CN100536173C - 一种从深紫外至远红外光的探测器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种从深紫外至远红外光的探测器及制备方法，该探测器包括：一基底、第一电极、第二电极和电极引线；其特征在于，所述的基底为n型SiC片，还包括在SiC的基底上生长一层p型的La1-xSrxMnO3光响应材料层，其中光响应材料层厚度为0.8nm-2μm；所述的La1-xSrxMnO3光响应材料层，其中x为0.01-0.5；第一电极设置在La1-xSrxMnO3氧化物薄膜的光响应材料层上，第二电极设置在SiC的基底上，第一电极引线和第二电极引线分别连接在第一电极和第二电极上。该制备方法包括采用常规的制膜设备和工艺，首先制出La1-xSrxMnO3/SiC异质结材料，然后再制作光探测器。当光照射探测器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远红外，光生电压信号可达数百mV。

Description

一种从深紫外至远红外光的探测器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种光探测器，即基于La1-xSrxMnO3/SiC异质结的涉及红外、可见以及紫外光的光探测器以及其制备方法。
背景技术
光探测器在国防和工农业生产中有非常重要和广泛的应用，国内外众多的科研院所和科研工作者在这方面都投入了巨大的人力和物力，以克服目前已有的光探测器在探测灵敏度、探测范围等方面存在的问题。目前常用的光电二极管，其对可见光波长的探测非常灵敏，但通常其响应波段范围比较窄，只是可见光范围至近红外(＜1-2μm)；又如在国防和军工领域广泛使用的HgxCd1-xTe探测器，其响应波长集中于3-14μm，对可见和紫外以及近红外都是没有响应的；目前基于pn结的光电二极管，如Si二极管，也只是在可见及近红外有响应，同样存在着探测范围窄的问题。(参考文献：W.T.Tsang，《半导体光检测器》，电子工业出版社，清华大学出版社，1992)以上光探测器除了探测范围窄的缺点外，在探测强光信号等方面也存在问题，在强光信号照射下会被损坏。
钙钛矿型掺杂锰氧化物是一种巨磁阻材料，具有非常优异的电学和磁学性能，在微电子学、光电子学和自旋电子学领域有着非常广泛的应用前景。本发明提供一种基于氧化物和非氧化物形成的异质结的光探测器，即La1-xSrxMnO3/SiC异质结材料的光探测器及其制备方法，制成的光探测器可以用于红外到紫外全波长的探测，具有响应时间快，探测灵敏度高并且能耐强光照射的特点。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前光探测器存在的问题，提供一种可以用于红外光到紫外光全波长的可耐强光照射的、具有快响应的La1-xSrxMnO3/SiC异质结材料制作的光探测器，及制备该光探测器的方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的从深紫外至远红外光的探测器，包括：一基底、第一电极、第二电极和电极引线；其特征在于，所述的基底为n型SiC片，还包括再在SiC的基底上生长一层p型的La1-xSrxMnO3氧化物薄膜的光响应材料层，薄膜厚度为0.8nm-2μm；所述的La1-xSrxMnO3光响应材料层，其中x为0.01-0.5；第一电极设置在La1-xSrxMnO3氧化物薄膜的光响应材料层上，第二电极设置在SiC的基底上，第一电极引线和第二电极引线连接在电极上。
在上述的技术方案中，还包括一电阻，所述的第一电极引线和第二电极引线与所述的电阻两端并联连接；还可以两个电极引线的输出端连接放大电路或电压测试设备。所述的电阻的阻值为0.01欧-1M欧姆，主要是为了在测量时，所得到的光响应值更真实地反应光探测芯片的光响应速度，试验表明器件的响应速度与串联的阻值有关。
在上述的技术方案中，还包括一探测器外壳，将探测器安装在所述的探测器外壳内，用同轴电缆接头引出两个电极引线的输出端。
在上述的技术方案中，所述的第一电极和第二电极可以是一个点，也可以是一条线或面，电极可以用铟或焊锡直接焊接，也可以用Ag作为电极，用银胶直接涂覆后再在炉中低温(100-200℃)退火，还可以用真空镀膜方式制备：如脉冲激光沉积或磁控溅射、热蒸发等方法蒸镀铂、金、银或铝等金属电极，电极形状可以通过在薄膜样品前放置不同形状的模版实现；电极的形状也可以采用光刻或离子刻蚀等微加工方法来实现；
本发明提供的制备从深紫外至远红外光的探测器的方法，利用制备薄膜的设备和工艺，包括以下步骤：
