|
آزمایشگاه میکروالکترونیک
(آشکارسازهای UV و IR)
میکروالکترونیک شاخه ای از علم الکترونیک است که به مطالعه، طراحی، ساخت و توسعه ادوات الکترونیکی در مقیاس میکرو می پردازد. این علم شامل قطعات مجزا (دیودها، ترانزیستورها، مقاومت ها ، القاگرها و خازنها) و مدارات مجتمع مبتنی بر این قطعات می باشد. این ادوات اغلب بر روی یک ویفر تک کریستالی ساخته می شوند که جهت کریستال آن در حین فرایند ساخت حفظ می شود. مراحل ساخت شامل تشکیل فیلم، آلایش به ناخالصی ها، فوتولیتوگرافی و بسته بندی می باشد.
روش های رشد فیلم شامل انتقال بخار فیزیکی (PVT)، لایه نشانی بخار شیمیایی (CVD)، روش سل ژل و رسوب گیری از فاز مایع می باشد.
به منظور آلایش فیلم رشد یافته می توان عوامل ناخالصی را در حین رشد وارد فرایند نمود و یا با استفاده از تکنیک های نفوذ یا کاشت یون برای انتقال ناخالصی به ویفر از پیش ساخته شده استفاده کرد.
فوتولیتوگرافی به منظور جداسازی ناحیه مشخص و تغییر ویژگی های آن قسمت از فیلم بکار می رود و شامل نشاندن فوتورزیست بر روی فیلم رشد یافته، تابش نور UV از طریق ماسک به فیلم و سپس شستشو و حذف قسمت های نا خواسته می باشد. پس از آن می توان در آن ناحیه ای که فوتورزیست حذف شده است، تغییرات لازم از جمله آلایش را انجام داد. مرحله آخر شامل لایه نشانی فلزاتی است که به عنوان اتصالات الکتریکی قطعه بکار می روند.
درچند سال اخیر همه تلاش ها در جهت کوچک سازی هر چه بیشتر مدارات مجتمع، استفاده از مواد جدید با خصوصیات فوق العاده و طراحی ادوات جدید با ویژگی های مورد نیاز صنعت متمرکز شده است.
|
دکتر شهرام محمدنژاد
استاد تمام، مدیریت آزمایشگاه
تلفن: ۰۲۱۷۳۲۲۵۶۳۰
Email: shahramm - AT - iust.ac.ir
|
دکتر مهدیار نوری رضایی
تلفن: ۰۲۱۷۳۲۲۲۶۶۷
Email: mahdiyar_rezaie yahoo.com
|
|
دکتر نازلی رونق
تلفن: ۰۲۱۷۳۲۲۲۶۶۷
Email: nazli.ronagh(At)yahoo.com
|
میثم عاصی
دانشجوی دکتری
تلفن: ۰۲۱۷۳۲۲۲۶۶۷
Email:
|
|
عطا حبیبی
دانشجوی کارشناسی ارشد
تلفن: ۰۲۱۷۳۲۲۲۶۶۷
Email:
|
فائزه آقایی
دانشجوی کارشناسی ارشد
تلفن: ۰۲۱۷۳۲۲۲۶۶۷
Email:
|
طراحی و ساخت آشکارسازهای نوری UV مبتنی بر SiC
|
نیمه هادی هایی که شکاف باند بزرگی دارند نسبت به نور مرئی حساس نیستند و به منظور آشکارسازی طول موج های نوری که در محدوده ماوراء بنفش (nm۱۰-۴۰۰) قرار می گیرند. مزیت استفاده از آشکارسازهای نوری با شکاف باند وسیع، فیلتر کردن تابش نور مرئی است که برای آشکارساز UV همانند نویز عمل می کند.
در مقایسه با دیگر نیمه هادی هایی که شکاف باند وسیع دارند، آشکارسازهای نوری SiC در سطوح نسبتا وسیعی (تا حدودا mm۳×mm۳) ساخته می شوند و جریان تاریکی اندکی دارند.
SiC با شکاف باند بزرگ eV۲۸/۳ ذاتا برای ناحیه مرئی نابیناست و نسبت دفع نور UV به مرئی بالایی دارد. همچنین چگالی حامل های ذاتی بسیار اندکی دارد که حدود ۱۰۱۸ برابر کوچکتر از Si می باشد، بنابراین آشکارسازهای مبتنی بر SiC چگالی جریان نشتی بسیار اندکی دارند. به علاوه SiC نرخ تولید گرمایی حامل اندکی دارد که باعث می شود که حتی در در دمای بالا هم جریان تاریکی اندکی داشته باشد و نیز امکان ساخت آشکارسازهایی با سطوح بزرگ را فراهم می سازد.
