專利名稱：利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光探測器，特別涉及一種利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器。
背景技術(shù)：
對于激光能量、功率、脈寬和波形的探測，不僅對激光器件和科學(xué)研究是非常重要的，而且在軍事、國防、生產(chǎn)和生活中也有非常廣泛的應(yīng)用。盡管人們已發(fā)展了如熱電、光電、熱釋電等多種不同類型的激光探測器，但對于新型激光探測器的工作仍是人們感興趣和一直在進(jìn)行的工作，本申請人也在這方面獲得以下幾項激光探測器的專利，例如專利號ZL89202869.6；專利號ZL89220541.5；專利號ZL90202337.3，專利號ZL90205920.3；但是上述幾項專利的探測器均采用壓電材料制作的，該探測器光響應(yīng)還不夠快，響應(yīng)波段也還不夠?qū)挕?br> 對于摻雜錳酸鑭材料的磁電阻特性人們已研究很多，近來人們也觀測到摻雜錳酸鑭薄膜的光電特性(如文獻(xiàn)1、Time dependence of laser-inducedthermoelectric voltages in La1-xCaxMnO3and YBa2Cu3O7-δthin films，P.X.Zhanget al.，Appl.Phys.Lett.，Vol.84，No.21，4026(2002))，但其光響應(yīng)的脈寬是ms量級，因此無法用于探測和測量激光脈沖寬度小于ms的脈沖激光波形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述探測器光響應(yīng)速度慢和響應(yīng)波段窄的缺陷；提供一種當(dāng)光照射后直接產(chǎn)生電壓信號，不需要任何輔助的電源和電子電路；可以探測激光的能量、功率和波形，其響應(yīng)波段從紫外到遠(yuǎn)紅外，可響應(yīng)飛秒脈寬的激光脈沖，產(chǎn)生電壓脈沖的半寬度可小于2ns，脈沖全寬度可達(dá)幾個ns的、利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供的利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器，包括外殼，摻鈮鈦酸鍶單晶為襯底1，在其上外延生長一光響應(yīng)材料層2作成的芯片，第一電極3、第二電極4和引線6；其特征在于所述的光響應(yīng)層2為一由在摻鈮鈦酸鍶單晶襯底1上外延生長的摻雜錳酸鑭薄膜層2，形成摻鈮鈦酸鍶-摻雜錳酸鑭氧化物異質(zhì)結(jié)；或者在摻鈮鈦酸鍶單晶襯底1上外延生長一絕緣層7，摻雜錳酸鑭薄膜2外延生長在絕緣層7上，形成摻鈮鈦酸鍶-絕緣層-摻雜錳酸鑭氧化物異質(zhì)結(jié)；第一電極3設(shè)置在摻雜錳酸鑭薄膜2上，第二電極4設(shè)置在摻鈮鈦酸鍶單晶襯底1上，兩根電極引線6的一端分別與第一電極3和第二電極4連接，電極引線6的另一端是信號輸出端；或?qū)⑵浒惭b在一個金屬外殼內(nèi)，金屬外殼對外界的電磁干擾起屏蔽作用。
還包括一電阻5，該電阻5的兩端分別和兩根電極引線6的輸出端連接，其阻值為0.01～1MΩ。所述的電阻5，主要是為了提高響應(yīng)速度，由于異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)具有電容特性，因此電阻5對激光照射后產(chǎn)生的電壓起放電作用。
所述的摻鈮鈦酸鍶SrNbxTi1-xO3單晶襯底1，其x為0.005～0.1。
所述的絕緣層7包括鋁酸鑭(LaAlO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)、氧化鋯(ZrO2)、錳酸鑭(LaMnO3)或氧化鎂(MgO)，絕緣層的厚度為1nm～500nm。所述的摻雜錳酸鑭薄膜層2是R1-xAxMnO3，摻雜錳酸鑭薄膜層2的厚度為0.8nm～2μm；其中R包括La、Pr、Nd或Sm；其中A包括Sr、Ca、Ba、Pb、Sn、Te、Nb、Sb、Ta、Ce或Pr；其x值為0.05～0.4。
所述的電極3可以是一個點，可以是一條線，也可以是圍繞摻雜錳酸鑭薄膜邊緣的一個圈。第二電極4可以連接在摻鈮鈦酸鍶的任何部位，可以是點或線或面。第一電極3和第二電極4可以用銦或焊錫直接焊接，也可以用真空鍍膜或磁控濺射等方法蒸鍍金、銀或鋁電極。
