具有超快响应速度的光电位置传感材料及其制备方法
【专利摘要】具有超快响应速度的光电位置传感材料及其制备方法，本发明属于传感器领域，它为了解决现有光电位置传感材料的位置灵敏度较低以及响应速度慢的问题。该光电位置传感材料具有金属氧化物—SiO2—Si三层结构，在Si基片上采用激光脉冲沉积有金属氧化物层，其中的金属氧化物为Fe3O4、ZnO或TiO2。制备方法：一、超声波清洗Si基片；二、金属氧化物粉末研磨压片，烧结处理后得到金属氧化物靶材；三、采用准分子激光器照射金属氧化物靶材，在Si基片上脉冲激光沉积金属氧化物层，沉积结束后冷却到室温。本发明所述的光电位置传感材料的位置灵敏度在1mW的激光照射下达到了54mV/mm，半峰宽在5μs左右。
【专利说明】具有超快响应速度的光电位置传感材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器领域，具体涉及基于侧向光伏效应的位置传感材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]Schokky 在 1930 年发现了侧向光伏(lateral photovoltage, LPV)现象，1957年Wallmark在p+_n结中首次发现了侧向光伏大小与光照位置间的线性依赖关系并作出了物理解释。侧向光伏效应不仅与光照位置具有非常好的线性关系，而且具有很高的位置灵敏度，这就使得侧向光伏效应可应用于多种灵敏光学传感器，尤其是位置灵敏器(posit1n-sensitive detectors, PSD)中最核心的部分。
[0003]位置灵敏器具有位置分辨率高、响应速度快，光谱响应范围宽、处理电路简单等优点，被广泛应用于工业、军事、科研等许多领域，尤其是在空间光束的捕获、跟踪、对准及定位等方面具有重要的作用。尽管国际上对位置灵敏器的研究与开发已经进入了一个比较成熟的时期，但是其响应速度不够快的缺点始终没有被克服。目前响应速度最快的位置灵敏器是德国Silicon Sensor GmbH公司开发的0D6-7型一维位置灵敏器，其响应时间为
0.2 μ S，仍然不能满足许多需要快速响应的特殊需求，特别是高速运行物体的对接工作。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决现有光电位置传感材料的位置灵敏度较低以及响应速度慢的问题，而提供具有超快响应速度的光电位置传感材料及其制备方法。
[0005]本发明具有超快响应速度的光电位置传感材料具有金属氧化物一S12-Si三层结构，在Si基片上采用激光脉冲沉积有厚度为10?SOnm的金属氧化物层，其中的金属氧化物为Fe304、ZnO或Ti02，S12层是Si基片在空气中自然形成的。
[0006]本发明具有超快响应速度的光电位置传感材料的制备方法按下列步骤实现:
[0007]一、将Si基片放入HF溶液里浸泡10?20min，然后利用超声波清洗器将Si片依次放入丙酮和无水乙醇中分别清洗10?20min，得到清洗后的Si基片；
[0008]二、将金属氧化物粉末研磨后压制成片，然后在800?1000°C的温度下对金属氧化物压片进行烧结处理，得到金属氧化物靶材；
[0009]三、将本底真空抽至3 X KT4Pa?5 X l(T4Pa，通入纯氧控制气压为0.1?10Pa，调节Si基片的温度为350?500°C，采用准分子激光器照射金属氧化物靶材，在Si基片上脉冲激光沉积厚度为10?50nm的金属氧化物层，沉积结束后保温20?30min，最后自然冷却到室温，得到具有超快响应速度的光电位置传感材料；
[0010]其中步骤二所述的金属氧化物为Fe304、ZnO或Ti02。
[0011]本发明具有超快响应速度的光电位置传感材料及其制备方法包含如下优点:
[0012]1、金属氧化物廉价易得，而且化学性质稳定；
