Analyse der Rauschmechanismen von Photodetektoren aus InAs/GaSb Übergittern für den infraroten Spektralbereich

Die Detektion von CO2 und damit die Veranschaulichung von Emissionsvorgängen wird durch bildgebende Technologien für den infraroten Spektralbereich ermöglicht, da sich spezifische Absorptionscharakteristika des CO2 in diesem Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums befinden. Dafür geeignete Kamerasysteme bestehen aus den in dieser Arbeit untersuchten Detektorelementen. Die Detektorelemente basieren auf dem Materialsystem InAs/GaSb-Übergitter, welches, bedingt durch die zusätzlich zur Kristallstruktur bestehenden Periodizität, eine künstlich geschaffene, variabel einstellbare Bandlückenenergie aufweist. Das Rauschverhalten des Dunkelstroms dieses auf Quantisierungseffekten beruhenden Materialsystems ist noch weitgehend unerforscht, weshalb die Analyse der Detektoren aus InAs/GaSb Übergittern in erster Linie darauf abzielt, ein physikalisches Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen des Eigenrauschens zu entwickeln. Das Rauschen eines Detektors beschreibt die natürlichen Fluktuationen des Stroms, der durch den Detektor fließt. Daher wird das Rauschen in Abhängigkeit von der Frequenz und als Funktion des Dunkelstroms untersucht. Das von Avalanchedioden bekannte Modell des Verstärkungsrauschens lässt sich auf das experimentell gefundene Eigenrauschen der InAs/GaSb Übergitterdetektoren applizieren. Dies beinhaltet die Annahme, dass durch Materialdefekte getragene Verstärkungen an lokalen Felderhöhungen zum zusätzlich zum Schrotrauschen beobachteten Rauschen führen. Des Weiteren wurde ein auf dem Quanten-1/f-Rauschen basierendes Modell zur Beschreibung des 1/f-Rauschens eingeführt. Detektormatrizen von Kamerasystemen für den infraroten Spektralbereich bestehen typischerweise aus mehr als 105 einzelnen Detektorelementen. Um die Qualität des Materials und dessen flächige Homogenität abschätzen zu können, muss eine geeignete Stichprobengröße an Detektoren charakterisiert werden. Daher wurde eine Methodik entwickelt, welche die statistische Analyse einer großen Anzahl an Detektorelementen bezüglich des Dunkelstroms und der Responsivität erlaubt. Durch die Verknüpfung der experimentell gefundenen Beschreibung des Eigenrauschens von InAs/GaSb-Übergitterdetektoren mit der entwickelten Methodik zu deren statistischer Analyse, lässt sich eine Prognose über die zu erreichende Materialqualität der InAs/GaSb-Übergitter und deren Verwendbarkeit für Kamerasysteme abgeben.