無論是摻鈮鈦酸鍶-摻雜錳酸鑭兩層結(jié)構(gòu)的激光探測器，還是摻鈮鈦酸鍶-絕緣層-摻雜錳酸鑭三層結(jié)構(gòu)的激光探測器，對于探測激光的效果是一致的。當(dāng)脈沖激光照射到摻雜錳酸鑭薄膜的表面時，摻雜錳酸鑭薄膜吸收激光脈沖后，就會在摻鈮鈦酸鍶1和摻雜錳酸鑭2之間產(chǎn)生電壓信號，此效應(yīng)稱之為光生伏特效應(yīng)。無論是兩層結(jié)構(gòu)還是三層結(jié)構(gòu)，在摻鈮鈦酸鍶和摻雜錳酸鑭之間都存在一個結(jié)電容，因此在摻鈮鈦酸鍶1和摻雜錳酸鑭2之間并聯(lián)一個電阻5，起放電作用，減小放電時間和消除結(jié)電容對響應(yīng)速度的影響。如果不考慮脈沖激光所產(chǎn)生脈沖電壓信號的寬度，也可以不連接電阻5。
本發(fā)明提供的利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器，其優(yōu)點在于，可以用激光分子束外延、脈沖激光沉積、磁控濺射和粘膠法等制膜方法，把摻雜錳酸鑭和絕緣層與摻雜錳酸鑭直接外延生長在摻鈮鈦酸鍶襯底上，制備方法簡單。該激光探測器均為光生伏特型光電探測器，當(dāng)光照射后直接產(chǎn)生電壓信號，不需要任何輔助的電源和電子電路?？梢蕴綔y激光能量、激光功率、激光脈沖波形等多種激光參數(shù)。其響應(yīng)波段從紫外到遠(yuǎn)紅外，是一種快響應(yīng)寬頻段激光探測器。探測過程是一個超快過程，光生伏特所產(chǎn)生脈沖電壓信號的前沿小于1.5ns，半寬度小于2ns，脈沖全寬度僅為幾個ns，不僅可探測飛秒脈寬的激光能量，而且可探測ns脈寬的激光波形。一個mJ的激光脈沖可產(chǎn)生上百mV的電壓信號，具有很高的靈敏度。因此本發(fā)明提供的摻鈮鈦酸鍶和摻雜錳酸鑭氧化物異質(zhì)結(jié)激光探測器，在軍事、國防、科研、生產(chǎn)和生活等方面均有廣泛的應(yīng)用。


圖1.摻鈮鈦酸鍶-摻雜錳酸鑭兩層結(jié)構(gòu)的激光探測器。
圖2.摻鈮鈦酸鍶-絕緣層-摻雜錳酸鑭三層結(jié)構(gòu)的激光探測器。
圖3.用500兆示波器儲存記錄的La0.7Sr0.3MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3兩層結(jié)構(gòu)激光探測器，測量YAG激光器輸出波長1.06μm、脈寬25ps激光脈沖所產(chǎn)生的電壓信號。
圖4.用500兆示波器儲存記錄的La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/SrNb0.01Ti0.99O3三層結(jié)構(gòu)激光探測器，測量YAG三倍頻激光器輸出波長355nm、脈寬15ps激光脈沖所產(chǎn)生的電壓信號。
圖面說明如下1-摻鈮鈦酸鍶襯底；2-光響應(yīng)材料層； 3-第一電極；4-第二電極； 5-電阻； 6-電極引線；7-絕緣層。
具體實施例方式
實施例1參考圖1，制備摻鈮鈦酸鍶-摻雜錳酸鑭兩層結(jié)構(gòu)的激光探測器，下面結(jié)合具體制過程備，來對本發(fā)明利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地說明選用激光分子束外延設(shè)備，基底為1×1cm2的SrNb0.01Ti0.99O3摻鈮鈦酸鍶1，在其直接外延生長300nm厚的La0.7Sr0.3MnO3光響應(yīng)材料層2，形成La0.7Sr0.3MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3兩層氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品，用1×0.5cm2的La0.7Sr0.3MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3樣品做探測器芯；用銦在摻鈮鈦酸鍶表面焊接約為φ2mm的第二電極4，用銦在La0.7Sr0.3MnO3薄膜一個角的表面焊接約為φ1mm的第一電極3；用兩根φ0.1mm的銅線作電極引線6，并用銦把兩根φ0.1mm銅電極引線6的一端分別焊接在第一電極3和第二電極4上；選用2Ω的電阻作電阻5，并將其兩端分別與兩根電極引線6的輸出端焊接；這樣探測器芯就制備完成，把探測器芯裝入一個鋁探測器外殼內(nèi)，用同軸電纜接頭引出輸出端。
