Single and dual band quantum well infrared photodetector focal plane arrays on InP substrates
InP taban üzerinde tek ve iki bantlı kuantum kuyulu kızıl ötesi fotodedektör odak düzlem matrisleri
- Tez No: 255399
- Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ BEŞİKCİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2010
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Kuantum Kuyulu Kızılötesi Fotodedektörlerin (KKKF) yüksek homojenlik ve olgun malzeme özellikleri, çeşitli termal görüntüleme bantlarında geniş formatlı ve düşük maliyetli taramasız odak düzlem matrislerinin (ODM) gerçeklenmesine olanak sağlamıştır. Orta dalgaboyu kızılötesi (ODK) ve uzun dalgaboyu kızılötesi (UDK) KKKF'lerin yapımında AlGaAs/InGaAs ve AlGaAs/GaAs malzeme sistemleri standart sistemler olmuştur. Bununla birlikte AlGaAs/GaAs KKKF'lerin yüksek resim hızlarında (düşük entegrasyon zamanı) ve/veya düşük arkaplan durumlarında düşük kuantum ve çevirim verimliliğinden dolayı kalitesi düşmekte ve standart KKKF'lerin uygulama alanları sınırlanmaktadır. Bu tez, InP tabanlı tek ve çift bantlı KKKF ODMlerin büyütlmesi ve geliştirilmesine odaklanmıştır. InP taban üzerindeki KKKF'lerin, standart GaAs tabanlı KKKF teknolojisinin tıkanıklıklarının üstesinden gelmek için kullanılabileceği deneysel olarak gösterilmiştir.UDK KKKFler için InP/InGaAs mazleme sistemi AlGaAs/GaAs malzeme sistemine bir alternatiftir. Gerilimli InP/InGaAs malzeme sitemi ile yapılmış geniş formatlı (640x512) UDK KKKF ODM gösterilmiştir. Yapıya katılan gerilim, kesim dalgaboyunu ~8.5 µm'den lamdap=8.9 µm olacak şekilde 9.7 µm'ye kaydırmıştır. 40 kuyulu epikatman yapısıyla üretilen ODM, geniş bir spektral tepkisellik (?lambda/lamdap=17%) ile %12 kadar yüksek tepe kuantum verimliliği vermiştir. ODM pikselleri, hassasiyetin yeteri kadar yüksek olduğu gerilim aralığında (2.6x1010 cmHz1/2/W, f/1.5, 65 K) 1.4 A/W'dan daha yüksek tepe tepkiselliği ve %20 kadar yüksek çevirim verimliliği göstermiştir. ODM, 65 K'den daha yüksek sıcaklıklarda (f/1.5) arka plan sınırlı performans sağlayarak AlGaAs/GaAs KKKF'lerin düşük çevirim verimliliğinden ve okuma devresi gürültü sınırlı duyarlılıktan dolayı kalitesinin düştüğü bir çok düşük entegrasyon zamanı/düşük arka plan uygulamalarının gereksinimlerini sağlamıştır. ODM'nin gürültü eşdeğer sıcaklık farkları (GESF) 1.8 ms ve 430 µs gibi kısa entagrasyon zamanlarıyla sırasıyla, 19 ve 40 mK kadar düşüktür (f/1.5, 65K).Aynı zamanda ODK AlInAs/InGaAs KKKF'lerin kesim dalga boylarının ODK atmosferik penceresinde yeteri kadar geniş bir aralıkta, örgü uyumlu kompozisyonda sadece kuantum kuyusunun (KK) kalınlığını değiştirerek ayarlanabildiği deneysel olarak gösterilmiştir. Kesim dalga boyu 22 Å KK kalınlığı ile ~5.0 µm'ye ötelenmiştir ve bu durumda çok geniş bir spektral tepkisellik (?lambda/lamdap=~30%) ve 640x512 ODM'de 25 µm pitch ile 14 mK (f/2) kadar düşük GESF'ye yol açan oldukça yüksek tepe dedektivite değerleri elde edilmiştir.InP tabanlı ODK ve UDK tek bantlı KKKFlerin avantajı, orta formatlı (320x256) çift bantlı KKKF ODM büyütülerek ve üretilerek birleştirilmiştir. ODM, ODK ve UDK modlarında 27 mK ve 29 mK GESF (f/1.5, 65 K, 19 ms) sağlamıştır ve ~ 4% olan DC sinyal düzgünsülüğü etkileyici bir şekilde düşüktür.Sonuçlar, InP tabanlı malzeme sisteminin, standart GaAs tabanlı KKKM'lerin yüksek resim hızı (düşük entegrasyon zamanı) ve/veya düşük arkaplan durumlarındaki sınırlamalarının üstesinden gelerek, ODK ve UDK tek bantlı ve ODK/UDK çift bantlı KKKF ODM'lerin üçüncü nesil termal görüntüleyiciler için yüksek potansiyelini ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
