半絕緣GaAs半導(dǎo)體開關(guān)的傳輸特性研究

薛　紅

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院,陜西 渭南 714099)

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【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

半絕緣GaAs半導(dǎo)體開關(guān)的傳輸特性研究

薛紅

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院,陜西 渭南 714099)

通過實(shí)驗(yàn)及理論分析，對半絕緣GaAs(SI-GaAs)光電導(dǎo)開關(guān)的光電性能和傳輸特性進(jìn)行了研究。在不同的偏置電壓條件下，開關(guān)將輸出兩種不同模式的電脈沖并存在振蕩效應(yīng)，認(rèn)為：導(dǎo)致輸出電脈沖振蕩效應(yīng)的主要原因是光電導(dǎo)振蕩現(xiàn)象；當(dāng)外界光電條件一定，開關(guān)電極間隙越小，輸出電脈沖上升時間越短，輸出功率越大。為了提高開關(guān)的上升時間和輸出功率，必須使光電導(dǎo)開關(guān)工作在飽和狀態(tài)。

光電導(dǎo)開關(guān)；電脈沖；振蕩效應(yīng)；功率

半導(dǎo)體光電導(dǎo)體開關(guān)(Photoconductive Semiconductor Switch，簡稱 PCSS)是超快脈沖激光器與半絕緣GaAs、InP、ZnSe和金剛石等化合物半導(dǎo)體材料相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新型固態(tài)半導(dǎo)體開關(guān)器件，是通過超快脈沖光注入方式產(chǎn)生載流子，而對材料的電阻率控制來實(shí)現(xiàn)器件功能的。其工作原理是利用半導(dǎo)體的本征耐壓特性或pn結(jié)反向耐壓特性，使半導(dǎo)體開關(guān)能夠承受高電壓，然后以光注入或電注入的觸發(fā)方式，在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生大量的非平衡載流子，致使開關(guān)得以導(dǎo)通。這種光電導(dǎo)開關(guān)具有可靠性高、使用壽命長、工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)，具有傳統(tǒng)高功率脈沖器件不具備的優(yōu)良性能，廣泛地應(yīng)用于高功率微波、超快電子學(xué)等領(lǐng)域，在產(chǎn)生高功率脈沖領(lǐng)域有很大發(fā)展?jié)摿1]。迄今為止，GaAs仍是制作光導(dǎo)開關(guān)的主流材料，已有許多用532 nm、780 nm、876 nm、900 nm、1 064 nm和1 530 nm激光脈沖觸發(fā)半絕緣GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的研究報道[2-11]。本文主要采用Nd:YAG激光器作為觸發(fā)光源，通過實(shí)驗(yàn)及理論分析，對GaAs光導(dǎo)開關(guān)的光電性能和輸出特性等進(jìn)行了詳細(xì)研究。

1　實(shí)驗(yàn)原理及裝置

實(shí)驗(yàn)采用橫向型結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)開關(guān)，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，將其接入與之匹配的平面?zhèn)鬏斁€上，通過微帶過渡接頭與同軸電纜相連接，其中：微帶傳輸線采用Al2O3復(fù)銅板制作，由于Al2O3具有高導(dǎo)熱性能，使得開關(guān)具有很好的散熱性能。開關(guān)的芯片材料選用半絕緣GaAs，暗態(tài)電阻率為ρ>5×107Ω·cm，本征擊穿電場為250 kV/cm；電子的濃度為n≈1014cm-3，遷移率為μ>5 500 cm2/V·s，載流子的復(fù)合壽命小于1ns，開關(guān)晶片尺寸為0.6 mm×20 mm×10 mm，電極尺寸為6 mm×4 mm，光電導(dǎo)開關(guān)電極為Au/Ge/Ni合金與GaAs芯片形成良好的歐姆接觸，電場閾值為4.1 kV/cm；實(shí)驗(yàn)中選用的觸發(fā)光源是SKLTOT-L1型YAG-ps染料鎖模激光器，輸出光脈沖波長分別為800 nm和532 nm，單脈沖能量可在1nJ至10 mJ之間變化，平均功率范圍為800～900 mW，重復(fù)頻率為82 MHz；實(shí)驗(yàn)用直流高電壓源輸出電壓為0～10 kV，實(shí)驗(yàn)測試用示波器為8600 A wave master系列，帶寬為6 GHz，測試電路如圖2所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)原理圖

