（测试计量技术及仪器专业论文）基于afm阳极氧化加工的超高速光导开关的研究.pdf

摘要 续米科技的最终隧标趁纳米尺度上裁造具有特定功戆的嚣 孛葶嚣产 品。利用s t m a f m 针尖诱导阳极氧化在金属薄膜上加工纳米氧化线， 形成金藩一绝缘俸金黧豹m i m 结构可以作为纳米器件中的关键功能结 构。 本文纂于新型的超高遮光导开关，利用a f m 在多种条件下对金属 强麟察半释髂s i 基疯送幸亍了阳极氧纯热工，深入磷究了翔工的枕理和 可靠性，提出了实现趣高遴光导开关的方法和结构设训4 ，利用s t m a f m 测量了对向靶直流磁控溅射加工的t i 膜的表面粗糙度和导电性， 提窭了建态速光导秀美匏溺试方法。奉文取籀魏醑究残暴蠢绪论如下： 1 利用理论模型计算了外加电场在a f m 针尖积被加工样品之间 的分布，分析了电场分布对加工结果的影响； 2 。在多秘条传下联震a f m 锋尖诱导氧纯麴工了n 熬s i ( 1 0 0 ) 帮 t i 膜，分析了加工的氧化物高度、宽度和纵横比随偏置电压和扫描速 度的关系，在此基础上深化了针尖诱导氧化加工的理论模型； 3 。分橱积对魄了各爨镛压嚣扛攒速度下热工瓣s i 黟氍氧佬线瓣 均匀性和致性，讨论了加工的w 靠性，并结合上点的结果确定了 对s i 和t i 进行诱导氧化加工的最合适条件； 4 。毳瑾究了大气漫瘦对s i 窝瓢进磐镑尖诱导戴化臻王筑影嗡； 5 提出了大致确定t i 氧化物成分的简单可行的方法； 6 详细研究了壳导开关豹工作原瑷和理论模型，提出了实现超高 速光导开关的方法，设诗了毙导搿关戆凝型续掬； 7 利用s t m a f m 测量了在不同条件下溅射的t i 膜的厚度、表厩 粮糙度和静窀淫，初疹确定了加工t i 膜需要的功率和时间； 8 。提出了剥羼以飞移激党 乍为光源的逛) 乜采撵技术来测斌党导开 关的方法和系统。 关键溺：鞭子力箍徽镜，针尖诱导| j 韬极氯幸毛，镰膜，超离速光簿开关 a b s t r a ct t h e 醢i t i m a t eg o a lo fn a n os c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i st of a b r i c a t e s d e c i a lf u n c t i o n a ld e v i c e s a n d p r o d u c t s o nn a n o m e t e r s c a l e w i t h s t m a f mt i pi n d u c e do x i d a t i o n ，n a n o o x i d a t i o n l i n ec a nb eo b t a i n e do n t h i nm e t a lf i l m 。t h ef o r m e dm e t a l i n s u l a t o r m e t a ls t r u c t u r e c a nb et a k e n a st h ek e yf u n c t i o n a ls t r u c t u r ei nn a n o d e ：v i c e s b a s e do 矗m a k i n gn o v e lu l t r a ，h i g h s p e e dp h o t o c o n d u c t i v es w i t c h ，w g o x i d i z e dt if i l m 器n ds is u b s t r a t eu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n sw i t ha f m t i p i n d u c e da n o d i co x i d a t i o n ，s t u d i e dt h em e c h a n i s ma n dr e l i a b i l i t y o fs u c h 。x i d a t i 。珏岔f o p o s e d t h em e t h o d so fi m p r o v i n gp h o t o c o n d u c t i v e s w i t c h w i t hs t m a f m ，w em e a s u r e dt h es u r f a c er o u g h n e s sa n d c o n d u c t i v i t yo f t h et if i l ms p u t t e r e db yd 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 a n dw e a l s 。 p o 争。s e d t h em e t h o d t ot e s t t h e o u t p u t o fu l t r a h i g h 。s p e e d d h o t o c o n d u c t i v es w i t c h 。