基于光导采样测量方法的光电导开关设计与系统研究

摘要

随着科技的发展，超高速电子器件及光电子器件发展很快，特别是一些新的半导体材料制造技术的应用，使得半导体器件的响应速度己达到几个皮秒甚至亚皮秒。这些高速器件的带宽，已经远超过了传统的纯电子测量技术的能力，因此必须寻找新的测量方法。而光电导采样测量技术是利用快速光电导开关作为采样门来测量高速电信号波形的一种激光探针测量技术，它可以实现非常高的系统测量电压灵敏度和信噪比，系统测量带宽可达THz。在这种背景下，本文结合传统光刻工艺与原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)阳极诱导氧化加工技术，制作超快高性能的光电导开关，对开关的光电导采样测量方法进行了研究，设计了光电导开关的光电导采样测量系统。本文的主要研究内容和研究结果如下：
　　 ⑴通过比较各种常用光电导材料和传输线样式的优缺点，针对本文要实现的功能，选定采用GaAs作为光电导开关的衬底，设计了专门针对光电导开关的光导采样测量方法的开关的传输线版图结构；
　　 ⑵从理论上分析了开关的等效电路结构，对光电导开关的信号产生门和采样门的工作原理和输出情况进行了分析，并用MATLAB分别对其输出信号进行了模拟和频谱分析；
　　 ⑶研究了光电导开关的工艺流程：电极制作、钛膜的制备、氧化钛线的加工，并对每一环节结束后的开关进行性能测试；
　　 ⑷结合光电导采样测量的工作原理，设计了光电导开关的光导采样测量系统，包括：延迟采样、微电流放大、锁相信号检测模块的设计。

目录

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第一章绪论

1.1课题研究的背景

1.2国内外研究概况

1.3光电导开关的主要应用

1.3.1超短电磁脉冲发生源

1.3.2功率脉冲技术

1.3.3超快光电测量技术

1.4课题的提出

1.5本文的主要研究工作

1.6本章小结

第二章光电导开关的工作原理与版图设计

2.1光电导开关的基本结构和工作原理

2.1.1光电导开关的基本结构

2.1.2光电导开关的基本原理

2.2光电导开关的工作模式

2.2.1光电导开关的线性工作模式及其特点

2.2.2光电导开关的非线性工作模式及其特点

2.2.3光电导开关的两种工作模式的比较

2.3光电导开关输出特性的影响因素

2.3.1触发光脉冲参量对输出特性的影响

2.3.2偏置电压对输出特性的影响

2.3.3光导开关的特性参数对输出特性的影响

2.3.4载流子复合寿命对输出特性的影响

2.4光电导开关的优化设计

2.4.1开关衬底材料的选择

2.4.2激励光源的选择

2.4.3开关间隙的选择

2.4.4开关传输线的选择

2.5超高速光电导开关的版图设计

2.6本章小结

第三章超高速光电导开关的理论模拟分析

3.1光电导开关的理论模型

3.2超快光电导开关产生电信号的模拟

3.3超快光电导开关的频谱分析

3.4超快光电导开关采样信号的模拟

3.5本章小结

第四章超高速光电导开关的制作与测试

4.1光电导开关的版图设计

4.2光电导开关的加工流程

4.3金属电极和传输线的制作工艺

4.4钛膜的制备

4.4.1对向靶直流磁控溅射钛膜

4.4.2 Ti膜的表面平整度和导电性

4.5氧化钛线的加工

4.5.1 AFM针尖诱导阳极氧化加工的原理

4.5.2氧化钛线的加工系统

4.5.3阳极氧化加工的接线方式

4.5.4氧化钛线的加工流程与加工结果

4.6超高速光电导开关的性能测试

4.6.1镀Ti膜之后开关的Ⅰ-Ⅴ特性曲线

4.6.2氧化钛线形成之后开关的Ⅰ-Ⅴ特性曲线

4.7本章小结

第五章光电导采样实验系统的研究

5.1采样技术

5.2光电导开关的自相关测量原理

5.3光电导采样系统

5.3.1光路系统

5.3.2延迟采样设计

5.3.3微电流放大电路设计

5.3.4信号的锁相检测

5.4仪器控制与数据采集设计

5.5实验设计

5.6本章小结

第六章总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