انرژی جابجاسازی مینیمم انرژی است که باعث جدا شدن اتم از مکانش در شبکه کریستالی می شود که این انرژی به منظور اندازه گیری سختی تایش و عملکرد در دمای بالا بکار می رود. مقدار آن برای SiC، eV۲۲ است. بنابراین آشکارسازهای SiC نسبت به آشکارسازهای Si سختی تابشی بهتر و طول عمر طولانی تری را در محیط های به شدت تابشی دارند.
امتیاز دیگر SiC، تشکیل خودبخودی لایه اکسید SiO۲ در اثر حرارت می باشد که می تواند منجر به بی اثر سازی تخریب های سطحی ادوات SiC شود و در نتیجه میزان جریان نشتی را کاهش می دهد.
بنابراین SiC ماده ای امیدوارکننده با آینده ای روشن برای کاربردهای توان بالا، دما بالا و فرکانس بالا می باشد. این ویژگی ها به علت میدان شکست الکتریکی بزرگ، سرعت رانش اشباع الکترونی بالا و رسانایی گرمایی زیاد آن می باشد.
|
طراحی و شبیه سازی اثر نانوذرات نقره بر مختصات الکتریکی و نوری فیلم لایه نازک اکسید تیتانیوم
|
در سال های اخیر، اکسید تیتانیوم با داشتن ویژگی بسیار مناسب در کاربردهای فرابنفش، توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است. از جمله ویژگی TiO۲ می توان، شفافیت بسیار عالی در طول موج مرئی و مادون قرمز و ضریب شکست بالا (مناسب برای پوشش ضد انعکاس در قطعات نوری) را نام برد. برای بهبود ویژگی های الکتریکی و نوری لایه نازک اکسید تیتانیوم، از نانوذرات نقره استفاده می کنیم. نانوذرات نقره دارای ضریب جذب بالا هستند، بنابراین بارهای انتقالی بسیار بالا می باشند، به همین دلیل جریان نوری، افزایش و جریان تاریکی، بازترکیب الکترون- حفره و نویز به سیگنال کاهش می یابد. با توجه به این که بازده کوانتومی و پاسخ نوری وابسته به ضریب جذب هستند، با افزایش ضریب جذب، این پارامترها بهبود می یابند. البته ویژگی های نانوذرات وابستگی شدیدی به سایز، شکل، ساخت و دی الکتریک محیط دارد. با استفاده از چند روش عددی اثر قطر و شکل نانوذرات را بر روی پارامترهای الکتریکی و نوری TiO۲ تحلیل و بررسی می کنیم. از جمله آنها می توان پارامترهای جذب، پراکندگی، بازتابش، انتقال و گاف انرژی را نام برد. به کمک پارامترهای نوری، ضریب شکست، ضریب دی الکتریک و رسانایی را نیز بدست آورده ایم. علاوه بر آن، پلاریزاسیون و پارامترهای جذب و پراکندگی n لایه ناخالص شده بررسی شده است. همچنین اثر نانوذرات نقره بر بازدهی کوانتومی، جریان نوری، جریان تاریکی، نویز، NEP و قابلیت آشکارسازی در آشکارسازهای مبتنی بر TiO۲ تحلیل و شبیه سازی شده است.
