（测试计量技术及仪器专业论文）超高速光导开关测试系统的研究.pdf

摘要 随着微电子技术和光电子技术的发展以及器件的微加工技术的不 断提高， 超高速电子器件及超高速光电子器件在信息领域扮演着越来越 重要的角色。不过，在目 前的技术条件下， 还不能准确便捷地检测这些 器件的性能和参数，所以， 对高带宽、高灵敏度的超高速光电检测系统 的要求非常迫切。 在这样的背景下，本课题对基于半导体光导开关的超高速光电检测 系统进行研究和构建。通过对超高速光导开关基本原理的分析，设计了 相应的光路和电路系统以实现超高速电光采样及其相应的数据采集，并 对影响系统测试效果的一些重要环节进行分析阐述。 本论文的主要研究 内容和取得的研究成果如下: i .查阅了大量的有关技术资料，综合评述了超高速光电测量技术 的国内外现状和发展趋势。 2 .系统分析了超高速光导开关的基本原理，理论模型及加工方法， 并设计了 光导开关的新型结构。 3 .基于晶体光学的一般原理，对电光采样的原理和实现进行了分 析阐述，设计完成了电光采样系统的光路结构。 4 .设计光电转换及微电流放大电路，进行实验仪器之间的连接通 讯， 利用g p i b - p c i 接口， 对测试系统中的步进电机和锁相放大 器等测试仪器进行 l a b v i e w编程，从而搭建便捷有效的自 动测 试系统。 5 .利用 a f m 针尖诱导氧化的方法在 t i 膜上进行了光导开关的相 关加工实验，并开展了相应的机理分析。 6 .对系统中的关键部分光学延迟线的作用机理进行分析，并利用 激光干涉仪测量步进电机的细分效果和步进精度，验证了光学 延迟线的可行性和可靠性。 7 搭建了测试系统的部分光路，开展了相关的实验，进而对影响 整体系统性能的部分因素进行了分析。 关键词:电光采样，光导开关，光学延迟线，锁相放大器，光电 转换 ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f m i c r o - e l e c t r o n i c s a n d o p t i c - e l e c t r o n i c s a n d t h e i m p r o v e m e n t o f m i c r o - f a b r i c a t i o n t e c h n o l o g y , u l t r a f a s t e l e c t r o n i c d e v i c e s a n d u l t r a f a s t o p t i c - e l e c t r o n i c d e v i c e s a r e p l a y i n g t h e m o r e a n d m o r e i m p o r t a n t r o l e i n in f o r m a t i o n p r o c e s s in g f i e l d . i n p r e s e n t c o n d it i o n o f t e c h n o l o g y , h o w e v e r , i t i s d i f f i c u l t t o m e a s u r e t h e p e r f o r m a n c e s a n d p a r a m e t e r s o f t h o s e d e v i c e s c o n v e n i e n t l y a n d a c c u r a t e l y . t h e r e f o r e , t h e d e m a n d t o u l t r a f as t o p t i c - e l e c t r o n i c s m e a s u r e m e n t s y s t e m w i t h w i d e b a n d w i d t h a n d h i g h s e n s i t i v i ty i s u r g e n t . u n d e r t h i s b a c k g r o u n d , t h e u lt r a f a s t o p t i c - e l e c t r o n i c s m e a s u r e m e n t s y s t e m b a s e d o n p h o t o c o n d u c t i v e s w i t c h i 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 d . t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f p r i n c i p l e o f u l t r a f a s t p h o t o c o n d u c t i v e , t h e o p t i c p a t h a n d e l e c t r i c c i r c u i t t o im p l e m e n t u l t r a f a s t e l e c t r o - o p t i