CN101261156B

CN101261156B - 紫外光探测器

Info

Publication number: CN101261156B
Application number: CN2008101044247A
Authority: CN
Inventors: 刘昊; 赵嵩卿; 周娜; 赵卉; 高磊; 王爱军; 赵昆
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2028-04-18
Also published as: CN101261156A

Abstract

本发明提供一种紫外光探测器，该紫外光探测器至少包括：一个光传感器，所述光传感器至少包括一个二氧化硅光传感器芯片、两个电极和两个输出端，其中所述两个电极位于所述二氧化硅光传感器芯片的一个侧面上，两个输出端分别与两个电极相连接；以及一个外壳，所述光传感器位于所述外壳中。根据本发明的紫外线探测器利用常规材料二氧化硅制作，并且响应速度快，结构简单。

Description

紫外光探测器

技术领域

本申请涉及一种紫外光探测器，尤其是涉及一种利用二氧化硅材料制作的快响应的紫外光探测器。

背景技术

对于激光能量、功率、脉宽和波形的探测，不仅对激光器件和基础研究非常重要，而且在军事、国防、农业、资源开采、交通等方面也具有非常广泛的用途。尽管人们已经研究发展了诸如热电、光电、热释电等各种类型的激光探测器，但对新型紫外光探测器探索仍是研究的热点之一。

中国专利申请CN1874009A披露了一种金刚石膜的紫外光探测器。参见图1和图2，其制备方法包括以下的工艺步骤：采用<100>硅片作为衬底，用HF酸超声清洗5-15分钟，以去除表面的氧化硅层；使用100nm大小的金刚石粉末进行机械研磨5-10分钟，使整个硅衬底表面上产生均匀的划痕，成为原始的成核中心；将研磨后的硅片用去离子水核丙酮分别超声清洗5-15分钟，烘干后放入热丝淀积反应室内；对反应室抽真空后，通入反应气体，即丙酮与氢气的混合气体。丙酮和氢气的流量分别为50标准毫升/分和100标准毫升/分；淀积室的气压设定为1kPa；相对于热丝，对衬底加30V正向偏压；将衬底温度控制在650-700℃左右；成核30-60分钟；保持丙酮的流量不变，即50标准毫升/分，仅改变氢气的流量至400标准毫升/分；将衬底的正向偏压提高到70V；保持衬底温度在750-780℃左右；生长12小时以后，关闭丙酮开关，只通入氢气，对生长的金刚石膜进行30分钟的氢气蚀刻，以去除膜表面的石墨相，提高薄膜质量；将上述制得金刚石薄膜上表面，在LDM150D离子束溅射仪中蒸镀100-500nm厚的金电极，经光刻工艺形成指宽和间距均为25微米的叉指状的电极，并采用镁铝丝引线引出；最后将器件在氢气中500℃退火30-60分钟，以形成良好的欧姆接触；最终制得金刚石膜紫外光探测器。但是，该紫外光探测器中使用了非常昂贵的金刚石膜，并采用了非常复杂的制备工艺。因此，成本很高，且工艺复杂。

二氧化硅(SiO₂)材料广泛存在于自然界中，由于二氧化硅晶体具有优异的光学性能，在工业中广泛的用于制作光导纤维、光学仪器、石英玻璃等器件；而且二氧化硅还具有压电、介电、双折射、旋光等特性，常用来制作各种电子器件及传感器。由于其丰富的物理和化学特性，二氧化硅一直是材料界研究的重要领域之一。如【1】Dye-Zone，A.Chen and Gang Chen.“Measurement of silicon dioxide surface phonon-polariton propagation length byattenuated total reflection”.Appl.Phys.Lett.，2007，91：121906；【2】D.Lelmini，A.S.Spinelli，M.Beretta et al，“Different types of defects in silicondioxide characterized by their transient behavior”.J.Appl.Phys.，2001，89(7)：4189～4191。迄今为止还没有将二氧化硅材料用作紫外光探测器的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紫外光探测器，利用常规材料二氧化硅制作，并具有响应速度快、且结构简单的优点。

为了实现上述目的，本发明提供一种紫外光探测器，包括：一个二氧化硅光传感器芯片，两个电极和两个输出端，其中两个电极位于二氧化硅光传感器芯片的一个侧面上，每个输出端分别连接一个电极。

