導入
QWIP (量子井戸赤外線光検出器: フランス語: 「量子井戸赤外線光検出器」 ) は赤外線検出器です。 2007 年にカバーされる波長範囲は 3 μm から 30 μm 以上まで広がります。このタイプの検出器は、温度がゼロではない物体から放出される熱放射に敏感です (マックス プランクによって導入された黒体放射の法則による)。
導入
QWIPは量子検出器です。入射放射線の吸収は電子遷移を介して発生します。この遷移は、量子井戸の基本準位と最初の励起準位の間で起こります。閉じ込めレベルが 1 つだけ存在する場合、基本レベルと非局在化状態の連続体の間で遷移が発生します。
電磁放射と電子の間の相互作用を支配する選択規則は、このコンポーネントの 2 つの非常に重要な特性につながります。
- 吸収は共鳴です。検出器は狭い波長帯域で吸収します。その吸収は、最大値の位置と半分の高さの幅によって特徴付けられるピークの形になります。 9 μm を中心とするピークの場合、ピークの半値幅は 1 μm に近くなります。
- 法線入射で到達する放射線の吸収は低いです (無限表面検出器では理論的にはゼロです)。したがって、各検出素子（ピクセル）に光結合構造、例えば反射で動作する回折格子を設ける必要がある。
QWIP は冷却された検出器です。実際、関与する電子遷移はフォノン、つまり結晶格子の振動によって励起されることもあります。これらの振動を軽減するには、検出器を冷却する必要があります。動作温度は波長によって異なります。 9 µm で検出する QWIP の場合、今日の動作温度は 77 K (-196 °C、液体窒素温度) を超えています。
QWIP は単極検出器です。電流は電子のみによるものです。これは、フォトダイオード (pn 接合) を利用する他の検出技術と比較した大きな違いです。フォトダイオードでは、入射光子が半導体の価電子帯から伝導帯まで電子を励起します。電流は電子と正孔の両方によって運ばれます。したがって、フォトダイオードはバイポーラコンポーネントです。
QWIPテクノロジーは、III-V 族半導体である GaAs およびその合金 (AlGaAs、InGaAs) の産業分野を活用しています。 QWIP は、マイクロエレクトロニクス(携帯電話など) およびオプトエレクトロニクス (光ファイバー通信) アプリケーション向けに開発されたこのデュアル テクノロジーの利点をすべて活用できます。
- 大型基板の利用可能性。現在の GaAs ウェーハの直径は 6 インチ (15 cm) に達しています。比較すると、メルカテルに使用される基板 (HgCdTe、赤外線検出用標準物質) は直径5 cm を超えません。大きな基板が利用できるため、大きな検出器アレイの製造を行うことが可能になります。
- 材料の均一性と再現性に優れています。この点は、マトリックス形式の検出器にとって、またコストを削減した生産活動にとって非常に重要です。
- 非常に低い不良率。検出器マトリックスでは、各ピクセルが重要です。欠陥画素の総数とクラスター（欠陥画素の集合体）の数をできる限り減らすことが重要です。現在の最新技術では、640×512 形式のマトリックスでは数十個の使用できないピクセルが存在します (つまり、動作率は 99.97% を超えています)。
- 非常に高い製造歩留まり。大きなウェーハが利用できるため、数十個のダイを並行して製造することが可能になります。欠陥数が少ないため、比較的控えめな技術的手段で、90% 近い製造歩留まりを達成することが可能です。
- 画像の優れた時間安定性。 QWIP 検出器は、無視できる低周波ノイズ(1/f ノイズとして知られる) を特徴としています。他の赤外線イメージング技術とは異なり、定期的に画像補正を行う必要はありません。これにより、エンドユーザーにとって実装しやすいシステムの設計が可能になります。
QWIP は、高解像度と高感度を必要とする高速 (1 秒あたり 50 画像以上)、長距離 (数キロメートル) のイメージング アプリケーションに特に適しています。以下は、考えられるアプリケーションの完全なリストではありません。
- あらゆる天候（夜間、霧）での遠隔監視。いくつかの例: 沿岸監視、石油パイプライン監視。
- 悪天候（霧）での航空機の着陸支援。
- 医療用途:乳がんの検出、デリケートな外科手術中の視覚補助など。
- 危険な製品（爆発物、有毒ガス）の遠隔探知。
- 気象衛星;
- 宇宙イメージングと分光法（天文学）。
- 軍事用途: 戦車の照準器、車両の車載カメラ、ポータブル双眼鏡、埋設地雷の探知など。
従来の熱画像処理に加えて、特定のスペクトル帯域における QWIP は、第 3 世代と呼ばれる他のアプリケーションへの道を開きます。
- 高解像度イメージング (高解像度フォーマット、1280×1024 ピクセル)。
- マルチスペクトルイメージング。 QWIP は共鳴吸収のおかげで、同じピクセル内の複数の波長を検出することができます。現在までに、 3 ～ 5 μm / 8 ～ 10 μm および 8 ～ 10 μm / 10 ～ 12 μm 帯域の実証が行われています。マルチスペクトル イメージャは、物体の絶対温度や化学組成にアクセスできます。
- 偏光イメージング。偏光イメージャは、一方では放射線の強度を感知し、他方ではこの放射線の偏光を感知します。 QWIP は現在、検出器アレイと偏光子アレイのモノリシック統合を可能にする世界で唯一の技術です。偏光子の役割を果たすのは、光結合構造 (例: 1D ラメラネットワーク) です。このような熱画像装置により、たとえば、あらゆる環境にある製造物体を検出できるようになります。
フランスでは、QWIP は主にTHALES社 (旧トムソン社) の研究所によって推進されています。研究、開発、生産は、Alcatel-Thales III-V Lab Economy Interest Group (EIG) によって行われます。 QWIP に基づく赤外線カメラは、フランスの Thales と Cedip によって製造されています。 Sofradir は、フランス国内外の赤外線分野におけるもう 1 つの重要なプレーヤーです。
量子井戸検出器は、米国、ドイツ、スウェーデン、イスラエル、カナダ、オーストラリアで世界中で研究および製造されています。 III-V 技術の利用しやすさ (大学の研究室で研究が可能) のおかげで、ますます多くの国がそれに興味を持っています (トルコ、インド、韓国)。
