Interband cascade infrared photodetectors (ICIPs) are an emerging new class of photovoltaic mid-infrared detectors. They are based on optical interband transitions combined with fast carrier transport through an InAs/GaSb type-II superlattice (T2SL) absorber. The electrical and optical properties of the devices depend on their structure design, which can change in number of cascade stages, absorber thickness, doping as well as in an current-matched absorbers design. ICIPs feature a broad spectral bandwidth and high sensitivity, and are ideally suited for high-speed operations at room temperature. The focus of this thesis lies in the investigation of these interband cascade devices. A comparison between other well-performing mid-infrared detectors as the mercury cadmium telluride detector (MCT), quantum well infrared photodetector (QWIP), quantum cascade detector (QCD) and the ICIP is shown. However, the majority of the mid-infrared photodetectors research has been concentrated on how to improve quantum efficiency and decrease dark current in order to improve the detectivity (D*). Thehigh-speed characteristics, as the 3-dB bandwidth performance of ICIPs are not yetfully studied. In this work, these characteristics are investigated and their limitationsare analyzed. An optimized structure for the devices is elaborated and realized, reaching a 3-dB bandwidth of 1.95 GHz for an ICIP with 20 μm diameter operating under 5 V applied bias at room temperature. Finally, two high-speed applications are presented, such as free space optical communication and frequency comb spectroscopy, in which these fully-packaged ICIPs are implemented.
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Interbandkaskaden-Infrarot-Photodetektoren (ICIPs) sind eine neue Klasse von photovoltaischen Detektoren im mittleren Infrarot Bereich. Ihr Funktionsprinzip basiert auf optischen Interbandübergangen in Kombination mit einem schnellen Ladungsträgertransport durch ein InAs/GaSb-Typ-II-Übergitterabsorber. Die elektrischen und optischen Eigenschaften des Bauelementes hängt vom Design der Struktur ab. Dabei beeinflussen die Anzahl der Kaskadenstufen, die Absorberdicke und die Dotierung sowie die Stromanpassung des Absorber das Verhalten des Detektors maßgeblich. ICIPs haben eine große spektrale Bandbreite sowie eine hohe Empfindlichkeit und sind deshalb ideal für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb bei Raumtemperatur geeignet. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der Untersuchung dieser Interbandkaskaden Baudelemente. Dafür wird ein Vergleich zwischen anderen leistungsstarken Detektoren für das mittlere Infrarot wie zum Beispiel dem Quecksilber-Cadmium-Tellurid Detektor, dem Quantentopf-Infrarot-Photodetektor, dem Quantenkaskadendetektor mit dem ICIP präsentiert. Ein Großteil der Forschungsarbeit im Bereich der Photodetektoren konzentrierte sich bisher auf die Verbesserung der Quanteneffizienz und die Verringerung des Dunkelstroms um die Detektivität (D*) zu erhöhen. Die Hochgeschwindigkeitscharakteristika wie die 3-dB Bandbreite wurden bis jetzt noch nicht ausreichend erforscht. In dieser Arbeit wird gerade diese Eigenschaft untersucht und ihre Limitierungen analysiert. Eine optimierte Struktur für die ICIPs wird ausgearbeitet und realisiert. Dabei erreicht ein Bauelement mit 20 μm Durchmesser und unter einer Vorspannung von 5 V eine 3-dB-Bandbreite von 1.95 GHz bei Raumtemperatur. Schlussendlich werden zwei aktuelle Hochgeschwindigkeitsanwendungen vorgestellt, in denen diese Detektoren bereits eingestzt wurden.
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
