1 Introdução. 1.1 Motivação

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1 Introdução

1.1

Motivação

No mundo em que vivemos interagimos com o meio através de nossos sensores biológicos. A expansão de tal capacidade de interação é um dos objetivos das pessoas que almejam trabalhar na área de ciências. Para que esta tarefa seja possível, a boa compreensão e manipulação dos componentes formadores do meio que nos cerca se fazem necessárias.

O mais nobre destes sensores é a visão que nos permite interpretar o mundo através da detecção da luz emitida ou refletida pelos objetos. Contudo, a visão humana possui uma grande limitação que a restringe a apenas uma faixa extremamente curta do espectro eletromagnético. Tal desprezo intrínseco de nossos olhos pelas demais faixas do espectro abre um leque de oportunidades tanto para utilizarmo-nas em tarefas que facilitem nosso cotidiano sem causar transtornos perceptíveis quanto para buscarmos torná-las detectáveis através de algum artefato para também nos serem úteis.

No primeiro grupo citado encontramos todas as aplicações com objetivo de melhoria da qualidade de vida. Seja através da facilitação ou automatização de alguns afazeres cotidianos, ou no encurtamento efetivo para comunicações à distância, ou na invenção de novos dispositivos de lazer e recreação, entre muitas outras aplicações domésticas e civis.

Já no segundo grupo temos as aplicações mais técnicas e estratégicas de geração de imagens ou detecção de algum comprimento de onda que forneça informações importantes. Nesse ramo temos incluso a área militar para defesa nacional, a área de manutenção de equipamentos, a área médica como novas formas de diagnósticos, etc. De forma a que esses profissionais tenham acesso a maior quantidade possível de dados para planejar suas ações com maior eficácia.

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Com base nisso que trataremos nessa introdução sobre algumas das aplicações mais relevantes e o dispositivo planejado para ser produzido durante este trabalho de dissertação de mestrado.

1.2

Aplicações de radiação não-visível

Observando-se ao nosso redor estamos cercados de diversos exemplos de empregos para as radiações não-visíveis. Alguns com nomenclaturas já inclusas na sabedoria popular, e outros cujas origens de funcionamento são completamente ignoradas pela população leiga.

Alguns exemplos de utilização de radiação não-visível em nosso cotidiano podem ser vistos na figura 1.1: telecomunicação, controle remoto, preparação de alimentos, videojogos, tratamentos estéticos, entre outros.

Todos esses exemplos possuem o objetivo de se aproveitar de radiações não captadas pelos sentidos humanos para realizar tarefas periféricas à percepção do usuário. No caso do exemplo da radiação que transmite a informação do controle remoto para o aparelho de televisão ou de telejogo, ela é usada para executar um comando a distância. Ou no caso de telefonia móvel cujas ondas permeiam todo o espaço para que pessoas possam se comunicar a partir de qualquer ponto do planeta. Idem para as ondas responsáveis pelo transporte dos dados de voz e imagem dos aparelhos de rádio e televisão. Entre muitas outras aplicações cotidianas.

Figura 1.1 – Aplicações cotidianas para radiação fora da faixa do visível ao olho humano.

Também encontramos utilização de radiação não-visível em aplicações técnicas como na figura 1.2: área de saúde, segurança pública, estratégico-militar, astronomia, entre outros.

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Nesse caso a radiação não-visível fornece informações impossíveis de serem retiradas por medidas utilizando radiação visível. É o caso do exame de raios-X que emite radiação capaz de atravessar tecidos menos densos e permite uma fotografia de órgãos e ossos no interior do corpo humano sem a necessidade de incisões. Para áreas estratégicas temos as câmeras térmicas para visão noturna ou câmeras térmicas para detecção de peças defeituosas que podem acarretar em acidentes. Na astronomia para que sejam determinadas as estruturas de galáxias e estrelas distantes, a única fonte de informação palpável é a radiação emitida por elas e que podem varrer grande parte do espectro eletromagnético.

Figura 1.2 – Aplicações técnicas para radiação fora da faixa do visível ao olho humano.

Ao observarmos a figura 1.3 temos uma idéia do espaço reservado para a radiação captada pelos olhos humanos em meio a toda a radiação componente do espectro eletromagnético.

