專利名稱：一種具有高靈敏度的光電位置探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位置探測器，特別是基于氮化鈦和硅異質(zhì)結(jié)制作 的具有高靈敏度的光電位置探測器。
背景技術(shù)：
光電位置探測器的構(gòu)思早在1957年由Wallmark提出來，它的基 本結(jié)構(gòu)是由一高電導(dǎo)層薄膜覆蓋在半導(dǎo)體的基底上，構(gòu)成一個肖特基 二極管結(jié)構(gòu)，在其界面區(qū)形成一個內(nèi)建電場。當(dāng)一個小的光點照在探 測器上后，會在光斑附近產(chǎn)生大量的光生電子、空穴對，在內(nèi)建場作 用下，電子和空穴在空間擴(kuò)散，在高電導(dǎo)一側(cè)的載流子會迅速達(dá)到 一個新的平衡分布，使之成為等勢體，而在半導(dǎo)體一側(cè)的載流子在 光斑附近會形成一個濃度梯度的分布，因而在其沖黃向方向上的兩個電 極之間會形成一個光生電壓，該光生電壓隨光斑位置的移動而變化， 人們根據(jù)這個原理研制出光電位置探測器。
光電位置探測器是一類重要的光學(xué)傳感器，它是利用橫向個生伏 特效應(yīng)把入射光點在探測器光敏區(qū)的位置轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號，不 同于一般的二極管或CCD構(gòu)成的陣列探測器，能提供連續(xù)的信號變 化，可以通過精確的測量光點的位置來進(jìn)行定位。光電位置探測器不 僅被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程光學(xué)準(zhǔn)直、電話信息系統(tǒng)、表面壓型、角度測量，而且在原子力顯微鏡、隧道掃描顯微鏡等許多精確儀器中也被作
為4青確定卩立的方法。
盡管光電位置探測器已被廣泛的應(yīng)用，但對于位置探測器的應(yīng)用 來說，其靈敏度、非線性系數(shù)及空間分辨率是至關(guān)重要的。自從光 電探測器出現(xiàn)以來，很多人就一直致力于探索新的材料和結(jié)構(gòu)制作 的光電探測器，來提高和改善光電探測器的特性。(如文獻(xiàn)1:
Optimizing the response of Schottky barrier position sensitive detectors, J. Henry and J. Livingstone, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004) 3180-3184;文獻(xiàn)2: R. C. G. da Silva， H. Boudinov and R. R. B. Correia, Microelectronics Jo廳l 36, 1023 (2005); 文獻(xiàn)3:H， Aguas， L Pereira, D. Costa， E. Fortunato， R. Martins, Optical Materials, 27 1088 (2005))。到目前為止，現(xiàn)有光電探 測器的靈敏度還不能滿足其應(yīng)用的要求。盡管也有人已把氮化鈦 (TiN )作為底電極或過渡層外延生長在硅(Si )襯底上(如文獻(xiàn)4: W. Li等,Applied Surface Science, 253, 7019 (2007);文獻(xiàn)5: Le Gouil A 等，J. Vacuum Science and Technology, B， 25, 767 (2007); 文獻(xiàn)6: Kim B. R.等，Thin Solid Films, 515, 6438 (2007))，但還沒有人用TiN-Si異質(zhì)結(jié)材料做成光電位置探測 器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有光電探測器靈壽文度不能滿足其應(yīng)用的要求的不足，從而提供一種用氮化鈦和硅(TiN-Si )異質(zhì)結(jié)制備的
具有高靈敏度的光電位置探測器；該光電位置探測器不僅結(jié)構(gòu)簡單、 響應(yīng)波段寬、線性好，而且具有很高的靈敏度。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
