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量子井戸赤外線検出器の秘密兵器：なぜ目に見えない赤外線を検出できるのか？
量子井戸赤外線検出器 (QWIP) は、量子井戸内の電子のバンド間移動を利用して光子を吸収する赤外線検出器です。赤外線検出を機能させるには、量子井戸のパラメータを調整して、第 1 量子状態と第 2 量子状態の間のエネルギー差が、入射する赤外線光子のエネルギーと正確に一致するようにします。 QWIP は通常、スマートフォンや高速通信機器に広く使用されている材料であるガリウムヒ素から作られています。量子井戸の材料と設計に応じて、QWIP のエネルギー レベルを調整して 3 ～ 20 ミクロンの赤外線を吸収することができます。 QWIP は、中波および長波赤外線の検出に使用できるいくつかの単純な量子力学デバイス構造の 1 つであり、安定性、高いピクセル均一性、および高いピクセル操作性で知られています。
歴史
1985 年、Stephen Eglash と Lawrence West は多重量子井戸 (MQW) における強力なバンド間移動を観測し、それが量子井戸の開発につながりました。赤外線検出についてさらに詳しく考察します。自由吸収に基づく赤外線検出のこれまでの試みでは、光子エネルギーを効果的に検出することができず、検出器の感度が不十分でした。しかし、1987 年までに量子井戸赤外線検出器の基本的な動作原理が確立され、赤外線における高感度検出能力が示されました。その後、1990 年に、バリアの厚さを増やすことで低温感度をさらに向上させる技術が使用されました。これらのデバイスは正式には量子井戸赤外線検出器として知られています。 1991年に、この技術を使用して初めて赤外線画像が取得されました。2002 年、米国陸軍研究所の研究者らは、遠隔温度検知のための効率的な波長切り替えを可能にする、電圧調整可能な 2 色 QWIP を開発しました。
この機器は、正バイアスで 10 ケルビンで 7.5 ミクロンの検出波長を表示し、より負のバイアスでは 8.8 ミクロンに切り替わります。しかし、QWIP 技術は民間用途ではユーザーに好まれているものの、軍事ニーズを満たす能力が不十分であるため、米軍からは冷遇されてきました。当時、検出器は光が材料層に平行なとき、つまり光が検出器の端に当たったときにのみ 1 次元の量子化を感知できました。したがって、QWIP 技術の量子効率はわずか 5% です。
この問題に対処するため、陸軍研究所は 2008 年に曲線量子赤外線プローブ (C-QWIP) を開発しました。これは、小さな鏡を使用して赤外線を量子井戸領域に導く効率を高めます。
C-QWIP の 45 度傾斜した検出器側壁により、光が効果的に跳ね返り、材料層内で平行に反射して電気信号が生成されます。 ARL と L-3 Communications Cincinnati Electronics が実施したテストでは、C-QWIP の帯域幅が 3 ミクロンを超え、当時の商用 QWIP の 5 倍であることが示されました。 C-QWIP はガリウムヒ素から製造できるため、陸軍ヘリコプター用の従来の赤外線検出器に比べてコスト効率に優れ、解像度を犠牲にすることなく調整やメンテナンスの必要性が軽減されます。
機能
赤外線検出器は通常、物体から放出される放射線を検出することで機能します。放射線の強度は、物体の温度、距離、サイズなどの要因によって異なります。ほとんどの赤外線光検出器とは異なり、QWIP は単一のエネルギー バンド内での光移動に基づいているため、検出材料のバンドギャップに依存しません。したがって、QWIP は、これまでよりも低いエネルギーで放射する物体を検出するために使用できます。
QWIP の基本構造は、バリア層によって分離された量子井戸で構成され、量子井戸は閉じ込められた状態と、バリアの上部に揃った最初の励起状態を持つように設計されています。
これらの量子井戸の主な特徴は、注入された電子による基底状態が満たされ、量子トンネル効果を防ぐのに十分な幅があることです。典型的な QWIP は 20 ～ 50 個の量子井戸で構成されます。バイアスが適用される場合、伝導帯全体が傾き、光がない場合、電子は基底状態で静止したままになります。 QWIP にバンド間移動エネルギーと同じかそれ以上のエネルギーの光を照射すると、電子が励起されて連続状態に逃げることができ、それが光電流として計算されます。光電流を外部で測定するには、量子井戸内の電子を抽出するために電界を印加する必要があります。
光電流の効率はいくつかのパラメータによって影響を受けます。検出器が光子束 φ で照射されていると大まかに仮定すると、光電流 I_{ph} = e \cdot φ \cdot η \cdot g_{ph} となり、ここで e は基本電荷、 η は吸収効率、 g_{ph} は光伝導ゲインです。
最初は合理的ではないと思われるかもしれませんが、光伝導ゲイン
g_{ph}は 1 より大きくなる可能性があります。電子が励起され光電流として抽出されるたびに、反対側（エミッタ）接合から別の電子が注入され、損失が相殺されるからです。
この可能性により、量子井戸赤外線検出器は、アプリケーションにおいてより高い光電流感度と有効性を実現できるようになります。結局のところ、QWIP 技術の安定性と幅広い応用の見通しにより、将来的にはさまざまな研究や実用化において無限の可能性を秘めています。科学者たちは、テクノロジーに対する需要が高まる中で、どんな新しいブレークスルーが発見されるのを待っているのだろうかと疑問に思わずにはいられません。
