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INPE-12180-TDI/974 CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DE JUNÇÕES P-N PBTE PARA
APLICAÇÃO EM DETECTORES DE INFRAVERMELHO
André Santiago Barros
Dissertação de Mestrado do Curso de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Espaciais/Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores, orientada pelo Dr. Eduardo
Abramof, aprovada em 2 de setembro de 2004.
INPE São José dos Campos
2005
620.1 BARROS, A. S. Caracterização elétrica de junções P-N PBTE para aplicação em detectores de infravermelho / A. S. Barros. – São José dos Campos: INPE, 2004. 108p. – (INPE-12180-TDI/974). 1.Telureto de chumbo. 2.Epitaxia de feixe molecular. 3.Detector fotovoltaico de infravermelho. 4.Capacitância por tensão. 5.Corrente por tensão. I.Título.
“The outside world is something independent from man, something absolute, and the quest for the laws which apply to this absolute appeared to me as the most sublime
scientific pursuit in life”.
MAX KARL ERNST LUDWIG PLANCK
À minha esposa Priscila e nossos filhos Enzo, Hector e Lincoln,
a meus pais e meus irmãos
AGRADECIMENTOS
Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE, pela oportunidade de estudos e utilização de suas instalações. Ao Laboratório Associado de Sensores e Materiais (LAS) por ter disponibilizado a infra-estrutura necessária para a execução desta dissertação de mestrado. Aos professores da Área de Concentração em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores (CMS) do Programa de pós-graduação em engenharia e Tecnologia Espaciais (ETE) pelo conhecimento compartilhado. Ao meu orientador Prof. Dr. Eduardo Abramof, pelo conhecimento passado e pela orientação e apoio na realização deste trabalho. Ao grupo de pesquisas de Tecnologia de Materiais TECMAT, pela atenção dedicada. A meus pais pelo incentivo e pela compreensão. Aos colegas de estudo, por compartilhar das dificuldades e vitórias: Alexandre M.Pires dos Anjos, Yuliya Koldayeva, Úrsula Andréia Mengui, Érica Freire Antunes, Patrícia Guimarães Abramof, Fernando Cruz Barbieri, Irineu Yassuda, Vanderlan Rodrigues dos Anjos. Aos funcionários do LAS pela colaboração: Francisco Augusto Souza Ferreira, Stela Márcia Teixeira, Manuel F. Ribeiro, Augusto C. Conrado, Júlio César Peixoto, Eliana Marques C. Martins. À minha família, pelo amor e compreensão, mesmo nos momentos difíceis.
RESUMO
Este trabalho visa à caracterização elétrica de junções p-n de PbTe para aplicação em detectores fotovoltaicos na faixa do infravermelho médio. Para isto, uma série de junções p-n foi crescida com sucesso por epitaxia de feixe molecular sobre substratos de fluoreto de bário. Nesta série, a concentração de buracos p ficou mantida fixa em 1017 cm-3 e a concentração de elétrons n variou entre 1017 e 1019 cm-3. Um sistema para medidas de corrente por tensão (IxV) e capacitância por tensão (CxV) foi implementado para este estudo com programas de controle desenvolvidos na plataforma Visual Basic. Aproveitando a experiência adquirida, um código fonte em Visual Basic foi também desenvolvido para controlar o sistema de epitaxia de feixe molecular. Diodos na forma de estrutura mesa foram fabricados por técnicas de litografia e montados em um criostato de nitrogênio líquido para a caracterização elétrica e determinação das figuras de mérito (detectividade e reposta espectral). Os resultados obtidos da característica CxV mostraram que para concentração de elétrons n > 1018 cm-3, junções abruptas de um único lado foram formadas. Neste caso, a concentração de buracos p e a largura da região depleção puderam ser determinadas. As características IxV apresentaram formas diferenciadas tanto para o ramo de corrente reversa como o de direta, mesmo para diodos feitos de uma mesma junção. A resistência diferencial incremental, as resistências em série e em paralelo, e o fator de idealidade dos diodos foram obtidos usando a derivada da curva IxV e um programa de simulação desenvolvido para ajustar a curva calculada pela equação de um diodo real aos pontos experimentais. As flutuações observadas tanto para os parâmetros obtidos da característica IxV quanto para os valores de detectividade D* foram atribuídos a problemas durante o processamento dos fotodiodos. A despeito destas flutuações, os valores de ruído e detectividade medidos para os detectores de PbTe puderam ser correlacionados com os parâmetros obtidos da análise da característica IxV. Estes resultados permitem uma previsão das figuras de mérito do detector de PbTe a partir dos dados da curva IxV. Destaca-se, ainda, que os melhores fotodiodos de PbTe fabricados durante este trabalho apresentaram valores de D* na ordem de 1011 cmHz1/2W-1 comparáveis aos de InSb e HgCdTe comerciais e aos de PbTe fabricados sobre silício.
ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF PbTe p-n JUNCTIONS FOR APPLICATION IN INFRARED DETECTORS
ABSTRACT
This work reports on the electrical characterization of PbTe p-n junctions for application in photovoltaic detectors in the medium infrared range. For this purpose, a series of p-n junctions, where the hole concentration p was kept at 1017 cm-3 and the electron concentration n varied between 1017 and 1019 cm-3, was successfully grown by molecular beam epitaxy on barium fluoride substrates. A system to measure current versus voltage (IxV) and capacitance versus voltage (CxV) characteristics was employed together with data acquisition and control programs developed in Visual Basic platform. Using this experience, a Visual Basic code to control the molecular beam epitaxial system was also developed. Mesa diodes were fabricated by lithography and mounted in a liquid nitrogen cryostat for the electrical characterization and the determination of figures of merit (detectivity and spectral response). The results obtained by the CxV characteristic showed that for electron concentration n > 1018 cm-3, one-sided abrupt junctions were formed. In this case, the hole concentration and the depletion width could be determined. The IxV characteristic exhibited different forms for both reverse and direct branches, even for diodes fabricated from the same junction. The incremental differential resistance, the series and parallel resistances, the ideality factor of the diodes were obtained by the derivative of the IxV curve and by a simulation program developed to adjust the curve calculated by the equation for a real diode to the experimental data. The fluctuations observed for both the parameters obtained from the IxV curve analysis and detectivity D* values were attributed to problems during the photodiode fabrication processes. Despite of these fluctuations, it was possible to correlate the noise and detectivity values measured for the PbTe detectors to the parameters obtained form the IxV characterization. These results allow the prediction of the detector’s figures of merit from the data obtained from the IxV curves. It is also important to emphasize that the best PbTe photodiodes fabricated during this work showed D* values close to 1011
cmHz1/2W-1, comparable to InSb and HgCdTe commercial detectors and to PbTe photodiodes fabricated on silicon substrates.
SUMÁRIO
Pág.
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
LISTA DE SÍMBOLOS
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO................................................................................. 27
CAPÍTULO 2 - RADIAÇÃO INFRAVERMELHA E PROPRIEDADES DOS COMPOSTOS IV-VI ................................................................................................... 29 2.1 Detectores de Radiação Infravermelha..................................................................... 29 2.2 Propriedades dos Compostos Semicondutores do Grupo IV–VI ............................. 34
CAPÍTULO 3 - EPITAXIA DE FEIXE MOLECULAR.......................................... 39 3.1 Descrição da Técnica e do Sistema MBE ................................................................. 39 3.2 Programa de Controle e Aquisição de Dados para o Sistema MBE ......................... 41
CAPÍTULO 4 - TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DAS CAMADAS ........... 45 4.1 Medidas de Espessura............................................................................................... 45 4.2 Efeito Hall e Resistividade ....................................................................................... 47 4.2.1 Descrição do Efeito Hall........................................................................................ 47 4.2.2 Método van der Pauw............................................................................................ 49 4.2.3 Sistema para Medidas de Resistividade e Efeito Hall ........................................... 51
CAPÍTULO 5 - TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DO DISPOSITIVO........ 55 5.1 Medidas de Corrente por Tensão e Capacitância por Tensão .................................. 55 5.2 Medidas das Figuras de Mérito ................................................................................ 62
CAPÍTULO 6 - CRESCIMENTO DAS CAMADAS EPITAXIAIS, JUNÇÕES P-N E FABRICAÇÃO DO DISPOSITIVO ............................................................... 67 6.1 Camadas Epitaxiais de Referência e Junções p-n..................................................... 67 6.2 Fabricação do Dispositivo ........................................................................................ 73
CAPÍTULO 7 - CARACTERIZAÇÃO DO DISPOSITIVO.................................... 79 7.1 – Característica Capacitância por Tensão................................................................. 79 7.2 – Característica Corrente por Tensão ....................................................................... 82 7.3 – Detectividade e Resposta Espectral....................................................................... 92 7.4 – Correlação entre Medidas Elétricas e Ópticas....................................................... 96
CAPÍTULO 8 - CONCLUSÕES ................................................................................. 99
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 101
APÊNDICE A - PUBLICAÇÕES ............................................................................. 105
LISTA DE FIGURAS
2.1 – Transmitância atmosférica na região do infravermelho. ....................................... 29 2.2 – Espectros de emissão de um corpo negro a 300 e a 900K calculados a partir da
lei de Planck. .......................................................................................................... 31 2.3 – Diagrama de energia de uma junção p-n. .............................................................. 32 2.4 – Estrutura cristalina dos sais de chumbo (estrutura do sal de rocha)...................... 35 2.5 – Diagrama de fase temperatura versus composição para o composto Pb1-yTey
(painel esquerdo). Este composto só existe em torno da linha estequiométrica (y = 0,5). O diagrama de fase em torno da região estequiométrica é mostrado em uma escala expandida no painel direito.................................................................. 36
3.1 – Diagrama esquemático do sistema de epitaxia de feixe molecular (MBE) instalado no LAS/INPE para o crescimento de compostos IV-VI: vista de cima mostrando as três câmaras do sistema (à direita), e à esquerda detalhes da câmara principal de crescimento. ........................................................................... 40
3.2 – Formulário do programa de controle e aquisição de dados desenvolvido para o sistema de crescimento epitaxial por feixe molecular. ........................................... 43
4.1 – Espectro de reflexão de um filme de PbTe crescido sobre BaF2 obtido por medidas no FTIR. A espessura do filme é obtida através da separação entre os extremos das franjas de interferência observadas no espectro, conhecendo-se o índice de refração do material. ............................................................................... 46
4.2 – Esquema de uma amostra utilizada para medir o efeito Hall. ............................... 47 4.3 – Desenho da configuração de van der Pauw. .......................................................... 50 4.4 – Diagrama do sistema de medidas de resistividade e efeito Hall............................ 52 4.5 – Fotografia do sistema para medidas de resistividade e efeito Hall instalado no
LAS/INPE............................................................................................................... 53 5.1 – Gabinete com os sistemas de caracterização elétrica corrente por tensão (IxV) e
capacitância por tensão (CxV) e o microcomputador de controle das medidas com interface IEEE-488. ........................................................................................ 55
5.2 – Diagrama de blocos e circuito equivalente de medidas para o sistema IxV. Nesta configuração, a queda de tensão é medida em cima do dispositivo em teste......................................................................................................................... 56
5.3 – Diagrama e circuito de medida do sistema CxV. A tensão é aplicada pela fonte interna do capacímetro e a capacitância e a condutância são obtidas utilizando o sinal alternado de 1MHz......................................................................................... 57
5.4 – Formulário de medida de corrente por tensão (IxV) do programa de controle desenvolvido em Visual Basic................................................................................ 58
5.5 – Formulário de medida de capacitância por tensão (CxV) do programa de controle desenvolvido em Visual Basic.................................................................. 59
5.6 – Curva característica corrente por tensão de um diodo comercial 1N4148 medida no sistema IxV implementado. ............................................................................... 60
5.7 – Curva de tensão por corrente para o diodo 1N4148 polarizado diretamente medida no sistema IxV (painel esquerdo) e, no painel direito, para comparação,
o gráfico retirado do folheto do fabricante. Um desvio máximo de 5% foi observado entre os dois gráficos............................................................................. 61
5.8 – Curva característica CxV para o diodo SKN1204 medida no sistema montado. .. 61 5.9 – Diagrama da montagem para medida de detectividade de um sensor
infravermelho. ........................................................................................................ 62 5.10 – Diagrama da montagem para medidas de resposta espectral relativa para um
sensor infravermelho. ............................................................................................. 65 6.1 – Concentração de portadores a 77K versus fluxo de Te para camadas de PbTe
crescidas a 300oC. A inversão do caráter n para p ocorre por volta de 8x10-9 Torr. ........................................................................................................................ 68
6.2 – Corte transversal da estrutura tipo mesa................................................................ 73 6.3 – Máscara de evaporação de contatos de Au. O desenho da esquerda representa a
máscara utilizada para evaporação de contatos no lado n, e o da direita para evaporação de contatos no lado p. .......................................................................... 74
6.4 – Fotografias do porta amostra com as máscaras para evaporação de contatos de Au montadas. .......................................................................................................... 75
6.5 – Perfil de uma estrutura mesa delineada na junção p-n de PbTe. ........................... 76 6.6 – Criostato de nitrogênio líquido com janela de BaF2 e conector detoronics de 10
pinos. ...................................................................................................................... 76 7.1 – Curvas características CxV e 1/Ce
2xV para os diodos de PbTe fabricados a partir de junções p-n++ (a), p-n+ (b), e p-n (c). Os pontos são dados experimentais e a linha cheia corresponde ao ajuste linear. ................................... 80
7.2 – Curvas características IxV e (∂V/∂I)xV para os diodos de PbTe fabricados a partir de junções p-n++ (n ~ 1019 cm-3).................................................................... 84
7.3 – Curvas características IxV e (∂V/∂I)xV para os diodos de PbTe fabricados a partir de junções p-n+ (n ~ 1018 cm-3). .................................................................... 85
7.4 – Curvas características IxV e (∂V/∂I)xV para os diodos de PbTe fabricados a partir de junções p-n (n ~ 1017 cm-3)....................................................................... 86
7.5 – Circuito equivalente de um diodo real com resistências em série e em paralelo ao diodo ideal. ........................................................................................................ 87
7.6– Resultado da simulação da característica IxV de um diodo de junção p-n++ com baixa corrente de fuga. Os círculos abertos são os pontos experimentais e as linhas correspondem às curvas calculadas. Para melhor visualização, o painel inferior mostra na ordenada o módulo da corrente em escala logarítmica............. 88
7.7 – Resultado da simulação da característica IxV de um diodo de junção p-n+ apresentando alta corrente de fuga. Os círculos abertos são os pontos experimentais e as linhas correspondem às curvas calculadas. Para melhor visualização, o painel inferior mostra na ordenada o módulo da corrente em escala logarítmica. .................................................................................................. 89
