專利名稱：一種利用摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料制作的光位置探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光位置探測器件，特別涉及一種利用摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料制作的高靈敏度光位置探測器件。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。如果光不均勻照射，讓一個光點(diǎn)照射在材料表面，光生載流子向光點(diǎn)周圍擴(kuò)散，在光點(diǎn)側(cè)向會產(chǎn)生橫向光生伏特效應(yīng)。對于半導(dǎo)體及其p-n結(jié)的橫向光生伏特效應(yīng)人們已研究很多(如文獻(xiàn)1、Lateralphotovoltaic effect in porous silicon，Daniel W.Boeringer and Raphael Tsu，Appl.Phys.Lett.，65(18)，31(1994))，利用這種效應(yīng)也制作了半導(dǎo)體非晶硅光位置敏感器件(專利號CN1031779A)；但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)際需要，比如寬頻譜、快響應(yīng)、極限環(huán)境等。
自加拿大Manitoba大學(xué)在La-Pr-Mn-O中發(fā)現(xiàn)龐磁電阻現(xiàn)象以來，人們對龐磁電阻材料進(jìn)行了大量研究，包括A2B2O7(如Ti2Mn2O7)、A1-xTxBO3(如La1-xSrxMnO3)、T3-xAxB2O7(如Sr1.8La1.2Mn2O7)等化合物，其中A為三價稀土或其它三價元素，B為過渡金屬，T為二價堿土金屬。我們已申請了用半導(dǎo)體和錳酸鑭材料制作p-n結(jié)的專利(專利號ZL01104460.8)，但對摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料的橫向光生伏特效應(yīng)未做探討。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既具有龐磁電阻效應(yīng)，又有橫向光生伏特效應(yīng)的多功能摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料制作的光位置探測器，該器件具有寬光譜、高靈敏度的性能，在位置控制、目標(biāo)跟蹤及計算機(jī)應(yīng)用方面具有廣闊前景；還提供一種利用半導(dǎo)體工藝制作該光位置探測器的方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的利用摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料制作的光位置探測器件，包括外殼，p型或n型襯底1，和在其上相應(yīng)外延生長一層n型或p型光響應(yīng)薄膜層2，以及在光響應(yīng)薄膜層2上設(shè)置電極和電極引線；其特征在于，所述的光響應(yīng)薄膜層2為摻雜錳酸鹽材料薄膜，其摻雜錳酸鹽是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，x值為0.01～0.5；所述的電極分為第一電極3、第二電極4為一組，2個電極對稱設(shè)置在光響應(yīng)薄膜層2上的兩邊，該組電極輸出X軸方向的電壓信號，第三電極5、第四電極6為一組，對稱設(shè)置在光響應(yīng)薄膜層2的另外兩邊上，該組電極輸出Y軸方向的電壓信號，并且兩組電極相互垂直；電極引線7的一端與電極連接，電極引線7的另一端是信號輸出端。
在上述的技術(shù)方案中，所述的襯底選自Si、SrTiO3:Nb、BaTiO3:Nb、BaTiO3:In、SrTiO3:In、ZnO、SrCu2O2、CuAlO2、CuGaO2、La0.05Sr0.95TiO3的p型或n型基片。
在上述的技術(shù)方案中，所述的光響應(yīng)薄膜層2為單層摻雜錳酸鹽材料薄膜，或多層結(jié)構(gòu)的摻雜錳酸鹽薄膜。
在上述的技術(shù)方案中，所述的光位置探測器可以在襯底上制作一個單元，或2個或2個以上單元探測器的多元列陣，即采用粒子束刻蝕或化學(xué)腐蝕等技術(shù)在已生長好的光響應(yīng)層2上，刻蝕出2個以上單元的芯片，再用磁控濺射或真空蒸發(fā)等工藝在每個單元芯片上制備電極，其中第一電極3、第二電極4為第一組，和第三電極5、第四電極6為第二組，每根電極引線7分別與每個電極連接，把每個單元通過電極和引線進(jìn)行連接；把芯片裝入一個鋁制外殼內(nèi)，用同軸電纜接頭引出電極輸出端。
在上述的技術(shù)方案中，所述的電極可以做成點(diǎn)、線狀或平面；可以用銀膠連接，或用銦直接焊接，也可以用真空鍍膜、磁控濺射光刻和化學(xué)腐蝕等方法制備鉑、金、銀或鋁電極。
本發(fā)明提供的光位置探測器件的制備方法，包括以下步驟1.利用激光分子束外延、脈沖激光沉積、分子束外延、磁控濺射、對向靶濺射、電子束蒸發(fā)或粘膠法的制膜工藝，在襯底上制備摻雜錳酸鹽材料光響底層，其中制膜條件先將真空室抽真空達(dá)到＜10-4Pa，加熱襯底使溫度達(dá)到300℃-900℃時，充入氧氣，當(dāng)氧氣壓為10-4Pa-100Pa時，開始生長摻雜錳酸鹽薄膜，其生長速率控制在0.05nm-10nm/秒的條件范圍內(nèi)，按需要選擇最佳生長條件，以保證薄膜很好的外延生長；2.用常規(guī)方法制備電極和引線，然后采用常規(guī)半導(dǎo)體封裝工藝封裝在外殼內(nèi)，制備出摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)光位置探測器件。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明提供的利用摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料制作的光位置探測器件，是既具有龐磁電阻效應(yīng)，又有橫向光生伏特效應(yīng)的多功能材料制作的光位置探測器，該器件輸出光敏信號較大，可達(dá)200毫伏，可以用來測量光的位置和位移的量。因此本發(fā)明提供的摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)光位置探測器件在工業(yè)(如，機(jī)床的位置控制、目標(biāo)跟蹤、精密定位)、計算機(jī)(如，漢字輸入器件)、國防(如，激光準(zhǔn)直、光源跟蹤)等方面具有廣泛的應(yīng)用。
本發(fā)明的光位置探測器可以用激光分子束外延、脈沖激光沉積、分子束外延、磁控濺射、對向靶濺射、電子束蒸發(fā)或粘膠法等制膜方法，把n型或p型摻雜錳酸鹽或n型和p型的疊層直接外延生長在Si、SrTiO3:Nb、BaTiO3:Nb、BaTiO3:In、SrTiO3:In、ZnO、SrCu2O2、CuAlO2、CuGaO2、La0.05Sr0.95TiO3等多種p型或n型基片上，利用半導(dǎo)體工藝，可以在一塊摻雜錳酸鹽芯片上制作單個單元器件，還可以制備出多個單元、多元列陣式的摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)光位置探測器件，因此本發(fā)明的制備方法簡單，易于工業(yè)化批量生產(chǎn)。


圖1是摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)光位置探測器件結(jié)構(gòu)示意2是由3個單元摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)光位置探測器組成的1×3線列式結(jié)構(gòu)示意3是由4個單元摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)光位置探測器組成的4×1線列式結(jié)構(gòu)示意4是由6個單元摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)光位置探測器組成的2×3列陣式結(jié)構(gòu)示意5是由16個單元摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)光位置探測器組成的4×4面陣式多元結(jié)構(gòu)示意6是La0.67Ca0.33MnO3/Si光位置探測器件橫向光生伏特效應(yīng)曲線，橫坐標(biāo)為光點(diǎn)在電極3、4之間的位置坐標(biāo)，原點(diǎn)為電極3、4之間的中點(diǎn)?？v坐標(biāo)為在電極3、4之間測得的光生伏特電壓。測量用激光器波長為308nm，脈寬為25ns，能量密度為0.5mJ/mm2。
