CN106997909B - 一种高灵敏度日盲深紫外光探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高灵敏度日盲深紫外光探测器，包括：吸收体，其由禁带宽度为5eV‑8eV的氧化物单晶材料构成；第一电极和第二电极，其分别设置在所述吸收体的两端；以及第三电极和第四电极，其分别设置在所述第一电极和第二电极的内侧。本发明的高灵敏度日盲深紫外光探测器能够消除肖特基二极管的影响，使得探测器的灵敏度大大提高，在科研、军事等领域具有非常重要的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光探测器，尤其涉及一种四电极结构高灵敏度日盲深紫外光探测器。
背景技术
波长小于的光谱区被称为日盲区，由于日盲深紫外光探测器不受太阳光的干扰，能在阳光环境条件下对深紫外光信号进行探测，因而在预警、导弹拦截等军事、国防和科研领域具有非常重要的应用。我们已研制出上升时间达纳秒的快响应钙钛矿氧化物单晶的日盲深紫外光探测器，例如文献1：J.Xing等，Optics Letters，Vol.34,No.11,1675(2009)；文献2：Xu Wang等，Physica B,392,104(2007)；中国专利1：授权公告号为CN102148281 B以及中国专利2：授权公告号为CN 100458382 C所记载的。现有的日盲深紫外光探测器的基本结构如图1所示，在一个宽禁带材料吸收体1的两端设置两个电极2和3，在回路中加一个电源7，当光子能量大于吸收体1材料禁带宽度的光子入射到吸收体1时，就可在吸收体1中产生电子-空穴对，在电源7的电场的作用下，在回路中形成电流，在取样电阻6上获得入射光的探测信号。但是，现有技术的日盲深紫外光的探测器的灵敏度远远不能满足应用的需求，高灵敏度的日盲深紫外光探测器仍是探测器研制的重点。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种四电极结构高灵敏度日盲深紫外光探测器，包括：
吸收体，其由禁带宽度为5eV-8eV的氧化物单晶材料构成；
第一电极和第二电极，其分别设置在所述吸收体的两端；以及
第三电极和第四电极，其分别设置在所述第一电极和第二电极的内侧。
根据本发明的高灵敏度日盲深紫外光探测器，优选地，所述吸收体为不同方向定向的晶体材料。
根据本发明的高灵敏度日盲深紫外光探测器，优选地，所述吸收体为斜切的单晶材料，其晶体取向与晶体表面的斜切角为1°至45°。
根据本发明的高灵敏度日盲深紫外光探测器，优选地，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极以及所述第四电极为条形或圆形等不同形状。
根据本发明的高灵敏度日盲深紫外光探测器，优选地，所述吸收体由铝酸镧、氧化锆或氧化镁等材料构成。
根据本发明的高灵敏度日盲深紫外光探测器，优选地，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极由金、铂、银、铝、铜、合金、石墨、铟锡氧化物(IOT)、钌酸锶(SrRuO3)等导电材料构成。
根据本发明的高灵敏度日盲深紫外光探测器，优选地，还包括电源，其电连接在所述第一电极和所述第二电极之间。
根据本发明的高灵敏度日盲深紫外光探测器，优选地，还包括连接至所述第三电极的第一输出引线和连接至所述第四电极的第二输出引线。
与现有技术相比，本发明的四电极结构日盲深紫外光探测器选用宽禁带氧化物作为吸收体，对应材料的禁带宽度的光子的波长都小于因此探测时可避免太阳光的干扰。另外，本发明的四电极结构日盲深紫外光探测器能够消除肖特基二极管的影响，使得探测器的灵敏度大大提高，响应速度可以达到ns和ps量级，在科研、军事等领域具有非常重要的应用。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为现有技术的日盲深紫外光探测器的结构示意图；
图2为图1所示的日盲深紫外光探测器的等效电路图；
图3为本发明的有源四电极结构日盲深紫外光探测器的示意图；
