专利名称：利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光探测器，特别涉及一种利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器。
背景技术：
对于激光能量、功率、脉宽和波形的探测，不仅对激光器件和科学研究是非常重要的，而且在军事、国防、生产和生活中也有非常广泛的应用。尽管人们已发展了如热电、光电、热释电等多种不同类型的激光探测器，但对于新型激光探测器的工作仍是人们感兴趣和一直在进行的工作，本申请人也在这方面获得以下几项激光探测器的专利，例如专利号ZL89202869.6；专利号ZL89220541.5；专利号ZL90202337.3，专利号ZL90205920.3；但是上述几项专利的探测器均采用压电材料制作的，该探测器光响应还不够快，响应波段也还不够宽。
对于掺杂锰酸镧材料的磁电阻特性人们已研究很多，近来人们也观测到掺杂锰酸镧薄膜的光电特性(如文献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))，但其光响应的脉宽是ms量级，因此无法用于探测和测量激光脉冲宽度小于ms的脉冲激光波形。
发明内容
本发明的目的在于克服上述探测器光响应速度慢和响应波段窄的缺陷；提供一种当光照射后直接产生电压信号，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，其响应波段从紫外到远红外，可响应飞秒脉宽的激光脉冲，产生电压脉冲的半宽度可小于2ns，脉冲全宽度可达几个ns的、利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器，包括外壳，掺铌钛酸锶单晶为衬底1，在其上外延生长一光响应材料层2作成的芯片，第一电极3、第二电极4和引线6；其特征在于所述的光响应层2为一由在掺铌钛酸锶单晶衬底1上外延生长的掺杂锰酸镧薄膜层2，形成掺铌钛酸锶-掺杂锰酸镧氧化物异质结；或者在掺铌钛酸锶单晶衬底1上外延生长一绝缘层7，掺杂锰酸镧薄膜2外延生长在绝缘层7上，形成掺铌钛酸锶-绝缘层-掺杂锰酸镧氧化物异质结；第一电极3设置在掺杂锰酸镧薄膜2上，第二电极4设置在掺铌钛酸锶单晶衬底1上，两根电极引线6的一端分别与第一电极3和第二电极4连接，电极引线6的另一端是信号输出端；或将其安装在一个金属外壳内，金属外壳对外界的电磁干扰起屏蔽作用。
还包括一电阻5，该电阻5的两端分别和两根电极引线6的输出端连接，其阻值为0.01～1MΩ。所述的电阻5，主要是为了提高响应速度，由于异质结的结构具有电容特性，因此电阻5对激光照射后产生的电压起放电作用。
所述的掺铌钛酸锶SrNbxTi1-xO3单晶衬底1，其x为0.005～0.1。
所述的绝缘层7包括铝酸镧(LaAlO3)、钛酸锶(SrTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)、氧化锆(ZrO2)、锰酸镧(LaMnO3)或氧化镁(MgO)，绝缘层的厚度为1nm～500nm。所述的掺杂锰酸镧薄膜层2是R1-xAxMnO3，掺杂锰酸镧薄膜层2的厚度为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值为0.05～0.4。
所述的电极3可以是一个点，可以是一条线，也可以是围绕掺杂锰酸镧薄膜边缘的一个圈。第二电极4可以连接在掺铌钛酸锶的任何部位，可以是点或线或面。第一电极3和第二电极4可以用铟或焊锡直接焊接，也可以用真空镀膜或磁控溅射等方法蒸镀金、银或铝电极。
无论是掺铌钛酸锶-掺杂锰酸镧两层结构的激光探测器，还是掺铌钛酸锶-绝缘层-掺杂锰酸镧三层结构的激光探测器，对于探测激光的效果是一致的。当脉冲激光照射到掺杂锰酸镧薄膜的表面时，掺杂锰酸镧薄膜吸收激光脉冲后，就会在掺铌钛酸锶1和掺杂锰酸镧2之间产生电压信号，此效应称之为光生伏特效应。无论是两层结构还是三层结构，在掺铌钛酸锶和掺杂锰酸镧之间都存在一个结电容，因此在掺铌钛酸锶1和掺杂锰酸镧2之间并联一个电阻5，起放电作用，减小放电时间和消除结电容对响应速度的影响。如果不考虑脉冲激光所产生脉冲电压信号的宽度，也可以不连接电阻5。
本发明提供的利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器，其优点在于，可以用激光分子束外延、脉冲激光沉积、磁控溅射和粘胶法等制膜方法，把掺杂锰酸镧和绝缘层与掺杂锰酸镧直接外延生长在掺铌钛酸锶衬底上，制备方法简单。该激光探测器均为光生伏特型光电探测器，当光照射后直接产生电压信号，不需要任何辅助的电源和电子电路。可以探测激光能量、激光功率、激光脉冲波形等多种激光参数。其响应波段从紫外到远红外，是一种快响应宽频段激光探测器。探测过程是一个超快过程，光生伏特所产生脉冲电压信号的前沿小于1.5ns，半宽度小于2ns，脉冲全宽度仅为几个ns，不仅可探测飞秒脉宽的激光能量，而且可探测ns脉宽的激光波形。一个mJ的激光脉冲可产生上百mV的电压信号，具有很高的灵敏度。因此本发明提供的掺铌钛酸锶和掺杂锰酸镧氧化物异质结激光探测器，在军事、国防、科研、生产和生活等方面均有广泛的应用。