Sabido desde que Maxwell formulou as suas equações e deduziu a existência de ondas eletromagnéticas, as diversas nomenclaturas conhecidas do dia-a-dia correspondem a ondas eletromagnéticas dentro de certa faixa de comprimentos de onda, freqüência ou energia. Se retomarmos os exemplos citados anteriormente temos as ondas de rádio utilizadas para transmissão de informação a longas distâncias, as microondas utilizadas no forno de microondas, os raios-X utilizado para diagnósticos médicos, o ultravioleta que promove o bronzeamento da pele, o infravermelho captado pelas câmeras térmicas, entre muitas outras.

Uma das aplicações mais notáveis dessas radiações reside na possibilidade de construir câmeras para visualizar de forma direta o mundo em comprimentos de onda fora da faixa da radiação visível. Em função das condições ambientais inerentes ao nosso planeta, cujos extremos de temperatura variam de -90°C a 60°C na superfície seca [1], as aplicações de imageamento térmico incorrem principalmente na faixa do infravermelho. Mesmo para aplicações de

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imageamento de equipamentos que funcionam a temperaturas de até 1000°C, ainda assim o comprimento de onda do pico de emissão reside na faixa do infravermelho. Com temperaturas mais elevadas o objeto passa a ter parte considerável de sua emissão no visível, como é o caso das lâmpadas de filamento de tungstênio. Essa relação da temperatura do alvo imageado e o comprimento de onda que há de ser detectado pela câmera será detalhado mais à frente na seção sobre emissão de corpo-negro (seção 2.5).

Dentre toda essa gama de possibilidades do espectro e devido a objetivarmos a aplicação em imageamento térmico, nos atentaremos à faixa denominada radiação infravermelha. Na figura 1.3 temos uma representação gráfica do espectro eletromagnético, em destaque a faixa compreendida pelo infravermelho e pela radiação visível. Nesse gráfico apresentamos a classificação adotada por nosso grupo, e que é comumente utilizada pela comunidade científica na área de fotosensores, para dividir o espectro de infravermelho em regiões menores de acordo com a aplicação.

Figura 1.3 – Representação gráfica do espectro eletromagnético com as nomenclaturas comumente utilizadas para classificação de cada faixa.

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A utilização do infravermelho pode se basear na produção conjunta de emissores e detectores deste tipo de radiação, de forma a ser possível uma intercomunicação entre ambos. Isto é válido para aplicações como detecção de gases, transferência de informação a longas distâncias, entre outros, como apresentado na figura 1.4. No caso de câmeras para imageamento, a fonte é o próprio objeto emissor de infravermelho ou refletor de infravermelho. Em ambos os casos há a necessidade de produção e caracterização de um detector de infravermelho adequado para cada uma das aplicações.

Figura 1.4 – Representação gráfica do funcionamento de um sistema de detecção de gases [2] e um sistema de transferência de radiação infravermelha emitida por um laser de infravermelho através de uma fibra ótica e captada por um detector de infravermelho.

1.3

Fotodetectores de Infravermelho

Desde a descoberta do infravermelho por Sir Frederick William Herschel em 1800, inúmeras formas de detecção da presença de radiação infravermelha foram inventadas baseadas na absorção dessa radiação por determinados materiais e que causavam uma mudança em suas temperaturas. A análise das modificações das propriedades físicas que essa mudança de temperatura causava era estudada e calibrada de forma a que este material pudesse servir como um detector. A própria descoberta da radiação infravermelha por Herschel se deveu a um termômetro convencional de mercúrio [3].

Com o advento da física quântica no início do século XX, as propriedades eletrônicas dos sólidos passaram a ser mais bem compreendidas. A aplicação da nova teoria às características cristalinas de alguns materiais iluminou caminhos para aplicações que antes se ignorava.

De nosso interesse, atentemo-nos ao resultado do cálculo das bandas eletrônicas que representam o potencial energético sentido por um elétron situado

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dentro de um sólido cristalino. Na figura 1.5 temos um exemplo de estrutura de banda para o silício.

Figura 1.5 – Resultado do cálculo para a estrutura de bandas do silício cristalino.

Nessa figura o ponto a ser notado é a existência de uma região (área hachureada em cinza) que não possui estados disponíveis de energia para o elétron. Em outras palavras, um elétron localizado na banda abaixo da faixa hachureada não absorverá qualquer estímulo energético externo como excitação térmica ou excitação ótica. Para que esse elétron adquira energia, a excitação deverá fornecer pelo menos o valor suficiente para elevar a energia do elétron para a banda acima da faixa hachureada.