طراحی و شبیه سازی آشکارسازهای فرابنفش بر مبنای ZnO با بهینه سازی بازدهی کوانتومی و جریان تاریکی
در این پروژه مکانیزم انتقال جریان در آشکارسازهای فرابنفش بر مبنای ZnO با ساختار فلز نیمه هادی فلز مورد تحلیل و شبیه سازی قرار گرفته شده است. این تحلیل بر مبنای گسیل ترمویونیک و اثر تونل زنی حامل ها استوار می باشد. کمترین جریان تاریکی در بایاس ۳ ولت مربوط به الکترود Ru به مقدار A۱۰-۱۰×۰۴/۶ بدست آمد. علاوه بر این به منظور افزایش سد شاتکی و کاهش بیشتر جریان تاریکی از نشست یک لایه عایق بسیار نازک بین فلز و نیمه هادی استفاده شد که می تواند با روش های خاصی مانند لایه نشانی بخار شیمیایی یه کمک پلاسما صورت گیرد. تحلیل و شبیه سازی این ادوات نشان می دهد که در بایاس ۳ ولت به ترتیب با ضخامت های ۳، ۵، ۷ و ۱۰ نانومتر، جریان تاریکی به ترتیب برابر با ۱۱-۱۰×۸۷/۲، ۱۳-۱۰×۲۳/۸، ۱۴-۱۰×۳۵/۲، ۱۶-۱۰×۱۴/۱ آمپر است. هم چنین از مهم ترین پیشنهادها برای افزایش بازدهی کوانتومی در این ادوات می توان تابش از زیرلایه و استفاده از لایه نازک عایقی روی سطح ZnO را نام برد. با استفاده از ماده TiO۲ به ضخامت ۱ نانومتر، بازدهی کوانتومی ۷/۴۶ درصد حاصل شده است.
شبیه سازی و بهینه سازی رفتار آشکارسازهای مادون قرمز چاه کوانتومی بر مبنای GaAs/AlGaAs
در این پروژه با استفاده از قوانین و روابط مکانیک کوانتومی نحوه عملکرد آشکارسازهای مادون قرمز چاه کوانتومی مبتنی بر سیستم های ابر شبکه GaAs/AlGaAs/GaAs در قالب مدل های محاسباتی و فیزیکی مناسب شبیه سازی شده است. مرحله اول شبیه سازی های انجام شده، شامل شکل گیری پروفایل پتانسیل باند هدایت آشکارساز و محل ریزباندهای انرژی مقید در چاه ها با استفاده از تخمین تابع پوش، شکل تابع موج متناظر با هر تراز انرژی مقید در چاه ها با استفاده از تخمین تابع پوش، شکل تابع موج متناظر با هر تراز انرژی مقید با استفاده از تابع موج بلوخ و تعیین جرم موثر باربرها در نواحی چاه و سد با استفاده از مدل کروئیگ و پنی می باشد. در مرحله بعد ساز و کار تولید جریان نویز و جریان نوری در این آشکارسازها با استفاده از آثار به دام اندازی باربر، فرار باربر، تزریق باربر از طریق لایه های تماسی در طرفین قطعه، تونل زنی باربر از میان سدها و اختلال لیجاد شده در باند هدایت توسط میدان الکتریکی، شبیه سازی شده است. در آخرین مرحله رفتار فرکانسی این آشکارسازها را نیز شبیه سازی نموده ایم. برای همه مدل های مورد اشاره برنامه های کامپیوتری مناسب ارائه نموده ایم.
|
|
|
آشکارسازی دوگانه ی UV-IR در جستجوگرهای رتیکلی
ردیابی و تشخیص هدف اصلی از اهداف کاذب از جمله مواردی است که در جنگ های الکترونیکی و هوایی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این میان، استفاده از رتیکل و بهبود عملکرد آن به عنوان یکی از روش های پایه ای، مهم به نظر می رسد. رتیکل ها به دلیل محدودیت ذاتی، قادر به تشخیص و تفکیک هدف اصلی از اهداف کاذب نیستند، ولی سادگی و قیمت پایین آنها از مزایای اصلی این سیستم ها محسوب می شود. در این پایان نامه، از ردیابی دوگانه در باندهای UV و IR برای تشخیص اهداف کاذب و تفکیک آنها از هدف اصلی در سیستم های رتیکلی استفاده شده است. به دلیل اختلاف فاحش مقدار تشعشع اهداف کاذب و هدف اصلی، مکان اهداف کاذب از طریق تشعشعات باند UV و مکان هدف اصلی با استفاده از تشعشعات هر دو باند UV و IR بدست خواهد آمد. این کار بوسیله الگوریتم ارائه شده انجام می شود. رتیکل جدیدی نیز به همین منظور، در این پروژه طراحی شده است. رتیکل ارائه شده دارای قابلیت تشخیص موقعیت زاویه ای هدف است (در بیشتر موارد مکان یابی شعاعی هدف برای ردگیری، کافی است). چون در این روش از دو آشکارساز استفاده شده است و پردازش انجام شده تا حدی به سخت افزار سیستم انتقال یافته است، این روش در مقایسه با روش هایی مانند ICA و Rosette دارای سرعت بیشتری است و برخلاف رتیکل های ساده می تواند در حضور اهداف کاذب نیز به درستی کار کند.
