3
Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
A produção do dispositivo pode ser fragmentada em 3 etapas. Cada uma
dessas etapas pode ser ainda subdividida e serão todas detalhadas neste capítulo.
1) Crescimento epitaxial: deposição das camadas ativas do dispositivo;
2) Processamento do material depositado no formato final do dispositivo;
3) Montagem do dispositivo para captura do sinal elétrico.
Na figura 3.1 temos um esboço do processo de produção do dispositivo.
Figura 3.1 – Fluxograma da produção do dispositivo fotosensor de infravermelho.
Iniciando pela deposição das camadas ativas, passando pelo processamento do
dispositivo e finalizando com a montagem do dispositivo em um sistema de leitura de
dados.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
67
3.1
Crescimento epitaxial
A primeira etapa de produção consiste na deposição dos materiais
responsáveis pela absorção da radiação infravermelha. Como previamente
discutido, nossa amostra será um QWIP para detecção na faixa de 4,1 micra. Com
este objetivo em mente, baseamo-nos na amostra demonstrada em [22] que
consistia em um sistema simples com camadas intercaladas de InGaAs e InAlAs
casadas com InP. O InGaAs faz o papel de poço quântico enquanto o InAlAs faz o
papel de barreira de potencial.
Nesta seção será descrito o processo de crescimento das camadas
semicondutoras por MOVPE e os experimentos para caracterização da deposição.
3.1.1
Deposição por MOVPE
MOVPE é uma técnica de deposição epitaxial utilizada amplamente na
indústria de semicondutores. A sigla denota, em inglês, Epitaxia por
MetalOrgânicos na Fase Vapor (MetalOrganics Vapor Phase Epitaxy). Através de
um controle preciso dos parâmetros presentes no reator de crescimento, como
temperatura e pressão, reações químicas são realizadas de forma a que sejam
depositadas camadas sólidas cristalinas de compostos semicondutores. O
processo, assim como o próprio equipamento em si, também podem ser citados
por outras siglas como MOCVD (MetalOrganics Chemical Vapor Deposition) ou
variações como OMCVD e OMVPE.
Como em qualquer reação química, há a necessidade de reagentes
específicos para que ela ocorra. No caso do MOVPE para produção de
semicondutores da família III-V (ver tabela periódica na figura 3.2), tais reagentes
são de duas famílias de gases: os hidretos metálicos e os metalorgânicos. A
família dos hidretos metálicos abrange os elementos da coluna V da tabela
periódica e constituem-se de um elemento metálico ligado a átomos de
hidrogênio, como por exemplo, a fosfina (PH3) e a arsina (AsH3). Inclui-se
também na família dos hidretos o elemento que fará o papel de dopante n em
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
68
nossas amostras, a silana (SiH4). A família dos metalorgânicos abrage o outro elo
dos semicondutores III-V, com a distinção de que seus elementos metálicos estão
ligados a radicais orgânicos (CxHy), como trimetilíndio ([CH3]3In), trimetilgálio
([CH3]3Ga) e trimetilalumínio ([CH3]3Al).
Figura 3.2 – Tabela periódica com destaque em vermelho para as famílias componentes
dos semicondutores III-V. Destaque em azul para a coluna onde se encontra presente o
silício que será utilizado como dopante n, entrando no lugar dos átomos do grupo III na
rede cristalina.
O outro fator essencial para a ocorrência de uma reação química é a
condição ambiente no qual ela se encontra. Uma esquematização do reator pode
ser visto na figura 3.3. Nela temos presentes todos os reagentes que são utilizados
e a câmara onde se localiza o substrato sobre o qual as camadas são depositadas.
Dentro desta câmara, há um controle de temperatura e de pressão, ambas com alta
precisão para que a reação ocorra sem perturbações.
Uma vantagem do sistema MOVPE com relação a outros métodos de
deposição se dá justamente na pressão necessária para deposição. Ao contrário da
necessidade de vácuos ultra-altos como no caso de sistemas análogos de
deposição como o MBE, o sistema de MOVPE funciona com a câmara evacuada a
pressões entre 50mbar e 100mbar. Esta característica possibilita o uso de uma
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
69
bomba mecânica ao invés de bombas para alto vácuo (turbo moleculares). Em
contrapartida, para que as reações ocorram e o material depositado possua uma
boa cristalinidade, necessita-se de altas temperaturas no interior da câmara, em
torno de 500 até 700°C. Esse fator introduz um aumento considerável no tempo de
crescimento apenas para o aquecimento pré crescimento e o resfriamento pós
crescimento.
No caso específico do dispositivo de interesse, apenas dois compostos
precisam ser estudados: o arseneto de gálio e índio (InGaAs) com dopagem n (Si)
e o arseneto de alumínio e índio (InAlAs) sem dopagem. Ambos depositados
sobre um substrato de fosfeto de índio (InP) semi-isolante (dopagem com Fe) com
orientação cristalina (100). O substrato é um semicondutor cristalino pré-
fabricado que servirá de semente para o crescimento das camadas desejadas.
Veremos que a escolha do substrato por si só limita os compostos semicondutores
que podemos crescer sobre ele.
Figura 3.3 – Esquematização simplificada do funcionamento de um reator de MOVPE
para crescimento de semicondutores da família III-V. Scrubber é o sistema de filtragem
dos gases tóxicos na saida da câmara.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
70
A calibração ocorre individualmente para cada camada do dispositivo final.
Na seção de resultados será apresentado o processo de calibração dessas camadas
individualmente quanto a cristalinidade e composição.
Tomemos como exemplo o material InGaAs para que possamos
compreender como os reagentes gasosos são transformados em compostos sólidos
semicondutores. Na equação abaixo vemos como essa reação ocorre para uma liga
contendo dois reagentes da família dos metalorgânicos para um da família dos
hidretos metálicos.
][3][][][)(][)( 433333 gCHsAsGaIngAsHgCHGaba
bgCHIn
ba
a
ba
b
ba
a
onde [g] indica um composto na forma gasosa e [s] indica um composto na fase
sólida.
Dessa forma, controlando o fluxo de cada um dos gases, podemos variar
continuamente a composição da camada depositada. Para cada proporção de índio
e gálio no semicondutor depositado haverá uma proporção equivalente dos fluxos
de TMGa e TMIn que será utilizado durante a deposição. Uma equação
equivalente vale para o composto de InAlAs.
][3][][][)(][)( 433333 gCHsAsAlIngAsHgCHAldc
cgCHIn
dc
c
dc
c
dc
c
Essa reação ocorre na realidade primeiramente quebrando-se as moléculas
dos gases quando estas entram em contato com a superfície aquecida do substrato.
Apenas a seguir os elementos metálicos (Ga, Al, In ou As) adquirem liberdade
para mover-se sobre a superfície do substrato em busca de um sítio de energia
mínima, correspondente à sua posição na rede cristalina. Essa liberdade de
movimento é dada pela alta temperatura à qual o substrato é submetido. Caso a
temperatura seja muito baixa há um prejuízo na qualidade cristalina do material
devido à menor mobilidade que os átomos possuirão para encontrar um sítio
dentro da estrutura cristalina. Da mesma forma, a baixa pressão dentro da câmara
em conjunto com um fluxo alto e constante de um gás de arraste (no caso,
hidrogênio) elimina os subprodutos de gás metano (CH4), mantendo apenas os
produtos metálicos mais pesados aderidos à superfície do substrato. Impurezas
hidrogenóides ou de carbono decorrentes dos radicais hidretos ou orgânicos
podem ocorrer, e a calibração do sistema é importante também para minimizá-los.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
71
Na figura 3.4 temos uma esquematização da dinâmica dos elementos metálicos
quando adentram o reator e entram em contato com o substrato.
Figura 3.4 – Figura qualitativa sobre o comportamento das moléculas metalorgânicas ou
hidretos quando atingem a região da câmara onde está localizado o substrato. As
moléculas são quebradas devido à alta temperatura do substrato e os radicais hidrogênio
e carbono são expelidos em forma de gás, enquanto os átomos metálicos difundem
sobre a superfície em busca de um sítio de energia mínima.
Devido ao fato de utilizarmos fosfeto de índio como base para estas
amostras, os materiais depositados sobre este substrato não podem ser compostos
por qualquer combinação de índio, gálio e arsênio ou índio, alumínio e arsênio.
Esta combinação há de ser tal que o parâmetro de rede seja idêntico ao do fosfeto
de índio. Isto é necessário pois a camada depositada tende a acompanhar o
parâmetro de rede da base e, caso os parâmetros não casem, cria-se uma tensão no
sentido de relaxar a camada depositada para o seu parâmetro de rede natural.
Tensões no sistema geram maiores probabilidades de surgirem defeitos estruturais
indesejáveis na sua rede cristalina. Na figura 3.5, temos um gráfico clássico em
optoeletrônica com a representação da energia de gap pelo parâmetro de rede de
diversos compostos semicondutores. Este gráfico é importante pois ele indica de
forma condensada quais os limites de atuação que seu dispositivo terá dependendo
do substrato sobre o qual ele será depositado e quais as fontes necessárias para
produzir o dispositivo desejado. Usualmente para o sistema de MOVPE com
substrato de InP e semicondutores III-V, o material de maior energia de gap é o
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
72
InAlAs e o de menor energia de gap é o InGaAs. Para que ambos compostos
estejam casados com o parâmetro de rede do InP, temos uma composição para
InGaAs de 26,6% de índio, 23,4% de gálio e 50% de arsênio. Assim como para
InAlAs temos 26,15% de índio, 23,85% de alumínio e 50% de arsênio.
