КВАНТОВЫЙ ТРАП-ДЕТЕКТОР
QUANTUM TRAP-DETECTOR

Изобретение относится к измерительной технике, в частности - к эталонным оптическим радиометрам и предназначено для прецизионного измерения мощности оптического излучения при комнатных и низких температурах в широком динамическом и спектральном диапазонах. Изобретение может быть использовано в лазерной радиометрии для измерений мощности лазерного излучения и в эталонной термометрии при воспроизведении единицы температуры (Кельвина) прямым методом согласно ее новому определению. Кроме этого, устройство позволит выполнить передачу размера единицы средней мощности монохроматического излучения от криогенного радиометра, характеризуемого сверхмалыми уровнями передаваемой мощности, к рабочим средствам измерения мощности.
Большинство из известных радиометров, выполняющих функцию преобразователя мощности оптического излучения в электрический сигнал, основано на принципе классического фотоэлектрического преобразования энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию, который заключается в улавливании падающих на приемник фотонов с последующей генерацией носителей заряда (электронно-дырочных пар), порождающих регистрируемый электронным устройством фототок.
Известно устройство - фотодиод-детектор, как приемник оптического излучения, который преобразует попавшее на его фоточувствительную область излучение в электрический заряд за счет процессов фотоионизации и перераспределения зарядов в p-n-переходе (Тришенков М.А., Фример А.И. Фотоэлектрические полупроводниковые приборы с p-n-переходами, в сборнике: Полупроводниковые приборы и их применение, М., 1971; Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники, М., 1976).
Устройство представляет собой одиночный планарный фотодиод, обладающий коэффициентом поглощения падающего излучения в несколько десятков процентов. Преимуществами данного устройства являются малые габариты и высокое быстродействие. Недостатком устройства является его недостаточно высокая внешняя квантовая эффективность, что обуславливает невысокую точность измерений оптической мощности (погрешность измерений данным устройством составляет приблизительно 10%). Кроме этого, устройство обладает ограниченными спектральным и динамическим диапазонами работы.
Известно также устройство - оптический трап-детектор для измерения мощности лазерного излучения, в котором используются идентичные тепловые приемники - фотодиоды, расположенные последовательно по ходу излучения и обладающие высоким быстродействием (Патент РФ №2434207, опубл. 20.11.2011).
-3
Устройство представляет собой совокупность одинаковых детекторных пластин (от трех и более) - тепловых приемников - с плоской поглощающей и зеркально-отражающей поверхностью, при этом пластины располагаются таким образом, чтобы результирующий зеркальный коэффициент отражения не зависел от типа поляризации падающего излучения. Так как детекторные пластины выполнены небольшого размера и имеют тонкий слой чувствительного элемента, то это позволяет добиться достаточно малых постоянных времени всего устройства. Детекторные пластины представляют собой тепловые приемники с обмоткой электрического замещения, на поверхность которых нанесено поглощающее покрытие, имеющее высокий коэффициент поглощения в широком спектральном диапазоне. Устройство позволяет согласовывать уровни и спектральные интервалы мощности лазерного излучения без нанесения ущерба точности выполняемых измерений. Пучок падающего лазерного излучения испытывает ряд последовательных переотражений от поверхностей тепловых приемников (детекторных пластин), каждый раз ослабляясь в несколько раз до тех пор, пока его мощность не снизится до значения ~10 Вт=1 мВт.
Недостатки данного устройства заключаются в существенном ограничении диапазона измеряемой мощности, в частности - ограничении ее максимального значения, определяемого техническими возможностями первой на пути луча детекторной пластины, и ограничении ее минимального значения (~1 мВт) - полностью зависящего от неопределенности, вносимой в результат измерения последними на пути луча детекторными пластинами за счет малого соотношения сигнал-шум в них. Таким образом, указанное устройство наряду с преимуществами обладает существенным недостатком - ограниченным диапазоном измеряемой мощности, а поэтому не может обеспечить требуемую точность измерений, особенно - сверхмалых мощностей излучения.
Известен фотоэлектрический трап-детектор (Kubarsepp Т., Karha Р., Ikonen Е. "Characterization of а polаrization-independent: transmission trap detector," Аррlied Optics 1997, v. 36, №13, р. 2807). В основе построения данного устройства лежит использование нескольких фотодиодов, последовательное отражение от которых позволяет практически полностью поглотить падающее излучение и довести долю неизмеренной части мощности отраженного излучения до пренебрежимо малой величины. Методика измерения мощности данным устройством основана на сведении к минимуму доли отраженного излучения.