图4为本发明的无源四电极结构日盲深紫外光探测器的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图2，图2为图1所示现有技术的日盲深紫外光探测器的等效电路图，当光子能量大于吸收体1的材料禁带宽度的光子入射到吸收体1时，在吸收体1中产生电子-空穴对，使吸收体1的材料具有导电特性，本发明人发现，此时，在两个电极2和3与吸收体1的界面处会形成两个方向相反的肖特基二极管。因此无论电源7是正电压还是负电压，在回路导通时，总有一个肖特基二极管处于反向工作状态。众所周知，二极管的反向电阻是非常大的，很显然，反向二极管对探测紫外光所产生的光生电压具有很大的分压作用，从而大大降低探测器的灵敏度。因此，如何消除其肖特基二极管的影响，将是提高日盲深紫外光探测器灵敏度的一个关键问题。
本发明提供一种四电极结构高灵敏度日盲深紫外光探测器，其不是传统的从取样电阻6上获取光电探测信号，而是从位于两个电极2和3之间的另外两个电极获取光电探测信号，完全消除了肖特基二极管的影响，因而使探测器的灵敏度大大提高。
实施例1
该实施例1针对有源结构的光探测器，有源结构的光探测器的电场是由外接电源提供的。参考图3，图3为本发明的有源四电极结构日盲深紫外光探测器的示意图，其包括：
(001)取向的单面抛光的铝酸镧(LaAlO3)单晶材料做吸收体11，厚度为0.5mm、宽度为5mm、长度为10mm，其抛光面作为探测光入射面；
第一电极12和第二电极13，其分别设置于吸收体11的抛光表面的长度方向的相对的两端并且由银材料构成，其形状为宽1mm的条形；
第三电极14和第四电极15，其分别平行地设置于吸收体11的抛光表面上第一电极12和第二电极13的内侧，与第一电极12和第二电极13的距离分别为1mm处，由银材料构成并且形状为宽1mm的条形；
取样电阻16，其电阻值为2MΩ并且连接在第一电极12和电源17之间；
电源17，其连接在取样电阻16和第二电极13之间；以及
第一输出引线18和第二输出引线19，其分别连接至第三电极14和第四电极15，用于输出光电探测信号。
上述有源四电极结构日盲深紫外光探测器的制备过程如下：
步骤一：选用(001)取向，厚度为0.5mm、宽为5mm、长为10mm、单面抛光的LaAlO3单晶材料做吸收体11，抛光的表面作为探测光入射面；
步骤二：在吸收体11的抛光表面的10mm长的两端，分别蒸镀2个1mm宽的条形银膜，分别作为第一电极12、第二电极13、第三电极14和第四电极15，第一电极12和第三电极14之间的距离与第二电极13和第四电极15之间的距离均为1mm；
步骤三：选取一个2MΩ的电阻作为取样电阻16；
步骤四：选取一个6V的叠层干电池做电源17。
步骤五：分别用导线将上述第一电极12连接至电阻16的一端，将电阻16的另一端连接至电源17的一端，电源17的另一端连接至第二电极13，并从第三电极14和第四电极15分别引出第一输出引线18和第二输出引线19，从而制作有源四电极结构日盲深紫外光探测器。
实施例2
该实施例2针对无源结构的光探测器，无源结构的光探测器选用斜切的氧化物单晶材料做吸收体，如图4中的虚线示意，吸收体21单晶材料表面的晶体取向相对于表面的法线有一个倾角，斜切的表面具有非对称性，当一个光脉冲入射到表面时，材料吸收入射光后，在产生电子空穴对的同时，在吸收体1产生一个从表面到体内的温度梯度，由于表面的非对称性，其温度梯度将在其表面产生一个垂直表面台阶的一个电场，也就是“Seebeck”效应，使光电效应所产生的电子和空穴分别向两端移动，在第一电极22和第二电极23之间形成光生伏特电压。图4为本发明的无源四电极结构日盲深紫外光探测器的示意图，其包括：
表面(001)方向斜切15°的单面抛光的氧化锆(ZrO2)单晶材料做吸收体21，厚度为0.5mm、宽度为10mm、长度为15mm，其抛光面作为探测光入射面；
第一电极22和第二电极23，其分别设置于吸收体21的抛光表面的长度方向的相对的两端，并且由金材料构成，其形状为宽1mm的条形；
第三电极24和第四电极25，其分别平行地设置于吸收体21的抛光表面上第一电极22和第三电极23的内侧1mm处，由金材料构成并且形状为宽1mm的条形；
取样电阻26，其电阻值为1MΩ并且电连接在第一电极22和第二电极23之间；
第一输出引线28和第二输出引线29，其分别连接至第三电极24和第四电极25，用于输出光电信号。
上述无源四电极结构日盲深紫外光探测器的制备过程如下：
步骤一：选用在上述斜切15°，厚度为0.5mm、宽为10mm、长为15mm、单面抛光的ZrO2单晶基片做吸收体21，抛光的表面作为探测光入射面；