c s a m p l i n g a n d d a t a a c q u i s i t i o n a r e d e s i g n e d , a t t h e s a m e t i m e , t h e k e y p a r t s w h i c h w i l l in fl u e n c e t h e w h o l e m e a s u r e m e n t p e r f o r m a n c e s a r e d i s c u s s e d a n d a n a l y z e d . t h e m a i n c o n t e n t s a n d a c h i e v e m e n t s o f t h i s p a p e r a r e a s f o l l o w s : 1 . a l a r g e n u m b e r o f t e c h n i c a l r e f e r e n c e s a r e s e a r c h e d a n d a n a ly z e d ; a n o v e r v i e w o f t h e c u r r e n t d o me s t i c a n d i n t e rna t i o n a l s i t u a t i o n a n d d e v e l o p m e n t i n t h e f i e l d o f u l t r a f a s t o p t i c - e l e c t r o n i c s m e a s u r e m e n t i s r e a c h e d . 2 . t h e p r i n c i p l e , t h e o r e t i c a l m o d e l ，a n d f a b r i c a t i o n o f u l t r a f a s t p h o t o c o n d u c t i v e s w i t c h a re a n a l y z e d ; t h e n e w s t r u c t u r e f o r p h o t o c o n d u c t i v e s w i t c h i s d e s i g n e d 3 . t h e p r in c i p l e a n d im p l e m e n t o f e l e c t r o - o p t i c s a m p l in g b y u s e o f t h e g e n e r a l p ri n c i p l e o f c rys t a l o p t i c s a r e s t u d i e d a n d a n a l y z e d ; t h e o p t i c s t r u c t u r e o f e l e c t r o - o p t i c s a m p l i n g s y s t e m i s d e s i g n e d . 4 . t h e c i r c u i t s o f o p t i c - e l e c t r o n i c c o n v e r s i o n a n d m i c r o c u r r e n t a m p l i f y in g a r e d e s i g n e d ; c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n d i f f e r e n t i n s t r u m e n t s i s s e t ; s t e p p i n g m o t o r a n d l o c k - i n a m p l i f i e r o f m e a s u r e m e n t s y s t e m a r e p r o g r a m m e d w i t h l a b v i e w v i a g p i b - p c i i n t e r f a c e ; t h e c o n v e n i e n t a n d e f f e c t i v e a u t o - m e a s u r e m e n t s y s t e m i s c o n s t r u c t e d . 5 . b y a f m t ip in d u c e d o x i d a t i o n , t h e f a b r i c a t i o n o f p h o t o c o n d u c t i v e s w i t c h o n t i fi l m i s t r i e d ; r e l e v a n t m e c h a n i s m i s a n a l y z e d . 