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Carriers dynamics study of photodetectors based in InGaAs/InAlAs quantum wells (QWIPs) for gas detection. D. N. Micha 1,4, M. P. Pires 1,4, P. L. Souza.

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1 Carriers dynamics study of photodetectors based in InGaAs/InAlAs quantum wells (QWIPs) for gas detection. D. N. Micha 1,4, M. P. Pires 1,4, P. L. Souza 2,4, R. M. Kawabata 2,4, J. M. Villas-Bôas 3,4 R. M. Kawabata 2,4, J. M. Villas-Bôas 3,4 G. M. Penello 1,4 1 IF - UFRJ 2 Labsem – CETUC – PUC-RJ 3 IF - UFU 4 INCT - DISSE

2 Motivation Motivation Quantum well infrared photodetectors- QWIPs Quantum well infrared photodetectors- QWIPs Sample: Sample: Production Production Characterization Characterization Conclusion Conclusion Outline

3 Thermal imaging Thermal imaging Gas detection: Gas detection: Enviroment monitoring; Enviroment monitoring; Medical diagnosis. Medical diagnosis. Motivation

4 ABA + + Efective mass approximation E gapA E gapB E c = CBO. E gap E V = VBO. E gap gap = E gapB - E gapA QWIP Intraband Interband E gapB < E gapA

5 x50 Sample n – QWIP In 0.53 Ga 0.47 As:n/In 0.52 Al 0.48 As n – QWIP In 0.53 Ga 0.47 As:n/In 0.52 Al 0.48 As E E Selection rules!!! EzEz Production Substrato InP:Fe InGaAs:n 500nm InGaAs:n 3nm InAlAs 30nm InGaAs:n 500nm Contact 1 Barrier QW Barrier Contact 2

6 507 meV 212 meV E = 295 meVSample Schrodinger eq. solution 0 < E < V 0 zL/2-L/2 V(z) E E > V 0 R T zL/2-L/2 E V(z)

7 Dark current Dark current I I Sample characterization Electron dinamics Vdc T

8 Photocurrent Photocurrent I pc Sample characterization Electron dinamics Vdc T

9 Up to 120K, almost no changes Above 140K, exponential growth Dark current Current thermally generated without light Temperature and bias dependance

10 Dark current Theoretical curve fitting Thermoionic emission (Levine, BF. JAP 74:R1) T (K) (m 2 /Vs) (m 2 /Vs) v sat (m/s) 2300,098514,5 2600,099274,5 3000,09897,4 InGaAs – exp. (300K) = 0,4 m 2 /Vs v sat GaAs – lit. = 5 x 10 4 m/s

11 Activation energy Dark current High T – Thermionic emission Low T – Impurity ionization 260 meV!!! 2 meV!!! e-e- E lig – InGaAs = 2,9 meV E lig – InAlAs = 6,3 meV

12 Photocurrent Peak intensity Peak wavelength Voltage and wavelength dependance Light generated current

13 Photocurrent Temperature and wavelength dependance

14 Photocurrent Bound-to-bound fitting (only two level transition)

15 Virtual energy band T = 1 Photocurrent R T zL/2-L/2 E

16 Theoretical fitting -Lorentzians -Virtual energy bands PhotocurrentTransiçãoN1-B1N1-B2N1-B3N1-B4N1-B5 Calculated Energy (meV)299,5314,7341,9377,5424,5 Expmntal Energy (meV) 291,9310,0338,0372,0- Band width (meV)3,05,411,819,027,0 Expmntal Width (meV) 14,525,834,819,4- Expmntal Amplitude (a.u.) 97,3147,511421,50,0 Data with V = -100mV V = 1V Oscillator strength????

17 Good understanding of the current generation mechanism; Good understanding of the current generation mechanism; The theoretically predicted virtual level transitions are experimentally confirmed. The theoretically predicted virtual level transitions are experimentally confirmed. Conclusions

18 Advisors: Advisors: -Mauricio P. Pires -Patrícia L. de Souza LabSem: LabSem: -Rudy, Germano -Anderson, Rafael, Anna, Téo, Luiza, Alan, Flávia -Iracildo, Fabiane DISSE: DISSE: -Déborah Alvarenga (UFMG), profs.: Paulo Sérgio Guimarães (UFMG), Gustavo Soares (IEAV), J.M.Villas-Bôas (UFU) Friends and family Friends and family CAPES CAPES Thanks

