CN101826570A - 一种p-n异质结光探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种p-n异质结光探测器，属于薄膜光探测器技术领域，所要解决的技术问题是提供一种在掺铌钛酸锶单晶基底上外延生长一层错配层钴氧化合物薄膜的p-n异质结光探测器，其技术方案是：它由掺铌钛酸锶单晶基底和错配层钴氧化合物薄膜组成，错配层钴氧化合物薄膜采用脉冲激光沉积技术或金属有机沉积技术外延生长在掺铌钛酸锶单晶基底上，在掺铌钛酸锶单晶基底和错配层钴氧化合物薄膜上各有一个采用热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积技术沉积在基底和薄膜表面的电极，两个电极分别通过电极引线与电压信号输出端相连接。本发明的优点在于：制备简单、成本低廉、不需要制冷、不需要任何辅助的电源和电子设备、响应波段宽。

Description

一种p-n异质结光探测器
技术领域
本发明涉及一种利用错配层钴氧化合物/掺铌钛酸锶p-n异质结制作的光探测器，属于薄膜光探测器技术领域。
背景技术
近年来，利用氧化物异质结的光生伏特效应制作的新型光探测器备受关注，和传统的用半导体材料制成的光子探测器相比，根据氧化物异质结光生伏特效应制做的光探测器价格低廉、信噪比好、不需要制冷，且可以根据选则不同禁带宽度的氧化物材料来制成光谱响应范围不同的光探测器。
以铋锶钴氧(Bi2Sr2Co2Oy)和钙钴氧(Ca3Co4O9)为代表的错配层钴氧化合物是近年来新发现的一种P型导电氧化物热电材料，其空穴浓度在室温下约为1020-1021/cm3，和n型导电的掺铌钛酸锶(Sr1-xNbxTiO3，0.01≥x≥0.004))中的电子浓度很接近。如果在掺铌钛酸锶单晶基底上外延生长一层铋锶钴氧和钙钴氧薄膜，则构成了一种全新的氧化物p-n异质结。当光照射在异质结上，根据p-n异质结的光生伏特效应则可以直接产生电压信号，利用此原理即可制作铋锶钴氧(钙钴氧)/掺铌太酸锶异质结光探测器。此外，室温下铋锶钴氧和钙钴氧的禁带宽度分别只有0.6eV和1.0ev，因此利用铋锶钴氧(钙钴氧)/掺铌钛酸锶异质结制作的光探测器可以响应从紫外一直到红外很宽频段的光。但截至目前为止，并没有见到有关此类探测器的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种通过在掺铌钛酸锶单晶基底上外延生长一层错配层钴氧化合物薄膜的p-n异质结光探测器。
解决上述技术问题的技术方案是：
一种p-n异质结光探测器，它由掺铌钛酸锶单晶基底和错配层钴氧化合物薄膜组成，错配层钴氧化合物薄膜采用脉冲激光沉积技术或金属有机沉积技术外延生长在掺铌钛酸锶单晶基底上，在掺铌钛酸锶单晶基底和错配层钴氧化合物薄膜上各有一个采用热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积技术沉积在基底和薄膜表面的电极，两个电极分别通过电极引线与电压信号输出端相连接。
上述p-n异质结光探测器，所述的错配层钴氧化合物薄膜为钙钴氧或铋锶钴氧薄膜，薄膜的厚度为20nm-200nm。
上述p-n异质结光探测器，所述的两个电极为金属Pt、Au、Ag、Al或In制作。
上述p-n异质结光探测器，所述的电极引线的一端用导电银胶直接粘在两个电极上或用焊锡焊接在电极上，电极引线为Au、Ag或Cu的细导线，直径为0.01-0.2mm。
上述p-n异质结光探测器，所述的两根电极引线的输出端并联一个阻值为0.1-50Ω的电阻。
本发明所提供的利用错配层钴氧化合物/掺铌钛酸锶p-n异质结制作的光探测器的优点在于：制备简单、成本低廉、不需要制冷、不需要任何辅助的电源和电子设备、响应波段宽。
附图说明
图1是本发明p-n异质结光探测器的结构示意图。
图中标记如下：1、掺铌钛酸锶单晶基片  2、错配层钴氧化合物薄膜3、第一电极  4、第二电极  5、第一电极引线  6、第二电极引线7、并联电阻
图2为：Bi2Sr2Co2O8/Sr0.99Nb0.01TiO3异质结光探测器对XeCl激光器输出激光(波长：308nm，脉宽：25ns)的电压信号响应图。图2中插图为该光探测器的测量结构示意图。
图3为：Bi2Sr2Co2O8/Sr0.99Nb0.01TiO3异质结光探测器并联50欧姆电阻后对XeCl激光器输出激光(波长：308nm，脉宽：25ns)的电压信号响应图。
图4为：Ca3Co4O9/Sr0.993Nb0.007TiO3异质结光探测器对XeCl激光器输出激光(波长：308nm，脉宽：25ns)的电压信号响应图。
图5为：Bi2Sr2Co2O8/Sr0.996Nb0.004TiO3异质结光探测器对Nd:YAG激光器输出激光(波长：1064nm，脉宽：25ps)的电压信号响应图。
具体实施方式
图1中显示，本发明是在掺铌钛酸锶单晶基底1上利用已知的脉冲激光沉积技术或金属有机沉积技术外延生长一层错配层钴氧化合物薄膜2。
掺铌钛酸锶单晶基底1的铌掺杂量的范围为0.4％-1％之间；错配层钴氧化合物薄膜2可以选用钙钴氧或铋锶钴氧薄膜，薄膜厚度为20nm-200nm。
在掺铌钛酸锶单晶基底1和错配层钴氧化合物薄膜2上各有一个电极，电极材料可以选用金属Pt、Au、Ag、Al或In，利用已知的热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积技术沉积在在掺铌钛酸锶单晶基底1和错配层钴氧化合物薄膜2表面。两个电极分别为第一电极3和第二电极4，第一电极3设置在错配层钴氧化合物薄膜2表面，第二电极4设置在掺铌钛酸锶单晶基底2上。
第一电极3、第二电极4分别与第一电极引线5、第二电极引线6相连接，两电极引线的一端用导电银胶直接粘在两个电极上或用焊锡焊接在电极上，电极引线可以选用Au、Ag或Cu的细导线，直径为0.01-0.2mm。两电极引线的另一端接到电压信号输出端上，为提高探测器的响应速度，也可以在两根电极引线的输出端并联一个阻值为0.1-50Ω的并联电阻7。
以下是本发明的几个实施例。
实施例1：对脉宽为25ns的308nm XeCl准分子激光器输出激光探测的Bi2Sr2Co2O8/Sr0.99Nb0.01TiO3异质结光探测器。
1.选用已知的脉冲激光沉积技术在Sr0.99Nb0.01TiO3(001)单晶基底上外延生长一层厚度为100nm的Bi2Sr2Co2O8热电薄膜；
2.利用已知的热蒸发方法分别在Bi2Sr2Co2O8薄膜表面和Sr0.99Nb0.01TiO3单晶基底上制备两个Ag电极，电极直径为0.5mm；
3.用导电银胶将直径为0.1mm的两根铜导线分别粘在两个银电极上作为两个电级的引线；
4.将两根电极引线的另一端接在作为输出电压信号测试端的示波器上，示波器输入阻抗选用1兆欧姆档；
5.选用500兆示波器，用上述Bi2Sr2Co2O8/Sr0.99Nb0.01TiO3薄膜光探测器，测量准分子XeCl激光器(输出波长为308nm，脉宽为25ns)照射在探测器上产生的电压信号输出。
图2是示波器记录下来的308nm的XeCl激光器照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号的波形图。可以看出，1mJ的激光能量能产生高达820mV的电压信号，具有很高的探测灵敏度；探测器的响应速度较慢，上升沿时间和半宽度分别约为190μs和24ms。
实施例2：对脉宽为25ns的308nm XeCl准分子激光器输出激光探测的Bi2Sr2Co2O8/Sr0.993Nb0.007TiO3异质结光探测器。
1.同实施例1中步骤1-3；
4.在两根电极引线之间并联一个50欧姆的电阻；
5.同实施例1中步骤4-5；
图3是示波器记录下来的308nm的XeCl激光器照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号的波形图。可以看出，由于并联了一个小电阻，探测器的响应速度提高，信号上升沿时间和半宽度分别由实施例1中的190μs和24ms提高到23μs和400μs。