[0013]2、该光电位置传感材料的位置灵敏度在ImW的激光照射下达到了 54mV/mm，灵敏度高适合应用在位置灵敏器中；
[0014]3、该光电位置传感材料的侧向光伏响应的上升沿为60ns，半峰宽在5μ s左右，远远闻于目如位置敏感器的最闻指标200ns ；
[0015]4、现有Si基半导体器件技术成熟，该光电位置传感结构极易与现有的半导体加工工艺相结合。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为侧向光伏位置灵敏度测试的结构示意图，其中I一单色激光器，2—扩束镜，3一凸透镜，4一二维平移台；
[0017]图2为侧向光伏位置灵敏度测试的局部结构示意图，其中5—六位半数字多用表；
[0018]图3为侧向光伏时间响应测试的结构示意图，其中I一飞秒激光器，2—飞秒激光测试平台，3—二维平移台；
[0019]图4为侧向光伏时间响应测试的局部结构示意图，其中4 一可变电阻器，5—数字示波器；
[0020]图5为实施例一至三侧向光伏与光斑位置间的关系图，其中I一实施例一的光电位置传感材料，2—实施例二的光电位置传感材料，3—实施例三的光电位置传感材料；
[0021]图6为实施例一无负载时侧向光伏的时间响应测试曲线图；
[0022]图7为实施例一有负载时侧向光伏的时间响应测试曲线图。
【具体实施方式】
[0023]【具体实施方式】一:本实施方式具有超快响应速度的光电位置传感材料具有金属氧化物一S12-Si三层结构，在Si基片上采用激光脉冲沉积有厚度为10?80nm的金属氧化物层，其中的金属氧化物为Fe304、ZnO或T12, S12层是Si基片在空气中自然形成的。
[0024]本实施方式利用金属氧化物一氧化物一半导体(MOS)结构作为位置灵敏器的核心部件，在保持高位置灵敏度的前提下，利用金属氧化物和半导体间形成的大的内建电场来快速分离电子一空穴对的方式来提高光伏响应速度。
[0025]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是在Si基片上采用激光脉冲沉积有厚度为10?40nm的金属氧化物层。
[0026]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】二不同的是在Si基片上采用激光脉冲沉积有厚度为10?30nm的金属氧化物层。
[0027]【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3102层的厚度为I?5nm。
[0028]【具体实施方式】五:本实施方式具有超快响应速度的光电位置传感材料的制备方法按下列步骤实施:
[0029]一、将Si基片放入HF溶液里浸泡10?20min，然后利用超声波清洗器将Si片依次放入丙酮和无水乙醇中分别清洗10?20min，得到清洗后的Si基片；
[0030]二、将金属氧化物粉末研磨后压制成片，然后在800?1000°C的温度下对金属氧化物压片进行烧结处理，得到金属氧化物靶材；
[0031]三、将本底真空抽至3 X KT4Pa?5 X l(T4Pa，通入纯氧控制气压为0.1?10Pa，调节Si基片的温度为350?500°C，采用准分子激光器照射金属氧化物靶材，在Si基片上脉冲激光沉积厚度为10?50nm的金属氧化物层，沉积结束后保温20?30min，最后自然冷却到室温，得到具有超快响应速度的光电位置传感材料；
[0032]其中步骤二所述的金属氧化物为Fe304、ZnO或T12。
[0033]本实施方式利用激光脉冲沉积方法在Si基片上制备金属氧化物(如Fe304、ZnO等)薄膜，形成MOS结构，通过控制激光功率、沉积温度和气氛等方式来实现高质量薄膜的制备从而形成良好的内建电场；以MOS管形成的侧向光伏作为电源与负载电阻构成回路来观测MOS的光伏效应响应速度。
[0034]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】五不同的是步骤一使用的HF溶液的质量浓度为20%。其它步骤及参数与【具体实施方式】五相同。