圖2　PCSS測試電路圖

2　輸出電脈沖的振蕩效應(yīng)

2.1實(shí)驗(yàn)觀察

用波長為532 nm、單脈沖能量為0.5 mJ激光脈沖觸發(fā)間隙為4 mm的上述光電導(dǎo)開關(guān)，在不同的偏置電壓條件下，開關(guān)將輸出兩種不同模式的電脈沖，如圖3所示。(1)當(dāng)偏置電壓為1.5 kV時，輸出的電脈沖為圖3(a)，波形在經(jīng)歷了一個高斯型主脈沖后，呈現(xiàn)出幾個連續(xù)的減幅振蕩，但開關(guān)仍處于線性工作狀態(tài)而并未引起非線性變化。(2)當(dāng)偏置電壓達(dá)到3 kV時，電脈沖波形為圖3(b)，在主脈沖過后呈現(xiàn)出周期性的不同程度的減幅振蕩并逐漸消失，最后進(jìn)入穩(wěn)定的Lock-on鎖定狀態(tài)。

2.2振蕩效應(yīng)分析

一般而言，光電導(dǎo)開關(guān)有兩種工作狀態(tài)，即線性狀態(tài)和非線性狀態(tài)。由半導(dǎo)體的光電子學(xué)理論可知，以上兩種工作機(jī)制的本質(zhì)均是觸發(fā)光子與電子相互作用從而產(chǎn)生非平衡載流子，在偏置電場和光場作用下，開關(guān)材料內(nèi)主要會發(fā)生光吸收與載流子激發(fā)、非平衡載流子弛豫與遷移以及載流子的復(fù)合等過程，非平衡載流子會在產(chǎn)生、弛豫以及復(fù)合過程中相互競爭，在輸運(yùn)過程中遷移率會發(fā)生變化，從而會導(dǎo)致光電導(dǎo)發(fā)生變化的光電導(dǎo)現(xiàn)象，呈現(xiàn)出線性與非線性狀態(tài)的電脈沖輸出。通常，光電導(dǎo)現(xiàn)象存在于光激發(fā)非平衡載流子的壽命時間內(nèi)[12]。

2.2.1非平衡熱載流子的輸運(yùn)與復(fù)合

在實(shí)驗(yàn)中我們選用的觸發(fā)激光脈沖波長為532 nm，當(dāng)照射到GaAs開關(guān)芯片時，將瞬態(tài)地在開關(guān)芯片材料中產(chǎn)生大量的非平衡載流子(電子—空穴對)。這種波長為532 nm的光子能量遠(yuǎn)大于GaAs材料的禁帶寬度(即hv>>Eg)，由于光激發(fā)而產(chǎn)生的非平衡載流子(電子和空穴)均處于較高激發(fā)狀態(tài)，從而會遠(yuǎn)離能帶底，也稱之為熱激發(fā)態(tài)或熱載流子，而處于高激發(fā)狀態(tài)的非平衡載流子會再經(jīng)過無輻射躍遷復(fù)合或者輻射躍遷復(fù)合的過程回到基態(tài)。通常，GaAs材料中空穴的有效質(zhì)量很大，約是電子質(zhì)量的6～8倍，空穴對于光電信號的影響通?？梢院雎?，因此在產(chǎn)生與輸運(yùn)過程中主要考慮熱載流子的影響。當(dāng)波長為532 nm的激光觸發(fā)GaAs開關(guān)時，熱載流子處于高激發(fā)狀態(tài)而遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底部，熱載流子在弛豫和遷移過程中與GaAs中的載流子和晶格相互作用，電子—電子、電子—聲子的相互作用最強(qiáng)烈，于是熱載流子首先選擇上述過程弛豫到達(dá)導(dǎo)帶底附近，最后再經(jīng)過輻射躍遷或無輻射躍遷的過程復(fù)合至基態(tài)。對于極性半導(dǎo)體GaAs而言，熱載流子—LO聲子弛豫過程為在經(jīng)歷了幾個連續(xù)的縱光學(xué)聲子(LO聲子)弛豫過后，熱載流子的動能會迅速下降到小于一個LO聲子能量的值，之后再經(jīng)過熱電子與聲學(xué)聲子的相互作用使電子弛豫到導(dǎo)帶底的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。因此，熱載流子—聲子之間的弛豫過程主要是熱載流子在導(dǎo)帶底附近且能量小于一個光學(xué)聲子能量范圍內(nèi)的相互作用過程。

