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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.43.2013.tde-24092014-120342
Documento
Autor
Nome completo
Fernando Massa Fernandes
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2013
Orientador
Banca examinadora
Quivy, Alain Andre (Presidente)
Degani, Marcos Henrique
Monteiro, Davies William de Lima
Ribeiro, Evaldo
Tabacniks, Manfredo Harri
Título em português
Fotodetectores infravermelhos de alta eficiência baseados em poços quânticos crescidos por epitaxia de feixes moleculares
Palavras-chave em português
Fotodetectores
poços quânticos
Resumo em português
Fotodetectores baseados em poços quânticos (QWIPs Quantum¬-Well Infrared Photodetectors) possuem inúmeras aplicações nos campos da medicina, engenharia, defesa e monitoramento meteorológico e ambiental. O espectro de absorção dos QWIPs possui alta seletividade do comprimento de onda, e esse tipo de fotodetector é a escolha atual para a fabricação de câmeras de alta resolução operando no infravermelho. Atualmente, o Brasil enfrenta uma limitação na importação desse tipo de tecnologia, imposta pelos países mais desenvolvidos, devido à possibilidade de ser usada em aplicações militares. Neste trabalho, propomos o desenvolvimento e a fabricação de novos fotodetectores baseados em transições intrabanda em poços quânticos crescidos por epitaxia de feixes moleculares sobre substratos de GaAs. O crescimento epitaxial dos poços quânticos foi investigado, e as amostras foram analisadas por fotoluminescência (PL, Photoluminescence) de modo a verificarmos a qualidade e reprodutibilidade das heteroestruturas produzidas. O cálculo dos níveis de energia e das funções de onda dos poços quânticos foi feito por meio da implementação numérica do método da matriz de transferência [21] no software Mathematica. Esse método também foi aplicado ao cálculo autoconsistente envolvendo a dopagem da estrutura. A partir dos valores das energias de confinamento e das funções de onda obtidas pelo programa, algumas grandezas físicas puderam ser estimadas tais como o coeficiente de absorção teórico, a corrente de escuro e o ruído. Também foi implementado um modelo para o cálculo dos níveis de energia de uma impureza hidrogenóide dentro de um poço quântico de GaAs com barreiras de AlGaAs. Acredita-se que esse sistema possua melhores características de ruído em relação a um QWIP comum, no qual as impurezas estão completamente ionizadas [25] [26] [27]. O processamento das amostras para a fabricação dos fotodetectores foi desenvolvido e otimizado, e envolveu técnicas convencionais de fotolitografia, para a formação por ataque químico das estruturas de pequenos fotodetectores singelos sobre a amostra, e a deposição de filmes finos metálicos para a obtenção dos contatos (ôhmicos). Foram desenvolvidas e implementadas várias técnicas de caracterização para determinar o comprimento de onda de operação, a responsividade, o ruído intrínseco, e a corrente no escuro (dark current) dos QWIPs fabricados. No inicio deste projeto de doutorado, nenhuma das técnicas de caracterização estava disponível no laboratório. A caracterização completa dos QWIPs foi feita medindo-se o coeficiente de absorção e a resposta espectral por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), a fotocorrente foi medida com um corpo negro, a corrente de escuro usando curvas I-V, e o ruído com um analisador de espectros. As medidas foram realizadas em função da voltagem de polarização (bias) aplicada, em diferentes valores de temperatura. Foram crescidas várias amostras de QWIPs, para absorção nas janelas atmosféricas de 3m a 5m e de 8m a 12m. A curva de absorção de cada amostra foi medida, e a caracterização optoeletrônica completa foi realizada em dois desses QWIPs, para a região de 8m a 12m. O melhor resultado foi obtido em um QWIP com o pico de absorção em 9,3m, que apresentou detectividade de 5×1010 cm.Hz1/2/W para 10K e 4×109 cm.Hz1/2/W para 70K.
