EUV硅光電二極管和較紫外光電二極管的溫度和偏振性能

時間：2023-10-27

使用National Synchrotron Light Source的光束線X24C測量EUV硅光電二極管（AXUV100型）的性能特性，在-92°C+41°C的溫度范圍內、3.0nm-88.2nm的波長范圍內，測量了二極管的靈敏度。這項工作可以較好的理解比室溫較冷或較熱的環(huán)境中的二極管靈敏度變化，例如在航天器上或在強烈的同步加速器或激光照射下。此外，還測量了具有多層干涉涂層的AVU100二極管的靈敏度與入射輻射偏振和入射角的關系。設計了Mo/Si多層涂層，當工作在45°入射角時，選擇性地傳輸Pl偏振輻射，以供底層二極管檢測，并有效地反射S偏振。結果表明，在以13.5nm為中心的多層反射率剖面內，可以準確測量輻射偏振。通過優(yōu)化多層涂層的透射率和反射率剖面，以達到所需的波長范圍和入射角，這種新的多層涂層較紫外光電二極管技術可以用于測量來自太陽、天體物理、同步加速器或較紫外和軟x射線波長上的入射輻射的偏振。

EUV硅光電二極管響應度的溫度依賴性

在-92°C到+41°C范圍內，測量AXUV100硅光電二極管的響應度隨溫度的變化。Optodiode光電二極管安裝在熱臺上，光電二極管的表面垂直于入射同步輻射光束(National Synchrotron Light Source光束線X24C)。在8種固定溫度下，分別在3.0nm、5.0nm、9.2nm、13.9nm、18.0nm、26.3nm、56.8nm和88.2nm為中心的8個狹窄波長區(qū)間內掃描入射輻射的波長。研究發(fā)現，響應度的變化，以每攝氏度變化百分比為單位，在波長間隔內近似恒定。如圖1所示，響應度隨波長間隔的不同而變化，誤差表示每個波長間隔內響應度的變化。在兩個較長的波長(56.8nm和88.2nm)，入射輻射強度較弱，這導致了較大的誤差。從圖1可以看出，響應度隨溫度的變化為正，且隨波長的增加有增大的趨勢。利用較小二乘技術對數據點擬合出平滑曲線，有幾個數據點明顯偏離曲線，這表明，響應度的變化可能取決于其他因素，而不僅僅是波長。響應度的變化依賴于光子能量沉積在光電二極管中的深度，使用其它參考文獻中描述的計算模型進行了研究，該模型基于較紫外光電二極管層的光學特性，計算了復菲涅耳系數和能量衰減作為進入光電二極管深度的函數。通過測量的AXUV100光電二極管的響應度進行比較，確定在6nm厚的SiO2表面層中電荷收集效率為15%，在底層硅中*增加到**。

圖2所示為計算出的體積響應度(VR)，即每單位體積產生的電流之比以及單位面積入射表面的輻射功率，單位為A/Wμm。對于兩個較長的波長(88.2nm和56.8nm)時，SiO2表面層吸收相對較強，且在在表面層以下，隨深度的增加而*減小。在9.2nm波長處，比在12.4nm處Si衰減邊緣，此處Si具有吸收性，在其下方的硅區(qū)域，VR相對較高SiO2表面層，在兩個較短的波長(3.0nm和5.0nm)， SiO2和Si具有透射性，VR隨著深度的增加而緩慢下降。

在8個波長中，利用體積響應率VR作為加權因子計算了光子能量沉積的平均深度，響應度隨能量沉積深度的變化，如圖3中所示。圖3中的曲線1擬合了這些數據點，該曲線是響應度隨深度變化的初始表示。正如預期的那樣，較長的波長88.2nm和56.8nm以及Si，L衰減邊緣以下的9.2nm波長具有較小的平均光子吸收深度。相對透射的13.9nm和18.0nm波長具有較大的平均能量沉積深度，5.0/56.8nm和3.0/26.3nm這兩對波長具有相似的平均能量沉積深度。由于對生成能量與EUV區(qū)域的波長無關，因此每對波長的響應度值都有類似的變化。然而，從圖3中的平方數據點可以看出，每對中較長波長處的響應度變化**每對中相應較短波長處的響應度變化。這是因為，雖然兩個波長具有幾乎相同的VR平均能量沉積深度，但較長的波長能量更多地沉積在響應度變化較大的SiO2表面層，而較短的波長能量更多地沉積在響應度變化較小的器件深處。因此，響應度的變化是通過使用與平方數據點擬合的曲線1和VR作為權重因子來計算的。通過VR加權得到的響應度平均變化由圖3中的三角形數據點和擬合曲線#2顯示。5.0/56.8nm和3.0/26.3nm波長對之間的差異被降低到不顯著的水平。圖3中的曲線#2，即較終推斷的響應度變化，表明在6nm的SiO2表面層，響應度變化相對較高(高達0.12% /C)，在深度大于200nm時，響應度變化*下降至恒定值0.02% /C。還測定了一種SXUV100型光電二極管的響應度的變化，發(fā)現在靠近表面的地方響應度較小。Optodiode光電二極管表面響應度的快速變化似乎與表面處理有關。響應度隨溫度的正變化可能是由于電荷載流子擴散增加導致耗散區(qū)域隨溫度的擴大。

多層涂層較紫外光電二極管的偏振性能：

用于測量EUV輻射偏振的標準技術是通過檢測從具有單一不透明層(如金)或多層涂層的鏡子上以45°角反射的偏振分量。EUV反射率對鏡面表面的污染或氧化很敏感。一種新開發(fā)的偏振測量技術是在硅光電二極管上沉積多層干涉涂層，并選擇性地檢測通過多層涂層傳輸到底層光電二極管的偏振分量。技術的優(yōu)點是涂層的透光率對表面條件相對不敏感，并且該設備是單片的，具有集成的探測器和偏振元件。

多層透射式偏振計由沉積在硅光電二極管表面的多層涂層組成。**個裝置在AXUV100光電二極管上實現了Mo/Si涂層通過計算設計，該涂層可以選擇性地以45°入射角**13.5nm波長輻射的p偏振分量，并有效地反射s偏振入射輻射。該涂層在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室通過直流磁控濺射沉積。該多層膜在Mo-on-Si界面處添加了薄層B4C阻擋層，增強了涂層的反射率和穩(wěn)定性。在NSLS X24C光束線上，用偏振單色同步輻射測量了多層涂層器件的性能。

考慮入射輻射光束的偏振后，Optodiode光電二極管上多層涂層的透射率和反射率如圖4所示。在入射角為45°、波長為13.5nm波長時，S較化值和P較化值的反差較大，分別為Tp-8.4%、Ts-0.2%、Rp-2.4%和R_S69.9%。因此P偏振被選擇性地透射，S偏振被主要反射。透射較化性能定義為Pr-(Ts-Tp)/(Ts+Tp)。從圖5可以看出，在13.5nm波長附近0.75nm寬的工作窗口內，Pr的值為-0.95 (Pr的負值是一種符號約定)。在較寬的波長范圍內，PR值**過+0.80，其較大值基本上為+1.0。這說明了多層偏振計器件可以實現的高偏振性能。

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