19 Simulação do dispositivo sensor de CO 2 FTIR Lock-in 50% 15%

20 E Tipo de gás Energia absorção (meV) Largura do poço (nm) x Ga (%) CO 2584,910,5 2704,88,5 CO ,55, NO 1596,121,5 2005,516,5 2255,213,5 SO ,020,5 H2SH2SH2SH2S1556,322,5

21 Corrente de escuro E T0K 50K 100K 150K 200K

22 Intrínsecos ExtrínsecosLigas III-V, II-VI QWIPs Fotodetectores de radiação IV

23 Tipo de fotodetector VantagensDesvantagens Intrínseco(MCT) -Fácil sintonização de gap -Detecção multicor -Dificuldades no crescimento e processamento de gaps pequenos Extrínseco (SI:Ga, Ge:Cu) -Tecnologia simples e madura -opera em VLWIR -Opera a temperaturas muito baixas QWIPs (GaAs/AlGaAs, InGaAs/InAlAs) -Boa uniformidade em grandes áreas -Técnicas de crescimento maduras -Detecção multicor -Alta excitação térmica -Acoplamento da luz com incidência normal QDIPs (InAs/GaAs, InAs/InP) -Acoplamento da luz com incidência normal -Baixa excitação térmica -Crescimento de estruturas complicada -Uniformidade e densidade Fotodetectores de radiação IV

24 a – espelho refletor b – fonte c – lentes d – janelas e – célula gasosa f – filtro óptico g – fotodetector Dispositivo sensor de gases Duas abordagens: Célula gasosa Fotodetector: -Esp. largo -Esp. estreito Globar LEDs LASER Fonte: -Esp. estreito -Esp. largo

25 Fonte de radiação Fonte de radiação Célula gasosa Célula gasosa Fotodetector Fotodetector Globar LEDs Componentes do dispositivo sensor de gases LASER

26 Detecção de gases Detectores por ionização do gás: Detectores por ionização do gás: Calor Calor Radiação Radiação Detectores eletroquímicos Detectores eletroquímicos Oxidação ou redução de gases Oxidação ou redução de gases Explosímetro Explosímetro Gases inflamáveis Gases inflamáveis Infravermelho não-dispersivo Infravermelho não-dispersivo Absorção de IV por moléculas dos gases Absorção de IV por moléculas dos gases

27 Inserção dos materiais Simulação Resultados Mapeamento da transição E 2 – E 1 em poços de In 0.53 Ga 0.47 As/In 0.53 Ga x Al (1-x) As Simulação computacional de QWIPs - Quantum Well Simulator (QWS) -

28 n - QWIPs Bound to Quasibound n - QWIPs Bound to Quasibound Probabilidade de transição entre estados ligados maior Probabilidade de transição entre estados ligados maior Retirada do elétron da região do poço mais fácil Retirada do elétron da região do poço mais fácil Gases e QWIPs CO CO 2 NO CO CO 2 NO 4,8 m – 258 meV 4,2 m – 295 meV 5,5 m – 225 meV

29 Simulação do dispositivo sensor de CO 2 Ar CO 2 IVGásFotodetector

30 I0I0 I Absorção de gases Lei de Beer-Lambert I = I 0 e – nL n.L fixo I/I 0 fixo Aplicação CO 2 n (ppm) L (cm) Monitoramento ambiental Saúde humana Diagnóstico médico – ,5 Aplicações nL = 1000!!!

31 Corrente de escuro E T0K 50K 100K 150K 200K Campo elétrico Temperatura Origens físicas: -Impurezas -Emissão termiônica do poço

32 Corrente de escuro E T0K 50K 100K 150K 200K

33 Corrente de escuro E T0K 50K 100K 150K 200K

34 Corrente de escuro E T0K 50K 100K 150K 200K

35 Corrente de escuro E T0K 50K 100K 150K 200K

36 Corrente de escuro E T0K 50K 100K 150K 200K

37 Fotocorrente E T0K 50K 150K 200K Campo elétrico Temperatura Origens físicas: -Fotoexcitação de elétrons do nível do poço para níveis no contínuo 100K

38 Fotocorrente E T0K 50K 150K 200K 100K

39 Fotocorrente E T0K 50K 150K 200K 100K

40 Fotocorrente E T0K 50K 150K 200K 100K

41 Fotocorrente E T0K 50K 150K 200K 100K


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