CN113178220A - 超快电脉冲发生与探测装置及其使用方法 - Google Patents

超快电脉冲发生与探测装置及其使用方法 Download PDF

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CN113178220A CN202110435404.3A CN202110435404A CN113178220A CN 113178220 A CN113178220 A CN 113178220A CN 202110435404 A CN202110435404 A CN 202110435404A CN 113178220 A CN113178220 A CN 113178220A
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Abstract

本发明提供一种超快电脉冲发生与探测装置及其使用方法，该超快电脉冲发生与探测装置包括：激光器和电脉冲发生器。该电脉冲发生器包括：光电材料层，包括一光控开关区，所述光控开关区用于响应所述激光器产生的激发光；绝缘层，形成于所述光电材料层上，其中，所述绝缘层与所述光控开关区对应的位置存在一开关结构，使所述光控开关区部分暴露或完全暴露；传输线，形成于所述绝缘层上。本发明的超快电脉冲发生与探测装置通过飞秒激发光对光电材料的激励，可以产生低至3.7ps的电脉冲，实现hGHz的信号产生。

Description

超快电脉冲发生与探测装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及磁性存储器技术，特别涉及一种超快电脉冲发生与探测装置及其使用方法。
背景技术
提高存储与计算速度和降低能量消耗是存储器研究的两大挑战。在过去的二十年中，飞秒激光被广泛用于超快尺度特定材料的磁性翻转与数据存储的研究。然而，超快光学在传统存储器领域的集成面临诸多问题。因此，基于飞秒激光的超短电脉冲更加有利于超快低功耗存储器的研究，从而用于探索新的数据存储方式。
例如，新一代非易失性的磁存储器具有低功耗的特点，其基本单元是磁隧道结，通常由三层薄膜组成，一个隧穿势垒层将两个磁性层分隔开，其中一个磁性层为参考层，矫顽场较大而具有固定不变的磁化方向，另一个磁性层为自由层，矫顽场较小而磁化方向可变，与参考层平行或反平行，从而使磁隧道结呈现低电阻和高电阻，用于存储二进制数据“0”和“1”。利用自旋转移矩，磁隧道结的磁化翻转可以在电流脉冲下完成；电流在隧穿作用下极化，从而完成自由层的磁化翻转。基于自旋转移矩的磁化翻转电流通常在纳秒级别，这是由于更短的电流需要更大的电流密度，从而导致隧穿势垒层的击穿。自旋轨道矩通过将电流注入具有高自旋霍尔角的重金属，产生自旋流，从而使自旋轨道矩用于磁性层的磁化翻转；由于电流不经过隧穿势垒层，200ps的电流即可实现磁化翻转。然而，脉冲发生装置的限制使得电流很难进入短于200ps的时间尺度，这限制了磁存储器的速度。
发明内容
基于现有技术中存在的问题，本发明提供一种超快电脉冲发生与探测装置，可产生皮秒量级的电脉冲。该超快电脉冲发生与探测装置包括：
激光器，用于产生飞秒激发光；
电脉冲发生器，包括：
光电材料层，包括一光控开关区，所述光控开关区用于响应所述激光器产生的飞秒激发光；
绝缘层，形成于所述光电材料层上，其中，所述绝缘层与所述光控开关区对应的位置存在一开关结构，使所述光控开关区部分暴露或完全暴露；
传输线，形成于所述绝缘层上，所述传输线包括电流传输线和至少一条地信号传输线；其中，所述电流传输线包括第一段电流传输线及第二段电流传输线，所述开关结构位于所述第一段电流传输线与第二段电流传输线之间，且所述第一段电流传输线及第二段电流传输线相对端分别与所述开关结构的相对边对齐；
