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(position-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OD6-7型一维位置灵敏器，其响应时间为0.2μs，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—SiO2—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Fe3O4、ZnO或TiO2，SiO2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℃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3×10-4Pa～5×10-4Pa，通入纯氧控制气压为0.1～10Pa，调节Si基片的温度为350～500℃，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Fe3O4、ZnO或TiO2。
[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1mW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5μs左右，远远高于目前位置敏感器的最高指标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。
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1—单色激光器，2—扩束镜，3—凸透镜，4—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1—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—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1—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—SiO2—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Fe3O4、ZnO或TiO2，SiO2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—氧化物—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—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SiO2层的厚度为1～5nm。
[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℃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3×10-4Pa～5×10-4Pa，通入纯氧控制气压为0.1～10Pa，调节Si基片的温度为350～500℃，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Fe3O4、ZnO或TiO2。
[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Fe3O4、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1～5Hz。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10min，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10min，得到清洗后的Si基片；
[0039] 二、将金属氧化物α-Fe2O3粉末研磨后压制成片，然后在1000℃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4×10-4Pa，通入纯氧控制气压为1Pa，调节Si基片的温度为350℃，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—SiO2—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1mW)固定在一个固定
支架上，经扩束镜后再将一个焦距为1cm的透镜放在光路上，将激光斑点汇聚在薄膜上一个直径约1mm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1mW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)，示波器型号为普源DS2000数字式示波器，测试金属氧化物－SiO2－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10min，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10min，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℃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4×10-4Pa，通入纯氧控制气压为1Pa，调节Si基片的温度为400℃，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—SiO2—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10min，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10min，得到清洗后的Si基片；
[0057] 二、将金属氧化物TiO2粉末研磨1h后压片，然后在1000℃烧结12h后得到金属氧化物靶材；
[0058] 三、将本底真空抽至4×10-4Pa，通入纯氧控制气压为1Pa，调节Si基片的温度为500℃，采用Compex 201型KrF准分子激光器照射TiO2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TiO2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TiO2—SiO2—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。
