DE1789046B1 - Strahlungsdetektor mit einem halbleiterkoerper mit photo thermomagnetischen effekt - Google Patents

Description

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liegt. Der Strahlungsdetektor hat ferner den Vorteil, die Einschlüsse mit dem Indiumantimonid ein Eutekdaß er bei Zimmertemperatur betrieben werden kann. tikum bilden. Bei gerichteter Kristallisation oder beim Im Hinblick auf die Erzeugung eines großen Zonenschmelzen von Indiumantimonid mit 1,8 Ge-Temperaturgradienten im Halbleiterkristall ist es wichtsprozent Nickelantimonid bildet sich ein solches vorteilhaft, wenn die zum Empfang der zu registrieren- 5 Eutektikum, in dem sich das Nickelantimonid in den Strahlung bestimmte Oberfläche des Halbleiter- Form von parallel zueinander ausgerichteten Nadeln kristalle möglichst stark erwärmt wird. Es ist daher ausscheidet, die etwa 10 bis 100 μ, vorzugsweise etwa von Vorteil, wenn die auf diese Oberfläche aufgebrachte 30 μ, lang sind und einen Durchmesser von etwa 0,5 μ SiOz-Schicht bereits einen wesentlichen Teil der ein- besitzen. Der seitliche Abstand zwischen den einzelnen dringenden Strahlung absorbiert. Die SiOx-Schicht io Nadeln beträgt etwa 3,5 μ. Die Absorptionskonstante soll daher vorzugsweise eine Dicke haben, die minde- dieses Materials liegt im Wellenbereich zwischen 8 und stens so groß ist wie die Eindringtiefe der Strahlung im 12 μ bei etwa 200 cm"¹. Der Nernst-Ettmghausen-Wellenlängenbereich des Absorptionsmaximums dieser Koeffizient dieses Materials ist etwa um den Faktor Schicht. Die Eindringtiefe ist definiert als reziproke 20 höher als der Nernst-Ettinghausen-Koeffizient von Absorptionskonstante. Bei einer Schichtdicke von 15 eigenleitendem Indiumantimonid ohne Nadeln,
der Eindringtiefe der Strahlung werden etwa 63% Ferner eignen sich als Halbleiterkristalle für den der eindringenden Strahlung in der Schicht absorbiert. Strahlungsempfänger Indiumantimonidkristalle mit Durch Vergrößerung der Schichtdicke kann eine noch Einschlüssen aus Manganantimonid oder Eisenantistärkere Absorption erreicht werden. So werden bei monid, bei denen wiederum ein Eutektikum aus dem einer Schichtdicke von der doppelten Eindringtiefe ao Indiumantimonid und den Einschlüssen vorliegt. Im der Strahlung bereits 86,5 °/₀ der eindringenden einzelnen sind derartige Halbleiterkristalle und VerStrahlung in der Schicht absorbiert. Da die Absorp- fahren zu ihrer Herstellung in einem Aufsatz in der tionskonstante der Schicht jedoch im einzelnen von Zeitschrift »The Journal of Physics and Chemistry of der Wellenlänge der Strahlung und der Zusammen- Solids«, Bd. 26 (1965), S. 2021 bis 2028, beschrieben. Setzung der Schicht abhängt, läßt sich kein für alle 25 An Hand einiger Figuren und Beispiele soll die Wellenlängen und Schichtzusammensetzungen gültiger Erfindung noch näher erläutert werden.
Zahlenwert für die Eindringtiefe angeben. F i g. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel

Mit einer 1 μ dicken SiO₂-Schicht wird die Eindring- für den erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor;

tiefe im Wellenlängenbereich von 8 bis 9,6 μ über- F i g. 2 zeigt die spektrale Empfindlichkeit eines

schritten, mit einer 1 μ dicken SiO-Schicht im Wellen- 30 erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors im Vergleich

längenbereich von 9 bis 10,6 μ. Die SiO^-Schicht zu der spektralen Empfindlichkeit eines Strahlungs-

sollte deshalb vorzugsweise mindestens 1 μ dick sein. detektors ohne SiO^-Schicht;

