第10章 紫外探测

2 紫外光电阴极
目前，比较实用的“日盲”型光电阴极有碲化 铯(CsTe, c＝320nm)和碘化铯(CsI, c ＝200nm)， 日盲型光电倍增管是一种装置于空间卫星上进行 紫外辐射探测，以及应用在原子分光光度计和核 酸蛋白检测仪上进行紫外光谱检测的光电转换器 件。 通常来说，对可见光灵敏的光电阴极对紫外光 也有较高的量子效率。有时，为了消除背景辐射的 影响，要求光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵 敏，而对可见光无响应。这种阴极通常称为“日盲” （solar blind）型光电阴极。
PIN探测器的工作原理
• 基本原理是光照射pn 结时，电子空穴对被内建电场分离，形成与 入射光功率大小相关的光生电动势。当pn结短路时，产生光电流. • 原理图如下:
• （前注入）
PIN探测器的结构
PIN探测器结构
为了保持晶格常数的匹配，获得高质量的晶体，选用与GaN晶格常 数相同的几种合金来设计PIN探测器。四元合金AIXlnyGazN 选择衬底方面主要是利用蓝宝石，这是使用最广泛的一种衬底材 料，其他的材料还主要有碳化硅，氧化物材料等。 光从P型层入射，调整厚度可以使光在P型层或者P 与I完全吸收， 达到最好的光电响应效果。探测波长为280nm ～320nm
现有GaN基PIN紫外探测器常用材料结构
1：p-GaN/i-AIGaN/n-GaN
p-GaN/i-AIGaN/n-AIGaN 2： p-AIGaN/i-GaN/n-GaN 3： p-GaN/i-GaN/n-AIGaN 4：AIGaN/GaN超晶格PIN ） 5：AIGaN PIN 6：GaN PIN
• 碲化銫光电阴极由三层构成，第一层为石 英玻璃，第二层为导电膜，第三层为光电 发射层。其中，第一、二层要求紫外光的 吸收率要小，制作第三层时，碲与銫的混 合比例2：1是，一般先蒸镀一层Te膜，然 后在激活温度下缓慢銫化，直到监控到的 光电流具有最大值。
10.4 GaN的性质
• 与成熟的半导体Si相比，GaN具有耐高温、 低介电常数、耐腐蚀、抗辐射等优良特点， 而且3.4-6.2的直接带隙宽度，因此最适合 制作紫外探测器。 • 可以制作成光电导型、肖特基型光生伏特 型、PN、PIN、MSM 型紫外光电探测器。
第十章 紫外探测与成像
10.1.1紫外光电探测器的研究背景紫外波段的划分
1：波长在250nm～300nm的波段容易被探测。 波长小于200nm的紫外光，称为真空紫外，大 气中的氧气对此具有强烈的吸收。 2、200-300nm的紫外光，称为日盲区，这是 因为太阳光发射的紫外线被臭氧层吸收。此 波段被人们利用。 3、300-400的波段能透过地球大气层，称为大 气的紫外窗口。
正电子亲和势光电阴极，其禁带宽度为3.3eV，要实现光电 发射，入射能量要大于3.5eV,为了防止光电子与价键上的电 子发生碰撞而发生二次电离，一个较大的禁带宽度是必要的。
• (1)电阻大，在进行阴极制作时，很难检测到光电流。 • (2)饱和蒸气压很高，系统在常规的烧烤中会出现挥发现象 • (3)大规模的碲化銫光电阴极的制作工艺难度大。
• 3.瑞利散射 在低空中分子数密度很高，中紫外的瑞利 散射很明显，当高度增加时，分子数密度 减小，这时，瑞利散射减弱。 4. 溶胶的吸收与散射 指大小为10nm的烟雾粒子－10um的大雨滴 等粒子的散射。
10.1.3 紫外辐射源
• 1 太阳辐射 太阳辐射光谱范围从远紫外至远红外，并且 能直接或者间接的造成背景辐射，形成严 重的背景干扰，对红外辐射探测可产生虚 警。对200－290nm的紫外探测来说，由于 臭氧的吸收，到达不了地面，称为日盲区。 2 日辉与夜辉 他们的波长在200-300nm，是中紫外探测的 主要的背景源。
高
中
中
中
中
低
高
高
中
低
紫外光电探测器的结构种类
1：光电导结构 2：PIN（PN)型结构 3：肖特基型结构 4：MSM结构 5：APD结构
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紫外像增强器:
要求:1 高灵敏度,低噪声,有探测微弱信号的能力. 2 对穿过大气层的太阳紫外光不灵敏.
