CN102148281A - 一种具有快响应高灵敏度和低噪声的紫外光探测器 - Google Patents
一种具有快响应高灵敏度和低噪声的紫外光探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有快响应高灵敏度和低噪声的紫外光探测器，包括用宽禁带晶体材料做的光敏层，光敏层的两个表面上分别设置第一电极和第二电极，电源的正极和第二电极层连接，该电源4的负极通过电阻与同轴接头电连接，将导电胶涂覆在第一电极2表面，该导电胶8沿第一电极2表面的周边涂覆，中间的空白，其形状和外壳上的窗口一致，该第一电极2表面中间的空白处为探测器窗口，通过涂覆的导电胶8将光敏层1固定在外壳7的内壁上。由于选取宽禁带材料做光敏层，对于红外光和可见光不响应。探测器被封闭在金属外壳中，不仅具有很好的抗干扰能力，而且对紫外光具有高的探测率和灵敏度，在生活、科研和军事等领域具有非常重要与广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电探测器，特别涉及一种新型金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
背景技术
紫外光探测在环境监测、保密通信、空间探测和军事等方面具有非常重要和广泛的应用。尽管传统的半导体光探测器也可以探测紫外光，但由于其在可见光波段的高灵敏度，在探测紫外光时不得不采取滤波等措施，给使用带来很多不便。因此不少研究者利用GaN、BN和金刚石等宽禁带半导体研制紫外光探测器，如参考文献1、M.Mikulics，等，“Ultrafast metal-semiconductor-metal photodetectorson low-temperature-grown GaN，”Appl.Phys.Lett.86，211110(2005).参考文献2、A.Soltani，等，“193nm deep-ultraviolet solar-blind cubic boron nitride basedphotodetectors，”Appl.Phys.Lett.92，053501(2008).参考文献3、A.Balducci，等“Extreme ultraviolet single-crystal diamond detectors by chemical vapor deposition，”Appl.Phys.Lett.86，193509(2005)。但上述紫外光探测器不仅制备工艺复杂成本很高，而且大部分还没有达到实际应用水平。本申请人采用宽禁带氧化物制备出快响应高灵敏度紫外光探测器，如文献4、J.Xing，等，“Visible-blindultraviolet-sensitive potodetectoe based on SrTiO3 single crystal”Opt.Lett.32，2526(2007).文献5、J.Xing，等，“Solar-blind deep-ultraviolet photodetectors based on anLaAlO3 single crystal，”Opt.Lett.34，1675(2009).文献6、E.J.Guo，等，“Photoelectric effects of ultraviolet fast response and high sensitivity in LiNbO3single crystal，”J.Appl.Phys.106，023114(2009)。本申请人已申请相关专利，专利申请号：200510082702.X；专利号：200410071174.3，专利号：200410069100.6。相关专利文献和发表的紫外光探测器相关论文，主要涉及紫外光探测器都是采用叉指电极结构，尽管叉指电极结构也能获得高的灵敏度，但叉指结构对实际应用来说存在抗干扰能力差和易被污染的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述紫外光探测器存在的缺点，从而利用宽禁带单晶材料作为探测器的光敏层，铟锡氧或金属既做探测器电极又作为探测器窗口，制备一种金属-绝缘体-金属结构的用于紫外光探测的、具有快响应高灵敏度、低噪声的紫外光探测器；该紫外光探测器具有抗干扰能力强和不易被污染；还可以探测紫外光的能量、功率和波形，能响应飞秒脉宽的激光脉冲，响应时间达到纳秒和皮秒。