High performance focal plane array technologies from short to long wavelength infrared bands
Kısadan uzun dalga boyu kızılötesi bandına kadar yüksek performanslı odak düzlem dizini teknolojileri
- Tez No: 384972
- Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ BEŞİKCİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- 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: 202
Özet
Bu tez çalışması üç değişik modern kızılötesi sensör teknolojisinin geliştirilmesini içermektedir: Kuantum Kuyulu Kızılötesi Fotodedektörler (KKKF), HgCdTe sensörler ve uzatılmış InGaAs fotodedektörler. Standart AlGaAs/GaAs malzeme sistemi yerine InP/In0.48Ga0.52As çoklu kuantum kuyulu yapılarının geniş formatlı (640x512 format, 25 µm piksel adımı) uzun dalga boyu kızılötesi (UDK) KKKF odak düzlem dizinlerinin (ODD) gerçeklemesinde kullanılması ve dedektör yapısının dikkatli tasarımı, kırınım ızgaralı ODD piksellerinde %31 gibi bir yüksek bir kuantum verimliliğiyle sonuçlanmıştır ki bu değer standart AlGaAs/GaAs KKKF ODD'lerinin piksel kuantum verimliliğinden neredeyse 10 kat yüksektir. ODD'nin gürültü eşdeğer sıcaklık farkı f/2 optik açıklık ve 1 ms kadar düşük bir entegrasyon süresiyle 67 K çalışma sıcaklığında 30 mK olmuştur. ODD'nin sağladığı %20'den fazla çevrim kazancı yüz mikrosaniyeler mertebesinde düşük entegrasyon süreleriyle cazip termal görüntüleme yapılmasına elvermektedir. Sonuçlar göstermektedir ki standart KKKF teknolojisinin temel kısıtlamaları alternatif malzeme sistemlerinin kullanılması ve doğru ODD üretim tekniklerinin kullanılmasıyla aşılabilecektir. HgCdTe gelişmiş kızılötesi görüntüleme sistemleri için tercih edilen, yüksek esneklik ve rakipsiz performans sunan malzemedir. Bu çalışmada fotovoltaik HgCdTe ODK'larının malzemenin moleküler ışın epitaksisi (MBE) yöntemiyle üretilmesiyle başlayan üretim döngüsü baştan sonra geliştirilmiştir. Geliştirilen UDK HgCdTe ODD'lerinin (~10 µm kesim dalgaboyuna sahip) dinamik direnç-alan çarpımları 78 K sıcaklıkta ~2000 Ω-cm2 kadar yüksek olmuştur. Piksellerin f/1 optik açıklıkla tepe dedektivite değerleri 1.28x1011 cm√Hz/W kadar yüksek olmuştur ki bu değerler benzer kesim dalgaboyuna sahip mevcut en iyi UDK HgCdTe dedektörlerinkiyle karşılaştırılabilirdir. Ek olarak, piksel ve ODD seviyesinde cazip performansa sahip, katı kaynaklı MBE yöntemiyle büyütülmüş, geniş formatlı (640x512), uzatılmış kısa dalga boyu kızılötesi (KDK) In0.83Ga0.17As sensör üretim süreçleri geliştirilmiştir. Kompozisyonu doğrusal olarak değişen AlInAs tampon katman üzerine laboratuvarımızda büyütülen, mesa yapısında ODD pikselleri, 300 K sıcaklığında 2.65 µm kesim dalgaboyuna sahip olup, 300 K ve 200 K tepe dedektiviteleri ~2.5x1010 and ~1x1012 cm√Hz/W olmakla beraber her iki değerde Johnson gürültüsü tarafından belirlenen teorik limite eşdeğerdir. Piksellerin karanlık akım analizi sonucunda karanlık akım 200 K sıcaklığa ve 3 V ters eğimleme gerilimine kadar jenerasyon-rekombinasyon ve parallel kaçak akım bileşenleri tarafından belirlenmekte olup kaydadeğer bir tünelleme bileşeni görülmemiştir. Ayrıca ODD pikselleri gürültü ölçümlerinde 1/f tipi gürültü bileşeni göstermemiştir. Yüksek örgü uyumsuzluğuna rağmen ODD çok iyi tepkisellik doğrusallığı vermiş olup, etkileyici bir tepkisellik dağınıklığı (% 5.5) ve piksel çalışma oranı (% 99.8) göstemiştir ki bu değerler benzer kesim dalga boyuna sahip uzatılmış InGaAs ODD'ler için raporlanmış en iyi değerler arasındadır. Bu sonuçlar yüksek üretim maliyetli KDK HgCdTe ODD'lere karşı bir alternatif olarak 2.7 µm'ye kadar uzatılmış kesim dalgaboyuna sahip InGaAs KDK ODD teknolojisinin uygulanabilirliğini göstemektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis work covers the development of three different state of the art infrared sensor technologies: quantum well infrared photodetectors (QWIPs), HgCdTe sensors and extended InGaAs photodetectors. QWIP is the leading member of the quantum structure infrared photodetector family providing excellent uniformity and stability