La tecnología de detección y obtención de imágenes ha avanzado de manera espectacular en los últimos años, permitiéndonos capturar momentos y detalles impresionantes con una precisión increíble. Y dentro de este campo en constante evolución, los fotodetectores ultravioleta semiconductores avanzados de banda ancha están revolucionando la forma en que percibimos la luz y las imágenes. Estos dispositivos son capaces de detectar y capturar señales de luz ultravioleta, abriendo una ventana hacia un mundo invisible para nuestros ojos pero crucial para multitud de aplicaciones y estudios científicos. En este artículo, exploraremos cómo estos fotodetectores están mejorando la detección y la obtención de imágenes, permitiendo un nuevo nivel de precisión y detalle en nuestras fotografías y estudios científicos. Soñomos Fotonics Plus, expertos en la fabricación y desarrollo de fotodetectores ultravioleta semiconductores avanzados de banda ancha, y estamos aquí para contarte todo lo que necesitas saber sobre esta emocionante tecnología.
Hola a todos, bienvenidos a la nueva publicación de hoy.
Los rayos ultravioleta (UV), que se encuentran justo más allá de la luz visible en el espectro electromagnético, son increíblemente importantes en nuestras vidas. Están compuestos por rayos UVA, UVB y UVC y tienen diferentes funciones útiles y potencialmente dañinas. Por ejemplo, los rayos UVB facilitan la síntesis de vitamina D en nuestra piel, fundamental para nuestra salud en general. Además, la exposición moderada a los rayos UVA y UVB puede promover la salud de la piel.
Por otro lado, aunque los rayos UVC son los más peligrosos, afortunadamente son absorbidos por la atmósfera terrestre y sirven como escudo natural contra estos rayos nocivos. Por tanto, es fundamental contar con fotodetectores UV que conviertan la luz ultravioleta en señales eléctricas, que son cruciales en diversos campos. Desempeñan un papel central en el monitoreo de la radiación UV y contribuyen a la seguridad pública al evaluar los riesgos de exposición a los rayos UV. También desempeñan un papel decisivo en la vigilancia ambiental y ayudan a los científicos a comprender los efectos de la radiación ultravioleta en los ecosistemas. Además, los fotodetectores UV son esenciales en astronomía para observar fenómenos celestes fuera de la atmósfera de la Tierra que absorbe los rayos UV y son herramientas esenciales en la investigación médica, donde proporcionan información sobre los procesos moleculares mediante microscopía de fluorescencia y análisis de ADN. Además, desempeñan un papel crucial en la purificación del agua y el aire al garantizar una desinfección UV-C eficiente y contribuir a que el agua y el aire sean más seguros para el consumo y la respiración.
Al principio, la detección UV se realizaba principalmente mediante detectores térmicos, dispositivos de carga acoplada y tubos fotomultiplicadores. Sin embargo, estos dispositivos eran ineficientes, lentos, frágiles, voluminosos y tenían una respuesta independiente de la longitud de onda. Por lo tanto, los semiconductores nuevos y mejorados, como los fotodiodos UV basados en silicio y los fotodiodos basados en GaAs, demostraron ser una mejor opción principalmente debido a su bajo costo, peso ligero, insensibilidad a los campos magnéticos y respuesta más rápida. Sin embargo, los fotodiodos UV basados en Si tienen algunas limitaciones, generalmente debido a la estructura de la capa de pasivación, que reduce la eficiencia cuántica en la región UV abierta con el tiempo, y al envejecimiento del dispositivo, principalmente debido a la exposición excesiva a radiación de alta energía. . Además, los fotodiodos basados en Si deben tener una superficie activa fría para reducir la corriente oscura. Sin embargo, esto atrae contaminantes que pueden reducir la capacidad de detección.
Por otro lado, los fotodetectores UV basados en semiconductores de banda prohibida amplia como Sic, diamante y nitruros III demostraron ser una alternativa superior porque pueden funcionar a temperatura ambiente y tienen ceguera visible intrínseca. La Figura 1 compara los parámetros clave de diferentes materiales utilizados en fotodetectores UV y demuestra que el material semiconductor WBG tiene mejores propiedades generales.
Figura 1: Parámetros críticos clave para diferentes materiales utilizados en fotodetectores UV.
Se puede ver claramente que los materiales WBG tienen una mayor conductividad térmica, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alto rendimiento y alta temperatura. Además, los fotodiodos WBG tienen una alta velocidad de electrones y fuertes enlaces químicos con capacidad de afinidad electrónica negativa, lo que los convierte en candidatos perfectos para fotocátodos UV de visibilidad ciega. A pesar de todas estas características superiores de los fotodiodos WBG, existen algunas desventajas como: B. baja calidad de los cristales debido a la adición de sustratos inferiores en la homeepitaxia durante el crecimiento de los cristales, lo que puede provocar defectos estructurales y fugas de corriente. Por otro lado, los fotodiodos WBG requieren alta energía para la activación de los dopantes, lo que a su vez requiere que los fabricantes incluyan grandes impurezas de los dopantes, lo que reduce significativamente la movilidad del portador. A pesar de estas desventajas, poco a poco se están estudiando y comercializando materiales semiconductores como el Sic, el diamante y los nitruros III.
