專利名稱：利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用光致短路產(chǎn)生利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)，屬于太赫茲脈沖產(chǎn)生技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太赫茲超寬帶電路性能的檢測和超寬帶雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)都離不開超短電脈沖的產(chǎn)生，利用光電子技術(shù)產(chǎn)生超短電脈沖的方法克服了純電子學(xué)技術(shù)的局限性。利用光電子技術(shù)產(chǎn)生超短電脈沖的技術(shù)，主要有兩種方案，一種是把光電導(dǎo)開關(guān)制作在微波傳輸線路上，通過利用超快光脈沖的激勵(lì)，產(chǎn)生沿傳輸線傳播的導(dǎo)波電脈沖。另一種方案是在光電導(dǎo)體上制作偶極輻射天線，當(dāng)用超快激光脈沖照射外加偏置電壓的偶極天線縫隙時(shí)，光生載流子在外加偏置電壓的作用下形成瞬變浪涌電流，瞬變的浪涌電流產(chǎn)生超快的電磁輻射脈沖，通過偶極天線輻射到自由空間。利用光電導(dǎo)開關(guān)和光電到天線產(chǎn)生的超短脈沖的主要區(qū)別在于，利用光電導(dǎo)天線產(chǎn)生的電脈沖的寬度主要由激勵(lì)光脈沖的寬度決定，而利用光電導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生的超短導(dǎo)波脈沖的寬度主要由光生載流子的壽命決定。自Auston在微帶電路中引入光電導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生超短導(dǎo)波電脈沖以來，利用傳輸線電路中的光電導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生超短電脈沖的技術(shù)取得了很大的進(jìn)展。采用輻照損傷硅或低溫生長砷化鎵等短載流子壽命光電導(dǎo)材料制作光電導(dǎo)開關(guān)，結(jié)合飛秒激光器，產(chǎn)生皮秒和亞皮秒的超短導(dǎo)波電脈沖已是較容易的事。這種方法產(chǎn)生的超短導(dǎo)波電脈沖通常受到載流子壽命的限制而不能達(dá)到更短。采用光電導(dǎo)天線產(chǎn)生自由空間太赫茲脈沖的方法產(chǎn)生的自由空間超短電脈沖的寬度主要由激勵(lì)光脈沖的寬度決定，而與光電導(dǎo)材料的光生載流子壽命關(guān)系不大，因而可以產(chǎn)生亞載流子壽命的超短太赫茲脈沖，但這種方法產(chǎn)生的超短電脈沖通常只有極低的功率。這兩種方案各有千秋，各有所長。輻射到自由空間的太赫茲超短電磁脈沖，由于損耗和色散較小，能保持其超寬帶性質(zhì)，通過采用自由空間電光采樣或光電導(dǎo)偶極天線對其探測，用于形成時(shí)域太赫茲頻譜技術(shù)、太赫茲脈沖成像和斷層掃描成像技術(shù)。而通過產(chǎn)生沿傳輸線傳播的導(dǎo)波超短電脈沖，可用于測量各種超快電路的寬帶性質(zhì)。
光電導(dǎo)體中光生載流子的壽命限制了所能產(chǎn)生的導(dǎo)波電脈沖的寬度，常用光電導(dǎo)體的光生載流子壽命為納秒和皮秒量級，要產(chǎn)生更短的脈沖需要采用經(jīng)過特殊處理(如輻照損傷)的材料或低溫分子束外延生長的材料，大大增加了成本。本發(fā)明人提出了能否利用光致電路短路的方法，產(chǎn)生亞載流子壽命的太赫茲超短電脈沖的設(shè)想，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的諸多缺點(diǎn)，于是引出本發(fā)明的構(gòu)想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命的導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)，它是從采用光致電路短路來產(chǎn)生太赫茲超短導(dǎo)波電脈沖，可以把導(dǎo)波電脈沖的寬度減小到光生載流子壽命以下，只需用一般的光電導(dǎo)材料就可以產(chǎn)生極短的電脈沖，克服傳統(tǒng)光電導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生的電脈沖脈沖寬度受光生載流子壽命限制的缺點(diǎn)思路出發(fā)。本發(fā)明利用光波在三角棱鏡中自然形成的傳播時(shí)間延遲特性，采用特殊設(shè)計(jì)的電路，形成光脈沖誘導(dǎo)電路斷路的方法，產(chǎn)生亞載流子壽命的太赫茲導(dǎo)波電脈沖。提供了一種利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命的導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)及制作方法。