|
|
|
|
بررسی رشد و تعیین مشخصات ویژه مانند ضریب پذیرش، ضرایب Strain، Stress و ... سیستم PbCdS
|
موضوع این پروژه، مطالعه فرایند رشد و خواص ویژه نیمه هادی های Pb۱-xCdxS است. به همین منظور موضوعات زیر مورد برسی قرار گرفته اند. در ابتدا خواص و ویژگی های فیلم های PbCdS بررسی شده است و ضمن تحقیق بر روی ساختار کریستالی، خواص الکتریکی فیلم های لید کادمیم سولفاید بررسی شده است. علاوه بر آن به مطالعه مراحل مختلف رشد از جمله زدایش و آماده سازی آلیاژ، یک بحث علمی در مورد علل پذیرش درصدهای مختلف کادمیم در فیلم های PbCdS پرداخته و بررسی مختصری نیز روی سوپر لتیس های PbCdS/PbS صورت گرفته است. همچنین نفوذ در فیلم های PbCdS مطالعه شده است، انواع مکانیزم های نفوذ بررسی و یک شبیه سازی رایانه ای برای محاسبه ضرایب نفوذ در این فیلم ها انجام گرفته است. سپس به بررسی اثرات مکانیکی روی فیلم ها (تنش و کرنش) و نیز ضریب پذیرش به عنوان یک پارامتر مهم در فیلم های نازک خصوصا لید کادمیم سولفاید مورد بررسی قرار گرفته است. برای محاسبه این پارامترها و ضرایب، شبیه سازی رایانه ای بر روی هر کدام انجام شده و مقادیری برای هر پارامتر در دماها و ضخامت های متداول آزمایشگاهی برای فیلم های PbCdS بدست آمده است. در نهایت فیلم ها و سوپر لتیس های بدست آمده در آزمایشگاه و اثر X-ray آنها مطالعه شده و ضمن بدست آوردن منحنی X-ray شبیه سازی شده در این نوع فیلم ها، مقایسه ای بین منحنی آزمایشگاهی و شبیه سازی شده صورت گرفته است.
|
|
|
|
|
ساخت ادوات میکروالکترونیکی نیازمند تجهیزاتی برای رشد فیلم های نازک، آلایش آنها به ناخالصی های نوع n و p (نفوذ یا کاشت یون)، فوتولیتوگرافی، نشاندن اتصالات فلزی و تست مشخصات الکتریکی و اپتیکی قطعه می باشد. امکانات موجود در آزمایشگاه میکروالکترونیک به شرح زیر می باشند.
|
 |
 |
 |
| دستگاه لایه نشانی چرخشی (Spin Coater) |
دستگاه لایه نشانی چرخشی (Spin Coater) |
میز لامینار (laminar air flow bench) |
 |
 |
| دستگاه اسپکترومتر(UV-Vis Spectrometer) |
کوره حرارتی (Oven-Furnace) |
 |
 |
| دستگاه های تست الکتریکی (Tester) |
گرم کننده (Heater) |
|
 |
|
۱. Z. Alaie, S. Mohammad Nejad, “ Investigation and Simulation of properties of SiC ultraviolet Detectors ,” ۲nd Iranian Conference on Optics & Laser Engineering, Isfahan-Malke-e-ashtar University of Thechnology, ۲۰۱۱
|
|
Abstract: SiC devices have high break down voltage and great band gap Which is suitable Particularly in applications featuring high temperatures or hostile environments. In this article some of the electro-optical properties of SiC detector such as change of band gap with work temperature of this semiconductor, temperature changes of density of intrinsic carriers, electron and hole mobilities in ۶H-SiC and ۴H-SiC , drift velocities base on electrical field at different temperatures, impurity ionization degree and current density-voltage curves is simulated to obtain different properties of this detectors at different conditions.
|
|
۲ . S. Mohammad Nejad, S. G. Samani, E. Rahimi, “Optical characteristics of ZnO - Based photodetectors doped with Au nanoparticles,” ۲nd International Conference on Mechanical and Electronics Engineering (ICMEE), Aug ۲۰۱۰, pp. V۲-۴۰۸ - V۲-۴۱۲
|
|
Abstract: Zinc oxide as a primary material for ultraviolet detectors has shown to have a very high ratio of photo current to dark current which makes it suitable for photodetectors. Au Nanoparticles with specific diameters are exposed to improve optical characteristics of ZnO-based photodetectors. They have a high absorption coefficient, so charge transition is increased and photo current will be amplified as a result. Optical properties of photodetectors depend on nanoparticles characteristic. For photodetectore application we need to identify which of optical properties (scattering, absorption) are beneficial and then design suitable nanoparticle to maximize these effect while minimizing unwanted optical properties.Effect of Nanoparticles on optical parameters of photodetectors based on ZnO is discussed in this paper.