1).首先制备La1-xSrxMnO3的靶材：靶原料包括氧化镧、氧化锶和碳酸锰的粉末按La1-xSrxMnO组成比例称料，其中x为0.01-0.5，然后充分混合后，并放入模具中，在1-100MPa的压力下压成直径为0.5～5厘米的、厚度为1～10毫米厚的圆饼，然后放入电炉中烧结，在800-1200度和1200-1400度分别烧结24～48小时后即可得到致密的陶瓷靶材；
2).处理SiC基片：将SiC基片在盐酸中浸泡50-70分钟后，按照顺序用去离子水、酒精、丙酮清洗干净；
3).制备La1-xSrxMnO3薄膜，与SiC基底形成异质结；可选用的制备设备和方法包括：化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(包括脉冲激光沉积、激光分子束外延、磁控溅射、电子束蒸发等)，或溶胶凝胶技术，将步骤1)制备好的La1-xSrxMnO3的靶材安装在上述设备中，然后在SiC基片上进行沉积La1-xSrxMnO3膜(LSMO薄膜)的光响应材料层，所述的La1-xSrxMnO3膜的光响应材料层厚度在0.8纳米～10微米，得到La1-xSrxMnO3/SiC异质结材料；沉积过程中，基底温度为600-750℃，真空室的真空为1×10-6Pa-100Pa；沉积薄膜的厚度通过试验确定薄膜的沉积速率后，通过时间来控制每次所需沉积薄膜的厚度；
4).将步骤3)制备好的异质结材料，按照需要切成探测器芯片，第一电极设置在La1-xSrxMnO3氧化物薄膜的光响应材料层上，第二电极设置在SiC的基底上，第一电极引线和第二电极引线连接在电极上。
在上述的技术方案中，所述的第一电极和第二电极可以是一个点，也可以是一条线或面，电极可以用铟或焊锡直接焊接，也可以用Ag作为电极，用银胶直接涂覆在SiC的基底上或La1-xSrxMnO3膜上，再在退火炉中低温退火，其中退火温度为100-200℃，退火时间为10分钟-120分钟；还可以用真空镀膜方式制备：如脉冲激光沉积或磁控溅射、热蒸发等方法蒸镀铂、金、银或铝等金属电极，电极形状可以通过在薄膜样品前放置不同形状的模版实现；电极的形状也可以采用光刻或离子刻蚀等微加工方法来实现。
在上述的技术方案中，所述的靶原料均采用纯度在99.99％以上的原料。
本发明的优点：
本发明提供的利用La1-xSrxMnO3/SiC异质结材料制作的快响应光探测器，其优点在于：一、可以用脉冲激光沉积、激光分子束外延、磁控溅射、电子束蒸发和溶胶凝胶等制膜方法，把La1-xSrxMnO3直接沉积在SiC基片上，制备方法简单；二、利用该异质结材料制备出光探测器，如图1所示，该异质结材料制备出光探测器的结构简单，具有全波长(从深紫外至远红外)光照射下可以获得直接的光生伏特信号；信号响应快，光生伏特信号所产生的脉冲电压信号的前沿只有几个ns；探测灵敏度高，当光照射探测器后可以产生数百mV左右的电压信号；可耐强光照射，在几百mJ的激光光束照射下不会损坏。因此本发明提供的基于La1-xSrxMnO3/SiC异质结材料的光探测器在军事、国防、科研、生产和生活等方面具有广泛的应用。
附图说明
图1La1-xSrxMnO3/SiC异质结材料制作的光探测器结构图
图2用500MHz示波器储存记录的La1-xSrxMnO3/SiC(n型)光探测器的电压信号，测量用YAG两倍频激光器输出波长532nm、脉宽25ps的激光脉冲图面说明如下：
1-SiC衬底；     2-光响应材料层；    3-第一电极；
4-第二电极；    5-电阻；            6-第一电极引线；
7-第二电极引线
具体实施方式
实施例1
参考图1，制备La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料的光探测器，下面结合本发明所提供的制备方法，对La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料的光探测器进行详细说明：
制备La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，包括以下步骤：
1)、首先，制备La0.7Sr0.3MnO3的靶材，靶原料包括纯度大于99.99％的氧化镧、氧化锶和碳酸锰的粉末按La0.7Sr0.3MnO3组成比例称料，然后充分混合，将充分混合后的粉末在1-100MPa的压力下，压成直径为3厘米的、厚度为3毫米厚的圆饼，然后放入电炉中烧结，在1000℃和1300℃分别烧结24～48小时，得到致密的陶瓷靶材；
2).清洗SiC基片：取n型SiC片作为基片1，将SiC基片在盐酸中浸泡60分钟后，按照顺序用去离子水、酒精、丙酮清洗干净；