選用500兆示波器，用上述的La0.7Sr0.3MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3兩層氧化物異質(zhì)結(jié)激光探測器，測量YAG激光器輸出波長1.06μm、脈寬25ps的激光脈沖，圖3是用示波器儲存記錄探測器一個激光脈沖，所產(chǎn)生的電壓信號波形。
電壓信號的前沿上升時間僅為～1.5ns，半寬度僅為～2ns，1mJ的激光能量可上百mV的電壓信號。因此，該探測器不僅是一個超快過程，而且具有很高的靈敏度。
實施例2選用激光分子束外延設(shè)備，在直徑φ25mm的SrNb0.1Ti0.9O3襯底1上直接外延生長100nm厚的La0.7Sr0.3MnO3薄膜光響應(yīng)材料層2，制備出La0.7Sr0.3MnO3/SrNb0.1Ti0.9O3兩層異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品作為芯片，用直徑φ25mm的樣品做芯片，用磁控濺射在La0.7Sr0.3MnO3薄膜2的外圓制備寬度為0.5mm的銀電極3，SrNb0.1Ti0.9O3襯底1的中心制備φ10mm的圓形銀電極4，在組裝同實施例1制備兩層結(jié)構(gòu)的激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例3選用激光分子束外延裝置，按實施例1制作，在1×1cm2的SrNb0.005Ti0.995O3襯底1上外延生長800nm厚的La0.95Ba0.05MnO3薄膜光響應(yīng)材料層2，形成La0.95Ba0.05MnO3/SrNb0.005Ti0.995O3兩層異質(zhì)結(jié)構(gòu)芯片，在La0.95Ba0.05MnO3薄膜層上的一個邊緣用真空蒸鍍0.5mm寬的白金第一電極3，其余同按實施例1制備的利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例4選用激光分子束外延裝置，在1×1cm2的SrNb0.07Ti0.93O3襯底1上外延生長800nm厚La0.6Ca0.4MnO3薄膜光響應(yīng)材料層2，形成La0.6Ca0.4MnO3/SrNb0.07Ti0.93O3兩層異質(zhì)結(jié)構(gòu)芯片，在La0.6Ca0.4MnO3薄膜層的一個邊緣用磁控濺射裝置，濺射0.5mm寬的銀第一電極3，在SrNb0.07Ti0.93O3襯底1上面的中心位置用磁控濺射制備直徑φ5mm的銀第二電極4，其余同實施例1制備的利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例5選用激光分子束外延設(shè)備，在1×1cm2的SrNb0.07Ti0.93O3襯底1上直接外延生長100nm厚La0.7Ce0.3MnO3薄膜光響應(yīng)材料層2，制備出La0.7Ce0.3MnO3/SrNb0.07Ti0.93O3兩層異質(zhì)結(jié)構(gòu)芯片樣品，其余結(jié)構(gòu)按實施例1制備的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例6選用激光分子束外延設(shè)備，在3×3cm2的SrNb0.01Ti0.99O3襯底1上外延生長800nm厚La0.75Pr0.25MnO3薄膜光響應(yīng)材料層2，制備出La0.75Pr0.25MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3兩層異質(zhì)結(jié)構(gòu)芯片，用市場購買的1K的電阻作電阻5，其余同實施例1制備的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例7選用激光分子束外延設(shè)備，在2英寸2的SrNb0.1Ti0.9O3襯底1上直接外延生長10nm厚La0.34Pr0.33Ca0.33MnO3薄膜光響應(yīng)材料層2，La0.34Pr0.33Ca0.33MnO3/SrNb0.1Ti0.9O3兩層異質(zhì)結(jié)構(gòu)芯片，不連接電阻5，其余同實施例1制備的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例8