t h ea c h i e v e m e n t sa n d r e s u l t sa r oa sf o l l o w s ： 1 c a l c u l a t i n gt h ee l e c t r i c a lf i e l d d i s t r i b u t i o nb e t w e e na f mt i pa n dt h e s 獬p i ew i t ht h e o r 辜娃。啦m o d e l i n g ，a n da n a l y z i n g i t si n f l u e n c e so nt h e o x i d a t i o nr e s u l t s ； 2 o x i d i z i n g nt y p es i o o o ) a n dt if i l mw i t ha f m t i pi n d u c e do x i d a t i o n 毡娃d e rv 雉f i o 毽se o 葑d i t i o n s ，a n a l y z i n g t h ed e p e n d e n c e so ft h eh e i g h t ， w i d t ha n da s d e c tr a t i oo ft h eo b t a i n e do x i d a t i o n s o i lt h ec o n d i t i o n s ， d e v e t o p i n gt h 。o r e t i c a tm o d e l i n g o f t i pi n d u c e d a n o d i co x i d a t i o nb a s e d o nt h ef o r m e rr e s u l t s ； 3 c o m p a r i n g t h eu n i f o r m i t ya n dc o n f o r m i t yo f t h eo x i d a t i o nl i n e so fs i 8 n d 了io fd f 涛r e n tv o l t a g eb i a s e sa n ds c a ns p e e d s ，t h u s g e t t i n gt h e b e s to x i d a t i o nc o n d i t i o no fs ia n d t i ： 4 i n v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c e so f h u m i d i t yo ns i a n dt io x i d a t i o n s ； 5p r o p o s i n gas i m p l ea n dc o m m e r c i a lm e t h o dt oc o n f i r mt h ec o i l s t i t u t e o ft i t a n i u mo x i d a t i o n ； 6 s t u d yi n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l e sa n dt h e o r e t i c a lm o d e l i n go fp h o t 。4 c o n d u c t i v es w i t c hi nd e t a i l ，p r o p o s i n gt h e m e t h o dst o i m p r o v et h e o u t p u ts p e e da n dd e s i g n i n gt h en o v e ls t r u c t u r e r 7 w i t hs t m a f mm e a s u r i n gt h et h i c k n e s s ，s u r f a c er o u g h n e s s a n d c o n d t i c t i v i t yo ft it h i nf i l ms p u t t e r e du n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n d d e t e r m i n i n gt h ep o w e r a n dt i m ef o rs p u t t e r i n gt if i l m 8 p r o p o s i n ge l e c t r o o p t i cs a m p l i n gs y s t e m ，w h i c h i sb a s e do nf e m t o s e c o n dl a s e ra st h eb a s l em e t h o da n ds y s t e mt o t e s tt h eo u t p u to f p h o t o c o n d u c t i v es w i t c h 、 k e y w o r d s ：a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，t i pi n d u c e d a n o d i co x i d a t i o n ， t i t a n i u mt h i nf i l m ，u l t r a h i g h s p e e dp h o t o c o n d u c t i v es w i t c h 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，也不包含为获褥墨盗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：麈登峰签字日期：，年，月他日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权垂盗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、祀编以供查阅和借阅。