eng
В статье приведен обзор детекторов УФ-излучения. В качестве таких детекторов можно использовать адаптированные приборы, разработанные для видимого диапазона. Речь ниже, однако, пойдет об эффективных детекторах, обладающих селективной чувствительностью к УФ-излучению.
УФ-диапазон
Нижнюю границу УФ-диапазона (30–80 нм) обычно увязывают с минимально достижимой длиной волны в спектре излучения УФ-источников на основе гелиевых ламп (линии He+2, длина волны 30,4 нм) [1]. С развитием в 90-е годы промышленных фотолитографических технологий на длине волны 13,5 нм, понятие "глубокий" УФ было распространено от нижней границы ?=30 нм далеко в коротковолновую часть спектра, ранее называемую "мягкий рентгеновский диапазон", то есть ?=10 нм.
В УФ-диапазоне обычно выделяют три части:
* длинноволновый, или UV-A: ?=320–400 нм;
* средневолновый, или UV-B: ?=280–320 нм;
* коротковолновый, или UV-C: ?=120–280 нм.
Граница ?=320 нм диапазона UV-A определяется коротковолновой границей пропускания обычных стекол. Излучение UV-C короче ?=280 нм поглощается в озоновом слое атмосферы на высоте 40–50 км (рис.1). В результате естественный УФ-фон на поверхности Земли состоит только из UV-A и частично UV-B спектров, что составляет не более 1,5% от солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, при исходной доле УФ-спектра в излучении Солнца около 5%. Наименьшая наблюдавшаяся длина волны на Земле – 286 нм – была выявлена в полярной области Земли [2, 3].
Кроме озона сильное поглощение УФ-излучения в атмосфере дает и молекулярный кислород О2, полосы поглощения которого начинаются с ?=200 нм и короче и имеют максимум поглощения на ?=186 нм. Полосы поглощения УФ в атмосфере имеют также монооксид углерода СО: ?=130 нм; водяные пары H2O: ?=140 нм; метан: ?=147 нм; аммиак: ?=220 нм. Излучение короче ?=120 нм ("вакуумный УФ") быстро поглощается во всех материалах и газах и используется только в вакуумной спектроскопии и внеатмосферной астрофизике.
Жесткое УФ-излучение (UV-C и короче) обладает сильным фотохимическим воздействием, приводящим к разрушению химических связей в органических молекулах и агломератах, образованию свободных радикалов, активации химических реакций, что вызывает радиационные повреждения биологических тканей и структур. Поэтому мониторинг озонового слоя осуществляется, прежде всего, с целью контроля излучения диапазона UV-C на поверхности Земли. Он воплощен в ряде проектов и программ измерений как на поверхности Земли, так и космическими аппаратами (начиная со спутников Nimbus [4]).
Так как излучение Солнца в диапазоне UV-C почти полностью поглощается верхними слоями атмосферы (см. рис.1), то на поверхности Земли оно может присутствовать только в искусственных высокотемпературных источниках, например в спектре излучения сильно нагретых газов (Т>4000 К), электрических разрядов и дуг. Этот факт, а также линейчатый спектр УФ-излучения большинства источников, позволяют считать, что солнечное излучение не влияет на УФ-детекторы (УФД) UV-С диапазона при обнаружении и идентификации источников УФ-излучения, в том числе и на фоне ярких источников видимого и ИК-излучения. Другое важное применение таких детекторов – мониторинг опасных для человека доз УФ-излучения в диапазоне UV-C, например на станциях УФ-очистки воды.
Наиболее распространенные искусственные источники УФ-излучения – ртутные лампы. Максимум излучаемой энергии в ртутных лампах низкого давления соответствует ?=254 нм. В ртутных лампах высокого давления можно получить линии существенно большей интенсивности на длинах волн: ?=254, 297, 303, 313 и 365 нм, при этом линия ?=254 нм диапазона UV-C теряет свое доминирующее значение.
УФ-детекторы
УФД, как и детекторы излучения других спектральных диапазонов, делятся на два больших класса: фотодетекторы, или фотонные детекторы, и термодетекторы. В фотодетекторах фотоны, поглощенные материалом детектора, при взаимодействии с электронами изменяют электрические характеристики детектора, что отражается в измеренном электрическом сигнале. В термодетекторах поглощение фотонов приводит к повышению температуры и изменению температурных свойств детектора. Так, в пироэлектрических детекторах измеряют изменение внутренней электронной поляризации, в болометрах – электрическое сопротивление и т. д. Фотодетекторы обладают, как правило, лучшей чувствительностью и поэтому получили широкое распространение, тогда как термодетекторы используются в основном для эталонных измерений.
УФД также можно разделить на две группы [5]: фотографические и фотоэлектронные.
Фотопленки и другие фотоматериалы позволяют записать большое количество информации при однократном экспонировании, но имеют серьезные недостатки: низкую и нелинейную чувствительность, узкий динамический диапазон, невозможность фильтрации фона и паразитную засветку эмульсии, поэтому сегодня они используются редко, в основном для научных исследований.
Фотоэлектронные УФД делятся на три класса: фотоэмиссионные, полупроводниковые и сверхпроводящие. Эти типы УФД могут пересекаться в гибридных устройствах, например, фотоэмиссионные электроны могут регистрироваться при их воздействии на полупроводниковую (п/п) ПЗС-матрицу (детекторы типа EBCCD и ICСD).
В фотоэмиссионных приборах падающий фотон выбивает с поверхности фотокатода электрон, который ускоряется в вакууме и движется к аноду при приложении электрического потенциала. Образующийся электрический ток детектора пропорционален числу фотоэлектронов, то есть интенсивности падающего излучения. При этом эффективность внешнего фотоэффекта и спектрально-энергетические характеристики такого детектора определяются рабочей функцией поверхности фотокатода. Преимущества такого детектора: высокая чувствительность и удобства в работе с ним; недостатки: низкая квантовая эффективность, спектральная зависимость отклика детектора и зависимость эффективности от качества и чистоты поверхности.
В п/п детекторах фотоны поглощаются внутри объема п/п материала, создавая пары "электрон-дырка" и соответствующую проводимость. Этот класс детекторов использует внутренний фотоэффект, в котором энергия фотона должна быть достаточно большой, чтобы фотоэлектрон преодолел запрещенную зону и перешел в зону проводимости. В фотодиодах (ФД), диодах Шоттки и структурах типа металл-изолятор-полупроводник для преодоления потенциального барьера прикладывается внешнее электрическое поле. Внешний фототок детектора пропорционален числу детектированных фотонов. Преимущества такого детектора: широкий рабочий спектр, хорошая линейность, высокая квантовая эффективность, широкий динамический диапазон, возможность изготовления больших изображающих матриц; недостаток – наличие эффекта старения под действием УФ-излучения.
Сверхпроводящие УФД – это, по сути, термодетекторы, основанные на изменении физического состояния вещества при увеличении внутренней энергии материала из-за поглощения УФ-фотонов.
Требования к УФ-детекторам
К УФД любого типа обычно выдвигают следующие требования:
* низкая чувствительность к видимому свету (solar-blind). Вне земной атмосферы на один солнечный фотон в диапазоне 100–200 нм приходится 104–106 фотонов в видимом и ИК-диапазонах. Это соотношение увеличивается на поверхности Земли. Поэтому простое использование пропускающих УФ-фильтров с ослаблением 10-4–10-3 недостаточно, если детектор имеет хорошую чувствительность в видимом и/или ИК-диапазонах;
* высокая квантовая эффективность обнаружения (КЭО). В оптических системах УФ-диапазона, где велики потери на пропускание, это значение может сильно отличаться от квантовой эффективности фотокатода или ПЗС-матрицы. В результате применения специальных фильтров и окон для блокирования видимого света КЭО фотоэмиссионных УФД уменьшается на порядок: от ~50% до 2–5% (рис.2);
* широкий локальный динамический диапазон: отношение максимального значения потока в данной точке детектора к минимальному сигналу, уровень которого составляет 3? от уровня шума. При интегрировании по площади детектора получаем интегральный динамический диапазон детектора. Этот параметр особенно важен для чувствительных фотоэлектронных детекторов и при разработке скоростных позиционно-чувствительных детекторов;
* низкий уровень фонового сигнала и шумов, что определяет практическую чувствительность прибора и контраст изображения.
