Luận văn giá trị riêng trong các bước phổ của toán tử pauli hai chiều

Vùng này có độ tươngphản cao, thích họp với điều kiện môi trường khí quyển nhiều ánhsáng và không khí ẩm ướt nhưở vùng nhiệt đới.đây là photodiode hoặc ma trận cảm biến ảnh HgCdTe được l

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

HÀ NỘI - 2014

Tôi xin dành những lời đầu tiên trong bài luận văn của mình để được bày tỏlòng 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 tậntình hướng dẫn, chỉ bảo tôi ttong suốt quá trình làm thực nghiệm và hoànthành luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến TS Hoàng Ngọc Minh cùng các anhchịtại phòng thí nghiệmQuang điện tử - Viện Vật lý đã tạo điều kiện, giúp đỡtôi thực hiện một số phép đo và có những đóng góp quý giá cho luận văn củamình

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện cho tôi học tậpnghiên cứu, giúp đỡ đóng góp ý kiến để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Học viên

Cao Thị Minh Hiên

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi cùng nhómnghiên cứu.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưađược công bố ttong bất kỳ công trình nào khác

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận văn

Cao Thi Minh Hiền

i

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU sử DỤNG

• • • TRONG LUẬN VĂN

Chữ viết tắt Chữ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

NETD Noise equivalent temperature Độ phân giải nhiệt độ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Vào đàu những năm 1980 có nhiều loại linh kiện quang điện tử rađòi, nó bắt đầu xác định chỗ đứng vững chắc và dần dần giữ vai ttò quyếtđịnh trong lĩnh vực phát triển các hệ thống thông tin quang mới tiếp theottong tương lai Chúng là những phần tử rất quan trọng trong các ngành kỹthuật 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 đượccường độ ánh sáng khi chiếu vào nó mà đã giúp cho ngành chế tạo cảm biếnphát triển mạnh Có rất nhiều các hệ thống tự động sử dụng cảm biến về ánhsáng, nhờ những cảm biến ánh sáng mà các thiết bị hoạt động trở nên thôngminh hơn

Do hiện tượng hấp thụ, khí quyển ừái đất chỉ cho sóng ánh sáng (làmột dạng sóng điện từ) truyền qua ở một số vùng phổ nhất định được gọi làvùng cửa sổ khí quyển (atmosphere window) Đối với mỗi vùng người taphải 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 cảmbiến ma trận CCD, CMOS, quang trở CdS, pin mặt tròi và các ốngkính 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 trongkhoa học và kỹ thuật YÌ tất cả các đông cơ của máy móc, ô tô, tàuthủy và cơ thể con người đều phát xạ ra các bước sóng này Cảm biến

8

sử dụng ở đây là các quang trở và ma trận ảnh CCD làm từ vật liệubán dẫn vùng cấm hẹp như InSb, GaSb, AlSb hoạt động ở nhiệt độni-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

- Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn ttong bán dẫn vùng cấm hẹp InSbdải sóng hồng ngoại(À, từ 0,35 đến 0,85um) ở nhiệt độ -196°c

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về linh kiện quang trở

- Nghiên cứu phương phápchế tạo mẫu, xây dựng hệ đo năng suất phathiện riêng D*của bán dẫn vùng cấm hẹp InSb trong dải sóng hồngngoại (À, từ 3 đến 6 um) ở nhiệt độ -196°c

4 Đổi tượng, phạm vi nghiên cứu

- Vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp InSb có làm lạnh ở nhiệt độ ni-tơlỏng (-196°C)

- Công nghệ:

+ Bốc bay trong chân không tạo màng

+ ủ nhiệt

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết:

+ Công nghệ bốc bay

+ ủ nhiệt thay đổi vùng cấm

- Đo hiệu ứng quang trở

9

6 Đóng góp mới

Nghiên cứu hiệu ứng quang dẫn, tiếp theo để triển khai xây dựng hệ

đo D* và hướng chế tạo linh kiện quang dẫn nhạy vùng hồng ngoại (k từ 3đến 6fim) ở nhiệt độ -196°c đưa vào ứng dụng ttong kỹ thuật

Luận án tốt nghiệp bao gồm các phần chính sau:

NỘI DUNG

Chương 1 Tồng quan về cảm biến hồng ngoại

Chương 2.Nghiên cứu cơ chế quang dẫn trong bán dẫn vùng cấm hẹp InSb vùng hồng ngoại (Ắ từ 3 đến 6 um)

Chương 3.Nghiên cứu công nghệ chế tạo detector InSb Chương 4 Nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ đo D*, kết quả đo KẾT LUẬN