2.2.2帶內(nèi)非平衡熱載流子光電導(dǎo)

當(dāng)照射到GaAs開關(guān)芯片的觸發(fā)激光脈沖波長為532 nm時，開關(guān)中將瞬態(tài)地產(chǎn)生大量的非平衡熱載流子，若觸發(fā)開始時非平衡熱載流子能量為E0=hv-Eg，在連續(xù)經(jīng)歷LO聲子散射(n次散射)以后，熱載流子的能量減少到Eh=E0-n?ω0?？梢?，無論觸發(fā)瞬態(tài)非平衡熱載流子的能量如何變化，隨著LO聲子散射弛豫過后的熱載流子能量始終在0～?ω0之間變化，使熱載流子在電場中的遷移率在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)以?ω0為周期的變化，呈現(xiàn)出振蕩現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致光電導(dǎo)出現(xiàn)振蕩。在特征弛豫時間之間及與載流子壽命之間的關(guān)系不同時，所觀察到的光電導(dǎo)振蕩現(xiàn)象不同。

(1)非平衡熱載流子壽命小于電子—聲學(xué)聲子弛豫時間時(GaAs材料載流子的壽命為ns量級)，在光觸發(fā)后非平衡熱載流子的壽命時間內(nèi)，熱載流子始終處于非平衡狀態(tài)，在電場中加速使能量增加，電子—聲子散射主要表現(xiàn)為載流子與聲學(xué)聲子的作用，能量始終在0～?ω0之間變化，其遷移率隨瞬態(tài)能量的增加表現(xiàn)出以?ω0為周期振蕩變化，遷移率或者光電導(dǎo)的極小值出現(xiàn)在熱電子能量為Eh=?ω0的位置處，呈現(xiàn)出遷移率調(diào)制下的光電導(dǎo)振蕩現(xiàn)象。

(2)當(dāng)非平衡熱載流子的觸發(fā)能量大于俘獲能量而恰好等于光學(xué)聲子能量的整數(shù)倍時，非平衡載流子被俘獲的幾率顯著增加，熱載流子壽命有極小值，可導(dǎo)致由俘獲機(jī)制引起壽命調(diào)制的光電導(dǎo)振蕩現(xiàn)象。

(3)動量損失也將引起光電導(dǎo)振蕩現(xiàn)象。在非平衡熱載流子能量小于光學(xué)聲子能量?ω0的情況下，熱載流子將從外加偏置電場中獲得能量并且經(jīng)過連續(xù)的LO聲子散射會弛豫到導(dǎo)帶底附近，造成在電場方向上動量損失，從而引起電流減小產(chǎn)生光電導(dǎo)振蕩現(xiàn)象。

