TMMOB ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Transkript

1 TMMOB ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI '/>- \ TMMOB ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI ANKARA ŞUBESİ ODTÜ ELEKTRİK -ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ TÜBİTAK

2 ÖNSÖZ TBMMO Elektrk Mühendsler Odası Elektrk-Elektronk-Blgsayar Mühendslğ 7 Ulusal Kongresn ve Sergsn Orta Doğu Teknk Ünverstes'nde gerçekleştrmş olmaktan onur ve sevnç duymaktayız. Ünverste olarak kongreye knc kez evsahplğ yapmamız bz fazlasıyla mutlu etmştr, ama mutluluğumuz asıl geçen süre çnde Odamızın, meslek yaşamımızın ve Ünverstemzn ne kadar gelşmş olduğunu gözlemekten kaynaklanmaktadır. Gerçekten de lg alanlarımızın çeştlenmes, bu alanlarda bell br becerye ulaşılmış olması, eskden güçlü olduğumuz dallarda da gücümüzün sürmes Elektrk-Elektronk ve Blgsayar Mühendslermzn ülke genelnde gderek daha fazla söz sahb olmaları olgusunu yaratmaktadır. Breysel başarılarımızın kurumlanmızı da ülke ekonoms ve gelşmes bakımdan güçlendrmekte olduğu açıktır. Ntekm bu sektörlerde faalyet gösteren kuruluş sayısı hızla artmaktadır. Bu sayısal gelşmenn ntelk bakımından da aynı hızla sürdüğünü görmek sevndrcdr. Kongremz ve sergmz bunun en somut kanıtını oluşturmaktadır. 2000Mİ yılların Türkye'snn htyaçlarını yakahyablmek çn daha çok şeyler yapılması gerekmektedr. Endüstr-Eğtm Kurumlan ve Meslek Odaları arasındak letşm ve karşılıklı etkleşm güçlendrmek gerekmektedr. Bu geçmşe oranla daha sevndrc br düzeyde sürüyor da olsa henüz gelşmş ülkelerdek başarılı örneklern uzağındadır. Önümüzdek yularda bu konuda daha fazla çabaya htyaç vardır. Tüm katılımcılara Kongre ve Sergmze vermş oldukları güç çn teşekkür edyorum. Szler Ünverstemzde görmenn kıvancıyla selamlıyor saygılarımı sunuyorum. Prof. Dr. Fatk Canatan Yürütme Kurulu Başkanı

3 ELEKTRİK-ELEKTRONİK-BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ 7. ULUSAL KONGRESİ YÜRÜTME KURULU Fath CANATAN (Başkan, ODTÜ) M. Mete BULUT (ODTÜ) M. Asım RASAN (EMO) Cengz BEŞİKÇİ (ODTÜ) Cengz GÖLTAŞ (EMO) Gönül SAYAN (ODTÜ) H. Al YİĞİT (EMO) Ceml ARIKAN (TÜBİTAK) Kublay ÖZBEK (EMO) M. Hacm KAMOY (ASELSAN) M. Sıtkı Çğdem (EMO) Hüseyn ARABUL (BARMEK) Funda BAŞARAN (EMO) Aydın GÜRPINAR (ENERSİS) Mustafa ÖZTÜRK (EMO) EDİTÖRLER Fath CANATAN Mehmet Mete BULUT

4 Darlngton Kompozt Tranzstorun Negatf Grş Drenc Bölges Al TOKER T.Ü. Elektrk-Elektronk Fakültes, Elektronk ve Haberleşme Müh. Bölümü, Maslak.stanbul ABSTRACT l/ı t hs vjork. the hgh frequncy propertes of Darlngton composte transstor (DCT) has been studed and the behavour of short current gan and nput mpedance at these frequences has been nvestgated. As expected, the transstor whch determnes the cutoff frequncy ofthe DCT s the transstor wth the lower cut-off frequncy. On the other hand, the dependence of the nput mpedance on frequncy s nterestng. The real part of the nput mpedance s negatve n a frequency range, v/here a specal condton s satsfed. İt v/as shown that, ths negatve resstance regon dsappears wth ncreasng the load resstance.to ncrease the output voltage level the load resstance must be also ncreased, whıch causes a cancelaton of the negatve resstance regon. To obtan a suffcent output voltage level, a common base stage s cascadedto the output ofthe DCT. The newly obtaned structure can be called as Darlngton cascode crcut. The nput mpedance s practcally ndependent of the load resstance at the output of the common base stage. The crcut s sutable to be used as an oscllator n the negatve resstance regon. İn ths work. the results gven above were derved theoretcally. the valdty of the results was nvestgated on a crcut example usng SPICE smulatıons by changıng several parameters and they have been proven expermentally. 1. GİRİŞ Gerek Darlngton kompozt tranzstor, gerekse eşlenk kompozt tranzstorun yüksek frekans özellkler ncelendğnde, herk tp yapının ortak bazlı akım kazançları a'nın frekansla değşmler ncelendğnde bell br frekans bölgesnde a(f) > 1 şartını sağladıkları sonucuna ulaşılır. Bu durum Stepovvcz ve Janke tarafından etraflıca ncelenmştr [1],[2]. Bu çalışmalarda yukarıda belrtlen şartın tranzstor parametrelerne ne şeklde bağlı olduğu da rdelenmş durumdadır. Aynı yıllarda Kachala ve Gorokhov Darlngton kompozt tranzstorun statk özellkler le darbe devrelerndek konum değştrme karakterstkler hakkında çalışmalar yapmışlar [3],[4], daha sonra da Gupta ve Sngh bu tür yapıların kazanç grş ve çıkış empedanslarını. toplu parametrel eşdeğerlern, stablte özellklern sstematk olarak ele almışlardır [5],[6],[7],[8], [9],[10]. 2.DARLİNGTON TRANZİSTORUN KISA DEVRE AKIM KAZANCI VE GİRİŞ EMPEDANSI Darlngton tranzstorun eşdeğer olarak karma-7: küçük şaret model kullanılırsa, emetör montajında çıkış değşken şaretler bakımından kısa devre ken toplam akım kazancının frekansa bağlı fades (0 (0 1+7 (O, 1+./ (1) olarak elde edlr [11]. Bu bağıntı yardımıyla Darlngton tranzstorun kısa devre akım kazancının modül ve fazının frekansa bağımlılığı rdeleneblr. Sürücü tranzstor T1, çıkıştak akımın büyük kısmını taşıyan tranzstor T2 olarak smlendrlmş olup (o (l1 ve (o l2 T1 ve T2'nn akım kazançlarının daresel kesm frekansları,yan alçak frekanslardak değerlernn 1/V2 'sne düştüğü frekanslar olup. «> se Darlngton tranzstorun daresel kesm frekansıdır Darlngton tranzstorun kesm frekansı f ( : a) f111-= se f,,** b) f 2<<f u se f S =f,2 c)f t1 =f )2 se f,,=(v2-l)"" f t (2) şeklnde bastleştrleblr. Dğer taraftan devrenn aynı şartlarda grş empedansı analz edldğnde 1 + / 1 + / 1 + / olarak elde edlr. Burada r bb :baz gövde drenc. r n =[3r e ortak emetörlü tranzstor grş drenc, (O (t),. (3)

5 akım kazancı daresel kesm frenkansıdır. W/CJ,>10 şartını sağlayan bölgesnde (3) bağıntısı bastleştrlerek frekans JÜUK - -lüd (4) elde edlr. Bu bağıntının reel kısmı enteresandır ve dkkatlce ncelendğnde bell koşullar sağlandığında negatf de olableceğ anlaşılır. (4) bağıntısından n - nohh 1 f Kİ, m a T.. r. V,Q; looklı " VP( 1 "p.^nc. olduğu görülmektedr. Bu bağıntıda (O İ<\ (O \ (O,I2,I2 (O 2 (5) (O 2 (6)! 2G0K-İ I İOOK- \ A -5Dd- : \ \M cdul \ \ V \ \ \ Rc=100 ohm Ft,. şartının sağlandığı frekans bölgesnde ortak emetörlü Darlngton kompozt tranzstorun grş empendansının reel kısmı negatf olur. Bu çalışmada çeştl tranzstorlar örnek alınarak grş empedansının reel kısmının negatf olduğu bölgenn hang parametrelere bağlı olduğu SPICE smülasyonları le ncelenmş ve yapının bu özellğnden yararlanılma yolları araştırılmıştır. 3. NEGATİF GİRİŞ DİRENCİNİN YÜK DİRENCİNE (KAZANCA) BAĞIMLILIĞI (4),(5),(6) bağıntılarından çıkışı değşken şaretler bakımından kısa devre olan Darlngton tranzstorun grş drencnn negatf olma koşulları ve bölges elde edleblr. Buna karşılık devrenn kazanç sağlaması çn kolektöre ser br yük drenc bağlanarak değer artırıldığında bu bölgenn ortadan kalktığı yapılan sayısal analzlerde açıkça görülmektedr (Şekl-1) Şekl-1 dek sağdak grafk R c =1 ohm çn grş empedansının modül ve açısının frekansla değşmn vermektedr. Açının -90 dereceden daha büyük olduğu frekans bölges grş drencnn negatf olduğu bölge olup, böyle br bölgenn R c =100 ohm çn mevcut olmadığı sağdak grafkten anlaşılmaktadır. Dğer taraftan Darlngton tranzstorun negatf grş drencnden yararlanarak şaret üretmek, yan oslatör gerçekleştrmenn mümkün olduğu göz önünde tutularak, yukarıda sözü edlen problemn çözülmes gerekr 0 - lokh E c vlookh b) ';R3 " E 1 ûkh lomh VPIO1 t) Freouency Şekl-1: Grş empedansının değşk yük drençler çn frekansa bağımlılığı Halbuk artan yük drenc,yan artan kazançla Mller olayına bağlı olarak negatf drenç bölges ortadan kalkmaktadır, O halde Şekl-2 dek klask Darngton tranzstorlu kuvvetlendrc le br rezonans devresnn kaybını telaf ederek şaret üretmek de olanaksız hale gelecektr. Bu duruma çözüm getrmek üzere yen br yapı br sonrak bölümde teklf edlmektedr. c c ü R c Şekl-2 : Darlngton tranzstorlu negatf drenç oslatörü 1 ILEKTRİK, ELEKTRONİK, BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ 7. ULUSAL KONGRESİ