Excellent uniformity and mature material properties of Quantum Well Infrared Photodetectors (QWIPs) have allowed the realization of large format, low cost staring focal plane arrays (FPAs) in various thermal imaging bands. AlGaAs/InGaAs and AlGaAs/GaAs materials systems have been the standard systems for the construction of mid-wavelength infrared (MWIR) and long-wavelength (LWIR) QWIPs. However AlGaAs/GaAs QWIP FPAs suffer from low quantum and conversion efficiencies under high frame rate (low integration time) and/or low background conditions limiting the application area of standard QWIPs. This thesis focuses on the growth and development of InP based single and dual band QWIP FPAs. We experimentally demonstrate that QWIPs on InP substrates provide important advantages that can be utilized to overcome the bottlenecks of the standard GaAs based QWIP technology.InP/InGaAs material system is an alternative to AlGaAs/GaAs for LWIR QWIPs. We demonstrate a large format (640x512) LWIR QWIP FPA constructed with strained InP/InGaAs material system. The strain introduced to the structure shifts the cut-off wavelength from ~8.5 to 9.7 µm with lambdap=8.9 µm. The FPA fabricated with the 40-well epilayer structure yielded a peak quantum efficiency as high as 12% with a broad spectral response (?lambda/lambdap=17%). The peak responsivity of the FPA pixels is larger than 1.4 A/W with conversion efficiency as high as 20% in the bias region where the detectivity is reasonably high (2.6x1010 cmHz1/2/W, f/1.5, 65 K). The FPA providing a background limited performance temperature higher than 65 K (f/1.5) satisfies the requirements of most low integration time/low background applications where AlGaAs/GaAs QWIPs cannot be utilized due to low conversion efficiency and read-out circuit noise limited sensitivity. Noise equivalent temperature differences (NETD) of the FPA are as low as 19 and 40 mK with integration times as short as 1.8 ms and 430 µs (f/1.5, 65 K), respectively.We also experimentally demonstrate that the cut-off wavelength of MWIR AlInAs/InGaAs QWIPs can be tuned in a sufficiently large range in the MWIR atmospheric window by only changing the quantum well (QW) width at the lattice matched composition. The cut-off wavelength can be shifted up to ~5.0 µm with a QW width of 22 Å in which case very broad spectral response (?lambda/lambdap= ? 30%) and a reasonably high peak detectivity is achievable leading to a NETD as low as 14 mK (f/2) with 25 µm pitch in a 640x512 FPA.The advantages of InP based MWIR and LWIR single band QWIPs were combined by growing and fabricating a mid format (320x256) dual band QWIP FPA. The FPA provided NETD (f/1.5, 65 K, 19 ms) values of 27 mK and 29 mK in the MWIR and LWIR modes with an impressively low DC signal nonuniformity of ~ 4%.The results clearly demonstrate that InP based material systems display high potential for MWIR and LWIR single band and MWIR/LWIR dual band QWIP FPAs needed by third generation thermal imagers by overcoming the limitations of the standard GaAs based QWIPs under high frame rate (low integration time) and/or low background conditions.
Benzer Tezler
- Large format dual-band quantum well infrared photodetector focal plane arrays
Geniş fomatlı çift bantlı kuantum kuyulu kızılötesi odak düzlem dizinleri
YETKİN ARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. CENGİZ BEŞİKÇİ
- Dual and single color mid-wavelength infrared quantum well photodetectors
Çift ve tek renkli orta dalgaboyu kızılötesi kuantum kuyulu fotodedektörler
MELİH KALDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ BEŞİKÇİ
- Development of carbazole based donor acceptor typed fluorescent materials for oled applications
Oled uygulamalarında kullanılmak üzere karbazol esaslı donör akseptör tip floresans malzemelerin geliştirilmesi
GÜLÇİN NALBANTOĞLU
- Innovative hybrid composite nanomaterials
Yenilikçi hibrit kompozit nanomalzemeler
ZELİHA SORAN ERDEM
Doktora
İngilizce
2016
Biyoteknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Effects of atmospheric correction on vehicle classification with single and dual band infrared images
Tek ve çift bant kızılötesi imgelerle araç sınıflandırmaya atmosferik düzeltmenin etkileri
SEÇKİN ÖZSARAÇ
Doktora
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖZDE AKAR