Фотоэмиссионные детекторы и камеры для УФ-диапазона
Первые фотоэмиссионные УФД были разработаны на основе микроканальной пластины (МКП) для установки на спутниках еще в 60-е годы [3, 6, 7]. В отличие от существовавших тогда п/п кремниевых детекторов, чувствительных к видимому свету, фотоэмиссионные приборы были нечувствительны к фотонам видимого и ИК-диапазонов.
По этой же причине у фотоэмиссионных УФД практически отсутствует темновой (тепловой) шум при комнатной температуре. Было отмечено, что такие детекторы обладают линейной чувствительностью к падающему излучению, что облегчает калибровку.
Эффективность фотоэмиссионных УФД определяется прозрачностью входного окна детектора и квантовой эффективностью фотокатода (рис.3 и 4). Для примера на рис.3 показаны спектральные характеристики некоторых ФД с фотокатодами CsTe и NaKCsSb [3].
По своей конструкции (исключая материалы) приборы этого типа мало отличаются от ЭОП и ФЭУ (см. ниже), работающих в видимом и ИК-диапазонах, их описание см. в [7, 8].
Ниже рассмотрены только принципиальные особенности фотоэмиссионных УФД.
Вакуумные УФ-фотодиоды
Вакуумные ФД – детекторы фотоэмиссионного типа, основанные на вакуумных технологиях. Примерами таких УФД являются вакуумные ФД серии F4xxx, производимые много лет компанией ITT Industries (США) [3]. Вакуумные ФД имеют коаксиальную схему с диаметром фотокатода 9,5–44 мм и рабочим напряжением 1–2,5 кВ. Время срабатывания составляет 0,1–0,5 нс, линейный динамический диапазон простирается до 108.
Конструкция вакуумного ФД с массивным катодом прямого образования показана на рис.5. Сурьма наносится на толстую подложку из нержавеющей стали, и фотокатод формируется внутри стеклянного корпуса ФД в щелочной среде, например в парах цезия, в условиях сверхвысокого вакуума. При работе детектора излучение проходит сквозь его окно и анодную сетку на фотокатод и выбивает фотоэлектроны, которые, двигаясь к аноду, создают электрический сигнал.
На рис.6. показана конструкция вакуумного ФД с полупрозрачным катодом непрямого образования ("метод переноса"). В этом случае тонкий фотокатод изготавливается отдельно в вакуумной камере, после чего он устанавливается вблизи поверхности анода на расстоянии 100–200 мкм. Затем вся конструкция жестко фиксируется в керамической оправе с использованием индий-висмутового сплава. В этом случае при сборке ФД не требуется высокий рабочий вакуум, а малое расстояние между катодом и анодом позволяет проводить скоростные измерения. Так, ФД этого типа ITT F4014 (США) имеет время срабатывания 68 пс (при напряжении на фотокатоде U = 6 кВ) [3].
Кроме соединений на основе цезия для фотокатодов можно использовать широкозонные п/п соединения: GaN, алмаз и SiC. Например, алмазный фотокатод размером 3?12 мм, используемый в УФД Hamamatsu R7639, имеет КЭО около 50% для ?=155 нм и 20% для ?=120 нм (напряжение U=1 кВ) [9, 10].
Малое время срабатывания вакуумных ФД и возможность точной калибровки обусловили их широкое применение при исследовании физики взрыва и в точных астрофизических измерениях, несмотря на низкий уровень КЭО. Так, УФД, установленный на спутниковой системе Solar Backscatter Ultraviolet (SBUV) Instrument, с кварцевым окном и полупрозрачным фотокатодом Rb-Cs-Sb давал сигнал 56 мА/Вт при КЭО=18% для ?=380 нм [3].
Коммерческие вакуумные ФД можно использовать как детекторы открытого огня. Так, УФД Hamamatsu UVtrom [11] весом несколько грамм и корпусом из специального стекла имеет коротковолновую границу прозрачности 185 нм, пиковую чувствительность ~10 пВт/см2 (?=200 нм), рабочий диапазон ?=185–300 нм и обеспечивает обнаружение открытого пламени при ярком солнечном свете за 10 мкс.
Микроканальные пластины и фотоэлектронные умножители
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ), электронно-оптические преобразователи (ЭОП) и МКП применяются в приборах ночного видения. Их высокая чувствительность и большой коэффициент усиления обусловили популярность таких детекторов на основе стеклянных ФЭУ и МКП в космических и ядерных исследованиях и в УФ-диапазоне. Прогресс в разработке УФД этого типа был связан с улучшением пространственного разрешения МКП при использовании более совершенных методов фотолитографии и применением новых материалов для фотокатодов.
Диаметр рабочей области УФД типа ФЭУ составляет 6–460 мм [3], фотокатоды формируются на поверхности пропускающих окон детектора. Фотокатоды прямого образования применяются в ФЭУ меньше, чем в вакуумных ФД, из-за трудностей поддержания сверхвысокого вакуума в сложных схемах ФЭУ.
Примером фотоэмиссионного УФ-диапазона UV-B с МКП, нечувствительного к видимому свету, служит детектор, описанный в [3]. Он состоит из кварцевого окна, фотокатода Rb-Cs-Te диаметром 25 мм, МКП с усилением свыше 106 и одиночного анода, смонтированных в керамическом корпусе. Приборы этого типа могут быть эффективно использованы для обнаружения слабых источников открытого пламени в условиях светлого времени суток.
Сегодня фотоэмиссионные ФЭУ и ФД выпускаются для УФ-диапазона с МКП и без них многими компаниями: Burle Industries, Hamamatsu, ITT Industries, Litton Industries, Ball Aerospace System Group, Schlumberger Electro-Optics и др.
Использование фотокатодов на основе GaN
Особый интерес представляет использование новых п/п материалов фотокатодов на основе нитридов элементов III группы, таких как GaN. Несмотря на трудности выращивания GaN на МКП, нечувствительность этого фотокатода к видимому излучению привлекла большое внимание к разработке УФД на его основе. Широкая запрещенная зона чистого GaN позволяет применять этот материал практически без фильтрации видимого света.
Для использования GaN в качестве материала фотокатода нужно, чтобы он имел низкую (или отрицательную) работу выхода. Показано [12, 13], что при использовании акцепторных примесей магния в GaN и нанесении на поверхность фотокатода сверхтонкого (порядка 1 нм) слоя цезия можно получить изогнутые формы энергетических уровней валентной зоны и зоны проводимости, при этом эффективное отрицательное сродство к электрону позволяет достигнуть КЭО>50% [13]. Основная сложность заключается в крайне неравномерном распределении атомов магния по поверхности образца, что приводит к сильной неоднородности поля фотоэмиссии.
На рис.7 приведены данные КЭО для фотокатода GaN:Mg, полученные на пленках, нанесенных на разные подложки: сапфира и нитрида алюминия [14].
Фотокатоды на основе GaN могут быть использованы и при создании УФ изображающих систем с фотокатодами как отражающего, так и пропускающего типа, без фильтров блокировки видимого и ИК-спектров [10].