7.8 – Resultado da simulação da característica IxV de um diodo de junção p-n que apresenta baixa corrente de fuga. Os círculos abertos são os pontos experimentais e as linhas correspondem às curvas calculadas. Para melhor visualização, o painel inferior mostra na ordenada o módulo da corrente em escala logarítmica. .................................................................................................. 90
7.9 – Espectro de transmissão na região do infravermelho para a janela de BaF2 do criostato e para o substrato clivado de BaF2 utilizado para o crescimento. ........... 94
7.10 – Resposta espectral do detector de junção p-n de PbTe........................................ 95 7.11 – Relação entre o inverso do ruído medido com o pré-amplificador e resistência
paralela para os detectores de PbTe........................................................................ 96 7.12 – Detectividade em função da resistência paralela para os detectores
fotovoltaicos de PbTe. ............................................................................................ 97 7.13 – Detectividade em função do produto R0A para os detectores fotovoltaicos de
PbTe........................................................................................................................ 97
LISTA DE TABELAS
2.1 – Espectro eletromagnético para região do infravermelho....................................... 30 2.2 – Propriedades gerais dos principais compostos IV-VI, BaF2 e Si: energia do gap
(Eg) a 300 e a 77K, constante de rede (a), densidade (ρv), coeficiente de expansão térmico linear (β), massa atômica (M) e temperatura de fusão (TF)....... 35
6.1 – Propriedades elétricas a 300 e 77K das camadas de referência crescidas visando à obtenção do PbTe com caráter p. O fluxo de Te (FTe) controlado pela temperatura da respectiva célula (TTe) e a temperatura do substrato (Tsub) foram os principais parâmetros de crescimento variados durante o procedimento. A temperatura da célula de PbTe ficou fixa em 640oC. ............................................. 71
6.2 – Propriedades elétricas a temperatura ambiente e em nitrogênio líquido das camadas referência de PbTe tipo-n dopadas com bismuto. O fluxo da célula de Bi2Te3 (FBi2Te3) obtido na temperatura TBi2Te3 foi o principal parâmetro variado nesta série. As temperaturas do substrato, da célula de PbTe, e da célula de Te ficaram fixas em 290, 640, e 276oC, respectivamente. .......................................... 72
6.3 – Dados das junções p-n crescidas para a fabricação dos fotodiodos. A espessura t corresponde às duas camadas (p+n), tp à camada p e tn à camada n. Ref p e Ref n correspondem às camadas utilizadas como referência para o crescimento da junção p-n, enquanto os valores p e n são as concentrações de buracos e elétrons a 77K das respectivas camadas referências. O Tipo é a nomenclatura utilizada para se referir à variação da concentração de elétrons na junção........................... 72
7.1 – Concentração de buracos p e largura da região de depleção w em V = 0 e V = -0,4V, obtidos através da caracterização CxV (* V = -0,2V). ................................. 82
7.2– Dados obtidos da caracterização IxV: resistência incremental diferencial R0, produto resistência incremental vezes a área R0A, fator de idealidade nid, resistência em série Rs e em paralelo Rp ao diodo. ................................................. 91
7.3 – Detectividade D* dos detectores de PbTe medida diretamente e com o pré-amplificador. VS, VN, e VS/VN correspondem à tensão do sinal, do ruído, e à relação sinal-ruído, respectivamente. ..................................................................... 93
LISTA DE SÍMBOLOS
Φ - Fluxo de fótons
ν - Freqüência
η - Eficiência quântica
∆f - Largura de banda do amplificador
∆k - Diferença em número de onda
β - Coeficiente de expansão térmico linear
κ - Constante dielétrica
λ - Comprimento de onda
λmax - Comprimento de onda máximo para emissão de um corpo negro
µ - Mobilidade
π - Número PI
θ - Ângulo de incidência
ρ - Resistividade
ρv - Densidade volumétrica
σ - Constante de Stefan-Boltzmann
ε0 - Permissividade elétrica no vácuo
A - Área do dispositivo
a - Constante de rede
As - Abertura da cavidade do corpo negro
B - Campo magnético
Bz - Campo magnético na direção z
C - Capacitância
c - Velocidade da luz
Ce - Capacitância específica
d - Distância
D - Detectividade
D* - Detectividade normalizada
Dλ* - Detectividade espectral
E - Campo elétrico
e - Carga do elétron
Ec - Energia da banda de condução
Eg - Energia do gap
Ev - Energia da banda de valência
Ey - Campo elétrico na direção y
F - Força
f - Fator de van der Pauw
FBi2Te3 - Fluxo de telureto de bismuto
Fm - Fator de transferência do modulador mecânico
FTe - Fluxo de telúrio
Fy - Força na direção y
G - Condutância
h - Constante de Planck
H - Densidade de potência irradiada
I - Corrente
I0 - Corrente de saturação
Iph - Fotocorrente
J - Densidade de corrente
Jx - Densidade de corrente na direção x
kB - Constante de Boltzmann
L - Distância entre contatos
M - Massa atômica
m - Mínimos ou máximos das franjas de interferência
n - Concentração de elétrons por unidade de volume
nid - Fator de idealidade
nr - Índice de refração
p - Concentração de buracos por unidade de volume
Q - Razão das resistências
R - Resistência
R0 - Resistência diferencial incremental
RH - Coeficiente Hall
RP - Resistência em paralelo
RS - Resistência em série
T - Temperatura em Kelvin
t - Espessura
TBB - Temperatura do corpo negro
TBi2Te3 - Temperatura do telureto de bismuto
TF - Temperatura de fusão
Tsub - Temperatura do substrato
TTe - Temperatura do telúrio
v - Velocidade
V - Tensão
Vb - Potencial da barreira
VN - Tensão de ruído
VS - Tensão de sinal
Vth - Tensão térmica
vx - Velocidade na direção x
vy - Velocidade na direção y
w - Largura da camada de depleção
y - Composição atômica
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
a.m.u. - Atomic Mass Unit
DC - Direct Current
DMM - Digital Multimeter
DUT - Device Under Test
FAPESP - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo
FCC - Face Centered Cubic
FOV - Field of View
FTIR - Fourier Transformer Infrared
HP - Hewlett Packard
IEEE-488 - Institute of Electrical and Electronics Engineers
INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
LAS - Laboratório Associado de Sensores e Materiais
MBE - Molecular Beam Epitaxy
NEP - Noise Equivalent Power
PC - Personal Computer
PCI - Peripheral Component Interconnect
RHEED - Reflection High Energy Electron Diffraction
RS232 - Recommended Standard 232
27
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
O telureto de chumbo (PbTe) pertence à família dos compostos semicondutores do
grupo IV-VI, e por possuir uma largura da banda proibida estreita, torna-se interessante
para aplicação em dispositivos operantes no infravermelho termal. Os dispositivos de
infravermelho podem ser aplicados em uma gama muito ampla de situações. Como
exemplo temos o controle de poluentes, sensoriamento remoto, termografia,
diagnósticos médicos, monitoramento de temperatura à distância, além da investigação
de propriedades e fenômenos em diversos ramos da ciência (Hudson, 1969).
O grupo do LAS/INPE tem larga tradição na pesquisa em compostos IV-VI. O trabalho
iniciou-se em 1978 com o crescimento de monocristais da liga telureto de chumbo e
estanho utilizando a técnica Brigdman e vapor-líquido-sólido. As primeiras junções p-n
foram fabricadas por técnicas de difusão (An et al., 1985). Com a implantação de um
sistema para epitaxia a partir da fase líquida em 1984, detectores fotovoltaicos (Ferreira,
1988) e lasers semicondutores (Abramof, 1988) foram fabricados a partir de camadas
epitaxiais crescidas sobre substratos monocristalinos de PbTe. Em 1987, a técnica de
epitaxia de paredes quentes desenvolvida na Universidade de Linz na Áustria (Lopez-
Otero, 1978) foi também implementada no LAS/INPE. Esta técnica permitia um melhor
controle das propriedades elétricas das camadas crescidas e interfaces mais abruptas na
formação da junção p-n (Abramof et al., 1989; Abramof et al., 1990). O grupo liderado
por Hans Zogg do Instituto Federal de Tecnologia (ETH) em Zurique na Suíça passou a
desenvolver arranjos de detectores de compostos IV-VI sobre substratos de silício
usando camadas intermediárias de fluoretos crescidos por epitaxia de feixe molecular,
propiciando um grande avanço na área (Zogg et al., 1989; Zogg et al., 1991; Zogg et al.,
1994; Zogg, 1999). Usando o mesmo procedimento, detectores fotovoltaicos de PbTe
sobre Si foram fabricados pelo nosso grupo usando a técnica de paredes quentes
(Boschetti et al., 1993). Em 1995, um sistema comercial de crescimento de ultra alto
28
vácuo para técnica de epitaxia de feixe molecular foi adquirido da firma francesa Riber
e instalado no LAS/INPE. Esta técnica permite o controle do crescimento ao nível de
uma monocamada atômica tornando também possível o crescimento de estruturas com
multicamadas.
Este trabalho de mestrado visa à caracterização elétrica de junções p-n de PbTe
crescidas por epitaxia de feixe molecular sobre substratos de fluoreto de bário para
aplicação em detectores fotovoltaicos na faixa do infravermelho médio. Para isto, um
sistema automatizado de medidas de corrente por tensão e capacitância por tensão será
implementado. Os diodos tipo mesa serão fabricados por técnicas de litografia. As
características elétricas e as figuras de mérito dos fotodiodos fabricados a partir de
diferentes junções p-n serão estudadas em função da concentração de portadores das
camadas constituintes com o objetivo de otimizar o desempenho do dispositivo.
A dissertação se encontra organizada da seguinte forma. O Capítulo 2 apresenta os
fundamentos da radiação infravermelha, o princípio de funcionamento de um detector
fotovoltaico, e as propriedades gerais dos compostos semicondutores do grupo IV-VI. A
técnica e o sistema de epitaxia por feixe molecular são mostrados em detalhe no
Capítulo 3. O Capítulo 4 descreve as técnicas de caracterização das camadas epitaxiais
incluindo medidas de espessura e medidas de efeito Hall e resistividade. As técnicas de
caracterização elétrica e óptica do dispositivo são mostradas no Capítulo 5, onde o
sistema implementado para medidas de corrente por tensão e capacitância por tensão é
explicado e as medidas das figuras de mérito (detectividade e resposta espectral) do
detector são detalhadas. O Capítulo 6 explica como foram crescidas as junções p-n,
mostrando os parâmetros de crescimento das camadas de referência, e também
apresenta as técnicas de litografia utilizadas na fabricação do dispositivo final. O
Capítulo 7 apresenta os resultados da caracterização dos fotodiodos e mostra a
correlação entre os parâmetros obtidos das características elétricas e as figuras de mérito
do detector. As conclusões do trabalho realizado são finalmente relatadas no Capítulo 8.
29
CAPÍTULO 2
RADIAÇÃO INFRAVERMELHA E PROPRIEDADES DOS COMPOSTOS
IV-VI
As características do espectro eletromagnético na região do infravermelho, os
fundamentos da radiação de um corpo negro, e o princípio de funcionamento de um
detector fotovoltaico são descritos neste capítulo. As propriedades gerais dos compostos
semicondutores do grupo IV-VI, que são utilizados na fabricação de dispositivos
operantes na região do infravermelho, também são aqui detalhadas.
2.1 Detectores de Radiação Infravermelha
A maior parte dos sistemas de infravermelho é obrigado a enxergar seus alvos através
da atmosfera terrestre. Antes de alcançar o sensor de infravermelho, o fluxo radiante
emitido pelo alvo é seletivamente absorvido por certos gases da atmosfera. Na porção
infravermelha do espectro eletromagnético, o processo de absorção torna-se mais
problemático que o processo de dispersão.
FIGURA 2.1 – Transmitância atmosférica na região do infravermelho.
30
A transmitância espectral medida através de 2 km de atmosfera em caminho horizontal
ao nível do mar é mostrado na Figura 2.1. A molécula responsável por cada banda de
absorção, como vapor de água, dióxido de carbono, ou ozônio, é mostrado na parte
inferior da Figura 2.1 (Hudson, 1969). Percebe-se claramente neste espectro que
existem algumas “janelas”, onde a atmosfera terrestre permite a passagem de grande
parte da radiação infravermelha. De acordo com as janelas atmosféricas existentes, a
região do infravermelho é usualmente dividida conforme mostrado na Tabela 2.1, onde
estão relacionados para cada porção do infravermelho a respectiva faixa de freqüência e
o comprimento de onda.
TABELA 2.1 – Espectro eletromagnético para região do infravermelho.
Freqüência
(THz)
Comprimento de onda
(µm)
Muito Distante (XIR) 0,3 – 20 1000 – 15
Distante (FIR) 20 – 50 15 – 6
Médio (MIR) 50 – 100 6 – 3 Infravermelho
Próximo (NIR) 100 – 400 3 – 0,75
Todo corpo a uma temperatura T>0K emite radiação eletromagnética. O corpo negro é
definido como um corpo capaz de absorver toda a radiação incidente sobre o mesmo. E
como todo bom absorvedor é um bom emissor, o corpo negro é o melhor emissor de
radiação funcionando como padrão de referência.
Durante a realização deste trabalho utilizaremos dois tipos de fonte de infravermelho: o
corpo negro e a fonte glowbar. Torna-se importante então conhecer uma propriedade
térmica do corpo negro, a quantidade de energia emitida em uma determinada
temperatura. De acordo com a lei de Stefan-Boltzmann, a densidade de potência
irradiada por um corpo negro é proporcional à quarta potência de sua temperatura
absoluta, ou seja
4TH σ= (σ = 5,67 x 10-12 Wcm-2K-4), (2.1)
onde σ é a constante de Stefan-Boltzmann.
31
O comprimento de onda máximo λmax de emissão de um corpo negro a uma determinada
temperatura T segue a lei de deslocamento de Wien dada por
λmax T = 2897,8 µmK. (2.2)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200,0
0,2
0,4
0,6
0,8
900 K
300 K
Hλ (W
cm
-2µm
-1)
Comprimento de onda (µm)
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
Hλ (1
0-3 W
cm
-2µm
-1)
FIGURA 2.2 – Espectros de emissão de um corpo negro a 300 e a 900K calculados a
partir da lei de Planck.
A distribuição espectral de um corpo negro só foi completamente compreendida a partir
do formalismo da mecânica quântica. A equação de Planck para a distribuição da
radiação do corpo negro é
−
=
1
2
5
2
Tkhc
Be
hcHλ
λ
λ
π (2.3)
onde h é a constante de Planck, c a velocidade da luz, e kB a constante de Boltzmann.
A Figura 2.2 mostra a densidade de potência espectral Hλ em função do comprimento
de onda, calculada pela lei de Planck (Equação 2.3) para um corpo negro a 900 e a
300K. Observe que o pico de emissão de um corpo à temperatura ambiente se localiza
32
por volta de 10 µm, enquanto que à temperatura de 900K em 3,2 µm. Estes valores
podem ser facilmente obtidos da lei de Wien na Equação 2.2.
O detector de infravermelho é um dispositivo capaz de converter a radiação
infravermelha incidente em alguma grandeza mensurável (Hudson, 1969). De acordo
com o mecanismo físico envolvido no processo de detecção, temos os detectores
térmicos e os detectores quânticos. Nesse trabalho estudaremos as características dos
detectores quânticos, em especial o detector fotovoltaico, ou também conhecido como
fotodiodo, que transforma a radiação incidente em tensão (ou corrente) elétrica.
FIGURA 2.3 – Diagrama de energia de uma junção p-n.
O fotodiodo consiste em uma junção p-n, onde ocorre a formação de uma zona de
transição entre uma região de material semicondutor cuja condutividade elétrica é
dominada por portadores de carga tipo-n (elétrons) e uma região cuja condutividade é
dominada por portadores de carga tipo-p (buracos), conforme ilustrado na Figura 2.3
Esta zona de transição é conhecida como região de depleção. A largura da região de
depleção w e a simetria dessa região dependem dos processos de fabricação e dos
materiais envolvidos. Se a concentração de portadores, elétrons por exemplo, varia
lentamente ao longo de uma distância w relativamente ampla, entre o valor máximo do
lado n e o mínimo do lado p, a junção é chamada gradual.
33
No outro extremo, quando essa variação é brusca e a região w estreita, tem-se uma
junção abrupta. No caso da concentração de portadores ser muito maior em um dos
lados da junção, a região de depleção localiza-se praticamente no lado de menor
concentração, e assim temos a junção abrupta de um único lado. A região de depleção, é
caracterizada pela existência em seu interior de um forte campo elétrico E. Este campo é
devido à existência de cargas elétricas fixas na rede cristalina, originadas pela depleção
de portadores livres que durante a formação da junção se difundiram para o lado oposto.
No equilíbrio, forma-se uma barreira de potencial, eVB, que impede a difusão
continuada de portadores majoritários de um lado para o outro.
Quando os semicondutores dos dois lados da junção são do mesmo material e a região
de transição de n para p é brusca, tem-se uma homojunção p-n abrupta, cujas
propriedades físicas são mais facilmente estudadas e formam a base de operação de
grande parte dos dispositivos semicondutores.
No grupo de detectores quânticos existe uma interação direta entre os fótons incidentes
e os elétrons do material. Quando a radiação incidente é tal que, a energia do fóton é
igual ou maior que o intervalo de energias proibidas do material (energia do gap,
Eg=Ec-Ev na Figura 2.3), o fóton é absorvido, gerando um par elétron-buraco. Isto
conseqüentemente aumenta a concentração de portadores livres na banda de condução e
valência, respectivamente (Boschetti, 2002).
