（测试计量技术及仪器专业论文）超快电信号电光采样测试系统的研究.pdf

摘要 随着微纳电子技术、光电子技术和微纳加工技术的飞速发展，电子器件呈现出 微型化和高速化的发展趋势。如何对这样的超快器件，特别是在其工作于电路之中 时，进行准确的性能评价，成为电子学发展道路上的主要挑战。传统的电学测量方 法受限于其固有的缺点，无法胜任这一工作。 在这样的背景下，本课题采用原子力显微镜针尖氧化方法加工超快光导开关作 为超快电信号产生源，研究并构建电光采样系统原型以实现对其的测量，同时对系 统的关键组成部分进行了分析和测试，以期发展出应用于超快器件输出性能描述的 自动测试系统。 本论文的主要研究内容和取得的研究成果如下： 1 在查阅文献的基础上，对目前所应用的各种超快电信号测量技术进行了分 析比较。 2 通过分析光导开关的基本原理，设计超快光导开关，包括衬底材料的选择， 具体结构和加工方法的设计等；通过理论计算获得超快光导开关的输出特 性。 3 根据晶体光学原理，分析电光效应产生的机理，并由此引申出电光采样技 术的原理，研究其主要评价参数。 4 设计电光采样系统整体结构，设计光机械延迟线结构、电光采样结构、光 电转换及微电流放大电路、锁相检测模块；使用l a b v i e w 编写基于g p i b 接口的仪器控制与通讯及结果显示界面。 5 利用原子力显微镜加工超快光导开关器件原型。 6 搭建测试电光采样系统原型，包括光路部分和电路部分。 7 测试系统关键组成部分，如光机械延迟线结构等的性能，并对其可能影响 的系统整体性能进行分析。 关键词：超快电信号、光导开关、阳极氧化、电光采样 a b s t r a c t t h a n k st ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o n a n o - e l e c t r o n i c s ，o p t o e l e e t r o n i c s ，a n d m i c r o n a n o - f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h es p e e do fe l e c t r o n i cd e v i c e sh a sb e e ns t e a d i l y i n c r e a s i n g , c o n t i n u a l l yc h a l l e n g i n gt h ea b i l i t yt om e a s u r et h e m e s p e c i a l l yw h e n o p e r a t i n g i nc i r c u i t s t r a d i t i o n a le l e c t r o n i c m e t h o d s ，l i m i t e db yt h e i ri n t r i n s i c p r o b l e m s a r en o ta b l et oa c c o m p l i s hm i st a s k i no u rr e s e a r c t lan e wp h o t o c o n d u c t i v es w i t c h , w h i c hs e r v e sa st h es o l l r c co f u l t r a f a s te l e c t r i c a ls i g n a l ，i sf a b r i c a t e du s i n ga t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) t h e p r o t o t y p eo fa ne l e c t r o o p t i cs a m p l i n gf e o s ) s y s t e mi s s t u d i e d , d e s i g n e d ，a n d c o n s t r u c t e dt om e a s l 】r et h eu l t r a f a s ts i g n a l t h ek e yc o m p o n e n t si n f l u e n c i n gt h e s y s t e m so v e r a l lp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e da n dt e s t e d ，i no r d e rt od e v e l o pt h e a u t o m a t i ct e s ts y s t e m t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 b a s e do nc o m p r e h e n s i v er e f e r e n c e ，t h et e c h n i q u e su s e df o ru l t r a f a s t e l e c t r i c a ls i g n