Półprzewodnikowe detektory płomienia GaN, AlGaN.

Transkrypt

1 P O L I T E C H N I K A W R O C Ł A W S K A W y d z i a ł E l e k t r o n i k i M i k r o s y s t e m ó w i F o t o n i k i Optoelektronika. Półprzewodnikowe detektory płomienia GaN, AlGaN. Opracował: Mateusz Wośko (EOT) Nr indeksu Prowadzący: Dr inż. Regina Paszkiewicz Wrocław 2002/2003r. Streszczenie W opracowaniu przedstawiono konstrukcje detektorów promieniowania UV zbudowanych z azotków trzeciej grupy. Opisano sposób działania różnych konstrukcji oraz ich podstawowe parametry. Zaprezentowane zostały detektory z AlGaN (przydatne w przyrządach nieczułych słonecznie ), jak również z GaN, ponieważ ich parametry elektryczne i optyczne zbliżone są do AlGaN. Skupiono się na tych cechach, które decydują o przydatności do wykorzystania w fotodetektorach UV. Przedstawiono skrótowo technologię wytwarzania niektórych struktur, koncentrując się głównie na kluczowych zagadnieniach, dotyczących jakości warstw epitaksjalnych, a co za tym idzie samych detektorów. Zaprezentowano również konstrukcje z SiC i fotopowielacze. W pracy sklasyfikowano metody detekcji płomienia, oraz czynniki decydujące o poprawnej pracy detektorów. Wstęp. Stosowane obecnie na szeroką skalę detektory promieniowania UV, takie jak fotopowielacze, czy krzemowe diody pin i Schottky ego mają małą selektywnością. Wymusza to konieczność stosowania szeregu filtrów w celu kształtowania charakterystyki spektralnej detektorów. Intensywne prace badawcze prowadzone w ostatnich latach nad azotkami III grupy układu okresowego przyniosły bardzo obiecujące efekty w zakresie detekcji promieniowania UV. Duża szerokość pasma GaN (E g = 3,4eV), AlGaN (E g = 6,2eV) odpowiada krawędzi absorpcji nm. Taki zakres odpowiada promieniowaniu: UV-A ( nm), UV-B ( nm) i UV-C (poniżej280 nm). Olbrzymią zaletą przyrządów budowanych na bazie azotków jest brak konieczności stosowania specjalnych filtrów, a co za tym idzie zmniejszenie wymiarów i kosztów produkcji. Detekcja płomieni w paśmie UV ograniczona jest wpływem promieniowania tła pochodzącego ze słońca. Wg różnych źródeł promienie krótsze od nm są całkowicie absorbowane przez atmosferę (przede wszystkim warstwę ozonową). Charakterystykę spektralną promieniowania słonecznego nad i pod atmosferą przedstawia Rysunek 1. Rysunek 1 Pochłanianie promieni UV przez atmosferę[1] Mateusz Wośko 1 / 22

2 Przykładowe spektrum promieniowania płomienia przedstawia Rysunek 2. Detektory GaN, AlGaN pracują w wąskim paśmie poniżej 290 nm. Wymogiem koniecznym poprawnej detekcji jest tzw. nieczułość słoneczna (ang. solar blind), gdyż moc promieniowania słonecznego zawierającego fale dłuższe od 290 nm w znacznym stopniu przewyższa moc promieniowania UV płomienia stosowaną do detekcji. Rysunek 2. Charakterystyka spektralna płomienia. Od detektora płomieni wymagana jest: duża czułość, wysoka selektywność, niski pobór prądu, odporność na wysokie temperatury. Są to wymogi ogólne, które mogą się różnić w zależności od konkretnych zastosowań. Wytwarzane obecnie detektory AlGaN spełniają w stopniu zadowalającym te wymogi. Przykładowa charakterystyka czułości detektora MSM na tle uogólnionego widma promieniowania płomienia powstałego przy spalaniu węglowodorów przedstawiona jest na Rysunku 3. Rysunek 3. Charakterystyka czułości detektora AlGaN MSM w zależności od składu Al.[2] Mateusz Wośko 2 / 22