Позиционно-чувствительные фотоэмиссионные детекторы
Такие приборы основаны на преобразовании УФ в видимый диапазон с последующей регистрацией изображения на ТВ-камеру или ПЗС-матрицу. Более распространена контактная схема, в которой фотокатод практически соприкасается с люминесцентным экраном, а для оптического сопряжения ПЗС-матрицы и экрана используется оптоволоконный шнур. Преимущества данной схемы – в скорости считывания УФ-сигнала на ПЗС-матрицу (несколько наносекунд) и возможности изготовления камер с большим рабочим полем, до 75 мм [3, 15].
Использование усиления с помощью МКП позволяет получить КЭО детектора около 10–30% в варианте solar-blind с рабочим диапазоном 120–250 нм [3, 5].
Другим примером служат ПЗС-матрицы с прямым воздействием ускоренных фотоэлектронных пучков, или "ПЗС-матрицы электронной бомбардировки" (ПЗСЭБ, или Electron bombardment CCD, EBCCD). В этих приборах электроны фотокатода ускоряются электростатическим полем в несколько киловольт и падают на ПЗС-матрицу обратной засветки. На каждый фотоэлектрон с энергией 3,6 эВ в среднем приходится один вторичный электрон.
Достоинство изображающих детекторов этого типа – высокая КЭО (до 70%, а для нечувствительных к видимому диапазону – до 40%), недостатки – большие размеры и вес, необходимость высоковольтного (~10 кВ) питания, а также применение недостаточно светосильных (<f/8) объективов.
На рис.2 приведены значения КЭО основных типов фотоэмиссионных изображающих детекторов УФ-диапазона [5]. Можно также использовать кремниевые ПЗС-матрицы с УФ-фильтрами, но их КЭО не превышает 10%.
Фотоэмиссионные позиционно-чувствительные детекторы с МКП остаются наиболее популярным типом УФД в космических аппаратах различного назначения.
Полупроводниковые УФ-детекторы
Детекторы на основе широкозонных полупроводников разрабатываются в течение последних 15 лет [16, 17]. В качестве материалов УФД можно использовать тонкопленочные алмазные покрытия (ширина запрещенной зоны Eg=5,4 эВ), карбид кремния (Eg=2,9 эВ) и нитридов элементов III группы: AlN, GaN, InN (Eg=3,4–6,2 эВ). Детекторы этого типа могут быть использованы в схемах ФД и фотосопротивлений. Они обладают хорошим быстродействием и явно выраженной зависимостью от длины волны падающего излучения.
В УФ-диапазоне из-за больших энергий фотонов можно использовать большинство п/п детекторов видимого диапазона, но с низкой КЭО из-за сильного поглощения УФ-излучения узким приповерхностным слоем. Сегодня, как показано в [18, 19], несложно создать эффективный кремниевый УФД с КЭО до 50%. Проблемы возникают при их длительной (несколько лет) эксплуатации из-за постоянного воздействия УФ-излучения, влаги и образования сильно поглощающих слоев оксида кремния толщиной 5–20 нм на границах раздела (рис.8 [18]).
УФД на основе п/п с широкой запрещенной зоной (например, у GaN она равна 3,4 эВ) не требуют специального охлаждения, как кремниевые детекторы видимого диапазона (запрещенная зона у кремния равна 1,2 эВ). Они мало чувствительны к видимому свету. Все п/п детекторы имеют малый вес и габариты, потребляют малую мощность при низком напряжении (~30 В), что дает низкий уровень шума. Их недостаток – существенно меньшая, чем у фотоэмиссионных УФД, чувствительность и рабочая площадь.
Демонстрация первого УФД на основе GaN в 1992 году [20] стимулировала разработки этих п/п приборов. По сравнению с кремниевой электроникой п/п приборы на основе GaN (а также алмаза и SiC) работают при более высокой рабочей температуре и повышенной влажности. Так, по стандарту MIL, устройства на основе кремния имеют максимальную рабочую температуру 125°C, а транзисторы на основе GaN остаются работоспособными и при 425°С [21].
Добавка в широкозонный п/п GaN алюминия приводит к увеличению ширины запрещенной зоны, а внедрение атомов индия – к ее сужению. Подбирая состав тройной структуры типа AlxGa1-xN или InxGa1-xN, можно создавать УФД с различной спектральной чувствительностью практически во всем диапазоне 200–600 нм (рис.9) [21].
П/п соединения на основе GaN можно использовать для создания барьеров в p-i-n-диодах [21, 22], диодах Шоттки (барьер металл-п/п) [22–24], а также в структурах типа "металл-п/п-металл" [25]. Тонкие (0,2–1,0 мкм) п/п слои обычно наносят методом молекулярной эпитаксии на сапфировые подложки. Размер рабочей поверхности такого п/п детектора невелик и обычно составляет 0,1–2,0 мм.
Создавая более сложные структуры, можно существенно увеличить эффективность фотодетекторов. Сообщалось, что на структурах типа p-i-n была достигнута внутренняя квантовая эффективность 86% при времени срабатывания ~300 пс [16], что существенно превышает параметры кремниевых УФД.
П/п УФД можно использовать для проведения точных измерений биологических доз УФ-излучения. Согласно международным стандартам Commission International de l’Eclarage (CIE), спектральная чувствительность детектора при таких измерениях должна соответствовать зависимости реакции биологических тканей от длины волны УФ-излучения. Необходимый вид спектральной функции детектора можно легко получить при использовании п/п структур на основе GaN даже без применения специальных фильтров, которые требуются при измерении биодоз кремниевыми или фотоэмиссионными УФД.
Фотодетекторы на основе GaN идеально подходят для обнаружения источников горячего пламени. Спектральную чувствительность можно оптимизировать для эффективного обнаружения фотодетектором очага горения путем подбора содержания алюминия в этих п/п соединениях. На рис.10 показана спектральная чувствительность ФД AlGaN типа Шоттки с 56% содержанием алюминия [21]. Имея пик на длине волны 250 нм, чувствительность детектора падает в 1000 раз на длине волны 300 нм, что делает его малочувствительным к солнечному свету. Из рис.10 видно, что для надежного обнаружения по УФ-излучению пламени от горения топлива реактивных самолетов JP-4 нужно, чтобы чувствительность фотодетектора к УФ была в 106–107 раз больше, чем к видимому световому диапазону.
По сравнению с п/п фотодетекторами на основе широкозонного п/п SiC, который при соответствующем легировании может давать проводимость n- и p-типа, фотодетекторы на основе нитридов элементов III и IV групп дают возможность создавать гетероструктуры, которые имеют лучшие омические контакты [16]. Основные проблемы фотодетекторов на GaN – уменьшение времени жизни носителей и снижение фотоэмиссионной эффективности, вызванные большой (107–1010 см-1) концентрацией дефектов в GaN-структурах. Возможное решение проблемы – использование для эпитаксиального роста другой кристаллической подложки, например Si (111) [16].
УФД, изготовленные на основе пленок алмазоподобных покрытий (толщина пленки 0,01–0,8 мм), обладающих п/п свойствами, также представляют большой интерес [26, 27], особенно для работы с мощными источниками УФ-излучения, такими как эксимерные лазеры. Проблемы здесь связаны с невысоким качеством наносимых алмазных пленок.
Отметим, что все описанные структуры п/п детекторов могут быть использованы для создания позиционно чувствительных УФ-приборов, в том числе и в виде небольших изображающих матриц.
Сверхпроводящие УФ-детекторы
Сверхпроводящие УФД обычно работают при температуре 50–100 мК и требуют использования криогенной техники, что существенно усложняет конструкцию приборов. Учитывая, что такие детекторы обладают чувствительностью в широком спектральном диапазоне – от ИК до рентгеновского излучения, при работе в УФ-диапазоне нужно применять специальные фильтры для выделения рабочей спектральной области детектора.
