Infraroodtechniek: Fotodetectoren (1971)
Afbeeldingsscanner voor onderzoek aan fotodetectoren (1971)
Originele titel: “An On-line Display Method for Scanners Applied to Photo-detectors”
Samenvatting
Bij de ontwikkeling en fabricage van nieuwe licht- en infraroodgevoelige sensoren in de jaren zeventig van de 20e eeuw werden bij TNO op de Waalsdorpervlakte gedetailleerde metingen met een optisch aftastsysteem (scanner) gedaan om daarmee de productie te bewaken en te verbeteren. In het bijzonder betrof dit de ontwikkeling van infraroodgevoelige kristallijn InSb (Indium Antimonide) sensoren. Voor het onderzoek was een optische scanner gebouwd en zijn speciale elektronische schakelingen ontwikkeld. Daarmee werd het mogelijk om op een oscilloscoop een gedetailleerde afbeelding te maken van de gevoeligheidsverdeling over het oppervlak van de geproduceerde sensoren. Ontwerp en werking van zowel de scanner als van het weergavesysteem worden hieronder besproken. De verkregen resultaten worden met een paar voorbeelden geïllustreerd.
Inleiding
Bewerking van een (kristal)oppervlak met het doel de best mogelijke gevoeligheid te verkrijgen resulteert altijd in een aantal onvolkomenheden. Die onvolkomenheden hangen af van de aard van de bewerkingen, zoals zagen, slijpen, etsen en (chemisch) polijsten. Met name stofdeeltjes en droogrestanten zullen van invloed zijn op de kwaliteit van de gemaakte sensor. Hieronder wordt uitgelegd hoe informatie over het uiteindelijk resulterende inhomogeen zijn van de gevoeligheidsverdeling over het oppervlak van een fotodetector kan worden weergeven. Het basisidee is dat door het oppervlak van een fotodetector met een gefocusseerde lichtbundel af te tasten, de variërende sterkte van het verkregen detectorsignaal gebruik kan worden om er een bruikbare afbeelding mee te maken. Door de afbeelding te bestuderen krijgen we indicaties van de kwaliteit van de geproduceerde sensoren (detectierendement). Diverse typen imperfecties kunnen zo aan het licht komen.
Afbeeldingmethodieken
De principes van gebruikelijke afbeeldingmethoden voor de directe weergave op een X-Y oscilloscoop van het sensorsignaal, verkregen door het optische aftasten daarvan, zijn als volgt. We geven de coördinaten van de bewegende lichtvlek aan met respectievelijk “X” voor de “horizontale” positie en “Y” voor die van de “verticale”. Met “Z” geven we de momentane (plaatsafhankelijke) signaalsterkte van de detector aan.
Methode 1
De uitgangsspanningen van de scanner die de X-Y positie van de lichtvlek vertegenwoordigen worden respectievelijk op de “X” en “Y” ingang van een oscilloscoop aangesloten. De signaalsterkte van de detector wordt aangesloten op de ingang van de oscilloscoop die de lichtvlekintensiteit op het scherm aanstuurt. Alleen vrij grove variaties van de gevoeligheid over het detectoroppervlak zijn op deze wijze goed weer te geven.
Methode 2
Uit de signalen uit de scanner (X, Y en Z) worden de twee signalen afgeleid: X’= Z+A*X en Y’= Y+B*X waarbij A en B geschikt gekozen constanten zijn. De X’en Y’ signalen worden respectievelijk verbonden met de X- en Y-ingangen van de oscilloscoop. De intensiteit van de oscilloscoop wordt daarbij niet gemoduleerd met het Z-signaal. Het aantal scan-“lijnen” dat voor het opbouwen van het oscilloscoopbeeld wordt gekozen, wordt laag gehouden. De afgebeelde lijnen doorsnijden (overlappen) elkaar namelijk, zodat het weergeven van veel lijnen tot een onbruikbaar resultaat leidt.
