CN1892192A

CN1892192A - 用钙钛矿氧化物单晶材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器

Info

Publication number: CN1892192A
Application number: CN 200510082702
Authority: CN
Inventors: 吕惠宾; 何萌; 赵昆; 黄延红; 金奎娟; 周岳亮; 陈正豪; 杨国桢
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2025-07-06
Also published as: CN100458382C

Abstract

本发明涉及利用钙钛矿氧化物单晶材料制作快响应高灵敏度紫外光探测器，包括：由钙钛矿氧化物单晶材料制备的光传感器芯片，第一电极和第二电极设置在光传感器芯片的钙钛矿氧化物单晶材料表面上，并将其安装在一个金属外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。或者还包括直流电源和电阻，直流电源连接在第一电极上；电阻的一端与第二电极连接，电阻的另一端接地；电阻的两端作为探测器的输出端，并将其安装在一个金属外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。由于选取其禁带宽度都大于红外光和可见光光子的能量，不仅克服了红外和可见波段的光干扰，而且对紫外光具有高的探测率和灵敏度，其响应速度可达到ns和ps，灵敏度可达到几伏～十几伏/每毫焦耳。

Description

用钙钛矿氧化物单晶材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器

技术领域

本发明涉及一种光探测器，特别涉及利用钙钛矿氧化物单晶材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器。

背景技术

对于光的能量、功率、脉宽和波形等的探测，在科研、军事、国防、生产和生活中有非常广泛的应用。尽管人们已发展了如热电、光电、热释电等多种不同类型的光探测器，但对于新型光探测器的工作仍是人们感兴趣和一直在进行的工作。本申请人也在这方面获得以下几项光探测器的专利，例如专利号：ZL89202869.6；专利号：ZL89220541.5；专利号：ZL90202337.3，专利号：ZL90205920.3。最近本申请人采用氧化物和硅的异质结也申请了几项光探测器专利，例如专利申请号：200410069052.0；专利申请号：200510071811.1；专利申请号：200510071810.7；但上述专利的光响应波段都是从紫外到红外的宽波段效应，对于军事和科研上一些需要专门探测紫外光波段的应用来说，可见光和红外光的干扰与噪声是难以克服。尤其是上升时间达纳秒和皮秒的快响应高灵敏度紫外光探测器，据我们所知，目前还是研究开发的热点课题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述探测器由于光响应波段宽，不适合紫外光探测要求的缺点，提供几种利用钙钛矿氧化物单晶材料，制备的专门用于紫外光探测的快响应高灵敏度紫外光探测器，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：

本发明提供的利用钙钛矿氧化物单晶制的快响应高灵敏度紫外光探测器，包括开路式和有源式两种不同结构，其中

开路式结构包括：外壳，光传感器芯片1，第一电极2，第二电极3，第一引线4和第二引线4′；其特征在于：所述的光传感器芯片1是由钙钛矿氧化物单晶材料制备，该光传感器芯片1的钙钛矿氧化物单晶材料进行定向后切割成矩形薄片，其中光入射的表面斜切并抛光，斜切的方向平行于单晶矩形薄片的一个边，光入射表面斜切的角度为0～45度；所述的第一电极2和第二电极3设置在光传感器1的钙钛矿氧化物单晶材料的抛光表面上，并平行于矩形薄片表面斜切的方向；第一电极引线4和第二电极引线4’的一端分别与第一电极2和第二电极3连接，第一电极引线4和第二电极引线4′的另一端是信号输出端；并将其安装在一个金属外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。

其中有源式结构包括：外壳，光传感器芯片1，第一电极2，第二电极3，第一电极引线4和第二电极引线4’，直流电源5和电阻6；其特征在于：所述的光传感器芯片1与上述的开路式结构一样，选用钙钛矿氧化物单晶材料进行定向后切割成矩形薄片，其中光入射的表面斜切并抛光，斜切的方向平行于单晶薄片的一个边，光入射表面斜切的角度为0～45度；第一电极2和第二电极3设置在光传感器1的钙钛矿氧化物单晶材料的抛光表面上，并平行于表面的斜切方向；第一电极引线4的一端连接在第一电极2上，第一电极引线4的另一端与直流电源5连接；第二电极4’的一端与第二电极3连接，第二电极引线4’的另一端与电阻6的一端连接；电阻6的一端与第二电极引线4’连接，电阻6的另一端接地；电阻6的两端作为探测器的输出端。并将其安装在一个金属外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。