其中，在一个电极和与该电极连接的输出端之间串联有电源，在两个输出端之间并联有电阻。

其中，所述电源为0-200V可调的直流电源，所述电阻为1kΩ-50MΩ。

其中，所述二氧化硅光传感芯片由二氧化硅单晶片、二氧化硅单晶膜或二氧化硅多晶膜制成。

其中，所述二氧化硅单晶片为取向为<100>、<101>、<110>或<111>。

其中，所述二氧化硅单晶片的几何尺寸为10mm×5mm×0.5mm。

其中，所述二氧化硅单晶膜的厚度为1nm。

其中，所述二氧化硅多晶膜的厚度为1μm。

其中，所述电极由铂、金、银、铝、铟或锡制成。

其中，所述电极为线状电极、插指电极或圆形电极。

本发明实施例的有益效果在于，本发明利用常见的二氧化硅材料制作出如图1所示的结构的紫外光探测器。此光探测器的结构简单，以波长为400nm以下的紫外脉冲激光做探测光源，激光每个脉冲能量为0.28mJ，光束的面积一个平方厘米，避开电极照在薄膜上，两端用示波器测量得到大约1～3mV的直接电压输出(可见光照射下无光生伏特信号)，其响应速度可以达到ns量级。该基本的光探测器单元的光生伏特信号如图4所示。

上述的光生伏特效应对于脉冲光和开路式结构的探测器是十分方便的，但对于连续和很弱光束的探测，其灵敏度就不够高，为了进一步提高探测连续和微弱光束的灵敏度而采用了有源式结构。

该光探测器首次实现了利用常见的二氧化硅材料观测到紫外光激发的光生伏特信号，制成基本的光探测器单元，拓展了二氧化硅单晶片或者二氧化硅单晶、多晶薄膜应用范围。

本发明的制备方法简单，所需的电极薄膜可以用化学气相沉积设备、脉冲激光沉积设备、溅射设备、其他的薄膜沉积设备就可以制备高质量的金属性薄膜。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是现有技术的紫外光探测器的结构示意图。

图2是现有技术的紫外光探测器的俯视图。

图3是根据本发明一实施方式的开路式紫外光探测器的结构示意图。

图4是根据本发明另一实施方式的有源式紫外光探测器的结构示意图。

图5a是根据本发明一实施方式的紫外光探测器的叉指电极的结构示意图。

图5b是根据本发明一实施方式的紫外光探测器的圆形电极的结构示意图。

图6是根据本发明的紫外探测器的光生伏特信号曲线图。

附图标记的说明：

1：光传感器芯片

2：第一电极

3：第二电极

4：第一电极引线

5：第二电极引线

6：直流电源

7：电阻

10：外壳

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

本发明该实施例提供一种开路式紫外光探测器，以下结合图3对本发明的开路式紫外光探测器进行详细说明。图3是根据本发明一实施方式的开路

取<100>取向表面斜切10度，厚度为0.5mm的10mm×5mm的二氧化硅晶体作为光传感器芯片1，10mm×5mm的上表面作为待探测光的入射面，表面斜切方向平行于5mm的边缘，将表面抛光后的晶体用常规的脉冲激光制膜工艺，在5mm×10mm的二氧化硅单晶上采用掩模法分两边蒸镀上面积为5mm×1mm、厚度为10纳米铂膜作为第一电极2和第二电极3，选用0.2mm的铜丝作为第一电极引线4和第二电极引线5，一端分别焊接在第一电极2和第二电极3上，另一端作为输出端。把制作好的光传感器装入一个合金铝制作的探测器外壳10内，用同轴电缆接头引出输出端，输出端可接入放大电路或者示波器。

本实例选用350MHZ示波器，用上述制备的紫外探测器测量355nm的紫外脉冲激光，其输出光生伏特信号达到了约1.5毫伏，上升时间为约1ns，半高宽为约2ns，如附图6所示。同时应注意的是其光生伏特信号的上升和半高宽均达到示波器的极限，如选用更快速的示波器测量，其上升时间会更短，表明此探测器具有快响应的特性。

实施例2

本发明该实施例提供一种开路式紫外光探测器。其制备过程与实施例1相同，区别仅在于选用斜切为45度的二氧化硅单晶片，取向为<101>。

实施例3

本发明该实施例提供一种开路式紫外光探测器。其制备过程与实施例1相同，区别仅在于选用厚度为1纳米的二氧化硅单晶薄膜替代二氧化硅单晶片。

实施例4

本发明该实施例提供一种开路式紫外光探测器。其制备过程与实施例1相同，区别仅在于选用厚度为1微米的二氧化硅多晶薄膜替代二氧化硅单晶片。

实施例5

本发明该实施例提供一种开路式紫外光探测器。其制备过程与实施例1相同，区别仅在于选用常规的磁控溅射制膜工艺在斜切为0.001度的二氧化硅单晶上蒸镀金电极2和3，单晶取向为<111>。