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：厘：参誉 f 导师签名：痧i 一夕每 签字日期：一吵年月阻日签字日期：d 一，年月一日 第一章绪论 第一章绪论 1 9 5 9 年，美国物理学家诺贝尔奖获得者r i c h a r dpf e y n m a n 在演 讲中首先给出了纳米尺度上的科学和技术的思想。“纳米技术”这一概 念最早由日本学者t a n i g u c h i 于1 9 7 4 年在c i r p 与日本精密机械学会 联合举办的国际生长工程会议( i c p e ) 上提出的，这一概念是为了 定义超精密加工的最终目标，即加工达到纳米量级。 八十年代以后，随着一些新兴的超微观察、测试及加工手段的出 现，纳米技术的含义发生了根本的变化。特别是以扫描隧道显微镜和 原子力显微镜为代表的一系列扫描探针显微镜的出现，极大地拓展了 纳米技术的研究范围。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，将纳米技术重新定义为：在01 1 0 0 n m 尺度上， 研究原子、分子现象及其结构信息的高新科学技术，其最终目标是直 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，纳米技术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技术 发展的重要标志。纳米加工技术是纳米器件研究中最关键的技术，它 直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应 用的范围和规模。 1 1 纳米加工技术 根据纳米产品加工制造的方式和过程，纳米加工技术被分为两种： 从下到上( b o t t o m u p ) 的纳米加工方法和从上到下( t o p d o w n ) 的纳 米加工方法。 1 1 1 从下到上的纳米加工方法 从下到上的加工技术中，利用化学和统计力可以产生自然尺寸为 亚1 0 0 n m 的系统。 第囊绻渔 1 。1 1 t热舞生筏 不慝带隙燃料之瓣瓣器瑟可以导致瞧芬抟输秘携带蛮悠。这霹以 在特定的系统下由晶体生长者控制，尤蕻是对于所谓的i i i - v 复合元 素。这壁蘩绕串选择鹩晶蒋生长技术感努予窳舒琵 “，其中超真空腔 取幸尊底搬热装置以及蒸发器缝合，超港净愿燃料装置在蒸发嚣中。程 合适的材料系统中利用正确的生长条件每次可以精确地生长个原予 层。 这种技术的扩展w 以产生雅结孝船。可以取出一个二维电子气结 构，在生袄腔中将萁切开，旋转9 0 。，并附生在切面上。这种切边附 生方法己绞鼷予勰工多释一维懿鬣子绫，冀剃媛了分予翡平熬襄均镑 的边界的优点，而不像各种光刻方法。 1 1 1 2 化学 合或纯学是在强1 0 n m 尺度 。太多数电子窳 刻蚀系统都基予修改的扫攒电镜，其中计 算视厢予搽级电予乘校样品表面移动。阕 l t 楚r i m b e r g 羧授磷变小疆裁溪逄子寨 刻蚀得到的一个很好的例子。 弼限电子窳裁镞箍够在p m m a 中 产生2 0 3 0 n m 宽麓线。在特定繇壤下可敬 加工疑小的尺寸。局限因素包括二次电子 产羹( 近场曝光) 、有限单俸尺寸。 谯犬尺寸上懿壤予哀蒸蚀懿最大漆 爨i - 1 r i m b e r g 教授硬究 题是速度。在光剡中，一整块片予可以阀 小组利用电予束刻蚀得到 对繇滗，稀窀子寐翔镪需要瞧予慕每次赫 麴缡采褥澎a 划一个受影。电予柬刻蚀是在见毫米尺寸 村底上加工小缩构的理想技术，然而其大多和基予大学研究的纳米缩 筠王俸耱关。 1 i 。2 ，3 蒜子囊粼毽i o nb e a ml i t h o g r a p h y ，i b l ) 粥子柬刻蚀f 】利爆带电熬离子。离子泰 鐾巍可能蛉粼镘工兵邑经 发展了几举的时闻。茅玎电子束相比，离子束撼有更小的角散射，对于 裁蟪趣工可骐撬镞更麓麓分辫力。离予寨夔及莉 魏缀夺，并且涎场效 应不明显。和电子柬耀比，其缺点是离子驰鼷量犬，在嫩撞熙可能孳l 起原子错位。在标准的集成电路工艺巾，离子束剡蚀融经达到了贩 6 5 r i m 鹃分辨巍力。 l 。1 。2 。4 x 越线刻缓( x r a yl i t h o g r a p h y ，x r l ) x 射线刻蚀 1 2 1 利用同步加遮辐射戚等离子体光源产生波长在 0i n m 蜀4 n m 之间韵光子。对于这些波长不可能利用折射镜头光学添 绞。