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的具有快响应高灵敏度和低噪声的紫外光探测器(如图1所示)，包括用宽禁带晶体材料做的光敏层1，第一电极2，第二电极3，电源4，电阻5，外壳6和同轴接头7；其特征在于，还包括导电胶8；所述的光敏层1的晶体材料厚度为：0.5～0.03mm；所述的第一电极2是外延生长的铟锡氧导电薄膜，所述的第二电极3是外延生长的铟锡氧薄膜或金属导电薄膜；其中，所述的光敏层1的两个表面上分别设置所述的第一电极2和第二电极3，所述的电源4的正极和第二电极层3电连接，该电源4的负极通过所述的电阻5与所述的同轴接头7电连接，将所述的导电胶8涂覆在第一电极2表面，该导电胶8沿第一电极2表面的周边涂覆，中间的空白(即未涂导电胶8)，其形状和外壳6上的窗口一致，该第一电极2表面中间的空白处为探测器窗口，通过所述涂覆的导电胶8将光敏层1固定在外壳7的内壁上。
在上述的技术方案中，为了提高灵敏度，还包括一个衬底9，在所述衬底9的一表面上生长第二电极3，然后在所述第二电极3上生长所述光敏层1，再在光敏层1上生长第一电极2。衬底9起支撑作用，这样光敏层1可以做的很薄，因而使得该器件具有更高的灵敏度(如图2所示)。
在上述的技术方案中，所述的宽禁带晶体材料为：钛酸锶(SrTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)、铝酸镧(LaAlO3)、铌酸锂(LiNbO3)、氧化锆(ZrO2)，氧化镁(MgO)，三氧化二铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)、或钽酸钾(KTaO3)。
在上述的技术方案中，所述的第一电极2的铟锡氧薄膜的厚度为：1～300nm第一电极2外延生长在光敏层1晶体材料的一个表面上，由于铟锡氧薄膜具有很好的导电性，因此，它既可以作为探测器的一个电极功能，又作为光学窗口。
在上述的技术方案中，第二电极3可以是外延生长的铟锡氧薄膜，可以是用真空镀膜、磁控溅射、激光沉积等方法蒸镀的金、银、铝等金属薄膜，也可以是银胶等导电材料；其中，第二电极3的厚度为：1～300nm。
在上述的技术方案中，电源4可以是电池，直接放在外壳6里，也可以是直流电源或电池，通过电源插头外接。
在上述的技术方案中，电阻5是一个取样电阻，其取值范围为：100Ω～100MΩ。
在上述的技术方案中，外壳7是一个金属材料，具有电磁屏蔽作用，可以是铜、铝、铁或钢等导电金属材料。
在上述的技术方案中，导电胶8可以是银胶或其它导电胶，即可把光敏层1固定在外壳6上，又可以把电极2和外壳6联通。
本发明提供的低噪声高灵敏度紫外光探测器，由于光敏层1是宽禁带材料，具有绝缘特性，电极2和电极3是铟锡氧薄膜或金属薄膜，具有金属特性，因此，它们组成的是一种具有金属-绝缘体-金属结构的紫外光探测器。
本发明提供的金属-绝缘体-金属结构低噪声高灵敏度紫外光探测器，其原理是：当光入射到电极2铟锡氧薄膜后，由于铟锡氧薄膜很薄，因此入射光可以穿过铟锡氧到达光敏层1。光敏层1是宽禁带晶体材料，如SrTiO3的禁带是～3.2eV，其能量对应于光子的波长是～BaTiO3的禁带是～3.2eV，其能量对应于光子的波长是～
LaAlO3的禁带是～5.6eV，其能量对应于光子的波长是～LiNbO3的禁带是～3.79eV，其能量对应于光子的波长是～ZrO2的禁带是～5.8eV，其能量对应于光子的波长是～
MgO的禁带是～8eV，其能量对应于光子的波长是～
因此当光照射在光敏层1材料表面时，只有光子能量大于光敏层1材料禁带宽度的光才能被光敏层1的晶体材料吸收，产生电子空穴对。而可见光和红外光的光子能量小于光敏层1的禁带宽度，不能被光敏层1的材料吸收和产生光电效应，因此本发明提供的光探测器是紫外光探测器。光敏层1的晶体材料吸收紫外光，产生的电子-空穴对被电极2和电极3之间的外加电场分离生成光电流，光电流流过电阻5生成光生电压。通过检测电阻5的光生电压来检测紫外光的强度和能量。因为光敏层1很薄，电极2和电极3之间的电场就很强，因此具有很高的灵敏度。
