Rivelatori UV e solar-blindRivelatori UV e solar-blind

Docente: Mauro MoscaDocente: Mauro Mosca(www.dieet.unipa.it/tfl)(www.dieet.unipa.it/tfl)

last release: 20/10/2017last release: 20/10/2017

Università di Palermo – Scuola Politecnica - DEIM

La radiazione ultraviolettaLa radiazione ultravioletta

Assorbimento da parte dell’ozono (da 300 a 200 nm)

Assorbimento da parte dell’ossigeno (sotto i 200 nm)

Rivelatori UVRivelatori UV

- Rivelatori termici

- Fotorivelatori- Fotoconduttori

- Fotovoltaici

generazione di coppie e-h

campo elettrico

indipendenti da poco usati per gli UV

Parametri dei fotorivelatoriParametri dei fotorivelatori

Responsivity

Rumore termico o di Johnson-Nyquist

Rumore shotFV FC

Rumore flicker o 1/f

g: guadagno: efficienza quantica

(agitazione termica)

(fluttuazioni casualinumero portatori)

(fluttuazioni densitàe/o mobilità portatori)

… anche Rumore di generazione-ricombinazione

(generazione casuale diportatori per vibrazionidel cristallo e lororicombinazione)

Parametri dei fotorivelatoriParametri dei fotorivelatori

NEP specifico

Detectivity specifica

Rapporto di reiezione UV/vis =Ri (UV)

Ri (vis)

the signal power that gives a signal-to-noise ratio of one in a fixed output bandwidth (1 Hz)

NEP:

D = 1/NEP

Detectivity

permits a comparison ofdetectors that have different areas

rumore bianco: potenza Pn all’interno di una banda proporzionale alla banda stessa

In, Vn ∩ f1/2

Pn ∩ Aopt

In, Vn ∩ Aopt1/2

Materiali per la rivelazione UVMateriali per la rivelazione UV

Silicon photodiode: responsivitySilicon photodiode: responsivity

hc

GeG

h

e

P

iR

Fotodiodi al Si per l’UVFotodiodi al Si per l’UV

normale

blue-enhanced

UV-enhanced

strato di SiO2 vs: 104 100 cm s-1

Varie tecniche:

-strato d’inversione-strutture p+n-strutture np-luminofori

Svantaggi:

-alta sensibilità IR-degrado UV

Fotodiodi UV-Si a strato d’inversioneFotodiodi UV-Si a strato d’inversione

( )

induced junction

high electric field

collection of photocarrierwith short penetration depth

The effects of the high surfacerecombination are counteracted

drawback:

high sheet resistancein the inversion layer

slow response time(≈ 5 s)

Nitride-based photoconductorsNitride-based photoconductors

Responsivity di un fotoconduttoreResponsivity di un fotoconduttore

- rumore shot e g-r a frequenze intermedie- rumore 1/f a basse frequenze

Perché Perché gg > 1? > 1?

Responsivity di un fotoconduttoreResponsivity di un fotoconduttore

Responsivity di un fotoconduttoreResponsivity di un fotoconduttore

P -

Perché risposta sotto la bandgap?Perché risposta sotto la bandgap?

fenomeno di modulazione della conducibilità lento!

PPC: col buio le barrieresi alzano nuovamente

Responsivity di un fotoconduttore in AlGaNResponsivity di un fotoconduttore in AlGaN

high activationenergy bothfor p, and n dopingdifficult toobtainohmic contacts

with high Al%p doping ishard to obtain

problems of cracks that increase with Al%!!!

Rivelatori a giunzione Rivelatori a giunzione p-np-n

sottile

portatoriminoritari

Nel GaNla zona pviene cresciutasu quella n

p n

portatorimaggioritari

Rivelatore a giunzione Rivelatore a giunzione p-np-n

oppure…

p-i-np-i-n photodiode photodiode

Fotorivelatori Fotorivelatori p-i-np-i-n

zona svuotata ampia

aumenta percentuale difotoni assorbiti nellazona di carica spaziale

diminuisce la capacitàdi giunzione (che è inv.proporzionale), facendoaumentare la velocitàdi risposta

w non troppo elevato, altrimenti… ttr troppo alto!!aumenta R

Caratteristica rivelatori a giunzione Caratteristica rivelatori a giunzione p-np-n

Rmax = 0,23 A/W @280 nm

Fotocorrente nei rivelatori Fotocorrente nei rivelatori p-np-nalta efficienza quantica con strati antiriflessoed elevato spessore della zona p (per potereassorbire tutti i fotoni) con ampia zona di svuotamento

Rumore nei fotodiodi:- rumore shot e 1/f- rumore termico

…ma ricordate che il coefficiente di assorbimento è alto per piccole quindi lo spessore della zona p può essere non troppo elevato

Responsivity di un fotodiodo Responsivity di un fotodiodo p-np-n al GaN al GaN

alta reiezione UV/vis

perdite perdiffusione

Linearità corrente-potenzaLinearità corrente-potenzain fotodiodi al GaNin fotodiodi al GaN

Responsivity di fotodiodi in AlGaNResponsivity di fotodiodi in AlGaN

peggiora la qualitàdel cristallo

diminuisce Le

(si ricombinano primadi arrivare alla giunzione)

Effetto della lunghezza di diffusioneEffetto della lunghezza di diffusione

Rivelatori SchottkyRivelatori Schottky

-- -- -

-

trasporto:portatori maggioritari

risposta sotto gap

più facile con il GaN (e l’AlGaN) ottenere giunzioni Schottkypiuttosto che ohmiche

Rivelatori Schottky in Rivelatori Schottky in nn-AlGaN-AlGaN

costante!(no diffusione da zona p)(ma diminuisce con l’Al)

alta velocità(V inversa)

Rivelatori MSM: elettrodi interdigitatiRivelatori MSM: elettrodi interdigitati

Rivelatori MSM: diagramma a bandeRivelatori MSM: diagramma a bande

in assenzadi

polarizzazione

doppiabarriera

noconduzione

tensione disvuotamento

tensionedi banda

piatta

bande si incurvano(iniezionelacune)

breakdown

pol. inv. pol. dir.

all’aumentare dellaV di polarizzazione,aumenta la zona svuotata al contatto n

barriera lato p sempre meno efficace

Caratteristiche dei rivelatori MSM in GaNCaratteristiche dei rivelatori MSM in GaN

- rumore shot e 1/f

possibile effetto tunnel (guadagno) aumentando la tensione di polarizzazione

necessaria tensione inversa

(negli Schottky invece…)Barriere SchottkyNo guadagno(non è possibile l’iniezionedi portatori)

Bassissima dark current(fino ad una certa tensione…)

tempi di risposta:limitati quasi esclusivamente dal tempo necessario ai portatori per attraversare la distanza tra gli elettrodi

barriera p non più efficace

Responsivity dei rivelatori MSMResponsivity dei rivelatori MSMin GaN e AlGaNin GaN e AlGaN

drogaggio + basso:- aumento regione carica spaziale attorno ai contatti- diminuzione dark current

Back illumination: Window layerBack illumination: Window layer

effetto della“window”

effetto fotoelettrico interno

Applicazioni in biofotonica:Applicazioni in biofotonica:erithema weighted detectorserithema weighted detectors

 represents the sensitivity of human skin to sunburn

Rivelatori di fiamma Rivelatori di fiamma solar-blindsolar-blind

ioni OH-

Rivelatori di fiamma Rivelatori di fiamma solar-blindsolar-blind