3 Przegląd detektorów. Najczęściej spotykane typy detektorów UV to: fotorezystory; diody Schottky ego; struktury metal półprzewodnik metal (MSM); diody p-n oraz p-i-n. Rysunek 4 przedstawia schematycznie powyższe konstrukcje, natomiast na Rysunek 5 obrazowo pokazana jest zasada działania tego typu detektorów. Kontakt omowy Kontakt Schottky ego AlxGa1-xN GaN (rezystywny) AlxGa1-xN GaN AlN GaN (bufor) AlN GaN (bufor) Szafir, SiC, Si (a) Szafir, SiC, Si (b) Kontakt Schottky ego Kontakt omowy Kontakt omowy AlGaN GaN (p) AlGaN GaN (i) AlxGa1-xN GaN AlGaN GaN (n) AlN GaN (bufor) AlN GaN (bufor) Szafir, SiC, Si (c) Szafir, SiC, Si (d) Rysunek 4. Konstrukcje detektorów z III N; fotorezystor (a), MSM (b), dioda Schottky ego (c), dioda p-i-n (d). (a) (b) (c) Fotorezystor Dioda p-i-n. Dioda Schottky ego. półprzeżroczysty kontakt Schottky ego hν hν hν p i p lub n n p lub n - elektron - dziura + Rysunek 5. Zasada działania detektorów; fotorezystor (a), dioda Schottky ego (b), dioda p-i-n (c). W praktyce do wytwarzania detektorów nieczułych słonecznie stosuje się warstwy AlGaN o wysokiej zawartości glinu. GaN stanowi warstwy buforowe między podłożem a warstwą czynną. Warstwy buforowe są szczególnie ważne przy nanoszeniu azotków na podłoże szafirowe odznaczający się dużym niedopasowaniem zarówno do GaN, jak i AlGaN. Wiele publikacji opisuje metody wytwarzania warstw przejściowych AlN umożliwiających osadzanie wysokiej jakości warstw czynnych. Szafir jest najczęściej stosowanym materiałem podłożowym, ze względu na niską cenę i korzystne właściwości optyczne (przezroczystość dla promieni UV). Rzadziej stosowane są podłoża z węgliku krzemu i krzemu. Te ostatnie wzbudzają coraz szersze zainteresowanie, ze względu na rozwój epitaksji MBE, oraz zgodność z technologią krzemową. Należy podkreślić, że na Rysunek 4 przedstawione są ogólne struktury detektorów. W praktyce spotyka się różne ich konfiguracje i hybrydy różniące się kształtem, wymiarami, sposobem doprowadzenia kontaktów, stroną pochłaniania promieniowania. Szczegółowemu przeglądowi konstrukcji będzie poświęcony następny rozdział. Na podstawie pracy [3] w Tabela 1 przytoczone są podstawowe parametry niektórych detektorów UV. Mateusz Wośko 3 / 22

4 Detektor Tabela 1. Podstawowe parametry detektorów (FR fotorezystor). Czułość [A/W] Wew. sprawność kwantowa. NEP [W] Czas odpowiedzi [s] Al x Ga 1-x N (FR) *10-3 Al x Ga 1-x N (FR) 0,035 2,8 *10-6 0,13 0,36 *10-3 GaN (FR) >20 *10-9 GaN (MSM) 0,3 57 pa (10V) n-gan Schottky 0,18 ok. 7 * *10-9 GaN p-n 0,14 7 * ,7 *10-8 GaN p-i-n 0,11 0,48 8,2 *10-3 AlGaN/GaN p-i-n 0,15 0,63 ok ,2 *10-8 Z przytoczonych danych wynika, że największą czułość uzyskuje się w fotorezystorach, co skutkuje długimi czasami reakcji detektora. Natomiast najlepsze charakterystyki szumowe mają diody p-n i p-i-n, jednak ich czułość nie przekracza 0,3 A/W. Przyrządy bazujące na złączu Schottky ego mają dużą szybkość działania, a ich ch-ki szumowe i czułość są podobne do fotodiod p-n Fotorezystory. Fotorezystory (fotoprzewodniki) były jednymi z pierwszych detektorów opartych o związki III-N, ze względu na prostotę konstrukcji i bardzo dobrą czułość. Znajdują zastosowanie w tanich aplikacjach detektorów płomienia. Podstawowym problemem w wytwarzaniu detektorów fotoprzewodzących jest uzyskanie kontaktu omowego do AlGaN. Pomimo tego konstrukcja tego typu jest jedną z najprostszych. Na Rysunek 6 przedstawiona jest znormalizowana charakterystyka czułości detektora (fotorezystora) Al x Ga 1-x N w funkcji długości fali. Rysunek 6. Czułości fotorezystorów wytwarzanych w warstwach Al x Ga 1-x N o różnej koncentracji domieszki: N D =2*10 18 cm -3 (A), N D =6,1*10 17 cm -3 (B), niedomieszkowany (C), N D =1,7*10 18 cm -3 (D). [4] Mateusz Wośko 4 / 22

