DE4306497A1 - Thermoelectric detector used to detect radiation - comprises active surface made of thin layer of crystalline solid body - Google Patents
Thermoelectric detector used to detect radiation - comprises active surface made of thin layer of crystalline solid bodyInfo
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Abstract
Description
Thermoelemente werden schon seit längerer Zeit als Strahlungsdetektoren insbe sondere im infraroten Spektralbereich verwendet. Die Zusammenschaltung meh rerer Thermoelemente zu einer Thermosäule führt zu einer Erhöhung der Emp findlichkeit (1). Durch Miniaturisierung der Thermoelemente durch Verwendung von Dünnschichttechnologien und Lithographiemethoden können Thermosäulen mit Packungsdichten im Bereich von einigen 100 Elementen/cm erreicht werden (2). Eine wesentliche Erhöhung der Packungsdichte und damit eine Steigerung der Empfind lichkeit führt an technologische Grenzen.Thermocouples have long been used as radiation detectors, particularly in the infrared spectral range. The interconnection of several thermocouples to a thermopile leads to an increase in sensitivity ( 1 ). By miniaturizing the thermocouples using thin-film technologies and lithography methods, thermopiles with packing densities in the range of a few 100 elements / cm can be achieved ( 2 ). A significant increase in packing density and thus an increase in sensitivity leads to technological limits.
Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Thermosäule statt durch Miniaturisierungstechni ken und eine Vielzahl von Herstellungsschritten durch Verwendung eines Materials aufzubauen, bei dem sich die richtige Abfolge und Zusammenschaltung einzelner Thermoelemente von selbst durch natürliches Kristallwachstum ergibt. Hinweise auf derartige in "natürlicher Weise" zustande kommende Thermosäulen wurden bei Un tersuchungen von dünnen Schichten des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7- δ gefunden (3). Durch die im folgenden beschriebene Erfindung ist es möglich, eine sehr große Zahl von "Thermoelementen atomarer Dicke" pro Längeneinheit in Se rie zu schalten und dadurch um mehrere Größenordnungen erhöhte Empfindlichkeit zu erhalten. Der erfindungsgemäße thermoelektrische Detektor wird im folgenden beschrieben.The invention specified in claim 1 is based on the problem of building a thermopile instead of miniaturization techniques and a large number of manufacturing steps by using a material in which the correct sequence and interconnection of individual thermocouples results automatically from natural crystal growth. Evidence of such "natural" thermopiles was found in studies of thin layers of the high-temperature superconductor YBa 2 Cu 3 O 7- δ ( 3 ). Through the invention described below, it is possible to switch a very large number of “thermocouples of atomic thickness” per unit length in series and thereby to obtain sensitivity which is increased by several orders of magnitude. The thermoelectric detector according to the invention is described below.
Die Materialien, aus denen die zur Zeit intensiv untersuchten Hochtemperatursupra leiter (HTSL) bestehen (wie z. B. Materialien aus der Y-Ba-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O oder Bi-Sr-Ca-Cu-O-Familie) sind aufgrund ihres schichtartigen Aufbaus aus Cu- O Ebenen und Zwischenschichten durch hohe Anisotropie, z. B. ihrer elektrischen Eigenschaften, gekennzeichnet. Aufgrund der Anisotropie der Thermokraft (4) ist es naheliegend, den metallischen Cu-O Ebenen und den schlechter leitenden Zwischen schichten verschiedene absolute Thermokräfte zuzuordnen (3). Im Fig. 1 ist ein vereinfachter Querschnitt durch ein dünne Schicht eines HTSL dargestellt, die auf spezielle Weise hergestellt wurde, so daß die aufeinanderfolgenden Atomlagen die Cu-O Ebenen (schwarz) und die Zwischenschichten (weiß) - einen Winkel α mit der Substratoberfläche bilden. Mit n ist die Normale auf die Schichtoberfläche und mit c die auf den Cu-O - und Zwischenschichten senkrecht stehende kristallogra phische c-Achse bezeichnet. Wird nun diese Anordnung von oben erwärmt - etwa durch Bestrahlung mit Licht - so bildet sich in der HTSL-Schicht ein Temperatur gradient aus und die Anordnung kann als Thermosäule aufgefaßt werden, aufgebaut aus Thermoelementen aus Cu-O Ebenen und Zwischenschichten. Die Signalspan nung, die von dieser Atomlagenthermosäule