EUV硅光电二极管和较紫外光电二极管的温度和偏振性能

时间：2023-10-27

使用National Synchrotron Light Source的光束线X24C测量EUV硅光电二极管（AXUV100型）的性能特性，在-92°C+41°C的温度范围内、3.0nm-88.2nm的波长范围内，测量了二极管的灵敏度。这项工作可以更好的理解比室温更冷或更热的环境中的二极管灵敏度变化，例如在航天器上或在强烈的同步加速器或激光照射下。此外，还测量了具有多层干涉涂层的AVU100二极管的灵敏度与入射辐射偏振和入射角的关系。设计了Mo/Si多层涂层，当工作在45°入射角时，选择性地传输Pl偏振辐射，以供底层二极管检测，并有效地反射S偏振。结果表明，在以13.5nm为中心的多层反射率剖面内，可以准确测量辐射偏振。通过优化多层涂层的透射率和反射率剖面，以达到所需的波长范围和入射角，这种新的多层涂层较紫外光电二极管技术可以用于测量来自太阳、天体物理、同步加速器或较紫外和软x射线波长上的入射辐射的偏振。

EUV硅光电二极管响应度的温度依赖性

在-92°C到+41°C范围内，测量AXUV100硅光电二极管的响应度随温度的变化。Optodiode光电二极管安装在热台上，光电二极管的表面垂直于入射同步辐射光束(National Synchrotron Light Source光束线X24C)。在8种固定温度下，分别在3.0nm、5.0nm、9.2nm、13.9nm、18.0nm、26.3nm、56.8nm和88.2nm为中心的8个狭窄波长区间内扫描入射辐射的波长。研究发现，响应度的变化，以每摄氏度变化百分比为单位，在波长间隔内近似恒定。如图1所示，响应度随波长间隔的不同而变化，误差表示每个波长间隔内响应度的变化。在两个较长的波长(56.8nm和88.2nm)，入射辐射强度较弱，这导致了较大的误差。从图1可以看出，响应度随温度的变化为正，且随波长的增加有增大的趋势。利用较小二乘技术对数据点拟合出平滑曲线，有几个数据点明显偏离曲线，这表明，响应度的变化可能取决于其他因素，而不仅仅是波长。响应度的变化依赖于光子能量沉积在光电二极管中的深度，使用其它参考文献中描述的计算模型进行了研究，该模型基于较紫外光电二极管层的光学特性，计算了复菲涅耳系数和能量衰减作为进入光电二极管深度的函数。通过测量的AXUV100光电二极管的响应度进行比较，确定在6nm厚的SiO2表面层中电荷收集效率为15%，在底层硅中*增加到**。

图2所示为计算出的体积响应度(VR)，即每单位体积产生的电流之比以及单位面积入射表面的辐射功率，单位为A/Wμm。对于两个较长的波长(88.2nm和56.8nm)时，SiO2表面层吸收相对较强，且在在表面层以下，随深度的增加而*减小。在9.2nm波长处，比在12.4nm处Si衰减边缘，此处Si具有吸收性，在其下方的硅区域，VR相对较高SiO2表面层，在两个较短的波长(3.0nm和5.0nm)， SiO2和Si具有透射性，VR随着深度的增加而缓慢下降。

在8个波长中，利用体积响应率VR作为加权因子计算了光子能量沉积的平均深度，响应度随能量沉积深度的变化，如图3中所示。图3中的曲线1拟合了这些数据点，该曲线是响应度随深度变化的初始表示。正如预期的那样，较长的波长88.2nm和56.8nm以及Si，L衰减边缘以下的9.2nm波长具有较小的平均光子吸收深度。相对透射的13.9nm和18.0nm波长具有较大的平均能量沉积深度，5.0/56.8nm和3.0/26.3nm这两对波长具有相似的平均能量沉积深度。由于对生成能量与EUV区域的波长无关，因此每对波长的响应度值都有类似的变化。然而，从图3中的平方数据点可以看出，每对中较长波长处的响应度变化**每对中相应较短波长处的响应度变化。这是因为，虽然两个波长具有几乎相同的VR平均能量沉积深度，但较长的波长能量更多地沉积在响应度变化较大的SiO2表面层，而较短的波长能量更多地沉积在响应度变化较小的器件深处。因此，响应度的变化是通过使用与平方数据点拟合的曲线1和VR作为权重因子来计算的。通过VR加权得到的响应度平均变化由图3中的三角形数据点和拟合曲线#2显示。5.0/56.8nm和3.0/26.3nm波长对之间的差异被降低到不显著的水平。图3中的曲线#2，即较终推断的响应度变化，表明在6nm的SiO2表面层，响应度变化相对较高(高达0.12% /C)，在深度大于200nm时，响应度变化*下降至恒定值0.02% /C。还测定了一种SXUV100型光电二极管的响应度的变化，发现在靠近表面的地方响应度较小。Optodiode光电二极管表面响应度的快速变化似乎与表面处理有关。响应度随温度的正变化可能是由于电荷载流子扩散增加导致耗散区域随温度的扩大。

多层涂层较紫外光电二极管的偏振性能：

用于测量EUV辐射偏振的标准技术是通过检测从具有单一不透明层(如金)或多层涂层的镜子上以45°角反射的偏振分量。EUV反射率对镜面表面的污染或氧化很敏感。一种新开发的偏振测量技术是在硅光电二极管上沉积多层干涉涂层，并选择性地检测通过多层涂层传输到底层光电二极管的偏振分量。技术的优点是涂层的透光率对表面条件相对不敏感，并且该设备是单片的，具有集成的探测器和偏振元件。

多层透射式偏振计由沉积在硅光电二极管表面的多层涂层组成。**个装置在AXUV100光电二极管上实现了Mo/Si涂层通过计算设计，该涂层可以选择性地以45°入射角发射13.5nm波长辐射的p偏振分量，并有效地反射s偏振入射辐射。该涂层在劳伦斯利弗莫尔国家实验室通过直流磁控溅射沉积。该多层膜在Mo-on-Si界面处添加了薄层B4C阻挡层，增强了涂层的反射率和稳定性。在NSLS X24C光束线上，用偏振单色同步辐射测量了多层涂层器件的性能。

考虑入射辐射光束的偏振后，Optodiode光电二极管上多层涂层的透射率和反射率如图4所示。在入射角为45°、波长为13.5nm波长时，S较化值和P较化值的反差较大，分别为Tp-8.4%、Ts-0.2%、Rp-2.4%和R_S69.9%。因此P偏振被选择性地透射，S偏振被主要反射。透射较化性能定义为Pr-(Ts-Tp)/(Ts+Tp)。从图5可以看出，在13.5nm波长附近0.75nm宽的工作窗口内，Pr的值为-0.95 (Pr的负值是一种符号约定)。在更宽的波长范围内，PR值**过+0.80，其较大值基本上为+1.0。这说明了多层偏振计器件可以实现的高偏振性能。

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