Die Dicke der SiO^-Schicht sollte jedoch auch F i g. 3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsnicht zu groß sein, da eine zu dicke Schicht eine beispiel für den erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor, verhältnismäßig hohe Wärmekapazität hat und daher 35 Bei dem in F i g. 1 dargestellten Strahlungsdetektor zu viel Wärme aufnimmt, bevor die Temperatur an der besteht der Halbleiterkanal 1 aus Indiumantimonid, zum Empfang der zu registrierenden Strahlung be- in welches nadeiförmige Einschlüsse 2 aus Nickelstimmten Oberfläche des Halbleiterkristalls erhöht antimonid eingebettet sind. Der Halbleiterkristall ist wird. Die Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors derart angeordnet, daß die Einschlüsse 2 im wesentkann dadurch wieder herabgesetzt werden. Um diesen 40 liehen parallel zur Richtung der zu registrierenden Effekt zu vermeiden, soll die Dicke der SiO^-Schicht Strahlung 3 und senkrecht zur Richtung des Magnethöchstens ein Zehntel der Dicke des Halbleiterkristalls feldes B ausgerichtet sind, in dem sich der Halbleiterbetragen. Unter Dicke des Halbleiterkristalls ist dabei kristall 1 befindet. Er kann insbesondere zwischen den die Ausdehnung des Kristalls in Richtung der ein- Polschuhen eines Permanentmagneten angeordnet sein, fallenden Strahlung zu verstehen. 45 Die Seitenflächen 4 des Halbleiterkristalls 1 sind mit Da das Absorptionsmaximum der SiO^-Schicht je Elektroden 5 und 6 versehen, an denen die auf Grund nach dem Sauerstoffgehalt bei etwas verschiedenen des photothermomagnetischen Effektes auftretende Wellenlängen liegt, kann durch spezielle Wahl der elektrische Spannung bzw. ein entsprechender Strom Zusammensetzung der SiO^-Schicht der Wellenlängen- abgenommen und einem geeigneten Meßinstrument 7, bereich der maximalen Absorption etwas verschoben 5° beispielsweise einem Oszillographen, zugeführt werden werden. Bei einer SiO-Schicht liegt das Absorptions- kann. Auf der zum Empfang der Strahlung 3 bestimmmaximum beispielsweise bei einer Wellenlänge von ten Oberfläche des Halbleiterkristalls 1 ist eine SiO-etwa 10 μ, bei einer SiO₂-Schicht bei einer Wellenlänge Schicht 8 vorgesehen. Diese Schicht kann vorteilhaft von etwa 9 μ. Im Bereich des Absorptionsmaximums im Hochvakuum auf die gereinigte Oberfläche des der SiO^-Schicht ist die Empfindlichkeit des Strahlungs- 55 Halbleiterkristalls aufgedampft werden,
detektors besonders hoch. Sie ist jedoch ohne Rück- Die Dicke d des Halbleiterkristalls 1 soll so groß sieht auf die spezielle Zusammensetzung der Schicht sein, daß die von der SiO-Schicht noch durchgelassene im gesamten Wellenlängenbereich zwischen 8 und 12 μ Strahlung im wesentlichen innerhalb des Halbleitergegenüber einem Strahlungsdetektor ohne SiOz- körpers absorbiert wird. Ein Indiumantimonid-Halb-Schicht erhöht. ⁶° leiterkörper mit Nickelantimonid-Nadeln mit einer Um ein besonders breites Absorptionsmaximum Dicke d von 0,01 cm, einer Breite b von 0,05 cm und und damit eine sehr hohe Empfindlichkeit über einen einer Länge / von 0,6 cm, der in einem Magnetfeld B breiten Wellenlängenbereich zu erhalten, kann die von etwa 9 Kilogauß betrieben wurde und bei dem SiOz-Schicht vorteilhaft so ausgebildet sein, daß der die Dicke der SiO-Schicht etwa 2,5 μ betrug, hat sich Sauerstoffgehalt über die Schichtdicke variiert. 65 beispielsweise als Strahlungsdetektor im Wellenlängen-Ais besonders vorteilhaft für den Strahlungs- bereich zwischen 8 und 12 μ als sehr geeignet erwiesen, empfänger haben sich Indiumantimonidkristalle mit Die im Halbleiterkristall durch den photothermo-Einschlüssen aus Nickelantimonid erwiesen, bei denen magnetischen Effekt erzeugte elektrische Feldstärke

ist bei konstanter Bestrahlungsstärke noch vom Magnetfeld, von der Dicke des Halbleiterkristalls und von der Wellenlänge und der Modulationsfrequenz der Strahlung abhängig. Vorzugsweise werden beim erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor Magnetfelder von etwa 7 bis 10 Kilogauß und Kristalle einer Dicke von etwa 0,01 cm verwendet.