6 4.NEGATİF DİRENÇ OSİLATÖRÜNÜN KAZANÇTAN BAĞIMSIZ KILINMASI Yukarıda elde edlen sonuçlar, kazancı, oslasyon şartını etklemeden artırmak çn Darlngton tranzstorlu katın çıkışına. grş drenc çok küçük, gerlm kazancı büyük br katın kaskat bağlanması gerekllğn ortaya koymaktadır. Böyle br kat kolaylıkla ortak bazlı br tranzstorla gerçekleştrleblr. Şekl-3 de görülen böyle br devre, aynı zaman da Darlngton tranzstorlu kaskot devre olarak da anılablr. Bu devrenn grş empedansı pratk olarak yük drencnden bağımsız olduğu çn. çok genş br kazanç aralığında negatf drenç oslatörü yapmaya elverşl olmaktadır. 2N2222 tranzstorları le gerçekleştrlen br örnek devre blgsayar ortamında analz edlmş ve devrenn çıkış şaretnn zamana göre değşm Şekl -4 de verlmştr. Aynı devre deneysel olarak da gerçekleştrlerek sonuçların smülasyon sonuçlarına uyumluluğu denetlenmştr. Şekl-3 : Darlngton-kaskot devre le gerçekleştrlen negatf drenç oslatörü sonucu Şekl-4 de görülmektedr. Devre bu halyle yaklaşık 2MHz'lk ve tepe değer 70mV'luk br snüsodal şaret üretmektedr. Daha büyük genlkl şaretler besleme gerlm değen le brlkte tranzstorların kutuplama akımları veya yük drencnn değer artırılarak kolayca elde edleblr. Elde edlen smülasyon sonuçları deneysel sonuçlarla teyt edlmştr. Rezonans devresnn amortsmanı uygun ayarlandığında oldukça az dstorsyonlu br şaret elde edlebldğ gb, devrenn çalışma lkesne bağlı olarak kazanç kontrolü da gereksz olmaktadır. 4. SONUÇLAR Darlngton kompozt tranzstorun özellkler çn yapılan çalışmaların rdelenmes sonucunda, bu devrenn emetör montajında kısa devre grş empedansının reel kısmının negatf olduğu bölge ve bölgenn dames çn gerekl şartlar rdelenmş ve çıkışa bağlanan yük drencnn bu bölgey ortadan kaldırdığı gösterlmştr. Bu durum Darlngton tranzstorun negatf drenç oslatörü gerçekleştrme mkanını ortadan kaldırdığı çn. çözüm olarak çıkışa kaskat br ortak bazlı devre bağlanması önerlmştr. Bu şeklde grş drenc çok küçük. gerlm kazancı büyük ortak bazlı devrenn çıkış tarafına kaskat bağlanması le, br nev Darlngton grşl kaskot devre yapısı önerlmektedr. Bell br frekans aralığında grş drenc negatf olan bu yen yapının en öneml avantajı, grş empedansının yük drencnden. yan devrenn toplam gerlm kazancından da bağımsız olmasıdır. Devre yapısı dkkatlce ncelendğnde, rezonans devres çn gerekl bağlantı ucunun dışarıya alınması koşulu le devre herhang br bpolar tümdevre proses le son derece küçük br alanda gerçekleştrlerek snüsodal şaret üretmek açısından da çok uygun br yapı arzetmekte olup değşk amaçlar çn kullanılablecektr. KAYNAKLAR: Şekl-4 : Şekl-3 dek oslatörün çıkış şaretnn zamanla değşm (SPICE analz) Yukarıdak örnekte L=50(.ıH, C=100pF. R=25K, R B =47M. R, =R 2 =22K ve R c =500 ohm çn l C 3=2,925mA çalışma akımında yapılan SPICE analz 1. Stepowcz,W.J. "Frequency Propertes of a Darlngton Composte Transstor" Int. Journal of Electroncs, Vol.35, No:4, pp , Janke.VV. and Stepowcz,W.J. "Frequency Performance of a Complementary Composte Transstor" AEÜ. Band 29, Heft 11. pp , Kachala.N.N. and Gorokhov,V.A. 'Propertes of the Statc Characterstcs of Composte Transstors" Rado Engneerng, Vol.24. No:7,pp.94-97,1969. ELEKfRİK, ELEKTRONİK, BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ 7. ULUSAL KONGRESİ

7 4. Gorokhov.V.A. and Kachala.N.N. "Compound Transstors n Pulse Crcuts" Rado Engneerng and Electronc Physcs. Vol. 14, No: 8, Gupta.R.S. "Stablty of the Darlngton Composte Transstor" Int. Journal of Electroncs Vol.26, No:2, pp , Gupta.R.S. "Stablty Factor of the Composte Transstor" Int. Journal of Electroncs, Vol. 26, No:6. pp , Sngh.A. "Resstance Parameters of Composte Transstors"" Int. Journal of Electroncs, Vol.27, No:6, pp , Gupta.R.S. "Amplfer Characterstcs of the Superalpha Composte Transstor" Int. Journal of Electroncs, Vol. 28, No:1, pp , Gupta.R.S. 'Amplfer Characterstcs of Darlngton Composte Transstor" Int. Journal of Electroncs. Vol. 28. No:3. pp SnghA "Characterstcs of the Composte Transstors" Int. Journal of Electroncs Vol.30, No:3, pp , Ammar.A."Super-alpha Composte Transstor HF Equvalent Crcut Analyss" Int. Journal of Electroncs Vol.42, No:4, pp , 1977.

8 STANDART CMOS TEKNOLOJİSİ İLE ÜRETİLEBİLEN ISILKÜME TİPİ KIZILÖTESİ DEDEKTÖRLER Kongre konu başlığı : 15, Mkroelektronk Zeynel OLGUN", Orhan AKAR", Haluk KÜLAH' ve Tayfun AKIN*" "Orta Doğu Teknk Ünverstes, Elektrk ve Elektronk Mühendslğ Bölümü, ANKARA "TÜBİTAK-BİLTEN, Orta Doğu Teknk Ünverstes, ANKARA ABSTRACT Ths paper reports the development of a thermople type nfrared detector usng slcon mcromachnng on fabrcated and bonded chps. The thermople s obtaned by seres connecton of thermocouples, whch are made of n-poly/p*-actve layers that are avalable n any CMOS process. P + - actve layers are placed n n-well regons, whch are protected from etchng by electrochemcal etch-stop technque n a TMAH soluton. The characterızaton results show that Seebeck coeffıcents of the n-poly and p*-actıve layers are -335 /.A//K and 450 /.tv/k, respectvely. Tests show that a cantlever type thermople wth 21 thermocouples wll result n responsvty and detectvty of 43 VAAZ and 1.06x10 7 (cm. \Hz)AA/. respectvely, when n-well s present and 617 VAAZ and 1.5x10 8 (cm. \Hz)AA /, respectvely, when n-well s removed ÖNBİLGİ Günümüzde kızılötes dedektörler oldukça genş br kullanım alanına sahptrler özellkle endüstryel süreç kontrol ve test aletlernde, tıbb ve asker uygulamalarda kullanılan kızılötes kameralarda, asansör ve muslukların anahtarlama kısımlarında ve alarm sstemlernde kızılötes dedektörler yaygın olarak kullanılmaktadır [1]. Kızılötes ışınım, elektromanyetk ışınımın br formu olup spektrumda yaklaşık olarak 3x10 11 Hz le 4x10 14 Hz frekansları arasında yayılmaktadır. Br başka deyşle yayılım 075 um le 1000 (.m dalgaboyları arasındadır [1]. Br ışınım dedektörü, dedektör üzerne gelen ışınımın ölçüleblr br fzksel büyüklüğe dönüştürüldüğü br alettr. Kızılötes ışınımın algılanması çn ana olarak k tür dedektör mevcuttur: Foton (kuantum) dedektörler ve ısıl dedektörler. Foton dedektörlerde gelen kızılötes fotonlar absorbe edlrler. Absorbe edlen fotonlar serbest yük taşıyıcıları oluşturarak dedektörün algılayıcı kısmının herhang br elektrksel özellğnn değşmesne sebebyet verrler Bu süreç esnasında algılayıcı kısımda kayda değer br ısı artışı olmaz [2] Isıl dedektörlerde se algılayıcı kısım tarafından absorbe edlen kızılötes ışınım, algılayıcının sıcaklığının artmasına neden olur. Bu ısı değşm, dedektörün algılanablen herhang br özellğnn değşmesne sebep olur [3], Sonuç olarak ısıl dedektörler le foton dedektörlern algılama metodları arasındak en öneml fark, ısıl dedektörlerde yen serbest yük taşıyıcılarının oluşturulmamasıdır Isıl dedektörlern foton dedektörlere göre bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Foton dedektörler ısıl dedektörlere göre görüntüyü daha hızlı tararlar. Bunun yanında foton dedektörlerde çözünürlük ve duyarlılık (sensıtvty) daha yüksektr. Fakat ısıl dedektörlerle kıyaslandığında, foton dedektörler çok daha pahalıdır. Ayrıca foton dedektörlern km zaman sıvı azot sıcaklığına (77 K ya da -196 C) varan ölçülerde soğutulmaları mecburyet, bu tp dedektörlern günlük hayatta yaygın olarak kullanılmalarını zorlaştırmaktadır. Bu yüzden bazı uygulamalarda kızılötes algılama çn ısıl dedektörler foton dedektörlere nazaran daha çok terch edlmektedr. Isıl dedektörlern öneml br avantajı da, standart CMOS fabrkasyon süreçleryle mal edleblmelernn mümkün olmasıdır. Bu makalede herhang br standart CMOS teknolojs le üretleblen ısılküme tp kızılötes dedektörler anlatılmıştır. Tasarımla lgl detaylara grlmeden önce genel olarak ısılküme tp ısıl dedektörlern yapısı ve çalışma prenspler anlatılacaktır. ISILKÜME TİPİ KIZILÖTESİ DEDEKTÖRLERİN YAPISI VE ÇALIŞMA PRENSİPLERİ k farklı maddeden oluşturulmuş br eklem (juncton) ısıtıldığı zaman, açık olan uçlarda Seebeck etksnden dolayı br termovoltak (thermovoltac) voltaj düşümü olur (bkz. Şekl 1) [2]. Bu voltaj kendlğnden üretlen (self-generated) br voltaj olup ayrıca dışarıdan herhang br eğlmleme devresne (basng crcut) htyaç duyulmamaktadır. Bu şeklde oluşturulmuş br ekleme "ısılçıft (thermocouple)" denr. Brden fazla ısılçftn br algılama elemanına (responsve element) ser olarak bağlanmasıyla da "ısılküme (thermople)" yapısı elde edlr. Tpk ısılçft ve ısılküme yapıları Şekl 1 ve 2de gösterlmştr. Şekl 1'de görüldüğü üzere, ısılçıft yapısında açık uçlar tarafında br voltaj elde etmek çn algılama elemanı tarafındak eklemn sıcaklığı (T,), açık uçların sıcaklığından (T o ) farklı olmalıdır. Böyle br durumda açık uçlar tarafında büyüklüğü V s =a ab.at olan br voltaj üretlr. Burada u ab (a a -«b) " a " maddesnn "b" maddesne göre olan bağıl Seebeck katsayısı olup brm V/K'dr (Volt/Kelvn). AT se eklem le açık uçlar arasındak sıcaklık farkıdır (T r T o ). "N" tane ısılçftn peşpeşe bağlanmasıyla oluşturulmuş br ısılkümede se bu voltaj N.«ab.AT olup br öncek değern "N" katıdır (bkz Şekl 2) [1] Görüldüğü üzere, ısılküme yapılarıyla dedektörün bulunduğu ortamdak kızılötes ışınımın yarattığ 1