a l sc h a r a c t e r i z a t i o na r er e v i e w e da n dc o m p a r e d 2 b ya n a l y z i n gt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fp h o t o c o n d u c t i v es w i t c h , t h e 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 hi sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gc h o i c eo fi t s s u b s t r a t em a t e r i a la n dd e s i g no fi t ss t r u c t u r ea n df a b r i c a t i o nm e t h o d t h e o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c o ft h ep h o t o c o n d u c t i v es w i t c hi sa l s oc a l c u l a t e d ， t h e o r e t i c a l l y , 3 b a s e do nc r y s t a lo p t i c s ，t h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o - o p t i ce f f e c ti sa n a l y z c d ， f r o mw h i c ht h ep r i n c i p l eo ft h ee o st e c h n i q u ei si n t r o d u c e d p a r a m e t e r s u s e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f a ne o ss y s t e ma r es t u d i e d 4 t h es t r u c t u r eo ft h ee o ss y s t e mi sd e s i g n e d ，i n c l u d i n go p t o - m e c h a n i c a l d e l a yl i n e ( o m d l ) ，e m b o d i m e n to fe l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r , a n dl o c k i n d e t e c t i o nm o d u l e u s e r si n t e r f a c ei sd e v e l o p e d ，u s i n gl a b v i e w 5 t h ep r o t o t y p eo 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 hi sf a b r i c a t e du s i n g a f m 6 t h ep r o t o t y p eo ft h ee o ss y s t e m ，i n c l u d i n gt h eo p t i c a lp a r ta n dt h e e l e c t r i c a lp a r ti sc o n s t r u c t e d 7 t h ek e yc o m p o n e n t so ft h ee o ss y s t e m ，s u c ha st h eo m d l ，e t c a r e a n a l y z e da n dt e s t e d k e yw o r d s ：u l t r a f a s te l e c t r i c a ls i g n a l ，p 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 e o x i d a t i o n ，e o s 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，也不包含为获得苤鲞盘鲎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：二l 书眵醣签字r 期：2 ，6 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鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎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：二l 咯 签字日期：2 6 年，月，同 日 佣嗍 认 年q 州 名 期 签 日 师 字 导 签 第一章绪论 1 1 超快器件及其性能评价 第一章绪论 在长达几千年的人类文明史上，从不断刷新的百米赛跑世界纪录，到日新月 异的计算机处理器速度，追求更快的速度始终是人类不断挑战的主要目标，同时 也是社会发展和进步的主要动因之一。 