电压源，与所述第一段电流传输线连接，并输出一偏压。
其中，调节所述电压源输出的偏压，可调节所述电脉冲发生器产生的超快电脉冲的幅值和极性。
在一实施例中，所述激光器包括但不限于：
重复频率1-5kHz、脉冲宽度20-250fs、波长650-1200nm的钛蓝宝石激光放大器；或
重复频率70-100MHz、脉冲宽度20-250fs、波长650-1200nm的钛蓝宝石激光振荡器；或
重复频率70-100MHz、脉冲宽度120-250fs、波长1535-1565nm的光纤激光器。
在一实施例中，所述光电材料层包括但不限于低温GaAs、GaAs、InGaAs、InGa(Al)As、InAlAs等III-V族半导体材料和石墨烯异质结等，所述绝缘层包括但不限于SiO2，所述传输线包括但不限于电子束蒸镀的Ti(0-50nm)/Au(50-500nm)。
在一实施例中，当所述光电材料层为低温GaAs光电材料层时，所述低温GaAs光电材料层由下至上依次包括：
GaAs(100)半绝缘衬底、100-500nm的GaAl0.8As、1-10nm的GaAs以及0.5-5μm的低温GaAs；
所述SiO2绝缘层在所述低温GaAs上生长，厚度为10-200nm。
在一实施例中，所述超快电脉冲发生与探测装置还包括：
延迟线，用于将激光器产生的部分飞秒激发光延迟预设时间，使产生的探测光聚焦在所述电流检测装置的探针针尖上；
其中，所述预设时间是根据所述电流检测装置的探针针尖在第二段电流传输线上的位置以及电流脉冲到达该位置的时间确定的。
本发明还提供一种使用本发明的超快电脉冲发生与探测装置产生超快电脉冲的方法，该方法包括：
在第一段电流传输线上设置一电压值在预设阈值范围内(如±15V之间)的偏压；
将激光器产生的飞秒激发光通过绝缘层开关结构辐照至光电材料层的光控开关区，产生电脉冲；以及
使所述电脉冲沿第二段电流传输线输出；
其中，可通过改变所述偏压的值，调节所述电脉冲的幅值和极性。
本发明还提供一种检测本发明的超快电脉冲发生与探测装置产生的超快电脉冲的电流的方法，该方法包括：
当使用所述超快电脉冲发生与探测装置产生超快电脉冲时，将电流检测装置的探针针尖放置于第二段电流传输线上；
利用延迟线将激光器产生的部分飞秒激发光延迟预设时间，使产生的探测光聚焦在所述电流检测装置的探针针尖上；
其中，所述预设时间是根据所述电流检测装置的探针针尖在第二段电流传输线上的位置以及电流脉冲到达该位置的时间确定的。
本发明的超快电脉冲发生与探测装置通过飞秒激发光对光电材料的激励，可以产生低至3.7ps的电脉冲，实现hGHz的信号产生；利用电流检测装置(如TeraSpike探针)，可以对该超快电脉冲发生与探测装置产生的超快电脉冲进行实时探测。当使用波长1560nm的激光器，并配套适合的光电材料和电流放大器时，本发明的超快电脉冲发生与探测装置可大幅降低飞秒激光产生的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的超快电脉冲发生与探测装置的方框图。
图2为超快电脉冲发生与探测装置中的电脉冲发生器的示意图。
图3为电脉冲发生器的绝缘层和传输线的示意图。
图4A和图4B为检测超快电脉冲发生与探测装置产生的电脉冲的示意图。
图5为电流检测装置在不同位置处测得的电脉冲波形图。
图6为使用本发明的超快电脉冲发生与探测装置产生电脉冲的流程图。
图7为检测本发明的超快电脉冲发生与探测装置产生电脉冲的流程图。
附图标号：
1-激光器，11-飞秒激发光，2-电脉冲发生器，21-光电材料层，211-光控开关区，22-绝缘层，221-开关结构，23-传输线，231-第一段电流传输线，232-第二段电流传输线，233-地信号传输线，3-电压源，ΔV-偏压，4-电流脉冲，5-延迟线，51-探测光，6-电流检测装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种超快电脉冲发生与探测装置，可产生皮秒量级的电脉冲。如图1所示，该超快电脉冲发生与探测装置包括激光器1、电脉冲发生器2和电压源3。其中，激光器1用于产生飞秒激发光11。电脉冲发生器2用于在激光器1产生的飞秒激发光11的作用下，产生电流脉冲4。电压源3用于为电脉冲发生器2提供偏压ΔV。
电脉冲发生器2的结构参见图2，所述电脉冲发生器2具体包括：一光电材料层21，一绝缘层22以及传输线23。其中，所述光电材料层21包括一光控开关区211，所述光控开关区211用于响应所述激光器1产生的飞秒激发光11；所述绝缘层22形成于所述光电材料层21上，其中，所述绝缘层22与所述光控开关区211对应的位置存在一开关结构221，使所述光控开关区211部分暴露或完全暴露，本申请以该开关结构221为方形为例进行说明，此时光控开关区211被完全暴露，实际应用中，该开关结构221的形状还可以是梳状、对数周期状、螺旋状等，此时光控开关区211被部分暴露；该开关结构221结构还可以由光电导天线结构代替。传输线23形成于所述绝缘层22上，该传输线23为共面波导传输线。
所述传输线23的具体结构参见图3，传输线23包括电流传输线，其中，所述电流传输线包括第一段电流传输线231及第二段电流传输线232，所述开关结构221位于所述第一段电流传输线231与第二段电流传输线232之间，且所述第一段电流传输线231及第二段电流传输线232的相对端分别与所述开关结构的相对边对齐，使开关结构221不被传输线23遮挡；所述传输线23还包括至少一条地信号传输线233，通常情况下，地信号传输线为一条或两条，当有两条地信号传输线时，所述电流传输线位于两条地信号传输线之间。图3仅为本发明给出的传输线的一种示例，实际应用时，第一段电流传输线231与第二段电流传输线232的长度均可根据实际需求进行适应性调整，本申请对此不作限制。
实际应用中，光电材料层21包括但不限于低温GaAs、GaAs、InGaAs、InGa(Al)As、InAlAs等III-V族半导体材料和石墨烯异质结等，这些材料具有载流子寿命低、载流子迁移率高、能隙适当、击穿电压高、暗电阻大等特点。
本发明可采用低温GaAs作为光电材料层21，低温GaAs光电材料层由下至上依次包括：GaAs(100)半绝缘衬底、100-500nm的GaAl0.8As、1-10nm的GaAs以及0.5-5μm低温GaAs。低温GaAs对800nm波长的激发光具有良好的响应作用。在一示例中，该光电材料层21的最底层为GaAs(100)半绝缘衬底，其上依次生长有300nm的GaAl0.8As、5nm的GaAs以及1μm的低温GaAs。其中，GaAl0.8As在550℃的高温环境下生长；低温GaAs在温度260℃、As/Ga压力比50的环境下生长。光电材料层21的制作可采用分子束外延工艺。
绝缘层22可以是SiO2材料，厚度为10-200nm之间，例如100nm。制作绝缘层时可采用磁控溅射工艺在光电材料层21的低温GaAs上生长100nm的SiO2，保证低温GaAs与位于绝缘层22上的传输线23之间的良好绝缘性，从而降低漏电流。其中，绝缘层22上的开关结构221可采用紫外曝光刻蚀技术进行制作。一实施例中，传输线23为电子束蒸镀的Ti(0-50nm)/Au(50-500nm)，例如Ti(20nm)/Au(300nm)。
上述光电材料层和绝缘层的厚度和材料均为本申请给出的一种示例，实际应用中，可根据需要对光电材料层、绝缘层以及传输线的材料和厚度进行调整，本申请不以此为限。
在电脉冲发生器2的实际制作过程中，可以先按照上述方法制作光电材料层21，再在光电材料层21上生长适合厚度的绝缘层22，此时绝缘层22上没有开关结构，然后在绝缘层22上通过电子束蒸镀一条连续的电流传输线和至少一条连续的地信号传输线。随后，通过紫外曝光刻蚀技术，将连续的电流传输线从某一位置截断，此时连续的电流传输线变为两条互不相连的第一段电流传输线231及第二段电流传输线232。随后再通过紫外曝光刻蚀技术，对电流传输线截断后暴露出的绝缘层的部分进行刻蚀，形成一开关结构221，该开关结构221将光电材料层21上的光控开关区211部分暴露或完全暴露出来，以便光控开关区211接收激光器1辐照出的飞秒激发光。
电压源3可以是Keithley 2400电压源。电压源3的第一电极通过探针与第一段电流传输线231连接，电压源3的第二电极通过探针与地信号传输线233连接，提供电压值在预设阈值范围内(如±15V之间)的偏压ΔV。光控开关211在激发光11的作用下产生皮秒量级的电流脉冲4时，通过改变偏压ΔV的值可实现对电流脉冲4的幅值和极性的调节。
当激光器1产生的飞秒激发光11辐照在光控开关区211上时光控开关区211产生光电流，即瞬态的皮秒量级电流脉冲4，在偏压ΔV的作用下该电流脉冲4的脉冲宽度或信号强度可能得到改善。由于光电材料层21(GaAs)的半导体特性和绝缘层22(SiO2)的绝缘特性，电流脉冲4将被第二段电流传输线232引导传输。通过改变偏压ΔV的值，可实现对电流脉冲4的幅值和极性的调节。此外，激光器1注入的光功率和半导体带隙能量的大小关系决定光控开关区211是否有光电流的产生以及产生的强度。
激光器1的种类包括但不限于重复频率1-5kHz、脉冲宽度20-250fs、波长650-1200nm的钛蓝宝石激光放大器，重复频率70-100MHz、脉冲宽度20-250fs、波长650-1200nm的钛蓝宝石激光振荡器，以及重复频率70-100MHz、脉冲宽度120-250fs、波长1535-1565nm的光纤激光器，等等。
实际应用中，激光器1可以为重复频率5kHz、脉冲宽度30fs、波长800nm的钛蓝宝石激光放大器，利用30mW(单脉冲能量0.37nJ)的250fs脉宽的激发光辐照至光控开关区，用以产生6ps脉宽的光电流信号。激光器1还可以为重复频率80MHz、脉冲宽度250fs、波长780nm的钛蓝宝石激光振荡器，利用1.5mW(单脉冲能量0.3μJ)的30fs脉宽的激发光辐照至光控开关区，产生3.7ps脉宽的电流信号。激光器1还可以为重复频率80MHz、脉冲宽度120fs、波长1560nm的光纤激光器，利用1W(单脉冲能量12.5nJ)的120fs脉宽的激发光辐照至光控开关区，此时，光电材料层可使用InGa(Al)As。
激光器的种类包括但不限于钛蓝宝石飞秒激光器或光纤飞秒激光器。激光器1的种类发生变化时(主要体现为输出波长的变化)，电脉冲发生器2的光电材料层21也可相应更换。例如为匹配1560nm波长的某种光纤激光器，可采用InGa(Al)As体系等材料作为光电材料层，此时也可产生皮秒电脉冲。上述仅为本申请给出的几个激光器的示例，本申请不以此为限。
在第二段电流传输线232远离开关结构221的一端，可通过片上方式、“探针-同轴线-探针”方式、“探针桥接”方式，将电流脉冲4传输至其他传输线或设备中，以实现电流脉冲4的后续应用。电流脉冲4还可通过使用宽带宽的放大器进行电流幅值放大。
在一实施例中，如图4A和图4B所示，所述超快电脉冲发生与探测装置还包括延迟线5和电流检测装置6。
延迟线5用于将激光器1产生的部分飞秒激发光11延迟预设时间，产生探测光51，并使探测光51聚焦在电流检测装置6的探针针尖上。电流检测装置6的探针针尖位于第二段电流传输线232的某一位置处，用于检测该位置处的电流脉冲的宽度。
其中，所述预设时间是根据所述电流检测装置的探针针尖在第二段电流传输线上的位置以及电流脉冲到达该位置的时间确定的。延迟线5产生的探测光51用于触发电流检测装置6进行电流脉冲检测。具体而言，激光器1产生的部分飞秒激发光11通过延迟线5延迟预设时间，产生探测光51，并使探测光51辐照在位于第二段电流传输线232上的电流检测装置6的探针针尖上。
由于生成电流脉冲4后，电流脉冲4会以速度v沿着第二段电流传输线232进行传输，在不同的时刻到达不同的位置。对于某一位置而言，在电流到达该位置的时刻检测到的电流值最大最准确，而在早于或晚于电流到达的时刻检测到的电流值均低于其最大值。因此，当电流脉冲4恰好到达电流探测装置6的探针针尖所在的位置时，探测光51触发电流探测装置6进行探测，探测到的电流脉冲最大。探测光51产生的瞬时电场信号引发电流脉冲4变化，可以利用锁相放大器对电流脉冲进行测量。
使用电流检测装置6在第二段电流传输线232上的不同位置处探测到的电流脉冲的波形图如图5所示。图5中的曲线(a)～(d)分别表示在电流传输的不同时刻进行探测。对于任一曲线而言，当激发光11延迟的时间与电流传输的时间一致时，测到的电流脉冲的值最大，当激发光11延迟的时间多于或少于电流传输的时间时，测到的电流脉冲的值均小于最大值。换言之，由于激发光11延迟的时间与电流检测装置6进行探测的时间一一对应，且电流脉冲在不同时刻传输至不同的位置，因此，当电流检测装置6进行探测时电流脉冲4也恰好到达电流检测装置6的探针针尖所在的位置时，即可测到电流脉冲的最大值。
本发明的超快电脉冲发生与探测装置通过飞秒激发光对光电材料的激励，可以产生低至3.7ps的电脉冲，实现hGHz的信号产生；同时利用电流检测装置(如TeraSpike探针)，可以对该超快电脉冲发生与探测装置产生的超快电脉冲进行实时探测。当使用波长1560nm的激光器，并配套适合的光电材料和电流放大器时，本发明的超快电脉冲发生与探测装置可大幅降低飞秒激光产生的成本。
本发明的另一实施例还提供一种使用本发明的超快电脉冲发生与探测装置产生超快电脉冲的方法，如图6所示，该方法包括：
步骤S601，在第一段电流传输线上设置一电压值在预设阈值范围内(如±15V之间)的偏压；
步骤S602，将激光器产生的飞秒激发光通过绝缘层开关结构辐照至光电材料层的光控开关区，产生电流脉冲；
步骤S603，使所述电流脉冲沿第二段电流传输线输出；
步骤S604，改变所述偏压的值，以调节所述电脉冲的幅值和极性。
本实施例给出了使用本发明的超快电脉冲发生与探测装置产生超快电脉冲的方法，通过该方法可以产生低至3.7ps的电脉冲。
本发明的另一实施例还提供一种检测本发明的超快电脉冲发生与探测装置产生的超快电脉冲的电流的方法，如图7所示，该方法包括：
步骤S701，当使用所述超快电脉冲发生与探测装置产生电流脉冲时，将电流检测装置的探针针尖放置于第二段电流传输线上；
步骤S702，根据所述电流检测装置的探针针尖在第二段电流传输线上的位置以及所述电流脉冲到达该位置的时间确定飞秒激发光的延迟时间；
步骤S703，利用延迟线将激光器产生的部分飞秒激发光按照所述延迟时间进行延迟产生探测光，并使所述探测光聚焦在所述电流检测装置的探针针尖上。
探测光产生的瞬时电场信号会引发电流脉冲变化，因此可以利用电流探测装置，如TeraSpike探针对电流脉冲进行测量。
本实施例利用电流检测装置，可以对该超快电脉冲发生与探测装置产生的超快电脉冲进行实时探测。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种超快电脉冲发生与探测装置，其特征在于，包括：