Hieronder volgt de beschrijving van een gemodificeerde uitvoering van deze methode. Met behulp van elektronische circuits worden de bovengenoemde lijndoorsnijdingen voorkomen. Er is daardoor geen beperking in de resolutie anders dan door wat de scanner kan produceren. Met de laatste methode werd ervaring opgedaan bij de ontwikkeling van voor die tijd nieuwe fotovoltaïsche (PV = photo voltaic) detectors.
Noot: Fotovoltaïsche energie is de directe omzetting van (zon)licht in elektriciteit. Sommige materialen hebben de eigenschap om lichtfotonen te kunnen absorberen en zo gebonden elektronen vrij te maken. Dit wordt het fotovoltaïsch effect genoemd, als daarbij een elektrische spanning ontstaat.
Beschrijving van de toegepaste methode
De Cartesiaanse coördinaten voor een bewegende lichtvlek op een gescand oppervlak wordt aangegeven met X en Y, gemeten op dat oppervlak. Y staat voor de coördinaat van de snelle scan. Het uitgangssignaal van het gescande object wordt voorgesteld met de letter Z. X, Y en Z zijn gemeten spanningen in Volt. De eenwaardige functie Z(X,Y) kan worden voorgesteld door het gekromde oppervlak van een voorwerp in de zichtbare driedimensionale ruimte. Deze situatie is weergegeven in fig.1, waarin het gedeelte in het Z-Y vlak is gemarkeerd met stippen. Dit gedeelte is afzonderlijk weergegeven in fig. 2. Als (Y, Z) een punt is langs dat gedeelte waarbij tevens wordt aangenomen dat Yp = Y + Z * cotg(alfa) is, waarbij Yp kan worden voorgesteld als het punt (Y, Z) geprojecteerd op de Y-as vanuit de richting van de waarnemer onder een hoek alfa.
Het punt (Y1, Z1) is een punt langs de omtrek welke is geprojecteerd in Y1p. Dan kan uit fig.2 worden vastgesteld dat (Y, Z) zichtbaar is wanneer er geen punt (Y1, Z1) is waarvoor geldt Y1p > Yp terwijl Y1 < Y.
Fig 2: Punt (Y, Z) is niet zichtbaar omdat Yp kleiner is dan Y’p
Door de waarnemer veraf van het object te plaatsen wordt alfa een constante. Daaruit volgt de eenvoudige vergelijking Yp=Y+Z*A waarin A staat voor cotg(alfa). Het maken van een “schijf” in het Y-Z vlak wordt een lijnscan genoemd. Bij iedere lijnscan, waarbij Y toeneemt constateren we het volgende. Voor de zichtbaarheid van het betreffende punt (Y, Z), moet Yp groter zijn dan alle voorgaande waarden gedurende de lijnscan gemeten.
Bij het gebruik van een peak-hold schakeling kan het zichtbaar zijn van een punt worden bepaald. Yp wordt als ingangssignaal van de peak-hold schakeling gebruikt, het uitgangssignaal wordt met Ym vastgelegd. De diode wordt verondersteld ideaal te zijn. Gedurende de perioden waarin Ym in waarde toeneemt volgt deze het Yp signaal. Op andere momenten is deze constant en groter dan Yp. De waarde voor de drempel Y0 wordt zodanig gekozen dat voor de initiële punten van alle scans Yp groter is dan Y0.
Een gehele afbeelding wordt opgebouwd door het samenstellen tot een plaatje van de Ym-lijnen van opeenvolgende aantallen lijnscans bij maar gering toenemende waarden van X. De X-scan wordt de langzame scan genoemd. De condensator C moet na iedere snelle scan worden ontladen.
Karakteristiek voor het peak-hold circuit is dat de zichtbaarheid van een punt wordt bepaald door de diode, die of geleidt of spert. De toestand van de diode wordt ook weergegeven in de waarde Ym welke of toeneemt of constant blijft. Het is vanzelfsprekend dat de punten alleen zichtbaar zijn bij geleiding van de diode. Door gebruik te maken van Yp voor de verticale en X voor de horizontale afbuiging van een oscillograaf en de helderheid van de spot te onderdrukken tijdens de gesperde momenten van de diode verkrijgen we afbeeldingen die het gekromde oppervlak zonder overlap weergeven. Daarvoor is tevens voorzien in de onderdrukking van de kathodestraal gedurende de terugslag tijdens de snelle scan.
