（测试计量技术及仪器专业论文）基于超高速光导开关的纳米级mim结构串联现象的研究.pdf

中文摘要 光导开关因其机械结构简单、响应速度快、触发稳定、灵敏度高、实现了光 电隔离等诸多优点而在高功率超宽带脉冲产生领域和超快电子学等众多领域中 有着极其广阔的应用前景。本文基于超高速光导开关的加工，利用原子力显微镜 针尖诱导阳极氧化加工超薄钛膜形成氧化钛线，从而实现了新型超高速光导开关 的加工制作，围绕超高速光导开关的纳米氧化钛线的加工，文中对钛一氧化钛一 钛形式的金属一绝缘体一金属隧道结现象进行了分析研究。主要研究内容如下： 1 进行了光导开关的理论研究，包括基本原理介绍、工作模式分析以及理 论模型的研究和计算。开展了衬底材料选择和光导开关结构设计，并分析了超高 速光导开关的实现方案。 2 设计了光导开关基本结构的加工制作流程。结合光刻工艺、直流磁控溅 射技术和a f m 阳极氧化加工等方法在砷化镓衬底上制作了超高速光导开关的原 型器件，重点进行了a f m 阳极氧化加工部分的研究探索。并对加工的光导开关 进行了氧化加工前后的暗电流一电压特性测试对比研究，从而得出纳米氧化钛线 的存在提高了超高速光导开关的绝缘耐压性。 3 在最佳氧化加工条件( 偏压8 v 、扫描速度0 1p s n s ，相对湿度3 0 - - 5 0 ) 下进行了纳米氧化钛线的a f m 阳极氧化加工的实验研究。研究了a f m 阳极氧 化加工机理，分析了现有a f m 阳极氧化加工的理论模型。对磁控溅射的超薄钛 膜进行了测试分析，其厚度、表面平整度和导电性均符合实验要求。在最佳加工 条件下加工了6 条纳米氧化钛线，进行了氧化钛线的高度和宽度的一致性和直线 度的测量计算。 4 研究了多条氧化钛线形成的m i m 隧道结串联现象。分析了隧道结、隧穿 现象以及隧道结的描述方法和i v 特性，并对其进行了推理分析。 关键词：超高速光导开关a f m 阳极氧化纳米氧化钛线m i m 隧道结 a b s t r a c t w i t hm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h 嬲s i m p l ec o n s t r u c t i o n ，f a s t r e s p o n s e ，h i g h s e n s i t i v i t y , s t a b l et r i g g e r i n ga n dr e a l i z i n gt h es e p a r a t i o no fl i g h ta n de l e c t r i c i t y , 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 t c h ( p c s s ) a r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c h a sp r o d u c i n gp u l s eo fh i g hp o w e ra n du l t r a b r o a db a n da n du l t r a - f a s te l e c t r o n i c s t h i s d i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dh o wt i t a n i u mo x i d a t i o nl i n ew e r ef a b r i c a t e dw i t ha t o m i cf o r c e m i c r o s c o p e ( a f m ) v i aa n o d i co x i d a t i o nt of o r mn e wt y p eo fu l t r a - f a s tp c s s ，a n d a l s ot h ep h e n o m e n o no fs u c hm e t a l i n s u l a t o r - m e t a l ( m i m ) t u n n e l i n gj u n c t i o nw a s s t u d i e d t h em a i nc o n t e n to fo u rr e s e a r c hw o r ki sl i s t e da sf o l l o w ： 1 r e s e a r c ho nt h et h e o r yo fp h o t o c o n d u c t i v es w i t c h ，i n c l u d i n gf u n d a m e n t a l t h e o r y , w o r km o d e sa n dt h ec a l c u l a t i o na n dr e s e a r c ho nt h e o r e t i c a lm o d e l t h e s u b s t r a t em a t e r i a l so fp h o t o c o n d u c t i v es w i t c hw e r ec o m p a r e da n ds e l e c t e d , t h e c