■

NỘI DUNGChương 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 đếnsóng vô tuyến điện, bước sóng càng ngắn thì năng lượng càng lớn Hình1.1 Chỉ ra vùng bước sóng quang học cần quan tâm: Từ vùng tia tử ngoại

có bước sóng

1 2 đến 0.35|j,m qua vùng khả kiến từ 0,4 đến 0,76|j,m cho đến vùng

hồng ngoại gần và xa 100|4.m Con mắt người chỉ cảm nhận đượchình ảnh trong vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 đến 0,76Ịim Đây là một vùng rất hẹp của toàn bộ dải sóng điện từ đặc biệtvùng hồng ngoại trung được phát ra từ mô-tơ, động cơ đang hoạt

10

động, và vùng hồng ngoại xa bức xạ từ thân thể động vật và ngườingày 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 Jj,m tới 100 Jj,m(ứng với năng lượng tương đương từ l,65eV đến1.2meV) 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 caothì 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 đượcbiểu diễn qua các công thức phụ thuộc vào nhiệt độ của vật đen theođịnh luật Plane:

Hình 1.1 Phổ phát xạ của vật đen Nhiệt độ vật càng cao thì năng lượng bức xạ đính được phát ra ở các bước sóng ngắn hơn càng lớn Qua đó ta thấy:

Hình 1.1 chỉ ra quan hệ của các phân bố bức xạ nhiệt được phát ra từ 1 vật đen tuyệt đối trong sự phụ thuộc vào nhiệt độ của vật theo bước sóng

- Vật có nhiệt độ 6000K (thí dụ: mặt trời, đèn dây tóc) sẽ phát ra phổ cực đại ở bước sóng màu xanh 0,53 [xm

- Cơ thể người và động vật phát ra một phổ có đỉnh ở bước sóng gần

12

10 ịim.

- Xe tăng, máy bay (800K), động cơ sẽ phát phổ cực đại ở vùng 3-5 |xm

Hình 1.2 Sự truyền qua khỉ quyển của các phổ bức xạ

1.1.3 Vùng cửa sỗ khí quyển (atmosphere window)

Khi truyền qua khí quyển, năng lượng của phổ bị suy yếu do quá trìnhtán 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 hồngngoại đi qua Chứng được gọi là cửa sổ khí quyển Tương ứng với từngvùng của sổ này, người ta đã nghiên cứu phát minh ra các chủng loại đầuthu hồng ngoại sau đây:

thu CCD Si hoặc đầu thu khuếch đại ảnh

PbSe

13

0

Electro-optical sensors

4 Vùng hồng ngoại trung MWIR có bước sóng từ 3 đến 6|j,m Đầu thu sửdụng ở đây là linh kiện quang dẫn InSb hoặc ma trận cảm biến ảnhInSb được làm lạnh ở nhiệt độ N2 lỏng 77K Vùng này có độ tươngphản cao, thích họp với điều kiện môi trường khí quyển nhiều ánhsáng và không khí ẩm ướt nhưở vùng nhiệt đới.

đây là photodiode hoặc ma trận cảm biến ảnh HgCdTe được làm lạnh

ở nhiệt độ N2 lỏng 77K hoặc các đàu thu không cần làm lạnh dựa trêncông nghệ vi cơ điện tử MEM Đầu thu loại này có độ nhạy cao sovới một sự thay đổi nhiệt độ rất nhỏ phát ra từ các vật thể Bức xạhồng ngoại loại này có độ xuyên thấu cao hơn trước không khí nhiễmkhói bụi hoặc không khí có sương mù và băng tuyết lạnh nhử ở nhiềunước châu Âu và Bắc Mỹ Ngoài ra ảnh thu được có độ ổn định caotrước hiện tượng giác loạn không khí cho nên có thể quan sát đượccác vật thể ở cự ly rất xa (vài chục km)

Các đầu thu ở vùng này thường hoạt động theo nguyên lý giếnglượng tử được làm lạnh ở nhiệt độ He lỏng OK Chúng chủ yếu đượcdùng cho các ống kính giám sát trái đất từ vệ tinh hoặc các kính thiênvăn vũ trụ

Hai vùng cửa sổ khí quyển là MWIR bước sóng 3-6|xm và vùng LWIRbước sóng 8-14 fim giữ một vai trò quan trọng đặc biệt đối với quốc phòng

an ninh, bởi vì hầu hết các vũ khí, khí tài đều được thiết kế chế tạo hoạtđộng dựa trên đó

1.2Cơ sở ỉý thuyết của các đầu thu hồng ngoại

1.2.1 Tiêu chuẩn phân loại các chủng loại đầu thu hồng ngoại

14

Từ sau năm 1945 khi phát hiện ra chất bán dẫn, đã có rất nhiều phátminh sáng chế làm nền tảng cho sự phát triển các loại vật liệu và cảm biếncho vùng hồng ngoại hiện đại Ngày nay đã có hàng nghìn loại đầu thuhồng ngoại khác nhau được sử dụng ừong mọi lĩnh vực của cuộc sống conngười Để phân loại có thể dựa trên các tiêu chí chính sau:

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

15

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

- 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

Cụ thể

- Đầuthu năng lượng

- Cảm biến ma trận hình ảnh FPA {focal plan array). Do các cảmbiến này khi hoạt động còn cần đến hàng loạt các mạch tích phânngoại vi như: mạch đọc và khuếch đại tín hiệu từ các pixel của matrận, mạch tạo xung nhịp điều khiển, mạch trộn kênhmultiplexing, mạch biến đổi AD và mạch truyền sang tín hiệuvideo nên ở đây còn có thể phân loại theo những tiêu chí sau:

* Mạch lai ghép hybrid như ừong CCD

*Mạch đơn chip monolỉthỉc{tất cả trên cùng 1 chip) như trong CMOS.Hình 1.3 chỉ ra thời điểm của các phát minh quan trọng làm nềntảng trên Đặc biệt là 2 vùng hồng ngoại trung và xa Bảng 1.1 liệt kê cácchủng loại đầu thu hồng ngoại

Hình 1.3 Lịch sử phát triển của các đầu thu hồng ngoại

16

QJ _Õị

Ẽ

<

ỹI ẽ

o >,

ũp

Q Q y g o o

ư) CL

>< Ị3

b ư ) 5

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

Sự hấp thụ năng lượng nhiệt sẽ làm thay đổi tính chất vật liệu Qua đóchúng được chuyển đổi thành tín hiệu điện có tỉ lệ tương ứng Đầu thu loạinày hoạt động theo 2 cơ chế: Hấp thụ và chuyển đổi:

Đầu thu được cấu tạo bằng các vật liệu mà tính chất phân cực bị biến đổitheo sự thay đổi nhiệt độ Các đầu thu này hoạt động theo chế độ xung Dòngđiện sinh ra do sự thay đổi độ phân cực này sẽ được chỉ thị bằng một mạchđiện khuếch đại bên ngoài

Bảng 1.1: So sánh các loại vật liệu đầu thu

Loai đâu •

thu

Nhiệt điện Gọn nhẹ, chăc chăn, độ tin

cậy cao, giá thảnh rẻ, khôngcần làm lạnh

Năng suât phát hiện thâp ở tân sốcao, thời gian đáp ứng chậm (cỡừên ms)

Quang điện

Vật liệu thuần

Aiv- Byi

Sử dụng các loại vật liệu vùng cấm thấp thông dụng, công nghệ chế tạo đã hoàn chỉnh

Không đông nhât cho diện tíchlớn, giá thành nuôi cấy và giacông thành linh kiện vi điện tử

Các thermistor hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ Tínhiệu ra được chỉ thị theo 2 cách: Theo hiệu điện thế hoặc theo dòng điện Mộtđầu thu microbolometer là một trường 2 chiều các vi thermistor Những tiến

bộ có tính cách mạng ừên lĩnh vực vi điện tử và MEMS đã cho phép tạo ra cácmạch đọc tích hợp ngay trên các phiến bolometer Công nghệ này đã cho racác ảnh hồng ngoại chất lượng rất cao Tuy hiện tại còn kém các đầu thuquang điện nhưng những tiến bộ về công nghệ sẽ bảo đảm đạt được một chấtlượng ảnh tương đương trong một thời gian không xa nữa Ưu điểm của cácđàu thu loại này là có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng, không càn làm lạnhhoặc hút chân không Kết quả là sẽ giảm được giá thành một cách đáng kể(dưới 10.000 USD so với hàng chục đến vài trăm nghìn USD như loại cần

Vật liệu thuần

Am- Bv

Vật liệu có độ nhạy cao, dêpha tạp, công nghệ chế tạotiên tiến, dễ tích hợp thànhmạch đơn chip

Công nghệ epitaxy với khả nănglàm 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 ởnhiệt độ rất thấp (càn đến Helỏng)

Hạt tải tự do Giá thành rẻ, dê tạo thành

Hiệu suât lượng tử thâp Thiêt kế

và công nghệ chế tạo phức tạp.Nhạy với các chỗ chuyển tiếp

1.2.2.3 Đâu thu thermistor và micro-bolometer

làm lạnh).

Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng cặp nhiệt điện, ở đây các cặpnhiệt siêu nhỏ cantilever (được tạo ra bằng công nghệ MEMS) trên cùng 1tấm đế silic tạo nên một tụ điện Sự chênh lệch do hệ số dãn nở nhiệt khácnhau của hai vật liệu kim loại sẽ tạo nên một sự vi dịch chỉnh tương đối củacantilever Nó sẽ làm thay đổi điện dung của tụ điện, qua đó chuyển thànhtín hiệu đọc

1.2.3 Cảm biến dựa trên các hiệu úng quang điện trong chất bán dẫn

Loại này cần làm lạnh bằng Nitrogen hoặc He Thí dụ như dựa trên cácchất bán dẫn như PbS, PbSe, hoặc bán dẫn vùng cấm hẹp như InSb,HgCdTe Chất bán dẫn là một chất rắn dạng tinh thể hoặc vô định hình mà