图1.掺铌钛酸锶-掺杂锰酸镧两层结构的激光探测器。
图2.掺铌钛酸锶-绝缘层-掺杂锰酸镧三层结构的激光探测器。
图3.用500兆示波器储存记录的La0.7Sr0.3MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3两层结构激光探测器，测量YAG激光器输出波长1.06μm、脉宽25ps激光脉冲所产生的电压信号。
图4.用500兆示波器储存记录的La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/SrNb0.01Ti0.99O3三层结构激光探测器，测量YAG三倍频激光器输出波长355nm、脉宽15ps激光脉冲所产生的电压信号。
图面说明如下1-掺铌钛酸锶衬底；2-光响应材料层； 3-第一电极；4-第二电极； 5-电阻； 6-电极引线；7-绝缘层。
具体实施例方式
实施例1参考图1，制备掺铌钛酸锶-掺杂锰酸镧两层结构的激光探测器，下面结合具体制过程备，来对本发明利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构进行详细地说明选用激光分子束外延设备，基底为1×1cm2的SrNb0.01Ti0.99O3掺铌钛酸锶1，在其直接外延生长300nm厚的La0.7Sr0.3MnO3光响应材料层2，形成La0.7Sr0.3MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3两层氧化物异质结构样品，用1×0.5cm2的La0.7Sr0.3MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3样品做探测器芯；用铟在掺铌钛酸锶表面焊接约为φ2mm的第二电极4，用铟在La0.7Sr0.3MnO3薄膜一个角的表面焊接约为φ1mm的第一电极3；用两根φ0.1mm的铜线作电极引线6，并用铟把两根φ0.1mm铜电极引线6的一端分别焊接在第一电极3和第二电极4上；选用2Ω的电阻作电阻5，并将其两端分别与两根电极引线6的输出端焊接；这样探测器芯就制备完成，把探测器芯装入一个铝探测器外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。
选用500兆示波器，用上述的La0.7Sr0.3MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3两层氧化物异质结激光探测器，测量YAG激光器输出波长1.06μm、脉宽25ps的激光脉冲，图3是用示波器储存记录探测器一个激光脉冲，所产生的电压信号波形。
电压信号的前沿上升时间仅为～1.5ns，半宽度仅为～2ns，1mJ的激光能量可上百mV的电压信号。因此，该探测器不仅是一个超快过程，而且具有很高的灵敏度。
实施例2选用激光分子束外延设备，在直径φ25mm的SrNb0.1Ti0.9O3衬底1上直接外延生长100nm厚的La0.7Sr0.3MnO3薄膜光响应材料层2，制备出La0.7Sr0.3MnO3/SrNb0.1Ti0.9O3两层异质结构样品作为芯片，用直径φ25mm的样品做芯片，用磁控溅射在La0.7Sr0.3MnO3薄膜2的外圆制备宽度为0.5mm的银电极3，SrNb0.1Ti0.9O3衬底1的中心制备φ10mm的圆形银电极4，在组装同实施例1制备两层结构的激光探测器结构一样。
实施例3选用激光分子束外延装置，按实施例1制作，在1×1cm2的SrNb0.005Ti0.995O3衬底1上外延生长800nm厚的La0.95Ba0.05MnO3薄膜光响应材料层2，形成La0.95Ba0.05MnO3/SrNb0.005Ti0.995O3两层异质结构芯片，在La0.95Ba0.05MnO3薄膜层上的一个边缘用真空蒸镀0.5mm宽的白金第一电极3，其余同按实施例1制备的利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构一样。
实施例4选用激光分子束外延装置，在1×1cm2的SrNb0.07Ti0.93O3衬底1上外延生长800nm厚La0.6Ca0.4MnO3薄膜光响应材料层2，形成La0.6Ca0.4MnO3/SrNb0.07Ti0.93O3两层异质结构芯片，在La0.6Ca0.4MnO3薄膜层的一个边缘用磁控溅射装置，溅射0.5mm宽的银第一电极3，在SrNb0.07Ti0.93O3衬底1上面的中心位置用磁控溅射制备直径φ5mm的银第二电极4，其余同实施例1制备的利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构一样。
