Opto diode多层滤光薄膜在17-150 ?波段的硅光电二极管的特性表征描述

时间：2023-10-10

JF Seely，RS Korde，J Wise对采用薄膜沉积从而具有多层薄膜滤光片的硅光电二极管探测器使用同步辐射进行了表征描述。Opto diode多层膜结构有金属薄膜和其他材料组成，被设计用于提供波长带通在17到150埃的波长范围（较紫外），实际测量的薄膜透过率和计算的理论透过率具有良好的一致性。建模考虑了多层薄膜的透过率和在硅基底的底层的辐射能量的沉积，用下述衬底材料制成的探测器也进行了表征描述：Fe/Al（17-30 Å），Mn/Al（19-30 Å），V/Al（24-35 Å），Ti/C（27-40 Å），Pd/Ti（27-50 Å），Ti/Zr/Al（27-50 Å），Ag/CaF2/Al（36-50 Å），Ti/Mo/C（50-150 Å）。

Opto diode具有薄金属涂层/薄膜滤光片的硅光电二极管探测器已被发展用于在较紫外线和软X射线光谱区域提供波长带通。带通基本上是由涂层的透射率决定的。在芯片级的光电二极管制造过程中，涂层沉积在光电二极管的表面上。这种薄膜沉积方法保留了光电二极管检测器的低噪声水平，同时提供了一个强大的过滤器，优于脆弱的独立过滤器。涂层光电二极管的灵敏度稳定性主要取决于层材料的相互扩散和再分配、表面污染、氧化和其他可能的化学效应方面的稳定性。

Opto diode镀涂层光电二极管探测器先前是使用同步辐射和线发射源精确校准的。用带有3000铝涂层的光电二极管探测器测量了从170到600 Å的铝吸收边的带通波段的**太阳光通量。用带铍涂层的光电二极管测量激光产生的等离子体在111至400 Å波长范围内的**辐射。

本文研究了在17-150 Å波段建立波长带的多层膜光电二极管探测器的特性。多层涂层为:Fe/Al，Mn/Al，V/Al，Ti/C，Pd/Ti，Ti/Zr/Al，Ag/CaF₂/Al和Ti/Mo/C。每个镀膜光电二极管的灵敏度依据相同的，但没有镀膜的光电二极管测量。测量结果实质上是多层薄膜的透过率，它确定了镀膜光电二极管探测器的波长带通范围。

多数薄膜滤光片由加州Goleta的Lebow公司负责，薄膜沉积在硅光电二极管晶片上，除了Ti/Mo/C涂层由加州圣克拉拉科学镀膜实验室。设计特定的薄膜材料和厚度以提供17-150Å波长范围内的带通，对可见光产生良好的阻隔性。光电二极管类型为AXUV-100G（10x10 mm²敏感面积）或AXUV-96G（6x16mm²敏感面积）。这些光电二极管具有可忽略不计的表面复合损失，薄的（60Å）氧化硅失效层和提供稳定层的热氮化处理。对于小于约300Å，已经为未涂覆的光电二极管开发了一种自校准模型，该模型不依赖于校准标准的使用。紫外探测二极管的效率由光电二极管的光学特性决定，硅探测器电子-空穴对产生能量。

测量技术

测量使用美国国家航空航天局的海军研究实验室的光束X24C进行的同步加速器光源，布鲁克黑文国家实验室。同步辐射由功率约为600的双元件单色仪分散。通过单色仪的几何形状和光束滤波器的吸收边缘确定了波长尺度。入射光在同步加速器的平面中的电场矢量较化大约90%。紫外探测二极管电流通过Keithley 617型精密静电计进行了记录。

使用两种不同的单色仪配置对镀膜的紫外探测二极管进行了表征。**组表1中列出的光电二极管，使用单色器中的两个2400凹槽/mm光栅进行表征。表2中列出的*二组光电二极管使用一个金镜和一个600凹槽/mm光栅进行了表征。在后一种情况下，使用额外的滤波器来阻挡来自单色器的更高次谐波辐射。使用透射光栅对单色仪在这两种情况下的高次谐波辐射程度进行了表征，并发现高次谐波辐射可忽略不计。

对于每一次测量透过率，二极管的阴极接地，待测电流由静电计从与地电隔离的光电二极管阳极记录。表1所列的是在各种可见光照明条件下测量的光电二极管电流。在室内的照明情况下（c列），未镀膜和已镀膜的光电二极管的电流为正向电流。镀膜的光电二极管中的电流是比未镀膜的光电二极管的电流小10⁵。对于真空中情况，当真空室内的窗口端口被可见光照射时，未镀膜和镀膜的光电二极管的电流（d列）是正向的，数值很低是因为较弱照明。

来自单色仪的光束尺寸约为2x2 m²，每个光电二极管的位置使得光束入射到光电二极管敏感区域的中心。表1中的e列展出了测量电流，当光电二极管被单色仪的零衍射级光束照射时测量波长>1100 Å。镀膜的光电二极管的电流为负，在-4.4 pA至-35.0 pA的范围内。相比之下，暗电流是正的，在0.5pA到1.2pA的范围内镀膜光电二极管在真空中被零阶单色仪光束照射，这归因于由金属涂层表面附近的辐射吸收产生的光电子

左图中（a）为未镀膜的探测器的电流；（b）Fe/Al,（c）Mn/Al,（d）V/Al,（e）Ti/C,（f）Pd/Ti分别为镀膜的探测器的透过率。数据点为测量值，曲线为计算值。右图中（a）为未镀膜的探测器的检测电流。（b）Ti/Zr/Al和(c)Ag/CaF2/Al是镀响应薄膜的透过率实测值和理论值。

结论

用同步加速器辐射测量了在17-150Å波长区域的Opto diode硅光电二极管上金属涂层的有效透射率。基于所列的光学常数对有效透射率的建模，发现必须对预期的层厚度进行小的调整才能获得良好的与测量透射率一致。此外，对于一些镀膜的光电二极管，观察到的光谱特征和建模表明氧化和碳混入程度较小但显著。总的来说，这项工作表明，在硅光电二极管上设计和沉积金属涂层是可能的具有17-150Å波长区域中的带通。透射率带通设计的精度将随着获得关于层材料的稳定性的经验而得到改进。这可能设计和制造用作罗斯滤波器组的涂层光电二极管，其中通过减去具有不同涂层的光电二极管以隔离窄波长带通中的信号兴趣16对具有更长波长（高达1200A）带通的涂层光电二极管的类似研究正在进行中。那些涂层光电二极管将被部署在下一系列GOES航天器上，以记录**太阳x射线通量由独立传输光栅分散

参考文献：

Seely J F , Korde R S , Wise J . Characterization of silicon photodiode detectors with multilayer filter coatings for 17 to 150 A[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 1999, 3764.

18926463275

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