क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर

क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर (क्यूडब्ल्यूआईपी) इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर है, जो फोटॉन को अवशोषित करने के लिए क्वांटम वेल में इलेक्ट्रॉनिक इंटरसबबैंड संक्रमण का उपयोग करता है। इस प्रकार इन्फ्रारेड डिटेक्शन के लिए उपयोग किए जाने के लिए, क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर में क्वांटम वेल्स के मापदंडों को समायोजित किया जाता है जिससे इसकी पहली और दूसरी परिमाणित अवस्थाएँ के मध्य ऊर्जा अंतर आने वाली इन्फ्रारेड फोटॉन ऊर्जा से मेल खाते है। इस प्रकार क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर सामान्यतः गैलियम आर्सेनाइड से बने होते हैं, जो सामान्यतः स्मार्टफोन और उच्च गति संचार उपकरणों में पाया जाने वाला पदार्थ है। इस प्रकार क्वांटम वेल की पदार्थ और डिज़ाइन के आधार पर, क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर के ऊर्जा स्तर को इन्फ्रारेड में 3 से 20 µm तक विकिरण को अवशोषित करने के लिए तैयार किया जा सकता है। क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर सबसे सरल क्वांटम यांत्रिकी उपकरण संरचनाओं में से है जो मध्य-तरंग दैर्ध्य और लंबी-तरंग दैर्ध्य अवरक्त विकिरण का पता लगा सकता है। वह अपनी स्थिरता, उच्च पिक्सेल-से-पिक्सेल एकरूपता और उच्च-पिक्सेल संचालन क्षमता के लिए जाने जाते हैं।

इतिहास
1985 में, स्टीफन एग्लैश और लॉरेंस वेस्ट ने एकाधिक क्वांटम वेल या मल्टीपल क्वांटम वेल (एमक्यूडब्ल्यू) में सशक्त इंटरसबबैंड संक्रमण देखा था, जिसने इन्फ्रारेड डिटेक्टरों के लिए क्वांटम वेल का उपयोग करने पर अधिक गंभीरता से विचार करने के लिए प्रेरित किया था। इस प्रकार पहले, इन्फ्रारेड पहचान के लिए क्वांटम वेल का उपयोग करने के प्रयास क्वांटम वेल में मुक्त अवशोषण पर आधारित थे जो इलेक्ट्रॉनों को बाधाओं के शीर्ष पर लाते हैं। चूँकि, परिणामी डिटेक्टरों ने कम संवेदनशीलता प्रदर्शित की थी।

1987 तक, क्वांटम वेल इंफ्रारेड फोटोडिटेक्टर के लिए मूलभूत ऑपरेटिंग सिद्धांत तैयार किए गए थे, जो संवेदनशील इंफ्रारेड डिटेक्शन का प्रदर्शन करते थे। इस प्रकार 1990 में, बैरियर की घनत्व बढ़ाकर प्रौद्योगिकी की निम्न-तापमान संवेदनशीलता में और सुधार किया गया था, जिसने टनलिंग धारा को दबा दिया था। इस बिंदु पर, इन उपकरणों को औपचारिक रूप से क्वांटम वेल इंफ्रारेड फोटोडिटेक्टर के रूप में जाना जाता था। 1991 में, इस दृष्टिकोण का उपयोग करके पहली अवरक्त छवि प्राप्त की गई थी।

2002 में, यूनाइटेड स्टेट्स आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी| यू.एस. के शोधकर्ता आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी (एआरएल) ने रिमोट तापमान सेंसिंग के लिए प्रभावी तरंग दैर्ध्य स्विचिंग के साथ वोल्टेज-ट्यून करने योग्य, दो-रंग क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर विकसित किया था। उपकरण ने 10 K पर धनात्मक पूर्वाग्रह के लिए 7.5 माइक्रोमीटर की चरम पहचान तरंग दैर्ध्य प्रदर्शित की थी, जब इलेक्ट्रॉन क्वांटम वेल में से में रहते थे और जब इलेक्ट्रॉनों को दूसरे वेल्स में स्थानांतरित किया गया तो बड़े ऋणात्मक पूर्वाग्रह पर 8.8 माइक्रोमीटर पर स्विच किया गया था।

