31338

طراحي و شبيه‌سازي آشكارساز IR در محدوده MWIR بر پايه نقاط كوانتومي به ‌منظور كاربرد در دوربين‌هاي ديد در شب

كارشناسي ارشد

مهندسي برق

1401

1403/07/02

علي صدر

مينا اميرمزلقاني

مهندسي برق

در سال‌هاي اخير، آشكارسازهاي نوري مادون‌قرمز مبتني بر نقاط كوانتومي تلوريد جيوه (HgTe) به دليل خواص نوري عالي‌ همچون ويژگي‌ جذب قابل‌تنظيم با اندازه، به‌شدت در زمينه‌هاي مختلف موردمطالعه قرار گرفته‌اند و جايگزين ارزان قيمتي براي دستگاه‌هاي ساخته‌شده از طريق روش‌ رشد هم‌بافته هستند. همچنين در ميان مواد توليد‌شده به‌صورت نقاط كوانتومي، HgTe جايگاه ويژه‌اي دارد؛ چرا كه تنها ماده‌اي است كه مي‌تواند كل طيف مادون‌قرمز را از مرئي تا تراهرتز (0.7 تا 100 ميكرومتر) پوشش دهد. در اينجا، ما علاوه بر مرور آخرين پيشرفت‌هاي گزارش‌شده در ارتباط با رشد مواد و طراحي ساختار آشكارسازهاي نقاط كوانتومي تلوريد جيوه، يك مطالعه شبيه‌سازي از ساختارهاي مختلف آشكارسازهاي نوري مبتني بر نقاط كوانتومي تلوريد جيوه گزارش مي‌كنيم. از ساختارهاي موردنظر مي‌توان به پيوند ناهمگون نقاط كوانتومي تلوريد جيوه و سيليكان اشاره كرد كه براي محدوده طول‌موج نور مرئي تا مادون‌قرمز مياني طراحي شده است. همچنين ايده ايجاد تخلخل در الكترود رويي سبب كاهش بازتاب مي‌شود و در مقايسه با دستگاه آشكارساز نوري بدون تخلخل، افزايش پاسخ نوري طيفي را نشان مي‌دهد. مقادير پاسخ‌دهي و بازده كوانتومي خارجي ساختار ديود نوري Si/HgTe QD در محدوده SWIR و MWIR به ترتيب برابر با 0.42، 31.9% و 0.39، 12.6% است كه نسبت به ساختار مسطح، تقويت عملكرد را نشان مي‌دهد و نتايج مطابقت خوبي با داده‌هاي مطالعات تجربي و ساخت دارد. همچنين طراحي ساختار مبتني‌ بر نقاط كوانتومي تلوريد جيوه به همراه لايه‌هاي انتقال‌دهنده الكترون (ETL) و انتقال‌دهنده‌ حفره (HTL) باعث دستيابي به قابليت تشخيص خاص (D*) عالي در حدود 1.6×1010 شده است. طراحي ساختارهاي آشكارساز بر پايه‌ي لايه‌هاي انتقال‌دهنده الكترون و حفره در دستگاه‌هاي مبتني بر نقاط كوانتومي ايده‌اي نوين و در حال توسعه است. شبيه‌سازي اين ساختار با استفاده از مواد مختلف با هدف بهينه‌سازي عملكرد، منجر به دستيابي به افزاره‌اي با نتايج عملكردي چشمگير، از جمله پاسخ‌دهي معادل A/W 0.87 و بازده كوانتومي خارجي برابر با %28.5 شده است.

1403/07/23

Design and Simulation of an IR Detector in the MWIR Range Based on Quantum Dots for Night Vision Camera Applications

1/1/1900 12:00:00 AM

In recent years, infrared photodetectors based on mercury telluride (HgTe) quantum dots have been extensively studied in various fields due to their excellent optical properties, such as size-tunable absorption, and are considered a cost-effective alternative to devices fabricated using epitaxial growth methods. Among materials produced as quantum dots, HgTe holds a special status, as it is the only material capable of covering the entire infrared spectrum from visible to terahertz (0.7 to 100 micrometers). This unique feature, stemming from its electronic structure, combined with its air stability and charge conduction capability, has driven consistent and extensive efforts over the past two decades to produce and improve HgTe quantum dots. In this context, we not only review the latest advancements in mercury telluride quantum dot detectors related to material growth and structure design but also report a simulation study of various optical detector structures based on HgTe quantum dots. Notable among these structures is the heterojunction of HgTe quantum dots and silicon, designed for the wavelength range from visible to mid-infrared. Additionally, the concept of introducing porosity in the top electrode results in reduced reflection and demonstrates increased spectral responsivity compared to non-porous optical detector devices. The responsivity and external quantum efficiency (EQE) values of the Si/HgTe QD photodiode structure in the SWIR and MWIR ranges are 0.42, 31.9%, and 0.39, 12.6%, respectively, indicating enhanced performance compared to the planar structure, with results showing good agreement with experimental and fabrication data. Moreover, the design of the structure based on HgTe quantum dots, along with electron transport layers (ETL) and hole transport layers (HTL), achieves an excellent specific detectivity (D*) of approximately 1.6×1010. The design of detector structures based on electron transport layers and hole transport layers in quantum dot-based devices is a novel and emerging concept. Simulation of this structure using various materials, aimed at performance optimization, has resulted in a device with remarkable operational outcomes, including a responsivity of 0.87 A/W and an external quantum efficiency of 28.5%.

نقاط كوانتومي تلوريد جيوه

MWIR , SWIR

amirhossein ebadiyan

Dr. ali sadr