Os fótons incidentes produzem pares elétron-buraco que são separados pelo campo
elétrico presente na junção, e assim geram uma foto-voltagem. Supondo que um fluxo
Φ de fótons (cm-2s-1) com energia hν > Eg, incida sobre o dispositivo, propiciando as
excitações de pares elétrons-buracos em ambos os lados da junção, os portadores
minoritários foto-estimulados a uma certa distância da junção podem, por difusão,
atingir a zona de depleção sendo acelerados pelo campo elétrico para o outro lado da
junção onde podem se recombinar com as impurezas ionizadas. Desta forma cria-se
uma corrente de portadores minoritários, chamada fotocorrente Iph, dada por
Φ= eAI ph η (2.4)
34
onde η é a eficiência quântica do material e representa a quantidade de portadores
excitados por fóton incidente (o valor de η é sempre menor ou igual à unidade), e é a
carga do elétron e A a área sensível ou área de absorção do dispositivo.
Para ser utilizado na fabricação de detectores fotovoltaicos para a região do
infravermelho, o material precisa ter a largura do gap estreita, ou seja, entre 0,1 e 0,3
eV. Além disto, as propriedades elétricas deste material precisam ser controladas para se
obter o material do tipo-p ou do tipo-n, e se conseguir formar a junção p-n mostrada na
Figura 2.3. Os compostos semicondutores do grupo IV-VI possuem estas características
e por isto são utilizados para a fabricação de dispositivos operantes na região do
infravermelho termal (3 - 14 µm).
2.2 Propriedades dos Compostos Semicondutores do Grupo IV–VI
Nesta Secção apresentaremos as propriedades estruturais e elétricas dos principais
compostos IV-VI, também conhecidos como sais de chumbo. Fazem parte desta família,
entre outros, o telureto de chumbo (PbTe), o telureto de estanho (SnTe), o seleneto de
chumbo (PbSe), e o sulfeto de chumbo (PbS). Estes compostos se cristalizam na
estrutura cúbica do cloreto de sódio (NaCl), também denominada sal de rocha ou sal de
gema. Esta estrutura é uma rede cúbica de face centrada (FCC) com uma base
constituída de um átomo metálico na posição (0 0 0) e um átomo de calcogênio na
posição (1/2 0 0), como mostrado na Figura 2.4.
Ela pode ser visualizada como a sobreposição de duas redes FCC deslocadas de metade
da aresta do cubo e cada uma formada por átomos de uma única espécie. A célula
unitária contém oito átomos, sendo quatro de cada espécie. A natureza da ligação
química nestes compostos é considerada predominantemente iônica, com forte
contribuição das forças eletrostáticas entre os ânions metálicos (Ex: Pb2+) e os cátions
de calcogênio (Ex: Te2-).
35
FIGURA 2.4 – Estrutura cristalina dos sais de chumbo (estrutura do sal de rocha).
A Tabela 2.2 fornece a constante de rede a (aresta do cubo da célula unitária)
juntamente com outras propriedades importantes, para os principais compostos binários
IV-VI, e também para o fluoreto de bário (BaF2) e o silício (Si), principais substratos
utilizados para o crescimento epitaxial dos sais de chumbo.
TABELA 2.2 – Propriedades gerais dos principais compostos IV-VI, BaF2 e Si: energia do gap (Eg) a 300 e a 77K, constante de rede (a), densidade (ρv), coeficiente de expansão térmico linear (β), massa atômica (M) e temperatura de fusão (TF).
Composto Eg
300K
(eV)
Eg77K
(eV)
a
(Å)
ρv
(gcm-3)
β
(10-6 K-1)
M
(g)
TF
(°C)
PbTe 0,319 0,215 6,462 8,16 19,8 334,80 930
PbSe 0,278 0,176 6,124 8,15 19,4 286,16 1080
PbS 0,410 0,307 5,936 7,61 20,3 239,27 1113
SnTe 0,280 0,210 6,327 6,45 21,0 246,31 806
BaF2 > 8 > 8 6,200 4,83 19,8 175,32 1280
Si 1,120 1,166 5,431 2,328 2,6 28,09 1415
Devido à simetria de inversão da estrutura cúbica do sal de rocha em adição aos
elementos de simetria da estrutura do sulfeto de zinco (ZnS), a estrutura de bandas dos
sais de chumbo (PbTe, PbSe e PbS) apresenta propriedades peculiares e diferentes dos
materiais semicondutores mais conhecidos (Dimmock et al., 1964). Os extremos das
36
bandas (gap direto) ocorrem no ponto L da zona de Brillouin com as superfícies de
energia constante dadas por elipsóides alongados na forma de charutos com o eixo
principal na direção <111>. Assim, uma estrutura de muitos vales é formada, sendo um
vale longitudinal (paralelo à direção <111>) e três outros vales equivalentes chamados
de oblíquos. As bandas de valência e de condução destes compostos são muito
simétricas, sendo praticamente a imagem especular uma da outra, o que determina
massas efetivas semelhantes entre elétrons e buracos. A relação de dispersão de energia-
momento nestas bandas apresenta uma não parabolicidade. Este fato aliado às pequenas
energias do gap resulta em massas efetivas pequenas tanto para elétrons como para
buracos. Outra característica peculiar dos compostos IV-VI, ao contrário dos outros
semicondutores, está no aumento da energia do gap com o aumento da temperatura. O
coeficiente de temperatura da energia do gap (∂Eg/∂T) para o PbTe é aproximadamente
+0,45 meV/K.
FIGURA 2.5 – Diagrama de fase temperatura versus composição para o composto
Pb1-yTey (painel esquerdo). Este composto só existe em torno da linha estequiométrica (y = 0,5). O diagrama de fase em torno da região estequiométrica é mostrado em uma escala expandida no painel direito.
O diagrama de fase temperatura versus composição y para o composto Pb1-yTey é
mostrado na Figura 2.5. A região de composição na qual o PbTe pode existir (região de
solubilidade) é muito estreita e está representada por uma linha sólida em y = 0,5 no
painel esquerdo da Figura 2.5. Este diagrama é típico para todos os sais de chumbo. Esta
37
região de solubilidade na vizinhança da composição estequiométrica é mostrada em
uma escala expandida para o PbTe no painel inferior da Figura 2.5.
Os defeitos pontuais causados por pequenos desvios da estequiometria determinam as
propriedades elétricas nestes compostos. De acordo com o modelo de defeitos (Parada,
1971), vacâncias de metal ou de calcogêneo criam níveis ressonantes na banda de
valência ou de condução como conseqüência da forte perturbação causada no cristal.
Uma vacância de Pb cria dois buracos na banda de valência, levando a um material tipo-
p, e uma vacância de Te cria dois elétrons na banda de condução, formando um material
tipo-n. Os átomos intersticiais também podem ser eletricamente ativos, o Pb intersticial
contribui com buracos e o Te intersticial é normalmente neutro (Heinrich, 1980).
O monitoramento do desvio da estequiometria é, portanto, utilizado para controlar o tipo
e a concentração de portadores nestes materiais. Dopagens intrínsecas da ordem de
1017 cm-3 são naturalmente obtidas, sendo muito difícil obter materiais com níveis de
dopagem menores que 1016 cm-3. Como as propriedades elétricas são determinadas por
níveis ressonantes dentro das bandas, não há o congelamento de portadores a baixas
temperaturas nestes materiais. A concentração de portadores varia muito pouco com a
temperatura. Devido a este fato e à alta constante dielétrica, que blinda o espalhamento
por impurezas ionizadas, altas mobilidades (106 cm2/V s) são observadas para o PbTe a
baixas temperaturas (T ~ 10K) . Um controle da dopagem nestes materiais pode também
ser conseguido utilizando dopantes externos. O bismuto na forma do telureto de bismuto
(Bi2Te3) é usado com sucesso na dopagem do tipo-n, e será muito utilizado neste
trabalho. Para dopantes extrínsecos do tipo-p, utiliza-se o tálio (Tl) ou o bário (Ba).
38
39
CAPÍTULO 3
EPITAXIA DE FEIXE MOLECULAR
As camadas epitaxiais e as junções p-n relativas ao desenvolvimento deste trabalho
foram crescidas pela técnica de epitaxia de feixe molecular (MBE – Molecular Beam
Epitaxy) utilizando o sistema MBE para compostos IV-VI instalado no LAS/INPE.
Todas as camadas e estruturas foram crescidas sobre substratos de BaF2 clivados no
plano (111). A vantagem na utilização do BaF2 está na proximidade entre o seu
parâmetro de rede e o coeficiente de dilatação térmica em relação aos dos compostos
IV-VI (veja Tabela 2.2), além destes substratos serem disponíveis no mercado com uma
razoável qualidade cristalina.
3.1 Descrição da Técnica e do Sistema MBE
O crescimento por epitaxia de feixe molecular é uma avançada técnica de evaporação de
filmes finos em ultra alto vácuo (pressões de fundo da ordem de 10-10 Torr), onde os
elementos constituintes são evaporados de células de efusão altamente estáveis e
depositados ordenadamente (epitaxia) em um substrato cristalino aquecido (Springholz,
1993; Herman et al., 1996). Esta técnica permite um controle preciso da espessura (ao
nível de uma monocamada atômica), da composição atômica, e de outras propriedades
específicas das camadas crescidas. Devido à utilização de obturadores que abrem e
fecham rapidamente a saída das células de efusão, multicamadas de diferentes materiais
podem ser facilmente crescidas utilizando a técnica MBE, permitindo assim o
desenvolvimento de novos materiais. O controle da formação do filme é normalmente
realizado in situ através da técnica de difração de elétrons refletidos de alta energia
(RHEED - Reflection High Energy Electron Diffraction), que permite investigar a
estrutura atômica da superfície e a dinâmica de crescimento das camadas.
O diagrama do sistema MBE Riber 32P instalado no LAS/INPE, que é utilizado para o
crescimento das amostras de semicondutores do grupo IV-VI, está mostrado na Figura
40
3.1. O sistema é constituído de três câmaras: (1) câmara para introdução de substratos e
retirada de amostras (load lock) que opera em alto vácuo (cerca de 10-6 Torr) mantido
por uma bomba turbo-molecular; (2) câmara de preparação de amostras destinada para
limpeza do substrato (pre-baking) e para tratamentos térmicos nas amostras crescidas
sob condições de ultra-alto vácuo conservado por uma bomba iônica; (3) câmara
principal destinada ao crescimento e mantida a uma pressão da ordem de 10-10 Torr
através de um eficiente sistema de bombeamento composto por uma bomba iônica e de
sublimação de titânio, e de um circuito interno refrigerado por nitrogênio líquido
funcionando como armadilha para vapores residuais. Um segundo circuito de nitrogênio
líquido envolve as células de efusão proporcionando uma isolação térmica entre elas.
Este sistema MBE possui ainda os seguintes acessórios: espectrômetro de massa para
análise de gás residual até 200 a.m.u.; sistema para difração de elétrons de alta energia
(RHEED, 12 keV) para análise dos crescimentos, equipada com câmara de vídeo para a
digitalização dos padrões de RHEED para posterior análise; oscilador de quartzo para
monitoramento dos fluxos.
FIGURA 3.1 – Diagrama esquemático do sistema de epitaxia de feixe molecular (MBE)
instalado no LAS/INPE para o crescimento de compostos IV-VI: vista de cima mostrando as três câmaras do sistema (à direita), e à esquerda detalhes da câmara principal de crescimento.
Na técnica RHEED, um feixe de elétrons de alta energia (10 – 50 keV) incide em
ângulo rasante (< 3o) sobre a superfície da amostra e é espalhado sobre uma tela
41
fluorescente de fósforo. Devido a bi-dimensionalidade da superfície, os pontos da rede
recíproca se transformam em bastões, e os padrões RHEED na tela podem ser
entendidos como a interseção destes bastões com a superfície da esfera de Ewald
determinada pelo vetor de onda dos elétrons incidentes. A geometria rasante, a alta
sensibilidade à superfície e a compatibilidade ao ultra-alto vácuo fizeram da técnica
RHEED uma ferramenta indispensável e amplamente utilizada para a investigação in
situ dos processos envolvidos no crescimento epitaxial MBE. Através dos padrões
RHEED obtidos, o modo e a qualidade do crescimento e a reconstrução da superfície
podem ser determinados.
Durante este trabalho de mestrado, as células de efusão do sistema MBE contendo PbTe,
Te e Bi2Te3 foram usadas para o crescimento das camadas de referência e as junções p-n
destinadas à fabricação do fotodiodo detector de infravermelho. O fluxo molecular
oriundo de cada célula de efusão é medido separadamente em um monitor de fluxo tipo
Bayer-Alpert e é utilizado como principal parâmetro de crescimento, juntamente com a
temperatura do substrato. Este monitor de fluxo está localizado no complexo
manipulador de amostras, onde também se encontra o sistema para aquecimento do
substrato que permite atingir temperaturas de até 1000oC. O composto Bi2Te3 é
utilizado para a dopagem extrínseca tipo-n, tornando possível obter camadas com altas
concentrações de elétrons (até 1020 cm-3). As camadas tipo-p foram obtidas através do
controle do desvio da estequiometria variando-se o fluxo de Te adicional.
3.2 Programa de Controle e Aquisição de Dados para o Sistema MBE
A principal contribuição realizada durante este trabalho de mestrado para o sistema
MBE do LAS/INPE foi o desenvolvimento e a implementação de um programa de
controle e aquisição de dados operando em ambiente Windows.
O sistema de crescimento MBE Riber 32P foi adquirido pelo LAS/INPE em 1995
juntamente com um programa de controle desenvolvido pelo fabricante Riber em um
sistema operacional chamado NextStep. Depois de todos estes anos de operação, o
sistema operacional NextStep saiu do mercado e o programa de controle do sistema
MBE se tornou obsoleto. Como não possuíamos o código fonte do programa, o
42
microcomputador para controle do MBE não podia ser trocado, e qualquer manutenção
era complicada e dispendiosa.
Além disto, os controladores de temperatura das células de efusão (marca Eurotherm)
também passaram a apresentar muitos problemas devido ao tempo de uso.
Freqüentemente eles paravam de funcionar, proporcionando um alto custo de
manutenção. O grupo de pesquisa do MBE decidiu enfim substituir esses controladores
por modelos mais robustos e modernos. Controladores de temperatura da marca Watlow
(série 96) foram então adquiridos para substituir os antigos Eurotherm EP9000.
Com a substituição dos controladores de temperatura, o programa de controle da Riber
no sistema NextStep teve que ser abandonado. Utilizando a experiência adquirida no
desenvolvimento dos programas de controle para os sistemas de medidas elétricas
(efeito Hall, corrente e capacitância por tensão), descritos no próximo Capítulo,
decidimos implementar um programa de controle e aquisição de dados para o sistema
MBE desenvolvido para ambiente Windows na plataforma Visual Basic 6.0.
O controle do sistema de crescimento MBE é feito através de duas interfaces seriais
(RS232), uma para controle de abertura e fechamento dos obturadores das células de
efusão e outra para a comunicação com os controladores de temperatura das mesmas. O
primeiro passo foi aprender a comunicar com o controlador dos obturadores e
desenvolver um programa preliminar para controlá-los. O próximo passo consistiu em
aprender a operar e comunicar através da interface serial (RS482/RS232) com os
controladores Watlow utilizando o protocolo MODBUS e desenvolver programas testes.
Depois de ter dominado a comunicação com o controlador dos obturadores e com os
controladores de temperatura, passou-se a desenvolver o programa geral de controle e
aquisição de dados para o nosso sistema MBE. Para se chegar a um programa amigável
aos usuários, os diversos pesquisadores/operadores da máquina foram consultados sobre
as suas necessidades.
O formulário do programa implementado em Visual Basic na sua versão atual é
mostrado na Figura 3.2. O programa permite ler e escrever os parâmetros do controlador
de temperatura de todas as células de efusão instaladas, do manipulador de amostra e do
43
forno da câmara de preparação. A cada controlador é associada uma cor para facilitar a
visualização no formulário. Os obturadores das células de efusão podem ser abertos ou
fechados a qualquer momento, clicando nos botões da coluna Sh do quadro Parameters
Table. A temperatura desejada para cada célula pode ser mudada, escrevendo-se o valor
nas caixas da coluna SetPoint e clicando duas vezes. As temperaturas medidas são
dispostas em tempo real na coluna Measure. A porcentagem da potência máxima que
cada controlador está enviando é mostrada em tempo real na coluna %Power.
FIGURA 3.2 – Formulário do programa de controle e aquisição de dados desenvolvido
para o sistema de crescimento epitaxial por feixe molecular.
