CN103367625A - 一种斜切砷化镓单晶光、热探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种斜切砷化镓单晶光、热探测器，依次由导热胶粘结的斜切砷化镓单晶薄片，金属铜热沉和金属支架组成，在斜切砷化镓单晶薄片上表面设置两个对称的金属电极作为电压信号输出端，用电极引线将斜切砷化镓单晶薄片电压信号输出端与电压表输入端相连接。本发明提供的斜切砷化镓单晶光、热探测器的优点是制备简单、成本低廉、响应灵敏度高、能实现全波段光谱探测及各种热辐射探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用斜切砷化镓单晶薄片制作的低成本、高灵敏、宽频段光、热探测器，属于光、热探测器制备技术领域。
背景技术
当用光源或热源加热斜切砷化镓单晶薄片的上表面时，薄片的上下表面就会产生一个纵向的温度差ΔT，由于横向热电效应，则会在斜切砷化镓单晶薄片上表面的左右两端产生一个横向电压信号且电压信号的幅值和砷化镓ab轴方向和c轴方向的塞贝克系数的差值ΔS、温度差ΔT及斜切角度α成正比。近年来，利用材料的横向热电效应制作的新型光、热探测器备受关注。与传统的光子型光探测器相比，基于横向热电效应制备的光、热探测器价格低廉、信噪比好、不需要制冷、不需要偏压、可以实现全光谱探测及各种热辐射探测。
目前用于制备此类新型光、热探测器的材料常选用以钙钴氧为代表的层状钴氧化物薄膜、以钇钡铜氧为代表的高温超导薄膜、以镧钙锰氧为代表的巨磁阻薄膜及以钛酸锶、铝酸镧为代表的钙钛矿结构的氧化物单晶材料。但以上所述的薄膜探测器对连续光及热辐射的探测灵敏度非常低且制备工艺复杂，成本昂贵、破坏阈值低，不适于大范围商业推广。而钙钛矿结构的氧化物单晶材料只能探测紫外波段的辐射光且无法对热辐射进行探测，而且其成本也偏高。因此非常有必要发明一种成本低廉、制备工艺简单、破坏阈值高、探测灵敏度高且同时能实现光和热探测的新型探测器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低廉、制备工艺简单、破坏阈值高、探测灵敏度高且同时能实现光和热探测的新型斜切砷化镓单晶光、热探测器。
解决上述技术问题的技术方案是：
这种斜切砷化镓单晶光、热探测器，依次由导热胶粘结的斜切砷化镓单晶薄片，金属铜热沉和金属支架组成，在斜切砷化镓单晶薄片上表面设置两个对称的金属电极作为电压信号输出端，用电极引线将斜切砷化镓单晶薄片电压信号输出端与电压表输入端相连接。
所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，所述的斜切砷化镓单晶薄片的斜切角度α的范围为0°＜α＜90°，α为薄片c轴方向和薄片平面法线方向的夹角。
所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，所述的斜切砷化镓单晶薄片（2）大小为5×3mm2、5×5mm2或10×5mm2，厚度为0.2-2mm，导电类型为N型或P型，载流子浓度为1016-1019/cm3。
所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，所述的两个金属电极的形状为长方形或圆形，电极之间的间距为3-8mm，电极材料为金属Pt、Au、Ag、Al或In，采用热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积方法制备于斜切砷化镓单晶薄片斜切方向上表面。
所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，所述的导热胶的热导率应大于0.6W/mK。
所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，所述的金属铜热沉为热导率大于400W/mK的无氧铜片。
所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，所述的电极引线为Au、Ag或Cu材质的细导线，直径为0.01-0.2mm。
本发明提供的砷化镓单晶光、热探测器的优点在于制备简单、成本低廉、破坏阈值高、探测灵敏度高、能实现全波段光谱探测和各种热辐射探测。
附图说明
图1为：本发明斜切砷化镓单晶光、热探测器的结构示意图。
图中标号如下：1、金属铜热沉2、斜切砷化镓单晶薄片
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、电压表8、光源或热源9、金属支架10、薄片的斜切角度α
图2、3为图1的两种电极设置方式俯视结构示意图。
图4为：斜切砷化镓单晶光、热探测器对连续激光器输出激光（波长：405nm,光斑半径：1mm）的电压信号响应图。
