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Carriers dynamics study of photodetectors based in InGaAs/InAlAs quantum wells (QWIPs) for gas detection. D. N. Micha1,4, M. P. Pires1,4, P. L. Souza2,4, R. M. Kawabata2,4, J. M. Villas-Bôas3,4 G. M. Penello1,4 1 IF - UFRJ 2 Labsem – CETUC – PUC-RJ 3 IF - UFU 4 INCT - DISSE
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Outline Motivation Quantum well infrared photodetectors- QWIPs Sample:
Production Characterization Conclusion
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Motivation Thermal imaging Gas detection: Enviroment monitoring;
Medical diagnosis.
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QWIP EgapA EgapB DEgap = EgapB - EgapA EgapB < EgapA A B A DEc =
CBO.DEgap Intraband Efective mass approximation + + Interband EgapA EgapB DEV = VBO.DEgap Intraband DEgap = EgapB - EgapA EgapB < EgapA
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Sample n – QWIP In0.53Ga0.47As:n/In0.52Al0.48As Selection rules!!! E
Substrato InP:Fe InGaAs:n nm InGaAs:n 3nm InAlAs nm InAlAs nm InGaAs:n 500nm Contact 2 Barrier x50 QW Barrier Contact 1 E Production Ez
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Sample Schrodinger eq. solution E 0 < E < V0 V(z) DE = 295 meV
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Sample characterization
Electron dinamics Dark current T I I Vdc
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Sample characterization
Electron dinamics Photocurrent T Ipc Vdc
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Dark current Current thermally generated without light
Temperature and bias dependance Above 140K, exponential growth Up to 120K, almost no changes
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Dark current m (m2/Vs) vsat (m/s) Theoretical curve fitting
Thermoionic emission (Levine, BF. JAP 74:R1) T (K) m (m2/Vs) vsat (m/s) 230 0,098 514,5 260 0,099 274,5 300 97,4 InGaAs – exp. (300K) = 0,4 m2/Vs vsat GaAs – lit. = 5 x 104 m/s
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Dark current Activation energy Elig – InGaAs = 2,9 meV
Elig – InAlAs = 6,3 meV e- High T – Thermionic emission Low T – Impurity ionization 2 meV!!! 260 meV!!!
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Photocurrent Light generated current Voltage and wavelength dependance
Peak intensity Peak wavelength
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Photocurrent Light generated current
Temperature and wavelength dependance
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Photocurrent Bound-to-bound fitting (only two level transition)
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Photocurrent Virtual energy band T = 1 E T R -L/2 L/2 z
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Expmntal Amplitude(a.u.)
Photocurrent Theoretical fitting -Lorentzians -Virtual energy bands Data with V = -100mV Transição N1 - B1 B2 B3 B4 B5 Calculated Energy (meV) 299,5 314,7 341,9 377,5 424,5 Expmntal Energy (meV) 291,9 310,0 338,0 372,0 Band width 3,0 5,4 11,8 19,0 27,0 Width (meV) 14,5 25,8 34,8 19,4 Expmntal Amplitude(a.u.) 97,3 147,5 114 21,5 0,0 V = 1V Oscillator strength????
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Conclusions Good understanding of the current generation mechanism;
The theoretically predicted virtual level transitions are experimentally confirmed.
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Thanks Advisors: LabSem: DISSE: Friends and family CAPES
-Mauricio P. Pires -Patrícia L. de Souza LabSem: -Rudy, Germano -Anderson, Rafael, Anna, Téo, Luiza, Alan, Flávia -Iracildo, Fabiane DISSE: -Déborah Alvarenga (UFMG), profs.: Paulo Sérgio Guimarães (UFMG), Gustavo Soares (IEAV), J.M.Villas-Bôas (UFU) Friends and family CAPES
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Simulação do dispositivo sensor de CO2
FTIR Lock-in 50% 15% 15%
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Energia absorção (meV)
Tipo de gás Energia absorção (meV) Largura do poço (nm) x Ga (%) CO 258 4,9 10,5 270 4,8 8,5 CO2 83 - 295 4,5 5,5 459 NO 159 6,1 21,5 200 16,5 225 5,2 13,5 SO2 62 165 6,0 20,5 H2S 155 6,3 22,5 E
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Corrente de escuro E T 0K 50K 100K 150K 200K
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Fotodetectores de radiação IV
Intrínsecos Extrínsecos Ligas III-V, II-VI QWIPs
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Fotodetectores de radiação IV
Tipo de fotodetector Vantagens Desvantagens 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 -Alta excitação térmica -Acoplamento da luz com incidência normal QDIPs (InAs/GaAs, InAs/InP) -Baixa excitação térmica -Crescimento de estruturas complicada -Uniformidade e densidade
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Dispositivo sensor de gases
a – espelho refletor b – fonte c – lentes d – janelas e – célula gasosa f – filtro óptico g – fotodetector Duas abordagens: LED’s Fonte: -Esp. estreito -Esp. largo Célula gasosa Fotodetector: -Esp. largo -Esp. estreito LASER Globar
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Componentes do dispositivo sensor de gases
Fonte de radiação Célula gasosa LED’s LASER Globar Fotodetector
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Detecção de gases Detectores por ionização do gás:
Calor Radiação Detectores eletroquímicos Oxidação ou redução de gases Explosímetro Gases inflamáveis Infravermelho não-dispersivo Absorção de IV por moléculas dos gases
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Simulação computacional de QWIPs - Quantum Well Simulator (QWS) -
Inserção dos materiais Mapeamento da transição E2 – E1 em poços de In0.53Ga0.47As/In0.53GaxAl(1-x)As Simulação Resultados
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Gases e QWIPs n - QWIPs Bound to Quasibound
Probabilidade de transição entre estados ligados maior Retirada do elétron da região do poço mais fácil 4,8mm – 258 meV CO 4,2mm – 295 meV NO CO CO2 CO2 5,5mm – 225 meV NO
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Simulação do dispositivo sensor de CO2
IV Gás Fotodetector Ar CO2
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Monitoramento ambiental
Aplicações Absorção de gases Lei de Beer-Lambert I = I0 e –anL n.L fixo I/I0 fixo nL = 1000!!! Aplicação CO2 n (ppm) L (cm) Monitoramento ambiental 250 Saúde humana 5 Diagnóstico médico 20.000– 2,5 I I0
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Corrente de escuro Origens físicas: -Impurezas
-Emissão termiônica do poço Campo elétrico Temperatura E T 0K 50K 100K 150K 200K
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Corrente de escuro E T 0K 50K 100K 150K 200K
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Corrente de escuro E T 0K 50K 100K 150K 200K
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Corrente de escuro E T 0K 50K 100K 150K 200K
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Corrente de escuro E T 0K 50K 100K 150K 200K
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Corrente de escuro E T 0K 50K 100K 150K 200K
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Fotocorrente Origens físicas: -Fotoexcitação de elétrons
do nível do poço para níveis no contínuo Campo elétrico Temperatura E T 0K 50K 100K 150K 200K
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Fotocorrente E T 0K 50K 100K 150K 200K
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Fotocorrente E T 0K 50K 100K 150K 200K
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Fotocorrente E T 0K 50K 100K 150K 200K
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Fotocorrente E T 0K 50K 100K 150K 200K
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