圖面說明如下1-襯底； 2-光響應(yīng)薄膜層； 3-第一電極；4-第二電極； 5-第三電極； 6-第四電極；7-電極引線。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地說明參考圖1，制備一本發(fā)明的具有一個單元的摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料光位置探測器件選用激光分子束外延設(shè)備，在n型Si單晶襯底1上直接外延生長La0.67Ca0.33MnO3光響應(yīng)薄膜層2，其中光響應(yīng)薄膜層2的厚度為0.5nm，形成La0.67Ca0.33MnO3/Si兩層異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品；把制備好的La0.67Ca0.33MnO3/Si兩層異質(zhì)結(jié)樣品切割成尺寸為1×1cm2的芯片，用銦在La0.67Ca0.33MnO3薄膜左右邊的表面對稱位置上，設(shè)置第一電極3和第二電極4成為一組；在La0.67Ca0.33MnO3薄膜的上下兩邊表面上的對稱位置處，再設(shè)置第三電極5和第四電極6；并且兩組電極相互垂直，所述的電極約為φ2mm；用φ0.1mm的銅線作電極引線7，并用銦把φ0.1mm銅電極引線7的一端分別焊接在兩組電極上，這樣芯片就制備完成。把芯片裝入一個鋁制外殼內(nèi)，用同軸電纜接頭引出輸出端制成具有一個單元的光位置探測器件。用波長為308nm脈沖激光器(脈寬25ns，能量密度0.5mJ/mm2)照射這個光位置探測器件，電極3、4間輸出X軸方向的電壓信號Ux，電極5、6間輸出Y軸方向的電壓信號UY，如圖6是光點(diǎn)落在不同位置時的電壓響應(yīng)曲線。
實(shí)施例2參考圖2，制作具有3個單元的摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料光位置探測器件。用一塊3mm×10mm的n型SrTiO3:Nb單晶作為襯底1，并在其上用脈沖激光沉積工藝，直接外延生長50nm厚的Nd0.9Sr0.1MnO3光響應(yīng)層2，用粒子束刻蝕技術(shù)在已生長好的Nd0.9Sr0.1MnO3光響應(yīng)層2上刻蝕出2mm×2mm大小，其間距為0.1mm的3個單元，成為具有3個單元的器件，用磁控濺射工藝在每個單元器件上，制備出0.2mm×0.2mm大小的兩組相互垂直的第一電極3、第二電極4；和第三電極5、第四電極6，從每個電極連接電極引線7，把每個單元器件的電極5分別連接到公共電極，相鄰單元器件的電極3、4按圖2所示串聯(lián)連接，制備出1×3線列式光位置探測芯片。把芯片裝入一個鋁制外殼內(nèi)，用同軸電纜接頭引出輸出端制成具有3個單元的光位置探測器件。
實(shí)施例3參考圖3，制作具有4個單元的摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料光位置探測器件。用5mm×10mm大小的n型BaTiO3:Nb單晶作為襯底1，在其上選用分子束外延法直接外延生長1000nm厚的Pr0.5Ba0.5MnO3光響應(yīng)層2，用粒子束刻蝕技術(shù)在外延片上刻蝕出4個4mm×2mm大小的，間距為0.2mm的4個單元，成為4個單元器件，用真空蒸鍍工藝在每個單元器件上制備0.1mm×1mm的金的兩組相互垂直的鉑電極3、4和5、6，從每個電極連接電極引線7，把每個單元器件的電極3分別連接到公共電極，沿X方向，每個單元器件的電極4作為信號輸出電極，沿Y方向，相鄰單元器件的電極5、6通過引線7串聯(lián)連接作為信號輸出電極，上單元的電極6作為上端的信號輸出電極。這樣制備出4×1線列式光位置敏感器件芯片，再將該4×1線列式光位置敏感器件芯片裝入外殼內(nèi)，用同軸電纜接頭引出電極輸出端。
實(shí)施例4參考圖4，制作具有6個單元的摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料光位置探測器件。用10mm×10mm大小的p型SrTiO3:In單晶作為襯底1，在其上選用磁控濺射法直接外延生長2μm厚的La0.77Ce0.3MnO3光響應(yīng)層2，用粒子束刻蝕工藝在外延片上刻蝕出6個3mm×4mm大小間距為0.3mm的單元器件，用真空蒸鍍方法在每個單元上制備φ0.5mm的鋁的兩組電極，從每個電極連接引線7。沿X方向，把下一排中每個單元器件的電極5連接到公共電極；沿Y方向，把每個左單元器件的電極3連接到另一個公共電極。沿X方向，相鄰單元的電極3和4串聯(lián)連接作為信號輸出電極，每個右單元的電極4作為右端的輸出電極；沿Y方向，上單元的電極5和下單元的電極6串聯(lián)連接作為信號輸出電極，每個上單元的電極6作為上端的信號輸出電極。這樣制備出6個單元芯片組成的2×3列陣式光位置探測芯片，再將該2×3列陣式光位置敏感器件芯片裝入外殼內(nèi)，用同軸電纜接頭引出電極輸出端。
