Transkript

1 ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ KIZILÖTESİ DEDEKTÖR TEKNOLOJİLERİNİN İNCELENMESİ VE KRİTİK PARAMETRELERİN DEDEKTÖR VERİMLİLİĞİ AÇISINDAN ANALİZİ Aylin ÖZTÜRK FİZİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA 2011

2 ÖZET Yüksek Lisans Tezi KIZILÖTESİ DEDEKTÖR TEKNOLOJİLERİNİN İNCELENMESİ VE KRİTİK PARAMETRELERİN DEDEKTÖR VERİMLİLİĞİ AÇISINDAN ANALİZİ Aylin ÖZTÜRK Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Ömer YAVAŞ Mutlak sıfır ın üzerindeki her cisim sıcaklığına bağlı olarak bir ışıma (radyasyon) yayar. 300 Kelvinde yayılan radyasyonun dalgaboyu pik değeri 10 µm dir. Kızılötesi radyasyon insan gözü tarafından algılanamaz. Kızılötesi radyasyon geçirgenliği dalga boyuna bağlı olan atmosfer tarafından emilir. Dolayısıyla, kızılötesi görüntüleme yapabilmek için atmosferin geçirgen olduğu bir dalga boyu aralığında algılama yapmak gerekir. Kızılötesi dedektörler cisimlerden yayılan kızılötesi radyasyonu algılayan sensörlerdir. Bu çalışmada, çeşitli tip kızılötesi dedektörler konusunda temel bilgiler verilmiş, 8-12 µm bandında algılama yapabilen kuantum kuyulu kızılötesi fotodedektör (QWIP) icin algılayıcı malzemenin moleküler ışın epitaksisi (MBE) ile büyütülmesi ile fabrikasyon koşulları incelenmiştir. Odak düzlemli matris (FPA) seviyesinde performans ölçümleri (algılama hassasiyeti, sıcaklık farkı ayırt edebilme parametresi, tepe duyarlılık dalga boyu, vb) gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar dünyada bu konuda yayımlanan literatür bilgileri ile karşılaştırılmıştır. Nisan 2011, 128 sayfa Anahtar Kelimeler: Soğutmalı kızılötesi dedektörler, soğutmasız kızılötesi dedektörler, QWIP, dedektivite, okuma devresi, fotoakım, karanlık akım. i

3 ABSTRACT Master Thesis EXAMINATION OF INFRARED SENSOR TECHNOLOGIES AND ANALYSIS OF CRITICAL PARAMETERS FOR DETECTOR EFFICIENCY Aylin ÖZTÜRK Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Physics Engineering Supervisor: Prof.Dr. Ömer YAVAŞ Every object with a temperature above 0 K emits radiation depending on its temperature. The peak wavelength of the emitted radiation of objects at 300 K is 10 µm. Infrared radiation can not be sensed by human eye. Infrared radiation absorbed by the atmosphere at different levels depending on its wavelength. Hence, it s necessary to sense infrared radiation in the range of wavelength which is permeable by the atmosphere. Infrared detectors are the sensors which response to the infrared radiation emitted by the objects. In this study, different types of infrared detectors are explained and Molecular Beam Epitaxial (MBE) growth technique and fabrication are studied for QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) which is able to sense radiation in the range of 8-12 µm. Performance measurement experiments (detectivity, Noise Equivalent Temperature Difference (NETD), responsivity, etc.) were performed at Focal Plane Array (FPA) level and the results compared with the literature. April 2011, 128 pages Key Words : Cooled infrared detectors, uncooled infrared detectors, QWIP, dedectivity, readout integrated circuit, photocurrent, dark current. ii

4 TEŞEKKÜR Tez çalışmamın her aşamasında yakın ilgi ve desteğini gördüğüm, konumun seçimi ve hazırlanması ile araştırmalarımın her aşamasında bilgi, tecrübe ve önerilerini benden esirgemeyen değerli hocam tez danışmanım sayın Prof. Dr. Ömer YAVAŞ a (Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı) katkı ve yardımlarından dolayı sonsuz teşekkür ederim. Engin tecrübesi, sabrı, hoşgörüsü ile bana ilham veren değerli eski bölüm başkanımız sayın Prof. Dr. Ali Ulvi YILMAZER e (Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı) teşekkürü bir borç bilirim. Bana laboratuarının kapılarını açarak dedektör fabrikasyonu ve testleri konusunda tez çalışmamın deneysel sonuçlara ulaşmasını sağlayan ve çalışmama yön veren sayın Prof. Dr. Cengiz BEŞİKÇİ ye (ODTÜ Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı) ve soğutmasız dedektör yapıları konusunda elde ettiği sonuçlardan istifade ettiğim sayın Prof. Dr. Tayfun AKIN a (ODTÜ Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı) katkılarından dolayı teşekkür ederim. Yoğun çalışma temposu arasında bana zaman ayırıp tez çalışmamda her türlü desteğini benden esirgemeyen, kızılötesi dedektörler konusunda derin bilgilere sahip olan, bu bilgi ve tecrübelerini benimle paylaşan, tezimde geçen testleri yapabilmem için imkanlar yaratan çok değerli Dr. Selçuk ÖZER e (ASELSAN AŞ) yorum ve katkılarından dolayı teşekkür ederim. Bilgi birikimlerini benimle paylaşarak tezimin deneysel kısmının oluşturulmasında desteklerini esirgemeyen ASELSAN AŞ çalışanlarından olan Tolga YELBOĞA, Erkin ÜLKER, Neslihan ÇİÇEK, Ayşe Begüm ARIĞ ve Esin UÇAR a değerli katkılarından dolayı teşekkür ederim. Çalışmalarımı destekleyen, eğitime önem veren değerli daire başkanım sayın Alb. Mahmut BAYRAK a (MSB ARGE ve Teknj.D.Bşk.lığı), yüksek lisansa başlamam için teşvik edip nasihatları ile manevi desteğini esirgemeyen değerli şube müdürüm sayın Alb. M. Fatih TAN a (MSB ARGE ve Teknj.D.Bşk.lığı), kızılötesi dedektörler ve uygulamaları konusunda yürüttüğü çalışmalar sayesinde edindiği bilgi ve tecrübeyi benden esirgemeyen çok değerli çalışma arkadaşlarım Alp ALPER, Erol AKIN ve Orkun AĞIROĞLU na (MSB ARGE ve Teknj.D.Bşk.lığı) teşekkür ederim. Aylin ÖZTÜRK Ankara, Nisan 2011 iii

5 İÇİNDEKİLER ÖZET... i ABSTRACT... ii TEŞEKKÜR... iii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ... viii ŞEKİLLER DİZİNİ... xiv ÇİZELGELER DİZİNİ... xviii 1. GİRİŞ Kızılötesi Işımanın Cisimlerden Yayılması Kara Cisim Işıması Atmosferik İletim Koşulları Kızılötesi Görüntüleme Sistemlerinin Temel Alt Birimleri KURAMSAL TEMELLER Kızılötesi Dedektörlerin Performasına Etki Eden Temel Parametreler Kuantum verimliliği Tepkisellik (Responsivity) Sinyal-Gürültü Oranı (SNR) Dedektivite Gürültü Eşlenikli Sıcaklık Farkı (NETD) Çalışma hızı Çalışma sıcaklığı Pikseller arası etkileşim (Crosstalk) Kızılötesi Dedektör Tiplerinin İncelenmesi Soğutmasız kızılötesi dedektörler Termopil tabanlı termal dedektör yapıları iv

6 Mikrobolometre tabanlı termal dedektör yapıları Soğutmalı kızılötesi dedektörler Fotoiletken dedektörler Fotovoltaik dedektörler InSb, HgCdTe, Süperörgü (Superlattice), QWIP ve QDIP dedektör teknolojileri InSb teknolojisi HgCdTe teknolojisi Süperörgü (Superlattice) teknolojisi (SLS) QWIP teknolojisi QWIP karanlık akımı QWIP fotoakımı QWIP lerin algılama spektrumu QWIP lerin tepkiselliği QWIP lerde gürültü seviyesi Kuantum kuyusu sayısının QWIP performansına etkisi QWIP in dedektivitesi QDIP teknolojisi MATERYAL VE YÖNTEM Sensör Üretim Aşamaları Taban oluşturma Algılayıcı malzeme tasarımı Epi-katman yapılarının oluşturulması Sensör işleme Litografi Fotorezist serme işlemi (Kaplama) v

7 Fotorezist şekillendirme (Fırınlama) Fotorezist şekillendirme (Maskeleme) Fotorezist şekillendirme (Banyolama, Develop) Aşındırma Kuru aşındırma Metal, di-elektrik kaplama Elektro kaplama Hibrit tümleştirme Alt dolgu yerleştirme Taban inceltme Tümdevre tasarım ve üretim süreci Fabrikasyon Opto-mekanik taşıyıcı Soğutucu Sensör işleme süreci özeti ARAŞTIRMA BULGULARI Sensör Fabrikasyon İşlemleri Kuru aşındırma (Grating Etch) işlemi Mesa aşındırma işlemi Omik kontak kaplaması işlemi Tavlama Reflector Top Altı Metal (UBM) İndium toplar Kesme (Dice) Tümleştirme vi

8 Alt dolgu Taban inceltme ve parlatma Krakterizasyon İşlemleri Doğrulama testleri Karanlık akım Fotoakım Spektral tepkisellik Dedektivite NETD ve ölü piksel sayısı SONUÇ KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ vii

9 SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler λ Dalga Boyu c Işık Hızı h Planck Sabiti k Boltzmann Sabiti η Kuantum Verimliliği A Foto Diyot Alanı Ф Foton Akı Yoğunluğu J Akım Yoğunluğu T B N n N B N w u M q (λ,t) f W(λ) D* Dedektivite p c J 3D q Arka Plan Sıcaklığı Gürültü Eşdeğeri Elektron Sayısı Piksel Başına Gelen Radyasyon Sonucu Uyarılan Toplam Elektron Sayısı Kuantum Kuyu Sayısı Kalibrasyon Sonrası Kalan Artık Homojensizliği Karacisme ait ışıyan foton yayılımının spektral dağılımı Ölçüm bandı genişliği Kara Cisim Spektral Yoğunluğu Yakalama Olasılığı Üç Boyutlu Karanlık Akım Yoğunluğu Elektron Yükü n* 3-D Elektronların Yoğunluğu m* Etkin Kütle L p f(e) E 0 T(E,V) E f Süper Örgü Periyodu Fermi Faktörü Yer Durum Seviyesi Tünelleme Akım İletim Faktörü İki Boyutlu Fermi Enerji Seviyesi viii

10 µ Mobilite F Ortalama Elektrik Alan v s E b E c T(E) F foton N W η 1 p e p c Ω τ L l λ p E m υ ν g R p N D λ g n I d Ф B g p C T BLIP Doymuş Elektron Hızı Bariyer Enerjisi Spektral Kesim Enerjisi Tünelleme Faktörü Birim Zamanda Gelen Foton Miktarı Toplam Kuantum Kuyusu Sayısı Tek Bir Kuantum Kuyusunun Sahip Olduğu Kuantum Verimliliği Emisyon olasılığı Yakalama olasılığı Hedefin kapsadığı katı açı Uyarılmış elektron yaşam süresi Çoklu Kuantum Kuyusu Yapısının uzunluğu Tepe algılama dalga boyu Uyarılmış enerji seviyesi Foton frekansı Elektron Sürüklenme Hızı Foto iletim kazancı Tepe tepkiselliği Katkılama yoğunluğu Algılama dalga boyu aralığı Gürültü kazancı Karanlık akım Arka plan foton sayısı Foto iletken kazancı Okuma devresi kapasitansı Arka planında sınırlandırılmış performans sıcaklığı n* Kuantumu kuyuları üzerindeki uyarılmış elektron sayısı η a I B Soğurma kuantum verimliliği Arka plan ışıma şiddeti ix

11 ρ Σ f/# Normalize edilmiş katkılama yoğunluğunu Standart sapma F-numarası (Dedektör optik açıklığı) Kısaltmalar AlGaAs AlAs ASIC BLIP CMOS DC FPA GaAs GaP InP InGaAs InAlAs LWIR MCT MBE MIS MOCVD MWIR NEP NETD NIR Alüminyum Galyum Arsenik Alüminyum Arsenik Application Specific Integrated Circuit (Uygulamaya Özel Entegre Devre) Background Limited Infrared Performance (Arka Planında Sınırlandırılmış Performans) Complementary Metal Oxide Semiconductor Direct Current (Doğru akım) Odak Düzlem Dizini Galyum Arsenik Galyum Fosfat İndium Fosfat İndium Galyum Arsenik İndium Alüminyum Arsenik Long Wave InfraRed (Uzun Dalgaboyu Kızılötesi) Mercury Cadmium Telluride Fotodedektör Molecular Beam Epitaxy (Moleküler Işın Epitaksisi) Metal- Yalıtkan- Yarıiletken Metal Organic Chemical Vapor Deposition (Metal-Organik Kimyasal Buhar Kaplama) Mid Wave InfraRed (Orta Dalgaboyu Kızılötesi) Noise Equivalent Power (Gürültü Eşdeğer Gücü) Noise Equivalent Temperature Difference (Gürültü Eşlenikli Sıcaklık Farkı) Near InfraRed (Yakın Kızılötesi) x

12 QWIP ROIC RF RHEED RGA SWIR Si 3 N 4 SEL Si SNR THM UBM VLWIR Kuantum Kuyulu Kızılötesi Fotodedektör Read-Out Integrated Circuit (Okuma Entegre Devresi) Radio Frequency (Radyo frekansı) Reflective High Energy Electron Diffraction (Yansımalı Yüksek Enerjili Girişim) Residual Gas Analyser (Gaz Kalıntı Analiz) Short Wave InfraRed (Kısa Dalgaboyu Kızılötesi) Silikon Nitrat Serbest Elektron Lazeri Silikon Signal to Noise Ratio (Sinyal/Gürültü Oranı) Türk Hızlandırıcı Merkezi Under Bump Metal (Top Altı Metal) Very Long Wave InfraRed (Çok Uzun Dalgaboyu Kızılötesi) Açıklamalar Arka planla sınırlandırılmış performans Bir kızılötesi sensörün gürültüsünün büyük çoğunluğunun arka plandan gelen fotonlar nedeniyle oluştuğu durumda kızılötesi sensörün sergilediği performans. Defekt Yarıiletken bir malzemenin yapısında yer alan, malzemenin elektriksel ve mekanik özelliklerini olumsuz yönde etkileyen her türlü kusur. Dedektivite Bir sensörün üzerine düşen bir Watt gücündeki radyasyona karşı verdiği bir Hertz frekans bant aralığında sinyal-gürültü oranı. Gürültü Eşlenikli Sıcaklık Farkı (NETD) Bir odak düzlem dizininin sahip olduğu gürültülerin toplamına eşit miktarda sinyal oluşturabilen sahnedeki sıcaklık farkı. xi

13 g-r Gürültüsü Yarıiletken aygıtlarda elektron-boşluk çiftlerinin zamana bağlı olarak rast gele oluşması sonucu aygıttan geçen akımda gözlemlenen beyaz renk spektral karakteristiğe sahip gürültü çeşidi. Homojensizlik FPA üzerindeki dedektörlerin zaman-ortalamalı çıkışlarındaki değişkenlik. Kızılötesi Sensör Dizini Kızılötesi sensör elemanlarının düzenli bir şekilde tek veya iki boyutlu olarak bir düzlem üzerine dizilmesi ile oluşan yapı. Kuantum Verimliliği Bir kızılötesi sensörün üzerine düşen foton miktarına bağlı olarak uyarılan elektron sayısının gelen foton sayısına oranı. Mobilite Yarıiletkenlerde yük taşıyıcı parçacıkların (elektron veya boşluk) elektrik alan altında hareket edebilme kabiliyeti. Opto-mekanik Taşıyıcı Soğutmalı odak düzlem dizinlerinin monte edildiği, vakumlanabilen, vakum sızdırmazlık özelliğine ve gelen kızılötesi radyasyonun geçişine izin veren bir pencereye sahip, dışarıya okuma devresi için gerekli elektriksel bağlantıları sağlayan mekanik yapı. Okuma devresi anahtar gürültüsü (ktc noise) Okuma devresinde her entegrasyon sırasında okuma devresi biriktirme kapasitansı üzerinde oluşan gürültü çeşidi. Optik ızgara yapısı Kuantum kuyulu kızılötesi fotodedektörlerin kuantum verimliliğini arttırmak üzere piksel tepelerinden ışığın girişime uğrayarak farklı açılarda yansıtan yapı. xii

14 Sinyal Gürültü Oranı (SNR) Bir kızılötesi sensörde gelen radyasyonun oluşturduğu sinyalin sensörde oluşan toplam gürültüye oranı. Stirling Tipi Soğutucu Genleşme ve sıkıştırma hazneleri bulunan, kapalı çevrim içerisinde sıkıştırdığı helyum gazını genleşme haznesinde genleşmesini sağlayarak bu bölümün termodinamik yasalar çerçevesinde soğutulmasını sağlayan krayojenik sıcaklıklara (-200ºC) ulaşabilen, kızılötesi sensörlerin soğutulmasında kullanılan bir tür soğutucu. Sürey Bir kuantum kuyulu kızılötesi fotodedektörde iletim bandında kuantum kuyularının üzerinde lokalize olmamış elektronları elektrik alan altında serbestçe hareket edebileceği enerji durumlarının tümü. Tepkisellik Bir sensörün üzerine düşen bir Watt gücündeki radyasyona cevap olarak verdiği üzerinden geçen akım veya üzerinde oluşan gerilim. Yayılım (emissivity) Bir cismin termal yollarla radyasyon yayabilme ölçüsü. Yakalama (Capture) Kuantum kuyusuna sahip bir sensörde elektronların düşük enerji seviyesine sahip kuantum kuyuları tarafından tutularak hapsedilmesi. 1/f Gürültüsü Bazı sensörlerde yaygın bir şekilde görülen ve güç spektral yoğunluğu düşük frekanslarda daha fazla olan gürültü çeşidi. xiii

15 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1.2 Kızılötesi dedektörlerin tarihsel gelişimi... 3 Şekil 1.3 Çeşitli sıcaklıktaki kara cisimlere ait dalga boyuna göre spektral ışıyan foton yayılımı... 5 Şekil 1.4 Atmosferik iletim spektrumu ve soğurulma çizgilerinden veya bantlarından sorumlu moleküller... 6 Şekil 1.5 Bir termal görüntüleme sisteminde yer alan alt bloklar Şekil 2.1 İki farklı homojensizlik değeri için NETD nin dedektivite ile değişimini gösteren grafik Şekil 2.2 Isılçift şematik gösterimi Şekil 2.3 Beş adet ısılçiftin seri şekilde birbirine bağlanması sonucunda oluşturulan bir ısılpil Şekil 2.4 Termopilin kızılötesi dedektör olarak kullanımı Şekil 2.5 Yüzey mikroişleme tekniği kullanılarak oluşturulmuş mikrobolometre yapını görünümü Şekil 2.6 Basit bir fotoiletken kızılötesi sensörün ve okuma devresinin yapısı Şekil 2.7. a. Bir kızılötesi fotodiyotun yapısı, b. bu fotodiyotun karanlık ve aydınlık ortamda sergilediği akım-voltaj grafiği Şekil 2.8 InSb fotodiyot için dalgaboyunun bir fonksiyonu olarak dedektivite (77 K de) Şekil 2.9 HgCdTe fotodiyot için temsili spektral tepki verileri Şekil 2.10 InAs/GaInSb SLS a. Enerji bandı boşluklarından oluşan elektron ve kovuk minibandlarının band ucu görseli, b. Kesme dalgaboyu değişim grafiği (InAs katmanı) Şekil 2.11 Tipik bir SLS yapısı Şekil 2.12 Geniş bant aralıklı iki bariyer malzemesi arasında yer alan dar bant aralıklı malzemenin oluşturduğu kuantum kuyusunun yapısı Şekil 2.13 Optik ızgara yapısına sahip bir QWIP pikseli ve bu piksel içerisinde gelen radyasyonun takip ettiği yol xiv

16 Şekil 2.14 Bir QWIP sensörün enerji bandı diyagramının aldığı şekil a. gerilim yokken, b. gerilim uygulandığında Şekil 2.15 QWIP lerin enerji bandı diyagramları a. Bağlı-bağlı, b. bağlı-yarı bağlı, c. bağlı-sürey Şekil 2.16 Yakalama ve yayma süreçlerinin kuantum kuyusu enerji bant diyagramı üzerinde gösterimi Şekil 2.17 Bir QWIP sensörün tipik Akım-Voltaj grafiği Şekil 2.18 Kuantum enerji-bant diyagramı üzerinde karanlık akımı oluşturan mekanizmaları 1. Termiyonik emisyon, 2. Termal enerji yardımıyla tünelleme, 3. yer durumları arası tünelleme Şekil 2.19 Al x Ga 1-x As/GaAs QWIP ler için bariyer içerisinden tünelleme akımının malzeme kompozisyonuna (x) ve bariyer kalınlığına bağlı olarak değişimi Şekil 2.20 a. Karanlık ortamda yakalama ve emisyon süreçleri, b. aydınlık ortamda ekstra enjeksiyon ve yakalama süreçleri Şekil 2.21 Foto uyarım sonucu boşalan kuyular emetör kaynağı ile kuyu arasında ekstra elektrik alan oluşturur ve bu gerekli enjeksiyonu sağlar Şekil 2.22 Tipik bir QWIP yapısı için kazancın gerilime bağlı olarak değişimi Şekil 2.23 Bağlı-sürey geçişleri için farklı alüminyum moleküler oranları (x) ve kuyu genişliklerine bağlı: a. E1 ve Em seviyelerinin değişimi, b. tepe algılama dalga boyunun değişimi Şekil 2.24 Farklı tiplerdeki QWIP ler için algılama spektrum şekilleri Şekil 2.25 Bağlı-bağlı (siyah), bağlı-yarıbağlı (kahverengi) ve bağlı-sürey (kırmızı, mavi, menekşe, yeşil) QWIP ler için responsivitenin uygulanan gerilime bağlı olarak değişimi Şekil 2.26 Spektral soğurma kuantum verimliliğinin ve spektral tepkiselliğin kuantum kuyusu sayısı ile değişimi Şekil 2.27 Dedektivitenin çalışma sıcaklığına bağlı olarak değişimi Şekil 2.28 Dedektivitenin normalize edilmiş katkılama yoğunluğuna bağlı değişimi Şekil 3.1 Czochralski kristal büyütme fırını xv

17 Şekil 3.2 Taban büyütme işlemi sonrası elde edilen: a. Ingot, b. dilimlenmiş tabanlar c. bir adet parlatılmış taban Şekil 3.3 QWIP piksel yapısı Şekil 3.4 MBE yöntemi ile büyütme Şekil 3.5 QWIP MBE reaktörü Şekil 3.6 Fotorezist serme işlemini oluşturan aşamalar Şekil 3.7 Fotorezist kalınlığının spin hızına bağlı olarak değişimi Şekil 3.8 Fırınlama işlemi Şekil 3.9 a. Fotomaskenin yapısı, b. fotorezisti maske üzerinden UV ışığa maruz bırakma Şekil 3.10 Maske hizalama cihazı Şekil 3.11 a. Kontak litografi, b. yakınlık litografisi Şekil 3.12 Maske ile fotorezist arasındaki mesafenin fotorezist deseni üzerindeki etkisi. Fotorezist mesafesi a-h arasında 0 µm-15 µm arasında eşit aralıklarla değiştirilmiştir Şekil 3.13 Stepper cihazı ile maskeleme işlemi Şekil 3.14 Banyolama (Develop) işlemi Şekil 3.15.a. Yönbağımlı aşındırma, b. yönbağımsız aşındırma Şekil 3.16 Islak aşındırma işleminde yer alan süreçler Şekil 3.17 Kuru aşındırma işlemi Şekil 3.19 Püskürtme (Sputter) yöntemi ile kaplama işlemi Şekil 3.20 Kimyasal buharlaştırma yöntemi ile kaplama işlemi Şekil 3.21 Elektro kaplama Şekil 3.22 Hibrit tümleştirme Şekil 3.23 Taban inceltme işlemi Şekil 3.24 Şematik olarak tümdevre tasarım süreci Şekil 3.25 Benzetim olarak tümdevre tasarım süreci xvi

18 Şekil 3.26 Serim Aşaması olarak tümdevre tasarım süreci Şekil 3.27 Doğrulama olarak tümdevre tasarım süreci Şekil 3.28 Çip üretim süreci basamakları Şekil 3.29 Çok katlı bir yapıya sahip çipin kesiti Şekil 3.30 Tipik opto-mekanik tasıyıcı alt parçaları Şekil 3.31 Taşıyıcı seramik üzerine monte edilmiş bir QWIP FPA Şekil 3.32 QWIP sensör işleme süreci Şekil 4.1 Spin coater cihazı Şekil 4.2 Maske hizalayıcısı (Mask Aligner) cihazı Şekil 4.3 Mask Aligner cihazı ile hizalama işlemi Şekil 4.4 Banyolama (develop) işleminde kullanılan cihaz Şekil 4.6 Grating litografisi ile elde edilen görüntü Şekil 4.8 Mesa aşındırması sonucu piksel görüntüsü Şekil 4.9 Aşındırma sonrası Profilometre ile elde edilen görüntü Şekil 4.10 Omik kontak litografi sonucu elde edilen görüntü Şekil 4.11 Termal kaplama işleminde kullanılan cihaz ve yapılan işlemler Şekil 4.12 Metal kaplama sonrası elde edilen görüntü Şekil 4.13 Karanlık akım ölçüm düzeneği Şekil 4.14 Karanlık akım grafiği Şekil 4.15 Fotoakım ve karanlık akım grafiği Şekil 4.16 Spektral ölçüm düzeneği blok şeması Şekil 4.17 Spektral tepkisellik karakteristiği Şekil 4.18 Tepkisellik ölçüm düzeneğinin şeması Şekil 4.19 Ortalama NETD grafiği xvii

19 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1.1 Kızılötesi görüntülemenin uygulama alanları... 3 Çizelge 1.2 Atmosferik iletim pencereleri ve dalga boyu aralıkları... 6 Çizelge 2.1 IR dedektörlerin karşılaştırılması Çizelge 2.2 Çeşitli metaryeller için Seebeck katsayıları ve termal iletkenlik değerleri Çizelge 3.1 Tümdevre üretim fabrikaları Çizelge 4.1 Tepe tepkisellik hesaplamasında kullanılan değerler Çizelge 4.2 Tepe dedektivite hesaplamasında kullanılan değerler xviii

20 1. GİRİŞ Mutlak sıfır sıcaklığın üzerinde sıcaklığa sahip olan her cisim sıcaklığına bağlı olarak bir ışıma (radyasyon) yayar. Oda sıcaklığına yakın cisimlerin yaydığı ışıma elektromanyetik spektrumda µm ile temsil edilen kızılötesi aralığına düşmektedir ve bu da insan gözü tarafından algılanamaz. Elektromanyetik spektrum ve kızılötesi bandının spektrumdaki yeri şekil 1.1 de görülmektedir. Geniş bir aralığa sahip kızılötesi bandında, cisimlerden yayılan radyasyonun bir kısmı, geçirgenliği dalga boyuna bağlı olan atmosfer tarafından emilir. Bu nedenle, kızılötesi görüntüleme yapabilmek için atmosferin geçirgen olduğu bir dalga boyu aralığında algılama yapmak gerekmektedir. Şekil 1.1 Elektromanyetik spektrum ve kızılötesi bandının spektrumdaki yeri ( Cisimlerden yayılan radyasyonu atmosferin geçirgen olduğu dalga boyu aralıklarında algılayarak görünür hale gelmesini sağlayan sistemlere termal kameralar denir ve 1

21 ağırlıklı olarak gece koşullarında veya gündüz sis ve duman arkasında kalan durumlarda kameralar ile algılanamayan canlıların ve nesnelerin görüntülenmesinde (örn: termal görüş) kullanılır. Amatör bir astronom olan William Herschel, 1781 yılında Uranüs ün keşfi ile ünlenmiş ve daha sonra 1800 yılında önemli bir keşfe daha imza atmıştır. Herschel Newton un, güneş ışınlarının bir prizma ile ayrı renk bileşenlerine ayrılmış olduğu ilkesini kullanarak bir üçgen prizma ile güneşten gelen ışığı kırmış ve tayfın içinde kırmızının altında bulunan kızılötesi ışınımı bir termometre sayesinde tespit etmiştir. Daha sonra 1830 yılında termoelektrik etkilerin Seeback tarafından keşfedilmesi ise çeşitli materyallerin emilim ve yayılım spektrumları konusunda çalışmalar yapılmasını sağlamıştır. Bununla birlikte fotoiletkenlik etkileri 1873 yılında Smith tarafından keşfedilmiş ve sonrasında yüksek tepkiselliğe sahip ilk kızılötesi fotoiletken 1917 yılında Case tarafından geliştirilmiştir. Uzaktan algılama uygulamalardaki son dönemdeki başarılar, son elli yılda kızılötesi dedektör teknolojisinde çok hızlı gelişmelere yol açmıştır. InSb (Indium Antimonide) ve HgCdTe (Mercury Cadmium Telluride) gibi dar bant aralığında çalışan yarıiletkenlerdeki gelişmeler, kızılötesi foton dedektörlerinde yüksek performansı beraberinde getirmiştir. Epitaksiyel yarıiletken malzeme büyütme teknolojisindeki son ilerlemeler, olgun GaAs (Gallium Arsenide) ve InP (Indium Phodphide) teknolojileri ile birlikte, kuantum kuyu ve süper örgü (superlattice- SLS) yapılarının üretimini mümkün kılmıştır. Günümüzde bu tür yarıiletken yapılarına sahip kızılötesi dedektörler, geleneksel düşük bant aralıklı yarıiletken kızılötesi foton dedektörlerine alternatif olarak sunulmaktadır. Bütün bu gelişmeler sonucunda farklı formatlardaki kuantum kuyulu kızılötesi fotodedektör (QWIP) odak düzlem dizileri (FPA) geliştirilmiştir. Foton dedektörlerin çalışabilmesi için 77 Kelvin (-196 C) veya daha da düşük sıcaklıklara soğutulması gerekmektedir. Bunun için özel olarak tasarlanmış soğutucular (cooler) kullanılır. 2

