QWIP ( Quantum bine Fotodetector în infraroșu (în franceză : „infraroșie fotodetector cuantic bine“) este un detector de radiație în infraroșu gama de lungimi de undă acoperite în 2007 se extinde de la 3 microni până la peste 30 microni de Ce .. tip de detector este sensibil la radiația termică emisă de orice corp a cărui temperatură nu este zero (conform legii radiației corpului negru introdusă de Max Planck ).
QWIP este un detector cuantic: absorbția radiației incidente are loc printr-o tranziție electronică. Această tranziție are loc între nivelul fundamental al puțului cuantic și primul nivel excitat. Dacă există un singur nivel limitat, tranziția are loc între nivelul fundamental și continuumul stărilor delocalizate.
Regulile de selecție care guvernează interacțiunea dintre radiațiile electromagnetice și electroni duc la două caracteristici foarte importante ale acestei componente:
QWIP este un detector răcit. Într-adevăr, tranzițiile electronice implicate pot fi, de asemenea, excitate de fononi , adică de vibrațiile rețelei de cristal. Pentru a reduce aceste vibrații, detectorul trebuie răcit. Temperatura de funcționare depinde de lungimea de undă. Pentru o detectare QWIP la 9 µm, temperatura de funcționare depășește astăzi 77 K (-196 ° C, temperatura azotului lichid).
QWIP este un detector unipolar: curentul electric se datorează numai electronilor. Aceasta este o diferență majoră în comparație cu alte tehnologii de detectare, care utilizează fotodiodele (joncțiuni pn). Într-o fotodiodă, fotonii incidenți excită electronii din banda de valență către banda de conducere a unui semiconductor. Curentul este transportat atât de electroni, cât și de găuri. O fotodiodă este deci o componentă bipolară.
Tehnologia QWIP exploatează sectorul industrial al semiconductoarelor III-V: GaAs și aliajele sale (AlGaAs, InGaAs). QWIP-urile beneficiază de toate avantajele acestei tehnologii duale, dezvoltată pentru aplicații de microelectronică ( adică telefoane mobile) și optoelectronică (telecomunicații prin fibră):
QWIP-urile sunt deosebit de potrivite pentru aplicații de imagini rapide (mai mult de 50 de imagini pe secundă), pe distanțe lungi (câțiva kilometri), care necesită rezoluție ridicată și sensibilitate ridicată. Iată o listă neexhaustivă a posibilelor aplicații:
În plus față de imagistica termică convențională, într-o anumită bandă spectrală, QWIP deschide calea pentru alte așa-numite aplicații de a treia generație:
În Franța, principalul jucător industrial în infraroșu este Sofradir, o filială a Thales și Sagem. În 2013, a preluat tehnologiile InSb, QWIP și InGaAs de la cele două companii-mamă și astfel combină activitățile QWIP pentru cele două grupuri. Înainte de această fuziune, mai presus de toate Alcatel-Thales III-V Lab Economic Interest Group (GIE) a dezvoltat aceste tehnologii.
La nivel global, detectoarele de sonde cuantice sunt studiate și produse în Statele Unite, Germania, Suedia, Israel, Canada, Australia. Din ce în ce mai multe țări sunt interesate de aceasta (Turcia, India, Coreea de Sud) datorită accesibilității tehnologiei III-V (cercetarea poate fi efectuată într-un laborator universitar).
Realizarea unui detector cu puț cuantic necesită patru pași principali:
Stratul activ al detectorului este o heterostructură bazată pe semiconductori. Astăzi, cele mai utilizate materiale sunt aliajele AlGaAs ( galiu și arsenidă de aluminiu ) și InGaAs ( arsenură de galiu și indiu).
Structura este obținută prin efectuarea unei succesiuni periodice de straturi de natură chimică diferită. De exemplu, este posibil să se efectueze o alternanță AlGaAs - GaAs - AlGaAs - GaAs - ... În această structură, straturile AlGaAs au o afinitate mai mică pentru electroni. Acestea vor fi limitate în straturile GaAs, care vor constitui astfel chiuvete. Straturile AlGaAs acționează ca bariere de izolare. Electronii sunt introduși în structură prin doparea anumitor straturi cu un element donator ( siliciu ).