Se visualizarmos novamente o gráfico da figura 1.5 veremos que na escala de energia o zero está posicionado no topo da banda inferior. Essa escala se refere até qual ponto da estrutura de banda temos a presença de elétrons se preenchermos todos os estados possíveis de energia em ordem crescente, ou seja, povoando preferencialmente os estados de mais baixa energia. Se formos representar a figura 1.5 de forma mais simplificada, nos interessará apenas a distância mínima em energia do topo da banda inferior ao fundo da banda superior. Utilizando a mesma nomenclatura da figura 1.5, na figura 1.6 chamamos o topo da banda inferior de Ev e o fundo da banda superior de Ec.

Figura 1.6 – Representação simplificada para estrutura de bandas apresentada na figura 1.5. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0821506/CA

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Chamaremos a diferença entre Ec e Ev de Eg, ou energia do gap, que

corresponde à faixa proibida de energias para o elétron. A partir deste ponto trataremos nossas amostras através dessa visualização gráfica.

Temos então a possibilidade de 3 casos ocorrerem quando preenchermos todos os elétrons disponíveis no material nos estados de mais baixa energia como pode ser visto na figura 1.7. A área hachureada significa que nessa região os estados disponíveis de energia estão preenchidos por elétrons.

Figura 1.7 – Os casos possíveis de preenchimentos da banda eletrônica de um sólido.

No primeiro caso, figura 1.7 (a), temos um caso quando os elétrons não são suficientes para preencher toda a banda inferior. Nesse caso os elétrons possuem ainda liberdade para absorver uma quantidade pequena de energia fornecida por um agente externo e se tornar livre para se locomover no material. Nesse caso, esse material será um bom condutor elétrico, pois os elétrons necessitam de pouca energia para se liberarem e serem acelerados.

No segundo e terceiro casos, figuras 1.7(b) e 1.7(c), para que um elétron possa absorver energia, essa precisa ter um valor igual ou superior a Eg. Uma vez

promovido o elétron para a banda superior, ele passará a poder absorver qualquer mínima quantidade de energia e se locomover. No caso (b) essa energia que precisa ser vencida é pequena em comparação ao caso (c). Chamaremos então de semicondutor os materiais do caso (b) com energias de gap em torno de 0eV até 2eV. Já para energias de gap acima de 2eV, classificaremos como materiais isolantes, ou seja, com pobre condutividade elétrica.

Focaremo-nos em semicondutores, pois um dos agentes externos capazes de promover elétrons para a banda de condução são fótons com energia adequada, como mostrado na figura 1.8. E para energias de gap até 1.7eV, os fótons incidentes sobre a amostra estarão na faixa do infravermelho.

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Figura 1.8 – Esquema de promoção de um elétron da banda de valência à banda de condução através da absorção de um fóton com energia igual à Eg.

Com esse conceito pode-se imaginar uma nova variedade de detectores de radiação a partir da geração de uma corrente elétrica dependente do fluxo de radiação incidente sobre o semicondutor. Inclusive pode-se planejar e fabricar estruturas compostas de várias camadas de semicondutores distintos com objetivo de escolher qual o valor da energia a ser absorvido pelos fótons ao invés de depender apenas dos valores pré-estabelecidos pela natureza da energia de gap de semicondutores brutos.

Veremos mais detalhadamente na sessão de conceitos teóricos como podemos construir estruturas com esse propósito de atingir a absorção de um comprimento de onda específico (seção 2.2.1). Esse controle é fundamental para praticamente todas as aplicações que necessitam de seletividade.

1.4

Imageamento térmico

Imageamento térmico consiste no uso dos comprimentos de onda emitidos pelo objeto alvo devido a sua temperatura para formar imagens.

O imageamento que todos conhecemos praticado pelos nossos olhos e por câmeras convencionais utilizam a radiação visível refletida pelos corpos. O infravermelho também pode ser utilizado em câmeras de imageamento que captam a radiação infravermelha ambiente refletida pelos objetos. Em geral as câmeras de infravermelho deste tipo trabalham com o NIR (near infrared, ou, infravermelho próximo). Ou seja, o infravermelho imediatamente seguido da faixa visível até comprimentos de onda em torno de 1 micron. De fato, câmeras digitais dos tempos vigentes, baseados em detectores de silício, possuem a capacidade de absorver esta faixa do infravermelho.