22 Diğer taraftan, daha sonraları, soğutmaya gerek duymadan çalışan ve foton dedektörlere göre hafif ve küçük olan ancak daha kısa mesafede görüntüleme sağlayan termal dedektörler geliştirilmiş ve çeşitli uygulamalarda kullanılmaya başlanmıştır. şekil 1.2 de kızılötesi dedektörlerin algılayıcı malzemesi olarak kullanılan çeşitli malzeme tiplerinin olgunluk seviyesine ulaştığı tarihsel kronolojik gösterimi yer almaktadır. Özellikle II. Dünya Savaşı döneminde bugünkü kızılötesi görüntüleme sistemlerinin temelini oluşturan önemli atılımlar gerçekleştirilmiştir. Şekil 1.2 Kızılötesi dedektörlerin tarihsel gelişimi (Koçer 2005) Belirtilen özellikleri nedeniyle, günümüzde kızılötesi görüntüleme sistemleri çizelge 1.1 de verilen birçok askeri ve sivil uygulamada kullanım yerine sahiptir. Çizelge 1.1 Kızılötesi görüntülemenin uygulama alanları Askeri Uygulamalar Hedef Tespit, Teşhis ve Tanıma Termal Görüntüleme Mayın Arama Atış Kontrolü Arama ve Takip Lazer Tespit ve Karakterizasyonu Güdüm ve Kontrol Sistemleri Sivil Uygulamalar Güvenlik Kameraları Sürücü Görüş Sistemleri Yangın Alarm Sistemleri Tıbbi Görüntüleme Endüstriyel Uygulamalar Çevresel Koruma (Orman Yangını İzleme vb.) Arama ve Kurtarma 3

23 1.1 Kızılötesi Işımanın Cisimlerden Yayılması Uzak bir hedeften alınan görüntünün kalitesini belirleyen temel parametrelerden biri, termal görüntüleyicinin o hedeften aldığı ışıma miktarıdır. Bir cisimden yayılan kızılötesi ışımanın şiddeti, cismin sıcaklığı, uzaklığı ve onun yayılım (emissivity) özelliği gibi çeşitli parametrelere bağlıdır. Bu yayılım özelliği bir cismin ne kadar kolay ışıma yaydığının göstergesidir. Ayrıca, görüntülenmek istenen cisim ile görüntüleyici arasındaki ortamdan kaynaklanan soğurma ve saçılma gibi nedenlerin görüntüleyicinin alacağı ışık miktarına etkisi vardır. Maxwell yasalarına göre bir elektrik yükü ivmelendirilince ışıma yayar. Bir cisim ısıtıldığında, moleküllerinin titreşme enerjisi artar, yük taşıyıcıları ivme kazanır ve böylece ışıma oluşur. Aşağıdaki formül, yayılan bir ışımanın dalga boyu ile taşıdığı enerji miktarı arasındaki bağlantıyı göstermektedir: hc W = λ...(1.1) λ dalga boyunu, c ışık hızını ve h Planck sabitini simgelemektedir. 1.2 Kara Cisim Işıması Bir cisim tarafından yayılan ışınımın sahip olduğu güç dağılımı spektrumu Max Planck ın ışıma yasasına uymaktadır. Aslında, bütün cisimler Planck yasasına göre ışınım yaymaz, bu yasa sadece sınır koşullarını gösterir. Diğer bir taraftan kara cisim adı verilen ideal yayılıma sahip cisimler, Planck ışıma yasasının limit eğrisine uygun şekilde davranırlar ve bu eğriye de kara cisim ışıma eğrisi denir. Planck yasasına göre, kara cisme ait ışıyan foton yayılımının spektral dağılımı aşağıdaki eşitlikle verilmektedir: 4

24 M 2πc λ, T ) =...(1.2) 4 hc λkt λ ( e 1) q ( / Eşitlikte yer alan c vakum ortamındaki ışık hızını, h Planck sabitini ve k Boltzmann sabitini göstermektedir. şekil 1.3 te çeşitli sıcaklıktaki kara cisimlere ait dalga boyuna göre spektral ışıyan foton yayılımı verilmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi, kaynak sıcakken cisimden yayılan toplam enerji daha çoktur ve tepe yayılım dalga boyu artan sıcaklıkla azalmaktadır. Şekil 1.3 Çeşitli sıcaklıktaki kara cisimlere ait dalga boyuna göre spektral ışıyan foton yayılımı (Özer 2005) 1.3 Atmosferik İletim Koşulları Atmosfer etkileri, cisimlerden yayılan ışımanın algılanmasında iki farklı açıdan önemli rol oynar. Birincisi, atmosfer kendi başına bir ışıma kaynağıdır ve görüntülenmek istenen cismin arka planına etki eder. İkincisi, cisimden gelen ışımayı, atmosferik gaz moleküllerinin soğurması (absorption) ve içindeki parçacıklarla ışığı dağıtması (scattering) olmak üzere iki yolla zayıflatır. Bu soğurma ve dağıtma, gelen ışımanın enerjisinde kayba yol açar (Rogalski ve Chrzanowski 2002). 5

25 Moleküller tarafından soğurulma, gaz molekülündeki eş atomlar ya da atomların titreşik konumlar arasındaki elektronik geçişlerinden kaynaklanır. Atmosferde yaygın olarak bulunan moleküller içerisinde kızılötesi ışımayı soğuran moleküller H 2 O, O 3, N 2 O, CO, CH 4 ve N 2 olarak sayılabilir. Atmosferik iletim spektrumu ve algılamaya engel teşkil eden soğurulma çizgilerine veya bantlarına neden olan moleküller şekil 1.4 te gösterilmektedir. Şekilden de görülebildiği gibi, belli dalga boyu aralıklarında atmosfer göreceli olarak geçirgendir ve bu aralıklara atmosferik iletim pencereleri denir. Bu pencerelere ilişkin literatürde yapılan sınıflandırma çizelge 1.2 de verilmiştir. Geçirgenlik (%) Dalga boyu (µm) Soğuran Molekül Şekil 1.4 Atmosferik iletim spektrumu ve soğurulma çizgilerinden veya bantlarından sorumlu moleküller (Sizov 2000, Hamamatsu 2004) Çizelge 1.2 Atmosferik iletim pencereleri ve dalga boyu aralıkları (Desai 2004) Kızılötesi Alt Bandı Dalgaboyu Aralığı (µm) Yakın Kızılötesi (NIR) Kısa Dalgaboyu IR (SWIR) 1-3 Orta Dalgaboyu IR (MWIR) 3-6 Uzun Dalgaboyu IR (LWIR) 6-15 Çok Uzun Dalgaboyu IR (VLWIR) şekil 1.4 te verilen atmosferik iletim spektrumu her durum için sabit değildir. Yükseklik, bağıl nem, iklim ve gaz içeriği gibi atmosferik durumlar bu spektrumda 6

26 değişikliğe neden olabilmektedir. Bunun yanında, atmosfer tamamen homojen bir ortam olmadığından, kırınım indeksi ortam etkileri ve zamanın karmaşık bir fonksiyonudur. Bu indeks rüzgara, termal konveksiyon akımlarına, yerçekimi alanına ve neme göre değişir. Buna ek olarak, insanın neden olduğu ortam etkileri de bazı durumlarda iletimi önemli şekilde etkiler (Marquis 1996). Atmosferin geçirgen olduğu MWIR ve LWIR bant aralıkları kızılötesi görüntüleme için oldukça önemlidir. MWIR bandında, termal kontrast LWIR bandına göre iki kat fazladır. Termal kontrast, cismin sıcaklığındaki bir Kelvin değişimde yayılan akıdaki yüzde değişim miktarıdır. Termal kontrast yüksek olduğunda bir yüzeydeki sıcaklık değişimi daha iyi gözlemlenmektedir. Spektral bant seçimi hedef işaretine (signature), atmosferik geçirgenliğe ve sensör tepkisine (optik ve dedektör) bağlıdır. Örnek olarak, nem miktarının fazla olduğu deniz uygulamalarında MWIR bandı daha uygundur. Az nemli ve soğuk ortamlarda ise LWIR daha uygundur. Kızılötesi görüntüleme sistemlerinin yaygın olarak kullanıldığı savaş alanı koşullarında LWIR bandı genelde daha uygundur, çünkü uzun dalga boylarına sahip ışıma savaş ortamında havada oluşan parçacıkların içinden daha iyi geçer (Marquis 1996). Bunların yanında kızılötesi dedektör önündeki optik açıklıktan kaynaklanan girişim miktarı dalga boyu ile doğru orantılıdır. Bu nedenle MWIR dalga boyunda girişim etkileri daha azdır. Sensörle birlikte kullanılan optiğin büyüklüğü optik açıklık ile orantılı olduğundan MWIR dalgaboyunda çalışan kameralar daha küçük boyutlu olabilmektedir. 1.4 Kızılötesi Görüntüleme Sistemlerinin Temel Alt Birimleri Kızılötesi görüntülemenin kalitesi hedef işaretine, çevre koşullarına ve görüntüleyici oluşturan bileşenlere bağlıdır. Bir termal kameranın temel blokları şekil 1.5 te verilmektedir. 7

27 Şekil 1.5 Bir termal görüntüleme sisteminde yer alan alt bloklar. Dedektör üzerinde bir hedefin görüntüsünü elde etmek için geçirgen lensler veya yansıtıcı aynalar kullanılabilir. Lenslerin geçirgenliği olabildiğince yüksek olmalıdır ve kırılma indeksinin dalga boyuna ve sıcaklığa bağımlılığı minimum olmalıdır. Lens malzemesinin ve anti-yansıma kaplamasının iletim spektrumu lensin geçirgen olduğu dalga boyunu belirler. Ge, ZnS ve ZnSe malzemeleri MWIR ve LWIR bantlarında en çok kullanılan lens malzemeleridir. Odak düzlemin üzerinde görüntü oluşturmanın bir başka yolu da ayna kullanmaktır. Lenslerden farklı olarak, aynalar akromatiktir ve bu da tüm kızılötesi dalga boylarında çalışmasını sağlar. Aynalara yüzey kaplaması yapılarak yansıma artırılabilir. 8

28 2. KURAMSAL TEMELLER 2.1 Kızılötesi Dedektörlerin Performasına Etki Eden Temel Parametreler Dedektör karakteristiğini doğru anlama ve yorumlama, yeni malzeme ve yapı içeren kızılötesi dedektörlerin optimizasyonunda büyük önem teşkil eder. Yüksek verime ve mümkün olan en yüksek performansa ulaşmanın altında da süreç optimizasyon çalışmaları yatmaktadır. Kızılötesi dedektörlerin performansı kullanılan algılayıcı malzemenin özelliklerine, piksel yapılarına, epikatman yapısı tasarımına, üretim sürecine, okuma devresine ve benzeri birçok faktöre bağlıdır. Bu bölümde performansa ilişkin başlıca parametreler anlatılmaktadır Kuantum verimliliği Kuantum verimliliği foton dedektörlerinde dedektör üzerine düşen foton sayısına oranla dedektör içerisinde oluşan elektron sayısı olarak verilmektedir. Bir dedektörün kuantum verimliliği ne kadar yüksek olursa hassasiyeti o kadar artar. Dedektör üzerinden geçen fotoakım kuantum verimliliği ile doğru orantılıdır. Foto akım ile kuantum verimliliği arasındaki ilişki aşağıdaki eşitlik 2.1 de verilmektedir: I photo = q η g A ϕ..(2.1) det Bu eşitlikte q elektron yükünü, η dedektörün kuantum verimliliğini, g dedektör kazancını, A det dedektör alanını ve φ dedektörün duyarlı olduğu radyasyon akısını vermektedir. Dedektör kazancı fotovoltaik dedektörler için her zaman 1 dir, fotoiletken dedektörler için ise bu değer dedektör yapısına ve uygulanan gerilime bağlı olarak 1 den küçük veya 1 den büyük olabilir Tepkisellik (Responsivity) Tepkisellik, çıkış sinyalinin giriş gücüne oranı olarak tanımlanır. Çıkış, foto gerilim veya fotoakım olabilir, giriş gücü ise Watt cinsinden gelen radyasyonun sahip olduğu 9

29 güçtür. Sinyal-gürültü oranını içermediği için, tepkisellik tek başına dedektör performansını belirtmekte kullanılamaz Sinyal-Gürültü Oranı (SNR) Gürültü, çıkışta gözlemlenen istenmeyen sinyaller olarak tanımlanabilir. (Özer 2005) Gürültü tamamen yok edilemez ancak minimum seviyelerde tutulabilir. SNR tek başına dedektör performansının ölçüsü olamaz çünkü radyasyon giriş gücü artarsa SNR da artmış olur. Diğer bir yandan, gürültü eşdeğer gücü (NEP) dedektör hassasiyetinin bir ölçüsüdür. Dedektör üzerinde gürültü miktarı kadar sinyal oluşturabilen kızılötesi güç, gürültü eşlenikli güç olarak tanımlanır (Özer 2005). Gürültü voltajının tepkiselliğe bölünmesi ile bulunur. S/N=1 olduğu durumdaki ışık miktarıdır (Daniels 2006). Burada S sinyal N ise gürültüdür. Birimi W dır. Bir başka deyişle NEP, birim SNR üretmek için dedektörün aldığı ışıyan güç miktarıdır ve aşağıdaki eşitlikle gösterilir: gürültü NEP=...(2.2) tepkisellik Fotodedektörlerin yapısından kaynaklanan ve kaçınılamayan bir çok gürültü kaynağı vardır. Diğer bir yandan, dış kaynaklı olan gürültüler bir dereceye kadar engellenebilir. Kaçınılamayan gürültüler, genellikle foton geliş hızındaki dalgalanmalardan, yarıiletkendeki örgüsel titreşimlerden ve dedektörün içindeki elektronların rastgele hareketlerinden meydana gelir. Genellikle, kaçınılamayan gürültü kaynakları beyaz gürültü davranışı gösterir. Ancak bazı durumlarda gürültü spektrumu bazı frekanslarda daha fazla güç taşır. Örnek olarak, 1/f gürültüsü düşük frekanslarda, yüksek frekanslarda olduğundan daha fazla güç yoğunluğuna sahip olur. 10

30 2.1.4 Dedektivite NEP dedektör alanına bağlıdır ve farklı boyutlardaki dedektörlerin farklı NEP değerleri olur. Diğer taraftan, dedektivite dedektör alanına ve elektriksel bant aralığına oranlanmıştır ve dedektör performansını belirlemek için yeterlidir. Dedektivite aşağıdaki gibi gösterilmektedir: D * tepkisellik alan f = gürültü = R A d N f...(2.3) Tepkisellik ve dedektivite tek piksel dedektör performansını belirlemek için yaygın olarak kullanılan göstergelerdir. FPA performansını göstermek için uzaysal kavramlar daha başka tanımlara ihtiyaç duyar. Uzaysal homojenlik ve gürültü eşlenikli sıcaklık farkı (NETD), FPA performansını belirlemek için en sık kullanılan tanımlardır Gürültü Eşlenikli Sıcaklık Farkı (NETD) Kameranın birim SNR vermesi için gereken minimum sıcaklık değişimi miktarıdır. Uzaysal gürültüyü de hesaba katan genel NETD tanımı aşağıdaki gibidir: NETD= dn N B n dt B...(2.4) Eşitlikte T B arka plan sıcaklığını, N n gürültü eşdeğeri elektron sayısını ve N B piksel başına gelen radyasyon sonucu uyarılan toplam elektron sayısını vermektedir ve bu değer aşağıdaki şekilde gösterilir: N = N + N + u 2 n 2 t B 2 N 2 B...(2.5) N t zamansal gürültüyü (temporal noise), N B arka plan ışımasından kaynaklanan gürültüyü ve u kalibrasyon sonrası kalan artık homojensizliği simgelemektedir. Sinyal işleme algoritmaları ile FPA homojensizliği bir dereceye kadar düzeltilebilmesine 11

31 rağmen, artık homojensizlik büyük formatlı FPA ların performansını sınırlandıran asıl faktördür. Sistemin NETD si homojensizlik tarafından sınırlandırıldığında, 2.5 eşitliği aşağıdaki gibi olur: 2 uλt NETD= B (2.6) λ = (λ 1 + λ 2 )/2, λ 1 den λ 2 ye olan spektral banttaki ortalama dalga boyudur. Diğer bir taraftan NETD nin homojenlikle değil de dedektörlerin dedektivitesi ile sınırlı olduğu durumda, aşağıdaki hali alır (Zussman vd. 1991, Henini ve Razeghi 2002) : NETD= D ( dp * B B A f 2 / dt)sin ( θ / 2)...(2.7) Eşitlikte A tek piksel dedektör alanını, f bant genişliğini, ve * D B kara cisim dedektivitesini dp B / dt sıcaklığa göre entegre kara cisim gücündeki değişimi göstermektedir. λ 1 ile λ 2 arasındaki spektral bölgedeki entegre kara cisim gücü aşağıdaki gibi gösterilmektedir: λ 2 P = sin 2 B A ( θ / 2)cosφ W ( λ) dλ λ1...(2.8) W (λ) kara cisim spektral yoğunluğunu göstermektedir ve bu aşağıdaki eşitlikte verilmektedir: W ( λ) π λ 2 hc / λktb = (2 c h / 5)( e 1) 1...(2.9) İki farklı homojensizlik değeri için teorik NETD nin dedektivite ile değişimi şekil 2.1 de verilmektedir cmhz 1/2 /W değerinden büyük D* için NETD homojensizlik (u) tarafından sınırlandırılmıştır. 12

32 NETD (mk) Dedektivite (cmxhz ½ /W) Şekil 2.1 İki farklı homojensizlik değeri için NETD nin dedektivite ile değişimini gösteren grafik (Levine 1993, Rogalski 1998, Henini ve Razeghi 2002 ) Çalışma hızı Kızılötesi dedektörlerin kullanıldığı uygulamalara bağlı olarak dedektörlerin çalışma hızı önem kazanabilmektedir. Kızılötesi görüntüleme sensörlerinde çalışma hızı genellikle saniyede resim hızı (frame per second) olarak tanımlanmaktadır. Özellikle hızlı hedeflerin çeşiti algoritmalarla takip edildiği otomatik hedef takibi gibi uygulamalarda sensörlerin hızlı çalışması gerekmektedir. Kızılötesi görüntüleme sensörlerinde görüntü oluşturulurken dedektör fotoakımı okuma devreleri üzerindeki kapasitörlerde her bir resim için biriktirme süresi (integration time) kadar biriktirilir. Dedektörün kuantum verimliliğine bağlı olarak bu süre artmakta veya azalmaktadır. Çok hızlı görüntüleme yapılması gerektiği durumlarda dedektör kuantum verimliliğinin yüksek olması gerekmektedir. Düşük kuantum verimliliğine sahip dedektörler ise sahne hızlarının düşük olduğu uygulamalarda kullanılabilmektedir. 13

33 2.1.7 Çalışma sıcaklığı Kızılötesi sensörlerde sinyal gürültü oranlarının arttırılabilmesi için sensörlerin belirli bir sıcaklığa soğutulması gerekmektedir. Özellikle karanlık akım sensör sıcaklığına çok duyarlıdır. Genel olarak fotodedektörler arka plan limitli sıcaklık değerlerinde (Background Limited Infrared Photodetection) çalıştırılmaktadır. Bu koşulda dedektörün fotoakımı karanlık akımdan daha yüksektir. Eğer çalışma sıcaklığı düşük ise soğutucunun dedektörü çalışma sıcaklığına ulaştırma süresi artmaktadır. Görüntüleme sisteminin çok hızlı bir şekilde kullanıma alınması gerektiği uygulamalarda (örneğin karadan havaya veya havadan havaya füzelerin arayıcı başlıkları) bu sürenin mümkün olduğunca kısa tutulması hedeflenmektedir. Dedektör çalışma sıcaklığının düşük olması ayrıca soğutucunun daha yüksek güçlerde veya frekanslarda çalışmasını gerektirmektedir. Bu da soğutucunun ömrü açısından olumsuz etki oluşturmaktadır Pikseller arası etkileşim (Crosstalk) Piksel yapılarının küçük olduğu taramasız kızılötesi dedektörlerde piksellerin arasında oluşan etkileşimler görüntü kalitesini olumsuz yönde etkilemektedir. Pikseller arası etkileşim sensör dizininin üretim süreçlerinden kaynaklanabileceği gibi okuma devresinde veya görüntüleme elektroniğinden de kaynaklanabilmektedir. 2.2 Kızılötesi Dedektör Tiplerinin İncelenmesi Gerek soğutmalı (foton) dedektörler, gerekse soğutmasız (termal) dedektörler oldukça farklı kullanım maksatlarına ve uygulama alanlarına sahiptir. Foton dedektörlerin fiyatını yüksek tutan ve yaygın kullanımını engelleyen en önemli faktör, bu dedektörlerin çalışabilmesi için 77 Kelvin (-196 C) veya daha da düşük sıcaklıklara soğutulma zorunluluğudur. Bu soğutucular hem kızılötesi görüntüleme sistemlerinin maliyetini yükseltmekte, hem de kullanım ömürlerini sınırlandırmaktadır. Ayrıca 14

34 soğutucular ile oluşturulan dedektör sistemleri büyük ve ağır olmakta, dolayısı ile ağırlığın önemli olduğu bazı uygulamalarda kullanılmaları tercih edilmemekte veya mümkün olmamaktadır. Ayrıca, bu dedektörler, düşük duyarlılıklı bazı malzemeler hariç (PtSi: Platinum Silicide gibi), elektronik devreler ile aynı taban üzerinde üretilememektedir. Bu durum, foton dedektörlerin fiyatını yükseltmektedir. Foton dedektörlerin soğutma konusundaki problemlerini ortadan kaldırmak ve maliyeti düşürmek maksadıyla 1980 li yıllardan itibaren ABD de soğutmasız kızılötesi dedektörler konusunda devlet destekli somut araştırmalar başlamıştır. ABD Savunma Bakanlığı tarafından sağlanan kaynaklarla Honeywell ve Texas Instruments (TI) ile yapılan anlaşmalar çerçevesinde başlatılan çalışmalar, kullanılan malzeme özelliklerine göre iki farklı yaklaşım üzerine yoğunlaşmıştır. Bunlardan birincisi olan ferroelektrik malzemeler 25.6 C gibi bir sıcaklıkta kızılötesi ışınlardan etkilenmekte ve üzerlerinde belli bir elektrik yükü birikmektedir, yani bir anlamda kapasitör gibi davranmaktadır. Ancak, ferroelektrik malzemeler ile çalışmak ve bunu görüntüleme sistemine uygulamak kolay ve ucuz bir teknoloji olmadığı için bu yaklaşım fazla yayılmamıştır. Soğutmasız kızılötesi dedektör konusundaki ikinci yaklaşım ise, yüzey mikroişleme MEMS teknolojisi ile üretilen mikrobolometrelerdir. Bu teknolojide algılayıcı madde bir dirençtir. Kızılötesi ışınım direncin ısınmasına yol açarak, onun direnç değerini değiştirmektedir. Direncin sıcaklık değişiminin daha fazla olabilmesi ve dolayısı ile kızılötesi ışınımın daha iyi algılanması için, algılayıcı yapının Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS) olarak adlandırılan teknoloji kullanılarak silisyum tabandan ısıl olarak izole edilmesi gerekmektedir. Isıl izolasyonu daha da arttırmak amacıyla ortamdaki hava alınarak bu yapıların vakum altında paketlenmesi sağlanır. Bu teknolojinin bir avantajı da, dedektör yapısının, sinyalleri okumak için gerekli elektronik entegre devresinin üzerinde oluşturulmasıdır. Bu durum, tüm sistemin aynı taban üzerinde ve daha ucuz bir şekilde üretilebilmesine imkan sağlamaktadır. Ayrıca, köprü yapısı üzerine, yüksek sıcaklıkla direnç değişim katsayısına sahip materyaller serilebilmekte ve böylece daha yüksek performanslı soğutmasız kızılötesi dedektörler üretilebilmektedir. 15

35 Kızılötesi dedektör teknolojisinin günümüzde ulaştığı durum itibariyle, çeşitli malzeme tip ve özelliklerine göre karşılaştırılması çizelge 2.1 de verilmiştir Çizelge 2.1 IR Dedektörlerin Karşılaştırılması (Rogalski 2002) Dedektör Tipi Avantaj Dezavantaj Termal Güvenilir, düşük maliyet Foton sensörlerine göre daha düşük dedektivite (Termopil, Bolometre, Oda Sıcaklığında çalışabilir Yavaş tepki süresi (ms seviyesi) Pyroelektrik) Foton İçsel IV-VI Mevcut düşük boşluklu malzemelerle Mekanik olarak zayıf (Pbs, PbSe, PbSnTe) iyi çalışır. Yüksek dielektrik sabiti II-VI Kolay ayarlanabilir band aralığı Geniş bir aralıkta homojen büyütülmesi zor (HgCdTe) Çok renkli dedektörler Büyütme ve işlemede yüksek maliyet Yüksek kuantum verimliliği Yüzey istikrarsızlığı III-V Malzeme ve katkılaması güzel Büyük örgü uyumsuzluğu ile Heteroepitaxy (InGaAs/InAs, InSb, InAsSb) Olgun teknoloji Uzun dalgaboyu kesim limiti 7 µm (77 K de) Dışsal Çok yüksek dalgaboyu uygulamaları Dedektörlerin düşük sıcaklığıa soğutulması gerekir (Si:Ga, Si:As, Ge:Cu, Ge:Hg) Nispeten basit teknoloji Serbest Taşıyıcılı Düşük maliyet, yüksek üretim verimliliği Düşük kuantum verimliliği (PtSi, Pt, Si, IrSi) Geniş 2D dizinler Kuantum Kuyulu Tip I (GaAs/AlGaAs Gelişmiş malzeme büyütme Düşük kuantum verimliliği InGaAs/AlGaAs) Geniş alanda homojenlik Çok renkli dedektörler Tip II (InAs/InGaSb, Düşük burgu birleşme oranı Karmaşık dizayn ve büyütme InAs/InAsSb) Kolay dalgaboyu kontrolü Soğutmasız kızılötesi dedektörler Termal yani soğutmasız dedektörler, soğurulan kızılötesi enerji miktarına bağlı olarak, dedektörün elektriksel parametresindeki değişimi algılayan dedektör tipleridir. Bu nedenle termal algılama mekanizması kızılötesi algılamanın dolaylı bir yöntemidir ve bu tip dedektörlerin tepki süreleri foton dedektörlere göre daha uzundur. Çoğu durumlarda soğutmasız dedektörlerin Sinyal-Gürültü Oranı (SNR) ve dedektivitesi 16

36 soğutmalı foton dedektörlere göre daha düşük olduğundan, termal dedektörlerin performansı da foton dedektörlere göre nispeten düşük kalmaktadır. Termal dedektörlerin en önemli avantajı herhangi bir karmaşık ve pahalı soğutma sistemine ihtiyaç duymaksızın oda sıcaklığında çalışabilmeleridir. Bunun neticesinde soğutmasız dedektör teknolojisi kullanılan görüntüleme sistemleri, daha küçük boyutlarda, daha ucuz, daha az güç harcayan ve daha uzun işletim sürelerine sahip sistemler olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu avantajları nedeni ile soğutmasız dedektörler, gece görüş, mayın tespiti, sürücü görüş sistemi, yangın söndürme ve endüstriyel kontrol gibi birçok sivil ve askeri uygulamalarda kullanılmaktadır. Bahsedilen geniş uygulama alanları soğutmasız kızılötesi teknolojisini oldukça popüler hale getirmiş olup, buna bağlı olarak tüm dünyada daha yüksek performanslı ve daha az maliyetli soğutmasız kızılötesi dedektör dizinleri konusunda çalışmalar sürdürülmektedir. CMOS fabrikasyon yaklaşımlarına bağlı olarak iki tip termal sensör bulunmaktadır: Termopil sensörler ve mikrobolometreler. Termopil sensörler çoğunlukla CMOS tabanlı yongaların/pulların (wafer) gövde mikroişleme esasına dayanmaktadır. Diğer taraftan mikrobolometrelerde ise genelde yüzey mikroişleme kullanılmaktadır. Termal kızılötesi teknolojisindeki ilerlemeler büyük oranda mikrobolometre teknolojisi ile gerçekleşmiştir. Bu teknoloji foton dedektör teknolojisine göre daha ucuz olmakla birlikte fabrikasyon ve nihai sistem maliyetleri ticari uygulamalar için halen yüksektir. Bu yüzden soğutmasız dedektör teknolojisinin ucuzlamasına paralel olarak pazardaki payını artırmaya yönelik çabalar yoğun bir şekilde devam etmektedir. Ayrıca dedektör fabrikasyon maliyetinin dışında bu sistemlerin maliyetini etkileyen birkaç önemli konu daha vardır ki bunlar dedektörün vakum paketlenmesi, yonga seviyesinde test ve optik birimlerdir. Termal dedektör tipleri ile ilgili ayrıntılı bilgi aşağıda verilmiştir. 17

