CN115207139A - 自驱动紫外光电探测器、光路调整装置和光通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自驱动紫外光电探测器，包括作为主体晶片的碳化硅晶片以及电极对，其中，主体晶片包括部分被界面多晶化处理的表面或者截面；电极对包括分开设定距离的两个电极，其中，每个所述电极同时覆盖主体晶片的表面中未被界面多晶化处理的表面和被界面多晶化处理后的表面或截面，使每个所述电极与主体晶片同时处于欧姆接触和肖特基接触的状态。还提供应用所述探测器的光路调整器件和光通信装置。本发明提供的紫外光探测器结构简单，尺寸可根据实际应用场景随意调整，轻薄易携带，且使用方便即插即用，省去了传统多通道译码器的复杂工序。探测器可实现自驱动，无需外界供电，保证了设备可持续探测的续航能力，拓宽了紫外光电探测的应用场景。

Description

自驱动紫外光电探测器、光路调整装置和光通信装置
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种多功能的自驱动紫外光电探测器,以及应用其的光路调整器件和光通信装置。
背景技术
碳化硅(SiC)作为一种第三代半导体材料，其具有宽带隙、高电子饱和漂移速度、以及优良导热和稳定等优异性能，成为全球各国发展的战略材料，尤其在紫外光电探测领域该材料具有明显的性能优势。尽管基于碳化硅的紫外光电探测器种类繁多，但大多制备工艺复杂、成本较高且器件体积较大缺乏灵活性，普遍用于功能较为单一的基础传感，很难实现更为丰富高效的信息传输。
另一方面，紫外光电探测有时需要器件具有较长的可持续工作时间，外接电源或传统电池将对器件的运行及移动带来不便。利用材料本身的性能实现自供电技术的突破为设备独立可持续运行提供了新的手段，该技术可直接将待探测的紫外光信息转换成电信号，即从需要探测的光信号本身而不是外部电源或传统电池中获取能量来驱动紫外光电探测器。
紫外光电探测器如果能够实现对光信号强度及位置的动态实时探测将具有广泛的应用，比如辐射测量、光度计量、遥感以及成像等领域。但实际上大多数光电探测器只能实现其中某一项探测目标且需要多通道处理器来处理大量的数据，经繁琐的算法解析后才能成为有价值的可用信息。如何制备出工艺简单、成本低廉、测量方便的高灵敏度紫外光电探测器，完成对于紫外光信号的强度探测、位置捕捉以及对光源移动路径成像等多类信息的感应及传输，将是碳化硅基紫外光电探测器领域极具挑战的研究方向。此外，自供电系统将为紫外光电探测器提供长久的续航能力，也可保证探测器对紫外光信号的实时定位、动态成像以及数据加密传输的稳定性和广泛适用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对传统紫外光电探测器制备工艺复杂、功能单一以及价格昂贵的问题，提出了一种基于碳化硅的多功能自驱动紫外光电探测器。
为了实现上述目的，本发明提供一种自驱动紫外光电探测器，包括作为主体晶片的碳化硅晶片以及电极对，其中，
所述主体晶片包括部分被界面多晶化处理的表面或者截面；
所述电极对包括分开设定距离的两个电极，其中，每个所述电极同时覆盖所述主体晶片的表面中未被界面多晶化处理的表面和被界面多晶化处理后的表面或截面，使每个所述电极与所述主体晶片同时处于欧姆接触和肖特基接触的状态。
优选的，所述主体晶片的截面为被界面多晶化处理的表面，主体晶片的上下表面为未被界面多晶化处理的表面。
优选的，所述两个电极均为覆盖部分主体晶片上表面和部分截面；或者，所述两个电极的一个电极覆盖部分所述主体晶片上表面和部分截面，另一个电极覆盖部分所述主体晶片下表面和部分截面。
优选的，所述主体晶片碳化硅为3C-SiC、4H-SiC或6H-SiC结构；优选的，主体晶片为n型导电4H-SiC晶片。