6 . t h e m e c h a n i s m o f o p t i c - m e c h a n i c a l d e l a y l i n e i s a n a l y z e d ; b y u s e o f l a s e r i n t e r f e r o m e t e r , t h e e ff e c t o f s u b d i v i s i o n a n d p r e c i s i o n o f m o v e m e n t o f s t e p p i n g m o t o r i s m e a s u r e d ; t h e f e a s i b i l it y a n d r e l i a b i l i t y o f s t r u c t u r e o f o p t i c - m e c h a n i c a l d e l a y l i n e a r e v a l i d a t e d . 7 . t h e p a r t i a l o p t i c - p a t h o f m e a s u r e m e n t s y s t e m i s 、 c o n s t r u c t e d ; t h e f a c t o r s w h i c h i n fl u e n c e p e r f o r m a n c e o f w h o l e m e a s u r e m e n t s y s t e m a r e a n a l y z e d a n d t h e c o r r e l a t i v e e x p e r i m e n t i s d e v e l o p e d . k e y w o r d s : e l e c t r o - o p t i c s a m p l i n g , p h o t o c o n d u c t iv e , o p t ic - m e c h a n i c a l d e l a y l i n e , l o c k - i n a m p l i f i e r , o p t i c - e l e c t r o n i c c o n v e r s 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，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己 经发表或撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得,) fl -女 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 : 等 万 签 字 日 期 : 枷毕年 月 3日 学位论文版权使用授权书 特并 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解2: 些有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 授 权k ; k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 ， 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 ( 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:导师签名: 签字日期:d ,v 乎 年7 月 乡 日 签字日期: 妇 、 a w 0年 侧 浮 少咨 7月3日 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1本课题的提出及其研究意义 人类正 在步入信息不断增长的知识经济为主体的 信息化社会， 为了 有效地利 用信息， 就要不断提高信息的传输、 交换与处理的 速度。 但由 于普通电 磁波的频 率及电子在半导体中速度的限制，信息传输的速率和容量都受到一定程度的制 约。 而光波的 频率是普通电磁波的1 护倍， 光速是半导体材料中电 子速度的1 0 0 0 倍， 因此，以光子作为信息载体的超高速通讯与信息处理技术将成为现代通信的 主体。 如果在日 前的技术水平下量化超高 速的定义， 它表示的就是信息传输速率 在 几 十g b i t/ s ( 1 0 9 b ill s ) 到t b i t/ s ( i 0 1 2 b ill s ) 范 围内 这 样 一 个 概 念 ， 。 随 着 微 电 子 技 术和光电 子技术快速发展， 微电子和光电子器件的加工工艺和技术不断进步和完 善， 超高速电 子器件及超高速光电子器件也有了 非常大的发展: 特别是一些新的 半导体材料制造技术的应用， 如分子束外延生长技术， 离子注入技术， 和光刻蚀 技术等最新的半导体材料制造技术的出 现， 以 及光通信技术、 快速信息处理技术 及微波技术的发展， 使得半导体器件的响应速度己 达到几个皮秒甚至亚皮秒。 超 高速器件产生的脉冲提供的超短时标， 可以为超快现象提供非常有力的工具， 如 分子的迟豫时间， 生物细胞的新陈代谢， 化学反应和热核反应等。同时， 超高速 器件的发展还促进了 超快光电子学， 瞬态光谱学， 光致微波学等一些新的学科的 产生。 