Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
■ * • TRƯỜNG ĐAI HOC sư PHAM HÀ NÔI 2
• • • •
CAO THỊ MINH HIỀN
NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG DẪN InSb
TRONG DẢI SÓNG HÒNG NGOẠI
LUẬN VĂN THẠC Sĩ KHOA HỌC VẬT CHẤT
• • • •
Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
■ * • TRƯỜNG ĐAI HOC sư PHAM HÀ NÔI 2
• • • •
HÀ NỘI - 2014
CAO THỊ MINH HIỀN
NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG DẪN InSb
TRONG DẢI SÓNG HÒNG NGOẠI
Chuyên ngành : Vật lý chất rắn Mã
số : 60 44 01 04
LUẬN VĂN THẠC Sĩ KHOA HỌC VẬT CHẤT
• • • •
Người hướng dẫn khoa học: TS. BÙI XUÂN CHIẾN
HÀ NỘI - 2014
Tôi xin dành những lời đầu tiên trong bài luận văn của mình để được bày tỏ
lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của tôi tới các thày cô giáo, những người
đã dìu dắt, dạy dỗ tôi trong suốt thòi gian qua.
Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy Bùi Xuân Chiến đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi ttong suốt quá trình làm thực nghiệm và hoàn
thành luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến TS. Hoàng Ngọc Minh cùng các anh
chịtại phòng thí nghiệmQuang điện tử - Viện Vật lý đã tạo điều kiện, giúp đỡ
tôi thực hiện một số phép đo và có những đóng góp quý giá cho luận văn của
mình.
ttong tương lai. Chúng là những phần tử rất quan trọng trong các ngành kỹ
thuật như truyền tin, đo lường, điều khiển tự động, .Trong các linh kiện đó,
quang trở là một linh kiện thu quang có rất nhiều ứng dụng trong khoa học
và công nghệ, cũng như ừong đòi sống thực tiễn. Nhờ việc phân biệt được
cường độ ánh sáng khi chiếu vào nó mà đã giúp cho ngành chế tạo cảm biến
phát triển mạnh. Có rất nhiều các hệ thống tự động sử dụng cảm biến về ánh
sáng, nhờ những cảm biến ánh sáng mà các thiết bị hoạt động trở nên thông
minh hơn.
Do hiện tượng hấp thụ, khí quyển ừái đất chỉ cho sóng ánh sáng (là
một dạng sóng điện từ) truyền qua ở một số vùng phổ nhất định được gọi là
vùng cửa sổ khí quyển (atmosphere window). Đối với mỗi vùng người ta
phải chế tạo ra những loại cảm biến riêng và vật liệu truyền qua thích hợp.
Cụ thể:
- Vùng nhìn thấy có bước sóng X = 0,4 đến 0,75 |xm sử dụng các cảm
biến ma trận CCD, CMOS, quang trở CdS, pin mặt tròi và các ống
kính từ thủy tinh quang học thông thường.
- Vùng hồng ngoại gần (X, = 0,8 đến l,8^im) sử dụng các đầu thu PbS,
PbSe, ma trận CCD trên cơ sở vật liệu GaAs và các ống kính và cửa
sổ từ tinh thể thạch anh, saphừe
- Vùng hồng ngoại (À- từ 3 đến 6jj,m) có vai trò rất quan trọng trong
khoa học và kỹ thuật YÌ tất cả các đông cơ của máy móc, ô tô, tàu
thủy và cơ thể con người đều phát xạ ra các bước sóng này. Cảm biến
7
sử dụng ở đây là các quang trở và ma trận ảnh CCD làm từ vật liệu
bán dẫn vùng cấm hẹp như InSb, GaSb, AlSb hoạt động ở nhiệt độ
ni-tơ lỏng (-196°C).
Chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài:
“Nghiên cứu hiệu úng quang dẫn InSb trong dải sóng hồng ngoại”.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ chế quang điện.
