Detektoren zur hochempfindlichen Messung von UV-C-Strahlung

UV-Strahlung aus UV-Lampen, UV-Leuchtdioden und Excimer-Lasern wird in Bereichen wie der Lithographie und Drucktechnik, in der Medizin und zur Desinfektion eingesetzt. Bei den meisten derartigen Anwendungen ist es notwendig, die Leistung in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu überwachen. Am FBH entwickelte AlGaN-Photodetektoren (PD) für UV-C-Strahlung erreichen dabei auf üblichen planaren Saphir-Substraten eine externe Quantenausbeute (EQE) von 60 %. Die Defektdichte in diesen stark fehlangepassten Schichten ist sehr hoch. Gelingt es diese Defekte zu verringern, verspricht dies längere Ladungsträgerlebensdauern und damit eine höhere EQE. Für UV-LEDs haben wir mit epitaktischem lateralem Überwachsen (ELO) deutlich höhere Quantenausbeuten erzielt. Diesen Ansatz haben wir auf UV-PD übertragen und damit interessante Effekte und vielversprechende Bauelementeigenschaften erzielt.

Dabei werden in AlN/Saphir-Schichten zunächst Streifen geätzt. Auf diesen strukturierten Unterlagen werden dann einige µm AlN abgeschieden, bis sich eine geschlossene Schicht ergibt. Darauf folgt eine 1,5 µm dicke Absorberschicht aus Al_0.4Ga_0.6N – diese ist in Abb. 1 auf einer elektronenmikroskopischen Aufnahme sowie monochromatischen Bildern der entstehenden Lumineszenz zu sehen. Aufgrund von Wachstumsfacetten an Stufen kommt es zu einer Zusammensetzungsmodulation mit einem höheren GaN-Anteil an den Kanten der Dreiecke.

Auf diesen Schichten wurden MSM (metal-semiconductor-metal) PD mit Fingern aus Pt/Ti/Au-Schottky-Kontakten mit unterschiedlichen Fingerabständen d_F und Fingern parallel zu den geätzten ELO-Streifen (ELO-P) bzw. senkrecht dazu (ELO-O) hergestellt (Abb. 2). Auf planaren Substraten werden Dunkelströme im Bereich von pA und Ströme unter Beleuchtung von nA gemessen. ELO-P-PD, bei denen die Ladungsträger zwischen den Fingern Bereiche mit unterschiedlicher Zusammensetzung durchqueren müssen, verhalten sich sehr ähnlich. ELO-O-PD, bei denen die Ladungsträger entlang der Streifen fließen, zeigen dagegen einen steilen Anstieg des Photostroms für Spannungen oberhalb von 3 V. Das Signal solcher PD steigt über den gesamten Detektionsbereich mit steigender Spannung an; bei 30 V wird eine EQE von 77 erreicht - und damit eine Verbesserung um zwei Größenordnungen. Trotz dieses hohen Gewinns zeigen die Detektoren keine Anzeichen von PPC (persistent photoconductivity). Im Bereich der Sättigung des Gewinns oberhalb von 15 V ist der Photostrom linear zur Beleuchtungsstärke (Abb. 3) und bei ausreichend hohem Fingerabstand d_F von 15 µm bleibt der Dunkelstrom unterhalb von 200 pA.

Somit sind diese MSM-Photodetektoren auf ELO-Unterlage mit der richtigen Orientierung der Finger senkrecht zu den ELO-Streifen und optimiertem Fingerabstand für Messanwendungen geeignet, die eine hohe Empfindlichkeit bei linearem Verhalten und Dunkelströmen im pA-Bereich erfordern.

Die AlGaN-Photodetektoren werden im Rahmen des vom BMBF geförderten Regionalen Wachstumskerns BerlinWideBaSe gefördert (03WKBT02C).

Publikationen:

V. Kueller, A. Knauer, C. Reich, A. Mogilatenko, M. Weyers, J. Stellmach, T. Wernicke, M. Kneissl, Z. Yang, C. L. Chua, N. M. Johnson, "Modulated Epitaxial Lateral Overgrowth of AlN for Efficient UV LEDs", IEEE Photonics Technol. Lett. 24 (2012) 1603.

A. Knigge, M. Brendel, F. Brunner, S. Einfeldt, A. Knauer, V. Kueller, M. Weyers, "AlGaN photodetectors for the UV-C spectral region on planar and epitaxial laterally overgrown AlN/sapphire templates", Phys. Status Solidi C, 1–4 (2012) / DOI 10.1002/pssc.201200636.

A. Knigge, M. Brendel, F. Brunner, S. Einfeldt, A. Knauer, V. Kueller, U. Zeimer, M. Weyers, "AlGaN MSM Photodetectors on Planar and Epitaxial Laterally Overgrown AlN/Sapphire Templates for the UV-C Spectral Region", accepted for publication in Jpn. J. Appl. Phys.

FBH-Forschung: 22.01.2013