本發(fā)明的目的是通過以下方法具體實(shí)施的在半絕緣光電導(dǎo)襯底上采用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)制作金屬共面?zhèn)鬏斁€電路，傳輸線電路本身也就是外加偏壓的電極，利用直流電源給加直流偏壓。在其中的信號線上制作一個(gè)縫隙，以構(gòu)成光電導(dǎo)開關(guān)的激勵(lì)區(qū)。把一個(gè)直角三角棱鏡放置在此縫隙處，跨放在共面線之間，其中較厚部分放置于接地線一邊。入射的激勵(lì)光脈沖擴(kuò)束至不僅能覆蓋信號線上的光電導(dǎo)縫隙，而且能覆蓋信號線和接地線之間的區(qū)域。用飛秒激光脈沖穿過三角棱鏡照明縫隙和信號線與接地線之間的區(qū)域，由于光脈沖在介質(zhì)棱鏡中的傳播速度慢于在自由空間中的傳播速度，三角棱鏡的高度差會造成激勵(lì)光脈沖到達(dá)信號線和接地線由一個(gè)時(shí)間差。飛秒激光脈沖首先照明光電導(dǎo)縫隙，光生載流子使光電導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通，產(chǎn)生一個(gè)沿傳輸線傳播的階躍電壓，經(jīng)過一段延遲，激勵(lì)光脈沖穿過棱鏡較厚的部分也到達(dá)光電導(dǎo)體的表面接地線處，從而在信號線與接地線之間均產(chǎn)生光生載流子，這會使信號線與接地線之間短路，信號線與接地線之間電阻變化造成的失配會使電壓反射造成一個(gè)相反的階躍電壓輸出，從而在電路上形成一個(gè)方形脈沖。由于三角棱鏡造成的光到達(dá)信號線和接地線之間的時(shí)間差很短，因而形成的輸出電脈沖寬度也極短。
本發(fā)明提供的器件結(jié)構(gòu)特征在于1.總結(jié)構(gòu)包括(1)它由光電導(dǎo)材料襯底、共面波導(dǎo)傳輸線、三棱鏡、直流電源、激光器組成；(2)共面波導(dǎo)傳輸線位于光電導(dǎo)襯底材料的表面，偏壓和信號線上存在有一個(gè)縫隙，用于激光照射；(3)縫隙處放置三角棱鏡作為光延遲器橫跨在信號線和接地線之間，三角棱鏡較薄的部分放置在偏壓與信號線一側(cè)，較厚的部分放置在接地線一側(cè)。2.共面波導(dǎo)傳輸線的信號線上500微米左右寬的縫隙具體為450-550微米范圍，以用于激光照射，使電路導(dǎo)通產(chǎn)生脈沖。3.共面波導(dǎo)傳輸線的的間距約為10～100微米。4.激光光斑大于共面波導(dǎo)傳輸線的間距以引起傳輸線的光致短路，以截?cái)嚯娒}沖信號，產(chǎn)生短脈沖。5.共面波導(dǎo)傳輸線的信號線和接地線間有光延遲器件，使光到達(dá)接地線比到達(dá)線號線有時(shí)間延遲。6.共面波導(dǎo)傳輸線的信號線和接地線間的光延遲器件采用了三角棱鏡，利用三角棱鏡使光到達(dá)接地線和信號線有延遲。7.結(jié)構(gòu)安排和制作工藝步驟是(1)在光電導(dǎo)材料襯底上制作共面?zhèn)鬏斁€；(2)在留有縫隙處放置并固定光延遲器(三角棱鏡)；(3)外加偏置直流電源；(4)用激光照射縫隙及其到接地線的區(qū)域。
本發(fā)明提供的器件結(jié)構(gòu)是采用現(xiàn)有技術(shù)，具體制作工藝為本發(fā)明與傳統(tǒng)光電導(dǎo)開關(guān)不同之處在于，傳統(tǒng)光電導(dǎo)開關(guān)的斷開由光生載流子的復(fù)合來達(dá)到，因而所產(chǎn)生的電脈沖的下降沿主要由載流子的壽命決定。而在本發(fā)明中，利用同一束光脈沖使傳輸線導(dǎo)通和使電短路。所得到的電脈沖的寬度由光穿過三角棱鏡的不同厚度的時(shí)間差決定，而不再由光生載流子的壽命來決定。設(shè)所用三角棱鏡材料的相對介電常數(shù)為εr，則光在該材料中的傳播速度為 (c為光速)，設(shè)三角棱鏡在接地線和信號線之間的高度差為h，則光穿透這段高度差造成的延遲時(shí)間為 近似為輸出的脈沖寬度。


圖1為采用的共面?zhèn)鬏斁€電路結(jié)構(gòu)圖。
圖2為共面?zhèn)鬏斁€外加偏置電壓方式的示意圖。
圖3為三角棱鏡放置方式示意圖。
圖4為利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命超短導(dǎo)波電脈沖的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中
1金屬膜；2信號線縫隙；3光電導(dǎo)襯底；4電線；5直流電源；6三角棱鏡；7入射光脈沖。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步說明發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。
實(shí)施例1激勵(lì)光脈沖采用鈦寶石飛秒激光器，脈沖寬度為100飛秒，中心波長800納米。采用硅襯底材料作為光電導(dǎo)體，在硅襯底上制作寬度為5微米、間距為10微米的共面?zhèn)鬏斁€，在偏壓和信號線上制作一個(gè)500微米的縫隙。給共面?zhèn)鬏斁€加上直流偏壓。在縫隙處放置一直角三角棱鏡。三角棱鏡的部分放在偏壓與信號線一側(cè)，較厚的部分放置在接地線一側(cè)。三角棱鏡在接地線和信號線之間形成15微米的厚度差，形成100飛秒左右的光延遲。用選定的激光器透過三角棱鏡激勵(lì)光電導(dǎo)開關(guān)縫隙和信號與接地線之間的區(qū)域，在輸出端獲得100飛秒左右的的太赫茲超短電脈沖輸出。
實(shí)施例2制作寬度為5微米，間距為50微米的共面?zhèn)鬏斁€，其它同實(shí)施例1，在輸出端獲得0.5皮秒寬的太赫茲脈沖。