實(shí)施例5參考圖5，制作具有16個單元的摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料光位置探測器件。用20mm×20mm大小的n型ZnO單晶襯底1，在其上選用對向靶濺射方法直接外延生長500nm厚的La0.7(Pr，Sr)0.3MnO3光響應(yīng)層2，用粒子束刻蝕技術(shù)在外延片上刻蝕出4mm×4mm大小的間距為0.1mm的16個單元器件。采用對向靶濺射在La0.7(Pr，Sr)0.3MnO3層2上制備200nm厚的銀膜，用光刻和化學(xué)腐蝕方法在每個單元上制備φ0.1mm的銀電極3、4和5、6，從每個電極連接引線7，按圖5所示沿X和Y方向分別進(jìn)行串聯(lián)連接。沿X方向，把下排中每個單元器件的電極5連接到公共電極；沿Y方向，把每個左單元器件的電極3連接到另一個公共電極。沿X方向，相鄰單元的電極3和4串聯(lián)連接作為信號輸出電極，每個右單元的電極4作為右端的信號輸出電極；沿Y方向，相鄰單元的電極5和6串聯(lián)連接作為信號輸出電極，上排中每個單元的電極6作為上端的信號輸出電極。這樣制備出16個單元芯片組成的列陣式4×4多元面陣式光位置探測芯片，再將該4×4列陣式光位置敏感器件芯片裝入外殼內(nèi)，用同軸電纜接頭引出電極輸出端。
實(shí)施例6參考圖1，制作具有1個單元的摻雜錳酸鹽薄膜疊層材料光位置探測器件。按實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)制作，只是光響應(yīng)層2選用200nm厚的La0.7Ce0.3MnO3和100nm厚的La0.7Sr0.3MnO3的疊層，其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。
實(shí)施例7參考圖1，光響應(yīng)層2選用La0.67Ca0.33MnO3，其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。
實(shí)施例8按實(shí)施例1制作，光響應(yīng)層2選用厚度為1000nm厚的La0.9Sn0.1MnO2；其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例9按實(shí)施例1制作，光響應(yīng)層2選用厚度為100nm厚的La0.9Sb0.1MnO2；其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。
實(shí)施例10按實(shí)施例1制作，光響應(yīng)層2選用厚度為1μm厚的La0.65Ta0.35MnO3其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。
實(shí)施例11按實(shí)施例1制作，光響應(yīng)層2用La0.9Nb0.1MnO3代替La0.67Ca0.33MnO3，該光響應(yīng)層2的厚度為10nm；其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。
實(shí)施例12
按實(shí)施例1制作，光響應(yīng)層2用La0.7Pb0.3MnO3代替La0.67Ca0.33MnO3，該光響應(yīng)層2的厚度為150nm；其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。
實(shí)施例13按實(shí)施例2制作，光響應(yīng)層2用La0.5Te0.5MnO3代替Nd0.9Sr0.1MnO3，該光響應(yīng)層2的厚度為300nm；其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例2。
實(shí)施例14按實(shí)施例2制作，光響應(yīng)層2用Sm0.8Ca0.2MnO33代替Nd0.9Sr0.1MnO3，該光響應(yīng)層2的厚度為600nm；其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例2。
實(shí)施例15按實(shí)施例3制作，光響應(yīng)層2用Pr0.99Ba0.01MnO3代替Pr0.5Ba0.5MnO3，該光響應(yīng)層2的厚度為20nm；其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例3。
實(shí)施例16按實(shí)施例1制作，用La0.05Sr0.95TiO3代替n型Si作襯底1，其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1。
實(shí)施例17按實(shí)施例4制作，用p型Si代替p型SrTiO3:In作襯底1，其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例4。
實(shí)施例18按實(shí)施例4制作，用p型BaTiO3:In代替p型SrTiO3:In作襯底1，其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例4。
實(shí)施例19按實(shí)施例4制作，用SrCu2O2代替p型SrTiO3:In作襯底1，其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例4。