erzeugt wird, ist proportional zur Zahl der Thermoelemente N = (l/c) sin α, wobei l dem Durchmesser des bestrahlten Bereiches (Fig. 2) entspricht, c ist der Wert der Gitterkonstanten in Richtung der c-Achse. Außerdem ist die Signalspannung proportional zur Temperaturdifferenz δT an einem Thermoelement, δT = (c/d) ΔT cos α, wobei d die Schichtdicke und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Schichtoberfläche und Schicht-Substrat-Grenze ist. Damit ergibt sich eine maximale Signalspannung bei αopt = 45°.The materials from which the high-temperature superconductors (HTSL) currently being investigated are made (such as materials made from Y-Ba-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O or Bi-Sr-Ca-Cu -O family) are due to their layer-like structure of Cu-O levels and intermediate layers due to high anisotropy, e.g. B. their electrical properties. Due to the anisotropy of the thermal force ( 4 ) it is obvious to assign different absolute thermal forces to the metallic Cu-O levels and the poorly conductive intermediate layers (3). In Fig. 1 a simplified cross section through a thin layer of a HTSL is shown, which was produced in a special way so that the successive atomic layers, the Cu-O planes (black) and the intermediate layers (white) - form an angle α with the substrate surface . With n is the normal to the layer surface and with c is the crystallographic c-axis perpendicular to the Cu-O and intermediate layers. If this arrangement is heated from above - for example by irradiation with light - a temperature gradient forms in the HTSL layer and the arrangement can be understood as a thermopile, made up of thermocouples made of Cu-O layers and intermediate layers. The signal voltage generated by this atomic layer thermal column is proportional to the number of thermocouples N = (l / c) sin α, where l corresponds to the diameter of the irradiated area ( Fig. 2), c is the value of the lattice constant in the direction of c-axis. In addition, the signal voltage is proportional to the temperature difference δT at a thermocouple, δT = (c / d) ΔT cos α, where d is the layer thickness and ΔT is the temperature difference between the layer surface and the layer-substrate boundary. This results in a maximum signal voltage at α opt = 45 °.
Zur Erzielung großer Signalspannungen ist also entscheidendIt is therefore crucial to achieve large signal voltages
- a) die Herstellung von Schichten mit über die ganze Schicht einheitlichem Winkel αa) the production of layers with uniform over the entire layer Angle α
- b) die Annäherung an αopt = 45°.b) the approximation to α opt = 45 °.
Die Anforderungen a), b) werden erfüllt durch epitaktisches Aufwachsen der HTSL- Dünnschichten auf entsprechend geschnittenen Substraten, wie in Fig. 1 gezeigt: Bei Verwendung eines geeigneten Substratkristalls mit dem unter dem Winkel α schräg zur kristallographischen (100)-Ebene des Substrats verlaufenden Oberfläche setzt sich die "Schrägstellung" der Substratebenen ins aufwachsende Schichtmaterial fort.The requirements a), b) are met by epitaxially growing the HTSL thin layers on appropriately cut substrates, as shown in FIG. 1: When using a suitable substrate crystal with the one that is inclined at an angle α to the crystallographic (100) plane of the substrate Surface continues the "inclination" of the substrate levels into the growing layer material.
Insgesamt gesehen besteht also die Erfindung darin, ein Material mit anisotroper Thermokraft, d. h. mit einem Seebecktensor der GestaltSeen overall, the invention is a material with anisotropic Thermal force, d. H. with a shape of a sea basin tensor
wobei für mindestens ein Paar Si, Sj gilt: Si ≠ Sj, so zu präparieren, daß ein Tempe raturgradient - erzeugt z. B. durch Bestrahlung - im thermoelektrischen Material möglichst entlang der Winkelhalbierenden zwischen den Hauptachsenrichtungen mit Si und Sj (den Hauptanisotropierichtungen) verläuft. Daraus ergibt sich wiederum ein optimaler Winkel αopt = 45°.whereby for at least one pair S i , S j applies: S i ≠ S j , to be prepared in such a way that a temperature gradient - produces z. B. by irradiation - in the thermoelectric material as far as possible along the bisector between the main axis directions with S i and S j (the main anisotropy directions). This in turn results in an optimal angle α opt = 45 °.
