具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料及其制備方法
【專利摘要】具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料及其制備方法，本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，它為了解決現(xiàn)有光電位置傳感材料的位置靈敏度較低以及響應(yīng)速度慢的問題。該光電位置傳感材料具有金屬氧化物—SiO2—Si三層結(jié)構(gòu)，在Si基片上采用激光脈沖沉積有金屬氧化物層，其中的金屬氧化物為Fe3O4、ZnO或TiO2。制備方法：一、超聲波清洗Si基片；二、金屬氧化物粉末研磨壓片，燒結(jié)處理后得到金屬氧化物靶材；三、采用準(zhǔn)分子激光器照射金屬氧化物靶材，在Si基片上脈沖激光沉積金屬氧化物層，沉積結(jié)束后冷卻到室溫。本發(fā)明所述的光電位置傳感材料的位置靈敏度在1mW的激光照射下達(dá)到了54mV/mm，半峰寬在5μs左右。
【專利說明】具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體涉及基于側(cè)向光伏效應(yīng)的位置傳感材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]Schokky 在 1930 年發(fā)現(xiàn)了側(cè)向光伏(lateral photovoltage, LPV)現(xiàn)象，1957年Wallmark在p+_n結(jié)中首次發(fā)現(xiàn)了側(cè)向光伏大小與光照位置間的線性依賴關(guān)系并作出了物理解釋。側(cè)向光伏效應(yīng)不僅與光照位置具有非常好的線性關(guān)系，而且具有很高的位置靈敏度，這就使得側(cè)向光伏效應(yīng)可應(yīng)用于多種靈敏光學(xué)傳感器，尤其是位置靈敏器(posit1n-sensitive detectors, PSD)中最核心的部分。
[0003]位置靈敏器具有位置分辨率高、響應(yīng)速度快，光譜響應(yīng)范圍寬、處理電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、科研等許多領(lǐng)域，尤其是在空間光束的捕獲、跟蹤、對準(zhǔn)及定位等方面具有重要的作用。盡管國際上對位置靈敏器的研究與開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)比較成熟的時(shí)期，但是其響應(yīng)速度不夠快的缺點(diǎn)始終沒有被克服。目前響應(yīng)速度最快的位置靈敏器是德國Silicon Sensor GmbH公司開發(fā)的0D6-7型一維位置靈敏器，其響應(yīng)時(shí)間為
0.2 μ S，仍然不能滿足許多需要快速響應(yīng)的特殊需求，特別是高速運(yùn)行物體的對接工作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有光電位置傳感材料的位置靈敏度較低以及響應(yīng)速度慢的問題，而提供具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料具有金屬氧化物一S12-Si三層結(jié)構(gòu)，在Si基片上采用激光脈沖沉積有厚度為10?SOnm的金屬氧化物層，其中的金屬氧化物為Fe304、ZnO或Ti02，S12層是Si基片在空氣中自然形成的。
[0006]本發(fā)明具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料的制備方法按下列步驟實(shí)現(xiàn):
[0007]一、將Si基片放入HF溶液里浸泡10?20min，然后利用超聲波清洗器將Si片依次放入丙酮和無水乙醇中分別清洗10?20min，得到清洗后的Si基片；
[0008]二、將金屬氧化物粉末研磨后壓制成片，然后在800?1000°C的溫度下對金屬氧化物壓片進(jìn)行燒結(jié)處理，得到金屬氧化物靶材；
[0009]三、將本底真空抽至3 X KT4Pa?5 X l(T4Pa，通入純氧控制氣壓為0.1?10Pa，調(diào)節(jié)Si基片的溫度為350?500°C，采用準(zhǔn)分子激光器照射金屬氧化物靶材，在Si基片上脈沖激光沉積厚度為10?50nm的金屬氧化物層，沉積結(jié)束后保溫20?30min，最后自然冷卻到室溫，得到具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料；
[0010]其中步驟二所述的金屬氧化物為Fe304、ZnO或Ti02。
[0011]本發(fā)明具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料及其制備方法包含如下優(yōu)點(diǎn):
[0012]1、金屬氧化物廉價(jià)易得，而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；
[0013]2、該光電位置傳感材料的位置靈敏度在ImW的激光照射下達(dá)到了 54mV/mm，靈敏度高適合應(yīng)用在位置靈敏器中；