Os parâmetros da malha de controle podem ser modificados e lidos no quadro
EffusionCell. Para acessar cada controlador basta clicar no nome da célula na coluna
Name do quadro Parameters Table. Os seguintes parâmetros podem ser controlados:
banda proporcional (P), tempo integral (I), taxa derivativa (D), o set point máximo e
mínimo, a máxima potência enviada pelo controlador (Pmax). Além disto, pode-se
colocar ou retirar o controlador do modo de auto-sintonia clicando no botão Auto Tune,
44
e programar rampas e patamares para cada célula. Cada mudança realizada é mostrada
no quadro Register List juntamente com o horário exato em que a mudança foi
realizada. No quadro Chart, todas as temperaturas são mostradas no gráfico em função
do tempo, a partir do momento que se inicia o programa. Os valores de temperatura e
tempo das últimas duas horas podem ser armazenados. As curvas podem ser dispostas
com pontos ou linhas, com grade ou sem grade e ampliações no gráfico podem ser
obtidas a qualquer momento. Um programa para crescimento de multicamadas, onde o
tempo e o número de aberturas dos obturadores das células desejadas podem ser
estipulados, também foi desenvolvido. Este programa permite o crescimento de
estruturas mais complexas, que não são objetos de estudo neste trabalho, mas de outros
pesquisadores do grupo.
O desenvolvimento do código fonte em Visual Basic do programa de controle e
aquisição de dados proporciona uma grande autonomia na operação do sistema MBE.
Como se trata de um desenvolvimento próprio, a instalação de novos equipamentos no
MBE fica agora possível de ser realizada, além de permitir atualizações e adaptações no
programa.
45
CAPÍTULO 4
TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DAS CAMADAS
Antes do crescimento das junções p-n para a confecção do dispositivo final é necessário
caracterizar as camadas de referência crescidas no MBE. Neste Capítulo são descritas as
técnicas de medidas de espessura, resistividade e efeito Hall.
4.1 Medidas de Espessura
A espectroscopia de transformada de Fourier no infravermelho é tradicionalmente usada
para a caracterização óptica em compostos IV-VI que possuem a energia do gap
estreita. Os espectros de transmissão e/ou reflexão são normalmente utilizados para a
determinação da espessura e da energia do gap em camadas epitaxiais simples destes
materiais. O valor da espessura das camadas é um parâmetro importante utilizado
durante o cálculo das medidas de resistividade e efeito Hall. Como a amostra tem que
ser processada após a determinação da sua espessura, a técnica de espectroscopia de
Fourier se mostrou vantajosa por ser uma técnica de medida não destrutível.
O espectrofotômetro de transformada de Fourier no infravermelho (Perkin-Elmer -
FTIR 1600) mede em uma faixa espectral entre 4500 e 450 cm-1 e possui o acessório de
refletância especular de ângulo variável. Para todas as medidas de refletância foi
escolhido o ângulo θ = 45º. A Figura 4.1 mostra, como exemplo, o gráfico da refletância
em função do número de onda, medido neste equipamento, para uma camada de PbTe
crescida por MBE sobre BaF2. Observa-se nitidamente no espectro quatro franjas de
interferências bem definidas, mostrando a qualidade óptica das camadas crescidas.
A espessura t do filme é determinada através da separação em número de onda (∆k)
entre m mínimos (ou máximos) das franjas de interferência observadas no espectro de
reflexão, conhecendo-se o índice de refração do material (nr) no comprimento de onda
utilizado na medida.
46
A relação abaixo é então utilizada para determinar a espessura t
θ222 sennk
mtr −∆
= (4.1)
No espectro de reflexão da Figura 4.1, o primeiro mínimo se encontra em 2661cm-1 e o
último mínimo em 636 cm-1, dando um valor ∆k = 2025 cm-1 e m = 4. Como o índice de
refração do PbTe nesta faixa de freqüência é nr = 5,73 e o ângulo de incidência utilizado
foi θ = 45º, obtém-se através da Equação 4.1 uma espessura t de 1,74 µm para esta
camada de PbTe. A espessura de todas as camadas de PbTe crescidas foi determinada
utilizando este procedimento.
4000 3000 2000 10000
20
40
60
80
Ref
lexã
o (%
)
Número de onda (cm-1) FIGURA 4.1 – Espectro de reflexão de um filme de PbTe crescido sobre BaF2 obtido
por medidas no FTIR. A espessura do filme é obtida através da separação entre os extremos das franjas de interferência observadas no espectro, conhecendo-se o índice de refração do material.
Outra técnica utilizada durante deste trabalho para a determinação de espessuras foi a
perfilometria. O perfilômetro é um equipamento de medida que gera um perfil da
superfície da amostra. Uma ponta (stylus) toca a superfície da amostra e corre através de
uma largura pré-definida. Esta ponta está presa a um braço que é conectado a um cristal
piezelétrico. A variação de altura na ponta é medida pela variação do sinal elétrico no
cristal. O equipamento utilizado para esta medida foi o perfilômetro Alpha-Step 500 da
47
Tencor instalado no LAS/INPE. Esta técnica de medida de espessura foi utilizada no
trabalho para verificar a altura final do contato de Au evaporado por feixe de elétrons e
a altura da estrutura mesa formada durante o ataque químico durante o processo de
fabricação do dispositivo que será descrito na Secção 6.2.
4.2 Efeito Hall e Resistividade
As medidas de resistividade e efeito Hall são utilizadas para determinar as propriedades
elétricas dos materiais semicondutores. Através desta medida podemos determinar o
tipo (elétrons ou buracos), a concentração (densidade volumétrica) e a mobilidade dos
portadores de carga majoritários em um semicondutor.
4.2.1 Descrição do Efeito Hall
A força de Lorentz é o principio básico que está por trás do efeito Hall (Kittel, 1976;
Ashcroft et al., 1976). Quando uma partícula carregada se move com uma velocidade v
na presença de um campo magnético externo B, ela sofre uma força
F = e (v × B), (4.2)
onde as letras em negrito representam grandezas vetoriais e e é a carga do elétron.
FIGURA 4.2 – Esquema de uma amostra utilizada para medir o efeito Hall.
Na condição particular em que a corrente flui ao longo do eixo x e o campo magnético é
aplicado na direção z, como mostrado na Figura 4.2, a força resultante será na direção y,
zxy BevFF == (4.3)
Jx
Ey
v
Bz
x
y z
48
Esta força desvia a trajetória dos portadores de carga na direção dada pela regra da mão
direita, como indicado na linha tracejada da Figura 4.2. O fluxo de carga na direção y
(transversal à direção da corrente elétrica e ao campo magnético aplicados) leva a uma
acumulação de carga na face lateral da barra, gerando um campo elétrico Ey. Este
campo, chamado de campo Hall, se contrapõe à força de Lorentz até que se estabeleça o
equilíbrio e a corrente elétrica continue a fluir somente na direção x (vy = 0). Nesta
condição temos
yzx eEBev = (4.4)
ou seja,
zxy BvE = (4.5)
A densidade de corrente na direção x é dada por
nevJ xx −= , (4.6)
onde n é a concentração de portadores de carga por unidade de volume. O coeficiente
Hall (RH) é definido como o valor do campo Hall (Ey) dividido pela densidade de
corrente na direção x (Jx) e a intensidade do campo magnético aplicado (Bz), ou seja,
zx
yH BJ
ER = (4.7)
Utilizando os valores de Jx e Ey dados pelas equações 4.5 e 4.6, obtemos
neRH
1−= (4.8)
Portanto, a concentração de portadores n do material investigado pode ser determinada a
partir dos valores medidos das grandezas envolvidas no experimento Hall (Jx, Bz, Ey). É
importante observar que o sinal do coeficiente Hall traz informação sobre o tipo de
portador majoritário. Desta maneira, a medida Hall nos fornece o tipo (elétrons ou
49
buracos) e a concentração de portadores majoritários do material investigado. A
mobilidade µ dos portadores pode também ser obtida através da seguinte relação
ρµ HR
= , (4.9)
conhecendo-se ou medindo-se a resistividade da amostra
x
x
JE
=ρ (4.10)
A realização da medida de efeito Hall utilizando a configuração da barra Hall, mostrada
na Figura 4.2, é limitada pela precisão na determinação das dimensões da barra (largura,
comprimento, e espessura) e pela dificuldade em fazer os contatos elétricos neste tipo de
geometria. Para realizar esta medida em filmes finos, normalmente, a geometria Hall é
delineada por técnicas de litografia e ataque químico, de forma a propiciar um controle
preciso das dimensões e facilitar a confecção de contatos ôhmicos (ASTM, F76-84). No
entanto, o método de van der Pauw, que foi desenvolvido para amostras laminares de
forma arbitrária, é mais simples e, por isso, comumente utilizado para medidas de
resistividade e efeito Hall em filmes finos.
4.2.2 Método van der Pauw
L.J. van der Pauw propôs um movo método para medida da resistividade e do
coeficiente Hall para amostras laminares com formato arbitrário (van der Pauw, 1958).
Na configuração de van der Pauw, quatro contatos pequenos e ôhmicos são feitos nas
extremidades de uma amostra, conforme desenho da Figura 4.3. Esta amostra pode ter
uma forma arbitrária, mas precisa ter uma espessura t homogênea, ser laminar (t << L,
onde L é qualquer distância entre os contatos), e ter uma superfície simplesmente
conexa, ou seja, não apresentar buracos.
50
FIGURA 4.3 – Desenho da configuração de van der Pauw.
Para a determinação da resistividade, aplica-se corrente elétrica em contatos adjacentes,
mede-se a tensão gerada nos outros dois contatos, e calculam-se as resistências da
seguinte forma:
12
432
→
→=IV
R , 23
144
→
→=IV
R , 4
2
RR
Q = (4.11)
A resistividade é então obtida pela fórmula
( )
+
=
22ln42 RRtQf πρ (4.12)
onde t é a espessura da amostra em cm e f(Q) é uma função adimensional (função de
van der Pauw), que depende da geometria da amostra e da disposição dos contatos sobre
a mesma, dada pela razão das resistências Q pela seguinte relação:
=
+−
fehf
2ln
5,0arccos2ln1
1 (4.13)
Para a medida do coeficiente Hall, aplica-se corrente em contatos opostos e mede-se a
tensão nos outros contatos com e sem (ou invertendo) o campo magnético. Com o
campo (+B),
1
2 4
3
1
2 4
3
51
24
311
→
→+ =IVR (4.14)
e invertendo o campo (-B),
24
311
→
→− =IVR (4.15)
O coeficiente Hall é então dado por:
−
=
−+
210R 11
8
HRR
Bt (4.16)
onde t é a espessura da amostra em cm, B é a intensidade do campo magnético em
Gauss. A mobilidade Hall é então calculada pela Equação 4.9. Normalmente é feita,
tanto para a resistividade quanto para o coeficiente Hall, uma média entre as medidas
nos diversos contatos com a corrente fluindo nos dois sentidos.
Neste trabalho, as medidas das propriedades elétricas das camadas de PbTe foram
realizadas no sistema de resistividade e efeito Hall automático e dependente com a
temperatura instalado no LAS/INPE, conforme descreve a próxima Secção.
4.2.3 Sistema para Medidas de Resistividade e Efeito Hall
Um diagrama do sistema automatizado para medidas de resistividade e efeito Hall que
se encontra atualmente instalado no LAS/INPE é mostrado na Figura 4.4. As medidas
propriamente ditas são feitas através do sistema Hall Keithley 80A. Este sistema
consiste dos equipamentos com interface paralela IEEE-488 que se encontram dentro do
quadrado pontilhado da Figura 4.4.
Uma fonte de corrente programável Keithley modelo 228A é utilizada para fornecer
corrente durante as medidas. A carta de efeito Hall modelo 7065 é alojada dentro do
sistema de chaveamento modelo 7001 e é utilizada para chavear a corrente da fonte para
a amostra e para entregar os sinais de teste da amostra Hall para a instrumentação de
medida. Esta carta contém amplificadores DC sensíveis e todo o chaveamento
52
necessário para se fazer medidas em materiais de alta ou baixa resistividade. As leituras
de tensão são feitas pelo multímetro digital Keithley (DMM 199/1992) e o
picoamperímetro modelo 485 mede a corrente que realmente flui através da amostra.
FIGURA 4.4 – Diagrama do sistema de medidas de resistividade e efeito Hall.
Durante este trabalho, utilizando os recursos de um auxílio FAPESP (Proc. No
00/12529-6), foi implementada uma melhoria neste sistema de medidas Hall. Um novo
criostato de circuito fechado de He (Displex CSA-202, Advanced Research System) foi
comprado para substituir o antigo que já apresentava vários problemas. O novo criostato
é equipado com controlador de temperatura PID com sintonia automática e interface
IEEE-488 (Lakeshore 303 Autotune) que permite realizar medidas entre 10 e 450K. O
criostato possui ainda uma jaqueta de vácuo própria para uso em eletroímã (35mm) que
possibilitou um aumento do campo magnético de 5300 para aproximadamente 7200
Gauss. Uma fonte de potência Walker Scientific (modelo HS-525-4SS, 25A-50V DC)
que fornece corrente para o eletroímã Walker Scientific HV4W foi também adquirida e
instalada. Esta fonte se apresenta equipada com interface IEEE-488, inversão semi-
automática de corrente, saída analógica de 0-10V e controle universal de campo
Controlador de temperatura
Lakeshore 303
Multímetro Digital DMM
199
Picoamperímetro 485
Fonte programável de corrente 228A
Fonte Eletroímã ± B (HS525)
Carta de Efeito Hall 7065
Sistema de chaveamento 7001
PC
IEEE 488
Bomba de vácuo
B B
53
constituído de Gaussmeter, ponta de prova e interface com a fonte de potência. Uma
placa IEEE-488 da Keithley para slot PCI e um novo computador de controle do sistema
Hall também foram instalados.
A Figura 4.5 mostra uma fotografia do sistema de medidas de resistividade e efeito Hall
do LAS/INPE depois de instalados os novos equipamentos. Nesta configuração todos os
equipamentos passaram a possuir interface IEEE-488, facilitando muito a comunicação
com o microcomputador. O programa de controle das medidas Hall foi modificado e
atualizado para a linguagem Visual Basic 6.0. Este programa se apresentou bem
amigável ao usuário, facilitando as medidas de rotina, além das medidas mais
complexas que visam à determinação das propriedades elétricas (resistividade,
concentração de portadores e mobilidade Hall) em função da temperatura.
FIGURA 4.5 – Fotografia do sistema para medidas de resistividade e efeito Hall
instalado no LAS/INPE.
No formulário inicial do programa é necessário inserir o valor da espessura da amostra,
além de escolher se a medida vai ser realizada em temperatura fixa ou dependente da
temperatura. No formulário principal, onde é iniciada a medida e visualizam-se os
resultados, é necessário inserir a corrente de medida desejada, e, caso a medida for
dependente da temperatura, os dados são visualizados em tempo real em gráficos
específicos. O programa possui um formulário para medida da resistividade entre os
54
contatos para observar se existe resistência de contato em algum deles, ou seja, se a
solda de cada contato está bem feita. Outro formulário mede a curva corrente por tensão
entre dois contatos para também observar se o contato está ou não retificando. Caso
necessário, a intensidade do campo magnético do eletroímã também pode ser ajustada.
A amostra pode ser montada na geometria van der Pauw (4 contatos) ou na geometria
Hall (6 ou 8 contatos) no criostato de circuito fechado de He para se fazer medida
dependente com a temperatura (10 a 450K). Para medidas mais rápidas em um
reservatório de nitrogênio líquido que permite medir à temperatura ambiente e a 77K, a
amostra pode ser montada na geometria van der Pauw em um porta-amostra
especialmente confeccionado em placa de circuito impresso.
55
CAPÍTULO 5
TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DO DISPOSITIVO
Os diodos fabricados a partir das junções p-n de PbTe crescidas por MBE serão
caracterizados eletricamente por medidas de corrente por tensão e capacitância por
tensão. A seguir são descritos os sistemas implementados durante este trabalho para
estas medidas, juntamente com os sistemas para medidas das figuras de mérito do
detector, isto é, detectividade e resposta espectral.
5.1 Medidas de Corrente por Tensão e Capacitância por Tensão
Como o principal objetivo deste trabalho de mestrado é relacionar as características
elétricas da junção p-n com o desempenho do diodo fotodetector fabricado, um sistema
para medidas das curvas corrente por tensão (IxV) e capacitância por tensão (CxV) foi
montado e implementado.
FIGURA 5.1 – Gabinete com os sistemas de caracterização elétrica corrente por tensão
(IxV) e capacitância por tensão (CxV) e o microcomputador de controle das medidas com interface IEEE-488.