9 sıcaklık değşm (AT) kolaylıkla tespt edleblmektedr. Burada algılama elemanı ve üzerndek CMOS okst katmanları kızılötes ışınımı geçrp dğerlern bloke ettğnden, sıcaklık değşmn sağlayan esas faktör kızılötes ışınımın mktarındak değşmdr. Şekl 1: Tpk br ısılçft yapısı Sıcak kontaklar Isılküme Madde "a" Soğuk kontaklar 7 Algılama alanı Aşındırılmış bölge Madde "b" Bağlantı noktası Şekl 2: Tpk br ısılküme yapısı Br ısılküme dedektör yapısının performansını esas olarak üç parametre belrler: Yanıtlama (R, responsvty), Gürültüye Eşdeğer Güç (NEP, Nose Equvalent Power), Algılama (D, detectvty). Yanıtlama, çıkış snyalnn voltajının (N.a ab.at), gelen ışınımsal grş snyalnn gücüne (radant ncdent povver) oranı olup brm VAA/'dır. Gürültüye eşdeğer güç, belrl br band-aralığı ve algılama alanı çn, gelen ışınımsal gücün çıkışta gürültü voltajının etkn değerne eşdeğer br voltaj oluşturması çn gerekl olan güce eşt olduğu güçtür [1]. Algılama se, algılama alanı ve band aralığı le gürültüye eşdeğer güç arasındak lşky belrleyen br parametredr ve algılama alanı le band-aralığının kareköküyle doğru orantılı olup gürültüye eşdeğer güç le ters orantılıdır. İy br ısılküme çn yanıtlama le algılama değerlernn yüksek, gürültüye eşdeğer gücün düşük olması gerekr. STANDART CMOS TEKNOLOJİLERİ İLE ÜRETİLEBİLEN ISILKÜME YAPILARI Bugüne kadar standart CMOS teknolojlernde bulunan değşk katmanlarla değşk ısılküme yapıları gerçekleştrlmştr [4-7]. Bunların arasında üretmnn kolaylığından dolayı n-polslkon/alümnyum ısılçftlerden oluşturulmuş ısılkümeler oldukça popüler olmuşlardır [4,5]. Fakat alümnyum yerne p-tp br maddenn kullanılması, ısılçft oluşturan maddeler arasındak bağıl Seebeck katsayısını hemen hemen k katına çıkarmaktadır. Bazı CMOS teknolojlernde mevcut bulunan p-polslkon le bugüne kadar özellkle Baltes [6] tarafından n-polslkon/p-polslkon ısılçftlerden oluşan ısılküme yapıları denenmş ve başarılı sonuçlar alınmıştır. Fakat p-tp polslkon katmanı genel olarak standart CMOS entegre devre üretm teknolojlernde pek bulunmadığı çn, halhazırda mevcut bulunan CMOS süreç katmanları le ısılküme yapıları tasarımına yönelk çalışmalar yapılmıştır [7]. Bu tp br alternatf ısılkümede p- polslkon yerne p + -dfüzyon katmanı kullanılmıştır zra p + -dfüzyon katmanı bütün standart CMOS süreçlernde mevcut bulunmaktadır. Daha önce p + -dfüzyon katmanı, Sarro [7] tarafından n-kuyu çnde alümnyum/p + -dfüzyon katmanları kullanılarak oluşturulmuş ısılçft yapıları çn kullanılmıştır. Bu tp ısılçftlerde, alümnyumun Seebeck katsayısının düşüklüğünden dolayı, toplam Seebeck katsayısı açısından belrgn br kazanç sağlanmamıştır. Fakat bundan daha da önemls, p + -dfüzyonun çne gömüldüğü kalın n-kuyu katmanının yüksek derecede br ısıl özletkenlğe sahp olmasıdır. Bu yüksek ısıl özletkenlk, üzernde ısılçftlern de bulunduğu asılı yapının (suspended beam structure) toplam ısıl letkenlğn arttırdığı çn, dedektörün performansının düşük olmasına sebep olmuştur. Bu makalede n-polslkon/p + -dfüzyon katmanları kullanılarak yapılmış yen br ısılküme dedektör yapısı anlatılmıştır [12]. Bu tp br yapı sadece yüksek yanıtlama, Seebeck katsayısı ve algılama sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda herhang br standart CMOS sürecyle de kolaylıkla mal edleblmektedr. N-POLİSİLİKON/P*-DİFÜZYON TİPİ ISILKÜME YAPISI VE AŞINDIRMA METODLARI Şekl 3'de n-polslkon/p + -dfüzyon ısılçftlerden yapılmış ısılküme yapısının kest ve üstten görüntüsü gösterlmştr. Böyle br yapı herhang br CMOS sürec le mal edleblr ve paketlenmş br yonga (chp) halne getrleblr. Isıl olarak zole edlmş yapılar, önden taban aşındırma (front-sde bulk-etchng) ve elektrokmyasal aşındırma-durdurma (electrochemcal etch-stop) metodlarının brlkte uygulanmasıyla elde edlr. Şekl 3 (a)'da herhang br CMOS sürecnde üretlmş yonganın kest görüntüsü görülmektedr. Şekl 3 (b)'de de n-kuyu altındak p-taban aşındırıldıktan sonrak kest görüntü gösterlmştr. Aşındırma çn yonga, güçlü ve yön bağımlı (ansotropc) br baz olan tetra metl amonyum hdrokst (TMAH) çözelts çne daldırılmıştır. Burada n-kuyunun aşındırılmasının önüne geçmek çn, yongaya TMAH çözelts le aşındırma metoduyla brlkte elektrokmyasal aşındırma-durdurma metodu uygulanmıştır [8]. Böylelkle aşındırmanın kontrollü olması da sağlanmıştır. Paketlenmş yonganın aşındırılması esnasında alümnyum bağlantılarının ve bağlantı noktalarının aşındırılmasının oldukça yavaş olması gerekmektedr. Bunu sağlamak çn de TMAH çözeltsnn çne ast ve slkon pudrası lave edlerek çözeltnn ph'ı düşürülmüş ve böylece alümnyumun aşındırılma hızı yavaşlatılmıştır [9]. N-kuyu altındak p- tabanın aşındınlmasından sonra elde edlen yapı Şekl 3 (b)'de gösterlmştr. Bu yapı, n-kuyunun p + -dfüzyona göre ters eğlmlenmesyle ısılküme olarak kullanılablr. ELIKTRİK, ELEKTRONİK, BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ 7. ULUSAL KONGRESİ

10 Fakat n-kuyunun kalınlığının aşağı yukar 3.5 ^rm olması ve bu katmanın ısıl özletkenlğnn (thermal conductvty) yaklaşık olarak 156 W/m.K cvarlarında olması, sıcak ve soğuk eklemler arasındak sıcaklık farkının düşük olmasına yol açar k bu da yanıtlamanın düşmesne sebep olur. N-kuyu katmanının kalınlığının aşındırma le azaltılması ve terchan n-kuyunun tamamen aşındırılması, yanıtlama değern ve dğer performans parametrelern olumlu yönde etkler. P-taban aşındırıldıktan sonra yonga EDP (ethylene damne pyrocatechol) çözeltsne daldırılarak p + -dfüzyona zarar vermeden kısa sürel br aşındırma le n- kuyunun aşındırılması mümkün olmaktadır. Bunun dışında, p + -dfüzyonun katkılanma sevyesnn yeter kadar yüksek olmadığı süreçlerde, p + -dfüzyonun korunarak n-kuyu katmanının selektf olarak aşındırılması çn darbel gerlm anodzasyon (pulsed potental anodzaton) teknğ kullanılablr [10]. metal n-polslkon Sermde, değşk ısılküme yapıları ve [5] le [11]'dekne benzer test yapıları bulunmaktadır. Bu test yapıları le değşk katmanların termal özletkenlk (K) ve Seebeck katsayılarının (a) ölçülmes amaçlanmıştır. Polslkon katmanının drenç-sıcaklık değşm katsayısı (TCR, Temperature Çoeffcent of Resıstor) elektrokmyasal aşındırma durdurma metodu le elde edlmş ve termal olarak yalıtılmış br dyot yapısı le ölçülmüştür [8]. Bu dyot yapısının üzerne ısıtma ve ölçme amaçlı k tane polslkon drenç yerleştrlmştr. Isıtıcı drenç le dyot ve ölçüm drenc ısıtılmış, ölçüm drencndek sıcaklık dyot le ölçülmüştür. Bu test le, polslkon katmanının TCR değer 2.1x10" 3 K" 1 olarak ölçülmüştür. Polslkon katmanının TCR değernn bulunmasından sonra değşk katmanların ısıl tabaka drençler ve Seebeck katsayıları ölçülmüştür. Şekl 4'te ORBIT HP 1.2 um teknolojsndek n- polslkon katmanının ısıl tabaka drencnn ölçümü çn tasarlanan test yapısının taramalı elektron mkroskobu görüntüsü gösterlmştr. Bu yapı le n-polslkon katmanının ısıl letkenlğ K/W olarak ölçülmüştür. Bu değer, 1 (m kalınlığındak n-polslkon katmanı çn ısıl özletkenlk değern 76 W/m K olarak vermektedr. Benzer br yapıyla da aynı katmanın Seebeck katsayısı -335 IV/K olarak hesaplanmıştır.. ^ Şekl 4: n-polslkon katmanının ısıl özletkenlğnn ölçülmes çn tasarlanmış br test yapısının taramalı elektron mkroskobu görüntüsü. Şekl 3: n-polslkon/p + -dfüzyon tp ısılküme yapısının kest ve üstten görünüşü a) aşındırılmadan önce, b) n- kuyuda aşındmlmanın durdurulmasından sonra, c) n- kuyunun EDP le aşındırılmasından sonra, d) üstten görünüş TEST VE KARAKTERİZASYON Yukarıda açıklanan kavramların test ve değşk CMOS katmanlarının ısıl parametrelernn hesaplanması çn br serm (layout) hazırlanmıştır. Bu serm çn ORBIT HP 1.2 um sürec kullanılmıştır KU X388 Şekl 5: k-kollu asılı-yapı tpnde br ısılküme yapısının taramalı elektron mkroskobu görüntüsü

