Instituto de Física da

Universidade de São Paulo

Desenvolvimento de fotodetectores de radiação infravermelha para aplicações no mercado brasileiro

A. D. B. Maia, F. M. Fernandes, M. S. Claro, E. C. F. da Silva e A. A. Quivy

Laboratório de Novos Materiais Semicondutores, Instituto de Física, Universidade de São Paulo

Rua do Matão, travessa R, 187, 05508-090 São Paulo, SP

Introdução

A importância do desenvolvimento de fotodetectores de

radiação infravermelha se deve ao fato desse tipo de

dispositivo possuir numerosas aplicações nas mais diversas

áreas: ciência, medicina, agropecuária, meio ambiente,

indústria, segurança, engenharia civil e militar, etc. Ao

contrário da maioria dos métodos convencionais de análise,

controle, monitoramento e investigação geralmente usados

em todas essas áreas, as técnicas envolvendo a detecção da

radiação infravermelha são não invasivas, não destrutivas,

rápidas, não precisam de contato físico com o objeto a ser

analisado, podem ser usadas para visualizar objetos

escondidos ou enterrados, e podem mesmo ser embarcadas

em aviões ou balões. Por estas razões, uma das linhas de

pesquisa do LNMS tem como objetivo investigar o

crescimento, o processamento e as propriedades de

fotodetectores de radiação infravermelha individuais de alta

sensibilidade baseados em nanoestruturas semicondutoras

tais como poços quânticos (Quantum-Well Infrared

Photodetectors, QWIPs) e pontos quânticos (Quantum-Dot

Infrared Photodetectors, QDIPs).

• A radiação infravermelha faz parte do espectro

eletromagnético assim como os raios gama, os raios x, a

radiação ultravioleta, a luz visível, as micro-ondas e as

ondas de rádio.

• O visível é a região do espectro eletromagnético que

pode ser detectada pelo olho humano, e se estende de

400 nm (cor violeta) a 760 nm (cor vermelha).

• A radiação infravermelha encontra-se na região do

espectro que é invisível para o olho humano (760 nm até

1 mm).

• Todo corpo, com temperatura acima do 0 K, emite

naturalmente esse tipo de radiação.

Os nossos fotodetectores são baseados em transições do

tipo intrabanda em nanoestruturas semicondutoras, tais como

poços e pontos quânticos de compostos III e V, que podem

ser crescidas com altíssima qualidade e homogeneidade por

epitaxia de feixe molecular (Molecular-Beam Epitaxy, MBE). A

fabricação deles envolve as seguintes etapas:

• Crescimento epitaxial da estrutura dos detectores na forma

de um filme fino cristalino sobre substratos de GaAs por

meio da técnica MBE.

• Utilização de técnicas de fotolitografia e ataque químico

para definir o tamanho do fotodetector (0,4 x 0,4 mm2).

• Confecção de contatos elétricos através da deposição por

feixe de elétrons (e-beam) de filmes finos de Ni/Ge/Au,

seguida por um recozimento rápido (Rapid Thermal

Annealing, RTA) para a formação da liga metálica.

• Realização das conexões elétricas entre o dispositivo e o

suporte (chip carrier) com fios de ouro de 0,025 mm de

diâmetro utilizando uma microssoldadora (wire bonder).

• Instalação do dispositivo em um criostato óptico onde será

resfriado (10 – 300K) para realizar as medidas.

• Caracterização dos parâmetros fundamentais dos

fotodetectores:

- Medidas de curvas I-V (corrente de escuro).

- Medidas de absorção (FTIRS).

- Medidas de ruído (FFT).

- Medidas de responsividade (fotocorrente).

O que é a radiação infravermelha?

Câmeras de radiação infravermelha

Uma aplicação importante das técnicas de detecção da

radiação infravermelha é a formação de imagens

infravermelhas de alta resolução obtidas a partir de

câmeras especiais de alta sensibilidade. Infelizmente, este

tipo de equipamento é raramente encontrado no Brasil em

razão da falta de pesquisa nacional na área e do alto preço

dos componentes associados que precisam ser importados

(a altos custos) e que sofrem uma severa restrição de

mercado em razão das possíveis aplicações militares. É

por isso que o LNMS se associou recentemente a outros

grupos brasileiros para fundar o Instituto Nacional de

Ciência e Tecnologia (INCT) em Nanodispositivos

Semicondutores (DISSE), cuja meta principal é o

desenvolvimento (a médio prazo) de câmeras de radiação

infravermelha em colaboração com empresas nacionais.

Como são produzidos os detectores?

Estrutura de uma amostra de QDIP, ilustrando a

região ativa com os pontos quânticos, assim

como as duas camadas dopadas com os

contatos de Ni/Ge/Au (em amarelo).

Medidas de FTIRS mostrando o espectro de

absorção de um QDIP em função da dopagem

dos pontos quânticos (0, 2 ou 4 e-/QD).

Medidas de FTIRS mostrando o espectro de

absorção (fotocorrente) de um QWIP em função

da voltagem aplicada.

Curvas I-V de um QWIP mostrando a corrente de

escuro do dispositivo para várias temperaturas. Cálculo da detectividade específica de um QWIP

que consiste na razão sinal / ruído.

Agradecimentos

Gostaríamos de agradecer o CNPq, a FINEP, a FAPESP e

o INCT-DISSE pelo apoio financeiro. Somos gratos ao

Laboratório de Filmes Finos do IFUSP (Fapesp proc.

#95/5651-0) pelas medidas de AFM, e ao Prof. Ronaldo

Mansano (LSI-USP), a Márcio de Almeida Valle (LME-USP), a

Ângelo Luiz Gobbi e Maria Helena de Oliveira Piazzetto

(LNLS) e ao Prof Newton Cesario Frateschi e Antônio Augusto

Von Zuben (LPD-Unicamp) pelo auxílio no processamento e

na metalização das amostras.

Medida de microscopia de força atômica (AFM)

de uma amostra de pontos quânticos de InAs

depositados sobre GaAs. Essa imagem mostra

uma densidade de cerca de 400 pontos

quânticos por µ2. Cada ilha de material possui

aproximadamente 6 nm de altura e 20 nm de

base.

Fabricação Aplicações

Crescimento epitaxial Litografia e deposição metálica

Microssolda com fios de ouro Dispositivo montado no seu suporte

Preparação das amostras em sala limpa

Teste rápido dos dispositivos

Engenharia (Isolação térmica) Medicina (regiões cancerosas) Meio ambiente (esgoto clandestino)

Trânsito (visão noturna) Defesa (medias e contramedidas) Segurança