很显然，不同的晶体材料具有不同的禁带宽度，选取不同的晶体材料做光敏层1，可以得到适合不同探测波长的紫外光探测器。如要探测3000埃左右波长的紫外光，可选用钛酸锶或钛酸钡材料制备的光探测器，如要探测2300埃左右波长的光，可选用铝酸镧制备的光探测器，如要探测1500埃左右波长的光，可选用氧化镁制备的光探测器。另外，本发明的技术方案是把第一电极2和外壳6用导电材料连接，全部探测器都被封闭一个金属连接的外壳中，因此具有很好的电磁屏蔽作用，抗干扰能力能力强和不易被污染，是一种低噪声的紫外光探测器。
本发明提供的低噪声高灵敏度紫外光探测器，由于选取其禁带宽度都大于红外光和可见光光子的能量，因此不仅避免了红外光和可见光的干扰，而且对紫外光探测具有很高的探测率和灵敏度，其响应速度可以达到ns和ps，并具有很好的抗干扰能力，在生活、科研和军事等领域具有非常重要与广泛的应用。
附图说明
图1是本发明的光探测器组成示意图。
图2.是本发明的另一种光探测器组成实施例示意图。
图3是本发明的光探测器利用不同厚度钛酸锶作光敏层，所示出的探测器偏压与灵敏度的关系曲线。
图4是本发明的光探测器利用不同厚度铟锡氧薄膜作第一电极的探测器的偏压与灵敏度的关系曲线。
图面说明如下：
1-光敏层； 2-第一电极2； 3-第二电极3； 4-电源；
5-电阻； 6-外壳； 7、同轴接头； 8、导电胶；
9-衬底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细地说明
实施例1
参考图1，
下面结合具体制备过程，来对本实施例利用宽禁带材料和铟锡氧薄膜制作的低噪声高灵敏度紫外光探测器的结构进行详细地说明。选用一块厚度为0.5mm×长10mm×宽10mm的钛酸锶单晶材料做光敏层1。利用激光分子束外延在光敏层1的钛酸锶表面外延生长，例如厚度分别为10nm、20nm、50nm或200nm的铟锡氧薄膜做第一电极2。再把已经外延了铟锡氧薄膜的钛酸锶材料(即光敏层1没有制作第一电极的另一面)的一面厚度减薄，减薄技术对本专业技术人员来说都可以实施的，把作为光敏层1的钛酸锶厚度可以减薄到，例如0.1mm、0.18mm或0.25mm都可以，在减薄后的光敏层1(即在没有生长铟锡氧薄膜的光敏层1的表面)的另一面上涂覆银胶做第二电极3。选用合金铝加工制备成圆形盒子状的探测器外壳6，用银胶作导电胶8，该导电胶8沿第一电极2表面的周边涂覆，涂覆成一个圆框，中间空白不涂导电胶，其圆框形状和外壳6上所留出的窗口大小一致，该第一电极2表面中间的空白处为探测器窗口，光敏层1通过所述涂覆的导电胶8固定在外壳6的内壁上，从而将第一电极2和外壳6电连接在一起。选用500V的直流可调电源做电源4，用同轴接头把电源4引入外壳6。选用10M的电阻做电阻5。用导线把电源4的正极和电极3连接，电源4的负极和电阻5与同轴接头7连接，制备成一种截至波长390nm的金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
用360nm的紫外光二极管做光源，用数字电压表测量电阻5上的电压，测量上述紫外光探测器的性能。图3是不同厚度钛酸锶作光敏层1，制备的探测器偏压与灵敏度的关系曲线，图4是不同厚度铟锡氧薄膜作电极2，制备的探测器偏压与灵敏度的关系曲线。可以看出随着钛酸锶和铟锡氧厚度的减薄，探测器的灵敏度提高，可以探测nW的微弱紫外光，最高电流灵敏度可达到30mA/W。即使在200V的偏压下，其暗电流才270pA，具有很小的背底噪声。
实施例2
选用一块厚度为0.5mm×长10mm×宽5mm钛酸钡单晶材料做光敏层1；利用激光分子束外延在光敏层1的钛酸钡表面外延生长厚度为2nm的铟锡氧薄膜做第一电极2。把外延铟锡氧薄膜的钛酸钡从没有铟锡氧薄膜的一面减薄到0.1mm，在没有铟锡氧薄膜的一面涂上银胶做第二电极3。外壳6选用合金铝加工成通常探测器外壳的样式，用银胶作导电胶，把第一电极2和外壳6连接在一起。选用500V的直流可调电源做电源4，用同轴接头把电源4引入外壳6。选用10M的电阻做电阻5。用导线把电源4的正极和电极3连接，电源4的负极和电阻5与同轴接头7连接。制备截至波长390nm的金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例3
