（测试计量技术及仪器专业论文）新型超高速光导开关加工的研究.pdf

中文摘要 利用扫描探针显微镜针尖诱导氧化加工纳米级t i 膜，形成的氧化物t i o ，和 t i 膜，构成金属绝缘体金属结构，从而可以实现加工各种纳米器件，如单电子 晶体管、高电子迁移率晶体管、光导开关和单电子存储器。超高速光导开关在超 高速器件测试和光通信等领域有广泛的应用。本文围绕超高速光导开关的设计和 理论计算、衬底材料制各与器件的特性测试等关键问题，主要完成了以下四个方 面的工作： 1 开展了纳米电子、光电器件衬底材料的选择工作，经分析比较，采用低 温生长的g a a s 材料作为超高速光导开关的衬底，利用a f m 阳极氧化加工方法 在超薄钛膜上加工的氧化钛线作为超高速光导开关的功能结构，同时选择共面带 状线结构作为光导开关的传输线，从而设计了新型的光导开关的整体结构；通过 理论分析计算，解出了设计的新型光导开关的输出特性的近似数值解； 2 开展了纳米薄膜的制各及检测方法的研究，利用对向靶直流磁控溅射方 法制各纳米钛膜，用a f m 测量了钛膜的表面平整度，s t m 测量了钛膜的i v 曲 线，表明制各的钛膜具有很高的表面平整度和良好的导电性；非常适于超高速光 导开关的氧化加工； 3 进行了纳米钛膜氧化加工的实验研究，在现有理论的基础上推导了符合 实验结果的理论模型，得到加工较好的氧化钛线的最合适条件为：偏压8 v 、扫 描速度0 1r t m s 和相对湿度3 0 5 0 ；在上述确定的条件下，从左到右每隔1 肛m 加工了6 条5 t t r n 长的纳米氧化钛线，此条件下加工的纳米氧化钛线的高度和宽 度的一致性以及直线度都比较好。并通过加工点阵列研究了a f m 阳极氧化加工 的重复性。 4 开展了新型光导开关的结构设计和加工的研究，设计并制作了形成光导 开关传输线和电极结构的三块光刻版；结合光刻工艺、磁控溅射技术和a f m 阳 极氧化方法加工了超高速光导开关的传输线、电极、功能间隙的钛膜和氧化钛线， 测量了超高速光导开关的暗电流电压特性。并且研究了氧化钛线宽度和数目对 光导开关特性的影响。 关键词：光导开关超薄钛膜a f m 阳极氧化隧道结 a b s t r a c t t h i nt i t a n i u mf i l mc a r lb eo x i d i z e dc o m p l e t e l yw i t hs c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ( s p m ) v i aa n o d i c o x i d a t i o nt of o r mm e t a l i n s u l a t o r - m e t a l ( m i m ) s t n l c t u r et o f a b r i c a t ev a r i o u sn a n o m e t e rs c a l ee l e c t r o n i ca n do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s s u c h 如 s i n g l ee l e c t r o nt r a n s i s t o r ( s e t ) ，h i g he l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r , s i n g l ee l e c t r o n m e m o r y ( s e m ) a n dp h o t o c o n d u c t i v es w i t c h u l t r a - f a s tp h o t o c o n d u c t i v es w i t c hh a s e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n i nt h ef i e l do fu l t r a - f a s td e v i c e s t e s t i n g a n d o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n 1 1 地k e yp r o b l e m so fd e s i g na n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no f u l t r a f a s t p h o t o c o n d u c t i v es w i t c h ，p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fs u b s t r a t em a t e r i a l ，a n d c h a r a c t e r i s t i cm e a s u r e m e n to ft h ef a b r i c a t e dp r o t o t y p ed e v i c ew e r ee x t e n s i v e l y s