金刚石位置灵敏探测器的束流位置定位方法与流程

本发明属于位置灵敏探测领域，主要涉及一种金刚石位置灵敏探测器的束流位置定位方法。

背景技术

位置灵敏探测器是指一种输出的数据信号与粒子束流施加位置呈现一定关系的半导体器件，这类探测器对粒子束流的位置敏感，具有分辨率高、响应速度快、信号处理简单等优点，并且在检测位置的同时还能检测光强或信号强度，因此通常被用于同步辐射x射线束监测、放射性线束监测、带电离子束监测等领域。常见的位置灵敏探测器都是基于横向光电效应的。横向光电效应是指当p-n结或金属-半导体的一面被非均匀辐射时，除了在结的两边产生纵向光电效应外，在平行于结的一面也出现电势差的现象。

金刚石是一种典型的半导体材料，但由于其较难进行n型掺杂，p-n结结构的金刚石位置灵敏探测器较难获得，所以具有金属-金刚石结的探测器结构较为常见，而这种探测器的位置灵敏性能多是基于上述的横向光电效应的，定位方法也是基于横向光电效应推导得到。

技术实现要素：

本发明要解决现有二维位置灵敏探测器的电极结构复杂，电极间隔距离大的问题，而提供基于金属-金刚石结的位置灵敏探测器的束流位置定位方法。

本发明金刚石位置灵敏探测器的束流位置定位方法按下列步骤实现：

一、采用磁控溅射法在单晶cvd金刚石表面镀上4个圆心角为90°扇形结构的au电极，得到镀有金电极的金刚石，其中4个au电极形成圆形，4个au电极之间的间隙为0.2～1mm，4个au电极的中心作为原点并形成x轴和y轴，处在x轴正方向和y轴正方向的au电极为电极b，沿着逆时针方向依次为电极a、电极c和电极d；

然后将镀有金电极的金刚石固定在焊盘上，四个金电极分别用导线与焊盘上的四个条形电极连接，得到具有四电极的二维平面结构的金刚石位置灵敏探测器；

二、采用半导体特性分析系统，在无光辐照的条件下，将探针连接到电极a和电极b上，测试得到正向偏压和反向偏压大小为u下的暗电流；

三、采用复色光或者单色光照射金电极，沿着x轴方向改变光束位置，分别测试得到正向偏压和反向偏压大小为u下不同位置的光电流；

四、对步骤三得到的光电流数据进行处理：

a、设i+u为一定位置下正向偏压大小为u下复色光或单色光下的光电流，设i-u为一定位置下反向偏压大小为u下复色光或单色光下的光电流，x方向上电流差异为δix＝i+u+i-u；

b、根据x方向上光电流数据，作出δix与x位置的变化关系曲线图，曲线图中δix与x位置呈现线性关系的距离范围为有效距离范围，线性拟合后求导得出横向位置定位的计算公式为：

五、将探针连接到电极a和电极c上，采用复色光或者单色光照射金电极，沿着y轴方向改变光束位置，分别测试得到正向偏压和反向偏压大小为u下不同位置的光电流；

六、对步骤五得到的光电流数据进行处理：

c、设i+u为一定位置下正向偏压大小为u下复色光或单色光下的光电流，设i-u为一定位置下反向偏压大小为u下复色光或单色光下的光电流，y方向上电流差异为δiy＝i+u+i-u；

d、根据y方向上光电流数据，作出δiy与y位置的变化关系曲线图，曲线图中δiy与y位置呈现线性关系的距离范围为有效距离范围，线性拟合后求导得出纵向位置定位公式为：

本发明金相对探针的表面接触电势高于金刚石，根据功函数与接触电势的关系，推导得到金的费米能级高于金刚石。当金与金刚石接触时，金中的电子载流子向金刚石扩散，在金刚石一侧形成耗尽层，直到金与金刚石的费米能级相等时，电子的扩散停止，体系达到动态平衡。金刚石的费米能级逐渐升高，能带在耗尽层区域发生弯曲，界面处能级明显低于金刚石内部，所以形成势垒即内建电场。当施加光照后，光束穿透电极在耗尽层产生电子-空穴对，电子背着电场方向漂移，空穴向着电场方向漂移，这就导致势垒高度降低，能带弯曲程度降低，但是在无光照的电极区域，势垒高度没有降低。当施加正向偏压时，电压方向与内建电场方向一致；当施加反向偏压时，电压方向与内建电场方向相反所以产生的光电流信号在大小上存在差异。随着光照位置的改变，电流信号差异变化。电流信号差异与位置呈现线性关系。

本发明金刚石位置灵敏探测器的束流位置定位方法主要包括以下有益效果：

1、金刚石表面的电极为四个圆心角为90°扇形结构，结构简单，金刚石表面的电极不仅收集光生载流子，还能与金刚石形成金属-半导体结，进而形成内建电场，促使载流子扩散漂移；