5 Wadą detektorów działających na zasadzie fotoprzewodnictwa jest długi czas odpowiedzi na pobudzenie. Ten fakt ogranicza zastosowanie tego typu przyrządów w aplikacjach wymagających krótkich czasów reakcji (również detektorów płomienia). Rysunek 9 przedstawia odpowiedź detektora na pobudzenie impulsowe. Słabe parametry czasowe przenoszą się na malejącą czułość ze wzrostem częstotliwości modulowanego źródła światła (Rysunek 8). Rysunek 7. Odpowiedź na pobudzenie impulsowe. [5] Rysunek 8. Wpływ częstotliwości na czułość. [6] Mateusz Wośko 5 / 22

6 Cechą charakterystyczną fotoprzewodników jest ich malejąca czułość wraz ze wzrostem detekowanej mocy optycznej. Dla fotorezystora wykonanego z GaN zależność ta przedstawiona jest na Rysunek 9. Rysunek 9. Czułość fotoprzewodnika w funkcji mocy. [7] Pierwsze nieczułe na słońce detektory powstały w 1996r. i były to właśnie fotorezystory. Wiele późniejszych konstrukcji odznaczało się hybrydową konstrukcją MSM. Palczaste struktury metalizacji tworzyły kontakty omowe, bądź omowe i Schottky ego. Jedną z takich konstrukcji zaprezentowano w pracy [8]. Wzmocnienie w tej strukturze wyniosło 10 6 A/W przy napięciu 20V. Prąd ciemny wyniósł 1mA a czas odpowiedzi przekraczał 60s. Strukturę detektora przedstawiono na Rysunek 10. Metalizacja Ti/Au Ti/Al n-algan n-gan GaN (bufor) 2 4µm nm 1µm 2 4µm Szafir Metalizacja Rysunek 10. Struktura detektora MSM. [8] Na Rysunek 11 pokazane są charakterystyki: I-U oraz spektralna opisywanego detektora. Mateusz Wośko 6 / 22

7 Rysunek 11. Charakterystyki MSM (omowy): charakterystyka U-I (a), charakterystyka spektralna czułości (b) Diody Schottky'ego. Obok fotoprzewodzących, stosuje się detektory ze złączem Schottky ego. Nadają się najlepiej do detekcji płomienia, gdyż łączą dobre parametry z prostotą konstrukcji. Większość detektorów wykonywanych jest w półprzewodnikach typu n, ponieważ wytworzenie niskorezystywnego kontaktu Schottky ego do półprzewodnika typu p jest bardzo trudne. Poza tym jedynym źródłem domieszki p jest magnez trudny technologicznie, dający niską koncentrację aktywnych elektrycznie nośników. Spotykane są zarówno palczaste struktury MSM, jak również (intensywnie badane) diody z przepuszczalnym dla promieni UV kontaktem Schottky ego. Te drugie odznaczają się wyższą czułością ze względu na większy obszar detekcji. Zdjęcia konstrukcji obu typów detektorów przedstawia Rysunek 12. Prezentowana w pracy [9] konstrukcja z półprzezroczystym kontaktem osadzana jest na podłożu szafirowym. Warstwę przejściową stanowi 1 2 µm domieszkowana do poziomu ok. 5*10 18 cm -3 warstwa n-(al)gan. Obszar aktywny AlGaN ma grubość rzędu 0,1 0,5 µm (N D =8*10 16 cm -3 ). Kontakt Schottky ego tworzy cienka 100A warstwa złota. Czułość spektralna detektora z Rysunek 12 przedstawiona jest na Rysunek 13. Prezentowany MSM miał powierzchnię od µm 2. do 1 3 mm 2. Szerokość palców i odstępy między nimi były rzędu 2 7µm. Rysunek 12. Konstrukcje detektorów ze złączem Schottky ego: zdjęcie diody z półprzeźroczystym kontaktem (a) i jej schemat budowy (b). Struktura MSM (c). [9], [2] Mateusz Wośko 7 / 22

8 Rysunek 13. Czułość detektora AlGaN ze złączem Schottky ego.[9] Względnie dobrą czułość uzyskuje się przez zwiększanie obszaru czynnego detektorów. Stosowanie półprzezroczystych kontaktów pomaga w wykorzystaniu praktycznie całej dostępnej powierzchni. W pracy [10] opublikowano wyniki badań nad kontaktami ITO, oraz porównanie ich właściwości z właściwościami cienkiej warstwy złota, typowo stosowanego do tego celu. Metalizacja ITO nanoszona była w procesie rozpylania magnetronowego targetów In 2 O 3 oraz SnO 2 w stosunku 9/1. Porównanie czułości oraz sprawności kwantowej metalizacji ITO i Au przedstawia Rysunek 14. Rysunek 14. Porównanie diod GaN z kontaktem Au i ITO: sprawności kwantowej (a) oraz czułości (b). [10] Mateusz Wośko 8 / 22