11 Şekl 5'te n-polslkon/p + -dfüzyon ısılçftlerden oluşmuş k-kollu asılı-yapı tpnde br ısılküme yapısının taramalı elektron mkroskobu görüntüsü gösterlmştr. Bu yapıda her k kolda 10'ar tane olmak üzere toplam 20 tane ısılçft bulunmaktadır Isılküme etrafındak syah renkl bölgeler aşındırılmış bölgeler olup ısılkümenın altına doğru uzanmaktadır. Gzllkten ötürü ORBIT HP 1.2 (.m sürecndek katmanların gerçek kalınlık ve katkılanma sevyeler elde edlememştr. Bu, dğer katmanların ısıl parametrelernn değerlern bulma hususunda kesn br sonuca varmamızı engelleyen öneml br faktör olmuştur. Fakat benzer 1.2 (.m süreçlerndek elde bulunan kalınlık ve katkılanma sevyelernden faydalanılarak, ORBIT HP 1.2 (.m sürecndek çeştl katmanların ısıl parametrelernn ölçümü yönünde çalışmalar yapılmıştır. Tablo 1'de ORBIT HP 1.2 um sürecndek değşk katmanların ölçülmüş ve hesaplanmış ısıl parametre değerler lstelenmştr. Burada, p + -dfüzyon katmanının Seebeck katsayısı, [11]'de rapor edlen p- polslkon katmanının Seebeck katsayısı le kıyaslanablr düzeydedr. Fakat daha önce de belrtldğ üzere, p-polslkon katmanı genel olarak standart CMOS süreçlernde bulunmamaktadır. Bundan dolayı, n-polslkon/p + -dfüzyon ısılçftlerden oluşmuş ısılküme yapıları, çnde p-polslkon bulundurmayan pek çok standart CMOS sürecyle elde edleblecek en y yapı olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu yapının avantajlarını ortaya koyan bazı ısılküme yapıları üzernde de çalışmalar yapılmaktadır. Tablo 1: ORBIT HP 1.2 um sürecndek çeştl katmanların ölçülmüş ve hesaplanmış elektrksel özdrenç (p), ısıl özletkenlk (K), Seebeck katsayısı (a) ve tabaka drenç değerler Katman rvpolslkon p + -dfüzyon n + -dfüzyon P (Q.cm) 2.6x10~ J 3.7x10" J 2.1x10 J K (W/mK) a (HV/K) RK (Q/I) SONUÇLAR Bu makalede, herhang br standart CMOS sürecyle elde edleblen n-polslkon/p + -dfüzyon ısılçftlerden oluşmuş ısılküme yapıları anlatılmıştır. Isılküme yapıları, bağlantıları yapılmış ve paketlenmş yongaların TMAH çözelts çnde sonradan aşındırma metodunun elektrokmyasal aşındırma-durdurma metoduyla brleştrlerek uygulanmasıyla elde edlmştr. Bu yapı le yüksek Seebeck katsayısı, algılama ve yanıtlama değerlerne ulaşılablmektedr. Br test yongası le, yaygın olarak kullanılan br 1.2 um CMOS sürecndek katmanların ısıl parametreler ölçülmüştür. Test sonuçları ve hesaplamalar sonucunda n-polslkon ve p + -dfüzyon katmanlarının Seebeck katsayıları -335 uv/k ve 450 uv/k olarak hesaplanmıştır. Bu, toplam olarak k madde arasındak bağıl Seebeck katsayısı değernn 785 pv/k olduğunu göstermektedr. Testler sonucunda 21 ısılçftten oluşmuş asılı yapı tpnde br ısılküme yapısında n-kuyu alınmadan önce yanıtlama ve algılama değerlen yaklaşık olarak 43 VA/V ve 1.06x10 7 (cm.vhz)aa/ değerlerndedr. Aynı değerler, n-kuyunun tamamen aşındırılması le 617 VA/V ve 1.5x10 8 (cm.vhz)aa/ sevyelerne çıkmaktadır. TEŞEKKÜR Bu çalışma, NATO stkrar İçn Blm Programı (Scence for Stablty Programme) tarafından desteklenen ve kısa adı TU-MICROSYSTEMS olan projenn br parçasıdır. Çalışma aynı zamanda NSF Internatonal Grant (REF: INT ) programı tarafından Mchgan Ünverstes'nden Prof. Khall NAJAFI ve ODTÜ'den Yrd. Doç. Dr. Tayfun AKIN'a AB.D.-Türkye Ortak Araştırmaları çerçevesnde sağlanan yardım le de desteklenmektedr. KAYNAKÇA [I] R. Lenggenhager, "CMOS Thermoelectrc Infrared Sensors," Ph. D. Thess, Swss Federal Insttute of Technology (ETH), pp 5-40, Zürch, Svvtzerland, [2] VVllam D Rogatto, Joseph S Accetta, and Davd L. Shumaker, "Electro Optcal Components," The Infrared and Electro-Optcal Systems Handbook, Vol. 3, pp , Ann Arbor, Mchgan, USA, January, [3] Tudor E. Jenkns, "Optcal Sensng Technques and Sgnal Processng," Unversty College of North Wales, pp , Prentce Hal Internatonal, [4] A D. Olver, W G. Baer, and K D. Wse, "A Bulk Mcromachned 1024-Element Uncooled Infrared Imager," Dgest, Int. Conf. on Sold-State Sensors & Actuators (TRANSDUCERS'95), pp , Stockholm, Sweden, June, [5] H Baltes and O. Paul, "Thermal Sensors Fabrcated by CMOS and Mcromachnng," Sensors & Materals, Vol. 8, No.6, MYU Tokyo, pp , [6] R Lenggenhager and H. Baltes, "Improved Thermoelectrc Infrared Sensor Usng Double Poly CMOS Technology," Dgest, Int. Conf. on Sold-State Sensors & Actuators (TRANSDUCERS'93), pp , Yokohoma, Japan, June, [7] A W Van Hervvaarden, D. C Van Duyn, B. W. Van Oudheusden, and P. M. Sarro, "Integrated Thermople Sensors," Sensors & Actuators, A21-A23, pp , [8] R. J. Reay, E H. Klaassen, and G.T.A. Kovacs, "Thermally and Electrcally Isolated Sngle Crystal Slcon Structures n CMOS Technology," IEEE Electron Devces, Vol. 15, No 10, pp , October, [9] O. Tabata, "ph Controlled TMAH Etchants for Slcon Mcromachnng," Dgest, Int. Conf. on Sold-State Sensors & Actuators (TRANSDUCERS'95), pp , Stockholm, Svreden, June, 1*85. [10] S. S. Wang, V. M. McNel, and M. A. Schmdt, "An Etch-Stop Utlzng Selectve Etchng of N-Type Slcon by Pulsed Potental Anodzaton," J. of Mcroelectromechancal Systems, Vol. 1, No.4, pp , December, [II] O. Paul, M. Von Arx, and H. Baltes, "Process-Dependent Thermophyscal Propertes of CMOS IC Thn- Flms," Dgest, Int. Conf. on Sold-State Sensors & Actuators (TRANSDUCERS'95), pp , Stockholm, Svveden, June, [12] Z. Olgun, O. Akar, H Külah ve T. Akın, "An Integrated Thermople Structure wth Hgh Responsvty Usng Any Standard CMOS Process," Dgest, Int. Conf. on Sold-State Sensors & Actuators (TRANSDUCERS'97), Chcago, USA., June 1997.

12 PtS SCHOTTKY-BARİYER GECE-GÖRÜŞ DEDEKTORÜ VE CMOS ELEKTRONİK OKUMA DEVRESİ TASARIMI Haluk KÜLAH " ve Tayfun AKIN *** * Orta Doğu Teknk Ünverstes, Elektrk-Elektronk Mühendslğ Bölümü "TÜBİTAK-BİLTEN, Orta Doğu Teknk Ünverstes ABSTRACT Infrared detectors become a very mportant tool for cvl and mltary applcatons lke process montohng, mssle seekng, and target recognton. Especally for mltary applcatons, detectors wth hgh senstvty, and hgh speed are reçured. İn ths paper, a PtS Schottky-Barrer Dode type nfrared detector desgn wth ts on-chp readout crcutry s ntroduced. Ths detector desgn can be consdered n two steps. İn the frst step, a test chp ncludng a number of test structures and a 16x16 focal plane array was desgned. Ths test chp was sent to IMEC (Interunverstary Mcrolectronca Centrum, Belgum), for fabrcaton. İn the second step of the detector desgn, a larger focal plane array of sze 196x128 was desgned. Snce the detectors are desgned n 1.2/jm CMOS merged PtS process, there s no need for a hybrd technology. Both detector crcuts operate at lqud ntrogen temperature (77K) and senstve to the vvavelengths n the Md Wavelength İnfrared Radaton Band (MWIR, 3-5pm). The sensng part employs a number of pxels each havng an area of 25/jmx25/um wth a fl factor of 45%. The second desgn occupes an area of approxmately 5mmx9.5mm. Both desgns nclude a readout crcut composed of an address decoder part, a preamplfer part, a sgnal processng unt, and an output amplfer. ÖNBİLGİ Kızılötes görüntüleme, özellkle son yıllarda, gece-görüş sstemler, tıp, spektroskop, merm güdümleme gb asker, blmsel ve svl uygulamalarda öneml br araç halne gelmştr [1]. özellkle asker uygulamaların büyük br bölümünde yüksek duyarlılığa (senstvty), yüksek hız ve algılayablrlğe sahp dedektörlere htyaç duyulmaktadır. Kızılötes dedektörler temel olarak k ana kısımdan oluşur: algılayıcı kısım ve elektronk okuma devres. Algılayıcı kısım, üzerne düşen kızılötes ışınımı voltaj ya da akım gb ölçüleblr br elektrk snyalne çevrr. Bu kısım, tek br dedektör elemanından oluşableceğ gb, brden fazla eleman çeren tek boyutlu lneer matrs ya da k boyutlu Odak Düzlem Matrs (Focal Plane Array) halnde de olablr. Görüntüleme gb yüksek çözünürlük gerektren uygulamalarda çok elemanlı odak düzlem matrsler terch edlr. Elektronk okuma devres se algılayıcı kısım tarafından elde edlen elektrk snyaln, çoğunlukla br montör yardımıyla gözleneblen, yorumlanablr br blgye çevrr. Kızılötes dedektörler algılayıcı kısımlarının türüne göre k sınıfa ayrılırlar: ısıl (termal) dedektörler ve foton (kuantum) dedektörler [2], Isıl dedektörler, oda sıcaklığında çalışablmelerne karşın, yüksek hız ve duyarlılık gerektren uygulamalarda yeterszdrler. Ayrıca ısıl dedektörlerle çok elemanlı odak düzlem matrslernn oluşturulması, dolayısı le yüksek çözünürlükte görüntü elde edlmes zordur. Foton dedektörler, ısıl dedektörlere oranla daha yüksek duyarlılık ve hız sağlarlar, özellkle slkat Schottky- Baryer dyotların algılayıcı eleman olarak kullanılmaya başlanmasıyla [3], bu tp dedektörlern standart CMOS üretm teknkler kullanılarak slsyum üzernde üretlmes daha kolay hale gelmş, ve bu sayede üretm malyet öneml ölçüde düşürülmüştür. Schottky-Baryer dyot dedektörlern slsyum üzernde üretleblmes aynı zamanda, elektronk okuma devresnn de algılayıcı kısımla aynı slsyum taban üzernde üretlmesne mkan tanır. Bu sayede optk tarama yerne elektronk tarama yapılması mümkün olmakta, başka br deyşle yüksek dedektör çalışma hızlarına kolaylıkla ulaşılablmektedr. Bu tp dedektörlern br başka öneml avantajı da, üretlen elemanlar arasında farklılığın az olması sayesnde düzenl (unform) odak düzlem matrslernn oluşturulmasının kolaylaşmasıdır Sonuç olarak Schottky-Baryer dyot tp foton dedektörler hızlı dedektör çalışması, yüksek duyarlılık ve yüksek çözünürlükle brlkte düşük üretm malyet sağlarlar Kızılötes ışınım bandının k bölges: 3-5 (.m ve 8-14 am dalgaboyları arası, atmosferk soğurumun (atmospherc absorpton) en az olduğu bölgelerdr. Bu nedenle bu k ışınım bandı uygulamalar çn büyük önem taşır. Özellkle 3-5 m ışınım bandı, nemllk oranının yüksek, sıcaklığın fazla olduğu tropkal bölgelerde ve denz uygulamalarında önemldr Bu makalede, Orta Doğu Teknk Ünverstes Tüm Devre Tasarım (VLSI) Grubu tarafından, IMEC PtS le bütünleştrlmş 1.2nm CMOS sürec kullanılarak yapılan 3-5.ım Orta Dalga kızılötes radyasyon bandına duyarlı dedektörler anlatılmaktadır [4]. Bu süreç sayesnde algılayıcı blok ve elektronk okuma devres aynı taban üzernde üretleblmekte ve büyük boyutlu Odak Düzlem Matrs oluşturulablmektedr. TEORİ Algılayıcı Blok: Schottky-Baryer dedektörlern çalışma prensb, uyarılmış taşıyıcıların slkat katmandan slsyum

