一種快響應寬頻段光探測器的製作方法

2023-09-21 06:06:10

專利名稱：一種快響應寬頻段光探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射探測器，特別涉及一種利用摻雜鈦酸鍶和矽異質結材料製作的快響應寬頻段激探測器。
背景技術：
對於雷射能量、功率、脈寬和波形的探測，不僅對雷射器件和基礎研究非常重要，而且在工業、軍事和國防等方面也具有非常廣泛的用途。人們已經發展了熱電、光電、熱釋電等各種類型的雷射探測器，如熱電探測器，雖然響應範圍寬，但響應時間比較慢，多為毫秒級。所以人們仍然一直在探索寬光譜、快響應、高靈敏度的新型雷射探測器。
鈦酸鍶(SrTiO3)是典型的鈣鈦礦結構氧化物，不僅結構穩定，而且熔點較高(2000多度)。採用摻雜的方法，可以得到不同特性的摻雜SrTiO3材料，本申請人已經申請了摻In、Mn、Sb等摻雜鈦酸鍶材料專利(如中國專利號ZL99123795.1；ZL00100057.8；ZL99108056.4)。本申請人也申請了鈦酸鍶電晶體與半導體和鈦酸鍶p-n結專利(如中國專利號ZL00100366.6；ZL01104066.1)，但這些都是以電學特性為主的專利。

發明內容
本發明的目的在於利用摻雜鈦酸鍶和矽異質結材料，提供一種當光照射後直接產生電壓信號，不需要任何輔助的外加電源和電子電路的、寬光譜、快響應、高靈敏度的雷射探測器，可以探測雷射的能量、功率和波形，其響應波段從紫外到紅外，可響應納米脈寬的雷射脈衝，產生光生電壓脈衝的寬度可小於2ns。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的一種快響應寬頻段光探測器，包括p型或n型矽片為襯底1；在其上相應生長一層n型或p型的光響應材料層2做成晶片，第一電極3、第二電極4和兩根引線6；其特徵在於還包括一電阻5；所述的光響應層2為生長在矽片襯底1上的摻雜鈦酸鍶薄膜，該摻雜鈦酸鍶光響應材料層2厚度為0.5nm-5μm；第一電極3設置在光響應材料層2上，第二電極4設置在矽片1面上，兩根電極引線6的一端分別與第一電極3和第二電極4連接，電極引線6的另一端是信號輸出端；電阻5的兩端分別和兩根電極引線6的輸出端連接。
在上述的技術方案中，還包括在矽襯底1上外延生長一SrO或BaO緩衝層，再在外延生長的SrO和BaO緩衝層上外延生長一層光響應材料層2，所述的SrO和BaO緩衝層厚度為0.4nm～50nm。
在上述的技術方案中，還包括在矽片1上外延生長一絕緣層7，所述的光響應材料層2外延再生長在絕緣層7上；或者絕緣層7外延生長在矽襯底上的SrO或BaO緩衝層上，所述的絕緣層7的厚度為1nm～500nm。其中絕緣層7包括鋁酸鑭(LaAlO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)、氧化鋯(ZrO2)、錳酸鑭(LaMnO3)或氧化鎂(MgO)。
在上述的技術方案中，所述的摻雜鈦酸鍶薄膜層是Sr1-xRxTiO3或SrMyTi1-yO3，摻雜鈦酸鍶薄膜2的厚度為0.8nm～5μm；其中R包括La、Dy、Y、Sm或Gd；其中M包括Nb、Sb、Ta、In、Mn、W、Mg或Fe，其x值為0.005～0.5，y值為0.005～0.5。
在上述的技術方案中，還包括一金屬外殼，將其晶片安裝在一個金屬外殼內。
在上述的技術方案中，所述的電阻5的阻值為0.01Ω～1MΩ；電阻5主要的作用是為了提高響應速度，由於異質結的結構具有電容特性，因此電阻5對雷射照射後產生的電壓起放電作用。
在上述的技術方案中，所述的第一電極3的形狀為一個點、一條線，或光響應材料層2邊緣設置的一個圓圈。第二電極4的形狀為點、線或面；連接在矽片的任何部位。第一電極3和第二電極4可以用銦或焊錫直接焊接，也可以用真空鍍膜或磁控濺射等方法蒸鍍金、銀、鉑或鋁電極。