9 W odróżnieniu od detektorów fotoprzewodzących, czułość fotodiod rośnie wraz ze wzrostem mocy promieniowania. Rysunek 15 przedstawia charakterystykę ich czułości w funkcji natężenia promieniowania przy różnym składzie warstwy czynnej Rysunek 15. Wpływ mocy promieniowania na fotoprąd (λ=325 nm). [11] Dużą zaletą przyrządów z barierą Schottky ego jest dobra wykrywalność znormalizowana (D=1,2 3,5*10 7 mhz 1/2 W -1 zależna od napięcia polaryzującego) i niska wartość NEP (ok W) dla Al 0,22 Ga 0,78 N [2]. Stała czasowa najlepszych detektorów jest rzędu kilkudziesięciu pikosekund. Na Rysunek 16 zaprezentowana jest odpowiedź impulsowa wcześniej opisywanej diody z metalizacją ITO. Rysunek 16. Odpowiedź impulsowa fotodiody Schottky ego GaN.[10] Mateusz Wośko 9 / 22

10 W przeciwieństwie do diod p-i-n, detektory ze złączem Schottky ego mają dość duży prąd ciemny obniżający czułość detekcji. Stosunkowo niską czułość można zwiększyć przez polaryzowanie zaporowe złącza prostującego (Rysunek 17). W pracy [12.] przedstawiono detektor, którego NEP* 24*10-12 W*Hz -1/2 oraz D* 2,3*10 10 W -1 Hz 1/2 cm. Charakterystykę I-U takiego detektora przedstawia Rysunek 18. Rysunek 17. Wpływ polaryzacji na czułość Al 0,26 Ga 0,74 N.[9] Rysunek 18. Charakterystyki diody Schottky ego Al 0,26 Ga 0,74 N. [9] Mateusz Wośko 10 / 22

11 1.3. Diody p-i-n p-n. Diody p-n oraz p-i-n są obecnie najszerzej badaną grupą detektorów UV. Wynika to z bardzo dobrych parametrów tych konstrukcji, jak również możliwości ich kształtowania. Ponieważ warstwa niedomieszkowanego AlGaN nie jest trudna do uzyskania w procesie wzrostu azotków, a w znaczny sposób podnosi czułość detekcji, więc diody p-n opisywane są w literaturze znacznie rzadziej niż p-i-n. Diody p-i-n odznaczają się nieznacznie mniejszą czułością i szybkością od diod Schottky ego, natomiast mają od nich mniejszy prąd ciemny, co przekłada się bezpośrednio na wyższą rozdzielczość i niższą szumność detektora. Wyższość diod p-i-n nad detektorami fotoprzewodzącymi przedstawia Rysunek 19. Pomimo znacznie wyższej czułości odznaczają się większym odstępem obszaru detekcji (λ<λ gr ) od obszaru nieczułego (λ>λ gr ). Rysunek 19. Porównanie czułości detektora p-n z fotorezystorem. [13] Wykonanie fotodiod p-i-n jest bardzo trudne, ponieważ promieniowanie UV absorbowane jest w bardzo cienkiej warstwie przy powierzchni. Wymaga to stosowania bardzo cienkich warstw typu p (20 100nm) i odpowiednio formowanych kontaktów. Spotykane są różne rozwiązania konstrukcyjne zarówno na szafirze, jak i węgliku krzemu. Na Rysunek 20 przedstawiono przykładowe konstrukcje fotodiod. Rysunek 21 jest zdjęciem SEM struktury mesa diody GaN. Właściwości zarówno podłoży szafirowych jak i z SiC są szeroko stosowane w rozwiązaniach konstrukcyjnych. Jak pokazano na Rysunek 20, przewodzące podłoże węglika krzemu może służyć jako doprowadzenie elektryczne do azotków. Natomiast przeźroczystość szafiru dla promieni UV wykorzystywana jest w detektorach, w których sygnał optyczny wprowadzany jest od strony podłoża (ang. backside illumination), w których stosowane są warstwy filtrujące zwiększające selektywność dla danej długości fali. Na przedstawiona jest struktura detektora fotoprzewodzącego, oraz jego charakterystyka spektralna. Podobną konstrukcję zaproponował J Brown projektując diodę p-i-n o powierzchni 4*10-4 cm 2 (mesa). Wykrywalność znormalizowana wynosiła D*=3,5*10 12 cm Hz 1/2 W -1. Pomimo niewielkiej czułości R=0,051 A/W (przy 273nm) odpowiadającej wewnętrznej sprawności kwantowej 27%, detektor odznaczał się wąską charakterystyką FWHM=21nm. Na Rysunek 23 przedstawiono strukturę diody, charakterystyki transmitancji warstwy filtrującej typu n, hetrozłącza oraz spektralną czułość gotowego fotodetektora. przeźroczysty Pd Pd/Au przeźroczysty Pd Pd/Au Ti/Al SiO 2 SiO 2 Ti/Au GaN:Mg Ti/Au 40 nm GaN:Mg Ti/Au AlGaN:n.d. 4 µm AlGaN:n.d. AlGaN:Si 1 µm AlN (bufor) 60 nm szafir lub SiC (a) (b) AlGaN:Si AlN (bufor) SiC Ni/Ti/Au Rysunek 20. Konstrukcje fotodetektorów p-i-n: doprowadzenia od strony powierzchni (a) i od strony podłoża (b). [1] Mateusz Wośko 11 / 22