实施例6

本发明该实施例提供一种开路式紫外光探测器。其制备过程与实施例1相同，区别仅在于选用掩模法在二氧化硅单晶上蒸镀铝电极2和3，厚度为10微米，单晶取向为<110>。

实施例7

本发明该实施例提供一种开路式紫外光探测器。其制备过程与实施例1相同，区别仅在于真空蒸发的方法在二氧化硅单晶上蒸镀银膜，用光刻和化学腐蚀的方法把银膜腐蚀成“山”字形结构，制作成如图5a的插指电极，电极的宽度为：0.01mm～5mm，电极条形的间距为：0.01mm～10mm。

实施例8

本发明该实施例提供一种开路式紫外光探测器。其制备过程与实施例1相同，区别仅在于真空蒸发的方法在二氧化硅单晶上蒸镀银膜，用光刻和化学腐蚀的方法把银膜腐蚀成同心圆形结构，制作成如图5b的圆形电极。

实施例9

本发明该实施例提供一种开路式紫外光探测器，以下结合图4对本发明的开路式紫外光探测器进行详细说明。图4是根据本发明的有源式紫外光探测器的结构示意图。

取<001>取向表面斜切10度，厚度为0.5mm的10mm×5mm的二氧化硅晶体作为光传感器芯片1，10mm×5mm的上表面作为待探测光的入射面，表面斜切方向平行与5mm的边缘，将表面抛光后的晶体用常规的脉冲激光制膜工艺，在5mm×10mm的二氧化硅单晶上用铟制作第一电极2和第二电极3，用一个0～200V可调的直流源作为电源，选用1千欧姆的电阻7，选用直径为0.2mm的铜丝作为第一电极引线4和第二电极引线5。第一电极引线4径为0.2mm的铜丝作为第一电极引线4和第二电极引线5。第一电极引线4的一端连接在第一电极2上，另一端与直流电源6连接；第二电极引线5的一端与第二电极3连接，另一端与电阻7的一端连接；电阻7的一端与第二电极引线5连接，电阻7的另一端与6连接；电阻7的两端作为探测器的输出端。按图4所示连接电路后把制作好的光传感器装入一个合金铝制作的探测器外壳10内，用同轴电缆接头引出输出端，即制作了一个条形电极有源式结构光传感器的紫外光探测器。输出端可接入放大电路或者示波器。

实施例10

本发明该实施例提供一种有源式紫外光探测器。其制备过程与实施例9相同，区别仅在于选用50兆欧电阻代替1干欧姆的电阻作为电阻7。

实施例11

本发明该实施例提供一种有源式紫外光探测器。其制备过程与实施例9相同，区别仅在于选用二氧化硅单晶薄膜替代单晶片。

实施例12

本发明该实施例提供一种有源式紫外光探测器。其制备过程与实施例9相同，区别仅在于选用二氧化硅多晶薄膜。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种紫外光探测器，该紫外光探测器至少包括：

一个光传感器，所述光传感器至少包括一个二氧化硅光传感器芯片、两个电极和两个输出端，其中所述两个电极位于所述二氧化硅光传感器芯片的一个侧面上，两个输出端分别与两个电极相连接；以及

一个外壳，所述光传感器位于所述外壳中。

2.根据权利要求1所述的紫外光探测器，其特征在于：在一个电极和与该电极连接的输出端之间串联有电源，在两个输出端之间并联有电阻。

3.根据权利要求2所述的紫外光探测器，其特征在于：所述电源为0-200V可调的直流电源，所述电阻为1kΩ-50MΩ。

4.根据权利要求1所述的紫外光探测器，其特征在于：所述二氧化硅光传感器芯片由二氧化硅单晶片、二氧化硅单晶膜或二氧化硅多晶膜制成。

5.根据权利要求4所述的紫外光探测器，其特征在于：所述二氧化硅单晶片为取向为<100>、<101>、<110>或<111>。

6.根据权利要求4所述的紫外光探测器，其特征在于：所述二氧化硅单晶片的几何尺寸为10mm×5mm×0.5mm。

7.根据权利要求4所述的紫外光探测器，其特征在于：所述二氧化硅单晶膜的厚度为1nm。

8.根据权利要求4所述的紫外光探测器，其特征在于：所述二氧化硅多晶膜的厚度为1μm。

9.根据权利要求1所述的紫外光探测器，其特征在于：所述电极由铂、金、银、铝、铟或锡制成。

10.根据权利要求1所述的紫外光探测器，其特征在于：所述电极为线状电极、插指电极或圆形电极。