实施例5选用激光分子束外延设备，在1×1cm2的SrNb0.07Ti0.93O3衬底1上直接外延生长100nm厚La0.7Ce0.3MnO3薄膜光响应材料层2，制备出La0.7Ce0.3MnO3/SrNb0.07Ti0.93O3两层异质结构芯片样品，其余结构按实施例1制备的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构一样。
实施例6选用激光分子束外延设备，在3×3cm2的SrNb0.01Ti0.99O3衬底1上外延生长800nm厚La0.75Pr0.25MnO3薄膜光响应材料层2，制备出La0.75Pr0.25MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3两层异质结构芯片，用市场购买的1K的电阻作电阻5，其余同实施例1制备的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构一样。
实施例7选用激光分子束外延设备，在2英寸2的SrNb0.1Ti0.9O3衬底1上直接外延生长10nm厚La0.34Pr0.33Ca0.33MnO3薄膜光响应材料层2，La0.34Pr0.33Ca0.33MnO3/SrNb0.1Ti0.9O3两层异质结构芯片，不连接电阻5，其余同实施例1制备的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构一样。
实施例8参考图2，制备掺铌钛酸锶-绝缘层-掺杂锰酸镧三层结构的激光探测器，按下面结合具体制备过程对本实施例的结构进行详细地说明，选用激光分子束外延设备，在2cm×2cm的SrNb0.1Ti0.9O3衬底1上先外延1nm厚的SrTiO3作绝缘层7，再在SrTiO3上外延生长300nm厚的La0.7Sr0.3MnO3薄膜光响应材料层2，形成La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/SrNb0.1Ti0.9O3三层异质结构芯片，将其切割成尺寸为1×0.5cm2的探测器芯；用铟在SrNb0.1Ti0.9O3衬底1表面焊接约为φ2mm的第二电极4，用铟在La0.7Sr0.3MnO3薄膜层2一个角表面处焊接约为φ1mm的第一电极3；用两根φ0.2mm的铜线作电极引线6，并用铟把两根φ0.1mm铜电极引线6的一端分别焊接在第一电极3和第二电极4上；选用0.01Ω的导线作电阻5，并将其两端分别与两根电极引线6的输出端焊接；这样探测器芯就制备完备，把探测器芯装入一个铜探测器外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。
选用500兆示波器，用上述的La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/SrNb0.1Ti0.9O3三层结构激光探测器，测量YAG三倍频激光器输出波长355nm、脉宽15ps的激光脉冲。图4是用示波器储存记录探测器一个激光脉冲，所产生的电压信号波形。从图4可看出，脉冲激光所产生电压信号的前沿上升时间仅为～1ns，半宽度仅为～2ns，1mJ的激光能量可上百mV的电压信号。因此，三层结构的探测器和两层结构的探测器一样，不仅是一个超快过程，而且具有很高的灵敏度。
实施例9按实施例8制作，其绝缘层7为LaAlO3，其厚度为500nm，其余结构同实施例8的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构一样。
实施例10按实施例8制作，用BaTiO3作绝缘层7，其厚度为100nm，其余结构同实施例8的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构一样。
实施例11按实施例8制作，用ZrO3作绝缘层7，其厚度为50nm，其余结构同实施例8的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构一样。
实施例12按实施例8制作，用MgO作绝缘层7，其厚度为100nm，其余结构同实施例8的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构一样。
实施例13按实施例1制作，La0.7Sr0.3MnO3光响应材料层2的厚度为2μm，其余结构同实施例1的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构一样。