■
NỘI DUNG
Chương 1
TỔNG QUAN VÈ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
1.1Vùng phổ ánh sáng hồng ngoại
1.1.1 Phổ sóng điện từ
Ánh sáng là một loại sóng điện từ có phổ phân bố trải từ tia gamma, tia
X, tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy, vùng hồng ngoại, sóng micro cho đến
sóng vô tuyến điện, bước sóng càng ngắn thì năng lượng càng lớn Hình
1.1 Chỉ ra vùng bước sóng quang học cần quan tâm: Từ vùng tia tử ngoại
có bước sóng
1. 2 đến 0.35|Ш1 qua vùng khả kiến từ 0,4 đến 0,76|Ш1 cho đến vùng
hồng ngoại gần và xa 100|Ш1. Con mắt người chỉ cảm nhận được
hình ảnh trong vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 đến 0,76
|Ш1. Đây là một vùng rất hẹp của toàn bộ dải sóng điện từ đặc biệt
vùng hồng ngoại trung được phát ra từ mô-tơ, động cơ đang hoạt
9
động, và vùng hồng ngoại xa bức xạ từ thân thể động vật và người
ngày càng đóng một vai trò quan trọng.
1.1.2 Sự bức xạ hồng ngoại và nhiệt lượng tử
Bức xạ hồng ngoại là sóng điện từ có bước sóng nằm trong khoảng từ
1, 75 |Ш1 tới 100 Jj,m(ứng với năng lượng tương đương từ l,65eV đến
1.2meV). Bức xạ hồng ngoại được tạo ra do dao động của các hạt vi
mô (nguyên tử) trong các cấu trúc vật chất. Nhiệt độ vật thể càng cao
thì dao động càng lớn và năng lượng phát xạ càng cao. Lý thuyết cho
sự phát xạ này dựa trên mô hình vật đen tuyệt đối. Nó hấp thụ hết tất
cả các bức xạ.Công suất phát xạ w và số lượng photon phát ra p được
biểu diễn qua các công thức phụ thuộc vào nhiệt độ của vật đen theo
định luật Plane:
2 /1^ Vtf* ^
- Cơ thể người và động vật phát ra một phổ có đỉnh ở bước sóng gần
Hình 1.2. Sự ữuyền qua khỉ quyển của các phổ bức xạ
1.1.3. Vùng cửa sỗ khí quyển (atmosphere window)
1
1
0.2 (UTI 0.5 1 a 5 10 20 100(Jinr 0.1cm I.Dcm 1.0 m
Human vision Wavelength (not to scale) Imaging radar
■* * Thermal IR scanners Ka-Band
_ . ._______ *____________________> X-Band
Photographic cameras Q Band
L-Band
Electro-optical sensors P-Band
< *———>
10 ịim.
- Xe tăng, máy bay (800K), động cơ sẽ phát phổ cực đại ở vùng 3-5 |xm.
Khi truyền qua khí quyển, năng lượng của phổ bị suy yếu do quá
trình tán xạ và hấp thụ gây ra bởi nguyên tử khí nhỏ, khói, hơi nước
Thực tế chỉ có một số vùng có độ hấp thụ nhỏ nhất và cho phép phàn
lớn bức xạ hồng ngoại đi qua. Chứng được gọi là cửa sổ khí quyển.