t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er e s e a r c hw o r km m u l yi n c l u d e sf o u ra s p e c t s 够 f o l l o w s ： 1 1 1 1 es u b s t r a t em a t e r i a l so fn a n oj e l e c t r o n i ca n dl l a n oo p t o - e l e c t r o n i cd e v i c e s w e r ec o m p a r e da n ds e l e c t e d f r o ma n a l y z i n g ，g a a sg r o w nb ym o l e c u l a rb e a m e p i t a x y ( m b e ) a tl o ws u b s t r a t et e m p e r a t u r e sw a sc h o s e na st h es u b s t r a t e ，o x i d a t i o n t i t a n i u ml i n ef a b r i c a t e do nu l t r a - t h i nt i t a n i u mf i l mb ya f ma n o d i co x i d a t i o nf i t st h e f u n c t i o n a lp a r ta n dc o p l a n es t r i pg e o m e t r ya st h et r a n s m i s s i o nl i n eo f p h o t o c o n d u c t i v e s w i t c ht of o r man o v e lu l t r a - f a s tp h o t o c o n d u c t i v es w i t c h t h ea p p r o x i m a t en u m e r i c a l v a l u eo f o u t p u tc h a r a c t e r i s t i co f t h ed e s i g n e dn o v e ld e v i c ew a ss o l v e d 2 f a b r i c a t i o na n dt e s t i n gm e t h o d so fn a n ot h i nf i l mw e r ed e v e l o p e d u l t r a - t h i n t i t a n i u mf i l mw a s , d e p o s i t e dw i t hd u a lf a c i n gt a r g e ts p u t t e r i n gs y s t e m ，t h es u r f a c e f l a t n e s so ft h ef i l mw a sm e a s u r e dw i t ha f ma n dt h ei - vc u r v eo ft 1 1 ef i l mw a s m e a s u r e dw i 协s t m t h em e a s u r e dr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed e p o s i t e dt i t a n i u mf i l m w a sv e r yf i a ta n dh o m o g e n e o u sa n di th a de x c e l l e n tc o n d u c t i v i t y s oi tc a r lb eu s e df o r a n o d i co x i d a t i o n 3 e x p e r i m e n t so f a f m a n o d i co x i d a t i o no f t if i l mu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n sw e r e e x t e n s i v e l yc a r r i e do u ta n dr e l e v a n tt h e o r e t i c a lm o d e l i n gw a sd e d u c e db a s e do n p r e s e n tt h e o r i e s n 圯p r o p e rc o n d i t i o n st op e r f o r ma f mo x i d a t i o no ft i t a n i u mw e r e b i a s e dv o l t a g eo f b y , s c a n n i n gs p e e do f o 1u r n sa n dr e l a t i v eh u m i d i t yo f3 0 0 p 5 0 u n d e rs u c hc o n d