Entwicklung eines modularen gedrückten Ge:Ga Photoleiter-Fokalebenen-Array Prototypen

Die im Institut für Weltraumsensorik und Planetenerkundung des DLR vorgeschlagene Spektral-photometrische Infrarot-Kamera SPICA für SOFIA wird den mittleren und fern-infraroten Wellenlängenbereich von ca. 20-210 mm detektieren können. Auf SOFIA soll SPICA als eines der Deutschen Instrumente räumlich beugungsbegrenzt bei niedriger spektraler Auflösung (l/Dl=50) zum Einsatz kommen. Dieser Wellenlängenbereich ist nicht mit einem einzigen Detektorsystem abzudecken, so dass für den längstwelligen Bereich von ca. 100-210 mm gedrückte, Gallium-dotierte Germanium-Kristalle (Ge:Ga) als Photoleiter verwendet werden. Gallium hat in Germanium eine Störstellenbindungsenergie von 10.8 meV oberhalb des Valenzbandes, was einer Absorptionswellenlänge von 115 mm entspricht. Wenn der Kristall unter uniaxialen Druck in [100]-Richtung nahe der Bruchgrenze gesetzt wird, hebt sich die Entartung der schweren und leichten Löcher des Valenzbandes auf und das leichte-Löcher-Band rückt energetisch näher an die Störstelle heran. Dies drückt sich in einer längerwelligen Absorptionskante aus, die je nach Grösse des Drucks dann bis zu 220 mm betragen kann. Wie bereits in mehreren astronomischen Projekten wie dem Infrared Space Observatory (ISO, 2x2-Array), dem Kuiper Airborne Observatory (KAO, 5x5-Array) u. a. erfolgreich gezeigt, eignen sich diese gedrückten Ge:Ga-Photoleiter gut als Detektoren in der Fokalebene der jeweiligen Teleskope. Da der erforderliche Druck auf die Kristalle jedoch nahe der Bruchgrenze bei etwa 700 N/mm² liegt und die Detektoren bei einer Temperatur von etwa 2 K betrieben werden, sind die mechanischen Details eines solchen bei Kryotemperaturen arbeitenden Detektors unter Umständen sehr delikat. Dazu kommt, dass grossformatige Arrays solcher Detektoren die Fokalebenen bevölkern sollen, was besondere Anforderungen an die Packungsdichte solcher Druckmechanismen stellt. In dieser Arbeit wird anhand der Entwicklung eines Prototyps eines solchen linearen, zu zweidimensionalen Arrays stapelbaren Druckmoduls die Machbarkeit eines grossformatigen gedrückten Detektorarrays gezeigt. Die Pixel eines solchen Moduls haben einen Abstand von 4 mm, was aufgrund der Airy-Scheibe in der Fokalebene ausreichend für beugungsbegrenztes Nyquist-Sampling ist. Erstmalig mit dieser Arbeit werden zwölf Detektorpixel in einer Reihe zu einem linearen Array zusammengesetzt. Ein lineares Array besteht aus zwei Detektorstapeln zu je sechs Detektoren, die jeweils gleichzeitig unter mechanischen Druck gesetzt werden, wobei der Druckmechanismus so einfach wie möglich gehalten wird: Eine Schraube an den beiden Köpfen der zwei Detektorstapel baut einen Teil des Drucks auf, wogegen der Rest des erforderlichen Drucks durch differentielle Schrumpfung von Detektorgehäuse und Detektorstapel erbracht wird. Die zwei Detektorstapel erlauben Redundanz bezüglich Versagen der Detektoren: Bruch eines Detektorkristalls resultiert höchstens im Ausfall eines halben Moduls. Wichtige zu testende Eigenschaften dabei sind Stärke des erreichten Drucks im Kalten, Uniformität des Drucks von Detektor zu Detektor, sowie Uniformität innerhalb eines Detektorkristalls und Stabilität des Detektorgehäuses im Kryobetrieb. Wichtige zu lösende Probleme bei der Entwicklung dieses modularen Arrays sind im Design eingeflossen. Erste Tests am Prototypen werden mit Trans-Impedanz Verstärkern durchgeführt, welche akzeptablen Dunkelstrom und eine Performance limitiert vom Photonenrauschen ergeben. Damit sind Detektor- und Verstärkerrauschquellen kleiner als das natürliche Rauschen eines etwaigen astronomischen Signals. Experimentelle Verifikation des erreichten Drucks durch Messung der FIR-Absorptionskante mit Hilfe eines Michelson-Interferometers sowie der Stabilität des Drucks über mehrere Kühlzyklen wird erbracht und diskutiert. Dabei