具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统及方法与流程

本发明涉及一种弹性波类空间电荷测试系统及方法，具体涉及一种基于太赫兹波和弹光取样技术的具有纳米级分辨率的空间电荷分布测试系统及方法。

背景技术：

异质界面的基本行为之一是电荷注入，即电子在材料交界处的一定尺度内发生转移，并在界面处形成一定的空间电荷区域。空间电荷的分布和特性显著影响材料内的局部电场，直接改变局部电场的强弱和分布，致使材料和器件的击穿、老化等各方面电学性能下降，甚至会导致大型电力设备的运行可靠性降低。近年来，微纳电子器件、微机电系统以及纳米材料的研究与应用不断深入，对于金属/电介质、半导体/电介质等复杂界面特性的探索成为研究的热点。然而，由于异质界面的空间尺度一般认为在几到几十纳米的数量级（金属/半导体界面尺度稍大），而目前缺乏在纳米尺度上对电荷分布及界面特性的有效研究方法，可靠实验数据的获取存在困难。

将空间电荷测试分辨率提升至纳米级，关键问题是测试系统的带宽必须达到太赫兹量级。而目前成熟的测试方法大都基于电子测试技术进行，显然无法达到如此高的带宽。太赫兹波的频率在10¹²hz数量级，在电磁波谱中刚好介于电磁波和光波之间，太赫兹技术的快速发展与成熟应用为这一问题的解决提供了有力支持。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统及方法，以太赫兹波作为激励，以弹光取样技术完成响应信号的探测与接收，采用全光学手段，避免了电子测试技术对系统带宽的限制，从而实现对空间电荷分布的纳米级测试。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统，包括太赫兹波激发单元和弹光取样检测单元，其中：

所述太赫兹波激发单元由飞秒激光器、分光镜、第一平面反射镜、电光聚合物、抛物面反射镜组构成；

所述弹光取样检测单元由第二平面反射镜、光学延迟线、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、弹光取样传感器、四分之一波片、平衡探测器、锁相放大器、斩波器构成；

所述激光器激发的偏振飞秒激光经分光镜分成两束，一束经第一平面反射镜反射后照射电光聚合物材料，基于光整流效应激发出太赫兹波，太赫兹波经过抛物面反射镜组准直和聚焦后，作为激发光脉冲照射待测试样中，光电场分量对待测试样中空间电荷产生扰动作用从而激发出弹性波，弹性波在介质中传播，被与待测试样紧密耦合的弹光取样传感器接收，在弹性波作用下，弹光取样传感器光学特性发生变化，产生应力双折射效应；另一束光作为探测光，经第二平面反射镜反射、光学延迟线延迟后入射到第三平面反射镜，经第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜反射后入射到弹光取样传感器的另一侧表面，由于弹光取样传感器发生应力双折射效应，探测光入射弹光取样传感器后偏振态发生变化，出射光经四分之一波片后分为两束透射到平衡探测器上，平衡探测器检测两束光光强的变化并转换为电信号后作为测量信号输入锁相放大器，斩波器获取偏振飞秒激光信息后作为参考信号输入锁相放大器。

一种利用上述系统进行的具有纳米级分辨率的空间电荷测试方法，包括如下步骤：

步骤一、将待测试样一侧表面均匀涂抹硅油后与弹光取样传感器紧密贴合，固定于样品室中；

步骤二、设定光学延迟线步进电机步长，得到采样时间间隔和采样频率，例如对硅pn结空间电荷区进行测试时，将光学延迟线步进电机步长设定为15μm/step，可得采样时间间隔为100fs，采样频率为1thz；

步骤三、启动飞秒激光器，测试开始；

步骤四、光学延迟线在一个扫描范围（0ps~560ps）内进行扫描，探测光对弹性波进行时分辨取样，有效取样点分布在弹性波脉冲的若干个周期内；

步骤五、锁相放大器和斩波器接收并记录来自平衡检测器输出的电信号，获取每个有效取样点上弹性波的振幅和相位信息；

步骤六、将取样信息进行合成，获得弹性波完整时域波形，测试结束。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明不仅能够实现对空间电荷分布的纳米级测试，而且对待测样品和测试环境没有任何特殊的限制和要求，并可以方便地与其它测试方法相结合，获得更多空间电荷的特征信息。

附图说明

图1为本发明基于太赫兹波和弹光取样技术的具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统的工作原理图；

图2为弹光取样传感器的结构示意图；

图3为弹光取样传感器的工作原理图；

图4为弹光取样过程示意图；

图5为测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于太赫兹波和弹光取样技术的具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统，如图1所示，所述系统包括太赫兹波激发单元和弹光取样检测单元两部分，其中：

所述太赫兹波激发单元由飞秒激光器1、分光镜2、第一平面反射镜4、电光聚合物5、抛物面反射镜组6构成；

所述抛物面反射镜组6由上抛物面反射镜和下抛物面反射镜构成；

所述弹光取样检测单元由第二平面反射镜9、光学延迟线10、第三平面反射镜12、第四平面反射镜11、第五平面反射镜13、弹光取样传感器7、四分之一波片8、平衡探测器14、锁相放大器15、斩波器3构成；