霹篷，掩骥必蔟对一遮投影受片予上，表鹱掩蒺上靛辫黟爨缀 很小。在橼准的集成电路工蕊中，利用x 射线刻蚀已经加工了特征尺 篱一露薅论 寸舞7 5 ，1 2 5 n m 戆复袭籍爨。蒸司戳逸戮镤褰麓秘王羧零，餐麓王爨鬻 也缀筒。但是x 射线刻蚀仍然披认为谯5 0 n m 范围最舆礴蘸景的亥蚀 疆术。 1 1 。2 。誊熬疆爨静蕤镰( 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 ) 墨一释获上戮下酶方法楚露建耱舞蘩搽蛰鬟镦镱。遮蛰接拳嚣 电子泶刻蚀一榉，同样面临潜力n 工速度的困难，假是利用这种技术醴 经产囊了一篷豫太翳稿穆。 过去豹“ 年中出臻了鬟予缝岽足攫粼镀煞糖工其；挺攒攥蛰遂豢缝 ( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ，s p m ) 。19 8 2 年，b i n n i g 和r o h r e r 发明 了螽糕疆遵照豢瀵( s e a n n i n i gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ，s t m ) 骆 。本暾 勰移动尖锐故金属铮尖靠避金羼裁嚣。通过测量锋尖熬榉悬之趣戆隧 灌电流使躐离保持恒定。此种显微镜可以获得原子| 勺分辨力。1 9 8 6 年， 叉袭骥了嚣子女援骧辘( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，a f m ) 硝j ，箕瓣爨 附饕霞悬甓粱一e 鳃钟尖瓤榉撼( 金羼或戆缘 袭甏之闽豹力。 这两种仪器出现之后不 久，鼹突a 曩获鬻季薹掭搽静 屉微镜不仅可以成像，丽麒 可虢鞴予衽精采尺度加工袭 箍。e i g l e r 释s c h w e i z e r 遵霉 了基础实验，他们操纵了单 个藤予。酣，fc r o m m i e 等a 将f e 爨予羧置簌c u 袭覆澎 窝l 。2 寝4 2 箍餐露s t 琵底c u ( t 1 1 ) 成“蠢栏”形状，如嬲1 - 2 表露矮饕惩巧蕊嚣4 s 个f e 鼹予影琏黎 耱不。 t r 菌栏”结构。 搴拳懿楚，e i g i e r 簿天懿 原子操纵技术不避合乎批量加工纳米结构。为避免服子尺度的污染， 必须王孬崧超裔赢空u l t r a - h i g hv a c u u m ，u h v ) 条件下，而鼠t 为充 努簿繇表蒸器子靛迂骖，王终漫袋整矮态分繇夫翁4 ，2 k ； l y d i n g 等人广泛研究了另一种控制燎子的可能性。1 ：作在趣高囊 空条辞下，谴秘畿够鼠鬣甓张瓣s i 表蟊移动攀个氢源予，产奎解钝张 第一奄缭谂 懿s l 搂投。这释模扳可爨戮蘑健学气嘏沉裁孀予遮择戆戴喜乏，氮讫或 金属化。 努外，还发释了可以工作在爨温和大气状态下的许多其他技术。总 之，这虽然降低了光熬蕊分辨力，瞧太大楚诧了瀚王。貔稍将讨论一 些相应的熬于s p m 的剡蚀加工技术。 梳械翔黧 i s l 修改撵晶表露最镲单黪方法楚在势尖上薅燕一定戆力将针失褴惫 样晶，针尖在样晶表面移动，在样晶上剡划出沟槽绐构。融经利用a f m 霸一安在藐镪裁藻残褥辩静鑫缀缀荜分予层上精密地裁翊灞稽。这能够 在这些层土产生2 0 3 0 a m 懿线条，虽然层缀薄，毽这器方式加工酶溺 槽使得牺牲层工范非常具有挑战性。 “没渍笔”蕤镶l 骚l 最近发展约一秭技术是凌接书写“漫 渍笔”刻蚀。a f m 针尖( 辘) 浸入溶液 或靠近熬热弱篡套替定努予懿溶液( 墨 水) 上方。当a f m 葶爨镊袭颟( 纸) 接触 时，形成水膜。水膜的尺寸影响了分子从 簧尖磷表溪魏俦赣速度。已经获褥了 1 5 n m 的分辨力。也弼”以使用不围憋溶波 来书写结构。困扰可以预见使用多针尖探 赞，每个襟铮篌藤不鞘戆溶液亲黟盛缡拳 魏1 3 美国鳗j i 大学鲍 线。阁1 - 3 是美圜疆北大学盼c h a d m i r k i n c h 8 dm i r k i “小组在单分 小缀在荜分子层上得到的结构。 予屠上褥裂静结构。 瑟蒸发 1 利用s p m 进行场蒸发和解吸附基予存在足够大的电场，微拢势炀 ( 当针尖稍导电平面鼗得跫够近酌情况下) 使得针尖和表面出现电予 绩辘。俊赣予邀场翁极瞧，疆现扶镑尖懿蒸靛裘扶撵螽麓抟啜辫，褒 样品上产生凸起绒凹陷。在大气条件卜_ 已经在a u 袭面沉积了1 0 n m 宽 帮2 n m 窝酌祷铤形弑。表丽解彀附靛铆子冠鲞在表面扫猫时y b c u o 膜中生长蝶旋熬释链。 第一肇鳞论 表嚣的局部氧倦 d a g a t a 等人首先利用 s t m 针尖在大气环境下局部 氧化了s i 表面p s i ，威来利爆 导电针尖的a f m 也被用来液 嚣静弱部氧纯翻工。s t m a f m 表面局部氧化加工有两 种：在样品表面施加负偏压 撺】 帮农样鑫寝瑟熬艇燕镳压。 实验表明列用这两种方法在 样晶都可以得到氧化物结 橡，毽是在样熬表嚣蓬攘受 偏压时，飘化的速度很慢， 阌1 _ 4 斯坦福的d a l 研究小组利用导 氧化物结构不鞠显，纵横比 毫粒a f 醚搽钟在s i 主爨都氧纯褥瑟豹 摄蓑。在样品表瑟藏麴歪绱 s i 0 2 图形结构。 