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固浸透镜在电光检测技术中的应用

李海兰  
【摘要】:近年来发展起来了很多新的测量技术。如光发射取样技术,电子束测量技术,光电导取样技术,电光检测技术等等。测量电信号的检测技术应该同时具有好的时间分辨率、空间分辨率和电压灵敏度。如电光取样技术、连续波电光检测系统等等。电光检测技术是一种以Pockels效应为基础的新型超快检测技术。这种技术将光学、激光技术、电子学、采样技术、弱信号检测技术等有机结合起来,利用超短光脉冲对电子器件内部特性进行无侵扰检测。 电光检测技术具有很高的电压灵敏度,通常小于 。而电光检测技术的空间分辨率主要由探测光束的最小光斑尺寸决定,对于1.3μm光源的测量系统,其空间分辨率一般为3μm左右。受衍射效应的限制,空间分辨率始终在微米量级。因而无法满足具有亚微米结构的高密度电子器件的测量需要。本论文主要研究固浸透镜技术与电光检测技术相结合,增大聚焦系统的数值孔径,缩小光斑尺寸达到亚微米量级。我们将电光检测技术的空间分辨率定义为:探测光束的聚焦光斑的半极大全宽度直径。半极大全宽度直径可以表示为: 。其中, 是聚焦系统的数值孔径,θ为聚焦光束的半孔径角,n为物方折射率。λ是探测光束在真空中的波长。根据光斑尺寸的公式可以看出,要想缩小光斑,提高电光检测技术的空间分辨率,可以有两种方法。即减小探测光束的波长和增大聚焦系统的有效数值孔径。在电光检测技术中,如果选用短波长的探测光,就必须选用宽禁带的电光材料,例如KDP、ZnTe、GaP等等。减小入射光波长可以提高空间分辨率,但是探测光波长不能无限短。同时,对于某种材料的电光晶体,必须选择波长大于吸收限波长的探测光,否则将引起本征吸收,损失大量光能量,甚至导致器件损坏。 增大聚焦系统的数值孔径,可以通过固浸透镜技术来实现。固浸透镜的基本原理类似于液浸透镜。我们选择半绝缘GaAs材料,制作了超半球型电光固浸探头。GaAs超半球在系统中既作为固浸透镜,又作为电光探头使用。采用超半球型电光固浸探头,我们测量了陶瓷微带线上传输的正弦信 WP=111 号。测得的电光信号幅度可由锁相放大器读数,电光信号的波形可用示波器接收观察。在同样的测量条件下我们还利用半径为 的GaAs半球电光固浸透镜对同一个样品进行了电光测量。实验结果显示超半球型电光探头可以使测量系统的电压灵敏度提高3.7倍。通过半球、超半球反射光功率的理论计算分析了电压灵敏度的提高。理论分析采用超半球固浸透镜与半球固浸透镜相比,反射光功率增大了5.23倍。实验分别测量了采用半球和超半球固浸透镜的聚焦光斑的大小,与半球相比,超半球固浸透镜使聚焦光斑缩小了2.8倍,从而进一步提高了空间分辨率。采用超半球固浸透镜,理论空间分辨率可以达到0.29μm,是半球型的3.4倍。同时更容易获得数值孔径的最大值。 半球型固浸透镜,经透镜聚焦后的会聚球面波沿半球的半径方向入射,则会聚光线将不改变传播方向,聚焦在半球的底面球心上。由于孔径角不变,因此相当于显微物镜的数值孔径增大了n倍,聚焦光斑减小了n倍。从而提高了系统的空间分辨率。我们采用GaAs半球作为电光探头建立了电光检测系统。探测光束的波长为0.98μm,对于该波长,GaAs材料的折射率是3.4。实验中选用了数值孔径为0.3的显微物镜,因而测量系统的理论空间分辨率近似为0.49μm。应用该系统测量了陶瓷微带线样品上的横向电场分布,实际测得的电场分布与理论分析取得了很好的一致,实现了亚微米电光检测系统对实际样品电路的测量,进而从实验上验证了采用半球型电光固浸透镜获得了亚微米的空间分辨率。 采用半球和超半球型固浸透镜,都没有突破衍射效应的限制。为了能够检测高密度电子器件的介观尺度的电学特征,我们研究了另一种方法。即能够突破衍射极限的微型电光探针的研究。设计思想是缩小电光微探针的尖端,使之达到亚波长的尺寸,同时把光限制在电光微探针之内,使发生电光效应的区域限制在亚波长的范围内,从而达到提高空间分辨率的目的。我们采用湿法化学腐蚀的方法制作电光微探针。实验选用了H2SO4—H2O2—H2O腐蚀液,体积配比为1:1:8。腐蚀得到的金字塔形电光微探针底座为20μm的正方形,探针尖端尺寸达到2μm左右。探针侧面光滑,棱角分明。如果改善工艺条件,探针的尖端尺寸有望达到0.1μm以下。 总之,本论文主要研究了固浸透镜技术与电光检测技术相结合,有效增大了系统的数值孔径,提高空间分辨率达到亚微米量级。尤其是超半球固浸透镜首次应用于电光检测技术,提高了电光检测技术的空间分辨率和电压灵敏度。该技术在改善电光检测系统的性能方面具有极好的发展前途。如果再与取样技术结合起来,它将同时具有高时间分辨率。成为测量高密、高速电子器件的优秀检测技术。本论文的研究成果,对于提高电光检测技术的性能(提高空间分辨率和电压灵敏度),具有重要的参考价值。同时进一步拓宽了电光检测技术的应用领域。


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