不过， 这些超高速器件的带宽，己 经远远超过了 传统的电子测量技术的能 力 ， 所 以 必 须 运 用 新 的 测 量 技 术 才 能 实 现 超 高 速 器 件 的 特 性 测 量 (2 1 对快速电光信号的传统测量方法大体上分为 两类: 一是测量超高速器件的脉 冲响 应 和 频 率 响 应 特性; 二 是测量 半 导 体 高 速 集 成电 路的 动态 特 性。 具 体的 测 试 方法可以 分为时域和频域测量两类。 常用的时域测量仪器是采样示波器， 但由 于 带宽受到电 子采样门的限 制， 采样示波器的最高带宽只能达到i o o g h z 以 下， 这 明显不能满足测量飞秒级脉冲宽度的测量要求。 常用的频域测量仪器是频谱分析 仪和网络分析仪，带宽最高只能达到i o o g h z ，对于i o o g h z 频率以上的器件就 无法进行测量，这就对更高带宽的测试方法提出了要求。 同传统的电学测量方法相比， 光学测量方法具有比电学测量方法高2 -3 个数 量级的 测 量 能 力 3 1 。 同 时，目 前超短 激 光脉 冲的 宽 度己 经 达到 几 个飞 秒， 它可以 为超快光电 采样技术提供超快速激发源。 这使得电路中亚皮秒甚至飞秒级的电信 号的测量成为可能。 而超高速光导开关作为近些年发展迅速的一种超高速光电子 器件， 无论从电脉冲功率还是带宽来看都是最有效的开关器件， 这些器件的运行 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1本课题的提出及其研究意义 人类正 在步入信息不断增长的知识经济为主体的 信息化社会， 为了 有效地利 用信息， 就要不断提高信息的传输、 交换与处理的 速度。 但由 于普通电 磁波的频 率及电子在半导体中速度的限制，信息传输的速率和容量都受到一定程度的制 约。 而光波的 频率是普通电磁波的1 护倍， 光速是半导体材料中电 子速度的1 0 0 0 倍， 因此，以光子作为信息载体的超高速通讯与信息处理技术将成为现代通信的 主体。 如果在日 前的技术水平下量化超高 速的定义， 它表示的就是信息传输速率 在 几 十g b i t/ s ( 1 0 9 b ill s ) 到t b i t/ s ( i 0 1 2 b ill s ) 范 围内 这 样 一 个 概 念 ， 。 随 着 微 电 子 技 术和光电 子技术快速发展， 微电子和光电子器件的加工工艺和技术不断进步和完 善， 超高速电 子器件及超高速光电子器件也有了 非常大的发展: 特别是一些新的 半导体材料制造技术的应用， 如分子束外延生长技术， 离子注入技术， 和光刻蚀 技术等最新的半导体材料制造技术的出 现， 以 及光通信技术、 快速信息处理技术 及微波技术的发展， 使得半导体器件的响应速度己 达到几个皮秒甚至亚皮秒。 超 高速器件产生的脉冲提供的超短时标， 可以为超快现象提供非常有力的工具， 如 分子的迟豫时间， 生物细胞的新陈代谢， 化学反应和热核反应等。同时， 超高速 器件的发展还促进了 超快光电子学， 瞬态光谱学， 光致微波学等一些新的学科的 产生。 不过， 这些超高速器件的带宽，己 经远远超过了 传统的电子测量技术的能 力 ， 所 以 必 须 运 用 新 的 测 量 技 术 才 能 实 现 超 高 速 器 件 的 特 性 测 量 (2 1 对快速电光信号的传统测量方法大体上分为 两类: 一是测量超高速器件的脉 冲响 应 和 频 率 响 应 特性; 二 是测量 半 导 体 高 速 集 成电 路的 动态 特 性。 具 体的 测 试 方法可以 分为时域和频域测量两类。 常用的时域测量仪器是采样示波器， 但由 于 带宽受到电 子采样门的限 制， 采样示波器的最高带宽只能达到i o o g h z 以 下， 这 明显不能满足测量飞秒级脉冲宽度的测量要求。 常用的频域测量仪器是频谱分析 仪和网络分析仪，带宽最高只能达到i o o g h z ，对于i o o g h z 频率以上的器件就 无法进行测量，这就对更高带宽的测试方法提出了要求。 同传统的电学测量方法相比， 光学测量方法具有比电学测量方法高2 -3 个数 量级的 测 量 能 力 3 1 。 同 时，目 前超短 激 光脉 冲的 宽 度己 经 达到 几 个飞 秒， 它可以 为超快光电 采样技术提供超快速激发源。 这使得电路中亚皮秒甚至飞秒级的电信 号的测量成为可能。 而超高速光导开关作为近些年发展迅速的一种超高速光电子 器件， 无论从电脉冲功率还是带宽来看都是最有效的开关器件， 这些器件的运行 第一章 绪论 速度远远高于电子器件的速度， 所以可以利用光导器件构成超快速光电采样系统 来测量电 子器件的 特性参数。 例如， s 参数是微波器件叫 ， 物纳电 子器件以 及射 频me ms 器件的最重要的参数，这些器件的很多其他的参数都可以根据s 参数推 导出来， 超高速光导采样系统就可以 用来测量me ms 器件的s 参数。 这对于m e m s 技术和微纳技术的发展有个非常重要的意义。 1 .2超高速测量系统的发展和现状 超高速光电测量的原理是用同一束激光脉冲作为泵浦光和探测光， 或者用别 的方法实现探测光和被测信号的位相相关， 再利用变换采样技术把高频信号转变 为低频信号，以降低接收系统的带宽，从 而测量超高速器件的 特性参数。 