o n f i g u r a t i o no fp c s sw a sd e s i g n e d ，a n dt h ei m p l e m e n tm e t h o d so fu l t r a - f a s tp c s s w e r ea n a l y s e d 2 ，功ef a b r i c a t i o np r o c e s so fp c s sw a sd e s i g n e da n dp u ti n t o p r a c t i c e p h o t o - l i t h o g r a p h y , d 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 ma n da f ma n o d i co x i d a t i o n w e r ec o m b i n e dt of a b r i c a t et h eu l t r a - f a s tp c s so ng a a s a m o n gw h i c h ，t h es t u d yo f a f ma n o d i co x i d a t i o nw a se m p h a s i z e d b e s i d e s d a r ki - vc u r v eo fp c s sh a db e e n t e s t e da n dc o m p a r e db e f o r e a n d - a f t e ra f ma n o d i co x i d a t i o n ，w h i c hp r o v e dt h a t n a n o - t i t a n i u mo x i d a t i o nl i n eh a di m p r o v e dd i e l e c t r i cs t r e n g t ho fu l t r a - f a s tp c s s 3 t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fa f ma n o d i co x i d a t i o nw e r eb i a s e dv o l t a g eo f8 v , s c a n n i n gs p e e do f0 1r t m sa n dr e l a t i v eh u m i d i t yo f3 0 - - 5 0 u n d e rs u c hc o n d i t i o n ， t h er e s e a r c ha n df a b r i c a t i o ne x p e r i m e n to fn a n o - t i t a n i u mo x i d a t i o nl i n e sb ya f m a n o d i co x i d a t i o nw a sc a r r i e do u t f a b r i c a t i o nm e c h a n i s ma n d t h e o r ym o d e lo fa f m a n o d i co x i d a t i o nw e r ea n a l y s e da l s o i na d d i t i o n ，t h et h i c k n e s s ，s u 面a c ef l a t n e s sa n d c o n d u c t i v i t yo fu l t r a - t h i nt i t a n i u mf i l mw e r et e s t e da n dp r o v e da l la c c o r d i n gw i t ho u r r e q u i r e m e n t t h el i n e a r i t ya n dc o n s i s t e n c yo fh e i g h ta n dw i d t ho fo x i d a t i o nt i t a n i u m l i n e sw e r em e a s u r e da n dc a l c u l a t e db yf a b r i c a t es i xo x i d a t i o nt i t a n i u ml i n e su n d e rt h e o p t i m u mc o n d i t i o n 4 s e r i e sm i mt u n n e l i n gj u n c t i o n sw e r ef a b r i c a t e d , a n ds t u d yo nt u n n e l i n g j u n c t i o n sa n dr u n n i n gt h r o u g hb a r r i e rw e r es t u d i e d t h ed e s c r i p t i o nm e t h o d sa n di - v c h a r a c t e r i s t i co ft u n n e l i n gj u n c t i o n sw e