Преимуществом устройства является быстродействие и довольно высокая точность измерений. Недостатком устройства является то, что свойства единичных фотодиодов, входящих в его состав, ограничивают диапазон измеряемых мощностей и не обеспечивают требований к точности, предъявляемых в эталонной метрологии.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство - предсказуемый квантовый эффективный детектор, представляющий собой фотодетектор специальной конструкции, в котором для снижения коэффициента отражения падающего излучения и повышения его квантовой эффективности использованы два одинаковых индуцированных планарных фотодиода прямоугольной формы с обращенными друг к другу активными поверхностями, образованными инверсионным слоем n-типа в кремнии p-типа, собранные в специальную конфигурацию - клиновидную трап-ловушку (Meelis Sildoja, Farshid Manoocheri, Mikko Merimaa, Erkki Ikonen, Ingmar  Lutz Werner, Jarle Gran, Toomas  Marek and Maria Luisa Rastello «Predictable quantum efficient detector: I. Photodiodes and predicted responsivity». - Metrologia, 50 (2013) 385-394, doi: 10.1088/0026-1394/50/4/385); Ingmar  Uwe Johannsen, Ulrike Linke, Liana Socaciu-Siebert, MarekGeiland Porrovecchio, Meelis
Sildoja, Farshid Manoocheri, Erkki Ikonen, Jarle Gran, Toomas Giorgio Brida and Lutz Werner «Predictable quantum efficient detector: II. Characterization and confirmed responsivity». - Metrologia, 50 (2013) 395-401, doi: 10.1088/0026-1394/50/4/395).
Устройство образовано двумя идентичными фотодиодами, установленными под заданным углом в виде клина таким образом, что собранная конструкция способна улавливать 7, 9 или 11 отражений падающего излучения. Количество отражений задается углом между фотодиодами. В частности, для 7-ми кратного отражения расчетный угол между фотодиодами составляет α=15°. Для 9-ти кратного отражения соответствующий угол равен α=11,25°
Искомая (измеряемая) величина мощности падающего излучения в данном устройстве определяется суммой фототоков, генерируемых двумя фотодиодами.
Преимущества данного устройства заключаются в том, что оно может успешно использоваться как при комнатной температуре (достигаемый внутренний квантовый выход в пределах погрешности 100 ppm в видимом диапазоне длин волн), так и при низкой температуре ~77 К (неопределенность чувствительности составляет 10 ppm). Помимо этого, в сравнении с аналогами, устройство компактно, мобильно, имеет простую конструкцию, малую энергоемкость и стоимость, а также ряд других преимуществ, наиболее важными среди которых являются - слабая зависимость сигнала детектора от вида поляризации падающего излучения и априорная предсказуемость величины спектральной чувствительности детектора с одновременно высокой прослеживаемостью результатов измерений.
Недостатки устройства-прототипа, так же, как и у перечисленных аналогов, заключаются в ограничении диапазона измеряемой мощности: ее максимального значения - определяемого техническими возможностями первого на пути луча фотодиода, а ее минимального значения -существенной неопределенностью, вносимой в результат измерения вторым на пути луча фотодиодом за счет малого соотношения сигнал-шум в нем. Ограничение по минимальной измеряемой мощности обусловлено, тем, что соотношение фототоков, генерируемых фотодиодами в данной конструкции, составляет 5-18, т.е. ток с первого фотодиода в несколько раз превышает ток второго фотодиода. Поэтому при приблизительно равной фоновой помехе на обоих фотодиодах погрешность измеряемого фототока второго фотодиода в разы выше аналогичной погрешности для первого фотодиода. По этой причине имеет место повышенная неопределенность измерений суммарного фототока, при этом она существенно зависит от мощности излучения, падающего на второй фотодиод, и является главным фактором, ограничивающим использование данного трап-детектора.
Таким образом, указанное устройство наряду с преимуществами обладает ограниченным диапазоном измеряемой мощности и не обеспечивает требуемой точности измерений сверхмалых мощностей излучения.
Технический результат изобретения заключается в расширении диапазона измеряемых мощностей и повышении точности измерений.
Указанный технический результат в предлагаемом квантовом трап-детекторе, содержащем два фотодиода, установленные под заданным углом в виде клина, в котором длина каждого фотодиода и угол между ними обеспечивают рассчитанное, для заданной точности, количество отражений падающего излучения, достигается тем, что фотодиод, устанавливаемый первым на пути падающего излучения, обладает квантовой эффективностью, обеспечивающей возможность детектирования количества энергии равного, в пределах заданной точности, количеству энергии, детектируемому вторым фотодиодом, а второй фотодиод обладает квантовой эффективностью, превышающей квантовую эффективность первого фотодиода, и обеспечивает заданную точность измерения.
