CN101414645A - 一种具有高灵敏度的光电位置探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高灵敏度光电位置探测器，包括：Si衬底、电极和电极；利用制膜的方法，把TiN薄膜外延生长在Si衬底上；利用镀膜或焊接的方法，在Si衬底的两边处制备电极电极和电极。当一个光点照射在探测器的表面时，用电压表测量电极和电极之间的电压，或在电极和TiN之间连接一个电压源，使TiN和Si构成的肖特基二极管工作在反偏压状态下，测量电极和电极之间的电流，即可按所测量的电压或电流来辨别其光点的位置。本发明提供的光电位置探测器，结构简单、线性好和具有灵敏度高，不需要额外的放大电路就可直接探测，而且可探测纳秒级的快脉冲信号。

Description

一种具有高灵敏度的光电位置探测器

技术领域

本发明涉及一种位置探测器，特别是基于氮化钛和硅异质结制作的具有高灵敏度的光电位置探测器。

背景技术

光电位置探测器的构思早在1957年由Wallmark提出来，它的基本结构是由一高电导层薄膜覆盖在半导体的基底上，构成一个肖特基二极管结构，在其界面区形成一个内建电场。当一个小的光点照在探测器上后，会在光斑附近产生大量的光生电子、空穴对，在内建场作用下，电子和空穴在空间扩散，在高电导一侧的载流子会迅速达到一个新的平衡分布，使之成为等势体，而在半导体一侧的载流子在光斑附近会形成一个浓度梯度的分布，因而在其横向方向上的两个电极之间会形成一个光生电压，该光生电压随光斑位置的移动而变化，人们根据这个原理研制出光电位置探测器。

光电位置探测器是一类重要的光学传感器，它是利用横向个生伏特效应把入射光点在探测器光敏区的位置转化为电压或电流信号，不同于一般的二极管或CCD构成的阵列探测器，能提供连续的信号变化，可以通过精确的测量光点的位置来进行定位。光电位置探测器不仅被广泛地应用于远程光学准直、电话信息系统、表面压型、角度测量，而且在原子力显微镜、隧道扫描显微镜等许多精确仪器中也被作为精确定位的方法。

尽管光电位置探测器已被广泛的应用，但对于位置探测器的应用来说，其灵敏度、非线性系数及空间分辨率是至关重要的。自从光电探测器出现以来，很多人就一直致力于探索新的材料和结构制作的光电探测器，来提高和改善光电探测器的特性。(如文献1：Optimizing the response of Schottky barrier position sensitivedetectors，J.Henry and J.Livingstone，J.Phys.D：Appl.Phys.37(2004)3180-3184；文献2：R.C.G.da Silva，H.Boudinov andR.R.B.Correia，Microelectronics Jounal 36，1023(2005)；文献3：H.Aguas，L.Pereira，D.Costa，E.Fortunato，R.Martins，Optical Materials，27 1088(2005))。到目前为止，现有光电探测器的灵敏度还不能满足其应用的要求。尽管也有人已把氮化钛(TiN)作为底电极或过渡层外延生长在硅(Si)衬底上(如文献4：W.Li等，Applied Surface Science，253，7019(2007)；文献5：Le Gouil A等，J.Vacuum Science and Technology，B，25，767(2007)；文献6：Kim B.R.等，Thin Solid Films，515，6438(2007))，但还没有人用TiN-Si异质结材料做成光电位置探测器。

发明内容

本发明的目的在于：克服已有光电探测器灵敏度不能满足其应用的要求的不足，从而提供一种用氮化钛和硅(TiN-Si)异质结制备的具有高灵敏度的光电位置探测器；该光电位置探测器不仅结构简单、响应波段宽、线性好，而且具有很高的灵敏度。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的具有高灵敏度的光电位置探测器，包括：Si衬底1、第一电极3和第二电极4；其特征在于：还包括一层TiN薄膜层2作为光响应层、所述的TiN薄膜外延生长在Si衬底上形成异质结(如图1所示)；在所述的Si衬底1外表面的两侧处制备所述的第一电极3和所述的第二电极4；所述的TiN薄膜层2的厚度为1nm～10μm。

在上述的技术方案中，所述的电极采用金、银、铝、铜、铂、铟或锡等金属材料，在Si衬底上制成一个点，或一条线(如图2所示)。

在上述的技术方案中，所述的Si衬底1可以是n型Si半导体，也可以是p型Si半导体。

本发明提供的用氮化钛和硅异质结制备的高灵敏度光电位置探测器，可以工作在两种不同的模式：电压模式或电流模式。电压模式比较简单，只需要用一个电压表测量Si衬底1上第一电极3和第二电极4之间的电压就可以了。当光点位置改变时，测量的电压就会变化，按所测量的电压就可辨别光点的位置。电流模式需要在第一电极3和TiN或第二电极4和TiN连接一个电压源，使TiN和Si构成的肖特基二极管工作在反偏压状态下，在第一电极3和第二电极4之间连一个电流表，当改变光点位置时，测量其电流的变化，按所测量的电流就可辨别光点的位置。

本发明的优点如下：

本发明提供的具有高灵敏度的光电位置探测器，不仅结构简单，而且是采用常规的沉积薄膜的方法制备的、该光电位置探测器具有线性好、灵敏度高；特别是应用方便，不需要额外的放大电路就可直接探测，而且可探测纳秒级的快脉冲信号，在军事、国防、科研和生产等方面均有广泛的应用。

附图说明

图1.本发明的TiN-Si异质结光电位置探测器结构图。

图2(a)是设置在Si衬底上点状电极示意图。

图2(b)是设置在Si衬底上条形电极示意图。

图3.本发明的TiN-Si异质结光电位置探测器，在用10mW HeNe激光扫描Si表面，第一电极3和第二电极4之间输出电压和光点位置的关系，插图为具体测量示意图。

