fot.

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.

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.