फिर भी नागरिक अनुप्रयोगों में इसके उपयोग के अतिरिक्त, क्यूडब्ल्यूआईपी तकनीक को अमेरिकी सेना द्वारा सैन्य उपयोग के लिए अपर्याप्त माना गया था। उस समय, फोटोडिटेक्टर केवल विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के एक-आयामी परिमाणीकरण को समझ सकते थे जब प्रकाश भौतिक परतों के समानांतर यात्रा करता था, इस प्रकार जो सामान्यतः तब होता था जब प्रकाश संसूचन के किनारे पर चमकता था। परिणामस्वरूप, क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर तकनीक की क्वांटम दक्षता केवल 5 प्रतिशत थी। इसके अतिरिक्त, इस समस्या को कम करने के लिए उद्योग में सामान्यतः उपयोग की जाने वाली माइक्रोमिरर बहुत ही सूक्ष्म आवधिक पोस्टों से बनी होती थी और बड़े प्रारूपों में उत्पादन करना कठिन होता था।

इस समस्या का समाधान करने के लिए, सेना अनुसंधान प्रयोगशाला के शोधकर्ताओं ने 2008 में नालीदार क्वांटम इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर (सी-क्यूडब्ल्यूआईपी) विकसित किया था, जिसने किसी भी तरंग दैर्ध्य पर क्वांटम वेल क्षेत्र पर प्रकाश को पुनर्निर्देशित करने की प्रभावशीलता को बढ़ाने के लिए फोटोडिटेक्टर पर माइक्रोमिरर डिवाइस का उपयोग किया था। संक्षेप में, 45-डिग्री झुके हुए संसूचन साइडवॉल ने विद्युत संकेत उत्पन्न करने के लिए प्रकाश को पदार्थ परतों के समानांतर प्रतिबिंबित करने की अनुमति दी थी। इस प्रकार एआरएल और एल-3 कम्युनिकेशंस सिनसिनाटी इलेक्ट्रॉनिक्स के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए परीक्षणों से पता चला कि सी-क्यूडब्ल्यूआईपी ने 3 माइक्रोमीटर से अधिक बैंडविड्थ का प्रदर्शन किया था, जो उस समय वाणिज्यिक क्यूडब्ल्यूआईपी से 5 गुना अधिक व्यापक था। चूंकि सी-क्यूडब्ल्यूआईपी का निर्माण गैलियम आर्सेनाइड का उपयोग करके किया जा सकता है, इसलिए वह रिज़ॉल्यूशन का त्याग किए बिना और कम अंशांकन और रखरखाव की आवश्यकता के बिना सेना के हेलीकॉप्टरों के लिए पारंपरिक इन्फ्रारेड डिटेक्टरों के अधिक प्रभावकारी विकल्प के रूप में कार्य करते हैं।

फरवरी 2013 में, नासा ने उपग्रह लॉन्च किया जिसमें उसके लैंडसैट डेटा निरंतरता मिशन के भाग के रूप में थर्मल इन्फ्रारेड सेंसर (टीआईआरएस) उपकरण सम्मिलित था। टीआईआरएस ने पृथ्वी द्वारा उत्सर्जित प्रकाश की लंबी तरंग दैर्ध्य का पता लगाने और ग्रह के पानी और भूमि का उपयोग कैसे किया जा रहा है, इसका पता लगाने के लिए सेना अनुसंधान प्रयोगशाला द्वारा डिजाइन किए गए तीन सी-क्यूडब्ल्यूआईपी का उपयोग किया था। इस एप्लिकेशन ने पहली बार अंतरिक्ष में क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर का उपयोग किया गया था।

फ़ंक्शन
इन्फ्रारेड संसूचन सामान्यतः किसी वस्तु द्वारा उत्सर्जित विकिरण का पता निरंतर कार्य करते हैं, और विकिरण की तीव्रता वस्तु के तापमान, दूरी और आकार जैसे कारकों द्वारा निर्धारित की जाती है। अधिकांश इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टरों के विपरीत, क्यूडब्ल्यूआईपी पता लगाने वाली पदार्थ के ऊर्जा अंतराल से स्वतंत्र होते हैं, क्योंकि वह एकल ऊर्जा बैंड के अन्दर ऑप्टिकल संक्रमण विकिरण पर आधारित होते हैं। परिणामस्वरूप, इसका उपयोग पहले की तुलना में बहुत कम ऊर्जा विकिरण वाली वस्तुओं का पता लगाने के लिए किया जा सकता है।

