Badania detektorów UV do zastosowań specjalnych w zakresie kriogenicznych wartości temperatury

Pomiar charakterystyk widmowych 

W stanowisku pomiarowym do selektywnego wyboru długości fali świetlnej padającej na badany fotodetektor zastosowano monochromator Cornestone 260 typ 74100 firmy Oriel. Monochromator może współpracować z dwoma typami źródeł promieniowania optycznego. Podstawowe źródło wykorzystuje 150 W ksenonowa lampę typ XBO150 W/CR OFR. Charakterystyka widmowa tej lampy rozciąga się od 200…1100 nm, a więc przy zastosowaniu odpowiednich siatek dyfrakcyjnych, umożliwia badanie fotodetektorów w szerokim zakresie widmowym. W przypadku pomiarów detektorów pracujących tylko w zakresie UV o użytkowym zakresie charakterystyki widmowej 200…400 nm – można zastosować oświetlacz z 30 W lampą deuterową typ 6006 firmy Oriel. Przebieg zmierzonej charakterystyki widmowej nie odzwierciedla rzeczywistego przebiegu charakterystyki widmowej badanego detektora, gdyż jest ona odkształcona na skutek składowych widmowych oświetlacza, monochromatora, interfejsu optycznego itp. Dlatego konieczne jest zarejestrowanie w tych samych warunkach pomiarowych przebiegu charakterystyki widmowej dla fotodetektora wzorcowego. 

Rys. 4. Widok stanowiska pomiarowego w części toru optycznego

Na rysunku 4 przedstawiono, w części toru optycznego, zdjęcie stanowiska pomiarowego przeznaczonego do rejestracji charakterystyk widmowych badanych fotodetektorów. Patrząc od lewej strony widoczna jest głowica przepływowego kriostatu azotowego z umieszczonym po prawej stronie oknie wziernikowym, następnie zespół optyki z soczewką cylindryczną dla pionowego skupienia wyjściowego sygnału optycznego z monochromatora Cornestone 260 typ 74100 firmy Oriel. Wejście monochromatora jest pobudzane, z niewidocznego na zdjęciu, oświetlacza z 150 W lampą ksenonową. Na wyjściu monochromatora widoczny jest moduł celownika laserowego na światło czerwone. Moduł ten jest zakładany na wyjście monochromatora, przy zdjętej pokrywie kriostatu azotowego i służy do kalibracji sygnału optycznego tak, aby padał na aktywną powierzchnię fotodetektora. Przed pomiarem charakterystyk widmowych moduł ten jest zdejmowany.

Sygnał prądowy z wyjścia badanego fotodetektora jest dla większości konfiguracji pomiarowych wzmacniany w niskoszumowym wzmacniaczu transimpedancyjnym I/U typ 428 firmy Keithley. Pomiar fotoprądu przy użyciu przetwornika I/U typ 428 firmy Keithley jest najbardziej zbliżony do testowych konfiguracji pomiarowych podawanych przez producentów detektorów.

W przypadku niektórych fotodetektorów sygnał prądowy z badanego detektora znajduje się poniżej średniego poziomu szum – dla takich pomiarów konieczne jest zastosowanie nanowoltomierza fazoczułego. Pomiar przy użyciu nanowoltomierza fazoczułego wymaga modulacji strumienia promieniowania świetlnego. Modulacja dokonywana jest za pomocą wirującej tarczy przełącznika optomechanicznego typ SR549 firmy Stanford umieszczonej między oświetlaczem a wejściem monochromatora. 

Z kolei pomiar fotoprądu przy użyciu źródła wymuszająco-pomiarowego typu 236 firmy Keithley jest wskazany dla niektórych fotodetektorów UV. Takie detektory charakteryzują się bardzo małymi wartościami fotoprądu (rzędu pojedynczych nA).

Wyniki badań

Na opracowanym stanowisku pomiarowym przeprowadzono pomiary charakterystyk widmowych wybranych detektorów UV. Na rysunku 5 zobrazowano zmiany charakterystyk widmowych dla detektora AG32S wykonanego z GaN, czyli z materiału dwuskładnikowego. W przypadku tego detektora wyraźnie widać występowanie dwóch lokalnych wartości maksymalnej czułości prądowej dla różnych wartości temperatury. Pierwsze maksimum tworzą charakterystyki widmowe zarejestrowane w 100…160K, drugie maksimum tworzą charakterystyki zarejestrowane w 280…340K. Charakterystyka widmowa zarejestrowana dla 190K jest charakterystyką przejściową między tymi dwoma maksimami.