如图 1 - 1 所示。 图1 - 1超高速光电 测量的 基本示意图 超高速光电测量系统具有很多优点: ( 1 )高带宽。测量系统的带宽取决于采样间隔，因为采用超短光脉冲作为 采样窗，因而系统具有非常高的带宽;(2 )高准确度。 利用光脉冲的高重复频 率， 可以 采取对测量信号取大量平均的方法获得很高的准确度; ( 3 ) 无扰动测量。 超高速光电测量技术采用光束传送取样信息，与测量电信号之间没有干扰作用， 而且无需和待测器件之间接触就可以 对其内部信号进行测量; ( 4 ) 可以同时进行 频域和时域的测量。超高速光电测量系统要满足测量信号与被测信号的位相相 关， 系统测量的是幅度输出而不是强度， 因 此对器件的时域响应测量可直接对应 于频域; ( 5 ) 高空间分辨力。 光电 测量中， 测量系统的空间分辨力通常由 探测光 脉冲光斑的大小决定，因此超快光电测量技术的空间分辨力由光学衍射极限决 定， 通 常为3 一 7 户 功 (3 13 - 7 p m a 第一章 绪论 速度远远高于电子器件的速度， 所以可以利用光导器件构成超快速光电采样系统 来测量电 子器件的 特性参数。 例如， s 参数是微波器件叫 ， 物纳电 子器件以 及射 频me ms 器件的最重要的参数，这些器件的很多其他的参数都可以根据s 参数推 导出来， 超高速光导采样系统就可以 用来测量me ms 器件的s 参数。 这对于m e m s 技术和微纳技术的发展有个非常重要的意义。 1 .2超高速测量系统的发展和现状 超高速光电测量的原理是用同一束激光脉冲作为泵浦光和探测光， 或者用别 的方法实现探测光和被测信号的位相相关， 再利用变换采样技术把高频信号转变 为低频信号，以降低接收系统的带宽，从 而测量超高速器件的 特性参数。 如图 1 - 1 所示。 图1 - 1超高速光电 测量的 基本示意图 超高速光电测量系统具有很多优点: ( 1 )高带宽。测量系统的带宽取决于采样间隔，因为采用超短光脉冲作为 采样窗，因而系统具有非常高的带宽;(2 )高准确度。 利用光脉冲的高重复频 率， 可以 采取对测量信号取大量平均的方法获得很高的准确度; ( 3 ) 无扰动测量。 超高速光电测量技术采用光束传送取样信息，与测量电信号之间没有干扰作用， 而且无需和待测器件之间接触就可以 对其内部信号进行测量; ( 4 ) 可以同时进行 频域和时域的测量。超高速光电测量系统要满足测量信号与被测信号的位相相 关， 系统测量的是幅度输出而不是强度， 因 此对器件的时域响应测量可直接对应 于频域; ( 5 ) 高空间分辨力。 光电 测量中， 测量系统的空间分辨力通常由 探测光 脉冲光斑的大小决定，因此超快光电测量技术的空间分辨力由光学衍射极限决 定， 通 常为3 一 7 户 功 (3 13 - 7 p m a 第一章 绪论 在超快光电测量中， 光脉冲不仅是信号的载体， 也是测量的功率源和时钟源， 正是由于这一特征， 一些新的器件和测量技术得以出现和发展， 如电子束检测技 术，电荷灵敏探测技术， 光电辐射采样技术， 超快扫描探针显微术，皮秒光混合 测量技术， 集成电路的光学直接激发测量技术及拟在本研究中采用的电光采样和 光导采样相结合的技术。 1 .2 . 1 电子束检测技术 电 子束 检 测 技术 是 基 于 扫 描电 镜 ( s e m ) 的 原 理 和 技 术发 展 起 来的 5 1 ， 这 种技 术最早发展于1 9 5 7 年， 人们把电压衬比法应用于扫描电子显微镜， 测量了静态电 压的分布情况。 这种方法的基本原理是将聚集的电 子束流发射到被测电 路的电极 上， 以激发出二次电子， 然后用接收器接收二次电子。 通过二次电子的能谱分析， 就能够得出电极电 位的分布情况。 较之于常规测量技术， 它具有非接触、 非破坏 等优点。 如果将采样技术应用于s e m， 其原理类似于取样示波器， 即用电子束脉 冲作取样门， 对被测信号进行取样测量， 然后再用信号平均技术改善信噪比， 可 以 进一步研究高频的周期性电 信号。 该技术时间 分辨率一般为2 0 0 p s 左右， 对应 的测量带宽大约为2 g h z 。其空间分辨率达到2 0 n m 。 对于大多数硅基超大规模集 成电路， 该技术的时间分辨率已经足够， 同时具有很高的空间分辩力。 但是随着 高速、 超高速电子器件的快速发展， 其时间分辨率己经远远不够， 于是人们通过 减小电子束脉冲的脉宽来改善时间分辨率。 不过， 利用超短光脉冲帮助扫描电镜产生短的大电流电 子束脉冲的设备体积 庞大且价格昂贵， 带宽和时间分辨力也不够高， 而且电子束和二次电子收集场会 引起器件衬底内的电荷密度变化， 对被测器件的电 场分布产生一定的影响， 因而 干扰高速电路的工作状况。 1 . 2 .2电 荷灵敏探测技术 半导体材料的光学性质表明， 由于载流子引起的本征极化作用，自由 载流子 对材 料的 光吸 收 系数 和 折 射率 都 将 产 生 影响 6 1 ， h e in r ic h 等 人 根 据 这一 原 理 提出 了 适用于s i 和g a a s 半导 体器件的 激光 探针无损检测 技术 7 l 。 