양자 우물 적외선 광검출기

Quantum Well 적외선 광검출기(QWIP)는 적외선 광검출기로, 양자 우물에서 전자 서브밴드 전환기를 이용해 광자를 흡수한다.적외선 검출에 사용하기 위해 양자 우물 적외선 광검출기의 양자 우물 매개변수를 조정하여 첫 번째와 두 번째 정량화된 상태의 에너지 차이가 들어오는 적외선 광자에너지와 일치하도록 한다.QWIP는 일반적으로 스마트폰과 초고속 통신장비에서 흔히 볼 수 있는 물질인 갈륨 비소로 만들어진다.^[1]양자 유정의 재료와 설계에 따라 QWIP의 에너지 수준은 3~20µm의 적외선 영역에서 방사선을 흡수하도록 맞춤 설정할 수 있다.^[2]

QWIP는 중파장과 장파장 적외선을 검출할 수 있는 가장 간단한 양자역학적 소자 구조 중 하나이다.안정성과 높은 픽셀 대 픽셀 균일성, 높은 픽셀 작동성으로 알려져 있다.^[3]

역사

1985년 스티븐 에글래시와 로렌스 웨스트는 복수의 양자 우물(MQW)에서 강한 서브밴드 간 전환이 관찰되어 적외선 검출기에 양자 우물을 사용하는 것에 대해 보다 심각하게 고려하게 되었다.^[4]이전에 적외선 검출에 양자 우물을 이용하려는 시도는 전자를 장벽의 꼭대기로 끌어올리는 양자 우물의 자유로운 흡수에 기초했다.그러나 결과 검출기는 낮은 감도를 보였다.^[5]

1987년까지, 민감한 적외선 감지를 입증하는 양자 우물 적외선 광검출기의 기본 작동 원리가 공식화되었다.1990년에는 장벽 두께를 높여 터널링 전류를 억제함으로써 기술의 저온 감도가 더욱 향상되었다.^[5]이 때, 이 장치들은 공식적으로 양자 우물 적외선 광검출기로 알려져 있었다.^[5][6]1991년, 이 접근법을 사용하여 최초의 적외선 이미지를 얻었다.^[5]

2002년, 미국 육군연구소(ARL)의 연구진은 원격 온도 감지를 위한 효과적인 파장 스위칭 기능을 갖춘 전압 조정형 2색 QWIP를 개발했다.계기는 전자가 양자 우물 중 하나에 머물 때 10K에서 양의 치우침에 대해 7.5마이크로미터의 피크 검출 파장을 보였으며, 전자가 다른 우물에 전달될 때 큰 음의 치우침에서 8.8마이크로미터로 전환했다.^[7][8]

그러나 민간 애플리케이션에 사용함에도 불구하고, QWIP 기술은 미군에 의해 군사용으로 불충분하다고 여겨졌다.당시 광검출기는 빛이 물질 층과 평행하게 이동할 때만 1차원 정량화를 감지할 수 있었는데, 이는 일반적으로 빛이 검출기 가장자리에서 빛날 때 발생한다.그 결과 QWIP 기술은 양자 효율이 5%에 불과했다.또한, 이러한 문제를 완화하기 위해 업계에서 일반적으로 사용되는 반사충당금은 매우 미세한 주기적인 포스트로 만들어졌고 큰 포맷으로 생산하기 어려웠다.^[1]

이 문제를 해결하기 위해 육군 연구소의 연구원들은 2008년에 골판지 양자 적외선 광검출기(C-QWIP)를 개발했는데, 이 장치는 광검출기의 마이크로미러스를 이용하여 빛을 어떤 파장에서든 양자 우물 영역으로 리디렉션하는 효과를 높였다.^[9]본질적으로 45도 경사 검출기 sidewalls는 빛을 재료 층에 평행하게 반사시켜 전기적 신호를 생성할 수 있도록 했다.^[10]ARL과 L-3 Communications Cincinnati Electronics의 연구진이 실시한 실험에서 C-QWIP가 당시 상용 QWIP보다 5배 넓은 3마이크로미터 이상의 대역폭을 입증한 것으로 나타났다.^[9]C-QWIP는 갈륨 비소를 사용하여 제조할 수 있기 때문에 해상도를 희생하지 않고 교정 및 유지보수를 적게 요구하지 않고 육군 헬기의 기존 적외선 검출기에 대한 보다 저렴한 대안으로 기능했다.^[11]

2013년 2월 NASA는 Landsat Data Continuity Mission의 일환으로 열적외선 센서(TIRS) 기기를 탑재한 위성을 발사했다.TIRS는 육군 연구소가 설계한 3개의 C-QWIP를 활용해 지구가 방출하는 빛의 긴 파장을 감지하고 행성의 물과 땅이 어떻게 사용되고 있는지 추적했다.이 애플리케이션은 우주에서 QWIP를 처음으로 사용한 것을 표시했다.^[1][11][12]