37 Termopil tabanlı termal dedektör yapıları Termoelektrik dedektörler, Seebeck etkisi ile çalışmaktadır. Bu ilkeye göre iki farklı metalle yapılan 3 parçalı 2 eklemli bir düzenekte metallerin elektron yoğunluğunun farklı olması sebebiyle eklemlerden biri ısıtılıp diğeri soğutulduğunda devrede akım oluşur. Seebeck etkisi prensibi ile çalışan ısılçift (thermocouple) şematik gösterimi şekil 2.2 de verilmiştir. Şekil 2.2 Isılçift şematik gösterimi (Akın vd. 2005) Isılçiftin açık uçları arasında kendiliğinden oluşan V AB voltajı Seebeck voltajı olarak adlandırılmakta olup aşağıdaki eşitlikte verilmektedir. V AB = a AB T sıcak-soğuk = (a A - a B ) (T sıcak T soğuk )...(2.10) Bu eşitlikte a A ve a B iki farklı materyalin Seebeck katsayısını, a AB oluşan ısılçiftin Seebeck katsayısını, T sıcak ve T soğuk sıcak ve soğuk uçların sıcaklığını, T sıcak-soğuk ise sıcak ve soğuk uçlar arasındaki sıcaklık farkını temsil etmektedir. Genellikle tek bir ısılçiftin çıkış voltajı yeterli olmaz, bu nedenle, belirli sayıda ısılçiftlerin seriler halinde bağlanması ile ısılpiller oluşturulmaktadır. Şekil 2.3 de beş adet ısılçiftin seri şekilde birbirine bağlanması sonucunda oluşan bir ısılpil gösterilmektedir (Akın vd. 2005). 18

38 Şekil 2.3 Beş adet ısılçiftin seri şekilde birbirine bağlanması sonucunda oluşturulan bir ısılpil (Akın vd. 2005) Dielektrik bir tabaka üzerine yerleştirilen ısılçiftlerin sıcak uçları termopilin üst bölgesine yerleştirildiğinde, oluşan yapı kızılötesi dedektör olarak kullanılabilmekte olup buna ilişkin gösterim Şekil 2.4 de verilmiştir. Şekil 2.4 Termopilin kızılötesi dedektör olarak kullanımı (Akın vd. 2005) Termopilden yüksek çıkış voltajı elde etmek için sıcak ve soğuk uçlar arasındaki sıcaklık farkını ( T sıcak-soğuk ) mümkün olan en üst seviyeye getirmek (yüksek termal izolasyon) gerekmektedir. Sıcak ve soğuk uçlar arasındaki bu izolasyonu sağlamak amacıyla ısılçiftler genellikle dielektrik diyaframların üstüne yerleştirilir ve bu şekilde termal direnç artırılır. Termopiller yarıiletken ve/veya metaller kullanılarak oluşturulurlar. çizelge 2.2 de çeşitli metaryeller için Seebeck katsayıları ve termal iletkenlik değerleri verilmektedir. Yarıiletkenlerin Seebeck katsayıları metallere göre daha büyük olduğundan yarıiletken termopiller metal olanlara göre daha tepkiseldir. 19

39 Çizelge 2.2 Çeşitli metaryeller için Seebeck katsayıları ve termal iletkenlik değerleri (Akın vd. 2005) Mikrobolometre tabanlı termal dedektör yapıları Soğutmasız kızılötesi görüntülemede en yaygın olarak kullanılan yaklaşımlardan biri de CMOS işlenmiş yongalar üzerinde yüzey mikroişleme köprüleri kullanmak suretiyle direnç gösteren mikrobolometreler oluşturmaktır. şekil 2.5 de yüzey mikroişleme tekniği kullanılarak oluşturulmuş mikrobolometre yapının görünümü verilmektedir. Kızılötesi ışınım termal olarak izole edilmiş köprü üzerindeki materyallerin sıcaklığını arttırır ve bu sayede özdirenç sıcaklık katsayısı (TCR) değerine bağlı olarak materyalin direncini değiştirir (Eminoğlu vd. 2003). Yüzey mikroişleme tekniği sayesinde okuma devresi çipi üzerinde küçük incelikte, küçük kütlede ve oldukça iyi termal izolasyona sahip, sıcaklığa hassas yapıda katmanlar oluşturmak mümkündür. Köprü yapıları ve okuma devresi arasında oluşturulan bu feda katmanlarının ortadan kaldırılması ile askıya alınmış ve termal olarak izole edilmiş dedektör yapıları elde edilir. Oluşturulan bu yapı, istenmeyen ortam etkilerinden korunması ve ısıl izolasyonun daha da arttırılması amacıyla vakum paketi içine alınır. 20

40 Şekil 2.5 Yüzey mikroişleme tekniği kullanılarak oluşturulmuş mikrobolometre yapını görünümü (Akın vd. 2005) Günümüzde 640x480 formatında ve 25 µm x 25 µm piksel boyutlarında üretilmiş ve 50 mk den düşük NETD değerine sahip soğutmasız kızılötesi kamera sistemleri ticari olarak yaygın şekilde bulunabilmektedir (Akın vd. 2005, Dereniak 2010). Bunun yanı sıra araştırma düzeyinde de olsa 1280x768 formatında ve 17 µm x 17 µm piksel boyutlarında dedektör yapıları üretilmiş olup, bunların da yakın gelecekte uygulamaya alınması beklenmektedir. Bu konudaki hedef, 10 mk den daha düşük NETD değerine sahip dedektörlerin geliştirilmesi olacaktır. Soğutmasız dedektörlerin performansındaki gelişmeler, günümüzde soğutmalı tip kızılötesi görüntüleme sistemi kullanılan birçok alanda ileride soğutmasız tip dedektörlerin kullanılabileceğini göstermektedir (Akın vd. 2005) Soğutmalı kızılötesi dedektörler Fotoiletken dedektörler Fotoiletken dedektörler, kullanılan yarıiletkenlerin serbest elektron veya boşluk özelliklerine dayanmaktadır. Bu tip kızılötesi dedektörler katkılı veya katkısız yarıiletken malzemelerden yapılabilir. Bir fotoiletkenin temel çalışma prensibi şekil 2.6 da gösterilmektedir. Yarıiletken, enerjisi bant aralığı enerjisinden (katkılı dedektörler için safsızlık aktivasyon enerjisinden) daha yüksek olan fotonları soğurur. 21

41 Soğurulma ile valans bandındaki elektronlar iletim bandına (katkılı dedektörler için safsızlık seviyesinden iletim bandına) çıkar ve böylece serbest taşıyıcı sayısı artmış olur. Serbest taşıyıcı sayısındaki artış fotoiletken sensörün iletkenliğini değiştirir ve bir dış devre yardımıyla, gelen ışıma şiddetinin ölçüsü olan iletkenlikteki değişim miktarı algılanır. Bu tip dedektörler ilk termal görüntüleme sistemlerinde kullanılmıştır. Düşük bant aralıklı fotoiletken dedektörler düşük empedanslı yapılardır; yani kabul edilemez I 2 R güç kaybı yüzünden büyük formatlı fotoiletken dedektör FPA larının kullanılması pratik değildir. Diğer bir yandan, fotovoltaik dedektörlerin yüksek empedansı vardır ve güç kaybı çok azdır. Kızılötesi Radyasyon Fotoiletken Şekil 2.6 Basit bir fotoiletken kızılötesi sensörün ve okuma devresinin yapısı (Özer 2005) Fotovoltaik dedektörler Fotovoltaik etkiyi, bir potansiyel bariyerin yardımı ile uyarılmış pozitif ve negatif taşıyıcıların ayrılması olarak tanımlayabiliriz. Temel fotovoltaikler dedektörler arasında p-n veya p-i-n diyotları, heteroyapı diyotları, Schottky bariyer diyotları ve metalyalıtkan-yarıiletken (MIS) fotokapasitör cihazları sayılabilir. Şekil 2.7 de basit bir fotodiyotun yapısı ve çalışması gösterilmektedir. Gelen ışıma, elektronları uyararak p ve n tipi alanlarda elektron-boşluk ikilileri oluşturur. Oluşan elektron veya boşluk boşaltılmış bölgeye (depletion region) doğru difüzyon yoluyla ilerler ve boşaltılmış bölgenin sahip olduğu güçlü elektrik alan ile diğer tarafa doğru hızla sürüklenir. Bu 22

42 yolla, cihaz içinde fotoakım oluşmuş olur ve bu akımın miktarı aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir: I ph = ηqaφ...(2.11) Eşitlikte η kuantum verimini, q elektron yükünü, A fotodiyotun alanını ve Ф gelen foton akı yoğunluğunu göstermektedir (Dereniak ve Boreman 1996). Fotodiyotlar genelde sıfır-eğilimleme geriliminde çalışırlar. Fotodiyotun sıfıreğilimleme diferansiyel direnç alan çarpımı (R 0 A) fotodiyotlar için en önemli performans ölçütlerinden biridir. Bir fotodiyotun R 0 A çarpımı aşağıdaki gibidir: J R0 A= V 1 V b = 0...(2.12) Bu eşitlikte J akım yoğunluğunu göstermektedir. p-tipi Boşaltılmış Bölge n-tipi Geçirgen taban Radyasyon Eklem (a) I Karanlık Aydınlık Fotoakım V (b) Şekil 2.7. a. Bir kızılötesi fotodiyotun yapısı, b. bu fotodiyotun karanlık ve aydınlık ortamda sergilediği akım-voltaj grafiği (Dereniak ve Boreman 1996) 23

43 Bir fotodiyotun kuantum verimliliği kullanılan malzemenin soğurma katsayısına ve taban bölgesinin (p-n diyotlar için az katkılanmış bölgenin ve p-i-n diyotlar için katkısız bölgenin) kalınlığına bağlıdır. Direk bant aralığı malzemeleri, yüksek soğurma katsayıları sebebiyle sıkça kullanılmaktadır. Optimize edilmiş bir fotodiyotta, aktif bölge yüksek kuantum verimi ve düşük karanlık akım sağlayacak şekilde ayarlanır. Bu bölgenin katkılanması düşük tutularak yüksek kuantum verimine ulaşılabilmektedir. Genellikle taşıyıcıların difüzyon uzunlukları, aktif bölgenin uzunluğundan büyüktür. Böylece optik olarak yaratılan azınlık taşıyıcılarının neredeyse hepsi boşaltılmış bölgeye tekrar birleşmeden ulaşmış olur. Bazı durumlarda, piksel üzerlerinde yansıtıcılar kullanılarak kızılötesi ışımanın aktif bölgeden iki defa geçmesi sağlanır ve bu sayede kuantum verimliliği arttırılır. Fotonlar tarafından uyarılan elektronları okuma devresine bağlayan p ve n tipi elektronik kontaklar karanlık akım ve gürültüye sebep olmamalıdır. Dar bant aralıklı bölgelerin yüzeyleri pasifleştirilerek izole edilmelidir. Bu yolla, kristal bağlarının tamamlanamaması nedeniyle oluşan ve yüksek miktarlarda karanlık akıma neden olabilen defektlerden elektronların uzak durması sağlanır. Elektronlar bu bölgede bulunursa fazla iletime ve karanlık akımın yükselmesine neden olur InSb, HgCdTe, Süperörgü (Superlattice), QWIP ve QDIP dedektör teknolojileri Bu bölümde yaygın olarak kullanılan kızılötesi foton dedektör teknolojileri olan InSb, HgCdTe, Superörgü, QWIP ve QDIP teknolojileri anlatılmaktadır. InSb ve HgCdTe materyalleri sırası ile 1955 ve 1960 yıllarında keşfedilmiştir. Yakın geçmişe kadar bu materyaller MWIR ve LWIR bandlarında kızılötesi algılama için kullanılan en önemli metal alaşımlı yarıiletkenler olmuşlardır. QWIP teknolojisi 1987 yılında, InSb ve HgCdTe teknolojilerindeki yüksek maliyet sorununu gidermeye yönelik potansiyel alternatif olarak deklare edilmiştir. InSb ve HgCdTe tabanlı görüntüleme sistemlerinin performansı ile karşılaştırılabilecek derecede büyük bir hızla gelişmiş ve birçok uygulamada kullanılmaya başlanmıştır. Tip II Süperörgü Dedektörler ise iki ya da daha çok yarıiletken malzemenin periyodik olarak birbirini takip eden katmanlardan oluştuğu 24

44 yapıdır. J.S.Koehler tarafından teorik olarak açıklanan bu yapı nano-katman malzeme teknolojisi ile ve gelişen x ışını kırınım teknolojisi ile birlikte teknolojideki yerini almıştır. Kuantum kuyularının kuantum noktaları ile yer değiştirdiği QDIP çalışmaları ise 1982 lerde başlamıştır. Aşağıda bu teknolojiler ile ilgili temel bilgiler verilmiş ve daha sonra karşılaştırma yapılmıştır InSb teknolojisi InSb materyali HgCdTe materyaline göre oldukça olgunlaşmış bir algılayıcı malzeme tipidir. Bu malzeme 7 cm den daha büyük çapta taban malzemesi olarak ticari şekilde elde edilebilir. InSb fotodiyotlar 1950 li yıllardan bu yana ve genellikle safsızlık difüzyonu ile üretilmektedir. Bu malzeme tipinde epitaksi yöntemi kullanılmaz bunun yerine cm -3 konsantrasyonuna sahip n-tipi kristaller ile standart üretim tekniği kullanılır. Tipik bir InSb fotodiyotun 77 K deki R 0 A (Resistivity x Area: Direnç x Alan) değeri 2x10 6 Ωcm 2 (sıfır bias) ve yaklaşık 100 mv değerindeki küçük ters biaslarda ise 5x10 6 Ωcm 2 dir. Bu karakteristik özellik dedektörün kapasitif deşarj modunda kullanıldığı durumlarda oldukça yararlıdır. Eleman boyutu 10-4 cm -2 nin altına düştüğünde, yüzey akımına bağlı olarak küçük miktarda direnç düşmesi oluşur. InSb fotodiyotlar aynı zamanda 77 K civarında çalışabilirler. Yaklaşık 120 K de küçük ters bias sayesinde RA değeri 10 4 Ωcm 2 olarak elde edilebilmektedir. Bu durum BLIP işlemini mümkün kılmaktadır. InSb fotodiyotların kuantum verimliliği belirtilen sıcaklık aralığında 160 K e kadar optimize edilebilmektedir (Rogalski 2002, Henini ve Razeghi 2002). Dedektivite, arka plan ışık akısının düşmesine bağlı olarak şekil 2.8 de gösterildiği üzere artmaktadır. 25

45 Şekil 2.8 InSb fotodiyot için dalgaboyunun bir fonksiyonu olarak dedektivite (77 K de) (Rogalski 2002) InSb Fotovoltaik dedektörlerler yeryüzü tabanlı kızılötesi astronomi ve uzay kızılötesi teleskop uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda InSb hibrit odak düzlem matrislerinin (FPA) performansı konusunda oldukça etkileyici çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Uzun süreli araştırmalar sonucunda InSb dedektör materyalinin 10 µm den daha ince üretilebilmesi neticesinde 1024x1024 matris boyutları elde edilebilmiştir. Bunun yanı sıra yüksek arka plan sıcaklık ve astronomi uygulamaları için 64, 128 ve 256 eleman sayısına sahip doğrusal matris formatlı dizinler de üretilmiştir. Eleman boyutları kullanılan formata bağlı olarak 20x20 den 200x200 µm ye kadar değişmektedir. Krayojenik soğutmalı InSb ve HgCdTe dizinler MWIR spektral bandında karşılaştırılabilir matris boyutu ve piksel özelliklerine sahiptir (Rogalski 2002). Bununla birlikte dalga boyu ayarlanabilmesi (wavelenght tunability) HgCdTe materyalini daha tercih edilebilir duruma getirmektedir. 26

46 HgCdTe teknolojisi MCT (Mercury Cadmium Telluride) dedektörler 1950 li yıllardan itibaren olgunlaşmış bir teknolojidir. HgCdTe dedektörler spektral bandı 1 µm den 20 µm ye kadar kapsayan dedektör tipidir. şekil 2.9 da dalga boyuna bağlı olarak HgCdTe dedektörlerin tepkiselliği gösterilmektedir. Göreli Tepkisellik (Watt başına) Dalgaboyu (µm) Şekil 2.9 HgCdTe fotodiyot için temsili spektral tepki verileri (Rogalski 2002) Kompozisyonu değiştirilerek enerji bant aralığı (ve algılama dalga boyu aralığı) ayarlanabilen HgCdTe malzemesi, 8-12 µm dalga boyu aralığında algılama yapan foton dedektörleri için en yaygın olarak kullanılan sensör malzemesidir. Sadece kızılötesi dedektör yapımında kullanılsa dahi HgCdTe, üzerinde en çok çalışılan yarıiletkenlerden biridir ve malzeme teknolojisi gelişmektedir. Bununla birlikte, hala çok geniş formatlı, taramasız HgCdTe odak düzlem matrisi fabrike edilebilecek büyüklükte taban (CdZnTe) malzemesi temini zordur. Bu nedenle, HgCdTe malzemesinin alternatif Si ve GaAs tabanlar üzerinde yeterli kalitede büyütülebilmesi yönünde yoğun çalışmalar sürmektedir. Literatürde bulunan Si taban üzerinde HgCdTe dedektör çalışmaları orta dalga boyu kızılötesi (3-5 µm) bandında yoğunlaşmıştır. HgCdTe dedektörler aynı sıcaklıkta QWIP lerinkinden daha yüksek detektivite değerlerine sahiptirler ve daha yüksek sıcaklıkta çalışabilirler. Bununla birlikte, olgun GaAs teknolojisine sahip QWIP lerin geniş alanda homojen olarak büyütülebilmesi 27

47 daha kolaydır ve geniş formatlı dizin üretim veriminin ve maliyetinin daha düşük olması beklenmektedir. Saha görüntüleme sistemleri için önemli bir özellik olan gürültü eşdeğer sıcaklık farkı (NETD), artan homojenite ve dedektivite ile düşer. LWIR bandında çalışan çok geniş formatlı, taramasız HgCdTe kızılötesi sensör dizini fabrikasyonu günümüz HgCdTe malzeme teknolojisi ile mümkün olmadığından dolayı, yüksek kuantum verimliliği ve çok yüksek çözünürlük gerektiren uygulamalarda halen doğrusal (taramalı), geniş formatlı HgCdTe sensör dizinleri kullanılmaktadır. Geniş görüş açısıyla daha uzun tanıma menziline ihtiyaç duyulan taramalı dizin formatı sürekli olarak artmaktadır. Yakın bir zaman öncesine kadar 288x4 formatında taramalı HgCdTe sensör dizinleri state of the art niteliğindeyken, bugün 480x6 ve daha yüksek formatlarda sensörler kullanılmaktadır. HgCdTe malzemesinin büyütülmesi için konvansiyonel olarak sıvı faz epitaksisi (LPE) tekniği kullanılsa da dedektör üreticileri artık daha yeni teknikler olan MBE ve MOCVD yöntemlerini kullanmaya başlamışlardır. Bunun nedenleri, bu tekniklerle yüksek kalitede hetero-eklemlerin elde edilebilmesi ve katman kalınlığı, katkılama profili ve malzeme kompozisyonu kontrolündeki kolaylık ve üstünlüktür. Günümüzde, HgCdTe epitaksiyel katman yapılarının üzerinde büyütüldüğü taban olarak genellikle CdZnTe malzemesi kullanılsa da HgCdTe malzemesinin GaAs ve Si tabanlar üzerinde yüksek kalitede büyütülebilmesi için yoğun çalışmalar sürmektedir. CdZnTe, HgCdTe malzemesi ile mükemmel örgü uyumluğuna sahip olmakla birlikte kırılgan ve pahalı olması ve geniş alanlı olarak büyütülememesi nedeniyle alternatif taban arayışı ihtiyacı doğmuştur. HgCdTe materyal kullanılan kızılötesi görüntüleme sistemlerinde performansı artırmaya yönelik olarak epitaksiyel yöntemler tercih edilmektedir. Yonga boyutlarına bağlı olarak daha maliyet etkin üretim sağlanması maksadı ile HgCdTe dedektör dizininin epitaksiyel büyütmesi, CdZnTe taban yerine, Si taban üzerinde gerçekleştirilmektedir ancak henüz yeterli başarı sağlanamamıştır. Günümüzde ön yüzey ve arka yüzey ışık akılı hibrit odak düzlem matris teknolojisine uyumlu farklı HgCdTe fotodiyot mimarileri üretilmiştir. HgCdTe fotodiyotların fabrikasyonu genel olarak n+-p, p+-n 28

48 DLHJ (Double Layer HeteroJunction Çift Katman HeteroJunction) yapıları üzerine inşa edilmektedir (Henini ve Razeghi 2002) Süperörgü (Superlattice) teknolojisi (SLS) Süperörgü iki ya da daha çok yarıiletken malzemenin periyodik olarak birbirini takip eden katmanlardan oluştuğu yapıdır. Tipik olarak normal bir yarıiletken eklemine göre daha ince olan bu katmanların kalınlıkları nm düzeyindedir. J.S.Koehler tarafından teorik olarak açıklanan bu yapı nano-katman malzeme teknolojisi ile ve gelişen x ışını kırınım teknolojisi ile birlikte teknolojideki yerini almıştır. Yarıiletken yapı olarak farklı enerji band aralıklarına sahip olan malzeme katmanlarının olması her bir eklem için farklı kuantum kuyularının oluşmasına ve bunun sonucu olarak yükün yapı içindeki hareketini etkileyen farklı seçme kurallarının oluşmasına sebep olur. Genellikle kristal yapının büyüme yönüne uygun olarak oluşturulan bu sistemler bu yapılar tünelleme olgusuna uygun olarak kuantum verimi yüksek sensörlerin elde edilmesini ve buna bağlı olarak kullanılan eklem yapısı ve kendini tekrarlayan enerji band genişliği sayesinde de daha düşük karanlık akım ve anlamlı miktarda ısıl taşıyıcı azalması ile sonuçlanmıştır. Süperörgü miniband yapıları genellikle Tip I, Tip II ve Tip III olarak üç gruba ayrılır. Bunlar sırası ile ; Tip I: İletim bandının altı ile kovuk bandının üstünün aynı yarıiletken katmandan oluştuğu yapılar, Tip II: İletim ve kovuk bandlarının dereceli olarak bulunduğu yapılar ve elektronların ve kovukların farklı katmanlarda bulunduğu yapılar, Tip III: Yarımetal malzeme katkılı süperörgü yapılarıdır. Tip II Süperörgü ler, InAs ın iletim bandının, InGaSb katmanı valance bandından daha düşük olduğu gibi band yönelimi dereceli yapılardır. 29

49 (a) (b) Şekil 2.10 InAs/GaInSb SLS (Rogalski 2006, 2009, Rogalski ve Piotrowski 2007) a. Enerji bandı boşluklarından oluşan elektron ve kovuk minibandlarının band ucu görseli, b. Kesme dalgaboyu değişim grafiği (InAs katmanı) Bu durum dar bandlı bir yarıiletken malzeme ya da bir yarımetal malzeme kullanımı ile enerji band aralığı ayarlanabilir bir süperlattice sonucunu doğurur. Süperörgü lerde elektronlar çoğunlukla InAs katmanda birikirlerken kovuklar ise GaInSb katmanında yoğunlaşır. Bu durum taşıyıcı ömrünün artmasına ve Auger rekombinasyon mekanizmasının işlemesini bastırır. Optik geçiş genellikle indirekt gerçekleşir. Süperörgü lerin band genişliği elektron minibandının enerji seviyesi ile brillion bölgesindeki ilk ağır kovuk durumunun seviye farkıdır. Enerji band genişliği olarak bu değer 0 ile 250 mev arasında değişebilir (şekil 2.10.b). SLS gelişiminde InAs/GaInSb malzeme sistemleri henüz gençtir. Hala büyütme, işleme, alttaş hazırlanması gibi problemler mevcuttur. Süperörgü geliştirilmesinin optimizasyonunda eklem 30

50 pürüzlülüğü, yüksek sıcaklıktaki arayüz, artık arka plan taşıyıcı konsantrasyonu gibi problemler bulunmaktadır. Doğaları gereği 8 nm den küçük olan InAs/GaInSb katmanlarının düşük büyüme oranları tek katman (ya da yarım katman) sonucunu doğurmaktadır. InAs daki tek katman değişiklikleri katman kalınlığının değişimine ve bu da kesme dalga boyunun 20 µm ± 2 µm kaymasına neden olur (Rogalski ve Piotrowski 2007, Rogalski 2009). Süperörgü fotodiyot mimarisinin optimizasyonu hala üzerinde çalışılan bir konudur. Taşıyıcı ömrü, difüzyon mesafesi ve malzeme özelliklerine bağlı olarak hala çalışmalar sürmektedir. şekil 2.11 de tipik bir SLS yapısı verilmiştir. Şekil 2.11 Tipik bir SLS yapısı (Milton 2009, Bajaj vd. 2007) QWIP teknolojisi Normal şartlarda yarıiletken malzemeler ile oluşturulan fotodiyotların düşük enerjili kızılötesi radyasyonu algılayabilmesi için düşük bant aralıklı yarıiletken yapısında olması gerekmektedir. Diğer bir taraftan, düşük bant aralıklı malzemelerin büyütülmesi ve işlenmesi, GaAs gibi geniş bant aralıklı malzemelerle karşılaştırıldığında oldukça zordur de AlGaAs/GaAs kuantum kuyulu yapılar üzerinde yapılan çalışmalarla beraber (Sakaki ve Esaki 1977), geniş bant aralıklı malzemelerle de kızılötesi algılamanın mümkün olduğu anlaşılmıştır. İlk QWIP ler 1987 de ortaya çıkmıştır (Levine vd. 1987). Son 10 yılda yapılan çalışmalar ile QWIP ler, IR yarıiletken teknolojilerindeki limitleri yenmek için GaAs/AlGaAs altbantları arasındaki geçişleri 31

51 temel almıştır. Günümüzde QWIP ler MCT teknolojisi ile karşılaştırıldığında yüksek dedektivite, homojenite, dar bant cevabı ve uyarlanabilir dalgaboyu toleransı ile geniş alan FPA üretimi için en uygun aday olarak düşünülebilir. Çok yakın zamanda basit QWIP yapısı genişletilerek çok-bant ayarlanabilir QWIP ler, süperörgü fotodedektörler ve QDIP ler gibi daha karmaşık homojen olmayan yapılar önerilmektedir (Carbone 2005). QWIP teknolojisindeki hızlı gelişmeler günümüzde belirli bir olgunluğa ulaşmıştır ve bazı LWIR uygulamaları için HgCdTe malzemesine alternatif olabilmektedir. Her ne kadar titiz çalışmalar yapıldıysa da MCT, geniş ölçekli olarak üretilmesi zor bir malzemedir. Bu üretim zorlukları ile birlikte MWIR bandında 1024x1024 piksellik FPA ler MCT kullanılarak üretilebilmiştir. QWIP ler ile birlikte az kusur yoğunluklu ve yüksek piksel çalışması ile sonuçlanan yapıları üretmek mümkün olmuştur (Cederberg vd. 2008). Son 10 yılda QWIP ler orta dalga boyu (3-5 µm) ve uzun dalga boyu (8-12 µm) kızılötesi spektral aralığında ulaştıkları mükemmel performans sayesinde teknolojik olarak olgunluk seviyesine ulaşmış durumdadır. QWIP lerle ilgili olarak tasarım, modelleme, karakterizasyon konularını içeren birçok makale yayımlanmış olup bunlar özellikle dalgaboyunun ayarlanabilmesi, geniş spektral bant özelliği ve çok renkli işlem üzerine yoğunlaşmıştır. Bunun da ötesinde megapiksel boyutta oldukça yüksek homojeniteye sahip QWIP FPA ler için mümkün olan çeşitli geniş aralıklı uygulamalar da yayımlanmıştır. AlGaAs/GaAs malzeme sistemi QWIP ler içinde en yaygın olarak kullanılan yarıiletken malzeme sistemidir. AlGaAs/GaAs tabanlı QWIP ler geniş formatlı FPA fabrikasyonu ve işleme teknolojilerini geliştirmek için mükemmel bir seçimdir (Bandara vd. 2005). Olgunlaşmış GaAs teknolojisine dayanan QWIP ler, özellikle Uzun Dalga Boyu (LWIR) FPA lar için, daha iyi homojenlik ve düşük üretim maliyeti sağlamaktadır. Ancak standart AlGaAs/GaAs QWIP ler, sahip oldukları düşük kuantum verimliliği nedeniyle özellikle çok yüksek resim hızları gerektiren termal görüntüleme sistemlerinde kullanım yeri bulamamaktadır. Bunun yanında QWIP teknolojisi göreceli olarak yenidir. Yeni malzeme sistemleri ve kuantum kuyu yapıları üzerinde yapılan çalışmalarla kendini hala geliştirmektedir. 32

52 Dünyada kızılötesi sensör teknolojisi üzerinde çalışmaların başlaması ve bu teknolojinin üretime aktarılıp ticarileştirilmesi arasında 20 yıla yakın bir süre geçmiştir. Ülkemizde bu konu üzerinde yapılan çalışmalar arasında önemli yeri olan ODTÜ de ise günümüzden 12 yıl önce sıfır altyapı ile çalışmalara başlanmış ve çok hızlı bir şekilde ilerleme kaydedilmiştir. Bu çalışmaların ana hedefi Türk Ordusuna çok yüksek performanslı termal görüntüleme yeteneğinin tamamıyla milli imkanlarla kazandırılması ve bu yeteneğin sürekli olarak geliştirilmesidir. 4 yıllık bir süreçte bilgi birikmi ve yetenek ile 128x128 formatlı kızılötesi sensör dizinleri tamamıyla ODTÜ de fabrike edilecek düzeye gelmiştir. Daha sonra geniş formatlı (640x512) LWIR sensör dizini üretim yeteneği 2 yıldan daha kısa bir süre içinde geliştirilmiş ve endüstriye transfere hazır hale getirilmiştir. Günümüzde ODTÜ bu formatta kızılötesi sensör dizini üretebilen dünyadaki sayılı kuruluşlar arasındadır. Dünyada bir ilk olarak QWIP ler için yeni bir malzeme sistemi olan InP/InGaAs yarı-iletkensistemiyle ilk çok geniş formatlı (640x512) QWIP FPA başarılı olarak ODTÜ de fabrike edilmiştir. Bu sensör standart malzemelerle fabrike edilen sensörlere göre onlarca kat daha yüksek tepkisellik vermektedir (Anonim 2002). İki renk QWIP FPA lerin çoğunda üç ayrı kontak (three bump) yaklaşımı farklı bantlardaki dedektör çıkışlarının eşzamanlı entegrasyonunu sağlamak için kullanılır. Ancak bu tasarım FPA doldurma (fill) faktörünü düşürmekte ve fabrikasyon sürecini önemli ölçüde karmaşıklaştırmaktadır. Son zamanlarda ODTÜ de ticari entegre okuma devreleri kullanılarak gerilimi ayarlanabilir iki renkli 640x512 MWIR/LWIR FPA ler yapılmıştır. Çift bantlı sensörlerde geleneksel FPA üretim süreci uygulanmaktadır. Her bir piksel için sadece bir indium yumru ile tek bant dedektörlerin maliyet ve veriminde geniş formatlı dizinleri fabrike etmek mümkündür. MWIR modunda (düşük eğilimleme - genellikle 2V), eğilimlemenin çoğu LWIR yığından daha düşük ışık tepkisi ile MWIR yığını üzerine düşer. LWIR modunda (yüksek eğilimleme- genellikle 4V) MWIR yığını karanlık akım limitli duruma girmeye başlar ve LWIR tepkiselliği doyuma gider. (Rogalski 2010). Şekil 2.12 de tipik bir QWIP içindeki düşük bant aralıklı bir yarıiletkenin (kuantum kuyu malzemesi), daha yüksek bant aralığına sahip iki yarıiletken tabaka (bariyer 33

