专利名称：一种利用掺杂锰酸盐异质结材料制作的光位置探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光位置探测器件，特别涉及一种利用掺杂锰酸盐异质结材料制作的高灵敏度光位置探测器件。
背景技术：
半导体受光照射产生电动势的现象称为光生伏特效应。如果光不均匀照射，让一个光点照射在材料表面，光生载流子向光点周围扩散，在光点侧向会产生横向光生伏特效应。对于半导体及其p-n结的横向光生伏特效应人们已研究很多(如文献1、Lateralphotovoltaic effect in porous silicon，Daniel W.Boeringer and Raphael Tsu，Appl.Phys.Lett.，65(18)，31(1994))，利用这种效应也制作了半导体非晶硅光位置敏感器件(专利号CN1031779A)；但是远远满足不了实际需要，比如宽频谱、快响应、极限环境等。
自加拿大Manitoba大学在La-Pr-Mn-O中发现庞磁电阻现象以来，人们对庞磁电阻材料进行了大量研究，包括A2B2O7(如Ti2Mn2O7)、A1-xTxBO3(如La1-xSrxMnO3)、T3-xAxB2O7(如Sr1.8La1.2Mn2O7)等化合物，其中A为三价稀土或其它三价元素，B为过渡金属，T为二价碱土金属。我们已申请了用半导体和锰酸镧材料制作p-n结的专利(专利号ZL01104460.8)，但对掺杂锰酸盐异质结材料的横向光生伏特效应未做探讨。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既具有庞磁电阻效应，又有横向光生伏特效应的多功能掺杂锰酸盐异质结材料制作的光位置探测器，该器件具有宽光谱、高灵敏度的性能，在位置控制、目标跟踪及计算机应用方面具有广阔前景；还提供一种利用半导体工艺制作该光位置探测器的方法。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的利用掺杂锰酸盐异质结材料制作的光位置探测器件，包括外壳，p型或n型衬底1，和在其上相应外延生长一层n型或p型光响应薄膜层2，以及在光响应薄膜层2上设置电极和电极引线；其特征在于，所述的光响应薄膜层2为掺杂锰酸盐材料薄膜，其掺杂锰酸盐是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值为0.01～0.5；所述的电极分为第一电极3、第二电极4为一组，2个电极对称设置在光响应薄膜层2上的两边，该组电极输出X轴方向的电压信号，第三电极5、第四电极6为一组，对称设置在光响应薄膜层2的另外两边上，该组电极输出Y轴方向的电压信号，并且两组电极相互垂直；电极引线7的一端与电极连接，电极引线7的另一端是信号输出端。
在上述的技术方案中，所述的衬底选自Si、SrTiO3:Nb、BaTiO3:Nb、BaTiO3:In、SrTiO3:In、ZnO、SrCu2O2、CuAlO2、CuGaO2、La0.05Sr0.95TiO3的p型或n型基片。
在上述的技术方案中，所述的光响应薄膜层2为单层掺杂锰酸盐材料薄膜，或多层结构的掺杂锰酸盐薄膜。
在上述的技术方案中，所述的光位置探测器可以在衬底上制作一个单元，或2个或2个以上单元探测器的多元列阵，即采用粒子束刻蚀或化学腐蚀等技术在已生长好的光响应层2上，刻蚀出2个以上单元的芯片，再用磁控溅射或真空蒸发等工艺在每个单元芯片上制备电极，其中第一电极3、第二电极4为第一组，和第三电极5、第四电极6为第二组，每根电极引线7分别与每个电极连接，把每个单元通过电极和引线进行连接；把芯片装入一个铝制外壳内，用同轴电缆接头引出电极输出端。
在上述的技术方案中，所述的电极可以做成点、线状或平面；可以用银胶连接，或用铟直接焊接，也可以用真空镀膜、磁控溅射光刻和化学腐蚀等方法制备铂、金、银或铝电极。
本发明提供的光位置探测器件的制备方法，包括以下步骤1.利用激光分子束外延、脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射、对向靶溅射、电子束蒸发或粘胶法的制膜工艺，在衬底上制备掺杂锰酸盐材料光响底层，其中制膜条件先将真空室抽真空达到＜10-4Pa，加热衬底使温度达到300℃-900℃时，充入氧气，当氧气压为10-4Pa-100Pa时，开始生长掺杂锰酸盐薄膜，其生长速率控制在0.05nm-10nm/秒的条件范围内，按需要选择最佳生长条件，以保证薄膜很好的外延生长；2.用常规方法制备电极和引线，然后采用常规半导体封装工艺封装在外壳内，制备出掺杂锰酸盐异质结光位置探测器件。