Tương ứng với từng vùng của sổ này, người ta đã nghiên cứu phát minh
ra các chủng loại đầu thu hồng ngoại sau đây:
2. Vùng cận hồng ngoại (NIR) có bước sóng từ 0,78 đến 1 ụ,m: các đầu
thu CCD Si hoặc đầu thu khuếch đại ảnh
3. Vùng hồng ngoại ngắn SWIR có bước sóng từ 1 đến 3fim: đầu thu PbS,
PbSe
4. Vùng hồng ngoại trung MWIR có bước sóng từ 3 đến 6|j,m. Đầu thu sử
dụng ở đây là linh kiện quang dẫn InSb hoặc ma trận cảm biến ảnh
InSb được làm lạnh ở nhiệt độ N
2
lỏng 77K. Vùng này có độ tương
người. Để phân loại có thể dựa trên các tiêu chí chính sau:
1
3
1.2.1.1 Theo các hiệu ứng vật lý trong các loại vật liệu
chế tạo Ở đây gồm các nhóm chính sau:
a. Các hiệu ứng nhiệt điện (không cần làm lạnh): Cụ thể sự tăng nhiệt độ sẽ
1
4
làm thay đổi độ dẫn điện (bolometer), thay đổi điện dung (pyrometer), thay
đổi độ giãn nở vật liệu (cặp nhiệt điện cho vật rắn và tế bào Goley cho
chất khí), thay đổi tính chất từ {ferroelectric) b. Các hiệu ứng quang điện
trong chất bán dẫn. Cụ thể:
- Hiệu ứng quang dẫn (photoconductor): quang trở hồng ngoại.
- Hiệu ứng quang điện (photovoltaic)
- Hiệu ứng Josephson (rào chắn Schottky PtSi)
- Hiệu ứng Giếng lượng tử
1.2.1.2. Phân loại theo chức năng hoạt động
Cụ thể
- Đầuthu năng lượng
- Cảm biến ma trận hình ảnh FPA {focal plan array). Do các cảm biến
này khi hoạt động còn cần đến hàng loạt các mạch tích phân ngoại
vi như: mạch đọc và khuếch đại tín hiệu từ các pixel của ma trận,
mạch tạo xung nhịp điều khiển, mạch trộn kênh multiplexing,
mạch biến đổi AD và mạch truyền sang tín hiệu video .nên ở đây
còn có thể phân loại theo những tiêu chí sau:
* Mạch lai ghép hybrid như ừong CCD
*Mạch đơn chip monolithic(tất cả trên cùng 1 chip) như trong CMOS.
Hình 1.3 chỉ ra thời điểm của các phát minh quan trọng làm nền
É
cọ cọ
Ịá Ịá
CL O.
200
0
Sau đây ta sẽ giới thiệu các loại đầu thu hồng ngoại quan trọng nhất
1.2.2 Cảm biến dựa trên các hiệu ứng nhiệt điện không cần làm lạnh
Cụ thể gồm những loại sau
1.2.2.1 Hiệu ứng nhiệt điện (thermal effect)
Sự hấp thụ năng lượng nhiệt sẽ làm thay đổi tính chất vật liệu. Qua đó
chúng được chuyển đổi thành tín hiệu điện có tỉ lệ tương ứng. Đầu thu loại
này hoạt động theo 2 cơ chế: Hấp thụ và chuyển đổi:
1.2.2.2 Đầu thu pyroelectric hoặc ferroelectric
Đầu thu được cấu tạo bằng các vật liệu mà tính chất phân cực bị biến đổi
theo sự thay đổi nhiệt độ. Các đầu thu này hoạt động theo chế độ xung. Dòng
điện sinh ra do sự thay đổi độ phân cực này sẽ được chỉ thị bằng một mạch
điện khuếch đại bên ngoài.