在上述的技术方案中，所述的单晶表面的取向可以是(100)、(101)、(111)、(110)等不同方向。

在上述的技术方案中，所述的第一电极2和第二电极3为条形，或为“山”字形，或多条平行的“山”字形结构，第一电极2的“山”字形与第二电极3“山”字形相插排列；电极的宽度为：0.01mm～5mm，电极条形的间距为：0.01mm～10mm。

在上述的技术方案中，第一电极2和第二电极3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。

在上述的技术方案中，所述的钙钛矿氧化物单晶材料包括：钛酸锶(SrTiO₃)、钛酸钡(BaTiO₃)、铝酸镧(LaAlO₃)、铌酸锂(LiNbO₃)、氧化锆(ZrO₂)或氧化镁(MgO)。

在上述的技术方案中，在有源式结构中的电阻6，其取值范围为：10Ω～50MΩ。

本发明提供的快响应高灵敏度紫外光探测器，其原理是：SrTiO₃的禁带是～3.2eV，其能量对应于光子的波长是～3870，BaTiO₃的禁带是～3.2eV，其能量对应于光子的波长是～3870，LaAlO₃的禁带是～5.6eV，其能量对应于光子的波长是～2215，LiNbO₃的禁带是～3.79eV，其能量对应于光子的波长是～3270、ZrO₂的禁带是～5.8eV，其能量对应于光子的波长是～2138，MgO的禁带是～8eV，其能量对应于光子的波长是～1550，当光照射在材料表面时，只有光子能量大于材料禁带宽度的光才能被材料吸收发生光电效应，产生电子空穴对。显然，上述的钙钛矿氧化物材料只有在光子能量大于其禁带宽度的光入射时，才能产生光电效应，而在光子能量小于其禁带宽度的可见光和红外光范围内，不可能产生光电效应，这就是选择上述钙钛矿氧化物材料作为光传感器的原因。另外，我们不仅将氧化物单晶材料作为光入射的表面进行斜切，而且电极2和电极3平行于斜切面上的台阶边缘，其主要原因就是：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，不仅产生光子空穴对，而且会产生从表面到体内的一个温度梯度，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(图4中的虚线示意)的一个电场，致使其光电效应所产生的电子和空穴向两端移动，在电极2和电极3之间形成光生伏特电压。

很显然，上述的光生伏特效应对于脉冲光和开路式结构探测器是非常方便的，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的光束，我们采用有源式结构。在光传感器1的一端加一个直流电源5，在光传感器1的另一端加一个电阻6，并串联形成一个回路。由于钙钛矿氧化物都是绝缘材料，因此无紫外光入射时，电极2和电极3之间具有很大的电阻，外加电源在电极2和电极3之间产生一个电场，当紫外光照射时，钙钛矿氧化物吸收紫外光所产生的电子空穴对，在电场的作用下分别向电极2和电极3移动形成电流，在电阻6上产生电压。因此，采用有源式结构探测器，既使探测连续和微弱的紫外光，也具有很高的灵敏度。

本发明提供的快响应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。可以根据不同的探测波长，选取不同钙钛矿氧化物材料制备的紫外光探测器，如要探测3000多埃波长的光，可选用钛酸锶或钛酸钡材料制备的光探测器，如要探测1500埃波长的光，可选用氧化镁制备的光探测器。本发明提供的快响应高灵敏度紫外光探测器，在科研、军事等领域具有非常重要的应用。

附图说明

图1.条形电极开路式结构光传感器侧面示意图。

图2.条形电极开路式结构光传感器平面示意图。

图3.“山”字形电极开路式结构光传感器平面示意图。

图4.条形电极有源式结构光传感器平面示意图。

图5.“山”字形电极有源式结构光传感器平面示意图。

图6.用500MHz示波器，储存记录的用钛酸锶材料制作的开路式结构光传感器1，测量YAG激光器三倍频输出波长350nm、脉宽25ps激光脉冲所产生的电压信号，其上升时间为～1ns，半高宽为～2ns。

图7.用500MHz示波器，储存记录的用钛酸锶材料制作的有源式结构光传感器1，测量准分子激光器输出波长308nm、脉宽20ns激光脉冲所产生的电压信号，其灵敏度达到4V/1mJ。