本发明的优点在于本发明提供的利用掺杂锰酸盐异质结材料制作的光位置探测器件，是既具有庞磁电阻效应，又有横向光生伏特效应的多功能材料制作的光位置探测器，该器件输出光敏信号较大，可达200毫伏，可以用来测量光的位置和位移的量。因此本发明提供的掺杂锰酸盐异质结光位置探测器件在工业(如，机床的位置控制、目标跟踪、精密定位)、计算机(如，汉字输入器件)、国防(如，激光准直、光源跟踪)等方面具有广泛的应用。
本发明的光位置探测器可以用激光分子束外延、脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射、对向靶溅射、电子束蒸发或粘胶法等制膜方法，把n型或p型掺杂锰酸盐或n型和p型的叠层直接外延生长在Si、SrTiO3:Nb、BaTiO3:Nb、BaTiO3:In、SrTiO3:In、ZnO、SrCu2O2、CuAlO2、CuGaO2、La0.05Sr0.95TiO3等多种p型或n型基片上，利用半导体工艺，可以在一块掺杂锰酸盐芯片上制作单个单元器件，还可以制备出多个单元、多元列阵式的掺杂锰酸盐异质结光位置探测器件，因此本发明的制备方法简单，易于工业化批量生产。
图1是掺杂锰酸盐异质结光位置探测器件结构示意2是由3个单元掺杂锰酸盐异质结光位置探测器组成的1×3线列式结构示意3是由4个单元掺杂锰酸盐异质结光位置探测器组成的4×1线列式结构示意4是由6个单元掺杂锰酸盐异质结光位置探测器组成的2×3列阵式结构示意5是由16个单元掺杂锰酸盐异质结光位置探测器组成的4×4面阵式多元结构示意6是La0.67Ca0.33MnO3/Si光位置探测器件横向光生伏特效应曲线，横坐标为光点在电极3、4之间的位置坐标，原点为电极3、4之间的中点。纵坐标为在电极3、4之间测得的光生伏特电压。测量用激光器波长为308nm，脉宽为25ns，能量密度为0.5mJ/mm2。
图面说明如下1-衬底； 2-光响应薄膜层； 3-第一电极；4-第二电极； 5-第三电极； 6-第四电极；7-电极引线。
具体实施例方式
实施例1下面结合附图和实施例对本发明的结构进行详细地说明参考图1，制备一本发明的具有一个单元的掺杂锰酸盐异质结材料光位置探测器件选用激光分子束外延设备，在n型Si单晶衬底1上直接外延生长La0.67Ca0.33MnO3光响应薄膜层2，其中光响应薄膜层2的厚度为0.5nm，形成La0.67Ca0.33MnO3/Si两层异质结构样品；把制备好的La0.67Ca0.33MnO3/Si两层异质结样品切割成尺寸为1×1cm2的芯片，用铟在La0.67Ca0.33MnO3薄膜左右边的表面对称位置上，设置第一电极3和第二电极4成为一组；在La0.67Ca0.33MnO3薄膜的上下两边表面上的对称位置处，再设置第三电极5和第四电极6；并且两组电极相互垂直，所述的电极约为φ2mm；用φ0.1mm的铜线作电极引线7，并用铟把φ0.1mm铜电极引线7的一端分别焊接在两组电极上，这样芯片就制备完成。把芯片装入一个铝制外壳内，用同轴电缆接头引出输出端制成具有一个单元的光位置探测器件。用波长为308nm脉冲激光器(脉宽25ns，能量密度0.5mJ/mm2)照射这个光位置探测器件，电极3、4间输出X轴方向的电压信号Ux，电极5、6间输出Y轴方向的电压信号UY，如图6是光点落在不同位置时的电压响应曲线。
实施例2参考图2，制作具有3个单元的掺杂锰酸盐异质结材料光位置探测器件。用一块3mm×10mm的n型SrTiO3:Nb单晶作为衬底1，并在其上用脉冲激光沉积工艺，直接外延生长50nm厚的Nd0.9Sr0.1MnO3光响应层2，用粒子束刻蚀技术在已生长好的Nd0.9Sr0.1MnO3光响应层2上刻蚀出2mm×2mm大小，其间距为0.1mm的3个单元，成为具有3个单元的器件，用磁控溅射工艺在每个单元器件上，制备出0.2mm×0.2mm大小的两组相互垂直的第一电极3、第二电极4；和第三电极5、第四电极6，从每个电极连接电极引线7，把每个单元器件的电极5分别连接到公共电极，相邻单元器件的电极3、4按图2所示串联连接，制备出1×3线列式光位置探测芯片。把芯片装入一个铝制外壳内，用同轴电缆接头引出输出端制成具有3个单元的光位置探测器件。
实施例3参考图3，制作具有4个单元的掺杂锰酸盐异质结材料光位置探测器件。用5mm×10mm大小的n型BaTiO3:Nb单晶作为衬底1，在其上选用分子束外延法直接外延生长1000nm厚的Pr0.5Ba0.5MnO3光响应层2，用粒子束刻蚀技术在外延片上刻蚀出4个4mm×2mm大小的，间距为0.2mm的4个单元，成为4个单元器件，用真空蒸镀工艺在每个单元器件上制备0.1mm×1mm的金的两组相互垂直的铂电极3、4和5、6，从每个电极连接电极引线7，把每个单元器件的电极3分别连接到公共电极，沿X方向，每个单元器件的电极4作为信号输出电极，沿Y方向，相邻单元器件的电极5、6通过引线7串联连接作为信号输出电极，上单元的电极6作为上端的信号输出电极。这样制备出4×1线列式光位置敏感器件芯片，再将该4×1线列式光位置敏感器件芯片装入外壳内，用同轴电缆接头引出电极输出端。
实施例4参考图4，制作具有6个单元的掺杂锰酸盐异质结材料光位置探测器件。用10mm×10mm大小的p型SrTiO3:In单晶作为衬底1，在其上选用磁控溅射法直接外延生长2μm厚的La0.77Ce0.3MnO3光响应层2，用粒子束刻蚀工艺在外延片上刻蚀出6个3mm×4mm大小间距为0.3mm的单元器件，用真空蒸镀方法在每个单元上制备φ0.5mm的铝的两组电极，从每个电极连接引线7。沿X方向，把下一排中每个单元器件的电极5连接到公共电极；沿Y方向，把每个左单元器件的电极3连接到另一个公共电极。沿X方向，相邻单元的电极3和4串联连接作为信号输出电极，每个右单元的电极4作为右端的输出电极；沿Y方向，上单元的电极5和下单元的电极6串联连接作为信号输出电极，每个上单元的电极6作为上端的信号输出电极。这样制备出6个单元芯片组成的2×3列阵式光位置探测芯片，再将该2×3列阵式光位置敏感器件芯片装入外壳内，用同轴电缆接头引出电极输出端。
实施例5参考图5，制作具有16个单元的掺杂锰酸盐异质结材料光位置探测器件。用20mm×20mm大小的n型ZnO单晶衬底1，在其上选用对向靶溅射方法直接外延生长500nm厚的La0.7(Pr，Sr)0.3MnO3光响应层2，用粒子束刻蚀技术在外延片上刻蚀出4mm×4mm大小的间距为0.1mm的16个单元器件。采用对向靶溅射在La0.7(Pr，Sr)0.3MnO3层2上制备200nm厚的银膜，用光刻和化学腐蚀方法在每个单元上制备φ0.1mm的银电极3、4和5、6，从每个电极连接引线7，按图5所示沿X和Y方向分别进行串联连接。沿X方向，把下排中每个单元器件的电极5连接到公共电极；沿Y方向，把每个左单元器件的电极3连接到另一个公共电极。沿X方向，相邻单元的电极3和4串联连接作为信号输出电极，每个右单元的电极4作为右端的信号输出电极；沿Y方向，相邻单元的电极5和6串联连接作为信号输出电极，上排中每个单元的电极6作为上端的信号输出电极。这样制备出16个单元芯片组成的列阵式4×4多元面阵式光位置探测芯片，再将该4×4列阵式光位置敏感器件芯片装入外壳内，用同轴电缆接头引出电极输出端。
实施例6参考图1，制作具有1个单元的掺杂锰酸盐薄膜叠层材料光位置探测器件。按实施例1的结构制作，只是光响应层2选用200nm厚的La0.7Ce0.3MnO3和100nm厚的La0.7Sr0.3MnO3的叠层，其它结构同实施例1。
实施例7参考图1，光响应层2选用La0.67Ca0.33MnO3，其它结构同实施例1。
实施例8按实施例1制作，光响应层2选用厚度为1000nm厚的La0.9Sn0.1MnO2；其它结构同实施例9按实施例1制作，光响应层2选用厚度为100nm厚的La0.9Sb0.1MnO2；其它结构同实施例1。
实施例10按实施例1制作，光响应层2选用厚度为1μm厚的La0.65Ta0.35MnO3其它结构同实施例1。
实施例11按实施例1制作，光响应层2用La0.9Nb0.1MnO3代替La0.67Ca0.33MnO3，该光响应层2的厚度为10nm；其它结构同实施例1。
实施例12
按实施例1制作，光响应层2用La0.7Pb0.3MnO3代替La0.67Ca0.33MnO3，该光响应层2的厚度为150nm；其它结构同实施例1。