本發明提供的無論是矽-摻雜鈦酸鍶兩層結構的雷射探測器，還是矽-絕緣層-摻雜鈦酸鍶三層結構的雷射探測器，對於探測雷射的效果是一致的。當脈衝雷射照射到摻雜鈦酸鍶薄膜或矽的表面時，摻雜鈦酸鍶薄膜或矽襯底吸收雷射脈衝後產生光生載流子-電子和空穴對，在異質結界面勢壘電場的作用下，就會在矽和摻雜鈦酸鍶之間產生光生電壓信號，此效應稱之為光生伏特效應。無論是兩層結構還是三層結構，在矽和摻雜鈦酸鍶之間都存在一個結電容，因此在矽和摻雜鈦酸鍶層之間並聯一個電阻，起放電作用，減小放電時間和消除結電容對響應速度的影響。如果不考慮脈衝雷射所產生脈衝電壓信號的寬度，也可以不連接電阻。
本發明提供的利用摻雜鈦酸鍶和矽異質結材料製作的快響應寬頻段雷射探測器，其優點在於，可以用雷射分子束外延、脈衝雷射沉積、磁控濺射、電子束蒸發和粘膠法等制膜方法，把摻雜鈦酸鍶和絕緣層與摻雜鈦酸鍶直接外延生長在矽片上；或通過SrO和BaO緩衝層，把摻雜鈦酸鍶和絕緣層與摻雜鈦酸鍶外延生長在矽片上，製備方法簡單。該雷射探測器均為光生伏特型光電探測器，當光照射後直接產生電壓信號，不需要任何外加輔助的電源和電子電路。可以探測雷射能量、雷射功率、雷射脈衝波形等多種雷射參數。本發明的快響應寬頻段雷射探測器其響應波段從紫外到遠紅外，是一種快響應寬頻段雷射探測器。探測過程是一個超快過程，光生伏特所產生脈衝電壓信號的前沿只有幾百皮秒到一個納秒，可探測ns脈寬的雷射波形。0.5mJ/mm2的雷射脈衝可產生近百mV的電壓信號，具有很高的靈敏度。因此本發明提供的矽和摻雜鈦酸鍶雷射探測器在軍事、國防、科研、生產和生活等方面均有廣泛的應用。


圖1.矽-摻雜鈦酸鍶兩層結構的光探測器圖2.矽-絕緣層-摻雜鈦酸鍶三層結構的光探測器圖3.矽-緩衝層-絕緣層-摻雜鈦酸鍶三層結構的光探測器圖4.用500兆示波器儲存記錄的SrNb0.01Ti0.99O3/Si兩層結構雷射探測器，測量YAG雷射器輸出波長1.06μm、脈寬25ps雷射脈衝所產生的脈衝電壓信號。
圖5.用500兆示波器儲存記錄的SrNb0.01Ti0.99O3/SrTiO3/Si三層結構雷射探測器，測量YAG三倍頻雷射器輸出波長355nm、脈寬15ps雷射脈衝所產生的脈衝電壓信號。
圖面說明如下1-矽襯底； 2-光響應材料層； 3-第一電極；4-第二電極； 5-電阻； 6-電極引線；7-絕緣層； 8-緩衝層；
具體實施例方式
實施例1，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細地說明參考圖1，選用雷射分子束外延設備製備矽-摻雜鈦酸鍶兩層結構的光探測器。
襯底1為p型矽片，在其上直接外延生長180nm厚的n型SrNb0.01Ti0.99O3光響應材料層2，形成SrNb0.01Ti0.99O3/Si兩層異質結構樣品，切割成尺寸為3×3mm2的探測器芯；用銦在襯底1表面焊接約為φ2mm圓形的第二電極4，用銦在SrNb0.01Ti0.99O3光響應材料層2的一個角的表面上，焊接約為φ1mm圓形的第一電極3；用兩根φ0.1mm的銅線作電極引線6，並用銦把兩根φ0.1mm銅電極引線6的一端分別焊接在第一電極3和第二電極4上；電阻5選用5Ω阻值的，並將其兩端分別與兩根電極引線6的輸出端焊接；這樣探測器芯就製備完成，把探測器芯裝入一個鋁探測器外殼內，用同軸電纜接頭引出輸出端。
選用500兆示波器，用上述製備出的具有SrNb0.01Ti0.99O3/Si兩層結構雷射探測器，測量YAG雷射器輸出波長1.06μm、脈寬25ps的雷射脈衝，圖4是用示波器儲存記錄探測器一個雷射脈衝所產生的電壓信號波形。電壓信號的前沿上升時間僅為～1.5ns，半寬度僅為～2.1ns，0.5mJ/mm2的雷射脈衝可產生近百mV的電壓信號。因此，說明該探測器的探測不僅是一個超快過程，而且具有很高的靈敏度。
實施例2按實施例1製備兩層結構的雷射探測器，選用脈衝雷射設備，在2英寸n型矽片襯底1上直接外延生長200nm厚的、p型SrIn0.005Ti0.995O3薄膜光響應材料層2，製備出SrIn0.005Ti0.995O3/Si兩層異質結構樣品作為晶片，其它結構同實施例1。