В отличие от известных квантовых трап-детекторов, широко используемых в эталонной энергометрии и основанных на применении нескольких одинаковых приемников излучения (фотодиодов), предлагаемое устройство предполагает использование фотодиодов, различающихся по поглощающим свойствам их активной поверхности.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 в виде таблицы представлен пример расчета квантовой эффективности для трап-детектора.
Квантовый трап-детектор (фиг. 1) содержит установленные в виде клина под заданным углом α фотодиод 1, устанавливаемый первым на пути падающего излучения и фотодиод 2, улавливающий излучение, отраженное от первого фотодиода.
Излучение первоначально падает на фотодиод 1 под углом β к нормали активной поверхности фотодиода 1. Угол β подбирается экспериментальным путем при юстировке трап-детектора в схеме измерений мощности падающего излучения. При юстировке добиваются такого угла β, который обеспечивает наибольшее покрытие активной поверхности фотодиодов падающим излучением. Обычно величина данного угла β близка к 45°, но может быть отличной как в большую, так в меньшую сторону.
Для обеспечения заданного количество отражений угол α между фотодиодами 1 и 2 рассчитывается по соотношению:
в котором:
α - расчетный угол между фотодиодами, град.;
β - угол между линией падающего излучения и нормалью к поверхности первого на пути падающего излучения фотодиода, град.;
N - количество отражений падающего излучения в трап-детекторе.
i
При этом, длина фотодиодов L (в направлении распространения излучения), должна быть не меньше, чем рассчитанная из соотношения:
в котором:
а - расстояние между фотодиодами 1 и 2 в точке первоначального входа падающего излучения м;
индекс i - номер фотодиода;
Li - длина i-|го фотодиода в направлении распространения излучения, м.
Длины фотодиодов не обязательно должны быть равны между собой - они могут быть как одинаковыми, так и различными.
Выполнение указанных выше условий позволит достичь требуемого технического результата.
Расстояние между фотодиодами «а» в точке первоначального входа падающего излучения определяется с учетом соотношения (2) и выбирается опытным путем в зависимости от диаметра пучка падающего излучения.
Например, при а=9 мм, для 9-ти кратного отражения, согласно соотношению (2)
L≥9⋅tg(2⋅45°-2⋅11,25°)=21,6 мм.
Фотодиод 1, устанавливаемый первым на пути падающего луча (излучения), обладает такой квантовой эффективностью, которая обеспечивает возможность детектирования количества энергии, в пределах заданной точности, равного количеству энергии, детектируемой вторым фотодиодом, т.е. - обеспечивает получение сигнала с первого фотодиода равного, в пределах заданной точности, сигналу второго фотодиода.
1
Для достижения высокой относительной точности измерений, например, равной 0,999885 (или неопределенности измерений равной 115 ppm) сигналы фотодиодов должны быть равны друг другу в пределах ±5%. Для этого активная поверхность первого на пути падающего излучения фотодиода 1 должна обладать коэффициентом поглощения излучения приблизительно равным ε≈0,5.
1
1
1
В этом случае расчетная квантовая эффективность данного фотодиода при однократном падении излучения на него составляет EQE=ε⋅IQE≈0,5⋅0,999991≈0,4999955, где:
1
EQE - расчетная квантовая эффективность;
1
IQE≈0,999991 - внутренняя квантовая эффективность фотодиода.
12
-3
2
В качестве фотодиода 1 может быть использован, например, планарный фотодиод прямоугольной формы с инверсионным слоем n-типа в кремнии p-типа с размером активной области 11×22 мм, выполненный на базе легированной бором (концентрация легирующей примеси 2×10 см) кремниевой пластины толщиной 525 мкм с удельным электрическим сопротивлением ~6,6 кОм×см (Meelis Sildoja, Farshid Manoocheri, Mikko Merimaa, Erkki Ikonen, Ingmar Lutz Werner, Jarle Gran, Toomas  Marek  and Maria Luisa Rastello «Predictable quantum efficient detector: I. Photodiodes and predicted responsivity». - Metrologia, 50 (2013) 385-394, doi:10.1088/0026-1394/50/4/385). Активная поверхность фотодиода 1 образована слоями оксида кремния SiO и кремния Si толщиной 220 нм, а также - промежуточным слоем между ними толщиной ~1 нм.
Фотодиод 2 - фотодиод, располагаемый вторым на пути падающего излучения, - улавливает отраженное от первого фотодиода излучение. Его активная поверхность обладает коэффициентом поглощения, превышающим коэффициент поглощения активной поверхности фотодиода 1. Величина коэффициента поглощения активной поверхности фотодиода 2 определяется заданной точностью измерений. Для получения наиболее высокой точности необходимо использовать фотодиод, обладающий наиболее высоким коэффициентом поглощения его активной поверхности.