在科技领域，为了以更快的速度传输和处理信息，人类不断挑战着电子器件 的速度极限。随着微电子技术、光电子技术以及微纳加工技术的飞速发展，微型 化和高速化成为器件的主要的发展趋势。随着器件尺寸的不断减小并接近电子的 德布罗意波长，电子的量子效应将成为影响器件性能的主要因素，量子器件诸如 共振隧穿二极管( r e s o n a n tt u n n e l i n gd i o d e ，r t d ) 和共振隧穿晶体管( r e s o n a n t t u n n e l i n gt r a n s i s t o r ，r t t ) ，量子点( q u a n t u md o t ) 和量子线( q u a n t u ml i n e ) ，单 电子晶体管( 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 ) 器件的频率已经接近t h z ( 1 0 1 2 h z ) 。 在这样的背景下，如何对这样的超快器件，特别是在其工作于集成电路之中时， 进行准确的性能评价，成为电子学发展道路上的主要挑战。 对于半导体器件的高频性能评价，传统的测量方法主要有采样示波器、逻辑 分析仪和网络分析仪，可实现的最大测量带宽都在1 0 0 g h z 以下，远不能胜任对 时下先进的高速器件的测试工作。同时，这些手段的电学测量本质不可避免地会 对待测器件( d e v i c eu n d e r t e s t ，d u t ) 产生各种影响。 自上世纪八十年代起，非接触测量技术开始出现，电子束测试( e l e c t r o nb e a m t e s t i n g ，e b t ) 技术便是其中的主要代表。该技术基于扫描电镜( s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ，s e m ) 技术，用电子束激发集成电路表面测试点产生二次电子，通 过对电子的能量分布函数分析获得测试点电压。电子束测试技术是数字集成电路 故障分析和内部时域测量中应用最广泛的非接触探测技术，并且已经实现了商业 化。然而，其可以达到的最大测量带宽也不过几十g h z ，同时测量系统对于真空 环境的需要以及测量时电子束对待测器件的伤害都限制了电子束测试技术的应 用。 光电时域采样测量技术的发展，为超快半导体器件的性能评价提供了有力的 手段1 2 1 。首先，在超短脉冲激光光源的帮助下，测量带宽提升至1 h z 量级；其次， 相比于传统方法中使用探针机械接触测点，光电时域采样技术均是非接触测量， 第一章绪论 不会对待测器件产生侵扰；第三，测量系统的空问分辨力通常由探测光脉冲光斑 的大小决定，通常只有几个u m ，可以满足大多数器件的测量需要。 1 2 光电时域采样测量技术 超快采样门( s a m p l i n gg a t e ) 的引入，是光电子时域采样测量技术优越性的 根本原因。目前常用的技术包括：约瑟夫逊采样技术【3 】i 钔( j o s e p h s o ns a m p l i n g ) 、 光电辐射探测技术【5 1 ( p h o t o e m i s s i v ep r o b i n g ) 、光导采样技术旧( p h o t o c o n d u c t i v e s a m p l i n g ) 以及电光采样技术【刀( e l e c t r o - o p t i cs a m p l i n g ，e o s ) ，以下将对这些技 术逐一介绍，并比较其各自的优缺点。 1 2 1 约瑟夫逊采样技术 约瑟夫逊采样技术于1 9 8 0 年由i b mt o m a sj w a t s o n 研究中心的s a d e gm f a d s 提出p 】，后经 d a v i db t u c k e r m a n 进行了改进【4 】。图1 1 所示是 其基本原理，约瑟夫逊结超导采样门有两个状 态：“电压态”和“零电压态”，与采样信号发 生器和待测电流信号相连接，采样脉冲电流厶 和外加偏置电流叠加在待测信号l 上，直至超 导采样门切换至“电压态”。随着厶延迟时间的 不断变化，五也不断调整，进而重现待测信号厶 的波形。在f a d s 的测试系统中，实现了对输出 脉宽在2 6 p s ，重复率为2 ，5 g h z 的脉冲发射器输出 的测试i ”。 i 图1 1 约瑟夫逊采样原理 约瑟夫逊效应发生的条件是在低温下，测试系统必须在低温环境下工作，这 一限制条件大大限制了约瑟夫逊采样技术的应用。 1 2 2 光电辐射探测技术 光电辐射探测技术的原理与电子束探测技术类似，唯一的不同是激发源从电 子束换成了光脉冲束。如图l - 2 所示，具有一定能量的光脉冲束激发任意衬底的 金属线产生光电子，通过对电子进行能量分析实现对待测电压信号的测量。 光电辐射探测技术的时间分辨力可以达到几个p s ，另一个主要优点是空问分 辨力较高，可以达到o 5 m 1 5 1 ，可以胜任对相应尺寸器件的测试。 和电子束检测技术一样，光电辐射探测技术也需要真空测量室，同时测试也 仅限于上层表面，这些缺点都提升了系统的成本，限制了应用范围。 2 第一章绪论 图1 - 2 光电辐射探测原理 1 2 4 光导采样技术 光电导取样技术是在上世纪八十年代初由b e l l 实验室的d h a u s t o n 等人提 出的嘲，是利用快速光电导开关作为取样门来测量高速电信号波形的一种激光探 针测量技术。测试系统需要两个光电导，每个都用超短光脉冲触发，其中第一个 光电导作为被测信号的取样门，第二个光电导作为探测器。在j k i m 等人的测试 系统中，实现了2 - 3 p s 的时间分辨力和4 v 的电压灵敏度【h 。光电导取样技术的时 问分辨率仅取决于作为取样门的光电导的响应时间，因此产生更短的电脉冲一直 是光电导研究的一个方向。同时，光电导取样测量技术可以实现非常高的系统测 量电压灵敏度和信噪比，但是这种技术不能测量集成电路的内部动态特性。 图1 - 3 光导采样原理图 后来又出现了将扫描力肘j 描隧道显微术( s f m s 1 m ) 和光导采样相结合起 来的超快扫描探针显微术f s 】，极大的提升了兜导采样的性能。这种测量技术对测 量样品及环境的要求比较苛刻，有时还需要真空环境。 第一章绪论 1 2 4 电光采样技术 电光采样技术于1 9 8 2 年由美国r o c h e s t e r 大学的j a v a l d m a n i s 等人首先提 出| 9 】o 该系统基于非中心对称晶体的p o c k e l s 效应( 即线性电光效应) ，以超短光 脉冲为“采样门”，通过测量受到待测电信号调制的光强变化实现对超快器件或 电路的测试。 图1 4 1 0 1 所示为电光采样技术的基本 原理。激光器产生的超短脉冲激光由分 光镜分成两束：激发光束和采样光束。 激发光束激发待测器件或电路产生超快 电脉冲，采样光束经起偏器后成为线偏 振光，然后入射到置于待测器件或电路 上的电光晶体。基于p o c k e t s 效应，当采 样光束穿越电光晶体时每个光脉冲的强 度变化与其经过的一段待测电信号的幅 值成正比，这样便实现了光脉冲对电信 号的采样。之后使用慢光电探测器检测 采样光束的强度变化，通过计算机计算 后复现待测电信号的波形。 占裳煞i t 蚺 图l - 4 电光采样技术原理 藿 以是否需要外加电光晶体来区别，电光采样可分为内部采样和外部采样。 口蛾b l s 4 图1 5 内部采样与外部采样。其中( a ) 、 ( b ) 为内部采样，( c ) 、( d ) 为内部采样 内部采样又称直接采样，要求待测 器件或电路本身具有电光材料的衬底， 并且允许对衬底表面进行抛光；此外， 采样光波须足够长，保证不被衬底吸 收。内部采样无须使用任何探头接近待 测器件，具有较高的空间分辨力和电压 灵敏度。 外部采样则用电光材料制备采样 头，将其靠近或接触待测器件，使电场 进入电光晶体内部，再通过检测受调制 的光强变化测量电场大小。相比于内部 采样，外部采样的灵敏度相对较低，但 由于其不依赖于器件衬底的材料，可对 二维非封装器件内部任意节点进行非接触测量，适用于在仪器化电光采样系统中 采用。 4 第一章绪论 相比于其他光学超快测量技术，电光采样技术具有亚皮秒级的时间分辨力和 t h z 级的带宽，同时由于无需从被测器件或电路中抽取电荷，因此对被测系统几 乎没有电磁干扰。自问世以来，电光采样技术在超快电子及光电子器件的频率响 应评价、空间电场矢量分析以及t h z 波检测等领域获得了广泛应用。 1 2 5 各种光电时域采样测量技术比较 表1 - 1 各种光电时域采样测量技术比较 表1 1 从时问分辨力、电压灵敏度和空间分辨力等测试系统的主要性能评价 参数方面比较了电子束测试技术和主要的光电时域采样测量技术。可以看出，对 测量环境的特殊需要很大程度上限制了约瑟夫逊采样和光电辐射探测的应用。对 于光导采样技术，虽然在时间分辨力方面没有明显的优势，但在室温环境下测量 时可以实现较高的电压灵敏度和信噪比，缺点主要是对待测器件存在侵扰。相比 之下，电光采样技术拥有最高的时间分辨力，同时对待测器件基本上没有侵扰。 电光采样技术的主要缺点是在采用外部采样时，采样头和待测器件间的距离愈 近，测量的灵敏度愈高，但愈有可能对待测器件产生侵扰，这是一对矛盾。 5 第一章绪论 1 3 本文主要研究工作 本课题受教育部天津大学南开大学科技合作项目“纳米组装、加工与检测 的基础理论研究”资助，旨在选择性能良好的材料作为衬底，利用s t m a f m 氧 化加工t i 膜形成币0 2 代替极板间的空气间隙，加工超快光导开关作为超快电信号 产生源。同时，利用飞秒超短脉冲激光作为光源，设计并搭建一套电光采样系统 用于超快电信号的测量。 本课题拟开展的具体工作包括： 1 通过分析光导开关的基本原理，设计超快光导开关，包括衬底材料的 选择，具体结构和加工方法的设计等；通过理论计算获得超快光导开 关的输出特性。 2 。根据晶体光学原理，分析电光效应产生的机理，并由此引申出电光采 样技术的原理，研究其主要评价参数。 