步骤二：在吸收体21的抛光表面的15mm长的两端，分别蒸镀2个1mm宽的条形金膜，作为第一电极22、第二电极23、第三电极24和第四电极25，第一电极22和第三电极24之间的距离与第二电极23和第四电极25之间的距离均为1mm；
步骤三：选取一个阻值为1MΩ的取样电阻26；
步骤四：分别用导线将电阻26连接至第一电极22和第二电极23，并从第三电极24和第四电极25引出第一输出引线28和第二输出引线29，从而制作无源四电极结构日盲深紫外光探测器。
虽然上述具体实施例分别针对有源结构和无源结构进行了描述，但是本领域技术人员很容易理解，为了进一步提高灵敏度，也可以同时采用外接电源和斜切晶体的吸收体，此时电源的极向应和“Seebeck”效应所产生电压的极向相同，由于两个电场的叠加，探测器具有更高的灵敏度：
本领域技术人员很容易理解，对于本发明，由于不需要在取样电阻上测量光电探测信号，所以取样电阻(16，26)并非必需的；
根据本发明的其他实施例，所选择的吸收体的氧化物单晶材料的禁带宽度都是在5eV-8eV之间，其能量范围光子对应的波长都小于当光照射在材料表面时，只有光子能量等于和大于材料禁带宽度的光才能产生光电效应，从而产生电子-空穴对，并在电场作用下在回路中形成电流和电压。而在光子能量小于其禁带宽度的紫外光、可见光和红外光范围内，不可能产生光电效应，因而探测器具有日盲的特点。具体地，禁带宽度在5eV-8eV之间的氧化物单晶材料还可以选择氧化镁(MgO)等；根据本发明的其他实施例，电极可以采用本领域公知的金属或非金属电极材料，例如石墨、铜、铝、铟锡氧化物(IOT)、钌酸锶(SrRuO3)或金属合金等；
在本发明中，对第一到第四电极的形状、尺寸和间距不作任何限定，电极可以采用圆形等本领域公知的任何形状，但是当电极为条形时，效果最佳；
另外，根据本发明的其他实施例，本发明的四电极结构日盲深紫外光探测器的吸收体可以是不同方向定向的晶体材料，也可以是不同方向斜切角度为1°～45°的斜切晶体材料。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (7)
1.一种高灵敏度日盲深紫外光探测器，包括：
吸收体，其由禁带宽度为5eV-8eV的氧化物单晶材料构成；
第一电极和第二电极，其分别设置在所述吸收体的两端；以及
第三电极和第四电极；
其中，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极以及所述第四电极为条形，所述第三电极和所述第四电极分别平行地设置在所述第一电极和第二电极的内侧。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度日盲深紫外光探测器，其中，所述吸收体为不同方向定向的晶体材料。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度日盲深紫外光探测器，其中，所述吸收体为斜切的单晶材料，其晶体取向与晶体表面的斜切角为1°至45°。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的高灵敏度日盲深紫外光探测器，其中，所述吸收体由铝酸镧、氧化锆或氧化镁等材料构成。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的高灵敏度日盲深紫外光探测器，其中，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极由石墨、金、铂、银、铝、铜、合金、铟锡氧化物(IOT)、钌酸锶(SrRuO3)等导电材料构成。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的高灵敏度日盲深紫外光探测器，其中，还包括电源，其电连接在所述第一电极和所述第二电极之间。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的高灵敏度日盲深紫外光探测器，其中，还包括连接至所述第三电极的第一输出引线和连接至所述第四电极的第二输出引线。
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