Badania detektorów UV do zastosowań specjalnych w zakresie kriogenicznych wartości temperatury

Fotodetektory półprzewodnikowe na zakres promieniowania UV, VIS i IR są stosowane niemal we wszystkich dziedzinach życia: przemyśle, automatyce, aplikacjach AVT i medycynie a także na coraz większą skalę w monitoringu zagrożeń bezpieczeństwa [1, 2]. W wyniku doświadczeń zebranych podczas interwencji wojskowych w Kuwejcie, Iraku i Afganistanie, nastąpił przyspieszony rozwój broni inteligentnych i środków ochrony chemicznej i biologicznej, gdzie ważna rolę w powstawaniu ich kolejnych generacji odgrywają różnorodne czujniki, w tym detektory UV.

Detektory UV znajdują zastosowanie w systemach ochrony środowiska, na przykład w wykrywaniu na akwenach wodnych obecności związków oleju. Systemy takie są także często wykorzystywane do monitorowania nieszczelności instalacji tankowania samolotów na lotniskowcach i w portach wojennych. W systemach sygnalizacji pożarowej detektory UV są stosowane do wykrywania promieniowania w zakresie 200 nm, emitowanego przez płomienie towarzyszące spalaniu paliwa i znajdują zastosowanie w ochronie magazynów i pomieszczeń [3, 4].

Badania detektorów 

Ze względu na zastosowane materiały półprzewodnikowe detektory UV można podzielić na detektory bazujące na krzemie oraz na półprzewodnikach o szerokiej przerwie zabronionej – GaN, AlGaN, TiO2 i SiC. O właściwościach materiałów o szerokiej przerwie zabronionej często decyduje koncentracja głębokich centrów defektowych w przerwie zabronionej. Głębokie centra defektowe mogą zostać wbudowane w strukturę półprzewodnika zarówno w trakcie procesów produkcyjnych lub/i ujawnić się podczas eksploatacji w niekorzystnych warunkach środowiskowych, na przykład w wyniku napromieniowania wysokoenergetycznego. Poznanie tych destrukcyjnych procesów i opracowanie środków zaradczych oznacza znaczne oszczędności ekonomiczne. 

Głębokie centra defektowe działają głównie jako centra generacyjno-rekombinacyjne i pułapkowe. Kontrolują zatem czas życia nośników i są wykorzystywane w celu skracania czasu przełączania przyrządów półprzewodnikowych. W zastosowaniach optoelektronicznych, gdy w wielu przypadkach wymagany jest długi czas rekombinacji niepromienistej (diodach LED, laserach, detektorach, bateriach słonecznych) jego skracanie przez obecne w krysztale centra defektowe, wprowadzane w sposób niekontrolowany, ma negatywny wpływ na pracę tej grupy przyrządów.

Przykładowo, centra defektowe posiadają dużą zdolność rozprzestrzeniania się, szczególnie w wyniku zmian temperatury, co wpływa na znaczny wzrost koncentracji tych defektów i charakter ich funkcji elektronowych. Jest to jedna z przyczyn relatywnie krótkiego czasu eksploatacji niektórych rodzajów przyrządów optoelektronicznych, np. niebieskich laserów i detektorów półprzewodnikowych, szczególnie pracujących w ekstremalnych konstrukcjach sprzętu wojskowego [5, 6].

Podsumowując, fotodetektory półprzewodnikowe charakteryzują się właściwościami, których kompleksowe poznanie wymaga badań w funkcji temperatury. Zakres zmian temperatury powinien być możliwie szeroki, gdyż tylko w takim przypadku można badać nie tylko wpływ uwarunkowań środowiskowych, w jakich pracuje dany detektor, ale i identyfikować oddziaływania elektrofizyczne mające przykładowo wpływ na charakterystyki widmowe detektora.

Stanowisko do pomiarów charakterystyk widmowych detektorów UV w funkcji kriogenicznych zmian temperatury 

Podstawowym parametrem konstrukcyjnym opisującym właściwości fotodetektora jest jego czułość widmowa. Na podstawie tych charakterystyk wyznaczane są jego parametry – czułość widmowa, wykrywalność czy parametr NEP.

W ramach przedstawianej pracy zrealizowano specjalizowane stanowisku do pomiarów charakterystyk widmowych detektorów UV w funkcji kriogenicznych zmian temperatury – przedstawione na rys. 1. Stanowisko pomiarowe składa się z modułu ustalającego kriogeniczne warunki termiczne – kriostatów helowego lub azotowego z osprzętem oraz z modułu pomiarowego – monochromatora z modułem oświetlacza; interfejsu optycznego np. obrazowodu, złożonego z wielu światłowodów, ewentualnie z układem optyki, przełącznika optomechanicznego i wyspecjalizowanych przyrządów do rejestracji fotoprądu detektora.

Ponieważ uruchomienie pomiarów obejmujących wartości ujemne temperatury na kriostatach helowym i azotowym jest czasochłonne i skomplikowane technologiczne, przewidziano możliwość przeprowadzenia pomiarów wstępnych fotodetektorów w zespole z ogniwem Peltiera – szary prostokąt na rys. 1 (zakres wartości temperatury –20…+90^oC). Takie pomiary są nieraz wystarczające dla oceny fotodetektorów przeznaczonych dla aplikacji wojskowych.

Kriogeniczne warunki termiczne badania fotodetektorów są ustalane przez zespół przyrządów i specjalizowanej aparatury technologicznej.