Uit Fig.4 mogen we concluderen dat door Ym in plaats van Yp te gebruiken er in het geheel geen overlapping kan plaats vinden. Daarom is het niet nodig om afhankelijk van de toestand van de diode nog aan verdere onderdrukking te doen. De beste resultaten in de praktijk werden echter verkregen door zowel Ym als ook onderdrukking te gebruiken. De laatste alleen bij de relatief langer durende perioden van een constante waarde Ym. Dit heeft als resultaat dat contouren in de plaatjes worden versterkt.
Opeenvolgende lijnscans moeten zo dicht mogelijk bijeen worden uitgevoerd om een nauwkeurig beeld op te leveren. Een geschikt aantal is 2000 lijnscans. Bij een frequentie van 100 Hz voor de snelle scan neemt het maken van een afbeelding 20 seconden in beslag. Tijdens het scannen wordt een foto van het scherm gemaakt.
Experimentele uitvoering
Schematisch is in Fig. 5 de flying-spot scanner weergegeven. In de experimentele uitvoering werd een He-Ne laser bundel (0,63 µm) verzwakt, verbreedt met een telescoop, gereflecteerd door twee spiegels en gefocusseerd op het oppervlak van de te meten sensor (detector).
Een spiegelgalvanometer wordt gebruikt voor de slow scan. De snelle scan wordt verkregen door een torsiescanner met een resonantiefrequentie van 100 Hz. De stuursignalen worden gegenereerd door de elektronische schakeling weergegeven in Fig. 6.
Alle gebruikte frequenties in de elektronische schakeling, behalve die van de zaagtandgenerator voor het X-signaal, worden afgeleid van een 100 kHz kristaloscillator. Twee vierkantsgolven van 100 Hz worden verkregen door deling. Een met de hand instelbare faseverschuiving tussen twee vierkantsgolven wordt gerealiseerd met een univibrator, welke in Fig. 6 is aangegeven met “variable delay”. Van deze golfvormen wordt een driehoeksgolf en sinusgolf afgeleid door achtereenvolgens te integreren en low-pass te filteren.
De spanning met de sinusvorm wordt aan de torsiescanner toegevoerd. Ter compensatie van de kleine verschilfout tussen de resonantiefrequentie van de torsiescanner en de sinusvormige frequentie moet een faseverschuiving worden aangebracht welke door de eerder genoemde “variable delay” wordt gerealiseerd. De amplitude van het sinussignaal wordt zodanig gekozen dat de lichtvlek steeds op het af te tasten deel van de sensor ligt tijdens de nagenoeg lineaire delen van de sinus.
De uitgangspanning (Z) wordt met een bandbreedte van 0 tot 100 kHz versterkt toegevoegd aan de driehoekvormige spanning, die de Y-coördinaat representeert. Het resultaat wordt daarmee Yp=Y+Z*A. Signaal Yp wordt aan de peak-hold schakeling gekoppeld, welke daarmee Ym als output oplevert. Dit signaal wordt aangeboden aan de verticale ingang van de oscillograaf.
De zaagtandgenerator heeft een hoogst instelbare duur van 20 seconden. Dit signaal wordt verbonden met de horizontale ingang van de oscillograaf en de X-spiegel (galvanometer).
De licht- en infraroodgevoelige detectoren werden bij TNO gemaakt van N-type een-kristallen van InSb (Indium Antimonide). Na het zagen van de oorspronkelijke kristallen in kubussen werden de beschadigde oppervlakken verwijderd door etsen en chemisch polijsten. Een P-type oppervlaktelaag werd door diffusie opgebracht. Een mesastructuur werd uit één van de kubussen geëtst door een deel van het gepolijste oppervlak te bedekken en de omliggende P-laag weg te etsen. Verbindingen werden gemaakt aan de beide zijden van de P-N junction, de N-zijde werd aan een Kovarstrip gesoldeerd. Deze strip was verbonden met het koude gedeelte van een Dewarvat met vloeibare stikstof. De detectoropstelling werd vervolgens opgesteld voor een venster met een lage absorptiecoëfficiënt voor zowel zichtbaar als infrarood licht.
