Extrem schmalbandiger Photodetektor für UV-Strahlung

Um Gifte und Gefahrstoffe in der Luft rasch nachweisen zu können, werden oft Detektoren eingesetzt, die zurückgestreutes Licht im ultravioletten (UV) Spektralbereich analysieren. Jede Substanz weist eine Art optischen Fingerabdruck auf, der beispielsweise durch Anregung per Laser abgerufen wird.

Dazu sind extrem schmalbandige Photodetektoren notwendig, die nur für bestimmte Wellenlängen empfindlich sind. Wissenschaftler des Paul- Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) haben kürzlich in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Indien und Spanien solch einen Detektor für UV-Strahlung in der Fachzeitschrift Applied Physics Letters (Nr. 90, 091110) vorgestellt. Er hat eine Detektionsbandbreite von lediglich 6 Nanometern und ist damit fünfmal schmalbandiger als vergleichbare Photodetektoren. Hinzu kommt, dass der Detektor die Polarisation des Lichtes erkennen kann. Das hilft dabei, störende Hintergrundstrahlung herauszufiltern.

Das internationale Wissenschaftlerteam unter Leitung von Holger Grahn (PDI) entwickelte den Detektor mithilfe einer photoempfindlichen Schicht aus nichtpolarem Galliumnitrid (GaN) auf einem Substrat aus Lithiumaluminat (LiAlO2). Die aktive GaN-Schicht ist dabei nur 0,4 Mikrometer dick, ungefähr ein Zehntel des Durchmessers eines Staubkorns. Die GaN- Schicht wurde am PDI (Oliver Brandt) hergestellt, der Photodetektor wurde an der Universidad Politécnica de Madrid in Madrid, Spanien, (Carlos Rivera, Jose Luis Pau und Elias Muñoz) strukturiert und die Messungen wurden am Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai, Indien, von Sandip Ghosh durchgeführt.

Der neue Detektor eignet sich für den Echtzeit-Nachweis von biologischen und chemischen Stoffen in der Luft, die mittels eines Laserstrahls zum Leuchten angeregt werden. Aus dem zurückgestrahlten Licht ermittelt der Detektor die optischen Fingerabdrücke der Substanzen. Um möglichst viele Stoffe auf einmal nachweisen zu können, bedarf es vieler kleiner photoempfindlicher Elemente, die alle jeweils exakt auf ganz bestimmte unterschiedliche Wellenlängen reagieren, also eine enge spektrale Bandbreite aufweisen. Das Element, das das internationale Team jetzt vorstellte, ist etwa nur so groß wie ein Stecknadelkopf und weist nur ultraviolette Strahlung mit einer Wellenlänge von 360 nm nach.

Quelle: Sandip Ghosh et al.: Very narrow-band ultraviolet photodetection based on strained M-plane GaN films. In: Applied Physics Letters 90, 091110 (2007).

Weitere Informationen: Prof. Dr. Holger T. Grahn, 030/20377-318 (htgrahn@pdi-berlin.de) oder Dr. Oliver Brandt, 030/20377-332 (brandt@pdi-berlin.de).

English version:

Photo-detector with a very narrow bandwidth
Scientists of the Paul Drude Institute for Solid State Electronics together with colleagues from India and Spain present a new device
For a fast detection of hazardous biological and chemical agents in air, photo-detectors analyzing scattered light in the ultraviolet (UV) spectral range are often employed. Every material exhibits a kind of optical fingerprint, which for example can be retrieved by laser excitation. For this purpose, photo-detectors with an extremely narrow bandwidth are necessary, which are only sensitive to particular wavelengths. Scientists of the Paul Drude Institute for Solid State Electronics (PDI) together with colleagues from India and Spain have recently presented such a detector for UV radiation in the journal Applied Physics Letters (Vol. 90, 091110). This detector exhibits a bandwidth of only six nanometers (nm), being therefore five times narrower than the one of comparable photo-detectors. In addition, the photo-detector is sensitive to polarized light, helping to reduce the scattered background radiation.

The international research team led by Holger Grahn (PDI) developed the detector using a photo-sensitive layer of non-polar gallium nitride (GaN) on a substrate of lithium aluminate (LiAlO2). The active GaN layer is 0.4 micrometers thick, about ten times smaller than the diameter of a typical dust particle. The GaN layer was produced at the PDI (Oliver Brandt), the photo-detector was processed at the Universidad Politécnica de Madrid in Madrid, Spain (Carlos Rivera, Jose Luis Pau und Elias Muñoz), and the measurements were performed at the Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai, India (Sandip Ghosh).

The new detector is suitable for real-time identification of biological and chemical agents in air, which are excited by a laser beam to produce fluorescence in the UV spectral range. The detector can then be used to extract the optical fingerprint from the scattered light. In order to simultaneously detect as many substances as possible, a larger number of photo-detectors with very narrow bandwidths are necessary, each of them being sensitive to a particular wavelength. The device presented by the international research team is as small as a pin head and detects only UV radiation of 360 nm.

Source: Sandip Ghosh et al.: Very narrow-band ultraviolet photodetection based on strained M-plane GaN films. In: Applied Physics Letters 90, 091110 (2007).

For more information, please contact: Prof. Dr. Holger T. Grahn, +49-30-20377-318 (htgrahn@pdi-berlin.de) or Dr. Oliver Brandt, +49-30-20377-332 (brandt@pdi-berlin.de).