carriers dynamics study of photodetectors based in ingaas/inalas quantum wells (qwips) for gas...

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