3)、其次，选用脉冲激光沉积制膜设备和工艺，制备La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，将SiC基片1清洗后安装在脉冲激光沉积设备的真空室内的基片台上，用分子泵把真空室抽到1×10-3Pa以上的真空后，充入高纯氧至10Pa，打开准分子脉冲激光器，用能量为200mJ、波长为308纳米的准分子脉冲激光聚焦到La0.7Sr0.3MnO3的靶上，在n型SiC基片1表面沉积厚度为300nm的、p型La0.7Sr0.3MnO3光响应材料层2，形成La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结样品；其中沉积过程中基底温度为750℃。
4)、将步骤3)制成的La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，切成10×10mm2芯片，按照图1的结构制作电极，用银胶在SiC表面涂覆5×5mm2的第一电极3，在La0.7Sr0.3MnO3膜面涂覆φ1mm的第二电极4，用两根φ0.05的铜线做第一电极引线6和第二电极引线7，并用银胶把两根电极引线分别粘在第一电极3和第二电极4上，放入电炉中退火30分钟，退火温度为100℃，退火是为了使银与薄膜和衬底表面形成欧姆接触；这样探测器的芯就做好了，把探测器芯装在一个硬铝制备的探测器外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。
选用500MHz示波器，用上述La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料制成的光检测器，测量YAG两倍频激光器输出波长532nm、脉宽25ps的激光脉冲，图2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约为7ns，光伏信号约为300mV。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
选用脉冲激光制备工艺，其制备条件同实施例1相同，在n型SiC的基底1上制备300nm厚、p型的La0.7Sr0.3MnO3光响应层2，制备出La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，并按图1制备成光探测器，在1064nm的激光照射下可获得光生伏特信号达100mV以上。
实施例3
选用脉冲激光制备工艺，其制备条件同实施例1相同，在n型SiC的基底1上制备300nm厚、p型的La0.7Sr0.3MnO3光响应层2，制备出La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，并按图1制备成光探测器，外并联阻值为50欧的电阻5，在532nm激光照射下，可以获得的光伏信号的前沿上升时间约为100ps，光伏信号约为200mV。
实施例4
选用脉冲激光制备工艺，其制备条件同实施例1相同，在n型SiC的基底1上制备300nm厚、p型的La0.7Sr0.3MnO3光响应层2，制备出La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，并按图1制备成光探测器，在248nm的紫外脉冲激光照射下，可获得的光伏信号的前沿上升时间为100ns，光伏信号约为150mV。
实施例5
选用脉冲激光制备工艺，其制备条件同实施例1相同，在n型SiC的基底1上制备300nm厚、p型的La0.7Sr0.3MnO3光响应层2，制备出La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，并按图1制备成光探测器，在10.6μm的红外脉冲激光照射下，可获得光生伏特信号约为50mV。
实施例6
本实施例选用脉冲激光制备工艺，其制备条件同实施例1相同，在n型SiC的基底1上制备1μm厚、p型的La0.7Sr0.3MnO3光响应层2，制备出La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，并按图1制备成光探测器。
实施例7
本实施例选用脉冲激光制备工艺，其制备条件同实施例1相同，在n型SiC的基底1上制备1μm厚、p型的La0.9Sr0.1MnO3光响应层2，制备出La0.9Sr0.1MnO3/SiC异质结材料，并按图1制备成光探测器，再将探测器安装在一铝质外壳内，用同轴电缆接头引出两个电极引线的输出端。以上实施例沉积薄膜的厚度通过试验确定薄膜的沉积速率后，通过时间来控制每次所需沉积薄膜的厚度。