độ dẫn điện nằm ở giữa mức dẫn và cách điện và có thể thay đổi được nhờnhiệt độ, độ pha tạp hoặc chiếu sáng bên ngoài

Nền tảng cho hoạt động của tất cả các thiết bị quang điện tử là 2 hiệuứng sau:

tạo bởi hấp thụ có thể làm thay đổi tính chất điện của vật liệu Thí dụhiệu ứng quang dẫn là nguyên lý làm việc của tất cả các đầu thuquang điện bán dẫn

nguồn sáng bán dẫn như LED (tái hợp tự phát) và laser (tái hợp cộnghưởng)

1.2.3.1 Hiệu ứng quang dẫn

Các photon của bức xạ hồng ngoại sẽ tạo ra các cặp điện tử - lỗ trốngừong bán dẫn thuần (không pha tạp) Nếu đặt một điện áp một chiều (bias)vào hai đầu tấm bán dẫn, ta có thể quan sát thấy sự thay đổi điện trở của nó

theo thông lượng dòng photon ánh sáng chiếu vào nhờ đo dòng điện chạyqua 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 độchiếu sáng đến một ngưỡng nào đó sẽ bị bão hòa (dòng điện sẽ không tăng lênnữa)

Cũng tương tự như trên, các photon của bức xạ hồng ngoại tới sẽ tạo racác hạt tải tự do là điện tử và lỗ ừống ừong vật liệu bán dẫn Tuy nhiên số hạttải này không dàn khắp phiến bán dẫn như ở linh kiện quang dẫn mà chỉ tậptrung 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 nhanhcòn 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 haybằng năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn, nó sẽ tạo ra các hạt tải tự do sơcấp trong vùng tiếp giáp p-n của photodiode Bằng các mạch khuếch đại thíchhọp 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 docác hạt tải đã bị rút hết khỏi vùng tiếp giáp p-n (vùng nghèo) Vật liệu chế tạocác đầu thu loại này ngoài đơn tinh thể Si và Ge còn là các hợp chất bán dẫngốc AmBvnhư GaAs, InSb; AnByi như HgCdTe, InGaAs

Đầu thu loại này cấu tạo từ nhiều lớp màng mỏng cấu tạo từ các vật liệubán dẫn vùng cấm hẹp AmBy mà điển hình là GaAs và AlGaAs xếp xen kẽ

nhau Đầu thu QWIPs có nhiều ưu điểm như: có trở kháng và thời gian đápứng cao, tiêu thụ ít năng lượng, dễ dàng sản xuất các ma trận kích thước lớn.Nhờ cấu tạo từ các vật liệu chất lượng cao làm việc ở nhiệt độ thấp sâu nênQWIP rất thích hgfp cho các vùng phổ hồng ngoại có bước sóng cực dài Hình1.4giới thiệu 2 cấu hình được sử dụng ừong việc chế tạo ra các ma trận cảmbiến QWIP.

Bound State

(b)

Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn mức các mức năng lượng trong cẩu trúc giếng lượng tử a nhảy và mở rộng và b nhảy đến vùng cực tiểu 3 cơ chế tạo nên dòng tối được biểu diễn qua a sự chui hầm tuần tự ở trạng thái cơ sở (1); sự xuyên hầm được hỗ trợ bởi nhiệt độ (2) và sự bức xạ nhiệt (3) Vùng xám là trạng thái mở rộng mà dòng điện chạy qua.

có thể thoát khỏi các giếng lượng tử để hòa nhập vào dòng chuyển hạttải mà không thông qua hiệu ứng xuyên hầm Kết quả thiên áp cần thiết

để thu thập các điện tử được giảm đáng kể, qua đó giảm luôn được dòngtối (giảm nhiễu nhiệt)

Miniband

b QWIPdang truyền tải đến vùng năng lượng cực tiểu (miniband transport).ở

đây Các hạt tải tự do được tạo ra qua sự hấp thụ photon hồng ngoạitrong các giếng lượng tử được pha tạp sẽ được tải đến vùng năng lượngcực tiểu cho đến khi được tích lũy và bị một giếng khác bẫy lại LoạiQWIP này có độ khuếch đại thấp hơn loại đầu thu QWIP ở ừên bởi vìcác điện tử sau khi phải đi xuyên qua nhiều rào chắn mỏng sẽ mất đi độlinh 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:

Một tiêu chuẩn để phân biệt các đầu thu là độ nhạy phổ hồng ngoại, cànphân 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 loạivật liệu phụ thuộc vào bước sóng bức xạ hồng ngoại Ngoài ra độ nhạy củatừng đầu thu còn phụ thuộc vào các nhiệt độ khác nhau, nhất là các đầu thuphoton càn phải làm lạnh