Die Kurve α in F i g. 2 zeigt die Empfindlichkeit von Strahlungsdetektoren mit Indiumantimonidkristallen mit Nickelantimonideinschlüssen und einer Dicke von etwa 0,01 cm in einem Magnetfeld von 9 Kilogauß bei Zimmertemperatur (298⁰K). An der Ordinate ist die Empfindlichkeit ε in mV · cm/W, an der Abszisse die Wellenlänge λ der einfallenden Die Halbleiterkristalle waren jeweils etwa 0,01 cm dick. Die Dicke der SiO-Schicht betrug 2 bis 2,5 μ. Die angegebenen Werte wurden in einem Magnetfeld von 9 Kilogauß gemessen.

In F i g. 3 ist ein Halbleiterkristall 11 für einen Strahlungsdetektor dargestellt, auf dessen zum Empfang der Strahlung bestimmte Oberfläche zunächst eine SiO₂-Schicht 12 und auf diese eine SiO-Schicht 13 aufgebracht ist. Der Sauerstoffgehalt ist hier also über die Dicke der SiO^-Schicht variiert. Die nadeiförmigen Einschlüsse sind mit 14, die aufgedampften Kontakte mit 15 bezeichnet. Der Halbleiterkristall 11 kann beispielsweise wiederum 0,01 cm dick sein. Die SiO₂-Schicht 12 und die SiO-Schicht 13 können vorteil-

Strahlung in μ aufgetragen, ε ist der Quotient aus der 15 haft jeweils etwa 1 bis 2 μ dick sein. Zum Aufbringen zwischen den Kontakten 5 und 6 des Halbleiter- der SiO₂-Schicht kann beispielsweise SiO in einer kristalls wirksamen elektrischen Feldstärke und der sauerstoffhaltigen Atmosphäre auf die gereinigte Bestrahlungsstärke. Die Bestrahlungsstärke (Dirnen- Oberfläche des Halbleiterkristalls aufgedampft werden, sion W · cm-²) ist definiert als Quotient aus der auf oder es kann zunächst im Vakuum eine SiO-Schicht den Halbleiterkristall auftreffenden Strahlungsleistung 20 aufgedampft werden, die anschließend zu SiO₂ oxydiert und der die Strahlung empfangenden Fläche des wird. Auf diese SiO₂-Schicht kann dann im Hoch-Halbleiterkristalls. Zum Vergleich ist in F i g. 2 als vakuum die SiO-Schicht aufgedampft werden.
Kurve b die Empfindlichkeit ε eines Strahlungsdetek- Zum Betrieb des erfindungsgemäßen Strahlungstors mit einem gleichartigen Halbleiterkristall ohne detektors ist noch folgendes zu bemerken. Bei Strah-SiO-Schicht dargestellt. Die Figur läßt deutlich 25 lungstemperaturmessungen von Objekten mit niedrigen

erkennen, daß die Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 12 μ durch die SiO-Schicht wesentlich erhöht wird. Die Absorption in der SiO-Schicht bewirkt sogar noch im Bereich größerer Wellenlängen eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors. Die Strahlung, mit welcher die Kurven α und b ermittelt wurden, war mit einer Frequenz von 13 Hz moduliert. Sie wurde zu diesem Zweck durch eine Drehblende zerhackt.

Um die Empfindlichkeitssteigerung durch die aufgebrachte SiO-Schicht weiter zu verdeutlichen, ist in der folgenden Tabelle die bei einer Bestrahlungsstärke von 1 W · cm"² und einer Wellenlänge von 10 μ zwischen den Kontakten des Halbleiterkristalls auftretende Leerlaufspannung Ul für Halbleiterkristalle mit unterschiedlicher zum Empfang der Strahlung bestimmter Fläche F jeweils ohne und mit SiO-Schicht angegeben.