r ec o n d u c t e da n di n v e s t i g a t e da l s o ；m e a n w h i l e ， am e t h o dm o d e lo fc a l c u l a t i o nw a sd e v e l o p e d k e yw o r d s ：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 h , a f ma n o d i co x i d a t i o n , n a n o t i t a n i u mo x i d a t i o nl i n e ，m i mt u n n e l i n gj u n c t i o n 独创性声明 本人声明所呈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，除了文中特另l j ；t ；l l 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，也不包含为获得丕垄盘堂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：依寸鸷i 勿签字日钿：切吵年夕月么日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂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：矿丐1 鸷 勿 签- 7 - t + 例：翔吵! 夕月幺h f 。 导师繇各卜乞叼 签字 - 11 l l j ：矗叼年7 月同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自从1 9 8 2 年宾尼希( gb i n n i n g ) 和罗雷尔( h r o h r e r ) 设计了第一台扫描隧道 显微镜( s t m ) 后，世界上便诞生了- - f - j 以o 1 1 0 0 r i m 这样的尺度为形容对象的前 沿学科，这就是纳米科技。纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原 子、分子世界，它的最终目标是直接以原子和分子构造具有特定功能的产品。以 微电子技术为代表的微米科技，曾经并且正在对世界产生深远的影响。比微米更 深入微观世界，纳米将使人类进一步掌握物质的规律，掌握改造微观世界的武器。 人类正在步入信息化社会，为了有效的利用信息，就要不断提高信息的传输、 交换与处理的速度。随着微电子技术和光电子技术的快速发展，微电子和光电子 器件的加工工艺和技术不断进步和完善，高速电子器件及高速光电子器件也有了 非常大的发展，结合纳米加工与制造技术我们可以实现超高速电子器件和超高速 光电子器件，这样就必须采用新的测量技术才能实现超高速器件的特性测试。利 用碰撞锁模技术的飞秒激光器发出的超短激光脉冲已达到几个飞秒，完全可以作 为超快光电采样的激发源，超短脉冲激光器和光导开关相结合形成的超宽带激光 脉冲发生源，更是在超高速电子学、超宽带雷达、探地雷达、超宽带通信、大功 率t h z 脉冲源和瞬态电磁波技术等领域有广泛的应用。 1 2 纳米科技及纳米器件 纳米是长度单位，即十亿分之一米。纳米科技( n a n o t e c h n o l o g y ) 是用单个原 子、分子制造物质的科学技术。纳米科技是以许多现代先进科学技术为基础的科 学技术，它是现代科学( 混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学) 和现代 技术( 计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术) 结合的产物， 纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机 械学等。纳米科技被认为是世纪之交出现的一项高科技。1 9 9 0 年3 月在美国巴 尔的摩举办的第一届国际纳米科学技术会议上，将纳米科技定义为：在 0 1 1 0 0 r i m 尺度上，研究原子、分子现象及其结构的高新科学技术，其最终目的 是直接操纵单个原子或分子，并在纳米尺度上制造具有特定功能的产品。因此， 第一章绪论 纳米科技的目的是加工纳米尺度的功能产品，而纳米器件是纳米产品的基本组成 部分，纳米器件的研制和应用水平已成为纳米科技发展的重要标志。 英特公司创始人戈登莫尔( g o r d o nm o o r e ) 在2 0 世纪7 0 年代的一次演讲中 提出芯片上晶体管数目每隔1 8 个月将会翻一番。当时的芯片中只有6 4 个晶体管， 而今天奔腾处理器中的晶体管为2 8 0 0 万个。这个预测为实践所证实，人们称 之为莫尔定律。随着晶体管尺寸的进一步减小，电子系统的量子特性将变的越来 越明显。器件的特征尺寸正在逼近电子的德布罗意波长，量子化电子态将成为影 响器件性能的重要因素。另外，当前的光刻技术限制了器件的生产尺寸，数十年 内晶体管尺寸也只能达到1 2 0 n m ，沟道长3 0 n m ，莫尔定律是否能够继续成立受 到极大的挑战【l 】。