Tham số quan trọng khác là độ phân giải nhiệt độ NETD {noise equivalent

còn cảm nhận được

Đại lượng đo phẩm chất năng suất phát hiện riêng D* là thông số quantrọng nhất của một đầu thu hồng ngoại Nó phản ánh tỉ lệ tín hiệu trên nhiễuSNR 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 baohàm 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 tathấy ừong vùng 3-5 um các đầu thu InAs, InSb và PbS có chất lượng tốt nhấtnhiệt độ 77K; trong vùng 8-12 fim thì vật liệu HCT là tốt nhất

Do công nghệ chế tạo, độ nhạy của các pixel trong 1 đàu thu hồng ngoạidạng ma trận là không như nhau và được đo lường bằng độ lệch chuẩn (%).Điều này ảnh hưởng đến chất lượng tạo ảnh và dải động của đầu thu

VVavelength (tim)

Hình 1.5Năng suất phát hiện riêng D* của một sổ vật liệu chế tạo đầu thu IR

Có 2 phương pháp chế tạo mạch tích họp giữa ma trận đầu thu hồng ngoại

và mạch đọc tín hiệu ROIC (readout integration circuit) là: nguyên khối(monolithic) và lai ghép (hybrid). Trong phương pháp monoliứiic ma trận cácđầu thu hồng ngoại và mạch đọc tích họp được cấy ngay trên cùng một chipbán dẫn (phương pháp epỉtaxí). Trong phương pháp lai ghép, mạch ma trận đàuthu và mạch đọc được cấy trên các chip khác nhau Sau đó chúngđược nối ghépvới nhau Chúng có ưu điểm là không bị lỗi khuyết tật của phiến tinh thể bándẫn, song lại không có độ tích hợp cao, thời gian đáp ứng chậm hơn

1.3 Cơ chế làm việc và cấu tạo các cảm biến ma trận ảnh hồng ngoại không cần làm lạnh

Nhưng năm gần đây, trên cơ sở công nghệ MEMS một số hãng của Mỹ,Nhật và Đức đã đưa ra thị trường các camera sử dụng đầu thu theo nguyên lýmicro-bolometer, pyroelectric hoặc ferroelectric không cần làm lạnh Chấtlượng ảnh của các camera loại này thấp hơn các camera được làm lạnh Tuynhiên vẫn thích họp trong việc quan sát các mục tiêu ở cự ly gần (dưới 5 km).Lợi thế của loại đầu thu MEM này là có giá thành rẻ hơn hệ làm lạnh ít nhất 5làn Chính vì vậy mà các camera nhiệt không cần làm lạnh này được tiêu thụngày càng tăng không chỉ trong quân sự mà còn trong nhiều ứng dụng dân sự

Đơn giá thấp nhất của các camera dùng đàu thu microbolometer, pyroelectric

và ferroelectric là 15.000$ Độ phân giải nhiệt NETD đạt tối thiểu khoảng

AV Output

lOOmK Bảng 2.1 trên liệt kê thông số các đầu thu đã được các hãng lớn nhấtừên thế giới chế tạo Sau đây là cấu tạo và tính năng của các loại đàu thu này:

13,1 Microboỉometer

Các đầu thu bolometer thường được chế tạo theo hai cấu hình mạch đượcminh họa trên Hình 1.6 Trong mạch cầu (hình trái) phải dùng 2 đầu thu: 1 đểchuẩn và 1 để đo Khỉ bức xạ hồng ngoại chiếu tới đầu đo sẽ làm thay đổi điệntrở của nó và thay đổi dòng điện qua R2 (tỉ lệ với tín hiệu ra) Trong cấu hìnhmạch AC (hình phải), tín hiệu ra chính là sự thay đổi điện áp thông qua tụ điện

thu bolometer đầu tiên được chế tạo dựa ttên vật liệu Platín Ngày nay các đầuthu hiện đại dựa ttên cấu trúc đơn chip bằng công nghệ vi điện tử và MEMS sửdụng vật liệu chuẩn là VOx cấu tạo và cơ chế hoạt động của 1 pixel được biểndiễn trong hình 1.6 Diện tích thu nhận là màng mỏng từ vật liệu SÌ3N4 dầy 0,5

ịxm được phủ 1 lóp nhạy tia hồng ngoại bằng vật liệu VOx Lá này được tựaưên tấm đế bán dẫn Sỉ bằng các chân (vật liệu SÌ304) có phủ lớp kim loại dẫnđiện Trên mặt phiến Si được phủ một lớp màng mỏng phản xạ để cho cácphoton nhiệt xuyên qua sẽ phản xạ ngược lại và được hấp thụ ở lớp VOx Qua

đó làm tăng hiệu suất hấp thụ Khe hở giữa lá và tấm đế bằng 2,5 ỊLLĨĨ1 = 1/4bước sóng tía tới 10 ỊLim Vật liệu hấp thụ nhiệt chuẩn là VOx tuy nhiên có thể

sử dụng Si vô định hình để cải thiện nhiễu l/f Hãng Mitshubishi lựa chọn yậtliệu là Ti hoặc bán dẫn p-n.