Da die Signalspannungen auch proportional zu ΔT sind, ist für die Detektion von Strahlungspulsen die Ausführung als Dünnschicht-Thermosäule vorteilhaft. Ein ma ximaler Temperaturgradient wird erreicht, wenn die Pulsdauer in etwa der Wände diffusionszeit durch die thermoelektrische Dünnschicht entspricht. Auf diese Weise kann eine Optimierung der Detektoreigenschaften bezüglich Empfindlichkeit und Detektorzeitkonstante erzielt werden.Since the signal voltages are also proportional to ΔT, for the detection of Radiation pulses advantageous as a thin-film thermopile. A ma ximal temperature gradient is achieved when the pulse duration is approximately in the walls diffusion time through the thermoelectric thin film corresponds. In this way can optimize the detector properties with regard to sensitivity and Detector time constant can be achieved.
Ein derartiger thermoelektrischer Detektor wurde durch epitaktisches Schichtwachs tum auf geeigneten Substraten zur Erzielung eines günstigen Winkels α mit dem thermoelektrisch anisotropen Material Y Ba2Cu3O7- δ realisiert entsprechend dem weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel.Such a thermoelectric detector was realized by epitaxial layer growth on suitable substrates to achieve a favorable angle α with the thermoelectrically anisotropic material Y Ba 2 Cu 3 O 7- δ in accordance with the exemplary embodiment described below.
Der erfindungsgemäße Detektor kann andere Zimmertemperaturdetektoren für elek tromagnetische Strahlung ersetzen. Besonders naheliegend sind Anwendungen zur Leistungsmessung von Laseren und allgemein der Ersatz von pyroelektrischen De tektoren durch den thermoelektrischen Detektor. Der thermoelektrische Detektor ist kostengünstig herzustellen, benötigt keine eigene Stromversorgung und kann i. a. ohne zusätzlichen Verstärker direkt an einen Oszillographen angeschlossen werden. The detector according to the invention can use other room temperature detectors for elec replace tromagnetic radiation. Applications for Power measurement of lasers and generally the replacement of pyroelectric De tectors by the thermoelectric detector. The thermoelectric detector is inexpensive to manufacture, does not require its own power supply and can i. a. can be connected directly to an oscillograph without an additional amplifier.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile - zunächst gegenüber anderen thermo elektrischen Detektoren - liegen zum einen in der hohen Empfindlichkeit: Für ein konventionelles Thermoelement erhält man thermoelektrische Spannungen in der Größenordnung 10 . . . 100 µV/K(1,5) und entsprechend erhöhte Werte bei einer An ordnung als Thermosäule. Aufgrund der Erfindung werden Werte von 100 mV . . . 1 V/K erreicht. Die Herstellung bleibt - im Vergleich zu künstlichen Heterostruk turen - relativ einfach. Da der thermoelektrische Detektor aus einer dünnen, auf einem thermisch gut leitenden Substrat orientiert aufgewachsenden Schicht besteht, kann die Wärme sehr schnell abgeführt werden (6). Mit dünnen Schichten wurde eine Detektorzeitkonstante von 1 ns erreicht.The advantages achievable with the invention - initially compared to other thermo electrical detectors - on the one hand lie in the high sensitivity: for one conventional thermocouple produces thermoelectric voltages in the Magnitude 10. . . 100 µV / K (1.5) and correspondingly increased values for an on order as a thermopile. Due to the invention, values of 100 mV. . . 1 V / K reached. The production remains - compared to artificial heterostruk doors - relatively easy. Since the thermoelectric detector consists of a thin, on a thermally well conductive substrate oriented growing layer, the heat can be dissipated very quickly (6). With thin layers reached a detector time constant of 1 ns.