Rys. 5. Przebieg dziewięciu charakterystyk widmowych detektora 18A7 wykonanego z GaN, typ AG32S, zarejestrowanych w zakresie 100…340K

Rys. 6. Przebieg czterech charakterystyk widmowych detektora 07A1 wykonanego z GaP, typ EDP-365-0/3.6, zarejestrowanych dla wartości temperatury 100, 280, 310 i 340K

Z kolei na rysunku 6 przedstawiono przebieg czterech charakterystyk widmowych detektora 07A1 wykonanego z GaP – również materiał dwuskładnikowego. Na rysunku 7 przedstawiono zmiany charakterystyk widmowych detektora SG01S-HT wykonanego z SiC w zakresie zmian wartości temperatury 100…340K. Podobnie jak w przypadku detektora z GaN ujawnia się wpływ dwuskładnikowej struktury zastosowanego półprzewodnika. Dla charakterystyk zarejestrowanych w zakresie temperatury 100…190K można wyznaczyć pierwsze lokalne maksimum, przy czym dla długości fali odpowiadającej temu maksimum czułość detektora rośnie wraz z obniżaniem się temperatury. Z kolei drugie lokalne maksimum można wyznaczyć z charakterystyk zarejestrowanych w zakresie wartości temperatury 200…340K. Tu mamy sytuację odwrotną. Dla tego maksimum czułość detektora rośnie wraz ze wzrostem temperatury.

Takich informacji, o inwersji zmian czułości w funkcji temperatury, użytkownik nie znajdzie w specyfikacjach technicznych detektorów, a mogą one mieć bardzo duży wpływ w tych aplikacjach wojskowych, gdzie gradient zmian temperatury jest znaczny.

Rys. 7. Przebieg dziewięciu charakterystyk widmowych detektora 17A1 wykonanego z SiC, typ SG01S-HT, zarejestrowanych w zakresie 100…340K

Podsumowanie

Właściwości detektora promieniowania optycznego określa się głównie z przebiegu jego charakterystyk widmowych. W zastosowaniach militarnych czy specjalnych znajomość parametrów detektora tylko w temperaturze pokojowej może być niewystarczająca. W tych zastosowaniach należy się liczyć się z długotrwałym narażeniem sprzętu na ekstremalne warunki środowiskowe. Z kolei, znaczne obniżenie temperatury pracy fotodetektora może wynikać przykładowo z konieczności zmniejszenia poziomu szumu cieplnego w wojskowych systemach rakietowych.

Celem badań było zarejestrowanie charakterystyk widmowych badanych detektorów w zakresie kriogenicznych zmian temperatury, dla których producenci nie podają w danych katalogowych parametrów elektrofizycznych fotodetektora.

Badania dla wartości temperatury poniżej minimalnej temperatury pracy określonej przez producenta detektora pozwalają oszacować wpływ nietypowych warunków pracy na stabilność detektorów, które mogą być wykonane z różnych materiałów półprzewodnikowych. 

Literatura: 

[1] Hari Sing Nalwa – editor, Photodetectors and Fiber Optics. Academic Press, 2001, ISBN 0-12-513908-X.

[2] Dahay R. i in.: AIN MSM and Schottky Photodetectors. Phys. Stat. Solid. © 5, no. 6, 2145-2153 (2008).

[3] Omnes F, Manroi E.: Ultraviolet Photodetectors. Optoelectronics Sensor. (2010), pp. 181–222.

[4] Chang W-R. i in.: The hetero-Epitaxial SiCN/Si MSM Photodetector fot High-Temperaturre Deep-UV Detecting Applications. IEEE Electron Device Letters, vol. 24, No. 9, September 2003, pp. 565–567.

[5] Pikhtin A.N., Tarasov SA, Orlova T.A., Kloth B.: Selective and broadband GaP UV photodetectors. IWRFRI’2000, St. Petersburg, May 29-31,2000; www.ioffe.ru/RT/IWRFRI2000/b2.html

[6] Materiały firmy Hamamatsu Photonics K. K., GaAsP photodiode – diffusion type. www.hamamatsu.com

[7] Instruction Manual, Low Temperature Controller LCT60, Leybold Vacuum, Germany.