56
Os equipamentos, já existentes no LAS/INPE, foram montados em um gabinete e
conectados a um computador para controle das medidas através da interface IEEE-488.
A Figura 5.1 mostra uma fotografia do sistema implementado para medidas de curvas
IxV e CxV.
O sistema de medida da curva IxV é constituído de uma fonte de potência Keithley
228A, um multímetro Keithley DMM 199, utilizado como voltímetro, um multímetro
Keithley 2010, utilizado como amperímetro, conectados via cabo IEEE-488 à placa
IEEE-488 instalada no microcomputador de controle.
FIGURA 5.2 – Diagrama de blocos e circuito equivalente de medidas para o sistema IxV. Nesta configuração, a queda de tensão é medida em cima do dispositivo em teste.
A Figura 5.2 mostra o diagrama de blocos do sistema IxV e o respectivo circuito
equivalente de medida. Um cabo especial foi confeccionado de forma a medir a queda
de tensão no dispositivo em teste e a corrente que flui pelo circuito. Este método de
medida é conhecido com quatro pontos. O voltímetro mede a queda de tensão o mais
próximo possível do dispositivo, sendo quase sempre diferente da tensão gerada pela
Fonte de Potência
Keithley 228A
Voltímetro
Keithley 199
Amperímetro
Keithley 2010
Criostato Amostra
PC
IEEE-488
A
V+
-
DUT
57
fonte de potência, e o amperímetro mede a corrente que realmente flui pelo circuito. A
amostra pode ser montada no criostato de circuito fechado de He ou nos criostatos de
nitrogênio líquido existentes no laboratório. O cabo termina em um conector Detoronics
de 10 pinos que foi padronizado para todos os portas-amostra e criostatos do
laboratório.
O diagrama do sistema CxV, junto com uma das possibilidades de circuito de medida do
capacímetro, é mostrado na Figura 5.3. O capacímetro Hewllet-Packard HP4280A tem
uma fonte de polarização interna que pode ser variada durante a medida CxV. A
capacitância e a condutância são medidas através do sinal alternado de 10 ou 30 mV em
uma freqüência de 1MHz. O equipamento mede no máximo uma capacitância de 2nF.
Os cabos coaxiais que ligam à amostra também terminam em um conector Detoronics
de acordo com a padronização.
FIGURA 5.3 – Diagrama e circuito de medida do sistema CxV. A tensão é aplicada pela fonte interna do capacímetro e a capacitância e a condutância são obtidas utilizando o sinal alternado de 1MHz.
Os programas de controle e aquisição de dados das medidas de caracterização elétrica
foram desenvolvidos em plataforma Visual Basic 6.0, procurando fazê-los amigável ao
usuário.
O formulário do programa IxV (corrente por tensão) implementado em Visual Basic na
sua versão atual é mostrado na Figura 5.4. O programa permite inserir no quadro File
A ~
DUT
Capacímetro
HP 4280A (1MHz)
Criostato Amostra
PC
IEEE-488
58
Data os parâmetros iniciais de identificação da medida: o nome do arquivo, a
temperatura e a data da medida. No quadro Measurement Data os parâmetros de tensão
inicial, tensão final, passo da tensão (todos em Volts), tempo de espera em segundos
para iniciar a medida, corrente máxima admitida em ampères, número de médias e
tempo de espera em segundos para cada ponto devem ser preenchidos antes de iniciar a
medida. Pelo quadro Axis Display, o gráfico pode ser visualizado em IxV (corrente por
tensão) ou em VxI (tensão por corrente).
FIGURA 5.4 – Formulário de medida de corrente por tensão (IxV) do programa de
controle desenvolvido em Visual Basic.
Quando o botão de iniciar a medida (Measure) é pressionado, os pontos são mostrados
no gráfico em tempo real, e os valores de corrente e tensão de cada ponto são mostrados
no quadro Data Display. A curva pode ser disposta em linhas, pontos ou pontos e
linhas, e a escala dos eixos do gráfico também podem ser configuradas em linear,
logaritmo no eixo X, logaritmo no eixo Y ou logaritmo nos eixos XY a qualquer
momento da medida. Os botões Pause, Save e Exit são usados respectivamente para
59
interromper a medida, salvar os dados em arquivos ascii e finalizar o programa,
respectivamente.
O formulário do programa capacitância por tensão (CxV) na sua versão atual foi
também implementado em Visual Basic e é mostrado na Figura 5.5. O programa
permite inserir no quadro File Data os parâmetros iniciais de identificação da medida.
Antes de disparar a medida, os parâmetros de tensão inicial, tensão final, passo (todos
em Volts), tempo de espera para iniciar a medida (Hold Time) e tempo de espera para
medida em cada ponto (Step Delay) devem ser preenchidos no quadro Voltage
Parameters
FIGURA 5.5 – Formulário de medida de capacitância por tensão (CxV) do programa de
controle desenvolvido em Visual Basic.
Pode-se configurar o capacímetro para mostrar a capacitância (C), a condutância (G) ou
as duas (C-G) no quadro Function. No quadro Stair Case configura-se a medida para ser
realizada da tensão inicial até a final (Single) ou da tensão inicial até a final retornando
para a tensão inicial no passo desejado (Double). Pelo quadro Axis Display, o gráfico
60
pode ser visualizado em CxV (capacitância por tensão) ou em 1/C2xV (inverso da
capacitância ao quadrado por tensão). O modo de conexão é configurado no quadro
Connection Mode. No quadro Measure Speed a velocidade da medida é configurada, e o
nível do sinal alternado é configurado no quadro Signal Level. O tamanho do cabo
usado na medida é inserido no quadro Cable lenght. A correção do cabo pode ser
ativada ou desativada inicialmente pelo quadro Correction ou, em tempo real, pelos
botões presentes no formulário. O botão Zero Open é utilizado para zerar o capacímetro.
A parte gráfica e o armazenamento dos dados são equivalentes aos descritos para o
formulário IxV.
Com o objetivo de testar e aferir o sistema IxV implementado, a curva característica de
um diodo comercial de silício 1N4148 foi medida e comparada com as curvas
características encontradas no catálogo do fabricante. A Figura 5.6 mostra a curva IxV
medida em nosso sistema para tensões aplicadas entre -0,6 e +0,6 V.
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
Diodo 1N4148T = 22 oC
Cor
rent
e (m
A)
Tensão (V) FIGURA 5.6 – Curva característica corrente por tensão de um diodo comercial 1N4148
medida no sistema IxV implementado.
Para se poder comparar a curva medida com a do fabricante, mediu-se cuidadosamente
a curva IxV do diodo para tensões diretas entre +0,25 e +0,55 V. O painel esquerdo da
Figura 5.7 mostra o gráfico da tensão pelo logaritmo da corrente para o diodo 1N4148
medido no nosso sistema, e o painel direito mostra, para comparação, o mesmo gráfico
61
retirado do folheto do fabricante. Um desvio máximo de 5% é observado entre os dois
gráficos.
1 10 100250
300
350
400
450
500
550
1N4148T = 22oC
Tens
ão D
ireta
(mV
)
Corrente Direta (µA) FIGURA 5.7 – Curva de tensão por corrente para o diodo 1N4148 polarizado
diretamente medida no sistema IxV (painel esquerdo) e, no painel direito, para comparação, o gráfico retirado do folheto do fabricante. Um desvio máximo de 5% foi observado entre os dois gráficos.
Para testar o sistema CxV montado, medimos a curva característica de um diodo
retificador SKN1204. Este diodo é para altas tensões e tem uma capacitância
relativamente alta (~ 0,2 nF), mais próxima dos valores que serão medidos para os
diodos de PbTe.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,14
0,16
0,18
0,20
0,22
0,24
SKN1204
Cap
acitâ
ncia
(nF)
Tensão Reversa (V) FIGURA 5.8 – Curva característica CxV para o diodo SKN1204 medida no sistema
montado.
62
A Figura 5.8 mostra uma curva de capacitância por tensão deste diodo para tensões
reversas entre 0 e 1V, medida no sistema montado. A curva apresenta o comportamento
esperado, ou seja, a diminuição da capacitância com o aumento da tensão reversa.
5.2 Medidas das Figuras de Mérito
O desempenho de um detector de radiação pode ser avaliado e comparado com sistemas
similares através de suas figuras de mérito. A denominação figura de mérito diz respeito
a um conjunto de parâmetros que devem ser medidos sob condições específicas
previamente convencionadas na literatura da área. (Boschetti et al., 1993; Kruse et al.,
1963; Hudson, 1969).
Estas figuras envolvem a medida dos níveis de sinal e de ruído produzidos pelo sensor,
sob determinadas condições de operação, permitindo a comparação, qualitativa e
quantitativa, entre dispositivos semelhantes. As principais figuras de mérito para
caracterização de um detector infravermelho são a detectividade e a resposta espectral.
FIGURA 5.9 – Diagrama da montagem para medida de detectividade de um sensor infravermelho.
O sistema de medida de detectividade é composto por corpo negro calibrado de
temperatura variável (Infrared Industries IR-461), um amplificador sincronizado
Lock-In (EG&G PARC 124 com pré amplificador diferencial 116) e um modulador
mecânico (Chopper EG&G PARC 192) conforme diagramado na Figura 5.9.
Corpo negro Detector
Amplificador sincronizado (Lock-In)
Referência Sinal
Modulador mecânico
d
63
Medindo-se a tensão de sinal VS produzida pela densidade de potência H indidente no
detector e a tensão de ruído, VN, bloqueando-se a radiação incidente, pode-se calcular a
detectividade D*.
A densidade de potência produzida pelo corpo negro e incidente no sensor é dada pela
Equação 5.1, onde Fm é o fator de transferência do modulador mecânico, ilustrado na
Figura 5.9, As a abertura da cavidade do corpo negro na temperatura TBB e afastado de
uma distância d em cm do sensor e σ é a constante de Stefan-Boltzman.
24
dATFH s
BBm πσ= (5.1)
Para o nosso modulador, o fator Fm relativo ao valor rms do sinal modulado é 0,38.
Uma maneira conveniente de determinar a capacidade de detecção de um detector é
introduzindo o conceito de potência equivalente de ruído (NEP - noise equivalent
power), que determina o fluxo de radiação necessária para gerar um sinal igual ao ruído
no detector, ou seja, o NEP mede a potência de radiação mínima detectável.
Como é difícil medir o sinal quando a razão sinal-ruído é unitária, é costume realizar a
medida em um nível alto de sinal e calcular o NEP de acordo com
( ) S
N
NS VHAV
VVHANEP ==/
(5.2)
onde NEP é calculado em Watts, VS é o valor rms da voltagem do sinal medido no
amplificador sincronizado, e VN é o valor rms da voltagem de ruído do detector.
Entretanto, quando os detectores são comparados em termos de sua habilidade de
detecção, isto é, em termos do mínimo fluxo de radiação detectável, o melhor detector é
aquele que possui o menor NEP. Para que o desempenho do detector seja proporcional à
grandeza medida, foi sugerido que o inverso do NEP fosse usado ao invés do próprio
NEP. Definiu-se assim portanto a detectividade D, dado por:
64
NEPD 1
= (5.3)
onde D é dado em W-1.
Estudos posteriores verificaram que a detectividade variava inversamente com a raiz
quadrada da área do detector e também inversamente com a raiz quadrada da largura da
banda do amplificador, ∆f. Por isso a Equação 5.3 que define detectividade D foi
normalizada:
NEPfA
fADD∆
=∆=* (5.4)
Substituindo a Equação 5.2 em 5.4, temos a Equação 5.5 que representa a detectividade
D*
N
S
VV
Af
HD ∆
=1* (5.5)
onde D* é dada em cmHz1/2W-1, Ad é área do detector medida em cm2 , e ∆f em Hz.
A resposta espectral do detector é a maneira com que a detectividade D* varia com o
comprimento de onda. No caso da densidade de potência incidente sobre o detector (H)
ser discreta, medida em função do comprimento de onda λ, a detectividade passa a
representar a detectividade espectral – Dλ* .
Para medida da resposta espectral relativa o arranjo experimental¸ mostrado na Figura
5.10, é um pouco diferente do arranjo da medida de detectividade. Entre o modulador e
o sensor, são intercalados um monocromador (Oriel) e uma lente para focar a radiação
no detector. Devido ao maior número de componentes e ao aumento do caminho óptico,
a radiação incidente sobre o detector fica bastante atenuada, sendo necessária a
substituição do corpo negro por uma fonte tipo Glowbar (Oriel 6363), mais intensa.
Em essência, a resposta espectral provoca um fluxo radiante em uma estreita banda do
espectro, centrado em um comprimento de onda desejado, e compara a resposta do
65
detector em teste com a do detector de referência, que supõe responder igualmente para
todos comprimentos de onda.
FIGURA 5.10 – Diagrama da montagem para medidas de resposta espectral relativa para um sensor infravermelho.
O monocromador opera com redes de difração adequadas às diferentes faixas de
comprimento de onda. A faixa de comprimento de onda utilizada para o PbTe fica entre
3,5 e 8,2 µm, utilizando uma grade de 150 linhas/mm, e também um filtro passa baixo
de 3,5 µm para o corte dos harmônicos.
Esta medida requer que em primeiro lugar seja levantada a curva de resposta espectral
do sistema fonte-modulador-monocromador-lente, utilizando-se o radiômetro
piroelétrico (Laser Precision RS-5700) calibrado cujo sinal de saída é independente do
comprimento de onda. Em seguida deve-se repetir o mesmo procedimento com o
dispositivo em teste, sendo a resposta relativa dada pela razão entre as duas medidas. O
comprimento de onda onde ocorre o máximo é chamado de comprimento de onda de
pico, sendo onde a detectividade D* atinge o valor máximo.
Durante este trabalho, o programa de controle e aquisição de dados do sistema de
resposta espectral foi também atualizado para a plataforma Visual Basic 6.0. O
programa controla o movimento do motor de passo (step motor) do monocromador por
uma placa serial e armazena os dados do sinal enviados pelo multímetro (Keithley
Fonte Glowbar
Voltímetro Digital
Detector Piroelétrico ou Detector fotovoltaico
Monocromador
Lente Modulador
Referência
PC
66
DMM 199) através da placa IEEE-488. É necessário inserir o comprimento de onda
inicial e final, e o passo (todos em µm) no formulário principal, antes de iniciar a
medida. Os dados de intensidade e comprimento de onda, tanto para o detetector
piroelérico como para o detector em teste, são mostrados em tempo real no gráfico.
Após o término da medida, os dados são salvos em formato ascii para posterior
tratamento. As figuras de mérito dos dispositivos fabricados serão apresentadas no
Capítulo 6.
67
CAPÍTULO 6
CRESCIMENTO DAS CAMADAS EPITAXIAIS, JUNÇÕES P-N E
FABRICAÇÃO DO DISPOSITIVO
Os parâmetros utilizados para o crescimento MBE das camadas de referência e das
junções p-n, os resultados das caracterizações das camadas e o processo de fabricação
do dispositivo através de técnicas de litografia são relatados neste Capítulo.
6.1 Camadas Epitaxiais de Referência e Junções p-n
Um dos objetivos deste trabalho de mestrado é crescer uma série de junções p-n de
PbTe, nas quais a concentração de buracos na camada de PbTe tipo-p é mantida na
ordem de 1017 cm-3, e a concentração de elétrons na camada tipo–n varie entre 1017 e
1019 cm-3.
Para a formação da junção p-n de PbTe durante o crescimento epitaxial, necessita-se
primeiro crescer uma camada de PbTe do tipo-p, e em seguida, uma camada de PbTe do
tipo-n. Portanto, os parâmetros de crescimento para a obtenção dos dois tipos de
camadas têm que ser previamente determinados. Isto foi feito através do crescimento de
camadas de referência para obter os parâmetros ótimos de crescimento no sistema MBE
de cada tipo de camada separadamente.
As camadas referências de PbTe foram caracterizadas eletricamente através do sistema
de medidas de resistividade e efeito Hall, onde se determinou a resistividade, a
concentração e a mobilidade dos portadores de carga na temperatura ambiente e na
temperatura de operação do dispositivo, ou seja, em nitrogênio líquido. Para as medidas
elétricas, um quadrado de aproximadamente 5x5mm2 foi cortado de cada amostra
referência e 4 fios de ouro (diâmetro de 50 µm) foram soldados com índio nas
extremidades, emuma chapa aquecida a 160oC, formando a geometria van der Pauw,
como mostrado no diagrama esquerdo da Figura 4.3.
