砷化鎵光電導開關混合工作模式

馬湘蓉， 施 衛， 向 梅

(1．西安理工大學應用物理系，陜西西安710048;2．新疆師范大學物理與電子工程學院，新疆烏魯木齊830054)

0 引言

光電半導體開關(Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS)與傳統的開關相比，具有ps響應、觸發無晃動、高耐壓、寄生電感電容小等特點。利用超快脈沖激光器與光電半導體(如GaAs，InP，SiC等)相結合形成的超快光電半導體功率開關器件［1-2］具有GHz的重復率、光電隔離、結構靈活等特點，使之在超高速電子學、脈沖功率技術、THz技術等領域具有廣闊的應用前景［3，4］。近年來，隨著雷達、通信、激光核聚變等技術領域的迅速發展，對高壓大功率發生系統及其開關技術提出了更高的要求。于是，提高光電導開關的耐壓性能及通流能力成為人們追求的重要技術指標。GaAs光電導開關在強電場作用下由于長達幾到幾十μs的鎖定而無法快速恢復，開關會一直維持導通狀態，電流高度集中成絲，使用壽命大大縮短，抑制了光電導開關高功率、高重復頻率的應用，使得開關的實際應用受到很大限制［5-6］。西安理工大學研制了一種新型光電導開關結構，雙層(串聯)組合SI GaAs光電導開關［7］。這種組合開關既具有非線性模式特有的所需光能小、上升速度快等優點，又具有線性模式特有的重復頻率高、使用壽命長等特點，同時工作效率也大大提高。本文對串聯組合SI GaAs光電導開關不同于普通單個光電導開關獨特的實驗現象，從光激發電荷疇、猝滅疇和限累模式的工作模式特征出發，對組合開關工作于混合工作模式的實驗現象和傳輸特性做了進一步研究和分析。

1 實驗測試與結果

串聯組合SI GaAs光電導開關電路設計如圖1所示。兩個串聯的SI GaAs晶體材料相同，均為非故意摻雜半絕緣GaAs:EL2材料。兩個晶體大小均為3 mm×3 mm×3 mm，因此該開關有效電極間隙為6 mm。串聯GaAs光電導開關經60 dB同軸衰減器(帶寬0～18 GHz)與示波器(作為50Ω負載)串聯，其傳輸線特性阻抗匹配。0．12μF的陶瓷電容器經高壓直流偏置電源充電，提供電脈沖輸出能量。觸發光波長1 064 nm，脈寬8 ns，單次光脈沖能量3 mJ，在時間和空間上均為高斯分布［7］。調節光斑位置，使約1/3光斑(≥1 mJ)覆蓋在1個GaAs晶體上，約2/3光斑(≤2 mJ)覆蓋在另一個GaAs晶體上。圖2記錄了不同偏置電壓時的輸出電脈沖波形，這些波形顯然不具有非線性模式的鎖定效應，該雙峰脈沖的波形近似為一個方波。實驗條件相同，在同樣激光脈沖觸發條件下，普通單個開關在外加偏置電壓2 kV時輸出典型的非線性鎖定波形，如圖3所示。

圖1 串聯組合SI GaAs光電導開關電路測試圖

圖2 不同偏壓下組合開關的輸出波形

圖3 偏置電壓2 kV時普通開關的輸出波形

2 工作模式機理分析

Gunn效應器件中，當載流子濃度與開關間隙的乘積n0l以及載流子濃度與振蕩頻率之比n0/f滿足不同的數值時，器件將處于不同的工作模式，如限累模式、疇延遲模式、疇猝滅模式以及疇渡越模式等［8］，如圖4所示。GaAs光電導開關在不同的偏置電壓及激光觸發條件下，存在線性和非線性工作模式［9］，它們在通常情況下是相互不關聯的。實際應用中，SI GaAs光電導開關常常處于各種錯綜復雜的工作環境中，開關呈現出許多奇特的傳輸特性［10］。

