[0001] 本
发明涉及一种
电磁辐射探测器，特别是激光
辐射探测器。
[0002] 能够探测高能脉冲(即10-3-10J)的激光辐射探测器主要由量热计、
热电堆和热释电
传感器表示。热电堆可进一步分为两类：径向和轴向设备。
[0003] 量热计通过测量液体冷却剂的入口和出口之间的温差来测量目标表面上的入射功率。在所有上述类型的探测器中，这种探测器的响应时间最慢，即数十秒。
[0004] 径向热电堆以热盘为代表，其中辐射目标盘包括以两个同心圆排列的
热电偶阵列，这两个同心圆依次与盘同心。当通过入射在其上的激光辐射在盘中沿径向建立热梯度时，热电偶阵列产生代表入射激光辐射功率的电动势(e.m.f)或
电压。此类热电堆的自然响应时间在大约1s至60s之间，具体数值取决于其设计。这种功率计的两个主要缺点是尺寸和响应时间。尺寸通常导致功率计头难以装配到用于功率测量的激光设备中。
[0005] 因此，需要一种廉价的激光功率计头，其
散热器比上述的
现有技术的
散热器小得多，但仍能够以较短的响应时间来测量功率相对较高的连续波(CW)激光。
[0006] 轴向热电堆是类似帕尔贴(Peltier)的设备，采用多个电互连的热电偶设计，可以测量轴向穿过合适衬底的热通量。这种使用标准
热电效应的传感器是普通径向热电堆的演进。与径向热电堆相比，这种类型的探测器可以更小。但是，此类传感器的热设计目前仅允许约为0.1到1s的自然响应时间。此外，多个轴向热电偶的设计通常意味着传感器有源区域的
覆盖不足。
[0007] 基于热释电效应的传感器将热梯度转换为电
信号。即，由于热梯度引起的极化变化在晶体上产生电压。一方面，比起热电堆和量热计，它们结合了高灵敏度(可高达1000V/W)和可针对高
能量脉冲和更高的重复
频率(目前高达200kHz)进行量身定制的设计。然而，由于有源材料中的自然漏
电流，热释电传感器当前有不能测量连续波(CW)激光辐射的局限性。实际上，热释电材料的工作原理基于对
温度瞬态变化的响应，仅允许测量脉冲到准连续波脉冲，而不是纯连续波或长脉冲激
光源。
[0008] 使用横向热电效应的传感器定义了一种相对较新且类别不同的功率计，与前面讨论的类型相比，横向热电效应的传感器具有几个优点。
[0009] 使用激光感生横向电压(LITV)效应的传感器也可以将热梯度转换为
电信号。合适的材料(例如Bi、Bi2Te3、A1:ZnO、Sb)的
薄膜以倾斜
角沉积在
蒸发源和衬底之间，已知该薄膜显示出对激光辐射的横向热电响应。即，如果沿垂直于膜表面的方向存在热梯度，则产生纵向于膜表面平面的热电响应。沿纵向平面可提取的所产生电信号的强度具有明确的方向，并且与生长在衬底上的薄膜有源材料的有一定角度晶粒的投影平行，在共面垂直方向上显示最小值。
[0010] LITV效应的采用具有本质的优势，即显示出良好的热信号到电压的转换效率，同时显示出纳秒级的响应时间。此外，该设备的制造由于需要较少的技术步骤而更可控制，因此价格更便宜，且步骤得以简化。与基于轴向布置的热电偶的设计相比，基于LITV的设备相对于标准热电设备的另一个优势是有源区域的均匀覆盖。
[0011] 而且，基于LITV的传感器的有源区域在尺寸上没有限制，而有源膜的沉积的均匀性得以保持。同时，与具有相同有源区域的探测器相比，良好的设计可以大大减小有源感应区域周围的面积，从而实现横向尺寸小于径向热电堆的尺寸。
[0012] 尽管基于LITV效应的传感器在激光辐射能量/功率感测技术领域的前景非常好，但由于生产有源层需要复杂
合金(通常由有毒材料组成)，这个不利的必要条带件会带来局限性。参考US 2011/0024604 A1、US 2011/0291012 A1、US 2014/0091307 A1或US 2014/0091304 A1中的传感器。
[0013] 此外，先前
专利(US 2011/0024604 A1、US 2011/0291012 A1、US 2014/0091304 A1和US 2014/0091307 A1)中公开的制造方法描述了有源倾斜的近
晶格匹配的热电层在晶体衬底上的类
外延生长。这种方法在可用于有源膜和衬底的材料上受到了很大的限制，即，它要求近晶格匹配的材料对，这在US 2011/0024604 A1中的TEM图像中已得到清晰的证明，并从技术文献中广为人知。此外，US 2004/0102051 A1描述了制造方法的不同
实施例，该制造方法基于使用晶种
缓冲层和人工倾斜结构来迫使其沉积在优选的晶面上，其中该热电材料仅限于V-VI化合物。
[0014] 实际上，在上述专利
申请中，需要衬底有确定的
原子构型(即具有特定晶面的特定材料)，或者在有源层和衬底之间要有确定原子构型的附加晶种缓冲层。这种确定的原子结构的晶种缓冲层用来影响在有源膜沉积期间相对于衬底表面成特定角度的高结晶度膜的外延状生长，这增加了制造以及补充和关键的处理步骤的复杂性。
[0015] 尤其是US 2011/0024604 A1描述了一种将CaxCoO2倾斜膜生长到Al2O3衬底的两种特定面上的方法，这两个特定面特别是n面和s面，这些面相对于衬底的表面分别生成倾斜角度为62°和70°的CaxCoO2面。
[0016] US 2011/0291012 A1公开了不同的实施例，而有源倾斜的热电层的生长仍然取决于衬底的原子结构。实际上，US 2011/0291012 A1公开了“倾斜薄膜32的晶面35的倾斜角α是根据倾斜衬底31的低折射率面34的倾斜角β来确定的，α满足α＝β+θ，其中θ为0至10度”。
[0017] US 2014/0091304 Al公开了一种倾斜的热电薄膜的制造方法，所述热电薄膜选自以下组，组中包括钡酸钡(DyBa2Cu3O7-d)、钴酸锶钠(Sr0.3Na0.2CoO2)和钴酸锶(Sr3Co4O9)。这种方法需要例如
氧化镁(MgO)，钇稳定的氧化锆(YSZ)和氧化铈(CeO2)这样的用于中间晶种缓冲层的材料。这些晶种缓冲层必须具有柱状晶粒结构，其晶轴(c轴)相对于衬底表面的法线倾斜α的角度，α大约为10度至45度。
[0018] 在US 2004/0102051 A1中，再次采用晶种缓冲层以便让有源热电材料的晶粒相对于衬底表面取向。此外，US 2004/0102051 A1公开了使用相似的有源材料来制造其装置，不仅需要晶种缓冲层，而且需要附加的沉积后
退火处理以将热电层的c轴取向为合适的角度。与本发明采用的制造方法相比，另外的沉积后退回处理增加了制造的额外复杂性，降低了整个工业过程的鲁棒性。
[0019] 此外，US 2004/0102051 A1在一个实施例中公开了在衬底
硅表面上使用蚀刻的
屋顶瓦状结构，然后必须用氧化物覆盖该结构。然后，相对于蒸发源，以与结构相同的角度旋转衬底，以便相对于蚀刻的结构获得垂直晶粒的更快生长。然后，那些晶粒相对于衬底的原始表面具有一定角度。再次，与本发明采用的制造方法相比，所描述的过程增加了制造的复杂性，降低了整个工业过程的鲁棒性。
[0020] 鉴于现有技术，本发明的目的是提供一种激光辐射探测器，其不同于现有技术并且克服了参考现有技术的缺点，即不使用任何晶种缓冲层。该层不需要高结晶有取向的衬底，并且不需要在衬底表面上形成人工结构。
[0021] 根据本发明，所述目的是通过电磁辐射探测器来实现的，该探测器包括：
[0022] -一有取向的热电材料多晶层，
[0023] -一衬底，叠置在有取向的多晶层的顶表面上，使得背面与有取向的多晶层
接触，[0024] -第一和第二
电极，彼此隔开并与有取向的多晶层电接触，
[0025] 其特征在于，所述衬底包括至少一个陶瓷层，并且所述有取向的多晶层具有相对于衬底顶表面的法线成30度至55度之间的角度的晶体取向。
[0026] 本发明描述了一种激光辐射探测器，该探测器易于生产，可靠并且基于LITV效应用于测量直接激光辐射的高能脉冲。有源层的制造由单个制造步骤组成，并且其在传感器整个有源区域上的响应均匀性在衬底粗糙度的宽范围内不会变化，因此确定了稳健的工艺鲁棒性。
[0027] 根据本发明的探测器将响应时间从基于LITV的传感器的典型纳秒机制增加到数十毫秒，从而允许传感器的
输出电压信号被数字化，而无需极其快速和昂贵的
电子设备。
[0028] 此外，根据本发明的探测器显示出对脉冲激光辐射的高损伤
阈值，因此允许测量-3高能激光脉冲，即功率高于10 焦
耳且具有相对低重复率的激光脉冲(例如10-100Hz)。
[0029] 根据本发明的探测器的布局取决于要测量的激光源。通过改变衬底的厚度，可以使传感器的响应时间和损伤阈值适应激光辐射，响应时间与衬底的厚度成反比，而传感有源层的损伤阈值与衬底的厚度成正比。以此方式，本发明描述的传感器不仅能够测量从连续波到高达数百赫兹的脉冲激光辐射，而且能够在宽范围的入射光功率
密度(106至1012W/cm)下工作，具体取决于衬底的材料选择。此外，传感器的热特性使它能够在从紫外线到太赫兹的宽频带
光谱中工作。
[0030] 根据本发明的探测器包括陶瓷材料的衬底，其中对于陶瓷材料，其被设计成高导热性(即，具有在20和200W/mK之间的热导率)和介电材料，并且具有高熔点(高于1800℃)，例如
烧结氮化
铝(AlN)、烧结氮化硅(Si3N4)、烧结
碳化硅(SiC)、烧结氮化
硼(BN)、烧结碳化硼(B4C)或烧结氧化铝(Al2O3)。衬底不需要具有特定的晶粒取向。或者，可以使用金属衬底，该衬底预先被具有良好导热系数的陶瓷介电薄多晶层
钝化(例如，AlN、Si3N4、SiC、BN、B4C、Al2O3)。
[0031] 衬底在
正面上充当入射激光辐射的目标，并且必须对入射电磁辐射完全不透明。当
选定的衬底光学透明的(即AlN、Al2O3)时，必须在正面上添加另外一个材料不同且厚度不同(0-10μm)的不透明的吸收层(例如SiC、Si3N4、碳
纳米管复合涂层或黑色纹理化的金属层)。也就是说，辐射被衬底(或在吸收层内)完全吸收，并转化为热量。因此，只有热通量而不是电磁辐射直接到达了有源材料，这与US 2011/0291012 A1中所述的探测器有所不同，在US 2011/0291012 A1中，衬底对电磁辐射特别透明。
[0032] 衬底的正确选择包括：相对于所用的有源材料，使用对电磁辐射具有更高损伤阈值的所选材料，以及总体上较低的热阻，即，衬底必须很薄，以免过分降低传感器速度。
[0033] 为了降低反射率，可以采用激光纹理化以增强在衬底的正面上的光捕获。
[0034] 本专利与先前的发明之间的主要区别在于，有源元件不是高结晶度的，而是高度多晶的。采用GLAD技术来制造传感器的有源膜，可以使用没有特定原子构型的衬底，例如烧结陶瓷层，而无需沉积具有特定原子构型的晶种层，也不需要昂贵的
研磨程序来控制其表面粗糙度，为工业制造方法增加了鲁棒性。
[0035] 在有源材料下方形成由Ti组成的薄粘合层(<20nm)，放置在有源材料和
钝化层之间，该钝化层由铂或钯(80-100nm)薄膜组成。
[0036] 有源材料以及随后的层必须成形为相邻的紧密堆积的
电隔离的条带的形式。条带必须平行于倾斜的晶粒在衬底上的投影方向。
[0037] 通过形成传感器芯片，与有源层电接触的金属导电层被配置用于有源层的条带的末端
串联或并联互连。另一种可能性在于采用
引线键合使有源材料条带的末端与外部的、热隔离的多层PCB接触。
[0038] 然后将传感器芯片的背面附接到合适的散热器。
[0039] 为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例并参考
附图来描述其一些实施例，其中：
[0040] 图1a是根据本发明的一个实施例的激光辐射探测器的制造方法的第一工序中的剖视图。
[0041] 图1b是根据本发明的一个实施例的激光辐射探测器的制造方法的第二工序中的剖面图；
[0042] 图1c是根据本发明的一个实施例的激光辐射探测器的剖面图；
[0043] 图2是用于图1c的探测器的电极和
图案化的传感器层的串联布置的仰视图；
[0044] 图3是用于图1c的探测器的电极和图案化的传感器层的另一种串联布置的仰视图。
[0045] 参照图1-3，描述了根据本发明优选实施例的激光辐射探测器。
[0046] 根据本发明的激光辐射探测器包括衬底1，该衬底1包括陶瓷层，优选地是不需要特定晶粒取向的陶瓷层，该陶瓷层是高导热(高于100W/mK)和高
熔化温度(高于1800℃)的介电材料。衬底1可以由唯一的陶瓷层构成，优选地由烧结的陶瓷层构成，例如，烧结氮化铝(AlN)、烧结氮化硅(Si3N4)、烧结碳化硅(SiC)、烧结氮化硼(BN)、烧结碳化硼(B4C)或烧结氧化铝(Al2O3)，或者衬底可以包含金属衬底(包含例如Al或Cu)，该金属衬底预先被具有良好导热系数的无取向的薄陶瓷层(例如AlN、Si3N4、SiC、BN、B4C、Al2O3)电钝化。优选地，衬底的厚度在50-1000μm的范围内；通过改变衬底的厚度，响应时间和传感器对激光辐射的损坏阈值均可适用于特定应用，响应时间与衬底的厚度成反比，而感应有源层的损伤阈值与衬底的厚度成正比。
[0047] 优选地，衬底1的顶表面10具有小于2μm的粗糙度Ra。
[0048] 在图1a中的衬底1的顶表面10上，以相对于衬底1的顶表面10的法线A的角度α优选地在30度和55度之间的角度α沉积具有晶体有取向的多晶层2。即，多晶层2具有圆柱状的晶粒结构，其晶轴P相对于法线A倾斜角度α。为了获得最佳的沉积，优选以45度的晶体取向沉积多晶层2。
[0049] 多晶层2代表激光辐射探测器的有源层，并且多晶层2的倾斜有取向的
晶体结构需要提供期望的热电效应。衬底未像有取向的薄多晶有源层那样取向。
[0050] 多晶层2沉积在衬底1的顶表面10上，并且不通过外延生长来生长。因此，与现有技术一样，衬底1的材料不需要特定的晶粒取向，衬底1可以仅由陶瓷层构成，优选由烧结陶瓷层构成。
[0051] 可以采用
物理气相沉积技术(PVD)或电子束物理气相沉积(EBPVD)并通过通过掠射角沉积技术(GLAD)相对于蒸发源成倾斜角α的方式放置衬底1来沉积多晶层2。后者形成沉积的有源层的倾斜的高度多晶的晶粒结构。GLAD技术在彼得·
马丁(Peter M.Martin)，威廉·安德鲁出版社(William Andrew Publishing)，波士顿，2010年出版，第621-678页，国际标准书号9780815520313的《薄膜和涂层沉积技术手册》(第三版)的第13章-掠射角沉积中得到了很好的描述。https：//doi.org/10.1016/B978-0-8155-2031-3.00013-2。为了-3 -7获得晶体取向为角度α的多晶层2，在蒸发过程中，沉积室内的分压必须在10 -10 mbar的范围内，沉积速率在0.1-1000nm/s的范围内，衬底温度在293-500K之间。
[0052] 优选地，以45度的晶体取向沉积多晶层2以获得最佳沉积。多晶层2是薄层。优选地，多晶层2的厚度在0.3μm和10μm之间，并且上述厚度都适用于快速复位跨多晶体层2的热梯度。
[0053] 多晶层2的材料是选自包括铋(Bi)、碲化铋(Bi2Te3)、铝掺杂的氧化锌(Al:ZnO)和锑(Sb)的热电材料的材料。优选地，通
过热蒸发技术将包含铋的材料沉积在衬底1的顶表面10上。
[0054] 衬底1的顶面的粗糙度Ra有助于有源材料层2与衬底1的粘合，从而防止剥离，并提高探测器的漫反射。
[0055] 甚至可以采用相对较高的粗糙度(>0.6μm)，而不会影响厚度小于500nm的薄膜的横向热电特性。实际上，只要倾斜晶粒的平均方向保持不变，使用直径>>Ra的光点，传感器的响应就可以保持整体稳定。
[0056] 在多晶层2的上表面形成有粘附层3。粘附层3的厚度优选小于20nm，并且优选由
钛组成。
[0057] 钝化层4，优选地是高度非
反应性和高熔点的层，被沉积在粘附层3的顶表面上；钝化层4的厚度优选为80nm至100nm，并且优选由铂或钯组成。
[0058] 粘附层3被配置为用作有源层2和钝化层4之间的粘附层。
[0059] 在层3和4是导电的情况下，金属导电接触层5沉积在层2上或层4上。金属导电层5与多晶层2电接触。
[0060] 沉积金属导电层5以形成两个彼此隔开的触点；单个条带的触点表示电极6、7。电极之间的横向
电场产生电压V(t)。
[0061] 金属导电层5的材料可以是金(Au)、
铜(Cu)、
银(Ag)或钼(Mo)。可选地，金属导电层5由与有源层相同的材料制成，以避免在有源层和导电层5之间的接合处产生热电偶效应，这种效应在条带的串行互连的情况下会累加，移动传感器输出电压信号的基线。即，金属导电接触层5可以是铋(Bi)、碲化铋(Bi2Te3)、铝掺杂的氧化锌(Al:ZnO)或锑(Sb)。
[0062] 然后翻转图1a中的探测器，使得衬底1的后表面11成为衬底1的顶表面，如图1b所示。
[0063] 然后，如图3c所示，使用导热和介电
粘合剂层40将传感器芯片的背面，即衬底1的表面10，附接到合适的散热器60。
[0064] 衬底1在正面上用作入射激光辐射的吸收体。当需要时，当选择的衬底对激光光学透明时(例如AlN、Al2O3)，可以在表面11上沉积不同材料(例如，SiC、Si3N4、
碳纳米管或黑色纹理化的金属层)和厚度(0.1-10μm)的附加吸收层9。为了进一步降低衬底对入射的电磁辐射的反射率，激光纹理化以形成表面形态，来增强衬底的表面11上的光学光捕获。因此，衬底1由对电磁辐射不透明的材料制成，或者由放置在表面11上的附加吸收层9覆盖。
[0065] 以倾斜角沉积在蒸发源和衬底之间的合适的材料(例如Bi、Bi2Te3、Al:ZnO、Sb)的薄膜显示出对激光辐射的横向热电响应。即，如果沿垂直于膜表面的方向存在热梯度，则产生相对于膜表面的平面纵向的热电响应。
[0066] 沿纵向平面可提取的所产生电信号的强度具有明确的方向，并且与生长在衬底上的有源物质薄膜的成角度的颗粒的投影平行，在共面垂直方向上显示最小值。
[0067] 当被辐射
激光器RL辐射时，传感器充当电动势(e.m.f.)发生器。其信号与在有源膜的外表面及其与衬底的界面之间形成的温度梯度成比例。
[0068] 传感器的响应可以由以下公式表示：
[0069] V(t)∝sin(2α)·(S∥-S⊥)·ΔT(t)，
[0070] 其中，α、S∥、S⊥和ΔT分别是有源层2的晶粒相对于衬底平面的法线方向的倾斜角，在平行于投影在图1中的衬底表面10上的有源层2的成角度的晶粒的方向上的
塞贝克系数，垂直于衬底表面10的塞贝克系数和跨膜的温度梯度。
[0071] 优选地，根据本发明的探测器必须被图案
化成单个条带100或多个条带100，优选地以如图2-3所示的相邻的紧密
包装和电隔离的条带的形式。
[0072] 每个条带100优选地具有大约0.5至30mm的宽度W1和在5至30mm的范围内的长度L1。每个条带平行于倾斜的晶粒在衬底1上的投影方向。多个条带中的两个相邻条带之间的间隔W2必须尽可能小，优选地在10μm至100μm之间，以通过感测材料实现衬底的最大相对覆盖率。金属层5提供以在每个条带的末端S1和S2处形成触点；触点彼此隔开。条带的隔离可以通过图1中的探测器的
激光烧蚀或在沉积层2-5之前对衬底1进行适当的掩膜来进行。条带100的形成有两个不同的原因。首先，为了更好地收集条带末端的电信号。第二，为了使本发明的快速传感器的阻抗与电子设备相匹配，该电子设备将数字化源自传感器的
模拟信号。给定有源材料的固定矩形区域和沉积膜的固定厚度，条带的横向密度由完全互连的设备的
电阻抗决定。
[0073] 选择导电
电路的设计以便优化与电子设备的阻抗匹配，该电子设备用于读取从电极6和7提取的
输出信号。
[0074] 如图2所示，导电金属层50布置成用于串行互连有源层2的条带的末端。考虑到图2，被连续布置在从第一条带101到最后一条带10n-的多个条带101…10n中的每个条带的第一末端S1是底部末端。类似地，多个条带中的每个条带的第二末端S2是图2中的顶部末端。
电极6被放置成与多个条带中的第一条带101的第一末端S1的多晶层2接触。电极7被放置成与多个条带中的最后一个条带10n的第二末端S2的多晶层2接触。通过金属导电层50使第一条带101的第二末端S2与多个条带中的第二条带102的第一末端S1电接触，等等。
[0075] 如图3所示，导电金属层50布置成用于串行互连有源层2的条带的末端。然而，在这种情况下，不同于图2中的探测器，多个交替的条带201、301...20n，30n具有相反的晶粒取向。也就是说，相邻条带(201、301；202、302…20n，30n)的有取向的多晶层具有相反的晶粒取向。晶粒的双重取向是通过进行有源材料的两次后续沉积而获得的。通过第一沉积步骤，通过适当地给衬底1掩膜并随后通过采用物理气相沉积技术(PVD)或电子束物理气相沉积(EBPVD)并随后借助众所周知的掠射角沉积技术(GLAD)在相对于蒸发源倾斜角α的
位置上放置衬底1，来制造具有相同晶粒有取向的所有交替的条带。在使衬底1绕轴线旋转180度之后执行第二次沉积，该轴线从衬底的中心经过并且垂直于表面平面。通过采用物理气相沉积技术(PVD)或电子束物理气相沉积(EBPVD)适当且连续地对衬底1进行掩膜，并借助众所周知的掠射角沉积技术(GLAD)将衬底1相对于蒸发源成倾斜角α放置，来制造与所有第一次沉积过程中制造的条带具有相反的晶粒有取向的条带。
[0076] 所述多个交替的条带201、301...20n，30n形成了一系列交替的条带201、301、202、302…20n，30n。在这种方式下，电极6被放置成与多个条带201、301…20n，30n中的第一条带
201的第一末端S1的多晶层4接触。电极7被放置成与多个条带201、301...20n，30n中的最后一个条带30n的第二末端S2的多晶层2接触。通过金属导电层50将第一条带201的第二末端S2与图3底部的多个条带201、301...20n，30n中的第一条带301的邻近的第一末端S1电接触。借助金属导电层50，将条带301的第二末端S2放置成与图3的顶部的多个条带201、
301...20n，30n中的条带202的邻近的第一末端电接触，依此类推。与图2中的探测器相比，图3中探测器的布置可使探测器更紧凑。
[0077] 根据本发明实施例的变型，衬底1的表面10被纹理化(即，通过激
光刻划)。以此方式，获得了反射率的降低和由此导致的光学光捕获的增强。
[0078] 根据本发明的快速探测器的另一变型，在衬底1的顶表面11上沉积附加的吸收层9。用于该层的合适材料是SiC、Si3N4、Al2O3、TiO、碳纳米管或黑色纹理金属层。优选地，取决于材料的折射率和传感器的光谱工作区域，该层的厚度范围为0.1至20μm。厚度的增加会增加传感器的响应时间，同时会增加其对激光辐射的损坏阈值。