压时的氧化加工和传统的电化学阳极加工很相似，因此可以称这种加 工方法为针尖诱导阳极氧化加工。针尖诱导阳极氧化加工可以很容易 地零譬到氧化物缝搀，鼹氧他甥具窍较好熬缎横魄鄂均匀蛙。疆变人昃 已经对此方法进行了广泛深入的研究。图1 4 是斯坦福的d a i 研究小 组嗣厢这种方法在s i 上得蓟的s i o ：图形结构。 基懿，已经到震s t m a f m 钤尖诱导阳极氧化翔工了s i 、t i 、a l 、 c r 、m o s 2 、t i n 、g a a s 、s i 3 n 4 等。利用这种直接书写技术可以利用一 步简单的巍刻在薄膜中加工缩掏。这种方法形成韵s i 酌氧化物可以作 为下一步腐蚀的掩膜，从藤褥到皴米嚣锌。鞭对于薄黪众属赕，金鼷 氧化物可以到达绝缘衬底，因而使得金属区域分开，产擞了金属绝缘 俸一余t | 篱( m i m ) 结梅，这样蒇壹接褥翔了缡米器件。运霭这种方法， 已有一些硬究小组初步加工了单电子晶体管( s i n g l ee l e c t r o n t r a n s i s t o r ，s e t ) 、高电子迁移率晶体管( h i g h - s p e e de l e c t r o nm o b i l i t y t r a n s i s t o r ，h e m t ) 、越齑遮光导秀关( 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 ) 和单电子存储器( s i n g l ee l e c t r o nm e m o r y ，s e m ) 。这种技术变锝越来 越重疆，因为：这怒一种简单的技术，氯化物稳定，在后续的 第一章绪论 干法或湿法化学腐蚀中不易腐蚀，本技术仅需要低电压( 1 15 v ) 。 在本文的第二章中我们在对s i 片和t i 膜进行大量a f m 针尖诱导阳极 氧化加工实验的基础上，将深入研究a f m 针尖诱导阳极氧化加工的机 理。 1 2 纳米器件 纳米器件可以简单地分为纳米电子器件和纳米光电子器件。纳米 电子器件包括：共振隧穿器件( r e s o n a n tt u n n e l i n gd e v i c e s ，r t d ) 、 量子点器件( q u a n t u md o td e v i c e s ，q d d ) 和单电子器件( 单电子晶 体管s e t 和单电子存储器s e m ) 等；纳米光电子器件包括：超高速光 导开关和基于应变自组装的量子点激光器。 1 2 1 单电子晶体管 单电子晶体管的出现是在单电子隧道效应和库仑阻塞效应发现之 后，首先由日本的n e c 实验室成功制备，他们当时是利用纳米金属颗 粒制备的。随着纳米加工技术的不断发展，单电子晶体管的类型逐渐 增多，使用的材料也多种多样，目前单电子晶体管的工作温度已接近 室温，能量损耗很小。 单电子晶体管是由源极、漏极、与漏极极弱耦合的量子点( 库仑岛) 和用来控制量子点中电子数目的栅极组成。其工作的两个基本条件是： ( 1 ) 源漏极之间的电阻大于量子电阻h e 2 2 6 k q ：( 2 ) 量子点的电 图1 5日本的k a z u h i k o m a t s u m o t o 等人利用s t m a f m 针尖阳极诱导氧 化加工的( a ) 双岛和( b ) 五岛结构的侧门s e t 的a f m 图像的平面图。 繁一誊绪浚 容足够小，满足矿2 c k b t 。其中：e 为量予点懿慈毫容，k 8 为玻尔 兹曼常数，r 为工作溆度。当量子点的衡效般径小于1 0 n m 时，单电予 晶薄管斌可谶猩寝溢下工 窜。通过控涮栅韵偏压调节量子点中的静电 势戆，当蒸静龟势麓与瀑援靛爨米麓缀一致游，滚掇熬毫子可鞋逐个 相芙地进入量子点达劐漏极。此时量子点中的电子数在v 和一1 之 蓠汰落。滋一步调节薰子赢酌静沌势稚，如栗签程库仑戳塞状态，刚 源瀑极之阉没露魄流喹现，越对攀遣子菇体管处在美耀状态。 日本的k a z u h i k om a t s u m o t o 游人 2 0 】利用s t m 针尖和a f m 导电针 尖终巍选撵涯鬻辍襄繇靛受辍在s i 0 2 s i 薅赢上裁瓢膜和n b 藤的表褥 上形成了掇好的氧化钛线条翻键线条( 1 0 2 0 n m 毙) ，能l l 、】剥攘这些 纳米尺寸的氧化t i 线和n b 线形成了各种单电子晶体管。各种s e t 之 阕戆不嚣点窍；1 ) f - j 魄摄静经嚣帮2 ) 隧道缝酶数嚣，朝s e t 螽静数 耳。圈1 5 怒他们利用s t m f a f m 钵尖阳极诱导氧化趣工的双避积五糕 结构的侧门s e t 的a f m 图像的平面图。 1 3 光导开关器件的发展与研究现状 1 3 1 光导开关的蒸本誓作原理 光导歼获( 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 鬟弱激毙鼹量激瓣半警体稚瓣，健英奄蹲率笈童交纯瑟产生奄滁泞浆 光敏器件。p c s s 开关般幽一块光导材料和一条觉带传输线组成，光 导耪辩通鬻是s i 、g a a s 等商阻半导体，它可以是片状或抉状的。现在 罄逮采臻豁 p c s s 的结构仍 然是a u s t o n 在 冁 1 9 7 5 霉提出靛结 构1 2 i j ，如阁1 。