Es ist wichtig, die UV-Bestrahlung des menschlichen Körpers zu kontrollieren und nötigenfalls zu beschränken. Kleine handliche Detektoren, die nur in diesem Spektralbereich empfindlich sind, würden dem Einzelnen eine Möglichkeit geben, jederzeit über die
momentane UV-Strahlenbelastung informiert zu sein. Weitere Anwendungen für UV-Detektoren sind denkbar zur Umweltanalyse oder auch in unwirtlichen Umgebungen, wie zur Überwachung von Verbrennungsprozessen, bei denen immer UV-Emission auftritt, die aus der Emission von Verbrennungsprodukten (z.B. Stickstoff) stammt. Diese sind abhängig von der Temperatur. Durch die selektive
Überwachung der UV-Emission ließe sich eine Verbrennung schadstoffarm regeln.
UV-Halbleiterdetektoren bieten die Möglichkeit, die Größe optischer Bauteile zu verringern.
Bisher wurden zur Detektion von UV-Strahlung Siliziumdetektoren mit vorgeschalteten Filtern verwendet, ein hoher Dunkelstrom und die Schwächung der Strahlung durch die Filter machen diese Detektoren aber sehr uneffektiv und oft ist eine Kühlung des Halbleiters
notwendig. Andere Detektoren sind Photomultiplier, aber auch diese benötigen Filter und immer Kühlung. Als vielversprechendes Material wird auch Galliumnitrid genannt, dessen Cut-off jedoch bei 365 nm liegt, wodurch man einen Teil des UV-A-Spektrums nicht
detektieren kann. Mittels Molekularstrahlepitaxie ist es in Würzburg gelungen, lichtemittierende Halbleiterbauelemente aus Beryllium-Chalkogeniden herzustellen [23] mit Bandlücken, die an der Grenze zwischen sichtbarem und ultraviolettem Licht liegen. In dieser Arbeit wird daher versucht, aus diesem Material p-i-n Photodetektoren herzustellen. Dazu wird im 1. und
2. Kapitel die dazu nötige Theorie beschrieben sowie die praktischen Grundlagen vermittelt. Im 3. Kapitel werden dann alle Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefaßt und erörtert.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1. Theorie der p-i-n Diode
1.1. Halbleiterdiode, Photodiode, oder Photodetektor
1.1.1. Quantenwirkungsgrad - Responsivität
1.1.2. Die p-i-n Photodiode
1.1.3. Anforderungen für Detektor-Bauelemente
1.2. Materialsysteme
1.2.1. Substrate
1.2.2. BeTe-Puffer, BeTe-Barriere
1.2.3. Aktive Schichten: BeMgZnSe und BeZnSe
1.2.4. Der Metall-Halbleiter-Übergang
2. Experimente
2.1. MBE - p-i-n - Wachstum
2.2. Technologie - Photolithographie
2.3. Charakterisierung
2.3.1. Defektätzen
2.3.2. HR-XRD – Hochauflösende Röntgendiffraktometrie
2.3.3. Photolumineszenz
2.3.4. Strom-Spannungs-Kennlinien
2.3.5. Ermittlung der Quanteneffizienz
3. Ergebnisse
3.1. Detektoren im Sichtbaren
3.1.1. CB1001: 64 % Quanteneffizienz
3.1.2. CB1081
3.1.3. CB987: ITO statt n-BeMgZnSe
3.1.4. Supergitter - Dioden
3.1.5. Defekte
3.2. Solar Blind Detektoren
3.2.1. CB1176: UV-Detektor
3.2.2. CB1105
3.2.3. CB1065 und CB1114
3.2.4. Defekte
3.3. Dioden auf Silizium
3.3.1. Strukturelle Qualität
3.3.2. Strom-Spannungs-Kennlinien
3.4. Vergleichende Betrachtungen
3.4.1. Quanteneffizienz und Stromdichte
3.4.2. Quanteneffizienz und Gitteranpassung
3.4.3. Kommerzielle Si- und GaN-Detektoren
3.5. Anwendungen: UV-Bestrahlung
3.6. Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Charakterisierung von p-i-n-Photodetektoren auf Basis von Be-Chalkogeniden (BeMgZnSe). Das primäre Ziel ist die Herstellung effizienter UV-Detektoren, die im sogenannten "Solar Blind"-Bereich arbeiten, um selektiv ultraviolette Strahlung bei gleichzeitigem Ausschluss sichtbaren Lichts zu detektieren.
- Herstellung und Epitaxie von BeMgZnSe-basierten Halbleiterstrukturen mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE).
- Optimierung der Quanteneffizienz durch präzise Gitteranpassung an GaAs- und Si-Substrate.
- Untersuchung der strukturellen und elektrischen Eigenschaften mittels HR-XRD, Photolumineszenz und Strom-Spannungs-Kennlinien.
- Vergleichende Analyse der Detektor-Performance mit kommerziellen Silizium- und GaN-Detektoren.
- Evaluierung der praktischen Anwendbarkeit der entwickelten Sensoren zur Messung natürlicher und künstlicher UV-Strahlungsquellen.