|
|
۳ . S. Mohammadnejad, S. G. Samani, E.Rahimi, “Characterization of Resposivity and Quantum Efficiency of TiO۲-Based Photodetectors Doped with Ag Nanoparticles,” International Conference on Mechanical and(ICMEE ۲۰۱۰), ۱-۳ Aug ۲۰۱۰, pp v۲-۳۹۴
|
|
Abstract: There is a motivation to reduce the thickness of photodetectore to improve the efficiency of extracting executed carrier. However, reducing the thickness of thin fdm also reduces the amount of light absorbed. To alleviate this problem we can use light trapping. Ag Nanoparticles with specific diameters are exposed to improve optical characteristics of Ti۰۲-based photodetectors. Optical properties of photodetectors depend on optical properties of nanoparticles. There for photodetector application we need to identify which of these properties(scattering, absorption) are beneficial and then design suitable nanoparticle to maximize these effect while minimizing unwanted optical properties. Nanoparticles diameter is usually between S-۱۰۰nm. If the diameter of nanoparticles is about more than ۱۰۰nm, light will not be absorbed efficiently, and when it is smaller than Snm, charge transition through channels fades and scattering is increased. Effect of nanoparticles on absorption coefficient, quantum efficiency, and responsively of photodetectors based on Ti۰۲ are discussed in this paper.
|
|
۴ . S. Mohammad Nejad and M. Gharavi, "Design and simulation of a quantum well detector at ۹ micrometer wave length and low noise under ۷۷ Kelvin" , loth Photonic conference. The International Science & Advanced Technology and Environmental center Kerman, Feb ۲۰۰۳.
|
|
۵. Sh. Mohammad Nejad, Sh. Enayati Maklavani, and Ehsan Rahimi "Dark Current Reduction in Zno-Based MSM Photodetectors With Interfacial Thin Oxide Layer" , Proceeding on Honet ۲۰۰۸, Malayzia. ۲۰۰۸.
|
|
Abstract: In this paper the current transport mechanism of ZnO-based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetectors with various contact electrodes is discussed and simulated. The simulation is based on the thermionic emission theory and tunneling effects. It was found that the lowest dark current attributes to the Ru contact electrode. Moreover, it is shown that in order to achieve a large Schottky barrier height on ZnO and more reduction of dark current, one can insert a thin oxide layer between contacts and ZnO layer. The influence of the thickness of the insulator layer on the dark current of the MIS photodetector has also analyzed.
|
|
۶. S.Mohammad Nejad, M. Listani, S.Olyaee, “Target and Flares Seperation in the Reticle Seekers Based on the Dual UV-IR Detection ”, ۱st National Conference on Optics and Laser Engineering, Isfahan, Iran, pp. ۶۹۳-۶۹۸, May ۲۰-۲۱, ۲۰۰۹.
|
|
۷. S.Mohammad Nejad and M.A. Mazlumin, "PbCdS Accommodation Coefficient Calculation"; ICM’۲۰۰۰, Tehran University, Oct.۳۱-Nov ۲, ۲۰۰۰
|
|
Abstract: In this paper, the accommodation coefficient of PbCdS is calculated for the first time. The key elements describing accommodation coefficient, are presented. Based on the theoretical adaptation of the existing formulas, and the data obtained from the variety of PbCdS films made by Hot Wall Epitaxy, the accommodation coefficient of the system was calculated. The calculation depicts the decrease of accommodation coefficient with increasing temperature. The results would agree with experimental data.