Сверхпроводящие УФД бывают трех типов:
* переходной детектор [28], температура которого поддерживается вблизи температуры перехода между проводящим и сверхпроводящим состояниями. Энергия поглощенного фотона приводит к изменению проводимости на величину, достаточную для детектирования сигнала, для чего используется сверхпроводящий квантовый интерферометр (СКВИД, или SQUID);
* металлический магнитный калориметр [29]. Детектирование здесь также основано на регистрации роста температуры детектора из-за поглощения фотона, однако измеряется вызванное ростом температуры изменение магнитных свойств сверхпроводящего материала, также включенного в замкнутую цепь интерферометра СКВИД;
* куперовский детектор [30], действие которого основано на том, что излучение в сверхпроводящем туннельном переходе разбивает куперовские пары на две квазичастицы, которые могут туннелировать через переход. "Теневой" куперовский туннельный ток подавляется магнитным полем, приложенным параллельно плоскости туннельного перехода.
Преимущество сверхпроводящих УФД – возможность измерять величину сигнала как функцию энергии фотона в широком энергетическом спектре от рентгеновского излучения до видимого света, что позволяет сочетать высокое пространственное и энергетическое разрешение (E/?E~4) в одном приборе при использовании разных фильтров в широком спектральном диапазоне.
Недостаток сверхпроводящих УФД – их сравнительно низкая квантовая эффективность: 10–20%. В сочетании со сложностью изготовления криогенных изображающих матриц (пока удалось сделать матрицу 32?32 [31]) низкая эффективность не позволяет рассматривать современные сверхпроводящие УФД в качестве конкурентоспособных приборов этого класса. Однако исследования, проводимые с целью повышения их квантовой эффективности, могут изменить ситуацию в будущем.
Итак, наиболее распространенным типом УФД пока остаются фотоэмиссионные устройства, отличающиеся высокой чувствительностью. Отработанная технология изготовления МКП, ФЭУ и других усиливающих электрооптических систем стала основой широкого применения изображающих и неизображающих оптических приборов УФ-диапазона в космических исследованиях, оптических лабораториях и в коммерческих детекторах технического контроля и мониторинга УФ-излучения.
В последнее десятилетие дополнительно к фотоэмиссионным приборам активно разрабатываются п/п УФД как более простые, дешевые и эффективные устройства, предлагающие новые возможности в этом спектральном диапазоне. Дальнейшее продвижение УФД этого типа будет определяться успехами в развитии технологии нанесения качественных тонкопленочных покрытий.
Для рынка УФД характерна некоторая фрагментарность, возникающая из-за приложений, каждое из которых предъявляет свои требования к детекторам. Четко свою нишу занимают только сверхпроводящие детекторы, используемые для точных измерений слабого УФ-излучения.
Сегодня работы по разработке УФД ведутся в основном с целью создания эффективных приборов для космических аппаратов. Однако прогресс в улучшении характеристик и удешевлении технологии производства УФД позволит существенно расширить их область применения для контроля технологии высокотемпературного производства, измерения УФ-биодоз, противопожарного мониторинга и т.п.
Литература
1. Мейер А., Зейтц Э. Ультрафиолетовое излучение. – М.: ИИЛ, 1952.
2. Krotkov N.A. et al. Satellite estimation of spectral surface UV irradiance in the presence of tropospheric aerosols 1. Cloud-free case. – J. Geophys. Res., 1998, v.103(D8), p.8779.
3. Johnson C.B. Review of ultraviolet detector technology. – Proc. SPIE, 1990, v.1243, p.2.
4. Troshichev O., Gabis I. Effects of solar UV irradiation on dynamics of ozone hole in Antarctica. – J. of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2005, v.67(1), p.93.
5. Joseph C.L. UV image sensors and associated technologies. – Experimental Astronomy, 1995, v.6, p.97.
6. Barstow M.A. et al. X-ray Instrumentation in Astronomy. – Proc. SPIE, 1985, v.697, p.352.
7. Дыкин А.В., Овечкин Ю.А. Электронные и полупроводниковые приборы. – М.: Энергия, 1971.
8. Берковский А.Г. и др. Вакуумные фотоэлектронные приборы. – М., Энергия, 1976.
10. Ulmer M.P. Future detectors for space applications. – Proc. SPIE, 2006, v.6189, p.61890.
11. Photomultiplier Tubes: photomultiplier tubes and related products. – Hamamatsu Photonics, 2006.
12. Uchiyama S. et al. GaN-based photocathodes with extremely high quantum efficiency. – Appl. Phys. Lett., 2005, v.86, p.103511.
13. Ulmer M.P. et al. Progress on development of UV photocathodes for photon-counting applications at NASA GSFC – Proc. SPIE, 2005, v.5898, p.103.
14. Ulmer M.P. et al. Advances in wide-bandgap semiconductor based photocathode devices for low light level applications. – Proc. SPIE, 2003, v.5164, p.18.
15. Clampin M. UV-optical CCDs for space Instrumentation. – Opt. Engineering, 2002, v.41, p.1185.
16. Munoz E. et al. Group III nitrides and UV detection. –
J. Phys.: Condens. Matter, 2001, v.13, p.7115.
17. Razeghi M., Rogalski A. Semiconductor ultraviolet detectors. – J. Appl. Phys., 1996, v.79, p.7433.
18. Korde R. et al. Stable, high quantum efficiency silicon photodiodes for vacuum-UV applications. – Proc. SPIE, 1988, v.932, p.153.
19. Talmi Y., Simpson R.W. Self-scanned photodiode array: a multichannel spectrometric detector. – Applied Optics, 1980, v.19, p.1401.
20. Khan M.A. et al. High-responsivity photoconductive ultraviolet sensors based on insulating single-crystal GaN epilayers. – Applied Phys. Lett., 1992, v.60, p.2917.
21. Chow P.P. et al. Group III nitride materials for ultraviolet detection applications. – Proc. SPIE, 2000, v.3948, p.295.
22. Li T. et al. High quantum efficiency AlxGa1-xN/GaN-based ultraviolet p-i-n photodetectors with a recessed window structure. – Proc. SPIE, 2000, v.3948, p.304.
23. Vanhove N. et al. ITON Schottky contacts for GaN based UV photodetectors. – Applied Surface Science, 2006, v.253, p.2930.
24. Deelman P.W. et al. Low-noise GaN Schottky diodes on Si(111) by molecular beam epitaxy. – Applied Phys. Lett., 2001, v.78, p.2172.
25. Lee Y.C. et al. Comparative study of the electrical characteristics of metal-semiconductor-metal (MSM) photodiodes based on GaN grown on silicon. – Int. Conf. on Materials for Advanced Technologies, Singapore, 2003.
26. Marchywka M. et al. Ultraviolet photoresponse characteristics of diamond diodes. – Applied Optics, 1991, v.30, p.5010.
27. Conte G. et al. Diamond Deep-UV position sensitive detectors. – Proc. SPIE, 2006, v.6189, p.618910-1.
28. Burney J. et al. Transition-edge sensor arrays for UV-optical-IR astrophysics. – Nuclear Inst. and Methods in Phys. Research A, 2006, v.559, p.525.
29. Fleischmann A. et al. Optimization of magnetic calorimeters. – Nuclear Inst. and Methods in Phys. Research A, 2004, v.520, p.48.
30. Verhoeve P. et al. S-Cam 3: Optical astronomy with a STJ-based imaging spectrophotometer. – Nuclear Inst. and Methods in Phys. Research A, 2006, v.559, p.598.
