Standhafter Sensor
Aluminiumgalliumnitrid-basierte Sensoren halten kontinuierliche intensive UV-Strahlung aus.
Härten Hersteller Lacke und Klebstoffe, greifen sie oft zu UV-Lampen. Wie viel dieser UV-Strahlung auf der Oberfläche landet, überprüfen Sensoren aus Silizium oder Siliziumkarbid. Diese benötigen jedoch teure und nicht sonderlich UV-resistente Filter, um sichtbares Licht aus der gemessenen Strahlung herauszufiltern. Um sie nicht zu stark zu belasten, sind daher lediglich Momentaufnahmen möglich. Sensoren aus Siliziumkarbid dagegen halten zwar die UV-Strahlung aus, decken allerdings nur einen kleinen Spektralbereich ab. In den meisten industriellen Härtungsprozessen kommt es jedoch gerade auf den langwelligen Bereich an, in dem diese Sensoren ungenau arbeiten.
Abb.: Prozessierte Aluminiumgalliumnitrid-basierte UV-Sensoren auf einem Saphir-Wafer. (Bild: Fh.-IAF)
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF) in Freiburg haben nun gemeinsam mit weiteren Kollegen einen neuen UV-Sensor entwickelt. Er basiert auf Aluminiumgalliumnitrid und übersteht dauerhafte UV-Strahlung unbeschadet. „Somit ermöglicht er nicht nur Momentaufnahmen, sondern ein permanentes Inline-Monitoring“, sagt Susanne Kopta, Projektleiterin am IAF. Basis für die Sensoren bildet ein Saphir-Wafer. Auf diesen bringen die Forscher epitaktisch die aktiven Schichten auf.
Die Stärke des neuartigen Sensors liegt vor allem in Anwendungen, bei denen sehr hohe UV-Intensitäten auftreten und solchen, bei denen ein ganz spezieller Spektralbereich zu beobachten ist. Denn die Detektoren lassen sich auf zwei verschiedene Weisen einstellen: Entweder legen die Forscher eine Schwell-Wellenlänge fest. Der Sensor detektiert dann sämtliche UV-Strahlen, deren Wellenlänge unter dieser Schwell-Wellenlänge liegt. Oder man legt zwei Grenzwellenlängen fest und schneidet somit einzelne Bereiche des Spektrums heraus. „Der kleinste abbildbare Bereich umfasst dabei zwanzig Nanometer Wellenlängendifferenz“, erläutert Kopta. Über das Verhältnis von Gallium zu Aluminium in einer der Aluminiumgalliumnitrid-Schichten stellen die Forscher die Wellenlängen ein, die der Sensor wahrnimmt. Dieses Verhältnis festzulegen, ist eine der Herausforderungen. Eine weitere liegt darin, den Aluminiumgalliumnitrid-Kristall so zu wachsen, dass er frei von strukturellen Defekten und Verunreinigungen ist.
Einzelne Demonstratoren sind bereits fertig. In weiteren Schritten wollen die Forscher nun das Kristallwachstum optimieren und die Grenzen der Wellenlängenbereiche schärfer ziehen. Auch die Lebensdauer der Bauelemente kommt auf den Prüfstand: Die Ergebnisse sind bereits vielversprechend. „Erste Messungen haben gezeigt, dass die Sensoren tausend Stunden bei hoher Leistung unbeschadet überstehen“, bestätigt Kopta.
Doch die UV-Sensoren sind auch gute Teamplayer. In einer Zeile angeordnet bilden mehr als hundert Detektoren nebeneinander eine UV-Kamera. Mit ihr lassen sich etwa Plasmaprozesse überwachen, mit denen Antireflektionsschichten auf Solarzellen aufgebracht werden. Auch als Spektrometer kann diese Sensorzeile dienen: Dabei führt man das UV-Licht durch ein Gitter und detektiert mit den einzelnen Sensoren die jeweilige Intensität der verschiedenen Wellenlängen. So ließen sich etwa Quecksilberlampen, wie sie bei der Wasseraufbereitung und bei der UV-Härtung zum Einsatz kommen, auf ihre Tauglichkeit überprüfen.
IAF / AH