Título em inglês
High efficiency infrared photodetectors based on quântum wells grown by molecular beam epitaxy
Palavras-chave em inglês
Photodetectors
quantum wells
Resumo em inglês
Photodetectors based on quantum wells (QWIPs Quantum-Well Infrared Photodetectors) have numerous applications in the fields of medicine, engineering, defense, meteorology and environmental monitoring. The absorption spectrum of QWIPs has high wavelength selectivity, and this type of photodetector is the current choice for the fabrication of high-resolution cameras operating in the infrared. Currently, Brazil faces restrictions to import such a technology, imposed by the developed countries, due to its possibility of being used in military applications. In this thesis, we propose the development and optimization of photodetectors based on intraband transitions in quantum wells grown by molecular beam epitaxy (MBE) on GaAs substrates. The epitaxial growth of the quantum wells was investigated, and the samples were analyzed by photoluminescence (PL) to verify the quality and reproducibility of the heterostructures. The calculations of the energy levels and wavefunctions of the quantum wells were done by numerical implementation of the transfer matrix method [21] in the Mathematica software. This method was also applied to the self-consistent calculations involving the doping of the structures. From the values of the confinement energies, the wave functions could be obtained as well, and some physical quantities such as the theoretical absorption coefficient, the dark current and noise could be estimated. A model was also developed for the calculation of the energy levels of a hydrogenoid impurity inside a GaAs quantum well with AlGaAs barriers. It is believed that this system could have better noise characteristics when compared to a common QWIP in which the impurities are completely ionized [25] [26] [27]. The sample processing for the manufacture of the photodetectors was developed, optimized, and involved conventional photolithography techniques to define the physical size of the devices (followed by wet etching) as well as metallic film deposition to obtain ohmic contacts . Several characterization techniques were developed and installed to determine the wavelength of operation, the responsivity, the intrinsic noise and the dark current of the QWIPs manufactured in our laboratory. When this PhD project started, none of the characterization techniques was available in the lab. A complete set of experimental data was achieved by measuring the absorption coefficient and the spectral response by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the photocurrent using a blackbody, the dark current using I-V curves, and the noise with a spectrum analyzer. The measurements were performed as a function of the bias voltage at different temperatures. Several QWIPs samples were grown for absorption in the atmospheric windows from 3m to 5m and from 8m to 12m. The absorption curve of each sample was measured, and full characterization was performed on two QWIPs, in the region of 8m to 12m. The best results were obtained in a QWIP with peak absorption at 9.3m, which showed a detectivity of 5×1010 cm.Hz1/2/W at 10K and 4×109 cm.Hz1/2/W at 70K.
 
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Data de Publicação
2014-09-29
 
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  • FERNANDES, F. M., et al. High-efficiency infrared photodetectors based on quantum wells grown by molecular beam epitaxy. In 15th Brazilian Workshop on Semiconductor Physics, Juiz de Fora (MG), 2011. Anais da conferência., 2011. Abstract.
  • FERNANDES, F. M., et al. Low-temperature electronic transport mechanisms deduced from noise measurements in quantum-well infrared photodetectors. In International Conference os Superlattices, Nanostructures and Nanodevices (ICSNN 2012), Dresden, 2012. Anais da conferência., 2012. Abstract.
  • CLARO, M. S., et al. Experimental and theoretical studies of dark current in quantum-well infrared photodetectors. In Workshop on Infrared Technology, Rio de Janeiro, 2011. Anais da conferência., 2011. Resumo.
  • MAIA, A. D. B., et al. Calculations of the electron energy levels of InAs/GaAs quantum dots for application in infrared photodetectors. In 15th Brazilian Workshop on Semiconductor Physics, Juiz de Fora, 2011. Anais da conferência., 2011. Abstract.
  • MAIA, A. D. B., et al. Desenvolvimento de fotodetectores de radiação infravermelha baseados em nanoestruturas semicondutoras. In Empreendedorismo no Instituto de Física da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2010. Website da conferência., 2010. Resumo.
  • MAIA, A. D. B., et al. Fabricação de fotodetectores infravermelhos de alto desempenho para aplicações agropecuárias. In II Conferência Nacional sobre Defesa Agropecuária, Belo Horizonte, 2010. Anais da conferência., 2010. Resumo.
  • MAIA, A. D. B., et al. Growth, processing and testing of infrared photodetectors based on quantum dots. In 15th Brazilian Workshop on Semiconductor Physics, Juiz de Fora, 2011. Anais da conferência., 2011. Abstract.
  • MAIA, A. D. B., et al. Influence of In segregation and intermixing on the optical and electronic properties of InAs/GaAs quantum dots and photodetectors. In International Conference os Superlattices, Nanostructures and Nanodevices (ICSNN 2012), Dresden, 2012. Anais da conferência., 2012. Abstract.
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