实施例3：对脉宽为25ns的308nm XeCl准分子激光器输出激光探测的Ca3Co4O9/Sr0.993Nb0.007TiO3异质结光探测器。
1.选用已知的有机化学溶液沉积技术在Sr0.993Nb0.007TiO3(001)单晶基底上外延生长一层厚度为300nm的Ca3Co4O9热电薄膜；
2.同实施例1中步骤2-4；
5.选用500兆示波器，用上述Ca3Co4O9/Sr0.993Nb0.007TiO3异质结光探测器，测量准分子XeCl激光器(输出波长为308nm，脉宽为25ns)照射在探测器上的电压信号输出。
图4是示波器记录下来的308nm的XeCl激光器照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号的波形图。可以看出，当照射在薄膜上的激光能量为1mJ时，输出电压信号的幅值高达108mV，同样具有很高的探测灵敏度；该探测器的输出电压信号的上升沿时间和半宽度分别为110μs和3ms。
实施例4：对脉宽为25ps的Nd:YAG激光器输出激光(输出波长为1064nm)探测的Bi2Sr2Co2O8/Sr0.996Nb0.004TiO3异质结光探测器。
1.选用已知的化学溶液沉积技术在Sr0.996Nb0.004TiO3(001)单晶基片上外延一层厚度为20nm的Bi2Sr2Co2O8热电薄膜；
2.利用已知的磁控溅射方法分别在Bi2Sr2Co2O8薄膜表面和Sr0.996Nb0.004TiO3基底上制备两个Au电极，电极直径为0.3mm；
3.用焊锡将直径为0.1mm的两根Ag导线分别焊接在两个Au电极上作为两个电极的引线；
4.将两根电极引线的另一端接在作为输出电压信号测试端的示波器上，示波器输入阻抗选用1兆欧姆档；
5.选用500兆示波器，用上述Bi2Sr2Co2O8薄膜光探测器，测量Nd:YAG激光器(输出波长为1064nm，脉宽为25ps)照射在探测器上的电压信号输出。
图5是示波器记录下来的Nd:YAG激光器(25ps，1064nm)照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号的波形图。可以看出，当照射到薄膜表面上的激光能量为1mJ时，输出电压信号达到了60mV，电压信号的上升沿时间为40ns，半宽度为230ns，因此该探测器可以探测红外波段的光且响应速度较快。
本发明列举的实施例旨在更进一步地阐明这种p-n异质结光探测器的制备方法，而不对本发明的范围构成任何限制。

Claims (5)

1.一种p-n异质结光探测器，其特征在于：它由掺铌钛酸锶单晶基底(1)和错配层钴氧化合物薄膜(2)组成，错配层钴氧化合物薄膜(2)采用脉冲激光沉积技术或金属有机沉积技术外延生长在掺铌钛酸锶单晶基底(1)上，在掺铌钛酸锶单晶基底(1)和错配层钴氧化合物薄膜(2)上各有一个采用热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积技术沉积在基底和薄膜表面的电极，两个电极分别通过电极引线与电压信号输出端相连接。
2.根据权利要求1所述的p-n异质结光探测器，其特征在于：所述的错配层钴氧化合物薄膜(2)为钙钴氧或铋锶钴氧薄膜，薄膜的厚度为20nm-200nm。
3.根据权利要求2所述的p-n异质结光探测器，其特征在于：所述的两个电极为金属Pt、Au、Ag、Al或In制作。
4.根据权利要求3所述的p-n异质结光探测器，其特征在于：所述的电极引线的一端用导电银胶直接粘在两个电极上或用焊锡焊接在电极上，电极引线为Au、Ag或Cu的细导线，直径为0.01-0.2mm。
5.根据权利要求4所述的p-n异质结光探测器，其特征在于：所述的两根电极引线的输出端并联一个阻值为0.1-50Ω的电阻。
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