优选的，所述界面多晶化处理的方式为激光切割、热加工或化学刻蚀技术。
优选的，包括多个所述电极对，紫外激光照射时同时产生多个信号值，对每个电极对的电信号分别进行测量。
优选的，还包括坐标记录单元，用于将两组信号值一一对应组合形成光照位置的坐标矩阵的记录。
优选的，包括2对所述电极对，所述两个电极对中两个电极的连线互相交叉。
优选的，包括2对所述电极对，所述两个电极对共用一个电极，两个电极对中两个电极的连线互相连接为L型。
本发明还提供一种光路调整器件，包括上述任一项中所述的自驱动紫外光电探测器，将所述探测器置于光路中，通过输出信号强度来判断光斑的位置。
本发明还提供一种光通信装置，包括上述任一项所述的自驱动紫外光电探测器，所述坐标矩阵被编码赋予特定的意义，通过紫外光的运动携带信息，实现信息的加密传输。
本发明的技术方案与现有技术相比，有下列优点：
本发明利用碳化硅中的一种光致动态肖特基效应，实现了自驱动的紫外光信号强度及位置的传感。
进一步优化碳化硅晶片上电极位置结构排列组合，利用材料本身的热释电-光电效应对信号强度进行增强，使它能够灵敏地对信号进行实时定位、动态成像以及信息的加密传输。
本发明提供的紫外光探测器结构简单，尺寸可根据实际应用场景随意调整，轻薄易携带，且使用方便即插即用，省去了传统多通道译码器的复杂工序。探测器可实现自驱动，无需外界供电，保证了设备可持续探测的续航能力，拓宽了紫外光电探测的应用场景。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的自驱动紫外光电探测器的结构示意图；
图2为不同电极位置的紫外光电探测器的结构示意图；
图3为紫外光电探测器的电流电压响应曲线；
图4为紫外光电探测器在不同光功率刺激下的输出电流图；
图5为紫外光电探测器在不同工作环境下的稳定性示意图；
图6为紫外光电探测器的成像效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例一：
本实施例提供的自驱动紫外光电探测器，典型结构如图1所示，包括作为主体晶片的碳化硅(SiC)晶片1，所述主体晶片1包括部分被界面多晶化处理的表面或者截面；以及电极对，包括分开设定距离的两个电极2，其中，每个电极2同时覆盖主体1的表面中未被界面多晶化处理后的表面和被界面多晶化处理后的表面或截面，使每个电极2与主体1同时处于欧姆接触和肖特基接触的状态。
当紫外光束随机照射到主体晶片上时，虽然光斑不可见，但激光本身的能量会激发主体晶(碳化硅单晶片)片里的电子产生跃迁和输运形成电学信号，该电学信号可以通过两个电极2连出的导线3进行测量，并且光斑照射在不同的位置，可以检测到不同的电学信号，可以同时实现多功能的紫外光探测。该探测器可以用于波长较短的紫外波段激光的传感。
本实施例中，参见图1，作为主体的碳化硅单晶片1的截面(如左右两个截面)为被激光切割处理后的表面，该截面为界面多晶化处理的表面，主体晶片的上下表面为未被界面多晶化处理后的表面。两个电极2均为覆盖部分主体晶片上表面和部分截面，电极2与主体晶片的上表面形成肖特基接触，电极2与主体晶片的截面形成欧姆接触。
2个电极在主体晶片上的设置位置没有特殊要求，只要分开一定距离即可，图1中，两个电极设置在晶片上表面的对角线位置，在其他实施例中，一个电极2覆盖部分主体晶片上表面和部分截面，另一个电极2覆盖部分主体晶片下表面和部分截面。
电极的尺寸和形状不作限定，可以按照需要更改。以圆形电极为例，尺寸范围为直径1mm-3mm。
电极2的材料为常规导电材料，可以为铜、银、金等常见的金属导电材料，也可以是由这些金属组成的有机导电胶等导电材料。电极的制备工艺可以是简单的涂抹或是磁控溅射等镀膜工艺；导线和金属电极材料类似，可以是铜、银、金等常见的金属导电材料，也可以替换成其他导电性较好的材料。