|
alaie_zahraiust.ac.ir
آشکار سازی طول موج های UV و کاربردهای آن
|
تابش ماوراء بنفش گستره وسیعی را از nm۴۰۰ تا nm۱۰ در بر می گیرد که شامل:
| ماوراء بنفش نزدیک |
(NUV) nm۳۰۰-۴۰۰
|
| ماوراء بنفش میانی |
(MUV) nm۲۰۰-۳۰۰
|
| ماوراءبنفش دور |
(FUV) nm۱۰۰-۲۰۰
|
| ماوراء بنفش خیلی دور |
(EUV) nm۱۰-۱۰۰
|
|
| در بعضی از منابع ممکن است از تقسیم بندی زیر استفاده شود: |
| ماوراء بنفش |
A (UVA) nm۳۲۰-۴۰۰
|
| ماوراء بنفش |
B (UVB) nm۲۸۰-۳۲۰
|
| ماوراء بنفش عمیق |
(DUV) nm۱۹۰-۳۵۰
|
| ماوراء بنفش خلا |
(VUV) nm۱۰-۲۰۰
|
|
|
|
|
تحقیقات در زمینه تابش نور ماوراء بنفش در نیمه دوم قرن نوزدهم آغاز شد. آشکارسازی نور UV توجه بسیار زیادی را به خود جلب نمود است که به علت کاربردهای زیاد آن در ستاره شناسی، بیوتکنولوژی، علم مواد، اکولوژی، فضانوردی و مکان های تحت نور UV و ... می باشد.
|
|
|
شکل ۱. نمونه ای از تقسیم بندی طیف ماوراء بنفش.
|
پارامترهای فوتودیتکدورهای نیمه هادی
مهمترین پارامترهای فوتودیتکدورهای نیمه هادی عبارتند از:
۱) پاسخ دهی (Ri)، بهره (g) و بازده کوانتومی (η)
|
پاسخ دهی بصورت نسبت جریان تولید شده به ازای واحد توان نوری فرودی تعریف می شود که براساس بازده کوانتومی (تعداد جفت الکترون حفره های تولید شده در واحد فوتون فرودی) و بهره (تعداد حامل هایی که به ازای جفت الکترون-حفره تولید شده آشکار سازی می شوند) مشخص می شود و رابطه زیر را دارد:
بطوریکه λ طول موج تابش، h ثابت پلانگ، c سرعت نور و q بار الکترون می باشد.
|
۲) زمان پاسخ دهی و پهنای باند (BW)
|
زمان پاسخ دهی آشکارساز نوری توسط زمان فروپاشی τ_d (یا زمان صعود τ_r) مشخص می شود و زمانی است که جریان نوری از %۹۰ به %۱۰ مقدار ماکزیمم اش برای تحریک پالس نوری مستطیلی افت پیدا می کند. پهنای باند برابر با فرکانسی است که جریان به ۳dB کمتر از پاسخ فرکانس پایین اش کاهش می یابد. در حالت خاص پاسخ گذرای نمایی، زمان فروپاشی و زمان صعود به ثابت زمانی نمایی و پهنای باند بصورت زیر رابطه دارد:
این نکته اهمیت زیادی دارد که پهنای باند قطعه تنها هنگامی از زمان صعود بدست می آید که با یک پالس مستطیلی تحریک شود.
|
۳) توان معادل نویز (NEP) و آشکارسازی (D*)
|
NEP توان اپتیکی ورودی است که در آن نسبت سیگنال به نویز برابر یک باشد. برای حالت نویز سفید، NEP با جذر دوم پهنای باند افزایش می یابد. بنابراین به منظور ارزیابی عملکرد نویزی یک آشکارساز، بهتر است که NEP را به پهنای باند فرکانسی نرمالیزه کرد: 〖NEP〗^*=NEP/√BW. آشکارسازی معکوس مقدار NEP است که معمولا به پهنای باند و سطح ناحیه فعال آشکارساز Aopt نرمالایز شده است:
|
انواع آشکارسازهای نوری
|
آشکارسازهای نیمه هادی انواع مختلفی دارند که عبارت اند از: هادی نوری، فوتودیودهای سد شاتکی، فوتودیودهای فلز-نیمه هادی-فلز (MSM)، ساختار فلز-عایق-نیمه هادی(MIS)، فوتودیودهای p-n و p-i-n و فوتوترانزیستورهای اثر میدانی و دو قطبی. هر یک از این ساختارها دارای ویژگی های منحصر به فردی است که آنها را برای کاربردهای خاصی متمایز می سازد. چیدمان هر یک از این ساختارها در شکل ۲ دیده می شود.
|
شکل ۲. ساختارهای مختلف آشکارسازهای UV.
