光电子器件_第八章紫外探测与成像器件

第十章紫外探测与成像器件10.1紫外光太阳光线分为X线、X光、紫外线、可视光线、红外线等五种，其中到达地球表面的光线为紫外线A，B，可视光线及红外线，但对人体最有影响、最有害的是紫外线，它的简称为UV。•紫外线属于物理学光学的一种。•自然界的主要紫外线光源是太阳。太阳光透过大气层时波长短于的紫外线为大气层中的臭氧吸收掉。•人工的紫外线光源有多种气体的电弧(如低压汞弧、高压汞弧)，紫外线有化学作用能使照相底片感光，荧光作用强，日光灯、各种荧光灯和农业上用来诱杀害虫的黑光灯都是用紫外线激发荧光物质发光的。•紫外线还可以防伪。紫外线还有生理作用，能杀菌、消毒、治疗皮肤病和软骨病等。•紫外线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效应。•紫外线的特点•（1）优点：A、消毒杀菌；B、促进骨骼发育；C、对血色有益；D、偶尔可以治疗某些皮肤病;E紫外线照射直接影响人体维生素D的合成，不照紫外线就没有足量的维生素D•（2）缺点：A、使皮肤老化产生皱纹；B、产生斑点；C、造成皮肤炎；D、造成皮肤癌，E，造成皮肤粗糙nm91029010.1.1光谱波段的划分射线x射线紫外光红外光微波无线电波10-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm可见光400～750nm0.1nm～10nm~750nm~0.1cm0.1mm～1m1m～1000m10nm~200nm200~400nm远紫外近紫外（真空紫外）在自然界中，太阳的紫外线通过大气时呈现以下特性：（１）真空紫外：简称UVD大气中的氧气强烈的吸收波长小于200nm的紫外光，所以只有在太空中才存在这个波段的紫外光，因而称为真空紫外；（２）短波紫外线：简称UVC简称UVC。是波长200－280nm的紫外光线。短波紫外线在经过地球表面同温层时被臭氧层吸收。不能达到地球表面，对人体产生重要作用。因此，对短波紫外线应引起足够的重视。短波紫外线又称为短波灭菌紫外线。它的穿透能力最弱，无法穿透大部分的透明玻璃及塑料。日光中含有的短波紫外线几乎被臭氧层完全吸收。短波紫外线对人体的伤害很大，短时间照射即可灼伤皮肤，长期或高强度照射还会造成皮肤癌。紫外线杀菌灯发出的就是UVC短波紫外线。(３）中波紫外线：简称UVB简称UVB。是波长280－320nm的紫外线。中波紫外线对人体皮肤有一定的生理作用。此类紫外线的极大部分被皮肤表皮所吸收，不能再渗入皮肤内部。但由于其阶能较高，对皮肤可产生强烈的光损伤，被照射部位真皮血管扩张，皮肤可出现红肿、水泡等症状。长久照射皮肤会出现红斑、炎症、皮肤老化，严重者可引起皮肤癌。中波紫外线又被称作紫外线的晒伤（红）段，是应重点预防的紫外线波段。•中波紫外线又称为中波红斑效应紫外线。中等穿透力，它的波长较短的部分会被透明玻璃吸收，日光中含有的中波紫外线大部分被臭氧层所吸收，只有不足2%能到达地球表面，在夏天和午后会特别强烈。UVB紫外线对人体具有红斑作用，能促进体内矿物质代谢和维生素D的形成，但长期或过量照射会令皮肤晒黑，并引起红肿脱皮。紫外线保健灯、植物生长灯发出的就是使用特殊透紫玻璃（不透过254nm以下的光）和峰值在300nm附近的荧光粉制成。•（４）长波紫外线：简称UVA•简称UVA。是波长320－400nm的紫外线。长波紫外线对衣物和人体皮肤的穿透性远比中波紫外线要强，可达到真皮深处，并可对表皮部位的黑色素起作用，从而引起皮肤黑色素沉着，使皮肤变黑，起到了防御紫外线，保护皮肤的作用。因而长波紫外线也被称做“晒黑段”。长波紫外线虽不会引起皮肤急性炎症，但对皮肤的作用缓慢，可长期积累，是导致皮肤老化和严重损害的原因之一。•长波紫外线又称为长波黑斑效应紫外线。它有很强的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。日光中含有的长波紫外线有超过98%能穿透臭氧层和云层到达地球表面，UVA可以直达肌肤的真皮层，破坏弹性纤维和胶原蛋白纤维，将我们的皮肤晒黑。