图5为：斜切砷化镓单晶光、热探测器对连续激光器输出激光（波长：532nm,光斑半径：1mm）的电压信号响应图。
图6为：斜切砷化镓单晶光、热探测器对连续激光器输出激光（波长：980nm,光斑半径：1mm）的电压信号响应图。
图7为：斜切砷化镓单晶光、热探测器对连续激光器输出激光（波长：10.6μm,光斑半径：1mm）的电压信号响应图。
图8为：斜切砷化镓单晶光、热探测器对太阳光模拟器输出太阳光（波长：400nm-1100nm，功率密度1000W/cm2）的电压信号响应图。
图9为：斜切砷化镓单晶光、热探测器对200℃恒温热源输出热量（热源距离探测器5mm）的电压信号响应图。
具体实施方式
图1中显示，本发明由斜切砷化镓单晶薄片、金属电极、金属铜热沉、导热胶和金属导线组成。
金属铜热沉1为长宽为15×15mm2，厚度为1mm的无氧金属铜板，斜切砷化镓单晶薄片2的斜切角度α的范围为0°＜α＜90°。斜切砷化镓单晶薄片2用导热硅胶黏贴在金属铜热沉1的中心位置，再将铜热沉1物理固定或黏贴在金属支架9上。
在单晶薄片表面有两个金属电极作为电压信号输出端，分别为第一电极3和第二电极4，可以用常规的热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积技术制备。两电极位置相对于薄片中心线严格左右对称，间距为3-8mm，形状为长方形或圆形。电极材料可以选用金属Pt、Au、Ag、Al或In等。两个电极电压信号输出端分别通过电极引线与电压表7的输入端相连接，电极引线可以选用Au、Ag或Cu的细导线，直径为0.01-0.2mm。
以下是本发明的6个实施例：
实施例1：斜切砷化镓单晶光、热探测器对405nm连续光探测。
1.利用已知的热蒸发的方法在10度斜切的N型掺硅砷化镓单晶薄片（大小为10×5mm2，厚度为0.3mm，载流子浓度为1018/cm3）表面制备两个银电极，电极为长方形（1×5mm2）,电极间距离为8mm;
2.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极的引线；
3.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电压表上；
4.选用精度为0.012%的电压表，用上述砷化镓单晶光、热探测器，测量连续激光器（输出波长为405nm,光斑半径为1mm）照射在探测器上的电压信号输出。
图4是电压表记录下来的405nm的连续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，当照射在薄片上的激光功率为50mW时，输出电压信号的幅值为4.3mV，探测灵敏度高达0.086mV/mW。
实施例2：斜切砷化镓单晶光、热探测器对532nm连续光探测。
1.同实施例1中步骤1-4；
图5是电压表记录下来的532nm连续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，当照射薄片上的激光能量为50mW时，输出电压信号的幅值高达2.8mV，该光、热探测器对可见光具有很高的探测灵敏度。
实施例3：斜切砷化镓单晶光、热探测器对980nm红外连续光探测。
1.利用已知的热蒸发的方法在5度斜切N型掺硅砷化镓单晶薄片（大小为10×5mm2，厚度为0.3mm，载流子浓度为1018/cm3）表面制备两个In电极，电极为长方形（1×5mm2）,电极间距离为8mm;
2.用焊锡将直径为0.1mm的两根铜导线分别焊接在两个In电极上作为两个电极的引线；
3.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电压表上；
4.选用精度为0.012%的电压表，用上述斜切砷化镓单晶光、热探测器，测量连续激光器（输出波长为980nm,光斑半径为1mm）照射在探测器上的电压信号输出。
图6是电压表记录下来的980nm的连续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，当照射到薄片表面上的激光功率为50mW时，输出电压信号达到了7.9mV，该光、热探测器对近红外具有很高的探测灵敏度。
实施例4：斜切砷化镓单晶光、热探测器对10.6μm远红外连续光探测。
1.利用已知的热蒸发的方法在10度斜切N型掺硅砷化镓单晶薄片（大小为5×3mm2，厚度为0.3mm，载流子浓度为1018/cm3）表面制备两个Au电极，电极为长方形（1×3mm2）,电极间距离为3mm;
2.用焊锡将直径为0.05mm的两根银导线分别焊接在两个Au电极上作为两个电极的引线；
3.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电压表上；