Os semicondutores da família III-V usualmente são formatados na estrutura
chamada zinc-blende, com proporção 1:1 de átomos do grupo III e átomos do
grupo V. Por essa razão ignoraremos a contribuição de 50% do arsênio e
usaremos a notação de proporção com relação apenas aos materiais do grupo III,
alumínio, índio e gálio. Dessa forma, adotaremos a notação In0.532Ga0.468As e
In0.523Al0.477As para os compostos casados com InP que serão utilizados na
produção do dispositivo. Na figura 3.6, temos uma representação da célula
unitária de um composto III-V com estrutura zinc-blende.
Figura 3.5 – Gráfico de energia de gap em função do parâmetro de rede de
semicondutores III-V. Repare que o InP possui um parâmetro de rede de 5,8688
angstrom [23], e as ligas de InGaAs e InAlAs possuem apenas uma composição possível
que satisfaz esse parâmetro.
Repare que nesta célula unitária, que não necessariamente é a mais
compacta, temos representados 4 átomos de um material A (em preto) e 4 átomos
de um material B (em vinho). De fato, os 4 átomos do material B são facilmente
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
73
reconhecíveis, contudo o cálculo para atingir 4 átomos do material A consiste em
considerarmos alguns pontos:
1) Os átomos dos vértices na realidade são compartilhados pelas células
adjacentes. Para cada vértice temos conectados 8 células distintas. Então cada
vértice contribuirá em teoria como 1/8 de átomo para cada célula. Como temos 8
vértices, temos um equivalente a 1 átomo inteiro.
2) Os átomos das faces igualmente são compartilhados por outras células, mas
neste caso apenas por mais uma célula. Cada átomo de face contribuirá por
conseguinte com ½ de átomo. Como temos 6 faces, então temos o equivalente a 3
átomos inteiros.
Somando ambas contribuições, temos 4 átomos também para o material A
no interior desta célula.
Figura 3.6 – Representação da célula unitária de um composto do tipo zinc-blende.
Trata-se de uma rede denominada cúbica de face centrada (sigla em inglês, FCC) do
material A com o material B inserido a ¼ das 4 diagonais principais do cubo.
No caso dos ternários de InGaAs e InAlAs, o material A (ou B) na realidade
seria composto por átomos de índio e de gálio, na proporção escolhida [24].
Além do controle preciso da composição da liga semicondutora, é
fundamental que tenhamos controle sobre a espessura de cada uma das camadas.
Esse processo é realizado calibrando-se a taxa de deposição, que depende da
temperatura, da pressão e do fluxo total de grupo III.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
74
Como a altas temperaturas de 500/700ºC a superfície do semicondutor
começa a degasar, desprendendo os átomos de fósforo ou arsênio, a liga cristalina
é destruída em sua superfície. Por essa razão uma pressão de arsina ou fosfina
sempre é mantida sobre a amostra durante o crescimento para que esses átomos
degaseificados sejam prontamente substituídos pelos átomos presentes na câmara.
Para isso, um fluxo alto de material do grupo V está constantemente perpassando
sobre a amostra durante todo o tempo em que ela se encontra a temperaturas
acima de 400°C. Enquanto os fluxos de materiais do grupo III não são ativados,
não há reação química e, logo, não há deposição de novas camadas
semicondutoras.
A calibração das porcentagens da composição de cada camada, e a
calibração da taxa de deposição é realizada em amostras produzidas antes do
crescimento do dispositivo multiepitaxial. Cada uma das camadas é depositada
individualmente com espessuras da ordem de 200 a 500 nm de forma a que
possam ser realizadas medidas da sua qualidade cristalina, da taxa de deposição e
da composição. Com isto temos um controle empírico sobre o crescimento, com
os resultados das medições retroalimentando os valores dos parâmetros utilizados
para o crescimento das amostras conseguintes, inclusive do dispositivo final. Nas
subseções seguintes descreveremos as técnicas utilizadas para estes testes de
controle e calibração do crescimento.
3.1.2
Caracterização por difração de raios-X
A medida de difração de raios-X é o mais básico, prático e necessário
experimento durante o processo de calibração do crescimento. Ela nos fornece em
princípio três das informações necessárias sobre a camada depositada: qualidade
cristalina, parâmetro de rede e a espessura. No caso específico dos materiais que
compõem o dispositivo de nosso interesse, essa medida de difração de raios-X é
suficiente inclusive para inferirmos a composição. Observando-se o gráfico da
figura 3.5, temos que só há uma composição válida para InGaAs e InAlAs que
estes estejam com mesmo parâmetro de rede do InP.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
75
Relembrando os conceitos de experimento de difração, podemos partir da
equação formulada por William Lawrence Bragg em 1912, chamada de Lei de
Bragg, que nos indica [25]:
dsenn 2 ; n
Onde é o comprimento de onda do raio-X incidente sobre o cristal.
Nessa equação temos explicitamente uma relação entre a distância
interplanar das camadas atômicas do material analisado (d) e o ângulo com que a
radiação de um dado comprimento de onda será espalhada (). Essa distância nos
fornece diretamente o parâmetro de rede do material. Na figura 3.7 temos uma
esquematização do experimento.
Figura 3.7 – A difração de raios-X de comprimento de onda por uma amostra com
planos interatômicos separados por d.
Com intuito de melhor monocromatizar e colimar o feixe incidente de raios-
X sobre a amostra, um esquema de duplo cristal de GaAs é realizado [26]. Este
sistema proporciona uma alta resolução para o ângulo do feixe difratado e
proporciona um cálculo mais preciso do parâmetro de rede da amostra.
(3.1)
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
76
Figura 3.8 – Experimento de difração de raios-X utilizando-se um cristal de referência
com intuito de estreitar a dispersão em comprimento de onda do feixe emitido pela fonte
de raios-X.
Depositando-se uma camada cristalina qualquer sobre o substrato de InP, o
experimento de difração de raios-X indicará a existência de dois picos mais
intensos sendo espalhados em ângulos distintos: o pico do substrato de InP e o
pico da camada depositada (figura 3.9). Caso a composição do material seja tal
que seu parâmetro de rede coincida com a do InP, teremos um pico único
composto pela superposição da difração do substrato e da camada depositada. A
diferença angular dos dois picos de difração () nos fornece diretamente a
diferença de parâmetro de rede (d) pela equação 3.2. Sendo o parâmetro de rede
do InP conhecido, infere-se diretamente o parâmetro de rede da camada
depositada [27].
cot
d
d
(3.2)
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
77
Figura 3.9 – Exemplo de um experimento de difração de raios-X. Temos a intensidade de
espalhamento do raio-X incidente sobre a amostra em função do ângulo espalhado. O
pico maior normalmente está relacionado com a difração do substrato dado a sua maior
espessura, enquanto que o segundo pico está relacionado com a camada depositada.
Como mencionado anteriormente, os materiais ternários são representados
por linhas no gráfico de energia de gap em função do parâmetro de rede. Caso
possamos garantir que a camada é formada apenas pelos elementos desejados, i.e.,
não há presença de impurezas, a informação do parâmetro de rede da camada já
informa diretamente o percentual de cada um dos elementos da camada. Para um
material de InGaAs com o mesmo parâmetro de rede do InP, só há uma
composição possível: 53,2% de índio e 46,8% de gálio.
Caso possamos garantir também que temos um feixe suficientemente
colimado e monocromático, a resolução do equipamento estará na ordem de
poucos arcosegundos e a largura do pico de difração do raio-x dependerá apenas
da qualidade cristalina da camada. Ou seja, esta largura não se originará de uma
limitação experimental. Essa garantia é feita pelo sistema de duplo cristal
mencionado anteriormente. Dessa forma, uma análise da largura a meia altura
(FWHM) pode ser utilizada como parâmetro mediador da qualidade cristalina da
amostra. Em amostras cujas medidas de difração de raios-X apresentam um
“ombro” muito mais largo em comparação com a largura da difração do substrato
de InP ou GaAs, pode-se considerar que alguma perturbação ocorreu durante o
crescimento que prejudicou a cristalinidade da camada.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
78
Além das informações cristalográficas, podemos retirar do experimento de
difração de raios-X qual a espessura da camada depositada através das franjas que
surgem em torno do pico de difração desta camada (ver figura 3.10). Tais franjas,
chamadas franjas de Pendellosung [26], surgem devido a interferência entre os
feixes difratados pelo substrato e pela camada depositada em ângulos distintos.
Por essa razão as franjas surgem apenas em casos de camadas depositadas com
parâmetro de rede descasado, mesmo que levemente, do parâmetro de rede do
substrato. A relação do espaçamento entre as franjas (P) e da espessura da
amostra (t) pode ser vista na equação 3.3 [26] [28].
)2(.
sent
gP
Onde g = sen, onde é o ângulo entre o feixe difratado e a superfície do
cristal.
Na figura 3.10 temos um exemplo de uma amostra crescida com parâmetro
de rede descasado do substrato e o surgimento das franjas de Pendellosung. Note
que a escala em intensidade é logarítmica, o que indica que essas franjas possuem
intensidades bem inferiores aos picos principais, e por isso necessitam de um
tempo maior de integração para se apresentarem bem definidas.