Ⅰ. Explorando diferentes materiales en fotodetectores WBG: del SiC a los semiconductores de diamante
Los primeros fotodetectores de WBG que llegaron al mercado de consumo fueron los fotodiodos de unión Sic-PN para diversas aplicaciones, como monitoreo de combustión, alarmas contra incendios y detección de descargas. Estos fotodiodos se fabricaron sobre sustratos de 6H-SiC tipo p y se doparon fuertemente a 1019 cm-3 para tener una corriente inversa baja de aproximadamente 10-11 A cm-2 incluso a una temperatura alta de 200 °C. Es el método más viable. opción. Además, el SiC ha sido la principal fuente de interés en la detección de partículas debido a su capacidad única de endurecimiento por radiación, ya que las lecturas de un fotodiodo de SiC comercial permanecen sin cambios incluso después de la irradiación con una dosis gamma de hasta 1000 kGy.
Por otro lado, el diamante ha atraído considerable atención como fotodetector porque tiene una conductividad térmica inusualmente alta, una constante dieléctrica baja y una alta movilidad del portador, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta frecuencia y alta potencia. Sin embargo, el diamante es menos superior a su homólogo de SiC porque es caro y varía en calidad. Además, es difícil hacer crecer artificialmente dispositivos de diamante porque los métodos de dopado de redes cristalinas requieren un dopaje de tipo P fiable, que todavía es ineficiente en la etapa actual. A pesar de estos problemas, el diamante es más adecuado para aplicaciones de detección de partículas y rayos X porque se requiere más energía para crear un par de vacantes y defectos intersticiales, lo que lo hace adecuado para condiciones ambientales adversas. Finalmente, los fotodetectores de nitruro III, que se fabrican principalmente a partir de compuestos como AIN, InN y GaN, muestran una ventaja sobre otros semiconductores WBG en términos de selectividad espectral, principalmente debido a su banda prohibida directa y su alto campo de ruptura. Además, los fotoconductores AIGaN responden fuertemente a diferentes niveles de irradiancia de luz, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2: Capacidad de respuesta versus. Irradiancia de un fotodetector AIGaN
Sin embargo, los fotodetectores de nitruro III exhiben una fotoconductividad sostenida que depende en gran medida del tiempo que la muestra estuvo mantenida en la oscuridad. Por otro lado, los materiales de nitruro III se utilizan ampliamente como fotodiodos Schottky, fotodiodos de metal-semiconductor-metal, fotodiodos de clavija, fototransistores, fotodiodos de avalancha y fotocátodos.
Ⅱ. Diploma
Los fotodetectores son dispositivos centrales que convierten la luz o la radiación electromagnética en señales eléctricas y sirven como columna vertebral para diversas aplicaciones. Son esenciales en imágenes, comunicaciones ópticas, investigación científica, diagnóstico médico, monitoreo ambiental, aeroespacial y defensa. Además, los fotodetectores contribuyen a la generación de energía renovable, habilitan sistemas de seguridad y apoyan la identificación biométrica. Su capacidad para capturar y medir las propiedades de la luz juega un papel crucial en el avance de la tecnología, la ciencia y nuestra vida diaria. Los avances en la tecnología de semiconductores de banda ancha (WBG) han creado oportunidades para desarrollar fotodetectores ultravioleta (UV) selectivos asequibles capaces de operar en condiciones ambientales desafiantes. Sin embargo, la tecnología detrás de estos materiales aún está en sus inicios.
Uno de los desafíos más persistentes es producir constantemente sustratos de alta calidad para el crecimiento homeepitaxial. Sin embargo, el mayor obstáculo reside en alcanzar niveles significativos de dopaje y producir contactos óhmicos y Schottky fiables. Los fotodetectores fabricados con materiales como carburo de silicio (SiC), diamante y nitruros III ya se han introducido con éxito en el mercado para aplicaciones como sensores de incendios, control de motores y vigilancia medioambiental. La coherencia y la fiabilidad son dos factores principales que determinan el éxito de estos fotodetectores en el mercado. Si bien los semiconductores de banda ancha no reemplazarán inmediatamente a los detectores de silicio, ofrecen un potencial sin precedentes para servir a un mercado de sensores especializado centrado en altas temperaturas y condiciones ambientales exigentes.