[0014]3、該光電位置傳感材料的側(cè)向光伏響應(yīng)的上升沿為60ns，半峰寬在5μ s左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)聞于目如位置敏感器的最聞指標(biāo)200ns ；
[0015]4、現(xiàn)有Si基半導(dǎo)體器件技術(shù)成熟，該光電位置傳感結(jié)構(gòu)極易與現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工工藝相結(jié)合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為側(cè)向光伏位置靈敏度測試的結(jié)構(gòu)示意圖，其中I一單色激光器，2—擴(kuò)束鏡，3一凸透鏡，4一二維平移臺；
[0017]圖2為側(cè)向光伏位置靈敏度測試的局部結(jié)構(gòu)示意圖，其中5—六位半數(shù)字多用表；
[0018]圖3為側(cè)向光伏時(shí)間響應(yīng)測試的結(jié)構(gòu)示意圖，其中I一飛秒激光器，2—飛秒激光測試平臺，3—二維平移臺；
[0019]圖4為側(cè)向光伏時(shí)間響應(yīng)測試的局部結(jié)構(gòu)示意圖，其中4 一可變電阻器，5—數(shù)字示波器；
[0020]圖5為實(shí)施例一至三側(cè)向光伏與光斑位置間的關(guān)系圖，其中I一實(shí)施例一的光電位置傳感材料，2—實(shí)施例二的光電位置傳感材料，3—實(shí)施例三的光電位置傳感材料；
[0021]圖6為實(shí)施例一無負(fù)載時(shí)側(cè)向光伏的時(shí)間響應(yīng)測試曲線圖；
[0022]圖7為實(shí)施例一有負(fù)載時(shí)側(cè)向光伏的時(shí)間響應(yīng)測試曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料具有金屬氧化物一S12-Si三層結(jié)構(gòu)，在Si基片上采用激光脈沖沉積有厚度為10?80nm的金屬氧化物層，其中的金屬氧化物為Fe304、ZnO或T12, S12層是Si基片在空氣中自然形成的。
[0024]本實(shí)施方式利用金屬氧化物一氧化物一半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)作為位置靈敏器的核心部件，在保持高位置靈敏度的前提下，利用金屬氧化物和半導(dǎo)體間形成的大的內(nèi)建電場來快速分離電子一空穴對的方式來提高光伏響應(yīng)速度。
[0025]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是在Si基片上采用激光脈沖沉積有厚度為10?40nm的金屬氧化物層。
[0026]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二不同的是在Si基片上采用激光脈沖沉積有厚度為10?30nm的金屬氧化物層。
[0027]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是3102層的厚度為I?5nm。
[0028]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料的制備方法按下列步驟實(shí)施:
[0029]一、將Si基片放入HF溶液里浸泡10?20min，然后利用超聲波清洗器將Si片依次放入丙酮和無水乙醇中分別清洗10?20min，得到清洗后的Si基片；
[0030]二、將金屬氧化物粉末研磨后壓制成片，然后在800?1000°C的溫度下對金屬氧化物壓片進(jìn)行燒結(jié)處理，得到金屬氧化物靶材；
[0031]三、將本底真空抽至3 X KT4Pa?5 X l(T4Pa，通入純氧控制氣壓為0.1?10Pa，調(diào)節(jié)Si基片的溫度為350?500°C，采用準(zhǔn)分子激光器照射金屬氧化物靶材，在Si基片上脈沖激光沉積厚度為10?50nm的金屬氧化物層，沉積結(jié)束后保溫20?30min，最后自然冷卻到室溫，得到具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料；
[0032]其中步驟二所述的金屬氧化物為Fe304、ZnO或T12。
[0033]本實(shí)施方式利用激光脈沖沉積方法在Si基片上制備金屬氧化物(如Fe304、ZnO等)薄膜，形成MOS結(jié)構(gòu)，通過控制激光功率、沉積溫度和氣氛等方式來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量薄膜的制備從而形成良好的內(nèi)建電場；以MOS管形成的側(cè)向光伏作為電源與負(fù)載電阻構(gòu)成回路來觀測MOS的光伏效應(yīng)響應(yīng)速度。
[0034]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】五不同的是步驟一使用的HF溶液的質(zhì)量濃度為20%。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】五相同。