随着纳米科技的飞速发展，基于量子计算机的纳米器件的研究 正在进行，高电子迁移率晶体管( h e m t ) 、异质结双极晶体管( h b t ) 、共振隧道 二极管( r t d s ) 、量子点( q d ) 、量子线( q l ) 和单电子器件( s e t ) 的先后出现和发展 将导致产生新的晶体管和计算技术。 由于加工精度进入纳米级，加工材料、加工工艺和方法都将不同与传统的方 式。纳米器件可以被认为是利用纳米级加工与制造技术设计制备的具有纳米级 ( 1 1 0 0 n m ) 尺度以及具有一定功能的器件【2 1 。纳米器件可以分为：纳米电子器件、 纳米光电器件、纳米磁性器件、纳米级c m o s 器件、纳米电子机械器件和其他纳 米器件。其最终目的是将各种纳米器件集成起来构建纳米级的电子和光电系统 ( n e m s ) 。纳米器件的出现将是高科技发生质变的开始，即推动人类社会进入信 息时代。 纳米科技的发展，使得微电子、纳电子和光电子的结合更加紧密。在光电信 息采集、转换、传输、存储、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能显著 提高。目前已经研制出的纳米光电器件有：纳米发光器、纳米光电探测器等。 1 3 光导开关的研究进展及应用 光导开关是近些年发展迅速的一种光电子器件。光导开关的全称为光控光导 半导体开关。它是在微电子技术、激光技术和微波技术不断取得进展的基础上发 展起来的一种新型半导体光电器件。 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 首次发现半导体材料的光导对皮秒 光脉冲的反应时间可在皮秒的范围内【3 】。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 等人利用s i 光导体制成皮秒光导开关 【4 j ，用皮秒光脉冲触发做直流电压转换开关。1 9 7 7 年l e e 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【5 】，因为相比较s i 而言，g a a s 具有载流子寿命短、迁 第一章绪论 移率高、暗电阻率高的优点。 光导开关一般由一块半导体光导材料和一条宽带传输线组成。光导材料通常 是s i 、g a a s 等高阻半导体它可以 是片状或块状的。一般采用的光导 开关基本上都是1 9 7 5 年a u s t o n 提出 的结构 4 l ，如图1 1 所示。光导材料 一端通过一段充电传输线与一直流 电源或脉冲电源相连另一端通过 传输线与一匹配负载相连。 图l 一】a u s t o n 提出的光导开关结构示意图 1 9 8 1 年。在l e e f l m a r t h t t a 6 1 的实验窀成功用g a a s 和c d s 0 5 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【”开始用g a a s 做高功率开关： 同年，n u t m a l l y 和h a r r a n o n d 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 7 年，s e h o e n b a c h 等 人9 埋出用掺硅、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 开时问在1 0 q 0 $ 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 d 、组删证实 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 r i e l 等人i 嵯现g a a s 9 存 在镄定现象。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 0 个数量级。 月前国外在光导开关研制的相关报道中，高功率的半导体光导开关一直是 研究的热点国内一些课题组也主要集中在利用传统制备方法研制基于i 族 半导体材料的高功率光导开关的研究。 在线性工作模式下的光导开关，其光生电脉冲的宽度这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和传输时间决定因此复合时问 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措施：( 1 ) 增大复合区；( 2 ) 使用大浓度的中带掺杂】。目前普遍采用低温生长的g a a s 光导 衬底材料。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。g a a s 载流子寿命可以通 过注入达到p s 范围，因此本文采用低温生长的g a a s 光导衬底。 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，这种结果利用传统的半导体光刻技术加工，由于光刻 加工极限的限制，这种方法形成的间隙宽度晟小只能到大约3 0 0 r i m 。如果空气问 隙小于3 0 0 r i m 由于空气中杂质和水分子的存在间隙中裸露的光导表面污染 光导表面的信号线和偏压线之间将容易出现崩溃。