[发明专利]具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统及方法

说明书

本发明公开了一种具有纳米级分辨率的空间电荷测试系统，所述系统包括太赫兹波激发单元和弹光取样检测单元，其中：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；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。本发明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，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。

技术领域

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。

发明内容

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；