Figura 3.10 – Exemplo do surgimento das franjas de Pendellosung para uma camada
descasada com o substrato.
(3.3)
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
79
De forma similar, a medida de difração de raios-X pode nos oferecer a
periodicidade de uma heteroestrutura de múltiplos poços quânticos, no caso de um
dispositivo completo. O pico de ordem zero ficará situado na posição da difração
média das camadas componentes do dispositivo. No caso em que todas as
camadas estão casadas com o substrato, o pico de ordem zero estará localizado
sobre o pico de difração do substrato, assim como ocorre com a difração de
camadas individuais. Analisando os picos de ordem superior, podemos estimar a
periodicidade da estrutura () pela equação 3.4 [26].
)(2
)( ji sensenji
Onde i e j representam a ordem das franjas selecionadas.
No caso específico da medida em uma amostra de poços quânticos, teremos
como resultado o período que corresponde à soma do poço e barreira. A
intensidade das franjas varia de acordo com a quantidade de repetições desta
estrutura, e quão mais abrupto for a interface mais franjas serão vistas. Em geral
estes picos de ordem superior estão afastados de centenas de arcosegundos e são
muito pouco intensos. Faz-se necessário um tempo muito grande de integração
para cada ângulo, com medidas com duração de muitas horas.
3.1.3
Caracterização por fotoluminescência
A fotoluminescência é um experimento ótico com a capacidade de fornecer
diretamente qual a diferença de energia entre o mais baixo estado disponível da
camada de condução e o mais alto disponível da camada de valência. No caso das
amostras de calibração compostas de camadas bulk de 200 a 500 nm, esta energia
corresponde exatamente à energia de gap do semicondutor. De forma similar ao
que ocorre com o experimento de difração de raios-X, no caso dos materiais
ternários, a fotoluminescência é suficiente para que as porcentagens dos elementos
constituintes da camada sejam determinadas. Contudo, devido ao fato de existirem
mais parâmetros livres para serem controlados manualmente na montagem de
fotoluminescência a que dispomos, este experimento possui uma resolução
limitada em comparação ao experimento de difração de raios-X que é feita por um
(3.4)
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
80
aparelho dedicado. Para os materiais presentes neste trabalho este experimento foi
utilizado principalmente para confirmação dos resultados obtidos com o
experimento de difração de raios-X.
Figura 3.11 – Explicação gráfica de um experimento de fotoluminescência convencional.
Para materiais chamados quaternários (ex. os que englobam 3 elementos da
coluna III da tabela periódica e 1 elemento da coluna V) este experimento é
complementar ao experimento de difração de raios-X. No caso específico de
materiais casados com substrato de InP (ex. InGaAlAs), não existe apenas uma
composição de elementos com o mesmo parâmetro de rede. Dessa forma, para
situar no gráfico exatamente qual foi o semicondutor quaternário crescido,
necessita-se que tanto a abscissa (parâmetro de rede) quanto a coordenada
(energia de gap) sejam determinadas. O parâmetro de rede é fornecido pelo
experimento de difração de raios-X e a energia de gap é fornecida pelo
experimento de fotoluminescência. Na fórmula abaixo temos todas as
possibilidades de composição de InGaAlAs que possuem o mesmo valor de
parâmetro de rede do substrato de InP.
AsGaInAlIn zz 147.053.048.052.0 ; 10 z (3.5)
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
81
Este experimento também pode ser utilizado em amostras
heteroestruturadas, como poços quânticos. Neste caso, contudo, a energia dos
fótons que é medida corresponde à diferença entre o estado fundamental ligado da
banda de condução e o estado fundamental ligado da banda de valência. Essa
medida traz informações quanto às energias dos estados ligados, e se fizermos
experimentos variando a potência do laser incidente, podemos estudar a dopagem
dentro do poço através da análise da intensidade do pico de emissão da amostra.
Através da esquematização das figuras 3.11 e 3.12, podemos entender o
funcionamento deste experimento. Uma fonte laser incide fótons com energia
muito maior que a energia do gap da amostra alvo. Esses fótons são absorvidos
pelos elétrons da banda de valência e são promovidos para a banda de condução
com alta energia. Através de perdas de energia não radiativas (intraband
scattering, ex. fônons), os elétrons alcançam o fundo da banda de condução. Do
fundo da banda de condução estes elétrons decaem para a banda de valência
radiativamente, emitindo fótons que necessariamente possuem energia equivalente
à diferença de energia entre as 2 bandas eletrônicas. Estes fótons emitidos são
direcionados para um sistema de monocromador acoplado com um detector de
banda larga (germânio) que fornecerá o comprimento de onda desses fótons. A
resolução do experimento varia de acordo com os parâmetros utilizados no
monocromador quanto à abertura do colimador da entrada e saída, além da
limitação quanto ao passo mínimo possível do motor de passo que controla o
ângulo da grade de difração do monocromador.
Figura 3.12 – Representação esquemática do experimento de fotoluminescência
utilizado. O laser, em verde, é modulado e passa por um jogo de espelhos e um jogo de
lentes para que seja focado sobre a amostra. A emissão da amostra, em vermelho,
também passa por um jogo de lentes para ser focada dentro do monocromador.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
82
3.1.4
Caracterização por medida de efeito Hall
O efeito Hall é um fenômeno conhecido desde 1879 quando foi descoberto
por Edwin H. Hall [29]. A experiência consiste na inserção de uma corrente
elétrica em um material em um determinado sentido do plano da amostra e na
medição da diferença de potencial gerada na direção perpendicular, ainda no
plano da amostra, quando sob o efeito de um campo magnético perpendicular ao
plano do material.
Devido a trabalharmos com filmes finos e pela praticidade da preparação
da amostra, realizamos este experimento pelo método desenvolvido por Van der
Pauw em 1958 [30]. Este método consiste na aplicação dos contatos para coleta
dos portadores no contorno da amostra como pode ser visto na figura 3.13.
Quando portadores de carga em deslocamento estão sob ação de um
campo magnético perpendicular ao plano da amostra, estes passam a sentir a
chamada força de Lorentz. Tal força tende a desviá-los de sua rota e passam a
acumulá-los em uma das extremidades perpendicular à sua rota original. Este
acúmulo promove o desbalanço de cargas nesta direção e introduz um campo
elétrico contrário ao movimento dos portadores. Quando esta força gerada pelo
campo elétrico e a força de Lorentz entram em equilíbrio, permanece uma
diferença de potencial chamada de voltagem Hall dada pela equação 3.6.
sH qn
IBV
Para o nosso interesse, convém rearranjarmos a equação como:
Hs qV
IBn
(3.6)
(3.7)
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
83
Figura 3.13 – Representação do experimento de efeito Hall. Nos contatos
diametralmente opostos (1 e 3 ou 2 e 4) introduz-se uma corrente elétrica sob ação do
campo magnético B. Nos 2 contatos restantes mede-se a voltagem Hall resultante.
O módulo do campo magnético B é fixo para o experimento, a carga q é a
carga do elétron incluso um sinal negativo se o portador for elétron ou positivo se
o portador for buraco, a corrente (I) e a voltagem Hall (VH) são obtidos
diretamente do experimento. Este resultado nos dá duas informações importantes.
A primeira é a definição se os portadores são elétrons ou buracos, por conseguinte
se a amostra é dopada n ou dopada p, através do sinal da voltagem Hall. A
segunda é a definição de qual é a densidade de portadores superficial (ns) no filme
depositado. Para adquirir a densidade de portadores volumétrica, necessita-se da
informação quanto à espessura da amostra adquirida pelo experimento de difração
de raios-X.
É com este experimento que se calibram e se definem os parâmetros de
crescimento para que a amostra seja dopada na quantidade requerida. Assim como
a calibração da composição e da taxa de crescimento, o valor de dopagem é obtido
empiricamente do sistema. No caso específico do dispositivo deste trabalho, a
dopagem é restrita ao material InGaAs, tanto nas camadas para contato elétrico
quanto nos poços quânticos localizados na região ativa.
Complementar à medida de efeito Hall, podemos atestar a qualidade da
camada depositada através da aquisição da mobilidade dos portadores. O valor
absoluto da mobilidade depende de diversos fatores com relação à camada
semicondutora e não entraremos nesta questão nesta dissertação. Contudo caso a
mobilidade de uma amostra específica crescida (ex. InGaAs) esteja muito inferior
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
84
aos valores encontrados em amostras iguais de crescimentos prévios ou inferior a
valores encontrados na literatura, podemos inferir que perturbações ocorreram e
produziram uma camada com baixa qualidade cristalina e/ou com impurezas
indesejáveis. Com esta informação também podemos definir se estamos dopando
a camada em excesso a tal ponto que as impurezas propositais estão perturbando a
rede cristalina e prejudicando o deslocamento dos portadores.
