CN101261157B - 一种快速响应红外光探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种快速响应红外光探测器及其制备方法，该红外光探测器包括光响应层、第一电极、第二电极、第一电极引线、第二电极引线，其中，所述光响应层为Al2O3单晶或Al2O3薄膜，其厚度在1nm～10mm；所述第一电极与第二电极设置于所述光响应层上，其厚度在1nm～10μm；所述第一电极引线与第二电极引线的一端分别连接所述第一电极和第二电极，另一端连接放大电路或电压测试设备，且在两个电极引线之间并联一电阻。本发明的探测器结构简单，响应速度快，在红外光照射下可以获得光生伏特信号，且响应速度达到了ns。

Description

一种快速响应红外光探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光探测器，尤其涉及一种利用三氧化二铝单晶材料或薄膜制作的快速响应红外光探测器。
背景技术
对于激光能量、功率、脉宽和波形的探测，不仅对激光器件和基础研究非常重要，而且在军事、国防、农业、资源开采、交通等方面也具有非常广泛的用途。目前，现有技术中已经发展了热电、光电、热释电等各种类型的激光探测器，其中又以热电探测器件最为常用，然而虽然热电探测器件响应范围宽，但响应时间比较慢，多为毫秒级，所以人们仍然一直在探索快响应、高灵敏度的新型激光探测器。
蓝宝石单晶(Sapphire，又称白宝石，分子式为Al2O3)有着很好的热特性、极好的电气特性和介电特性，并且具有防化学腐蚀、耐高温、导热好、硬度高、透红外、化学稳定性好等特点，因而广泛应用于耐高温红外窗口材料和III-V族氮化物及多种外延薄膜基片材料，并大量用于满足日益增长的蓝、紫、白光发光二极管(LED)和蓝光激光器(LD)的需要。如文献1：Soon-Jin So and Choon-Bae Park et al.Thin solid films，516，(2008)2031-2034，Improvement of brightness with Al2O3 passivation layers on the surface ofInGaN/GaN-based light-emitting diode chips；文献2：中国专利，专利申请号：200610089399，基于镓氮/蓝宝石透明衬底发光二极管结构及制备方法；文献3：中国专利，专利申请号：200610004252，白色LED及其制造方法。
本案发明人有感于现有的激光探测器的不足以及三氧化二铝材料的优势，提出一种基于三氧化二铝单晶材料或薄膜的红外光探测器。
发明内容
为了克服当前探测器光响应速度慢的缺陷，本发明提供一种基于三氧化二铝单晶材料或薄膜的快速响应的红外光探测器。
本发明提供一种快速响应红外光探测器，该红外光探测器包括光响应层、第一电极、第二电极、第一电极引线、第二电极引线，其中，所述光响应层为Al2O3单晶或Al2O3薄膜，其厚度在1nm～10mm；所述第一电极与第二电极设置于所述光响应层上，其厚度在1nm～10μm；所述第一电极引线与第二电极引线的一端分别连接所述第一电极和第二电极，另一端用于连接放大电路或电压测试设备，且在两个电极引线之间并联一电阻。
本发明还提供一种快速响应红外光探测器的制备方法，该方法是利用制备薄膜的设备和工艺，按以下步骤进行：采用脉冲激光制膜方法、化学气相沉积法、溅射法、物理气相沉积法或超声喷雾法，在Al2O3单晶或者Al2O3薄膜上制备厚度为1nm～10μm的第一金属薄膜电极和第二金属薄膜电极；将第一电极引线和第二电极引线的一端分别连接所述第一金属薄膜电极和第二金属薄膜电极，并且在第一电极引线和第二电极引线之间并联一个电阻，将所述两个电极引线的输出端连接放大电路或电压测试设备，制成快速响应红外光探测器。