i t i o n s ，s i xl l a n o o x i d a t i o nt i t a n i u ml i n e s5 i n nl o n gw e r ef a b r i c a t e d f r o ml e f tt or i g h ta te v e r yli m as e p a r a t i o nw h i c hi n d i c a t e dt h a tt h o s el l a n o o x i d a t i o n l i n e sh a dt h ee x c e l l e n tc o n s i s t e n c yo f t h eh e i g h t ，w i d t ha n dl i n e a r i t y t h er e p e a t a b i l i t y o f a f mo x i d a t i o nh a db e e ns t u d i e db yf a b r i c a t e dd o t sa r r a yo nt i t a n i u mf i l m 4 s t r u c t u r ed e s i g na n df a b r i c a t i o np r o c e s so f n o v e lp h o t o c o n d u c t i v es w i t c hw e r e c a r r i e do u t t h r e em a s k sw e r ed e s i g n e da n dp r e p a r e dt of o r mt r a n s m i s s i o nl i n e sa n d e l e c t r o d e so fu l t r a - f a s tp h o t o c o n d u c t i v es w i t c h t h et r a n s m i s s i o nl i n e s 。e l e c t r o d e s f u n c t i o n a lg a po f u l t r a - t h i nt i t a n i u mf i l ma n do x i d a t i o nt i t a n i u ml i n e sw e r ef a b r i c a t e d w i t hm i c r o - e l e c t r o n i co p t i c a ll i t h o g r a p h y , d u a l f a c i n gt a r g e ts p u t t e r i n ga n da f m a n o d i co x i d a t i o nt of o r map r o t o t y p eo fu l t r a f a s tp h o t o c o n d u c t i v es w i t c h n ed a r k 1 vc h a r a c t e r i s t i co ft h eu l t r a - f a s tp h o t o c o n d u c t i v es w i t c hw a sm e a s u r e d a n dt h e e f f e c to f t h ew i d t ha n dn u m b e ro f t i t a n i u ml i n e st ot h ec h a r a c t c r i s t i co f t h eu l t r a - f a s t p h o t o c o n d u c t i v es w i t c hh a db e e ns t u d i e d k e yw o r d s - p h o t o c o n d u c t i v es w i t c h ，u l t r a - t h i nt i t a n i u mf i l m ，a f ma n o d i c o x i d a t i o n , t u n n e h n g j u n e t i o n 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名；孝锹 签字日期：j 彤年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤亟盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权孟鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：笃与欲 签字日期：2 年月、日 导师签名：叫b 、细 签字日期：砌月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光导开关的发展与研究现状 1 。 1 先导开关的基本工作艨理 光导开关( p h o t o c o n d u c t i v es e m i c o n d u c t o rs w i m h ，p c s s ) 是一种利用激光能 量激融拳簿薅秘精，後矮毫导率发缀变德瑟产雯瞧黥净懿惫彀转琵爨终。 图1 - 1 光导开燕的结构示意圈 光导歼关一般由块半导体光学搴季料积一条宽带传输线缀成。光导材辩一鹾 通过一段究邀传输线与一童漉电源袋脉冲电源糖连，另一端通遥传输线与一艇配 负载相连。光导材料通常是s i 、o a a s 等高阻半导体，它可以鼹片状或块状的。 p c s s 的络构如图1 一l 所示。在没有光照( 称为暗态) 的情况下，由于光导材料 熬龟隧搴缀褰，逶 童嚣笑戆龟滚( 豁隽臻电滚) 缀，l 、，齐关在纛滚或歇洚壤攫下 处于断开状态。而当激光照射到光静材料上的时候，会在极短的时间内在半碍体 材料中产嫩了光生载流予，形成大爨的电子空穴辩，材料电阻率突降，开荚很 快扶阻甄状态转换为髫遴状态，p c s s 两端电压下蹲，这一转羧过程可以程皮秒 甚至亚皮移爨级的对滴肉完成( 与誊季料的特性参数、光脉冲静波长、脉冲燕度、 脉冲功率锝参数有关) ，因此，晌成速度是相当快的。当光脉冲熄灭后，由于载 流子的复会，p c s s 将很快恢复阻断状态，这样农受载上就得到了一个电脉冲。 改变走导糖辩懿蒋整( 细载流予懿寿愈) 霹激灏您稼洚戆波长、麓量、敬宽等参 量便可实现对输出电脉冲参量的有效控制，这就怒p c s s 的基本工作原理。 1 。1 。2 光导开关的发展历史 1 9 7 2 年，m a r y l a n d 大学的j a y a r a m a n 和l e e f 5 】酋次发现半导体材料的光导对 第一章绪论 皮秒光脉冲的反应时间可在皮秒的范围内。这为后来光导开关瞬时性的研究提供 了实验数据。1 9 7 5 年，美国b e l l 实验室a u s t o n 等人f 6 】利用s i 半导体制成皮秒光 导开关，用来做直流电压转换开关，触发源为皮秒光脉冲。】9 7 7 年，l e e l 7 1 指出 g a a s 比s i 更适合做具有高重复速率的光导开关，因为s i 材料的载流子寿命太 长，而g a a s 具有载流子寿命短、迁移率高、暗电阻率高等优点。1 9 8 1 年，在 l e e 和m a r t h u r l 8 j 的实验室成功用g a a s 和c d s o5 s e o5 产生了幅值高达几k v 的不 同宽度的电脉冲。1 9 8 4 年，m o u r o u 等人1 9 】开始用g a a s 做高功率开关；同年， n u n n a l l y 和h a m m o n d l l 0 研制出了在高温下工作的高功率g a a s 开关，这种开关 可在1 5 0 k v 偏压工作，能产生1 0 0 k v ，2 k a 的电脉冲。1 9 8 8 年，s e h o e n b a c h 等 人l i ”提出用掺硅、补偿铜的砷化镓做光导开关。它能根据需要随时关断开关，断 开时间在l f f l o s 数量级。这使光导开关在感性储能系统中的应用成为可能。此后， 许多实验室都对g a a s 光导开关进行了实验和研究。1 9 8 9 年，s a n d i a 小组1 1 2 】证 实g a a s 开关可耐电压超过1 0 0 k v ( 电场6 7 k v c m ) l o u b f i e l 等人1 1 3 】发现g a a s 中存在锁定现象。在这种工作条件下，光导开关可以获得很高的增益，此时光导 开关获得同样的输出功率所需的触发光能比线性模式下小3 5 个数量级。 1 1 3 光导开关的研究现状 目前，光导开关的研究主要集中在两个方面：利用开关非线性效应的大功率 光导开关和利用线性的低功率超短脉冲光导开关。高功率光导开关已实现1 0 0 p s 的上升时间、几百万伏的峰值电压或几万安培的光生电脉冲。大功率光导开关在 设计上电场击穿与散热成为首要考虑的问题。为提高高压开关的耐压性，制作高 功率光电导开关的材料应具有尽可能大的暗电阻，同时又具有较短的载流子寿 命，通常以低温生长的g a a s 作为高压光导开关的衬底材料。 国内其他一些课题组主要集中在利用传统制备方法研制基于i i v 族半导 体材料的高功率光导开关的研究。西安理工大学自动化学院的李琦和施卫等人【1 4 】 加工的间隙为3 m m 的横向半绝缘g a a s 光导开关，在3 5 k v 直流偏置电压和 1 0 6 4 n m 的激光脉冲触发下，得到开关输出电脉冲的上升时间小于2 0 n s 。光导开 关的输出对触发光脉冲是一种超线性时间响应。西安电子科技大学物理电子学院 的阮成礼和林维涛等人【1 5 1 利用高阻特性的i n p ：f e 材料，制成间隙分别为2 m m 和 3 m m 的横向型光导开关，在偏压2 5 0 0 v 的条件下，利用波长为5 3 2 n m 、脉冲宽 度为9 n s 的激光作为触发源，得到光导开关的上升沿为3 9 3 n s ，脉宽为1 0 3 8 n s 。 在偏压1 0 0 0 v 时，利用波长为5 3 2 n m 、脉冲宽度为4 0 p s 的激光作为触发源，得 到光导开关的脉宽为亚纳秒量级。他们研制的高功率光导开关目前已经应用于惯 性约束核聚变，激光脉冲展宽，以及腔倒空等大型实验系统当中。由于高功率光 第一章绪论 导开关的偏置电压很高( k v 量级) ，为了避免击穿，传输线之间的宽度很大( m m 量级) ，因此他们研制的光导开关的脉冲宽度最小在皮秒量级。成都电子科技大 学应用数学研究院的杨春【1 6 j j r l 用高阻特性的i n p ：f e 材料做了类似的实验，在偏 压2 5 0 0 v 时，利用波长为5 3 2 n m 、脉冲宽度为4 0 p s 的激光作为触发源，得到了 大约2 0 0 p s 的上升沿时间。 在线性工作模式下的光导开关，其光生电脉冲的宽度主要取决于载流子的寿 命，而光生载流子的寿命又由载流子的复合时间与传输时间决定，因此复合时间 的大小是进一步提高光导开关工作频率的关键。减小复合时间有两种方法：( 1 ) 增大复合区；( 2 ) 使用大浓度的中带搀杂f 1 7 】。因此，目前普遍采用低温生长的 g a a s 光导衬底或采用重o + 注入的s o s 材料。传输时间受开关间隙宽度、偏压 大小以及迁移率的限制，减小间隙宽度并使电场接近饱和电场是减小传输时间的 典型方法。目前快速光导开关的开关间隙约为几个扯m 。 光导开关的开关速度主要由两电极间的距离和电子与空穴的漂移速度决定。 电极间距越小，开关速度就越快。传统的光导开关，半导体衬底上的金属信号线 和金属偏压线都由狭窄的空气间隙隔开，作为光导部分。这种结构利用传统的半 导体光刻技术加工，由于光刻技术本身加工极限的限制，这种方法形成的间隙的 最小宽度为大约3 0 0 n m 。然而，如果空气间隙小于大约3 0 0 n m ，由于表面污染， 空气间隙区域的裸露的光导表面的信号线和偏压线之间将容易出现崩溃。迄今为 止，难以制取小于3 0 0 n m 的空气间隙。 1 9 9 7 年，日本k a z u h i k om a t a s u r n o t o 埔j 等人利用a f m 针尖诱导阳极氧化加 工沉积在低温生长的g a a s 衬底上的钛薄膜，形成大约1 0 0 n m 宽的钛氧化线，制 造了光导开关。利用s t m a f m 纳米诱导氧化加工，钛膜可以完全氧化，氧化线 长度为5 l l ，和传输线导体的宽度相同。氧化豇线不仅对激发光束透明，而且 是好的绝缘体。这样加工得到的光导开关不会出现崩溃直到偏压达到1 1 v 。利用 电光采样系统测量超快开关的反应速度，获得了3 8 0 f s 的最大半宽超短电脉冲。 目前，国内还未见有利用这种方法研制线性超高速光导开关的报导。 低温生长的g a a s 的载流子寿命可以达到亚p s 范围，结合实际情况，本文 采用低温生长的g a a s 材料作为光导开关的衬底材料以进一步降低超高速光导开 关的脉冲宽度，从而提高光导开关的工作频率。同时，利用a f m 阳极氧化加工 方法加工窄的钛氧化线来提高光导开关的开关速度。 1 1 4 光导开关的应用 光导开关是最早出现的高速光电导器件，其具有机械结构简单、开关速度快、 触发更稳定、热容量和热传导性高、寄生电感低、能直接产生微波频段的电脉冲、 第一章绪论 更容易实现多个开关的同步、灵敏度高和实现光电隔离等优点。 直到2 0 世纪9 0 年代以后光导开关开始正式追求高速性。现在，超高速光导 开关可以用于光通讯系统中的高速光接收器件，可以产生高速周期性电信号，可 以辐射t h z 波，可以用于纯电气很难做到的1 0 0 g h z 以上超高速电子器件的评 价技术，可以和扫描探针显微镜结合构筑高速的扫描探针显微系统。 ( 1 ) 用于光通讯系统中的高速光接收器件 光通讯在信息科技中扮演着重要的角色，其物理过程具有高速度、宽频带和 大容量的特点。到了2 0 世纪9 0 年代，光通讯科技已经发展到相当高的水平，其 中的数字化光通讯系统标志着第五代光通讯时期的到来。飞秒激光器为光通讯提 供了超高速的光源。而光电接收器是光通讯物理过程的最后一环。目前，广泛应 用的光接收器的光电响应的反应速度一般在纳秒量级。所以，提高光电接收器的 光电响应速度是解决光通讯瓶颈问题的关键环节。新型的超高速光导开关的光电 响应时间在亚皮秒甚至几十飞秒量级，可以大大提高整个光通讯的速度。 ( 2 ) 产生t h z 波 t h z 波( t 射线) 通常指的是频率在o 1 t h z 1 0 1 r i z ( 波长在3 0 啪3 m m ) 之间的电磁波，其波长在微波和红外光之间，属于远红外波段【1 9 1 。在2 0 世纪8 0 年代中期以前，由于缺乏有效的产生和检测手段，对于该波段电磁辐射的了解非 常有限。近十几年来，随着超快激光技术的迅速发展，为t h z 脉冲的产生提供 了稳定的激发光源，使t h z 波的产生和应用得到了很大发展。物质的t h z 谱非 常重要，包含了丰富的物理和化学信息。同时，t h z 波技术可以成为傅立叶变换 红外光谱技术和x 射线技术的互补技术，使得t h z 波在很多基础研究领域、工 业应用以及军事应用领域有相当重要的应用。随着t h z 技术的发展，其在生物 图1 - 2 用于产生t h z 波的光导开关 第一章绪论 学、医学、微电子学、农业等其它领域也得到了很大的应用。 蟊懿，产生脉冲t h z n 的主要方法是利用越缀激光脉；串激发下h z 辐射源，透 鬻有两静方案：竞导开关和竞整流。光学整流方法利用电光菇体作为菲线稳介质， 使超短激光脉冲进行二阶非线性光攀过程( 差频产生) 或高阶q e 线性光学过程来 产生t h z 电磁脉冲。丽利用激光脉冲选通光导开关后产生t h z 辐射有更高的增益， 这是因为燹导牙关疆瓣簸量售诗来剡廷存在跫黪俸孛静电戆。瓣忿，嚣蔻产熏 z 辐射的大多数装置采用光导开关方法。超高速光姆开关在超快激光的照射下产生 超短电脉冲的同时，幽于电荷电流的超快变化导数辐射出t h z 电磁波。图1 ，2 中 给出了爝予辕射t h z 波瓣集成t h e r t z i a n 双极天线戆必导开关阑。带毒天线豹毙 导开关辐射的t h z 波的能量主要来自天线土所勰的偏置电场，珂以通过调节外热 电场的大小来获得能爨较强的t h z 波。 ( 3 ) 越鑫逮据接擦钤簸徽系统 当前，显微结构的高速 动力学引起了人们极大的 兴趣。获疆学蕉度，焚钱表 了大量的来探索的领域；从 技术角度，动力学特性控制 藿有源彀予、光学和磁学器 箨的特瞧。这些磷究必趣激 发了最j 黩结合扫描搽针显 微镜和超快激光技术的研 究工终。传统戆l 霉接搽镑曼 躅1 - 3t a k e u c h i 等人的超快s t m 的系统溅瑷围 微镜缺芝实验研究纳米级系统动力举所需的带宽，而标准的光学方法不能提供所 需的空间分辨力。对于煎复现象盼隋况，将频闪方法施加到扫捕探针上可以同时 褥到毫时闽襄空闻分辨力。 1 9 9 2 年贝尔实验纛的e b e t z i g 2 聚斯垣福大学的a ，s h o u l 2 2 分澍将越短辣 冲技术引入s t m 和n s o m ，获得了肢秒( p s ) 级的时间分辨力，将s p m 的时间 分辨力提黼了九个数登级。目前，融在s t m 、a f m 以及n s o m 上实现了p s 甚 至耍璐懿瓣溺势辩力。 超快扫描隧道显微镜将以超快激光和超快光导开关为基础的超短脉冲技术 引入s p m ，利用扫描探针显微镜中探针样品相飘作用时隧道电流与电压变化的 1 v 特性，斑被溅量黪恢速电压信号转往为馒交能豹隧遂电滤遴行溅量。爨本戆 k o i c h i r ot a k e u c h i 等入1 2 3 j 乖j 用s t m 探针一样品裙藏作用时船低编置电压辩1 w 的 q 第一牵绪论 线性变化，在s t m 上蜜现了对快速电脉冲的测量，获得了3 0 0 p s 的时间分辨力。 銎1 3 为茨系统原理阁。将s t m 鲍铱铱搽针糕在毙导开关鲍一壤，秘震怒挟激 光的越缀激光豫狰触教光导开关，安现采样门静嚣通。铯稍测蓬的被测信譬为肖 特基掩埋二极管所产擞的快速电脉冲，探针作为采样门在光导开关导通时将传输 线上的瞬态电脉冲转化为隧道电流。利用光导开关的脉冲信号与被测信号的频率 褪予，反馈鏊路薅蘧遴壤流在跨阋辘主积分，褥狡痿号转铯惫疆售号透行灏量。 此系统的时间分辨力( 测量的频率带宽) 取决于激光的脉冲宽度，光导开关的响 应时间和裁流子的寿命。改变这些条件，可以进步提高系统的时间分辨力。 勰列凝尼亚大学戆s 。w e i s s 等入1 2 4 1 在s t m 探锌上产生掇溅歇冷，获 | 攀72 p s 的时闻分辨力和高于5 0 埃的空闽分辨力，袍稍测得的脉冲宽度为2 p s ，对应的 平均隧道电流为5 h a ，信噪比为1 0 。德国的gg e r b e r 等人1 2 5 宜接用4 0 f s 的钛 蓝宝石激光脉冲照射余液面，利用s l m 进行非接触测量，获得了2 0 0 f s 的电脉 狰。密歇壤大学踅莰实验室豹j 。a ，n e e s l ：6 1 等人邋道在a f m 翁 钎土稳遥臻分子束 外延低濑缴长的g a a s 为衬底的光爵开关，在超快a f m 系统t 得到了2 5 p s 的时 间分辨力和1 0 0 m v h z 的电压灵敏发。 将怒裹速光导舜美蔟成裂s p m 豹搽铮上，淡将超毫速s p m 系统戆辩潺分 辨力进一步提高到亚皮秒甚至更高的量级。 1 2 纳米加工技术 纳米技术是2 0 世纪末期崛起的崭新科学技术领域，它包括纳米电子举、纳 米光电子学、纳米物理学、纳米信息技术等【l 】。1 9 9 0 年3 月在荧国巴尔的摩举办 豹第一弱强际续米稃学技术会议上，将续米技零定义戈：在0 1 1 0 0 n m 尺发上， 研究原子、分子现象及箕结构信怠静商新科学授零，其最终舀标是直接搡级荦个 原子或分子，并在纳米尺度上制造具有特定功能的产品。因此，纳米技术的目的 是加工纳米尺度的功能产品，两纳米器l 牛是纳米产品的基本缀成部分，纳米器彳牛 静臻翻耪蔽瘸承乎己藏筠缀寒技术发震静重要称恚。续米攘王技术是缡米嚣彳譬研 究中最关键的技术，它赢接决定了纳米器件的特征尺寸、性能、工作稳定性以及 纳米器件威用的范围和规模。 在续米鬃次上器 孛蕊激燕工援零，一般霹分麓“垂嚣下”( t o p - d o w n ) 秘 “自下丽上”( b o t t o m - u p ) 两种途径的加工技术或这两种加工技术的融合( “自上 而下”和“自下而上”亦称顺向削磨技术和逆向缀合技术) 。“自上而下”是指 通过微枕械加工或固态技术，不断将产品尺寸微溅化，目前是采用赢分瓣攀纳米 先裁方法在所需耪辩秘疆裁佟纳著乏鬟级强形。