क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर के मूल तत्व क्वांटम वेल्स हैं, जो बाधाओं से भिन्न होते हैं। इस प्रकार क्वांटम वेल को वेल्स के अंदर सीमित स्थिति और पहली उत्तेजित स्थिति के लिए डिज़ाइन किया गया है जो अवरोध के शीर्ष के साथ संरेखित होती है। वेल को एन-डोपित किया जाता है जिससे ज़मीनी अवस्था इलेक्ट्रॉनों से आवरण हो जाता है। क्वांटम वेल के मध्य क्वांटम टनलिंग को रोकने के लिए बाधाएं अधिक चौड़ी हैं। विशिष्ट क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर में 20 से 50 क्वांटम वेल्स होते हैं। जब बायस वोल्टेज को क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर पर प्रयुक्त किया जाता है, तो संपूर्ण चालन बैंड झुका हुआ होता है। प्रकाश के बिना क्वांटम वेल में इलेक्ट्रॉन बस जमीनी अवस्था में बैठे रहते हैं। जब क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर को इंटरसबबैंड संक्रमण ऊर्जा के समान या उच्च ऊर्जा के प्रकाश से प्रकाशित किया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होता है।

इस प्रकार जब इलेक्ट्रॉन उत्तेजित अवस्था में होता है, जिससे यह सातत्य में भाग सकता है और फोटोकरंट के रूप में मापा जा सकता है। किसी फोटोकरंट को बाह्य रूप से मापने के लिए क्वांटम वेल में विद्युत क्षेत्र प्रयुक्त करके इलेक्ट्रॉनों को निकालने की आवश्यकता होती है। इस अवशोषण और निष्कर्षण प्रक्रिया की दक्षता अनेक मापदंडों पर निर्भर करती है।



फोटोकरंट
यह मानते हुए कि संसूचन को फोटॉन फ्लक्स $$\phi$$ (प्रति यूनिट समय में फोटॉनों की संख्या) से प्रकाशित किया जाता है, फोटोकरंट $$I_{ph}$$ है

$$I_{ph}=e\phi\eta g_{ph}$$

जहां $$e$$ प्राथमिक चार्ज है, $$\eta$$ अवशोषण दक्षता है और $$g_{ph}$$ फोटोकॉन्डक्टिव लाभ है। इस प्रकार $$\eta$$ और $$g_{ph}$$ एक फोटॉन के लिए फोटोकरंट में इलेक्ट्रॉन जोड़ने की संभावनाएं हैं, जिसे क्वांटम दक्षता भी कहा जाता है। $$\eta$$ इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करने वाले फोटॉन की संभावना है, और $$g_{ph}$$ इलेक्ट्रॉनिक परिवहन गुणों पर निर्भर करता है।

फोटोकंडक्टिव लाभ
फोटोकंडक्टिव गेन $$g_{ph}$$ वह संभावना है कि उत्तेजित इलेक्ट्रॉन फोटोकरंट में योगदान देता है - या अधिक सामान्यतः, बाहरी परिपथ में इलेक्ट्रॉनों की संख्या, फोटॉन को अवशोषित करने वाले क्वांटम वेल इलेक्ट्रॉनों की संख्या से विभाजित होती है। चूँकि प्रारंभ में यह उल्टा हो सकता है, किन्तु $$g_{ph}$$ का से बड़ा होना संभव है। जब भी कोई इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होता है और इस प्रकार फोटोकरंट के रूप में निकाला जाता है, तो क्वांटम वेल्स से इलेक्ट्रॉनों के हनी को संतुलित करने के लिए विपरीत (उत्सर्जक) संपर्क से अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन इंजेक्ट किया जाता है। सामान्यतः कैप्चर प्रायिकता $$p_{c}\leq1$$ होती है, इसलिए इंजेक्ट किया गया इलेक्ट्रॉन कभी-कभी क्वांटम वेल्स के ऊपर से विपरीत संपर्क में जा सकता है। उस स्थिति में, चार्ज को संतुलित करने के लिए उत्सर्जक संपर्क से एक और इलेक्ट्रॉन इंजेक्ट किया जाता है, और फिर से वेल्स की ओर जाता है जहां यह कैप्चर हो भी सकता है और नहीं भी, और इसी तरह, जब तक कि अंततः इलेक्ट्रॉन वेल्स में कैप्चर नहीं हो जाता है। इस तरह, $$g_{ph}$$ 1 से बड़ा हो सकता है। $$g_{ph}$$ का स्पष्ट मान कैप्चर प्रायिकता $$p_{c}$$ और एस्केप प्रायिकता  $$p_{e}$$ के अनुपात से निर्धारित होता है

$$g_{ph}=\frac{p_{e}}{N\, p_{c}}$$

जहाँ $$N$$ क्वांटम वेल की संख्या है। क्वांटम वेल की संख्या केवल डिनोमिनेटर में दिखाई देती है, क्योंकि इससे कैप्चर संभावना $$p_{c}$$ बढ़ जाती है, किन्तु एस्केप की संभावना $$p_{e}$$ नहीं होती है

बाहरी संबंध

 * NASA क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर research
 * Corrogated क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर for megapixel sensors (Twenty-Seventh Army Science Conference)