QWIP ( Quantum Well Infračervené Fotodetekční (ve francouzštině „infračervené fotodetektor kvantových“) je detektor záření infračervené oblasti vlnových délek, na které se vztahuje v roce 2007 se rozprostírá od 3 um do více než 30 mikronů Ce .. typ detektoru je citlivý na tepelné záření emitované jakékoli těleso, jehož teplota není nula (podle zákona o záření černého tělesa zavedeného Maxem Planckem ).
QWIP je kvantový detektor: absorpce dopadajícího záření probíhá elektronickým přechodem. K tomuto přechodu dochází mezi základní úrovní kvantové jamky a první vzrušenou úrovní. Pokud existuje pouze jedna omezená úroveň, dojde k přechodu mezi základní úrovní a kontinuem delokalizovaných stavů.
Pravidla výběru, kterými se řídí interakce mezi elektromagnetickým zářením a elektrony, vedou ke dvěma velmi důležitým charakteristikám této složky:
QWIP je chlazený detektor. Ve skutečnosti mohou být zapojené elektronické přechody také buzeny fonony , to znamená vibracemi krystalové mřížky. Pro snížení těchto vibrací musí být detektor chlazen. Provozní teplota závisí na vlnové délce. Pro QWIP detekci při 9 µm je dnes provozní teplota vyšší než 77 K (-196 ° C, teplota kapalného dusíku).
QWIP je unipolární detektor: elektrický proud je způsoben pouze elektrony. To je zásadní rozdíl ve srovnání s jinými detekčními technologiemi, které používají fotodiody (pn křižovatky). Ve fotodiodě dopadající fotony vzrušují elektrony z valenčního pásma do vodivého pásma polovodiče. Proud je přenášen elektrony i otvory. Fotodioda je proto bipolární složkou.
Technologie QWIP využívá průmyslový sektor polovodičů III-V: GaAs a jeho slitiny (AlGaAs, InGaAs). QWIP těží ze všech výhod této duální technologie vyvinuté pro aplikace mikroelektroniky ( tj. Mobilních telefonů) a optoelektroniky (optické telekomunikace):
QWIP jsou zvláště vhodné pro rychlé (více než 50 obrázků za sekundu), dlouhé vzdálenosti (několik kilometrů) zobrazovacích aplikací vyžadujících vysoké rozlišení a vysokou citlivost. Zde je neúplný seznam možných aplikací:
Kromě konvenčního tepelného zobrazování připravují QWIP v daném spektrálním pásmu cestu pro další takzvané aplikace třetí generace:
Ve Francii je hlavním infračerveným průmyslovým hráčem Sofradir, dceřiná společnost společností Thales a Sagem. V roce 2013 převzala technologie InSb, QWIP a InGaAs od svých dvou mateřských společností a spojila tak aktivity QWIP pro tyto dvě skupiny. Před touto fúzí tyto technologie vyvinula především Alcatel-Thales III-V Lab Economic Interest Group (GIE).
Globálně jsou kvantové detektory studovány a vyráběny ve Spojených státech, Německu, Švédsku, Izraeli, Kanadě, Austrálii. Stále více zemí se o to zajímá (Turecko, Indie, Jižní Korea) díky přístupnosti technologie III-V (výzkum lze provádět v univerzitní laboratoři).
Realizace detektoru kvantové jámy vyžaduje čtyři hlavní kroky:
Aktivní vrstvou detektoru je heterostruktura založená na polovodičích. Dnes jsou nejpoužívanějšími materiály slitiny AlGaAs ( gallium a aluminium arsenid ) a InGaAs (gallium a indium arsenid).
Struktura se získává prováděním periodického sledu vrstev různé chemické povahy. Například je možné provést střídání AlGaAs - GaAs - AlGaAs - GaAs - ... V této struktuře mají vrstvy AlGaAs nižší afinitu k elektronům. Ty budou uzavřeny ve vrstvách GaAs, které tak budou tvořit propady. Vrstvy AlGaAs fungují jako bariéry omezení. Elektrony se do struktury zavádějí dopováním určitých vrstev donorovým prvkem ( křemíkem ).