图4.本发明的TiN-Si异质结光电位置探测器，在用20纳秒脉宽XeCl脉冲激光扫描Si表面，第一电极3和第二电极4之间的电压输出和光点位置的关系，插图为具体测量示意图。

图面说明如下：

1—Si衬底；          2—TiN薄膜层；

3—第一电极；         4—第二电极

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明：

实施例1：

参考图1，在常规的激光分子束外延设备中，采用激光分子束外延技术，在2英寸的Si衬底1上，直接外延生长100nm厚的TiN薄膜层2，形成TiN-Si两层异质结样品。把2英寸的TiN-Si样品切割成10mm×10mm的正方形。在该TiN-Si两层异质结样品的Si衬底1的外表面上，以两个边的中心处，用铟焊接直径约为1mm的第一电极3和第二电极4(如图2a所示)，第一电极3和第二电极的间距为8mm，即制备成工作模式为电压模式的光电位置探测器。

测量结果如下：

用10mW的HeNe激光器(波长632.8nm)做光源，采用直径为0.5mm的光阑限制光点面积，把光点在探测器的Si衬底表面上第一电极3和第二电极4中间进行扫描，选用500兆示波器(1MΩ的输入阻抗)测量第一电极3和第二电极4之间的电压。图3是TiN-Si异质结光电位置探测器，在用10mW HeNe激光沿Si表面电极两点间直线扫描，第一电极3和第二电极4之间输出电压和光点位置的关系，插图为具体测量的示意图。

实施例2：

使用实施例1制作的光电位置探测器，用波长308nm的准分子脉冲激光代替HeNe激光做光源进行测量。图4是TiN-Si异质结光电位置探测器，在用波长308nm的准分子脉冲激光沿Si表面电极两点间直线扫描，第一电极3和第二电极4之间输出电压和光点位置的关系，插图为具体测量的示意图。

实施例3：

选用激光分子束外延技术，在2英寸的Si片1上，直接外延生长1nm厚的TiN薄膜层2，形成TiN-Si两层异质结样品。把2英寸的TiN-Si样品切割成10mm×10mm的正方形。在Si衬底1正方形表面的两个边的中心处，用真空镀膜方法，制备直径约为0.5mm的金第一电极3和第二电极4(如图2a所示)，制备成电压模式的光电位置探测器。

当一个光点照射在探测器的表面时，用电压表测量第一电极3和第二电极4之间的电压，或在第一电极3和TiN之间连接一个电压源，使TiN和Si构成的肖特基二极管工作在反偏压状态下，测量第一电极3和第二电极4之间的电流，即可按所测量的电压或电流来辨别其光点的位置。

实施例4：

选用磁控溅射技术，在4英寸的Si衬底1上，直接外延生长10μm厚的TiN薄膜层2，形成TiN-Si两层异质结样品。把4英寸的TiN-Si样品切割成20mm×20mm的正方形。在正方形Si衬底1的外表面的两个边的中心处，用真空镀膜方法，制备直径约为0.5mm的银第一电极3和第二电极4(如图2a所示)，制备成电压模式的光电位置探测器。

实施例5：

按实施方案4制作，在正方形Si衬底1外表面的两个边的中心处，用真空镀膜方法，制备直径约为0.5mm的铂第一电极3和第二电极4(如图2a所示)，制备成电压模式的光电位置探测器。

实施例6：

按实施方案1制作，把TiN-Si样品切割成10mm×20mm的长方形，在边长10mm的Si衬底1的外表面的两个边处，用真空镀膜方法，制备宽度为0.5mm的铝第一电极3和第二电极4(如图2b所示)，电极间距9mm，制备成电压模式的光电位置探测器。

实施例7：

按实施方案6制作，用铜电极代替铝电极，制备成电压模式的光电位置探测器。

实施例8：

利用脉冲激光溅射技术，在直径6英寸的Si衬底1上，直接外延生长200nm厚的TiN薄膜层2作为光响应层，形成TiN-Si两层异质结样品。把6英寸的TiN-Si样品切割成15mm×15mm的正方形。在正方形Si衬底1的另一表面的两个边的中心处，用锡焊接直径约为1mm的第一电极3和第二电极4(如图2a所示)，电极间距13mm。在TiN薄膜层2和第一电极3之间连接5V的反向电压，用电流表测量第一电极3和第二电极4之间的电流与光点位置的关系，制备成电流模式的光电位置探测器。

实施例9：

按实施例8制作，在TiN薄膜层2和第二电极4之间连接8V的反向电压，代替在TiN薄膜层2和第一电极3之间连接5V的反向电压。用电流表测量第一电极3和第二电极4之间的电流与光点位置的关系，制备成电流模式的光电位置探测器。

Claims (3)

1、一种具有高灵敏度的光电位置探测器，包括：Si衬底(1)、第一第一电极(3)和第二第二电极(4)；其特征在于：还包括一TiN薄膜层(2)、所述的TiN薄膜层(2)外延生长在Si衬底(1)上形成异质结；在所述的Si衬底(1)外表面的两侧处制备所述的第一电极(3)和所述的第二第二电极(4)；所述的TiN薄膜层(2)的厚度为1nm～10μm。

2、按权利要求1所述的用氮化钛和硅异质结制备的高灵敏度光电位置探测器，其特征在于：所述的Si衬底(1)为n型Si半导体，或是p型Si半导体。

3、按权利要求1所述的具有高灵敏度的光电位置探测器，其特征在于：所述的第一第一电极(3)和第二第二电极(4)采用金、银、铝、铜、铂、铟或锡金属材料，制成一个点，或是一条线。

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