روش های رشد کریستال SiC
انتقال بخار فیزیکی
| به روش انتقال بخار فیزیکی، رشد بر اثر تصعید بخار بر روی دانه هم گفته می شود که روش موفقی برای رشد کریستال های SiC با اندازه بزرگ می باشد. اولین روش تکنیک تصعید مشهور به روش لیلی می باشد که در یک ظرف گرافیتی و گاز آرگون و دمای حدودا C°۲۵۰۰ انجام شد که البته اندازه کریستال SiC حاصل محدود بود. علیرغم حصول کیفیت خوب کریستالی، امکان تنظیم ساختار فاز گازی بین مولفه های Si و C و یا غلظت ذرات ناخالصی محدود است و واکنش غیر قابل کنترل می باشد. به همین دلیل روش تغییر یافته لیلی که همان روش انتقال بخار فیزیکی یا روش تصعید ذرات بخار بر روی دانه مورد استفاده قرار گرفت. در این روش سورس و دانه SiC در مجاورت یکدیگر قرار داده می شوند و گرادیان دمایی بین آنها امکان انتقال بخار مواد را بر روی دانه در فشار کم آرگون فراهم می سازد. |
لایه نشانی بخار شیمیایی (CVD)
| این تکنیک دارای بیشترین امکان تغییر پارامترهای لایه نشانی می باشد. واکنش های شیمیایی که در تعویض مواد واکنش دهنده به ماده زیرلایه صورت می پذیرند عبارتند از ترمولیز، هیدرولیز، اکسیداسیون، کاهش، تشکیل نیترید و یا تشکیل کربید می باشد که بستگی به نوع مواد اولیه مورد استفاده دارد. در حین انجام این فرایند، مولفه های گازی به مجاورت زیرلایه آورده می شوند و در آنجا جذب سطح زیرلایه می شوند. CVD روش مناسبی برای تولید SiC در شکل های مختلف فیلم های نازک، پودر، نانومیله می باشد. |
شکل ۳. واکنش هایی که در فاز گازی و در سطح زیرلایه در حین فرایند CVD صورت می گیرد.
تکنیک سل ژل برای سنتز SiC
|
فرایند سل ژل را به عنوان روش مدرن با دمای کم، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب نموده است. امتیاز این روش تولید محصول با خلوص بالا و با ساختار یکنواخت است که توسط تکنیک های معمول دیگر بخاطر مسایل مربوط به دمای ذوب بالا و کریستالی شدن، امکان پذیر نمی باشد. فرایند سل ژل روش موثری برای سنتز نانوپودرها، فیلم ها، فیبرها و مواد حجیم می باشد.
این روش از دو مرحله تشکیل شده است، هیدرولیز و متراکم سازی (چگالش). در مرحله اول silica-glass را با مخلوط کردن یک ماده اولیه الکوکسید با آب و حلال مناسب، محلولی بدست می آید که فرایند هیدرولیز بر روی آن منجر به تشکیل گروههای سیلانول (SiOH) می گردد که پس از فشرده شدن پیوندهای (SiOSi) حاصل می شود. ژل حاصل سفت است که شامل ذرات زیرمیکرومتری و زنجیره های پلیمری می باشد که پس از فرایند خشک سازی حلال جدا می شود و نهایتا میکروساختار حاصل می شود.
|
خواص اپتو الکترونیکی SiC
|
سیلیکان کرباید نیمه رسانایی با شکاف باند وسیع می باشد که مناسب کار در دماهای بالا، توان بالا و/یا شرایط تابش زیاد می باشد که در چنین شرایطی دیگر نیمه هادی های معمول همچون سیلیکان (Si) بخوبی و با اطمینان کار نمی کنند. بعلاوه SiC رسانایی گرمایی بالایی در حدود ۳/۳ برابر Si را در دمای K۳۰۰ دارد. همچنین قدرت میدان شکست الکتریکی آن ۱۰ برابر بیشتر از Si می باشد. SiC رسانایی گرمایی خیلی بیشتری را نسبت به GaAs دارد و شکاف باند آن حدودا دو برابر GaAs است. بعلاوه سرعت اشباع الکترون در میدان الکتریکی آن بهتر از GaAs است. در جدول ۱ مقایسه ای بین مشخصات کریستال های SiC و نیمه هادی های معمول Si و GaAs دیده می شود. همچنین در سیلیکان کرباید انطباق خوبی بین ویژگی های شیمیایی، مکانیکی و گرمایی وجود دارد که آن را برای کاربرد به عنوان سنسور مناسب می سازد بطوریکه در محیط های سخت شیمیایی می تواند کار کند.
|
جدول ۱. مقایسه ویژگی های چند نیمه رسانای مهم با یکدیگر.