Kvantové jamky jsou vloženy mezi dvě vrstvy dotovaného polovodiče, které fungují jako elektrické kontakty. Tyto kontakty umožňují aplikovat potenciální rozdíl na komponentu a obnovit proud.
Návrh konstrukce spočívá ve výběru tloušťky, složení různých vrstev, počtu období, dotování jamek, tloušťky a dotování kontaktů atd.
Příklad: struktura, jejíž absorpční vrchol je vystředěn na 9 μm, odpovídá jamkám GaAs širokým přibližně 5 nm (tj. 18 atomových vrstev). Bariéry AlGaAs obsahují 25% hliníku a jejich tloušťka je přibližně 40 nm. Detektor obsahuje několik desítek jamek.
Výroba aktivní vrstvy se provádí technikou epitaxe , jako je epitaxe molekulárního paprsku (MJE). Tato technika používá monokrystalické substráty, které mají tvar oplatky (průměr 5 až 10 cm, tloušťka 0,5 mm), na které jsou ukládány atomy, atomová vrstva po atomové vrstvě. Je to substrát, který ukládá prostorovou organizaci uložených atomů. Růst krystalů probíhá ve vakuu (10 - 10 bar) a při vysoké teplotě (500 - 600 ° C).
Výhody této techniky:
Jakmile je získána aktivní vrstva, pokračuje se v produkci polí detektorů. Práce se provádějí v čisté místnosti. Kvalita matric (procento použitelných pixelů) závisí přímo na kvalitě atmosféry a použitých chemikáliích. Například cokoli, co přesahuje velikost 1 µm, je považováno za kritickou nečistotu.
Je zapotřebí několik technologických procesů:
Pro realizaci matic je nutné zvládnout leptání submikronových vzorů (0,3-0,7 µm).
Realizace matice se provádí v několika fázích:
Matice se tak získávají ve formátu TV (640 × 512 pixelů) nebo TV / 4 (384 × 288 pixelů), nebo dokonce nedávno ve formátu HDTV (1280 × 1024). Pixely mají rozměry v rozmezí od 15 do 25 µm.
Pole detektorů je připojeno pomocí indiových kuliček k podobnému poli tvořenému malými křemíkovými čtecími obvody. Tyto obvody umožňují předpětí detektoru a sběr signálu. Operace sestavení se nazývá hybridizace.
Získaný hybrid je namontován v malém kryostatu (připomenutí: detektor pracuje při nízké teplotě), který je poté spojen s malým studeným strojem fungujícím na principu kompresně-expanzní. Sestava kryostat-studeného stroje tvoří blok detektoru. Tenhle je velmi kompaktní: tucet centimetrů za pár stovek gramů.
Detekční jednotka je integrována do kamery, která obsahuje také optiku pro vytváření obrazu a elektroniku pro čtení a zpracování.
Když mluvíme o výkonu, musíme rozlišovat mezi výkonem detektoru a výkonem kamery. Zde si povíme o výkonu detektoru.
Elektrooptický výkon infračerveného detektoru se hodnotí pomocí následujících fyzikálních veličin:
Existují také další fyzikální veličiny, například NETD (Noise Equivalent Temperature Difference: teplotní rozdíl stupně odpovídající signálu ekvivalentnímu šumu). Jelikož zahrnuje parametry mimo detektor, nelze jej použít k odhadu výkonu detektoru.
Pro úplnou termokameru bude příslušným parametrem NETD nebo dosah (v kilometrech). Dnes QWIP umožňují dosáhnout tepelného rozlišení 10 - 30 milikelvinů (1 až 3 setiny stupně), v závislosti na konfiguraci zobrazovače.
Zatímco QWIP mají oproti fotodetektorům fotodiodového typu ( HgCdTe ) několik výhod , zejména pokud jde o uniformitu materiálu, která umožňuje vyhnout se nutnosti spoléhat se na korekční algoritmy nebo skutečnost, že je to možné vytvořením různých vrstev , nebo relativně jednoduché změny umožňují detektoru detekovat několik vlnových délek současně, mají však své vlastní nedostatky:
Z těchto důvodů jsou ve vývoji další typy fotodetektorů, zejména QDIP ( kvantový bodový infračervený fotodetektor ).