53 malzemesi) arasında oluşturduğu sandviç yapısı gösterilmektedir. Kuantum kuyusundaki enerji durumları ayrık enerji seviyelerine sahiptir. Bu ayrık enerji seviyeleri QWIP in tepe algılama dalga boyunu belirlemektedir. Ayrık enerji seviyeleri, kuantum kuyularının genişliğinin veya bariyer malzemelerinin kompozisyonun değiştirilmesi ile ayarlanabilmektedir. Bu tasarımcıya büyük bir esneklik sağlamakta ve VLWIR da (>12 µm) bile kızılötesi ışığın algılanmasını mümkün kılmaktadır. QWIP lerin, dar bant aralıklı fotodiyotlarla karşılaştırıldığında yüksek üretim verimliliğine, yüksek enerjili ışımaya dayanıklılığına (radiation hardness) sahiptir ve HgCdTe sensörlerin performansını önemli ölçüde etkileyen 1/f gürültüsü QWIP sensörlerde yoktur. AlGaAs/GaAs malzeme sistemine ek olarak, QWIP yapılarında InGaAs/InAlAs, InGaAs/InP, GaAs/GaInP, GaAs/AlInP ve InGaAs/GaAs malzeme sistemleri de kullanılabilmektedir. Elektron Bariyer Kuyu Bariyer Boşluk Şekil 2.12 Geniş bant aralıklı iki bariyer malzemesi arasında yer alan dar bant aralıklı malzemenin oluşturduğu kuantum kuyusunun yapısı (Özer 2005) Katkısız fotodedektörlerin tersine, kuantum kuyuları katkılanmalıdır çünkü en alt durumdaki alt bant (şekil 2.12 deki E 1 ) soğrulmanın sağlanması için elektronları bünyesinde bulundurmalıdır. Kuantum kuyuları, malzeme sistemine ve kullanılan yapıya göre n-tipi veya p-tipi olabilir. Genellikle n-tipi katkılama kullanılmaktadır. n-tipi QWIP lerde bazı kuantum mekanik seçme yasaları sebebiyle kuantum kuyusuna normal doğrultuda gelen ışımanın soğrulması mümkün değildir. Elektromanyetik radyasyonun kuantum kuyusuna normal olmayan bir polarizasyon bileşeni olmalıdır. Bu 34

54 yüzden, ışımayı dağıtarak, tekrar kuantum kuyularına yansıtarak soğrulmayı sağlayacak ızgara yapıları kullanılmaktadır (Levine 1993). Şekil 2.13 de optik ızgara yapısına sahip bir QWIP gösterilmiştir. Şekilde gösterildiği üzere, gelen ışıma tabanın arka tarafından gelmektedir ve ızgara yapısının hemen üzerindeki yansıtıcı metal katmanından yansımaktadır. Dağıtılmış ve yansımış ışık farklı yönlerde ilerler ve kuantum kuyularına normal olmayan polarizasyon bileşenlerine sahip olur. Reflektör ve Izgara Yapısı Bariyerler Kuantum Kuyuları Gelen Radyasyon Şekil 2.13 Optik ızgara yapısına sahip bir QWIP pikseli ve bu piksel içerisinde gelen radyasyonun takip ettiği yol (Özer 2005) Şekil 2.14 de bir QWIP e ait iletim bandının eğilimleme gerilimi uygulanmasından önceki ve sonraki durumları gösterilmektedir. Elektronlar emetör kontağından enjekte edilmiş ve kollektör kontağından toplanmıştır. Dedektör karanlık koşullardayken (gelen ışık yokken), termal olarak oluşan taşıyıcıların sebep olduğu bir karanlık akım cihaz içinde akmaktadır. Alt bant enerji aralığından daha yüksek enerjili fotonlar soğrulduğunda, foto-üretilmiş elektronlar ikinci alt banda veya sürey (continuum) durumuna (bu durumlar bariyerin iletim bandı enerji seviyesinin hemen üzerindeki enerjileri kapsar) geçer ve böylece fotoakım oluşturur. 35

55 Bariyer Emetör Kuyu Kollektör (a) Foton Emetör Kollektör (b) Şekil 2.14 Bir QWIP sensörün enerji bandı diyagramının aldığı şekil (Özer 2005) a. gerilim yokken, b. gerilim uygulandığında QWIP ler ikinci alt bantlarının konumuna göre üç grupta sınıflandırılırlar; bağlı-bağlı (ikinci alt bant enerjisi, bariyer enerjisi seviyesinin biraz altında), bağlı-yarıbağlı (ikinci alt bant enerjisi, bariyer enerjisi seviyesine neredeyse eşit) ve bağlı-sürey (ikinci alt bant enerjisi, bariyer enerjisi seviyesinin biraz üzerinde). Şekil 2.15 de bu üç sınıf enerji bant diyagramları ile gösterilmiştir. Bağlı-bağlı ve bağlı-yarıbağlı QWIP lerde ikinci alt banttaki uyarılan elektronların bariyerin tepesinden tünelleyip süreydeki fotoakıma katkıda bulunması için yüksek bir elektrik alan gerekmektedir. Bu durum, şekil 2.15 de gösterildiği gibi bağlı-sürey QWIP ler için gerekli değildir çünkü geçiş bandı zaten süreyde bulunmaktadır. 36

56 Sürey durumları (continuum states) Bağlı Durum Yer durumu (Ground state) Yarı Bağlı Durum (Quasi bound state) Yer durumu Yer durumu (a) (b) (c) Şekil 2.15 QWIP lerin enerji bandı diyagramları (Liu 2000) a. Bağlı-bağlı, b. bağlı-yarı bağlı, c. bağlı-sürey. Bağlı-bağlı QWIP lerde bulunan güçlü elektrik alanı, bariyerlerin içinden ardışık tünellemeyi artırır. Ancak, tünelleme ile oluşan karanlık akım kalın bariyerler kullanılarak azaltılabilir (Liu 2000). Bağlı-sürey QWIP lerde, foto-uyarılmış elektronun süreye geçmesi için bariyerin tepe noktasından tünelleme yapmasına gerek yoktur. Bu yüzden, foto-uyarılmış elektronların toplanması için gereken eğilimleme, bağlı-bağlı QWIP lerle karşılaştığında çok daha azdır. Bunların yanı sıra, tünellemeye gerek olmadığından bariyer sınırsız bir şekilde genişletilebilir. Ancak bariyer uzunluğu arttığında kazanç (g) düşer. Fotodiyotlar ile karşılaştırıldığında, ikinci alt banttaki durumların enerjisel olarak lokalize olmasından dolayı, QWIP lerde daha dar soğurulma spektrumu genişliği bulunmaktadır. Diğer bir taraftan da spektral genişlik, aynı dedektörde farklı tepe soğurma dalga boylarına göre ayarlanmış kuantum kuyularının kullanılmasıyla artırılabilir. Çok-renkli ve çok-bantlı QWIP lerin gerçekleştirilmesi de aynı yaklaşımla mümkündür QWIP karanlık akımı Karanlık akım (Dark Current), dedektör üzerine düşen ışımadan bağımsız olan akımdır. QWIP karanlık akımı QWIP in çalışma sıcaklığını belirleyen en önemli etkenlerden biridir. Bu nedenle karanlık akıma neden olan faktörlerin iyi anlaşılması gerekmektedir. Karanlık akımın yüksek olmasının FPA üzerinde iki etkisi vardır: 37

57 Piksellerdeki gürültüyü arttırarak sinyal/gürültü oranının düşmesine neden olur. Okuma devresi (ROIC) kapasitörlerinin hızlı bir şekilde dolmasına neden olarak entegrasyon süresinin kısalmasına ve dolaylı olarak sensör hassasiyetinin düşmesine neden olur. QWIP lerdeki karanlık akım sıcaklığa bağlı olduğundan çalışma sıcaklığını düşürerek karanlık akım seviyesini düşürmek mümkündür. Ancak bu, soğutma gereksinimlerini ve güç tüketimini arttırır ve soğutucu ömrünü önemli ölçüde kısaltır. Serbest iletim bandındaki elektron hareketleri ve kuantum kuyularında gerçekleşen yakalama (capture) ve yayma (emission) süreçleri QWIP in karanlık akımını belirlemektedir. Yakalama ve yayma süreçleri Şekil 2.16 da gösterilmektedir. Elektrik alan altında serbest olan sürey elektronları sürüklenmekte ve dedektör karanlık akımını oluşturmaktadır. Şekil 2.16 Yakalama ve yayma süreçlerinin kuantum kuyusu enerji bant diyagramı üzerinde gösterimi (Özer 2005) Sürey elektronlarının sürüklenmesi neticesinde ortaya çıkan akım yoğunluğu şekilde J 3D ile gösterilmiştir. Termal enerji sayesinde uyarılan iki boyutlu (2-D) elektronlar yer 38

58 durumlarından (ground states) sürey durumlarına geçer. Bu geçiş sırasında elektronlar kuantum kuyusunda yer alan alt bantta boş durumlar bırakırlar. Kalıcı duruma (steady state) ulaşıldığında kuyudaki elektron yoğunluğu yakalama ve yayma süreçleri ile sabit tutulur. Sürey elektronunun kuantum kuyusundaki enerji durumlarına yakalanma olasılığı (p c ) olarak tanımlanmaktadır. QWIP lerin tipik bir akım-voltaj grafiği Şekil 2.17 de verilmektedir. QWIP ler simetrik tek kutuplu (unipolar) bir yapıda olmasına karşın I-V karakteristiği simetrik değildir. Bu asimetri katkılama atomlarının büyütme sırasında büyütme doğrultusunda göçü sonucu oluşmaktadır (Liu vd. 1993). Bu işlem çoklu kuantum yapısında yer alan bariyerlerin büyütme yönüne ters olan kısmının enerji seviyesini düşürmektedir. Sonuç olarak bariyerlerdeki asimetri pozitif ön gerilimleme altında kuantum kuyularında hapsolmuş elektronların termal enerji yardımıyla kaçış olasılığını arttırmaktadır. Şekil 2.17 Bir QWIP sensörün tipik Akım-Voltaj grafiği (Özer 2005) QWIP karanlık akımı formülü şu şekilde verilebilir: I D ( V ) = q n( V ) v( V ) A...(2.13) Bu eşitlikte q elektron yükünü, n 3-D elektronların (sürey elektronları) yoğunluğunu, v elektronların sürüklenme hızlarını (drift velocity) ve A dedektör alanını 39

59 simgelemektedir. Termal enerji sayesinde alt banttan sürey durumlarına yükselen sürey elektronlarının yoğunluğu ise aşağıda verilmektedir (Levine 1993): * m n( V ) = ( 2 πµ L P E ) 0 f ( E) T ( E, V ) de...(2.14) Bu eşitlikte m* elektron etkin kütlesini (effective mass), L P süper örgü periyodunu, f(e) Fermi faktörünü, E 0 yer durum seviyesini ve T(E,V) gerilime bağlı olarak değişen tünelleme akım iletim faktörünü simgelemektedir. Fermi faktörü ise aşağıdaki şekilde verilmektedir: f 1 ( E) = ( E E E + f )...(2.15) 0 kt 1 e Bu eşitlikte E f iki boyutlu Fermi enerji seviyesini simgelemektedir. Elektronların sürüklenme hızları elektrik alan değerine bağlıdır. Düşük elektrik alanlar için sürüklenme hızları elektrik alanla doğrusal olarak değişir. Yüksek elektrik alanlarda ise elektron hızları doyuma ulaşır. Elektrik alan ile elektron sürüklenme hızı arasındaki bağıntı aşağıdaki şekilde verilmektedir: 2 µ F v( V ) = µ F 1+...(2.16) v s Bu eşitlikte µ mobiliteyi, F ortalama elektrik alanı ve v s doymuş elektron hızını simgelemektedir. Karanlık akım genel olarak üç mekanizma tarafından oluşturulmaktadır. Bunlar yer durumları arasında tünelleme, termal enerji yardımıyla tünelleme ve termiyonik emisyondur. Bu mekanizmalar Şekil 2.18 de gösterilmektedir. Termiyonik emisyon ve termal enerji yardımıyla tünelleme QWIP lerin tipik çalışma sıcaklığı olan 70 K sıcaklıkta toplam karanlık akımı oluşturan etkili mekanizmalardır. Elektronların bariyer 40

60 içerisinden tünelleme miktarı bariyerin kalınlığına ve kompozisyonuna bağlıdır. Al x Ga 1-x As/GaAs QWIP ler için bariyer içerisinden tünelleme akımının malzeme kompozisyonuna (x) ve bariyer kalınlığına bağlı olarak değişimi şekil 2.19 da verilmektedir. Şekil 2.18 Kuantum enerji-bant diyagramı üzerinde karanlık akımı oluşturan mekanizmaları (Özer 2005) 1. Termiyonik emisyon, 2. Termal enerji yardımıyla tünelleme, 3. yer durumları arası tünelleme Şekil 2.19 Al x Ga 1-x As/GaAs QWIP ler için bariyer içerisinden tünelleme akımının malzeme kompozisyonuna (x) ve bariyer kalınlığına bağlı olarak değişimi 41

61 İkinci alt-bandın kuantum kuyusu içerisindeki pozisyonu termiyonik emisyon veya foto emisyon için gerekli enerji miktarlarını belirlemektedir. Bağlı-sürey (bound-tocontinuum) QWIPlerde ikinci alt-bant enerji seviyesi bariyer enerji seviyesinin biraz üzerindedir. Bu nedenle termiyonik emisyon foto emisyona göre daha az enerji gerektirmektedir ve alt-bantlardaki elektronlar sürey durumlarına daha kolay bir şekilde çıkabilmektedir. Bu yapı karanlık akımın yüksek olmasına neden olmaktadır. Bunun yanında bağlı-yarıbağlı QWIP lerde foto emisyon ile termiyonik emisyon için gerekli enerjiler yaklaşık aynı seviyededirler. Bu yapıdaki karanlık akım bağlı-sürey QWIP lerdeki karanlık akıma göre çok daha düşüktür (Liu 2000). Termal enerji yardımıyla tünelleme bariyerde yer alan tuzak (trap) seviyeleri üzerinden gerçekleşir. Bu mekanizmayı engellemek için bariyer malzeme kalitesinin oldukça yüksek olması gerekmektedir. Bu amaçla InP gibi alüminyum içermeyen yarıiletken malzemelerden oluşan bariyerler kullanılabilmektedir. Termiyonik emisyon ise içkin (intrinsic) bir mekanizma olduğu için kaçınılması mümkün değildir. Termiyonik emisyon mekanizmasının özellikle sensörün çalışma sıcaklığını ve kesim dalga boyunu belirlerken dikkate alınması gerekmektedir eşitliği QWIP düşük öngerilimleme ile çalışıyorken daha basit hale getirilebilir. Bu durumda enerji E bariyer enerjisinden (E b ) daha düşük ise tünelleme faktörü (T(E)) sıfır olarak kabul edilebilir. E>E b olduğu durumda ise tünelleme faktörü 1 e eşittir (T(E)=1). Bu varsayımlarla 3-D elektron yoğunluğu aşağıdaki şekilde hesaplanabilir: n * P ( Ec E f ) kt * 2 = ( m kt / π h L ) e...(2.17) Bu eşitlikte spektral kesim enerjisi E c =E b -E 1 olarak tanımlanmaktadır. Sonuç olarak karanlık akımı ile çalışma sıcaklığı ve kesim dalga boyu arasındaki ilişki şu şekilde verilmektedir: I d ( Ec E f ) kt / Tαe...(2.18) 42

62 Yukarıdaki eşitlik karanlık akımın sıcaklığa ve kesim dalga boyuna nasıl bağlı olduğunu göstermektedir. Buradan görülmektedir ki karanlık akım sıcaklık ve kesim dalga boyu ile hızlı bir şekilde değişmektedir QWIP fotoakımı Fotonların soğrulması ile yüksek enerji seviyelerine çıkan foto elektronlar kuantum kuyusu içerisinde boş enerji durumları bırakmaktadır. Bu boş durumlar emetör kontağından sağlanan ekstra enjeksiyon ile doldurulur. Emetör kontağından sağlanan bu ekstra enjeksiyon fotoakım olarak tanımlanır. Fotoakımın oluşumu ve emetör kontağındaki enjeksiyon şekil 2.20 de gösterilmektedir. Foto uyarım sonucu boşalan enerji durumlarını doldurmak üzere emetör kontağından ekstra elektronların gönderilmesi gerekmektedir. Emetör kontağı civarındaki kuyulardan elektronların boşalması sonucu bu bölgede elektrik alan artar ve enerji bant diyagramı daha eğimli hale gelir. Bu durum enerji bant diyagramı ile şekil 2.21 de gösterilmektedir. Burada oluşan yüksek elektrik alan daha fazla sayıda elektronun emetör kontağından içeriye geçişini sağlamaktadır. (a) Şekil 2.20 a. Karanlık ortamda yakalama ve emisyon süreçleri, b. aydınlık ortamda ekstra enjeksiyon ve yakalama süreçleri (Özer 2005) (b) 43

63 Şekil 2.21 Foto uyarım sonucu boşalan kuyular emetör kaynağı ile kuyu arasında ekstra elektrik alan oluşturur ve bu gerekli enjeksiyonu sağlar (Özer 2005) Fotoakım formülü aşağıda verilmektedir: i p = qf ηg...(2.19) foton Bu eşitlikte q elektron yükünü, F foton birim zamanda gelen foton miktarını (1/s) ve η kuantum verimliliğini simgelemektedir. Kuantum verimliliği aşağıdaki şekilde ifade edilebilir: η = NWη 1...(2.20) Bu eşitlikte ise N W toplam kuantum kuyusu sayısını ve η 1 tek kuantum kuyusunun sahip olduğu kuantum verimliliğini simgelemektedir numaralı eşitlikte geçen g foto iletim kazancıdır ve aşağıdaki şekilde yazılabilir: e g...(2.21) N p W p c Bu eşitlikte p e ve p c sırasıyla emisyon ve yakalama olasılıklarıdır. Sensör pikseline düşen foton miktarı ise aşağıdaki ifade ile verilebilir: F = Φ ΩA...(2.22) B det 44

64 Yukarıdaki eşitlikte Ф B (1/cm sr s) hedef tarafından yayılan ve sensör pikseli üzerine düşen foton akısını, Ω hedefin kapsadığı katı açıyı ve A det QWIP alanını simgelemektedir. Foto iletim kazancı kuantum kuyularında boşalan durumları tekrar doldurmak amacıyla emetör kontağından sağlanan ekstra enjeksiyon sonucu oluşur. Enjeksiyonu sağlanan elektronların sadece küçük bir bölümü kuantum kuyuları tarafından boşalan durumları doldurmak üzere yakalanır. Bu nedenle sağlanan enjeksiyon miktarı yakalanan elektron sayısına göre daha fazladır. Toplam kuantum verimliliği (η) kuantum kuyusu sayısına (N W ) orantılı olduğunu varsayılabilir. Bu durumda fotoakım N W den bağımsızdır çünkü g, N W ile ters orantılıdır. Bağlı-sürey geçişleri için p e yaklaşık bire eşittir. Çünkü bu durumda elektron doğrudan sürey durumlarına geçer ve kuyudan çıkar. Bu tür QWIP lerde foto iletim kazancı şu şekilde verilebilir: 1 g N p...(2.23) W c Bunun yanında bağlı-bağlı (bound-to-bound) QWIP ler için foto uyarım sonrası elektronun kuantum kuyusundan kaçışı için belirli bir sürenin geçmesi gerekmekte ve dolayısıyla kaçış olasılığı düşmektedir. Bunun sonucu olarak da foto iletim kazancı düşmektedir. Öte yandan bağlı-bağlı QWIP lerde osilatör gücü (oscillator strength) yüksek olduğu için soğurma kuantum verimliliği diğer QWIP tiplerine göre daha yüksektir. QWIP sensörün fotoakımı mümkün olduğunca yüksek seviyede olmalıdır. Fotoakım kuantum verimliliği ve foto iletim kazancı yüksek tutularak arttırılabilir. Foto iletim kazancı yakalama olasılığı düşürülerek arttırılabilir. Yakalama olasılığı ise uygulanan gerilim arttırılarak düşürülebilir. Yüksek elektrik alan altında elektronlar enerji kazanır ve bu sayede yakalama olasılığı düşer ve foto iletim kazancı yükselir. Bunun yanında karanlık akım da uygulanan gerilimle birlikte artar. Fotoakımın ve karanlık akımın 45

65 uygulanan gerilimle beraber artması QWIP in performansında net bir kazanç sağlamaz. Bununla birlikte sensör ROIC ile tümleştirildiğinde, sensör /ROIC h,bridinin duyarlılığının ROIC gürültüsü ile sınırlı olmaması için uygulama koşullarına bağlı olarak sensörün kazancının belirli bir seviyenin altına inmemesi gerekir. Foto iletim kazancı aşağıdaki gibi de verilebilmektedir (Levine 1993). ντ g = L...(2.24) l Bu eşitlikte ν elektron sürüklenme hızını, τ L elektron yaşam süresini ve l çoklu kuantum yapısının uzunluğunu simgelemektedir. Yukarıdaki eşitlikten foto iletim kazancının elektronların bariyerdeki taşınmasına önemli ölçüde bağlı olduğu görülmektedir. Bazı malzeme sitemleri foto iletim kazancını arttıran yüksek mobilite ve yaşam ömrü gibi daha iyi taşıma özellikleri sunmaktadırlar. şekil 2.22 de foto iletim kazancının uygulanan gerilime bağlı olarak değişimi tipik bir QWIP için verilmektedir. Şekildeki noktalar alınan deneysel sonuçları göstermektedir. Elektronlar yüksek gerilimler altında enerji kazandıkça daha yüksek enerji seviyelerine sahip L ve X vadilerine geçmekte bu da elektronların hızlarını kesmektedir. Sonuç olarak elektronlar yüksek gerilimler altında yüksek enerjili vadilere geçtikçe sensör kazancı düşmektedir. 46

66 Şekil 2.22 Tipik bir QWIP yapısı için kazancın gerilime bağlı olarak değişimi QWIP lerin algılama spektrumu Yer durumu ile uyarılmış durum arasındaki enerji farklılığı QWIP in tepe algılama dalga boyunu belirler. Tepe algılama dalga boyu (λ p ) aşağıdaki eşitlikte verilmektedir. 2πhc λ p =...(2.25) E E m 1 Bu eşitlikte E 1 yer durumu enerji seviyesini ve E m foto uyarım sonucu elektronun sahip olduğu uyarılmış enerji seviyesini vermektedir. Bağlı-sürey geçişleri için, farklı alüminyum (Al) moleküler oranları (x) ve kuyu genişliklerine bağlı E 1 ve E m seviyelerinin değişimi şekil 2.23 de verilmektedir. Şekilde ayrıca tepe algılama dalga boyunun kuyu genişliğine ve alüminyum mol oranına bağlı olarak değişimi verilmektedir. 47

67 Şekil 2.23 Bağlı-sürey geçişleri için farklı alüminyum moleküler oranları (x) ve kuyu genişliklerine bağlı: a. E1 ve Em seviyelerinin değişimi, b. tepe algılama dalga boyunun değişimi (Choi 1997, 2000) Bağlı-yarıbağlı geçişlerde E 2 seviyesi bariyer yüksekliği ile aynı hizadadır QWIP lerin tepkiselliği QWIP lerin mutlak tepe tepkiselliği aşağıdaki şekilde verilebilir: R p e = ηg...(2.26) hν Bu eşitlikte e elektronik yükü, h Plank sabitini, ν foton frekansını, η kuantum verimliliğini ve g foto iletim kazancını simgelemektedir. Standart AlGaAs/GaAs QWIP ler için kazanç 0.2 ile 0.5 arası değişmektedir. 48

68 Şekil 2.24 Farklı tiplerdeki QWIP ler için algılama spektrum şekilleri Deneysel olarak elde edilmiş bağlı-bağlı, bağlı-yarıbağlı ve bağlı-sürey QWIP ler için responsivitenin uygulanan gerilime bağlı olarak değişimi şekil 2.24 de verilmektedir (Levine 1993). Responsivite gerilimle lineer olarak artmakta ve yüksek gerilimler altında aygıt kazancının doyuma ulaşması neticesinde doyuma ulaşmaktadır. Bağlı-bağlı QWIP ler için responsivite gerilim belirli bir değere ulaştıktan sonra yükselmeye başlamaktadır. Bu durumda foto elektronların kuyudan kaçabilmesi için elektrik alanın belirli bir değere ulaşması gerekmekte ve uygulanan gerilim belirli bir değer ulaştıktan sonra bu durum yakalanabilmektedir. Tepkiselliğin kuantum kuyusu katkılama seviyesine ve uygulanan gerilime bağlılığı Gunapala ve ekibi tarafından incelenmiştir ve R p nin N D (λ/ λ) ile orantılı olduğunu bulmuşlardır (Gunapala vd. 1991). Bu gözlem responsiviteyi iyileştirmek için kuantum kuyularının katkılama seviyesinin artırılabileceğini göstermektedir. Bu, diğer bir yandan da, daha fazla termal uyarılma sebebiyle karanlık akımda da artışa sebep olmaktadır. Katkılama yoğunluğu, bu birbirine karşı etkiler göze alınarak optimize edilmelidir. 49

69 Şekil 2.25 Bağlı-bağlı (siyah), bağlı-yarıbağlı (kahverengi) ve bağlı-sürey (kırmızı, mavi, menekşe, yeşil) QWIP ler için responsivitenin uygulanan gerilime bağlı olarak değişimi (Levine 1993) QWIP lerde gürültü seviyesi Yüksek performanslı QWIP lerde, sinyal-gürültü seviyesi mümkün olduğunca yüksek olmalıdır. QWIP lerdeki kayda değer gürültü kaynakları arasında Johnson gürültüsü, karanlık akım gürültüsü, foton gürültüsü ve okuma devresi (anahtar) gürültüsü sayılabilir. Johnson gürültüsü aşağıdaki şekilde verilebilir: i 2 n, j kt = 4 R diff f...(2.27) Bu eşitlikte f ölçüm bandı genişliğini ve R diff aygıt diferansiyel direncini simgelemektedir. Belli bir gerilimdeki QWIP teki Johnson gürültüsü, akım-gerilimi karakteristiğinden kolaylıkla hesaplanabilmektedir. Karanlık akım gürültüsü ve foton 50

70 gürültüsü ile karşılaştırıldığında; özellikle uygulanan gerilim kt/qg den büyükken; Johnson gürültüsü kritik değildir (Xing vd. 1994). Karanlık akım gürültüsü kaçma ve yakalama mekanizmaları tarafından oluşmaktadır. Karanlık akım gürültüsü fiziksel olarak g-r gürültüsüne benzer. Hatta literatürde karanlık akım gürültüsü genellikle g-r gürültüsü olarak adlandırılmaktadır. Karanlık akım gürültüsü aşağıdaki şekilde verilmektedir: i 2 n, dark = 4eg I f n d...(2.28) Bu eşitlikte g n gürültü kazancını ve I d cihaz karanlık akımını simgelemektedir. G-r gürültüsü ve Johnson gürültüsü istatiksel olarak bağımlı olmadığı için karanlık koşullar altında toplam QWIP gürültü akımı aşağıdaki şekilde verilebilir: i n i n, J + i n, dark =...(2.29) Karanlık koşullar altında gerilim uygulanan bir QWIP için g-r gürültüsü çok baskındır. Böylece, fotoiletken ve gürültü kazançlarının belli büyüklükteki uygulanan gerilimlerinde aynı olduğunu farz edersek, fotoiletken kazanç aşağıdaki denklem ile bulunabilir: g p 2 i n, dark = 4 ei f d...(2.30) Foton gürültüsü, arka plan fotonları tarafından üretilen fotoakım tarafından oluşur. Foton varış hızındaki dalgalanma bu gürültünün kaynağını oluşturur. Fotoiletkenler için foton gürültü akımı aşağıdaki gibi verilmektedir: i 2 n, B 2 2 = 4 e g pφ f...(2.31) B 51