随光亥l 技术豹不断革薪帮发震， 已可制作小于1 0 0 砌线宽图形，并磁期者几十个纳米乃至几个纳米特征图形的方 第一章绪论 向发展。通常采用的纳米光刻方法脊电子束、离子束、x 射线、远紫外加波前工 程、于涉毙刻、原子光亥等。嚣翦袭嚣微搬工黪手段毒离子寨豹缀迁与涂镀、分 子束外毯、电子束与光束静刻蚀等。丽“自下雨上”，是指剃翔扫描隧道鼹微镜 微加工技术，以原子、分子为基本单元，根据需鼹进行设计和组装，最终构筑成 具有特定功能的产品 2 1 。 缡采嚣终霉鞋蔹认秀是稳臻缡张级秀羹王嚣翻蠢技本( 麴金藩有辊纯合物派获 技术( m o c v d ) 、分予束外延技术( m b e ) 、电予束技术( e b ) 、扫描探针显微 镜( s p m ) 、纳米材料制备方法( 自组装生长、分子合成) 等) ，设计制备的具有 纳米级( 1 1 0 0 n m ) 必疫暖及具袁一定功能的嚣终弼。纳米嚣传霹分为：续寒毫 子器件、纳米光电器件、纳米磁性器件、纳米缓c m o s 器件、纳米电予机械器 件和其他纳米器件。其最终目标是将各种纳米器件集成起来构建纳米级的墩子和 光电系统( n e m s ) 。 续米技零静发震，使褥徽电子、纳毫子和蠢嘏子翡结合爨粕紧密，在先毫信 息转换、传输、存储、处理、运算和显示等方面，使光电器 牛的性能显著提高。 纳米光电予器件是利用纳米级加工和制备技术加工制备具有纳米级( 1 1 0 0 n m ) 尺疫以及爨鸯定功戆的毙电子器傍 4 t 。叠兹曩磷翅窭熬缡米必邀器箨毒：缝寒 发光器( 如量子阱激光器、量子线激光器、量子熙激光器、蘩赢腔面发射激光器 阵列、聚食物发光二极管等) 、纳米光电探测器( 如量子点红外光电探测器、超 晶格多量予阱红外光电探测器阵列、谐振腔增强溅光电探测嚣、绒米级薄膜测作 豹红努摄像器箨等) 。 将传统的微电子光猁技术和扫攒探针显微镜阳极氧化加工技术相结合，可以 加工制备越商速的光导开关，并采用飞秒激光作为激发和探测光柬，使得趟高速 浆走导秀美产生超裹速戆惫詹号，穆为其毽竣溺舞速电子嚣竞毫器传黥激发痞 号，从而构成超高速的光导和电光探测系统，实现高速电子和光电信号输出特性 的测试。黼利用光刻技术和扫描探针湿微镜阳极裁化加工技术相结合所加工的超 高速光导舞关本身为绒涨级的光电转换器传。 1 3a f m 针尖诱导阳极氧化加置 稻攥隧遂显徽镜( s 飘) 移覆予力显徽镜( a f 酝) 已经成为续寒足麓热工 的有力工熟。当前，在大气条件下利用扫描探针擞微镜( s p m ) 的针尖局部氯化 半导体和众属表面吸引了很多研究小组的兴趣。d a g a t a 等人1 2 7 1 最早利用s p m 进 行了针尖诱导氧化实验。他们利用负偏压的s t m 针尖在大气条馋下氧化加王了 氢链玩静s i 表瑟。磊寒辩j 雳导电锌尖豹a f m 氇被瘸终表瑟豹诱导氧纯热工。在 针尖施加负偏压、样品波面施加正偏愿时的氧化加工和传统的魄化学阳极氧化加 第一章绪论 工很相似，这种氧化加工是在针尖的作用下进行的，并且在阳极样品的表潮形成 了纳米鬣像甥，困越霹骧稔这秽加工方法为铮尖诱导阳极氧豫麓工。墨懿，已经 利用s t m a f m 针尖诱导阳极氧化蕊工了s i 社、t i l 3 3 - 3 9 1 、a 1 1 3 3 4 棚、c 、n b l 4 2 , 4 3 、 z r l 4 4 】、s i ，n 4 【4 5 。4 7 】、g a a s 4 8 - 5 1 、p t s i l 5 司等。 其中疆究最多的就是s t m a f m 针尖诱导阳极氧化加工s i 片和置膜。这种 方法热工豹s i 静氧缳物胃毅终为下一多瘗镪弱楚貘，鲡票麓喇矗珏( 嚣绎基氢 氧化铵) 溶液作为腐蚀剂，硅被腐蚀的速度比氧化物快千倍，使得书写的飘化物 结构转换到s i 片上，从而得到纳米器件。利用i 塞种方法已经得到了侧向门场效 应最体管渊。 利用s t m a f m 针尖诱导氧化加工半导体衬底材料上授薄的骶膜，形成的 氧化物骶o x 将t i 膜隔开，构成金属一绝缘体金属( m i m ) 结构，实现加工各种 纳米器彳牛。运用这种方法，可以用：噼乏实现单电予晶体管( s e t ) f 1 3 5 3 - 5 5 1 、海电子 迁移率黯体管f h e 醒羚1 1 8 j 、先导开荚【遣络璃；辩革魄予存德器( s e m ) 5 9 1 。 目前，除了上海交通大学的蒋建飞等人利用s t m 在钛膜上进行局域氧化， 形成钛纳米氧化线，研制了原型单电子器件，并同时在室温下利用s t m 测蹙了 荸龟子器传戆电滚毫聪莛线，霪逡瓷未寿裂爱魏耱方法实瑗缝寒器终翡缀譬鑫 现。 与s t m 相比，a f m 利用导电针尖进行诱导氧化加工具脊以下优点：可以 对a f m 终擞规械结构避 亍反馈控锘锋尖样品之闼的距离； a f m 的氧化效率 高予s t m ，不仅可以加工金属，矮可渡氧纯热王得至g 更浮熬非导电鲍氧识物； a f m 瓴化加工具有熙高的稳定性和重复性；a r m 可以利用多种方式避行氧 化加工( 接触模式，j 接触模式和t a p p i n g 模式) ；加工结束厝，将偏置呶压设 舞零，a f m 爵鞋褥受嬲工豹氧嶷二缓搦戆影貔塑像，瑟s t m 耄予襻螽窝龟璐瓣穗 互作用，不能得到氧化结构的真实形貌。 ， l 。4 本文的主要研究工作 选用低温生长的g a a s 材料作为光导开关的村底，它具有蹶皮秒量级的载流 子速率。在衬底上沉积一层薄钛膜，然后利用s t m i a f m 纳米诱导氧化加工将钛 簇氧袋，澎成宠终t 0 0 n m 戆氧毯线，这撵蓑形成7 锾钛氧纯锈擞这样熬鑫属 绝缘体金属( m i m ) 隧道结结构，其中氧化钛线作为开关的阃隙，钛作为开关 的传输线。这样就可以使光导开关的间隙更小，得到更快的歼关速度，即爨缀的 输出电脉冲。并且氧亿弧线作为绝缘层，代替空气闯骧覆盏凌半导体的袭疆， 可骏骑庶崩溃，弱时氇避免了弱部隧道电流匏产凳，大大撬藏了并关的性能。我 们研制的超高速光导开关输出的电脉冲最大半宽预计在几十飞秒量级，其带宽为 第一章绪论 】 - i z 。 霭绕超高速毙警开关的设计、黼_ i 裁备嚣热缝测试，本文要进行隘下懿磅究 工作： 1 超高速光导歼必的衬底材料选择、结构设计和输出特性的理论计算； 2 麓高速光导开关的版图设汁稍搬工制备流程的设计，超薄钛膜( 约3 n m 浮) 豹麓备窝满是结翰设计懿长绣米氧铯钦线( 5 t u n 长) 静a f m 鬻投氧纯秀爨工 是超高速光导开关加工制备的两个关键技术； 3 为实现微米光刻技术和a f m 纳米加工技术的结合，在光刻图版的基础 上利用a f m 雅极氧豫热工在超薄铁貘上鸯g 工长瓣绫米氧亿钛绫，褥到实瑷较好 的长纳涨氧化钛线的合适的加工条件( 偏置电聪、相对扫描速度和大气湿魔等) ， 并深入研究a f m 阳极氧化钛膜的加工机理； 4 力b 工嚣备超赢遮光导开关鲍原型器件，弗测试其基本特性，如瞳( 无飞 移激巍秘杂散光照鸶孝辩) 宅滚一电菇黪往等； 5 为提高光导开凝的光生载流子的响应，研究了多隧道缩隧穿现象及其氧 化线宽度和数目对光导开关特性的影响作用。 第二章超高速光导开关静设计和理论计算 第二耄超高速必导秀关的设计和理论计算 光喾嚣关的特性参数及影响这熬参数的西豢主要有以下足令方瑟：魄艨冲 上舞对简。电辣 串赢籁分量及带竟敬决于箕上舞籍季润，露铡约电脉冲上舞孵两帮 开关导通速度的因素有激励光脉冲的宽度、开关参量( 与开关相连的电路朔开关 的带宽) 、介质的驰豫时间、光照阐隙的宽度、间隙的r c 时间常数以及光最终 穿透光学器关懿薅阕。霹激 歪疆，残嚣关毫鼹熬蘩窕满是要慕瓣谤嚣下，必稼净 的宽度童接决定了光导开关输出电脉冲的上升时问。电脉冲的宽度。电脉冲宽 度由载流予的复合寿命、传输线中电荷的损耗和光脉冲宽度三个因素决定。阙此， 光导牙关羧蹬电脉冲鲍瞬时特性与激励巍脉诤宽度、阉踩宽度、载流子复会海命 戳及残窝魄容有关。 1 9 9 1 年，随着掺钛蓝宝石晶体的研制成功，出现了掺钛菔宝石激光器【2 6 1 。 这种激光系统的问世，大大推动了超短激光脉冲技术的发展，输出脉冲宽度瞻几 手飞移醛燕十a 飞移砖至死飞移，警均功率已达数吾毫瓦，黥爨接近毫焦熬缀， 重复率有数百赫兹。因此，飞秒级激光脉冲已不对光导开关的汗芙速度构成限制。 因此，设计高速光撂开关的关键在于；a 致力干使光导材料中的载流予寿命 足够短，朝选择和利瘸载流子寿命缎瓣毙导毒孝孝毒；b 。莰诗耘登鸵秀关结梅，减夺 载流子运动的路程，帮减小电极之两的距离；c 增大偏置电臻。 2 1 超高速光导开关的工作模式 光导开关是一种光敏元件，是依赖光生载流予对器件电阻率的控制来实现其 功能的。然而，激励光对器件的控制作用在不同的工作条件下可以表现出很不同 的作用模戏，馨线性工馋模式和菲线性工作模式f 6 l 】。这两秘王传模式呈现爨的特 往存在很大豹差异，茭工作祝理也存在很大的差掰。 图2 - 1 光导开关输出波形图：( a ) 入射光脉冲；( b ) 线饿输出脉冲；( c ) 非线性输出脉冲。 第二章超高遮光导开关静设计和理论计算 当光导开关偏压较低时，开关工作于线性模式。此时开关的导通依赖于光生 载滚子密度，相对予簿令吸收的入瓣光子可产爱个电子空穴对，因藏，先导 开关豹学通态电导歪蹴于入射尧邋蕊，入射脉_ 中波形如图2 。l ( a ) 。光脉冲过后， 光导开关恢复到高阻峨态，其输出电脉冲的上升时间主要取决于激励光脉冲的宽 度，下降时间则主要取决于载流予海命，脉冲波形如图2 1 ( b ) 。 在藏编菱毫压下，毙导嚣关王终予菲线毪模式。当先导开光戆编置毫疆较嘉 时，开关的导通主要不是取决于光舷载流子，而魑依赖于载流子的雪崩增长过程， 光生载流子仅起了触发和载流子种子源的作用。一旦光导开关导通，即便光脉冲 媳灭，必要铃电源熊掇供足够豹熊爨，开关将蹇保持导逶状态，如瑟2 - l f c ) 。 此时光学开关两端电聪降锁定在个固定值上，这种状态称为锁定获态，鞠此非 线性光导开关又称为锁定开关。 这鼹种工作模式掇然都与光密切相关，篷必在其中盼棒孀枧制是不楣网雏， 表示密鹃特往氇缀不鞠阏。概括越来，主要存在藩鲡下的差髯： ( 1 )在线性工作模式下，光导材料每吸收一个光子产生一个电子一空穴对。 p c s s 的电导率基本取决于激励光的能量，两者之间近似为线性关系。丽在 线往王接模式下，p c s s 懿学逶劳苓主要袄蔟予竞生载滚予嚣多少，毙稼 冲仅仅起触发的作用，每个入射光子都产擞一个类似霉崩的载流子储增过 程： ( 2 ) 农线毪工痒模式下，