Rivelatori UV e solar-blind Docente: Mauro Mosca (www.dieet.unipa.it/tfl) last release: 1/11/2016 Università di Palermo – Scuola Politecnica - DEIM La radiazione ultravioletta Assorbimento da parte dell’ozono (da 300 a 200 nm) Assorbimento da parte dell’ossigeno (sotto i 200 nm) Rivelatori UV - Rivelatori termici indipendenti da l - Fotorivelatori - Fotoconduttori - Fotovoltaici generazione di coppie e-h poco usati per gli UV campo elettrico Parametri dei fotorivelatori Responsivity g: guadagno h: efficienza quantica Rumore termico (agitazione termica) o di Johnson-Nyquist Rumore shot FV (fluttuazioni casuali numero portatori) Rumore flicker o 1/f (fluttuazioni densità e/o mobilità portatori) FC (generazione casuale di portatori per vibrazioni del cristallo e loro ricombinazione) … anche Rumore di generazione-ricombinazione Parametri dei fotorivelatori NEP: the signal power that gives a signal-to-noise ratio of one in a fixed output bandwidth (1 Hz) rumore bianco: potenza Pn all’interno di una NEP specifico banda proporzionale alla banda stessa In, Vn ∩ Df1/2 D = 1/NEP Pn ∩ Aopt Detectivity In, Vn ∩ Aopt1/2 Detectivity specifica Rapporto di reiezione UV/vis = permits a comparison of detectors that have different areas Ri (UV) Ri (vis) Materiali per la rivelazione UV Fotodiodi al Si per l’UV Varie tecniche: blue-enhanced -strato d’inversione -strutture p+n UV-enhanced -strutture np -luminofori Svantaggi: normale -alta sensibilità IR -degrado UV strato di SiO2 vs: 104 100 cm s-1 Fotodiodi UV-Si a strato d’inversione drawback: induced junction ( high sheet resistance ) in the inversion layer high electric field slow response time (≈ 5 ms) collection of photocarrier with short penetration depth The effects of the high surface recombination are counteracted Nitride-based photoconductors Responsivity di un fotoconduttore - rumore shot e g-r a frequenze intermedie - rumore 1/f a basse frequenze Perché g > 1? Responsivity di un fotoconduttore Responsivity di un fotoconduttore P -g Perché risposta sotto la bandgap? PPC: col buio le barriere si alzano nuovamente fenomeno di modulazione della conducibilità lento! Responsivity di un fotoconduttore in AlGaN with high Al% p doping is hard to obtain high activation energy both for p, and n doping difficult to obtain ohmic contacts problems of cracks that increase with Al%!!! Rivelatori a giunzione p-n sottile portatori minoritari Rivelatori a giunzione p-n Rmax = 0,23 A/W @280 nm Fotocorrente nei rivelatori p-n alta efficienza quantica con strati antiriflesso ed elevato spessore della zona p (per potere assorbire tutti i fotoni) - rumore shot e 1/f - rumore termico Fotorivelatori p-i-n zona svuotata ampia aumenta percentuale di fotoni assorbiti nella zona di carica spaziale diminuisce la capacità di giunzione (che è inv. proporzionale), facendo aumentare la velocità di risposta w non troppo elevato, altrimenti… taumenta alto!! tr troppo R Responsivity di un fotodiodo p-n al SiC - non si può regolare la gap - sensibili a T Responsivity di un fotodiodo p-n al GaN alta reiezione UV/vis perdite per diffusione Linearità corrente-potenza in fotodiodi al GaN Responsivity di fotodiodi in AlGaN peggiora la qualità del cristallo diminuisce Le (si ricombinano prima di arrivare alla giunzione) Effetto della lunghezza di diffusione Rivelatori Schottky risposta sotto gap - trasporto: - - portatori maggioritari - - più facile con il GaN (e l’AlGaN) ottenere giunzioni Schottky piuttosto che ohmiche Rivelatori Schottky in n-AlGaN alta velocità costante! (no diffusione da zona p) (V inversa) (ma diminuisce con l’Al) Rivelatori MSM: elettrodi interdigitati Rivelatori MSM: diagramma a bande in assenza di polarizzazione doppia barriera tensione di banda piatta no conduzione pol. inv. tensione di svuotamento pol. dir. all’aumentare della V di polarizzazione, aumenta la zona svuotata al contatto n barriera lato p sempre meno efficace bande si incurvano (iniezione lacune) breakdown Caratteristiche dei rivelatori MSM in GaN possibile effetto tunnel tempi di risposta: limitati quasi esclusivamente dal tempo necessario ai (guadagno) aumentando portatori per attraversare la distanza tra gli elettrodi la tensione di polarizzazione No guadagno Barriere Schottky (non è possibile l’iniezione di portatori) Bassissima dark current (fino ad una certa tensione…) - rumore shot e 1/f barriera p non più efficace Responsivity dei rivelatori MSM in GaN e AlGaN drogaggio + basso: - aumento regione carica spaziale attorno ai contatti - diminuzione dark current Back illumination: Window layer effetto fotoelettrico interno effetto della “window” Applicazioni in biofotonica: erithema weighted detectors Rivelatori di fiamma solar-blind ioni OH- Rivelatori di fiamma solar-blind