31. Kelly R. The X-ray microcalorimeter instruments on the Astro-E2 and Constellation-X X-ray observatories. – Nuclear Inst. and Methods in Phys. Research A, 2004, v.520, p.364.
Нижнюю границу УФ-диапазона (30–80 нм) обычно увязывают с минимально достижимой длиной волны в спектре излучения УФ-источников на основе гелиевых ламп (линии He+2, длина волны 30,4 нм) [1]. С развитием в 90-е годы промышленных фотолитографических технологий на длине волны 13,5 нм, понятие "глубокий" УФ было распространено от нижней границы ?=30 нм далеко в коротковолновую часть спектра, ранее называемую "мягкий рентгеновский диапазон", то есть ?=10 нм.
В УФ-диапазоне обычно выделяют три части:
* длинноволновый, или UV-A: ?=320–400 нм;
* средневолновый, или UV-B: ?=280–320 нм;
* коротковолновый, или UV-C: ?=120–280 нм.
Граница ?=320 нм диапазона UV-A определяется коротковолновой границей пропускания обычных стекол. Излучение UV-C короче ?=280 нм поглощается в озоновом слое атмосферы на высоте 40–50 км (рис.1). В результате естественный УФ-фон на поверхности Земли состоит только из UV-A и частично UV-B спектров, что составляет не более 1,5% от солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, при исходной доле УФ-спектра в излучении Солнца около 5%. Наименьшая наблюдавшаяся длина волны на Земле – 286 нм – была выявлена в полярной области Земли [2, 3].
Кроме озона сильное поглощение УФ-излучения в атмосфере дает и молекулярный кислород О2, полосы поглощения которого начинаются с ?=200 нм и короче и имеют максимум поглощения на ?=186 нм. Полосы поглощения УФ в атмосфере имеют также монооксид углерода СО: ?=130 нм; водяные пары H2O: ?=140 нм; метан: ?=147 нм; аммиак: ?=220 нм. Излучение короче ?=120 нм ("вакуумный УФ") быстро поглощается во всех материалах и газах и используется только в вакуумной спектроскопии и внеатмосферной астрофизике.
Жесткое УФ-излучение (UV-C и короче) обладает сильным фотохимическим воздействием, приводящим к разрушению химических связей в органических молекулах и агломератах, образованию свободных радикалов, активации химических реакций, что вызывает радиационные повреждения биологических тканей и структур. Поэтому мониторинг озонового слоя осуществляется, прежде всего, с целью контроля излучения диапазона UV-C на поверхности Земли. Он воплощен в ряде проектов и программ измерений как на поверхности Земли, так и космическими аппаратами (начиная со спутников Nimbus [4]).
Так как излучение Солнца в диапазоне UV-C почти полностью поглощается верхними слоями атмосферы (см. рис.1), то на поверхности Земли оно может присутствовать только в искусственных высокотемпературных источниках, например в спектре излучения сильно нагретых газов (Т>4000 К), электрических разрядов и дуг. Этот факт, а также линейчатый спектр УФ-излучения большинства источников, позволяют считать, что солнечное излучение не влияет на УФ-детекторы (УФД) UV-С диапазона при обнаружении и идентификации источников УФ-излучения, в том числе и на фоне ярких источников видимого и ИК-излучения. Другое важное применение таких детекторов – мониторинг опасных для человека доз УФ-излучения в диапазоне UV-C, например на станциях УФ-очистки воды.
Наиболее распространенные искусственные источники УФ-излучения – ртутные лампы. Максимум излучаемой энергии в ртутных лампах низкого давления соответствует ?=254 нм. В ртутных лампах высокого давления можно получить линии существенно большей интенсивности на длинах волн: ?=254, 297, 303, 313 и 365 нм, при этом линия ?=254 нм диапазона UV-C теряет свое доминирующее значение.
УФ-детекторы
УФД, как и детекторы излучения других спектральных диапазонов, делятся на два больших класса: фотодетекторы, или фотонные детекторы, и термодетекторы. В фотодетекторах фотоны, поглощенные материалом детектора, при взаимодействии с электронами изменяют электрические характеристики детектора, что отражается в измеренном электрическом сигнале. В термодетекторах поглощение фотонов приводит к повышению температуры и изменению температурных свойств детектора. Так, в пироэлектрических детекторах измеряют изменение внутренней электронной поляризации, в болометрах – электрическое сопротивление и т. д. Фотодетекторы обладают, как правило, лучшей чувствительностью и поэтому получили широкое распространение, тогда как термодетекторы используются в основном для эталонных измерений.
УФД также можно разделить на две группы [5]: фотографические и фотоэлектронные.
Фотопленки и другие фотоматериалы позволяют записать большое количество информации при однократном экспонировании, но имеют серьезные недостатки: низкую и нелинейную чувствительность, узкий динамический диапазон, невозможность фильтрации фона и паразитную засветку эмульсии, поэтому сегодня они используются редко, в основном для научных исследований.
Фотоэлектронные УФД делятся на три класса: фотоэмиссионные, полупроводниковые и сверхпроводящие. Эти типы УФД могут пересекаться в гибридных устройствах, например, фотоэмиссионные электроны могут регистрироваться при их воздействии на полупроводниковую (п/п) ПЗС-матрицу (детекторы типа EBCCD и ICСD).
В фотоэмиссионных приборах падающий фотон выбивает с поверхности фотокатода электрон, который ускоряется в вакууме и движется к аноду при приложении электрического потенциала. Образующийся электрический ток детектора пропорционален числу фотоэлектронов, то есть интенсивности падающего излучения. При этом эффективность внешнего фотоэффекта и спектрально-энергетические характеристики такого детектора определяются рабочей функцией поверхности фотокатода. Преимущества такого детектора: высокая чувствительность и удобства в работе с ним; недостатки: низкая квантовая эффективность, спектральная зависимость отклика детектора и зависимость эффективности от качества и чистоты поверхности.
В п/п детекторах фотоны поглощаются внутри объема п/п материала, создавая пары "электрон-дырка" и соответствующую проводимость. Этот класс детекторов использует внутренний фотоэффект, в котором энергия фотона должна быть достаточно большой, чтобы фотоэлектрон преодолел запрещенную зону и перешел в зону проводимости. В фотодиодах (ФД), диодах Шоттки и структурах типа металл-изолятор-полупроводник для преодоления потенциального барьера прикладывается внешнее электрическое поле. Внешний фототок детектора пропорционален числу детектированных фотонов. Преимущества такого детектора: широкий рабочий спектр, хорошая линейность, высокая квантовая эффективность, широкий динамический диапазон, возможность изготовления больших изображающих матриц; недостаток – наличие эффекта старения под действием УФ-излучения.
Сверхпроводящие УФД – это, по сути, термодетекторы, основанные на изменении физического состояния вещества при увеличении внутренней энергии материала из-за поглощения УФ-фотонов.
Требования к УФ-детекторам
К УФД любого типа обычно выдвигают следующие требования:
* низкая чувствительность к видимому свету (solar-blind). Вне земной атмосферы на один солнечный фотон в диапазоне 100–200 нм приходится 104–106 фотонов в видимом и ИК-диапазонах. Это соотношение увеличивается на поверхности Земли. Поэтому простое использование пропускающих УФ-фильтров с ослаблением 10-4–10-3 недостаточно, если детектор имеет хорошую чувствительность в видимом и/или ИК-диапазонах;
* высокая квантовая эффективность обнаружения (КЭО). В оптических системах УФ-диапазона, где велики потери на пропускание, это значение может сильно отличаться от квантовой эффективности фотокатода или ПЗС-матрицы. В результате применения специальных фильтров и окон для блокирования видимого света КЭО фотоэмиссионных УФД уменьшается на порядок: от ~50% до 2–5% (рис.2);
* широкий локальный динамический диапазон: отношение максимального значения потока в данной точке детектора к минимальному сигналу, уровень которого составляет 3? от уровня шума. При интегрировании по площади детектора получаем интегральный динамический диапазон детектора. Этот параметр особенно важен для чувствительных фотоэлектронных детекторов и при разработке скоростных позиционно-чувствительных детекторов;
* низкий уровень фонового сигнала и шумов, что определяет практическую чувствительность прибора и контраст изображения.