因此，本文拟模拟日本t a r o 第一章绪论 i t a t a n i 和k a z u h i k om a t a s u m o t o 1 2 】等人的加工方法，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，形成氧化钛作为光导间隙，制造超 高速光导开关。利用a f m 纳米诱导氧化加工，钛膜可以完全氧化，氧化钛线不 仅对激发光束透明，而且是好的绝缘体。这样可得到间隙小于3 0 0 h m 的超高速光 导开关。 由于光导开关具有极快的响应速度( 电流上升时间为p s 量级) ，极小的触 发抖动( p s 量级) ，极大的功率容量( m w 量级) ，极好的同步精度( p s 量 级) ，极高的耐压能力( 几十k v 量级) ，极紧凑的器件结构，近乎完美的光 电隔离和不受电磁干扰等优良特性，在高功率超宽带脉冲产生领域和超快电子学 等众多领域中有着极其广阔的应用前景。光导开关是最早出现的高速光电导期 间，到2 0 世纪9 0 年代以后光导开关开始真正追求高速性。现在，超高速光导开 关应用广泛：可以用于光通讯系统中的高速光接受器件，可以产生高速周期性电 信号，可以辐射t i - i 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( s p m ) 结合构建高速的扫描探针显微系 统，可以用于超高速电光采样技术，还可以用于超快瞬态和无损伤检测。 1 4 纳米加工技术 纳米i j l ：1 - 1 - ( n a n o f a b r i c a t i o n ) 是一种新兴的现代科技制造加工技术，纳米加工技 术主要涉及到纳米级( i 一1 0 0n m ) 的微细结构及其精度和表面形貌，广泛的应用于 微电子器件，精密测量，纳米材料制造等领域。纳米制造技术、纳米电子学、纳 米生物学、纳米材料学是纳米科技的四大领域，其中，纳米制造技术即纳米加工 技术作为纳米科技的中心之一，是糅合其它各种学科的基本“艺术 ，是当前纳 米科学研究的基础它不仅为纳米科学各个领域的研究和拓展提供强有力的 手段，而且是未来纳米产业的支柱。 在纳米层次上器件的微加工技术，一般可分为“自上而下”( u p t o d o w n ，即 从大往小发展) 和“自下而上 ( b o t t o m t o u p ，即从小往大发展) 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 和逆向组合技术) 1 3 】。“u p t o d o w n ”和“b o a o m t o u p 是目前世界上纳米制造技 术研究的两个主要部分，这两部分技术将在1 - 1 0 0 r i m 尺度间相汇合。任何一个国 家或公司，如果欲在纳米制造时代拥有制造具有特定功能的纳米器件和系统的能 力，就必须同时拥有这两部分的理论、工艺和技能。 “自上而下”的加工方式是指通过微机械加工或固态技术( 束流加工、切削 加工、放电加工、刻蚀等) ，由宏观向微观不断在尺寸上将人类创造的功能产品 第一章绪论 微型化。目前是采用高分辨率纳米光刻方法在所需材料物质上制作纳米量级图 形。随光刻技术的不断革新和发展，已可制作小于1 0 0n n l 线宽图形，并正朝着 几十个纳米乃至几个纳米特征图形的方向发展。通常采用的纳米光刻方法有电子 束、离子束、x 射线、微型电子束阵列、远紫外加波前工程、干涉光刻、原子光 刻等。目前表面微加工的手段有离子束的搬迁于涂镀、分子束外延、电子束与光 束的刻蚀等。“自下而上”的加工方式是指以原子、分子为基本单元，根据人们 的意愿进行设计和组装，最终构筑成具有特定功能的产品。 “纳米是微米的延伸”。因此，通过现有的微米制造技术开发纳米制造的新 方法，可以继续制造更小、更便宜、性能更好的装置。但是从微米级到纳米级不 单单是几何尺寸的减小，从技术上讲微米量级到纳米量级是一次飞跃：在机理方 面，由于纳米尺度与原子尺度相近，研究已深入到原子级的微观世界，它与宏观 世界的规律会有显著不同，在试验现象、原理概念、研究手段等方面都可能会有 很大差异。“自上至下”研究的主导力是超大规模集成电路的不断发展，目前集 成电路、微电机系统、微光学和微分析器件等结构制造所用技术基本上源于微电 子技术，它是传统的半导体加工工艺的延伸，包括制造纳米结构和纳米器件的光 刻、薄膜、刻蚀技术研究，是制造半导体集成电路的基本方法，也是最关键的技 术。目前的主要研究方向，一方面是将现有的紫外光光刻技术进行进一步拓展， 另一方面是研究和发展极限紫外光刻技术研究。前者可实现最小线宽为6 5 n m 的 硅集成电路，后者有可能使线宽小于2 0 h m 。 非传统纳米制造技术就是被统称为软刻蚀技术的四大技术：纳米印刷技术 ( n a n o i m p r i n t i n g ) ；纳米压模技术( n a n o e m b o s s i n g ) ；软光刻技术( s o f t l i t h o g r a p h y ) ； 微接触印刷技术( m i c r o c o n t a c t p r i n t i n g ) 。它们没有使用光和电子等物理学上的工 具，而是利用了日常生活中熟悉的机械过程：印、压、塑、凸。 