6 所示。没寄竞黧 蓉1 - 61 9 7 5 掣a u s t o n 箍密瀚先导筇关的结构示意舀。 时，开光程壹溅残鼹挎镶压下处予蛭开姨态。接受光照链量螽，半繁 体材料中产生了光生载流子，形成大量的电子空穴对，材料电阻率凝 簿，德开美潢对蹲运，p c s s 两臻滋压下簿，嘏籍输搦翡产生了趣短电 兰= 塑鳖鎏 脉冲。 1 3 2 光导开关的发展过程1 2 2 1 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 酋次发现半导体材料 夔巍罨霹痰秒巍躲簿辩爱寂薛霹可在皮骖豁菠蚕蠹。这海螽塞毙导开 关瞬时性的研究提供了实验数据。1 9 7 5 年，荚国b e l t 实验室a u s t o n 等人稍用s i 光肆体制成皮秒光导开关，用来做直流电压转换开关，触 发源辩舞寂秽党鲦；孛。1 9 7 7 年，l e e 撵瞧g a a s 毙s 委透舍傲其蠢舞 重复遮攀的光导开关，因为s i 材料的溅流子搿命太长，砸g a a s 具农 载流予寿龠短、迁移搴高、睹电阻率高簿优点。1 9 8 1 年，在l e e 和 m a r t h u r 茨实验室戏臻嚣g a a s 释c d s s e 。，5 产生了龌袋离逮且k v 熬 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 做高功察开关； 简年，n u n n a l l y 和h a m m o n d 研制出了在高溺下工作韵裔频率g a a s 评 关，遮耱殛关霹褒1 5 0 k v 绱嚣工佟，辍产生1 0 0 k v ，2 k a 躲嘏辣律。 直到这时，光导汗关才引起脉冲功率研究人员的极大兴趣。 9 8 7 譬，s c h e m b a c h 等入旋籀甭掺硅、斡偿铺的砷讫稼散光寻开 关。裁爰c u 提供瓣深链级必致激发逛予产生光导，c u 中心对瞧予懿 较小的俘羧面使开关闭合殿无颡光照就能在一段时间内保持导通状 态；宅还鼹裰蠢需要辍露荧新开关，鞒汗蘸闽在1 0 - 1 数量级。这僚 光导器关在感性德能系统中靛应嬲袋必可熊。诧嚣，许多实骏蹇帮对 g a a s 光导开关进行了实验和研究。1 9 8 9 年，s a d i a 小组 】| e 实g a a s 开 关虿瓣窀悉筵避1 0 0 k v 毫蛎6 7 k v c m ；l o u b r i e l 等人发瑷g a a s 中 存在镁定现象。在这糟工馋条件下，光导舞荚可| 基获褥锻高的壤篮， 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 个数羹缀。 l 。3 。3 光导开关戆戮究瑷炊 隧煎，光导辨关的研究主要集中在粥个方蕊：利甩开哭中的q 线性 效应的大功率光蹲开美和利用线性的低幼率趟短脉冲光导开关。 离功率竞导拜蓑鑫实现l o o p s 缒上舞踺颡、蔻吾万茯翁蜂蘧电垂簸 几万安培的光生电脉冲。大功率光导开关在设计上电场磷穿与散热成 为首蘩考虑的问题。为提裔高压开关韵耐压憔，制作高功率光电导开 繁氅绪谂 美豹褥籽巍其骞尽竭鬣大翁港咚辍，戮辩又爨弯蔽短懿簸浚予寿命， 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。 在缄髓工件模式下钶光母开关，其先生魄脉冲前宽艘主臻取决于 载滤予懿卷念，甄光生载浚子豁帮会又交鼗滚子翁复合辩瓣与傣浚辩 问决定。减小复合时间有两种方法：( 1 ) 增大复台区；( 2 ) 使用大浓 度静中鬻搀杂5 嚣t 。因戴，弱前普遍采爝低温生长酌g a a s 竞寄衬底戚 采用霪o + 注入熬s o s 糙料。传辘融阕受开关阕陵宽度、镳压大小熬及 迁移率的限制，减小间隙宽度并使电场接近饱和电炀是减小俄输时间 鹃獒囊方法。鑫蕊浚遵竞零开关静开关阕豫籍鸯风个芦n l 。 传统的光粤器关，半导体封嶷上黪垒羼傣号线和金属债燧线都镀 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 蘩鼓术燕王，建予巍剿接零搴赛黯工极限懿黻裁，这静方法影减静阙 隙的最小窕度为大约3 0 0 r i m 。然褥，血鞋果空气闻隙小于大约3 0 0 h m ， 由于寝面污染，空气间隙区域的裸露的光导袭面的信号线和偏压线之 窝薅容蓥凌褒囊浚。迄今菇止，蕊皴麓取枣予3 0 0 n m 戆空气瀚熬。1 9 9 7 年，日本k a z u h i k om a t a s u m o t o 等人 2 0 】洲用a f m 针尖诱碍阳极氧化加 工沉积在低温生长韵g a a s 村底上的钦薄膜，形成铽氧仡物，制造了光 罢嚣关。捌矮s t m a f m 薅涞诱磐氧豫麓王，钛黢霹驭究全襞伲，氧 化线长度为5 1 1 1 ，和传输线导体的宽度相同。氧化t i 线不仪对激发 光柬透明，而曩是好的绝缘体。潦祥加工得刹的光导开蓑不会出现崩 浚妻戮镶援速裂 l v 。囊嚣逸怒袋撵系统灏爨趣抉开关辩反痰逮囊， 获得了3 8 0 f s 的最大半宽超短电脉冲。 1 3 4 光导开关的威用 毙鲁弹关怒滠翠躐现酌高速光电学器件，与传统豹气体开关、机 械嚣荧格魄具套糗穰缝褥簿萃、开关遮凄法、鲢发曼稳恕、热容量帮 热传导性高、寄生电感低、能直接产生微波频段的电脉冲、熨容易实 现多个拜爱靛弱劳、灵敏廑商稳安现了光电隔离等侥点。 