按实施例2的结构制作，区别在于选用铝酸镧单晶材料代替钛酸锶，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例4
按实施例2的结构制作，区别在于选用氧化镁单晶材料代替钛酸锶，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例5
按实施例2的结构制作，区别在于选用氧化锆单晶材料代替钛酸锶，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例6
按实施例2的结构制作，区别在于选用铌酸锂单晶材料代替钛酸锶，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例7
按实施例2的结构制作，区别在于选用三氧化二铝单晶材料代替钛酸锶，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例8
按实施例2的结构制作，区别在于选用氧化锌单晶材料代替钛酸锶，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例9
按实施例2的结构制作，区别在于选用钽酸钾单晶材料代替钛酸锶，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例10
按实施例2的结构制作，区别在于用磁控溅射的方法在钛酸锶的一个表面外延生长电极2铟锡氧薄膜。
实施例11
按实施例2的结构制作，区别在于用脉冲激光溅射的方法在的一个表面外延生长电极2铟锡氧薄膜。。
实施例12
按实施例2的结构制作，区别在于用溶胶法在的一个表面外延生长电极2铟锡氧薄膜。
实施例13
按实施例2的结构制作，区别在于选用100Ω的电阻做电阻5，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例14
按实施例2的结构制作，区别在于选用100MΩ的电阻做电阻5，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例15
按实施例2的结构制作，区别在于电极2铟锡氧薄膜的厚度为1nm，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例16
按实施例2的结构制作，区别在于电极2铟锡氧薄膜的厚度为300nm，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例17
按实施例2的结构制作，区别在于光敏层1钛酸钡的厚度为0.5mm，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例18
按实施例2的结构制作，区别在于电源4用10个1.35V的纽扣电池，并把纽扣电池放在外壳6内，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例19
按实施例1的结构制作，区别在于分别在光敏层1钛酸锶的两个表面生长厚度为300nm和3nm的铟锡氧薄膜，300nm厚的铟锡氧薄膜在电极3，3nm厚的铟锡氧薄膜在电极2，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例20