除此之外，微接触印刷技术能够进行单分子层的自组装( s e l f - - a s s e m b l i n g ) ， 具有了自上至下( 光刻) 和自下至上( 分子排列) 两种技术相结合的特点，前景 颇为看好。“自上而下新技术新事新办上述的各种方法，有一个共同的特点， 它们均从较大规模的模式开始，然后缩小横向距离，刻出纳米结构。对制造纳米 结构、微器件及芯片集成，这种方法是必须的。但是，它们不能方便、廉价、迅 速地制造出分子水平的纳米结构，于是便出现了“自下而上 的方法研究。这种 方法从单个原子或分子开始，用化学合成和物理的方法，制作具有特殊功能的大 分子、超大分子团或表面结构等纳米结构，应用于化学、物理、生物、微电子等 诸多方面。1 9 9 0 年，i b m 的科学家曾经用扫描隧道显微镜( s t m ) 在超真空及液氦 温度( 4 2 k ) 条件下，将吸附在镍表面的氙原子，一个个地拖曳排列成“i b m ”三 个字母，引起了世人的瞩目，这是人类首次对原子进行操作，也是“自下而上 第一章绪论 纳米制造研究的一个开端。但是，用原子操作做出具有特殊功能特性的纳米结构， 往往需要在极限条件下进行，而且花费时间很长，目前尚未能够确定这种技术的 最佳应用开发价值。一是用化学合成组成大分子，然后将它们再组装到固体上去， 如：化学合成法组成的冠状分子、齿状聚合物、纳米碳管等具有特殊功能的纳米 结构。这些大分子可以用自组装的方式镶嵌到纳米线路或固体结构中去，由此引 出纳米电子学所需要的一些特殊结构和各种特性的固体复合材料。另一类是用物 理、化学或生物的方法制作均匀性很好、有特殊功能的纳米颗粒或系统，如：用 原子、分子束外延方法生长的半导体量子点阵，这种点阵在光电子学有极大的应 用。用其它方法制作的半导体纳米晶体材料，在生物学成像技术中具有极高的应 用价值。此外，纳米磁性粒子不仅在医学诊断和治疗上有很广泛的用途，而且很 有可能应用于高密度存储。对这些纳米颗粒的表面进行特殊的化学、生物包装， 可以达到特殊的功能，如：寻找病源靶点、进行药物释放。 总结而言，目前常用的纳米加工方法光刻加工( p h o t o l i 也。鲈a p h y ) 、金属有机 化合物沉积技术( m o c v d ) 、分子束外延技术( m b e ) 、电子束技术( e b ) 、纳米材 料制备方法( 自组装生长、分子合成) 、扫描探针显微镜( s p m ) 加工技术等。 ( 1 ) 光刻加工( p h o t 0 1 i t h o 争a p h y ) 这种方法首先在基底材料上涂覆光致抗蚀剂( 光刻胶) ，然后利用极限分辨 率极高的能量束来通过掩膜对光致蚀层进行曝光( 或称光刻) 。显影后，在抗蚀 剂层上获得了与掩膜图形相同的极微细的几何图形。最后，再利用其它方法，便 可在工件材料上制造出微型结构。这种加工方法加工效率高、成本低。光刻加工 的手段主要有接触式曝光、接近式曝光、相移掩膜和离轴曝光等。然而，由于光 衍射效应的存在以及光刻胶本身性质的影响，传统的光刻加工技术所能实现的线 宽难以超越1 3 0 n m 的理论极限【1 4 】。 ( 2 ) 自组装技术 自组装( s e l f - a s s e m b l y ) 是指分子及纳米颗粒等结构单元在平衡条件下，通过 利用弱相互作用( 如空间匹配作用、静电力、疏水作用、氢键等) 自发地缔结成 熟力学上稳定的、结构上确定的、性能上特殊的聚集体的过程【4 】。自组装的最大 特点是，自组装过程一旦开始自动进行到某个预期的终点，分子等结构单元将自 列成有序的图形，即使是形成复杂的功能体系也不用外力的作用。在自组装过程 中，人的作用是，可以设计产物并启动过程，但过程开始后，人就不再介入到过 程当中。在这种“自下而上”制作方式中，最为重要的研究方向是实现分子器件 自组装【5 1 。如h e a l t h 等人研制了一个分子电子装置的自组装过程，制造了一个分 子为基础的电路框架结构d s 。 ( 3 ) 基于s p m ( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p y ) 的纳米加工技术 第一章绪论 扫描隧道显微镜( s t m ) 的问世，使得通过测量流过原子级尖细探针和金属样 品之间的电流大小，s t m 可以对样品表面形貌进行成像。而后来的原子力显微 镜( a r m ) ，作为扫描探针显微镜( s p m ) 的一个应用，通过测量探针和样品之间的 力的大小，不但可以对导体样品，而且对绝缘体样品都可以进行成像。经过若干 年的发展，s p m 已经从科学实验研究中进入到广泛的工业应用领域 一 s t m 和a f m 发明不久，研究者就发现有时同一区域的成像可以得到不同的 表面形貌特征，这表明了探针扫描可以改变样品表面的结构。认识到这一点后， 利用扫描探针技术对表面进行纳米加工就只需在现有仪器的基础上作一些简单 的改造就可以了。近些年来，扫描探针纳米i j i q - ( s c a n n i n gp r o b el i t h o g r a p h y ，s p l ) 技术引起了许多的研究小组的重视【l 】，进展很快。从加工尺度上，s p l 技术有很 大的加工尺寸跨度，从单原子操纵原子尺度，n l c m 范围内的画线均能够实现。 