Bảng 1.1: So sánh các loại vật liệu đầu thu
Loai đâu •
thu
Ưu điểm Khuyết điểm
Nhiệt điện
Gọn nhẹ, chăc chăn, độ tin
cậy cao, giá thảnh rẻ, không
cần làm lạnh
Năng suât phát hiện thâp ở tân số
cao, thời gian đáp ứng chậm (cỡ
ừên ms)
Quang điện
A
m
- Bv
Vật liệu có độ nhạy cao, dê
pha tạp, công nghệ chế tạo
tiên tiến, dễ tích hợp thành
mạch đơn chip
Công nghệ epitaxy với khả năng
làm lệch mạng tinh thể cao
Vật liệu pha
tạp
Hoạt động ở vùng bước
sóng dài, công nghệ chế tọa
tương đối đơn giản
Làm việc ở chê độ làm lạnh ở
nhiệt độ rất thấp (càn đến He
lỏng)
Hạt tải tự do
Giá thành rẻ, dê tạo thành
trường 2D
Hiệu suât lượng tử thâp. Cân làm
lạnh ở nhiệt độ N2 lỏng
Giếng lượng
tử
Nuôi cây tinh thê đơn giản,
có độ đồng nhất cao trên
diện tích lớn, đàu thu đa
màu Tỉ lệ tái họp thấp, dễ
điều chinh độ nhạy phổ
Hiệu suât lượng tử thâp. Thiêt kế
qua. Lúc đầu, khi chưa chiếu sáng thì không có dòng điện chỉ thị (độ dẫn
=0). Khi
tăng cường độ chiếu sáng dòng điện sẽ tăng lên. Tuy nhiên việc tăng cường độ
chiếu sáng đến một ngưỡng nào đó sẽ bị bão hòa (dòng điện sẽ không tăng lên
nữa).
1.2.3.2 Hiệu ứng quang điện
Cũng tương tự như trên, các photon của bức xạ hồng ngoại tới sẽ tạo ra các
hạt tải tự do là điện tử và lỗ ừống ừong vật liệu bán dẫn. Tuy nhiên số hạt tải
này không dàn khắp phiến bán dẫn như ở linh kiện quang dẫn mà chỉ tập trung
ở vùng tiếp xúc p-n (vùng nghèo) có độ dày cực mỏng (cỡ vài nm). Do đó linh
kiện loại này ngoài ưu điểm có tốc độ đáp ứng quang điện rất nhanh còn có độ
khuếch đại cao hơn hẳn linh kiện dựa trên hiệu ứng quang dẫn.
Các đầu thu loại này còn được phân ra theo các họ sau đây.
1. Photodode, photo transistor
Khi năng lượng photon ánh sáng hồng ngoại đập vào đầu thu lớn hơn hay
bằng năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn, nó sẽ tạo ra các hạt tải tự do sơ
cấp trong vùng tiếp giáp p-n của photodiode. Bằng các mạch khuếch đại thích
họp giá ừị của dòng điện sẽ được chỉ thị.Các đầu thu này làm việc ở vùng điện
áp ngược (reverse -bias) của diode; điều đó cho phép giảm cường độ dòng điện
đi qua (đồng thời giảm luôn hao tổn). Ngoài ra các đầu thu này ít bị nhiễu do
các hạt tải đã bị rút hết khỏi vùng tiếp giáp p-n (vùng nghèo). Vật liệu chế tạo
các đầu thu loại này ngoài đơn tinh thể Si và Ge còn là các hợp chất bán dẫn
gốc A
m
B
v
như GaAs, InSb; A
n
Byi như HgCdTe, InGaAs.
2. Đầu thu giếng lượng tử QWIP (Quantumwell Infrared Photodetector)
sau khi phải đi xuyên qua nhiều rào chắn mỏng sẽ mất đi độ linh động.
1.2.4. Các thông sổ đặc trưng của đầu thu hồng ngoại
Có rất nhiều thông số để đánh giá chất lượng cả một đầu thu hồng ngoại,
tuy nhiên ở đây tôi chỉ nêu ra một số quan trọng nhất. Đó là:
1.2.4.1. Độ nhạy theo bước sóng và độ phân giải nhiệt độ
Một tiêu chuẩn để phân biệt các đầu thu là độ nhạy phổ hồng ngoại, càn
phân biệt phạm vi làm việc của các đầu thu: vùng sóng ngắn (SWIR) từ 1 - 3|
im; sóng trung MWIR từ 3-5|j,m; sóng dài 8-14|xm. Độ nhạy phổ của từng loại
vật liệu phụ thuộc vào bước sóng bức xạ hồng ngoại. Ngoài ra độ nhạy của từng
đầu thu còn phụ thuộc vào các nhiệt độ khác nhau, nhất là các đầu thu photon
càn phải làm lạnh.