Para o cálculo da mobilidade, necessita-se que a resistência superficial seja
adquirida. Adotando as nominações numéricas apresentadas na figura 3.13, a
resistência superficial (RS) é dada resolvendo-se a equação de Van der Pauw:
1// SBSA RRRR ee
1243 / IVRA ; 2314 / IVRA
Com a resistência de superfície calculada, a mobilidade é definida como:
SS Rqn
1
Na prática, a medida consiste em cortar a amostra de calibração em
formato quadrado de acordo com o método de Van der Pauw. Na figura 3.14
temos uma representação das etapas de preparação da amostra para a medida. O
primeiro passo é posicionar a menor quantidade possível de índio-estanho (no
caso de amostras com dopagem n) ou índio-zinco (dopagem p) em cada uma das
quinas do quadrado. Essas ligas são escolhidas de forma a que a junção desses
metais com o respectivo semicondutor (dopado p ou n) formem um contato
ôhmico. Após este passo, aquecemos a amostra até 400°C dentro de um forno
com um gás inerte (no caso, uma mistura de 95% de argônio e 5% de hidrogênio)
para que essa liga metálica difunda um pouco na camada semicondutora. A
amostra, então, está pronta com os 4 contatos elétricos nas quatro quinas para que
as medidas de mobilidade e de concentração de portadores possa ser realizada.
(3.8)
(3.9)
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
85
Figura 3.14 – Passo a passo do processo de preparação da amostra para o experimento
de efeito Hall.
Essa amostra é, então, posicionada dentro de um equipamento dedicado a
medidas de transporte elétrico (um sistema Hall da BIO RAD) que possui 4
pontas de prova (probes) que deverão ser fixadas em ordem sobre os contatos de
In/Sn ou In/Zn. Um imã de 0.3 tesla é utilizado para desviar os portadores no caso
da medida de efeito Hall. Na figura 3.15 temos uma foto e esquematização do
equipamento de medida de efeito Hall.
Figura 3.15 – Foto do equipamento de efeito Hall da BIO RAD.
3.2
Processamento do fotodetector
Depois de ultrapassada a etapa de calibração das camadas que compõem o
dispositivo final, o mesmo é produzido crescendo-se todas as camadas
sucessivamente. A partir deste ponto entramos, então, na etapa de processamento
do dispositivo.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
86
O processamento tem por objetivo habilitar a amostra à coleta da corrente
gerada. Temos uma amostra onde as camadas depositadas cobrem toda a
superfície do substrato. Contudo, o dispositivo é montado de forma a que a
corrente tenha que fluir na direção de crescimento, como na figura 3.16, pois é
nesta direção que temos o perfil de poço quântico que confina o elétron. Logo,
precisamos de alguma forma atingir a primeira camada depositada do dispositivo
para que este funcione como um dos terminais elétricos do dispositivo. Para
conseguir este feito, precisamos corroer parte das camadas depositadas.
Figura 3.16 – Direção de propagação da corrente elétrica gerada pela radiação
infravermelha dentro do dispositivo.
A grade de difração também é obtida por corrosão, mas apenas da superfície
da camada mais exposta. Esse processo requer uma precisão maior do que a
corrosão mencionada no parágrafo anterior dadas às pequenas dimensões
requeridas.
Além disso, para otimizar a coleta dos elétrons, há a necessidade de que os
terminais elétricos não introduzam uma resistência alta que dificulte o transporte
de corrente. A melhor forma de se produzir esse efeito é depositando metais sobre
as camadas semicondutoras dos contatos superior e inferior, garantindo a obtenção
de um contato ôhmico de baixa resistência entre o metal e o semicondutor.
Como último passo do processamento, resta o polimento da região por onde
a radiação incidirá na amostra, de forma a minimizar efeitos de dispersão. Tanto
no caso de uma incidência angulada através de um chanfro quanto na incidência
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
87
traseira no caso da montagem por grade de difração é necessário que se faça o
polimento.
.
3.2.1
Fotolitografia
Como mencionado acima, o processamento busca expor o contato elétrico
que está enterrado embaixo das demais camadas. Para isso precisamos imprimir
um padrão sobre a amostra de forma a termos regiões não corroídas e com o
contato superior exposto, e outras regiões corroídas onde o contato inferior está
exposto.
Uma forma convencional de imprimir um padrão é a fotolitografia. Consiste
basicamente na utilização de uma resina fotosensível (fotoresiste) a ultravioleta
que revestirá a superfície da amostra. Essa resina será sensibilizada apenas em
regiões determinadas através da utilização de uma lâmpada de UV associada a
uma máscara cromada ou de um laser de UV que dispensa o uso da máscara. Ao
sensibilizarmos a resina, ela se tornará mais solúvel em uma solução básica de
KOH nas regiões expostas e portanto temos na amostra algumas regiões com
resina e outras sem. Nas seções seguintes a respeito da corrosão e metalização
estará explícita a importância e a utilização da fotolitografia.
Na figura 3.17 temos uma foto de uma alinhadora de máscaras que tem por
finalidade posicionar uma máscara com padrão de regiões opacas e outras
transparentes por sobre a amostra e expor este conjunto a um banho de UV.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
88
Figura 3.17 – Fotografia da alinhadora de máscaras localizada no LabSem / CETUC /
PUC-Rio.
3.2.2
Corrosão das mesas
A corrosão do material semicondutor pode ser realizada de duas formas: por
corrosão seca (reactive ion etching) ou molhada (com soluções químicas ácidas).
A primeira será utilizada na confecção das grades de difração e será mais
detalhadamente exposta na subseção de interesse. Para a definição da mesa
utilizaremos a corrosão com base em soluções ácidas. Por mesa entende-se a
região não corroída que contém todas as camadas da região ativa do fotodetector e
o contato elétrico superior.
Devido ao fato de termos de corroer camadas com composições químicas
distintas há a necessidade de se buscar uma única solução que as corroam todas,
para não ser preciso variar de solução ácida para cada camada individual. De
preferência utiliza-se uma solução que corroa todas as camadas de forma
controlada quanto à taxa de corrosão. Para isso algumas composições ácidas
foram testadas anteriormente de forma a obtermos uma corrosão homogênea sobre
toda a superfície e com uma taxa de corrosão em torno de 10 nm/s. A solução de
H2SO4[1] / H2O2[8] / H2O[37] a temperatura ambiente apresentou resultados
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
89
satisfatórios e foi a escolhida. Na figura 3.18 podemos ver uma esquematização
do processo de fotolitografia seguida de corrosão por solução ácida.
Figura 3.18 – Esquematização do processo de fotolitografia seguida de corrosão.
Primeiramente é realizado o spin coating do fotoresiste sobre a amostra, o padrão é
impresso e o conjunto é mergulhado na solução ácida pelo tempo estimado.
Como pode ser visto na figura, a corrosão é calibrada e controlada para
atingir a última camada. Esta última camada é o contato inferior dopado n igual à
camada de contato superior. Caso a corrosão não o atinja ou o corroa por inteiro, a
metalização e, consequentemente, o contato elétrico será feito sobre uma camada
não dopada. Neste caso teríamos uma alta resistência de contato entre o metal e o
semicondutor e um grande prejuízo quanto à coleta dos elétrons fotogerados.
Usualmente as soluções utilizadas para corrosão deste tipo de semicondutor
funcionam com um reagente com objetivo de oxidar a camada e um segundo
produto com objetivo de dissolver o óxido formado através de uma reação
química [31]. No nosso caso, o oxidante é o peróxido de hidrogênio (H2O2) e o
produto que reagirá com o óxido é o ácido sulfúrico H2SO4. Ambas estão
misturadas e diluídas em água deionizada.
Encontrar a solução mais apropriada para a taxa de corrosão requerida e a
seletividade da camada corroída requer uma calibração sistemática do tempo de
exposição de uma amostra de teste à solução química. Para garantir que a corrosão
está ocorrendo como esperado, convém constantemente checar a altura corroída
através de um perfilômetro (figura 3.19). Como a faixa de erro permitido é
pequena para o dispositivo final, de 200nm apenas para mais e para menos,
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
90
realizar a corrosão em 3 ou 4 etapas e verificar a altura após cada passo é
aconselhável.
Figura 3.19 – Fotografia do perfilômetro por sonda. E uma figura esquemática do
funcionamento do equipamento que mapeia a topografia da amostra através de uma
sonda fina.
3.2.3
Metalização dos terminais elétricos
O processo de metalização consiste na utilização de uma câmara
evaporadora para depositar metais sobre a amostra. A composição de metais e a
espessura dos mesmos são escolhidas de maneira a formarmos um contato ôhmico
com a camada semicondutora de contato. Na figura 3.20 temos uma
esquematização do processo de litografia seguida de metalização e lift-off com
acetona. Como os contatos são dopados tipo n nos dois terminais, a mesma
composição e espessura de metais é utilizada para ambos.
Após a fotolitografia e antes de posicionar a amostra dentro da evaporadora,
realizam-se 2 etapas para garantir que não haverá resquícios de fotoresina sobre as
regiões onde iremos metalizar. A primeira das etapas é fazer uma limpeza fina na
amostra com plasma de oxigênio, que tem por objetivo retirar qualquer fina
camada de resíduo da fotoresina sobre a superfície do semicondutor que deveria
estar exposta. A segunda etapa consiste na dissolução e remoção de uma suposta
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
91
camada superficial de óxido que possa ter sido formada após o plasma de oxigênio
agir diretamente sobre a superfície do semicondutor. Uma solução de HCl[1] /
H2O[1] é utilizada para este propósito.
Como a metalização tem como objetivo criar uma forma de mais
eficientemente coletar os elétrons que foram fotogerados, não podemos utilizar
qualquer metal. O contato ôhmico desejado depende intrinsecamente das
propriedades do semicondutor e do metal que farão contato entre si.
