A Detailed investigation of bound to quasibound quantum well infrared photodetectors: An advanced Monte Carlo study

Abstract

oz BAĞLIDAN BAĞLIMSIYA KUANTUM KUYULU KIZILÖTESİ DEDEKTÖRLERÎN DETAYLI İNCELENMESİ : İLERİ BİR MONTE CARLO ÇALIŞMASI Öncü, Emre Yüksek Lisans, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Cengiz Beşikçi Temmuz 2001, 80 sayfa Kuantum kuyulu kızılötesi dedektörler (QWIPs) büyük ilgi görmektedir. QWIP, kuantum mekaniği kavramları üzerine çalışan çok kuantum kuyulu hetorojen bir yapıdır. QWIP operasyonu ve karakteristikleri henüz tam olarak anlaşılamamıştır. Günümüzde QWIPler üzerine geliştirilmiş olan modeller limitlidir. Bu çalışmada, QWIPler için yüksek doğrulukta ve detaylı bir ensemble Monte Carlo simulasyon programı geliştirilmiştir. Bütün baskın 2D ve 3D saçılma mekanizmaları ve kuantalaşma etkileri eklenmiştir. Yakalanma ve fotouyarılma, saçılma mekanizması olarak simüle edilmiştir. 2D saçılma oranları Schröndinger ve Poisson denklemlerinin çözümleri ile bulunan gerçek dalga fonksiyonları kullanılarak hesaplanmıştır.Sonuçlar göstermişdir ki standart 10 um AlGaAs/GaAs QWIP yapıları için 77K sıcaklıkta «2.5x1 01 ' cmHz1/2W_1 dedektiviteye teorik olarak ulaşılabilir. Elde edilen elektron hız profili tüm aygıt boyunca hız atlamaları olduğunu göstermiştir. Bu gözlem QWIPlerin aygıt performanslarının doğru tahmin edilmesi için durağan olmayan bir iletim modeline ihtiyaç duyulduğunu göstermektedir. Eğimleme gerilimi 2.5V un üzerine çıktığında ekstra eğimleme geriliminin büyük kısmı kollektör bölgesi civarına düşmektedir. Bu bölgede elektron birikmesi olmakla birlikte, yüksek elektrik alanı, akımın eğimleme geriliminden bağımsız kılacak şekilde elektron hızım düşürmektedir. Ayrıca simülasyonlar sonucu karanlık akımının 1.2x1 018 den 2x1 017 cm`3 ye değişen katkılama yoğunluğu karşılığında yaklaşık 4 kat düştüğü gözlemlenmiştir. Bununla birlikte bu katkı değişimi duyarlılığı yaklaşık 6 kat ve dedektiviteyi yaklaşık olarak 3 kat azaltmaktadır. Anahtar Kelimeler: Aygıt Modellemesi, Monte Carlo, Kızıl Ötesi Dedektörler, QWIP. VI

ABSTRACT A DETAILED INVESTIGATION OF BOUND TO QUASIBOUND QUANTUM WELL INFRARED PHOTODETECTORS : AN ADVANCED MONTE CARLO STUDY Öncü, Emre M.Sc, Department of Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Cengiz Beşikçi July 2001, 80 pages Quantum well infrared photo detectors (QWIPs) have been receiving significant attention. QWIP is a multiquantum well heterostructure whose operation is based on quantum mechanical concepts. The details of the QWIP operation and characteristics have not been fully understood yet. Recent modeling studies on QWIPs were limited. In this study, an accurate and detailed ensemble Monte Carlo simulation program has been developed for the QWIPs. We included all the dominant 3D and 2D scattering mechanisms as well as the quantization effects. Capture and photoexcitation are simulated as scattering events. The 2D scattering rates are calculated by using the exact wavefunctions The results show that a detectivity as high as «2.5x1 011 cmHz1/2W_1 can theoretically be achieved with the standard 10 um AlGaAs/GaAs QWIP structure at m77 K. The obtained electron velocity profile shows that the velocity overshoot occurs through almost the entire device suggesting that the QWIP needs a nonstationary transport model for accurate prediction of the device performance. It is observed that most of the extra bias voltage drops around the collector region when the bias voltage is increased above 2.5 V. While electron accumulation takes place in this region, the high electric field strength lowers the electron velocity keeping the current almost independent of bias. Simulations also show that the dark current can be reduced by a factor of around 4 when the well doping is changed from 1.2xl018 to 2x1 017 cm`3. However, this also results in decrease in the responsivity and detectivity by a factor of 6 and 3, respectively. Keywords: Device Modeling, Monte Carlo, Infrared Detectors, QWIP. IV