2、电极面积大、基本覆盖金刚石表面，增强了电极对载流子的收集效率，且电极间空隙仅为0.2～1mm，如用于同步辐射白光光束探测领域，有更优异的灵敏性和透过率。

附图说明

图1是具有四电极的二维平面结构的金刚石位置灵敏探测器的结构示意图；

图2是本发明步骤二暗电流与偏压变化曲线图；

图3是金与金刚石的接触电势差；

图4是金刚石位置灵敏探测器的能带结构原理图；

图5是金刚石位置灵敏探测器的功能原理图；

图6是实施例一中不同偏压下δix与x位置的变化关系图，其中■代表iu＝100v+iu＝-100v，●代表iu＝80v+iu＝-80v，▲代表iu＝60v+iu＝-60v，▼代表iu＝40v+iu＝-40v，◆代表iu＝20v+iu＝-20v；

图7是实施例二中不同单色光波长下δix与x的变化关系图，其中▼代表215nm，◆代表220nm，代表225nm。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式金刚石位置灵敏探测器的束流位置定位方法按下列步骤实现：

一、采用磁控溅射法在单晶cvd金刚石表面镀上4个圆心角为90°扇形结构的au电极，得到镀有金电极的金刚石，其中4个au电极形成圆形，4个au电极之间的间隙为0.2～1mm，4个au电极的中心作为原点并形成x轴和y轴，处在x轴正方向和y轴正方向的au电极为电极b，沿着逆时针方向依次为电极a、电极c和电极d；

然后将镀有金电极的金刚石固定在焊盘上，四个金电极分别用导线与焊盘上的四个条形电极连接，得到具有四电极的二维平面结构的金刚石位置灵敏探测器；

二、采用半导体特性分析系统，在无光辐照的条件下，将探针连接到电极a和电极b上，测试得到正向偏压和反向偏压大小为u下的暗电流；

三、采用复色光或者单色光照射金电极，沿着x轴方向改变光束位置，分别测试得到正向偏压和反向偏压大小为u下不同位置的光电流；

四、对步骤三得到的光电流数据进行处理：

a、设i+u为一定位置下正向偏压大小为u下复色光或单色光下的光电流，设i-u为一定位置下反向偏压大小为u下复色光或单色光下的光电流，x方向上电流差异为δix＝i+u+i-u；

b、根据x方向上光电流数据，作出δix与x位置的变化关系曲线图，曲线图中δix与x位置呈现线性关系的距离范围为有效距离范围，线性拟合后求导得出横向位置定位的计算公式为：

五、将探针连接到电极a和电极c上，采用复色光或者单色光照射金电极，沿着y轴方向改变光束位置，分别测试得到正向偏压和反向偏压大小为u下不同位置的光电流；

六、对步骤五得到的光电流数据进行处理：

c、设i+u为一定位置下正向偏压大小为u下复色光或单色光下的光电流，设i-u为一定位置下反向偏压大小为u下复色光或单色光下的光电流，y方向上电流差异为δiy＝i+u+i-u；

d、根据y方向上光电流数据，作出δiy与y位置的变化关系曲线图，曲线图中δiy与y位置呈现线性关系的距离范围为有效距离范围，线性拟合后求导得出纵向位置定位公式为：

本实施方式金刚石位置灵敏探测器的束流位置定位原理如图3至图5所示。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中单晶cvd金刚石的厚度为0.5mm。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中采用磁控溅射法在单晶cvd金刚石表面镀上4个圆心角为90°扇形结构的au电极的过程如下：

将au靶安装至磁控溅射靶上，将的金刚石置于真空磁控溅射镀膜系统内的加热台上，启动真空系统将真空仓内抽成真空，使得真空度为4.5×10^-4pa，在ar气气氛的保护下，控制ar气流量为20sccm，控制溅射功率为40w进行沉积金电极。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中au电极的厚度为25～40nm。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是四个金电极分别用银导线与焊盘上的四个条形电极连接。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是4个au电极形成直径为2mm的圆形。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三中偏压u为-100v～100v。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤三采用oceanoptics公司生产的型号为dh2000的激光器作为复合光源。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是当采用复色光照射金电极，光斑直径为1～2mm，偏压u为-100v～100v，步骤四中的有效距离范围为-1.0mm<x<1.0mm。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是单色光的波长为215nm，220nm或225nm。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是当采用单色光照射金电极，光斑直径为0.2～0.4mm，偏压u大小为100v，步骤四中的有效距离范围为-0.2mm<x<0.2mm。

实施例一：本实施方式金刚石位置灵敏探测器的束流位置定位方法按下列步骤实现：

一、采用磁控溅射法在尺寸为3.0×3.0mm²，厚度为0.5mm的单晶cvd金刚石表面镀上4个圆心角为90°扇形结构厚度为30nm的au电极，得到镀有金电极的金刚石，其中4个au电极形成直径为2mm圆形，4个au电极之间的间隙为0.5mm，4个au电极的中心作为原点并形成x轴和y轴，处在x轴正方向和y轴正方向的au电极为电极b，沿着逆时针方向依次为电极a、电极c和电极d；