4.选用精度为0.012%电压表，用上述斜切砷化镓单晶光、热探测器，测量连续激光器（输出波长为10.6μm,光斑半径为1mm）照射在探测器上的电压信号输出。
图7是电压表记录下来的10.6μm的连续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片表面的激光功率为150mW时，在薄片两端产生的输出电压为36.2mV,该光、热探测器对远红外光具有很高的探测灵敏度。
实施例5：斜切砷化镓单晶光、热探测器对太阳光模拟器输出复色光探测。
1.利用已知的热蒸发的方法在10度斜切N型掺硅砷化镓单晶薄片（大小为10×5mm2，厚度为0.5mm，载流子浓度为1018/cm3）表面制备两个Al电极，电极为长方形（1×5mm2）,电极间距离为8mm;
2.用焊锡将直径为0.05mm的两根银导线分别焊接在两个Al电极上作为两个电极的引线；
3.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电压表上；
4.选用精度为0.012%电压表，用上述砷化镓单晶光、热探测器，测量太阳光模拟器（输出波长段为400nm-1100nm,功率密度为1000W/cm2）输出的复色光照射在探测器上的电压信号输出。
图8是电压表记录下来的太阳光模拟器输出的复色光照射到该探测器表面上时产生的输出电压信号的波形图。可以看出当模拟太阳光照射在薄片表面时，在薄片两端产生的输出电压为9.1mV,该光、热探测器对太阳光具有很高的探测灵敏度。
实施例6：斜切砷化镓单晶光、热探测器对热辐射进行探测。
1.利用已知的热蒸发的方法在5度斜切N型掺硅砷化镓单晶薄片（大小为10×5mm2，厚度为0.3mm，载流子浓度为1018/cm3）表面制备两个Pt电极，电极为长方形（1×5mm2）,电极间距离为8mm;
2.用焊锡将直径为0.05mm的两根银导线分别焊接在两个Pt电极上作为两个电极的引线；
3.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电压表上；
4.选用精度为0.012%电压表，用上述斜切砷化镓单晶光、热探测器，测量200℃恒温热源垂直放在（热源距离薄片5mm）探测器表面上方的电压信号输出。
图9是电压表记录下来的恒温热源垂直放在该探测器表面上时产生的输出电压信号的波形图。可以看出当热源放在薄片上方时，在薄片两端产生的输出电压为2.1mV,该光、热探测器对热辐射具有很高的探测灵敏度。
本发明列举的实施例旨在更进一步地阐明这种斜切砷化镓单晶光、热探测器及制备方法，而不对本发明的范围构成任何限制。
Claims (7)
1.一种斜切砷化镓单晶光、热探测器，其特征在于：它依次由导热胶粘结的斜切砷化镓单晶薄片（2），金属铜热沉（1）和金属支架（9）组成，在斜切砷化镓单晶薄片上表面设置两个对称的金属电极作为电压信号输出端，用电极引线将斜切砷化镓单晶薄片电压信号输出端与电压表（7）输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，其特征在于：所述的斜切砷化镓单晶薄片（2）的斜切角度α的范围为0°＜α＜90°，α为薄片c轴方向和薄片平面法线方向的夹角。
3.根据权利要求1所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，其特征在于：所述的斜切砷化镓单晶薄片（2）大小为5×3mm2、5×5mm2或10×5mm2，厚度为0.2-2mm，导电类型为N型或P型，载流子浓度为1016-1019/cm3。
4.根据权利要求1所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，其特征在于：所述的两个金属电极的形状为长方形或圆形，电极之间的间距为3-8mm，电极材料为金属Pt、Au、Ag、Al或In，采用热蒸发、磁控溅射或脉冲激光沉积方法制备于斜切砷化镓单晶薄片（2）斜切方向上表面。
5.根据权利要求1所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，其特征在于：所述的导热胶的热导率应大于0.6W/mK。
6.根据权利要求1所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，其特征在于：所述的金属铜热沉为热导率大于400W/mK的无氧铜片。
7.根据权利要求1所述的斜切砷化镓单晶光、热探测器，其特征在于：所述的电极引线为Au、Ag或Cu材质的细导线，直径为0.01-0.2mm。
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