71 Burada Ф B dedektör tarafından soğrulan arka plan fotonlarının sayısını, g p ise fotoiletken kazancı simgelemektedir. Yukarıdaki eşitliklerden görüldüğü gibi, g-r gürültüsü gürültü kazancının kareköküyle doğru orantılıdır, bunun yanında foton gürültü akımı ise fotoiletken kazancıyla doğrusal orantılıdır. Son olarak, okuma devresi (anahtar) gürültüsü aşağıdaki gibi verilmektedir: v 2 n, rms kt =...(2.32) C Eşitlikte C toplam okuma devresi kapasitansını göstermektedir (Pan ve Fonstad 2000). Karanlık akım, sıcaklığa bağlı bir fonksiyondur ve yüksek sıcaklıklarda karanlık akım gürültüsü QWIP performansını sınırlandırmaktadır. Diğer bir taraftan, düşük sıcaklıklarda foton gürültüsü sınırlandırıcı mekanizmayı oluşturur. Foton gürültüsünün baskın olduğu bu çalışma durumuna arka planla sınırlandırılmış performansta (BLIP) çalışma durumu denmektedir. BLIP sıcaklığı (T BLIP ) karanlık akımın foto akıma eşit olduğu geçiş noktasıdır. Dedektörün çalışma sıcaklığı soğutma gereksinimlerini belirler ve bu sıcaklık olabildiğince yüksek olmalıdır. QWIP teknolojisine ait düşük BLIP sıcaklıkları, HgCdTe teknolojisi ile karşılaştırıldığında dezavantaj sağlamaktadır. Bu yüzden yüksek BLIP sıcaklıklarına çıkmak, gelecekte QWIP teknolojisinin başarısı için gereklidir. T BLIP i yükseltmek için termal jenerasyon/kuantum verimliliği oranı minimum hale getirilmelidir Kuantum kuyusu sayısının QWIP performansına etkisi Kuantum kuyusu sayısı (N w ) değiştirilmesi en kolay tasarım parametresidir. N w yi artırmak soğurma gücünü artırır. Diğer bir yandan cihazın uzunluğunun artırılması fotoiletken kazancı azaltmaktadır, bu da fotoakımın azalmasına yol açar. 52

72 Spektral akım responsivitesi şekli N w ye bağlı değildir ve fotoiletken kazancı kuantum kuyusu sayısıyla ters orantılıdır. Kuyu sayısının artması QWIP in tepkiselliğinde bir değişikliğe yol açmamaktadır. Şekil 2.26 da spektral soğurma kuantum verimliliğinin ve spektral tepkiselliğin kuantum kuyusu sayısı ile değişimi verilmiştir. Şekil 2.26 Spektral soğurma kuantum verimliliğinin ve spektral tepkiselliğin kuantum kuyusu sayısı ile değişimi (Steele vd. 1992) QWIP in dedektivitesi Dedektivite, birim alana normalize edilmiş ve birim çalışma bant aralığında çalışan dedektörün sahip olduğu sinyal-gürültü oranıdır. Tepe dedektivite aşağıdaki formülle gösterilmektedir: D * = R p i A f n...(2.33) Bu eşitlikte A dedektör alanını ve f çalışma bant aralığını göstermektedir. G-r gürültüsü QWIP in çalışmasını sınırlandırdığında, dedektivite yaklaşık olarak aşağıdaki şekilde verilebilir (Levine 1993): 53

73 D * η0 pe τ L =...(2.34) * 2hν n l Eşitlikte τ L uyarılmış bir elektronun ömrünü, n* kuyuların üstünde olan uyarılmış elektron sayısını, l aktif çoklu kuantum kuyusu alanının uzunluğunu ve η a soğurulma kuantum verimliliğini göstermektedir. Diğer bir taraftan QWIP BLIP durumunda çalışırken, dedektivite aşağıdaki gibidir: D * BLIP 1 η = 2 hνi B 1/ 2...(2.35) Bu eşitlikte I B arka plan ışımanın şiddetini ve η=η 0 p e net kuantum verimliliğini simgelemektedir. Yukarıdaki ifadeden aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir: Dedektivite g-r gürültüsü tarafından sınırlandırıldığında, η a, p e, τ L değerleri büyük, n * değeri küçük olmalıdır. Dedektivite arka plan ışıması tarafından sınırlandırıldığında, net kuantum verimi η=η a p e τ L büyük olmalıdır. Dedektivitenin çalışma sıcaklılığına bağlı olduğu şekil 2.27 de gösterilmektedir. Sıcaklığın BLIP sıcaklığından (T BLIP ) düşük olduğu durumda dedektivite, arka plan ışıması tarafından oluşturulan fotoakım tarafından sınırlandırılmaktadır. Sıcaklık T BLIP in üzerinde olacak şekilde artırıldığında, karanlık akım logaritmik olarak artmaktadır ve bu da yüksek gürültü ve düşük dedektiviteye neden olmaktadır. Bu durumda dedektiviteyi g-r gürültüsü sınırlandırır. Daha küçük, daha az güç harcayan ve uzun ömürlü Stirling tipi soğutucularının kullanılması için T BLIP olabildiğince yüksek olmalıdır. 54

74 Şekil 2.27 Dedektivitenin çalışma sıcaklığına bağlı olarak değişimi (Özer 2005) Dedektivite ile katkılama yoğunluğu arasındaki ilişki aşağıda verilmiştir (Gunapala vd. 1991). * ρ D α...(2.36) e ρ 1 Yukarıdaki ifadede ρ normalize edilmiş katkılama yoğunluğunu göstermektedir ve bu da aşağıdaki eşitlikle tanımlanır: N D n 0 ρ =...(2.37) N D katkılama yoğunluğunu simgelemekte, n 0 ise aşağıdaki denklemle gösterilmektedir: * m kt πh L w n0 2...(2.38) Dedektivitenin normalize edilmiş katkılama yoğunluğuna bağlı eğrisi şekil 2.28 de verilmiştir. Dedektivite katkılama değişimlerine hassas değildir. (Gunapala vd. 1991). Sonuç olarak MBE ile malzeme büyütülmesinde pul üzerinde yüksek değerde homojen 55

75 katkılama yoğunluğu değerleri elde edildiğinden (~1%), katkılamadaki homojensizlik, büyük formatlı FPA ların performansını sınırlandırmamaktadır. Şekil 2.28 Dedektivitenin normalize edilmiş katkılama yoğunluğuna bağlı değişimi (Gunapala vd. 1991) QDIP teknolojisi Genel olarak QDIP ler, QWIP lere benzerdir. Fakat kuantum kuyuları kuantum noktaları ile yer değiştirmiştir (Martiyniuk vd. 2008). QDIP ler üzerinde hala çalışmalar devam etmektedir ve QDIP ler teorik olarak QWIP lere kıyasla birçok avantajlara sahiptir. QDIP lerin QWIP lere göre beklenen avantajları arasında en önemlilerinden birisi QDIP peltier soğutucu ile elde edilebildiği kadar yüksek çalışma sıcaklığında çalışabilme kabiliyetine sahip olacaktır. Çünkü uyarılan elektronları kuantum noktalarına geçirme olasılığı oldukça küçüktür ve bu da uzun elektron ömrü ile sonuçlanır. Böylece daha yüksek fotoiletken kazanç elde edilir (Matsukura vd. 2005). Kuantum kuyusunda taşıyıcıların hapsedilmesi yalnızca 2 boyutla sınırlı değildir. Taşıyıcılar üç boyutta da sınırlandırılabilirler. Bu durum yarıiletken nanoyapılarda kuantum noktalar olarak adlandırılır. Kuantum nokta araştırmalarına ilk ilgi 1982 yılında Arakawa ve Sakaki nin yarıiletken lazerlerin performansını artırmak üzere teklif etmiş ve çalışmalar bu aygıtların aktif bölgede boyutlarının azaltılması yönünde olmuştur. Aktif bölgede boyutun indirgenmesine ait ilk çalışmalar, ıslak ve kuru kimyasal oyma ile birlikte 3-D yapılarını oluşturmak için çok düzgün litograf tekniği 56

76 üzerine yoğunlaşmıştır. (Rogalski 2009). Daha sonraları bu yaklaşımın bir takım kusurları özellikle kuantum noktaları performansına etki ettiği fark edilmiştir. İlk çalışmalar özellikle InGaAs nanometre boyutlu malzemenin GaAs üzerine büyütülmesi maksatlıdır de ilk epitaksiyel kusursuz kuantum nokta nanoyapılar MBE tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bir çok pratik kuantum nokta yapıları bugünlerde hem MBE de hem de MOCVD ile sentezlenmektedir (Rogalski 2008, 2009, Martyniuk 2008). Belirli büyütme koşulları altında, büyük örgü sabiti ile birlikte filmin kalınlığı kritik kalınlığı geçtiğinde, film içinde sıkıştırma zorlaması uygun ada oluşumu ile rahatlatılmaktadır. Bu adalar kuantum noktalarıdır. Uyumlu kuantum-nokta adaları genellikle Starnski-Krastanow büyütme modeli olarak bilinen bir işlev ile oluşturulur (Martyniuk ve Rogalski 2008). Büyütme işlevinin 2-D boyutlu tabaka tabaka büyütme modundan 3-D boyutlu ada büyütme moduna dönüşüm başlangıcı noktalı RHEED modelini verir. Bu durum genellikle gözlemlenen tabaka tabaka büyütme modeli için alışılagelmiş modelle uyuşmazlık içerisindedir. Tipik olarak geçiş, moleküller tek katman sayılarının belirli bir sayıya ulaşmasında gerçekleşmektedir. GaAs üzerine InAs için, bu geçiş InAs ın yaklaşık molekül tek katman sayısı 1.7 olduktan sonra gerçekleşir. Bu kuantum noktalarının oluşmaya başlaması anlamındadır. Diğer malzemelere ait oldukça geniş büyütme çalışmaları vardır. Bunlar InP üzerine InGaAl, GaSb üzerine InSb,Si üzerine InGaAs,Si üzerine Ge ve InGaP üzerine InGaAs şeklindedir (Martyniuk ve Rogalski 2008, Rogalski, 2009). Yakın çalışmalar kuantum nokta kızılötesi fotodedektörlerin (QDIP) kullanımında potansiyel avantajların olduğunu göstermektedir. HgCdTe kızılötesi dedektörler ile Superlattice dedektör teknolojileri arasında olan QDIP lerin kuantum mekanik doğası sonucu olarak QWIP lere göre bazı avantajları vardır. HgCdTe, QWIP ve Tip II superlattice teknolojileri QDIP lerin çoklu dalgaboyunda algılama özellikleri ile birlikte kuantum noktalarının enerji seviyeleri arasındaki boşluğun ayarlanması ve diğer bazı parametrelerin kontrol edilebilirliği açısından irdelenmesi gerekli konulardan birisidir. Bu bağlamda QDIP lerin QWIP lere göre avantajlarını sıralamak gerekirse; 57

77 QDIP lerin dedektör yüzeyine normal radyasyonla iç alt bandların soğurulmasına olanak sağlaması. QWIP lerde ise sadece büyüme yönüne dik gelen radyasyonun soğrulması (Soğurma Seçim Kuralı) Her üç yönde de enerji kuantalanması nedeni ile anlamlı miktarda ısıl elektronların miktarındaki azalma ve bunun sonucu olarak büyüyen elektron durulma zamanı. Dolayısıyla QDIP lerin HgCdTe dedektörlere göre çok daha düşük karanlık akım değerleri. Enerji kuantalanması sonucu QDIP te görülen bu etkinin QWIP ler ile gerçekleşmemesi. QDIP lerin HgCdTe fotodiyotlarla karşılaştırılabilir olduğu kabul edilir. Buna rağmen günümüze kadar QDIP teknolojisinin pratik ve deneysel olarak yukarıda bahsedilen avantajları kullanılabilir hale gelmemiştir. QDIP lerin en temel dezavantajı Stranski- Kranstanow büyütme modunda nokta boyutlarındaki değişimin, kuantum noktalarının genişliğinin homojen olmamasıdır. Bunun sonucu olarak optimal band genişliğinin kontrol edilememesi bir başka değişle, kuantum noktalarının boyut ve yoğunluklarının homojen olmaması denebilir (Rogalski 2009). Aktif ışığa hassas bölgenin birçok kısmında konvansiyonel kuantum kuyu fotodedektörlerin elektronik yapıları, bölgenin orta noktasında düzlem simetri yaklaşığında simetriktir. Kuantum kuyu dedektörleri için bir çok aygıt karakteristikleri simetriktir. Kuantum kuyu yapılarını asimetrik yapmak için ortak teknikler, kuyu kenarlarında denk olmayan engel yükseklikleri, eşit olmayan yasak enerji band aralığı engellerinin üst üste binmesi, ya da homojen olmayan katkılama engelleri şeklindedir. 58

78 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1 Sensör Üretim Aşamaları Sensör tasarım ve üretim aşamaları QWIP odak düzlem dizininin okuma devresi ile tümleştirilinceye kadar olan kısmını kapsamaktadır. Bu aşamalar sırasıyla taban oluşturma, algılayıcı malzeme tasarımı, algılayıcı malzeme büyütme, sensör işleme, hibrit tümleştirme, ve okuma devresi tasarım ve üretimi aşamalarını kapsamaktadır Taban oluşturma Sensör algılama malzemesi, bu malzeme ile uyumlu bir taban üzerine büyütülür. Taban malzemesinin yüksek saflıkta ve defektlerden arındırılmış olması gerekmektedir. Aksi takdirde taban malzemesinin sahip olduğu defektler bulundukları bölgede algılama malzemesinin kusurlu bir şekilde büyümesine neden olacak bu da en nihai olarak FPA de ölü/hasarlı piksellerin oluşmasına neden olacaktır. Taban malzemeleri tek kristal yapılardan oluşmaktadır. Yani tabanlarda atomlar mükemmel bir seviyede düzenli şekilde dizilmişlerdir. Düzenli taban yapısı algılayıcı malzeme için bir şablon oluşturmakta ve algılayıcı malzeme de taban malzemesi üzerine kristal şeklinde büyümektedir. Taban malzemesi ile algılayıcı malzemenin atomlar arası mesafeleri birbirine eşit olmalıdır. Aksi takdirde algılayıcı malzeme, büyütme işleminin ilk aşamalarında taban malzemesinin sahip olduğu atomlar arası boşluğu benimser. Ancak büyütülen algılayıcı malzeme kalınlığı arttırıldıkça taban malzemesi ile algılayıcı malzeme arasında stres oluşur. Bu stres algılayıcı malzemenin kalınlığı arttıkça algılayıcı malzemenin çeşitli bölgelerinde dislokasyonlara neden olmaktadır. QWIP sensörler için genel olarak algılayıcı malzeme sistemine bağlı olarak GaAs veya InP tabanlar kullanılır. Alternatif olarak QWIP epikatman yapılarının taban ile algılayıcı malzeme arasına stresi azaltıcı tampon malzemeleri kullanılarak silikon tabanlar üzerine 59

79 büyütülmesi de mümkündür. Okuma devresi de silikondan yapıldığı için sensörün silikon üzerinde olması termal ısı çevrimlerinde oluşan termal genleşme farklılığından kaynaklanan herhangi bir stres oluşmayacak ve FPA nın kullanım ömrü artacaktır. Bunun yanında sensör malzemesinin silikon üzerine büyütülebilmesi monolitik FPA lara olanak tanıyacak ve hibrit tümleştirme gibi üretim süreci basamaklarına ihtiyaç duyulmayacaktır. Ancak bu tür yaklaşımlarla günümüzde yeterli kalitede sensör malzemesi elde edilememektedir. Taban üretimi için genel olarak iki metot benimsenmiştir. Bu metotlardan biri Czochralski kristal büyütme metodudur. Bir Czochralski büyütme fırınının kesiti şekil 3.1 de gösterilmektedir. Bu yaklaşımda kuvars pota içerisine çok yüksek saflıktaki taban malzemesi yerleştirilir ve karbon ısıtıcılar yardımıyla bu malzeme eriyik hale getirilir. Bir sonraki adımda eriyik içerisine tek kristal yapıda bir çekirdek malzemesi dokundurularak yavaş bir şekilde çekilmeye başlanır. Eriyikten çekirdek malzemesi üzerinde katılaşan kısımlar, çekirdek kristal yapısını şablon olarak alır ve kristal halinde katılaşır. Çekme işlemine yeterli büyüklükte malzeme elde edilinceye kadar devam edilir. Büyütme işlemi neticesinde uzun ve silindirik bir şekle sahip olan ingot yapısı elde edilir. Ingot özel dilimleyiciler tarafından ince bir şekilde dilimlere ayrılarak tabanlar oluşturulur. Son olarak taban parlatma işlemi gerçekleştirilir ve böylece tabanlar üzerlerinde epikatman yapısı büyütülmeye hazır hale gelir. şekil 3.2 de bu süreçten çeşitli kesitler verilmektedir (Dahlen vd. 2004). Şekil 3.1 Czochralski kristal büyütme fırını ( edu/~jones/es 154/lecture2/materials/materials.html) 60

80 (a) (b) (c) Şekil 3.2 Taban büyütme işlemi sonrası elde edilen: a. Ingot, b. dilimlenmiş tabanlar, c. bir adet parlatılmış taban ( Czochralski metoduna alternatif olarak bridgman metodu da kullanılabilmektedir. Bridgman metodunda polikristal bir malzeme bir tüp içerisinde eritilir ve tüpün çekirdek malzemesi bulunan bir ucundan itibaren soğutulmaya başlanır. Soğuyan kısımlar aynı Czochralski metodunda olduğu gibi çekirdek malzemesini şablon olarak kullanarak kristalleşir (Dahlen vd. 1994). Taban malzemesinin kalitesi yanında taban malzemesinin çapı da QWIP lerin seri üretimindeki önemli parametrelerden biridir. Taban malzemesinin çapı ne kadar geniş olursa üzerinde bir seferde üretilebilen QWIP FPA miktarı da o kadar fazla olur. Bir taban üzerinde üretilebilecek FPA sayısı yaklaşık olarak tabanın çapının karesi ile doğru orantılıdır. Kızılötesi sensörler için kullanılacak tabanın özelliklerinin FPA tasarımında göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bu anlamda önemli olan taban özelliklerinden bir tabanın kızılötesi radyasyonu geçirgenliğidir. Hibrit FPA ların yapısı gereği FPA piksellerine radyasyon taban üzerinden geçerek düşmektedir. Sensörlere ulaşabilen foton sayılarında kayıp yaşanmaması için tabanın kızılötesi radyasyonu soğurmaması gerekmektedir. Bunu sağlamak için geniş bant aralıklı tabanlar kullanılmalıdır. Taban malzemesinin soğurduğu dalga boyları malzemenin sıcaklığına bağlıdır. 61

81 3.1.2 Algılayıcı malzeme tasarımı Taban elde edildikten sonra QWIP üretim basamaklarında sıra algılayıcı malzemenin katman yapılarının oluşturulmasındadır. QWIP katman yapılarının tasarımında kuantum kuyularının genişliği, kuantum kuyularının katkılama seviyesi ve şekli, bariyerleri oluşturan malzemenin kompozisyonu, kontak katmanlarının kalınlığı ve kuantum kuyularının sayısı gibi bir çok parametre göz önünde bulundurulmaktadır. Kuantum kuyularının genişliği ve bariyer malzemesinin kompozisyonu değiştirilerek sensörün algılama dalga boyu ve spektral cevabın genişliği ayarlanabilmektedir. Kuantum kuyularının sayısı ise soğurulan foton miktarının artmasına neden olmaktadır. Buna karşılık kuyu sayısı arttıkça QWIP in kazancı düşer ve kontaklara ulaşan foto elektron miktarında net bir performans artışı gözlenemez. Sensör işleme tasarımı açısından bakıldığında ise kuantum kuyularının sayısı arttıkça piksel yapılarının daha fazla miktarlarda aşındırılması gerekmektedir. Bu ise aşındırma işlemlerini zorlaştırmaktadır. Bu nedenlerle genel olarak QWIP FPA ların kuyu sayısı civarında tutulmaktadır. Bunların yanında kontak katmanlarının da uygun kalınlıklarda seçilmesi gerekmektedir. Kuantum verimliliğini arttırmak amacıyla QWIP piksellerinin en tepesinde optik ızgara yapıları oluşturulmaktadır. Şekil 3.3 de optik ızgara yapısı ve üst kontak katmanının yapısı gösterilmektedir. En üstte yer alan kontak katmanının kalınlığı en az, en iyi performans sergileyen optik ızgara yapısının derinliği kadar olmalıdır. Aksi takdirde, optik ızgara yapıları daha düşük verimlerde çalışır ve QWIP sensör için en iyi kuantum verimliliğine erişilemez. Alt kontak kalınlığı da sensör üretimi açısından önem taşımaktadır. Alt kontak tabakası iletken bir tabakadır ve FPA üzerindeki bütün piksellere ortak bir elektriksel temas sağlar. Kontak kalınlığının ince tutulması durumunda özellikle geniş alanlarda mesa yapılarının aşındırılması sırasında oluşabilecek homojensizliklerden ötürü aşındırılan bölgelerin bir kısmı yalıtkan tabana kadar ulaşabilir. Bu tip bölgelerde yer alan pikseller 62

82 ile okuma devresi arasında kapalı bir devre oluşturulamaz ve piksellerden sinyal alınamaz. Alt kontak kalınlığının çok fazla miktarlarda tutulması ise aktif malzemenin büyüme süresini uzatacağından tercih edilmez. Şekil 3.3 QWIP piksel yapısı. Bir QWIP in kuantum verimliliği kuantum kuyularının katkılama seviyesi ile ilişkilidir. Kuantum kuyuları ne kadar çok katkılanırsa kuantum verimliliği o kadar artacaktır. Fakat öte yandan katkılama yoğunluğu arttıkça QWIP in karanlık akımı da artacaktır. Bu nedenle kuantum kuyusu katkılama seviyelerinin daha iyi performans açısından ayarlanması gerekmektedir. Kuantum kuyuları iki türlü katkılanabilir. Bunların ilkinde katkılama atomları bütün kuantum kuyusu boyunca yayılmaktadır. Bu tür yaklaşımda katkılama atomları büyütme işlemi sırasında bariyerlere de yayılabilmektedir. Bariyerlerin katkılanması ise QWIP in karanlık akımını arttırabilmektedir. Diğer katkılama yöntemi ise delta katkılama yöntemidir. Bu yöntemde kuantum kuyusunun tamamı değil de ortasında bir kısmı yukarıda anlatılan sürekli katkılamaya göre daha yüksek seviyelerde katkılanır. Böylece kuantum kuyusunda, bağlı durumda bulunan elektron seviyeleri yeterli miktarlarda tutulabilirken katkılamanın bariyerlere ve dolayısıyla karanlık akıma olan etkisi de engellenmiş olur. 63

83 3.1.3 Epi-katman yapılarının oluşturulması Yarıiletken aygıtların aktif katmanları uyumlu tabanlar üzerine yaygın olarak Moleküler Işın Epitaksisi (MBE) veya Metal-Organik Kimyasal Buhar Kaplama (MOCVD) yöntemleriyle büyütülmektedir. Epikatman yapıları oluşturulurken defekt miktarlarının mümkün olduğunca düşük tutulması gerekmektedir. Bu aşamada üretim sürecinin tekrarlanabilirliği de çok önemlidir. Malzeme büyütme sırasında taban sıcaklığı malzemeye bağlı olarak değişebilmektedir. MBE yöntemi ile mikroelektronik aygıtların aktif bölgesini özel yöntemlerle büyütülen katman yapıları oluşturulur. Aygıt kalitesini belirleyen en önemli etmenler katman yapısındaki atomların diziliş şekli ve saflığıdır. Üretimin tekrarlanabilirliği ise kritik parametredir. MBE ile tek atom kalınlığında katmanlar kontrollü bir şekilde büyütülebilmektedir. Bu sayede çok karmaşık katman yapıları oluşturulabilmektedir. Şekil 3.4 MBE yöntemi ile büyütme 64

84 MBE reaktörü genel olarak bir adet büyütme odacığına, bir adet hazırlık/transfer odacığına ve bir adet yükleme odacığına (load lock) sahiptir. Bazı sistemlerde, metroloji cihazlarını içeren ve malzemeyi dışarı çıkarmadan bu cihazlar yardımıyla analizlerinin yapılmasını sağlayan ayrı bir odacığa sahiptir. Büyütme odacığı bir vakum pompalama sistemi ile vakum altına alınmaktadır ve odacığın iç yüzeyleri sıvı azot ile soğutularak vakum seviyeleri çok yüksek tutulmaktadır. Sistemde ayrıca büyütme sırasında kullanılacak malzemeleri termal yöntemlerle buharlaştırabilen efüzyon hücreleri bulunmaktadır. Bütün efüzyon hücrelerinin önünde açılıp kapanabilen bir kapak vardır. Bu kapak belirli sürelerle açılıp kapanarak bağlı olduğu malzemenin büyütme akısına belirli oranlarda katılması sağlanır. Taban dönebilen ve ısıtılabilen bir tutucu üzerine yerleştirilir. Efüzyon hücrelerinin kapaklarının yanında taban önünde yer alan genel bir kapak daha vardır. Bu kapak kapalı tutulduğunda hiçbir efüzyon hücresinden buharlaşan malzeme tabana ulaşamaz. Büyütme odacığı çok yüksek seviyede vakum altında tutulduğundan vakum ortamında çalışması gereken bir çok malzeme analiz cihazı, büyütme odacığı içerisinde kullanılabilmektedir. MBE reaktörlerinde en yaygın olarak kullanılan malzeme analiz cihazları yansımalı yüksek enerjili girişim (RHEED) cihazı, pirometre ve gaz kalıntı analiz (RGA) cihazlarıdır. RHEED cihazı büyütme sırasında örneğin yüzeyindeki kristal yapısı ve yüzey morfolojisi hakkında bilgi verir. Pirometre büyütme sırasında tabanın, malzemenin büyütüldüğü yüzeyinin sıcaklığının okunarak kontrol edilmesini sağlar. RGA ise bir çeşit kütle spektrometresi cihazıdır ve büyütme odacığı içerisindeki gazların tespit edilmesine yarar. RGA, odacık içerisinde kalan ve sensör malzemesinin safsızlığına neden olabilecek kirlilik gazlarının olup olmadığını ve varsa bu gazların cinsini tespit etmeye yarar Hazırlık/transfer odacığı tabanların büyütme öncesinde ısıtılarak temizlenmesi amacıyla kullanılmaktadır. Bu odacık yükleme odacığı ile büyütme odacığı arasında tampon görevini görmektedir. Yükleme odacığı yüklemeler sırasında normal atmosfere açılmakta ve kirlenmektedir. Bu odacıktaki kirlenmenin büyütme odacığına gitmesine hazırlık/transfer odacığı önemli ölçüde engel olur. 65

85 Şekil 3.5 QWIP MBE reaktörü Sensör işleme Sensör işleme süreci, piksellerin doluluk oranlarından, ölü/hasarlı piksel sayısına kadar birçok FPA özelliğini etkilemektedir. Bu nedenle sensör işleme süreçlerinin ve bu süreçlerin sensör performansına etkilerinin iyi bilinmesi gerekmektedir. Sensör işleme süreci litografi, aşındırma, metal/dieletrik kaplama ve elektro kaplama gibi çeşitli mikro fabrikasyon adımlarından oluşmaktadır Litografi Mikro fabrikasyon tekniklerinin en önemli ve en çok tekrarlanan aşamalarından biri litografi aşamasıdır. Litografi kısaca optik duyarlılığa sahip malzemelerin, algılayıcı malzeme üzerine uygun bir şekilde serilip optik ve kimyasal yollarla şekillendirilmesi olarak tarif edilebilir. Optik duyarlılığa sahip bu malzemeye fotorezist adı verilmektedir. Kısaca litografi, sırasıyla algılayıcı malzeme üzerine fotorezistin serilmesi, bu malzemenin UV ışıma ve maskeler yardımıyla belirli desenlerde özelliklerinin 66

86 değiştirilmesi ve özellikleri değişen (ışık gören) kısımların kimyasal yollarla aşındırılması aşamalarından oluşmaktadır Fotorezist serme işlemi (Kaplama) Fotorezist taban üzerine kontrollü bir şekilde belirli kalınlıklarda serilmektedir. Fotorezistin en önemli özelliği UV radyasyona karşı duyarlı olmasıdır. Böylece belirli bir maske üzerinden UV radyasyona maruz bırakılarak fotorezist kolaylıkla şekillendirilebilmektedir. Fotorezist ayrıca sensör işleme sırasında kullanılan bir çok kimyasala karşı dayanıklıdır. Böylece çeşitli kimyasal ve fiziksel işlemlerde fotorezist maske görevi görür. Fotorezistin bir başka önemli özelliği çözücülerde kolaylıkla çözünebilmesidir. Böylece fotorezistin maske olarak kullanıldığı işlem tamamlandıktan sonra kolaylıkla yüzeyden temizlenebilmektedir. Hemen hemen bütün litografi basamakları fotorezist serme işlemi ile başlar. Fotorezist serme işlemini oluşturan aşamalar şekil 3.6 da gösterilmektedir. Fotorezist serim işleminde gözönünde bulundurulması gereken hususlar şunlardır: Serim sonrası yüzeydeki fotorezist katmanının homojenliği Fotorezist katmanının kalınlığı Taban kenarlarında oluşabilen kabarıklık Serim sonrası yüzeydeki fotorezist katmanının homojenliği spin süresine ve profiline bağlıdır. Fotorezist katmanının kalınlığı ise kullanılan fotrezistin cinsine ve spin hızına bağlıdır. Katman kalınlığının spin hızı ile tipik değişimi şekil 3.7 de verilmektedir. Katman kalınlığı farklı tipteki fotorezistle için farklıdır. Fotorezist kalınlığı birkaç yüz nanometreden başlayarak 100µm kalınlığa kadar süreç tasarımına bağlı olarak değiştirilebilmektedir. Taban kenarlarında fotorezistin yüzey geriliminden kaynaklanan birikmeler ve kabarıklıklar oluşabilmektedir. Bu kabarıklıklar maske ile malzeme arasında tam temasın sağlanamamasına ve boşluk kalmasına neden olmaktadır. 67

87 Şekil 3.6 Fotorezist serme işlemini oluşturan aşamalar Şekil 3.7 Fotorezist kalınlığının spin hızına bağlı olarak değişimi Pulu spin ederek fotorezist kaplama yöntemi ile geniş alanda oldukça homojen kalınlıkta fotorezist kaplanabilir. İnce fotorezist µm, kalın fotorezist ise ~10 µm dir. 68