Теоретическое достижимое максимальное значение коэффициента поглощения для активных поверхностей фотодиодов равно ε=1. Достигнутые на практике высокие значения коэффициента поглощения составляют ε=0,90-0,96. Выбор используемого фотодиода 2 определяется исключительно заданной точностью измерений, т.е. чем выше требуемая точность, тем большим должен быть коэффициент поглощения активной поверхности фотодиода 2.
2
2
2
2
2
В качестве фотодиода 2 может использоваться, например, планарный фотодиод прямоугольной формы с наноструктурированной поверхностью, которая обладает высоким коэффициентом поглощения излучения ε≈96%=0,96 и имеет аналогичную фотодиоду 1 внутреннюю квантовую эффективность IQE≈0,999991 (Mikko A. Juntunen, Juha Heinonen, Ville  Repo, Dileep Valluru and Hele Savin Near-unity quantum efficiency of broadband black silicon photodiodes with an induced junction.DOI:10.1038/NPHOTON.2016.226,P.l-6, www.nature.com/naturephotonics). Квантовая эффективность данного фотодиода при однократном падении излучения на него составляет EQE=ε⋅IQE≈0,96⋅0,999991=0,95999136.
.
Взятый в качестве примера фотодиод 2 имеет длину, одинаковую с фотодиодом 1, и изготовлен на основе 525 мкм высокорезистивной (>10кОмсм) кремниевой подложки n-типа с ориентацией кристалла ↑100↑. Длины фотодиодов не обязательно должны быть равны между собой - они могут быть как одинаковыми, так и различными. Взятые в качестве примера фотодиоды имеют равную длину 22 мм, что соответствует условию (2).
Активная поверхность фотодиода текстурирована индуктивно объединенными плазмареакционными ионами, образованными оксидом алюминия типа b-Si. Область b-Si окружена областью бора для реализации омического контакта в инверсионном слое. Структура фотодиода 2 аналогична структуре фотодиода с индуцированным p-n переходом.
Устройство работает следующим образом.
Квантовый трап-детектор - устанавливают таким образом, чтобы исследуемое монохроматическое излучение первоначально падало на фотодиод 1 под углом β (например, 45°) к нормали поверхности фотодиода 1 и лишь затем попадало на фотодиод 2.
1
2
При попадании излучения в трап-детектор первоначально фотодиод 1 поглощает около 50% энергии падающего излучения и IQE≈99,9991% от ее количества преобразует в электрический ток (фототок). Затем отраженный от фотодиода 1 поток излучения, составляющий ~50% от исходного, попадает на фотодиод 2, обладающий более высоким коэффициентом поглощения. Фотодиод 2 максимально поглощает энергию излучения, количество которой для конкретно взятого фотодиода составляет 96% энергии потока и, далее IQE≈99,9991% от ее величины аналогично фотодиоду 1 преобразует в электрический ток (фототок). Отраженная часть (~4% для конкретно взятого фотодиода) от фотодиода 2 падает на фотодиод 1, где снова преобразуется в фототок. Так повторяется 7, 9, или 11 раз, в зависимости от выбранного угла между фотодиодами. Количество отражений определяется требуемой точностью измерений и, так же как в прототипе, задается углом между фотодиодами (например, α=15° или α=11,25°).
1
2
Таким образом, в результате попадания излучения в трап-детектор, фотодиоды 1 и 2 детектируют приблизительно равное количество энергии и генерируют приблизительно равные фототоки Ι и I, при этом сумма фототоков связана с величиной мощности падающего монохроматического излучения следующим известным соотношением:
в котором:
Ρ - мощность падающего монохроматического излучения, Вт;
-34
h=(6,6260755±0,00023)×10 - постоянная Планка, Дж×с;
8
с=2,99792458×10 - скорость света в вакууме, м/с;
-19
е=1,602176462(65)×10 - элементарный заряд, Кл или (А×с);
λ - длина волны монохроматического излучения, м;
QED - общая квантовая эффективность квантового трап-детектора.
Общая квантовая эффективность QED трап-детектора рассчитывается по известному соотношению:
j
в котором:
1погл
2погл
P, Р - величина мощности потока излучения, поглощенного первым и вторым фотодиодом, соответственно, Вт;
1поглi
2поглi
P, Р - величина мощности потока излучения, поглощенного первым и вторым фотодиодом после i-гo поглощения (отражения), соответственно, Вт;
N - количество отражений падающего излучения;
1
IQE - внутренняя квантовая эффективность фотодиода 1;
2
IQE - внутренняя квантовая эффективность фотодиода 2.