with field proven performance. The utilization of the InP/In0.48Ga0.52As multi-quantum well structure (instead of the standard AlGaAs/GaAs material system) for the implementation of large format (640x512 format, 25 µm pitch) long wavelength infrared (LWIR) QWIP focal plane arrays (FPAs) and the careful design of the detector structure yielded a quantum efficiency as high as 31% in the diffraction grating coupled FPA pixels, which is almost an order of magnitude larger than the pixel quantum efficiency of a standard AlGaAs/GaAs QWIP FPA. The noise equivalent temperature difference of the FPA with f/2 optics is 30 mK with an integration time as low as 1 ms at 67 K. Above 20% conversion efficiency of the FPA allows desirable thermal imaging with integration times as low as several hundred µs. The results demonstrate that the main limitations of the standard QWIP technology can be overcome through the utilization of alternative material systems and proper FPA processing techniques. HgCdTe is the material of choice for high-end infrared imaging systems, offering high flexibility and still unmatched performance. In this work, complete production cycles for photovoltaic HgCdTe focal plane arrays are developed starting from the molecular beam epitaxy (MBE) growth of the material. The dynamic resistance-area product of the developed LWIR HgCdTe FPA (~ 10 µm cut-off wavelength) pixels is as high as ~2000 Ω-cm2 at 78 K. The peak detectivity of the pixels is as high as 1.28x1011 cm√Hz/W with f/1 optics which is comparable to that of the best LWIR HgCdTe detectors with similar cut-off wavelength. We have also developed the procedures to implement a solid source (MBE) grown large format (640x512) extended short wavelength infrared (SWIR) In0.83Ga0.17As sensor with desirable performance at both pixel and FPA levels. The FPA pixels in the mesa structure grown in our laboratory on a graded AlInAs buffer layer with 2.65 µm 300 K cut-off wavelength exhibited 300 and 200 K peak detectivities as high as ~2.5x1010 and ~1x1012 cm√Hz/W which are both equivalent to the theoretical limits set by the Johnson noise of the detector. Dark current analysis of the pixels displayed no considerable tunneling component with the dark current being dominated by generation-recombination and shunt leakage mechanisms above 200 K up to a reverse bias voltage of 3 V. Moreover, the noise measurements displayed no 1/f noise in the FPA pixels. In spite of the large lattice mismatch, the FPA yielded very good response linearity, as well as impressively good responsivity nonuniformity and pixel operability of 5.5 % and 99.8 %, which are among the best results reported for extended InGaAs FPAs with similar cut-off wavelengths. These results demonstrate the feasibility of the InGaAs SWIR FPA technology with extended cut-off wavelengths as high as ~2.7 µm as an alternative to SWIR HgCdTe FPAs with higher production cost.
Benzer Tezler
- Bio-inspired short-wave infrared single photon detectors and imagers with high gain, suppressed noise and low jitter
Başlık çevirisi yok
ÖMER GÖKALP MEMİŞ
- 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
- Low-cost microbolometer infrared detectors utilizing cmos resistive layers
Cmos direnç katmanları kullanan düşük maliyetli mikrobolometre kızılötesi dedektörler
HANDE ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Characterızatıon of MWIR quantum well infrared photodetector imagıng sensor arrays on InP substrates
InP taban üzerinde MWIR kuantum kuyulu kızılötesi fotodedektör görüntüleme sensörlerinin karakterizasyonu
ONUR TANIŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ BEŞİKCİ
- High performance near/short wavelength infrared megapixel InGaAs focal plane array fabrication development and new design proposals
Yüksek performans yakın/kısa dalga boyu kızılötesi megapiksel InGaAs odak düzlem dizinlerinin fabrikasyonunun geliştirilmesi ve yeni dizayn önerileri
UTKU KARACA
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERDAR KOCAMAN