實施例3參考圖2，選用磁控濺射裝置，製備一矽-緩衝層-摻雜鈦酸鍶三層結構的雷射探測器。在n型矽片襯底1上濺射生長一層0.4nm的SrO作為緩衝層8，再在其上濺射一層800nm厚的p型SrMn0.01Ti0.99O3薄膜光響應材料層2，形成SrMn0.01Ti0.99O3/Si兩層異質結構晶片；或參考圖3，在SrO緩衝層8上濺射生長一層1nm的SrTiO3作為絕緣層7；然後再在絕緣層7上濺射一層800nm厚的p型SrMn0.01Ti0.99O3薄膜光響應材料層2。在SrMn0.01Ti0.99O3薄膜光響應材料層2上的一個邊緣，用真空蒸鍍0.5mm寬的鉑作為第一電極3，其餘同按實施例1製備的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例4參考圖3，製備一矽-緩衝層-摻雜鈦酸鍶三層結構的雷射探測器選用雷射分子束外延裝置，在p型矽片1上外延生長50nm的BaO作為緩衝層8，再外延生長0.5nm厚n型SrSb0.5Ti0.5O3薄膜光響應材料層2，形成SrSb0.5Ti0.5O3/Si兩層異質結構晶片，在SrSb0.5Ti0.5O3薄膜層的四個邊緣用磁控濺射裝置，濺射0.5mm寬的銀第一電極3，在矽片1的上面的中心位置用磁控濺射直徑φ5mm的銀第二電極4，其餘同實施例1製備的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例5參考圖1，製備一矽-摻雜鈦酸鍶二層結構的雷射探測器選用雷射分子束外延設備，在p型矽片1上直接外延生長5μm厚、n型SrTa0.02Ti0.98O3薄膜光響應材料層2，製備出SrTa0.02Ti0.98O3/Si兩層異質結構晶片樣品，其餘結構按實施例1製備的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例6參考圖1，製備一矽-摻雜鈦酸鍶二層結構的雷射探測器選用雷射分子束外延設備，在p型矽上直接外延生長0.5nm厚、n型Sr0.995La0.005TiO3薄膜光響應材料層2，製備出Sr0.98La0.02TiO3/Si兩層異質結構晶片，用市場購買的1MΩ的電阻作電阻5，其餘同實施例1製備的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例7參考圖1，製備一矽-摻雜鈦酸鍶二層結構的雷射探測器選用雷射分子束外延設備，在p型矽片1上直接外延生長200nm厚Sr0.5Y0.5TiO3薄膜光響應材料層2，Sr0.5Y0.5TiO3/Si兩層異質結構晶片，電阻5為1K的電阻，其餘同實施例1製備的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例8參考圖1，製備一矽-摻雜鈦酸鍶二層結構的雷射探測器選用雷射分子束外延設備，在p型矽片1上直接外延生長1μm厚Sr0.8Gd0.2TiO3薄膜光響應材料層2，製備出Sr0.8Ge0.2TiO3/Si兩層異質結構晶片樣品，其餘結構按實施例1製備的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例9參考圖1，製備一矽-摻雜鈦酸鍶二層結構的雷射探測器選用雷射分子束外延設備，在p型矽片1上直接外延生長1μm厚Sr0.8Dy0.2TiO3薄膜光響應材料層2，製備出Sr0.8Dy0.2TiO3/Si兩層異質結構晶片樣品，其餘結構按實施例1製備的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例10參考圖1，製備一矽-摻雜鈦酸鍶二層結構的雷射探測器選用雷射分子束外延設備，在p型矽片1上直接外延生長1μm厚Sr0.8Sm0.2TiO3薄膜光響應材料層2，製備出Sr0.8Dy0.2TiO3/Si兩層異質結構晶片樣品，其餘結構按實施例1製備的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例11參考圖1，製備一矽-摻雜鈦酸鍶二層結構的雷射探測器選用雷射分子束外延設備，在n型矽片1上直接外延生長100nm厚SrFe0.05Ti0.995O3薄膜光響應材料層2