Auszug aus dem Buch
1.1. Halbleiterdiode, Photodiode, oder Photodetektor
In Halbleiterdioden einfallende Photonen treten mit den Elektronen innerhalb des aktiven Materials in Wechselwirkung und werden dabei absorbiert. Die einfallende Strahlung generiert dabei Ladungsträger, Elektronen und Löcher, die durch das elektrische Feld der p-i-n Diode getrennt werden und dadurch Photostrom erzeugen, der in einem externen Stromkreis ein Signal erzeugt. Halbleiterdioden zeigen eine Wellenlängenabhängigkeit und oft eine Linearität zum einfallenden Photonenfluß.
Eine Photodiode besitzt eine verarmte Zone mit einem hohen elektrischen Feld, das die erzeugten Elektron-Loch-Paare trennt. Diese muß für schnelle Detektion dünn sein, um die Transportzeit zu verkürzen. Für eine hohe Quanteneffizienz, die Zahl der erzeugten Elektron-Loch-Paare pro einfallendem Photon, muß die Verarmungszone jedoch genügend dick sein, um einen ausreichend großen Anteil der einfallenden Strahlung zu absorbieren. Man muß daher einen Kompromiß zwischen Reaktionszeit und Quanteneffizienz finden.
Eine Photodiode kann ohne angelegte (Bias-) Spannung betrieben werden, d.h. sie wird lediglich mit einem Widerstand, gewöhnlich einem Meßgerät, verbunden, ähnlich einer Solarzelle. Gegenüber einer Solarzelle soll eine Photodiode jedoch nur in einem bestimmten Spektralbereich sensitiv sein, Solarzellen dagegen über einen großen Spektralbereich hohe Responsivität besitzen. Außerdem sind Photodioden gegenüber Solarzellen klein - sowohl in ihrer Dicke als auch in ihrer Fläche - um die Kapazität niedrig zu halten. Bei Photodetektoren wird die Quanteneffizienz und die Responsivität als charakteristische Größen angegeben, bei Solarzellen jedoch der Leistungswirkungsgrad, der den Anteil der erzeugten Leistung zur einfallenden Leistung beschreibt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Theorie der p-i-n Diode: Vermittelt die physikalischen Grundlagen der Halbleiterphysik sowie die spezifischen Anforderungen und Materialsysteme für UV-Photodetektoren.
2. Experimente: Beschreibt die angewandten Herstellungsmethoden mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE), die technologische Strukturierung durch Photolithographie sowie die diversen Charakterisierungsverfahren.
3. Ergebnisse: Präsentiert die gewonnenen Daten der hergestellten Photodioden, vergleicht diese hinsichtlich ihrer Quanteneffizienz und strukturellen Qualität und diskutiert Anwendungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Photodetektoren, BeMgZnSe, Molekularstrahlepitaxie, MBE, Quanteneffizienz, Solar Blind, p-i-n Diode, Gitteranpassung, UV-Detektion, Halbleiter, Bandlücke, Photolumineszenz, Strom-Spannungs-Kennlinien, II-VI-Verbindungshalbleiter, Kristallwachstum.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Entwicklung, Herstellung und physikalische Untersuchung von ultraviolettempfindlichen Halbleiter-Photodetektoren aus dem Materialsystem der Beryllium-Chalkogenide.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zentrale Aspekte sind das Kristallwachstum mittels MBE, die Optimierung der strukturellen Gitteranpassung auf Substraten wie GaAs und Silizium sowie die elektrische und optische Charakterisierung der resultierenden p-i-n-Dioden.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Hauptziel bestand darin, "Solar Blind"-Detektoren zu realisieren, die effizient im UV-Bereich arbeiten, während sie für das sichtbare Licht transparent oder unempfindlich bleiben.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Zur Herstellung wird die Molekularstrahlepitaxie (MBE) eingesetzt; zur Charakterisierung kommen unter anderem hochauflösende Röntgendiffraktometrie (HR-XRD), Photolumineszenz-Messungen bei tiefen Temperaturen sowie die Aufnahme von Strom-Spannungs-Kennlinien zum Einsatz.
Welche Inhalte werden im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst sowohl die theoretische Fundierung der p-i-n-Diodenphysik als auch eine detaillierte Auswertung der experimentellen Ergebnisse, unterteilt in Detektoren für den sichtbaren Bereich, Solar Blind Detektoren und Dioden auf Silizium-Basis.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren diese Arbeit am besten?
Zu den prägenden Begriffen zählen Photodetektoren, BeMgZnSe, Molekularstrahlepitaxie (MBE), Quanteneffizienz und Solar Blind UV-Detektion.
Warum ist die Gitteranpassung für die Detektorqualität so entscheidend?
Eine gute Gitteranpassung an das Substrat minimiert die Dichte an Kristalldefekten, was wiederum die Rekombinationsverluste senkt und somit die Quanteneffizienz des Detektors signifikant erhöht.
Was wurde bei den Versuchen mit Silizium-Substraten festgestellt?
Es zeigte sich, dass die Epitaxie von Be-Chalkogeniden auf Silizium zwar prinzipiell möglich ist, jedoch die Prozessierung und Kontaktierung aufgrund der Bildung von isolierenden Schichten (wie SiO2) derzeit noch technologische Schwierigkeiten bereitet.
- Citation du texte
- Johannes M. Sieß (Auteur), 1999, Herstellung und Charakterisierung von Photodioden auf der Basis von BeMgZnSe, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185379