[0035]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】五或六不同的是步驟三控制準(zhǔn)分子激光器的，輸出波長為248nm，能量為50?200mJ，頻率I?5Hz。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】五或六相同。
[0036]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】七不同的是步驟三控制準(zhǔn)分子激光器的，輸出波長為248nm，能量為200mJ，頻率3Hz。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】七相同。
[0037]實(shí)施例一:本實(shí)施例具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料的制備方法按下列步驟實(shí)現(xiàn):
[0038]一、將Si基片放入質(zhì)量濃度為20%的HF溶液里浸泡lOmin，然后利用超聲波清洗器將Si片依次放入丙酮和無水乙醇中分別清洗lOmin，得到清洗后的Si基片；
[0039]二、將金屬氧化物a -Fe2O3粉末研磨后壓制成片，然后在1000°C的溫度下對金屬氧化物壓片進(jìn)行燒結(jié)處理12h，得到金屬氧化物靶材；
[0040]三、將本底真空抽至4X10_4Pa，通入純氧控制氣壓為IPa，調(diào)節(jié)Si基片的溫度為3500C，采用Compex 201型KrF準(zhǔn)分子激光器照射Fe3O4金屬氧化物靶材，控制輸出波長為248nm,能量為200mJ，頻率為3Hz，在Si基片上脈沖激光沉積厚度為20nm的Fe3O4層，沉積結(jié)束后保溫20min，最后自然冷卻到室溫，得到具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料。
[0041]本實(shí)施例得到的光電位置傳感材料為Fe3O4 — S12-Si結(jié)構(gòu)。
[0042]實(shí)施例二:本實(shí)施例與實(shí)施例一不同的是步驟三在Si基片上脈沖激光沉積厚度為 40nm 的 Fe3O4 層。
[0043]實(shí)施例三:本實(shí)施例與實(shí)施例一不同的是步驟三在Si基片上脈沖激光沉積厚度為 60nm 的 Fe3O4 層。
[0044]側(cè)向光伏位置靈敏度測試設(shè)備的搭建:
[0045]將氦氖激光器(波長為632.8nm,功率為ImW)固定在一個(gè)固定支架上，經(jīng)擴(kuò)束鏡后再將一個(gè)焦距為Icm的透鏡放在光路上，將激光斑點(diǎn)匯聚在薄膜上一個(gè)直徑約Imm的點(diǎn)上，將兩塊金屬銦壓在薄膜表面作為電極，電極直徑小于0.5mm。利用精密二維平移臺來實(shí)現(xiàn)光照位置的改變，測試過程在暗室中進(jìn)行。具體測試設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
[0046]實(shí)施例一制備得到的光電位置傳感材料在ImW功率的激光照射下，其位置靈敏度達(dá)到了 54mV/mm。
[0047]側(cè)向光伏時(shí)間響應(yīng)特性的測試:
[0048]利用飛秒激光系統(tǒng)(Nd:YAG激光器)，波長1064nm (經(jīng)過倍頻技術(shù)可獲得532nm的激光)，不波器型號為普源DS2000數(shù)字式不波器,測試金屬氧化物一 S12 — Si結(jié)構(gòu)側(cè)向光伏的時(shí)間響應(yīng)特性。側(cè)向光伏時(shí)間響應(yīng)測試的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-3所示，以形成的側(cè)向光伏作為電源與可調(diào)負(fù)載電阻構(gòu)成回路來觀測MOS的光伏響應(yīng)時(shí)間。
[0049]本實(shí)施例使用飛秒激光系統(tǒng)進(jìn)行光伏的時(shí)間分辨測量，并聯(lián)一個(gè)50歐姆的電阻作為負(fù)載。所測量的光伏響應(yīng)的上升沿為60ns。
[0050]實(shí)施例四:本實(shí)施例具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料的制備方法按下列步驟實(shí)現(xiàn):
[0051]一、將Si基片放入質(zhì)量濃度為20%的HF溶液里浸泡lOmin，然后利用超聲波清洗器將Si片依次放入丙酮和無水乙醇中分別清洗lOmin，得到清洗后的Si基片；
[0052]二、將金屬氧化物ZnO粉末研磨后壓制成片，然后在800°C的溫度下對金屬氧化物壓片進(jìn)行燒結(jié)處理12h，得到金屬氧化物靶材；
[0053]三、將本底真空抽至4X10_4Pa，通入純氧控制氣壓為IPa，調(diào)節(jié)Si基片的溫度為400°C，采用Compex 201型KrF準(zhǔn)分子激光器照射ZnO金屬氧化物靶材，控制輸出波長為248nm,能量為200mJ，頻率為3Hz，在Si基片上脈沖激光沉積厚度為30nm的ZnO層，沉積結(jié)束后保溫20min，最后自然冷卻到室溫，得到具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料。
