Hochwertige Diamanten ermöglichen eine schmalbandige Photodetektion im tiefen Ultraviolett

A neue Veröffentlichung In Optoelektronische Wissenschaft berichtet, wie hochwertige Diamanten die schmalbandige Fotodetektion im tiefen Ultraviolett ermöglichen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Breitbanddetektoren haben Schmalbanddetektoren aufgrund ihrer präzisen spektralen Auflösungsfähigkeit einen größeren Bedarf für Anwendungen in verschiedenen industriellen und hochmodernen wissenschaftlichen Forschungsbereichen.

Typischerweise gibt es zwei Methoden, um eine Schmalbanddetektion bei bestimmten Wellenlängen zu erreichen. Die erste Methode besteht darin, einen Breitband-Fotodetektor mit Bandpassfiltern zu kombinieren. Dies ist ein einfacher und effektiver Ansatz, der jedoch durch die Verfügbarkeit von Filtern für bestimmte Wellenlängenbänder begrenzt ist.

Die zweite Methode besteht darin, Halbleiterstrukturen zu entwerfen, um intrinsische Schmalband-Fotodetektoren zu schaffen, ohne dass Filter erforderlich sind. Dieser Ansatz reduziert die Komplexität des Detektionssystems im Vergleich zur ersten Methode und gewährleistet eine gute Detektions-/Bildqualität, stellt jedoch höhere Anforderungen an das Design von Materialien und Geräten.

Intrinsische Schmalband-Fotodetektoren ohne Filter erfreuen sich in verschiedenen industriellen und wissenschaftlichen Forschungsbereichen immer größerer Beliebtheit und wurden in den letzten Jahren erfolgreich im sichtbaren und infraroten Spektralbereich eingesetzt. Allerdings gibt es nur wenige Berichte über Schmalband-Fotodetektoren im tiefen Ultraviolett-Wellenlängenbereich (DUV), der in Bereichen wie optischer Kommunikation, Umweltüberwachung, Fotolithographie und Weltraumforschung stark nachgefragt wird.

Diamant besitzt als Halbleiter mit extrem großer Bandlücke außergewöhnliche physikalische und chemische Eigenschaften, was ihn zu einem idealen Material für die Photodetektion im tiefen Ultraviolett macht. Während die Erhöhung der Probendicke eine gängige Methode zur Verringerung der Ladungssammlung in anderen Materialien ist, ist sie für Diamant nicht geeignet.

Die meisten Fotodetektoren, die auf dickem einkristallinem Diamant basieren, zeigen aufgrund der hohen Ladungsträgermobilität im Diamant und der Ladungsträgereinfangeffekte breitbandige Reaktionen. Daher ist ein weiterer kritischer Parameter für die Abstimmung der spektralen Reaktion die Trägerlebensdauer, die als wesentlich für die Erzielung einer schmalbandigen Photodetektion angesehen wird. Eine detaillierte Analyse der optischen und elektrischen Eigenschaften von Diamant ist entscheidend für eine präzise Fotomanipulation.

Die drei verschiedenen einkristallinen Diamanten, die in dem Artikel untersucht werden, werden Diamant A, Diamant B und Diamant C genannt, wobei ihre Versetzungsdichten sequentiell zunehmen. Interessanterweise weisen auf Diamant A, B und C basierende Geräte deutlich unterschiedliche Formen in ihren externen Quanteneffizienzspektren (EQE) auf, mit Werten für die Halbwertsbreite (FWHM) von 8 nm, 31 nm bzw. 52 nm.

Auf Diamant A basierende Geräte, die sich durch eine geringe Versetzungsdichte auszeichnen, zeigen eine extrem schmalbandige Reaktion mit einem Peak, der bei etwa 228 nm zentriert ist. Diese Geräte zeichnen sich durch einen außergewöhnlich niedrigen Dunkelstrom, eine hohe Detektivität (1013 Jones) und einen großen linearen Dynamikbereich (LDR ~ 118 dB) aus.

Abbildung 1(a) veranschaulicht die wichtigsten physikalischen Prozesse, die während der Photodetektion in Diamant A ablaufen, einschließlich optischer Anregung, Trägerrelaxation, Strahlungsrekombination und Photoleitfähigkeit unter einem elektrischen Feld. Abbildung 1(b) zeigt das Absorptionsspektrum von Diamant A und bestätigt seine geringe Dichte an Defektzuständen. Durch die Analyse des Differenzspektrums im Einschub wird die Bandlücke von Diamant A auf etwa 5,486 eV berechnet (mit einer Exzitonenbindungsenergie von ~80 meV).

Abbildung 1(c) zeigt das Photolumineszenzspektrum (PL) von Diamant A, angeregt durch einen 193-nm-Puls, wobei eine außergewöhnlich starke Emission freier Exzitonen beobachtet wird, was darauf hinweist, dass die Exzitonenemission der primäre Rekombinationsprozess unter optischer Anregung ist.

Der hergestellte Schmalbanddetektor kann für die Bildgebung zur Unterscheidung verschiedener Lichtquellen verwendet werden. Abbildung 2(a) zeigt ein optisches Foto einer 222-nm-Excimerlampe. Abbildung 2(b) zeigt eine klare Abbildung des Geräts mit einer Lichtquelle (65×22 Pixel). Das Emissionsspektrum der Excimer-Lampe und die EQE des Geräts sind in Abbildung 2(c) mit überlappenden Bereichen dargestellt.

Es ist erwiesen, dass die 222-nm-Bestrahlung für den menschlichen Körper ungefährlich ist und sich daher für die Oberflächendesinfektion und Strahlentherapie eignet. Die Forschung im Zusammenhang mit der Niederdruck-Quecksilberlampe ist in Abbildung 1(de) dargestellt, einschließlich optischer Fotografien und entsprechender Abbildungen.

Die Spektrallinien dieser Niederdruck-Quecksilberlampe bestehen hauptsächlich aus 185 nm, 194 nm und 254 nm (Abbildung 2).[f]), wobei die ersten beiden Ozon in der Luft erzeugen, was eine Gefahr für die Gesundheit darstellt, und der letzte, der irreversible Schäden an menschlicher Haut und Augen verursacht. Es wird häufig zur keimtötenden Desinfektion von Innenräumen verwendet. Aufgrund der nur geringen Überlappung dieser Spektrallinien mit der EQE kann die Quecksilberlampe nicht abgebildet werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der hergestellte Schmalbanddetektor effektiv zwischen den beiden ultravioletten Lichtquellen unterscheiden kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der gemeldete Diamond A-basierte Fotodetektor die bisher kürzeste Detektionswellenlänge und den schmalsten EQE-Peak aufweist. Seine potenziellen Anwendungen wurden durch vorläufige Bildgebung demonstriert. In Zukunft kann die praktische Leistung dieses Detektors durch die Herstellung von Array-Geräten und die Optimierung der Gerätestruktur weiter verbessert werden. Andererseits unterscheidet sich Diamant A durch seine schmalbandige Reaktion von anderen Diamanten, was darauf hindeutet, dass die Prüfung der spektralen Reaktion von Diamanten eine praktikable Methode zur Beurteilung ihrer Qualität ist.