88 Fotorezist şekillendirme (Fırınlama) Fotorezist serildikten sonra katılaşması için ve kimyasal olarak kararlı hale gelebilmesi için fırınlanması gerekmektedir. Fırınlama işlemi genel olarak sıcak tabla üzerinde yapılır. Bu işlem sırasında taban yüzeyi homojen bir şekilde ısıtılmalıdır. Farklı tiplerdeki fotorezistler farklı sıcaklık değerleri ve profilleri kullanılarak fırınlanır. Şekil 3.8 Fırınlama işlemi Kaplanan fotorezist sıcak bir tabla üzerinde ısıtılarak sertleştirilir. Sıcak tablanın pul yüzeyindeki fotorezisti homojen bir şekilde ısıtması gerekir. Yerine göre farklı sıcaklıkzaman profilleri uygulanabilir Fotorezist şekillendirme (Maskeleme) Litografi işleminde rol alan en önemli cihazlardan biri maske hizalayıcıdır. Maske hizalayıcı yardımıyla maske ile malzeme arasındaki hizalama ve UV ışığa maruz bırakma işlemleri gerçekleştirir. Maske hizalayıcı cihazında maske sensör malzemesine temas eder. Maskeler genel olarak kuvars bir plakadan oluşmaktadır. Maske üzerinde ışığı geçirmeyecek bölgeler kromla kaplanarak bu bölgenin gelen radyasyonu geri yansıtması sağlanır. Bir maskenin yapısı ve fotorezistin maske üzerinden UV radyasyona tabi tutulma işlemi şekil 3.9 da gösterilmektedir. 69

89 (a) (b) Şekil 3.9. a. Fotomaskenin yapısı, b. fotorezisti maske üzerinden UV ışığa maruz bırakma Fotorezistler UV radyasyona verdikleri reaksiyona bağlı olarak pozitif veya negatif olmak üzere ikiye ayrılır. Pozitif fotorezistlerde UV gören kısımlardaki moleküller arasındaki bağlar zayıflar. Buna karşılık negatif fotorezistte UV gören kısımlardaki moleküler bağlar daha kuvvetli olur. Maske hizalama ve UV ışık tutma işlemi sonrası malzeme bir tür çözücüye daldırılır. Pozitif fotorezistte ışın gören yerler, negatif fotorezistte ise ışın görmeyen kısımlar bu çözücü içerisinde çözünür. Böylece algılayıcı yüzey üzerinde daha sonra gerçekleştirilecek işlemler için maske görevi gören fotorezist şekillendirilmiş olur. şekil 3.10 da maske hizalayıcı cihazı gösterilmiştir. Şekil 3.10 Maske hizalama cihazı 70

90 Litografi yöntemi, UV ışına maruz bırakma sırasında maske ile fotorezist katmanı arasındaki mesafeye bağlı olarak kontak litografisi veya yakınlık litografisi diye ikiye ayrılmaktadır. Kontak litografisinde maske ile fotorezist katmanı birbirine temas halindedir. Yakınlık litografisinde ise bu iki yüzey arasında bir miktar boşluk bırakılmaktadır. Kontak ve yakınlık litografileri şekil 3.11 de verilmektedir. (a) (b) Şekil 3.11.a. Kontak litografi, b. yakınlık litografisi Kontak litografisinde malzemeye uygulanan basınç, malzemenin üretim sırasında hasar görmesine ve maskenin hızlı bir şekilde kirlenmesine neden olmaktadır. Bu nedenle hassas sensör malzemeleri işleneceği zaman yakınlık litografisi tercih edilebilir. Öte yandan yakınlık litografisinde maske ile fotorezist katmanı arasındaki mesafe özellikle küçük hatlarda girişim nedeniyle bozulmalara neden olabilmektedir. Girişim nedeniyle fotorezist desenindeki değişim fotorezist katmanı ile maske arasındaki mesafeye bağlı olarak şekil 3.12 de gösterilmektedir. Girişim ile ilgili problemler çeşitli maske üreticileri tarafından farklı tekniklerle en düşük seviyelere çekilebilmektedir. Bu tür tekniklerle ve kullanılan fotorezistin kalınlığına bağlı olarak kontak litografisi ile elde edilebilecek en düşük çözünürlük 0.5 µm civarındadır. 71

91 Şekil 3.12 Maske ile fotorezist arasındaki mesafenin fotorezist deseni üzerindeki etkisi. Fotorezist mesafesi a-h arasında 0 µm-15 µm arasında eşit aralıklarla değiştirilmiştir Girişim yakınlık litografisinin yanında bazen kontak litografisinde de desenlerin problemli çıkmasına neden olabilmektedir. Bu durum özellikle bir önceki bölümde anlatılan fotorezist serme işlemi sırasında taban kenar bölgelerindeki kabarıklıklardan kaynaklanmaktadır. Bu nedenle özellikle QWIP optik ızgara yapısı gibi çok küçük boyutlu desenler çıkarılacağı zaman bu kenar kabarıklıklarının mümkün olduğunca az oluşması sağlanmalıdır. Bu amaçla kenar kabarıklığı yok etme (Edge Bead Removal) teknikleri kullanılabilir. Litografi işlemlerinde kullanılan bir başka maskeleme cihazı ise Stepper dır. Bu yöntemde maske oluşturulacak desenden çok daha büyüktür ve üzerindeki şekil yarıiletken yüzey üzerine odaklanır. Maske üzerindeki şekiller yarıiletken üzerindeki gerçek desenlerden daha büyük olduğu için girişim gibi nedenlerden daha az etkilenirler ve bu sayede kontak maske hizalama yöntemlerine göre daha düşük kritik boyutlar elde edilebilmektedir. Günümüzde gelişmiş stepper lar kullanılarak 45 nm çözünürlüğünde litografik yapılar oluşturulabilmektedir. Bu çözünürlükte çalışan stepper cihazların fiyatları çok yüksektir. 72

92 Bu yöntemin bir dezavantajı basılacak desen boyutunun sınırılı olmasıdır. Bu nedenle basılacak çip boyutları limitlenmektedir. Şekil 3.13 Stepper cihazı ile maskeleme işlemi Stepper cihazı ile maskeleme yönteminde maske sensör malzemesine temas etmez. Mikron-altı çözünürlük mümkündür. Desenler seri bir şekilde basılır. Basılacak desen boyutu sınırlıdır Fotorezist şekillendirme (Banyolama, Develop) Fotorezist UV ışığa maruz bırakıldıktan sonra ışık gören bölgelerde (negatif fotorezistlerde ışık görmeyen bölgelerde) fotorezistin kimyasal özellikleri değişir ve uygun sıvılarda çözünebilir hale gelir. şekil 3.14 de şekillendirme (develop) işlemi gösterilmektedir. Buna göre maske üzerinden UV ışık görmüş fotorezist üzerine çözücü sıvı damlatılırken taban kendi etrafında döndürülür. Çözücü sıvı fotoreziste temas edince ışık gören (veya negatif fotorezist kullanıldığında ışık görmeyen) kısımlardaki fotorezist çözülür ve merkezkaç kuvveti ile dışarıya fırlatılır. İşlem, aşındırılması gereken fotorezist tamamen aşındırılıncaya kadar devam eder. 73

93 Şekil 3.14 Banyolama (Develop) işlemi Aşındırma Aşındırma işlemi QWIP sensör işleme basamaklarında piksellerin ve optik ızgara yapılarının oluşturulması aşamalarında uygulanmaktadır. Aşındırma işlemi sırasında daha önce üzerinde aşındırma desenleri oluşturulmuş fotorezist tabakası maske olarak kullanılmaktadır. Aşındırma işlemi, aşındırma yönüne göre yönbağımlı (anisotropic) veya yönbağımsız (isotropic) olmak üzere iki gruba ayrılabilir. Kuru aşındırma yöntemleri yönbağımlıdır. Bazı ıslak aşındırma yöntemleri kullanılan kimyasalın içeriğine ve kristal yönlerine bağlı olarak yönbağımlı davranabilmektedir, ancak çoğu ıslak aşındırıcı yönbağımlı değildir. Yönbağımlı ve yönbağımsız aşındırma sırasında aşındırılan yapıların kesitleri şekil 3.15 de gösterilmektedir. Şekilden de görüleceği üzere yönbağımsız aşındırma sırasında fotorezistin alt bölgeleri de aşındırılmaktadır. Bu tür aşındırma işlemi kullanıldığında örneğin kızılötesi sensör üretiminde alt aşındırma sonucu olarak piksel boyutları küçülmekte bu da piksel doluluk oranını düşürerek sensör performansını etkilemektedir. 74

94 (a) (b) Şekil 3.15.a. Yönbağımlı aşındırma, b. yönbağımsız aşındırma Islak aşındırmada yer alan süreçler şekil 3.16 da gösterilmektedir. Buna göre ilk olarak reaktif kimyasallar yarıiletken yüzeyine difüzyon yoluyla ulaşır (1). Burada reaksiyona giren reaktif kimyasal yarıiletken yüzeyinden bir miktar aşındırır (2). Daha sonra aşındırma işlemine neden olan kimyasal reaksiyon sonucu ortaya çıkan yan ürünler yüzeyden yine difüzyon yoluyla uzaklaşır (3). Şekil 3.16 Islak aşındırma işleminde yer alan süreçler Islak aşındırma difüzyon veya reaksiyon sürecinin hızlarına göre iki gruba ayrılabilir. Bunlar reaksiyon limitli ıslak aşındırma ve difüzyon limitli ıslak aşındırma olarak adlandırılmaktadır. 75

95 Reaksiyon limitli ıslak aşındırmada reaksiyon hızı sıcaklığa çok bağlı olduğundan aşındırma sırasında sıcaklık kontrolü çok önemlidir. Bu nedenle tekrarlanabilir ıslak aşındırmalar için kimyasal sıcaklığı süreç boyunca sabit ve kontrollü tutulmalıdır. Difüzyon limitli ıslak aşındırmalarda ise aşındırma hızı yüzeydeki yan ürünlerin yüzeyden hızlı bir şekilde uzaklaştırılmasıyla arttırılabilir. Yan ürünlerin uzaklaştırılma hızı kimyasalın karıştırılması yoluyla değiştirilebilir. Bu nedenle difüzyon limitli ıslak aşındırmalarda tekrarlanabilir süreçler elde edebilmek için karıştırma şekilleri ve hızları mümkün olduğunca kontrol altında tutulmalıdır. Islak aşındırma yönteminin yönbağımlı olması nedeniyle, daha yüksek piksel doluluk oranlarını elde edebilmek için kuru aşındırma yöntemleri kullanılabilir Kuru aşındırma Kuru aşındırma işlemi genel olarak şekil 3.17 de gösterilmektedir. Şekil 3.17 Kuru aşındırma işlemi ( eecs. berkeley. edu/ ~ee143 /sp06/ lectures/lec_16 pdf) İşlem sırasında kuru aşındırma odacığı öncelikle tamamen vakumlanır. Daha sonra kuru aşındırmada kullanılacak gaz karışımı ortama verilir ve RF güç uygulanarak bu gaz karışımından plazma oluşturulur. Plazma gaz karışımını oluşturan moleküllerin nötr hallerinin, iyonlarının ve serbest elektronların oluşturduğu bir karışımdır. Ortamdaki yüklerin dağılımı sensör malzemesinin yerleştirildiği taban ile plazma arasında bir DC elektrik alan oluşturur. Bu elektrik alan altında hızlanan reaktif iyonlar yüzeye hızla çarparak reaksiyona girerler. Reaksiyon sonucu oluşan yan ürünler ortamdan sürekli 76

96 olarak vakumlama yoluyla çekilir. Reaktif iyonların yüzeye doğru hızlandırılması nedeniyle bu aşındırma yöntemi dikey yönde daha hızlı aşındırır ve yön bağımlıdır Metal, di-elektrik kaplama Bazı aygıtların üretim sürecinde çeşitli aşamalarda aygıt yüzeyine metal veya dielektrik katmanların kaplanması gerekmektedir. Metal katmanlar genel olarak omik kontak veya elektriksel iletkenlik amaçlarıyla kaplanmakta, dielektrik ise piksel yüzeylerini dış etkenlerden korumak ve yüzey kaçak akımlarını minimum seviyelere indirmek amacıyla kaplanmaktadır. Metallerin ve dielektrik malzemelerin sensör yüzeyine kaplanmasında iki yöntem kullanılabilmektedir. Bunlar fiziksel buhar kaplama yöntemi ve kimyasal buhar kaplama yöntemidir. Fiziksel buhar kaplama yöntemi de kendi içinde termal buharlaştırma yöntemi ve püskürtme yöntemi olarak ikiye ayrılmaktadır. Termal buharlaştırma yönteminde sensör yüzeyine kaplanacak malzeme vakum ortamında yüksek sıcaklıklara çıkarılarak buharlaşması sağlanır. İşlemin vakum ortamında gerçekleştirilmesinin iki temel amacı vardır. Bunların ilki, ortamdaki yabancı atomları mümkün olduğunca düşük seviyelere çekerek süreç kirliliğini en düşük seviyelere indirmek, diğeri ise malzemenin vakum altında kaynama noktasını düşürerek buharlaştırma işlemini kolaylaştırmak. Termal buharlaştırma yöntemi, kaplanacak malzemeyi ısıtma tekniğine bağlı olarak ikiye ayrılabilir. Bunların ilkinde kaplama malzemesi iletken bir pota içerisine konur. Pota üzerinden yüksek miktarlarda akım geçirilerek potanın Joule ısınması sayesinde sıcaklığı arttırılır. Akım kontrollü şekilde arttırılarak kaplama malzemesinin eriyip kaynamaya başlaması sağlanır. Buharlaşan malzeme sensör yüzeyinde yoğunlaşarak katılaşır. Bu yöntem şekil 3.18 de gösterilmektedir. Kaplanan film kalınlığı sensör malzemesinin yakınına bir kalınlık monitörü konularak takip ve kontrol edilebilir. 77

97 Şekil 3.18 Termal buharlaştırma yöntemiyle örneğin altın ile kaplanması ( eecs. berkeley. edu/ ~ee143 /fa10/ lectures/ Lec_13 pdf) Diğer fiziksel buhar kaplama yöntemi püskürtme tekniği olarak bilinmektedir. Bu yöntem şekil 3.19 da gösterilmektedir. İşlem buharlaştırma yöntemlerinde olduğu gibi vakum ortamında gerçekleştirilmektedir. Vakum odacığı, öncelikle mümkün olduğunca düşük seviyelerde vakumlanarak yabancı atom ve moleküllerin ortamdan uzaklaştırılması sağlanır. Daha sonra ortama plazma oluşturmak üzere Argon gazı verilir. Plazma RF veya DC yöntemlerle oluşturulabilir. DC plazma oluşturmak amacıyla kaplama diskinin tutucusuna yüksek DC gerilim uygulanır. RF plazma yönteminde ise yine aynı şekilde disk tutucusuna RF güç uygulanır. Bu iki yöntemden biriyle Argon plazması oluşturulur. Plazma içerisindeki Argon iyonları kaplama diskine doğru hızlandırılarak momentum etkisiyle yüzeyden kaplama malzemesinin atomlarını koparması sağlanır. Bu yöntemle hem metaller hem de dielektrik malzemeler kaplanabilmektedir. Püskürtme işleminde Argon gaz basıncı 1-10 mtorr arasında değişmektedir. Kaplama hızı; Kaplama Hızı=α iyon akımı püskürtme verimi...(3.1) formülü ile verilmektedir. Püskürtme verimi, kaynak diskinden kopan moleküllerin sayısının yüzeye çarpan plazma atomlarının sayısına oranıdır. Püskürtme verimi plazma atomlarının yüzeye çarpış hızına ve açısına bağlı olarak değişir. 78

98 Püskürtme (Sputter) Cihazı Şekil 3.19 Püskürtme (Sputter) yöntemi ile kaplama işlemi Metallerin ve dielektrik malzemelerin kaplanmasında kullanılan bir başka yöntem kimyasal buhar ile kaplama yöntemidir. Bu yöntemde dieletrik veya metal malzemeyi oluşturacak olan atom veya moleküller kaplama odacığına gaz fazında verilir. Kaplama odacığında bulunan taban mazlemesi ısıtılır. Isınan yüzeyde bazı kimyasal reaksiyonlar tetiklenir ve ortamdaki gazlardan yeni moleküller oluşarak taban yüzeyini kaplar. CVD yönteminde kullanılan bazı gazlar zehirli veya yanıcı/patlayıcı olduğu için bu yöntemde güvenlik önlemleri çok önemlidir. CVD yönteminde bazen odacıkta plazma oluşturularak reaksiyonları daha düşük sıcaklıklarda oluşması sağlanabilmekte ve bu sayede taban sıcaklığı düşük tutulabilmektedir. İşlem sıcaklıkları açısından mikroelektronik üretim süreçleri çoğu zaman yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru yapılamalıdır. Bunun nedeni daha önceki adımlarda oluşturulan yapıların yüksek sıcaklıktan etkilenmemesidir. Plazma yardımıyla elde edilen bu düşük sıcaklıkta kaplama yöntemi Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) olarak adlandırılmaktadır. 79

99 İşlem sıcaklığı C CVD Cihazı Şekil 3.20 Kimyasal buharlaştırma yöntemi ile kaplama işlemi Elektro kaplama Elektro kaplama tekniği mikroelektronik aygıt işleme süreçlerinde özellikle kalın metal katmanların oluşturulması sırasında kullanılmaktadır. şekil 3.21 de yer alan süreç bir sensör malzemesi için göterilmiştir. Bu süreçte sensör malzemesi ve kaplama malzemesi elektro kaplama sıvısının içerisine konur. Elektro kaplama öncesi sensör malzemesinin bütün yüzeyi iletken ince bir film ile kaplanır. Daha sonra yüzeyde fotorezist kullanılarak sadece metal katmanın oluşturulacağı kısımlar açıkta bırakılır ve diğer kısımlar maskelenir. Böylece elektro kaplama sıvısına sadece fotorezistin açık olduğu bölgelerde temas sağlanır. Metal katmanın sensör yüzeyinde homojen bir şekilde dağılabilmesi için sensör malzemesi ile kaplama malzemesi arasında oluşturulan elektrik alanın mümkün olduğunca homojen bir şekilde dağılması gerekmektedir. Elektrik alanın homojen bir şekilde dağıtılması kaplanan bölgelerin geometrisine bağlıdır. Elektrik alan özellikle kenarlarda ve köşelerde daha yoğun olmaktadır. Bu nedenle kaplama geometrisinin tasarımında gerekli önlemler alınmalıdır. Elektro kaplamada kullanılan gerilim DC veya darbeli olabilir. Kaplama hızı uygulanan birim alana düşen akım miktarı ile doğru orantılı olarak değişir. 80

100 Şekil 3.21 Elektro kaplama Hibrit tümleştirme Bazı uygulamalarda mikroelektronik çipin veya sensör dizininin bir okuma devresi ile hibrit tümleştirilmesi gerekmektedir. Hibrit tümleştirme işlemi şekil 3.22 de verilmiştir. Sensör dizinlerinin üretildiği süreçlerde sensör dizini ve okuma devresi hibrit tümleştirme cihazının tutucularına yerleştirilir. Örnekler burada vakum yardımıyla tutulur. Okuma devresi ve sensör dizini piksellerinin birbirine göre hizalanması okuma devresi ile sensör dizini arasına yerleştirilen bir kamera yardımıyla gerçekleştirilir. Kamera hem sensör dizininin hem de okuma devresinin görüntüsünü monitöre aktarabilmektedir. Hibrit tümleştirme sırasında okuma devresi ve sensör dizininin birbirine göre paralelliğinin çok hassas bir şekilde ayarlanması gerekmektedir. Paralellik otokolimatörler yardımıyla ayarlanmaktadır. Otokolimatör, sensör dizini ve okuma devresi yüzeyine paralel ışın demetleri yollar. Gönderilen ışın demeti yüzeyden yansıyarak kamera üzerine düşer. Işın demetinin kamera üzerine düştüğü nokta yüzeyin referans bir yüzeye göre yaptığı açıya bağlıdır. Hibrit tümleştirme işlemi öncesi kalibre edilmiş her iki otokolimatörden gelen ışın demeti birbirine göre hizalanır. Böylece yüzeyler referans yüzeyle aynı açıyı sağlayacak ve birbirlerine yüksek hassasiyetle paralel olacak şekilde ayarlanır. 81

101 Pikseller hem birbirine göre hem de paralellik açısından hizalandıktan sonra belirli bir sıcaklığa ısıtılarak üzerlerine basınç uygulanır. Bunu gerçekleştirebilmek için örnek tutucuları hızlı bir şekilde ısıtılabilmekte ve tutuculardan biri basınç uygulamak üzere hareket edebilmektedir. Basınç uygulama işlemi tamamlandıktan sonra tutuculardan birinin vakumu bırakılır ve hibrit FPA tutuculardan sadece birinde kalır. Şekil 3.22 Hibrit tümleştirme Alt dolgu yerleştirme Okuma devresi ile sensör dizininin hibrit tümleştirme işlemi gerçekleştirildikten sonra taban inceltme işleminin gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Ancak taban inceltme işlemi sırasında sensör dizinine basınç uygulanmaktadır. Uygulanacak basınç indium toplara zarar verebilir. Bunun yanında hibrit tümleştirme işlemi sonrası indium toplar okuma devresi ile sensör dizini arasındaki aralıktan atmosfere maruz kalmaktadır. Nemlilik ve kirlilik gibi nedenlerle indium toplar arasında iletken katmanlar ve hatlar oluşabilir. Yukarıda sayılan problemlerin önüne geçebilmek için okuma devresi ile sensör dizini arası özel bir alt dolgu malzemesi ile doldurulmaktadır. Okuma devresi ile sensör dizini arasında yaklaşık 10 µm lik bir aralık vardır. Sensör dizininin büyüklüğü düşünülürse 82

102 (10-20 mm) böyle bir aralığı tamamıyla doldurmak için çok düşük viskoziteye sahip bir sıvı kullanılmalıdır. Öte yandan FPA nın kullanım ömrü sırasında yaşadığı ısıl çevrimlerde okuma devresi yüzeyinde stres yaratmamak için alt dolgu malzemesinin termal genleşme katsayısının okuma devresininkine göre çok farklı olmaması gerekmektedir. Alt dolgu malzemesi arada çok ince bir kalınlığa sahip olduğu için ısıl çevrimlerde zar gibi davranarak okuma devresinin genleşmesini benimseyebilir, ancak alt dolgu malzemesi FPA çevresinde çok daha kalın olmaktadır ve zar gibi davranmayabilir. Alt dolgu malzemesi piksel indium topları ile ortak bağlantı indium topları arasında yer alan bir malzemedir. Bu indium toplar arasında oluşabilecek elektriksel iletkenlik, FPA nın performansını olumsuz yönde etkileyebilir. Bu nedenle krayojenik sıcaklıklarda alt dolgu empedansının piksel empedansına göre çok daha düşük olması gerekmektedir. Yukarıda sayılan özellikleri sağlayabilecek bir alt dolgu okuma devresi ile sensör dizini arasına enjekte edilir. Daha sonra hibrit ısıtılarak alt dolgu malzemesinin katılaşması sağlanır Taban inceltme FPA nın kullanımı sırasında yaşanan ısıl çevrimlerde okuma devresi ile sensör dizini arasında oluşabilecek termal genleşmelerden kaynaklanan streslerin engellenebilmesi için okuma devresinin veya sensör tabanından birinin inceltilmesi gerekmektedir. Yeterli miktarda inceltme sonucu, inceltilen taraf krayojenik sıcaklıklara inildiğinde bir zar gibi davranmakta ve inceltilmemiş kısmın genleşme miktarını benimsemektedir. Öte yandan sensör dizininin tabanının kalın olması durumunda, QWIP piksel yapılarındaki optik ızgaraların ışığı çeşitli yönlerde saçması ve saçılan bu ışınların tabanın arka yüzeyinden geri yansıyarak komşu piksellere ulaşması sonucu istenmeyen piksel optik etkileşimleri oluşabilir. Sensör dizininin tabanının inceltilmesi ile bu optik 83

103 etkileşimler düşürülebilir. Bu nedenle sensör dizininin tabanının inceltilmesi daha uygun olmaktadır. Taban inceltme sonrasında yüzeyde kalabilecek pürüzlülük, ışığı farklı yönlerde kırarak görüntüde bulanıklığa neden olur. Bunu engellemek için taban inceltme sonrası yüzeyin parlatılması gerekebilmektedir. Ayrıca taban inceltme sırasında okuma devresinin elektriksel bağlantı noktalarının bir maske yardımıyla korunması gerekmektedir. Aksi takdirde bağlantı noktaları hasar görür ve tel bağlama yöntemi ile kontak alınamaz hale gelir. Taban inceltme işlemi genel olarak mekanik yöntemlerle yapılır. Şekil 3.23 te resmi verilen böyle bir yönteme göre malzeme dönen bir disk üzerine konur ve üzerine bir miktar basınç uygulanır. Dönen disk üzerine nanometre veya mikrometre boyutlarında katı ve sert parçacıklar içeren bir süspansiyon sıvısı damlatılır. Bu parçacıklar taban malzemesini aynı zımpara gibi yavaş yavaş aşındırır. Bu işlem sırasında kullanılan bir kalınlık monitörü ne kadar taban aşındırıldığını gösterir. İşlem istenen kalınlığa ulaşıncaya kadar devam eder. Parlatma pedi, 1µm perforasyonu ile poliüretandan yapılmıştır. - Karışımı tutmak için pürüzlü yüzey Ortam sıcaklığı Şekil 3.23 Taban inceltme işlemi ( eecs. berkeley. edu/ ~ee143 /sp06/ lectures/lec_18) 84

104 3.1.5 Tümdevre tasarım ve üretim süreci Kızılötesi dedektör performansını etkileyen önemli alt sistemlerden biri de okuma devresidir. Okuma devresinin tasarımı sensörle uyumlu olmalı ve dedektör performansı okuma devresi tarafından sınırlandırılmamalıdır. Bu nedenle okuma devresinden kaynaklanan gürültü sensörden kaynaklanan gürültüye göre çok daha düşük değerlerde olmalıdır. Sahip olduğu gürültü yanında okuma devresinin dedektör performansını etkileyen bir başka özelliği güç tüketimidir. Okuma devresinin güç tüketimi soğutucunun büyüklüğünü, ağırlığını ve ömrünü etkiler. Ayrıca okuma devresinin güç tüketiminin yüksek olması durumunda soğutucu güç tüketimi çok daha fazla olacak, bu da batarya kullanan uygulamalarda bataryanın ömrünü önemli ölçüde kısaltacaktır. Güç tüketimi ayrıca soğuma süresini de etkilemektedir. Termal görüntüleyicinin hızlı bir şekilde kullanıma hazır hale gelmesi isteniyorsa okuma devresinin güç tüketiminin düşük olması gerekmektedir. QWIP sensörden alınabilecek maksimum resim hızı sensör entegrasyon süresinin yanında okuma devresinin verebildiği çıkış hızına bağlıdır. Yüksek resim hızları gerektiren bazı uygulamalarda ve yüksek formatlı FPA larda okuma devreleri yeterli çıkış hızını verebilmek için birden fazla çıkış sağlamaktadırlar. Okuma devresinin sağladığı dinamik çalışma aralığı farklı arka plan sıcaklıklarına sahip sahnelerdeki performansını belirler. Dinamik çalışma aralığının mümkün olduğunca yüksek olması gerekmektedir. Okuma devresinden kaynaklanan pikseller arası etkileşim minimum seviyede tutulmalıdır. Ayrıca okuma devresinden kaynaklanan homojensizlik sensör dizininden kaynaklanan homojensizliğe göre minimum seviyelerde olmalıdır. ASIC (Application Specific Integrated Circuit, Uygulamaya Yönelik Tümdevre) uygulamaya yönelik olarak özel bir iş gerçekleştiren ve genel olarak sadece o uygulama 85

105 için kullanılabilen çipler olarak tanımlanabilir. ASIC üretimi kabaca üç aşamada gerçekleşmektedir. Bunlar VLSI tasarım, CMOS üretim, Paketleme ve test aşamalarıdır. VLSI tasarım için bilgisayar destekli tasarım (CAD) programları kullanılmaktadır. Dünyada yaygın olarak kullanılan VLSI tasarım programları Cadence, Mentor Graphics, Synopsys, Agilent technologies ve Tanner firmaları tarafından üretilmektedir. Tasarım programları kütüphane olarak tasarım kitleri kullanmaktadır. Tasarım kitleri üretimin yapılacağı fabrikada üretilen tranzistörlerin ve üretim süreçlerinin özelliklerini içermektedir. Bu tür bir kütüphane kullanılarak üretim yapılacak yerle uyumlu tasarım yapılmış olur. Şekil 3.24 Şematik olarak tümdevre tasarım süreci Tümdevre tasarım süreci yaygın olarak şematik tasarımın girilmesi ile başlar. Şematikler bazen el ile girilir bazen şematikleri otomatik olarak oluşturan programlar yardımıyla bu işlem gerçekleştirilir. Bazı tasarımlarda her iki yöntem de kullanılabilmektedir. Şematik girme işlemi tamamlandıktan sonra devrenin benzetimi gerçekleştirilir. Benzetimlerde üretim sırasında oluşması beklenen tranzistör özellikleri kullanılır. 86

106 Yapılan benzetim işlemi sonucunda beklenen değerler elde ediliyorsa tasarımda gözden kaçan bir nokta olmamış demektir ve böylece serim aşamasına geçilebilir. Benzetim yapıldıktan sonra istenen sonuçlar elde edilemiyorsa şematik aşamasına geri dönülür ve hatalar düzeltilir. Şekil 3.25 Benzetim olarak tümdevre tasarım süreci Serim aşamasında tranzistörlerin yerleri ve aralarındaki bağlantılar artık fiziksel olarak oluşturulmaktadır. Bu işlem program yardımıyla gerçekleştirilir. Bu aşama tamamlanınca artık çip boyutları belirlenmiş olur. 87