本發(fā)明提供的具有高靈敏度的光電位置探測器，包括Si襯底1、 第一電極3和第二電極4;其特征在于還包括一層TiN薄膜層2作 為光響應(yīng)層、所述的TiN薄膜外延生長在Si襯底上形成異質(zhì)結(jié)(如 圖1所示)；在所述的Si襯底1外表面的兩側(cè)處制備所述的第一電極 3和所述的第二電極4;所述的TiN薄膜層2的厚度為1 nm~10|Lim。
在上述的技術(shù)方案中，所述的電極釆用金、銀、鋁、銅、鉑、銦 或錫等金屬材料，在Si襯底上制成一個點，或一條線(如圖2所示)。 在上述的技術(shù)方案中，所述的Si襯底1可以是n型Si半導(dǎo)體， 也可以是p型Si半導(dǎo)體。
本發(fā)明提供的用氮化鈦和硅異質(zhì)結(jié)制備的高靈敏度光電位置探 測器，可以工作在兩種不同的模式電壓模式或電流模式。電壓模式 比較簡單，只需要用一個電壓表測量Si襯底1上第一電極3和第二 電極4之間的電壓就可以了。當(dāng)光點位置改變時，測量的電壓就會變 化，按所測量的電壓就可辨別光點的位置。電流模式需要在第一電極 3和TiN或第二電極4和TiN連接一個電壓源，使TiN和Si構(gòu)成的 肖特基二極管工作在反偏壓狀態(tài)下，在第一電極3和第二電極4之間 連一個電流表，當(dāng)改變光點位置時，測量其電流的變化，按所測量的電流就可辨別光點的位置。 本發(fā)明的優(yōu)點如下
本發(fā)明提供的具有高靈敏度的光電位置探測器，不僅結(jié)構(gòu)簡單， 而且是采用常規(guī)的沉積薄膜的方法制備的、該光電位置探測器具有線
性好、靈敏度高；特別是應(yīng)用方便，不需要額外的放大電路就可直接 探測，而且可探測納秒級的快脈沖信號，在軍事、國防、科研和生產(chǎn) 等方面均有廣泛的應(yīng)用。


圖1.本發(fā)明的TiN-Si異質(zhì)結(jié)光電位置探測器結(jié)構(gòu)圖。 圖2 (a)是設(shè)置在Si襯底上點狀電極示意圖。 圖2 (b)是設(shè)置在Si襯底上條形電極示意圖。
圖3.本發(fā)明的TiN-Si異質(zhì)結(jié)光電位置探測器，在用10mWHeNe激 光掃描Si表面，第一電極3和第二電極4之間輸出電壓和光點位置 的關(guān)系，插圖為具體測量示意圖。
圖4.本發(fā)明的TiN-Si異質(zhì)結(jié)光電位置探測器，在用20納秒脈寬 XeCl脈沖激光掃描Si表面，第一電極3和第二電極4之間的電壓輸 出和光點位置的關(guān)系，插圖為具體測量示意圖。 圖面說明如下
l一Si襯底； 2—TiN薄膜層；
3 —第一電極； 4 —第二電極
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)4亍詳細(xì)的i兌明 實施例1:
參考圖l，在常規(guī)的激光分子束外延設(shè)備中，采用激光分子束外 延技術(shù)，在2英寸的Si襯底1上，直接外延生長lOOnm厚的TiN薄膜 層2,形成TiN-Si兩層異質(zhì)結(jié)樣品。把2英寸的TiN-Si樣品切割 成10mmxl0mm的正方形。在該TiN - Si兩層異質(zhì)結(jié)樣品的S i襯底1的外表面上，以兩個邊的中心處，用銦焊接直徑約為lmm的第一電極 3和第二電極4(如圖2a所示)，第一電極3和第二電極的間距為8mm, 即制備成工作模式為電壓模式的光電位置探測器。 測量結(jié)果如下
用10mW的HeNe激光器(波長632. 8nm)做光源，采用直徑為 0. 5mm的光闌限制光點面積，把光點在探測器的Si襯底表面上第一 電極3和第二電極4中間進(jìn)行掃描，選用500兆示波器(1MQ的輸入 阻抗)測量第一電極3和第二電極4之間的電壓。圖3是TiN-Si異 質(zhì)結(jié)光電位置探測器，在用10 mW HeNe激光沿Si表面電極兩點間 直線掃描，第一電極3和第二電極4之間輸出電壓和光點位置的關(guān)系， 插圖為具體測量的示意圖。
實施例2:
使用實施例1制作的光電位置探測器，用波長308nm的準(zhǔn)分子 脈沖激光代替HeNe激光做光源進(jìn)行測量。圖4是TiN-Si異質(zhì)結(jié)光電 位置探測器，在用波長308nm的準(zhǔn)分子脈沖激光沿Si表面電極兩點 間直線掃描，第一電極3和第二電極4之間輸出電壓和光點位置的關(guān) 系，插圖為具體測量的示意圖。
實施例3:
選用激光分子束外延技術(shù),在2英寸的Si片1上，直接外延生長 lnm厚的TiN薄膜層2,形成TiN - Si兩層異質(zhì)結(jié)樣品。把2英寸的 TiN-Si樣品切割成10mmxlOmm的正方形。在Si襯底1正方形表面的 兩個邊的中心處，用真空鍍膜方法，制備直徑約為0. 5mm的金第一電 極3和第二電極4 (如圖2a所示)，制備成電壓模式的光電位置探測 器。