3 设计电光采样系统整体结构，设计光机械延迟线结构、电光采样结构、 光电转换及微电流放大电路、锁相检测模块；使用l a b v i e w 编写基于 g p i b 接口的仪器控制与通讯及结果显示界面。 4 利用原子力显微镜加工超快光导开关器件原型。 5 搭建测试电光采样系统原型，包括光路部分和电路部分。 6 测试系统关键组成部分，如光机械延迟线结构等的性能，并对其可能 影响的系统整体性能进行分析。 6 第二章超快光导开关的原理及加工设计 第二章超快光导开关的原理、设计和理论输出 在光照条件下，半导体材料吸收光子的能量，非传导态电子变为传导态电子， 引起载流子浓度增大，进而导致材料电导率增大，这种现象叫做光导效应。半导 体光导开关( 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 ) 便是基于光导效应的 电信号开关器件。 光导开关具有响应速度快( 皮秒量级) 、同步精度好、功率密度高、结构简 单、性能稳定、光电隔离好等优点，在超宽带冲击雷达、高功率微波产生系统、 超快光导采样、超宽带通信等领域有广阔的应用前景。特别地，近年来的太赫兹 ( t e r a h e r t z ，t h z ) 技术研究表明，光导开关是产生太赫兹波的有效来源之一【1 1 】， 对太赫兹波理论和应用研究具有重要意义。因此，自上世纪7 0 年代问世以来，光 导开关的理论与实验研究一直是热点课题之一。 2 1 光导开关的基本结构及其原理 现在普遍应用的光导开关仍然采用d h a u s t o n 在1 9 7 5 年提出的基本结构【1 2 1 。 如图2 - 1 所示。在高电阻率( 1 0 4 q c m ) 的硅片上加工有微带传输线( m i c r o s t r i p t r a n s m i s s i o nl i n e ) ，微带传输线包括一条地线和一条信号线，后者中间有一高阻 抗的空隙。硅片的一端与直流电源或脉冲电源相连，另一端与一匹配负载相连。 o u t 图2 - 1 光导开关基本结构 在没有光照( 暗态) 的情况下，由于硅片的电阻率高，通过开关的电流( 暗 电流) 很小，光导开关基本上处于阻断状态。当硅片受到光照的时候，硅片中会 在极短的时间内产生大量的电子一空穴对( 浓度可高达1 0 2 0 c m - 3 ) ，使硅片的电阻 率骤然下降，( 此时的电阻率与暗态电阻率的比值可达l o 以上。) 开关很快从阻断 状态转换为导通状态( 通态) ，这一转换过程可在皮秒甚至亚皮秒量级的时间内 第二章超快光导开关的原理及加工设计 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。当光脉冲撤除后，由于载流子的复合，光导开关将很 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。 光导开关存在两种工作模式：线性与非线性。当激励光能量和偏置电压中的 任一参量低于其闽值条件时，光导开关输出电脉冲与激励光脉冲具有相似波形， 呈线性变化关系，称光导开关的该种工作模式为线性工作模式。在线性工作模式 下，开关的闭合与关断由时变光脉冲决定，激励光脉冲产生的光生载流子的时变 特性决定开关的工作状态。当激励光能量和偏置电压参量同时高于对应阂值条件 时，激励光脉冲消失后，只要偏置电压维持在某一高压，光导开关将继续处于导 通状态，此时，开关的工作状态不再由是否存在光脉冲决定，激励光脉冲只起触 发开关导通的作用，称该工作模式为光导开关的非线性工作模式。在本实验中， 主要研究光导开关的线性工作模式。 除硅外，常用的光导开关衬底材料还有g a a s ”】、g a a s ：c r t l 4 l 、i m p ：f e 1 5 】和 金刚石1 1 6 j 等。如果希望光导开关产生尽可能快的电脉冲信号，那么对衬底材料 的主要要求就是：载流子寿命短；载流子迁移率高；材料的暗态电阻率大。 2 2 超快光导开关的设计 欲实现较高的开关速度，直接能联想到的方法无外乎三个：选择载流子寿命 短、载流子迁移率高、暗态电阻大的衬底材料；减小光生载流子的移动距离；提 高光生载流子的移动速度。 在第一章中已经提到，本课题的工作，就是在选择性能良好的衬底材料的基 础上，利用原子力显微镜针尖诱导氧化加工方法制作新型结构的超快光导开关， 从而大大提升其输出性能。 2 2 1 超快光导开关衬底材料的选择 在超快应用中最常用的三种光导材料是注入式的硅蓝宝石( s i l i c o no n s a p p h i r e ，s o s ) 、注入式g a a s 及其相关多量子阱、低温生长g a a s ( 1 0 w t e m p e r a t u r c - g a a s ，l t - g a a s ) 及其相关异质结构f l “。这些材料每种材料都有相 当好的传输特性和快速载流子衰减。量子阱材料既有显著的电光效应又有量子限 制的电子空穴对。 随着注入氧的增加，硅一蓝宝石( s o s ) 中载流子的寿命逐渐缩短【。当氧 注入量达到1 0 “c m 之时，载流子寿命缩短到6 0 0 r s 。但是，更高的浓度会降低材 8 第二章超快光导开关的原理及加工设计 料的传输特性，并且材料的速度不再出现明显提高1 1 9 1 ，其电子载流子寿命随氧 离子注入齐g 量的变化如图2 1 【i7 1 所示。利用化学气相沉积( c v d ) 在熔融石英上 沉积的无定形硅的短复合寿命可以得到光导开关的快速复合。无定形硅的低迁移 率限制了器件的速度，利用蓝宝石上辐射损伤的硅可以得到更好的性能。 注入式g a a s 的载流子寿命也可 以达到p s 范围1 2 0 - 2 2 1 。图2 1 中表示出 了氢注入g a a s 的载流子寿命随注入 浓度的函数变化关系，并和氧注入 s o s 的速度进行了对比。其他可能的 方法还包括：通过砷离子注入g a a s 可以实现亚皮秒的载流子寿命团】：同 时注入m e v 的镓和氧离子可以使 g a a s 的载流子寿命达到p s 量级1 2 4 1 ； 通过中子辐射a i g a a s g a a s 量子阱 h 驴i a mo o e e a n 图2 - 2 氧离子注入s o s 和氢离子注入g a a s 的载流子寿命 可以得到p s 量级的载流子寿命【2 5 1 。通过辐照损伤的方法获得半绝缘g a a s 及其 异质结构对注入离子类型的依赖性不强，在合适的注入量下，都可以实现约l p s 的载流子寿命”7 1 。 图2 - 3 包含过量砷复合中心的l t - g a a s 载流子寿命和退火温度的关系 对于低温生长的g a a s 材料，可以 通过变化生长温度、退火次数和退火温 度改变过量砷复合中心、固有缺陷密度 与沉淀尺寸和密度，从而非常方便地改 变g a a s 材料的载流子寿命。在2 0 0 0 c 或更低温度生长就可以实现过量砷的 复合中心，从而可以实现亚皮秒的载流 子寿命1 2 6 - 2 8 1 。在生长后进行退火既可以 缩短载流子寿命，又可以实现较高的暗 电阻率。图2 _ 2 1 2 9 表示了o 5 2 、o 2 5 和0 0 2 - - - 种不同过量砷复合中心的低温生长的g a a s 材料在3 0 s 等时线退火 时的电子载流子寿命随退火温度的变化。 对比以上三种具有较短寿命的光导材料，氧离子注入的s o s 材料的载流子 寿命最短。因此，本课题采用氧离子注入的s o s 材料作为新型超快光导开关的 衬底材料。 s o s 技术目前已经非常成熟，它是能用于l s i 和v l s i 电路制造的难一的异 质外延技术。1 9 7 1 年就有商品化的s o s 片，1 9 8 7 年有了6 4 k c m o s 静态存储器， 9 (。萎一。|：_g面 第二章超快光导开关的原理及加工设计 1 9 8 8 年有了薄膜s o s 器件1 圳。 蓝宝石( a - a 1 2 0 3 ) 氧化铝的单晶形式是良好的绝缘体，是一种常 用的微波衬底。蓝宝石的绝缘常数、绝缘损耗角正切值和电阻率分别为产9 9 3 ， 在t a n s 0 0 0 0 1 ( 3 g h z ) ，p = 1 0 1 4 f ! c m 。 i n s u l a t o r ， s 0 1 ) 材料的优良特性之外， 因此，除了具有硅一绝缘体( s i l i c o no n 蓝宝石片还是很好的用于无源元件的微 波衬底，以其作为衬底可以消除集成电路之问的相互作用，不但减少漏电流和寄 生电容，增强抗辐射能力和降低功耗，还可以提高集成度和实现双层布线，是大 规模和超大规模集成电路中的理想材料。x 射线结构分析表明，蓝宝石上的硅外 延生长中，硅取代其中的铝原予而和氧原予键合，并以此作为以后生长硅的基础。 s o s 具有s o i 材料的所有适合于微波电路的优点1 3 0 l ，包括减小了自动加热 效应，( s i 0 2 的热导率为o 0 1 4 w c m k ，而蓝宝石的热导率为0 4 6 w e r a k ，因此 和s i 0 2 相比，蓝宝石具有更高的热导率。) 减小了器件的寄生电容，增大了抗辐 射强度，减小了c m o s 结构中的封闭性，提高了存储密度和隔离性。s o s 也具 有更短的少数载流子寿命，这样可以得到更高的源漏击穿电压。s o s 另一个值得 注意的特性是硅薄膜处于压应力，此应力分裂轻空穴和重空穴价带，这样增大了 空穴的迁移率，和体硅相比也降低了电子迁移率。除了s o s 的电子迁移率小于 i i i v 族材料外，由于其更高的空穴迁移率，s o s 还有互补电路的优点。 2 2 2 超快光导开关的加工方法及其基本结构 1 9 9 6 年，i t a t a r t i 等人将原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i e r o s c o p e ，a f m ) 应用到超快光导开关的加工中来，使用原子力显微镜针尖氧化生成1 0 0 n m 厚的 氧化物作为既绝缘又对激发光透明的光导间隙。采用这种方法既减小了光导间隙 的尺寸，又可以保证在较大外加电压条件下不被击穿，从而极大的提升了光导开 关的响应速度，在1 0 v 的偏置电压下获得了高达3 8 0 f s 的半峰全宽( f u l lw i d t ha t h a l f m a x i m u m ，f w h m ) 1 3 1 1 。 