107 Şekil 3.26 Serim Aşaması olarak tümdevre tasarım süreci Serim aşamadan sonra doğrulama aşamasında üretimin yapılacağı fabrikanın tasarım kuralları kullanılarak tasarımın üretim için uygun olup olmadığı program yardımıyla test edilir. Ayrıca serim işlemi sonrasında oluşan parazitik kapasitansların devrenin performansını etkileyip etkilemediği test edilmektedir. Şekil 3.27 Doğrulama olarak tümdevre tasarım süreci 88

108 Fabrikasyon Çip üretim süreci çeşitli basamaklardan oluşmaktadır. Bu üretim sürecinde önce silikon tabanlar oluşturulmakta ve sonrasında çeşitli mikroelektronik fabrikasyon teknikleri kullanılarak silikon üzerinde devreler oluşturulmaktadır. Çipler pul seviyesinde oluşturulduktan sonra kesme işlemi ile birbirinden ayrılır. Devre kesme işlemi sonrası test edildikten sonra paketlenir. Bazı durumlarda test işlemi paketlendikten sonra da gerçekleştirilebilir. Şekil 3.28 de çip üretim süreci basamakları gösterilmiştir. Şekil 3.28 Çip üretim süreci basamakları Şekil 3.29 Çok katlı bir yapıya sahip çipin kesiti 89

109 Şekil 3.29 da çok katlı yapıya sahip bir çipin kesit fotoğrafı gösterilmektedir. Metal katmanlar genel olarak üst katlara çıktıkça kalınlaşmaktadır. Metal yollar, aralarında oluşturulan dielektrik katmanları ile birbirinden izole edilmektedir. Standart CMOS, BİCMOS, SiGe, SOI CMOS üretilen ve süreç teknolojisi 1 µm den 45 nm ye kadar olan ve tasarım kitleri üreten fabrikalar tümdevre üretim fabrikaları çizelge 3.1 de gösterilmiştir. Çizelge 3.1 Tümdevre üretim fabrikaları Austriamicrosystems tsmc Samsung FAB Chartered SMIC Dongbu HiTek UMC Jazz Semiconductor IBM Tower Fujitsu Opto-mekanik taşıyıcı Dedektörün içinde yer aldığı Opto-Mekanik Taşıyıcının resmi şekil 3.30 da verilmektedir ve temel olarak şu ana parçalardan oluşmaktadır: 90

110 Optik pencere Ana gövde Soğuk kalkan Dedektörün tümleştirileceği taşıyıcı seramik yüzey Seramik yüzeyin monte edileceği soğuk parmak Elektriksel bağlantı parçası Toplayıcı (Getter) Vakumlama ara yüzü Yapıştırıcı Şekil 3.30 Tipik opto-mekanik tasıyıcı alt parçaları Opto-Mekanik taşıyıcıyı oluşturan alt parçaların üretiminde kullanılan malzemeler termal genleşme katsayıları mümkün olduğunca aynı olacak şekilde seçilmektedir. Aksi takdirde çevresel veya içsel sıcaklık çevrimlerinde yapısında çeşitli kusurlar oluşabilmekte ve bu kusurlar taşıyıcının vakum sızdırmazlık özelliğini bozabilmektedir. Ayrıca malzemelerin oldukça hassas toleranslarda işlenmesi gerekmektedir. Soğuk kalkan FPA nın gördüğü optik açıklığı tanımlar. Soğuk kalkan, kullanılması hedeflenen f/# a göre tasarlanmalıdır. Soğuk kalkan FPA ile yaklaşık aynı sıcaklığa soğutularak yaydığı kızılötesi radyasyon miktarı minimum seviyelere çekilir. Böylece FPA nın, dewar ın veya optiğin sahne sinyallerine katkısı olmayan ancak gürültü 91

111 oluşturarak dedektör performansı kötü yönde etkileyen sıcak kısımlarını görmesi engellenir. Soğuk kalkan ayrıca dewar içerisindeki ışın saçılmalarını minimize edecek şekilde tasarlanmalıdır. FPA yapısı bir seramik taban üzerine termal iletken ve düşük buhar basınçlı bir malzeme ile yapıştırılır. Şekil 3.31 de taşıyıcı seramik üzerine monte edilmiş bir QWIP FPA resmi verilmektedir. Seramik ve FPA yapısı ise soğuk parmak üzerine yine benzer özelliklerdeki yapıştırıcı bir malzeme ile yapıştırılır. Böylece soğuk parmak ile FPA arasında düşük ısıl dirençli bir temas sağlanmış olur. Taşıyıcı seramik ile okuma devresini oluşturan silikon yarıiletken malzemesinin termal genleşme katsayıları benzer olmalıdır. Taşıma seramiği ile FPA arasındaki elektriksel bağlantılar tel bağlama tekniği ile sağlanır. Şekil 3.31 Taşıyıcı seramik üzerine monte edilmiş bir QWIP FPA ( / tech/qwip.htm) Opto-mekanik taşıyıcı yapı içerisinde kullanılan getter yapının vakum ömrünü arttırmaktadır. Getter süngerimsi bir yapıdadır ve vakumu bozan ve dewar ın iç kısımlarındaki malzemelerden zamanla yayılan molekülleri soğurarak vakum seviyesinin korunmasına yardımcı olur Soğutucu Kullanılan yarı iletkenlerin veya bu yarı iletkenlerin oluşturduğu enerji bant aralıklarının çok düşük seviyelerde (~150 mev) olması nedeniyle elektronlar düşük 92

112 enerji seviyelerinden yüksek enerji seviyelerine termal yollarla enerji kazanarak kolaylıkla yükselebilmektedirler. Ancak termal yollarla yükselen elektronların sayısı, karanlık akımı yükseltmesi ve sensörde gürültüye yol açması nedenleriyle mümkün olduğunca düşük seviyelerde tutulmalıdır. Sonuç olarak kızılötesi dedektörlerin krayojenik sıcaklıklara (-200 ºC) soğutulması gerekmektedir. FPA yapısını krayojenik sıcaklıklara soğutabilmek için çeşitli soğutucu tipleri geliştirilmiştir. Bu amaçla günümüze kadar geliştirilen krayojenik soğutucu türleri şunlardır: Stirling Çevrimi Krayojenik Soğutucular Pulse Tupü Krayojenik Soğutucular Brayton Çevrimi Krayojenik Soğutucular J-T Türü Krayojenik Soğutucular Gifford-Mcmohan Krayojenik Soğutucular Manyetik Soğutucular Krayojenik Soğutucuların ömrünü belirleyen faktörler şunlardır: Dinamik Sızdırmazlık Elemanı Aşınması Helyum Kirlenmesi Helyum Kaçağı Krayojenik Soğutucudan beklenen özellikler ise aşağıda sayılmaktadır: Dedektörü 77 K veya daha düşük sıcaklıkta tutabilmesi Kapalı tip bir soğutucu olması Soğuk parmağın ucundaki sıcaklığı kontrol edebilmesi ve istenen sıcaklıkta sabit tutabilmesi Sızdırmazlığın ömrü boyunca sağlanabilmesi Kompresyon oranı kontrol edilebiliyor olması Soğutucu gazı olarak helyum kullanılması Bakım gerektirmemesi Piston aşınmasını minimumda tutacak şekilde tasarlanması 93

113 Kirlenmeye neden olabilecek yağlayıcıların kullanılmaması Sensör işleme süreci özeti QWIP sensör işleme süreci şekil 3.32 de özetlenmektedir. Şekil 3.32 QWIP sensör işleme süreci (Özer 2005) 94

114 4. ARAŞTIRMA BULGULARI 4.1 Sensör Fabrikasyon İşlemleri Bu çalışma ASELSAN AŞ Akyurt Tesislerinde gerçekleştirilmiştir. 4 inch GaAs polished wafer (pul) ile fabrikasyona başlanmıştır. Başlangıçta pulun aseton ve alkol ile 2 şer dakika temizliği yapılmıştır. Sonra azot ile kurutulmuştur. Fabrikasyon süreci ve elde edilen bulgular aşağıda sıralanmıştır Kuru aşındırma (Grating Etch) işlemi İlk önce litografi işlemi gerçekleştirilmiştir. Litografi işlemi sonuçları aşağıda verilmiştir. Spin (Çevirme) : Rezist pul üzerine serilerek Spin Coater cihazı ile 4000 rpm de 40 saniye çevrildi ve 0,5 µm kalınlığında rezist pul üzerinde elde edildi. Şekil 4.1 de Spin Coater cihazı gösterilmiştir. Şekil 4.1 Spin coater cihazı 95

115 Bake (Kıvamlama) : Spin işlemi sonucu pul üzerinde sıvı halde olan rezistin pul üzerinde tutunabilmesi maksadı ile bake işlemi ile 110 C de 50 saniye bekletildi. Bu işlem de Spin Coater cihazı ile yapılmıştır. Expose (Pozlama) : Mask Aligner cihazı ile hazır alınmış maske pul ile hizalanarak, 10 sn süre ile mw mertebesinde güç uygulanarak UV ışığı ile pul üzerine işlendi. Şekil 4.2 de Mask Aligner (Maske Hizalayıcısı) cihazı gösterilmiştir. Şekil 4.2 Maske hizalayıcısı (Mask Aligner) cihazı Şekil 4.3 de maske ile pul hizalaması yapılırken Mask Aligner cihazının ekranı gösterilmiştir. Şekil 4.3 Mask Aligner cihazı ile hizalama işlemi 96

116 Develop (Banyolama) : Expose edilerek ışık gören kısımların bağları zayıflatılmış oldu. Bu kısımların pul üzerinden arındırılması için pul bir çözelti içine 45 saniye süre ile daldırılıp çıkartıldı. Böylece aralardaki fotorezist kaldırılmış oldu. Şekil 4.4 de develop işlemi için kullanılan cihaz gösterilmiştir. Şekil 4.4 Banyolama (develop) işleminde kullanılan cihaz Kuru Aşındırma (Grating Etch) işleminde SiCl 4 gazı kullanılarak 10 mtorr basınç altında 24 0 C örnek tabak sıcaklığında aşındırma yapılmıştır. SiCl 4 50 sccm gaz akışı vardır. Uygulanan RF gücü 300 W, ICP (Inductively Coupled Plazma) gücü 200 W olarak optimize edilmiştir. Aşındırma kalınlığı 600 nm ölçülmüştür. Ölçümler elektron mikroskobu ile yapılmıştır. Aşındırma sonrasında örnek asetona atılmıştır. Aseton ve alkol ile temizlik tamamlanmıştır. Şekil 4.5 de temizleme işlemi gösterilmiştir. 97

117 Şekil 4.5 Aşındırma sonrası temizleme işlemi Grating litografisi sonucu elde edilen görüntü şekil 4.6 da verilmiştir. Şekil 4.6 Grating litografisi ile elde edilen görüntü Mesa aşındırma işlemi Piksellerin oluşturulması işlemidir. İlk önce her işlemden önce olduğu gibi litografi işlemi yapılmıştır. Litografi işlemi aşamaları aşağıdaki gibi yapılmıştır. Spin : Rezist pul üzerine serilerek belli rpm hız ile 40 saniye çevrilmiş ve rezist pul üzerinde µm kalınlığında elde edilmiştir. 98

118 Bake : Pul C de 55 saniye bekletilmiştir. Expose : Pul mw gücünde 25 saniye expose işlemine tabi tutulmuştur. Develop : Pul bir çözelti içinde 1 dakika bekletilmiştir. Islak Aşındırma (Mesa Etch) işlemi için pul H 2 O 2 + H 3 PO 4 + H 2 O (hidrojen peroksit + fosforik asit + su) çözeltisine 30 saniye daldırılıp çıkartılmıştır. Rezisti kaldırmak amacı ile aseton ve alkolden geçirilmiş daha sonra su ile yıkanmıştır. Mesa litografisi sonrası elde edilen görüntü şekil 4.7 de verilmiştir. Şekil 4.7 Mesa litografisi sonucu piksel görüntüsü Mesa aşındırması sonrası elde edilen görüntü şekil 4.8 de verilmiştir. 99

119 Şekil 4.8 Mesa aşındırması sonucu piksel görüntüsü Profilometre ile ne kadar etch edildiğine bakılmış ve sonuçta µm mertebesinde derinlik ölçülmüştür. Ölçüm görüntüleri şekil 4.9 da verilmiştir. Şekil 4.9 Aşındırma sonrası Profilometre ile elde edilen görüntü Omik kontak kaplaması işlemi İlk önce litografi işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada negatif litografi kullanılmıştır.. Litografi işlemi aşağıda verilmiştir. 100

120 Spin : Pul belli rpm hızında 40 saniye çevrilerek mikron mertebesinde rezist pul üzerinde elde edilmiştir. Bake : Pul C de 2 dakika pişirilmiştir. Expose : Mw/cm2 güçte saniye mertebesinde hard kontak yapılmıştır. Bake : Pul C de 2 dakika pişirilmiştir. Expose : Saniye mertebesinde flood expose (maskesiz plazma) yapılmıştır. Develop : Pul 30 saniye bir çözelti içinde bekletilmiştir. Omik kontak litografi görüntüleri şekil 4.10 da verilmiştir. Daire şeklindeki bölgeler omik kontak yerleridir. Şekil 4.10 Omik kontak litografi sonucu elde edilen görüntü Metal kaplama işlemi için termal buharlaştırma yöntemi kullanılmıştır. Omik kontak için AuGe/Ni/Au kaplama yapılmıştır. AuGe, Ni ve Au, nm mertebelerinde kullanılmıştır. Cihaz içindeki kalan parçacıkları temizlemek için işleme başlamadan önce cihazın 10-6 Torr mertebesinde vakum seviyesine kadar inmesi beklendi. İşlem başlatılarak kaplama gerçekleştirildi. Burada Ni bariyer görevi görmektedir. Altının derinlere işlemesini engellemektedir. AuGe 123 amper de, Ni 175 amper de ve Au 123 amper de buharlaşmıştır. Daha sonra pul asetona atılarak rezistin çözülmesi sağlanmıştır. Pul azot ile kurutulmuştur. Şekil 4.11 de termal kaplama işleminde kullanılan cihaz ve yapılan işlemler gösterilmiştir. 101

121 Şekil 4.11 Termal kaplama işleminde kullanılan cihaz ve yapılan işlemler. Şekil 4.12 de metal kaplama sonrası elde edilen görüntüler verilmiştir. 102

122 Şekil 4.12 Metal kaplama sonrası elde edilen görüntü Tavlama Pul, azot ve hidrojen ortamında, belirli sıcaklıkta 2 dakika tavlanarak pikseller karakterize edilecek hale getirilmiştir. Bu işlem hızlı ısıl sistemde gerçekleştirilmiştir. FPA için yapılan işlemler ise aşağıda sıralanmıştır Reflector Omik kontak için yapılan işlemlerle aynı işlemler gerçekleştirildi. Omik kontak için Ti/Au kullanıldı Top Altı Metal (UBM) Omik kontak işlemi ile aynı işlemler gerçekleştirildi. Ti/Ni/Au kaplama yapıldı İndium toplar Litografi için kullanılan rezist ile 11 mikronluk kalınlık elde edildi. Daha sonra termal buharlaştırma yöntemi ile 6 mikron indium kaplandı. 103

123 4.1.8 Kesme (Dice) Oluşturulan 4 inch lik pul üzerinde 20 tane oluşturulan sensörler kesme işlemi ile ayrıldı Tümleştirme Sensör ile okuma devresi flip chip bounder cihazı ile indium toplar üst üste gelecek şekilde hizalanarak tümleştirildi Alt dolgu Tümleştirilen sensör ve okuma devresi arasındaki indium toplar çevresel koşullardan dolayı zarar görebilir. Eğer indium toplar dogru düzgün tutmadıysa birbirlerini taban inceltme aşamasında çatlamalar gerçekleşebilir. Bu nedenle sensör ve okuma devresi arasında kalan boşlukların doldurulması gerekmektedir. Arayı doldurmak için epoksi adı verilen madde kullanılmıştır. 8 mg Reçine+sertleştirici epoksi karışım 45 0 C tabla üzerinde dakika eritilmiş ve boşluklar bu madde ile Altdolgu Yerleştirici Cihazı kullanılarak doldurulmuştur Taban inceltme ve parlatma Tümleştirilen sensör ve okuma devresinin tabanı inceltilmiş ve parlatılmıştır. Daha sonra karakterizasyon aşamasına geçilmiştir. 4.2 Krakterizasyon İşlemleri Doğrulama testleri Tez kapsamında ölçüm sonuçları verilen sensörün, sensör algılayıcı malzemesi olarak AlGaAs/GaAs kullanılmıştır. 104

124 Karanlık akım Karanlık akım ölçümlerinde üzerinde test dedektörleri bulunan LCC (Leadles Chip Carier- FPA in içine yerleştirildiği paket) paket sıvı azotlu soğutucunun içindeki LCC soketine yerleştirilir. Dedektörün önü uygun bir aparat kullanılarak soğuk yüzey sıcaklığındaki bir soğuk kalkan ile tamamıyla kaplanır. Sıcaklık sıvı azot yardımıyla 77 K ve daha düşük sıcaklıklara soğutulur. Soğutucu dışına taşınan dedektör bağlantı noktaları akım ölçmek için kullanılan Source-Measure Unit cihazına bağlanır. Dedektöre bağlı olan sıcaklık sensörü voltajı sıcaklık okuma devresi ve multimetre yardımıyla okunarak dedektör sıcaklığı kontrolü yapılır. Dedektör uygun sıcaklığa soğutulduktan sonra bilgisayar yardımıyla Source-Measure Unit tarafından dedektöre -2.5 ve -0.5 V aralığında 0.5 V aralıklarla gerilim uygulanarak bu gerilimlere karşılık gelen akım değerleri Source Measure Unit cihazı tarafından ölçülür ve bilgisayar tarafından kaydedilir. Şekil 4.13 te karanlık akım ölçüm düzeneği gösterilmiştir. Şekil 4.13 Karanlık akım ölçüm düzeneği (Özer, 2005) Bu ölçümlerin sonucunda dedektörün 65 K sıcaklığında karanlık akım-gerilim karakteristiği şekil 4.14 te verilmektedir. 105

125 Şekil 4.14 Karanlık akım grafiği Fotoakım Foto akım-gerilim karakteristiklerinin ölçümünde yine karanlık akım ölçümlerinde olduğu gibi üzerinde test dedektörleri bulunan LCC paket soğutucunun içindeki LCC sokete yerleştirilir. Dedektör uygun bir aparat kullanılarak ölçümde hedeflenen görüş açısına (f/1.5) ayarlanır. Soğutucu yardımıyla dedektör uygun sıcaklıklara soğutulur. Dedektör üzerinden geçen akım karanlık akım ölçümünde olduğu gibi bilgisayar yardımıyla -2.5 V ve -0.5 V aralığında 0.5 V aralıklarla gerilim uygulanarak bu gerilimlere karşılık gelen akım değerleri Source Measure Unit cihazı tarafından ölçülür ve bilgisayar tarafından kaydedilir. Bu ölçüm sonucunda kullanılan optik açıklık ile dedektörün 65 K sıcaklığında toplam (karanlık+foto) akım-gerilim karakteristikleri elde edilir. Bu akımdan 65 K sıcaklıktaki karanlık akım çıkartılarak dedektörün foto akımı bulunur. Bu ölçümlerin sonucunda dedektörün ayarlanan görüş açısıyla foto akım-gerilim karakteristikleri şekil 4.15 te verilmektedir. 106

126 Şekil 4.15 Fotoakım ve karanlık akım grafiği Spektral tepkisellik Bu ölçüm vasıtasıyla dedektörün en fazla duyarlı olduğu dalga boyu ve duyarlı olduğu dalga boyu bant genişliği ölçülür. Spektral ölçüm düzeneğinin şeması şekil 4.16 da gösterilmektedir. Bu ölçüm düzeneğinde FTIR (Fourier Transform Infrared) tipi bir spektrometre kullanılmaktadır. FTIR spektrometresinde Michelson tipi bir interferometre yer almaktadır. Dedektör sinyalini FTIR spektrometre elektronik devrelerinin okuyabileceği seviyelere çekebilmek için dedektör ile FTIR spektrometresi arasında bir transempedans yükseltici kullanılmaktadır. 107

127 Şekil 4.16 Spektral ölçüm düzeneği blok şeması (Özer, 2005) Ölçüm düzeneğinde radyasyon kaynağı olarak bir karacisim kullanılmaktadır. Ölçüm esnasında önce bir referans dedektörü kullanılarak karacisim ve atmosferik geçirgenlik karakteristiği kaydedilir. Daha sonra QWIP dedektör kullanılarak yapılan ölçüm sonucu referans dedektör ile elde edilen ölçüm sonucuna bölünerek karacisim karakteristiğinin ve atmosferik geçirgenlik ekileri yokedilir ve böylece gerçek QWIP dedektör spektral tepkisellik grafiği elde edilmiş olur. Şekil 4.17 de QWIP sensörün ölçüm sonucunda elde edilen spektral tepkisellik karakteristiği verilmektedir. 108

128 Şekil 4.17 Spektral tepkisellik karakteristiği Dedektivite Bu ölçüm vasıtasıyla dedektörün tepe dedektivite değeri ölçülür. Dedektörün tepe dedektivitesinin belirlenebilmesi için tepkisellik ve gürültü ölçümlerinin yapılıp, bu ölçüm sonuçlarının akım gerilim karakteristikleri ve spektral tepkisellik ölçümleriyle aşağıda belirtilen şekliyle birleştirilmesi gerekmektedir. Tepkisellik ölçüm düzeneğinin şeması şekil 4.18 de gösterilmektedir. Bu ölçüm düzeneğinde kavite tipi bir karacisim kullanılmaktadır. Bu karacisim önünde ölçüm frekansını limitlemek ve karacisim dışından kaynaklanan radyasyonu elimine etmek amacıyla bir kıyıcı (chopper) kullanılmaktadır. Sıvı azot dewar ı içerisine yerleştirilen dedektör soğutulduktan sonra karacisim önündeki bir x-y-z hizalama tablasına yerleştirilir. Karacisim üzerinde ölçüm için uygun bir karacisim açıklığı seçilir. Dedektör bu açıklığın tam önüne hizalanacak şekilde x-y-z tablası hareket ettirilir ve hizalama işlemi gerçekleştirilir. 109

129 Şekil 4.18 Tepkisellik ölçüm düzeneğinin şeması (Özer, 2005) Dedektör sinyallerini ölçüm düzeneğinin okuyabileceği seviyelere yükseltebilmek için spektral tepkisellik ölçümlerinde olduğu gibi dedektör ile ölçüm düzeneği arasında bir transempedans yükseltici kullanılmaktadır. Yükseltici çıkışı kazancı 1 olan bir lock-in yükselticisine bağlanır. Karacisim kıyıcısı ile lock-in aynı frekansa kilitlenip dedektörden sinyal okuma işlemi gerçekleştirilir. Bu işlemlerin hepsi bilgisayar kontrolü yardımıyla gerçekleştirilmektedir. Karacisim sıcaklığı, karacisim açıklığının çapı, dedektörün karacisime olan uzaklığı ve dedektör alanı bilgisayara girilerek dedektör üzerine düşürülen radyasyon gücü bilgisayar yardımıyla hesaplanabilmektedir. Lock-in yükselticisi yükseltilmiş dedektör sinyalini voltaj olarak vermektedir. Bu sinyal dedektör kazancına bölünerek akım cinsinden dedektör sinyali bulunmaktadır. Akım (Amper) cinsinden dedektör sinyalinin dedektör üzerine düşen radyasyon gücüne (Watt) bölünmesi ile tepkisellik değeri Amper/Watt cinsinden bulunmuş olur. Dedektör üzerinden geçen toplam akım (I T ) ölçülen ön yükselteç çıkış voltajının ön yükselteç kazancıyla çarpılması yoluyla hesaplanır. Yazılımdan gürültü ölçüm seçeneği seçilir ve ölçüm frekansı 27 Hz olarak girilir ve ölçüm başlatılır. Yazılım lock-in yükseltecini uygun konfigürasyona getirir. Ölçüm sonucunda lock-in yükselteci 110

130 tarafından okunan gürültü spektral yoğunluğu V/Hz 1/2 cinsinden bilgisayar ekranına aktarılır. Bu değer A/V cinsinden önyükselteç kazancı ile çarpılarak dedektörün gürültü akımı spektral yoğunluğu belirlenir. QWIP dedektörlerin gürültü akımıyla dedektörden geçen akımı arasındaki bağıntı aşağıdaki gibidir. i n = 4qI g f T...(4.1) Bu bağıntıda i n : gürültü akımı, q: elektron yükü (1.6 x C), I T : toplam dedektör akımı, g: dedektör kazancı, f: bant genişliği dir. Dedektör akımı ölçümü vasıtasıyla tespit edilen akım değeri (I T ) gürültü ölçümü sonuçlarıyla birleştirilerek dedektörün seçilen gerilimde gürültü kazancı (g) belirlenir. Daha sonra karanlık/foto akım-gerilim karakteristikleri kullanılarak dedektörün 65 K sıcaklığında ve f/1.5 görüş açısında akım gürültüsü aşağıdaki formülle hesaplanır. (Dedektörün kazancı dar bir sıcaklık aralığında (65-80 K) dikkate değer ölçüde değişmez.) i n = 4q( I + I ) g f D P...(4.2) Yukarıdaki eşitlikte I D, dedektörün seçilen sıcaklıktaki ve eğimleme gerilimi altındaki karanlık akım, I P ise bu sıcaklık ve gerilim altında seçilen görüş açısı ile foto akımı göstermektedir. Öte yandan eşitlik 2.3 te verilen dedektivite formülünde yukarı paragraflarda anlatılan Watt/Amper cinsinden tepkisellik değeri ve Amper cinsinden gürültü akımı değeri kullanılarak dedektörün dedektivite değeri hesaplanır. Tepe tepkisellik hesaplamasında kullanılan değerler çizelge 4.1 de verilmiştir. 111

131 Çizelge 4.1 Tepe tepkisellik hesaplamasında kullanılan değerler Karacisim Karacisim Tepe Ön Yükseltici Tepe Faktörü Tepkiselliği Tepkiselliği Tepkisellik Kazancı (A/V) (Birimsiz) (V/W) (A/W) (A/W) 1.03x10 5 1x x x10-2 Tepe dedektivite hesaplamasında kullanılan değerler çizelge 4.2 de verilmiştir. Çizelge 4.2 Tepe dedektivite hesaplamasında kullanılan değerler 65 K Tepe 65 K Foto Dedektör f Gürültü Tepe Karanlık Tepkisell Akım (A) Alanı (Hz Kazancı Dedektivite Akım (A) (I (I D ) P ) (cm 2 ik (A/W) ) ) (Birimsiz) (cmhz 1/2 /W) (R p ) 3.6x x10-9 3x x x10 10 Ölçümler sonucunda elde edilen QWIP dedektörün tepe dedektivite değeri 3.46x10 10 cmhz 1/2 /W dir NETD ve ölü piksel sayısı Bu ölçüm vasıtasıyla dedektörün gürültü eşdeğer sıcaklık farkı ölçülür. NETD ölçümleri odak düzlem matrisini geniş alanlı karacisim kaynağının radyasyonuna tabi tutarak yapılır. Kara cisim levhalarından biri oda sıcaklığına (soğuk levha) diğeri ise oda sıcaklığından T kadar daha yüksek sıcaklığa (sıcak levha) ayarlanarak, her biriyle en az 128 ardışık resim, kapıcı kartı ile kayıt edilir. Soğuk ve sıcak levhalara bakılırken edinilen resim kayıtlarının herbirinin ortalaması hesaplanır. Sıcak ve soğuk ortalama resimlerinin arasındaki fark odak düzlem matrisinin T lik bir sıcaklık farkına verdiği tepkiselliğin ölçüsüdür. Sıcak ortalama ve soğuk ortalamanın farkı T ye bölünerek odak düzlem matrisinin tepkisellik resmi elde edilir. Her piksel için hesaplanan tepkiselliğin birimi 1/K dir. Soğuk resimdeki her pikselin zaman ekseninde standart sapması hesaplanır. Her pikselin standart sapması ile elde edilen resim odak düzlem matrisinin gürültü resmidir. 112

132 Bu işlemler sonucunda her piksel için tepkisellik ve gürültü değeri elde edilir. Her pikselin NETD değeri, gürültü değerini tepkiselliğine bölerek elde edilir. Gürültü NETD=...(4.3) Tepkisellik Yukarıda tanımlanan prosedür aşağıdaki eşitlikte verilmektedir. NETD i, j = N ( N 1 N ρ N ( ρ i, j, k i, j, k k= 1 N k= 1 N ) 1 ( i, j, k T= 300 K k= 1 N k= 1 1 N ρ ρ ) 2 i, j, k ) T= 290 K...(4.4) NETD ölçümü yukarıda açıklanan şekilde tamamlandıktan sonra sensör dizini üzerindeki her bir pikselin NETD değeri elde edilir. NETD değeri, ölçülen ortalama NETD değerinin üç katından fazla olan pikseller hasarlı/ölü piksel olarak kabul edilir. Bilgisayar yazılımı tarafından hasarlı/ölü piksel sayısı rapor edilir. Yapılan ölçüm neticesinde, hasarlı/ölü piksel oranı % 0.5 olarak elde edilmiştir. Yapılan ölçüm neticesinde QWIP sensör dizininin NETD değeri mk olarak bulunmuş olup buna ilişkin grafik şekil 4.19 da görülmektedir. Şekil 4.19 Ortalama NETD grafiği 113

