Faculté des sciences

Design and characterisation of far- and mid-infrared quantum cascade detectors

Graf, Marcel ; Hofstetter, Daniel (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2008 ; Th. 2054.

Cette thèse traite un type nouveau de photodétecteurs infrarouges, basés sur les transitions inter-sous-bande dans les matériaux semi-conducteurs III-V (AlAs/GaAs sur GaAs et InAlAs/InGaAs sur InP). S'adressant à une des sources bruyantes principales de photodétecteurs photoconducteurs, le bruit de courant d'obscurité, ce design comprend un gradient potentiel intérieur en forme de cascade... Plus

Ajouter à la liste personnelle
    Résumé
    Cette thèse traite un type nouveau de photodétecteurs infrarouges, basés sur les transitions inter-sous-bande dans les matériaux semi-conducteurs III-V (AlAs/GaAs sur GaAs et InAlAs/InGaAs sur InP). S'adressant à une des sources bruyantes principales de photodétecteurs photoconducteurs, le bruit de courant d'obscurité, ce design comprend un gradient potentiel intérieur en forme de cascade quantique, donc le nom détecteur à cascade quantique (QCD). Cette approche permet l'opération sans mise sous tension et sans courant d'obscurité, en conséquence. L'extraction d'électrons excités est fournie par cette cascade. La fabrication et l'opération de tels détecteurs ont été accomplis avec succès, dans la gamme de l'infrarouge moyen (détection aux longueurs d'ondes de 5.3 µm et de 9 µm) et dans l'infrarouge lointain (la région THz) à 84 µm, au-dessous de l'énergie de phonons optiques longitudinales (LO). Additionellement, il est démontré que ces QCDs sont rapides, comparables avec des photodétecteurs infrarouges à puits quantiques (QWIP). Jusqu'à la limite de fréquence superieure de 23 GHz, imposée par l'électronique de haute fréquence disponible pendant ces mesures, la diminution en performance observée est entièrement expliquée par l'amortissement à cause du circuit RLC, créé par la technique d'assemblage simple. En plus du design, la fabrication et les mesures expérimentales, cette thèse essaie aussi d'expliquer deux propriétés importantes, variant en fonction de température de détecteur. Les changement fortes en résistance électrique et la diminution en réponse des détecteurs à cascade quantique en infrarouge moyen sont numériquement calculés, basés sur un modèle de transitions d'électrons entre les différents états de la cascade quantique, assistées par des phonons optiques longitudinales.
    Summary
    This thesis covers a novel type of infrared photodetectors, based on intersubband transitions in III-V semiconductors (AlAs/GaAs on GaAs and InAlAs/InGaAs on InP). To address one of the main noise sources of photoconductive photodetectors, dark current noise, this design comprises an internal potential gradient in form of a quantum cascade, hence the name quantum cascade detector (QCD). This approach allows bias-less and therefore dark current-less operation, the extraction of excited electrons is provided by the cascade. Successful fabrication and operation of such detectors was achieved, both in the mid-infrared range (detectors at 5.3 µm and 9 µm wavelength) and in the far-infrared (THz region) at 84 µm, below the energy of LO-phonons. It is also shown that these QCDs are fast, comparable to quantum well infrared photodetectors (QWIP). Up to the limit of the high frequency electronics available for this measurement, 23 GHz, the observed decrease in performance is entirely due to the RLC damping, caused by the simple device mounting technique. In addition to the design, fabrication and the experimental measurements, this thesis also attempts to explain two important properties as function of detector temperature. The strongly varying device resistance and the drop in responsivity of the mid-infrared quantum cascade detectors are numerically calculated based on a modell describing LO-phonon assisted transitions between the different involved states of the quantum cascade.