На фиг. 2 в виде таблицы представлен пример расчета квантовой эффективности для трап-детектора, обладающего 7-ми кратным отражением (N=7).
Из таблицы следует, что общая квантовая эффективность предложенного трап-детектора с семикратным отражением и конкретно взятыми фотодиодами составляет QED(N=7)≈⋅0,999885, что соответствует неопределенности измерений ~115 ppm.
Для трап-детектора с большим количеством отражений данная эффективность становится еще выше.
Из таблицы (фиг. 2) следует, что величины мощностей, поглощаемых фотодиодами, близки друг к другу (различие составляет ~4%), следовательно, также близки и в таком же соотношении находятся генерируемые ими фототоки, что является существенным выгодным отличием от устройства-прототипа и известных аналогов.
Данное соотношение фототоков позволяет расширить как верхний, так и нижний предел диапазона измеряемых мощностей.
Нижний предел мощности, измеряемой трап-детектором, определяется следующим образом.
т
Измеряемые минимальные значения мощности монохроматического излучения лимитируются темновым фототоком I фотодиодов и, главным образом, зависят от соотношения сигнал-шум в фотодиоде, поглощающем меньшую мощность, т.е. - в фотодиоде 2.
ф
ф
т
В технике измерений общепринято считать, что для надежной регистрации полезного сигнала с доверительной вероятностью 0,95 требуется соотношение сигнал-шум не хуже 5 дБ, что соответствует отношению измеренный фототок I - темновой ток Ι/Ι≈1,8.
2
т
1
2
2
2
Для рассмотренных в качестве примера фотодиодов, использованных в заявляемом устройстве, величина темнового фототока находится в пределах 16-30 нА, следовательно, минимальный фототок, измеряемый трап-детектором, определяется фототоком второго фотодиода I=1,8⋅I=1,8⋅30=54 нА и согласно таблице составляет Ι=Ι+I=1,04⋅I+I≈110 нА.
1
2
-9
Данному значению фототока, например, для длины волны падающего излучения λ=656,3 мкм, согласно соотношению (2), соответствует значение измеряемой мощности (λe/hc=0,529315; QED=0,999885; Ι=Ι+Ι=110⋅10):
или Р≈0,2 мкВт.
1
2
1
2
Для сравнения, в устройстве-прототипе соотношение генерируемых фотодиодами фототоков составляет I/I=6-18, следовательно, при соотношении I/I=6 аналогичное значение измеряемой минимальной мощности равно:
или Р≈0,7 мкВт;
1
2
а для соотношения I/I=18 соответствующее значение мощности равно Ρ≈1,9 мкВт.
Из приведенных оценок следует, что в сравнении с прототипом предложенное устройство позволяет измерять существенно меньшие мощности оптического излучения (в три и более раза) до значений порядка 0,2 мкВт и, следовательно, имеет лучшую чувствительность.
Верхний предел мощности, измеряемой трап-детектором, определяется следующим образом.
Регистрируемое трап-детектором максимальное значение мощности падающего излучения определяется предельно-допустимой для данного типа фотодиодов принимаемой мощностью. В предлагаемом устройстве, так же, как и в прототипе, фотодиодом, лимитирующим указанный параметр, является первый на пути падающего излучения фотодиод, т.е фотодиод 1. В отличие от прототипа, в котором фотодиод 1 улавливает ~90% падающей мощности, в предлагаемом устройстве фотодиод 1 улавливает около 50% мощности падающего излучения.
1пред
Так как конкретно взятый в качестве примера фотодиод допускает регистрацию излучения с мощностью, не превышающей Ρ≈500 мкВт, следовательно, сам трап-детектор позволяет улавливать и регистрировать мощность равную Р=500/0,51=980 мкВт, т.е. - в два раза большую предельно-допустимой мощности отдельного фотодиода.
1
2
Для сравнения, в устройстве-прототипе при соотношении фототоков I/I=6 предельная мощность, регистрируемая трап-детектором, равна:
мкВт.
Следовательно, предлагаемое устройство в 1,6 раза повышает верхнюю границу измеряемой мощности.
Технические данные при реализации устройства:
спектральный диапазон, нм:
400-900
динамический диапазон, мкВт:
0,2-1000;
основная погрешность устройства, ppm:
100-115.
Таким образом, применение предложенного трап-детектора за счет использования в его составе фотодиодов с различными коэффициентами поглощения излучения позволяет существенно расширить динамический диапазон измерений мощности с одновременным существенным повышением точности в области границ динамического диапазона.