Contudo como nosso interesse é na radiação emitida pelos corpos, trabalharemos prioritariamente com as faixas de SWIR, MWIR e LWIR. Cada

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uma englobando uma aplicação distinta dependendo da temperatura predominante do objeto que se almeja imagear. Na tabela 1.1 temos novamente a classificação de infravermelho que adotamos com as suas respectivas faixas de abrangência.

Tabela 1.1 – Nomenclaturas da classificação do infravermelho utilizadas neste trabalho. [4]

Nomeclatura Designação Abreviação Comprimento _{de onda (μm)} Near Infrared Infravermelho _Próximo NIR 0,7 – 1,0 Short-wave Infrared Infravermelho de

Onda Curta SWIR 1,0 – 3,0

Mid-Wave Infrared Infravermelho de

Onda Média MWIR 3,0 – 8,0

Long-Wave Infrared Infravermelho de _{Onda Longa} LWIR 8,0 – 14,0 Far Infrared Infravermelho _Distante FIR 14,0 – 30,0

Como veremos adiante, um corpo a temperatura ambiente, em torno de 20 a 27°C, emitirá radiação em diversos comprimentos de onda, mas com um máximo de emissão em torno de 9,6 a 10m, localizado no LWIR. Em outras palavras, uma câmera com captura de imagem nesse comprimento de onda será capaz de enxergar o ambiente mesmo na escuridão, i.e., sem a presença de luz solar visível. Um ser humano que possui temperatura acima desse valor (em torno de 36°C), apesar do pico de sua emissão estar em outro comprimento de onda, emitirá mais radiação em 10m e será captado pela câmera como um objeto destacado do ambiente. Na figura 1.9 temos um exemplo de imagens captadas por uma câmera nessa faixa. Para aplicações de visão noturna há de se buscar fotodetectores nesta região de comprimentos de onda.

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Figura 1.9 – Imagem de uma câmera com detecção em 10 micra em uma cena com a presença de um recipiente com água gelada e outro com água quente. Nota-se a diferença de tonalidade referente à temperatura da água.

Caso o objetivo seja monitorar temperaturas mais elevadas para aplicações em prevenção e monitoramento, a faixa de MWIR normalmente é a escolhida. Especialmente na área de prevenção de incêndios naturais e monitoramento ambiental há duas vantagens em se utilizar detectores na faixa de 3 a 5 micra. A primeira reside, como podemos ver no quadro abaixo, na temperatura de ignição espontânea para diversos materiais diferentes, em especial madeira. Esses valores indicam que dada esta temperatura, já há energia disponível o suficiente para o material inflamável reagir com o oxigênio da atmosfera a qualquer instante e gerar um incêndio. Como pode ser observado na tabela 1.2, a uma temperatura de 300°C a 500°C a madeira começa o processo de ignição sem necessidade de um agente externo, e essa faixa compreende justamente um pico de emissão de 3 a 5 micra.

Outra vantagem reside na baixa absorção atmosférica dessa faixa. Como a aplicação é realizada por monitoramento aéreo por aeronaves a altas altitudes ou por satélites, é importante que a radiação que se deseja detectar não seja fortemente absorvida pela atmosfera. Na figura 1.10 temos um gráfico da transmissão pela atmosfera em função do comprimento de onda da radiação. Podemos ver que há algumas janelas em comprimento de onda onde a transmissão é praticamente total, equivalente a absorção baixa da radiação pela atmosfera. Mais especificamente em duas faixas largas: uma no MWIR entre 3 e 5 micra e uma no LWIR entre 8 e 14 micra. A faixa de 3 a 5 micra na realidade apresenta uma grande absorção em torno de 4,2 micra concernente à absorção pelo gás carbônico (CO2). Poderíamos restringir a janela para 3 a 4 micra devido a esta

absorção que está presente em aplicações ao ar livre. Mas como esta faixa de Água fria Água quente PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0821506/CA

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comprimentos de onda também pode ser utilizada em outras aplicações onde o ambiente pode ser bem controlado, optamos por manter a janela como sendo de 3 a 5 micra.

Tabela 1.2 – Exemplos de ignição espontânea para alguns materiais. Destaque para os materiais presentes em florestas que podem acarretar em incêndios naturais. Como veremos adiante, uma emissão em 3 micra corresponde a uma temperatura de aproximadamente 693°C, enquanto que para 5 micra o correspondente em temperatura é 306°C.