13 tabana letm esasına dayanır [5]. Gelen kızılötes fotonlar slkat katman tarafından emlr. Emlen bu fotonlar, slkat katmanda uyarılmış taşıyıcı (excted carrer) yaratırlar. Oluşan uyarılmış taşıyıcılar slkat katmandan slsyum tabana yayılırlar. Bu sayede tabanda, foton sayısı e doğru orantılı olarak eks yük oluşur. Elde edlen bu yükün elektronk okuma devresne aktarılması le algılama şlem tamamlanmış olur. Schottky-Baryer dyot dedektörlerde dyot materyal olarak farklı maddeler kullanılablr. Bugüne kadar kulllanılan maddeler arasında PtSİ, PdS, Pd 2 Sı ve IrS başta gelr [6] Schottky-Baryer dyot oluşturmak çn PtSİ kullanılması, pek çok avantaj sağlar. Öncelkle CMOS devre teknolojsyle kolaylıkla tümleştrlebıldğ gb, düzenllğ arttırır (0.1-1%). Bu sayede üretm malyet öneml ölçüde azaltıldığı gb, elektronk devre ve algılayıcı kısmın aynı yonga üzernde olmasıyla daha y dedektör performansı elde edlr [7,8]. Elektronk Okuma Devres: Elektronk Okuma devres, algılayıcı blok tarafından elde edlen snyal, yorumlanablr hale getren bloktur. Bu blok temel olarak, adresleme devres, ön yükseltc devre, snyal şleme devres, ve çıkış yükseltcs olmak üzere dört ana bloktan oluşur. Şekl 1de br kızılötes dedektörün genel yapısı verlmştr. A D S R A E T S 1 L R E M E I 2 1 ODAK. * DÜZLEM, MATRISI rn 1 : SÜTUN ADRESLEME Ö n Y ü k e I t c Snyal şleme Üntes Ç Y ü k * ' 1 c Şekl 1: Br Kızılötes Dedektörün Genel Yapısı Adresleme devres genellkle her br saat darbes le brm algılayıcı elamanları sıra le seçen br mantık devresdr. Çoğunlukla CMOS kayma yazıcılardan oluşur. Algılayıcı blok üzerne düşen kızılötes ışınım, brm eleman kapastansının üzerndek voltajın değşmesn sağlar. Burada elde edlen voltajın sevyes, parastk kapastanslar nedenyle genellkle br kaç mlvolt sevyesndedr. Bu nedenle elde edlen snyaln şlenmeden önce br yükseltcden geçrlmes gerekldr. Bu şlem genellkle ön yükseltc devre yardımıyla gerçekleştrlr. Ön yükseltc devre aynı zamanda snyaln, snyal şleme bloğuna transfern sağlar. Kızılötes dedektörlerde, uygulama alanlarına göre değşk türde ön yükseltc devreler kullanılır. En sık rastlanan ön yükseltc türler şunlardır: özentegrasyon (Şelf Integraton), her-elemana-brkaynak-takıpçs (Source Follovver per Detector, SFD), doğrudan enjeksyon (Drect Injecton) ve kapastegerbeslemel-transempedans-yükseltıc (Capactıve Feedback Transımpedance Amplfer, CTIA) [1,9], Bu devrelerden, her-elemana-bır-kaynak-takpçıs (SFD) ve kapaste-gerbeslemel-transempadans-yükseltc (CTIA) yapıları en avantajlı olanlarıdır. CTIA yapısı, yüksek kazanç sağlamasına karşın kapladığı alan açısından dezavantajlıdır Bu nedenle, özellkle monoltk dedektörlerde etkn algılayıcı alanı arttırmak amacıyla SFD yapısı daha çok terch edlr. Elektronk okuma devresnde snyaln yükseltlmesnden sonra snyal şleme gerçekleştrlr. Bu bloğun algılayıcı blok le aynı yonga üzernde olması, yonga dışı elektronğ azalttığı gb dedektör performansını da öneml ölçüde attırır. En yaygın kullanılan snyal şleme ünteler şunlardır: örnekle-vetut (Sample and Hold, SH), lntl-çft-örnekleme (Correlated Double Samplng, CDS) ve geckmelentegrasyon (Tme Delay Integraton, TDI) [10]. Adı geçen yapılardan örnekle-ve-tut devres le lntl-çftörnekleme devres tasarlanan dedektör çn en avantajlı olanlarıdır. İlntl-çft-örnekleme yapısı, örnekle-ve-tut devresnn önüne br de sevye kaydırıcı eklenmesyle oluşturulmuş bast br devredr. Bu tp snyal şleme üntelernde, örnekleme şlem her br algılayıcı eleman çn k kez tekrarlanır ve bu k örneğn farkı çıkış olarak verlr. Fark alma şlem sayesnde ktc gürültüsü, 1/f gürültüsü gb düşük frekanslı gürültüler öneml ölçüde azaltılır. Elektronk okuma devresnn en son kısmı se çıkış yükseltcsdr. Bu blok dedektör çıkışıyla vdeo grş arasındak uyumu sağlar. Tablo 1: Test yongasında yer alan yapılar ve özellkler. Yapı Dyot test yapıları (3) 2x2 FPA I 2x2 FPA II 2x2 FPA III 2x2 FPA IV Test Yapıları (3) 16x16 FPA Özellğ Değşk boyutlarda Schottky- Baryer PtSİ Dyotlar Yonga Dışı Adresleme Uzaklaştırılmış Brm Elemanlar Yonga ç Adresleme Yonga Dışı Snyal şleme Elektronk Okuma Devres Test Blokları Yongadak En Büyük FPA TASARIM Tasarım k ayrı yonga halnde ele alınmıştır, lk yonga 16x16 kızılötes görüntüleyc le yed ayrı test yapısından oluşmaktadır. Bu yongada yeralan devreler ve özellklen Tablo 1'de özetlenmştr. Bu tasarımdak en gelşmş dedektör yapısı olan 16x16 kızılötes görüntüleycnn serm Şekl 2'de görülmektedr. İknc yonga se 196x128 elemanlı br gece-görüş dedektörü ve okuma devresn çermektedr [4], ELEKTRİK, ELEKTRONİK, BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ 7. ULUSU KONGRESİ

14 ~ _ - ^ \ n, p h C V / m p ts ı 1 A 1-K o n ta k =» \ " * " - / \ n + n + ç e m b e r Alan s ılı s y u m T a b a n Şekl 4: CMOS le Bütünleştrleblen Schottky-Baryer Dyodun Kest Alanı C Şekl 2: 16X16 PtSİ Shottky-Baryer gece-görüş dedektörünün serm. Bu devre test yongasında tasarlanmış en gelşmş eleman olup, kapladığı alan 2mmx2mm'dr. Algılayıcı Kısım: Odak düzlem matrs, daha önce de belrtldğ gb, lk tasarımda 2x2 ve 16x16, knc tasarımda se 196x128 boyutlarında tasarlanmıştır. Bu odak düzlem matrslernde yeralan brm elemanın serm Şekl 3'te görüleblr. Her br brm eleman 25(mx25^m boyutlarında olup, br Schottky-Baryer dyodun yanısıra tarama şlemn gerçekleştrmek amacıyla k adet NMOS transstor çermektedr. Bu k transstor satır ve sütun adreslemesnde kullanılır. Transstörlern boyutları, etkn alanı (fl factor) olabldğnce arttırablmek amacıyla mnmum tutulmuştur. Etkn alan brm eleman çndek algılayıcı alanın tüm eleman alanına oranı olarak tanımlıdır. Tasarlanan elemanların net algılayıcı alanı 284.9^m 2 olarak hesaplanmış ve tüm alanı 625^m 2 olan brm elemanın etkn alanı %45 elde edlmştr. Şekl 3: Brm algılayıcı elemanın serm. Bu eleman 25nmx25nm boyutlarında ve %45 etkn alana sahp olup, k adet seçme transstoru çermektedr. Şekl 4'de Şchootky-Baryer Dyotun kest alanı görüleblr. Matrs elemanları arası etkleşm azaltmak amacıyla her br Schottky-Baryer dyot çevres n + - koruyucu çember le çevrlmştr. Slkat maddenn üzernde yeralan yansıma önleyc kaplama, responsvtey arttırmak çn kullanılmıştır. PtSİ ve InSb gb dedektör tplernde dyot ç resstansı yüksek değerde olduğundan, bu yapıyı tek br kapaste ve ona parelel bağlı akım kaynağı halnde modellemek mümkündür. Şekl 5'de Schottky-Baryer dyotun smulasyonlarda kullanılan elektrksel model gösterlmştr. Bu modellemede akım kaynağı, algılayıcı brm üzerne düşen ışınıma bağlı olarak değşen dyot ters akımıdır ve genellkle pkoamper sevyesndedr. Kapaste değer se Formül 1 kullanılarak [10], bu tasarım çn yaklaşık olarak 90fF olarak hesaplanmıştır. = K x S SK (1) Bu formülde S S B dyot alanı, N A slkon katkı yoğunluğu, K se bas voltajına ve dyot karekterstğne bağlı br sabttr. IR- A SBD Şekl 5 : Schottky-Barrer dyot elektrksel model Sıfırlama şlem le belrl br sevyeye (bu tasarım çn 3V) çeklen kapaste voltajı, entegrasyon zamanı çnde, ters akımın değerne bağlı olarak azalır. Kapaste voltajındak azalma mktarı kızılötes radyasyonun sevyesn gösterr. Büyük boyutlu odak düzlem matrsler çn en öneml problem, adresleme çn kullanılan metal ve polslsyum hatların yarattığı kapastans değerdr. Genellkle pkofarad mertebesnde olan bu kapaste, entegrasyon kapastansına oranla çok yüksek olduğundan, yük dağılımı (charge sharng) prensbnden dolayı matrs çıkışında gözlenen snyal sevyesn öneml ölçüde azaltır. Brm eleman sonrası 1-2V olan snyal sevyes 196x128 matrs çn brkaç mlvolta düşeblr. Bu azalmayı telaf etmenn tek yolu matrs çıkışında, uygun kazançlı br yükseltc bulunan br elektronk okuma devres kullanmaktır. Elektronk Okuma Devres: Elektronk okuma devres ön-yükseltc, snyal şleme bloğu ve çıkış yükseltcsnden oluşur. Şekl 6'da 196x128 boyutlu dedektör tasarımında kullanılan elektronk okuma devresnn şematk yapısı verlmştr. Bu çalışmada tasarlanan elektronk okuma devrelernde, en az yer kaplayan ve gürültü açısından en