从加工机理和方法上，s p l 显示出了更大的灵活性，光、电、磁等效应导致的材 料的物理化学变化和机械形变均可以在s p l 上实现。对于传统的微加工方法，由 于存在着理论上的加工极限，已不能满足纳米级加工的要求。s p m 的出现为纳米 加工技术提供了一种崭新的方法，通过s p m 技术或是将其和传统微加工技术相结 合，人们找到了许多可以实现纳米级加工的新方法。 1 5 本文的主要研究工作 利用低温生长的g a a s 作为光导开关的衬底，g a a s 的载流子寿命可以通过注 入达到p s 范剧1 6 1 ，因而具有亚p s 级的载流子速率。在衬底上沉积一层超薄钛膜， 然后利用a f m 纳米诱导阳极氧化加工将钛膜氧化形成宽度小于1 0 0 r i m 的氧化钛 线，这样就形成了钛钛氧化物钛这样的金属绝缘体金属( m i m ) 隧道结结构，其 中氧化钛线作为开关的问隙，钛作为开关的传输线。这样就可以使光导开关的间 隙更小，得到更快的开关速度，即更短的输出电脉冲。并且氧化钛线作为绝缘层， 代替空气间隙覆盖在半导体的表面，可以防止崩溃，同时也避免了局部隧道电流 的产生，大大提高了开关的性能。这样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f 量级，其带宽为t h z 。然后利用加工超快光导开关作为超快电 信号产生源，同时，用飞秒超短脉冲激光作为光源，运用相关技术和针对现实条 件，实现对超快电信号的电光测量方法。本文围绕超高速光导开关的设计、加工 制备和性能测试，主要进行以下的研究工作： 1 超高速光导开关的衬底材料选择、结构设计和输出特性的理论计算。 2 利用已有的超高速光导开关版图，进行加工制备流程的设计。超薄钛膜 ( 约4 r i m 厚) 的制备和满足结构设计的长纳米氧化钛线( 约5 1 a m 长) 的a f m 第一章绪论 阳极氧化加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 阳极氧化加工在超薄钛膜上加工长的纳米氧化钛线，深入研究a f m 阳极氧化钛膜的加工机理，得到实现较好的长纳米氧化钛线的合适的加工条件 ( 偏置电压、相对扫描速度和大气湿度等) 。 4 加工制备超高速光导开关的原型器件，并测试其基本特性，如暗( 无任 何激励光束照射时) 电流电压特性等。并对光导开关的加工制备工艺和方案进 行检验和分析完善。 5 为提高光导开关的光生载流予的响应，加工多条氧化钛线，研究多隧道 结隧穿现象及其氧化线宽度和数目对超高速光导开关特性的影响。 第二章超高速光导开关的理论研究及设计 第二章超高速光导开关的理论研究及设计 2 1 光导开关的理论研究 2 1 1 光导开关的基本原理 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 t c h ，p c s s ) 是一种利用激光能量 激励半导体材料，使其电导率发生变化而产生电脉冲的光电转化器件。 光导开关一般由一块半导体光导材料和一条宽带传输线组成。光导材料一端 通过一段充电传输线与一直流电源或脉冲电源相连，另一端通过传输线与一匹配 负载相连，光导开关所进行的光电转换是基于内光电效应，也就是通过光照使材 料电导率发生变化，这种电导率的变化是由于光生载流子浓度变化引起的。图 2 1 所示为光导开关的工作原理。p c s s 的工作过程：在没有光照( 称为暗态) 图2 - l 光导开关的工作原理 的情况下，由于光导材料的电阻率很高，通过开关的电流( 称为暗电流) 很小， 开关在直流或脉冲偏压下处于断开状态。而当激光照射到光导材料上的时候，会 在极短的时间内在半导体材料中产生了光生载流子，形成大量的电子空穴对， 光导材料电阻率突降，开关很快从阻断状态转换为导通状态，p c s s 两端电压下 降，电路输出端产生了超短电脉冲。这一转换过程可以在皮秒甚至亚皮秒量级的 时间内完成( 与材料的特性参数、光脉冲的波长、脉冲宽度、脉冲功率等参数有 关) ，因此，响应速度是相当快的。当光照脉冲熄灭后，由于载流子的复合，p c s s 将很快恢复阻断状态，这样在负载上就得到了一个电脉冲。改变光导材料的特性 ( 如载流子的寿命) 和激励光脉冲的波长、能量、脉宽等参量便可实现对输出电 脉冲参量的有效控制。 第二章超高速光导开关的理论研究及设计 一般采用的光导开关基本上都是1 9 7 5 年h u s t o n 提出的结构1 9 j ，这种结构开关 的电压转换效率最多只能达到5 0 ，且产生的电脉冲频谱不丰富，限制了光导开 关在高功率、超快技术领域的应用。 超高速光导开关是采用具有高缺陷密度，载流子寿命极短的半导体材料制成 的d t 。采用t i ：s a p p h i r e 激光器产生脉宽达飞秒级的光脉冲，并用此光束照射光导 材料，其中的电子和空穴迅速朝基底上的金属电极移动，使狭缝间的电导变大， 开关闭合，电流通过狭缝传导。由于光生载流子寿命极短，很快被复合，开关重 新回到断开状态。这样微带传输线上产生一个脉冲电压信号。脉冲电压的上升时 间由光脉冲的上升时间和开关电路的时问常数决定。信号下降时间由光生载流子 的寿命决定。脉冲幅度正比于开关的偏置电压、光强和载流子迁移率。 