当 探测光的 光子能 量低于被测半导体器件的 禁带宽度时， 材料对光的吸收可以忽略，自由 载流子浓 度的变化主要引 起折射率的改变， 再采用激光双光束干涉技术来检测由于折射率 变化而产生的 光学相位调制信号， 从而获得器件内 部自 由 载流子分布变化的相关 特性， 再依据器件工作原理进一步做出物理分析， 可以 对器件的工作状态，内部 结构，材料，工艺的选择提供有益的信息。 清华大学的江剑平， 陈汉祥等采用激光双光束测量半导体器件内部折射率的 变化并由 此得出 载流子浓度的 动态变化$ 7图1 - 2 所示为红外激光双光束无损检 第一章 绪论 测系统示意图 ， 其工作过程为: 一束1 . 3 ,u m的 激光经空间 滤波系统( 扩束、 减少 反射干扰) 、半反半透镜、 全反镜、 w o l l a s t o n 棱镜( 分束、 合束) 、显微物镜( 将 w o l l a s t o n 棱镜出 射的 非 平行光变成平 行 光 ) ， 到达 被测样品 时成为两束平行光， 一束照在样品的有源区称为探测光， 一束照在样品的无源区称为参考光， 探测光 经载流子浓度效应调制后， 与参考光一样经样品的前表面反射。 原路返回到半反 半透镜时反射到探测器的光敏面， 探测器探测到的合束的干涉光的强弱反映了探 测光的相位受调制的状态。 可以通过探测的波形幅度及其变化来分析计算被测器 件的性能及参数。 全反射峨 透镜 4 祥品 显徽物镜 沃拉斯顿 梭镜 全反射镜 1 6 3 2 8n 范 激光器 1 . ， p 口 激光答 空间旗波器半反 半进镜 图1 - 2红外激光双光束无损检测系统示意图 1 . 2 .3光电 辐射采样测量技术 超快光电 辐 射采样测量技术( p h o t o e m is s i o n s a m p l i n g ) 是 在扫描电 镜( s e m ) 技术的基础上发展而来的。 扫描电镜可以 测量集成器件内部的信号波形， 当一束 电子照到金属电极时， 金属电极会发射二次电 子， 当集成电路在工作状态时， 其 基片上电 场的变化使得被散射出的二次电 子特性也随之变化， 对二次电 子特性分 析可以得出集成电路的内部信号。其原理与1 .2 . 1 描述的电子束检测技术相似。 图1 - 3 所 示 为 光电 辐 射采 样 技 术的 原 理 框图 19 1 ， 该 采样 技 术 是 直 接把 高能 的 超 短 光脉冲聚焦到被测器件的电极上， 以激发电 子， 并对这些二次电子进行能谱分析。 如果使用高功率的超短光脉冲代替电 子束， 可以 提供测量系统的时间分辨力， 当 超短光脉冲照射到待测器件的金属表面时，由于多光子光电效应会产生电子辐 射。 当 单 光子 能 量 大 于 金 属的 功函 数时 ， 将 产 生 单 光 子吸 收。 超快光电辐射采样测量技术的时间分辨力主要受两个因素限制: 辐射的电子 束受库仑排斥力而引起的波形展宽; 其次是二次电 子的 传输时间。 这一技术适用 于任何衬底的器件电路的检测， 但是该方法使得被测器件的衬底或表面存在电荷 第一章 绪论 的积累， 会对金属电极的表面状态及测量存在影响。 此外， 光电辐射采样要求真 空环境，且造价昂贵，不适合大范围推广。 t r a c t 芜 别 佗 口 r o d已 r 一 ， ， .一一林 子; 飞犷谧 l 一 一 j s t e p p i n g mo t or 夕一 a ge 图1 - 3光电 辐射采样技术的原理框图 1 . 2 . 4超快扫描探针显微术 1 9 8 2 年， b i n n i n g 等人发明了 扫描隧道显微镜 ( s t n)， 又陆续发展起来原子力显微镜 ( a f m) ( l f m)及近场光学显微镜 ( n s o m) 这类仪器具有非常高的空间分 辨力， 在表 面科学、 材料 科学、 生命科学等领域有着广阔的应 用前景。 但是由于受到数据采集 电路及扫描电路速率的限制， 时 间分辨力受到了很大的局限， 只 有毫秒量级。 考虑到半导体或者 金属中电子的运动速率高达几 十到几百a /f s ，因 而s p m不能 度量原子限度的动力学过程。 为 了将超空间分辨率与超时间分 ，磁力显微镜 ( m f m 在此基础上，随后 )，激光力显微镜 等一系列扫描探针显微 ( s p m) 仪器d a l 时间延迟 卜.口. . . . . . . . . 图1 - 4超快扫描探针显微术 辨率特性有机结合起来， 可以 将超短脉冲引 入s t m和n s o m， 获得p s 级的时间 分辨力，大大提高了s p m的时间分辨力。 以 超快扫描隧道显微术为 例来说明 超快探针显微术的 基本工作原理(i i i ， 如图 1 - 4 所示，超快扫描探针显微术将超短脉冲引入s p m， 将被测的快速电压信号转 化为慢变化的隧道电流进行测量。通过在扫描探针上集成一个超快光电导开关， 第一章 绪论 并利用 s t m探针一样品作用加低偏压时i n 的线性变化性质，将被测的快速电 压信号转化为慢变化的隧道电流进行测量，在s t m上实现了对快速电脉冲的测 量， 获得了3 0 p的时间 分辨力。 s t m的探针粘在光导 开关的一端， 增益开关半 导体激光器的超短激光脉冲触发光导开关， 实现取样门的导通。 