함수

적외선 탐지기는 일반적으로 물체가 방출하는 방사선을 탐지하여 작동하며, 방사선의 강도는 물체의 온도, 거리, 크기 등의 인자에 의해 결정된다.QWIP는 대부분의 적외선 광검출기와 달리 단일 에너지 대역 내 광학적 전환에 기초하기 때문에 검출 물질의 대역 간극과는 무관하다.그 결과, 이전에 가능했던 것보다 훨씬 낮은 에너지 방사선을 가진 물체를 감지하는 데 사용될 수 있다.^[5]

QWIP의 기본 요소는 장벽에 의해 분리된 양자 우물이다.양자 우물은 우물 안에 하나의 제한된 상태와 장벽의 꼭대기에 맞춰 최초로 흥분된 상태를 갖도록 설계되었다.우물은 n 도핑되어 있어서 지상의 상태가 전자로 채워진다.그 장벽은 양자 우물 사이의 양자 터널을 막을 수 있을 만큼 충분히 넓다.일반적인 QWIP는 20~50개의 양자 웰로 구성된다.QWIP에 바이어스 전압을 인가하면 전체 전도 밴드가 기울어진다.빛이 없으면 양자 우물 안의 전자는 땅속에 있을 뿐이다.QWIP가 서브밴드 간 전환에너지와 동일하거나 더 높은 에너지의 빛으로 조명되면 전자가 흥분한다.

일단 전자가 흥분 상태에 빠지면 연속체로 빠져나와 광암호로 측정될 수 있다.외부적으로 광암호화폐를 측정하려면 양자 유정에 전기장을 적용하여 전자를 추출할 필요가 있다.이 흡수 및 추출 프로세스의 효율성은 몇 가지 매개변수에 따라 결정된다.

포토암호화폐

검출기가 광자 플럭스$phot{\displaystyle }$ {\$displaystyle \phi }($단위 시간당 광자 수)로 점등된다고 가정하면, 광암호화폐 $I{\displaystyle {}_{}}$ p ${\displaystyle h_{}}$ ${\$는 다음과$$ 같다.

${\displaystyle I_{ph}=e\phi \eta g_{ph}}$

여기서 $e{\displaystyle }$ ${\displaystyle e}$은(는) 기본 전하, $\eta {\displaystyle }$ ${\displaystyle \eta}$은(는) 흡수 효율이며 $g{\displaystyle {}_{}}$ p ${\displaystyle h_{}}$ ${\$은(는) 복사유도 이득이다.^[13]${\displaystyle \eta }$ ${\displaystyle \eta}$ 및 $g{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle h_{}}$ ${\$는 광자가 양자 효율이라고도 하는 광자에 전자를 추가할 확률이다$$.${\displaystyle \eta}$는 광자가 전자를 흥분시킬 확률을 말하며, $g{\displaystyle {}_{}}$ p ${\displaystyle h_{}}$ ${\$ph$}$는 전자 전송 특성에 따라$$ 달라진다.

광촉자 이득

광촉자 $게인{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle g_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$ h$${\$displaystyle g_{ph}}$은 흥분된 전자가 광자에 기여하는 확률 즉, 보다 일반적으로 외부 회로에 있는 전자 수를 광자를 흡수하는 양자웰 전자 수로 나눈 값이다.처음에는 직관에 반할 수 있지만, $g{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle h_{}}$ ${\$가 1보다 클 수 있다$$.전자가 흥분하여 광암호로 추출될 때마다 반대(전자) 접촉에서 여분의 전자가 주입되어 양자 우물에서 발생하는 전자의 손실 균형을 맞춘다.일반적으로 포획 확률 $p{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle c_{}1}$ 1$${\$displaystyle p_{c}\leq$ 1$\}$ 따라서 주입된 전자는 때때로 양자 우물을 통과하여 반대쪽 접촉으로 전달될 수 있다.그럴 경우, 그러나 전하 균형을 맞추기 위해 방출체 접촉으로부터 또 다른 전자가 주입되고, 다시 잡힐 수도 있고 잡히지 않을 수도 있는 우물을 향해 가는 등, 결국 우물에 전자가 잡힐 때까지.이렇게 하면 $g{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle h_{}}$ ${\$가 1보다 커질 수 있다$$.

$g{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle h_{}}$ ${\$의 정확한 값은 캡처 확률 ${\displaystyle p_{}}$ ${\$와 이스케이프 확률 ${\displaystyle p_{}}$ ${\$의 비율로 결정된다$.$

${\displaystyle g_{ph}={\frac {p_{e}}{N\,p_{c}}}}}}$

여기서 $N{\displaystyle }$ ${\displaystyle N}$은(는) 양자 웰 수입니다.양자 우물 수는 포획 확률 $p{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ ${\$$c}$를 증가시키므로 분모에만 나타나지만 탈출 확률 ${\displaystyle p_{}}$ ${\$는 나타나지 않는다$.$

참조

외부 링크

• NASA QWIP 연구
• 메가픽셀 센서용 코로깅된 QWIP (20-7 육군 과학 회의)^{[영구적 데드링크]}