图面说明如下：

1-光传感器芯片； 2-第一电极； 3-第二电极；

4-第一电极引线； 4’-第二电极引线 5-直流电源；

6-电阻。

具体实施方式

实施例1

参考图1和图2，制备条形电极开路式结构光传感器的紫外光探测器，下面结合具体制备过程，来对本发明利用钙钛矿氧化物材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器结构进行详细地说明。选用(001)取向表面斜切20度，厚度为0.5mm的长5mm×宽10mm钛酸锶单晶材料做光传感器芯片1，5mm×10mm的上表面作为探测光入射面，表面斜切方向平行于10mm的边缘，将表面抛光后的钛酸锶材料用真空蒸发的方法，在5mm×10mm上表面的左右边缘10mm处，蒸镀1mm宽的条形银膜制备第一电极2和第二电极3，选用两根0.1mm的铜丝做第一电极引线4和第二电极引线4’，用焊锡把两根引线4和4’的一端分别焊接在第一电极2和第二电极3上，这样一个条形电极开路式结构光传感器就制备完成。把光传感器装入一个合金铝制作的探测器外壳内，把两根引线4和4’的另一端连接在同轴电缆引出端上，用同轴电缆接头引出输出端，制作一个条形电极开路式结构光传感器的紫外光探测器。

选用500MHz示波器，用上述紫外光探测器，测量YAG激光器三倍频输出波长350nm、脉宽25ps的激光脉冲，图6是用示波器储存记录探测器一个激光脉冲，所产生的电压信号波形。光生伏特脉冲电压的上升时间为～1ns，半高宽为～2ns。显然，其上升和半高宽均达到测量示波器的极限，如果选用更快速的示波器测量，其上升时间将会更短，表明此探测器具有快响应特性。

实施例2

按实施例1的结构制作，区别在于选用钛酸钡单晶材料代替钛酸锶，制作一个条形电极开路式结构光传感器1的紫外光探测器。

实施例3

按实施例1的结构制作，区别在于选用铝酸镧单晶材料代替钛酸锶，制作一个条形电极开路式结构光传感器1的紫外光探测器。

实施例4

按实施例1的结构制作，区别在于选用氧化镁单晶材料代替钛酸锶，制作一个条形电极开路式结构光传感器1的紫外光探测器。

实施例5

按实施例1的结构制作，区别在于选用氧化锆单晶材料代替钛酸锶，制作一个条形电极开路式结构光传感器1的紫外光探测器。

实施例6

按实施例1的结构制作，区别在于选用铌酸锂单晶材料代替钛酸锶，制作一个条形电极开路式结构光传感器1的紫外光探测器。

实施例7

按实施例1的结构制作，区别在于用磁控溅射的方法在钛酸锶10mm的边缘蒸镀金电极2和电极3。

实施例8

按实施例1的结构制作，区别在于用真空蒸发的方法在钛酸锶10mm的边缘蒸镀铝电极，用铟焊接电极2和电极3。

实施例9

参考图3，制备具有“山”字形电极的开路式结构光传感器1的紫外光探测器，下面结合具体制备过程，来对本发明利用钙钛矿氧化物材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器结构进行详细地说明。选用(111)取向表面斜切30度，厚度1mm，表面积10mm×10mm的钛酸锶单晶材料做光传感器芯片1，10mm×10mm的表面斜切方向平行于材料边缘，用真空蒸发的方法，在抛光后的表面蒸镀银膜，用光刻和化学腐蚀的方法，把银膜腐蚀成“山”字形电极，电极条宽0.5mm间距1mm的第一电极2和第二电极3，电极条形平行于斜切方向的边缘。选用两根0.5mm的铜丝做第一电极引线4和第二电极引线4’，用焊锡把第一电极引线4和第二电极引线4’的一端分别焊接在第一电极2和第二电极3上，这样一个“山”字形电极开路式结构的光传感器就制备完成。把光传感器装入一个不锈钢制作的探测器外壳内，用同轴电缆接头引出输出端，制作一个“山”字形电极开路式结构光传感器的紫外光探测器。