360nm波长的UVA紫外线符合昆虫类的趋光性反应曲线，可制作诱虫灯。300-420nm波长的UVA紫外线可透过完全截止可见光的特殊着色玻璃灯管，仅辐射出以365nm为中心的近紫外光，可用于矿石鉴定、舞台装饰、验钞等场所。09年10月德、意科学家发现【虾青素】能有效地消除【紫外线UVA】对皮肤细胞的伤害。10.1.2紫外辐射源：•１、太阳辐射•２、日辉、夜辉的辐射•３、导弹中的中紫外辐射10.2紫外成像器件概述紫外成像器件有真空型的像增强器和固体成像器件例：对导弹羽烟紫外辐射的探测紫外像增强器紫外像增强器的结构与微光像增强器相似，主要有两种型号：即贴型和倒像型的。主要区别在于光阴极不同１、输入窗口：选用石英玻璃满足日盲型紫外像增强器光谱响应以及其他方面的要求。阴极输入窗口的特点：（１）满足气密性的要求；（２）在一定波长范围内，具有好的透过率；（３）作为光阴极发射层的衬底，有利于光电阴极的生长和附着；（４）加工性良好；（５）成本低，易采购。石英玻璃特点：短波透过率极限在190nm以下，满足日盲段透过的要求；硬度、强度、气密性也满足。２、阴极材料：要求：适合的光谱响应并且在波长范围内有较高的量子效率常用材料：碲铯碲化铯阴极是一种正电子亲和势阴极。禁带宽电子亲和势：所以要实现光电发射必须使入射能量大于3.5evCs2Te阴极的构成：第一层：石英玻璃；第二层：导电膜；第三层：Cs原子和Te原子以２：１构成的基本光电发射层evEg3.3evEA2.01光谱响应特性10.3、宽禁带半导体紫外探测器◆当不同波长的光照射探测器时，只有能量满足一定条件的光子才能激发出光生载流子从而产生光生电流。◆对于半导体材料，要发生本征吸收，光子能量必须大于或者等于禁带宽度，即对应于本征吸收光谱，探测器对光的响应在长波方面存在一个波长界限λ0，根据发生本征吸收的条件0gEhh0可得到本征吸收长波限的公式为)()(24.10meVEEhcgg10.３.1特性根据半导体材料的禁带宽度，可以算出相应的本征吸收长波限。★对于GaN材料而言，Eg=3.4eV，GaN探测器的长波限λ0≈365nm。★对于4H-SiC材料，Eg=3.26eV，则其长波限λ0≈380nm。从计算结果可以看出，GaN、4H-SiC材料的本征吸收长波限都在紫外区。02响应度光电响应度是表征探测器将入射光转换为电信号能力的一个参数。光电响应度也称光电灵敏度，定义为单位入射光功率与所产生的平均光电流之比，单位为A/W。024.1)(mhqPIRoptph由上式可知，R与λ成正比，所以短波长探测器的响应度比起长波长的探测器来说响应度较小。假设η=1，则当波长为365nm时，响应率R=0.294A/W；当波长为200nm时，响应率R=0.161A/W。3量子效率量子效率分为内量子效率和外量子效率：◆内量子效率定义为入射至器件中的每一个光子所产生的电子-空穴对数目，即入射的光子数空穴对个数产生的电子i◆在实际应用中，入射光的一部分在器件表面被反射掉，在有源层中被吸收部分的大小又取决于材料的吸收系数和厚度，所以实际上只是部分的Popt能被器件有效地吸收而转化为光电流。定义外量子效率为)1()1()1()()()(0WdfidfeeReR◆宽禁带半导体材料具有卓越的物理化学特性和潜在的技术优势，用它们制作的器件在高功率、高温、高频和短波长应用方面具有比Si、GaAs等器件优越得多的工作特性，使得它们在军用、民用领域有更好的发展前景，一直受到半导体业界人士的关注。◆但是由于工艺技术上的问题，特别是材料生长和晶片加工的难题，进展一直十分缓慢。直到20世纪80年代后期至90年代初，SiC单晶生长技术和GaN异质结外延技术的突破，使得宽禁带半导体器件的研制和应用得到迅速的发展。◆用SiC、GaN材料制造实用化器件已经在电力电子、射频微波、蓝光激光器、紫外探测器和MEMS器件等重要领域显示出比硅和GaAs更优异的特性，并开始取得非常引人注目的进展。