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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.

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PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0821506/CA

3. Produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores

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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

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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

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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.

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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.

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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

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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

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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.

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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.

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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)

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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)

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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.

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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)

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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)

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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)

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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.

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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)

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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

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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)

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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.

DBD



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

DBD



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.

DBD



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

DBD



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,

DBD



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

DBD



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

DBD



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.

DBD



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.

DBD



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

DBD



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.

DBD



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.

DBD



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.

DBD



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

DBD



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

DBD



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

DBD



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.

DBD



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

DBD



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.

DBD



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,

DBD



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.

DBD



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.

DBD



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.

DBD



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).

DBD



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.

DBD



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

DBD



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.

DBD



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.

DBD



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

DBD



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)

DBD



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)

DBD



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)

DBD



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]

DBD


3 produção e técnicas de caracterização dos fotodetectores · 3. produção e técnicas de...

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