實(shí)施例20按實(shí)施例4制作，用CuAlO2代替p型SrTiO3:In作襯底1，其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例4。
實(shí)施例21按實(shí)施例4制作，用CuGaO2代替p型SrTiO3:In作襯底1，其它結(jié)構(gòu)同實(shí)施例4。
實(shí)施例22按實(shí)施例1制作，只是使用電子束蒸發(fā)制備光響應(yīng)層。
實(shí)施例23按實(shí)施例1制作，只是使用粘膠法制備光響應(yīng)層。
實(shí)施例24按實(shí)施例1制作，用銀膠代替銦做電極。
最后所應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或方法進(jìn)行修改或者等同替換，如用增加或改變光響應(yīng)層中攙雜的品種和量，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種利用摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料制作的光位置探測器，包括外殼，p型或n型襯底(1)，和在其上相應(yīng)外延生長一層n型或p型光響應(yīng)薄膜層(2)，以及在光響應(yīng)薄膜層(2)上設(shè)置電極和電極引線；其特征在于，所述的光響應(yīng)薄膜層(2)為摻雜錳酸鹽材料薄膜，其摻雜錳酸鹽是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，x值為0.01～0.5；所述的電極分為第一電極(3)、第二電極(4)為一組，2個電極對稱設(shè)置在光響應(yīng)薄膜層(2)上的兩邊，該組電極輸出X軸方向的電壓信號，第三電極(5)、第四電極(6)為一組，對稱設(shè)置在光響應(yīng)薄膜層(2)的另外兩邊上，該組電極輸出Y軸方向的電壓信號，并且兩組電極相互垂直；電極引線(7)的一端與電極連接，電極引線(7)的另一端是信號輸出端。
2.按權(quán)利要求1所述的利用摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料制作的光位置探測器，其特征在于，所述的襯底(1)選自Si、SrTiO3:Nb、BaTiO3:Nb、BaTiO3:In、SrTiO3:In、ZnO、SrCu2O2、CuAlO2、CuGaO2、La0.05Sr0.95TiO3的p型或n型基片。
3.按權(quán)利要求1所述的利用摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料制作的光位置探測器，其特征在于，所述的光響應(yīng)薄膜層(2)為單層摻雜錳酸鹽材料薄膜，或多層結(jié)構(gòu)的摻雜錳酸鹽薄膜。
4.按權(quán)利要求1所述的利用摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料制作的光位置探測器，其特征在于，還包括在襯底(1)上制作2個或2個以上單元的多元列陣光位置探測器。
5.按權(quán)利要求4所述的利用摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料制作的光位置探測器，其特征在于，所述的多元列陣光位置探測器為在已生長好的光響應(yīng)層(2)上，刻蝕出所述的多元列陣芯片，在多元列陣芯片的每個單元的光響應(yīng)層(2)上制備電極，其中第一電極(3)、第二電極(4)為第一組，和第三電極(5)、第四電極(6)為第二組，每根電極引線(7)分別與每個電極連接，把每個單元通過電極和引線進(jìn)行連接；把芯片裝入一個鋁制外殼內(nèi)，用同軸電纜接頭引出輸出端。
6.按權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的利用摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)材料制作的光位置探測器，其特征在于，所述的電極形狀為點(diǎn)狀、線狀或平面形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用摻雜錳酸鹽異質(zhì)結(jié)制作的光位置探測器，包括在p型或n型襯底上相應(yīng)外延生長一層n型或p型光響應(yīng)薄膜層，所述的光響應(yīng)薄膜層為R
文檔編號G01D5/26GK1956228SQ20051011458
公開日2007年5月2日 申請日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者趙昆, 呂惠賓, 何萌, 黃延紅, 金奎娟, 邢杰, 劉國珍, 陳正豪, 周岳亮, 楊國楨 申請人:中國科學(xué)院物理研究所