Modeling and characterization of high tcr, low noise Si/Si1-xGexmulti-quantum well detector for uncooled microbolometers
Soğutmasiz bolometreler için yüksek tcr değerine sahip (sicakliğabağli direnç değişim katsayisi), düşük gürültülü Si/Si1-xGex çoklukuantum kuyularin modellenmesi ve karakterizasyonu
- Tez No: 509170
- Danışmanlar: Prof. Dr. YAŞAR GÜRBÜZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 126
Özet
Uzun dalga kızılötesi frekans bandına duyarlı soğutmasız kızılötesi görüntüleme sistemleri pazarı son yıllarda büyük bir büyüme göstermiştir ve kullanım alanları askeri uygulamalardan farklı alanlara kaymaya başlamıştır: gözetleme, güvenlik, termal görüntüleme (öngörülebilir onarım, bina muayenesi), endüstriyel üretim kontrolü, otomotiv güvenliği ve medikal görüntüleme. Son yıllarda bolometrelerin iyileştirilmesi için yapılan çalışmalar şu noktalarda yoğunlaşmıştır: piksel boyutunun küçültülmesi, yeni malzemeler ve tasarım teknikleriyle algılama ve entegrasyon kabiliyetlerinin geliştirilmesi. Halihazırda bolometre pazarında en çok kullanılan malzemeler Vanadyum Oksit (VOx) ve amorf silikon (a-Si) malzemeleridir. Fakat bu malzemeler termal hassaslık bakımından yeterli performans sunamamaktadır. Bu tezde epitaksiyel olarak büyütülmüş Si/Si1-xGex çoklu-kuantum kuyulu malzeme yapısı bolometrelerin termal algıla hassaslığının geliştirilmesi için önerilmiştir. Bu yapıda Ge içeriğini %50'ye kadar artırarak yarıiletken bant aralığını değiştirmek ve tekli kristal yapısı dolayısıyla düşük kırpışma gürültüsü elde etmek mümkün olmaktadır. Si/Si1-xGex çoklu-kuantum kuyu bolometreyi modellemek, tasarlamak ve geliştirmek için TCAD yarıiletken yazılımı kullanılmıştır. Si/Si1-xGex çoklu kuantum kuyu bolometrenin elektriksel karakteristiklerinin çıkarılması, tasarım zorluklarının belirlenmesi ve tasarımda birbirlerini etkileyen parametrelerin optimizasyonunun yapılabilmesi icin kapsamlı bir model çıkarılmıştır. Geliştirilen model birbiriyle ilişkili Ge içeriği, aktif aygıt alanı, katkılama profilleri, katmanların kalınlıkları, kuantum kuyularının periyodisitesi gibi parametreleri içermektedir. Geliştirilen model kullanılarak istenilen TCR (sıcaklığa bağlı direnç değişim katsayısı) ve dc direnç değerlerine ulaşabilmek için Ge içeriğinin miktarı ve katkılama profilleri(katman kalınlıkları, katkılama oranı, vs) belirlenebilmektedir. Geliştirilen model %30 ile %50 aralığında değişen Ge içeriğine göre elde edilen TCR ve direnç değerleri ile deneysel olarak doğrulanmıştır. Geliştirilen model %50 Ge içerik ile %5.4K-1 TCR değerine ulaşabileceğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Uncooled infrared focal plane arrays (IR FPAs) have seen unprecedented growth over the last decade and ubiquitously extending its application beyond the military realm into various diverse areas such as: surveillance, security and law enforcement, thermography (predictive maintenance, building inspection), industrial process control, automotive safety and medical imaging. The uncooled microbolometers are mainly used for imaging in long wave infrared spectral range (LWIR). In the recent years, the e orts made for the technical evolution of the microbolometer involves: pixel size reduction, new materials and designs to enhance the detection and integration capability. Currently, Vanadium oxide VOx together with a-Si based FPAs have the major share in the uncooled imaging market. Nevertheless, they o er limited performance in terms of the thermal sensitivity. Here we present, an epitaxially grown Si/Si1-xGex multi-quantum-well (MQW) detector as a potential candidate to improve the thermal sensitivity due to its inherent fringe bene t of ease of the bandgap tailoring by increasing the Ge content up to 50 %. It offers low flicker noise attributed to its single crystalline properties. The predictive technology computer-aided design (TCAD) tool has been used to obtain a priori estimate to design and develop Si/Si1-xGex MQW detector. A comprehensive predictive device model is developed to investigate the electrical characteristics of Si/Si1-xGex MQW, device design challenges and design trade-o s. The integrated self-consistent numerical modeling framework incorporates the number of interdependent design variables such as Ge content, active device areas, the doping pro les, the thickness and the periodicity of quantum wells. The model is employed to optimize Ge content and the doping pro le for the desired Figure-of merits specified in terms of the temperature coefficient of resistance (TCR) and dc resistance (R). The modeling results are validated with the experimental data and found consistent over a wide range of Ge content varied from 30% up to 50 %. The model predicts TCR can be raised up to 5.4%K-1 by incorporating 50% Ge content in MQW (experimentally verified) where the measured flicker noise constant k1=f of the detector is 5.8 10-13.
Benzer Tezler
- Development of small size uncooled infrared microbolometer pixel
Minyatür soğutmasız kızılötesi mikrobolometre pikseli geliştirilmesi
BARAN UTKU TEKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
PROF. DR. RAŞİT TURAN
- An uncooled infrared microbolometer detector array using surface micromachined mems technology
Yüzey mikroişleme mems teknolojisi ile soğutmasız kızılötesi mikrobolometre detektör dizini
MAHMUD YUSUF TANRIKULU
Doktora
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Fabrication, modeling and characterization of GaN HEMTs, and design of high power MMIC amplifiers
GaN HEMT yapılarının üretimi, modellenmesi ve ölçümü, ve yüksek güçlü MMIC yükselteçlerin tasarımı
MUHAMMED ABDULCELİL ACAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Fabrication and characterization of hybrid nanofiller reinforced polyurethane nanocomposites
Hibrit nanodolgu takviyeli poliüretan nanokompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
AMIR NAVIDFAR
Doktora
İngilizce
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Design considerations, modeling and characterization of GaN HEMTs and design of high frequency and high power MMIC amplifiers
GaN HEMT yapılarının tasarımı, modellenmesi ve ölçümleri, ve yüksek hızlı ve yüksek güçlü MMIC yükselteçlerin tasarımı
ÖMER CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI