采用各向异性热电材料的激光电源传感器的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年7月17日提交的美国专利申请No. 13/944,835的优先权，所述专 利申请的全部公开在此通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本发明总体设及激光福射检测器。本发明具体设及采用横向热电效应的激光福射 检测器。
【背景技术】
[0004] 激光福射检测器(传感器)被用于激光器应用中，其中需要测量或者监测激光福射 功率。功率测量可简单地通过记录-保持来获取或者作为一些闭合回路控制装置的一部分。 常用的福射检测器基于光电二极管或热电堆。
[0005] 基于光电二极管的传感器通过将被测量的福射的光子能转换成光电二极管中的 电子-空穴对从而产生相应的电流来检测激光福射，运被用作激光福射功率的测量。光电二 极管传感器具有相对快的时间响应，其中上升时间通常小于1微秒(ys)。光电二极管检测器 的缺点在于受限的频率响应。该频率响应由用于形成光电二极管的具体半导体材料确定。 举例来说，基于娃的光电二极管传感器具有介于大约0.2微米(WH)和大约2.Owii之间的光谱 接受带宽。光电二极管的第二个限制是相对低的光学功率饱和。光电二极管通常受限为小 于大约100毫瓦(mW)的激光功率的直接测量。
[0006] 热电堆传感器包括吸收福射的固体元件，从而使得该元件加热。与该元件接触的 一个或多个热电偶产生表示入射在该元件上的激光福射功率的电流或电压。热电堆传感器 具有相对于光电二极管检测器较慢的响应时间。该响应时间取决于传感器元件的尺寸。举 例来说，具有19毫米(mm)和200mm的孔的放射式热电堆的响应时间分别大约为1秒和30秒。 热电堆传感器的频率响应取决于传感器的吸收频谱。通过对传感器适当选择和配置，频率 响应可从紫外化V)波长扩展至远红外波长。利用适当的热沉，热电堆传感器可测量高达10 千瓦化W)的激光功率。
[0007] -种相对新的检测器类型已经被提出来用于提供可与光电二极管检测器比拟的 时间响应W及可与热电堆检测器比拟的频率响应，该新的检测器类型基于使用一层各向异 性横向热电材料作为检测器元件。通过W定向的多晶结晶形式生长材料来形成运种各向异 性层，其中晶体W不与该层的平面正交的方式倾斜。
[000引各向异性层吸收将被测量的福射从而加热该层。运就产生了与该层垂直的方向上 的通过各向异性材料的热梯度。该热梯度继而又产生了与该热梯度正交的电场。该电场正 比于被吸收的入射福射的强度。运种检测器可被称为横向热电效应检测器。如果各向异性 层做得足够薄，例如仅仅几微米厚，则检测器的响应时间将能够与光电二极管检测器的响 应时间的相比拟。频率响应仅仅受限于各向异性材料的吸光率。缺点在于，横向热电效应相 对于光电二极管的响应较弱。
[0009] 授权给I'akahasM等人的美国专利齡.8，129,689(^下称为1'曰1?111曰3111)中描述了 一种横向热电效应检测器。TakahasM试图通过提供在透明结晶衬底的相对侧上生长的第 一和第二各向异性材料层来转移横向热电效应的弱点。在化kahashi检测器中，未被各向异 性材料的第一层吸收的福射很可能被第二层吸收。提出可将反射涂层添加至第二层W反射 第二层未吸收的任意福射，从而得到通过两层的第二通道。
[0010] 可通过公知的倾斜衬底沉积（ISD)工艺来沉积定向的多晶层。在美国专利No. 6， 265,353和美国专利齡.6,638,598中详细描述了该工艺。还可通过(不那么多功能的）离子 束辅助沉积（IBAD)工艺生长定向的多晶层。C.P.Wang等人在Applied曲ysics Letters (Vol.71,20,PP.2955,1997)上发表的论文"Deposition of in-plane textured MgO on amorphous Si3N4substrates by ion-beam-assisted deposition and comparisons with ion-beam assisted deposited yttria-stabilized-zirconia" 中提供了该工艺的 一种说明。
[0011]上述化kahashi检测器允许各向异性材料层保持较薄，同时增大吸收的光的量，但 是要求两侧抛光的透明结晶衬底，其成本对大多数商业应用来说很可能是不允许的。而且， Takashi检测器结构隔绝了结晶衬底，由此限制了使得衬底热沉的能力。运就将检测器的功 率处理能力限制为小于大约10瓦(W)的最大功率，而且可能导致非线性的响应。
【发明内容】
[0012] 在一个方面中，根据本发明的一种福射检测器传感器包括铜衬底。定向的多晶缓 冲层布置在衬底的表面。缓冲层具有第一角度的晶向，第一角度介于大约10度和大约45度 之间。缓冲层顶部形成有选自热电材料组的热电材料的定向的多晶传感器元件，热电材料 组由铺领铜酸盐，锁钻酸钢和钻酸锁组成。传感器元件具有相对于衬底的所述表面的所述 法线成第二角度的结晶C轴定向，第二角度介于大约10度和大约45度之间。一个或多个保护 层被布置在传感器层上。福射-吸收层被布置在一个或多个保护层上。第一和第二电极隔开 并与传感器层电接触。
【附图说明】
[0013] 并入本文并构成本说明书一部分的附图示意地图示了本发明的优选实施例，并且 与上述
【发明内容】
和优选实施例的下述详细说明一起解释了本发明的原理。
[0014] 图1是示意地图示出根据本发明的横向热电检测器的优选实施例的截面图，其包 括铜衬底、衬底上的缓冲层、缓冲层上的传感器层、传感器层上的保护层W及保护层上的吸 收层，其中隔开的电极与传感器层电接触。
[0015] 图IA是示意地图示出根据本发明的横向热电检测器的另一优选实施例的截面图， 其类似于图1的实施例，但是其中保护层被不同材料的=层的保护组代替。
[0016] 图2是示意地图示出用于图1和图IA的检测器的电极和图案化的传感器层材料的 优选布置的俯视平面图。
[0017] 图3是示意地图示出针对图2中传感器层是铺领铜酸盐层的检测器示例的作为入 射的CW激光福射功率的函数的测得的横向热电信号的示图。
[0018] 图4是示意地图示出针对图3的检测器示例的作为入射的10纳秒脉冲能量函数的 测得的峰值热电压和反射能量的示图。
[0019] 图5是示意地图示出针对图4的检测器示例的响应于单个10纳米脉冲福射的作为 时间的函数的横向热电电压信号的示图。
[0020] 图6是示意地图示出针对图4的检测器示例中的效率的归一化空间均匀性的等值 线图表。
【具体实施方式】
[0021] 现在参见附图，其中类似的组件被标有类似的附图标记，图1示意地图示出根据本 发明的横向热电传感器的优选实施例30。传感器30包括高热导材料的衬底32。衬底32的优 选材料是铜(Cu)。铜衬底是优选材料的原因在于其高热导率和相对低的成本。说明书和所 附权利要求中使用的术语"铜衬底"包括由铜的富含铜的合金(copper-riCh a 11 oy)制成的 衬底。衬底32具有抛光表面32A，优选地具有小于大约0.5皿的RMS粗糖度。衬底可选地与热 沉48电接触，热沉48可W被动地或主动地被冷却。
[0022] 定向的多晶缓冲层34被布置在衬底的表面32A上。缓冲层34的优选材料是氧化儀 (MgO)。其它适当缓冲层材料包括锭稳定的氧化错(YSZ)、W及氧化姉(Ce02)。缓冲层34具有 柱形晶粒结构，其晶轴(C轴)46在相对于衬底表面32A的法线47成介于大约10度和大约45度 之间的角度的方向上W角度a倾斜。在附图中，晶轴的a-c平面是附图平面，而结晶b轴与附 图平面垂直。缓冲层的优选厚度介于大约0.5WI1和大约4. Owii之间。
[0023] 传感器-材料36的层36被布置在缓冲层32上。缓冲层的倾斜的定向的晶体结构使 得传感器-材料的层W提供期望的瞬态热电效应所需的倾斜多晶形式生长。倾斜的结晶结 构在附图中W长虚线表示。
[0024] 缓冲层的使用消除了衬底是结晶的需要，允许使用优选的铜衬底。传感器层(C轴 定向）的结晶定向可相比于缓冲层的结晶定向，即，介于大约10度和大约45度之间但是优选 地介于大约15度和大约40度之间。用于缓冲和传感器层的倾斜角度可W大约相同或者在标 准范围内的稍微不同的角度。
[0025] 传感器层的材料是选自热电材料组的材料，热电材料组由铺领铜酸盐 (DyBa2Cu307-d，通常缩写为DyBCO)、锁钻酸钢（SrO. 3化0.2C〇02)和钻酸锁（Sr3Co409)组 成。铺领铜酸盐是最优选的。传感器层36的优选厚度介于大约300纳米(nm)和大约2000nm之 间。该厚度小于缓冲层的厚度而且是创建传感器层上的高热梯度所需的。
[0026] 可选地，层50被布置W用于保护传感器层W防止环境退化。当DyBCO被用作传感器 层36,运种保护层是关键的。保护层的优选材料包括MgO、二氧化娃(Si02)、W及诸如聚娃氮 烧之类的含娃溶胶凝胶材料。可W使用运些材料的单个保护层或者多层组合。在没有保护 层时，在暴露至环境氧气和提升的溫度下，DyBCO的热电特性将在相对快的时间内衰退。类 似地，钻酸锁和锁钻酸钢由于暴露至大气湿度而衰退。保护层50的优选厚度介于大约0.2皿 和大约2. Owii之间。
[0027] 可选的黑色福射-吸收层42被生长在保护层50上。该层的吸收频谱根本上确定了 本发明的横向热电福射传感器的频率响应。层42的适当材料包括碳化棚、氮化铁、氧化铭、 黑色金属(gold black)和碳。类金刚石(DLC)形式的碳是优选的。运种化C层可通过本领域 已知的磁控瓣射进行生长。吸收层42优选地具有介于大约0.5WI1和大约5.0皿之间的厚度。 不管所选的材料是什么，层42优选地被做得足够厚W使得大约95%或更多的福射被吸收而 且被转换成吸收层中的热。层42中的不完全吸收导致小于最佳热电响应信号，而且可导致 非线性响应。
[00%]当福射-吸收层被入射的福射加热时，热梯度在福射-吸收层和铜衬底32之间被形 成传感器层36上方。由于倾斜的晶轴引起的传感器层36的热电特性的高各向异性，传感器 层的厚度上的热流产生了与热流(热梯度)方向垂直(横切）的传感器层中的电场。横向电场 是由于针对传感器层材料的结晶a-b和C方向中的Seebeck系数的显著不同的值造成的。 [0029]彼此平行的隔开的细长电极38和40被布置在传感器层36上并与之电接触。电极的 适当材料包括金(Au