[0035]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】五或六不同的是步骤三控制准分子激光器的，输出波长为248nm，能量为50?200mJ，频率I?5Hz。其它步骤及参数与【具体实施方式】五或六相同。
[0036]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】七不同的是步骤三控制准分子激光器的，输出波长为248nm，能量为200mJ，频率3Hz。其它步骤及参数与【具体实施方式】七相同。
[0037]实施例一:本实施例具有超快响应速度的光电位置传感材料的制备方法按下列步骤实现:
[0038]一、将Si基片放入质量浓度为20%的HF溶液里浸泡lOmin，然后利用超声波清洗器将Si片依次放入丙酮和无水乙醇中分别清洗lOmin，得到清洗后的Si基片；
[0039]二、将金属氧化物a -Fe2O3粉末研磨后压制成片，然后在1000°C的温度下对金属氧化物压片进行烧结处理12h，得到金属氧化物靶材；
[0040]三、将本底真空抽至4X10_4Pa，通入纯氧控制气压为IPa，调节Si基片的温度为3500C，采用Compex 201型KrF准分子激光器照射Fe3O4金属氧化物靶材，控制输出波长为248nm,能量为200mJ，频率为3Hz，在Si基片上脉冲激光沉积厚度为20nm的Fe3O4层，沉积结束后保温20min，最后自然冷却到室温，得到具有超快响应速度的光电位置传感材料。
[0041]本实施例得到的光电位置传感材料为Fe3O4 — S12-Si结构。
[0042]实施例二:本实施例与实施例一不同的是步骤三在Si基片上脉冲激光沉积厚度为 40nm 的 Fe3O4 层。
[0043]实施例三:本实施例与实施例一不同的是步骤三在Si基片上脉冲激光沉积厚度为 60nm 的 Fe3O4 层。
[0044]侧向光伏位置灵敏度测试设备的搭建:
[0045]将氦氖激光器(波长为632.8nm,功率为ImW)固定在一个固定支架上，经扩束镜后再将一个焦距为Icm的透镜放在光路上，将激光斑点汇聚在薄膜上一个直径约Imm的点上，将两块金属铟压在薄膜表面作为电极，电极直径小于0.5mm。利用精密二维平移台来实现光照位置的改变，测试过程在暗室中进行。具体测试设备的结构图如图1所示。
[0046]实施例一制备得到的光电位置传感材料在ImW功率的激光照射下，其位置灵敏度达到了 54mV/mm。
[0047]侧向光伏时间响应特性的测试:
[0048]利用飞秒激光系统(Nd:YAG激光器)，波长1064nm (经过倍频技术可获得532nm的激光)，不波器型号为普源DS2000数字式不波器,测试金属氧化物一 S12 — Si结构侧向光伏的时间响应特性。侧向光伏时间响应测试的结构示意图如图2-3所示，以形成的侧向光伏作为电源与可调负载电阻构成回路来观测MOS的光伏响应时间。
[0049]本实施例使用飞秒激光系统进行光伏的时间分辨测量，并联一个50欧姆的电阻作为负载。所测量的光伏响应的上升沿为60ns。
[0050]实施例四:本实施例具有超快响应速度的光电位置传感材料的制备方法按下列步骤实现:
[0051]一、将Si基片放入质量浓度为20%的HF溶液里浸泡lOmin，然后利用超声波清洗器将Si片依次放入丙酮和无水乙醇中分别清洗lOmin，得到清洗后的Si基片；
[0052]二、将金属氧化物ZnO粉末研磨后压制成片，然后在800°C的温度下对金属氧化物压片进行烧结处理12h，得到金属氧化物靶材；
[0053]三、将本底真空抽至4X10_4Pa，通入纯氧控制气压为IPa，调节Si基片的温度为400°C，采用Compex 201型KrF准分子激光器照射ZnO金属氧化物靶材，控制输出波长为248nm,能量为200mJ，频率为3Hz，在Si基片上脉冲激光沉积厚度为30nm的ZnO层，沉积结束后保温20min，最后自然冷却到室温，得到具有超快响应速度的光电位置传感材料。