133 5. SONUÇ Bu tez kapsamında, AlGaAs/GaAs malzeme kullanılan QWIP dedektörün sensör kısmının tasarımına yönelik çalışma gerçekleştirilmiş ve geliştirilen sensörün okuma devresi ile tümleştirilmiş modelinin karakterizasyon sonuçları incelenmiştir. Yapılan çalışamalarda, MBE tekniği ile büyütülmüş olan mevcut 4 inch çaplı GaAs taban kullanılarak aşağıdaki işlemler sırasıyla uygulanmıştır: Aktif katman yüzeyi fotorezist ile kaplandı. Litografi yöntemiyle fotorezist katmanında piksel maske deseni oluşturuldu. Piksel yapıları ıslak veya kuru aşındırma yöntemleriyle oluşturulup, fotrezist katmanı temizlendi. Fotorezist katmanı serildi. Litografi ile fotorezist katmanında optik ızgara şablon yapısı oluşturuldu. Islak veya kuru aşındırma yöntemleriyle optik ızgara yapıları oluşacak şekilde aşındırma işlemi gerçekleştirildi. Fotorezist katmanı temizlendi. Fotorezist serildi. Litografi yöntemiyle reflektör metalizasyonu deseni fotorezist katmanında oluşturuldu. Fiziksel buharlaştırma yöntemiyle ince metal filmi kaplandı. Lift-off işlemi ile reflektör metalleri istenen bölgelerde oluşturuldu. Fotorezist serildi. Litografi yöntemiyle omik kontak metalizasyonu deseni fotorezist katmanında oluşturuldu. Fiziksel buharlaştırma yöntemiyle ince metal film kaplandı. Lift-off işlemi ile omik kontak metalleri istenen bölgelerde oluşturuldu. Omik kontak aktivasyonu örnek ısıtılarak sağlandı. Püskürtme yöntemiyle bütün yüzeye dielektrik film kaplandı. Fotorezist serildi. Litografi yöntemiyle pasivasyon deseni fotorezist katmanında oluşturuldu. Aşındırma yöntemiyle piksel tepelerinden kontak alınacak bölgeler ve ortak kontak bölgeleri aşındırıldı. 114

134 Fotorezist serildi. Litografi yöntemiyle indium kaplama deseni fotorezist katmanında oluşturuldu. Elektro kaplama yöntemiyle indium toplar istenen bölgelerde oluşturulup, Fotorezist temizlendi. Uygun basınç ve sıcaklık profilleri uygulanarak okuma devresi ile sensör dizininin hibrit tümleştirme işlemi gerçekleştirildi. Okuma devresi ile sensör dizini arası uygun bir alt dolgu ile doldurulup, alt dolgu belirli bir süre ısıtılarak katılaştırıldı. Sensör dizininin tabanı inceltilerek FPA testlere hazır hale getirildi. 65 Kelvin sıcaklıkta 640x512 formatlı QWIP dedektör için karanlık akımgerilim karakteristiği, foto akım-gerilim karakteristiği ve spektral tepkisellik grafikleri elde edildi. Elde edilen bulgular ile yapılan hesaplamalar neticesinde tepe dedektivite değeri 3.46x10 10 cmhz 1/2 /W olarak hesaplanmıştır. QWIP sensör dizininin NETD değeri mk olarak bulunmuş olup ölü/hasarlı piksel sayısı yaklaşık % 0.5 tir. Son 15 yıl içinde QWIP teknolojisi çok hızlı bir şekilde gelişmiş olup, 640x512 QWIP odak düzlem matrisleri dedektör üreticilerinin ticari kataloglarına girmiştir. Kızılötesi sensör teknolojilerinin kazanılması çok kapsamlı ve uzun süreçli AR-GE çalışmalarını gerektirmektedir. Bu çalışmalar birçok ülkede üniversiteler ile AR-GE ve endüstri kuruluşları tarafından yürütülmekte ve sonuçlarının sadece bir kısmı literatürde rapor edilmektedir. Günümüzde QWIP teknolojisi geliştirme çalışmaları birden fazla bantlı odak düzlem matrislerini de içeren şekilde devam etmektedir. Üçüncü kuşak olarak adlandırılan foton sensörlerinin ortak özellikleri çok geniş formatlı olmaları ve birden fazla dalga boyu aralığında algılama yapabilmeleridir. Hedef teşhis mesafesini uzatma ve yanılgıları azaltma gibi yönlerden önemli avantaj sağlayan bu özellik sayesinde 1 mk mertebesinde NETD değeri hedeflenmektedir. InP taban üzerinde büyütülmesi mümkün olan yarıiletken sistemleri GaAs taban üzerindekilere göre çok daha çeşitlidir. Bununla birlikte taban malzemesi olarak InP taban üzerinde InP/InGaAs ve AlInAs/InGaAs malzeme sistemleri çift bantlı QWIP ler için yüksek potansiyele 115

135 sahiptir. 77 K sıcaklıkta hem InP hem de GaAs taban üzerindeki MWIR QWIP lerin dedektivite değeri BLIP sınırındadır. InGaAs/InAlAs malzeme sistemi ile rapor edilen en yüksek tepkisellik 300 ma/w (Fathimulla vd. 2004) ve en yüksek dedektivite 1.5x10 12 cm Hz 1/2 /W dır (Hasnain vd.1990). Bu malzeme sistemi ile orta formatlı (256x256) bir odak düzlem matrisi BAE Systems firması tarafından üretilmiş ve 32 mk NETD değerine ulaşılmıştır (Fathimulla vd. 2004). Süleyman Umut Eker doktora tez çalışmasında AlGaAs/GaAs LWIR QWIP lere alternatif olarak InP/InGaAs materyal sistemi ile çalışmış ve dedektivite değeri olarak 2.6x10 10 cm Hz 1/2 /W (f/1.5, 65 K) elde etmiştir (Eker 2010). Gunapala vd. 640x512 formatlı GaAs/AlGaAs ile yaptıkları çalışmalarda 45 K de NETD değerini 55 mk olarak ve 55 K de dedektivite değerini 3x10 10 cm Hz 1/2 /W olarak ölçtüklerini rapor etmişlerdir (Gunapala vd. 2001). Paltiel vd. Zn katkılı p-tipi QWIP üzerinde yaptıkları çalışmada 80 K de 0.97x10 10 cm Hz 1/2 /W dedektivite değerini elde etmişlerdir (Paltiel vd. 2005). Schneider vd. çift bant 256x256 piksel QWIP ile yaptıkları çalışmada MWIR bandında NETD değerini 30 mk ve LWIR bandında NETD değerini 34 mk olarak elde etmişlerdir yine aynı çalışmada 384x288 çift bant QWIP FPA ile MWIR bandında 17 mk değerine ulaşmışlardır (Schneider 2005). Gunapala vd. yaptıkları çalışmalarda 1024x1024 formatlı AlGaAs/GaAs QWIP lerle yaptıkları çalışmalarda MWIR QWIP FPA için 90K çalışma sıcaklığında dedektivite değerini 4x10 11 cm Hz 1/2 /W ve LWIR için 70 K de (f/2.5 optik açıklık) dedektivite değerini 1x10 11 cm Hz 1/2 /W olarak, NETD değerlerini ise MWIR için 90 K de 17 mk olarak, LWIR için 72 K de 16 mk olarak rapor etmişlerdir (Gunapala vd. 2005). Günümüzde, çok sayıda askeri ve sivil uygulama alanı bulunan termal görüntüleme teknolojisine dünyada az sayıda ülke sahip durumdadır. Termal görüntüleme sistemlerinin nihai performansını doğrudan etkileyen kızılötesi dedektör teknolojisinin kazanılması, oldukça uzun süreli ve kapsamlı araştırma ve geliştirme çalışmaları gerektiren zorlu bir süreçtir. Savunma sanayi açısından gelişmiş durumdaki ülkelerin bir çoğunun ordularında kendi üretimleri olan termal kamera sistemleri kullanılmaktadır. Bu alandaki araştırma ve geliştirme çalışmaları özellikle daha yüksek formatta dedektör dizinlerinin 116

136 oluşturulması, daha yüksek performansı sağlamaya yönelik vakum paket yapısı ve soğutucu birimlerin geliştirilmesi üzerinde yoğunlaşmaktadır. Türkiye de, 1990 lı yıllardan itibaren, ASELSAN AŞ nin önderliğinde, termal görüntüleme amaçlı kızılötesi termal görüntüleme teknolojisinin kazanılmasına yönelik temel çalışmalar başlamış, bazı tip termal kameralara yönelik kısmi yerli üretim gerçekleştirilmiştir. Müteakiben özellikle ODTÜ de yürütülen araştırma ve geliştirme çalışmaları neticesinde, kızılötesi dedektörler konusunda yurt dışındaki benzer süreçlere göre çok daha kısa sürede önemli seviyede kabiliyet kazanılmıştır. Yapılan tüm bu çalışmalar sayesinde, günümüzde, termal görüntüleme sistemlerinin temel birimleri olan kızılötesi dedektör, vakum paketi, kamera elektroniği ve soğutucu birim tasarımı ve üretimi konusunda yurt içinde önemli bir seviyeye ulaşılmış durumdadır. Mevcut seviyenin korunması ve daha ileri seviyeye ulaşılması maksadıyla, devletin ilgili kurumları, savunma sanayi kuruluşları ve üniversiteler arasında koordineli çalışmalar devam etmektedir. Günümüze dek dünyada, 3-5 µm taramasız kızılötesi sensör dizinleri çalışmaları ağırlıklı olarak InSb ve MCT malzemeleri üzerine olmuştur. Ancak son zamanlarda, düşük maliyeti ve olgun malzeme teknolojisi nedeniyle kuantum kuyulu kızılötesi fotodedektörler (QWIP ler) de ilgi çekmektedir. Raytheon firmasının 1984 yılında 58x62 formatında InSb taramasız dizinini piyasaya sunmasınının ardından, son 20 yıl içinde MWIR odak düzlem matrisi teknolojisi çok hızlı bir şekilde gelişmiş ve çok geniş formatlı MWIR odak düzlem matrisleri dedektör üreticilerinin ticari kataloglarına girmiştir. Hem astronomik hem de askeri uygulamalar için çeşitli formatlarda ve çeşitli dalgaboylarında ürünler mevcuttur ve halen geliştirilmektedir. Dünyada QWIP dedektörler konusunda yapılan çalışmalar özellikle AlGaAs/GaAs malzeme kullanılarak MWIR ve LWIR dedektörlerin geliştirilmesi üzerine başlamış, daha sonraları farklı taban malzeme tipleri ve MWIR/LWIR çift bantlı dedektörler 117

137 üzerine devam etmiştir. Olgunlaşmış GaAs teknolojisine dayanan QWIP ler, özellikle Uzun Dalga Boyu (LWIR) FPA lar için, daha iyi homojenlik ve düşük üretim maliyeti sağlamaktadır. Ancak standart AlGaAs/GaAs QWIP ler, sahip oldukları düşük kuantum verimliliği nedeniyle özellikle çok yüksek resim hızları gerektiren termal görüntüleme sistemlerinde yetersiz kalabilmektedir. Diğer taraftan, QWIP teknolojisi diğer malzeme tiplerine göre göreceli olarak yeni olup, malzeme sistemleri ve kuantum kuyu yapıları üzerinde yapılan çalışmalar sayesinde geliştirilmeye devam etmektedir. Günümüz teknolojisiyle 2048x2048 formatına kadar astronomi amaçlı, 640x512 formatına kadar ise askeri amaçlı taramasız odak düzlem matrisleri üretilmektedir. Halihazırda AlGaAs/GaAs QWIP FPA leri 1024x1024 formatta geliştirilen dedektörler bulunmakla birlikte (Özer vd. 2005), performansı artırmaya yönelik olarak parametrelerin optimizasyonu çalışmaları sürdürülmektedir. InSb ve HgCdTe malzemeleri ile üretilen fotodedektörler MWIR görüntüleme sistemlerinde yaygınlaşmıştır. MWIR bandında taramasız odak düzlem matrisi üreticileri ve bu firmaların ürünleri aşağıda sıralanmıştır. AIM, Almanya ( MCT 128x128, < 15 mk, f/1.5, 1.2 ms, 400 fps 256x256, < 7 mk, f/1.5, 2.8 ms, 200 fps 256x256, < 15 mk, f/2.0, 1.1 ms, 800 fps 384x288, < 18mK, f/4.6, 20 ms, 120 fps 640x512, < 18 mk, f/4.6, 20 ms, 50 fps PtSi 256x256, 75 mk, f/1.5, 33ms, 50 fps 640x486, 75 mk, f/1.5, 33ms, 50 fps 118

138 Sofradir, Fransa ( MCT 320x256, <10 mk, f/2, 90 fps (<16 mk, f/4, 80 fps) 640x512, < 16 mk, f/2,100 fps (15 um pitch) 640x512, < 18 mk, f/3, 75 fps (20 um pitch) Semiconductor Devices, İsrail ( InSb 640x512, 120 fps, Dijital ROIC 640x512, 25 µm pitch 640x512, 20 µm pitch 480x384, 160 fps, Dijital ROIC 320x256, <17mK, 440 fps η>%75 320x256, <20 mk Raytheon, A.B.D. ( InSb 256x256, µm, 10-77K 1024x1024, µm, 35K Rockwell Scientific, A.B.D. ( MCT 256x256, <10 mk, 1-4.6µm 640x480, <25 mk, µm Türkiyedeki devlet üniversiteleri ve özel üniversite/kuruluşlarda kızılötesi sensör teknolojisi geliştirilmesi konusunda ArGe ve uygulama altyapısı oluşturulmuştur. Yapılan bu çalışmalar sayesinde, günümüzde, termal görüntüleme sistemlerinin temel 119

139 birimleri olan kızılötesi dedektör, vakum paketi, kamera elektroniği ve soğutucu birim tasarımı ve üretimi konusunda yurt içinde önemli bir seviyeye ulaşılmış durumdadır. Aşağıdaki tabloda söz konusu üniversite ve kuruluşlarda konu ile ilgili tesisler ve yetenekleri verilmiştir. Kurum/Üniversite Yetenekleri İletişim ODTÜ BİLKENT Üniversitesi ANKARA Üniversitesi İki adet MBE reaktörü mevcuttur. MCT ve QWIP malzeme büyütme çalışmaları ile geniş formatlı tek ve çift bantlı FPA üretim çalışmaları yapılmaktadır. QWIP ler konusunda dünya ile yarışacak çok önemli çalışmalar yapılmış olup performans artırmaya yönelik çalışmalar devam etmektedir. Soğutmasız dedektörler, mikrobolometre, konusunda çalışmalar ODTÜ-MET laboratuvarında yürütülmektedir. MOCVD reaktörü mevcuttur. NANOTAM da fotodedektörler, lazer diyot, nano transistörler, nano lazerler konularında çalışmalar yürütülmektedir. UNAM da da sensör çalışmaları yapıldığı bilinmektedir yılında tamamlanması planlanan Gölbaşı THM IR SEL (Türk Hızlandırıcı Merkezi-Kızılötesi Elektron Lazeri) tesisi dedektör yarıiletken malzemelerinin karakterizasyonu ve analizi, dalgaboyu karakteristiklerinin incelenmesi, malzeme yüzey çalışmaları, kuantum kuyularının katkılanması gibi çalışmalarda, yüzey kaplama teknolojisinde, optik ve elektronikte kullanılacak yüksek kaliteli ince filmlerin üretiminde, moleküllerdeki titreşimsel enerji transferlerinin incelenmesi çalışmalarında (örneğin kuantum kuyuları üzerindeki çalışmalarda) test ve araştırma imkanı sağlayabilecektir. Prof. Dr. Cengiz BEŞİKÇİ (KANAL) Prof. Dr. Tayfun AKIN (ODTÜ-MET) Prof. Dr. Salim ÇIRACI (UNAM) Prof. Dr. Ekmel ÖZBAY (NANOTAM) Prof. Dr. Ömer YAVAŞ Proje Yürütücüsü Prof. Dr. Pervin ARIKAN (Gazi Ü.) Deney İstasyonları Sorumlusu 120

140 GAZİ Üniversitesi ANADOLU Üniversitesi MBE reaktörü mevcuttur. Bugüne kadar AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs katman yapıları büyütülmüş, bazı QWIP algılayıcı malzeme tiplerinde denemeler gerçekleştirilmiştir. QWIP ve Süperörgü yapılar konusunda çalışmalar yürütülmektedir. Özellikle Süperörgü yapılar kullanılarak dedektör geliştirilmesi konusunda çalışmaları devam etmektedir. Prof. Dr. Süleyman ÖZÇELİK Prof. Dr. Yüksel ERGÜN CUMHURİYET Üniversitesi SABANCI Üniversitesi ASELSAN AŞ MOCVD sistemi mevcuttur. GaAs, GaP ve GaAlAs tabanlı katman yapılarının üretimi ve QWIP kuantum kuyuları konularında laboratuvar çalışmalarına başlanmıştır. MCT ve Süperörgü yapılar konusunda teorik çalışmalar yapılmaktadır. Dünyada temini oldukça zor olan MCT dedektörlerin okuma devrelerinin geliştirilmesi konusunda 2000 yılından itibaren çalışmalar devam etmektedir. Bu kapsamda öncelikli düşük formatlı dedektörler için planlanan çalışmalar, daha sonraları daha geniş formatlara dönüştürülmesi planlanmaktadır. Bu sayede, bugüne kadar geliştirilen MCT dedektörler yurt içinde okuma devresi ile tümleşik hale getirilebilecektir. Savunma sanayinin ihtiyaçlarına yönelik termal kameraların üretimi ve test edilmesi konusunda önemli bir alt yapı mevcuttur. Dünyadaki gelişmelere paralel olarak, ASELSAN AŞ de de yeni tip kızılötesi dedektör malzemesi ve fabrikasyon süreçleri konusunda da çalışmalar devam etmektedir. ASELSAN AŞ de bu konuda seri üretime yönelik bir tesis kurulmuştur. TÜBİTAK YİTAL Okuma devresi üretimi çalışmaları yapılmaktadır. TÜBİTAK SAGE Sensör sistem entegrasyonu çalışmaları yapılmaktadır. İzmir Yüksek MCT konusunda araştırma ve çalışmalar Teknoloji yapılmaktadır. Prof. Dr. Hüseyin SARI Prof. Dr. Sezai ELAGÖZ Prof. Dr. Yaşar GÜRBÜZ Hacer SELAMOĞLU Selçuk ÖZER Ümit TÜMKAYA Latif SÜNGÜ Aziz Ulvi ÇALIŞKAN Alper AKMEŞE Yrd. Doç. Yusuf SELAMET 121

141 KAYNAKLAR Anonymous Web Sitesi: Erişim Tarihi: 11 Eylül 2010 Anonymous Web Sitesi: Erişim Tarihi: Anonymous Web Sitesi: Erişim Tarihi: Anonymous Web Sitesi: Erişim Tarihi: Anonymous Web Sitesi: Erişim Tarihi: Anonymous Web Sitesi: Erişim Tarihi: Anonymous Web Sitesi: Erişim Tarihi: Anonymous Web Sitesi: lecture_2/ materials /materials.html, Erişim Tarihi: Anonymous Web Sitesi: Erişim Tarihi: Anonymous Web Sitesi: eecs. berkeley. edu/ ~ee143 /fa10/ lectures/lec_13 pdf, Erişim Tarihi: Anonymous Web Sitesi: eecs. berkeley. edu/ ~ee143 /sp06/ lectures/lec_16 pdf, Erişim Tarihi: Anonymous Web Sitesi: eecs. berkeley. edu/ ~ee143 /sp06/ lectures/lec_18 pdf, Erişim Tarihi: Anonim Savunma Teknolojileri Kongresi Ekim, ODTÜ, Ankara. 122

142 Akın, T CMOS based thermal sensor in advancedmicro & nanosystems volume:2 CMOS-MEMS, Edited by Baltes, H., Brand, O., Fedder, K.G., Hierold, C., Korvink, J., Tabata, O., WILEY-VHC Verlag GmbH&Co.KgaA, , Germany. Bajaj, J., Sullivan, G., Lee, D., Aifer, E. and Razeghi, M Comparison of Type-II Superlattice and HgCdTe Infrared Detector Technologies. Proc. of SPIE, 6542 (65420B); 1-8. Bandara, S.V., Gunapala, S.D., Lui, J.K., Rafol, S.B., Hill, C.J., Ting, D.Z., Mumolo, J.M. and Trinh, T.Q Multi-band and broad-band infrared detectors based on III-V metarials for spectral imaging instruments. Infrared Physics & Technology, ELSEVIER, 47; Carbone, A., Introzzi, R. and Liu, H.C Langevin approach to the generationrecombination noise of a multi quantum well infrared photodetector. Infrared Physics & Technology, ELSEVIER, 47; Cederberg, G.J., Shaner, A.E. and Ellis, R Final LDRD report: Infrared detection and power generation using self-assembled quantım dots. Sandia National Laboratories, 43, New Mexico. Choi, K.K The physics of QWIPs. World Scientific. Choi, K.K The physics of quantum well infrared photodetectors. World Scientific. Dahlen, A., Fattah, A., Hanke, G. and Karthous, E Crystal research and technology. Daniels, A Field Guide to Infrared Systems. Volume FG09. SPIE, 121, USA. Dereniak, E.L. and Boreman, G.D Infrared Detectors and Systems. A Wiley- Interscience Publication, 553, Canada. Dereniak, E SC278 Infrared Detectors. SPIE, 141, USA. Dereniak, E. and Hubbs, J SC152 Infrared Focal Plane Arrays. SPIE, 145, USA. Desai, U.B Infra red detectors. M. Tech Credit Seminar Report, Eker, S.U Single and dual band quantum well infrared photodetector focal plane array on InP substrates. PhD thesis. Eker, S.U., Arslan, Y., Kaldırım, M. and Beşikçi, C QWIP FPA s on InP substrates for single and dual band thermal imagers. Infrared physics technologies. 52 ( ). 123

143 Eker, U., Arslan, Y., Onuk, A.E. and Besikci, C High Conversion Efficiency InP/InGaAs Strained Quantum Well Infrared Photodetector Focal Plane Array With 9.7 µm Cut-Off for High- Speed Thermal Imaging. Journal of Quantum Electronics, 46; Eminoğlu, S., Tezcan, S.D., Tanrıkulu, M.Y. and Akın, T Low-cost uncooled infrared detectors in CMOS process. Sciencedirect Sensors and Actuators A, 109; Esaki, L. and Sakaki, H New photoconductor. IBM Tech. Disc. Bull., 20; Fathimulla, A., Hier, H. and Aina, L InP-based multi-wavelenght QWIP technology. Proc. Of SPIE (5406), Goldberg, A., Choi, K.K., Cho, E. and McQuiston, B Laboratory and field performance of magapixel QWIP focal plane arrays. Infrared Physics & Technology, ELSEVIER, 47; Gunapala, S.D., Levine, B.F., Pfeiffer, L. and West, K Dependence of The Performance of GaAs/AlGaAs Quantum Well Infrared Photodetectors on Doping and Bias, J.Apply. Phys., 69; Gunapala, S.D., Bandara, S.V., Liu, J.K., Rafel, S.B., Mumolo, J.M., Reininger F.M., Fastenon, J.M. and Liu, A.K µm broadband 640x512 GaAs/AlGaAs quantum well infrared photodetector (QWIP) focal plane array. Jet Propulsion Laboratory, California Institude Of Technology. Gunapala, S.D., Bandara, S.V., Liu, J.K., Hill, C.J., Rafol S.B., Mumolo, J. M., Trinh, T.J., Tidrow, M.Z. and LeVan, P.D Development of mid-wavelenght and long wavelenght megapixel portable QWIP imaging cameras. ELSIEVER, 47; Hamamatsu Technical İnformation SD-12. Characteristic and use of infrared detectors. 43 Hasnain, G., Levine, B.F., Sivco, D.L. and Cho, A.Y Mid-infrared detectors in the 3-5 µm band using bound to continuum state absorbtion in InGaAs/InAlAs multiquantum well structures. Appl.Phys.Lett., 56; Jeffrey, G.C., Eric, A.S. and Ellis, R.A Final LDRD Report: Infrared Detection and Power Generation Using Self-Assembled Quantum Dots. Sandia National Laboratories, 43, New Mexico and California. Jovanovic, V.D., Harrison, P., Ikonic, Z. and Indjin, D A microscopic model of quantum well infrared photodetectors (QWIP). Infrared Physics & Technology, ELSEVIER, 47;

144 Kaldırım, M., Arslan, Y., Eker, S.U. and Beşikçi, C Lattice Matched AlInAs- InGaAs Mid-wavelenght QWIPs: Characteristics and Focal Plane Array Performance. Semiconductor Science and Technology, 23, (085007). Koçer, H Kızılötesi Dedektör Teknolojileri. Elektro-Optik Sistemler Bakım Merkezi Müdürlüğü, 142, Ankara. Levine, B. F., Choi, K. K., Bethea C. G., Walker J. and Malik, R. J New 10- micron infrared detector using intersubband absorption in resonant tunneling GaAlAs superlattices,. Appl. Phys. Lett., 50; Levine, B. F Quantum-well infrared photodetectors, J. Appl. Phys.,74; Liu, H. C., Wasilewski, Z. R. and Buchanan, M Segregation of Si q doping in GaAs-AlGaAs quantum wells and the cause of the asymmetry in the currentvoltage characteristics of intersubband infrared detectors. Appl. Phys. Lett., 63; Liu, H. C Intersubband transitions in quantum wells physics and device applications I, semiconductors and semimetals. Academic Press, 62. Matsukaru, Y., Uchiyama, Y., Suzuki, R., Fujii, T. and Kajihara, N Monte-Carlo simulation for QDIP device design. Infrared Physics & Technology, ELSEVIER, 47; Martyniuk, P. and Rogalski, A Comparison of performance of quantum dot and other types infrared photodetectors. SPIE, 6940; Martyniuk, P., Krishna, S. and Rogalski, A Assessment of quantum dot infrared photodetectors for high temperature operation. Journal Of Applied Physics, 104 (034314). Marquis, M Handouts on thermal imaging system theory. Texas Instruments Incorporated Defens System and Electronics. Milton, F.A U.S. Army interest in infrared detectors. Presentation. Director NVESD. Henini, M. and Razeghi, M Hanndbook of infrared detection technologies. Elsevier, UK, 533 Özer, S InSb and InAsSb infrared photodiodes on alternative substrates end InP/InGaAs quantum well infrared photodetectors: pixel end focal plane array performance. PhD Thesis, METU,

145 Özer, S., Cellek, O.O. and Beşikçi, C Assessment of large format InP/InGaAs quantum well infrared photodetector focal plane array. Infrared Physics & Technology, ELSEVIER, 47; Paltiel, Y., Zussman, A., Snapi, N., Sher, A., Jung, G., Choen, K., Benory, E. and Weiss, E Voltage tunability of high performance Zn doped p-type QWIP grown by MOVPE. ELSIEVER, 47; Pan, J. L. and Fonstad. C. G Theory, fabrication and characterization of quantum well infrared photodetectors. Materials Science and Engineering, 28; Piotrowski, J. and Rogalski, A High-Operating-Temperature Infrared Photodetectors. SPIE, 240, Bellingham, Washington USA. Rogalski, A GaAs/AlGaAs quantum well infrared photoconductors versus HgCdTe photodiodes for long-wavelenght infrared applications. SPIE, 2225; Rogalski, A Comparison of the performance of quantum well and conventional bulk infrared photodetectors. Infrared Physics & Technology, 38; Rogalski, A Assessment of HgCdTe photodiodes and quantum well infrared photoconductors for long wavelenght focal plane arrays. Infrared Physics & Technology, 40; Rogalski, A. and Chrzanowski, K Infrared devices and techniques. Opto- Electronics Review, 10 (2); Rogalski, A Infrared detectors: an overview. Infrared Physics & Technology, 43; Rogalski, A Applied Physics Reviews. Journal Of Applied Physics, 93 (8); Rogalski, A Material considerations for third generation photon detectors. Institute of Applied Physics, Presantation. Military University of Technology, Poland. ( 2006/Presantations). Rogalski, A Infrared Detectors for the Future. Optical and Acoustical Methods in Science and Technology, 116 (3); Rogalski, A Insight on quantum dot infrared photodetectors. IOP Publishing Ltd, 9. Rogalski, A Recent progress in infrared detector technologies. ELSEVIER, Poland, 154. Sarusi, G., Levine, B. F., Peat-ton, S. J., Bandara, K. M. S. and Leibenguth, R. E Improved performance of quantum well infrared photodetectors using random scattering optical coupling. Appl. Phys. Lett., 64;

146 Schneider, H., Maier, T., Fleissner, J., Walther, M., Koidl, P., Weimann, G., Cabanski, W., Finck, M., Menger, P., Rode, W. and Ziegler, J Dual-band QWIP focal plane array for the second and third atmospheric windows. ELSIEVER, 47; Sizov, F.F Infrared detectors: Outlook and means. SQO, 3 (1); Smith, J.W Modern optical engineering. Mc Grow Hill, ABD, 559. Steele, G.A., Liu, H.C., Buchanan, M. and Wasilewski R.Z Influence of the number of wells in the performance of multiple quantum well intersubband infrared detectors. J. Appl. Phys., 72; Tsai, K. L., Lee, C. P., Tsang, J. S., Chen, H. R. and Chang, K. H Two- Dimensional Bi-Periodic Grating Coupled One- and Two-Color Quantum Well Infrared Photodetectors. IEEE Electron Device Letters, 16; Xing, B., Liu, H. C., Wilson, P. H., Buchanan. M., Wasilewski, Z. R. and Simmons, J. G Noise and photoconductive gain in AlGaAs/GaAs quantum well intersubband infrared photodetectors. J. Appl. Phys., 76; Arslan, Y., Eker, S.U., Kaldırım, M. and Beşikçi, C Infrared physics technologies. 52 ( ). Zussman, A., Levine, B. F., Kuo, J. M. and Jong, J Extended longwavelength λ = µm GaAs/AlxGa1-xAs quantum-well infrared photodetectors. J. Appl. Phys., 70;

147 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Aylin ÖZTÜRK Doğum Yeri : Ankara Doğum Tarihi : 1977 Medeni Hali : Bekar Yabancı Dili : İngilizce Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl) Lise : Mimar Kemal Lisesi, Lisans : Hacettepe Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans : Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı (Eylül Mayıs 2011) Çalıştığı Kurum/Kurumlar ve Yıl Milli Savunma Bakanlığı, (2006- ) 128