1.输入窗口
阴极输入选用石英玻璃满足日盲型紫外像增强器光 谱响应与其他方面的要求
(1)作为像增强器的骨架，必须有一定的硬度与强度
(2)在一定的波长范围内有较高的透过率
(3)有利用光电阴极材料与附着
(4)具有一定的形状，加工性能要好
(5)成本低
MgF2短波长可以到达110nm，从透过率讲可以满足 紫外探测的要求，但是材料柔软而且吸湿性明显。 光纤面板对于大于300nm的长波长的紫外光有很高 的透过率，但是对紫外目标探测不能满足日盲波段 的要求。 石英玻璃硬度、强度、透过率等均可作为日盲紫外 探测的输入窗口。
2 紫外光电阴极
从各种光电阴极的光谱响应曲线可以看出,满足波长 在200-320nm之间有较高的光谱响应的光电阴极有 碲化铯和多碱光电阴极，并且多碱光电阴极的响应 度更高。但是我们不能选择多碱光电阴极作紫外目 标探测，这是因为它们在400-500nm有较大的光谱 响应，即不具有日盲性。
碲化銫光电阴极的特点：
紫外光电探测器的应用
• 军用领域：导弹发射的探测。各种导弹装 备都需要燃料,必有尾焰排出,尾焰中含有近 紫外与中红外辐射,紫外光探测利用其特点 及时发现目标. • 民用领域： 火焰的探测和监控,UVA和 UVB区域的放射计量测定器、 飞行员的降落侍服系统等。
利用中紫外进行导弹探测的优点:
1.紫外探测技术是导弹的克星,是低空防御的 必备装置,也是快速处理信号的先进技术. 2.在紫外区,空间造成的紫外背景辐射较少,同 时也避开了最大的自然光源,信号探测难度 下降,虚警率减少,探测概率提高. 3.用紫外探测系统结构简单,无需制冷,不扫描, 质量轻,体积小.
10.1.2 大气对紫外光的吸收
1.O3的吸收 O3是地球大气中有效吸收紫外辐射最重要的气体
波长从220-320nm,引起近地面太阳光谱的波长小于 290nm处中断。 2.氧气的吸收 氧气的吸收主要有两个光谱带，分别为175－ 202.6nm和242－260nm，氧气的吸收效应同其 他的衰减效应相比已不明显，并且随着高度的增 加而减小。
紫外光电探测器的材料种类
si Sic GaP AlGa N 金刚 石 Ⅱ/Ⅵ 光电 发射 型 （Cs2 Te)
120900 350450
1100 截止波 长（nm）
300400
525
200365
225
控测率
紫外选 择性 可靠性
中
差 好
中
中 中
中
差 好
中
好 中
中
好 中
高
中 差
中
好 中
实用性
价格
高
低
中
MSM的性能：
• 具有很低的暗电流和较高可见光截止，响 应速度快，噪声低。
• MSM紫外探测器制造简单，易于集成，主 要结构如图10-18，在蓝宝石衬底上生长 AlN缓冲层，再沉积上一层半导体激活层 GaN，在激活层上沉积栅状电极，形成肖 特基接触。 • MSM光电探测器本质上是 一个背对背串连的两支金属 -半导体二极管，当外加偏置 电压时，一个结为正偏， 一个结为反偏。
MSM的工作原理：
• 外偏电压为0时，耗尽层宽度两边相等，当 左边反偏，右边正偏时，耗尽层宽度变宽。 • 当外偏电压增加至穿通电压时，两耗尽层 相接触，左方电场为负，右方电场为正。 • 当电场增加至平带电压VFB时，整个器件全 部耗尽，电场指向同一个方向，从右至左。 这时电子电流很小，但是由于空穴势垒下 降，从正偏置处有空穴注入，当电压超过 平带电压，能带进一步变陡，内电场增加， 直到发生雪崩效应，产生电流激增。
N、P型GaN样品的制作机理
非故意掺杂的GaN样品一般都存在较高的N型本底载 流子浓度，一般认为这是由于氮空位引起的，室温下 电子迁移率可以达到900cm2/V,采用Al-GaN异质结构 可以提高电子迁移率，这种提高由于异质结表面形成 了二维电子气。 P- 型Ga-N的制作主要是利用掺镁的方法和热退火技 术或者电子辐照技术。主要原因：GaN中掺镁以后， 镁原子没有进入Ga的格点位置，而是处于间隙格点， 当用电子辐照之后，镁原子获得电子束的能量而被激 活，进入Ga的格点位置，成为替代式杂质，GaN显示 出P型，当用掺镁的GaN 。
探测器制作的常用工艺过程
材料生长—激活退火—测射保护膜---光刻—ICP 刻蚀台面—光刻—ICP刻蚀光敏面—N电极预处 理—光刻—测射金属—剥离形成电极—电极合金 化—P电极预处理—光刻—测射金属—剥离形成 P电极—P电极合金化—PECVD渡膜—光刻—腐 蚀—测射金属—剥离形成焊盘—测试
金属-半导体-金属紫外探测器
为了提高响应速度，尽量使光在耗尽层被吸收，P层的厚度要较 小，由于I层的存在，使耗尽层加宽，降低了结 电容，有较小的时间 常数，可达12ns。
探测器结构厚度
• • 光谱响应来计算探测器的厚度参数 计算模型：pin 表示入射光的功率，a表示吸收系数，A表示光敏面积，r 表示表面反射率
•
wP
wi
wn
光谱响应图
GaN基紫外探测器存在困难
1：AIGaN 与GaN之间晶格失配导致外 延层位错密度较高。 2：P型材料中空穴浓度底。 3：难以获得良好的欧姆接触。 4：结构设计的优化等。
GaN常见结构探测器的比较
光电导型探测器内部增益大,制作简单,但是它需要偏置,暗电流大, 且速度慢。 肖特基势垒二极管虽然是潜在的最快的探测器,但由于其势垒高 度比p-i-n小,漏电流较大;且其耗尽区较窄,在耗尽区外的光生载流 子大部分复合对光电流没有贡献,效率低。 p-i-n型光伏特探测器能克服这些困难,它的有效区可以做的比较 厚,使大部分光子在此区吸收;而且耗尽区内的高强电场把电子空 穴对分离,快速扫入两边的掺杂区,能达到较高速度。