Quantentopf-Infrarot-Photodetektor

Ein Quantentopf-Infrarot-Photodetektor (englisch quantum well infrared photodetector, kurz QWIP-Detektor) ist ein Halbleiterdetektor zum Nachweis von Infrarotstrahlung insbesondere im Bereich 8…14 µm. Alternierende dünne Schichten (typisch um 50) aus III-V-Halbleitern (z. B. AlGaAs/GaAs) mit unterschiedlichen Bandabständen bilden Quantentöpfe, die Infrarotstrahlung absorbieren und Ladungsträger freisetzen.

Eigenschaften

Sie werden gekühlt betrieben. Üblich sind Temperaturen unterhalb von 77 K, dem Siedepunkt von Stickstoff. Heutzutage wird die Kühlung mit Stirlingmotoren statt flüssigen Stickstoffs bewerkstelligt.

QWIPs haben einige Vor- und Nachteile gegenüber den in vergleichbaren Anwendungen eingesetzten HgCdTe-Fotodioden:[1]

Vorteile:

geringerer Dunkelstrom
geringere Lebensdauer thermisch angeregter Ladungsträger
schmalbandige spektrale Empfindlichkeit

Nachteile:

Strahlung darf nicht senkrecht zur Schichtabfolge eintreffen (keine Absorption)
Quantenausbeute geringer (10 %) als bei HgCdTe-Fotodioden (>70 %)

Sie sind prädestiniert für sogenannte Focal Plane Arrays (Kamerachips) im Mittleren Infrarot (um 10 µm Wellenlänge). Aufgrund des geringen Dunkelstromes sind lange Integrationszeiten möglich. Mittels unterschiedlicher Empfangswellenlängen (mehrere Chips) können hochauflösend „Farben“ unterschieden werden.

Aus den Eigenschaften ergeben sich folgende Anwendungen:[2]

Atmosphärenforschung
Weltraumforschung
Thermografie in Wissenschaft und Technik sowie beim Militär

Kamerachips bestehen aus der Quantum-Well-Struktur-Platte, die mit einem Auslesechip (readout integrated circuit (ROIC)) auf Basis von Silizium Pixel für Pixel zweidimensional kontaktiert ist.

Kameras mit QWIP-Arrays mit 640 × 512 Pixeln und hoher Uniformität der Pixel sind preiswert herstellbar.[3] Rauschäquivalente Temperaturdifferenzen von weniger als 10 mK sind erreichbar.

Quellen und Literatur

A. Rogalski: Quantum well photoconductors in infrared detector technology. In: Journal of Applied Physics, Jahrgang 93, Heft 8, 15. April 2003; Seite 9 im pdf, Seite 4362 im Jahrgang, abgerufen am 27. Juni 2017 (PDF; 1,7 MB; englisch).
Jie Zhang, Win-Ching Hung: Quantum Well Infrared Detector. University of Rochester, Department of Electrical and Computer Engineering (ECE), abgerufen am 27. Juni 2017 (Power-Point-Präsentation).
John Wallace: Photonics Products: MWIR and LWIR Detectors: QWIPs capture LWIR images at low cost. In: Laser Focus World, 7. Oktober 2015, abgerufen am 27. Juni 2017.

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[1] A. Rogalski: Quantum well photoconductors in infrared detector technology. In: Journal of Applied Physics, Jahrgang 93, Heft 8, 15. April 2003; Seite 9 im pdf, Seite 4362 im Jahrgang, abgerufen am 27. Juni 2017 (PDF; 1,7 MB; englisch).

[2] Jie Zhang, Win-Ching Hung: Quantum Well Infrared Detector. University of Rochester, Department of Electrical and Computer Engineering (ECE), abgerufen am 27. Juni 2017 (Power-Point-Präsentation).

[3] John Wallace: Photonics Products: MWIR and LWIR Detectors: QWIPs capture LWIR images at low cost. In: Laser Focus World, 7. Oktober 2015, abgerufen am 27. Juni 2017.