主体晶片碳化硅的形状和尺寸不作具体限定，可以根据具体探测器的尺寸确定。可以选择3C-SiC,4H-SiC,以及6H-SiC等碳化硅多种结构类型，例如可以选择n型导电4H-SiC晶片。
主体晶片碳化硅的表面被界面多晶化处理的方式有多种，可以为激光切割、热加工或化学刻蚀等技术。
下面以一个具体器件为例描述本实施例的探测器的结构和性能。
采用激光切割机切割成长宽为1cm×1cm的方形碳化硅晶片，厚度为350±20±m，电阻率≦0.1Ω·cm。然后用导电材料分别在晶片的部分表面和部分截面形成两个电极2，同时保证主体晶片和导线能够稳固连接(1和3)方便后续的数据采集，连接方式可以是图2所示的任意一种。主体晶片可以是n型导电4H-SiC晶片或者n行高绝缘4H-SiC碳化硅晶片；电极和导线均采用导电金属电极如铜。制备的该器件的输出特性曲线需介于肖特基接触(上或下表面)和欧姆接触(激光处理后的截面)的中间状态，如图3所示。
该装置可以用于波长较短的紫外波段激光的传感。当光束随机照射到主体晶片上时，虽然光斑不可见，但激光本身的能量会激发晶片里的电子产生跃迁和输运形成电学信号，通过电学检测装置，如电流/电压前置放大器、锁相放大器等，就可探测到晶片在光激发下所产生的电学信号，激光功率的大小对应不同强度的电学信号，且电信号强度随光功率的增加单调递增，如图4所示。对紫外光的有效探测可以防止高能量光波可能带来的危害，同时也可以及时收集利用避免能量的浪费。
实施例二：
本发明提供的自驱动紫外光电探测器还可以用作定位成像。探测器的工作原理为：在激光的照射下，光照区域的主体晶片内部由光激发会产生电子的跃迁和传输，同时由于光照产生热胀冷缩会引起材料内部产生极化电荷对整体的电子输运产生影响，从而对信号的输出强度产生优化作用，更加有利于光电传感。另外，由于电极与晶片连接受肖特基和欧姆接触的同时调制，使得探测器内部出现一种光致动态肖特基效应，此效应对电子的输运过程和输出信号产生不同的效果，即光照在晶片表面不同位置会导致探测器输出不同的信号值。
本实施例中，利用上述工作原理，可以在实施例一的探测器基础上设置多个电极对，对每个电极对的电信号分别进行测量，可以实现对紫外激光的定位以及光斑移动轨迹成像。
以探测器包括2个电极对为例，两个电极对中两个电极的连线互相交叉，例如互相垂直，激光照射在探测器主体晶片上同时产生两组不同的信号值，将两组信号值一一对应组合，就可以形成光照位置的坐标矩阵，同时可以通过改变电极位置自定义组合方式。因此，当不可见紫外激光入射时，通过对照坐标矩阵就可以轻而易举地确定入射位置，同时随着入射光的移动也可以根据输出的数据值实现光斑运动轨迹的成像。
上述2个电极对的设置方式，也可以根据需要设置为其他方式，如两个电极对共用一个电极，两个电极对中两个电极的连线互相连接为L型。
本实施例中可以将坐标矩阵记录在坐标记录单元中，作为光斑定位和成像的对照标准。记录单位可以是现有的任意可以记录和存储信息的电脑等装置。
将一个固定功率的紫外激光发生器固定在一个可上下左右移动的机械臂，通过机械臂的上下左右移动，光斑会分别照射在碳化硅主体晶片的不同位置上从而产生不同的信号强度，且各种环境条件下输出稳定性很高，如图5所示，在高低温、潮湿、酸碱环境下的监测结果电信号基本稳定，因此可以根据输出信号的强度来判断光斑所处的位置，从而勾勒出光斑移动的路径轨迹，实现光斑的定位以及轨迹成像(如图6所示)。该功能可以实现对隐形紫外激光书写的成像，收集隐藏的光信息。
实施例三：
本实施例还提供一种光路调整器件。在包含短波长紫外激光的仪器中，由于光斑不可见，很难通过确定光斑位置来调整合适的光学元件分布位置，因此光路调整在这种情况下是一个比较棘手的问题。