F	Ul ohne SiO-Schicht | mit SiO-Schicht	2,6 mV 1,6 mV 0,13 mV
0,7 · 10 mm2 0,5 · 6 mm2 0,5 · 0,5 mm2	1,4 mV 0,84 mV 0,07 mV

Temperaturen liegen die auf den Halbleiterkristall auftreffenden Strahlungsleistungen häufig im Mikrowattbereich und darunter. Die vom Detektor abgegebene Leerlaufspannung liegt dann im Nanovoltbereich. Zur Spannungsmessung bei diesen Größenordnungen ist ein Zerhackerbetrieb vorteilhaft. Dabei kann die zu registrierende Strahlung beispielsweise durch Zahnrad-, Drehspiegel- oder Stimmgabelzerhacker zerhackt werden. Der Detektor liefert dann ein Wechselspannungssignal, das beispielsweise einem Resonanzverstärker zugeführt werden kann. Ein solcher Resonanzverstärker kann z. B. durch Hintereinanderschalten eines Eingangstransformators, eines Breitbandverstärkers mit rauscharmer Eingangsstufe, eines phasengesteuerten Gleichrichters und eines Zeitkonstantengliedes realisiert werden.

Bei der Messung von Laser-Strahlung steht dagegen häufig eine hinreichende Strahlungsleistung zur Verfügung, so daß der Strahlungsdetektor beispielsweise unmittelbar an den Eingang eines Oszillographenverstärkers angeschlossen werden kann.

Die Zeitkonstante des Strahlungsdetektors ist für einen thermischen Detektor extrem klein. Sie beträgt bei einer Dicke des Halbleiterkristalls von 0,01 cm im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 12 μ etwa 100 Mikrosekunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 gegenüber Strahlung empfindlich sind, deren Wellen-Patentansprüche : länge im langwelligen Bereich jenseits der Absorptionskante des Halbleitermaterials liegt, wurde in der

1. Strahlungsdetektor mit einem Halbleiterkörper deutschen Patentanmeldung P 1614 570.3 vorgemit photothermomagnetischem Effekt und Mitteln 5 schlagen, solche Halbleiterphotoelemente als Empfänzum Erzeugen eines Magnetfeldes in diesem ger für Strahlung mit Wellenlängen aus dem jenseits Halbleiterkörper, wobei der Halbleiterkörper aus der Absorptionskante des Halbleitermaterials des einem zweiphasig aufgebauten Halbleiterkristall Halbleiterphotoelements liegenden langwelligen Bebesteht, in dessen aus Indiumantimonid bestehende reich zu verwenden.

halbleitende Phase nadelartige, im wesentlichen io Diese Empfindlichkeit gegenüber Strahlung mit

parallel zueinander ausgerichtete Einschlüsse einer Wellenlängen im langwelligen Bereich jenseits der

zweiten, besser leitenden, metallischen Phase Absorptionskante des Halbleitermaterials ist darauf

eingebettet sind, die im wesentlichen parallel zur zurückzuführen, daß bei Wellenlängen in diesem

Richtung der zu registrierenden Strahlung und langwelligen Bereich an die Stelle des photoelektro-

senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes ausge- 15 magnetischen Effektes ein photothermomagnetischer

richtet sind, dadurch gekennzeichnet, Effekt tritt. Dieser beruht darauf, daß sich unter der

daß auf der zum Empfang der Strahlung bestimm- Einwirkung der Strahlung im Halbleiterkörper in

ten Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Schicht Richtung der Strahlung ein Temperaturgradient aus-

(8) aus SiOj; mit 1 < χ < 2 vorgesehen ist. bildet, der zusammen mit dem auf den Halbleiterkörper

2. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1. da- 20 wirkenden Magnetfeld zu einer Nernst-Ettingshausendurch gekennzeichnet, daß die SiO^-Schicht min- Spannung am Halbleiterkörper führt. Der Temperaturdestens 1 μ dick ist. gradient entsteht dadurch, daß in dem der Strahlung

3. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1 oder 2, ausgesetzten Halbleiterkörper durch Strahlungsabdadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt sorption Wärme erzeugt wird, die mit zunehmender der SiO^-Schicht über die Schichtdicke variiert. 25 Entfernung von der der Strahlung ausgesetzten Ober-

4. Strahlungsempfänger nach einem der An- fläche des Halbleiterkörpers abnimmt. Die im Halbsprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leiterkörper erzeugte Nernst-Ettingshausen-Spannung Dicke der SiO^-Schicht höchstens ein Zehntel der ist proportional zur Größe des Temperaturgradienten Dicke des Halbleiterkristalls beträgt. und damit auch proportional zur absorbierten Strah-