Figura 3.20 – Esquematização do processo de litografia seguida de metalização. Inicia-
se imprimindo o padrão em resina sobre a amostra já corroída, realiza-se a evaporação
de metal sobre a superfície da amostra e, por fim, retira-se o metal que foi depositado
sobre a fotoresina, mantendo-se apenas o metal que foi depositado diretamente sobre o
semicondutor.
A calibração da metalização requer um experimento um pouco mais
complexo do que no caso da calibração da corrosão. Para verificar se alcançamos
a menor resistência possível com o metal escolhido, uma medida chamada TLM
(Transfer Length Model), apresentada na figura 3.21, é realizada para cada uma
das composições metálicas. Este experimento infere por extrapolação qual a
resistividade do contato entre o metal depositado e o semicondutor. Ao medirmos
a resistência entre dois contatos separados por uma distância conhecida, temos a
contribuição da resistência de contato entre metal e semicondutor de cada pad (r)
e a contribuição da resistência do semicondutor (R) dependente da distância. A
extrapolação da curva de resistência em função da distância dos pads nos fornece
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
92
o valor de 2 vezes a resistência de contato metal-semicondutor (r) [32] dado que
contamos a contribuição de dois pads como mostrado na figura 3.21. A liga
utilizada foi, então, escolhida de acordo com esse critério.
Figura 3.21 – Fotografia de uma amostra feita para teste de TLM. O padrão apresentado
possui 9 pads distanciados de valores conhecidos.
Também é preciso calibrar a espessura de cada metal, que por sua vez está
relacionada à taxa de evaporação de cada metal. Para isso, como na etapa de
corrosão, convém utilizar algumas amostras de teste para expor por um tempo
determinado à evaporação do metal e medir a altura da metalização com o
perfilômetro.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
93
Figura 3.22 – Fotografia da evaporadora com um esquema de funcionamento da
evaporação do metal.
3.2.4
Polimento em ângulo
Para a amostra que se utilizará na geometria de absorção por incidência de
radiação por um chanfro, um polimento angulado na região lateral é necessário
(figura 3.23).
Figura 3.23 – Representação do dispositivo antes do polimento (à esquerda) e após o
polimento à 45° (à direita).
Esse polimento é realizado utilizando-se lixas físicas comerciais para
desbaste e panos especiais recobertos por uma pasta de diamante para o polimento
fino.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
94
A primeira etapa consiste na formação do ângulo de 45° na lateral da
amostra. Uma lixa comercial com grãos de SiC número 600 (grãos finos da ordem
de 16 micra) desbasta a amostra rapidamente mas não produz ranhuras profundas
o suficiente para prejudicar a etapa de polimento seguinte.
A segunda etapa consiste na utilização de pastas de diamante com 3
diferentes granulaturas: 3, 1 e 0,25 micron. Essa pasta de diamante é pingada
sobre um pano especial e embebida em álcool etílico para uma pequena
solubilização.
Ambas as etapas são realizadas manualmente com o apoio de uma politriz
que rotaciona tanto a lixa quanto os panos a 300rpm (figura 3.24). A amostra é
colada em um suporte que expõe a região a ser polida e esse conjunto é
pressionado contra a lixa ou contra o pano. Para evitar que a amostra quebre,
aconselha-se não pressionar demasiadamente principalmente na primeira etapa.
No caso do nosso suporte feito em alumínio e de dimensões muito maiores do que
a amostra, apenas o peso do conjunto é suficiente para alcançar o resultado
esperado. Para homogeinizar o polimento, aconselha-se também que movimentos
circulares sejam realizados variando a posição da amostra com relação à lixa.
Figura 3.24 – Fotografia do experimento com todos os elementos necessários. No
desenho à direita temos uma representação mais simplificada do processo.
Como podemos ver, a radiação irá penetrar na amostra passando pelo
substrato. Por esse motivo é crucial que o substrato utilizado para o crescimento
do dispositivo não seja dopado. Pois com o substrato dopado, dada a sua grande
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
95
espessura, toda a radiação incidente seria absorvida pelos elétrons livres presentes
nele. Por esta razão utilizamos um substrato semi-isolante (dopado com Fe) nos
detectores.
3.2.5
Concepção da grade de difração
Como demonstrado, a grade de difração obedecerá às equações 2.28 e 2.29
reproduzidas abaixo:
nbad
nh
4
1
Dado que o comprimento de onda alvo é 4,1 micra e a camada onde
ocorrerá a difração é o InGaAs que possui índice de refração de 3,2 para este
comprimento de onda, temos que o comprimento de onda dentro do material será
da ordem de 1,28 micron. Logo, as dimensões de cada elemento da grade serão
submicrométricas. As opções para valores de a e b serão expostas no capítulo de
resultados.
Na figura 3.25 temos uma representação do desenho da grade com as
dimensões indicadas.
Figura 3.25 – Desenho da grade de difração produzida sobre a amostra.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
96
A opção pela grade em duas dimensões em detrimento de uma grade mais
simples feita por ranhuras (grade 1D) ocorreu em função tanto da menor área
efetiva sobre o qual o FIB ou a laser writer devem agir quanto pelo fato da grade
2D ser, em teoria, mais efetiva dada sua capacidade de espalhar tanto os modos
transversais elétrico (TE) e magnético (TM), diferentemente da grade 1D [33].
Para produzir este padrão, corroemos a camada de contato superior
(InGaAs:n) nas dimensões calculadas. Essa corrosão pode ser realizada por
diversos processos: litografia por feixe de elétrons (e-beam) seguida de corrosão
seca (reactive íon etching – RIE), litografia por laser writer também seguida de
corrosão seca (RIE) ou corrosão por feixe focalizado de íons (focused íon beam –
FIB). Apesar do longo tempo necessário para corroer grandes áreas, optamos por
realizar esse processamento por feixe de íons para as amostras de teste de conceito
devido ao acesso aos equipamentos e à precisão da corrosão. Para as amostras
utilizadas na montagem final do detector, por ser necessária uma área bem larga
de grade, foi utilizada a laser writer.
O FIB é um feixe de íons que corrói diretamente a camada semicondutora
dependendo do elemento utilizado e de sua energia de aceleração. A resolução
também depende intrinsecamente destes fatores. No caso foram utilizados íons de
gálio+ com 30KeV com uma corrente de íons de 0,30nA do FIB localizado na
UFMG.
A laser writer é um equipamento de fotolitografia que utiliza um laser de
ultravioleta ao invés de um sistema de lâmpada de ultravioleta em conjunto com
uma máscara. Este sistema permite com que os padrões sejam desenhados sobre a
resina fotosensível diretamente pelo laser, cortando-se a etapa da fabricação de
uma máscara cromada. Contudo, dado que o ultravioleta possui comprimentos de
onda da ordem de 300nm, o limite de resolução desses equipamentos são desta
ordem. No nosso caso, a resolução era de 500nm. Isto limita a dimensão mínima
possível de ser feita e está no limite da resolução no caso das dimensões
necessárias para a grade de difração.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
97
3.2.6
Polimento na superfície inferior
Normalmente os substratos que adquirimos possuem uma face polida sobre
a qual é realizada a deposição e uma face fosca rugosa. Uma vez produzida a
grade de difração, a luz incidirá pelo substrato através da face fosca. Para impedir
que a radiação seja espalhada pelo próprio substrato, há a necessidade de polirmos
essa face. Assim como no caso do polimento em 45°, neste caso também é crucial
que o substrato escolhido seja não dopado, pois a radiação incidirá por ele.
Também seria interessante um afinamento do substrato, pois apesar de não ser
dopado, ainda há elétrons livres que absorverão a radiação e diminuirão a
eficiência do detector.
O polimento pode ser realizado fisicamente como no caso do polimento em
45°, contudo para áreas largas há uma maior dificuldade na homogeinização do
polimento através deste sistema. Por essa razão optamos por um polimento físico-
químico com uma lixa fina embebida por uma solução de bromo/metanol. Esse
polimento demanda maiores cuidados pelo manuseamento de produtos altamente
perigosos ao usuário e à amostra. Ele possui a vantagem de ser um processo mais
rápido e que apresenta resultados bons, além de ser um processo que também
corrói um pouco o substrato.
A solução é composta por 4 partes de bromo (Br) em 96 partes de metanol
(CH3OH) que será derramada sobre uma cuba com uma lixa com grãos de 3 micra
(TexMet 1000) colada ao fundo. Devido ao fato dessa solução ser altamente
corrosiva para os materiais que compõem a nossa amostra, é necessário que se
proteja toda a região que não será polida. Para este fim colamos a amostra com a
face processada virada para um suporte, verificando que a cola esteja cobrindo
toda a face. Como cola, pode-se utilizar cera de abelha aquecida. Com apenas o
substrato exposto no suporte, iniciamos o polimento suavemente sobre a lixa
enxarcada de solução. Para garantirmos homogeinidade, convém variar a direção
do movimento relativo entre a amostra e a lixa, similarmente ao processo de
polimento em 45°. Após finalizado o polimento, deve-se cortar a ação da solução
química sobre o substrato mergulhando a amostra em água deionizada.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
98
Em particular neste caso, diferentemente do processo de corrosão por
ácidos, o bromo corrói rapidamente as superfícies a uma taxa alta. Quando a
corrosão úmida é aliada ao desbaste pela lixa fina, a rugosidade normalmente
existente nas regiões inferiores dos substratos é retirada. Além disso, a espessura
do substrato normalmente é reduzida de algumas dezenas de micra.
Figura 3.26 – Fotografia do processo de polimento com solução de bromo-metanol.