68
Como descrito na Secção 2.2, o caráter n ou p das camadas de PbTe pode ser controlado
pelo desvio da estequiometria. Vacâncias de Pb (excesso de Te) levam a um material do
tipo-p, enquanto vacâncias de Te (excesso de Pb) formam um material do tipo-n. A
carga sólida de Pb1-yTey para o crescimento no nosso sistema MBE é preparada
propositadamente com um pequeno excesso de Pb (y = 0,495). Desta forma, crescendo-
se PbTe nas temperaturas usuais de crescimento (T~300oC) e sem fluxo adicional de Te,
as camadas de PbTe ficam tipo-n com uma concentração de elétrons na faixa de 1017
cm-3. Para se obter uma camada de PbTe do tipo-p basta aumentar o fluxo adicional de
Te até que aconteça a transição de caráter n para p. O fluxo de Te no qual acontece esta
transição depende basicamente do desvio da estequiometria da carga sólida e da
temperatura do substrato.
10-9 10-81016
1017
1018
n p
Con
cent
raçã
o de
por
tado
res
(cm
-3)
Fluxo de Te(Torr) FIGURA 6.1 – Concentração de portadores a 77K versus fluxo de Te para camadas de
PbTe crescidas a 300oC. A inversão do caráter n para p ocorre por volta de 8x10-9 Torr.
Com o objetivo de determinar as condições de crescimento para se obter uma boa
camada de PbTe tipo-p com concentração de buracos próxima a 1x1017 cm-3, uma série
de camadas de referência foi crescida, aumentando-se principalmente o fluxo de Te
através do aumento da temperatura da respectiva célula. Para este experimento, a
temperatura da célula de PbTe ficou fixa em 640oC, que dá um fluxo de 4x10-7 Torr
levando a uma taxa de crescimento de 0,9 µm/h.
69
A Tabela 6.1 mostra o tipo e a concentração de portadores (n/p), a resistividade (ρ), e a
mobilidade (µ) destas camadas de espessura t, medidas à temperatura ambiente e em
nitrogênio líquido, em função dos parâmetros de crescimento no sistema MBE. A Figura
6.1 mostra a concentração de portadores medida à 77K, para camadas de PbTe crescidas
a uma temperatura de substrato de 300ºC, em função do fluxo da célula de Te. Podemos
observar que a transição do caráter n para p ocorre para um fluxo de Te por volta de
8x10-9 Torr. Depois de encontrada esta região de transição, procurou-se a temperatura
de substrato em torno de 300oC onde a concentração de buracos fosse semelhante a 77 e
300K. Nesta condição, as camadas tipo-p de PbTe apresentam uma maior mobilidade, e
portanto, uma melhor qualidade. A temperatura do substrato escolhida foi de 290oC.
Observando os dados das amostras M997 e M4004 na Tabela 6.1, observamos que para
uma temperatura de substrato fixa em 290oC, fluxos de Te diferentes (5,8x10-9 e
9,6x10-9 Torr, respectivamente) foram necessários para obter a camada tipo-p desejada.
Este fato pode ser explicado por uma variação na estequiometria da carga sólida com o
tempo de uso. Logo, torna-se sempre necessário checar com camadas de referência as
propriedades elétricas do PbTe, principalmente próximo à região de transição n para p.
A Tabela 6.1 mostra também os parâmetros de crescimento necessários para se obter
uma boa camada do tipo-n com concentrações de elétrons em torno de 1017 cm-3, usando
apenas o controle da estequiometria. Porém, para se obter camadas com concentração de
elétrons maiores, torna-se necessário utilizar um dopante extrínseco. O dopante tipo-n
normalmente usado para o PbTe é o bismuto, obtido no MBE através da evaporação de
uma carga sólida de Bi2Te3. Um estudo detalhado da dopagem de camadas de PbTe com
bismuto foi feito anteriormente em nosso sistema MBE (Anjos et al., 2004). Este estudo
permitiu determinar a relação da concentração de elétrons com a temperatura e o fluxo
da célula de Bi2Te3. Utilizando este trabalho como referência, algumas camadas de
PbTe dopadas com bismuto foram crescidas e caracterizadas eletricamente. A Tabela
6.2 mostra as propriedades elétricas destas camadas em função dos parâmetros da célula
de efusão contendo Bi2Te3. As temperaturas do substrato (290oC), da célula de PbTe
(640oC) e da célula de Te (276oC) foram mantidas fixas. Podemos ver nesta Tabela 6.2,
70
que as concentrações de elétrons na ordem de 1017, 1018 e 1019 cm-3, desejadas para a
camada tipo-n que formará a junção, foram obtidas.
A Tabela 6.3 mostra as junções p-n que foram crescidas neste trabalho para a fabricação
dos dispositivos sensores de infravermelho. As amostras utilizadas como referência para
a camada tipo-p (Ref p) e para a camada tipo-n (Ref n) juntamente com as respectivas
concentrações de buracos e elétrons, a espessura t das amostras de junções p-n (camada
p + camada n) medida no FTIR, a espessura tp da camada p e a tn da camada n, são
mostradas na Tabela 6.3. A nomenclatura que usaremos para nos referir a cada tipo de
junção é definida na coluna Tipo, onde p-n, p-n+ e p-n++ referem-se a junções com
concentração de elétrons da ordem de 1017, 1018 e 1019 cm-3, respectivamente.
71
TABELA 6.1 – Propriedades elétricas a 300 e 77K das camadas de referência crescidas visando à obtenção do PbTe com caráter p. O fluxo de Te (FTe) controlado pela temperatura da respectiva célula (TTe) e a temperatura do substrato (Tsub) foram os principais parâmetros de crescimento variados durante o procedimento. A temperatura da célula de PbTe ficou fixa em 640oC.
77 K 300 K
Amostra t
(µm)
Tsub
(ºC)
TTe
(ºC)
FTe
(Torr) Tipo
n/p
(cm-3) ρ
(Ωcm)
µ
(cm2/Vs) Tipo
n/p
(cm-3) ρ
(Ωcm)
µ
(cm2/Vs)
M956 1,9 300 225 3,00x10-10 n 5,70x1016 4,40x10-2 2,50x103 n 1,60x1017 9,80x10-2 4,00x102
M959 1,9 300 250 1,30x10-9 n 4,80x1016 1,20x10-2 1,10x104 n 1,40x1017 8,20x10-2 5,30x102
M4020 2,5 290 250 1,00x10-9 n 9,58x1016 3,39x10-3 1,92x104 n 1,38x1017 5,72x10-2 7,88x102
M975 2,0 300 270 4,10x10-9 n 6,70x1016 6,30x10-3 1,50x104 n 1,40x1017 5,80x10-2 7,40x102 M993 2,0 300 274 5,50x10-9 n 7,00x1016 5,40x10-3 1,65x104 n 1,60x1017 6,00x10-2 6,40x102
M994 1,3 300 276 7,00x10-9 - - - n 2,69x1017 2,87x10-1 8,07x101
M995 2,5 320 280 7,50x10-9 n 6,52x1016 6,06x10-2 1,58x103 n 7,87x1017 1,25x10-1 6,34x101
M961 2,0 300 280 9,40x10-9 p 3,40x1017 8,00x10-3 2,30x103 p 3,70x1018 6,70x10-2 2,50x101
M996 2,8 320 300 2,30x10-8 p 2,09x1017 2,10x10-2 1,43x103 p 2,99x1018 1,05x10-1 2,00x101
M997 2,5 290 276 5,80x10-9 p 2,21x1017 8,73x10-3 3,23x103 p 3,48x1017 8,42x10-2 2,13x102
M4001 3,5 290 276 5,40x10-9 n 4,80x1016 6,64x10-3 1,93x104 n 1,13x1017 7,54x10-2 7,35x102
M4002 2,9 290 276 5,80x10-9 n 2,06x1016 1,74x10-2 1,74x104 n 1,31x1017 1,04x10-1 4,56x102
M4003 1,7 290 280 6,80x10-9 - - - n 3,20x1017 2,46x10-1 7,93x101
M4004 2,1 290 285 9,60x10-9 p 1,81x1017 3,59x10-3 9,60x103 p 1,81x1017 5,92x10-2 5,81x102
71
72
TABELA 6.2 – Propriedades elétricas a temperatura ambiente e em nitrogênio líquido das camadas referência de PbTe tipo-n dopadas com bismuto. O fluxo da célula de Bi2Te3 (FBi2Te3) obtido na temperatura TBi2Te3 foi o principal parâmetro variado nesta série. As temperaturas do substrato, da célula de PbTe, e da célula de Te ficaram fixas em 290, 640, e 276oC, respectivamente.
77 K 300 K
Amostra t
(µm)
TBi2Te3
(ºC)
FBi2Te3
(Torr)
n
(cm-3) ρ
(Ωcm)
µ
(cm2/Vs)
n
(cm-3) ρ
(Ωcm)
µ
(cm2/Vs)
M998 3,3 440 2,0x10-9 3,60x1019 7,22x10-5 2,40x103 3,26x1019 3,39x10-4 2,64x102
M999 2,7 390 1,5x10-10 2,97x1018 2,53x10-3 8,30x102 2,67x1018 9,56x10-3 2,44x102
M4008 1,7 350 - - - - 1,60x1017 1,15x10-1 3,38x102 M4009 1,7 360 3,0x10-11 1,88x1017 3,29x10-3 1,01x104 1,50x1017 7,17x10-2 5,79x102
TABELA 6.3 – Dados das junções p-n crescidas para a fabricação dos fotodiodos. A espessura t corresponde às duas camadas (p+n), tp à camada p e tn à camada n. Ref p e Ref n correspondem às camadas utilizadas como referência para o crescimento da junção p-n, enquanto os valores p e n são as concentrações de buracos e elétrons a 77K das respectivas camadas referências. O Tipo é a nomenclatura utilizada para se referir à variação da concentração de elétrons na junção.
Amostra t
(µm) Ref p
p
(cm-3)
tp
(µm) Ref n
n
(cm-3)
tn
(µm) Tipo
D4005 5,4 M4004 1,81x1017 3,6 M998 3,60x1019 1,8 p-n++
D4007 4,9 M4004 1,81x1017 3,3 M999 2,97x1018 1,6 p-n+
D4010 5,3 M4004 1,81x1017 3,5 M4009 1,88x1017 1,8 p-n
D4012 6,0 M4004 1,81x1017 3,9 M998 3,60x1019 2,1 p-n++
D4022 4,8 M4004 1,81x1017 3,2 M4020 9,58x1016 1,6 p-n
72
73
6.2 Fabricação do Dispositivo
As junções p-n de PbTe crescidas sobre substratos de BaF2 foram processadas por
técnicas de fotolitografia para formar uma estrutura tipo mesa e assim realizar a
caracterização elétrica e óptica do dispositivo detector de infravermelho (Barros et al.,
2003; Barros et al., 2004). A Figura 6.2 mostra um desenho esquemático em corte
transversal do diodo de PbTe com a estrutura mesa almejada. Os processos de
fabricação de máscaras em aço inox, evaporação de contatos de ouro, ataque químico do
PbTe e montagem do diodo são detalhados abaixo.
FIGURA 6.2 – Corte transversal da estrutura tipo mesa.
Inicialmente foram projetadas e fabricadas máscaras para deposição de contatos de ouro
(Au). Estas máscaras foram feitas em folhas de aço inox de espessura de 0,1 mm através
da transferência do padrão desejado, impresso na forma de fotolito para circuito
impresso, para um filme seco na chapa de aço inox. O desenho impresso no fotolito foi
desenvolvido levando em consideração todas etapas de fabricação e montagem do
dispositivo, e a transferência do filme seco para a chapa de aço foi realizada pelo
Circuito Impresso do INPE. Após a transferência e revelação do filme resistente, o
ataque químico foi realizado com solução de ácidos nítrico e clorídrico HNO3:HCl:H2O
na proporção de 1:1:3 aquecida a 55oC para corroer o aço onde não estava protegido, e
por fim formar a máscara com o padrão desejado.
(111) BaF2
n - PbTe
p - PbTe
contatos In-Au
74
A Figura 6.3 mostra o desenho das máscaras para evaporação de contatos de Au numa
escala de 1:0,25. A máscara da esquerda é utilizada para evaporar o filme de Au no lado
n da junção, servindo tanto para máscara protetora contra o ataque químico do PbTe
como para contato metálico, e a da direita é utilizada para evaporar os contatos de Au
no lado p, após delineada a estrutura mesa. Para cada pastilha de 15x15 mm2 são
fabricados 9 detectores, sendo 4 com diâmetro da mesa de 1,0 mm e 5 com diâmetro da
mesa de 0,3 mm. Devido à alta constante dielétrica do PbTe (κ = 400 a 300K) e à
limitação de 2 nF para a capacitância máxima medida no capacímetro HP4280A, o
dispositivo com diâmetro menor foi projetado para realizar a medida de capacitância por
tensão. Deve-se observar que existem quatro pontos mais externos para alinhamento das
máscaras no passo seguinte de fabricação dos detectores. As máscaras fabricadas são
montadas em um porta-amostra específico que permite que a pastilha seja alinhada à
máscara, e depois presa por uma mola para ser colocada na evaporadora para deposição
do filme metálico, como mostrado nas fotografias da Figura 6.4.
FIGURA 6.3 – Máscara de evaporação de contatos de Au. O desenho da esquerda
representa a máscara utilizada para evaporação de contatos no lado n, e o da direita para evaporação de contatos no lado p.
As evaporações de contatos de Au, tanto para o lado p como para o n, foram realizadas
na evaporadora por feixe de elétrons (Edwards Auto 306) com uma pressão na câmara
de 2x10-5 mbar. A espessura e a taxa de deposição do filme de Au foram monitoradas
através do oscilador de quartzo instalado no equipamento. Pelo oscilador de quartzo, a
espessura de todos os filmes de Au foi de 200 nm evaporado a uma taxa de 20 nm/min.
75
Observou-se que a espessura medida no equipamento durante a evaporação não era a
espessura real do contato, medida posteriormente no perfilômetro. A espessura média
dos contatos foi de 170 nm com uma variação ±5 nm.
FIGURA 6.4 – Fotografias do porta amostra com as máscaras para evaporação de
contatos de Au montadas.
Antes de partir para o ataque químico das junções p-n propriamente ditas, vários testes
de ataque em filmes de PbTe com contados de Au evaporados através da máscara
esquerda da Figura 6.2 foram realizados. A solução de bromo e acído bromídrico
Br2:HBr:H2O, na proporção de 1:100:100, foi escolhida para o ataque químico do PbTe.
A altura da mesa foi posteriormente medida no perfilômetro para determinar a taxa de
ataque. Este processo se mostrou ser o mais crítico durante a fabricação dos diodos, pois
a taxa variou significativamente durante os testes realizados. A taxa dependia da
agitação da amostra na solução e no tempo de estocagem da solução. Após vários testes,
a taxa de ataque média determinada para o PbTe nesta concentração de solução foi de
2µm/min.
Após estes testes, a estrutura mesa nas junções p-n foi então delineada pelo ataque
químico do PbTe. A Figura 6.5 mostra, como exemplo, o gráfico de altura versus
largura medido no perfilômetro para uma estrutura mesa. Para esta amostra, a altura da
mesa total foi de 2,17 µm, sendo 0,17 µm relativo ao contato de Au. Podemos observar
que a largura da mesa é de 0,32 mm, ou seja, próximo ao esperado pelo diâmetro do
contato menor (0,30 mm) evaporado pela máscara esquerda da Figura 6.3.
76
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Altu
ra (µ
m)
Largura (mm)
FIGURA 6.5 – Perfil de uma estrutura mesa delineada na junção p-n de PbTe.
FIGURA 6.6 – Criostato de nitrogênio líquido com janela de BaF2 e conector detoronics
de 10 pinos.
Depois de formada a estrutura mesa, a pastilha é novamente montada no porta-amostra
com a máscara da direita da Figura 6.3, para a evaporação do contato de Au no lado p.
Neste passo de fabricação, o alinhamento da máscara deve ser feito com muito cuidado.