5. Strahlungsempfänger nach einem der An- 30 lungsleistiing. Ein derartiger Strahlungsdetektor, dessen Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkörper aus Indiumantimonid mit nadel-Einschlüsse im Halbleiterkristall aus Nickelanti- artigen Einschlüssen aus einer zweiten, besser leitenden, monid bestehen und mit dem Indiumantimonid metallischen Phase besteht, ist zur Registrierung von ein Eutektikum bilden. Strahlung mit Wellenlängen von 8 μ und mehr, die im

35 langwelligen Bereich jenseits der bei etwa 7,2 μ

liegenden Absorptionskante des Indiumantimonids

liegen, bereits gut geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es. die Empfindlichkeit

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor mit eines solchen Strahlungsdetektors im Wellenlängeneinem Halbleiterkörper mit photothermomagnetischem 40 bereich zwischen etwa 8 und 12 μ weiter zu erhöhen. Effekt und Mitteln zum Erzeugen eines Magnetfeldes Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß auf

in diesem Halbleiterkörper, wobei der Halbleiter- der zum Empfang der Strahlung bestimmten Oberkörper aus einem zweiphasig aufgebauten Halbleiter- fläche des Halbleiterkörpers des Strahlungsdetektors kristall besteht, in dessen aus Indiumantimonid eine Schicht aus SiO._c mit 1 < χ < 2 vorgesehen, bestehende halbleitende Phase nadelartige, im wesent- 45 Dadurch wird erreicht, daß ein Teil der einfallenden liehen parallel zueinander ausgerichtete Einschlüsse Strahlung bereits in der SiO^-Schicht absorbiert wird, einer zweiten, besser leitenden, metallischen Phase so daß bei gleicher Intensität der einfallenden Strahlung eingebettet sind, die im wesentlichen parallel zur die Temperatur an der Oberfläche des Halbleiter-Richtung der zu registrierenden Strahlung und senk- kristalls höher und der Temperaturgradient in dem recht zur Richtung des Magnetfeldes ausgerichtet sind. 5° Halbleiterkristall größer wird als bei einem Halbleiter-

Durch das deutsche Patent 1 214 807 ist ein Halb- kristall ohne SiO^-Schicht. Der größere Temperaturleiterphotoelement mit photoelektromagnetischem Ef- gradient bewirkt eine größere Nernst-Ettingshausenfekt bekannt, dessen Halbleiterkörper mit elektrisch Spannung am Halbleiterkristall. Die Empfindlichkeit besser leitenden Bereichen versehen ist, die im wesent- des Strahlungsdetektors wird somit erhöht,
liehen senkrecht zur Richtung des durch den photo- 55 Der Wellenlängenbereich zwischen 8 und 12 μ ist elektromagnetischen Effekt erzeugten Stromes und technisch von besonderer Bedeutung, da die Strahlung damit auch im wesentlichen senkrecht zu dem zur des CO₂-Lasers, des energiereichsten bekannten Lasers, Erzeugung des photoelektromagnetischen Effektes die eine Wellenlänge von 10,6 μ besitzt, in diesem erforderlichen Magnetfeld ausgerichtet sind. Die Bereich liegt. Der Strahlungsdetektor ist daher ins-Bereiche können dabei speziell aus einer zweiten, 60 besondere als Detektor für die Strahlung dieses besser leitenden Phase bestehen und im wesentlichen Lasers geeignet. Ferner eignet sich der Strahlungsparallel zur auffallenden Strahlung ausgerichtet sein. detektor hervorragend als Detektor der im gleichen

Da überraschend gefunden wurde, daß die Empfind- Wellenlängenbereich liegenden Wärmestrahlung niedrilichkeit derartiger Halbleiterphotoelemente nach hö- ger Farbtemperatur, die von Objekten ausgestrahlt heren Wellenlängen nicht durch die Absorptionskante 65 wird, die Oberflächentemperaturen zwischen etwa des Halbleitermaterials, d.h. des Halbleitermaterials —20 und —100^cC besitzen. Als solche Objekte komohne die besser leitenden Bereiche, begrenzt ist, men insbesondere lebende Organismen in Frage, sondern daß deratrige Halbleiterphotoelemente auch deren Körpertemperatur in diesem Temperaturbereich