实施例14按实施例1制作，使用脉冲激光制备的样品，其余结构同实施例1的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器结构一样。
实施例15按实施例1制作，使用磁控溅射制备的样品，其余结构同实施例1。
实施例16按实施例1制作，使用粘胶法制备的样品，其余结构同实施例1。
实施例17按实施例8制作，使用脉冲激光制备的样品，其余结构同实施例8。
实施例18按实施例1制作，电阻5采用1M电阻，其余结构同实施例1。
实施例19按实施例1制作，用La0.6Sn0.4MnO3做光响应材料层2，其余同实施例1相同。
实施例20按实施例8制作，用La0.95Ba0.05MnO3做光响应材料层2，其余同实施例8相同。
权利要求
1.一种利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器，包括一由在掺铌钛酸锶单晶衬底(1)上，外延生长的光响应材料层(2)作成的芯片，第一电极(3)、第二电极(4)和引线(6)；其特征在于所述的光响应层为外延生长在掺铌钛酸锶单晶衬底(1)上的掺杂锰酸镧薄膜层(2)；第一电极(3)设置在掺杂锰酸镧薄膜(2)上，第二电极(4)设置在掺铌钛酸锶单晶衬底(1)上，两根电极引线(6)的一端分别与第一电极(3)和第二电极(4)连接，电极引线(6)的另一端是信号输出端。
2.按权利要求1所述的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器，其特征在于所述的光响应层为在掺铌钛酸锶单晶衬底(1)上外延生长一绝缘层(7)，掺杂锰酸镧薄膜(2)外延生长在绝缘层(7)上。
3.按权利要求1或2所述的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器，其特征在于还包括一电阻(5)，其阻值为0.01～1MΩ；电阻(5)的两端分别和两根电极引线(6)的信号输出端连接。
4.按权利要求1、2、或3所述的任一项利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器，其特征在于所述的掺铌钛酸锶SrNbxTi1-xO3单晶衬底(1)，其x为0.005～0.1。
5.按权利要求1、2、或3所述的任一项利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器，其特征在于所述的掺杂锰酸镧薄膜层是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值为0.05～0.4；，其掺杂锰酸镧薄膜(2)的厚度为0.8nm～2μm。
6.按权利要求2所述的利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器，其特征在于所述的绝缘层(7)包括铝酸镧、钛酸锶、钛酸钡、氧化锆、锰酸镧或氧化镁；绝缘层(7)的厚度为10nm～500nm。
7.按权利要求1、2、或3所述的任意一项利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器，其特征在于所述的第一电极(3)包括用铟或焊锡直接焊接，或用真空镀膜或磁控溅射方法作成一个点、一条线，或是围绕掺杂锰酸镧薄膜边缘的一个圈的金、银或铝电极。
8.按权利要求1、2、或3所述的任意一项利用异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器，其特征在于所述的第二电极(4)设置在硅片的任何部位，第二电极(4)是铟或焊锡直接焊接形成的一个点、一条线或面；或用真空镀膜或磁控溅射方法蒸镀金、银或铝的电极。
全文摘要
本发明涉及利用氧化物异质结材料制作的快响应宽频段激光探测器，包括一掺铌钛酸锶衬底上，和在其上外延生长的掺杂锰酸镧薄膜层，形成掺铌钛酸锶—掺杂锰酸镧氧化物异质结；或者在掺铌钛酸锶单晶衬底上外延生长一绝缘层，掺杂锰酸镧薄膜外延生长在绝缘层上，形成掺铌钛酸锶—绝缘层—掺杂锰酸镧氧化物异质结；第一电极设在掺杂锰酸镧薄膜上，第二电极设在底上，两根电极引线的一端分别与第一电极和第二电极连接，电极引线的另一端是信号输出端。当光照射激光探测器后直接产生电压信号，不需要任何辅助的电源和电子电路。其响应波段从紫外到远红外，可响应飞秒脉宽的激光脉冲，激光脉冲产生电压脉冲的前沿小于1.5ns，半宽度小于2ns，脉冲全宽度仅为几个ns。
文档编号G01J11/00GK1724983SQ200410069100
公开日2006年1月25日 申请日期2004年7月20日 优先权日2004年7月20日
发明者吕惠宾, 黄延红, 何萌, 刘立峰, 周岳亮, 金奎娟, 陈正豪, 程波林, 杨国桢 申请人:中国科学院物理研究所