利用a f m 针尖诱导阳极氧化加工同时实现光导开关的光导结构和绝缘结构 的过程如图2 - 4 所示，具体步骤如下：( 1 ) 利用溅射技术在光导s o s 衬底上溅 射超薄( 3 5 n m 厚) 的钛膜；( 2 ) 利用传统的光刻工艺形成2 5 , m 宽的金信号 传输线和金电极，并通过离子腐蚀把引起各传输线短路的不需要的钛膜去掉；( 3 ) 利用原子力显微镜针尖诱导氧化加工形成氧化钛的细线。原子力显微镜阳极氧化 加工的氧化钛线不仅是绝缘体，而且同时对光导开关激励光的波长透明。这样没 有被氧化的钛膜则成为信号传输线的一部分，而原子力显微镜针尖氧化n i 的氧 化钛线就成为光导开关的绝缘保护膜，同时成为透明的光学窗口，即光导开关的 光导间隙。 0 第二章超快光导开关的原理及加工设计 一钛膜 金信号传输线 c a ) ( b ) ( c ) 图2 _ 4 利用a f m 阳极氧化加工同时实现光导开关的光导结构和绝缘结构 化钛线 所设计的超快光导开关的光导部位通过a f m 阳极氧化加工钛膜形成的氧化 钛线来实现。因此氧化钛线的形成制约了所能采用的光导开关的传输线的结构。 实际中选用共面带状线结构【3 2 1 ， 这样，需要加工的氧化钛线的长度为 5 a m 以内。在这种情况下，可以得到 均匀、连续、可靠的氧化钛线，大大 防止了可能出现电流泄漏的几率。图 2 - 5 是设计的完整的超快光导开关的 结构图。 2 3 超快光导开关的理论输出 图2 - 5 超快光导开关的三维结构图 2 3 1 光导开关的理论模型【3 3 1 为详细、直观地分析光导开关输出电脉冲 的瞬时特性，利用了图2 - 6 所示的电路模型和 等效电路，其中参数元件皿( f ) 和c ( 力代表光导 开关的间隙，假设电极与薄膜的接触是纯欧姆 性的，则输出电压由下式决定f 3 4 1 = u 骊z o ( 2 - 1 ) 卫上竺 区二 匕瓦寻s ( t ) 其中z 0 为微带线特性阻抗，以f ) 为光导开关电 图2 6 光导开关的电路模型和 阻 等效电路 1 2 耻) 2 面而确+ r o q 。2 其中三为间隙宽度，( f ) 为光生电子载流子总数，以f ) 为光生空穴载流子总数，砌 为电子载流子迁移率，卢，为空穴载流子迁移率，q 为电子( 空穴) 的电量。从式 第二章超快光导开关的原理及加工设计 2 2 可知，只要求出了光导开关的电阻风( ，) ，就可以近似求出其输出电脉冲波形。 根据半导体物理学，非平衡态载流子运动和分布满足( 一维运动情况下) d 3 i a 。p = - “p p 篆一以唾+ 吃窘一等十g p c 2 一s ， 。西一以邑嘉+ 也蕾一亡十q 旺刁 鲁唧篆+ 以喀+ 乜- 扩e 坠- 等+ g ( 2 - 4 ) 百2 以门面+ 以止面+ 乜一百+ q u 珥 其中孙印分别为非平衡载流子电子和空穴的寿命，g 、 分别为非平衡载流子 电子和空穴的产生率，上b 、岛分别为电子和空穴的扩散系数，砌和伟分别为电 子和空穴的迁移率。珂、p 、a n 、4 p 分别为电子和空穴的平衡浓度和非平衡浓度。 式2 - 3 、2 - 4 是载流子在非平衡态的扩散和漂移过程中所遵循的连续性方程。 在给定的边界条件和初始条件下，求解方程组就可以得到半导体内各位置、各时 刻载流子的分布，进而分析光导开关在超短光脉冲激励下的输出特性。实际应用 中，根据光导开关的具体情况，可以做以下设定以简化计算。 1 假设光导开关间隙中的电场是均匀的，即竽：0 。电场主要沿x 方向 ( 即传输线方向) e = u l( 2 5 ) 2 材料是均匀的，因而平衡浓度与x 无关，则式2 - 3 、2 - 4 中的载流子浓 度疗、p 都可以非平衡态载流子浓度如、卸取代。 3 根据参考文献【3 5 】，定义漂移速度和扩散速度相等的临晃电场匠，即 e o u = _ d ( 2 6 ) 其中三是非平衡态载流子深入样品的平均距离，称为扩散长度。根据 爱因斯坦关系式 旦：丝( 2 - 7 ) q 则有 e c ：望 ( 2 8 ) l g 对于外加偏置电压以 以；望 a t ，仍可认为采样脉冲为周期信号，其周期为 设待采样脉冲信号的延续时间为死，。( 注意，不是其周期! ) ，则采集其所有信 息所需时间 = 导正= 等瓦= 磊兀= 等 ( 4 - 4 ) 在o m d l 长度允许的前提下，应该选择尽可能慢的运动速度，以增加采 样点数，提升待测信号复现的准确度。 第四章超高速电光采样系统的设计 实验选择s u r u g as e i k i 公司的k s l 0 2 1 0 0 型精密移动平台，行程1 0 0 m m ， 最大运动速率1 0 0 m m s e c ，其运动由d 2 5 0 型步进电机驱动。 4 3 电光采样结构设计 根据待测光导开关的结构特点，所选用的电光采样结构是横向上层调制器结 构，如图4 3 4 5 】所示 信 线 图钙横向上层调制器结构 按照第三章中的设定，选择长3 0 0 9 m 、宽2 0 叩m 、厚5 0 9 m 的l i t a 0 3 作为 电光晶体，设定其x 轴垂直于待测样品表面，z 轴平行于穿越电场方向，底部镀 反射膜以反射采样光束。电光晶体和待测器件被固定在二维方向移动平台上，在 测试过程中通过显微镜或c c d 装置进行监控，以便对采样光束和激发光束的入 射点进行精确定位，如图4 4 所示。 