CN100423295C - 一种具有超快响应紫外到近红外的激光探测器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有超快响应紫外到近红外的激光探测器件，包括：外壳、光响应层为生长在衬底上的R_1-xA_xMnO₃组成的掺杂锰酸盐薄膜，其厚度为0.5nm～2μm；电极设置在光响应层上，两根电极通过电极引线之间连接一个电阻，所述的电阻5的阻值为0.05Ω～1MΩ；将其安装在外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。探测器为光生伏特型光电探测器，当光照射后直接产生电压信号，不需要任何辅助的电源和电子电路。其响应波段从紫外到红外，可响应飞秒脉宽的激光脉冲，激光脉冲产生电压脉冲的前沿小于300ps，半宽度小于700ps，脉冲全宽度可小于1个ns。还可以在同一衬底上制备多个单元器件形成多元列阵。

Description

一种具有超快响应紫外到近红外的激光探测器件

技术领域

本发明涉及一种激光探测器件，特别涉及一种利用掺杂锰酸盐材料制作的超快响应宽频段激光探测器件。

背景技术

对于激光能量、功率、脉宽和波形的探测，不仅对激光器件和科学研究是非常重要的，而且在军事、国防、生产和生活中也有非常广泛的应用。尽管人们已发展了如热电、光电、热释电等多种不同类型的激光探测器，但对于新型激光探测器的工作仍是人们感兴趣和一直在进行的工作。

对于掺杂锰酸盐材料的巨磁电阻特性人们已研究很多，近来人们也观测到掺杂锰酸盐薄膜的光电特性，但其脉宽是ms量级，如文献1、Time dependence oflaser-induced thermoelectric voltages in La_1-xCa_xMnO₃ and YBa₂Cu₃O_7-δthinfilms，P.X.Zhang et al.，Appl.Phys.Lett.，Vol.84，No.21，4026(2002)所介绍的。又如文献2：“一种光辐射感生电压材料及其薄膜的制备方法”，其专利申请号01108518.5中所介绍的材料，无法用于探测和测量激光脉冲宽度小于μs的脉冲激光波形。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有的探测器光响应速度慢的缺点；提供一种当光照射后直接产生电压信号，不需要任何辅助的电源和电子电路，并且可以探测激光的能量、功率和波形，其响应波段从紫外到远红外，可响应飞秒脉宽的激光脉冲，产生电压脉冲的前沿小于300ps，半宽度小于700ps，脉冲全宽度可小于1个ns的利用掺杂锰酸盐材料制作的超快响应宽频段激光探测器件。

本发明提供的一种具有超快响应紫外到近红外的激光探测器件，包括：外壳、在衬底1上生长的一层光响应层2、电极和电极引线6；其特征在于：所述的光响应层2为生长在衬底1上的掺杂锰酸盐薄膜，其厚度为0.5nm～2μm；两个电极设置在光响应层2上，还包括电阻5，所述的电阻5的阻值为0.05Ω～1MΩ；第一电极3和第二电极4通过电极引线6之间连接一个电阻5，将其安装在外壳内，用同轴电缆接头引出输出端；

所述的光响应层2为掺杂锰酸盐薄膜层，该掺杂锰酸薄膜层是由R_1-xA_xMnO₃组成的，其中R包括：La、Pr、Nd或Sm；A包括：Sr、Ca、Ba、Pb、Sn、Te、Nb、Sb、Ta、Ce或Pr；其x值为0.01～0.5。

所述的激光探测器件可以为一个单元，还包括在一块衬底上设置2个或2个以上单元探测器的多元列阵；即采用粒子束刻蚀或化学腐蚀等技术在已生长好的掺杂锰酸盐光响应层上，刻蚀出2个以上单元的探测器件，再用制膜工艺，例如磁控溅射或真空蒸发等工艺在每个单元探测器件上，制备出第一电极和第二电极，在多个探测器单元之间通过电极和电极引线进行串联或并联，制备出多元列阵探测器。

所述的衬底包括SrTiO₃、BaTiO₃、LaAlO₃、NdGaO₃、MgO、MgAl₂O₄、ZrO₂、Mica(云母)、Si或蓝宝石等单晶基片，单晶衬底表面法向与(001)轴之间的夹角(倾斜角θ)可以为0°-45°。

所述的电极可以做成点、线状或平面；可以用银胶连接，或用铟直接焊接，也可以用真空镀膜或磁控溅射等方法蒸镀铂、金、银或铝电极。

所述的电阻两端分别和两根电极引线的输出端连接，主要是为了提高响应速度，由于掺杂锰酸盐薄膜具有电容特性，因此电阻对激光照射后产生的电压起放电作用，其阻值为0.05Ω～1MΩ。

本发明提供的激光探测器件的制备方法，包括以下步骤：

1.利用激光分子束外延、脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射、对向靶溅射或粘胶法的制膜工艺制在衬底上制备掺杂锰酸盐薄膜光响底层，按需要选择最佳生长条件，以保证薄膜很好的外延生长；

2.用常规制膜工艺制备电极和电极引线，然后采用常规半导体封装工艺封装在外壳内，制备出掺杂锰酸盐薄膜激光探测器件。

本发明的优点在于：

本发明提供的利用掺杂锰酸盐薄膜做光响应层，制作的超快响应宽频段激光探测器件，其优点在于，可以采用激光分子束外延、脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射、对向靶溅射或粘胶法等任一种制膜方法，直接把掺杂锰酸盐外延生长在SrTiO₃、BaTiO₃、LaAlO₃、NdGaO₃、MgO、MgAl₂O₄、ZrO₂、Mica(云母)等多种单晶基片上，单晶衬底表面法向与(001)轴之间的夹角(倾斜角θ)可以为0°-45°，其制备方法简单。并且利用半导体工艺，还可以在一块衬底上制备出多个单元、多元列阵、串联式、并联式掺杂锰酸盐薄膜激光探测器件。该激光探测器均为光生伏特型光电探测器，当光照射后直接产生电压信号，不需要任何辅助的电源和电子电路，就可以探测激光能量、激光功率、激光脉冲波形等多种激光参数。其响应波段从紫外到远红外，是一种超快响应宽频段激光探测器。探测过程是一个超快过程，光生伏特所产生脉冲电压信号的前沿达到ps量级，不仅可探测飞秒脉宽的激光能量，而且可探测ps脉宽的激光波形。一个mJ的激光脉冲可产生几百mV的电压信号，具有很高的灵敏度，如图7所示：用2.5GHz示波器储存记录的La_0.67Ca_0.33MnO₃/SrTiO₃激光探测器件，测量YAG激光器输出波长1.064μm、脉宽25ps激光脉冲所产生的电压信号。

因此本发明提供的掺杂锰酸盐薄膜激光探测器在军事、国防、科研、生产和生活等方面均有广泛的应用。

附图说明

图1是本发明具有掺杂锰酸盐薄膜光响应层的激光探测器件结构示意图。

图2是本发明由3个单元掺杂锰酸盐薄膜激光探测器件并联组成的1×3线列式结构示意图。

图3是本发明由4个单元掺杂锰酸盐薄膜激光探测器件串联组成的1×4列阵式结构示意图。

图4是本发明由6个单元掺杂锰酸盐薄膜激光探测器件串连组成的2×3列阵式结构示意图。

图5是本发明由8个单元掺杂锰酸盐薄膜激光探测器件串联组成的2×4列阵式结构示意图。

图6是本发明由16个单元掺杂锰酸盐薄膜激光探测器件组成的1×16面阵式多元结构示意图。

图7是用2.5GHz示波器储存记录实施例1所制作的La_0.67Ca_0.33MnO₃/SrTiO₃激光探测器件，测量YAG激光器输出波长1.064μm、脉宽25ps激光脉冲所产生的电压信号。

图面说明如下：

1-衬底；        2-光响应层；     3-第一电极；

4-第二电极；    5-电阻；         6-电极引线。

具体实施方式

实施例1

按图1，制备一本发明的掺杂锰酸盐薄膜激光探测器件。

选用激光分子束外延设备，在SrTiO₃单晶衬底1，采用常规工艺，工艺条件：在衬底加热温度：300℃-900℃时，氧气压为：10^-4Pa-100Pa，生长速率：0.05nm-10nm/秒的条件范围内均可以直接进行生长，上直接外延生长250nm厚的La_0.67Ca_0.33MnO₃光响应层2；把样品切割成尺寸为1×1cm²的探测器芯，用铟在La_0.67Ca_0.33MnO₃薄膜表面焊接约为φ2mm的第一电极3和第二电极4；用两根φ0.1mm的铜线作电极引线6，并用铟把两根φ0.1mm铜电极引线6的一端分别焊接在第一电极3和第二电极4上；选用2Ω的电阻作电阻5，并将其两端分别与两根电极引线6的输出端焊接；这样探测器芯就制备。选用2.5GHz示波器，用上述的La_0.67Ca_0.33MnO₃/SrTiO₃激光探测器，测量YAG激光器输出波长1.064μm、脉宽25ps的激光脉冲，图7是用示波器储存记录探测器一个激光脉冲，所产生的电压信号波形。电压信号的前沿上升时间仅为～300ps，半宽度仅为～1ns，1mJ的激光能量可几百mV的电压信号。因此，该探测器不仅是一个超快过程，而且具有很高的灵敏度。

实施例2

用一块3mm×10mm大小，其倾斜角为10°的BaTiO₃(001)单晶作为衬底1，并在其上用脉冲激光沉积工艺，直接外延生长50nm厚的Nd_0.9Sr_0.1MnO₃光响应层2，用粒子束刻蚀技术在已生长好的Nd_0.9Sr_0.1MnO₃光响应层2上刻蚀出2.5mm×2mm大小，其间距为0.1mm的3个单元，成为多个单元的器件，用磁控溅射工艺在每个单元器件上，制备出0.2mm×0.2mm大小的第一电极3和第二电极4，从每个电极连接电极引线6，电阻5选用0.05Ω的，将电阻5两端分别与两根电极引线6的输出端焊接，制备出图2所示的3×1线列式激光探测器器。把探测器芯装入一个铝探测器外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。

实施例3

采用5mm×10mm大小，其倾斜角为20°的LaAlO₃(001)单晶作为衬底1，在其上选用分子束外延法直接外延生长1000nm厚的Pr_0.5Ba_0.5MnO₃光响应层2，用粒子束刻蚀技术在外延片上刻蚀出4个4mm×2mm大小的，间距为0.2mm的4个单元，成为4个单元器件，用真空蒸镀工艺在每个单元器件上制备0.1mm×1mm的金的第一电极3和第二电极4，从每个电极焊接一个电极引线6，选用50Ω的电阻做电阻5，将其两端分别与两根电极引线6的输出端焊接，制备出图3所示的4个单元芯片串联组成的1×4列阵式激光探测器。

实施例4

用在10mm×10mm大小，其倾斜角为30°的NdGaO₃单晶作为衬底1，在其上选用磁控溅射法直接外延生长2μm厚的La_0.8Te_0.2MnO₃光响应层2，用粒子束刻蚀工艺在外延片上刻蚀出6个3mm×4mm大小间距为0.3mm的单元器件，用铟焊接方法在每个单元上制备φ0.5mm的银的第一电极3和第二电极4，从每个电极连接引线6，按图4所示进行串并联，选用1MΩ的电阻做电阻5，将其两端分别与两根电极引线6的输出端焊接，制备出图4所示的6个单元芯片串并联组成的2×3列阵式激光探测器。

实施例5

选用对向靶溅射方法，用10mm×15mm大小倾斜角为45°的MgO单晶衬底1，在其上上直接外延生长500nm厚的La_0.7(Pr，Sr)_0.3MnO₃光响应层2，用粒子束刻蚀技术在外延片上刻蚀出4mm×3mm大小的间距为0.1mm的8个单元器件。采用对向靶溅射在La_0.7(Pr，Sr)_0.3MnO₃层2上制备200nm厚的银膜，用光刻和化学腐蚀方法在每个单元上制备0.1mm×1mm的银电极3和4，从每个电极连接引线6，按图5所示进行串连，选用100Ω的电阻做电阻5，将其两端分别与两根电极引线6的输出端焊接，制备出图5所示的8个单元芯片串联组成的列阵式高灵敏度激光探测器。

实施例6

按实施例5制作，选用20mm×20mm的单晶衬底1，制备16个单元器件，把每个单元器件的A端连接到一根电极线6，作为公共电极，B端分别独立连接电极线6，制备出图6所示的16个单元组成的4×4多元面阵式器件。

实施例7

按实施例3制作，用Pr_0.99Ba_0.01MnO₃代替2Pr_0.5Ba_0.5MnO₃光响应层层2，其它结构同实施例3。

实施例8

按实施例1制作，用La_0.5Ca_0.5MnO₃代替La_0.67Ca_0.33MnO₃光响应层2，其它结构同实施例3。

实施例9

按实施例1制作，电阻5用1MΩ电阻代替2Ω电阻，其它结构同实施例1。

实施例10

按实施例1制作，电阻5用0.05Ω电阻代替2Ω电阻，其它结构同实施例1。

实施例11

按实施例1制作，用La_0.9Sn_0.1MnO₂代替La_0.67Ca_0.33MnO₃。，其它结构同实施例1，其它结构同实施例1。

实施例12

按实施例1制作，用La_0.9Sb_0.1MnO₂代替La_0.67Ca_0.33MnO₃，其它结构同实施例1。

实施例13

按实施例1制作，用La_0.65Ta_0.35MnO₃代替La_0.67Ca_0.33MnO₃。其它结构同实施例1。

实施例14

按实施例1制作，用La_0.9Nb_0.1MnO₃代替La_0.67Ca_0.33MnO₃光响应层2，其它结构同实施例1。

实施例15

按实施例1制作，用La_0.7Pb_0.3MnO₃代替La_0.67Ca_0.33MnO₃光响应层2，其它结构同实施例1。

实施例16

按实施例1制作，用La_0.5Ce_0.5MnO₃代替La_0.67Ca_0.33MnO₃光响应层2，其它结构同实施例1。

实施例17

按实施例1制作，用Sm_0.8Ca_0.2MnO₃代替La_0.67Ca_0.33MnO₃光响应层2，其它结构同实施例1。

实施例18

按实施例1制作，用Mg代替Al₂O₄作衬底1，其它结构同实施例1。

实施例19

按实施例1制作，用ZrO₂代替Al₂O₄作衬底1，其它结构同实施例1。

实施例20

按实施例1制作，用Mica(云母)代替Al₂O₄作衬底1，其它结构同实施例1。

实施例21

按实施例1制作，用Si代替Al₂O₄作衬底1，其它结构同实施例1。

实施例22

按实施例1制作，用蓝宝石代替Al₂O₄作衬底1，其它结构同实施例1。

实施例23

其结构同实施例1相同，只是使用电子束蒸发制备光响应层。

实施例24

按实施例1制作，只是使用粘胶法制备光响应层。

实施例25

按实施例1制作，用银胶代替铟做电极3和4。

Claims (6)

1. 一种具有超快响应紫外到近红外的激光探测器件，包括：外壳、在衬底(1)上生长的一层光响应层(2)、电极和电极引线(6)；其特征在于：所述的光响应层(2)为生长在衬底(1)上的掺杂锰酸盐薄膜，其厚度为0.5nm～2μm；两个电极设置在光响应层(2)上，还包括电阻(5)，所述的电阻(5)的阻值为0.05Ω～1MΩ；第一电极(3)和第二电极(4)通过电极引线(6)之间连接一个电阻(5)，将其安装在外壳内，用同轴电缆接头引出输出端；

所述的光响应层(2)为掺杂锰酸盐薄膜层，该掺杂锰酸薄膜层是由R_1-xA_xMnO₃组成的，其中R包括：La、Pr、Nd或Sm；A包括：Sr、Ca、Ba、Pb、Sn、Te、Nb、Sb、Ta、Ce或Pr；其x值为0.01～0.5。

2. 按权利要求1所述的具有超快响应紫外到近红外的激光探测器件，其特征在于：还包括采用刻蚀和腐蚀工艺在已生长好的掺杂锰酸盐光响应层(2)上，刻蚀出2个以上探测器单元，再用制膜工艺在每个单元器件上，制备出第一电极(3)和第二电极(4)，从每个电极分别连接电极引线(6)。

3. 按权利要求1或2所述的具有超快响应紫外到近红外的激光探测器件，其特征在于：还包括在2个以上探测器单元之间，通过第一电极(3)和第二电极(4)，与电极引线(6)进行串联或并联，制备出多元列阵探测器。

4. 按权利要求1所述的具有超快响应紫外到近红外的激光探测器件，其特征在于：所述的衬底(1)包括：SrTiO₃、BaTiO₃、LaAlO₃、NdGaO₃、MgO、MgAl₂O₄、ZrO₂、云母或蓝宝石单晶基片。

5. 按权利要求1所述的具有超快响应紫外到近红外的激光探测器件，其特征在于：所述的衬底(1)的表面法向与衬底(1)的(001)轴之间的夹角为0°-45°。

6. 按权利要求1所述的具有超快响应紫外到近红外的激光探测器件，其特征在于：所述的第一电极(3)和第二电极(4)包括作成点、线或平面；采用银胶连接、用铟直接焊接、用真空镀膜或磁控溅射工艺蒸镀铂、金、银或铝制成的电极。

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