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研究生： 張景斌
Zhang, Jingbin
論文名稱： 量子霍爾遠紅外線感測器之溫度效應研究
The temperature limitation of far infrared photoresponse in a quantum Hall detector
指導教授： 陳正中
Chen, J. C.
齊正中
Chi, C. C.
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 57
中文關鍵詞： 量子霍爾效應 、紅外線 、光反應 、溫度 、藍道能階
外文關鍵詞： Quantum Hall effect, Far infrared, Photoresponse, Temperature, Landau level, Bolometric effect, detector
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    • 在紅外線感測器的發展過程中，一直缺乏能夠有效率的偵測遠紅外線波段的感測器，尤其是在波長100μm以上，想要製作高感度的感測器格外不容易，而量子霍爾遠紅外線感測器，是滿足此波段難得的高感度、高探測率的感測器。

    GaAs/AlxGa1-xAs異質結構中的二維電子氣體是第一個作為量子霍爾遠紅外線感測器的材料，它在低溫、強磁場下形成的整數量子霍爾效應(integer quantum Hall effect)系統對遠紅外線的吸收，是作為探測遠紅外線的基本原理。在強磁場中，GaAs/AlxGa1-xAs異質結構的二維電子的能階為量子化之藍道能階(Landau levels)，其藍道能階能量間隔在磁場7T(Tesla)時約為10meV，相當於100μm遠紅外線的光子能量，因此電子能夠有效率地被遠紅外線所激發。電子吸收紅外線被激發，電荷平衡過程中，系統溫度上升導致電阻變化，稱為輻射熱(Bolometric)效應。因此，操作量子霍爾感測器感測遠紅外線時，可以透過量測縱向磁阻變化測得，光反應發生最大為磁場值接近藍道能階接近整數填滿的整數量子霍爾效應區間。

    以往對於量子霍爾感測器的研究多操作在極低溫(1.5K-4.2K)的情況。然而，從紅外線感測器的立場來看，如果能夠將它操作在較高溫度，找出操作的最高溫度並提升它，將使得它更有應用的價值。為了瞭解這點，我們設計、製作了能夠控制操作溫度的探測棒來結合4He低溫恆溫器的超導磁鐵，用以量測量子霍爾感測器光反應與溫度的關係。

    在我們的實驗中，成功量測到紅外線對量子霍爾感測器在藍道能階填滿數目(Filling factor, ν) ν=2及ν=4的區間造成縱向磁阻變化。在各區間縱向磁阻變化的峰值以藍道能階整數填滿的磁場值為分界，呈現兩個峰值的雙峰的形狀。在變溫實驗中，樣品受紅外線照設後，在各整數填滿區間量測到的縱向磁阻變化大小皆隨著操作溫度的上升而減小；在ν=2區間光反應大小最大值出現在4.2K左右，在較大整數填滿(ν=4)的區間光反應大小則隨著溫度降低而增加。從實驗結果來看，感測器可操作的最高溫度對ν=2區間為10K，ν=4區間為8.5K。同時由量測的結果中觀察到輻射熱效應中的“縱向磁阻對溫度的微分(dRxx/dT)”隨著溫度上升而減小，此外以往的研究中指出溫度上升會使得光反應的“鬆弛時間(τ)”快速減小，因此我們認為其在高溫的表現受到了輻射熱效應中的因子減小的限制，導致縱向磁阻變化減小。

    摘要 致謝 第一章 緒論.......................................................1 第二章 紅外線感測器 2.1 紅外線感測器現況............................................3 2.2感測器評價方式 2.2.1 感度.................................................5 2.2.2 雜訊等效功率.........................................6 2.2.3 探測率...............................................6 2.2.3 背景雜訊限制探測率...................................7 第三章 量子霍爾遠紅外線感測器 3.1 二維電子氣系統 3.1.1 GaAs/AlGaAs 異質結構中的二維電子......................8 3.1.2 藍道能階與態密度.....................................10 3.1.3 二維電子的傳輸行為...................................13 3.2 量子霍爾遠紅外線感測器 3.2.1 光吸收機制...........................................16 3.2.2 訊號量測.............................................17 3.2.3 影響光訊號的因素.....................................17 3.2.4 縱向磁阻變化在整數填滿區間的生成.............,.......20 3.2.5 溫度極限...................................,.........22 第四章 實驗方法 4.1 樣品製備...................................................23 4.2 4He低溫恆溫器系統..........................................24 4.3 探測棒系統 4.3.1 探測棒設計理念 ......................................25 4.3.2 黑體輻射光源.........................................27 4.3.3紅外線濾鏡...........................................28 4.3.4 光路確認.............................................29 4.3.5 探測棒之熱傳導.......................................31 4.3.6 溫度感測器...........................................32 4.4實驗量測之電路.............................................33 第五章 實驗結果與討論 5.1 樣品的檢驗.................................................35 5.2 光訊號與電流之關係 5.2.1訊號量測之結果.......................................36 5.2.2變電流量測結果.......................................40 5.3 光反應與溫度之關係 5.3.1變溫度量測結果.......................................44 5.3.2 溫度對於Bolometric效應的影響........................48 5.3.3 ν=2的ΔRxx峰值行為的探討............................50 5.3.4量子霍爾紅外線感測器溫度極限.........................52 第六章 總結......................................................54 參考文獻.........................................................56 附錄1 光罩設計圖.................................................A-1 附錄2 樣品製程步驟... ...........................................A-2 附錄3 電容式溫度感測器校正.......................................A-5 附錄4 探測棒詳細構造設計圖.......................................A-8

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