Third generation infrared detectors

• Autorzy: Rogalski A.

Warianty tytułu

PL

Trzecia generacja detektorów podczerwieni

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Hitherto, two families of multielement infrared (IR) detectors are used for principal military and civilian infrared applications; one is used for scanning systems (first generation) and the other is used for staring systems (second generation). Third generation systems are being developed nowadays. In the common understanding, third generation IR systems provide enhanced capabilities like larger number of pixels, higher frame rates, better thermal resolution as well as multicolour functionality and other on-chip functions. In the paper, issues associated with the development and exploitation of third generation infrared photon detectors are discussed. In this class of detectors two main competitors, HgCdTe photodiodes and quantum well photoconductors are considered. The performance figures of merit of state-of-the-art QWIP and HgCdTe FPA's are similar because the main limitations come from the readout circuits. However, in the long wavelength infrared (LWIR) region, the HgCdTe material fail to give the requirements of large format two-dimensional (2D) arrays due to metallurgical problems of the epitaxial layers such as uniformity and number of defected elements.

PL

Dotychczas w technice podczerwieni stosowane są dwojakiego rodzaju wieloelementowe detektory podczerwieni: linijki detektorów w systemach ze skanowaniem mechanicznym (zwanych również systemami 1. generacji) i dwuwymiarowe matryce detektorów w systemach ze skanowaniem elektronicznym (zwanych systemami 2. generacji). Trzecia generacja systemów jest rozwijana obecnie i jak dotychczas jej definicja nie jest precyzyjnie określona. Zakłada się, że powinna mieć większąliczbę pikseli obrazowych, charakteryzować się większąszybkościąodczytu ramki obrazu, lepszą rozdzielczością temperaturową, możliwością wielospektralnej analizy obrazu w różnych zakresach widmowych oraz mieć inne dodatkowe on-line funkcje. W artykule przedstawiono aktualny stan zaawansowania prac w zakresie koncepcji realizacji wyżej określonych funkcji i technologicznych problemów praktycznej implementacji detektorów trzeciej generacji. Dotychczas rozważano dwie grupy materiałów jako najbardziej perspektywicznych w osiągnięciu zamierzonych celów: roztwór stały HgCdTe i supersieci AlGaAs/GaAs. Osiągi matryc wykonywanych z tych dwóch półprzewodników są podobne z tej głównej przyczyny, że są ograniczone typowymi pojemnościami wejściowymi krzemowych procesorów odczytu sygnałów, rzędu 10⁷ elektronów.

Słowa kluczowe

EN

first generation infrared detectors; second generation infrared detectors; third generation detectors; HgCdTe photodiodes; AIGaAs/GaAs quantum well infrared photodetectors; type II InAs/GalnSb superlattices

PL

pierwsza generacja detektorów podczerwieni; druga generacja detektorów podczerwieni; trzecia generacja detektorów podczerwieni; fotodiody z HgCdTe; fotorezystory AlGaAs/GaAs ze studni kwantowych; supersieci InAs/GalnSb drugiego typu

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 47, nr 3
• Strony: 19--27
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., il., wykr.

Twórcy

autor

Rogalski A.

• Institute of Applied Physics Military University of Technology, Warsaw

Bibliografia

• [1] Norton P. R.: Infrared detectors in the next millennium. Proc. SPIE 3698, 652-665 (1999).
• [2] Norton P., Campbell J., Horn S., and Reago D.: Third-generation infrared imagers. Proc. SPIE 4130, 226-236 (2000).
• [3] Tidrow M. Z., Beck W. A., Clark W. W., Pollehn H. K., Little J. W., Dhar N. K., Leavitt P. R., Kennerly S. W., Beekman D. W., Goldberg A. C., and Dyer W. R.: Device physics and focal plane applications of OWIP and MCT. Opto-Electron. Rev. 7, 283-296 (1999).
• [4] Rogalski A.: Assessment of HgCdTe photodiodes and quantum well infrared photoconductors for long wavelength focal plane arrays. Infrared Phys. Technol. 40, 279-294 (1999).
• [5] Rogalski A.: Quantum well photoconductors in infrared detectors technology. J. Appl. Phys. 93, 4355-4391 (2003).
• [6] Thom R.: High density infrared detector arrays. U.S. Patent No. 4,039,833, 8/2/77.
• [7] Baker I. M. and Ballinga R. A.: Photovoltaic CdHgTe-silicon hybrid focal planes. Proc. SPIE 510, 121-129 (1984).
• [8] Reago D., Horn S., Campbell J., and Vollmerhausen R.: Third generation imaging sensor system concepts. Proc. SPIE, 3701, 108-117 (1999).
• [9] Norton P.: HgCdTe infrared detectors. Opto-Electron. Rev. 10, (2002).
• [10] Kozlowski L. J. and Kosonocky W. F.: Infrared detector arrays. In Handbook of Optics, Chap. 23, edited by M. Bass, E .W. Van Stryland, D. R. Williams, and W. L. Wolfe, McGraw-Hill, Inc. New York (1995).
• [11] Vural K., Kozlowski L. J., Cooper D. E., Chen C. A., Bostrup G., Cabelli C., Arias J. M., Bajaj J., Hodapp K. W., Hall D. N. B., Kleinhans W. E., Price G. G., and Pinter J. A.: 2048 x 2048 HgCdTe focal plane arrays for astronomy applications. Proc. SPIE 3698, 24-35 (1999).
• [12] Levine B. F.: Quantum-well infrared photodetectors. J. Appl. Phys. 74, R1-R81 (1993).
• [13] Sarusi G.: QWIP or other alternatives for third generation infrared systems. Infrared Phys. Technol. 44, 439-444 (2003).
• [14] Horn S., Norton P., Cincotta T., Stolz A., Benson D., Perconti P., and Campbell J.: Challenges for third-generation cooled imagers. Proc. SPIE 5074, 44-51 (2003).
• [15] Rogalski A.: Dual-band infrared detectors. J. Infrared & Millimeter Waves 19, 241-258 (2000).
• [16] Kinch M. A.: HDVIPTM FPA technology at DRS. Proc. SPIE 4369, 566-578 (2001).
• [17] Smith E. P. G., Pham L. T., Venzor G. M., Norton E. M., Newton M. D., Goetz P. M., Randall V. K., Gallagher A. M., Pierce G. K., Patten E. A., Coussa R. A., Kosai K., Radford W. A., Giegerich L. M., Edwards J. M., Johnson S. M., Baur S. T., Roth J. A., Nosho B., De Lyon T. J., Jensen J. E., and Longshore R. E.: HgCdTe focal plane arrays for dual-color mid- and long-wavelength infrared detection. J. Electron. Mater. 33, 509-516 (2004).
• [18] Ballet P., Noexl F., Pottier F., Plissard S., Zanatta J. P., Baylet J., Gravrand O., De Borniol E., Martin S., Castelein P., Chamonal J. P., Million A., and Destefanis G.: Dual-band infrared detectors made on high-quality HgCdTe epilayers grown by molecular beam epitaxy on CdZnTe of CdTe/Ge substrates. J. Electron. Mater. 33, 667-672 (2004).
• [19] Norton P. R.: Status of infrared detectors. Proc. SPIE 3379, 102-114 (1998).
• [20] Whitaker T.: Sanders' QWIP's detect two color at once. Compound Semiconductors 5(7), 48-51 (1999).
• [21] Gunapala S. D., Bandara S. V., Liu J. K., Rafol B., Mumolo J. M., Shott C. A., Jones R., Woolaway J., Fastenau J. M., Liu A. K., Jhabvala M., and Choi K. K.: 640 x 512 pixel narrow-band, four-band, and broad-band quantum well infrared photodetector focal plane arrays. Infrared Phys. Technol. 44, 411-425 (2003).
• [22] Gunapala S. D., Bandara S. V., Liu J. K., Rafol B., and Mumolo J. M.: 640 x 512 pixel long-wavelength infrared narrowband, multiband, and broadband QWIP focal plane arrays. IEEE Trans. Electron Devices 50, 2353-2360 (2004).
• [23] Rogalski A.: InAs/GaInSb superlattices as a promising material system for third generation infrared detectors. To be published in Infrared Phys. Technol.
• [24] Burkle L. and Fuchs F.: InAs/(GaIn)Sb superlattices: a promising material system for infrared detection. In Handbook of Infrared Detection and Technologies, pp. 159-189, edited by M. Henini and M. Razeghi, Elsevier, Oxford, 2002.
• [25] Brown G. J., Szmulowicz F., Mahalingam K., Houston S., Wei Y., Gon A., and Razeghi M.: Recent advances in InAs/GaSb superlattices for very long wavelength infrared detection. Proc. SPIE 4999, 457-466 (2003).
• [26] Piotrowski J. and Gawron W.: Ultimate performance of infrared photodetectors and figure of merit of detector material. Infrared Physics and Technology 38, 63-68 (1997).
• [27] Yang O. K., Pfahler C., Schmitz J., Pletschen W., and Fuchs F.: Trap centers and minority carrier lifetimes in InAs/GaInSb superlattice long wavelength photodetectors. Proc. SPIE 4999, 448-456 (2003).
• [28] Munzberg M., Cabanski W., Rode W., Wendler J., Ziegler J., Eberhardt K., Schneider H., and Walther M.: 3rd gen focal plane array IR detection modules and applications. Proc. SPIE (to be published).