CC BY
65
УДК 535.232.61: 621.383.522 В.А. Лабусов, Д.О. Селюнин ИАиЭ СО РАН, Новосибирск Р.Г. Галлямов НГУ, Новосибирск И.А. Зарубин НГТУ, Новосибирск
КВАНТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛИНЕЙНЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ В СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ 180-800 НМ
В области атомно-эмиссионного спектрального анализа в настоящее время широко используется средство измерения интенсивности спектральных линий - анализаторы многоканальные атомно-эмиссионного спектра (анализаторы МАЭС), имеющие в своем составе линейки фотодиодов [1, 2]. Одним из параметров линеек, кардинальным образом влияющим на пределы обнаружения элементов, является квантовая эффективность (КЭ), равная отношению числа зарегистрированных фотоэлектронов к числу падающих на фотоячейку фотонов. Для минимизации влияния разброса КЭ фотодиодов линейки на метрологические характеристики анализаторов МАЭС необходимо знать значения и разброс КЭ во всем рабочем спектральном диапазоне (160-1100 нм).
Для измерения КЭ авторами была создана автоматизированная установка, получена расчетная формула и разработана программа управления процессом измерения. Способ определения КЭ линейки фотодиодов основан на сравнении выходных сигналов её фотоячеек с выходным сигналом калиброванного фотодиода (КФ) с известной КЭ. КЭ линейки определялась по формуле
П = кЩк / Цъ
где п - КЭ исследуемой линейки фотодиодов, N - выходной сигнал с линейки фотодиодов, ик - выходной сигнал с калиброванного фотодиода, щк -КЭ калиброванного фотодиода, коэффициент к определяется параметрами линейки фотодиодов и КФ.
Схема установки показана на рис. 1. Осветительная система состояла из двух источников излучения: для области спектра 180-470 нм - лампа ДДС-30, а для 400-800 нм - галогенная лампа накаливания. Двойное разложение излучения в спектр в монохроматоре использовалось для снижения интенсивности рассеянного излучения в коротковолновой области. Он наполнялся очищенным азотом для исключения поглощения излучения в области 180-200 нм воздухом. Фотодиод AXUV-100G был прокалиброван Национальным Институтом Стандартизации и Технологии США. Изменение длины волны и перенаправление монохроматического излучения между КФ и линейкой фотодиодов осуществлялось шаговым приводом. Время измерения КЭ одной линейки фотодиодов составляло 12 мин.
С помощью установки были получены экспериментальные значения КЭ для многих линеек фотодиодов типа БЛПП-369 в диапазоне 180-800 нм. Измерялись значения и степень разброса КЭ разных фотоячеек внутри одной линейки и между линейками. Сравнивались между собой линейки из разных партий, изготовленные при разных технологических маршрутах.
Для примера на рис. 2 показаны типичный график зависимости квантовой эффективности от длины волны излучения для линеек БЛПП-369 (легирующая примесь - мышьяк, покровная пленка - слой SiO2 толщиной 1000 А), а также график КЭ линейки фотодиодов, в покрытии которой имеется слой нитрида кремния. Видно, что при использовании в покрытии фотодиодов нитрида кремния КЭ резко уменьшается в коротковолновой области спектра.
Длина волны, нм
Рис. 2. Графики зависимости квантовой эффективности от длины волны излучения для линеек БЛПП-369 с различными покровными пленками:
1 - один слой БЮг, толщина - 1000 А; 2 - три слоя: БЮг, толщина - 1000А;
813К4, толщина - 1350 А; БЮг, толщина - 0,5 ^ 1,0 мкм
На рис. 3 представлены графики КЭ линеек с разными легирующими элементами. Видно, что линейки, в которых фотоячейки легированы мышьяком, обладают более высокой КЭ в коротковолновой области спектра.
Длина волны,нм
Рис. 3. Зависимость квантовой эффективности от длины волны излучения для линеек БЛПП-369 с разными легирующими элементами 1 - мышьяком; 2 - фосфором
Для сравнения были проведены измерение КЭ нескольких образцов ПЗС-линеек фирмы SONY На рис. 4 представлены графики КЭ ПЗС-линеек 1ЬХ-526 с покрытием и без покрытия люминофором, а также типичный график КЭ линейки БЛПП-369. Нанесение люминофорного покрытия повышает КЭ ПЗС-линеек в коротковолновой области, однако даже с люминофорным покрытием КЭ ПЗС-линеек в области 180 - 360 нм в два раза ниже КЭ линеек БЛПП-369.
При нанесении люминофора амплитуда колебаний значений КЭ значительно уменьшается, поскольку её величина обратно пропорциональна среде, с которой граничит покровный слой ПЗС-линейки. Без люминофорного покрытия этой средой является воздух, при нанесении люминофора этой средой становится собственно люминофор, показатель преломления которого больше показателя преломления воздуха.
В результате проведенной работы удалось экспериментально подтвердить, что путем легирования поверхности полупроводника мышьяком и использования защитных пленок из двуокиси кремния КЭ детекторов существенно повышается (в сравнении с легированием фосфором и
защитной пленкой из нитрида кремния) в области 180-400 нм и достигает значений 30-50 % и более.
Длина волны,нм
Рис. 4. Зависимость квантовой эффективности от длины волны излучения для ПЗС-линеек ILX-526 (1 - без люминофора в покрытии, 2- с люминофором в покрытии) и линейки фотодиодов БЛПП-369(3)
Разброс значений КЭ фотоячеек одной линейки фотодиодов БЛПП-369 составляет не более 10 %, в то время как для линеек из разных партий он достигает 30 %. ПЗС-линейки без люминофорного покрытия нечувствительны к излучению с длинами волн 180-280 нм, нанесение люминофорного покрытия делает возможным использование ПЗС-линеек в этом спектральном интервале, однако их КЭ меньше КЭ линеек фотодиодов более чем в два раза.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Анализаторы МАЭС и их использование в качестве систем регистрации и обработки атомно-эмиссионных спектров/ В.А. Лабусов, В.И. Попов, А.Н. Путьмаков и др. //Аналитика и контроль. - 2005.- Т. 9. - № 2. - С. 110-115.
2. Многоэлементные твердотельные детекторы излучения большого размера для атомно-эмиссионного спектрального анализа / В.А. Лабусов, В.И. Попов, А.В. Бехтерев и др. // Аналитика и контроль. - 2005. -Т. 9. - № 2. - С. 104-109.
© В.А. Лабусов, Д.О. Селюнин, Р.Г. Галлямов, И.А. Зарубин, 2007