光导开关已 在下裂镊域中褥瓣了广泛熬感熙，磬袭骢出冀卓越躲 性能： 逛蕊逄菰冲嚣产生。瘸霜p c s s 已产生凡酉飞移麴超短超浃篷 第一章绪论 脉冲；超高压、超高功率电脉冲的产生。利用p c s s 己产生电压高 达1 0 0 k v 、电流达2 k a 、功率达8 0 m w 和功率达2 5 0 m w 1 g w 、脉宽 为1 0 0 n s 的超高功率电脉冲；超高功率微波的产生。1 9 9 4 年，利用 p c s s 微波发生器阵列已获得了峰值功率达l g w 、经天线增益有效辐 射面积达1 0 0g w 的超大功率微波；超快光电采样；超宽带冲击 雷达；光控毫米波。此外，光导开关在电子战、激光核聚变的预脉 冲抑制、抗干扰雷达微波脉冲源等军事领域也得到了广泛的应用。 1 3 5 超高速扫描探针显微镜( u l t r a f a s ts c a n n i n gp r o b e m i c r o s c o p e ) 1 9 9 2 年贝尔实验室的e b e t z i g 和斯坦福大学的a s h o u 分别将 超短脉冲技术引入s t m 和n s o m ，获得了皮秒( p s ) 级的时间分辨力， 将s p m 的时间分辨力提高了九个数量级。目前，已在s t m 、a f m 以 及n s o m 上实现了 p s 甚至亚p s 的时间 分辨力。 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 图1 7t a k e u c h i 等人的超快s t m 的系统原理图。 探针样品相互作用时隧道电流与电压变化的i - v 特性，将被测量的快 速电压信号转化为慢变化的隧道电流进行测量。日本的k o i c h i r o t a k e u c h i 等人利用s t m 探针样品相互作用时加低偏置电压时，矿的线 性变化，在s t m 上实现了对快速电脉冲的测量，获得了3 0 p s 的时间 分辨力【2 4 】。图l 一7 为其系统原理图。将s t m 的铂铱探针粘在光导开关 的一端，利用超快激光的超短激光脉冲触发光导开关，实现采样门的 导通。他们测量的被测信号为肖特基掩埋二极管所产生的快速电脉冲， 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相干，反馈回路 第一章绪论 对隧道电流在时问轴上积分，将快信号转化为慢信号进行测量。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 关的响应时间和载流子的寿命。改变这些条件，可以进一步提高系统 的时间分辨力。 加利福尼亚大学的s w e i s s 等人2 5 1 在s t m 探针上产生探测脉冲， 获得了2 p s 的时间分辨力和高于5 0 埃的空间分辨力，他们测得的脉冲 宽度为2 p s ，对应的平均隧道电流为5 n a ，信噪比为1 0 o 。德圆的g g e r b e r 等人直接用4 0 f s 的钛蓝宝石激光脉冲照射金表面，利用s t m 进 行非接触测量，获得了2 0 0 f s 的电脉冲。密歇根大学超快实验室的j a n e e s 等人通过在a f m 探针上构造以分子束外延低温生长的g a a s 为衬 底的光导开关，在超快a f m 系统上得到了2 5 p s 的时间分辨力和 1 0 0 m v h z 的电压灵敏度。 1 4 本课题的意义和主要研究工作 利用g a a s 作为光导开关的衬底，外加电压高于一定值时就会出现 非线性工作模式，因此，这对产生超短电脉冲序列是极其不利的。实 验证明，在s i 衬底的光导开关中，不会出现非线性工作模式。我们可 以利用重o + 注入的s o s ( s i l i c o no i ls a p p h i r e ) 材料作为光导开关的衬 底，就可以使开关总是工作在线性模式下。在衬底上沉积一层薄钛膜， 然后利用s t m a f m 纳米诱导氧化加工将钛膜氧化，形成宽约1 0 0 n m 的氧化线，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间隙，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t i 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。 本文将对和超高速光导开关相关的技术进行细致深入的研究： 1 a f m 针尖阳极氧化加工的机理，加工的重复性和可靠性； 2 加工得到的氧化物成分的确定； 3 实现超高速光导开关的方法和选择光导开关的结构； 4 利用s t m a f m 测试溅射得到的t i 膜的特性，得到较好的加工 第一颦绪埝 t i 联静条件。 5 。趟高速光导开关的测试方法。 第二章a f m 针尖诱导阳极氧化加t 的机理研究 第二章a f m 针尖诱导阳极氧化加工的机理研究 扫描隧道显微镜( s t m ) 和原子力显微镜( a f m ) 已经成为纳米 尺度加工的有力工具。当前，在大气条件下利用扫描探针显微镜( s p m ) 的针尖局部氧化半导体和金属表面吸引了很多研究小组的兴趣。 