ABSTRACTENSEMBLE MONTE CARLO SIMULATION OFQUANTUM WELL INFRARED PHOTODETECTORS, ANDInP BASED LONG WAVELENGTH QUANTUM WELLINFRARED PHOTODETECTORS FOR THERMAL IMAGINGCellek, Oray OrkunPh.D., Department of Electrical and Electronics EngineeringSupervisor : Prof. Dr. Cengiz BEŞ KCSeptember 2006, 201 pagesQuantum well infrared photodetectors (QWIP) utilize quantum wells of largebandgap materials to detect infrared radiation. When compared to conventionallow bandgap LWIR photodetectors, the QWIP technology offers largest formatthermal imagers with much better uniformity.The theoretical part of this study includes the development of a QWIP ensembleMonte Carlo simulator. Capture paths of electrons to quantum wells are simulatedin detail. For standard AlGaAs/GaAs QWIPs, at medium and high E-fields Lvalley quantum well (QW) is a trap for electrons which causes higher captureprobability when compared with InP/InGaAs and GaAs/InGaAs QWIPs. Theresults suggest that high photoconductive gain observed in InP/InGaAs andGaAs/InGaAs QWIPs is not due to good transport properties of binary barriermaterial but due to higher Î-L valley energy separation.The experimental part of the study includes the fabrication and characterization ofInP/InGaAs and InP/InGaAsP QWIPs and 640x512 FPAs with the main objectiveof investigating the feasibility of these material systems for QWIPs. TheInP/InGaAs and InP/InGaAsP QWIP detectors showed specific detectivity valuesabove 1x1010 cm.Hz1/2/W (70K, f/2, background limited). The devices offer higherallowable system noise floor when compared with the standard AlGaAs/GaAsQWIP technology. It is also experimentally shown that for strategic applicationsLWIR InP based QWIPs have advantages over the standard QWIP technology.The InP/InGaAs 640x512 QWIP FPA reached 36 mK average NETD value at 70K with f/1.5 optics and 10 ms integration time. The InP/InGaAsP QWIP on theother hand yielded 38 mK NETD histogram peak at 70 K with f/1.5 optics and 5ms integration time on 320x256 window of the 640x512 FPA.Keywords: Infrared photodetectors, QWIP, focal plane array.

ÖZKUANTUM KUYULU KIZILÖTES FOTODEDEKTÖRLER NTOPLU MONTE CARLO S MÜLASYONU, VETERMAL GÖRÜNTÜLEME Ç N InP TABANLI UZUNDALGABOYU KUANTUM KUYULUKIZILÖTES FOTODEDEKTÖRLERCellek, Oray OrkunDoktora, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği BölümüTez Yöneticisi : Prof. Dr. Cengiz BEŞ KCEylül 2006, 201 sayfaKuantum kuyulu kızılötesi fotodedektörler (KKKF) kızılötesi ışınımı algılamakiçin büyük bant aralıklı malzemeler ile kurulan kuantum kuyularını kullanırlar.Geleneksel düşük bant aralıklı uzun dalgaboyu kızılötesi fotodedektörmalzemeleriyle karşılaştırıldıklarında, KKKF teknolojisi daha iyi düzgünlükle enyüksek formatta termal görüntüleyicilere imkân sağlamaktadırlar.Bu doktora çalışmasının teorik kısmı bir KKKF toplu Monte Carlo simülatörügeliştirilmesini kapsamaktadır. Elektronların kuantum kuyularına yakalanmayolları detaylı olarak simule edilmiştir. Standart AlGaAs/GaAs KKKF'lerde ortave yüksek elektrik alan şiddetinde L vadisi kuantum kuyusu elektronlar için tuzakoluşturmaktadır, ve InP/InGaAs ile GaAs/InGaAs KKKF'dekiler ilekarşılaştırıldığında daha yüksek yakalanma olasılığına neden olmaktadır. Eldeedilen sonuçlara göre InP/InGaAs ve GaAs/InGaAs KKKF'lerde gözlenen yüksekfotoiletim kazancı, ikili bariyer malzemesinin iyi iletim özelliklerinden dolayıdeğil Î-L vadileri enerji farkının yüksek olması nedenlidir.Çalışmanın deneysel kısmı InP/InGaAs ve InP/InGaAsP KKKF'ler ve 640x512formatında odak düzlemi matrislerinin (ODM) üretim ve karakterizasyonunukapsamaktadır. Bu çalışmada ana amaç bu malzeme sistemlerinin KKKF'ler içinuygunluğunun araştırılmasıdır. InP/InGaAs ve InP/InGaAsP fotodedektörler1x1010 cm.Hz1/2/W (70 K, f/2, arkaplan sınırlı) mertebesinde öz dedektivitegöstermişlerdir. Bu aygıtlar standart AlGaAs/GaAs KKKF teknolojisi ilekarşılaştırıldıklarında daha yüksek sistem gürültüsü tabanına izinverebilmektedirler. Ayrıca stratejik uygulamalar için InP tabanlı uzun dalgaboyukızılötesi KKKF'lerin standart KKKF teknolojisine göre avantajları olduğugösterildi. 640x512 InP/InGaAs KKKF ODM 70 K sıcaklıkta f/1.5 optik ve 10 msbiriktirme süresi ile 36 mK ortalama gürültü eşdeğer sıcaklık farkı (GESF)değerine ulaştı. InP/InGaAsP KKKF ise 640x512 ODM'nin 320x256 penceresiiçinde 70 K sıcaklıkta f/1.5 optik ve 5 ms biriktirme süresi ile 38 mK GESFhistogram tepesi değerini verdi.Anahtar Kelimeler: Kızılötesi fotodedektörler, KKKF, odak düzlemi matrisi.