3.3
Montagem do fotodetector
Uma vez terminado o processo de otimização com relação à absorção de
radiação pela amostra, falta a integração desta em um sistema de leitura de
corrente.
Nesse caso a geometria em chanfro possui uma desvantagem muito grande
com relação à geometria com grade de difração. Como os contatos elétricos se
localizam em uma das faces do substrato, mas a radiação incide sobre uma faceta
polida a 45° na face oposta, cria-se um sistema complexo tanto para conectar
eletricamente o detector quanto para expor corretamente a região por onde a
radiação deverá ingressar. Se planejarmos montar uma matriz de detectores, essa
geometria se torna praticamente inviável. Por esse motivo e por motivos que serão
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
99
expostos na seção de resultados, neste passo foi priorizada a geometria com grade
de difração.
Usualmente o processo utilizado para integração de um dispositivo
fotosensor é o chamado flip-chip. Consiste em soldar as mesas diretamente sobre
um suporte com pads para coleta da corrente, deixando-se exposto o substrato.
Mas para isso faz-se necessário alguns processos para evitar que curto-circuitos
ocorram tanto entre os terminais elétricos do fotodetector quanto curto-circuitos
entre detectores distintos, no caso de uma matriz.
Figura 3.27 – Desenho pictográfico da integração do dispositivo processado sobre um
suporte para leitura do sinal de corrente.
Faremos, contudo, um processo mais artesanal para esta montagem. Pela
indisponibilidade de alguns equipamentos de precisão, a solda será realizada com
pré-formas cortadas em dimensões comparáveis à mesa e com o alinhamento entre
amostra e suporte feita manualmente.
3.3.1
Passivação
Como dito acima, tanto a solda quanto a fixação da amostra no suporte
precisam ser realizadas sobre a face processada. Como utilizaremos uma pré-
forma de liga metálica com espessura e comprimentos comparáveis ao tamanho da
mesa, corre-se o risco desta liga escorrer do topo da mesa para a base da mesma
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
100
quando o flip-chip manual for realizado. Para evitar curtos entre o contato superior
e o inferior, uma camada não condutora se faz necessária para isolá-los.
Além deste fator, é conhecido na literatura [34][35] que a passivação
diminui a corrente de escuro em fotodiodos. Dado que a passivação cobrirá as
laterais da mesa, os defeitos de superfície criados durante a corrosão da mesa e
que contribuem para a corrente de escuro serão passivados. Por outro lado na
literatura [36] foi reportado que esses defeitos de superfície não são muito
relevantes para o desempenho de um dispositivo QWIP, ao contrário de sua
influência para diodos pin.
Figura 3.28 – Esquematização do processo de passivação, muito similar ao processo de
fotolitografia. Neste caso como se trata da última etapa, há a necessidade de um
alinhamento por sobre o padrão já impresso sobre a amostra.
Para esta etapa testamos alguns produtos como polimidas comerciais (PIX),
mas optamos por uma resina fotosensível similar à utilizada na fotolitografia com
alcance de alturas acima de 2 micra (SU-8). A escolha se deu principalmente pela
maior homogeneidade nas amostras de teste. Na figura 3.28 temos uma
esquematização do processo de passivação.
O processo consiste numa fotolitografia utilizando um resiste negativo SU8-
2, que dependendo dos parâmetros de velocidade de rotação, tempo de rotação e
tempo de aquecimento, atinge espessuras de 2 a 5 micra. Essa camada, depois de
realizado um aquecimento a alta temperatura, endurece e se fixa permanentemente
sobre a superfície da amostra. Na figura podemos ver que protegemos as regiões
entre as metalizações, de forma a garantir que uma solda posta sobre um dos
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
101
contatos não irá escorrer pela lateral da mesa e atingir o contato inferior. Devido
ao fato de utilizarmos uma solda muito espessa, não iremos planarizar a resina
com o nível da mesa. Ou seja, a passivação será utilizada com a altura um pouco
acima da mesa para conter o excesso de solda.
Contudo, antes de realizar a solda, precisamos cortar os detectores nas
dimensões corretas para encaixar nos contatos do suporte.
3.3.2
Separação dos fotodetectores
Para realizar a solda, há necessidade de construir um suporte sobre o qual a
amostra será soldada. Esse suporte deve ser isolante elétrico para que trilhas
metálicas possam ser desenhadas sobre ele. Essas trilhas devem ser soldadas aos
terminais elétricos da amostra e devem ser grandes o suficiente para que uma
parte esteja exposta e pronta para que um fio seja soldado. Devido ao fato da
amostra funcionar em temperaturas criogênicas (77K), esse suporte também
precisa ser bom condutor térmico para que a amostra seja resfriada quando o
conjunto for posicionado sobre um dedo frio. Com estas informações, optamos
por um substrato de alumina como base para produção do suporte.
Para que a amostra e o suporte encaixem perfeitamente entre si, há a
necessidade de que ambos sejam cortados com precisão. Caso contrário, corre-se
o risco de não haver região exposta da trilha para que a solda de fio seja realizada,
ou os contatos elétricos podem não ficar bem alinhados.
Esse corte é realizado por um equipamento que possui uma lâmina de
diamante com diâmetro de corte de aproximadamente 50 micra. Dessa forma
podemos projetar o processamento de conjuntos de detectores distanciados por
100 micra e separar cada conjunto com a serra. Cada conjunto estaria apto a ser
soldado ao suporte com pads desenhados com padrão adequado.
Esse equipamento é um DAD321 Automatic Dicing Saw da Disco
Corporation como pode ser visualizado na foto da figura 3.29.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
102
Figura 3.29 – Fotografia do equipamento de corte das amostras e dos suportes.
Localizado no CTI em Campinas.
3.3.3
Solda sobre o suporte
A solda tem como propósito único atar eletricamente o contato metálico da
amostra e o contato metálico do suporte de alumina. A liga metálica escolhida
precisa ter boa adesão ao ouro e ter um ponto de fusão não muito alto (até 400°C)
para não danificar a amostra. Também não pode ter um ponto de fusão muito
baixo pois isto comprometeria passos futuros como a solda do fio de ouro e uma
provável solda na etapa de encapsulamento ou na montagem final de operação do
dispositivo.
Antes de realizar a solda, pegamos a pré-forma da liga escolhida com boa
afinidade com ouro, esta é posteriormente prensada até uma espessura em torno de
50 micra e então cortada com dimensões menores do que as dimensões dos
contatos elétricos da amostra. Manualmente essas pré-formas são posicionadas
centralizadas sobre os contatos da amostra. Esquentamos a amostra com as pré-
formas até a sua temperatura de fusão e esperamos que a liga adira (“molhe”) a
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
103
superfície do contato da amostra. Deixamos o conjunto esfriar e a solda endurecer
novamente. Posicionamos ainda manualmente a amostra sobre o suporte de
alumina com cada terminal elétrico da amostra posicionada sobre a trilha
metalizada correspondente (figura 3.30). Esquentamos novamente e aguardamos
que a liga se funda e, dessa vez, molhe o ouro na trilha do suporte de alumina. Ao
deixarmos esfriar a solda entre o terminal elétrico da amostra e a trilha está
finalizado o processo.
Importante notar que a amostra é ligeiramente menor do que a alumina para
que a trilha da alumina fique exposta. Com isso podem ser realizadas microsoldas
com fios de ouro nestas regiões expostas para que seja possível coletar a corrente
gerada pelo dispositivo.
Figura 3.30 – Esquematização do processo de alinhamento da amostra sobre a alumina
a fim de soldar os contatos elétricos. Temos também representado o fio de ouro soldado
sobre um dos pads do suporte de alumina.
A solda do fio é realizada por uma microsoldadora Multi-Process Ball
Bonder (figura 3.31). Uma área de 50x50 micra exposto da trilha é suficiente para
que o fio de ouro seja soldado sem riscos de curtos por soldas mal posicionadas.
Para a microsolda do fio de ouro, usualmente esquentamos a amostra a
temperaturas da ordem de 100°C.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
104
Figura 3.31 – Fotografia da microsoldadora Ball Bonder de fio de ouro. Na figura 3.21
temos a foto de uma amostra onde foram realizadas as soldas com este equipamento
em pads de 100 x 100 micra.
Passado por esta etapa de solda, tem-se por finalizado todo o processo de
produção do fotodetector. Os próximos passos consistem nos testes necessários
para avaliar a qualidade e eficiência da amostra produzida.
3.4
Técnicas de caracterização do fotodetector
Ao se produzir um fotosensor, há alguns parâmetros a serem medidos para
atestar sua qualidade. Vamos abranger tanto a análise qualitativa do sensor quanto
a análise quantitativa da geração de fotocorrente. Os estudos qualitativos de
fotocorrente foram realizados variando-se voltagem aplicada e temperatura,
enquanto as medidas quantitativas foram realizadas todas em temperaturas fixas
do nitrogênio líquido para uma simulação da aplicação.
Iniciaremos explicando sobre os experimentos realizados para medir as
correntes geradas pelo dispositivo que independem de incidência de radiação e,
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
105
portanto, indesejáveis para o sistema. Ao final, detalharemos os métodos
experimentais para estudo da corrente fotogerada tanto qualitativamente quanto
quantitativamente.