Com o dispositivo enfim pronto, fios de Au de diâmetro de 50 µm são soldados com In
77
nos contatos de Au dos dois lados da junção, com a pastilha sobre uma chapa quente
aquecida até a temperatura de 160oC. A seguir, usando solução de InGa, o dispositivo é
posicionado em um porta-amostra de cobre pelo lado do substrato de BaF2. O porta-
amostra contém um furo central por onde a luz é irradiada, e pads de cerâmica são
usados para conectar os fios do conector do criostato aos fios de Au do diodo.
O porta-amostra é então montado no criostato de nitrogênio líquido, mostrado na Figura
6.6, com uma proteção contra radiação (também resfriada a 77K) que define um ângulo
de visada (FOV – Field of View) de 30o para o detector. O criostato é evacuado através
de um sistema com bomba difusora para atingir uma pressão da ordem de 2x10-6 mbar.
Leva-se de 6 a 8 horas para alcançar esta pressão. A carga de nitrogênio líquido dura
por volta de 2 horas, tempo suficiente para realizar as medidas elétricas e ópticas.
78
79
CAPÍTULO 7
CARACTERIZAÇÃO DO DISPOSITIVO
Neste Capítulo são apresentados os resultados da caracterização dos fotodiodos
detectores de infravermelho utilizando as técnicas descritas no Capítulo 5. Para
diferenciar os diodos de cada junção p-n, os diodos de área menor (diâmetro da mesa
igual a 0,3 mm e área de 7,07x10-4 cm2) foram nomeados com a terminação P e os de
área maior (diâmetro da mesa igual a 1,0 mm e área de 7,85x10-3 cm2) com a
terminação G.
7.1 – Característica Capacitância por Tensão
A curva característica de capacitância por tensão dos diodos fabricados foi medida no
sistema CxV descrito no Capítulo 5. Somente os diodos de área menor foram medidos,
devido à limitação de 2 nF na capacitância máxima possível de ser medida no
capacímetro HP4280A utilizado.
A Figura 7.1 mostra a curva característica CxV medida a 80K para três diodos de PbTe
fabricados a partir de junções p-n++ (com n ~ 1019 cm-3), p-n+ (com n ~ 1018 cm-3), e p-n
(com n ~ 1017 cm-3). As curvas do inverso da capacitância específica ao quadrado versus
a tensão reversa (1/Ce2xV) também são mostradas na Figura 7.1 ao lado do respectivo
gráfico CxV. A capacitância específica Ce é a capacitância dividida pela área do diodo.
Podemos observar que a curva 1/Ce2xV apresenta um comportamento linear para diodos
com junções p-n++ e p-n+. Este fato mostra que, para concentrações de elétrons n
maiores que 1x1018 cm-3, uma junção abrupta de um único lado foi formada, ou seja, a
região de depleção localiza-se praticamente só no lado p da junção. Já no caso da junção
p-n, a curva 1/Ce2xV apresenta-se completamente não linear, indicando que a região de
depleção se encontra nos dois lados da junção.
80
0,0 0,1 0,2 0,3 0,40,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,0 0,1 0,2 0,3 0,40,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
C
apac
itânc
ia (n
F)
Tensão Reversa (V)
PbTe p-n++
D4005PT = 80 K
(a)
Experimento Ajuste linear
1/C
e2 (1012
cm4 /F
2 )
Tensão Reversa (V)
0,2 0,3 0,4 0,5 0,60,75
1,00
1,25
1,50
1,75
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0,2
0,4
0,6
0,8(b)
Cap
acitâ
ncia
(nF)
Tensão Reversa (V)
PbTe p-n+
D4007PT = 80 K
1/C
e2 (1012
cm4 /F
2 )
Tensão Reversa (V)
Experimento Ajuste linear
0,0 0,1 0,2 0,3 0,40,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,0 0,1 0,2 0,3 0,40
50
100
150
200
250
(c)
Cap
acitâ
ncia
(nF)
Tensão Reversa (V)
PbTe p-nD4010PT = 80 K
1/C
e2 (1012
cm4 /F
2 )
Tensão Reversa (V)
FIGURA 7.1 – Curvas características CxV e 1/Ce2xV para os diodos de PbTe fabricados
a partir de junções p-n++ (a), p-n+ (b), e p-n (c). Os pontos são dados experimentais e a linha cheia corresponde ao ajuste linear.
81
Para o caso da junção abrupta de um único lado, as equações para a capacitância na
região de depleção tornam-se simples. Para este tipo de junção, a inclinação da curva
1/Ce2xV é dada por (Sze, 1981):
( )peV
Ce
0
2 2/1κε
=∂
∂ , (7.1)
onde e é a carga do elétron (e = 1,60218x10-19 C), κ é a constante dielétrica estática do
semicondutor (κ = 800 para o PbTe a 77K), ε0 é a permissividade elétrica no vácuo (ε0 =
8,85418x10-14 F/cm) e p é a concentração de buracos. A largura da região de depleção
w, para uma determinada tensão V aplicada, pode também ser obtida da característica
CxV através da relação:
)()( 0
VCVw
e
κε= (7.2)
Portanto, para uma junção abrupta de um único lado, confirmada através da linearidade
da curva 1/Ce2xV, pode-se determinar a concentração de buracos e a largura da região de
depleção no lado p, utilizando as equações 7.1 e 7.2.
As linhas sólidas nos gráficos 1/Ce2xV da Figura 7.1 são ajustes lineares feitos aos dados
experimentais. A Tabela 7.1 mostra, para todos os diodos medidos, a inclinação da
curva 1/Ce2xV obtida através da regressão linear e a concentração de buracos calculada
pela Equação 7.1. A largura da região de depleção w sem polarização (V = 0) e para a
tensão reversa V = -0,4V, calculada pela Equação 7.2, também é mostrada na Tabela
7.1.
Como podemos observar na Figura 7.1 e na Tabela 7.1, o diodo fabricado a partir da
junção p-n+ foi o que apresentou a curva 1/Ce2xV mais próxima de uma reta e também o
valor da concentração de buracos mais próximo do medido por efeito Hall na camada
tipo-p de referência (p = 1,8x1017 cm-3, veja Tabela 6.3). A concentração de buracos
obtida para os diodos fabricados a partir de junções p-n++ ficou próximo a 3x1016 cm-3,
um valor menor do que o obtido pelas medidas de efeito Hall. A não-linearidade na
82
curva 1/Ce2xV esperada e observada para os diodos com junção p-n indica que modelos
mais complexos são necessários para extrair os parâmetros da junção através da
característica CxV nestes diodos.
TABELA 7.1 – Concentração de buracos p e largura da região de depleção w em V = 0 e V = -0,4V, obtidos através da caracterização CxV (* V = -0,2V).
Diodo Tipo Inclinação
(cm2F-2V-1)
p
(cm-3)
w (V=0)
(µm)
w (V=-0,4V)
(µm)
D4005P p-n++ 6,1x1012 2,9x1016 0,60 1,25
D4007P p-n+ 1,7x1012 1,1x1017 0,27* 0,48
D4010P p-n não linear - - -
D4012P p-n++ 7,6x1012 2,3x1016 1,93 2,28
D4022P p-n não linear - - -
A largura da região de depleção para os diodos p-n+ e p-n++ ficou com valores da ordem
de 1 µm, exceto para o diodo D4012P, cujo valor ficou em torno de 2 µm. Estes valores
estão em concordância com os obtidos na literatura, onde larguras para a região de
depleção abaixo de 1 µm foram medidas para diodos p-n+ de PbTe crescidos sobre
silício (John et al., 1999).
7.2 – Característica Corrente por Tensão
A característica corrente por tensão para os diodos fabricados foi medida no sistema IxV
implementado durante este trabalho e descrito em detalhe no Capítulo 5. As Figuras 7.2,
7.3, e 7.4 mostram as curvas IxV para os diodos de PbTe feitos a partir de junções p-n++,
p-n+, e p-n, respectivamente. Os gráficos mostram medidas tanto para os diodos de área
menor quanto para os de área maior. Podemos observar que, ao contrário da
característica CxV, as curvas IxV exibiram formatos e valores diferenciados, não
apresentando uniformidade entre os diodos medidos. Pode-se notar que diodos feitos a
partir de uma mesma junção apresentaram formas distintas tanto para o ramo de
corrente reversa quanto para o de corrente direta. Os valores de corrente de fuga nos
diversos diodos apresentaram uma variação significativa.
83
Com o objetivo de se obter informações quantitativas da característica IxV alguns
procedimentos foram seguidos. O primeiro passo foi plotar o gráfico do inverso da
derivada da curva IxV, ou seja, o gráfico de (∂V/∂I)xV. Estas curvas encontram-se ao
lado de cada gráfico IxV nas Figuras 7.2, 7.3, e 7.4. Este procedimento fornece um
parâmetro importante do diodo que é a resistência diferencial incremental dada por:
00
=
∂∂
=VI
VR (7.3)
que ao ser multiplicado pela área do diodo dá o produto R0A.
O próximo passo consistiu em simular a característica IxV medida utilizando as
equações para um diodo. A equação de Schockley para um diodo ideal, como o da
Figura 2.2, é dada por
−
= 10
thidVnVExpII (7.4)
onde nid é o fator de idealidade do diodo, Vth é a tensão térmica na temperatura de
medida dada por
eTkV B
th = (7.5)
onde kB é a constante de Boltzmann (kB = 8,617x10-5 eV/K) e e é a carga do elétron, e I0
é a corrente de saturação do diodo, que pode ser obtida utilizando o valor medido da
resistência incremental R0 através da seguinte relação
00 R
VnI thid= (7.6)
Para um diodo convencional, quando a corrente de recombinação domina o processo, o
fator de idealidade fica próximo a 2, e quando a corrente de difusão é dominante, o ele
se aproxima de 1. Quando ambas as correntes são comparáveis um valor entre 1 e 2 é
encontrado para o diodo (Sze, 1981).
84
0,0
1,0
2,0
0,2
0,4
0,6
0,8
0,0
2,0
4,0
6,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
0,0
0,1
0,2
0
20
40
60
-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,40,0
0,5
1,0
1,5
2,0
PbTe p-n++
D4005P
R0 = 0,91 kΩ
R0A = 0,64 Ω.cm2
Cor
rent
e (m
A)
PbTe p-n++
D4005G
R0 = 0,57 kΩ
R0A = 4,48 Ω.cm2
δV/
δI (k
Ω)
PbTe p-n++
D4012P
R0 = 45,0 kΩ
R0A = 31,8 Ω.cm2
Tensão (V)
PbTe p-n++
D4012G
R0 = 0,17 kΩ
R0A = 13,5 Ω.cm2
FIGURA 7.2 – Curvas características IxV e (∂V/∂I)xV para os diodos de PbTe
fabricados a partir de junções p-n++ (n ~ 1019 cm-3).
85
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
0,0
1,0
2,0
3,0
-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4
-0,5
0,0
0,5
1,0
-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,40,2
0,4
0,6
0,8
1,0
PbTe p-n+
D4007P
R0 = 1,81 kΩ
R0A = 1,28 Ω.cm2
Cor
rent
e (m
A)
Tensão (V)
PbTe p-n+
D4007G
R0 = 0,95 kΩ
R0A = 7,43 Ω.cm2 δV/
δI (k
Ω)
FIGURA 7.3 – Curvas características IxV e (∂V/∂I)xV para os diodos de PbTe
fabricados a partir de junções p-n+ (n ~ 1018 cm-3).
86
0,0
0,2
0,4
0,6
0
10
20
30
40
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
0,0
1,0
2,0
3,0
-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4-0,2
0,0
0,2
0,4
-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,40,0
1,0
2,0
3,0
4,0
PbTe p-nD4022P
R0 = 6,97 kΩ
R0A = 4,93 Ω.cm2
Cor
rent
e (m
A)
PbTe p-nD4022G
R0 = 1,06 kΩ
R0A = 8,35 Ω.cm2
δV/
δI (k
Ω)
PbTe p-nD4010P
R0 = 0,32 kΩ
R0A = 0,23 Ω.cm2
Tensão (V)
PbTe p-nD4010G
R0 = 2,0 kΩ
R0A = 15,7 Ω.cm2
FIGURA 7.4 – Curvas características IxV e (∂V/∂I)xV para os diodos de PbTe
fabricados a partir de junções p-n (n ~ 1017 cm-3).
87
Os diodos de PbTe se encontram normalmente fora das condições de um diodo ideal,
tanto para o ramo da corrente reversa como para o da direta. Para podermos simular a
curva IxV de um diodo de PbTe, precisa-se utilizar a equação de um diodo real, no qual
considera-se uma resistência em série e uma resistência em paralelo ao diodo ideal,
conforme mostrado no circuito da Figura 7.5.
FIGURA 7.5 – Circuito equivalente de um diodo real com resistências em série e em paralelo ao diodo ideal.
Neste caso, a equação para o diodo real fica na seguinte forma (Veissid et al., 1995)
p
s
thid
s
RIRV
VnIRVExpII −
+
−
−= 10 (7.7)
onde Rs e Rp são as resistências em série e em paralelo ao diodo ideal, respectivamente.
A Equação 7.7 não possui solução analítica sendo necessário resolvê-la numericamente.
No caso de assumirmos a resistência Rp infinita, o segundo termo da equação desaparece
e ela passa a ter solução analítica ao se isolar o termo relativo à tensão V. Assim
considera-se apenas o efeito da resistência série e o do fator de idealidade.
Para ajustarmos a curva IxV medida à calculada pela Equação 7.7, desenvolvemos um
programa em Matlab, onde nid, Rs e Rp são os principais parâmetros de ajuste. A tensão
térmica Vth é dada pela temperatura de medida (80K), e a resistência incremental R0 é
obtida da curva (∂V/∂I)xV como mostrado na Figura 7.2.
Rs
RpDiodo ideal
88
0,0
0,1
0,2
-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4
1E-4
1E-3
0,01
0,1
Experimental Schockley nid=2 nid=1,0 Rs=1000 nid=1,0 Rs=1000
Rp=39000
D4012PPbTe p-n++
Cor
rent
e (m
A)
Mód
ulo
da c
orre
nte
(mA)
Tensão (V)
FIGURA 7.6– Resultado da simulação da característica IxV de um diodo de junção p-n++ com baixa corrente de fuga. Os círculos abertos são os pontos experimentais e as linhas correspondem às curvas calculadas. Para melhor visualização, o painel inferior mostra na ordenada o módulo da corrente em escala logarítmica.
89
-0,5
0,0
0,5
1,0
-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4
0,01
0,1
1
Experimental Schockley nid=2 nid=2,0 Rs=350 nid=2,0 Rs=350
Rp=950
D4007GPbTe p-n+
Cor
rent
e (m
A)
Mód
ulo
da c
orre
nte
(mA)
Tensão (V)
FIGURA 7.7 – Resultado da simulação da característica IxV de um diodo de junção p-n+ apresentando alta corrente de fuga. Os círculos abertos são os pontos experimentais e as linhas correspondem às curvas calculadas. Para melhor visualização, o painel inferior mostra na ordenada o módulo da corrente em escala logarítmica.
90
0,0
0,2
0,4
0,6
-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4
1E-3
0,01
0,1
1
Experimental Schockley nid=2 nid=3,1 Rs=600 nid=3,1 Rs=600
Rp=19000
D4022PPbTe p-n
Cor
rent
e (m
A)
Mód
ulo
da c
orre
nte
(mA)
Tensão (V)
FIGURA 7.8 – Resultado da simulação da característica IxV de um diodo de junção p-n que apresenta baixa corrente de fuga. Os círculos abertos são os pontos experimentais e as linhas correspondem às curvas calculadas. Para melhor visualização, o painel inferior mostra na ordenada o módulo da corrente em escala logarítmica.
91
As Figuras 7.6, 7.7, e 7.8 mostram, como exemplos, o resultado da simulação da
característica IxV de três diodos de PbTe feitos a partir de junções p-n++, p-n+, e p-n,
respectivamente. Nestes gráficos, os círculos abertos são os pontos medidos
experimentalmente. As linhas traço-ponto correspondem ao cálculo feito a partir da
equação do diodo ideal (Equação 7.4) utilizando o fator de idealidade nid = 2. As linhas
tracejadas mostram o cálculo de melhor ajuste considerando apenas a resistência série
Rs e o melhor fator de idealidade. Pode-se notar que esta curva ajusta o ramo direto da
curva IxV. E finalmente, as linhas sólidas correspondem ao melhor ajuste considerando
todos parâmetros (nid, Rs e Rp) na Equação 7.7. Observe que a resistência paralela
influencia principalmente o ramo de corrente reversa da curva IxV. Os painéis inferiores
nas Figuras 7.6, 7.7, e 7.8 mostram, para melhor visualização, a curva do logaritmo do
módulo da corrente versus a tensão aplicada.