Các hãng sản xuất thường là các tổ họp hàng không vũ trụ và quân sự của

Mỹ như:

- Honeywell, Raytheon, Boeing: ma trận đầuthu 240x320 phần tử vói kíchthước mỗi pixel là 50x50 Jj,m đã được sản xuất trên đế (wafer đườngkính 4 in) theo chuẩn công nghiệp Mạch đọc được tích hợp bên dưới Si

- Lockheed Martin: ma trận 640x480 với kích thước pixel 28x28 ụ,m vàNETD là 60 mK

- Hãng Radford đã tạo ra mảng 240x320 pixel với các pixel V02 vuông 50Ịim cho độ phân giải nhiệt độ NETD trung bình là 8,6 mK

Các đầu thu microbolometer do hãng Mitsubishi (Nhật) sản xuất không sửdụng các yật liệu truyền thống như các hãng của Mỹ mà là các chất bán dẫn p-ndiode Tuy chưa thể so sánh được với các hãng của Mỹ nhưng các vật liệu tiếntiến này cũng hưa hẹn những triển vọng ứng dụng to lớn trong dân sự

1.3.2 Pyroelectric

Đầu thu pryroelectric hoạt động dựa trên sự thay đổi trạng thái phân cựccủa vật liệu điện môi khi nhiệt độ thay đổi Đầu thu loại này thường được chếtạo như một tụ điện, cơ chế đọc tín hiệu ra được minh họa qua Hình 1.8

Circuit

Hình 1.8 Mạch tương đưomg của đâu thu pyroelectric và bộ khuêch đại

Hệ thống tạo ảnh theo hiệu ứng pyroelectric phải đi kèm với 1 bộ điều chếquang để phát tán bức xạ nhiệt đập vào Đây là hạn chế đối vói nhiều ứng dụngcần tốc độ nhanh (thí dụ đàu tự dẫn tên lửa) Các vật liệu ferroelectric được sửdụng là BaxSri_xTi03, Sri_xBaxNb20, LiTa03, PbTiCV

1.3.3 Tính chất các mạch tích phân FPA

Ở đây cần phân biệt ra 2 loại công nghệ chế tạo: Công nghệ lai ghép chođầu thu hoạt động dưới nhiệt độ Curie 300K và công nghệ đơn chip làm việctrên 300K

1.3.3.1Đầu thu theo công nghệ lai ghép (hybrid)

Trình độ công nghệ lai ghép chỉ cho phép chế tạo các đầu thu làm việcdưới nhiệt độ Curie Bỏi vì ở vùng này, sự thay đổi của hằng số điện môi củavật liệu sẽ đạt giá tri cực đại theo sự thay đổi nhiệt độ Điều đó nghĩa là độphân cực đọc được cũng rất lớn Cho đến nay, công nghệ lai đã được áp dụng

để sản xuất loạt các đầu thu pyroelectric và feưoelectric Hình 1.9 biểu diễn cấutrúc của một ma trận đầu thu pyroelectric sử dụng yật liệu gốm BaSrTi03 dohãng Texas Instrument chế tạo Khuyết điểm của công nghệ lai là: Do tínhtruyền nhiệt cao ở các mối hàn ghép nên độ nhạy nhiệt không vượt quá giói hạn50mK Ngoài ra, ở trên nhiệt độ Curie các đầu thu thường cho tín hiệu yếu

Hình 1.9 Cấu trúc lai của một pixel bolometer điện môi BST

1.3.3.2 Đầu thu theo công nghệ đơn chip (monolithic)

Hình 1.10 mô tả cấu tạo 1 pixel của loại đầu thu này ưu điểm lớn nhấtcác đầu thu loại này là chế độ hoạt động không phụ thuộc vào giói hạn củanhiệt độ Curie Do bắt buộc phải ở dạng màng mỏng nên chỉ có yật liệuPbTi03 là thích hợp Ở đây qua việc phủ 1 lớp màng mỏng yật liệu pyro lênphiến silic, sẽ đạt được 1 sự cách ly nhiệt cao làm tăng hiệu suất lên nhiềubậc so vói mạch lai

1.4 Cơ chế làm việc và cấu tạo các cảm biến ma trận ảnh hồng ngoại FPA(Focal plan array)

1.4.1 Nguyên lý hoạt động của ma trận cảm biến ảnh FPA dựa trên kiến trúc CCD và CMOS

Cấu tạo của một ma trận cảm biến hình ảnh CCD (charge couple

nhạy sáng được gọi là pixel Tùy theo số lượng photon ánh sáng đập vàomặt nhạy sáng của pixel mà một số lượng điện tử tương ứng (gọi là hạt tải)

sẽ được tạo ra Sau đó các hạt tải được chuyển tuần tự từng hàng một đếnvùng lưu trữ (storage array) nhờ các vi mạch tạo xung điều khiển {parallel

có chức năng đọc và chuyển đổi điện tích của hạt tải ở mỗi pixel thành các giátri điện áp Nhờ các mạch tích phân ngoại vi như output amplifier, AD,multiplexing trên cơ sở FPGA tín hiệu điện áp này sẽ được khuếch đại vàchuyển đổi thành tín hiệu hình ảnh video