实施例13按实施例2制作，光响应层2用La0.5Te0.5MnO3代替Nd0.9Sr0.1MnO3，该光响应层2的厚度为300nm；其它结构同实施例2。
实施例14按实施例2制作，光响应层2用Sm0.8Ca0.2MnO33代替Nd0.9Sr0.1MnO3，该光响应层2的厚度为600nm；其它结构同实施例2。
实施例15按实施例3制作，光响应层2用Pr0.99Ba0.01MnO3代替Pr0.5Ba0.5MnO3，该光响应层2的厚度为20nm；其它结构同实施例3。
实施例16按实施例1制作，用La0.05Sr0.95TiO3代替n型Si作衬底1，其它结构同实施例1。
实施例17按实施例4制作，用p型Si代替p型SrTiO3:In作衬底1，其它结构同实施例4。
实施例18按实施例4制作，用p型BaTiO3:In代替p型SrTiO3:In作衬底1，其它结构同实施例4。
实施例19按实施例4制作，用SrCu2O2代替p型SrTiO3:In作衬底1，其它结构同实施例4。
实施例20按实施例4制作，用CuAlO2代替p型SrTiO3:In作衬底1，其它结构同实施例4。
实施例21按实施例4制作，用CuGaO2代替p型SrTiO3:In作衬底1，其它结构同实施例4。
实施例22按实施例1制作，只是使用电子束蒸发制备光响应层。
实施例23按实施例1制作，只是使用粘胶法制备光响应层。
实施例24按实施例1制作，用银胶代替铟做电极。
最后所应说明的是以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解对本发明的结构或方法进行修改或者等同替换，如用增加或改变光响应层中搀杂的品种和量，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种利用掺杂锰酸盐异质结材料制作的光位置探测器，包括外壳，p型或n型衬底(1)，和在其上相应外延生长一层n型或p型光响应薄膜层(2)，以及在光响应薄膜层(2)上设置电极和电极引线；其特征在于，所述的光响应薄膜层(2)为掺杂锰酸盐材料薄膜，其掺杂锰酸盐是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值为0.01～0.5；所述的电极分为第一电极(3)、第二电极(4)为一组，2个电极对称设置在光响应薄膜层(2)上的两边，该组电极输出X轴方向的电压信号，第三电极(5)、第四电极(6)为一组，对称设置在光响应薄膜层(2)的另外两边上，该组电极输出Y轴方向的电压信号，并且两组电极相互垂直；电极引线(7)的一端与电极连接，电极引线(7)的另一端是信号输出端。
2.按权利要求1所述的利用掺杂锰酸盐异质结材料制作的光位置探测器，其特征在于，所述的衬底(1)选自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.按权利要求1所述的利用掺杂锰酸盐异质结材料制作的光位置探测器，其特征在于，所述的光响应薄膜层(2)为单层掺杂锰酸盐材料薄膜，或多层结构的掺杂锰酸盐薄膜。
4.按权利要求1所述的利用掺杂锰酸盐异质结材料制作的光位置探测器，其特征在于，还包括在衬底(1)上制作2个或2个以上单元的多元列阵光位置探测器。
5.按权利要求4所述的利用掺杂锰酸盐异质结材料制作的光位置探测器，其特征在于，所述的多元列阵光位置探测器为在已生长好的光响应层(2)上，刻蚀出所述的多元列阵芯片，在多元列阵芯片的每个单元的光响应层(2)上制备电极，其中第一电极(3)、第二电极(4)为第一组，和第三电极(5)、第四电极(6)为第二组，每根电极引线(7)分别与每个电极连接，把每个单元通过电极和引线进行连接；把芯片装入一个铝制外壳内，用同轴电缆接头引出输出端。
6.按权利要求1、2、3、4或5所述的利用掺杂锰酸盐异质结材料制作的光位置探测器，其特征在于，所述的电极形状为点状、线状或平面形。
全文摘要
本发明涉及一种利用掺杂锰酸盐异质结制作的光位置探测器，包括在p型或n型衬底上相应外延生长一层n型或p型光响应薄膜层，所述的光响应薄膜层为R
文档编号G01D5/26GK1956228SQ20051011458
公开日2007年5月2日 申请日期2005年10月26日 优先权日2005年10月26日
发明者赵昆, 吕惠宾, 何萌, 黄延红, 金奎娟, 邢杰, 刘国珍, 陈正豪, 周岳亮, 杨国桢 申请人:中国科学院物理研究所