光生电子和空穴的光产生率随入射深度的变化按指数规律衰减，但是电子和 空穴浓度随入射深度的变化并不是按指数规律衰减的，而是从表面某一值开始逐 渐增加，到达某一峰值后，再近似地按指数规律衰减，到峰值前载流子浓度的增 加是由于吸收的光于数量增加引起的，到达峰值后载流子浓度的衰减是由于载流 子的扩散和复合造成的，而峰值向深度方向移动主要是由表面复合造成的，随时 间的变化关系基本上服从高斯分布。另外，比较电子浓度和空穴浓度的变化关系 还可以看出：电子浓度出现峰值位置离表面的距离明显较空穴的深，这是由于电 子的扩散系数比空穴大，扩散速度比空穴的快的缘故；电子浓度随时间的衰减也 比空穴浓度随时间的衰减快，这主要是由各种复合机制和扩散系数的差异造成 的。 影响光导开关性能的因素主要由以下三个方面决赳1 8 】： ( 1 ) 电极接触形式 金属线与半导体基底的接触最好是欧姆接触，也可以用注入接触替代，就是 电子直接注入到半导体中。接触电阻率与半导体的杂质浓度和电极材料有关。光 导开关通常选用电阻率足够高的材料。因此，简单的金属半导体接触不但电阻 很大而且会形成肖特基结。这样光导开关的接触阻抗较大，其性能、效率及其寿 命也将随之下降。对开关来说，最理想的是没有肖特基结而形成欧姆接触。为获 得理想的欧姆接触，可采用的方法有离子注入、多元素合金、激光掺杂等。选用 激光掺杂是较为有效的方法。激光掺杂的方法是将掺杂剂涂于p 型或n 型硅片的 表面，然后用一定能量的激光脉冲对涂层进行轰击，利用瞬态高温，使这些杂质 原子掺入熔融态的半导体表面层内，在此基础上制成的金属半导体接触可获得 预想的低欧姆接触。 ( 2 ) 暗电流 标准的欧姆接触伏安特性曲线为直线，但当偏置电压高至5 0 0 v 时，电流会 第二章超高速光导开关的理论研究及设计 开始呈抛物线上升。类似这种暗电流特性就不能在高压下运用。为解决这个问题， 在金属和半导体之间引入载流子陷阱构造，以削弱电流注入效应，陷阱构造可用 杂质或缺陷来形成。降低暗电流技术，在理论方面和工艺方面都必须做更多的工 作。 ( 3 ) 载流子寿命 载流子的寿命直接决定光导开关的响应速度。通过在硅中引入深能级复合中 心的办法可以缩短载流子寿命。 2 1 2 光导开关的两种工作模式 由p c s s 的基本工作原理可知，p c s s 是一种光敏器件，是依赖光生载流子 对器件电阻率的控制来实现其功能的。然而，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式，这就是线性工作模式和非线性工作模式。 这两种工作模式所呈现出的特性存在很大的差异，其工作机制也存在很大的差 别。 ( 1 ) 线性工作模式及其特点 在相当长的一段时问内，人们都认为p c s s 的导通完全是由光生载流子决定 的，光电导材料每吸收一个光子产生一个电子空穴对，器件的电导率和输出电脉 冲的幅度都与光脉冲的强度呈线性关系。当光脉冲熄灭后，p c s s 将很快恢复到 其原来的高阻暗态。输出电脉冲的上升时间主要取决于激励光脉冲的宽度，而下 降时间则主要取决于载流子的寿命。然而，后来实验发现，实际情况并非完全如 此，这种情况只是在器件被偏置在较低的电场模式下才成立。这就是所谓的“线 性工作模式( 也称光电导模式) ”u 9 。 ( 2 ) 非线性工作模式及其特点 上世纪8 0 年代后期，人们发现当给g a a s 和i n p 材料制作的p c s s 偏置在较高 电场的时候，p c s s 的导通并不是主要依赖于光生载流子，而是依赖于一个类似 于载流子的雪崩倍增过程，光在此过程中仅仅起触发和引导的作用。一旦p c s s 导通，即使光脉冲熄灭，开关也不会立即恢复到原高阻状态，只要能维持供给器 件的能量，器件就能保持其导通。这时开关内的平均电场维持在某一个值上，该 值与外电路所加的偏置电压无关，与触发光的能量也无关，但与材料本身的性质 有密切的关系，并将这种现象称之为“锁定现象”。这种工作模式就是所谓的“非 线性模式( 也称锁定工作模式或高增益开关模式) 1 1 9 1 。但迄今为止，在s i 开关 中并没有观察到这种工作模式。 比较光导开关的两种工作模式，可以看出，它们的工作机理是很不相同的， 各有优缺点。线性模式的优点是响应速度更快，触发抖动极小，缺点是触发开关 第二章超高速光导开关的理论研究及设计 所需的光能较大。相比之下，非线性模式的优点则更具吸引力，其中最突出的是 触发p c s s 所需的光能要比相同条件下的线性模式小3 5 个数量级，从而使得触 发设备的体积大大减小。但是非线性模式也存在触发抖动较大，易形成电流丝传 导通道而影响器件寿命等问题。另外，非线性模式的应用潜力尚未得到很好挖掘 和利用。可以预料今后非线性p c s s 技术将向着触发系统和p c s s 的集成，乃至 触发系统、p c s s 和应用系统集成的方向发展，而线性p c s s 技术则将朝着进一 步提高开关速度、同步精度、功率容量、微波频率的方向迈进。 在触发光能满足一定的条件时，p c s s 的工作模式由外加偏压电场的工作高 低决定，因此改变偏压电场的大小就可以改变工作模式。本文所加工光导开关在 进行电光采样测试时两电极间外加偏压是i o v ，光导开关始终工作在线性状态 下，所以本文的相关讨论也主要是围绕线性光导开关展开的。 2 1 3 线性工作模式的理论分析 在理想情况下，p c s s 和传输线均为理想结构，且偏置电源内阻r z o ，则在 线性模式下，在t = o