被测信号为肖 特 基掩埋二极管 ( s b d ) 所产生的快速电脉冲， 探针作为取样门在光电导开关导通 将传输线上的瞬态电脉冲转化为隧道电流。 由于开关脉冲信号和被测信号的频率 相干， 反馈回路对隧道电流在时间轴上积分， 从而实现从快信号对慢信号的转换。 信号频率的变换幅度取决于两信号的相位延迟或者差频。 超快扫描探针采样系统 的时间分辨力取决于光脉冲宽度，光电导开关响应时间 和载流子的寿命。 超快s p m技术现在己 经发展到比 较成熟的阶段，它可以将很高的时间分辨 率和空间分辨率很好的结合起来， 是一种先进的超高速测量技术。 但是这种测量 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， 同时光电导开关 的速度往往会限制时间分辨率。 1 . 2 . 5 皮秒光混合测试技术 光混合法用于测量 光电 器件的 本征响 应。 当 具有 位相延迟的 两束超 短光脉冲 照射到光电 器件的同一点时， 产生的电 信号i ( t) 只和光生载流子的瞬时电 流n ( t) 有关。 光电 器件产生的平均光生电 流随两束光脉冲之间的 延迟而变化， 相当于激 发强度的非线性效应产生了一个自 相关信号。 皮秒光混合技术可以 测量快速光电 器件的内部响应， 美国海军实验室的 c a r r u t h e r s 和we l le r 就利用该技术 测量g a a s 的s c o t t k y 载流子的 响 应速度。在合适的光照条件下， 检测器可以1 . 5 p s 宽 度脉冲的 特 性参数 1 2 1 图1 - 5 所示为光混合法测量 快速光电器件的脉冲响应的原理 示意图，需要注意的是光混合法 测量得到的是自相关信号，而不 能得到光电器件的脉冲响应。 1 . 2 . 6光导采样技术 析波肠悦打 ! 放大器 记录仪 图1 - 5光混合法测量快速光电 器件脉冲响应 随着超短光脉冲技术和光导开关的发展， 在加世纪八十年代出现了宽带高频 光电 导 采样测量技术 1 3 1 ， 光导 采样技 术是利 用高 速光导开 关 作为 采样门 来 测量高 第一章 绪论 速电信号波形的一种激光探针测量技术， 主要用来测量在高频状态下， 表示被测 器件对某一信号的散射或分离状态的s 参数。 该技术将被测器件作为一个二端口网络， 利用光导开关进行电信号采集来进 行器件s 参数的测量。其中，光导开关由皮秒或更短寿命的半导体材料和它上部 的两个分离的 金属电 极组成，形成金属一 半导体一 金属( m s m ) 结构， 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。 光导采样测量装置如图1 - 6 所示，光源用锁模氢离子激光同步泵浦染料激光器，分束器s 把入射光分为强度 近似相等的 激发光束和采样光束。 为了在等光程附 近测量， 激发光路中插入了一 个固定光学延迟器。 激发光束经过斩波器后聚焦到产生门 光导开关上， 光导开关 将光脉 冲 变为电 脉冲输入到 被测器件; 采样光束 经过可 变光学延迟线， 聚 焦到 采 样门光导开关上。 采样门的输出直接反馈到锁相放大器。连续改变光学延迟量， 采样光束即可对被测器件受激发电脉冲产生的响应信号进行采样测量。 采样信号 经放大后，经过光电隔离器， a / i ) 转换器反馈到计算机。 用计算机采集和处理数 据， 记录下所测器件的时域特性。 并且， 进行傅里叶变换给出待测器件的频域特 胜 o 图1 - 6光导采样原理图 产生门光导开关上施加的是需要测量的脉冲信号， 其时间分辨力仅取决于作 为采样门的光电 导的响应时间， 因此产生更短的电 脉冲可以大大提高光电导采样 技术的时间分辨力。 光电导采样技术可以 实现非常高的系统测量电 压灵敏度和信噪比。 理想状况 下，光电导取样的噪声主要是复合噪声和j o h n s o n 噪声， 泵浦光脉冲的能量起伏 也会产生一些背景噪声。 在实际测量中， 光电导电极与衬底材料之间的不完全欧 第一章 绪论 姆 接 触引 入的 光生电 压 信号 可能 决 定了 噪 声 极限 。 当 实 现 更好的 欧 姆 接 触时 可以 大大提高系统的最小可测电压。 1 . 2 . 7电光采样技术 电光采样是以超短光脉冲作为采样信号， 基于电光晶体的p o c k e l s 效应对具有 重复频率的高速电脉冲进行无扰动测量。 当电 光晶体加上电 压或放置于电 场中之 后其折射率会随之发生变化， 因此当一束偏振光通过电 光晶体后， 其偏振方向 会 随之发生变化，通过检测光信号的变化可以反向 推算出晶体上所加电场的变化， 从而 实现对光导开关的电 特性的 检测 p a l 。 从 技术上 讲， 电 光 采样是 用激 光 作为 测 量光束实现对电信号的波形测量。 通常被用于测量高速g a a s 集成电路而发展起 来的，现在已经被用于g e , s i 等其他类型的半导体集成电路。 电光采样系统是全光学系统， 在测量过程中不改变电子器件的电 特性， 实现 对被测件的无干扰检测， 因此可以应用于任何场合。电光采样通过光与被测器件 之间的藕合作用进行测试， 不需要从被测器件或者电路中抽取电荷， 因此对被测 系统的电磁干扰非常小。 由于激光脉冲可以达到飞秒量级， 激光束可以被聚焦到 微米量级，因此电光采样技术有非常高的时间分辨力和空间分辨力。 