Aufgrund der thermoelektrischen Wirkungsweise bewirkt jeder Vorgang, der zur Erwärmung des thermoelektrischen Materials, genauer zur Ausbildung eines Tem peraturgradienten im Material führt, ein elektrisches Detektorsignal. Der Detektor kann daher in einem sehr großen elektromagnetischen Spektralbereich (ultravio lett bis mm-Wellen) eingesetzt werden. Die Detektordaten (Empfindlichkeit R ∼ 10-3 V/W für Strahlung UV bis fernes Infrarot, Detektorzeitkonstante ∼10-9 s, Äquivalente Rauschleistung NEP ∼10-6 W/Hz1/2, Detektivität D* ∼ 106 cm Hz1/2/W im Vergleich mit anderen Zimmertemperaturdetektoren wie z. B. pyroelektrischen Detektoren (7), Golay-Zellen (8) oder Photon-Drag- Detektoren (9) zeigen, daß der erfindungsgemäße thermoelektrische Detektor konkurrenzfähige Ei genschaften besitzt.Due to the thermoelectric mode of action, any process that leads to the heating of the thermoelectric material, more precisely to the formation of a temperature gradient in the material, causes an electrical detector signal. The detector can therefore be used in a very large electromagnetic spectral range (ultraviolet to mm waves). The detector data (sensitivity R ∼ 10 -3 V / W for radiation UV to far infrared, detector time constant ∼10 -9 s, equivalent noise power NEP ∼10 -6 W / Hz 1/2 , detectivity D * ∼ 10 6 cm Hz 1 / 2 / W in comparison with other room temperature detectors such as pyroelectric detectors ( 7 ), Golay cells ( 8 ) or photon drag detectors ( 9 ) show that the thermoelectric detector according to the invention has competitive properties.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben:An embodiment of the invention is described in more detail below:
Auf einem SrTiO3-Substrat (10·10·1 mm3) dessen (100)-Ebenen um einen Win kel α < 0 gegen die Oberfläche geneigt sind, wird durch Laserablation bei 680°C und 300 mTorr O2-Atmosphäre eine dünne Schicht des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7- δ (YBCO) aufgebracht. Die YBCO-(100)-Ebenen wachsen dabei par allel zu den SrTiO3-(100)-Ebenen auf (Fig. 1). Die kristallographische c-Achse der YBCO-Schicht bildet also einen Winkel α mit der Oberflächennormalen.On a SrTiO 3 substrate (10 · 10 · 1 mm 3 ) whose (100) planes are inclined to the surface by a angle α <0, a thin layer is created by laser ablation at 680 ° C and 300 mTorr O 2 atmosphere Layer of the high temperature superconductor YBa 2 Cu 3 O 7- δ (YBCO) applied. The YBCO (100) planes grow parallel to the SrTiO 3 - (100) planes ( FIG. 1). The crystallographic c-axis of the YBCO layer therefore forms an angle α with the surface normal.
Zum Aufnehmen des durch Erwärmung der Oberfläche erzeugten Spannungssignals U werden auf der YBCO-Schicht zwei elektrische Kontakte angebracht. Maximale Spannung erhält man wenn die Verbindungslinie der Kontakte mit der Kipprichtung der YBCO-c-Achse zusammenfällt (Fig. 2).To pick up the voltage signal U generated by heating the surface, two electrical contacts are attached to the YBCO layer. Maximum voltage is obtained when the connection line of the contacts coincides with the tilt direction of the YBCO-c axis ( Fig. 2).
Das Spannungssignal wird mit einem Oszillographen aufgenommen. Fig. 3 zeigt als Beispiel ein Spannungssignal eines thermoelektrischen Detektors mit α = 10° und Dicke d = 40 nm auf Bestrahlung mit einem CO2-Laserpuls (λ ∼10 µm).The voltage signal is recorded with an oscillograph. Fig. 3 shows an example of a voltage signal of a thermoelectric detector with α = 10 ° and thickness d = 40 nm upon irradiation with a CO 2 laser pulse (λ ∼10 microns).
Um den Einfluß des Kippwinkels α nachzuweisen, wurde eine Serie von thermo elektrischen Detektoren gleicher Dicke mit α = 1°, 5°, 10°, 15° und 20° hergestellt.In order to demonstrate the influence of the tilt angle α, a series of thermo electrical detectors of the same thickness with α = 1 °, 5 °, 10 °, 15 ° and 20 °.
Fig. 4 zeigt, daß für nicht zu große Winkel α die Signalspannung proportional mit dem Kippwinkel steigt. Fig. 4 shows that for angles α which are not too large, the signal voltage increases proportionally with the tilt angle.
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[8] z. B. Golay-Zelle, Modell IR 50, Oriel GmbH, Darmstadt:
NEP = 10⁻¹⁰ W/Hz1/2 bei 1 Hz Bandbreite (empfindlicher, aber langsamer
Detektor).
[9] z. B. Photon-Drag detector, model 7425+5402, Monolight, R = 5 · 10⁻⁵ W/W,
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[8] e.g. B. Golay cell, model IR 50, Oriel GmbH, Darmstadt:
NEP = 10⁻¹⁰ W / Hz 1/2 at 1 Hz bandwidth (sensitive but slow detector).
[9] e.g. B. Photon-Drag detector, model 7425 + 5402, Monolight, R = 5 · 10⁻⁵ W / W, τ Det = 1.8 ns, NEP = 1.3 · 10⁻³ W / Hz 1/2
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