Tham số quan trọng khác là độ phân giải nhiệt độ NETD {noise equivalent
temperature difference). Nó cho biết độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất mà đầu thu
còn cảm nhận được.
1.2.4.2. Năng suất phát hiện riêng D* và thông lượng nền
Đại lượng đo phẩm chất năng suất phát hiện riêng D* là thông số quan
trọng nhất của một đầu thu hồng ngoại. Nó phản ánh tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
SNR và được biểu diễn qua công thức sau:
D* = — = SNRcm^fHz/W (1.3)
Trong đó: SNR là tỉ sổ tín hiệu ừên tạp, A là diện tích mặt nhạy quang, AX
là độ rộng băng tần quan sát, NEP (noise equivalent power) công suất nhiễu tương
đương ồn và bằng Vn/R với Vn là trung bình bình phương điện thế nhiễu và R
là hiệu suất tín hiệu điện áp ra trên năng lượng photon đến.
Như vậy D* đặc trưng cho không chỉ phổ phát xạ của vật đen mà còn bao
hàm cả độ nhạy phổ của đầu thu, diện tích đầu thu, góc trường, nhiệt độ nền, tấn
số điều chế. Rõ ràng D* càng cao thì phẩm chất đầu thu càng tốt.
Hình 1.5 minh họa tham số D* của một số vật liệu chế tạo đầu thu. Qua đó ta
thấy ừong vùng 3-5 |im các đầu thu InAs, InSb và PbS có chất lượng tốt nhất
nhiệt độ 77K; trong vùng 8-12 fim thì vật liệu HCT là tốt nhất.
Hình 1.5Năng suất phát hiện riêng D* của một sổ vật liệu chế tạo đầu thu IR
Các đầu thu bolometer thường được chế tạo theo hai cấu hình mạch được
minh họa trên Hình 1.6. Trong mạch cầu (hình trái) phải dùng 2 đầu thu: 1 để
chuẩn và 1 để đo. Khỉ bức xạ hồng ngoại chiếu tới đầu đo sẽ làm thay đổi điện
trở của nó và thay đổi dòng điện qua R2 (tỉ lệ với tín hiệu ra). Trong cấu hình
mạch AC (hình phải), tín hiệu ra chính là sự thay đổi điện áp thông qua tụ điện.
Hình 1.7. Cấu trúc cầu trong đầu thu microboỉometer của hãng Honeywell Các
đầu thu bolometer đầu tiên được chế tạo dựa ttên vật liệu Platín. Ngày nay các
đầu thu hiện đại dựa trên cấu trúc đơn chip bằng công nghệ vi điện tử và
MEMS sử dụng vật liệu chuẩn là VOx. cấu tạo và cơ chế hoạt động của 1 pixel
được biển diễn trong hình 1.6. Diện tích thu nhận là màng mỏng từ vật liệu
SÌ3N4 dầy 0,5 ụm được phủ 1 lớp nhạy tia hồng ngoại bằng yật liệu VOx. Lá
này được tựa ưên tấm đế bán dẫn Si bằng các chân (vật liệu SÌ304) có phủ lớp
kim loại dẫn điện. Trên mặt phiến Si được phủ một lớp màng mỏng phản xạ để
cho các photon nhiệt xuyên qua sẽ phản xạ ngược lại và được hấp thụ ở lớp
VOx. Qua đó làm tăng hiệu suất háp thụ. Khe hở giữa lá và tấm đế bằng 2,5
ỊLLĨĨ1 = 1/4 bước sóng tía tới 10 ỊLim. Vật liệu hấp thụ nhiệt chuẩn là VOx tuy nhiên
Copyright: Tài liệu đại học ©