Фотоэмиссионные детекторы и камеры для УФ-диапазона
Первые фотоэмиссионные УФД были разработаны на основе микроканальной пластины (МКП) для установки на спутниках еще в 60-е годы [3, 6, 7]. В отличие от существовавших тогда п/п кремниевых детекторов, чувствительных к видимому свету, фотоэмиссионные приборы были нечувствительны к фотонам видимого и ИК-диапазонов.
По этой же причине у фотоэмиссионных УФД практически отсутствует темновой (тепловой) шум при комнатной температуре. Было отмечено, что такие детекторы обладают линейной чувствительностью к падающему излучению, что облегчает калибровку.
Эффективность фотоэмиссионных УФД определяется прозрачностью входного окна детектора и квантовой эффективностью фотокатода (рис.3 и 4). Для примера на рис.3 показаны спектральные характеристики некоторых ФД с фотокатодами CsTe и NaKCsSb [3].
По своей конструкции (исключая материалы) приборы этого типа мало отличаются от ЭОП и ФЭУ (см. ниже), работающих в видимом и ИК-диапазонах, их описание см. в [7, 8].
Ниже рассмотрены только принципиальные особенности фотоэмиссионных УФД.
Вакуумные УФ-фотодиоды
Вакуумные ФД – детекторы фотоэмиссионного типа, основанные на вакуумных технологиях. Примерами таких УФД являются вакуумные ФД серии F4xxx, производимые много лет компанией ITT Industries (США) [3]. Вакуумные ФД имеют коаксиальную схему с диаметром фотокатода 9,5–44 мм и рабочим напряжением 1–2,5 кВ. Время срабатывания составляет 0,1–0,5 нс, линейный динамический диапазон простирается до 108.
Конструкция вакуумного ФД с массивным катодом прямого образования показана на рис.5. Сурьма наносится на толстую подложку из нержавеющей стали, и фотокатод формируется внутри стеклянного корпуса ФД в щелочной среде, например в парах цезия, в условиях сверхвысокого вакуума. При работе детектора излучение проходит сквозь его окно и анодную сетку на фотокатод и выбивает фотоэлектроны, которые, двигаясь к аноду, создают электрический сигнал.
На рис.6. показана конструкция вакуумного ФД с полупрозрачным катодом непрямого образования ("метод переноса"). В этом случае тонкий фотокатод изготавливается отдельно в вакуумной камере, после чего он устанавливается вблизи поверхности анода на расстоянии 100–200 мкм. Затем вся конструкция жестко фиксируется в керамической оправе с использованием индий-висмутового сплава. В этом случае при сборке ФД не требуется высокий рабочий вакуум, а малое расстояние между катодом и анодом позволяет проводить скоростные измерения. Так, ФД этого типа ITT F4014 (США) имеет время срабатывания 68 пс (при напряжении на фотокатоде U = 6 кВ) [3].
Кроме соединений на основе цезия для фотокатодов можно использовать широкозонные п/п соединения: GaN, алмаз и SiC. Например, алмазный фотокатод размером 3?12 мм, используемый в УФД Hamamatsu R7639, имеет КЭО около 50% для ?=155 нм и 20% для ?=120 нм (напряжение U=1 кВ) [9, 10].
Малое время срабатывания вакуумных ФД и возможность точной калибровки обусловили их широкое применение при исследовании физики взрыва и в точных астрофизических измерениях, несмотря на низкий уровень КЭО. Так, УФД, установленный на спутниковой системе Solar Backscatter Ultraviolet (SBUV) Instrument, с кварцевым окном и полупрозрачным фотокатодом Rb-Cs-Sb давал сигнал 56 мА/Вт при КЭО=18% для ?=380 нм [3].
Коммерческие вакуумные ФД можно использовать как детекторы открытого огня. Так, УФД Hamamatsu UVtrom [11] весом несколько грамм и корпусом из специального стекла имеет коротковолновую границу прозрачности 185 нм, пиковую чувствительность ~10 пВт/см2 (?=200 нм), рабочий диапазон ?=185–300 нм и обеспечивает обнаружение открытого пламени при ярком солнечном свете за 10 мкс.
Микроканальные пластины и фотоэлектронные умножители
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ), электронно-оптические преобразователи (ЭОП) и МКП применяются в приборах ночного видения. Их высокая чувствительность и большой коэффициент усиления обусловили популярность таких детекторов на основе стеклянных ФЭУ и МКП в космических и ядерных исследованиях и в УФ-диапазоне. Прогресс в разработке УФД этого типа был связан с улучшением пространственного разрешения МКП при использовании более совершенных методов фотолитографии и применением новых материалов для фотокатодов.
Диаметр рабочей области УФД типа ФЭУ составляет 6–460 мм [3], фотокатоды формируются на поверхности пропускающих окон детектора. Фотокатоды прямого образования применяются в ФЭУ меньше, чем в вакуумных ФД, из-за трудностей поддержания сверхвысокого вакуума в сложных схемах ФЭУ.
Примером фотоэмиссионного УФ-диапазона UV-B с МКП, нечувствительного к видимому свету, служит детектор, описанный в [3]. Он состоит из кварцевого окна, фотокатода Rb-Cs-Te диаметром 25 мм, МКП с усилением свыше 106 и одиночного анода, смонтированных в керамическом корпусе. Приборы этого типа могут быть эффективно использованы для обнаружения слабых источников открытого пламени в условиях светлого времени суток.
Сегодня фотоэмиссионные ФЭУ и ФД выпускаются для УФ-диапазона с МКП и без них многими компаниями: Burle Industries, Hamamatsu, ITT Industries, Litton Industries, Ball Aerospace System Group, Schlumberger Electro-Optics и др.
Использование фотокатодов на основе GaN
Особый интерес представляет использование новых п/п материалов фотокатодов на основе нитридов элементов III группы, таких как GaN. Несмотря на трудности выращивания GaN на МКП, нечувствительность этого фотокатода к видимому излучению привлекла большое внимание к разработке УФД на его основе. Широкая запрещенная зона чистого GaN позволяет применять этот материал практически без фильтрации видимого света.
Для использования GaN в качестве материала фотокатода нужно, чтобы он имел низкую (или отрицательную) работу выхода. Показано [12, 13], что при использовании акцепторных примесей магния в GaN и нанесении на поверхность фотокатода сверхтонкого (порядка 1 нм) слоя цезия можно получить изогнутые формы энергетических уровней валентной зоны и зоны проводимости, при этом эффективное отрицательное сродство к электрону позволяет достигнуть КЭО>50% [13]. Основная сложность заключается в крайне неравномерном распределении атомов магния по поверхности образца, что приводит к сильной неоднородности поля фотоэмиссии.
На рис.7 приведены данные КЭО для фотокатода GaN:Mg, полученные на пленках, нанесенных на разные подложки: сапфира и нитрида алюминия [14].
Фотокатоды на основе GaN могут быть использованы и при создании УФ изображающих систем с фотокатодами как отражающего, так и пропускающего типа, без фильтров блокировки видимого и ИК-спектров [10].
