Improved standard detectors through enhanced surface passivation of silicon photodiodes

Norsk: Det er forventet at det i nær fremtid vil komme en redefinisjon av fire av de syv grunnenhetene i SI-systemet: kilogram, ampere, kelvin og mol. Hver av disse enhetene vil baseres på en fast numerisk verdi av en fundamental konstant: Plancks konstant, elementærladningen, Boltzmanns konstant og Avogadros konstant. Fagområdet radiometri vil bidra til å styrke det nye SI-systemet ved å måle fundamentale konstanter med bedre enn 1 ppm nøyaktighet, og gjennom dette også bidra til å løse store utfordringer innen industrien og kommende teknologi. Justervesenet deltar for tiden i EU-prosjektet NEWSTAR (NEW primary STAndards and traceability for Radiometry), som både komplementerer og bygger på fremragende resultater av det nylige EU-prosjektet qu-Candela (Candela: Towards quantum based photon standards). I qu-Candelaprosjektet har man demonstrert anvendeligheten av en såkalt forutsigbar kvantedetektor, Predictable Quantum Efficiency Detector (PQED), som primærstandard. Detektoren er basert på fotoelektrisk effekt i silisium halvledere, og opereres ved flytende nitrogen-temperaturer. Responsiviteten ble forutsett basert på fundamentale konstanter og materialegenskaper. Hovedmålet i NEWSTAR er å utvikle en primærstandard for radiometri, med tilnærmet samme kostnad og funksjonalitet som overføringsstandarder. Dette vil gjøre det mulig for metrologiske institutter å bygge primærstandarden inn i ulike applikasjoner, og dermed få utnytte dens egenskaper fullt ut. På en unik måte vil man kunne oppnå utbredt redusert usikkerhet ved å implementere de beste trekkene ved primærstandarden i andre målerealiseringer. Som en forlengelse av Justervesenets deltakelse i NEWSTAR vil det foreslåtte ph.d-prosjektet fokusere på å forbedre kvantedetektoren gjennom økt overflatepassivering av silisium-fotodioden, hovedsakelig ved å optimere materialvalg og -egenskaper.

Siden midten av 80-tallet har målinger av absolutt optisk effekt blitt gjennomført med et kryogent radiometer. Dette instrumentet er dagens aksepterte primærstandarden for å gi sporbarhet til ulike anvendelser knyttet til optisk effekt. Selv om det realiserer målinger med tilfredsstillende usikkerheter, så er bruken av instrumentet både dyr og tidkrevende. De siste 15 årene har Justervesenet vært pådriver i anvendelsen av fotodioder som en kvantebasert primærnormal. I 2008 var Justervesenet involvert i å opprette det treårige EU-prosjektet qu-Candela, der målet var å utvikle nye standarder basert på makroskopisk fotontelling. Et resultat av dette ble en Predictable Quantum Efficient Detector (PQED) som inneholder såkalte induserte fotodioder. Både teoretiske og eksperimentelle undersøkelser viser at detektoren er en god kandidat for ny primærstandard, både med tanke på usikkerhet og at den er rimeligere og enklere i bruk. Justervesenet deltar for tiden i EU-prosjektet NEWSTAR (NEW primary STAndards and traceability for Radiometry), og er leder for arbeidspakken som utvikler og forutsier responsen til de nye fotodiodene i detektoren. I tillegg har Justervesenet et pågående PhD-prosjekt samt et samarbeid med NIST i forbindelse med dette. Doktorgradsprosjektet det søkes støtte til skal fokusere på å forbedre ytelsen til de induserte fotodiodene, hovedsakelig ved å optimere materialvalg og -egenskaper. Dette vil kunne bidra til økt stabilitet og utvidet arbeidsområde for primærnormalen, som igjen kan føre til mindre usikkerhet ved sammenligning mellom forskjellige typer primærnormaler i et overlappende område. Ved å jobbe innen dette området vil Justervesenet være i en god posisjon i forhold til europeisk og øvrig internasjonalt forskningssamarbeid på toppnivå. Økt kompetanse på feltet gir også mulighet for deltakelse i fremtidige EMPIR-prosjekter, og vil generelt styrke Justervesenets posisjon innen fagfeltet.