آشکارسازهای نوری SiC
فوتودیودهای شاتکی
| فوتودیودهای شاتکی SiC به دلیل پیوند سطحی، ناحیه آشکارسازی بزرگ و فرایند ساخت نسبتا ساده تر از بقیه ساختارها مورد توجه می باشند. ارتفاع سد شاتکی بستگی به تابع کار فلز بکار رفته دارد. هنگامی که سرعت بالای آشکار سازی مطرح نباشد، فوتودیودهای شاتکی SiC با ناحیه آشکارسازی بزرگ کاندیدای مناسبی برای آشکارسازی nm۱۰ تا nm۴۰۰ با بازده کوانتومی بالا، جریان نشتی کم و قدرت آشکارسازی بزرگ می باشد. |
شکل ۴. نمونه ای از ساختار فوتودیود شاتکی SiC.
فوتودیودهای بهمنی
|
هنگامی که فوتودیودهای بهمنی در ولتاژهایی بالاتر از ولتاژ شکست خود کار می کنند، بهره بالایی دارند و جریان تاریکی خیلی کمی بدست می آورند و بازده کوانتومی بالایی در محدوده nm۲۸۰-۲۷۰ دارند و می توانند به منظور آشکارسازهای شمارنده تک فوتونی بکار روند. فرکاس و سرعت آشکارسازی آنها زیاد است و نسبت دفع UV به مرئی بالایی دارند.
|
شکل ۵. نمونه ای از ساختار فوتودیودهای بهمنی SiC.
|
فوتودیودهای پیوند p-n
این فوتودیودها اولین آشکارسازهایی هستند که به بازار وارد شده اند. امتیاز این فوتودیودها جریان معکوس بسیار کم آنها می باشد. هنگامی که یک لایه نیمه هادی در جلو فوتودیودهای پیوند p-n قرار داده می شود، پاسخ طیفی آنها مشابه با فوتودیودهای شاتکی SiC می گردد. با افزایش دمای کار، پیک آنها شیفت قرمز می یابد و پاسخ آنها به طول موج های بزرگ ارتقا می یابد. این ادوات بازده کوانتومی خوبی دارند و مناسب کار در دماهای بالا می باشند.
|
|
فوتودیودهای پیوند p-i-n
این فوتودیودها مشابه فوتودیودهای p-n هستند که یک لایه ذاتی بین ماده نوع n و p آنها قرار گرفته است. فوتودیودهای p-i-n بیشتر از فوتودیودهای p-n بکار می روند زیرا در لایه ذاتی فوتون ها جفت الکترون-حفره تولید می کنند. همچنین ضخامت لایه ذاتی را می توان برای افزایش بازده کوانتومی بهینه کرد.
|
شکل ۶. نمونه ای از ساختار فوتودیودهای p-i-n SiC.
|
فوتوترانزیستورهای SiC
ترانزیستورها نیز مانند دیودها به نور حساس می باشند. فوتوترانزیستورها از این حساسیت نوری به منظور آشکارسازی نور فرودی استفاده می کنند. آنها مانند ترانزیستورهای تقویت کننده عمل می کنند اما بجای جریان الکتریکی توسط نور کنترل می شوند و با برخورد نور به بیس روشن می شوند. فوتوترانزیستورها توان خروجی بالایی دارند و به نوسانات سریع نوری پاسخ خوبی می دهند و در واقع تغییرات نور برخورد کرده را تقویت می کنند. آنها به طول موج نور حساس می باشند و امپدانس کمی دارند. فوتوترانزیستورها می توانند از نوع ترانزیستور اثر میدانی و یا دو قطبی باشند. نمونه ای از دیاگرام ساختاری آنها در شکل ۷دیده می شود.
|
شکل ۷. نمونه ای از فوتوترانزیستورهای دو قطبی و اثر میدانی SiC.
نقشه راه تکنولوژی SiC
نقشه راه پیش بینی وضعیت آینده یک تکنولوژی می باشد که براساس تلاش ها و پیشرفت های اخیر آن صنعت تدوین می شود. در شکل ۸ نحوه پیشرفت تکنولوژی SiC در سال های اخیر و آینده دیده می شود.
شکل ۸. نقشه راه تکنولوژی SiC. |