10.3.2、宽禁带半导体紫外探测器简介◆SiC的热导率、临界击穿电场、电子饱和速度等都比Si的高很多，与Si相比更适合于制造紫外光探测器。◆用SiC制作的紫外光探测器对可见光和红外光不敏感，这对于在可见光和红外光背景中探测紫外辐射是非常重要的。◆但由于SiC具有间接带隙，使得探测器灵敏度受到限制。一、SiC紫外探测器◆GaN的禁带宽度为3.4eV，是直接带隙半导体，它的热导、热稳定性、化学惰性、击穿电场和带隙宽度都可与SiC相比。◆GaN还具有高的辐射电阻、易制成欧姆接触和异质结结构，这对制造复杂结构的器件非常重要。◆三元合金AlxGa1-xN的禁带宽度随Al组分的变化可以从GaN(x＝0)的3.4eV连续变化到AlN(x=1)的6.2eV，因此理论上讲利用这种材料研制的紫外探测器的截止波长可以连续地从365nm变化到200nm，是制作紫外探测器的理想材料之一。二、GaN基紫外探测器◆ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV。ZnO和GaN同为六角纤锌矿结构，具有相近的晶格常数和Eg，且ZnO具有更高的熔点和激子束缚能以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷。◆此外，ZnO薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂。◆ZnO薄膜所具有的这些优异特性，使其在紫外光探测、表面声波器件、太阳能电池、可变电阻等诸多领域得到了广泛应用。◆ZnO薄膜传感器具有响应速度快、集成化程度高、功率低、灵敏度高、选择性好、原料低廉易得等优点。三、ZnO基紫外探测器◆金刚石是禁带宽度为5.45eV的宽带隙半导体材料，具有高的载流子迁移率、高的击穿电压、高的热导率、高掺杂性和化学惰性，是非常适合于制备探测器件的材料。◆由于金刚石膜的禁带宽度比GaN大，在短于230nm的紫外光部分，金刚石膜探测器有很大的光谱响应，且具有很强的可见光盲性，它的光生电流比Si探测器高得多，信噪比及信号稳定性也比Si的强。四、金刚石紫外探测器根据基本工作方式的不同，宽禁带半导体紫外探测器可以分为光电导探测器（无结器件）和光生伏特探测器（结型器件），其中光生伏特探测器又分为肖特基势垒型、金属-半导体-金属（MSM）型、pn结型、pin结型等。10.3.3、宽禁带半导体紫外探测器的结构几种不同类型宽禁带半导体紫外探测器结构示意图◆光电导探测器，简称PC探测器，是利用光电导效应制作的光探测器。◆一块半导体体材料和两个欧姆接触即可构成光导型结构的紫外探测器。◆光导型紫外探测器具有结构简单、工艺容易和内部增益高等优点，但不足之处是响应速度慢、暗电流大。1、光导型紫外探测器◆实际上就是一个肖特基势垒二极管，可集高的响应度与低的暗电流于一身，具有响应时间短、量子效率高、势垒高度高、回避p型等优点。◆但它存在一些问题：1）由于光照射半导体时必须通过金属电极入射或者通过透明的衬底背面入射，因而入射光会受到较大损失。但是因为大多数半导体在紫外波段都吸收很厉害，吸收系数一般较大，所以使用良好的抗反射层，使大部分光吸收在表面结附近是完全可以实现的；2）金属-半导体接触所形成的结比较浅，主要在半导体表面附近；3）肖特基结构受表面态影响严重，表面态由很多深能级组成，可加剧光生电子-空穴对的复合，从而降低器件的量子效率。要消除表面态是非常困难的，这在一定程度上制约了肖特基结构器件的发展。２肖特基势垒紫外探测器◆1985年德国半导体电子研究所率先发明了横向结构叉指状电极的肖特基光电二极管(MSM-PD)，改善了传统光电二极管的性能。３MSM型紫外探测器◆此结构是用平面线型叉指电极和半导体材料形成“背靠背”的双肖特基势垒。当在电极上加上直流偏置电压时，一个势垒正向偏置，另一个势垒则反向偏置，因此暗电流极小，几乎比同种材料的光电导探测器的暗电流小3-5个数量级。◆MSM型光伏探测器不需要进行p型掺杂，具有响应度高、速度快、随偏压变化小、制备工艺简单、造