參考圖2，制備摻鈮鈦酸鍶-絕緣層-摻雜錳酸鑭三層結(jié)構(gòu)的激光探測器，按下面結(jié)合具體制備過程對本實施例的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地說明，選用激光分子束外延設(shè)備，在2cm×2cm的SrNb0.1Ti0.9O3襯底1上先外延1nm厚的SrTiO3作絕緣層7，再在SrTiO3上外延生長300nm厚的La0.7Sr0.3MnO3薄膜光響應(yīng)材料層2，形成La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/SrNb0.1Ti0.9O3三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)芯片，將其切割成尺寸為1×0.5cm2的探測器芯；用銦在SrNb0.1Ti0.9O3襯底1表面焊接約為φ2mm的第二電極4，用銦在La0.7Sr0.3MnO3薄膜層2一個角表面處焊接約為φ1mm的第一電極3；用兩根φ0.2mm的銅線作電極引線6，并用銦把兩根φ0.1mm銅電極引線6的一端分別焊接在第一電極3和第二電極4上；選用0.01Ω的導(dǎo)線作電阻5，并將其兩端分別與兩根電極引線6的輸出端焊接；這樣探測器芯就制備完備，把探測器芯裝入一個銅探測器外殼內(nèi)，用同軸電纜接頭引出輸出端。
選用500兆示波器，用上述的La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/SrNb0.1Ti0.9O3三層結(jié)構(gòu)激光探測器，測量YAG三倍頻激光器輸出波長355nm、脈寬15ps的激光脈沖。圖4是用示波器儲存記錄探測器一個激光脈沖，所產(chǎn)生的電壓信號波形。從圖4可看出，脈沖激光所產(chǎn)生電壓信號的前沿上升時間僅為～1ns，半寬度僅為～2ns，1mJ的激光能量可上百mV的電壓信號。因此，三層結(jié)構(gòu)的探測器和兩層結(jié)構(gòu)的探測器一樣，不僅是一個超快過程，而且具有很高的靈敏度。
實施例9按實施例8制作，其絕緣層7為LaAlO3，其厚度為500nm，其余結(jié)構(gòu)同實施例8的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例10按實施例8制作，用BaTiO3作絕緣層7，其厚度為100nm，其余結(jié)構(gòu)同實施例8的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例11按實施例8制作，用ZrO3作絕緣層7，其厚度為50nm，其余結(jié)構(gòu)同實施例8的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例12按實施例8制作，用MgO作絕緣層7，其厚度為100nm，其余結(jié)構(gòu)同實施例8的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例13按實施例1制作，La0.7Sr0.3MnO3光響應(yīng)材料層2的厚度為2μm，其余結(jié)構(gòu)同實施例1的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例14按實施例1制作，使用脈沖激光制備的樣品，其余結(jié)構(gòu)同實施例1的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器結(jié)構(gòu)一樣。
實施例15按實施例1制作，使用磁控濺射制備的樣品，其余結(jié)構(gòu)同實施例1。
實施例16按實施例1制作，使用粘膠法制備的樣品，其余結(jié)構(gòu)同實施例1。
實施例17按實施例8制作，使用脈沖激光制備的樣品，其余結(jié)構(gòu)同實施例8。
實施例18按實施例1制作，電阻5采用1M電阻，其余結(jié)構(gòu)同實施例1。
實施例19按實施例1制作，用La0.6Sn0.4MnO3做光響應(yīng)材料層2，其余同實施例1相同。
實施例20按實施例8制作，用La0.95Ba0.05MnO3做光響應(yīng)材料層2，其余同實施例8相同。
權(quán)利要求