Puțurile cuantice sunt intercalate între două straturi de semiconductor dopat, acționând ca contacte electrice. Aceste contacte permit aplicarea unei diferențe de potențial pentru componentă și recuperarea unui curent.
Proiectarea structurii constă în alegerea grosimii, precum și a compoziției diferitelor straturi, a numărului de perioade, a dopajului puțurilor, a grosimii și a dopajului contactelor etc.
Exemplu: o structură al cărei vârf de absorbție este centrat la 9 μm corespunde godeurilor GaAs cu o lățime de aproximativ 5 nm (adică 18 straturi atomice). Barierele AlGaAs conțin 25% aluminiu și grosimea lor este de aproximativ 40 nm. Un detector include câteva zeci de puțuri.
Producerea stratului activ se face printr-o tehnică epitaxie , cum ar fi epitaxia cu fascicul molecular (MJS). Această tehnică folosește substraturi mono-cristaline, având forma unei napolitane (diametru de 5 până la 10 cm, grosime 0,5 mm), pe care se depun atomi, strat atomic cu strat atomic. Substratul este cel care impune organizarea spațială a atomilor depuși. Creșterea cristalelor are loc sub vid (10 −10 bari) și la temperatură ridicată (500-600 ° C).
Avantajele tehnicii:
Odată ce stratul activ a fost obținut, se trece la producerea matricilor de detectoare. Lucrarea se desfășoară într-o cameră curată. Calitatea matricilor (procentul de pixeli utilizabili) depinde direct de calitatea atmosferei și de substanțele chimice utilizate. De exemplu, orice lucru care depășește o dimensiune de 1 µm este considerat o impuritate critică.
Sunt necesare mai multe procese tehnologice:
Pentru realizarea matricilor este necesar să se stăpânească gravarea modelelor submicronice (0,3-0,7 µm).
Realizarea matricei se face în mai multe etape:
Matricile sunt astfel obținute în format TV (640 × 512 pixeli) sau TV / 4 (384 × 288 pixeli) sau chiar recent în format HDTV (1280 × 1024). Pixelii au dimensiuni cuprinse între 15 și 25 µm.
Matricea de detectoare este conectată folosind margele de indiu la o matrice similară, formată din circuite mici de citire a siliciului. Aceste circuite permit ca detectorul să fie polarizat și să fie colectat semnalul. Operația de asamblare se numește hibridizare.
Hibridul rezultat este montat într-un criostat mic (memento: detectorul funcționează la temperatură scăzută), care este apoi cuplat la o mică mașină rece, funcționând pe principiul expansiunii prin compresie. Ansamblul criostat-mașină rece formează blocul detectorului. Acesta este foarte compact: o duzină de centimetri pentru câteva sute de grame.
Unitatea detector este integrată într-o cameră, care conține, de asemenea, optica pentru formarea imaginii și electronica de citire și procesare.
Când vorbim despre performanță, trebuie să facem distincția între performanța detectorului și performanța camerei. Vom vorbi despre performanța detectorului aici.
Performanța electro-optică a unui detector cu infraroșu este evaluată utilizând următoarele mărimi fizice:
Există, de asemenea, alte mărimi fizice, cum ar fi NETD (Noise Equivalent Temperature Difference: diferența de temperatură a etapei corespunzătoare unui semnal echivalent cu zgomotul). Deoarece implică parametri externi detectorului, acesta nu poate fi utilizat pentru a estima performanța unui detector.
Pentru imagerul termic complet, parametrul relevant va fi NETD sau intervalul (în kilometri). Astăzi, QWIP-urile permit realizarea unor rezoluții termice de 10 - 30 milikelvin (1 până la 3 sutimi de grad), în funcție de configurația imaginii.
În timp ce QWIP-urile au mai multe avantaje față de fotodetectoarele de tip fotodiodă ( HgCdTe ), în special în ceea ce privește uniformitatea materialului, ceea ce face posibilă evitarea nevoii de a se baza pe algoritmi de corecție sau prin faptul că este posibil prin formarea unor straturi diferite sau modificări relativ simple permit detectorului să detecteze mai multe lungimi de undă în același timp, au propriile lor neajunsuri:
Din aceste motive, sunt în curs de dezvoltare alte tipuri de fotodetectori, în special QDIP ( Quantum Dot Infrared Photodetector ).