Onderstaande plaatjes zijn Ym-X afbeeldingen. Zij verschijnen als een aantal doorsnijdingen van het object, loodrecht op de kijkrichting. Dit is het resultaat van het gebruik van impulsgeïntensiveerde modulatie voor de afbeelding met een frequentie van 100 kHz. Door deze aanpak wordt een betere afbeelding voor de steile gedeelten verkregen.
In de experimentele opstelling werd de intensiteitmodulatie zo gestuurd zodat deze tijdens de terugslag van de X- en Y-scans en gedurende de relatief lange periodes met een constante Ym wordt onderdrukt. De intensiteitmodulatie kon worden versterkt door gebruik te maken van impulsen met 3 µs breedte verkregen uit de delerschakeling. Voor de herhalingsfrequentie kon worden gekozen uit 100, 50, 25 en 12,5 kHz.
Wanneer er een extra impuls werd toegevoerd aan de flip-flop schakeling die de Y-generator bestuurt, kon er een faseverschuiving van 180<sup>0</sup> worden ingesteld voor de snelle scan. Daarmee werd overeenkomstig de symmetrische scan eenzelfde afbeelding verkregen, alleen gezien vanaf de tegenovergestelde zijde.
Het zagen en slijpen veroorzaakt scheurtjes, die de recombinatie van elektronen en gaten aan het oppervlak kunnen verhogen, en bij een fotovoltaïsche detector in de depletielaag isolatieverlies veroorzaken. Ook kan de reflectiecoëfficiënt veranderen. De scheurtjes hebben gewoonlijk de structuur van sporen (banen) en daaraan mogelijk gekoppeld sporen van verminderde gevoeligheid aan het oppervlak (Fig.8).
De baantjes met verminderde gevoeligheid werden veroorzaakt door schade bij het zagen. Het relatief grote gat in het midden werd veroorzaakt door de contactelektrode. Stofdeeltjes en droogresten zullen de gevoeligheid overeenkomend met hun optische eigenschappen veranderen. Zij kunnen enerzijds de gevoeligheid door absorptie verminderen en anderzijds deze juist verhogen door anti-reflectie-effecten. De onvolkomendheden zijn zichtbaar als spikes en gaten (Fig.9).
Wanneer een antireflectie laag voor golflengte van 5 µm wordt aangebracht, veroorzaken onzuiverheden, zoals gaten, plekken van gewijzigde gevoeligheid overeenkomstig de eigenschappen van stofdeeltjes. Echter dit effect hangt af van de golflengte van het licht (Fig.10)
De weerstand van de laag aan het oppervlak van een fotovoltaïsche detector veroorzaakt een daling in de efficiëntie en een toenemende afstand naar de contactelektrode. Het effect door deze afstand hangt af van de verhouding van de oppervlakte-impedantie van de oppervlaktelaag tot die van de junction-weerstand (Fig. 11)
Op de overgangen van de P-N junction wordt dikwijls een stijging van de gevoeligheid waargenomen veroorzaakt door het afnemende effect van interne en oppervlakterecombinaties, in het bijzonder wanneer de junction nogal diep ligt. (Fig. 12) Natuurlijk is er geen gevoeligheid aanwezig op de gesoldeerde contactaansluiting en daar waar de stroomgeleider het oppervlak bedekt.
De genoemde oorzaken van onzuiverheden zijn veroorzaakt bij het voorbereiden van de diodes, maar worden tevens veroorzaakt door fouten in het aangeleverde kristal. De afbeeldingen van Fig. 12a en 12b en 13 zijn voorbeelden van diodes zonder noemenswaardige niet-homogene samenstelling.
Deze detector laat een zeer homogeen beeld over het oppervlak zien. Voor een meer gedetailleerd beeld is een verkleining van de scanspot en daaraan gekoppeld een hogere afsnijfrequentie voor de elektronische componenten vereist (Fig. 13).