按照具有电光效应的晶体与待测器件之间的关系， 这些测量系统大致分为三 类:内部检测，外部检测和混合连接检测。 内部检测，就是待测器件制备在具有p o c k e l s 效应的电光晶体上，采样光束 通过衬底内的线性电光效应检测器件的电场情况， 所以又被称为直接检测。 这种 方法直接使用器件的芯片作为电 场传感器进行测量， 很容易引入多个测试点， 具 有较高的空间分辨力和电 压灵敏度。 外部检测就是用具有p o c k e l s 效应的介质作为取样器，将其贴近待测器件表 面， 使器件表面电路上的电场延伸进入取样器内， 再用光束测量取样器中的电场。 这种技术空间分辨力较低， 电 压灵敏度很大程度上依赖于取样器和器件之间的距 离。 混合连接检测， 就是制作一个独立的取样器， 其介质为电光材料， 在上面淀 积金属传输线， 然后将其与待测器件进行电学连接， 使器件内的待测信号传输到 取样器内再用光进行测量， 取样器相当于一个外连的示波器探头。 与其他两种采 样方式相比，混合连接采样对待测器件的材料、形状及光学性质没有特殊要求， 但其带宽受连接线的限制有所降低。 第二章 超高速光导开关的原理及加工设计 第二章 超高速光导开关的原理及加工设计 光导开关结构简单、 体积小、 性能稳定、 热传导性能好， 与其他同类开关器 件相比，还具有精度高、可光控、响应快、 相对起伏小等优点，因而具有广泛的 应用前景， 尤其在产生和控制各种电信号方面， 光导开关可以保持控制和被控制 器件之间的理想距离，不用为大阵列系统作射频馈电， 从而避免了电磁干扰，获 得理想的超高速响应和非常高的功率密度容量。 光导开关主要应用在以下几个领 域 11 5 1 : ( 1 ) 产生 高 、 低 压 脉 冲 和f s 级 微 波 脉 冲， ( 2 ) 作 为 半 导 体 激 光 二 极 管 驱 动 器 ( 3 ) 提供新型的 超宽带 雷 达所需的 高速高功 率脉 冲 源 1 5 ,1 7 1 在超高速电 光采样系统中， 光导开关产生的电 脉冲输入高速光电器件， 然后 求出响应， 进而可以 直接求出器件本身的高速特性。 利用这种方法， 可以求出1 0 0 g h z 以_七 高频区域的介电常数、介质损耗、 辐射损耗等值。 而光导开关作为超高 速电 光采样系统的产生门和采样门， 决定整个采样系统的灵敏度和可测微波器件 和微/ 纳电 子器件的频率范围，因此光导开关的设计和加工在整个系统的构建中 至关重要。 2 . 1 光导开关的工作原理 光导开关的 研究可 追 溯到1 9 7 5 年1 8 1 ， 但直到 进 入 九十年代以 后， 随 着电 光 采 样的高速电信号测定技术的实现， 光导开关高速性才得到重视并开展了相应的研 究工作。 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 11 6 1 。 若给开关一 端的 传输线 加偏压， 当 未 用光束 照 射半导 体薄 膜的间隙 时， 由 于半导体的电阻非常大， 暗电流很小， 开关处于断开状态， 另一端就没有电脉冲 输出。当采用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， 入射光被金属电极夹在中间的半导体部吸收， 部分电 子和空穴由 于 吸收光子形成自由电子或自由空穴， 产生载流子， 假设在 t =0时刻载流子是一 个能量为e的无限短光脉冲在半导体表面的一个平面内产生， 那么通过光子激发 产生的光生载流子数目 为 11 9 1 n = p = ( 1 - r ) e n e 1- 0 v ; ( 2 - 1 ) 这里r :半导体表面的反 射率;r 7 : 量子效率;a: 半导体对光的吸收系数; : : 距半导体表面的垂直距离; h :普朗克常数;v :光子效率。 光生载流子产生后， 在外加电场作用下， 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，开关导通，电流通过狭缝传导。由 于光生 第二章 超高速光导开关的原理及加工设计 第二章 超高速光导开关的原理及加工设计 光导开关结构简单、 体积小、 性能稳定、 热传导性能好， 与其他同类开关器 件相比，还具有精度高、可光控、响应快、 相对起伏小等优点，因而具有广泛的 应用前景， 尤其在产生和控制各种电信号方面， 光导开关可以保持控制和被控制 器件之间的理想距离，不用为大阵列系统作射频馈电， 从而避免了电磁干扰，获 得理想的超高速响应和非常高的功率密度容量。 光导开关主要应用在以下几个领 域 11 5 1 : ( 1 ) 产生 高 、 低 压 脉 冲 和f s 级 微 波 脉 冲， ( 2 ) 作 为 半 导 体 激 光 二 极 管 驱 动 器 ( 3 ) 提供新型的 超宽带 雷 达所需的 高速高功 率脉 冲 源 1 5 ,1 7 1 在超高速电 光采样系统中， 光导开关产生的电 脉冲输入高速光电器件， 然后 求出响应， 进而可以 直接求出器件本身的高速特性。 利用这种方法， 可以求出1 0 0 g h z 以_七 高频区域的介电常数、介质损耗、 辐射损耗等值。 而光导开关作为超高 速电 光采样系统的产生门和采样门， 决定整个采