[0054]本實(shí)施例得到的光電位置傳感材料為ZnO — S12-Si結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)材料在5mW功率的532nm激光照射下，其位置靈敏度達(dá)到了 12.5mV/mm。
[0055]實(shí)施例五:本實(shí)施例具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料的制備方法按下列步驟實(shí)現(xiàn):
[0056]一、將Si基片放入質(zhì)量濃度為20%的HF溶液里浸泡lOmin，然后利用超聲波清洗器將Si片依次放入丙酮和無水乙醇中分別清洗lOmin，得到清洗后的Si基片；
[0057]二、將金屬氧化物T12粉末研磨Ih后壓片，然后在1000°C燒結(jié)12h后得到金屬氧化物靶材；
[0058]三、將本底真空抽至4X10_4Pa，通入純氧控制氣壓為IPa，調(diào)節(jié)Si基片的溫度為5000C，采用Compex 201型KrF準(zhǔn)分子激光器照射T12金屬氧化物靶材，控制輸出波長為248nm,能量為200mJ，頻率為3Hz，在Si基片上脈沖激光沉積厚度為15nm的T12層，沉積結(jié)束后保溫20min，最后自然冷卻到室溫，得到具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料。
[0059]本實(shí)施例得到的光電位置傳感材料為Ti02—Si02—Si結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)材料在3mW功率的632nm激光照射下，其位置靈敏度將近20mV/mm。
【權(quán)利要求】
1.具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料，其特征在于該具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料具有金屬氧化物一S12-Si三層結(jié)構(gòu)，在Si基片上采用激光脈沖沉積有厚度為10?80nm的金屬氧化物層，其中的金屬氧化物為Fe304、ZnO或T12, S12層是Si基片在空氣中自然形成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料，其特征在于在Si基片上采用激光脈沖沉積有厚度為10?40nm的金屬氧化物層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料，其特征在于在Si基片上采用激光脈沖沉積有厚度為10?30nm的金屬氧化物層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料，其特征在于3102層的厚度為I?5nm。
5.具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料的制備方法，其特征在于是按下列步驟實(shí)現(xiàn): 一、將Si基片放入HF溶液里浸泡10?20min，然后利用超聲波清洗器將Si片依次放入丙酮和無水乙醇中分別清洗10?20min，得到清洗后的Si基片； 二、將金屬氧化物粉末研磨后壓制成片，然后在800?100(TC的溫度下對金屬氧化物壓片進(jìn)行燒結(jié)處理，得到金屬氧化物靶材； 三、將本底真空抽至3X KT4Pa?5 X l(T4Pa，通入純氧控制氣壓為0.1?10Pa，調(diào)節(jié)Si基片的溫度為350?500°C，采用準(zhǔn)分子激光器照射金屬氧化物靶材，在Si基片上脈沖激光沉積厚度為10?50nm的金屬氧化物層，沉積結(jié)束后保溫20?30min，最后自然冷卻到室溫，得到具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料； 其中步驟二所述的金屬氧化物為Fe304、ZnO或T12。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料的制備方法，其特征在于步驟一使用的HF溶液的質(zhì)量濃度為20%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料的制備方法，其特征在于步驟三控制準(zhǔn)分子激光器的，輸出波長為248nm，能量為50?200mJ，頻率I?5Hz。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有超快響應(yīng)速度的光電位置傳感材料的制備方法，其特征在于步驟三控制準(zhǔn)分子激光器的，輸出波長為248nm，能量為200mJ，頻率3Hz。
【文檔編號】G01B11/00GK104451557SQ201410735056
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】王先杰, 宋炳乾, 王陽, 劉志國, 隋郁 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)