3.4.1
Corrente de escuro
O experimento de corrente de escuro se baseia na aplicação de voltagem
elétrica sobre o dispositivo sem incidência de radiação e medida da corrente
gerada. Trata-se de uma das experiências para teste de dispositivo mais básicas
que pode ser realizado, mas que também fornece informações de suma
importância para a análise dos efeitos do transporte de cargas pela nanoestrutura.
A curva levantada de IV (corrente X voltagem) pode ser utilizada repetidamente
para análises da similaridade entre mesas processadas, detecção de curto-circuitos
indesejáveis entre os terminais ocorridos durante o processamento, e determinação
de diversos outros parâmetros que devem ser conhecidos rapidamente. Para estes
testes utilizamos uma montagem integrada ao equipamento HP 4145B
Semiconductor Parameter Analyzer (figura 3.32) ou uma montagem com agulhas
(probes) para evitar a necessidade da integração em um header (figura 3.33).
A corrente de escuro de fato é uma corrente gerada pelo dispositivo, mas
que não contribui para a eficiência do mesmo. Pois, como o nome propriamente
invoca, é uma corrente não gerada por fótons, i.e., não gerada por incidência de
radiação luminosa. Essa corrente é bastante estudada na literatura para QWIPs e
provém de diferentes fatores [36]: para valores baixos de temperatura a
contribuição dominante é o tunelamento direto pela barreira assistida por defeitos,
para valores médios de temperatura o dominante é o tunelamento assistido
termicamente, e para altas temperaturas a contribuição mais forte é a de
portadores termogerados diretamente para a região do contínuo acima da barreira
de potencial de onde são coletados mediante a presença de uma diferença de
potencial. Esses elétrons podem provir também de impurezas e defeitos que
estejam involuntariamente presentes em algumas camadas do dispositivo e que
forneçam elétrons facilmente ionizáveis para o sistema.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
106
Figura 3.32 – Fotografia do equipamento de medida de corrente em função da voltagem
aplicada. A montagem acima é feita para uso com headers comerciais.
Figura 3.33 – Montagem de medição de corrente contra voltagem sem a necessidade da
utilização de um header.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
107
Para realizar estas análises, há a necessidade de um estudo da curva de
corrente de escuro pela temperatura da amostra. Para isso um criostato de ciclo
fechado de Hélio é utilizado para controlar a temperatura do dispositivo desde
valores baixos (15K) até a temperatura ambiente. Como buscamos estudar apenas
a corrente de escuro, é imprescindível que a amostra esteja localizada em total
escuridão e envolta por uma capa que estará igualmente a baixa temperatura
(chamado heat shield). Neste caso a montagem é feita dentro do criostato e o sinal
de corrente é levado até o equipamento HP 4145B.
Para estudo do transporte de cargas pelo dispositivo, uma informação
necessária para a montagem da estrutura eletrônica de leitura da montagem final é
a resistência do dispositivo. Na figura 3.34 temos representados tanto a resistência
convencional, quanto a chamada resistência dinâmica que podem ambas ser
obtidas pela curva de corrente de escuro. Dado a baixa corrente gerada para uma
baixa voltagem aplicada e em função da resolução limitada do picoamperímetro, a
estimativa da resistência nesses pontos deve ser feita com um longo tempo de
integração para alcançar um valor mais preciso.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0-0,01
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
1/R = I/V
Co
rre
nte
[A
]
Voltagem [V]
Amostra 1319300KDiodo InGaAs
1/r = dI/dV
Figura 3.34 – Exemplo da curva IV de um fotodiodo de InGaAs. Temos representadas a
resistência convencional R, dado por V/I, e também a resistência dinâmica r dado pela
derivada da curva IV em um determinado ponto.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
108
3.4.2
Ruído
A corrente de escuro nos dá uma indicação sobre qual o patamar de corrente
total no qual o nosso sinal fotogerado está imerso. Esse é um dado importante
para a idealização do circuito de leitura que por provir de fatores como
temperatura, qualidade de material, etc, usualmente produz um sinal que é DC,
i.e., independente do tempo. Podemos filtrar essa corrente constante modulando a
radiação incidente e considerando apenas a variação de corrente causada por essa
modulação. Neste caso, a preocupação se restringe apenas às correntes não
fotogeradas, mas que são moduladas por algum motivo. Existem diversas origens
para essas correntes. As fontes de ruído mais conhecidas são flutuações na
velocidade dos portadores, na sua densidade, e na densidade de portadores
oriundos de impurezas, entre outras. Toda essa gama de origens dita o
comportamento do espectro de corrente de ruído em função da frequência
temporal que pode ser mais profundamente analisado e decomposto para a
investigação de quais mecanismos estão se demonstrando dominantes no
dispositivo em estudo.
Podemos realizar este experimento através de um analisador de espectro
FFT (Fast Fourier Transform) que indicará a corrente de ruído do dispositivo
dentro de uma faixa de freqüências. Desses dados também podemos extrair
informações sobre a corrente de ruído que serão utilizadas mais adiante no cálculo
da figura de mérito de detectividade.
Outro método para obter tais informações é utilizar o próprio equipamento
de lock-in do experimento de fotocorrente e responsividade, indicando a
freqüência na qual o detector será medido. Neste caso não haverá um gráfico
sobre o qual poderemos descorrer sobre a origem física das componentes do ruído.
Contudo para o experimento de detectividade é suficiente que o ruído seja
determinado em seu valor absoluto para a faixa de freqüência operacional. Para
este trabalho optamos por este método devido à possibilidade de realizarmos o
experimento nas mesmas condições da medida de responsividade de forma a
minimizar modificações nas condições de medição da amostra que poderiam gerar
resultados incorretos (diferentes criostatos, diferentes temperaturas, etc).
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
109
3.4.3
Espectro de fotocorrente
O experimento de fotocorrente é o experimento básico para análise da
estrutura fotodetectora produzida. Consiste em iluminar a amostra e medir a
corrente gerada pela incidência dos fótons. Já o experimento de espectro de
fotocorrente é o experimento cujo objetivo é visualizar o comportamento relativo
das intensidades absorvidas pelo dispositivo para diferentes comprimentos de
onda dos fótons incidentes. De forma similar às demais técnicas de caracterização,
traçar o comportamento da fotocorrente em função da temperatura fornece
informações adicionais sobre a estrutura do dispositivo. Neste caso, por se tratar
de uma caracterização eletro-ótica, o comportamento com relação à diferença de
potencial aplicada também se faz necessário para identificar qual a polarização
que otimiza o dispositivo.
Há duas montagens convencionais para o experimento de fotocorrente que
possuem princípios de funcionamento distintos, mas que atingem resultados
similares: sistema com monocromador e o sistema com um espectrômetro de
transformada de Fourier.
A montagem com monocromador é de rápida compreensão, pois consiste
em uma medida direta da corrente gerada por uma radiação monocromática. Na
figura 3.35 temos um esquema do experimento. Uma fonte de luz branca (ex.
lâmpada, globar, corpo-negro) é focalizada para dentro do moncromador
utilizando um jogo de refletores e lentes. O monocromador possui em seu interior
uma grade de difração que resolverá espectralmente a radiação branca e emitirá
em sua janela de saída apenas uma faixa de comprimentos de onda (no caso ideal,
seria um feixe monocromático). Novamente a radiação será guiada por uma
montagem ótica com foco sobre o dispositivo. O dispositivo estará localizado no
interior de um criostato com uma temperatura controlada e o sinal de corrente
elétrica gerada pela incidência da radiação será coletado por um aparelho lock-in.
Para filtragem da corrente de escuro, a luz incidente sobre a amostra é modulada
por um chopper. Guardando-se a corrente produzida pra cada comprimento de
onda do fóton incidente, o espectro é formado em tempo real por um programa em
LabView.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
110
Alguns detalhes com os quais se deve ter cuidado são os seguintes: utilizar
filtros óticos passa-alta para cortar a contribuição de ordens superiores de difração
para fótons com comprimento de onda fora da faixa que se deseja medir, não
modular a radiação em sintonia com a rede elétrica (freqüências múltiplas de
60Hz) para evitar ruídos, não haver modificação no alinhamento ótico entre as
medidas variando temperatura ou diferença de potencial aplicada. É importante
que o alinhamento seja muito bem definido e realizado no início e inalterado até o
fim do experimento para que a comparação de intensidade e formato da curva
entre as diversas temperaturas ou voltagens seja dado apenas pela variação destes
parâmetros, e não por uma variação de alinhamento ótico.
Figura 3.35 – Esquematização do experimento de fotocorrente com um sistema
utilizando uma fonte de emissão larga acoplada com um monocromador.
Dada a presença de diversos fatores que interferem na intensidade da
radiação durante todo o percurso (lentes, filtros), o experimento apresentado na
figura 3.35 não é capaz de fornecer o valor real de potência luminosa que atinge a
amostra. Igualmente devido a filtros de ruído e amplificações presentes nos
aparelhos de medição da corrente gerada, o valor absoluto da corrente que de fato
é emitida pelo dispositivo não é conhecida. Utilizamos este experimento apenas
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
111
para definir uma relação qualitativa de intensidades entre os comprimentos de
onda.