12 Rysunek 21. Fotodioda PIN: schematyczny rysunek struktury (a), zdjęcie z mikroskopu skaningowego. [14] (b) (a) Al 0,33Ga 0,67N Al 0,6Ga 0,4N obszar aktywny izolator Al 0,4Ga 0,6N filtr szafir światło Rysunek 22. Fotorezystor z warstwą filtrującą: schemat konstukcji (a), ch-ka spektralna (b). [15] Mateusz Wośko 12 / 22

13 (c) p - Al 0,47Ga 0,53N i - Al 0,47Ga 0,53N n - Al 0,64Ga 0,36N 0,5 µm 0,2 µm 1 µm szafir (d) światło Rysunek 23. Fotodioda p-i-n: transmitancja warstwy Al 0,64 Ga 0,56 N (a), transmitancja heterozłącza (b), struktura (c), ch-ka widmowa (d). [16] Rozwój badań nad fotodiodami doprowadził do skonstruowania matryc detektorów p-i-n z AlGaN. Mogą znaleźć zastosowanie w kamerach UV służących np. do rejestracji rozkładu promieniowania płomienia. Na Rysunek 24 przedstawiono schemat strukturalny oraz zdjęcie matrycy. Dioda oświetlona jest od strony podłoża (szafiru), zewnętrzna sprawność kwantowa wynosi 70%, wykrywalność znormalizowana D*=6.1 x cm Hz 1/2 W -1. metalizacja (omowa) p - AlGaN i - AlGaN n - AlGaN szafir (b) (a) (c) Rysunek 24. Struktura matrycy p-i-n: schemat konstrukcji (a), zdjęcia rzeczywistej struktury (b), (c). [17] Ze względu na zbliżony sposób działania, detektory ze złączem p-n i p-i-n mają podobne parametry, takie jak czułość i NEP. Rysunek 25 przedstawia zależność czułości od natężenia promieniowania dla detektora wykonanego w GaN. Szybkość odpowiedzi tego typu detektorów na pobudzenie przedstawia Rysunek 26. Mateusz Wośko 13 / 22

14 Rysunek 25. Zależność czułości (fotoprądu) od natężenia promieniowania diody p-n z GaN.[13] Rysunek 26. Odpowiedź fotodetektora p-i-n na pobudzenie impulsem.[3] Z przedstawionych zależności jednoznacznie wynika, że przyrządy ze złączem p-n (p-i-n) mają większą czułość, natomiast szybkość ich działania jest niższa niż detektorów ze złączem Schottky ego.. Ze względu na swoją dość złożoną strukturę i skomplikowaną technologię wytwarzania, fotodiody p-n stosowane są w aplikacjach bardziej zaawansowanych - wymagających dużej czułości i szybkości. Są stosowane m.in. w monitorowaniu stanu warstwy ozonowej i rejestracji charakterystyk źródeł promieniowania UV (np. płomieni). Mateusz Wośko 14 / 22

15 1.4. Detektory MIS (metal izolator półprzewodnik). Przyrządy tego typu odznaczają się bardzo małym prądem ciemnym, a co za tym idzie również małymi szumami. Zastosowanie cienkiej warstwy dielektryka (np. SiO 2 ) między metalem a półprzewodnikiem skutkuje znacznym zmniejszeniem gęstości prądu. W porównaniu do typowego kontaktu ze złota różnica ta sięga czterech rzędów. Pomimo spadku czułości o ok. 20%, wykrywalność znormalizowana wzrasta niemal dwukrotnie (4*10 11 cm Hz 1/2 W -1 )18. Na przedstawiono porównanie gęstości prądu ciemnego struktury MIS i odpowiadającej MS. Rysunek 27. Fotodetektor MIS.[2] Mateusz Wośko 15 / 22