Hình 1.11 biểu diễn mặt cắt của một pixel được đúc liền trong một phiếnbán dẫn Si pha tạp p Trên bề mặt mỗi pixel - cấu tạo như 1 photodiode - đượcphủ lên ít nhất 2 điện cực (được gọi là các cổng - gate) Hình 1.11 biểu diễn 1pixel cố 4 cổng điều khiển Do đó các pixel cũng có cấu tạo như một tụ điệnnhạy sáng MOS (kim loại-điện môi- bán dẫn) Để tăng diện tích nhận sáng, cácbản điện cực kim loại được thay bằng vật liệu polysilieon dẫn điện và cho ánhsáng truyền qua Vật liệu cho chất điện môi ở đây thường là S1O2

stiffs

CCD Register Clock

Storage Array Shift Register Control

CCD đơn sắc (đen/ừắng) gầm ba giai đoạn sau:

mỗi pixel sẽ tạo ra các điện tử tư do (hạt tải) trong vùng chuyển tiếp(vùng nghèo) của photodiode

Parallel CCD

Control

Storage Array Parallel Clock Control

Parallel

Shift

Dic&ờtiổrt

b) Tích trữ hạt tải: Các hạt tải này được giam giữ trong các giếng thế năng(potential well) được hình thành bằng cách đặt vào các điện ápdương.Giếng nàycó các rào chắn (potential barrier) làm vách ngăn cách.

Anatomy of 3 Charge Coupled Device Photon

qua để tăng hiệu suất.

Hình 1.13 Cơ chế truyền hạt tải trong 1 pixel CCD cỏ 3 điện cực a: Hạt tải được chứa trong giếng thể năng; b và c: Giếng được mở rộng và cần bằng; d: Giếng bị co lại; e:Hạt tải được dịch hết sang giếng mới; f: xung điều khiển

Of i in

Voltage Pixel Reset Incoming Photons

Gate

Photogenerated Elections V o Potential Well 0

wtll colUpúnl

c) Chuyển đổi tín hiệu hình ảnh: Ở thanh ghi cuối cùng (serial register) của

CCD, số lượng hạt tải trong mẫỉ pỉxel sẽ được đọc ra Sau đó chúng được

lượng tử hóa thành tín hiệu video

Horizontal Readout Register

Hink 1.14 Các kỉến trúc quét ảnh của CCD: FT FF, IT và FIT Mũi tên chỉ hướng truyền các hạt tải Vùng ỉưu trữ ịdiện tích sẫm màu) được che chắn khỏi

ánh sáng nhờ lớp màng kim loại trong chip

1.4.2 Cơ chế đọc đữ liệu CCD

Tùy thuộc cơ chế quét và đọc tín hiệu cũng như kiến trúc vùng nhạysáng (photodiode) và vùng lưu trữ hạt tải (hay là vùng nhớ) các cảm biến ảnhCCD còn được phân ra các loại sau:

lưu trữ (MOS diode) tách biệt với nhau Ở đây phải bố trí các cửa chắnsáng điện tử sau mỗi lần chụp Loại CCD này có tốc độ đọc dữ liệunhanh, tuy nhiên diện tích CCD phải lớn gấp đôi Chúng rất thích hợpcho chụp ảnh đo vẽ bản đồ lập thể từ máy bay

chỉ có mỗi vùng nhạy sáng và không có vùng nhớ đệm Vì vậy ừongquá trình đọc số liệu ra phải sử dụng màng chắn cơ khí Chúng thíchhợp cho chụp ảnh vệ tinh, chụp ảnh kính thiên văn

vùng nhạy sáng và vùng nhớ như CCD-FT Điểm khác biệt là thanhghi nhạy sáng và thanh ghi lưu trữ được bố trí đan xen nhau

Interline-Transfer CCD

Q5 s*

Storage

Area

Output

Horizontal Readout Register

Vertical Photo- CCD

diode Registers Array

Frame-lmerHne-Transfer CCD

SB

d) Chụp quét theo hàng dùng các thanh ma trận cảm biển ánh sáng CCD.