参考图2，结合具体制备过程，来对本实施例利用宽禁带材料和铟锡氧薄膜制作的低噪声高灵敏度紫外光探测器的结构进行详细地说明。选用一块取向为(001)的、厚度为0.5mm×长10mm×宽10mm钛酸锶单晶材料做衬底9。利用激光分子束外延在衬底9的钛酸锶表面上生长300nm的铟锡氧薄膜做第二电极3，把第二电极3铟锡氧薄膜的一个边遮挡1mm做第二电极3的引线，在遮挡第二电极3的薄膜表面生长0.01mm的钛酸锶做光敏层1，再在0.01mm钛酸锶光敏层1的表面外延生长厚度为10nm的铟锡氧薄膜做第一电极2。外壳6选用铜加工制备的探测器外壳，用银胶作导电胶8，该导电胶8沿第一电极2表面的周边涂覆，涂覆成一个方框，中间空白不涂导电胶，其方框形状和外壳6上所留出的窗口大小一致，该第一电极2表面中间的空白处为探测器窗口，光敏层1通过所述涂覆的导电胶8固定在外壳6的内壁上，从而将第一电极2和外壳6连接在一起。选用24V的叠层电池做电源4。选用1M的电阻做电阻5。用导线把电源4的正极和电极3连接，电源4的负极和电阻5与同轴接头7连接。制备截至波长390nm的金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例21
按实施例20的结构制作，区别在于用0.4mm的Si片代替钛酸锶做衬底9，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例22
按实施例20的结构制作，区别在于用0.5mm的ZrO代替钛酸锶做衬底9，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例22
按实施例20的结构制作，区别在于用铝酸镧代替钛酸锶做光敏层1，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
实施例23
按实施例20的结构制作，区别在于用铌酸锂代替钛酸锶做光敏层1，制作金属-绝缘体-金属结构的低噪声高灵敏度紫外光探测器。
Claims (9)
1.一种具有快响应、低噪声和高灵敏度的紫外光探测器，包括用宽禁带晶体材料做的光敏层(1)、第一电极(2)、第二电极(3)、电源(4)、电阻(5)、外壳(6)和同轴接头(7)；其特征在于，还包括导电胶(8)；所述的光敏层(1)的晶体材料厚度为：0.5～0.03mm；所述的第一电极(2)为一层铟锡氧导电薄膜，所述的第二电极(3)是一层铟锡氧薄膜；其中，所述的光敏层(1)的两个表面上分别设置所述的第一电极(2)和第二电极(3)，所述的电源(4)的正极和第二电极层(3)电连接，该电源(4)的负极通过所述的电阻(5)与所述的同轴接头(7)电连接，将所述的导电胶8涂覆在第一电极(2)表面，该导电胶(8)沿第一电极(2)表面的周边涂覆，中间留出空白处，其形状和外壳(6)上的窗口一致，该第一电极(2)表面中间的空白处为探测器窗口，通过所述涂覆的导电胶8将光敏层(1)固定在外壳(6)的内壁上。
2.按权利要求1所述的具有快响应、低噪声和高灵敏度的紫外光探测器，其特征在于，还包括一个衬底9，在所述衬底(9)上生长第二电极层(3)，然后在所述第二电极层(3)上生长所述光敏层(1)，再在光敏层(1)上生长第一电极层(2)。
3.按权利要求1所述的具有快响应、低噪声和高灵敏度的紫外光探测器，其特征在于，所述的宽禁带晶体材料为：钛酸锶、钛酸钡、铝酸镧、铌酸锂、氧化锆，氧化镁，三氧化二铝、氧化锌或钽酸钾。
4.按权利要求1所述的具有快响应、低噪声和高灵敏度的紫外光探测器，其特征在于，所述的第一电极(2)的铟锡氧薄膜的厚度为：1～300nm。
5.按权利要求1所述的具有快响应、低噪声和高灵敏度的紫外光探测器，其特征在于，所述的第二电极(3)是外延生长的铟锡氧薄膜，是用真空镀膜、磁控溅射、或激光沉积方法蒸镀的金、银、铝的金属薄膜，或是银胶导电材料；其中，第二电极(3)的厚度为：1～300nm。
6.按权利要求5所述的具有快响应、低噪声和高灵敏度的紫外光探测器，其特征在于，所述的金属是铜、铝、铁或钢的导电金属。
7.按权利要求1所述的具有快响应、低噪声和高灵敏度的紫外光探测器，其特征在于，所述的电源(4)是电池，或是直流电源或电池，通过电源插头外接。
8.按权利要求1所述的具有快响应、低噪声和高灵敏度的紫外光探测器，其特征在于，所述的电阻(5)是一个取样电阻，其电阻取值范围为：100Ω～100MΩ。
9.按权利要求1所述的具有快响应、低噪声和高灵敏度的紫外光探测器，其特征在于，所述的导电胶(8)是银胶或其它导电胶。
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