O outro método utilizado é a fotocorrente por espectroscopia por
transformada de Fourier. Neste caso a luz branca não será resolvida
espectralmente, mas será tratada através de um interferômetro de Michelson de
forma que as intensidades relativas entre os comprimentos de onda que alcançarão
a amostra sejam conhecidas. O interferômetro funciona dividindo-se um feixe
incidente (no caso, luz branca) em dois caminhos ópticos distintos através de um
beamsplitter. Os dois feixes são refletidos por espelhos e retornam ao beamsplitter
para onde são direcionados até o detector. Dado que o caminho ótico que cada
feixe percorrerá não necessariamente será idêntico, haverá interferências entre os
dois feixes quando eles se recombinarem. Se mantivermos um dos espelhos fixos
e o outro pudermos varrer a sua distância em relação ao beamsplitter, poderemos
variar a relação de interferência entre os feixes. Para cada diferença de caminho
ótico, teremos uma distribuição contínua de comprimentos de onda interferindo
construtivamente ou destrutivamente, parcialmente ou totalmente.
A varredura temporal do espelho resulta em um gráfico chamado de
interferograma. Deste gráfico a transformada de Fourier nos fornecerá o espectro
de fotocorrente. Similarmente ao ocorrido na montagem descrita anteriormente,
devido a algumas operações realizadas automaticamente durante o experimento
como, por exemplo, a filtragem de ruído do sinal, a amplificação da corrente e a
transformação de corrente para voltagem, a intensidade da absorção apresentada
no gráfico do espectro não possui um valor absoluto em ampère ou volt a menos
que seja realizado uma calibração.
Neste caso um equipamento dedicado (da Thermo Nicolet) automaticamente
move o espelho e realiza a transformada de Fourier sobre o sinal advindo da
amostra que é, então, retroalimentado nele (figura 3.36). Devido à rapidez com
que esta medida é realizada em comparação ao sistema com monocromador,
podemos realizar um número grande de medidas para obtermos um gráfico com
uma curva menos ruidosa e mais próxima do espectro de absorção do dispositivo.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
112
Figura 3.36 – Esquematização do experimento de fotocorrente utilizando um
espectrômetro da Thermo Nicolet. Em destaque temos a representação de um
interferômetro de Michelson que é utilizado no equipamento.
3.4.4
Responsividade
Para termos um valor quantitativo da eficiência de um dispositivo e, assim,
podermos comparar diversos dispositivos distintos, realizamos o experimento de
responsividade. O experimento é similar à fotocorrente, mas neste caso estamos
interessados em saber qual é a potência luminosa que está atingindo a amostra e
qual o valor exato de corrente sendo fotogerada. Há algumas formas de se realizar
este experimento utilizando ou uma fonte de radiação calibrada ou um detector de
referência calibrado. Optamos por utilizar o primeiro caso dada a maior
flexibilidade do alinhamento ótico para que as comparações entre os detectores
não incluíssem variações na qualidade do alinhamento.
Como mencionado na seção de conceitos básicos, a potência luminosa que
atingirá a amostra será estimada baseada em alguns parâmetros do experimento.
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
113
Na prática a responsividade é medida de acordo com o esquema da figura
3.37. Nela podemos ver o corpo negro modulado por um chopper a uma distância
d do criostato onde se encontra a amostra a 77K (N2 líquido). A amostra é
polarizada por uma bateria e a corrente fotogerada é medida por um lock-in. Para
os cálculos da potência luminosa que alcança a amostra basta que a medida seja
feita para uma distância d, contudo podemos realizar o experimento variando a
distância para obter uma maior precisão. A variação da distância também
contribuirá para o cálculo da absorção pela atmosfera e para o cálculo da
responsividade espectral.
Figura 3.37 – Esquema de medição da responsividade de corpo negro para uma amostra
a 77K.
Neste caso estamos realizando a chamada responsividade integral ou de
corpo negro, pois a radiação incidente sobre o detector não está resolvida
espectralmente e a corrente medida corresponde à contribuição de todo o espectro
emitido pelo corpo negro.
Na figura 3.38 temos uma foto do experimento onde podemos identificar os
elementos citados na figura esquemática e mais alguns outros elementos que
também se fazem importante para o experimento. Além dos equipamentos
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
114
eletrônicos responsáveis pela aplicação de ddp sobre a amostra (bateria regulável)
e de leitura da corrente (lock-in), vemos também que o experimento se localiza
dentro de uma caixa de acrílico fechada. Essa caixa é necessária para que o
experimento seja realizado em ambiente controlado, dado que o cálculo da
potência luminosa inclui fatores de absorção da atmosfera.
Figura 3.38 – Fotografia da montagem experimental de responsividade de corpo negro
no INPE localizado em São José dos Campos. [19]
Relembrando a equação 2.37, vemos que há uma componente da absorção
pela atmosfera. A nossa amostra, contudo, se localiza em uma das janelas óticas
de transmissão pela atmosfera com uma absorção forte apenas para o gás
carbônico (CO2) em 4,2 micra. Se purgarmos o ambiente com nitrogênio
eliminaremos esta contribuição. Caso contrário, teremos que encontrar um meio
de estimar o valor da absorção efetiva. O método escolhido consiste em manipular
a equação 2.39 da seguinte forma [19]:
dconstddTMAA
TRFId
edTMAA
TRFId
dTMd
AAeTFRI
RI
dsJm
ddsJm
dsdJm
.),(ln)ln(
),(
),(
2
1
2
1
2
1
2
2
2
(3.10)
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
115
Se traçarmos um gráfico de ln(Id2) em função de d, deveremos encontrar
uma reta cujo coeficiente angular será igual a .
Uma vez realizado o experimento e calculado a responsividade para cada
valor de distância (d), devemos comparar os valores obtidos para cada ddp
aplicada para optar pelas condições de operação que levam ao melhor
desempenho.
Esse experimento fornece um método rápido e simples para comparação
entre detectores, independentemente das dimensões da mesa. Contudo, também é
de interesse que se busque a resposta do detector para cada comprimento de onda
incidente. Usualmente este experimento é realizado através de uma montagem
similar a mostrada na figura 3.35, adicionando-se um detector calibrado ao fim do
caminho ótico. De tal forma podemos inferir a potência luminosa que atinge o
dispositivo em estudo ao medirmos qual a corrente gerada no detector calibrado.
Utilizaremos um método onde aproveitamos o experimento de
responsividade integral detalhado acima para calcular a responsividade espectral.
Para o cálculo da responsividade integral há uma tolerância sobre realizar o
experimento em ambiente pouco controlado e incluir um termo de absorção
exponencial. Para o caso da responsividade espectral, há a necessidade de o
ambiente estar purgado para que o cálculo seja realizado com precisão.
Considere que possamos escrever a responsividade espectral como:
)(.)( sRR P
Onde RP é a responsividade no pico de absorção e s() é o espectro de
fotocorrente normalizado.
A fotocorrente então é dada por [19]:
2
1
2
1
,
,
02
02
dsTMAA
TFRId
dsRTMd
AATFI
dsJmp
pds
Jm
Na equação 3.12 temos uma relação em que a dependência com a distância
entre o corpo negro e o detector (d) está concentrada no lado esquerdo da equação.
(3.11)
(3.12)
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
116
Todo o lado direito da equação é independente de d e podemos escrever que se
trata de uma constante em função dessa variável.
.2 constaId
Logo, podemos inferir a responsividade de pico por:
2
1
,
0
dsTMAA
TF
aR
Bds
Jm
p
Onde a é obtido graficamente traçando o gráfico Id2 em função da distância
d.
Para maior acurácia da constante a recomenda-se um número grande de
medições variando a distância d (figura 3.39). As demais constantes são
conhecidas e iguais às utilizadas para o cálculo da potência luminosa do corpo
negro. A integral é resolvida numericamente utilizando-se a função de
emissividade do corpo negro e o espectro normalizado da fotocorrente obtida
experimentalmente (figura 3.40).
Figura 3.39 – Gráfico de Id2 em função de d para obtenção da constante utilizada no
cálcula da responsividade de pico.
(3.14)
(3.13)
3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores
117
Figura 3.40 – Gráfico de um exemplo de integração numérica de M(T,).s().
3.4.5
Detectividade
A detectividade é a medida que inclui sobre a responsividade a influência
das correntes espúrias não proveniente da absorção de fótons. Ou seja, incluímos
na análise os resultados dos experimentos de ruído.
A busca é por utilizar freqüências cujo ruído seja o menor possível, de tal
forma a maximizarmos a eficiência do dispositivo.
O experimento é realizado na mesma montagem de criostato e de conexões
elétricas que o experimento de responsividade para garantir que ambos
experimentos estejam nas mesmas condições. Este experimento independe da
radiação incidente e não há necessidade de cobrir a amostra como no experimento
de corrente de escuro. O lock-in na realidade fornece diretamente o valor de
f1/2/IR, bastando-se ter definidos a responsividade e a área do detector de acordo
com a equação 2.40.
De forma similar à responsividade, podemos definir uma detectividade
integral e uma detectividade espectral. Ambas definidas com base na
responsividade utilizada para o cálculo.
3,0x10-6 3,5x10-6 4,0x10-6 4,5x10-6 5,0x10-6 5,5x10-6 6,0x10-60,0
2,0x107
4,0x107
6,0x107
8,0x107
1,0x108
Resp Pico (cálculo):a (RespEsp_P2V_Id2Xd) 2,95E-11Integral (RespEsp_P2V) 8,00E+01Denominador 1,98E-10PICO de responsividade 1,48E-01
Integration from zero:x = 3,013E-6 --> 6,0016E-6Area= 80,00014
M(T
)*P
Cno
rma
lizad
a
Comprimento de Onda [m]
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