wird festgestellt, dass der mechanische Druck von Kühlzyklus zu Kühlzyklus abnimmt, was auf entweder den Fluss duktilen Materials oder Bruch einzelner Detektorkristalle schliessen lässt. Verbesserungsmöglichkeiten für ein über das Prototypenstadium hinausgehendes Flug-Modell werden ebenfalls aus den Messungen abgeleitet und diskutiert.A Spectral-Photometric Infrared CAmera (SPICA) proposed at DLR's Institute for Space Sensor Technology and Planetary Exploration will cover the wavelength range from mid- to far-infrared (20-210 mm). SPICA is one of the German instruments on SOFIA and shall perform observations with diffraction-limited performance at low spectral resolution (l/Dl=50). Currently this wavelength range can not be covered with a single detection system, so several detectors have to be employed independently. For the longest wavelengths from about 100-210 mm stressed Gallium-doped Germanium crystals will be used as detectors. In the band gap of Germanium, Gallium has an ionization potential of 10.8 meV above the valence band, which corresponds to an absorption wavelength of 115 mm. If the crystal is stressed under uniaxial pressure close to the yield stress, the degeneracy of the light and heavy holes in the valence band is split and the light-hole-band energetically moves closer to the impurity, rendering a smaller ionization potential or, equivalently, a longer absorption wavelength. Depending on the magnitude of the stress, the longest-wavelength-cut-off can be as long as 220 mm. As already shown at several astronomical projects like the Infrared Space Observatory (ISO, 2x2-Array), the Kuiper Airborne Observatory (KAO, 5x5-Array) and others, this kind of focal plane detectors are well suited as focal plane arrays for FIR telescopes. Since the required stress is close to the yield stress of 700 N/mm² and these detectors work at temperatures at 2 K, the mechanical details of a cryogenic detector become quite delicate. Above that large arrays of these detectors shall populate the focal planes, which poses other requirements on packaging the stressing mechanism. In this work the feasibility of a large-format focal plane array is shown with help of a prototype of a linear, stackable detector module. The pixels of this module have a pitch of 4 mm, which is sufficient for diffraction-limited Nyquist sampling due to the Airy-disk at the focal plane. In this work for the first time twelve detector elements are arranged in two collinear stacks of six detectors each, that can be stressed individually with a simplest-possible stressing mechanism: A ram screw squashes the detectors up to certain fraction of the required stress, whereas the remainder of the stress is applied during cool-down by differential shrinkage of the detector housing. The two stacks also allow for redundancy: Fracture of a detector crystal results in failure of half a detector module only (6 pixels). Important to verify are the final stress at the cold operating temperature, uniformity of the stress from detector to detector, uniformity within a single detector crystal and stability of the stressing harness at cryogenic temperatures. The tests of the prototype were conducted with trans-impedance amplifiers, which yields acceptable dark current and photon-noise-limited performance. Thus the noise sources of the detector's and amplifier's noise sources are smaller than the fluctuations of an astronomical signal. Experimental verification of the stress reached by measuring the absorption edge with help of a Michelson interferometer as well as the stability of the stress during serveral cooling cycles is shown and discussed. It is noticed that the stress decreases from cycle to cycle which can be attributed to ductile material or fracture of components under stress. From the measurements improvement strategies for a flight model after the prototype are derived and discussed