Zespół ustalania kriogenicznych warunków pomiarów temperaturowych umożliwia:

• ustalenie dla badanego detektora żądanej temperatury pomiaru, począwszy od wartości kriogenicznych;
• stabilizację temperatury z zadaną dokładnością przez cały czas trwania pomiaru;
• zmianę kolejnych wartości temperatury według zaprogramowanego algorytmu;
• bieżący nadzór nad pracą urządzeń technologicznych;
• po zakończeniu zaprogramowanego cyklu pomiarowego wyłączenie wybranych urządzeń technologicznych.

Ograniczenia parametrów sprzętu technologicznego uniemożliwiają przeprowadzenie temperaturowych badań detektorów UV w szerokim zakresie zmian wartości temperatury przy użyciu jednego urządzenia. W zależności od zastosowanego typu kriostatu możliwe są, za pomocą zrealizowanego stanowiska, badania fotodetektorów w następujących zakresach wartości temperatury: 

• kriostat helowy (10 – 320K), 
•  kriostat azotowy (77 –360K).

Rys. 1. Schemat funkcjonalny systemu do pomiarów charakterystyk widmowych detektorów UV w funkcji kriogenicznych zmian temperatury

Sprężarkowy kriostat helowy umożliwia pomiary w zakresie 10…320K (rys. 2). Jego zaletą jest szeroki zakres pomiaru temperatury i praca w obiegu zamkniętym, nie wymagająca dopełniania medium chłodzącego. Badany detektor UV jest umieszczany na stoliku operacyjnym połączonym z ciepłowodem wychodzącym z układu wymiennika ciepła. Pierwszy stopień sprężania realizuje zewnętrzny kompresor helowy, zaś stopień drugi kompresora umieszczony jest w głowicy kriostatu. Sprężarka helowa pierwszego stopnia jest chłodzona w obiegu zamkniętym przy użyciu klimatyzatora przemysłowego model 210 firmy Air Blue. Zespół pomp olejowej i turbomolekularnej pozwala na uzyskanie próżni rzędu 10-6 Tr, spełniającej rolę izolatora termicznego. Regulację temperatury ciepłowodu kriostatu zapewnia grzejnik i czujnik podłączone do zewnętrznego regulatora temperatury typ LTC-60 firmy Leybold [7]. Jako czujnik temperatury grzejnika zastosowano kalibrowaną diodę krzemową typu D mogącą pracować w zakresie temperatury 4…450K.

Rys. 2. Schemat funkcjonalny sprężarkowego kriostatu helowego typ RDK 10-320 firmy Leybold

Głowica kriostatu jest zamknięta pokrywą wyposażoną w okna wziernikowe ze specjalnego szkła o transmisji światła od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni. Okna umożliwiają pobudzanie optyczne badanego obiektu.

Przepływowy kriostat azotowy umożliwia pomiary w zakresie 77…360K. Jego zaletą jest brak zakłóceń charakterystycznych dla sprężarkowego kriostatu helowego, przez co preferowany jest on przykładowo dla pomiarów małosygnałowych. Wadami kriostatu azotowego jest wyższa wartość temperatury minimalnej niż dla kriostatu helowego oraz konieczność uzupełniania ciekłego azotu, co ogranicza maksymalny czas cyklu pomiarowego i podnosi koszty eksploatacji.

Układ próżniowy kriostatu azotowego korzysta z tego samego zestawu pomp – olejowej i turbomolekularnej co kriostat helowy.

Przełączanie torów próżniowych następuje za pomocą odpowiedniego systemu zaworów. Zachowany został ten sam typ czujników oraz regulator temperatury jak w kriostacie helowym.

Badany fotodetektor może być zamocowany w kriostacie pionowo lub poziomo za pomocą odpowiednich uchwytów. Na rysunku 3 przedstawiono uchwyt do poziomego mocowania fotodetektorów – na przykład do pionowego oświetlenia za pomocą obrazowodu oraz przedstawiono sposób mocowania tego uchwytu w głowicy kriostatu azotowego. 

Dla mocowania pionowego badanego fotodetektora adapter z rys. 3b przykręca się do dodatkowego kątownika.

Rys. 3. Przykładowe rodzaje uchwytów instalowanych w głowicy kriostatu: a) uchwyt do mocowania fotodetektorów umieszczonych w standardowych obudowach TO -18, TO -39 i TO -46 (po zmianie górnej części uchwytu); b) głowica kriostatu azotowego z adapterem mocującym poziomo wymienne uchwyty; c) płytka drukowana na podłożu ceramicznym umożliwiająca mocowanie fotodetektorów nieobudowanych techniką lutowania lub termokompresji

Zespół z ogniwem Peltiera umożliwia pomiary w zakresie –20…+90oC, czyli także w zakresie wartości ujemnych i dodatnich temperatury. Zaletą takiego rozwiązania jest prostota pomiarów, bez konieczności stosowania próżni, przy czym dla wartości temperatury poniżej punktu rosy, stosuje się nakładkę na badany obiekt, przez którą przepływa azot gazowy. Wadą jest mały zakres zmian wartości temperatury oraz duże zakłócenia pochodzące od prądu zasilającego ogniwo Peltiera. Zespół jest preferowany do pomiarów wstępnych wymagających zmian temperatury w niewielkim zakresie, co pozwala uniknąć uruchamiania skomplikowanych systemów kriostatowych.