华林科纳用于硅探测器设计的紫外线抗反射涂层

我们华林科纳报道了用于电荷耦合器件（CCD）探测器的涂层的开发，该探测器优化用于固定色散紫外光谱仪。由于硅的折射率快速变化，单层宽带抗反射（AR）涂层不适合在所有感兴趣的波长下提高量子效率。相反，我们描述了一种创造性的解决方案，它在紫外线波长下提供了出色的性能。我们描述了在120至300nm波长下理论量子效率（QEs）大于60%的涂层CCD探测器的开发进展。这种高效率可以通过用一系列薄膜AR涂层涂覆背面照明的、减薄的、delta掺杂的CCD来实现。测试的材料包括MgF2（针对120–150 nm的最高性能进行了优化）、SiO2（150–180 nm）、Al2O3（180–240 nm）、MgO（200–250 nm）和HfO2（240–300 nm）。测试了各种沉积技术，并将硅测试晶片上的反射率最小化的涂层应用于功能器件。华林科纳还讨论了未来的用途和改进，包括分级和多层涂层。

电荷耦合器件（CCD）于1969年在贝尔实验室首次发明，并从此彻底改变了成像。CCD能够快速有效地数字化数据，其相对较低的噪声能力，以及100倍于胶片的灵敏度，这意味着它们很快成为现代天文学不可或缺的组成部分。对于紫外线天文学来说，CCD在历史上并不成功。虽然薄膜对几乎所有波长的光都很敏感，但未经修饰的CCD存在许多缺陷。CCD的前端电路在紫外线波长下是可吸收的。为了实现高效率，CCD采用背光；然而，硅衬底反过来又具有高反射性。更关键的是，紫外线光子在硅中的吸收深度很短。由此产生的电子-空穴对在表面发现陷阱，永远不会到达栅极进行最终读出。这些特性在开发高效的基于CCD的UV检测器方面产生了问题。围绕这些问题的一项值得注意的工作是用于哈勃太空望远镜（HST）上的宽视场行星相机2（WFPC2）。WFPC2使用厚的前照CCD，但将其涂覆在一层紫外线磷光体Lumogen中，通过将紫外线光子下变频至510–580 nm光子，Lumogen在200至400 nm范围内提供10%–15%的紫外线响应。HST上的当前相机WFC3也使用CCD（减薄并用带电的背面照明背面）和用于近紫外线（NUV）的抗反射（AR）涂层，但具有几个百分比的量子效率（QE）滞后。其他类型的紫外线探测器已经开发出来，并在当前的任务中使用，包括微通道板（MCP）（如JUNO、FUSE、GALEX、ALICE和FIREBall等）。虽然它们的光子计数能力使其有用，并且没有红色泄漏问题，但MCP仍然存在低QE【GALEX MCP在远紫外线（FUV，1344–1786Å）下为25%，在NUV（1771–2831Å）上为8%】，生产和利用具有挑战性。在这项工作中，我们研究了一种能够克服上述困难的改进CCD。

我们华林科纳选择了MgF2、MgO、HfO2、Al2O3和SiO2作为合适的AR涂层进行测试。所选择的材料反映了紫外线AR涂层的独特要求，包括良好的折射率和在所需波段的低吸收。必须能够以均匀的方式沉积薄膜，同时不会对CCD本身造成损坏。这消除了电子束蒸发（电介质涂层的常见选择）这一潜在技术，因为它会对CCD造成x射线损伤。我们测试了溅射、原子层沉积（ALD）和热蒸发技术的一致性，并测量了未涂覆Si衬底上薄膜的反射率。这是一种低成本、快速的功能器件测试替代方案。不利的一面是，测试仅限于该表面的反射率，这必然会忽略任何吸收损失。然后，我们将测量结果与理论模型进行比较。沉积技术及其对薄膜质量的影响将在即将发表的论文中进一步讨论。

选择了在保持50%以上的宽范围的同时提供接近峰值透射的厚度。然后在测试期间使用与该厚度相对应的反射率作为目标。我们试图制作一系列以这个目标为中心的薄膜厚度。通常，我们测试了几层厚度在靶上方和下方5至10nm之间变化的薄膜。硅衬底有几个已公布的折射率，这导致了预测反射率的一些不确定性。所有材料的折射率均取自Palik，但HfO2除外，HfO2来自Zukic等人。还查阅了Si的另一种折射率，取自Philipp和Taft。Philipp值在最短波长（低于150nm）处不同，并且预测比Palik值更低的反射率。

进行了进一步的测试以确保可靠性。采用与最佳贴合膜相同的沉积工艺，为每种材料制作两到三层膜。这里测试了两件事：沉积程序的可重复性和样品之间性能的一致性。所有的沉积已被证明是非常可重复的（厚度从靶变化1nm），并且对于ALD沉积尤其可重复。反射率的值在相同材料的样本之间也是一致的。

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审核编辑 黄宇