图4 - 4 样品固定方式 4 4 光电转换及微电流放大电路 在光电转换电路中，采用光电二极管作为光电转换元件。通过对光电二极管 微弱光电流的检测，实现对待测电信号的测量。 光电二极管的光探测方式有两种：一是光电导模式。在这种模式下，需给光 第四章超高速电光采样系统的设计 电二极管加反向偏置电压，存在暗电流，会产生较大的噪声电流，有非线性，通 常应用在高速场合；二是光电压模式，在这种模式下，光电二极管处于零偏置状 态，不存在暗电流，有较低的噪声，线性好，适合于精确测量的场合。在电光 采样系统中，希望实现精确测量，所以采用光电压模式，具体光电检测电路如图 4 5 所示。这是一个电流电压转换放大器，它把二极管探测到的光电流通过反馈 电阻转换成输出电压。 在光电二极管的选用上，希望其有效接收面积可以和测量光束的直径相匹 配，峰值灵敏度出现在8 0 0 n m ( 系统光源所在波长) 左右，同时具有尽可能小的 噪声。 结合以上考虑，实验选择了日本h a m a m a t s u 公司的s 5 9 7 2 型p i n 硅光电二 极管，其主要参数如下： 有效接收面积( e f f e c t i v ea c t i v ea r e a ) ：o 5 r a m 2 峰值灵敏度波长( p e a ks e n s i t i v i t yw a v e l e n g t h ) ：8 0 0 n m 灵敏度( p h o t os e n s i t i v i t y ) ：o 5 7 a w ( 8 0 0 n m ) 等功率噪声( n o i s ee q u i v a l e n t p o w e r ，n e p ) ：3 1 1 0 ”w d h z 为实现对光电二极管电流的精确测量，必须对运算放大器的失调电压和偏置 电流提出较高的要求。实际选择的运算放大器是美国a n a l o gd e v i c e s 公司 的精密运放a d 7 9 5 ( k 级) ，其主要参数如下： 失调电压( o f f s e t v o l t a g e ) ：2 5 时最大为2 5 似v 失调电压偏移( o f f s e tv o l t a g ed r i f t ) ：最大为助v 输入偏置电流( i n p u t b i a sc u r r e n t ) ：2 5 时最大为l p a 电流噪声( i n p u tc u r r e n tn o i s e ) ：在1 0 0 0 h z 处为o 6 f a , r 面 图4 - 5 所示为设计的电流电压变换电路的原理图。输出信号 v o = i d r f = p r p rr t 4 5 ) 其中厶、母、p 、昂分别为光电二极管 的输出电流、反馈电阻、入射光功率和 光电二极管灵敏度。考虑到锁相放大器 本身具备对选定频率信号进行放大的 功能，电路中没有再设计滤波环节。为 了保证放大器可以正常工作，希望输出 图4 - 5 光电转换及微弱电流放大电路 信号在几个v o l t 大小，因此母的大 小需要在实验中通过测量最后实际入射到光电二极管上的光强大小来最后确定。 第四章超高速电光采样系统的设计 另外，为保证电路不受干扰，整个电路板使用接地金属外壳屏蔽。 4 5 锁相检测设计 上一节讨论了光信号经光电转换及放大电路变为电信号，考虑到最终的待测 信号，即电光晶体所引起电信号变化非常徼弱，而且还带有比较大的噪声和干扰， 所以需要对信号进行进一步的放大和处理，同时为了进行便于观察实验结果和记 录数据，还需要对信号进行a d 转换。锁相放大器基于锁相检测原理，可以实 现只对选定频率信号的放大功能，抑制噪声能力强，而且放大器增益较高，可满 足本课题检测微小交流信号的需要。所以，实验采用s t a n f o r dr e s e a r c hs y s t e m 的 s r 8 3 0 锁相放大器实现锁相检测、差分放大和a d 转换等功能。 4 5 1 锁相放大器的工作原理h q 锁相放大器用来检测非常小的交流信号，甚至在噪音信号大于被测信号几千 倍时也可以进行测量，其主要手段是相敏检测技术( p h a s e - s e n s i t i v ed e t e c t i o n ， p s d ) 。具体的方法是用把一个与被测信号频率相同的参考信号和被测信号乘在 一起。根据傅立叶变换理论，任何信号都可以表示为多个不同频率、相位、和幅 度的正弦信号的叠加。根据相关定理，不同频率的正弦波是正交的，所以任何两 个不同频率的正弦信号相乘叠加的平均值都是零，这样留下的信号的频率等于参 考频率。 设待测信号为 s i n ( r o , t + ) ( 4 6 ) 参考信号为 屹s i n ( c o l + 圮“) ( 4 7 ) 则两者的乘积 = 圪s i n ( c a , t + ) s i n ( c o l + ) = 1 2 吃c o s ( r o l q ) f + 一卜1 2 k 。圪c o s r l + q ) f + + 】 ( 4 8 ) 因为叻= 国，所以有 = 1 2 屹c o s ( 一卜l ，