因此，在非平衡熱載流子弛豫與復(fù)合的競爭過程中，引起了載流子遷移率的振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致了光電導(dǎo)的振蕩現(xiàn)象。另外，動量損失、帶間激發(fā)和激子激發(fā)過程也是導(dǎo)致光電導(dǎo)振蕩現(xiàn)象的一個原因。

3　實(shí)驗(yàn)參數(shù)對開關(guān)輸出特性的影響

一般而言，要提高光電導(dǎo)開關(guān)的輸出性能，擬采用的方法就是減小開關(guān)輸出的上升時間和提高開關(guān)的耐壓性能。在一定的觸發(fā)光能和絕緣封裝條件下，若要提高開關(guān)的耐壓性能，就需要采用電極間隙較大的光電導(dǎo)開關(guān)；又由于大功率超短脈沖激光器，尤其是大功率飛秒激光器價格昂貴、制造困難，使得大功率光電導(dǎo)開關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中會經(jīng)常受到觸發(fā)光源限制，因此可選擇的光源是十分有限的。同時，電脈沖的上升時間和脈寬主要和觸發(fā)光脈沖的脈寬有關(guān)，在能量不飽和的情況下，還和激勵光能量和縫隙長度有關(guān)，因而應(yīng)在耐壓允許的情況下，盡量縮短縫隙長度；但提高輻射功率的主要途徑是提高耐壓，而要提高耐壓，就要采用大間隙的開關(guān)，但大間隙開關(guān)在相同觸發(fā)條件下導(dǎo)通效率又低。解決的方法是通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，找出滿足要求的最佳結(jié)合點(diǎn)，對開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。因此，如何在觸發(fā)光功率一定的條件下設(shè)計開關(guān)，獲得最大輸出功率的光電導(dǎo)開關(guān)具有實(shí)際意義。理論與實(shí)驗(yàn)顯示，光電導(dǎo)開關(guān)電極間隙的增大將有利于提高開關(guān)的耐壓能力，但距離過大又將影響開關(guān)的通態(tài)電阻和開關(guān)的超快特性。開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)負(fù)載上的功率P為：

(1)

其中：L為開關(guān)間隙，ξ為開關(guān)能承受的最大電場強(qiáng)度，ω為光脈沖的重復(fù)頻率，R為負(fù)載電阻，Ron為開關(guān)的通態(tài)電阻。

(2)

其中：hν為光子能量，E為單脈沖光能量，q為電子電量，μ為遷移率，r0為歐姆電極電阻。

3.1電極間隙對開關(guān)輸出功率的影響

由上述(1)(2)兩式可得到在特定的觸發(fā)光能條件下，開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)負(fù)載上輸出功率與電極間隙的變化關(guān)系曲線。曲線上有極值，表明：一旦觸發(fā)光能量被選定，就可以找出最佳的電極間隙條件，以保證開關(guān)負(fù)載輸出最大的功率。實(shí)驗(yàn)選用光能量為1 μJ、波長為800 nm的觸發(fā)光源，負(fù)載電阻為50 Ω，得到光電導(dǎo)開關(guān)輸出功率Wf隨電極間隙的變化關(guān)系，如圖4所示?？梢?，當(dāng)電極間隙的大小在0.8～1 mm范圍內(nèi)時，光電導(dǎo)開關(guān)輸出功率最大。理論計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖4　光電導(dǎo)開關(guān)電極間隙與輸出功率關(guān)系曲線

圖5　光電導(dǎo)開關(guān)輸出功率隨觸發(fā)光能變化曲線

3.2觸發(fā)光功率對開關(guān)輸出功率的影響

選用電極間隙分別為3 mm和4 mm的光電導(dǎo)開關(guān)，得到輸出功率隨著觸發(fā)光能量變化的擬合結(jié)果，如圖5所示。由圖5可知，對于某一特定電極間隙的開關(guān)，輸出功率隨著觸發(fā)光能量的增加而增大，逐漸將趨于飽和；當(dāng)輸出功率達(dá)到飽和條件以后，即使觸發(fā)光能量繼續(xù)增大，開關(guān)負(fù)載的輸出功率也不會增加。因此，可得到輸出功率等于飽和值時的最佳觸發(fā)光能值。