Позиционно-чувствительные фотоэмиссионные детекторы
Такие приборы основаны на преобразовании УФ в видимый диапазон с последующей регистрацией изображения на ТВ-камеру или ПЗС-матрицу. Более распространена контактная схема, в которой фотокатод практически соприкасается с люминесцентным экраном, а для оптического сопряжения ПЗС-матрицы и экрана используется оптоволоконный шнур. Преимущества данной схемы – в скорости считывания УФ-сигнала на ПЗС-матрицу (несколько наносекунд) и возможности изготовления камер с большим рабочим полем, до 75 мм [3, 15].
Использование усиления с помощью МКП позволяет получить КЭО детектора около 10–30% в варианте solar-blind с рабочим диапазоном 120–250 нм [3, 5].
Другим примером служат ПЗС-матрицы с прямым воздействием ускоренных фотоэлектронных пучков, или "ПЗС-матрицы электронной бомбардировки" (ПЗСЭБ, или Electron bombardment CCD, EBCCD). В этих приборах электроны фотокатода ускоряются электростатическим полем в несколько киловольт и падают на ПЗС-матрицу обратной засветки. На каждый фотоэлектрон с энергией 3,6 эВ в среднем приходится один вторичный электрон.
Достоинство изображающих детекторов этого типа – высокая КЭО (до 70%, а для нечувствительных к видимому диапазону – до 40%), недостатки – большие размеры и вес, необходимость высоковольтного (~10 кВ) питания, а также применение недостаточно светосильных (<f/8) объективов.
На рис.2 приведены значения КЭО основных типов фотоэмиссионных изображающих детекторов УФ-диапазона [5]. Можно также использовать кремниевые ПЗС-матрицы с УФ-фильтрами, но их КЭО не превышает 10%.
Фотоэмиссионные позиционно-чувствительные детекторы с МКП остаются наиболее популярным типом УФД в космических аппаратах различного назначения.
Полупроводниковые УФ-детекторы
Детекторы на основе широкозонных полупроводников разрабатываются в течение последних 15 лет [16, 17]. В качестве материалов УФД можно использовать тонкопленочные алмазные покрытия (ширина запрещенной зоны Eg=5,4 эВ), карбид кремния (Eg=2,9 эВ) и нитридов элементов III группы: AlN, GaN, InN (Eg=3,4–6,2 эВ). Детекторы этого типа могут быть использованы в схемах ФД и фотосопротивлений. Они обладают хорошим быстродействием и явно выраженной зависимостью от длины волны падающего излучения.
В УФ-диапазоне из-за больших энергий фотонов можно использовать большинство п/п детекторов видимого диапазона, но с низкой КЭО из-за сильного поглощения УФ-излучения узким приповерхностным слоем. Сегодня, как показано в [18, 19], несложно создать эффективный кремниевый УФД с КЭО до 50%. Проблемы возникают при их длительной (несколько лет) эксплуатации из-за постоянного воздействия УФ-излучения, влаги и образования сильно поглощающих слоев оксида кремния толщиной 5–20 нм на границах раздела (рис.8 [18]).
УФД на основе п/п с широкой запрещенной зоной (например, у GaN она равна 3,4 эВ) не требуют специального охлаждения, как кремниевые детекторы видимого диапазона (запрещенная зона у кремния равна 1,2 эВ). Они мало чувствительны к видимому свету. Все п/п детекторы имеют малый вес и габариты, потребляют малую мощность при низком напряжении (~30 В), что дает низкий уровень шума. Их недостаток – существенно меньшая, чем у фотоэмиссионных УФД, чувствительность и рабочая площадь.
Демонстрация первого УФД на основе GaN в 1992 году [20] стимулировала разработки этих п/п приборов. По сравнению с кремниевой электроникой п/п приборы на основе GaN (а также алмаза и SiC) работают при более высокой рабочей температуре и повышенной влажности. Так, по стандарту MIL, устройства на основе кремния имеют максимальную рабочую температуру 125°C, а транзисторы на основе GaN остаются работоспособными и при 425°С [21].
Добавка в широкозонный п/п GaN алюминия приводит к увеличению ширины запрещенной зоны, а внедрение атомов индия – к ее сужению. Подбирая состав тройной структуры типа AlxGa1-xN или InxGa1-xN, можно создавать УФД с различной спектральной чувствительностью практически во всем диапазоне 200–600 нм (рис.9) [21].
П/п соединения на основе GaN можно использовать для создания барьеров в p-i-n-диодах [21, 22], диодах Шоттки (барьер металл-п/п) [22–24], а также в структурах типа "металл-п/п-металл" [25]. Тонкие (0,2–1,0 мкм) п/п слои обычно наносят методом молекулярной эпитаксии на сапфировые подложки. Размер рабочей поверхности такого п/п детектора невелик и обычно составляет 0,1–2,0 мм.
Создавая более сложные структуры, можно существенно увеличить эффективность фотодетекторов. Сообщалось, что на структурах типа p-i-n была достигнута внутренняя квантовая эффективность 86% при времени срабатывания ~300 пс [16], что существенно превышает параметры кремниевых УФД.
П/п УФД можно использовать для проведения точных измерений биологических доз УФ-излучения. Согласно международным стандартам Commission International de l’Eclarage (CIE), спектральная чувствительность детектора при таких измерениях должна соответствовать зависимости реакции биологических тканей от длины волны УФ-излучения. Необходимый вид спектральной функции детектора можно легко получить при использовании п/п структур на основе GaN даже без применения специальных фильтров, которые требуются при измерении биодоз кремниевыми или фотоэмиссионными УФД.
Фотодетекторы на основе GaN идеально подходят для обнаружения источников горячего пламени. Спектральную чувствительность можно оптимизировать для эффективного обнаружения фотодетектором очага горения путем подбора содержания алюминия в этих п/п соединениях. На рис.10 показана спектральная чувствительность ФД AlGaN типа Шоттки с 56% содержанием алюминия [21]. Имея пик на длине волны 250 нм, чувствительность детектора падает в 1000 раз на длине волны 300 нм, что делает его малочувствительным к солнечному свету. Из рис.10 видно, что для надежного обнаружения по УФ-излучению пламени от горения топлива реактивных самолетов JP-4 нужно, чтобы чувствительность фотодетектора к УФ была в 106–107 раз больше, чем к видимому световому диапазону.
По сравнению с п/п фотодетекторами на основе широкозонного п/п SiC, который при соответствующем легировании может давать проводимость n- и p-типа, фотодетекторы на основе нитридов элементов III и IV групп дают возможность создавать гетероструктуры, которые имеют лучшие омические контакты [16]. Основные проблемы фотодетекторов на GaN – уменьшение времени жизни носителей и снижение фотоэмиссионной эффективности, вызванные большой (107–1010 см-1) концентрацией дефектов в GaN-структурах. Возможное решение проблемы – использование для эпитаксиального роста другой кристаллической подложки, например Si (111) [16].
УФД, изготовленные на основе пленок алмазоподобных покрытий (толщина пленки 0,01–0,8 мм), обладающих п/п свойствами, также представляют большой интерес [26, 27], особенно для работы с мощными источниками УФ-излучения, такими как эксимерные лазеры. Проблемы здесь связаны с невысоким качеством наносимых алмазных пленок.
Отметим, что все описанные структуры п/п детекторов могут быть использованы для создания позиционно чувствительных УФ-приборов, в том числе и в виде небольших изображающих матриц.
Сверхпроводящие УФ-детекторы
Сверхпроводящие УФД обычно работают при температуре 50–100 мК и требуют использования криогенной техники, что существенно усложняет конструкцию приборов. Учитывая, что такие детекторы обладают чувствительностью в широком спектральном диапазоне – от ИК до рентгеновского излучения, при работе в УФ-диапазоне нужно применять специальные фильтры для выделения рабочей спектральной области детектора.