d a g a t a d8 等人最早利用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 针尖在大气条件下氧化加工了氢钝化的s i 表面。后来利用 导电针尖的a f m 也被用来表面的诱导氧化加工。在针尖施加负偏压、 样品表面施加正偏压时的氧化加工和传统的电化学阳极氧化加工很相 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面 形成了纳米氧化物，因此可以称这种加工方法为针尖诱导阳极氧化加 工。目前，已经利用s t m a f m 针尖诱导阳极氧化加工了s i 、t i 、a 1 、 c r 、m o s 2 、t i n 、g a a s 、s i 3 n 4 等。其中研究最多的就是s t m a f m 针 尖诱导阳极氧化加工s i 片和t i 膜。这种方法加工的s i 的氧化物可以 作为下一步腐蚀的掩膜，如果用t m a h ( 四甲基氢氧化铵) 溶液作为 腐蚀剂，硅被腐蚀的速度比氧化物快千倍，使得书写的氧化物结构转 换到s i 片上，从而得到纳米器件。利用s t m a f m 针尖诱导氧化加工 极薄的t i 膜，形成的氧化物t i o ；将t i 膜隔开，构成金属绝缘体金 属( m i m ) 结构，实现加工各种纳米器件。运用这种方法，已经加工 了单电子晶体管( s e t ) 1 2 0 , 2 6 1 、高电子迁移率晶体管( h e m t ) t 2 ”、光导 开关 6 1 和单电子存储器( s e m ) 1 2 7 , 2 8 1 。 与s t m 相比，a f m 利用导电针尖进行诱导氧化加工具有以下优 点：可以对a f m 外加机械结构进行反馈控制针尖样品之间的距离； a f m 的氧化效率高于s t m ，可以氧化加工得到更厚的非导电的氧化 物；a f m 氧化加工具有更高的稳定性和重复性；a f m 可以利用多 种方式进行氧化加工( 接触模式2 9 ，3 0 l ，非接触模式【”- ”】和t a p p i n g 模 式 3 3 - 35 1 ) ；加工结束后，将偏置电压设为零，a f m 可以得到加工的 氧化结构的形貌图像，而s t m 由于样品和电场的相互作用，不能得到 第二章a f m 锊尖诱导强投氧他穗工秘祝理薪究 氧纯结梅熬真实影襞。 因此，分析和研究大气状态- fa f m 针尖诱导阳极氧化加工的机理 对加工各种其有好的黧复性和可靠性的纳米器件以及提高加工的效率 其鸯錾要意义。 本文利用a f m 针尖诱导阳极氧化加正方法氧化沉积在s o s ( s i l i c o no ns a p p h i r e ) 光释衬底上的t i 膜，得蓟的t i 膜氧化物不仅 对用于激发光生信号的超快激光寒透明，藤鼹是好的绝缘露。这秽方 法可以很梅易地将小于1 0 n m 厚的钛膜宪全氧化，而且得到的t i 氧化 物豹宽度谢以达翻1 0 0 n m 甚至更窄。困诧这种方法得弱瀚t i 氧话物可 以代替空气间隙覆盖攘光导半导体材料的表蹶。t i 氧化物两侧没有被 氧化的t i 膜作为光导开关的电极，t i 氧化物作为电极间的绝缘体，可 缓保证光鼯开关在较蒜静偏嚣毫疆不会被击穿。戳诧荆掰这释方法既 可以减小闽隙的尺寸，又可以增大外加电压，这样不仅减小了载沆予 移动的距离，而且增加了载流子的移动速度，从箍大大w 以掇高光导 开关豹稳波速度，褥瓣更高逮度豹奄脉渖。 本章主要就a f m 针尖诱导辘化加工钛膜的基本原理、氧化物高 度、宽度、一致性和均匀性与加工条件的关系等，进行了理论分析和 搬工实验，撂爨了较会适豹秀瑟王条季擎，为下一除羧骄豢l 鞠藤王怒寒邃 光导开关做了充分的准备。 2 1a f m 针尖诱导阳极氧化加工的基本原理 f a ( b l 图2 - 1 ( a ) a f m 针尖诱导氧化加工t i 膜的示意图。( b ) 外加电压等于针尖、 零貘释氧铯穆上静电歪辫静总稻。 大气状态下，当程弧膜袭霹秘导电a f m 钞尖之闺旋热足够戆正魄 压时，t i 膜表面就开始氧化。氧化加工的系统结构示意图如图2 一l ( a ) 第二摩a f m 赞失诱等鬻缀辘纯热丁靛謇琏酶究 鼷示。这积传统翁电纯学氧化麴工掺稳曩鬟。a v o u r i s 等人1 2 9 1 鬟滋了在样 品表面存在水艨的直接证据。通过测鬣a f m 探针和样品之间的力距 离黼线可以发现在针尖和样品之间存在着吸附的水膜。因此，在针尖 积样最之阁旌热含逮瓣壕燕，在针尖，承膜器榉最承膜之阕将会密瑗趣 化学反应。t i 膜作为阳极，针尖作为阴极，吸附的水膜作为电解液。 在两个界黼发生的反瘟如下： a f m 针尖承界露 2 x h + + 2 x e 一= x h 2 ( 2 - 1 ) 帮t i 承赛瑟 t i + 2 x h + + x h 2 0 = 鼢q + 2 x h + ( 2 - 2 ) 传统的阳极氧化只有农电场大干1 0 7 v e r a 的门槛电场时才能发 生，霾诧a f m 针尖诱导氧纯龟鞠应存在着门槛毫蘧。当钎尖和t i 膜 表面接触，并在针尖和薄膜之间施加电压v 时，氧化物上的电压圪蜊。 通常不和外加电压矿相同。部分电压将施加在针尖和样品之间的水膜 上，嚣豆瞧