16 1.5. Inne rozwiązania. Zanim udało się wytworzyć odpowiednio dobre struktury oparte o azotki trzeciej grupy, na detektory płomienia stosowano krzem, węglik krzemu a także fotopowielacze. Podstawową wadą tych konstrukcji jest mała selektywność spektralna, dlatego wymagają dodatkowych filtrów. Pomimo swoich wad są szeroko stosowane, ponieważ mają dużą czułość i są tańsze (oprócz SiC)od przyrządów wykonanych z AlGaN. Należy się spodziewać, że wzrost jakości warstw azotków, oraz obniżenie kosztów ich wytwarzania wpłynie na popularność detektorów budowanych na AlGaN i GaN Detektory z SiC. Zaletą detektorów zbudowanych z węgliku krzemu jest bardzo niski prąd ciemny i niskie szumy. W większości konstrukcji wykorzystywane jest zjawisko fotoelektryczne. Tego typu przyrządy bezawaryjnie pracują w temperaturach do 150 C. Charakterystykę widmową fotorezystora z SiC przedstawiono na Rysunek 28. Rysunek 28. Charakterystyka spektralna fotodetektora z SiC.[19] Jak to pokazano na Rysunek 28, fotodetektory nie spełniają warunku nieczułości na promieniowanie słoneczne. Z tego powodu konieczne jest stosowanie filtrów w celu kształtowania charakterystyki czułościowej detektorów. (Rysunek 29). Rysunek 29. Charakterystyka czułości fotodetektora z SiC po zastosowaniu filtrów: dla pasma UV-A, UV-B, UV-C (a); oraz dla pasma UV-BC (b).[19] Mateusz Wośko 16 / 22

17 Parametry oferowanych na rynku detektorów oraz stosowanych z nimi filtrów przedstawiono w Tabela 2. Tabela 2. Parametry detektorów UV z SiC. Prąd wyjściowy Czuł ość Szybkość Szerokość Prąd ciemny przy ekspozycji Powierzchnia [A/W] (przy Pojemność działania czynna [mm 2 widma (10% [fa] przy na ] długości fali [pa] (szerokość max) [nm] polaryzacji 1V promieniowanie [nm]) pasma) sł oneczne [na] 0,25 0, ,13 (275) 0, ,5 0, ,13 (275) 0, ,16 (275) ,16 (275) Filtr UV-A ,04 (340) Filtr UV-B ,08 (315) Filtr UV-BC ,12 (285) Filtr UV- BC ,12 (280) Filtr UV-C ,10 (265) Fotopowielacze. Zasada działania fotopowielaczy oparta jest na zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym zachodzącym w metalu. Zastosowanie odpowiedniego gazu prowadzi do powielenia wybitych elektronów. Rodzaj użytego metalu wpływa na charakterystykę spektralną detektora. Przykładową ch-kę na tle uogólnionego promieniowania słonecznego przedstawiono na Rysunek 30. Wadą fotopowielaczy są wysokie napięcia zasilania (powyżej 200V). Rysunek 30. Charakterystyka spektralna fotopowielacza na tle charakterystyk różnych źródeł promieniowania. [19] W praktyce od detektorów płomienia wymaga się małej kierunkowości detekcji. Na Rysunek 31 przedstawiono charakterystykę kierunkową fotopowielacza UV-TRON R2868 firmy Hamamatsu [19]. Rysunek 31. Charakterystyki kierunkowe fotopowielacza UV-TRON R2868: w płaszczyźnie pionowej (a) i poziomej (b). [19] Mateusz Wośko 17 / 22