1.一種利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器，包括一由在摻鈮鈦酸鍶單晶襯底(1)上，外延生長的光響應(yīng)材料層(2)作成的芯片，第一電極(3)、第二電極(4)和引線(6)；其特征在于所述的光響應(yīng)層為外延生長在摻鈮鈦酸鍶單晶襯底(1)上的摻雜錳酸鑭薄膜層(2)；第一電極(3)設(shè)置在摻雜錳酸鑭薄膜(2)上，第二電極(4)設(shè)置在摻鈮鈦酸鍶單晶襯底(1)上，兩根電極引線(6)的一端分別與第一電極(3)和第二電極(4)連接，電極引線(6)的另一端是信號輸出端。
2.按權(quán)利要求1所述的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器，其特征在于所述的光響應(yīng)層為在摻鈮鈦酸鍶單晶襯底(1)上外延生長一絕緣層(7)，摻雜錳酸鑭薄膜(2)外延生長在絕緣層(7)上。
3.按權(quán)利要求1或2所述的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器，其特征在于還包括一電阻(5)，其阻值為0.01～1MΩ；電阻(5)的兩端分別和兩根電極引線(6)的信號輸出端連接。
4.按權(quán)利要求1、2、或3所述的任一項利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器，其特征在于所述的摻鈮鈦酸鍶SrNbxTi1-xO3單晶襯底(1)，其x為0.005～0.1。
5.按權(quán)利要求1、2、或3所述的任一項利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器，其特征在于所述的摻雜錳酸鑭薄膜層是R1-xAxMnO3，其中R包括La、Pr、Nd或Sm；A包括Sr、Ca、Ba、Pb、Sn、Te、Nb、Sb、Ta、Ce或Pr；其x值為0.05～0.4；，其摻雜錳酸鑭薄膜(2)的厚度為0.8nm～2μm。
6.按權(quán)利要求2所述的利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器，其特征在于所述的絕緣層(7)包括鋁酸鑭、鈦酸鍶、鈦酸鋇、氧化鋯、錳酸鑭或氧化鎂；絕緣層(7)的厚度為10nm～500nm。
7.按權(quán)利要求1、2、或3所述的任意一項利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器，其特征在于所述的第一電極(3)包括用銦或焊錫直接焊接，或用真空鍍膜或磁控濺射方法作成一個點、一條線，或是圍繞摻雜錳酸鑭薄膜邊緣的一個圈的金、銀或鋁電極。
8.按權(quán)利要求1、2、或3所述的任意一項利用異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器，其特征在于所述的第二電極(4)設(shè)置在硅片的任何部位，第二電極(4)是銦或焊錫直接焊接形成的一個點、一條線或面；或用真空鍍膜或磁控濺射方法蒸鍍金、銀或鋁的電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用氧化物異質(zhì)結(jié)材料制作的快響應(yīng)寬頻段激光探測器，包括一摻鈮鈦酸鍶襯底上，和在其上外延生長的摻雜錳酸鑭薄膜層，形成摻鈮鈦酸鍶—摻雜錳酸鑭氧化物異質(zhì)結(jié)；或者在摻鈮鈦酸鍶單晶襯底上外延生長一絕緣層，摻雜錳酸鑭薄膜外延生長在絕緣層上，形成摻鈮鈦酸鍶—絕緣層—摻雜錳酸鑭氧化物異質(zhì)結(jié)；第一電極設(shè)在摻雜錳酸鑭薄膜上，第二電極設(shè)在底上，兩根電極引線的一端分別與第一電極和第二電極連接，電極引線的另一端是信號輸出端。當(dāng)光照射激光探測器后直接產(chǎn)生電壓信號，不需要任何輔助的電源和電子電路。其響應(yīng)波段從紫外到遠(yuǎn)紅外，可響應(yīng)飛秒脈寬的激光脈沖，激光脈沖產(chǎn)生電壓脈沖的前沿小于1.5ns，半寬度小于2ns，脈沖全寬度僅為幾個ns。
文檔編號G01J11/00GK1724983SQ200410069100
公開日2006年1月25日 申請日期2004年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月20日
發(fā)明者呂惠賓, 黃延紅, 何萌, 劉立峰, 周岳亮, 金奎娟, 陳正豪, 程波林, 楊國楨 申請人:中國科學(xué)院物理研究所