，製備出SrFe0.1Ti0.9O3/Si兩層異質結構晶片樣品，其餘結構按實施例1製備的利用異質結材料製作的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例12參考圖1，製備一矽-摻雜鈦酸鍶二層結構的雷射探測器選用雷射分子束外延設備，在n型矽片1上直接外延生長100nm厚SrMg0.05Ti0.95O3薄膜光響應材料層2，製備出SrMg0.05Ti0.95O3/Si兩層異質結構晶片樣品，其餘結構按實施例1製備的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例13
參考圖1，製備一矽-摻雜鈦酸鍶二層結構的雷射探測器選用雷射分子束外延設備，在n型矽片1上直接外延生長100nm厚SrW0.1Ti0.9O3薄膜光響應材料層2，製備出SrW0.1Ti0.9O3/Si兩層異質結構晶片樣品，其餘結構按實施例1製備的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例14參考圖2，製備一矽-絕緣層-摻雜鈦酸鍶三層結構的雷射探測器選用雷射分子束外延設備進行製備，先在n型矽片1上外延0.4nm厚的SrTiO3層作絕緣層7，再在SrTiO3絕緣層7上，外延生長300nm厚的SrIn0.01Ti0.99O3薄膜光響應材料層2，形成SrIn0.01Ti0.99O3/SrTiO3/Si三層異質結構晶片，將其切割成尺寸為1×15cm2的探測器芯；用氫氟酸去除矽片1表面的氧化矽，用銦在矽片1表面焊接約為φ2mm的第二電極4，用錫在SrIn0.01Ti0.99O3薄膜層2的一個角表面處焊接約為φ1mm圓形的第一電極3；用兩根φ0.1mm的銅線作電極引線6，並用銦把兩根φ0.1mm銅電極引線6的一端分別焊接在第一電極3和第二電極4上；選用0.01Ω的導線作電阻5，並將其兩端分別與兩根電極引線6的輸出端焊接；這樣探測器芯就製備完備，把探測器芯裝入一個銅探測器外殼內，用同軸電纜接頭引出輸出端。
選用500兆示波器，用上述的SrIn0.01Ti0.99O3/SrTiO3/Si三層結構雷射探測器，測量YAG三倍頻雷射器輸出波長355nm、脈寬15ps的雷射脈衝。圖5是用示波器儲存記錄探測器一個雷射脈衝，所產生的電壓信號波形。從圖5可看出，脈衝雷射所產生電壓信號的前沿上升時間僅為～1.3ns，半寬度僅為～2ns，0.5mJ的雷射能量可產生70mV的電壓信號。因此，三層結構的探測器和兩層結構的探測器一樣，不僅是一個超快過程，而且具有很高的靈敏度。
實施例15參考圖2，製備一矽-絕緣層-摻雜鈦酸鍶三層結構的雷射探測器按實施例14結構製作，其絕緣層7為LaAlO3，其厚度為1nm，其餘結構同實施例14的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例16
按實施例14結構製作，選用BaTiO3作絕緣層7，其厚度為500nm，其餘結構同實施例14的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例17按實施例14結構製作，選用ZrO3作絕緣層7，其厚度為300nm，其餘結構同實施例14的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例18按實施例14結構製作，選用MgO作絕緣層7，其厚度為100nm，其餘結構同實施例14的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例19按實施例14結構製作，選用LaMnO3作絕緣層7，其厚度為100nm，其餘結構同實施例14的快響應寬頻段雷射探測器結構一樣。
實施例20按實施例1結構製作，使用鋁作電極3，其餘結構同實施例1。
實施例21按實施例1結構製作，使用金作電極3，其餘結構同實施例1。
實施例22按實施例1製備兩層結構的雷射探測器，選用銀膠法，在2英寸n型矽片襯底1上生長5μm厚的、p型SrNb0.01Ti0.99O3薄膜光響應材料層2，製備出SrNb0.01Ti0.99O3/Si兩層異質結構樣品作為晶片，其它結構同實施例1。