激光器，用于产生飞秒激发光；
电脉冲发生器，包括：
光电材料层，包括一光控开关区，所述光控开关区用于响应所述激光器产生的飞秒激发光；
绝缘层，形成于所述光电材料层上，其中，所述绝缘层与所述光控开关区对应的位置存在一开关结构，使所述光控开关区部分暴露或完全暴露；
传输线，形成于所述绝缘层上，所述传输线包括电流传输线和至少一条地信号传输线；其中，所述电流传输线包括第一段电流传输线及第二段电流传输线，所述开关结构位于所述第一段电流传输线与第二段电流传输线之间，且所述第一段电流传输线及第二段电流传输线相对端分别与所述开关结构的相对边对齐；
电压源，与所述第一段电流传输线连接，并输出一偏压。
2.根据权利要求1所述的超快电脉冲发生与探测装置，其特征在于，调节所述电压源输出的偏压，可调节所述电脉冲发生器产生的超快电脉冲的幅值和极性。
3.根据权利要求2所述的超快电脉冲发生与探测装置，其特征在于，所述激光器为：
重复频率1-5kHz、脉冲宽度20-250fs、波长650-1200nm的钛蓝宝石激光放大器；或
重复频率70-100MHz、脉冲宽度20-250fs、波长650-1200nm的钛蓝宝石激光振荡器；或
重复频率70-100MHz、脉冲宽度120-250fs、波长1535-1565nm的光纤激光器。
4.根据权利要求3所述的超快电脉冲发生与探测装置，其特征在于：
所述光电材料层为低温GaAs、GaAs、InGaAs、InGa(Al)As或InAlAs中的一种或多种的组合；
所述绝缘层为SiO2；
所述传输线为电子束蒸镀的Ti(0-50nm)/Au(50-500nm)。
5.根据权利要求4所述的超快电脉冲发生与探测装置，其特征在于，当所述光电材料层为低温GaAs光电材料层时，所述低温GaAs光电材料层由下至上依次包括：
GaAs(100)半绝缘衬底、100-500nm的GaAl0.8As、1-10nm的GaAs以及0.5-5μm的低温GaAs。
6.根据权利要求5所述的超快电脉冲发生与探测装置，其特征在于，所述SiO2绝缘层在所述低温GaAs上生长，厚度为10-200nm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的超快电脉冲发生与探测装置，其特征在于，还包括：
延迟线，用于将激光器产生的部分飞秒激发光延迟预设时间，使产生的探测光聚焦在所述电流检测装置的探针针尖上；
其中，所述预设时间是根据所述电流检测装置的探针针尖在第二段电流传输线上的位置以及电流脉冲到达该位置的时间确定的。
8.一种使用权利要求1所述的超快电脉冲发生与探测装置产生超快电脉冲的方法，其特征在于，包括：
在第一段电流传输线上设置一电压值在预设阈值范围内的偏压；
将激光器产生的飞秒激发光通过绝缘层开关结构辐照至光电材料层的光控开关区，产生电脉冲；以及
使所述电脉冲沿第二段电流传输线输出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
改变所述偏压的值，调节所述电脉冲的幅值和极性。
10.一种检测权利要求1所述的超快电脉冲发生与探测装置产生的超快电脉冲的电流的方法，其特征在于，包括：
当使用所述超快电脉冲发生与探测装置产生超快电脉冲时，将电流检测装置的探针针尖放置于第二段电流传输线上；
利用延迟线将激光器产生的部分飞秒激发光延迟预设时间，使产生的探测光聚焦在所述电流检测装置的探针针尖上；
其中，所述预设时间是根据所述电流检测装置的探针针尖在第二段电流传输线上的位置以及电流脉冲到达该位置的时间确定的。
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