Sensoren für UV-Strahlung

09.09.2009 - Deutschland

Bei vielen technischen Anwendungen muss UV-Strahlung genau gemessen werden. Auch beim Sonnenlicht wollen wir wissen, wie viel UV-Strahlung auf unsere Haut trifft. UV-Photodetektoren basieren auf unterschiedlichen Materialien - je nach Anwendung sind bestimmte Eigenschaften wichtig. Das Ferdinand-Braun-Institut untersucht geeignete Materialien und entwickelt UV-Detektoren auf der Grundlage von Galliumnitrid und Siliziumcarbid.

Wird UV-Strahlung in einer Technologie eingesetzt, zum Beispiel zur Desinfektion von Wasser, darf die Strahlung weder zu schwach noch zu stark sein. Da UV-Lichtquellen im Laufe der Zeit an Intensität verlieren, kann die Strahlungsdosis nicht direkt gesteuert werden, sondern ein Sensor muss die tatsächlich abgegebene Leistung messen. Photodetektoren für den UV-Spektralbereich basieren auf unterschiedlichen Materialien: Derzeit sind Galliumphosphid (GaP) und Siliziumcarbid (SiC) auf dem Markt verbreitet. Dr. Markus Weyers vom Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) sagt: "Für verschiedene Anwendungen gibt es unterschiedliche Anforderungen an die Photodetektoren. Das eine optimale Material gibt es nicht." Galliumphosphid hat beispielsweise den Nachteil, dass es nicht nur im UV-Bereich empfindlich ist, sondern auch im sichtbaren Bereich - im Fachjargon heißt das, die Visible Blindness ist niedrig. Oft ist eine hohe Visible Blindness gewünscht. Siliziumcarbid hat zwar eine hohe Visible Blindness, ist aber relativ teuer und auf UV-Wellenlängen oberhalb von 200 Nanometern beschränkt. Gute Möglichkeiten sieht Weyers für Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN): "Das ist ein sehr flexibles Material. Wir können damit die Empfindlichkeit für verschiedene Wellenlängen genau maßschneidern." Das liegt daran, dass AlGaN aus drei Elementen zusammengesetzt ist: Aluminium, Gallium und Stickstoff. Durch Variation des Aluminium-Gehalts lässt sich die Bandlücke und damit die Empfindlichkeit für bestimmte Spektralbereiche sehr fein einstellen. Es gibt eine Reihe von Eigenschaften, die die Wissenschaftler vom FBH noch verbessern möchten. So soll der sogenannte Dunkelstrom möglichst niedrig sein, also ohne zu messendes Lichtsignal soll auch kein Strom fließen. Der Dunkelstrom verursacht ein störendes Rauschen und begrenzt die Empfindlichkeit der Messung. Die Lebensdauer von UV-Sensoren ist oft problematisch, weil sie unter der Bestrahlung mit kurzwelligem, energiereichem UV-Licht schnell altern. Weiterhin steht die Erschließung von Wellenlängen unterhalb von 200 Nanometern aus, was neue Anwendungsgebiete ermöglicht. Neben einem derzeit laufenden ProFITProjekt gemeinsam mit der Berliner Firma JENOPTIK EPIGAP Optoelektronik zur Entwicklung von GaN-UV-Detektoren, das aus EFRE-Mitteln finanziert wird, ist ein BMBF-Projekt zu AlGaN-Detektoren in Vorbereitung.

Dr. Olaf Krüger sieht daneben einen Bedarf an Sensoren auf der Basis von Siliziumcarbid. SiC ist ein sehr hartes, chemisch beständiges und strahlungsfestes Material. Damit zeigt es selbst unter der Belastung von permanenter UV-Bestrahlung eine geringe Degradation. Mit seinem geringen Dunkelstrom und der hohen Visible Blindness aufgrund seiner großen Bandlücke ist es für viele Anwendungen sehr gut geeignet. Die Berliner Firma sglux GmbH hat nach einem Zulieferer für eine wichtige Kernkomponente ihrer Produkte zur Überwachung und Steuerung von UV-Strahlung gesucht und im Forschungsverbund zwei geeignete Partner dafür gefunden. Nun startet ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördertes Projekt, in dem das FBH gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) und der sglux GmbH eine eigene SiC-Photodiode entwickelt.

Bislang spielte das Material SiC im FBH allerdings nur als Substrat für Galliumnitrid-basierte Hochleistungsbauelemente eine Rolle. Es diente also als Träger, auf dem eine Schicht aktiven Materials abgeschieden und strukturiert wurde. Nun wird SiC erstmals im FBH als aktives Material für Bauelemente prozessiert. "Wir begeben uns damit auf Neuland", so Krüger. Aufgrund seiner Härte kann SiC mechanisch nur mit Diamant bearbeitet werden. Weil SiC chemisch sehr beständig ist, werden zum Abtragen und Strukturieren spezielle Plasmaätzreaktoren eingesetzt. Diese Prozesse dauern lange und erfordern einen besonderen apparativen Aufwand. Mit ihren Arbeiten unterstützen IKZ und FBH damit die Entwicklungsarbeiten von Berliner Unternehmen.

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