1.4.3 Những tim bộ trong công nghệ chế tạo

Theo các tiêu chuẩn đánh giá đầu thu thì cho đến nay, các đầu thu đã trảiqua 3 thế hệ phát triển Hình 1.3 đưa ra các mốc thời gian quan trọng trong lịch

sử phát triển đầu thu

Cấu tạo của nó là các đầu thu rời rạc từ vật liệu PbSe, InSb hoặc HgCdTe đượcsắp xếp thành hàng (thông thường từ 60, 120, hoặc lớn nhất 180 pixel) Việclấy tín hiệu ra dựa trên cơ chế quét hàng cơ quang Hệ quang học là một hệtelescope vô tiêu có một gương quay Độ phân giải nhiệt độ khoảng 0.2K

pixel đầu thu được chế tạo ngay cùng trên 1 phiến bán dẫn bằng phương phápepitaxy Qua phương pháp chụp quang khắc sẽ tạo thành các ma ừận (focalplan array) có số hàng tò 1- 4 (kích thước tối đa là 288x4) Việc lấy tín hiệu racũng dựa ừên các hệ thống quét cơ - quang Độ phân giải nhiệt trên 0.1K Sovới thế hệ 1, nó có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn và độ tin cậy cao hơn

theo công nghệ lai ghép (hybrid) Độ phân giải nhiệt độ NETD của thế hệ 2+khoảng 0,05K Ví dụ điển hình của hệ thống này là các mảng HgCdTe đa hàng288x4 được hãng Sofradir (Pháp) sản xuất hoạt động trong cả dải 3-5 Jj,m và8-10,5 Jj,m có tích hợp mạch xử lý tín hiệu trên chip

- Thế hệ 3 Các camera thế hệ 3 đã loại bỏ cơ chế lấy tín hiệu ra bằng quét

cơ quang Thay vào đó là cơ chế quét điện tử theo công nghệ chế tạo cácmạch tích hợp CCD Đầu thu ma trận 2D focal plan array có số lượngphần tử đã lớn hơn 106 Các mạch đọc tích hợp (ROICS) bao gồm chọnlại pixel, chống chói trên mỗi pixel, tạo khung ảnh, tiền khuếch đại

Đặc điểm của thế hệ này là các mạch đọc tích họp này được chế tạo trêncùng một phiến với ma ừận đầu thu (công nghệ monolithic).

1.4.3.2 Công nghệ chế tạo ma trận cảm biến ảnh hồng ngoại

a) Ma trận đơn chip (monolithic)

Ở đây người ta cấy luôn các vi mạch trộn kênh multiplexing vào trong vậtliệu bán dẫn Linh kiện cơ bản của ma trận ảnh là cấu trúc MIS (kim loại- điệnmôi- bán dẫn) như trong Hình 1.15c Một tụ điện MIS sẽ thu nhận và tích hợpthành các dòng điện tử photon Công nghệ sản xuất ma trận sử dụng các vi cảmbiến có rào chắn Shottky cho phiến Si cũng được áp dụng rất thảnh công vàoviệc sản xuất các ma trận cảm biến ảnh hồng ngoại ừên một chip bán dẫn vùngcấm hẹp

b) Ma trận cảm biển ảnh dạng lai ghép (hybrid)

Các cảm biến ma trận ảnh dạng lai ghép và mạch tích phân trộn kênh đượcchế tạo trên các vật liệu khác nhau và được ghép nối lại với nhau bằng côngnghệ hàn vi điện tử hoặc công nghệ tạo vi cấu trúc bề mặt loophole (Hình1.16) Trong trường hợp này ta dễ dàng tối ưu từng công đoạn một cách độclập Ngoài ra phương pháp này còn nhiều ưu điểm nữa như: hệ số lấp đầy đạtgần 100%, tăng được diện tích xử lý tín hiệu Ma trận các vi cảm biến có thểnhận ánh sáng không chỉ từ mặt trước mà còn cả ở mặt sau

Hiện tại độ phân giải của CCD đã đạt gần ngang phim nhựa, cụ thể kíchthước các pixel của CCD đã đạt là 0,5jj,mx0,5|xm so với kích thước hạt nhũtương của phim vào khoảng 0,3-0,5|xm Kích thước CCD đã lớn hơnl2.000x12.000 pixel (144000 Mpx) Tốc độ đọc của CCD cho vũ trụ đã đạt hớn200MHz Hiệu suất lượng tử, tốc độ làm việc, tỉ lệ tín trên tạp SNR {signal to

trên

phiến không bằng sỉlỉc

(thí dụ như CCD HgCdTe')

Hình 1.16 Kiến

trúc ma trận

cảm

biến

ảnh

hồng ngoại hybrid (lai ghép),

a công nghệ cấy chốt cầu Indium;

b công nghệ tạo vi cẩu trúc

bề mặt loophol e.

Bản

g 1.2Giớithiệumột sốloại matrận cảmbiếnhình ảnh

cảu cáchãng sảnxuất ừênthế gióinhư:FLIRSystem,Raytheo

n, Marconi,

Gee-Rockwell/Boein

g, BAESystem(Mỹ),Pilkington

(Anh),Zeiss(Đức),Softradir

(Pháp)

Bảng 1.2: Các thông sắ đầu thu của các hãng lán trên thế giới

e t

e r )

c o m