當(dāng)一個光點照射在探測器的表面時，用電壓表測量第一電極3 和第二電極4之間的電壓，或在第一電極3和TiN之間連接一個電壓 源，使TiN和Si構(gòu)成的肖特基二極管工作在反偏壓狀態(tài)下，測量第 一電極3和第二電極4之間的電流，即可按所測量的電壓或電流來辨別其光點的位置。
實施例4:
選用磁控濺射技術(shù)，在4英寸的Si村底1上，直接外延生長IO陶 厚的TiN薄膜層2，形成TiN-Si兩層異質(zhì)結(jié)樣品。把4英寸的TiN-Si 樣品切割成20mmx20腿的正方形。在正方形Si襯底1的外表面的兩 個邊的中心處，用真空鍍膜方法，制備直徑約為0. 5mm的銀第一電極 3和第二電極4(如圖2a所示)，制備成電壓模式的光電位置探測器。
實施例5:
按實施方案4制作，在正方形Si襯底1外表面的兩個邊的中心 處，用真空鍍膜方法，制備直徑約為0. 5mm的鉑第一電極3和第二電 極4 (如圖2a所示)，制備成電壓模式的光電位置探測器。
實施例6:
按實施方案1制作，把TiN-Si樣品切割成10mmx 20隨的長方 形，在邊長10mm的Si襯底1的外表面的兩個邊處，用真空鍍膜方法， 制備寬度為0.5腿的鋁第一電極3和第二電極4 (如圖2b所示)，電 極間距9mm，制備成電壓模式的光電位置探測器。
實施例7:
按實施方案6制作，用銅電極代替鋁電極，制備成電壓模式的 光電位置探測器。
實施例8:
利用脈沖激光濺射技術(shù)，在直徑6英寸的Si襯底1上，直接外延 生長200nm厚的TiN薄膜層2作為光響應(yīng)層，形成TiN - Si兩層異質(zhì) 結(jié)樣品。把6英寸的TiN-Si樣品切割成15mmxl5腿的正方形。在正 方形Si襯底l的另一表面的兩個邊的中心處，用錫焊接直徑約為l腿 的第一電極3和第二電極4 (如圖2a所示)，電極間距13mm。在TiN 薄膜層2和第一電極3之間連接5V的反向電壓，用電流表測量第一電極3和第二電極4之間的電流與光點位置的關(guān)系，制備成電流模式 的光電位置探測器。
實施例9:
按實施例8制作，在TiN薄膜層2和第二電極4之間連接8V的 反向電壓，代替在TiN薄膜層2和第一電極3之間連接5V的反向電 壓。用電流表測量第一電極3和第二電極4之間的電流與光點位置的 關(guān)系，制備成電流模式的光電位置探測器。
權(quán)利要求
1、一種具有高靈敏度的光電位置探測器，包括Si襯底(1)、第一第一電極(3)和第二第二電極(4)；其特征在于還包括一TiN薄膜層(2)、所述的TiN薄膜層(2)外延生長在Si襯底(1)上形成異質(zhì)結(jié)；在所述的Si襯底(1)外表面的兩側(cè)處制備所述的第一電極(3)和所述的第二第二電極(4)；所述的TiN薄膜層(2)的厚度為1nm～10μm。
2、 按權(quán)利要求1所述的用氮化鈦和硅異質(zhì)結(jié)制備的高靈敏度光電位置 探測器，其特4^在于所述的Si襯底(1)為n型Si半導(dǎo)體，或是p型Si 半導(dǎo)體。
3、 按權(quán)利要求1所述的具有高靈敏度的光電位置探測器，其特征在于 所述的第一第一電極(3)和第二第二電極(4)采用金、銀、鋁、銅、鉑、 銦或錫金屬材料，制成一個點，或是一條線。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高靈敏度光電位置探測器，包括Si襯底、電極和電極；利用制膜的方法，把TiN薄膜外延生長在Si襯底上；利用鍍膜或焊接的方法，在Si襯底的兩邊處制備電極電極和電極。當(dāng)一個光點照射在探測器的表面時，用電壓表測量電極和電極之間的電壓，或在電極和TiN之間連接一個電壓源，使TiN和Si構(gòu)成的肖特基二極管工作在反偏壓狀態(tài)下，測量電極和電極之間的電流，即可按所測量的電壓或電流來辨別其光點的位置。本發(fā)明提供的光電位置探測器，結(jié)構(gòu)簡單、線性好和具有靈敏度高，不需要額外的放大電路就可直接探測，而且可探測納秒級的快脈沖信號。
文檔編號H01L31/109GK101414645SQ20071017592
公開日2009年4月22日 申請日期2007年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
發(fā)明者萌 何, 劉國珍, 呂惠賓, 周岳亮, 楊國楨, 杰 邢, 金奎娟 申請人:中國科學(xué)院物理研究所