15 güvenlr yapı olan her-elemana-br-kaynak-takpçısı yapısı ön yükseltc devre olarak kullanılmıştır. Bu yapıda k adet NMOS transstor yeralmaktadır. Bu transıstörlerden br sıfırlama görevn yerne getrrken, dğer transstor yaklaşık 1V/V kazanç sağlayan tampon (source follower buffer) olarak kullanılrtıç:;: Bu sayede okuma devresnn ger kalan kısmının odak düzlem matrsn etklemes engellenmektedr. Veset FPA Çıkışları Veset Kaydırma Darbesn S/H Çıkış Darbes Yükseltcs Çıkış Şekl 6: 196x128 boyutlu dedektör tasarımında kullanılan elektronk okuma devresnn şematk yapısı. Tasarımlarda snyal şleme bloğu olarak k ayrı devre kullanılmıştır, lk yongada sadece örnekle-ve-tut devres yeralmakta, knc tasarımda se lntl-çftörnekleme (CDS) devres kullanılmaktadır. CDS devres le lgl en öneml sorun, devre çersnde yer alan kapastansların yonga çnde büyük alan kaplamasıdır. Tablo 2: Tasarlanan dedektörün özellkler. Dedektör Tp Üretm Teknolojs Eleman Sayısı Brm Eleman Alanı Etkn Alan Entegrasyon Kapasıtansı Toplam Yonga Alanı JJalışma Sıcaklığı^ Schottky-Baryer PtS Dyot 1.2 mkron CMOS (IMEC) 2x2, 16x16 (test amaçlı), 196x128 (asıl dedektör) 25nm x 25nm %45 ~90fF 5mm x 9.5mm JİK (Sıvı Azot Sıcakjığı)_ Adresleme üntes brm elemanların belrl br düzen çersnde seçlmesn, başka br deyşle elektronk tarama şlemnn gerçekleştrlmesn sağlar. Bu blok ser kayma yazıcılardan (seral shft regsters) oluşan bast br elektronk devredr. Devrenn tek grş saat darbes snyaldr. Saat darbesnn her poztf kenarında başka br brm elemanın çıkışı elektronk okuma devresne verlmekte, bu sayede soldan sağa ve yukarıdan aşağıya yönde elektronk tarama gerçekleştrlmektedr. Devre tasarımında yapılacak u- fak değşklklerle tekl ya da çftl tarama gb farklı tarama yöntemlernn uygulanması da mümkündür. Bu tasarımda kolaylık sağlaması amacıyla tek br tarama sstem uygulanmıştır. Adresleme üntesnn tasarımında dkkat edlmes gereken en öneml nokta, saat darbelernn düzenlenmesdr. Hatalı uygulanan saat darbeler brm elemanların brbrlern etklemesne, dolayısı le görüntünün hatalı algılanmasına neden olablr. Bu sebeple, özellkle 196x128 dedektörün oluşturulmasında, saat darbelernn düzenlenmesne özen gösterlmştr. Tasarlanan devrelern özellkler Tablo 2'de özetlenmştr. SONUÇ Bu çalışmada br test amaçlı olmak üzere k ayrı PtS Schottky-Baryer dyot tp dedektör yongası tasarlandı, lk yongada 16x16 görüntüleyc le brlkte yed ayrı test yapısı oluşturuldu. Tasarlanan bu yonga üretm amacıyla IMEC'e (Belçka) gönderld, knc yongada se, brnc tasarımın sonuçlarına göre gelştrlmek üzere daha büyük br odak düzlem matrs (196x128) çeren dedektör devres tasarlandı. Bu tasarımlarda 25jmx25(m ebatlarında, etkn alanı 45%, entegrasyon kapastansı 90fF cvarında olan algılayıcı elemanlar kullanıldı. Dedektör devreler sıvı azot sıcaklığında (77K) çalışmakta ve 3-5(.ım orta dalga kızılötes ışınım bandında etkl olmaktadır. TEŞEKKÜR Bu çalışma NATO İstkrar çn Blm Programı (Scence for Stablty Programme) tarafından desteklenen ve kısa adı TU-MICROSYSTEMS olan projenn br parçasıdır. Yazarlar projenn lerlemesne katkıda bulunan Sayın Orhan AKAR, Zeynel OLGUN ve Selm EMİNOĞLU'na yardımlarından dolayı teşekkür eder. KAYNAKÇA [1] W. D. Regatto, "Electro-Optcal Components," The Infrared and Electro-Optcal Systems Handbook, Vol. 3, SPIE Optcal Engneerng Press, pp , [2] J. D. Vncent, "Fundamentals of Infrared Detector Operaton and Testng." Chapter 2, pp , Wley Interscence, [3] F. D. Shepherd and A. C. Yang, "Slcon Schottky Retnas for Thermal Imagng," IEDM Tech. Dgest, pp , [4] H. Külah ve T. Akın, "CMOS Elektronk Devrel PtS Schottky- Baryer Kızılötes Gece-Görüş Dedektörü," Kaynak Elektrk Dergs, pp , Şubat [5] W. F. Kosonocky, "State-of-the-Art n Schottky-Barrer İR Image Sensors," SPIE Vol Infrared Detectors and Focal Plane Arrays II, pp. 2-18, [6] J. M. Kuransk, J. Vermeren, C. Claeys, K. Maex, R. De Konnck, and R. De Keersmaecker, "Novel Slcdes for Schottky-Barrer Infrared Detectors," 175th Sprng Meetng of Electrochemcal Socety, Los Angeles, Calfoma, May 7-12, [7] T. S. Vllanı. B. J. Esposto. T. J. Pletcher, D. J. Sauer, P. A. Levne, F. V. Shallcross, G. M. Meray, and J R. Tower, "Performance of Generaton III 640x480 PtS MOS Array," SPIE Vol Infrared Detectors and Focal Plane Arrays, pp. 2-10, [8] W. A Cabansk, R. Koch, H. Maer, G. Pahler, J. VVendler, K.C. Hofmann, K. Eberhardt, P. Demel, U. Prechtel, K. Kapser, "AEG PtS Modules: A Summary," SPIE Vol Infrared Detectors and Focal Plane Arrays IV, pp , [9] M. J Hewtt, J. L. Vampola, S. H. Black, and C. J. Nelsen, "Infrared Readout Electroncs: A Hstorcal Perspectve," SPIE Vol Infrared Readout Electroncs II, pp , [10] H. Yag, N. Yutan, S. Nagayosh, J. Nakansh, M. Kmata, and N. Tsubouch, "Improved 512x512 IRCSD Wth Large Fl Factor and Hgh Saturaton Level." SPIE Vol Infrared Detectors and Focal Plane Arrays II, pp , 1992.

16 ENDÜSTRİYEL VE BİYOMEDİKAL UYGULAMALAR İÇİN SİLİSYUM MİKROİŞLENMİŞ KAPASİTİF BASINÇ SENSÖRÜ Orhan Ş. AKAR* ve Tayfun AKIN* ** *TÜBİTAK-BİLTEN, Orta Doğu Teknk Ünverstes "Orta Doğu Teknk Ünverstes, Elektrk Elektronk Mühendslğ Bölümü ABSTRACT Ths paper reports the desgn and fabrcaton of two type of mcromachned capactıve slcon pressure sensors for ndustral and bomedcal applcatons. The dynamc ranges of the sensors desgned for ndustral applcatons vary between 0-50mmHg and mmHg. Sensors are batch fabrcated usıng slcon mcromachınng process and occupes an area of 0.4 x 0.6mm. We have measured 120fF capactance changes for 0-200mmHg range över 500fF zero pressure capactance. The pressure sensor for bomedcal applcatons can be mplented n the body and can be montored telemetrcally wthout usng any wre that breaks the skn. Ths s acheved by usng the electroplated col whch s fabrcated together wth the pressure sensor. Ths mplantable sensor measures 1 5mm x 2.5mm x O.ömm n sze and provdes a dynamc range of OSOmmHg. ÖNBİLGİ Elektronk teknolojsnn temel taşı olan slsyum, mekank ve elektrk özellkler sayesnde günümüz CMOS entegre devre üretm teknolojsnn verdğ mkanlarla bugüne kadar yapılmış en küçük elektromekank sstemlern gerçekleştrlmesne olanak vermştr. Bugün aynı malzeme üzernde hem elektronk devreler hem de mekank yapılar aynı anda gerçekleneblmektedr. Bu sayede karmaşık sstemler br kaç mlmetrekarelk alanda ve çok ucuza gelştrlmektedr [1]. Bu küçük sstemler Mkro- Elektro-Mekanık-Sstemler (MEMS) olarak da adlandırılmaktadır Mkroşleme (mcromachınng) le gerçekleştrlen mkrosensörler, otomotv endüstrsnden mkrobyolojye, görüntü şlemeden uzay sanaysne kadar çeştl alanlarda kullanılmaktadır. Mkroşleme le üretlen br çok basınç ve vme sensörü (accelerometer) otomotv sanaysnn ayrılmaz parçaları olmuştur. Örneğn, br kaza anında otomobln hava yastığının çalışması mkroşleme le üretlmş vme sensörlerne dayanmaktadır. Ayrıca dalgıç tüplernde, elde taşınablr araba lastk basıncı ölçüm aletlernde de mkroşlenmş slsyum basınç sensörler bulunmaktadır. Bu basınç sensörler çok küçük üretlebldğnden byomedkal alanında da kullanılablmektedr. Mkroşleme yöntem le basınç sensörler yaygın olarak k şeklde gerçeklenr: pezorezstf ve kapastf basınç sensörü. Her k yapıda da ana kısım esnek br dyaframdır. Pezorezstf sensörde dyafram üzerne yerleştrlen drencn değer, kapastf sensörde se dyaframın oluşturduğu kapasıtörun değer dyaframın bükülmes le değşr. Bu değşmler sensore bağlanan br elektronk devre yardımıyla elektrksel şarete dönüştürülür. Pezorezstf sensor genş br basınç aralığında doğrusal değşm gösterr ve çıkış drenc düşük olduğundan ölçüm çn kuvvetlendrc br ara devreye gerek duyulmaz. Ancak dyafram, üzerne yerleştrlen drençlerden dolayı çok nce yapılamadığından, sensörün basınca karşı duyarlılığı düşüktür [2], Kapastf sensor se pezorezstf sensöre göre bazı avantajlara sahptr. Kapastf sensörde dyafram oluşturulması pezorezstf olanlara oranla daha kolaydır ve daha fazla esnektr. Yapının basınç hassasyet daha ydr ve sıcaklığa karşı 10 kat daha az duyarlıdır. Algılayıcı kısım yalnız kapastörden oluştuğundan güç harcaması oldukça düşüktür. Bunların yanında yüksek duyarlılık, düşük basınç aralığı ve uzun süre dayanıklılık göz önüne alındığında, kapastf basınç sensörler pezorezstf olanlara kıyasla daha yüksek performans gösterrler [3,4], Bu bldrde, ODTÜ'de tasarladığımız ve Mıchgan Ünverstes'nn yarı-letken laboratuvarında ürettğmz kapastf basınç sensörler anlatılmıştır. Bu sensörlern br kısmı endüstryel uygulamalar çn, dğer kısmı se byomedkal uygulamalar çn gelştrlmştr. Her ıkı sensor tp, aynı fabrkasyon sürec çnde ve aynı maskeler kullanarak üretlmştr. SİLİSYUM MİKROİŞLENMİŞ BASINÇ SENSÖRÜNÜN YAPISI Slsyum mkroşleme teknolojs kullanılarak elde edlen basınç sensörlernn yapısı Şekl 1 ve Şekl 2'de gösterlmştr. Dyafram Katkılı slsyum Yalıtkan tabaka Şekl 1: Kapastf basınç sensörünün kest görüntüsü Şekl 1'de endüstryel uygulamalarda kullanılacak kapastf sensörün kest gösterlmştr. Burada bor katkılaması le belrlenmş br slsyum parça, br cam taban üzerne yerleştrlmştr. Cam üzerndek metal alan, bor katkılanmış slsyum ve bu k yüzey arasındak 2um aralık br kapastör oluşturur. Şekl 1'de k tane kapastör yapısı görülmektedr. Soldak kapastörde 6um kalınlığında nce br dyafram bulunmaktadır. Bu dyafram br basınç uygulandığında