3.3電極間隙對開關(guān)超快特性的影響

選用電極間隙分別為0.5 mm、1.5 mm、2.2 mm、2.5 mm的光電導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可得到開關(guān)具有不同電極間隙時，對輸出電脈沖的上升時間及峰值電壓的影響關(guān)系。圖6為光電導(dǎo)開關(guān)輸出電脈沖上升時間隨開關(guān)電極間隙變化的曲線，圖7為光電導(dǎo)開關(guān)輸出電壓隨開關(guān)電極間隙變化的曲線。

圖6　電極間隙與電脈沖上升時間曲線

圖7　電極間隙對輸出電壓的影響曲線

可見，在外界光電條件不變的情況下，開關(guān)電極間隙越小，輸出電脈沖上升時間越短，輸出功率將會越大。這是因?yàn)樵谙嗤秒妷簵l件下，電極間隙增大將會導(dǎo)致開關(guān)中的偏置電場減小。在低場條件下，遷移速度和偏置電場為線性關(guān)系，可使光電導(dǎo)減小，因此輸出電脈沖幅值減小；在高場條件下，為了提高開關(guān)的上升時間和輸出功率，就必須使開關(guān)工作在飽和狀態(tài)下，觸發(fā)光脈沖的寬度要求盡量窄。

4　結(jié)語

對于橫向型半絕緣GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的光電性能和輸出特性等進(jìn)行了詳細(xì)研究。認(rèn)為導(dǎo)致輸出電脈沖振蕩效應(yīng)的主要原因是光電導(dǎo)振蕩現(xiàn)象；當(dāng)外界光電條件一定，開關(guān)電極間隙越小，輸出電脈沖上升時間越短，輸出功率越大。為了提高開關(guān)的上升時間和輸出功率，必須使光電導(dǎo)開關(guān)工作在飽和狀態(tài)，而且觸發(fā)光脈沖的寬度應(yīng)該盡量窄。為在觸發(fā)光能量一定的條件下設(shè)計光電導(dǎo)開關(guān)，獲得最大的輸出功率具有重要的實(shí)際意義。

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【責(zé)任編輯牛懷崗】

Research on Output Performance of Semi-insulating GaAs Photoconductive Switch

XUE Hong

(School of Mathematics and Physics,Weinan Normal University,Weinan 714099,China)

Based on the experimental and theoretical analysis,the photoelectric properties and output performance of semi-insulating GaAs(SI-GaAs) photoconductive switch are detailedly studied. Under different DC bias voltage conditions,the photoconductive switch will output two kinds electric pulse of different modes and there is oscillation effect; under certain conditions of photoelectric condition,the output electric pulse rise time is short and the output power is bigger when the electrode gap of photoconductive switch is more; the photoconductive switch must be in the saturation state in order to improve the rise time and the output power of the photoconductive switch.

photoconductive switch; electric pulse; oscillation effect; power

TN36

A

1009-5128(2016)12-0031-05

2016-04-08

陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目：強(qiáng)場作用GaAs載流子輸運(yùn)機(jī)理及THz輻射技術(shù)研究(2013JM8013);陜西省軍民融合研究規(guī)劃項(xiàng)目：高功率THz光電導(dǎo)偶極天線的設(shè)計(16JMR06);渭南師范學(xué)院科研基金項(xiàng)目：面向渭南環(huán)境安全監(jiān)測的強(qiáng)THz源機(jī)理研究(15YKS007);渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目：光電檢測技術(shù)與秦東工業(yè)(14TSXK06)

薛紅(1966—),女,陜西渭南人,渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院教授，理學(xué)博士，主要從事光電器件機(jī)理研究。