TABELA 7.2– Dados obtidos da caracterização IxV: resistência incremental diferencial R0, produto resistência incremental vezes a área R0A, fator de idealidade nid, resistência em série Rs e em paralelo Rp ao diodo.
Diodo Tipo R0
(kΩ)
R0A
(Ωcm2) nid
Rs
(Ω)
Rp
(kΩ)
D4005P p-n++ 0,91 0,64 4,0 140 0,63
D4005G p-n++ 0,57 4,48 4,5 35 0,45
D4012P p-n++ 45,0 31,8 1,0 1000 39,0
D4012G p-n++ 1,72 13,5 4,5 450 1,90
D4007P p-n+ 1,80 1,28 3,6 370 1,30
D4007G p-n+ 0,95 7,43 2,0 350 0,95
D4010P p-n 0,32 0,23 2,0 200 0,70
D4010G p-n 2,00 15,7 1,0 900 3,50
D4022P p-n 6,97 4,93 3,1 600 19,0
D4022G p-n 1,06 8,35 1,0 1100 4,20
D4022P2 p-n 13,4 9,45 0.1 13500 30,0
92
Os parâmetros obtidos da análise da característica IxV, conforme o procedimento
descrito acima, são mostrados na Tabela 7.2 para todos os diodos medidos. Os
resultados desta análise mostram uma grande variação nos parâmetros dos diodos
fabricados. A resistência diferencial incremental variou entre 0,32 e 45 kΩ, a resistência
paralela entre 0,45 e 39 kΩ, e a resistência série entre 35 e 1100 Ω. O alto valor de Rs
encontrado para o diodo D4022P2 se deve à pequena camada p restante após o ataque
químico observada para este diodo. O fator de idealidade ficou entre 1,0 e 4,5 para os
diodos de PbTe caracterizados. Valores de nid maiores do que 2 indicam que
mecanismos mais complexos para a condução de corrente estão presentes no diodo.
Nenhuma correlação pôde ser encontrada entre os parâmetros do diodo obtidos da
análise da característica IxV e a concentração de elétrons na camada n da junção.
Conforme observado diretamente dos gráficos IxV e comentado anteriormente,
variações expressivas entre curvas IxV de diodos da mesma amostra foram observadas.
Acreditamos que estas variações se devem à falhas e não-uniformidade durante o
processamento dos diodos, que serão discutidas na Secção 7.4.
A próxima Secção mostra os resultados da caracterização óptica dos fotodiodos, onde
flutuações nas figuras de mérito dos detectores de infravermelho também foram
observadas.
7.3 – Detectividade e Resposta Espectral
A detectividade dos fotodiodos de PbTe, montados no criostato de nitrogênio líquido
mostrado na Figura 6.6, foi medida utilizando o procedimento e a montagem descritos
no Capítulo 5. Para a medida de detectividade, o corpo negro foi colocado a uma
temperatura TBB = 900K com uma abertura da cavidade AS = 0,785 cm2. O detector foi
posicionado a uma distância d = 25cm e a freqüência do modulador mecânico utilizada
foi de 900 Hz. Nestas condições, como o fator de transferência do modulador é
Fm=0,38, a densidade de potência incidente no detector foi H = 5,65x10-4 Wcm-2,
conforme calculado pela Equação 5.1.
93
TABELA 7.3 – Detectividade D* dos detectores de PbTe medida diretamente e com o pré-amplificador. VS, VN, e VS/VN correspondem à tensão do sinal, do ruído, e à relação sinal-ruído, respectivamente.
Pré-amplificador Direto
Diodo Tipo VS
(mV)
VN
(mV) VS/VN
VS
(mV)
VN
(mV) VS/VN
D*
(cmHz1/2W-1)
D*cor
(cmHz1/2W-1)
D4005P p-n++ 29 1,50x10-2 1933 0,72 3,80x10-4 1895 4,83x108 5,96x108
D4005G p-n++ 145 3,00x10-2 4833 2,7 6,00x10-4 4500 3,62x108 4,47x108
D4012P p-n++ 130 5,00x10-4 260000 5,80 7,50x10-4 7733 6,49x1010 8,01x1010 D4012G p-n++ 290 6,00x10-3 48333 9,80 2,50x10-4 39200 3,62x109 4,47x109
D4007P p-n+ 8 9,00x10-3 889 0,39 5,00x10-4 780 2,22x108 2,74x108
D4007G p-n+ 160 2,50x10-2 6400 3,80 7,50x10-4 5067 4,80x108 5,93x108
D4010P p-n 16 3,50x10-2 457 0,22 6,00x10-4 367 1,14x108 1,41x108
D4010G p-n 400 4,00x10-3 100000 80,00 4,50x10-4 177778 1,33x1010 1,64x1010
D4022P p-n 120 1,60x10-3 75000 2,40 1,00x10-4 24000 1,87x1010 2,31x1010
D4022G p-n 180 1,10x10-2 16364 1,20 1,30x10-3 923 1,23x109 1,52x109
D4022P2 p-n 19 6,00x10-4 31667 3,50 1,50x10-4 23333 7,91x109 9,77x109
93
94
O valor rms da tensão do sinal VS do detector foi medido no amplificador sincronizado
na freqüência do modulador. A tensão rms do ruído VN foi também determinada para
uma radiação de fundo de 300K e um ângulo de visada FOV = 30o, bloqueando-se a
entrada da radiação infravermelha no criostato. Os valores de VS e VN foram
determinados medindo-se diretamente e utilizando o pré-amplificador de entrada do
amplificador Lock-In. O pré-amplificador aumenta a leitura de um fator máximo de 100,
dependendo da relação entre a impedância do dispositivo e a de entrada do pré-
amplificador. A Tabela 7.3 mostra os valores de VS, VN, e da relação sinal-ruído VS / VN,
medidos diretamente e com o pré-amplificador para os diversos diodos fabricados. A
detectividade D*, calculada pela Equação 5.5 utilizando a respectiva área do detector A
e o valor de ∆f = 14Hz para a largura de banda do amplificador, encontra-se disposta na
Tabela 7.3.
2 3 4 5 6 70
20
40
60
80
100
BaF2
Tran
smis
são
(%)
Comprimento de onda (µm)
FIGURA 7.9 – Espectro de transmissão na região do infravermelho para a janela de BaF2 do criostato e para o substrato clivado de BaF2 utilizado para o crescimento.
Para determinar as perdas da radiação incidente na janela de BaF2 do criostato e no
substrato de BaF2 sobre o qual foram crescidos os detectores, o espectro de transmissão
no infravermelho foi medido no espectrofotômetro FTIR e é mostrado na Figura 7.9. A
janela e o substrato de BaF2 transmitem aproximadamente 90% da luz incidente. A
95
coluna na Tabela 7.3 nomeada D*Cor corresponde ao valor da detectividade descontando
as perdas de 19% na janela e no substrato de BaF2.
3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
0,0
0,5
1,0
Detector fotovoltaicoPbTe/BaF2T = 80K
Rep
osta
rela
tiva
Comprimento de onda (µm)
FIGURA 7.10 – Resposta espectral do detector de junção p-n de PbTe.
Observando os dados da detectividade da Tabela 7.3, pode-se ver que o valor de D*Cor
variou de 3,6x108 a 6,5x1010, de 2,2x108 a 4,8x108, e de 1,1x108 a 1,9x1010 cmHz1/2W-1,
para detectores de PbTe feitos a partir de junções p-n++, p-n+, e p-n, respectivamente.
Como no caso da característica IxV, uma flutuação significativa nos valores de D* foi
observada entre os diversos fotodiodos. Desta forma, não foi possível determinar uma
correlação entre os valores de detectividade e a concentração de elétrons da camada n da
junção. Razões para as causas destas variações serão discutidas na próxima Secção. É
importante enfatizar que os valores de detectividade D* (na ordem de 1011 cmHz1/2W-1)
medidos para os melhores fotodiodos fabricados durante este trabalho são comparáveis
aos dos detectores comerciais de InSb e HgCdTe com comprimento de onda de corte em
6 µm a 77K (Rogalski, 2002).
A resposta espectral dos diodos fabricados também foi medida conforme procedimento
relatado no Capítulo 5. A Figura 7.10 mostra a resposta típica do fotodiodo de PbTe em
função do comprimento de onda na região do infravermelho. Observe que o
comprimento de onda de corte do detector se localiza em 5,9 µm, correspondendo à
96
energia do gap do PbTe na temperatura de 80K. A queda na resposta observada em
4,3 µm, na região de absorção do gás carbônico, deve-se à diferença de caminho óptico
entre o detector medido e o detector piroelétrico.
7.4 – Correlação entre Medidas Elétricas e Ópticas
Com o objetivo de correlacionar os parâmetros do diodo determinados a partir da
característica IxV com os parâmetros da medida de detectividade, algumas análises
foram realizadas. A Figura 7.11 mostra o inverso da tensão de ruído (VN) medida com o
pré-amplificador em função da resistência paralela Rp obtida através da simulação da
característica IxV. Observa-se claramente uma relação inversa entre VN e Rp, ou seja,
quanto menor a corrente de fuga (maior Rp) menor é o ruído observado no detector.
0 10 20 30 40
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0Fotodiodos PbTeT = 80 K
1 / V
N (
µV -1
)
Resitência paralela (kΩ)
FIGURA 7.11 – Relação entre o inverso do ruído medido com o pré-amplificador e resistência paralela para os detectores de PbTe.
Este fato reflete diretamente na detectividade D* como pode ser confirmado pelo gráfico
da Figura 7.12, onde D* é plotado em função de Rp. Note que para Rp maiores que
10 kΩ, valores de detectividade maiores que 1x1010 cmHz1/2W-1 são obtidos.
97
0 10 20 30 40108
109
1010
1011
Fotodiodos PbTeT = 80 K
D* (
cm H
z1/2 W
-1)
Resistência paralela (kΩ) FIGURA 7.12 – Detectividade em função da resistência paralela para os detectores
fotovoltaicos de PbTe.
0 10 20 30108
109
1010
1011
Fotodiodos PbTeT = 80 K
D* (
cm H
z1/2 W
-1)
Produto R0A (Ω cm2)
FIGURA 7.13 – Detectividade em função do produto R0A para os detectores fotovoltaicos de PbTe.
A Figura 7.13 mostra o valor de D* em função do produto R0A para os fotodiodos de
PbTe fabricados neste trabalho. Com exceção de algumas flutuações, o gráfico mostra a
tendência esperada de aumento da detectividade com o aumento do produto R0A. Pode-
98
se notar que a relação D* ~ (R0A)1/2 não é encontrada neste gráfico. Esta relação é válida
para detectores que apresentam somente o ruído térmico Johnson (Hudson, 1969). Este
fato indica que outras fontes de ruído além do ruído térmico estão presentes nos nossos
detectores. As correntes de fuga superficiais, como demonstrado pela Figura 7.11
devem ser as principais causas do aumento do ruído.
Os melhores valores de R0A obtidos para os detectores de PbTe sobre BaF2 fabricados
neste trabalho são próximos dos valores encontrados na literatura para detectores
fotovoltaicos de PbTe sobre substrato de Si (John et al., 1999; Boschetti et al., 1993). É
importante lembrar que os valores de R0A para diodos de PbTe são normalmente
menores do que os obtidos para fotodiodos de InSb e HgCdTe com comprimento de
onda de corte equivalente, e que apesar disto, valores de detectividade comparáveis são
encontrados (Rogalski, 2002). As deslocações presentes nos sais de chumbo são
responsáveis pelos menores valores de R0A observado para estes materiais. Uma
correlação direta entre R0A e a densidade de deslocações foi observada para fotodiodos
feitos com compostos IV-VI sobre silício (John et al., 1999; Zimin et al., 2002).
As falhas e a não-uniformidade durante o processamento devem ser as principais causas
para as grandes flutuações observadas nos parâmetros obtidos através da curva IxV e
nos valores de detectividade dos diodos fabricados neste trabalho. O controle ruim do
ataque químico produziu mesas com alturas diferentes inclusive para uma mesma
amostra. O processo de solda artesanal dos fios de ouro utilizado na montagem dos
detectores se mostrou ser sempre uma fonte de problemas durante o processamento. Os
degraus de clivagem inerentes ao substrato de BaF2 provocam uma série de dificuldades
na litografia e limitam a uniformidade na fabricação dos dispositivos. Além disto, a falta
de uma camada passivadora na estrutura mesa para evitar as correntes de fuga
superficiais é também um limitante nos nossos fotodiodos.
99
CAPÍTULO 8
CONCLUSÕES
Uma série de junções p-n de PbTe foi crescida com sucesso sobre substratos de BaF2
pela técnica de epitaxia de feixe molecular. O controle da estequiometria através do
ajuste do fluxo de Te foi suficiente para se obter camadas p com boas mobilidades,
enquanto que o bismuto, usado como dopante extrínseco através do fluxo adicional de
Bi2Te3, se mostrou muito eficiente no controle da dopagem tipo-n neste material. A
série de amostras consistiu de junções p-n, p-n+ e p-n++, com a concentração de buracos
p próxima a 1017 cm-3 e a concentração de elétrons na ordem de 1017, 1018 e 1019 cm-3,
respectivamente. Diodos na forma de estrutura mesa foram fabricados por técnicas de
litografia e montados em um criostato de nitrogênio líquido para a caracterização
elétrica e óptica.
Um sistema automatizado para medidas de corrente por tensão e capacitância por tensão
foi completamente implementado para este estudo e os programas de controle e
aquisição de dados foram desenvolvidos na plataforma Visual Basic. Aproveitando esta
experiência, um código fonte em Visual Basic foi também desenvolvido para controlar e
fazer a comunicação com o sistema de crescimento epitaxial MBE instalado no
LAS/INPE, proporcionando uma grande autonomia na operação do sistema. Os
programas do sistema de resistividade e efeito Hall e o de resposta espectral também
foram atualizados.
As análises a partir da característica CxV mostraram que as junções p-n+ e p-n++ (com
n>1018 cm-3) formaram-se abruptas de um único lado, ou seja, com a região de depleção
apenas no lado p da junção. O valor da concentração de buracos p obtidos desta análise
concordou com o valor medido na camada de referência por efeito Hall. Larguras de
depleção da ordem de 1 µm foram calculadas para estas junções. Já as curvas de
1/Ce2xV para as junções p-n (n~1017 cm-3) apresentaram uma alta não-linearidade
indicando que a região de depleção se estende para os dois lados da junção.
100
As curvas IxV apresentaram formas diferenciadas tanto para o ramo de corrente reversa
como o de direta, mesmo para diodos feitos de uma mesma junção. A resistência
incremental R0, o produto R0A, a resistência em série Rs e em paralelo Rp, e o fator de
idealidade nid foram obtidos para todos os diodos usando a derivada da característica
IxV e um programa de simulação desenvolvido em Matlab para ajustar a curva
experimental à calculada pela equação de um diodo real.
Uma grande flutuação foi observada tanto para os parâmetros obtidos da característica
IxV quanto para os valores de detectividade D* medidos para os diversos diodos. Estas
flutuações não permitiram a determinação de uma correlação entre a concentração de
elétrons na camada n da junção e os parâmetros do fotodiodo de PbTe aplicado para a
detecção de infravermelho. As variações encontradas foram atribuídas às falhas e à não-
uniformidade durante o processamento dos fotodiodos. Porém, os parâmetros do diodo
obtidos da caracterização elétrica da junção puderam ser correlacionados com os valores
de ruído e detectividade medidos para os detectores de PbTe. Estes resultados permitem
uma previsão das figuras de mérito do detector de PbTe a partir dos dados obtidos
através da curva IxV.
Ressalta-se que os melhores fotodiodos de PbTe fabricados neste trabalho apresentaram
valores de detectividade (D* ~ 1011 cmHz1/2W-1) comparáveis aos de InSb e HgCdTe
comerciais e aos detectores de PbTe fabricados sobre silício. Espera-se que um
investimento na melhoria do processamento dos detectores de PbTe e o crescimento
sobre substratos de silício devem melhorar a uniformidade dos diodos fabricados.
101
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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![Junções celulares[1]](https://img.document.onl/doc/110x75/5572027d4979599169a39d66/juncoes-celulares1.jpg)