18 Detekcja płomieni. Obecnie stosowane są cztery metody detekcji płomienia: 1. Dym. Optyczna detekcja rozpraszania i tłumienia światła; Pomiar przewodnictwa jonowego. o Brak konieczności bezpośredniego kontaktu wzrokowego z płomieniem; o Długi czas odpowiedzi; o Zastosowanie głównie w budynkach; o Czułość na zakłócenia kurz, mgła. 2. Ciepło. Pomiar temperatury. o Czułość na zakłócenia; o Duża szybkość; o Konieczność stosowania w pobliżu źródła płomienia. 3. Obraz. Kamery z inteligentnymi sposobami analizy obrazu. o Wysoki koszt; o Duża szybkość; o Zawodność związana z metodami interpretacji obrazu; o Konieczność kontaktu wzrokowego. 4. Promieniowanie optyczne w zakresie niewidzialnym. Detektory promieniowania UV i IR. o Duża szybkość działania; o Wpływ promieniowania tła; o Konieczność kontaktu wzrokowego. Dotychczas większość produkowanych czujników dla systemach przeciwpożarowych wykrywała jedynie dym i ciepło. Wraz z rozwojem prac nad detektorami IR, a później UV, zaczęto je stosować w czujnikach przeciwpożarowych. Najbardziej zaawansowane systemy kontroli przeciwpożarowej łączą w sobie wszystkie cztery, wzajemnie uzupełniające się, metody detekcji. Najlepsze efekty daje detekcja promieniowania optycznego w całym spektrum UV, widzialne i IR. Spotykane są konstrukcje umożliwiające obrazowanie UV i IR. Umożliwiają w ten sposób nie tylko wykrycie, ale też zlokalizowanie źródła płomienia. Oddzielną grupę stanowią detektory służące do rejestracji charakterystyk spektralnych promieniowania płomienia (spektroskopia). Są to wyspecjalizowane przyrządy, w których dużą selektywność uzyskuje się przez stosowanie różnych rodzajów detektorów (wykonanych z różnych materiałów) i filtrów. Detekcja optyczna. Około 40% energii spalania emitowana jest w postaci promieniowania optycznego, dlatego czujniki tego typu promieniowania są ważnym elementem przyrządów detekcji płomienia. Wyróżnić można cztery zakresy promieniowania wykorzystywane przy detekcji: 1. UV. Ze względu na promieniowanie tła pochodzącego ze słońca, wykorzystywane są długości fali mniejsze od 280 nm. Źródłem zakłóceń pracy detektorów pracujących w tym paśmie może arytmia pracy słońca, lub dziura ozonowa, a także sztuczne źródła promieniowania UV. 2. Widzialne. Zakres promieniowania widzialnego jest rzadko stosowany. Wykorzystuje się go w inteligentnych systemach potrafiących analizować obraz. 3. IR I (0,9-3,0 µm). Temu zakresowi odpowiada promieniowanie cieplne. Detektory IR są już od dawna rozpowszechnione. Ich podstawową wadą jest czułość na zakłócenia pochodzące z lamp, grzejników i skupionych promieni słonecznych. 4. IR II (4,3-4,5 µm). W tym paśmie detekowane jest przede wszystkim promieniowanie pochodzące ze spalania CO 2. Mateusz Wośko 18 / 22

19 Aby zminimalizować wpływ czynników zakłócających, stosuje się detektory dwuzakresowe UV/IR oraz IR I/ IR II. Ważnym parametrem detektorów jest ich czułość i kierunkowość. Większość komercyjnych produktów poprawnie wykrywa płomień w odległości do ok. 100m. Ma to szczególne znaczenie w przypadku detektorów IR, gdzie np. przedmiot o powierzchni cm 2 o temperaturze 1000 C oddalony o 15 m emituje promieniowanie o gęstości energii takiej, jak ten sam przedmiot o temp. 430 C w odległości 5m od detektora. Należy zwracać na to uwagę przy projektowaniu systemu, tak by minimalizować wpływ czynników zakłócających (płomień spawalniczy, promieniowanie X) od sztucznych źródeł. Przykład projektu systemu detekcji płomieni proponowanego przez jedną z firm, przedstawiono na Rysunek 32. Konkretne rozwiązanie zależne jest od lokalizacji oraz przewidywanego źródła płomienia. Rysunek 32. Przykładowy sposób lokalizacji detektorów.[20] Kolejnym ważnym parametrem charakteryzującym detektor są dopuszczalne warunki pracy. Dotyczy to głównie maksymalnej temperatury. Większość dostępnych przyrządów pracuje w zakresie od 40 do 80 C. Spotykane są również detektory mogące pracować przez ustalony czas (do kilkudziesięciu sekund) w podwyższonej temperaturze do kilkuset stopni. Znajdują zastosowanie tam, gdzie detektor jest bezpośrednio narażony na działanie płomienia (wysokiej temperatury) lub tam gdzie występuje niebezpieczeństwo gwałtownego wybuchu. Dlatego na obudowy stosuje się przede wszystkim stal i aluminium. Dużą rolę w detektorach odgrywa układ wzmacniacza i przetwarzania sygnału. Ponieważ zazwyczaj sygnał wyjściowy może nie przekraczać na, a nawet pa, konieczne jest stosowanie układów bardzo czułych i odpornych na czynniki zewnętrzne. Mateusz Wośko 19 / 22