Сверхпроводящие УФД бывают трех типов:
* переходной детектор [28], температура которого поддерживается вблизи температуры перехода между проводящим и сверхпроводящим состояниями. Энергия поглощенного фотона приводит к изменению проводимости на величину, достаточную для детектирования сигнала, для чего используется сверхпроводящий квантовый интерферометр (СКВИД, или SQUID);
* металлический магнитный калориметр [29]. Детектирование здесь также основано на регистрации роста температуры детектора из-за поглощения фотона, однако измеряется вызванное ростом температуры изменение магнитных свойств сверхпроводящего материала, также включенного в замкнутую цепь интерферометра СКВИД;
* куперовский детектор [30], действие которого основано на том, что излучение в сверхпроводящем туннельном переходе разбивает куперовские пары на две квазичастицы, которые могут туннелировать через переход. "Теневой" куперовский туннельный ток подавляется магнитным полем, приложенным параллельно плоскости туннельного перехода.
Преимущество сверхпроводящих УФД – возможность измерять величину сигнала как функцию энергии фотона в широком энергетическом спектре от рентгеновского излучения до видимого света, что позволяет сочетать высокое пространственное и энергетическое разрешение (E/?E~4) в одном приборе при использовании разных фильтров в широком спектральном диапазоне.
Недостаток сверхпроводящих УФД – их сравнительно низкая квантовая эффективность: 10–20%. В сочетании со сложностью изготовления криогенных изображающих матриц (пока удалось сделать матрицу 32?32 [31]) низкая эффективность не позволяет рассматривать современные сверхпроводящие УФД в качестве конкурентоспособных приборов этого класса. Однако исследования, проводимые с целью повышения их квантовой эффективности, могут изменить ситуацию в будущем.
Итак, наиболее распространенным типом УФД пока остаются фотоэмиссионные устройства, отличающиеся высокой чувствительностью. Отработанная технология изготовления МКП, ФЭУ и других усиливающих электрооптических систем стала основой широкого применения изображающих и неизображающих оптических приборов УФ-диапазона в космических исследованиях, оптических лабораториях и в коммерческих детекторах технического контроля и мониторинга УФ-излучения.
В последнее десятилетие дополнительно к фотоэмиссионным приборам активно разрабатываются п/п УФД как более простые, дешевые и эффективные устройства, предлагающие новые возможности в этом спектральном диапазоне. Дальнейшее продвижение УФД этого типа будет определяться успехами в развитии технологии нанесения качественных тонкопленочных покрытий.
Для рынка УФД характерна некоторая фрагментарность, возникающая из-за приложений, каждое из которых предъявляет свои требования к детекторам. Четко свою нишу занимают только сверхпроводящие детекторы, используемые для точных измерений слабого УФ-излучения.
Сегодня работы по разработке УФД ведутся в основном с целью создания эффективных приборов для космических аппаратов. Однако прогресс в улучшении характеристик и удешевлении технологии производства УФД позволит существенно расширить их область применения для контроля технологии высокотемпературного производства, измерения УФ-биодоз, противопожарного мониторинга и т.п.
Литература
1. Мейер А., Зейтц Э. Ультрафиолетовое излучение. – М.: ИИЛ, 1952.
2. Krotkov N.A. et al. Satellite estimation of spectral surface UV irradiance in the presence of tropospheric aerosols 1. Cloud-free case. – J. Geophys. Res., 1998, v.103(D8), p.8779.
3. Johnson C.B. Review of ultraviolet detector technology. – Proc. SPIE, 1990, v.1243, p.2.
4. Troshichev O., Gabis I. Effects of solar UV irradiation on dynamics of ozone hole in Antarctica. – J. of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2005, v.67(1), p.93.
5. Joseph C.L. UV image sensors and associated technologies. – Experimental Astronomy, 1995, v.6, p.97.
6. Barstow M.A. et al. X-ray Instrumentation in Astronomy. – Proc. SPIE, 1985, v.697, p.352.
7. Дыкин А.В., Овечкин Ю.А. Электронные и полупроводниковые приборы. – М.: Энергия, 1971.
8. Берковский А.Г. и др. Вакуумные фотоэлектронные приборы. – М., Энергия, 1976.
10. Ulmer M.P. Future detectors for space applications. – Proc. SPIE, 2006, v.6189, p.61890.
11. Photomultiplier Tubes: photomultiplier tubes and related products. – Hamamatsu Photonics, 2006.
12. Uchiyama S. et al. GaN-based photocathodes with extremely high quantum efficiency. – Appl. Phys. Lett., 2005, v.86, p.103511.
13. Ulmer M.P. et al. Progress on development of UV photocathodes for photon-counting applications at NASA GSFC – Proc. SPIE, 2005, v.5898, p.103.
14. Ulmer M.P. et al. Advances in wide-bandgap semiconductor based photocathode devices for low light level applications. – Proc. SPIE, 2003, v.5164, p.18.
15. Clampin M. UV-optical CCDs for space Instrumentation. – Opt. Engineering, 2002, v.41, p.1185.
16. Munoz E. et al. Group III nitrides and UV detection. –
J. Phys.: Condens. Matter, 2001, v.13, p.7115.
17. Razeghi M., Rogalski A. Semiconductor ultraviolet detectors. – J. Appl. Phys., 1996, v.79, p.7433.
18. Korde R. et al. Stable, high quantum efficiency silicon photodiodes for vacuum-UV applications. – Proc. SPIE, 1988, v.932, p.153.
19. Talmi Y., Simpson R.W. Self-scanned photodiode array: a multichannel spectrometric detector. – Applied Optics, 1980, v.19, p.1401.
20. Khan M.A. et al. High-responsivity photoconductive ultraviolet sensors based on insulating single-crystal GaN epilayers. – Applied Phys. Lett., 1992, v.60, p.2917.
21. Chow P.P. et al. Group III nitride materials for ultraviolet detection applications. – Proc. SPIE, 2000, v.3948, p.295.
22. Li T. et al. High quantum efficiency AlxGa1-xN/GaN-based ultraviolet p-i-n photodetectors with a recessed window structure. – Proc. SPIE, 2000, v.3948, p.304.
23. Vanhove N. et al. ITON Schottky contacts for GaN based UV photodetectors. – Applied Surface Science, 2006, v.253, p.2930.
24. Deelman P.W. et al. Low-noise GaN Schottky diodes on Si(111) by molecular beam epitaxy. – Applied Phys. Lett., 2001, v.78, p.2172.
25. Lee Y.C. et al. Comparative study of the electrical characteristics of metal-semiconductor-metal (MSM) photodiodes based on GaN grown on silicon. – Int. Conf. on Materials for Advanced Technologies, Singapore, 2003.
26. Marchywka M. et al. Ultraviolet photoresponse characteristics of diamond diodes. – Applied Optics, 1991, v.30, p.5010.
27. Conte G. et al. Diamond Deep-UV position sensitive detectors. – Proc. SPIE, 2006, v.6189, p.618910-1.
28. Burney J. et al. Transition-edge sensor arrays for UV-optical-IR astrophysics. – Nuclear Inst. and Methods in Phys. Research A, 2006, v.559, p.525.
29. Fleischmann A. et al. Optimization of magnetic calorimeters. – Nuclear Inst. and Methods in Phys. Research A, 2004, v.520, p.48.
30. Verhoeve P. et al. S-Cam 3: Optical astronomy with a STJ-based imaging spectrophotometer. – Nuclear Inst. and Methods in Phys. Research A, 2006, v.559, p.598.
31. Kelly R. The X-ray microcalorimeter instruments on the Astro-E2 and Constellation-X X-ray observatories. – Nuclear Inst. and Methods in Phys. Research A, 2004, v.520, p.364.
Отзывы читателей