[0054]本实施例得到的光电位置传感材料为ZnO — S12-Si结构。该结构材料在5mW功率的532nm激光照射下，其位置灵敏度达到了 12.5mV/mm。
[0055]实施例五:本实施例具有超快响应速度的光电位置传感材料的制备方法按下列步骤实现:
[0056]一、将Si基片放入质量浓度为20%的HF溶液里浸泡lOmin，然后利用超声波清洗器将Si片依次放入丙酮和无水乙醇中分别清洗lOmin，得到清洗后的Si基片；
[0057]二、将金属氧化物T12粉末研磨Ih后压片，然后在1000°C烧结12h后得到金属氧化物靶材；
[0058]三、将本底真空抽至4X10_4Pa，通入纯氧控制气压为IPa，调节Si基片的温度为5000C，采用Compex 201型KrF准分子激光器照射T12金属氧化物靶材，控制输出波长为248nm,能量为200mJ，频率为3Hz，在Si基片上脉冲激光沉积厚度为15nm的T12层，沉积结束后保温20min，最后自然冷却到室温，得到具有超快响应速度的光电位置传感材料。
[0059]本实施例得到的光电位置传感材料为Ti02—Si02—Si结构。该结构材料在3mW功率的632nm激光照射下，其位置灵敏度将近20mV/mm。
【权利要求】
1.具有超快响应速度的光电位置传感材料，其特征在于该具有超快响应速度的光电位置传感材料具有金属氧化物一S12-Si三层结构，在Si基片上采用激光脉冲沉积有厚度为10?80nm的金属氧化物层，其中的金属氧化物为Fe304、ZnO或T12, S12层是Si基片在空气中自然形成的。
2.根据权利要求1所述的具有超快响应速度的光电位置传感材料，其特征在于在Si基片上采用激光脉冲沉积有厚度为10?40nm的金属氧化物层。
3.根据权利要求2所述的具有超快响应速度的光电位置传感材料，其特征在于在Si基片上采用激光脉冲沉积有厚度为10?30nm的金属氧化物层。
4.根据权利要求1所述的具有超快响应速度的光电位置传感材料，其特征在于3102层的厚度为I?5nm。
5.具有超快响应速度的光电位置传感材料的制备方法，其特征在于是按下列步骤实现: 一、将Si基片放入HF溶液里浸泡10?20min，然后利用超声波清洗器将Si片依次放入丙酮和无水乙醇中分别清洗10?20min，得到清洗后的Si基片； 二、将金属氧化物粉末研磨后压制成片，然后在800?100(TC的温度下对金属氧化物压片进行烧结处理，得到金属氧化物靶材； 三、将本底真空抽至3X KT4Pa?5 X l(T4Pa，通入纯氧控制气压为0.1?10Pa，调节Si基片的温度为350?500°C，采用准分子激光器照射金属氧化物靶材，在Si基片上脉冲激光沉积厚度为10?50nm的金属氧化物层，沉积结束后保温20?30min，最后自然冷却到室温，得到具有超快响应速度的光电位置传感材料； 其中步骤二所述的金属氧化物为Fe304、ZnO或T12。
6.根据权利要求5所述的具有超快响应速度的光电位置传感材料的制备方法，其特征在于步骤一使用的HF溶液的质量浓度为20%。
7.根据权利要求5所述的具有超快响应速度的光电位置传感材料的制备方法，其特征在于步骤三控制准分子激光器的，输出波长为248nm，能量为50?200mJ，频率I?5Hz。
8.根据权利要求7所述的具有超快响应速度的光电位置传感材料的制备方法，其特征在于步骤三控制准分子激光器的，输出波长为248nm，能量为200mJ，频率3Hz。
【文档编号】G01B11/00GK104451557SQ201410735056
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】王先杰, 宋炳乾, 王阳, 刘志国, 隋郁 申请人:哈尔滨工业大学