ppm)n (ppm) L (cm)L (cm)
Monitoramento Monitoramento ambientalambiental 0-1.0000-1.000 250250
Saúde humanaSaúde humana5.000-5.000-50.00050.000 55
Diagnóstico Diagnóstico médicomédico
20.000–20.000–100.000100.000 2,52,5
AplicaçõesAplicações
nL = 1000!!!
Corrente de escuroCorrente de escuro
E
T 0K
50K
100K
150K
200K
Campo elétricoTemperatura
Origens físicas:-Impurezas-Emissão termiônica do poço
Corrente de escuroCorrente de escuro
E
T 0K
50K
100K
150K
200K
Corrente de escuroCorrente de escuro
E
T 0K
50K
100K
150K
200K
Corrente de escuroCorrente de escuro
E
T 0K
50K
100K
150K
200K
Corrente de escuroCorrente de escuro
E
T 0K
50K
100K
150K
200K
Corrente de escuroCorrente de escuro
E
T 0K
50K
100K
150K
200K
FotocorrenteFotocorrente
E
T 0K
50K
150K
200K
Campo elétricoTemperatura
Origens físicas:-Fotoexcitação de elétrons do nível do poço para níveisno contínuo
100K
FotocorrenteFotocorrente
E
T 0K
50K
150K
200K
100K
FotocorrenteFotocorrente
E
T 0K
50K
150K
200K
100K
FotocorrenteFotocorrente
E
T 0K
50K
150K
200K
100K
FotocorrenteFotocorrente
E
T 0K
50K
150K
200K
100K