Combustível ou Composto

Químico Temperatura de Auto-Ignição (°C)

Pico de emissão de corpo negro (m) Carbono 700 2,98 Carvão antracito 400 4,30 Carvão betuminoso 527 3,62 Carvão vegetal 349 4,66 Enxofre 243 5,61 Gasolina 280 5,24 Madeira 300 5,06

Madeira de Carvalho seca 482 3,84

Metano (gás natural) 580 3,40

Monóxido de carbono 609 3,28

Nitro-glicerina 254 5,50

Óleo combustível 210 – 262 6,00 – 5,41

Óleo de alcatrão de Hulha 580 3,40

Petróleo 400 4,30

Pinheiro seco 427 4,14

Pólvora para rifle 288 5,16

Querosene 295 5,10 Turfa 227 5,79 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0821506/CA

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Figura 1.10 – Gráfico da transmissão de radiação pela atmosfera em função do comprimento de onda da radiação em questão. Há duas janelas de maior interesse entre 3 e 5 micra, e entre 8 e 14 micra.

Também é interessante trabalharmos com detecção nas duas janelas de transmissão conjuntamente. Em termografia para aplicações onde se deseja saber o valor absoluto da temperatura do objeto medido, temos a necessidade ou de uma calibração constante de um detector monocromático ou montarmos um detector que possua a capacidade de detectar duas faixas de comprimentos de onda. Com a relação de intensidades entre as 2 faixas, pode-se retraçar a curva de corpo negro correspondente e, com isto, determinar a temperatura em que o objeto se encontra. Para isto, uma amostra heteroestruturada mais complexa e um processamento mais elaborado se fazem necessários.

Para a elaboração deste trabalho, nos ateremos a uma amostra com pico de absorção único.

1.5

Objetivo da dissertação

O objetivo desta dissertação consiste na consumação do processo completo de fabricação de um detector de infravermelho visando a sua implementação em um circuito eletrônico de leitura.

Veremos nesta dissertação que o trabalho foi realizado utilizando detectores da família III-V heteroestruturados de poços quânticos chamados QWIP (quantum

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well infrared photodetector). O objetivo será a escolha de uma estrutura que sintonizará sua absorção com a região do espectro infravermelho desejado. Até o momento, os dispositivos baseados em poços quânticos ainda se mantêm como os de melhor custo-benefício para detecção seletiva devido à grande complexidade do crescimento de pontos quânticos de forma homogênea e reprodutível.

O comprimento de onda do pico visado foi de 4,1 micra que possui alguns usos importantes na área de imageamento térmico e para detecção de gases, como visto nas aplicações mencionadas anteriormente. Buscamos alcançar também uma largura de absorção suficiente para englobar toda a faixa de 3 a 5 micra.

Devido ao fato do detector ser baseado em poços quânticos, veremos que incidência normal de radiação sobre a superfície do semicondutor não é absorvida diretamente. Há a necessidade de se trabalhar o dispositivo para que isto ocorra. Com base nisso, a geometria de processamento para acoplamento da radiação incidente foi estudada dentre duas possibilidades: incidência em ângulo com relação à superfície do semicondutor e dispersão da radiação no interior do semicondutor através de uma grade de difração. A geometria que ofereceu melhor resposta foi escolhida e para ela projetou-se uma montagem em um suporte para que pudesse ser implementada em um sistema de leitura.

Uma vez finalizada a produção, experimentos para caracterização da eficiência dos dispositivos foram realizados: curvas de corrente elétrica gerada por voltagem aplicada, espectro de fotocorrente, responsividade e detectividade. Com estes dados podemos atestar quais os pontos que podem ser aprimorados no processo de produção dos detectores.

Nesta dissertação iremos inicialmente descrever alguns conceitos necessários para o entendimento das seções subseqüentes (seção 2). Em seguida, com estes conceitos postos, detalharemos os procedimentos experimentais realizados durante o período do trabalho tanto para a produção dos detectores (seção 3.1, 3.2 e 3.3) quanto para a caracterização dos mesmos (seção 3.4). Então exporemos as análises com base nos resultados obtidos pelos experimentos (seção 4). E, por fim, proporemos uma conclusão comparando os resultados obtidos e, se necessário, melhorias que possam ser feitas para a produção do detector (seção 5).