實(shí)施例3其它如實(shí)施例1，采用不等腰直角三角形，在接地線和信號線之間形成30微米的厚度差，在輸出端獲得200飛秒寬的太赫茲脈沖。
權(quán)利要求
1.一種利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命的導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于(1)它由光電導(dǎo)材料襯底、共面波導(dǎo)傳輸線、三棱鏡、直流電源、激光器組成；(2)共面波導(dǎo)傳輸線位于光電導(dǎo)襯底材料的表面，偏壓和信號線上存在有一個(gè)縫隙，用于激光照射；(3)縫隙處放置三角棱鏡作為光延遲器橫跨在信號線和接地線之間，三角棱鏡較薄的部分放置在偏壓與信號線一側(cè)，較厚的部分放置在接地線一側(cè)。
2.按權(quán)利要求1所述利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命的導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于共面波導(dǎo)傳輸線的信號線上450-550微米左右寬的縫隙，以用于激光照射，使電路導(dǎo)通產(chǎn)生脈沖。
3.按權(quán)利要求1所述利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命的導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于共面波導(dǎo)傳輸線的的間距約為10～100微米。
4.按權(quán)利要求1所述利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命的導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于激光光斑大于共面波導(dǎo)傳輸線的間距以引起傳輸線的光致短路，以截?cái)嚯娒}沖信號，產(chǎn)生短脈沖。
5.按權(quán)利要求1或4所述利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命的導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于共面波導(dǎo)傳輸線的信號線和接地線間的光延遲器件采用三角棱鏡，利用三角棱鏡使光到達(dá)接地線和信號線有延遲，電脈沖寬度由光穿過三角棱鏡的不同厚度的時(shí)間差決定。
6.按權(quán)利要求5所述利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命的導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于三角棱鏡的延遲時(shí)間為 式中為εr為三角棱鏡材料的相對介電常數(shù)，c為光速，h為三角棱鏡在接地線和信號線之間高度差。
7.按權(quán)利要求1所述利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命的導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于結(jié)構(gòu)的安排和制作工藝步驟是(1)在光電導(dǎo)材料襯底上制作共面?zhèn)鬏斁€；(2)在留有縫隙處放置并固定光延遲器；(3)外加偏置直流電源；(4)用激光照射縫隙及其到接地線的區(qū)域。
8.按權(quán)利要求7述利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命的導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述的光延遲器為三角棱鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用光致短路產(chǎn)生亞載流子壽命導(dǎo)波電脈沖的器件結(jié)構(gòu)，屬于太赫茲脈沖產(chǎn)生技術(shù)領(lǐng)域。所采取的方案是在光電導(dǎo)材料襯底上利用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)制作共面波導(dǎo)傳輸線電路，其中外加偏置電壓的線上制作一個(gè)光電導(dǎo)縫隙，把一直角三角棱鏡在此縫隙處跨置于接地線和充電線上，利用超短光脈沖照射縫隙及信號線與接地線之間的區(qū)域。光脈沖照明縫隙使光電導(dǎo)開關(guān)閉合，形成電信號輸出，經(jīng)三角棱鏡延遲到達(dá)的光脈沖使信號線與接地線短路，截?cái)噍敵龅碾娦盘?，形成電脈沖輸出，電脈沖的寬度由光延遲時(shí)間決定，從而可產(chǎn)生亞載流子壽命的導(dǎo)波電脈沖。本發(fā)明可用于需要超快信號的領(lǐng)域，如太赫茲脈沖光譜學(xué)、集成電路超寬帶特性的測定等。
文檔編號G01R1/28GK1564458SQ20041001743
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月2日
發(fā)明者曹俊誠, 張同意 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所