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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

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 G. M. Penello 1,4 1 IF - UFRJ 2 Labsem – CETUC – PUC-RJ 3 IF - UFU 4 INCT - DISSE.

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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

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Presentation Transcript

  1. 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

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

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

  4. QWIP A B A DEc = CBO.DEgap Intraband Efective mass approximation + Interband + EgapA EgapB DEV = VBO.DEgap Intraband DEgap = EgapB- EgapA EgapB< EgapA

  5. n – QWIP In0.53Ga0.47As:n/In0.52Al0.48As InGaAs:n 500nm InAlAs 30nm InGaAs:n 3nm InAlAs 30nm InGaAs:n 500nm SubstratoInP:Fe Sample Selection rules!!! E Contact 2 Barrier x50 QW Barrier Contact 1 Production E Ez

  6. DE = 295 meV Sample • Schrodinger eq. solution E 0 < E < V0 V(z) 507 meV 212 meV -L/2 L/2 z E E > V0 T R V(z) -L/2 L/2 z

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

  8. Photocurrent Sample characterization • Electron dinamics T Ipc Vdc

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

  10. Dark current • Theoretical curve fitting • Thermoionic emission (Levine, BF. JAP 74:R1) • InGaAs – exp.(300K) = 0,4 m2/Vs vsat GaAs – lit. = 5 x 104 m/s

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

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

  13. Photocurrent • Light generated current • Temperature and wavelength dependance

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

  15. Photocurrent • Virtual energy band • T = 1 E T R -L/2 L/2 z

  16. Photocurrent Data with V = -100mV • Theoretical fitting -Lorentzians -Virtual energy bands V = 1V Oscillator strength????

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

  18. Thanks • Advisors: -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

  19. Simulação do dispositivo sensor de CO2 • FTIR • Lock-in 50% 15% 15%

  20. E

  21. E Corrente de escuro T 0K 50K 100K 150K 200K

  22. Fotodetectores de radiação IV Intrínsecos Extrínsecos Ligas III-V, II-VI QWIPs

  23. Fotodetectores de radiação IV

  24. 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

  25. Fonte de radiação Célula gasosa Componentes do dispositivo sensor de gases LASER LED’s Globar • Fotodetector

  26. 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

  27. 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

  28. 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

  29. IV Gás Fotodetector Simulação do dispositivo sensor de CO2 Ar CO2

  30. Absorção de gases Lei de Beer-Lambert I = I0 e –anL n.L fixo I/I0 fixo Aplicações nL = 1000!!! I0 I

  31. E Corrente de escuro • Origens físicas: • -Impurezas • -Emissão termiônica do poço Campo elétrico Temperatura T 0K 50K 100K 150K 200K

  32. E Corrente de escuro T 0K 50K 100K 150K 200K

  33. E Corrente de escuro T 0K 50K 100K 150K 200K

  34. E Corrente de escuro T 0K 50K 100K 150K 200K

  35. E Corrente de escuro T 0K 50K 100K 150K 200K

  36. E Corrente de escuro T 0K 50K 100K 150K 200K

  37. E Fotocorrente • Origens físicas: • -Fotoexcitação de elétrons • do nível do poço para níveis • no contínuo Campo elétrico Temperatura T 0K 50K 100K 150K 200K

  38. E Fotocorrente T 0K 50K 100K 150K 200K

  39. E Fotocorrente T 0K 50K 100K 150K 200K

  40. E Fotocorrente T 0K 50K 100K 150K 200K

  41. E Fotocorrente T 0K 50K 100K 150K 200K

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