所述偏振飞秒激光由激光器1激发，经分光镜2分成两束，一束经第一平面反射镜4反射后照射电光聚合物材料5，基于光整流效应激发出太赫兹波，太赫兹波经过上抛物面反射镜和下抛物面反射镜准直和聚焦后，作为激发光脉冲照射待测试样中，光电场分量对待测试样中空间电荷产生扰动作用从而激发出弹性波，弹性波在介质中传播，被与待测试样紧密耦合的弹光取样传感器7接收，在弹性波作用下，弹光取样传感器7光学特性发生变化，产生应力双折射效应；另一束光作为探测光，经第二平面反射镜9反射、光学延迟线10延迟一定时间后入射到第三平面反射镜12，经第三平面反射镜12、第四平面反射镜11、第五平面反射镜13反射后入射到弹光取样传感器7的另一侧表面，由于弹光取样传感器7光学特性已经发生变化，线偏振的探测光入射弹光取样传感器7后偏振态将发生变化，出射光经四分之一波片8后分为两束透射到平衡探测器14上，平衡探测器14检测两束光光强的变化转换为电信号后作为测量信号输入锁相放大器15，斩波器3获取偏振飞秒激光信息后作为参考信号输入锁相放大器15。光学延迟线10在一个扫描范围内（0ps~560ps）扫描，可以分时获得弹性波的时域信息，将这些信息进行组合，最终获得弹性波完整时域波形。

如图2所示，弹光取样传感器7为“三明治”结构，自下而上由衬底7-1、高反射铝膜7-2、弹光材料7-3、ito玻璃盖板7-4构成，具体制备方法如下：

（1）将高反射铝膜均匀镀于衬底上；

（2）将弹光材料（2,4-二硝基苯胺接枝咔唑聚磷腈）充分溶解于四氢呋喃（thf）溶剂中，混合溶液用滤纸（0.2μm）多次过滤，充分去除未溶解的固体材料；

（3）利用旋涂机在镀有高反射铝膜一侧的衬底上均匀旋涂滤后溶液，转速设置为3000r/min，时间设定为30s，可制备厚度在2μm左右的薄膜；

（4）极化处理后，用ito玻璃盖板进行封装。

如图3所示，弹光取样传感器的工作原理如下：

激发光脉冲于待测试样的一侧表面入射，光电场矢量可以分解为两个分量，即：与光入射面垂直的s分量和与光入射面平行的p分量。由于s分量垂直于激发光脉冲入射面，因此光电场方向与待测试样表面平行，对空间电荷不产生任何作用力。同理，p分量平行于激发光脉冲入射面，因此光电场方向与待测试样表面垂直，当激发光脉冲以一定角度入射到待测试样表面时，可以产生与空间电荷层相垂直的光电场分量，对空间电荷层产生作用力。若激发光脉冲入射角为θ，则当θ=0时，光脉冲垂直表面入射，光电场方向平行待测试样表面，对空间电荷无扰动；当θ=90时，光电场分量垂直于待测试样表面，此时的扰动达到理论最大值。事实上，入射光平行于待测试样表面入射是无法实现的，因此θ值设定于0°到90°之间。

利用上述测试系统进行弹光取样测试的过程如下：

弹光取样过程与电光取样过程类似，要利用延迟线，通过对延迟时间的精确控制来实现。光学延迟线位移单位为μm，速度单位为μm/s。调节步进电机，精确控制采样时间间隔为δt，若假设延迟线光程为δs时，则探测脉冲光程为2δs。若空气中光传播的速度为c，则采样时间间隔δt可以表示为：

。

如图4所示，弹光取样测试过程可以描述如下：从飞秒激光开始激发时刻起计时，步进电机精确控制光学延迟线在一个扫描范围内（0ps~560ps）进行扫描，探测光脉冲对弹性波进行时分辨取样，有效取样点分布在弹性波脉冲的若干个周期内。用锁相放大器和斩波器构成检测单元，接收平衡探测器输出的电信号，获取弹性波的振幅和相位信息。将取样信息进行合成，可以获得弹性波的完整时域波形。

利用上述方法，本发明完成了对pn结空间电荷区的测试，如图5所示为平衡状态、正向偏压为0.5v及反向偏压为-5v时的测试结果，耗尽层中正、负电荷激发的弹性波出现时间间隔为δt，弹性波在硅材料中的传播速度为5760m/s，计算可知对应的空间电荷区的宽度分别为30nm、12nm和62nm，并得出空间电荷区宽度随偏置电压的变化成幂函数关系变化，在正向偏置电压约为0.65v时，空间电荷区宽度为9nm，此后当正偏电压继续加大时，空间电荷区宽度保持不变，测试结果与硅pn结基本特性及样品出厂参考值吻合。实验结果表明，该测试方法可以有效且可靠地将空间电荷测试分辨率提升至纳米量级。