實施例23在n型矽襯底1上濺射生長一層0.4nm的SrO作為緩衝層8，再外延生長一層0.4nm厚的SrTiO3層作絕緣層7，再在SrTiO3絕緣層7上，外延生長300nm厚的SrIn0.01Ti0.99O3薄膜光響應材料層2，形成SrIn0.01Ti0.99O3/SrTiO3/Si三層異質結構晶片，將其切割成尺寸為1×15cm2的探測器芯；其餘同實施例14。
權利要求
1.一種快響應寬頻段光探測器，包括p型或n型矽片為襯底(1)；在其上相應生長一層n型或p型的光響應材料層(2)做成晶片，第一電極(3)、第二電極(4)和兩根引線(6)；其特徵在於還包括一電阻(5)；所述晶片的光響應層(2)為生長在矽片襯底(1)上的摻雜鈦酸鍶薄膜，該摻雜鈦酸鍶光響應材料層(2)厚度為0.5nm-5μm；第一電極(3)設置在光響應材料層(2)上，第二電極(4)設置在矽片(1)面上，兩根電極引線(6)的一端分別與第一電極(3)和第二電極(4)連接，電極引線(6)的另一端是信號輸出端；電阻(5)的兩端分別和兩根電極引線(6)的輸出端連接。
2.按權利要求1所述的快響應寬頻段光探測器，其特徵在於還包括在所述晶片的矽襯底(1)上外延生長一SrO或BaO緩衝層(8)，再在外延生長的SrO或BaO緩衝層(8)上外延生長一層光響應材料層(2)，所述的SrO和BaO緩衝層(8)厚度為0.4nm～50nm。
3.按權利要求1所述的快響應寬頻段光探測器，其特徵在於還包括在所述晶片的矽片(1)上外延生長一絕緣層7，光響應材料層(2)外延生長在絕緣層(7)上，或者絕緣層7外延生長在矽襯底(1)上的SrO或BaO緩衝層(8)上，所述的絕緣層(7)的厚度為10nm～500nm。
4.按權利要求1、2或3所述的快響應寬頻段光探測器，其特徵在於還包括一金屬外殼，將其晶片安裝在一個金屬外殼內。
5.按權利要求1所述的快響應寬頻段光探測器，其特徵在於所述的摻雜鈦酸鍶薄膜層是Sr1-xRxTiO3或SrMyTi1-yO3；其中R包括La、Dy、Y、Sm或Gd；其中M包括Nb、Sb、Ta、In、Mn、W、Mg或Fe；其x值為0.005～0.5，y值為0.005～0.5。
6.按權利要求3所述的快響應寬頻段光探測器，其特徵在於所述的絕緣層(7)包括鋁酸鑭LaAlO3、鈦酸鍶SrTiO3、鈦酸鋇BaTiO3、氧化鋯ZrO2、錳酸鑭LaMnO3或氧化鎂MgO。
7.按權利要求1所述的快響應寬頻段光探測器，其特徵在於所述的電阻(5)的阻值為0.01Ω～1MΩ。
8.按權利要求1所述的快響應寬頻段光探測器，其特徵在於第一電極(3)和第二電極(4)用銦或焊錫直接焊接，或用真空鍍膜或磁控濺射鍍膜方法蒸鍍金、銀、鉑或鋁電極。
9.按權利要求1所述的快響應寬頻段光探測器，其特徵在於所述的第一電極(3)的形狀為一個點、一條線，或在光響應材料層(2)邊緣設置的一個圓圈。第二電極(4)的形狀為一點、線形或面；連接在矽片的任何部位。
全文摘要
本發明涉及一種快響應寬頻段光探測器，包括p型或n型矽片為襯底；在其上相應生長一層n型或p型的光響應材料層做成晶片，所述的光響應層為生長在矽片襯底上的摻雜鈦酸鍶薄膜，該摻雜鈦酸鍶光響應材料層厚度為0.5nm－ 5μm；第一電極設置在光響應材料層上，第二電極設置在矽片面上，每根電極引線的一端分別與二個電極連接，電極引線的另一端是信號輸出端；電阻的兩端分別和電極引線的輸出端連接。該探測器均為光生伏特型，當光照射後直接產生電壓信號，不需要任何輔助的電源和電子電路。其響應波段從紫外到遠紅外，可響應飛秒脈寬的雷射脈衝，雷射脈衝產生電壓脈衝的前沿小於1ns，半寬度小於2ns，脈衝全寬度僅為幾個ns。
文檔編號G01J11/00GK1869612SQ20051007181
公開日2006年11月29日 申請日期2005年5月24日 優先權日2005年5月24日
發明者趙昆, 呂惠賓, 黃延紅, 何萌, 金奎娟, 陳正豪, 周嶽亮, 楊國楨 申請人:中國科學院物理研究所