20 Detektor płomienia. W tej części opracowania zaprezentowany zostanie detektor płomienia. W odróżnieniu od wcześniej prezentowanych konstrukcji, projektowany były z myślą o zastosowaniu w detektorach płomienia. Jeden z detektorów zaprezentowano w pracy [21]. Jego strukturę schematycznie przedstawiono na Rysunek 33. Rysunek 33. Schemat konstrukcji detektora p-i-n. Powierzchnia czynna 2mm 2 [21] Na podłożu szafirowym naniesiono warstwę bufora AlN o grubości 20nm, następnie 1µm niedomieszkowanego GaN oraz drugą warstwę bufora AlN. Warstwę czynną stanowiło n-al 0,44 Ga 0,56 N:Si (1µm), i- Al 0,44 Ga 0,56 N oraz p-gan:mg (100nm). Aktywacja magnezu prowadzona była w temperaturze 900 C przez 5min. Strukturę MESA utworzono przez suche trawienie plazmowe. Dwuwarstwę metalizacji nanoszono w procesie rozpylania, następnie poddano ją wygrzewaniu w temperaturze 900 C przez 40s. Spektralną charakterystykę czułości przedstawia Rysunek 34. Długość fali odcięcia wyniosła 275nm, a maksimum czułości przypadło na 270nm (12mW/A). Opisywany detektor odznaczał się bardzo małym prądem ciemnym poniżej 10nA przy napięciu 5V. Charakterystykę prądowo-napięciową przedstawiono na Rysunek 35. Rysunek 34. Charakterystyka spektralna fotodiody p-i-n. [21] Mateusz Wośko 20 / 22

21 Rysunek 35. Charakterystyka U-I fotodetektora: złącze nieoświetlone (a) i oświetlone falą o długości 254nm (b). [21] Detektor zachował liniową zależność fotoprądu od mocy optycznej w zakresie W/cm 2 (Rysunek 36). Stała czasowa wyniosła ok. 14µs. Wpływ promieniowania tła na szybkość odpowiedzi detektora i prąd wyjściowy przedstawia Rysunek 37. Rysunek 36. Zależność fotoprądu od mocy promieniowania. [21] Rysunek 37. Wpływ promieniowania tła (słońca) na odpowiedź detektora. [21] Mateusz Wośko 21 / 22

22 [1] G. Parish, Growth and Characterization of Aluminum Gallium Nitride/Gallium Nitride Ultraviolet Detectors. Dissertation - March (źródło: [2] E. Munoz i in., III nitrides and UV detection, Journal of Physic: Condensed Matter 13 (2001), str [3] Hadis Morkoc, GaN-Based Modulation Doped FETs and UV Detectors. (źródło: [4] E. Munoz i in., III nitrides and UV detection, Journal of Physic: Condensed Matter 13 (2001), str Monroy E, Calle F, Garrido J A, Youinou P, Mu noz E, Omn`es F, Beaumont B and Gibart P 1999 Semicond. Sci.Technol [5] E. Munoz i in., III nitrides and UV detection, Journal of Physic: Condensed Matter 13 (2001), str Monroy E i in., Semicond. Sci.Technol [6] E. Munoz i in., III nitrides and UV detection, Journal of Physic: Condensed Matter 13 (2001), str Monroy E i in., Electron. Mater [7] E. Monroy i in., Characterization and Modeling of Photoconductive GaN Ultraviolet Detectors, (źródło: [8].I Ferguson i in., GaN and AlGaN metal semiconductor metal photodetectors, Materials Science and Engineering B50 (1997) [9] P. Chow i in., Group III- nitride materials for ultraviolet detection applications, Paper for presentation at SPIE optoelectronics 2000, January [10] N. Biyikli i in., High-speed visible-blind GaN-based indium tin oxide Schottky photodiodes, App. Phys. Letters, Vol. 79 Nr 17. [11] E. Munoz i in., III nitrides and UV detection, Journal of Physic: Condensed Matter 13 (2001), str Omn`es F, Marenco N, Beaumont B, Mierry Ph De, Monroy E, Calle F, 1999 J. Appl. Phys [12] E. Monroy i in., 1999 Appl. Phys. Lett [13] E. Monroy i in., High- performance GaN p-n juncton photodetectors for ultraviolet applications, Semicond. Sci. Technol. 13 (1998). [14] S. Krishnankutty i in., Fabrication and Characterization of GaN/AlGaN Ultraviolet-Band Heterojunction Photodiodes, (źródło: [15] O. Ambacher, Growth and applications of GroupIII-nitrides, J. Phys. D:Appl. Phys. 31 (1998) 16 J.D. Brown i in., Solar-Blind AlGaN Heterostructure Photodiodes, (źródło: [17] J.D. Brown i in., Visible-Blind UV Digital Camera Based On a 32 x 32 Array of GaN/AlGaN p-i-n Photodiodes, (źródło: [18] E. Monroy i in., 2000 Electron. Lett [19] Ultra Violet Photodetectors, materiały reklamowe Boston Electronics Corporation (źródło: [20] A Guide toselecting the Right Flame Detector, katalog firmowy (źródło: [21] A. Hirano i in., Sola- Blind AlGaN PIN Hetero Junction Photodiode, Proc. Int. Workshop on Nitride Semiconductors IPAP Conf. Series 1 pp Mateusz Wośko 22 / 22