然后将镀有金电极的金刚石固定在pcb焊盘上，四个金电极分别用导线与焊盘上的四个条形电极连接，得到具有四电极的二维平面结构的金刚石位置灵敏探测器，探测器结构如图1所示；

二、采用吉时利(keithley)4200-scs型半导体特性分析系统，在无光辐照的条件下，将探针连接到电极a和电极b上，测试得到偏压从-100～100v下的暗电流，如图2所示；

三、采用oceanoptics公司生产的型号为dh2000的激光器作为复合光源照射金电极，光斑直径为1.96mm，沿着x轴方向改变光束位置，分别测试得到正向偏压和反向偏压大小u＝20v、40v、60v、80v和100v下不同位置的光电流；

四、对步骤三得到的光电流数据进行处理：

a、设i+u为一定位置下正向偏压大小为u下复色光下的光电流，设i-u为一定位置下反向偏压大小为u下复色光下的光电流，x方向上电流差异为δix＝i+u+i-u；

b、根据x方向上光电流数据，作出δix与x位置的变化关系曲线图，图中δix与x位置呈现线性关系的距离范围为有效距离范围，线性拟合后求导得出横向位置定位的计算公式为：

五、将探针连接到电极a和电极c上，采用复色光照射金电极，沿着y轴方向改变光束位置，分别测试得到正向偏压和反向偏压大小为u下不同位置的光电流；

六、对步骤五得到的光电流数据进行处理：

c、设i+u为一定位置下正向偏压大小为u下复色光下的光电流，设i-u为一定位置下反向偏压大小为u下复色光下的光电流，y方向上电流差异为δiy＝i+u+i-u；

d、根据y方向上光电流数据，作出δiy与y位置的变化关系曲线图，图中δiy与y位置呈现线性关系的距离范围为有效距离范围，线性拟合后求导得出纵向位置定位公式为：

由图2可知，本实施例不同偏压下的暗电流δi＝0，所以光照是产生光电流信号差异的根本原因。步骤四中δix与x位置的变化关系曲线图如图6所示，由图可知，在-1.0mm<x<1.0mm内有效距离范围，δix与x呈现线性关系，并且随着偏压的增加，线性斜率逐渐增加。

实施例二：本实施方式金刚石位置灵敏探测器的束流位置定位方法按下列步骤实现：

一、采用磁控溅射法在尺寸为3.0×3.0mm²，厚度为0.5mm的单晶cvd金刚石表面镀上4个圆心角为90°扇形结构的厚度为30nm的au电极，得到镀有金电极的金刚石，其中4个au电极形成直径为2mm圆形，4个au电极之间的间隙为0.5mm，4个au电极的中心作为原点并形成x轴和y轴，处在x轴正方向和y轴正方向的au电极为电极b，沿着逆时针方向依次为电极a、电极c和电极d；

然后将镀有金电极的金刚石固定在pcb焊盘上，四个金电极分别用导线与焊盘上的四个条形电极连接，得到具有四电极的二维平面结构的金刚石位置灵敏探测器；

二、采用吉时利(keithley)4200-scs型半导体特性分析系统，在无光辐照的条件下，将探针连接到电极a和电极b上，测试得到偏压大小u＝100v下的暗电流；

三、采用leoptics公司生产的、型号为le-sp-m300a的氘灯单色光源照射金电极，光斑直径为0.36mm，沿着x轴方向改变光束位置，分别测试215，220和225nm波长单色光下不同位置的光电流；

四、对步骤三得到的光电流数据进行处理：

a、设i+u为一定位置下正向偏压大小为u下单色光下的光电流，设i-u为一定位置下反向偏压大小为u下单色光下的光电流，x方向上电流差异为δix＝i+u+i-u；

b、根据x方向上光电流数据，作出δix与x位置的变化关系曲线图，如图7所示，图中δix与x位置呈现线性关系的距离范围为有效距离范围，线性拟合后求导得出横向位置定位的计算公式为：

五、将探针连接到电极a和电极c上，采用单色光照射金电极，沿着y轴方向改变光束位置，分别测试得到偏压大小u＝100v下不同位置的光电流；

六、对步骤五得到的光电流数据进行处理：

c、设i+u为一定位置下正向偏压大小为u下单色光下的光电流，设i-u为一定位置下反向偏压大小为u下单色光下的光电流，y方向上电流差异为δiy＝i+u+i-u；

d、根据y方向上光电流数据，作出δiy与y位置的变化关系曲线图，图中δiy与y位置呈现线性关系的距离范围为有效距离范围，线性拟合后求导得出纵向位置定位公式为：

本实施例步骤四δix与x位置的变化关系曲线图如图7所示，由图可知，在有效距离范围-0.2mm<x<0.2mm内，δix与x呈现线性关系，且220nm波长下的线性斜率最大，225nm次之，215nm最小。