实施例8
本实施例选用常规的激光分子束外延设备，和通常的激光分子束外延工艺制备La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，例如在本实施例中所用的真空为10-5Pa，基底温度为750℃，在n型SiC的基底1上，外延一层厚度为500nm的、p型的La0.7Sr0.3MnO3光响应层2，制备出La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，并按图1制备成光探测器。
实施例9
本实施例选用常规的磁控溅射设备和磁控溅射的操作流程，进行在n型SiC的基底1上，溅射一层厚度为1μm的、p型的La0.7Sr0.3MnO3光响应层2，制备出La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，其中在本实施例中根据所设定要沉积的薄膜厚度，采用的真空度为10Pa，基底温度为750℃，将制备出的La0.7Sr0.3MnO3/SiC异质结材料，并按图1制备成光探测器。

Claims (9)

1.一种从深紫外至远红外光的探测器，包括：一基底、第一电极、第二电极和电极引线；其特征在于，所述的基底为n型SiC片，还包括再在SiC的基底上生长一层p型的La1-xSrxMnO3氧化物薄膜的光响应材料层，薄膜厚度为0.8nm-2μm；所述的La1-xSrxMnO3光响应材料层，其中x为0.01-0.5；第一电极设置在La1-xSrxMnO3氧化物薄膜的光响应材料层上，第二电极设置在SiC的基底上，第一电极引线和第二电极引线连接在电极上。
2.按权利要求1所述的从深紫外至远红外光的探测器，其特征在于，还包括一电阻，所述的第一电极引线和第二电极引线与所述的电阻两端并联连接。
3.按权利要求2所述的从深紫外至远红外光的探测器，其特征在于，所述的电阻的阻值为0.01欧-1M欧姆。
4.按权利要求1或2所述的从深紫外至远红外光的探测器，其特征在于，还包括一探测器外壳，将探测器安装在所述的探测器外壳内，用同轴电缆接头引出两个电极引线的输出端。
5.按权利要求1或2所述的从深紫外至远红外光的探测器，其特征在于，还包括两个电极引线的输出端连接放大电路或电压测试设备。
6.按权利要求2所述的从深紫外至远红外光的探测器，其特征在于，所述的第一电极和第二电极是一个点，或是一条线或面，电极用铟或焊锡直接焊接，或用Ag作为电极。
7.一种制备权利要求1所述的从深紫外至远红外光的探测器的方法，利用制备薄膜的设备和工艺，包括以下步骤：
1).首先制备La1-xSrxMnO3的靶材：靶原料包括氧化镧、氧化锶和碳酸锰的粉末按La1-xSrxMnO组成比例称料，其中x为0.01-0.5，然后充分混合后，并放入模具中，在1-100MPa的压力下压成直径为0.5～5厘米的、厚度为1～10毫米厚的圆饼，然后放入电炉中烧结，在800-1200度和1200-1400度分别烧结24～48小时后即可得到致密的陶瓷靶材；
2).处理SiC基片：将SiC基片在盐酸中浸泡50-110分钟后，按照顺序用去离子水、酒精、丙酮清洗干净；
3).制备La1-xSrxMnO3薄膜，与SiC基底形成异质结；可选用的制备设备和方法包括：化学气相沉积和物理气相沉积，或溶胶凝胶技术；将步骤1)制备好的La1-xSrxMnO3的靶材安装在上述设备中，在SiC基片上进行沉积La1-xSrxMnO3膜的光响应材料层，得到La1-xSrxMnO3/SiC异质结材料；所述的La1-xSrxMnO3膜的厚度在0.8纳米～10微米；在沉积过程中，基底温度为600-750℃，真空室的真空为1×10-6Pa-100Pa；
4).将步骤3)制备好的异质结材料，按照需要切成探测器芯片，第一电极设置在La1-xSrxMnO3氧化物薄膜的光响应材料层上，第二电极设置在SiC的基底上，第一电极引线和第二电极引线分别连接在第一电极和第二电极上。
8.按权利要求7所述的制备权利要求1所述的从深紫外至远红外光的探测器的方法，其特征在于，所述的第一电极和第二电极是用铟或焊锡直接焊接，用银胶直接涂覆在SiC的基底上或La1-xSrxMnO3膜上作为电极，再在退火炉中低温退火，其中退火温度为100-200℃，退火时间为10分钟-120分钟；或用真空镀膜方式制备金属电极。
9.按权利要求7所述的制备权利要求1所述的从深紫外至远红外光的探测器的方法，其特征在于，所述的靶原料均采用纯度在99.99％以上的原料。
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