实施例10

按实施例9的结构制作，区别在于“山”字形电极2和电极3的条宽为0.1mm，电极条间的间距为0.2mm。

实施例11

按实施例9的结构制作，区别在于“山”字形电极2和电极3的条宽为0.01mm，电极条间的间距为0.01mm。

实施例12

按实施例9的结构制作，区别在于“山”字形电极2和电极3的条宽为0.01mm，电极条间的间距为1mm。

实施例13

按实施例1的结构制作，区别在于选用10.5mm×5mm×1mm的钛酸锶做光传感器，电极2和电极3的条宽各为5mm，两个电极间距为0.5mm。

实施例14

按实施例9的结构制作，区别在于用钛酸钡单晶材料代替钛酸锶做光传感器1。

实施例15

按实施例10的结构制作，区别在于用氧化镁单晶材料代替钛酸锶做光传感器1。

实施例16

按实施例11的结构制作，区别在于用铌酸锂单晶材料代替钛酸锶做光传感器1。

实施例17

按实施例12的结构制作，区别在于用铝酸镧单晶材料代替钛酸锶做光传感器1。

实施例18

按实施例13的结构制作，区别在于用氧化锆单晶材料代替钛酸锶做光传感器1。

实施例19

参考图4，制备条形电极有源式结构光传感器的紫外光探测器，下面结合具体制备过程，来对本发明利用钙钛矿氧化物材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器结构进行详细地说明。选用(110)取向表面斜切10度，厚度2mm，表面积5mm×10mm的钛酸锶单晶材料做光传感器芯片1，该光传感器芯片1的5mm×10mm上表面斜切方向平行于10mm的边缘，将表面抛光后的钛酸锶材料用真空蒸发的方法，在5mm×10mm上表面的10mm的左右边缘处蒸镀2mm宽的银膜，制备成条形第一电极2和第二电极3，用一节1.5V的干电池做直流电压5，选用1MΩ的电阻做电阻6，选用0.2mm的铜丝做第一电极引线4和第二电极引4’。按图4所示用焊锡把光传感器芯片1、直流电源5和电阻6进行连接，这样一个条形电极有源式结构光传感器就制备完成。把光传感器装入一个紫铜制作的探测器外壳内，用同轴电缆接头引出输出端，制作一个条形电极有源式结构光传感器的紫外光探测器。

实施例20

按实施例19制作，用一个20V的直流电源代替1.5V的干电池做直流电源5。

选用500MHz示波器，用上述条形电极有源式结构紫外光探测器，测量准分子激光器输出波长308nm、脉宽20ns的激光脉冲，图7是用示波器储存记录探测器一个激光脉冲，所产生的电压信号波形。其灵敏度达到4V/1mJ，如果提高电压5的电压，其灵敏度可以更高，表明有源式结构紫外光探测器具有非常高的灵敏度。

实施例21

按实施例19的结构制作，区别在于用4个串联的钮扣电池代替1.5V的干电池做直流电源5。

实施例22

按实施例19的结构制作，区别在于用一个0.5V的太阳能代替1.5V的干电池做直流电源5。

实施例23

按实施例19的结构制作，区别在于用一个0～200V的可调直流电源代替1.5V的干电池做直流电源5。

实施例24

参考图5，制备“山”字形电极有源式结构光传感器的紫外光探测器，下面结合具体制备过程，来对本发明利用钙钛矿氧化物材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器结构进行详细地说明。选用(101)取向表面斜切30度，厚度3mm，表面积30mm×30mm的钛酸锶单晶材料做光传感器芯片1，表面斜切方向平行于钛酸锶单晶材料的边缘，用真空蒸发的方法，在抛光后的光传感器芯片1表面蒸镀金膜，用离子刻蚀的方法，把金膜刻蚀成“山”中具有10条平行条的“山”字形第一电极2和第二电极3，其条宽0.2mm，条间距0.5mm第一电极2和第二电极3的条条形平行于斜切方向的边缘。用一节9V的叠层电池做直流电压5，选用1KΩ的电阻做电阻6，选用0.5mm的镀银导线做引线4和4’。按图5所示用焊锡把光传感器1、直流电源5和电阻6进行连接，这样一个“山”字形电极有源式结构的光传感器就制备完成。把光传感器装入一个紫铜制作的探测器外壳内，用同轴电缆接头引出输出端，制作一个“山”字形电极有源式结构光传感器的紫外光探测器。

