Development of quantum well structures for multi band photon detection

2013/2014La ricerca qui presentata è incentrata sullo sviluppo di tecnologie innovative per la produzione di rivelatori di posizione di fasci fotonici veloci (pBPM) per applicazioni in luce di sincrotrone (SR) e laser a elettroni liberi (FEL). Nel nostro lavoro abbiamo proposto un rilevatore in-situche ha dimostrato velocità di risposta ed omogeneità sia per scopi di diagnostica che di calibrazione. I dispositivi sono basati su pozzi quantici (QW) dimateriali semiconduttori InGaAs / InAlAs,che offrono diversi vantaggi grazie alla loro gap di banda diretta e a bassa energia, e all’alta mobilità elettronica a temperatura ambiente. I QW metamorfici diIn0.75Ga0.25As/In0.75Al0.25As contenenti un gas di elettroni bidimensionali (2DEG) sono staticresciuti tramite epitassia a faci molecolari (MBE). Tali materiali presentano alcune differenze notevoli rispetto al diamante, che è il materiale utilizzato per i rivelatori commerciali allo stato dell’arte. Innanzitutto, i costi di produzione e di fabbricazione sono molto più bassi. Poi, il coefficiente di assorbimento è molto superiore al diamante su una vasta gamma di energie di raggi X, il che li rende ampiamente complementari in possibili applicazioni. Inoltre, utilizzando semiconduttori composti si possono fabbricare dispositivi con diverse combinazioni di materiali per la barriera ed il QW;ciòha permesso di ridurre la gap di energia fino a 0.6 eV. La disponibilità e la ripetibilità di fabbricazione dei dispositivi è migliore rispetto a quelle del diamante. Quattro configurazioni di dispositivi a QW pixelati sono stati testati con diverse fonti di luce, come radiazione di sincrotrone, tubo a raggi X convenzionali e laser ultra veloce nel vicinoUV. In questa tesi, dopo aver introdotto i dispositivi a QW per utilizzo comepBPM, saranno riportati e discussii risultati più importanti ottenuti. Tali risultati indicano che questi rivelatori rispondono con tempi di 100-ps a impulsi laser ultraveloci, cioè un fattore 6 più velocirispetto a rivelatori a semiconduttori commerciali allo stato dell’arte. La precisione raggiunta nella stima della posizione del fascio fotonico è di 800nm, da confrontare con i 150nm di rivelatori a diamante commerciali. Inoltre, i nostri rivelatori di fotoni a QW lavorano a tensioni molto inferiori rispetto aipBPMs esistenti.Infine, test con raggi X da radiazione di sincrotrone mostrano come questi dispositivi presentano elevate efficienze di raccolta di carica, che possono essere imputabili all'effetto di moltiplicazione di carica del gas di elettroni 2D all'interno del pozzo. Tutti questi vantaggi rispetto ai rivelatori esistenti basati sul diamante, rendono i nostri dispositivi potenzialmente molto attrattivi come alternativa a quelli commerciali.XXVII Ciclo198

Fast, multi-band photon detectors based on quantum well devices for beam-monitoring in new generation light sources

In order to monitor the photon-beam position for both diagnostics and calibration purposes, we have investigated the possibility to use InGaAs/InAlAs Quantum Well (QW) devices as position-sensitive photon detectors for Free-Electron Laser (FEL) or Synchrotron Radiation (SR). Owing to their direct, low-energy band gap and high electron mobility, such QW devices may be used also at Room Temperature (RT) as fast multi-band sensors for photons ranging from visible light to hard X-rays. Moreover, internal charge-amplification mechanism can be applied for very low signal levels, while the high carrier mobility allows the design of very fast photon detectors with sub-nanosecond response times. Segmented QW sensors have been preliminary tested with 100-fs-wide 400 nm laser pulses and X-ray SR. The reported results indicate that these devices respond with 100 ps rise-times to such ultra-fast laser pulses. Besides, linear scan on the back-pixelated device has shown that these detectors are sensitive to the position of each ultrashort beam bunch