本发明提供了一种当光照射后直接产生光电压信号，不需要任何辅助的电源和电子电路的快速响应红外光探测器，其利用蓝宝石单晶材料制作，可以探测激光的能量、功率和波形，在红外波段下可响应纳秒脉宽的激光脉冲，产生电压脉冲的宽度可小于0.4ns，脉冲全宽度只有几个ns。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本发明实施例的红外光探测器结构示意图；
图2为本发明另一实施例的红外光探测器结构示意图；
图3为本发明实施例光生伏特信号图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
下面结合附图和实施例对本发明的快速响应红外光探测器及其制备方法进行详细说明。
请参照图1，本发明的快速响应红外光探测器包括光响应层1、第一金属薄膜电极2、第二金属薄膜电极3、第一电极引线4、第二电极引线5以及电阻6，其中：
光响应层1为Al2O3单晶或者Al2O3薄膜，厚度在1nm～10mm。
两个金属薄膜电极2、3通过脉冲激光制膜方法、化学气相沉积法、溅射法、物理气相沉积法或超声喷雾法制备于所述光响应层上，其厚度在1nm～10μm，可以是条形电极或叉指形电极，制备金属薄膜电极2、3的材料可以是金属，如银、金、铂、铟、铝等，也可以是金属性化合物，如Y-Ba-Cu-O、MgB2等。
两个电极引线4、5的一端分别连接两个金属薄膜电极2和3，另一端用于连接放大电路或电压测试设备7。
电阻6则并联于前述两个电极引线4、5之间，以加快响应速度，其阻值为0.1Ω～1MΩ。
根据本发明的另一个实施例，在两个电极引线4、5之间还可以并联一个电容8，以加快响应速度，如图2所示。
根据本发明的其他实施例，还可以对该探测器外加强磁场，如钕铁硼(NdFeB)或者通电螺线管等，以通过光磁电效应增强响应强度。
本发明的光探测器结构简单，以红外脉冲激光做探测光，激光能量为1mJ，光束的面积一个平方厘米，避开电极照在薄膜上，两端用示波器测量得到大约2.5mV的直接电压输出(可见光照射下无光生伏特信号)。该光探测器在红外光光照下信号达到了2.5mV以上，响应时间在1ns以下，实现了基于Al2O3单晶或者Al2O3薄膜的红外光激发的超快光生伏特信号。请参照图3，其是本发明用Al2O3单晶制作的红外光探测器在1064nm的脉冲激光照射下所产生的电压信号，其上升时间为0.4ns，半高宽为1ns。
根据本发明上述实施例的制备方法和图1、2所示结构制成的快速响应红外光探测器，采用一般常用的Al2O3单晶片或者Al2O3薄膜上生长金属材料电极，在光照射后直接产生光电压信号，不需要任何辅助的电源和电子电路，可以探测激光的能量、功率和波形，在红外波段下可响应纳秒脉宽的激光脉冲，产生电压脉冲的宽度可小于0.4ns，脉冲全宽度只有几个ns。
下面在实施例中结合本发明的Al2O3单晶或者Al2O3薄膜制备方法，对本发明的基于Al2O3单晶或者Al2O3薄膜的红外光探测器结构进行详细说明。
实施例一：
请参照图1，制备一基于Al2O3单晶或者Al2O3薄膜的红外光探测器的制备方法包括以下步骤：
1.首先，采用脉冲激光制膜工艺，在5mm×10mm×0.5mm的Al2O3单晶或者Al2O3薄膜上采用掩模法分两边蒸镀上面积为5mm×1mm厚度为1nm银膜；
2.将上述做成的样品，按照图1所示的结构制作，将第一电极2和第二电极3分别蒸镀在1上，第一电极引线4和第二电极引线5分别焊接在第一电极2和第二电极3上，并且在第一电极引线4和第二电极引线5之间并联1MΩ的电阻6，两个电极引线的输出端可以连接电压测量设备7，本实施例采用放大电路或者示波器。
制备的探测器探头在1064nm的红外激光的照射下，用示波器指示其输出光生伏特信号达到了2.5mV，如图3所示。
实施例二：
请参照图1，制备一基于Al2O3单晶或者Al2O3薄膜的红外光探测器的制备方法包括以下步骤：