实施例一或实施例二中的自驱动紫外光电探测器引入到光路中就可以很轻易的通过输出信号强度来判断光斑的位置，为激光方位角和入射角的调整提供便利。
实施例四：
本实施例提供一种光通信装置，采用实施例二的探测器，可以对上述坐标矩阵被编码赋予其不同的意义(如数字或字母或符号形成键盘或密码本)，那么这也就意味着可以通过紫外光的运动携带信息，从而实现信息的加密传输。
在加密通讯领域，由于主体晶片在不同位置可以产生不同的光电信号，因此每一个区域也可以被赋予特定的含义(如数字、字母、符号等)。通过激光光斑在主体晶片上的移动，使需传输的特定加密信息通过紫外光电探测器传递出来，可以应用在密码锁、加密信息传输、以及隐形激光书写中。同时，可以随时改变电极测量位置更新不同位置的输出信号，也可以通过改变对晶片不同位置赋予的含义，随时更新解译方式，保证加密信息的安全性和隐蔽性。
本发明提供的紫外光探测器结构简单，尺寸可根据实际应用场景随意调整，轻薄易携带，且使用方便即插即用，省去了传统多通道译码器的复杂工序。探测器可实现自驱动，无需外界供电，保证了设备可持续探测的续航能力，拓宽了紫外光电探测的应用场景。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种自驱动紫外光电探测器，其特征在于，包括作为主体晶片的碳化硅晶片以及电极对，其中，
所述主体晶片包括部分被界面多晶化处理的表面或者截面；
所述电极对包括分开设定距离的两个电极，其中，每个所述电极同时覆盖所述主体晶片的表面中未被界面多晶化处理的表面和被界面多晶化处理后的表面或截面，使每个所述电极与所述主体晶片同时处于欧姆接触和肖特基接触的状态。
2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述主体晶片的截面为被界面多晶化处理的表面，主体晶片的上下表面为未被界面多晶化处理的表面。
3.根据权利要求2所述的探测器，其特征在于，所述两个电极均为覆盖部分主体晶片上表面和部分截面；或者，所述两个电极的一个电极覆盖部分所述主体晶片上表面和部分截面，另一个电极覆盖部分所述主体晶片下表面和部分截面。
4.根据权利要求1-3任一项中所述的探测器，其特征在于，所述主体晶片碳化硅为3C-SiC、4H-SiC或6H-SiC结构；优选的，主体晶片为n型导电4H-SiC晶片。
5.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述界面多晶化处理的方式为激光切割、热加工或化学刻蚀技术。
6.根据权利要求1-5任一项中所述的探测器，其特征在于，包括多个所述电极对，紫外激光照射时同时产生多个信号值，对每个电极对的电信号分别进行测量。
7.根据权利要求6中所述的探测器，其特征在于，还包括坐标记录单元，用于将两组信号值一一对应组合形成光照位置的坐标矩阵的记录。
8.根据权利要求6或7所述的探测器，其特征在于，包括2对所述电极对，所述两个电极对中两个电极的连线互相交叉。
9.根据权利要求6或7所述的探测器，其特征在于，包括2对所述电极对，所述两个电极对共用一个电极，两个电极对中两个电极的连线互相连接为L型。
10.一种光路调整器件，其特征在于，包括权利要求1-6任一项中所述的自驱动紫外光电探测器，将所述探测器置于光路中，通过输出信号强度来判断光斑的位置。
11.一种光通信装置，其特征在于，包括权利要求7-9任一项所述的自驱动紫外光电探测器，所述坐标矩阵被编码赋予特定的意义，通过紫外光的运动携带信息，实现信息的加密传输。
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