实施例25

按实施例24的结构制作，区别在于用50MΩ的电阻代替1KΩ的电阻做电阻6。

实施例26

按实施例24的结构制作，区别在于用氧化锆单晶材料代替钛酸锶做光传感器1。

实施例27

按实施例24的结构制作，区别在于用铝酸镧单晶材料代替钛酸锶做光传感器1。

实施例28

按实施例24的结构制作，区别在于用钛酸钡单晶材料代替钛酸锶做光传感器1。

实施例29

按实施例25的结构制作，区别在于用氧化镁单晶材料代替钛酸锶做光传感器1。

实施例30

按实施例19的结构制作，区别在于用斜切45度的钛酸锶单晶材料代替斜切10度的钛酸锶制作光传感器1。

实施例31

按实施例24的结构制作，区别在于按实施例19制作，用不斜切的钛酸锶单晶材料代替斜切10度的钛酸锶制作光传感器1。

实施例32

按实施例24的结构制作，区别在于用10Ω的电阻代替1KΩ的电阻做电阻6。

Claims

1.一种利用钙钛矿氧化物单晶材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器，包括：外壳，光传感器芯片1，第一电极2，第二电极3，第一引线4和第二引线4′；其特征在于，所述的光传感器芯片1是由钙钛矿氧化物单晶材料制备，该光传感器芯片1的钙钛矿氧化物单晶材料进行定向后切割成矩形薄片，其中光入射的表面斜切并抛光，斜切的方向平行于单晶矩形薄片的一个边，光入射表面斜切的角度为0～45度；所述的第一电极2和第二电极3设置在光传感器1的钙钛矿氧化物单晶材料的抛光表面上，并平行于矩形薄片表面斜切的方向；第一电极引线4和第二电极引线4’的一端分别与第一电极2和第二电极3连接，第一电极引线4和第二电极引线4′的另一端是信号输出端；并将其安装在一个金属外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。

2.一种利用钙钛矿氧化物单晶材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器，包括：外壳，光传感器芯片1，第一电极2，第二电极3，第一电极引线4和第二电极引线4’，直流电源5和电阻6；其特征在于，所述的光传感器芯片1与上述的开路式结构一样，选用钙钛矿氧化物单晶材料进行定向后切割成矩形薄片，其中光入射的表面斜切并抛光，斜切的方向平行于单晶薄片的一个边，光入射表面斜切的角度为0～45度；第一电极2和第二电极3设置在光传感器1的钙钛矿氧化物单晶材料的抛光表面上，并平行于表面的斜切方向；第一电极引线4的一端连接在第一电极2上，第一电极引线4的另一端与直流电源5连接；第二电极4’的一端与第二电极3连接，第二电极引线4’的另一端与电阻6的一端连接；电阻6的一端与第二电极引线4’连接，电阻6的另一端接地；电阻6的两端作为探测器的输出端。并将其安装在一个金属外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。

3.按权利要求1或2所述的利用钙钛矿氧化物单晶材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器，其特征在于：所述的单晶表面的取向是(100)、(101)、(111)或(110)方向的。

4.按权利要求1或2所述的利用钙钛矿氧化物单晶材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器，其特征在于：所述的第一电极2和第二电极3为条形，电极的宽度为：0.01mm～5mm，电极条形的间距为：0.01mm～10mm。

5.按权利要求1或2所述的利用钙钛矿氧化物单晶材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器，其特征在于：所述的第一电极2和第二电极3为多条平行的“山”字形结构，第一电极2的“山”字形与第二电极3“山”字形相插排列；电极的宽度为：0.01mm～5mm，电极条形的间距为：0.01mm～10mm。

6.按权利要求4所述的利用钙钛矿氧化物单晶材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器，其特征在于：所述的第一电极2和第二电极3是用真空镀膜、磁控溅射或激光沉积方法蒸镀的金、银或铝金属薄膜。

7.按权利要求1或2所述的利用钙钛矿氧化物单晶材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器，其特征在于：所述的钙钛矿氧化物单晶材料包括：钛酸锶、钛酸钡、铝酸镧、铌酸锂、氧化锆或氧化镁。

8.按权利要求2所述的利用钙钛矿氧化物单晶材料制作的快响应高灵敏度紫外光探测器，其特征在于：所述的电阻6，其取值范围为：10Ω～50MΩ。