17 bükülerek alttak metale yaklaşmakta, bu da yapının kapastans değern arttırmaktadır. Bu sayede basınç değşm kapastans değşmne yol açmaktadır. Şekl 1'de sağda bulunan kapastördek dyafram görecel olarak kalın olduğu çn (15um), basınç altında bu kapastörde br değşklk olmamaktadır Bu kapastörün kapastans değer basınç uygulanmadığında, soldak değşen kapastör le aynıdır. Bu kapastör br referans kapastörü olarak kullanılmakta ve elektronk okuma yapısında hassas okumaya mkan vermektedr [5]. Şekl 2'de byomedkal uygulamalar çn gelştrlen basınç sensörünün kest görülmektedr Sensörün slsyum kısmının yapılışı ve kapastans değşklğnn prensb br öncek sensör yapısı le aynıdır. Fakat bu sensörün cam kısmının çnde elektrokaplama (electroplatng) metodu le yerleştrlmş br bobn bulunmaktadır. I I l I Slsyum SO 2 KOH le slsyum aşındırması SO 2 15nm dern bor katkılaması Dyafram M I I l 2.5 m veya sığ bor katkılaması, dyafram oluşturma Şekl 2: Bobn yapısı le brlkte üretlen kapastf basınç sensörünün kest gösterm ve karşılık gelen devre şeması. Bu bobn değşken kapastörle br LC rezonans devres oluşturmaktadır. Bu devrenn rezonans frekansı kapastörün değerne, başka br deyşle basınca bağlıdır. Dolayısı le, basınç değşklğn ölçmek çn LC devresnn ttreşm frekansındak değşm ölçmek yeterldr. Bu se, dışarıdan br LC devres kullanılmasıyla mümkündür. Dışarıdak rezonans devresnn bobn, sensör bobnne yaklaştırıldığında, br endüktf bağlama (nductve couplng) sağlar. Bu sayede, vücut çndek LC devres vücut dışındak LC devresn yükler. Bu yükleme en çok, vücut çndek LC devresnn rezonans frekansında olur. Dolayısı le vücut çndek LC devresnn rezonans frekansı tel ara bağlantı kullanılmadan br çeşt telemetr yöntem le ölçülür. Bu yöntem, br tel bağlantısının olmaması ve dernn keslmeden snyal alış verşne zn vermes açısından terch edlmektedr [6,7]. BASINÇ SENSÖRÜNÜN ÜRETİM SÜRECİ Kapastf basınç sensörü slsyum ve cam pul (vvafer) üzernde olmak üzere k adımda üretlr. Üretm sırasında slsyum pul çn 4, cam pul çn 3 maske kullanılmıştır. Şekl 3'de slsyum üzerndek şlem adımları gösterlmektedr. İlk şlem, slsyum pul yüzey, dyaframı oluşturulacak bölge açıkta kalacak şeklde slsyum dokst tabakası le kaplanır. Fotorezst le J cam pul Kısa devre koruması çn nce slsyum dokst oluşturma Elektrostatk yapıştırma ve slsyum aşındırması Şekl 3: Kapastf basınç sensörünün slsyum kısmı üretm aşamalarının kest görünümü. maskelenerek belrlenen bu açıklıklardan slsyum pul yüzey potasyum hdrokst (KOH) çözeltsnde aşındırılır. Aşındırma şlem kapastörün levhaları arasındak 2pm aralığı oluşturur. Daha sonra, dyafram kenarlarına destek olan bölgeler, slsyum pul yüzeynden 15um dernlğe kadar yüksek yoğunlukta (5*10 19 atom/cm 3 ), bor katkı atomları le katkılanarak oluşturulur. Bunun devamında dyafram bölges aynı şlemler yapılarak, dyafram kalınlığı 6um olacak şeklde bor atomları le katkılanır. Dyaframın çok yüksek basınç altında aşırı bükülerek dğer levha le kısa devre yapmasını önlemek amacıyla, dyafram yüzey çok nce br okst tabakası le kaplanır. Bu şlem le slsyum pul üzerndek şlemler tamamlanır.

18 Cam Pul Camın aşındırılması Cr/Au metal tabaka büyütülmes Kablo bağlantı noktası ı \r*nf m \mıno, nnnnrnı n Au tabaka ' \ büyütülmes Şekl 4: Telemetrk kapastf basınç sensörünün cam kısmı üretm aşamalarının kest görünümü. Şekl 4'de cam pul üzerndek şlem adımları gösterlmektedr. İlk şlem, kablo bağlantı noktalarının (bondng pad) ve bobnn yerleştrleceğ alanların 8um aşındırımasıdır. Daha sonra, kapastörün dğer levhasını oluşturmak amacı le, cam pul üzerne nce metal (Cr/Au) flm büyütülür. Aynı sırada hem bu metal alana hem de bobn yapısına ve dyaframa ulaşmak amacı le devre bağlantılarının yapılacağı metal hatlar da oluşturulur. Bu metal hatları şekllendrme şlem kaldırarak-uzaklaştırma (lft-off) teknğ le yapılır. Bu teknkte önce, metal kaplanacak yüzey dışında kalan alan ışığa duyarlı malzeme (fotorezst) le maskelenr. Ardından tüm yüzey nce br metal le kaplanır ve son şlem olarak yapının tamamı özel br çözelt çnde ttreştrlerek, ışığa duyarlı malzemenn ve bunun üzernde kalan metallern yapıdan ayrılması sağlanır. En son olarak 6um kalınlığındak altın bobn yapısı elektrokaplama teknğ kullanılarak oluşturulur. Bu şlemlerden sonra cam ve slsyum pullar, camdak metal alan le slsyumdak dyafram bölges hzalanarak elektrostatk olarak brbrne yapıştırılır. Elektrostatk yapıştırma, brbrne değen cam ve slsyumun C 'ye kadar ısıtılıp, üzerne 1000 Volt cvarında br potansyel farkı uygulanması le gerçekleştrlr. Bu sırada cam üzerndek metal hatlardan br letken slsyuma değer ve böylece kapastörün slsyum üzerndek levhasına da bağlantı yapılmış olur. En son aşamada dyaframın ortaya çıkması çn yapının tamamı, katkılanmamış slsyumu aşındıran ve yoğun br baz olan etlen-dyamn-payrokatekol (EDP) çözeltsne daldırılır. Yüksek bor katkısı aşındırıcı çözeltye karşı drenç gösterr ve ger kalan katkılanmamış slsyum taban aşındırılarak, sensör yapısının ortaya çıkması sağlanır. KAPASİTİF BASINÇ SENSÖRÜ FABRİKASYONU VE TEST SONUÇLARI Yukarıda anlatılan üretm sürec kullanılarak, endüstryel ve byomedkal uygulamalarda kullanılmak üzere 6 değşk basınç aralığı çn 12 değşk sensör tasarlanmıştır. Tasarım parametrelernden en önemller, sensörün çalışma aralığını belrlyen dyafram kalınlığı ve dyafram alanıdır [8,9]. Dyafram kalınlığı 6um olarak alınmıştır. Tablo 1, bu sensörlern çalışma aralığını ve özellklern özetlemektedr. Farklı basınç aralıklarını ölçen 12 sensör, aynı maskelerle ve aynı üretm sürec çnde, 11.7 x 8.6mm 2 'lk br alanda üretlmştr. Tablo 1: Mkroşleme le üretlmş sensörlern çalışma aralıkları, dyafram şekller ve kapaste değşmler Sensör ıl) Çalışma aralığı mmhg <2> Dyafram ^ekl Kütlel dare Kütlel kare Kütlel dare Dare Dare Dare Kare Kare Kare Kare Kare Kütlel kare Co (ff) (J) x260 Kapaste değşm (ff) (1) çnde bobn le gerçekleştrlmştr. (2) 1Atm = 760 mmhg = 760 Torr = Paskal = PSI (3) Sensör kapastelernn basınç uygulanmadığındak değerler ODTÜ'de tasarımı yapılan mkrosensörler grubumuz tarafından Mchgan Ünverstes'nn yarı-letken laboratuvarında üretlmştr. Endüstryel uygulamalarda kullanılacak olan br sensörün yakından görüntüsü Şekl 5'de gösterlmştr. Şekl 6, aynı anda üretlmş 12 sensörün br nsan parmağı üzerndek resmn göstermektedr. Şekl 7 se, byomedkal uygulamalarda kullanılacak olan mkrosensörün, cam kısmı görülmektedr. Bu cam kısımda elektrokaplama le gerçekleştrlmş bobn, kapastörün br levhasının etrafında görülmektedr. Bobn tellernn kalınlığı 7um, yükseklğ 6um ve bobn teller arasındak uzaklık 7um'dr. Bu bobnn değer 0.48uH olarak hesaplanmış ve 0.58uH olarak ölçülmüştür. Tablo 2'de byomedkal uygulamalarda kullanılacak olan mkrosensörlern değşk parametreler verlmştr. Şekl 5: Üretlmş br basınç sensörünün yakından görüntüsü. Yapının boyutları 3900um x 1800um 'dr