1.首先，采用磁控溅射制膜工艺，在5mm×10mm×0.5mm的Al2O3单晶上采用掩模法分两边蒸镀上面积为5mm×1mm厚度为10μm铝膜；
2.将上述做成的样品，按照图1所示的结构制作，将第一电极引线4和第二电极引线5分别焊接在第一电极2和第二电极3上，并且在第一电极引线4和第二电极引线5之间并联1MΩ的电阻6，两个电极引线的输出端可以连接电压测量设备7，本实施例采用放大电路或者示波器。
制备的探测器探头在808nm的红外激光的照射下，用示波器指示其输出的光生伏特信号。
实施例三：
请参照图1，制备一基于Al2O3单晶或者Al2O3薄膜的红外光探测器的制备方法包括以下步骤：
将Al2O3单晶或者Al2O3薄膜做成如图1所示的探测器，在980nm的红外激光的照射下输出光生伏特信号。
1.首先，采用常规的点焊机，在5mm×10mm厚度为1nm的Al2O3薄膜上焊上面积为1mm2厚度为1μm的铟电极；
2.将上述做成的样品，按照图1所示的结构制作，将第一电极引线4和第二电极引线5分别焊接在第一电极2和第二电极3上，并且在第一电极引线4和第二电极引线5之间并联0.1Ω的电阻6，两个电极引线的输出端可以连接电压测量设备7，本实施例采用放大电路或者示波器。
实施例四：
将Al2O3单晶或者Al2O3薄膜做成如图2所示的探测器，在第一电极引线4和第二电极引线5之间并联一电容8。
实施例五：
按实施例一的结构制作，区别在于外加强磁场，如钕铁硼(NdFeB)或者通电螺线管等。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：对本发明探测器电路或制作方法进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种快速响应红外光探测器，该红外光探测器包括光响应层、第一电极、第二电极、第一电极引线、第二电极引线，其特征在于：
所述光响应层为Al2O3单晶或Al2O3薄膜，其厚度在1nm～10mm；
所述第一电极与第二电极设置于所述光响应层上，其厚度在1nm～10μm；
所述第一电极引线与第二电极引线的一端分别连接所述第一电极和第二电极，另一端用于连接放大电路或电压测试设备，且在两个电极引线之间并联一电阻，以加快响应速度。
2.根据权利要求1所述的快速响应红外光探测器，其特征在于，所述电阻的阻值为0.1Ω～1MΩ。
3.根据权利要求1所述的快速响应红外光探测器，其特征在于，在所述两个电极引线之间还并联有一电容，以加快响应速度。
4.根据权利要求1所述的快速响应红外光探测器，其特征在于，所述电极为金属薄膜电极，制备该电极的材料包括金属或金属性化合物。
5.根据权利要求4所述的快速响应红外光探测器，其特征在于，所述金属包括银、金、铂、铟或铝；所述金属性化合物包括Y-Ba-Cu-O或MgB2。
6.根据权利要求1所述的快速响应红外光探测器，其特征在于，所述电极为条形电极或叉指形电极。
7.根据权利要求1所述的快速响应红外光探测器，其特征在于，该红外光探测器还包括外加强磁场，以通过光磁电效应增强响应强度。
8.根据权利要求7所述的快速响应红外光探测器，其特征在于，所述外加强磁场为钕铁硼或者通电螺线管。
9.一种快速响应红外光探测器的制备方法，其特征在于，该方法是利用制备薄膜的设备和工艺，按以下步骤进行：
采用脉冲激光制膜方法、化学气相沉积法、溅射法、物理气相沉积法或超声喷雾法，在Al2O3单晶或者Al2O3薄膜上制备厚度为1nm～10μm的第一金属薄膜电极和第二金属薄膜电极；
将第一电极引线和第二电极引线的一端分别连接所述第一金属薄膜电极和第二金属薄膜电极，并且在第一电极引线和第二电极引线之间并联一个电阻，将所述两个电极引线的输出端连接放大电路或电压测试设备，制成快速响应红外光探测器。
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