19 Tablo 2: Sensör LC devre elemanlarının değerler: C o ve C. sıfır basınç ve maksmum basınç altındak kapaste değerler, Rp bobnn parazıtık drenç değendr. Parametre Co (ff) C (ff) Lo(nH) R P (W) Sensör# Sensör# Sensör # Şekl 6 Aynı anda üretlen 12 mkrosensörün br nsan parmağı üzerndek görüntüsü. I:K, - ^ Mll Şekl 7: Cam pul üzerndek bobn yapısı ve kapastör levhasının resm. Şekl 8de 0-200mmHg basınç aralığı çn tasarlanmış olan basınç sensörünün basınca karşı kapaste değernn doğrusal değşm görülmektedr. Ölçülen kapaste değerlernn yüksek olması ölçü düzeneğnn parazıtık etklernden kaynaklanmaktadır. Basınç (mmhg) Şekl 8: 0-200mmHg çalışma aralığı çn tasarlanan basınç sensörünün kapaste-basınç değşm grafğ. Test düzeneğnn yleştrlmes ve sensörlern detaylı karakterızasyonlarının yapılması çalışmaları devam etmektedr Sensör le beraber kullanılacak olan kapasıtor ölçme devresnn tasarımı tamamlanmıştır ve üretm aşamasındadır Telemetrık basınç sensörlerının uzaktan algılama devreler üzerndek çalışmalar devam etmektedr SONUÇLAR Endüstryel ve bıyomedkal uygulamalar çn slsyum mkroşleme yöntem le gerçekleştrlmş kapastf basınç sensörlerı ODTÜ'de tasarlanarak Mıchgan Ünverstesı'nn yarı-ıletken laboratuvarında üretlmştr. Üretlen sensörler br ölçüm düzeneğ kurularak test edlmştr. Basınç sensörlernın kapastör değerler tasarlanan çalışma aralıklarında doğrusal değşm göstermektedr. Burada gerçekleştrlen basınç sensörlerı Türkye'de Mkro-Elektro-Mekank-Sstemler (MEMS) konusundak lk çalışmalardır. TEŞEKKÜR Bu çalışma, NATO stkrar Blm Programı (Scence for Stablty Programme) tarafından desteklenen ve kısa adı TU-MICROSYSTEMS olan projenn br parçasıdır. Çalışma aynı zamanda NSF Internatonal Grant (REF: INT ) programı tarafından Mchgan Ünverstesnden Prof. Khall NAJAFI ve ODTÜ'den Yrd Doç Dr Tayfun AKIN'a AB D -Türkye Ortak Araştırmaları çerçevesnde sağlanan yardım le de desteklenmektedr. Yazarlar endüstryel önerler ve ölçü düzeneğne olan katkılarından dolayı ELİMKO Ltd. Şt. 'ne teşekkür eder. KAYNAKÇA [1] K. Najaf, "Smart Sensors," Journal of Mcromechancs and Mcroengneerng, vol.1, pp , Feb [2] S. M. Sze, Semıconductor Sensors, VVley, [3] VVH.Ko, M. Bao, and Y. Hong, "A Hıgh-Senstvty Integrated-Cırcut Capactve Pressure Sensör," IEEE Trans. Electron Devces, vol. 29, pp , Jan [4] VV.H.Ko, "Sold-State Capactve Pressure Transducers," Sensors and Actuators, vol 10, pp , [5] Y. E. Park and K. D. Wse, "An MOS Svvtched-Capactor Readout Amplfer for Capactve Pressure Sensors," IEEE Proceedngs of The Custom Integrated Crcut Conference, pp , May [6] L. Rosengren, Y. Bâcklund, T. Sjöström, B. Hök, and B. Svedbergh, "A System for VVİreless Intra-Ocular Pressure Measurements Usng a Slcon Mcromachned Sensor," Journal of Mcromechancs and Mcroengneerng, vol.1, pp , March [7] W. N. Carr, S. Chanmart, and X. Gu, "Integrate Pressure Sensor wth Remote Power Source and Remote Readout," Dgest, Int. Conf. On Sold-State Sensors & Actuators (TRANSDUCERS'95), pp , Stockholm, Svveden, June [8] S. Tmoshenko and S. Woınowsky-Kreger, Theory of Plates and Shells, McGraw-Hll. New York, [9] H. L. Chau and K. D. Wse, "Scalıng Lımts n Batch- Fabrcated Slcon Pressure Sensor," IEEE Trans. Electron Devces, vol. ED-34, pp , Aprl 1987.

20 GalnP/InGaAs/GaAs Modüle Katkılı Alan Etkl Transstor Yapılarında Süreğen Foto-İletkenlğn Kaynağı Yavuz Cvan 1, Cengz Beşkç 1, Serhat Özder 2 ve Özlem Şen \ 1 Elektrk-Elektronk Mühendslğ Bölümü, Orta Doğu Teknk Ünverstes, Ankara 2 Fzk Bölümü, Orta Doğu Teknk Ünverstes, Ankara Bldr Konusu : K-15, Mkroelektronk Posta Adres : Elektrk Mühendslğ Bölümü, Orta Doğu Teknk Ünverstes, 06531, Ankara Abstract: İn order to nvestgate the feasblty of GalnP as the large bandgap materal for modulaton doped feld effect transstors (MODFETs), lattce matched Ga 051 ln 0 49P/GaAs and straned Gao.5ln o <9P/ln x Ga,. x As/GaAs (0.1<x<0.25) MODFET structures have been grown for the frst tme by gas source molecular beam eptaxy usng S as dopant. Ga o51 n O 4 3 P/ln O 2sGao.7sAs/GaAs sample yelded two dmensonal electron gas denstes of 3.75x10 12 cm' 2 (300 K) and 2.3x10 12 cm' 2 (77 K), whch are comparable to the hghest sheet electron denstes reported n AlGaAs/InGaAs/GaAs and InAlAs/InGaAs/lnP materal systems. Only straned samples have shown persstent photoconducvty (PPC). Based on the detaled Hall-Effect and Deep Level Transent Spectroscopy (DLTS) charactehzaton results, t has been concluded that the ohgn of the traps responsble for the observed PPC are not the deep levels or DX-lke centers n doped GalnP as commonly reported n the lteratüre. Our results show that ths effect can be atthbuted to stran relaxaton related defects at the lattce msmatched nterface. GİRİŞ AlAs le GaAs arasındak mükemmel örgü uyumluluğu (lattce match) nedenyle, AlGaAs/GaAs malzeme sstem heteroeklem elektronk ve optoelektronk chaz uygulamalarında en yaygın olarak kullanılan malzeme sstemdr. Buna karşın, kullanılan AlGaAs yarı letkennn oksjenle kolay reaksyona grmesnn ve katkılanmış malzemede DX merkezler adı verlen donor alakalı dern tuzakların (trap) varlığının AlGaAs/GaAs chazların performansını düşürdüğü gözlenmştr. Yakın br zaman önce, GaAs le örgü uyumlu olan GalnP üçlü bleşğ, AlGaAs/GaAs sstemndek AlGaAs malzemesnn yern almaya aday olarak lg çekmştr 2 ' 5. AlGaAs yarı letkennn kullanıldığı modüle katkılı alan etkl transstörlerde (MODFET), bahs geçen DX merkezlernn etkleryle, süreğen foto letkenlk (persstent photoconductvty) ve düşük sıcaklık ve karanlık koşullarında akım-voltaj karakterstklernde çöküntü gözlenmektedr. Yarı letkenn drekt banddan endrekt banda dönüşüm noktasına yakın bleşm kompozsyonlarında DX merkez yoğunluğu öneml sevyelere varmaktadır. Bahs geçen dönüm noktasına AlGaAs çn AlAs mol oranının 0.37, GalnP çn se GaP oranının 0.74 olması durumunda erşlmektedr. DX merkezlernden kaynaklanan problemler Al x Ga,. x As çndek Al mol oranının (x) düşük sevyede (x<0.2) tutulmasıyla elmne edleblrse de, bu durum düşük Schottky baryer yükseklğne, ve AlGaAs/GaAs heteroeklemndek düşük letm bandı sürekszlğ nedenyle AlGaAs/GaAs arayüzünde yetersz elektron yoğunluğuna neden olmaktadır. GalnP malzemesnde GaP oranının 0.51 olması durumunda GaAs malzemesne örgü uyumluluğu sağlanablrken, bu kompozsyonda drekt bandın endrekt banda dönüştüğü noktadan uzak durulablmektedr. Metalorgank kmyasal buhar depozsyonu (MOCVD) yoluyla büyütülen örgü uyumlu GalnP/GaAs ve gerlml (straned) Ga O 5,ln O 49P/lnû ı 5 Ga û3 sas/gaas MODFET chazlarında 77 K sıcaklıkta herhang br akım veya transkondüktans düşüşünün gözlenmedğ rapor edlmştr. 56 Yakın zaman çnde MOCVD 37-8 ' 1 '', moleküler ışın eptakss (MBE) 9, sıvı hal eptakss (LPE) 1011 ve metalorgank moleküler ışın eptakss (MOMBE) 1213 yöntemleryle büyütülen GalnP/GaAs heteroyapılannın tuzak karakterzasyonu üzerne br kaç çalışma lteratüre yansımıştır. Konuyla lgl yayınlarda çelşkl sonuçlara rastlandığı gb heteroeklemlerde gözlenen süreğen foto letkenlğn neden de tam olarak belrlenememştr. Örneğn Ben Amor ve grubu 8, MOCVD yöntemyle büyütülen modülasyon katkılı GalnP/GaAs heteroeklemlernde süreğen foto letkenlk gözlemş ve bunu DX merkezlerne lntlemştr. Sad Elhamr ve gurubu' se yne MOCVD le büyütülen fakat katlandırılmamış GalnP/GaAs heteroyapılarında süreğen foto letkenlk gözlemleyerek olayı GalnP çndek dern donorların fotoyonlaşmasına bağlamıştır. Krynck ve grubu 14 se slkonla katkıandırılmış ve MOCVD yöntemyle büyütülmüş GalnP/GaAs heteroeklemler üzernde yaptığı