圖4 Gunn效應器件模式圖［8］

2．1 光激發電荷疇模式

施衛等提出［11］，當半絕緣 GaAs、InP等光電半導體開關在一定的光電閾值條件下，芯片內發生轉移電子效應有“光激發電荷疇”生成，疇內電子初始濃度由激光照射條件決定，GaAs光電導開關材料每吸收一個光子將有103～105電子-空穴對產生，并指出這種疇的生長可引發雪崩碰撞電離致使開關進入非線性工作模式。光激發電荷疇模型理論基礎是［12-14］:開關芯片材料GaAs是直接帶隙半導體且具有多能谷結構;在一定的光電閾值條件下，光注入產生電子-空穴對，由轉移電子效應產生光激發電荷疇;電場達到GaAs材料雪崩擊穿所需的電場強度時，發生強烈的碰撞電離致使載流子雪崩倍增;碰撞電離決定的輻射復合發射光子成為觸發光脈沖過后的新光源并被材料自身再吸收;疇發光并被再吸收決定了開關電流上升時間的超快過程;雪崩發光疇決定了維持階段鎖定(lock-on)電場的存在;當外電路控制使疇生存條件遭到破壞時開關恢復。光激發電荷疇模型較好地解釋了光電導開關許多非線性特性，如超快上升、延遲時間、lock-on電場、絲狀電流等特性，并指出疇是以108cm/s的速度量級穿越開關間隙，超過了載流子的飽和漂移速度。

在足夠高的n0l和n0/f值時，滿足n0l≥1013cm－2和n0/f≥2×104s/cm3條件下，光激發電荷疇形成和消失一般都在渡越時間內，疇在陰極形成，疇生長的時間范圍是由介電弛豫時間τR=ε/enμ'(ε是材料的電容率;μ'是SI GaAs的遷移率;e是電子的電量;n是載流子密度，近似等于n0)決定的，GaAs中τR≈103/n0(n0=1014/cm3)。疇電壓能很快地掃過疇電流-電壓特性的負阻部分，微分遷移率μ'(或電阻率)是負的，則由電荷自發地增長而遠離平衡情況，從而導致疇的形成，這樣介電弛豫時間就在疇生長的時間范圍內。光激發電荷疇的重復再現可迅速在開關兩電極之間形成具有光控預擊穿性質的電子-空穴等離子體通道，開關導通。輻射復合發光和再吸收替代了注入光脈沖消失后的可以移動的觸發光源，這對應于開關工作在高倍增模式(或鎖定效應)［11］。

2．2 猝滅疇模式

在SI GaAs光電導開關光激發電荷疇的猝滅模式示意圖5中(a)表示外電路自激振蕩引起的交流電場，(b)表示一個周期的速-場特性變化軌跡。在光激發電荷疇向陽極渡越過程中，開關的直流電場由于受到電路自激振蕩的影響產生周期性的調制，開關電場E在某一時刻t1高于耿氏閾值電場ET，這樣光激發電荷疇就開始產生并生長，并在極短的時間內(約為ps量級)就成長為穩態疇，疇在到達陽極之前的某一時刻t2時;電場E下降到低于光激發電荷疇的維持電場Es時，疇的生存條件遭到破壞，因此，疇在還沒有到達陽極時就已經消散了，這就是光激發電荷疇猝滅模式的工作過程［15］。t3時刻，電場E再次上升到高于ET時，又有新的光激發電荷疇開始形成，開關輸出的電流波形呈現出周期性的振蕩特性。光激發電荷疇猝滅疇模式要求疇的渡越時間不能小于諧振電路交流電場周期的1/2，這樣才能使得疇在到達陽極之前就被猝滅。圖5中，開關的振蕩周期與光激發電荷疇的渡越時間滿足τ＞T的關系，在光激發電荷疇猝滅模式下，偏置電場E不足以引發SI GaAs光電導開關芯片體內的雪崩倍增效應，所以開關的輸出電脈沖波形并未呈現出非線性模式的典型lock-on現象，開關輸出為線性的周期性減幅振蕩的波形如圖6所示［15］。

圖5 猝滅疇模式示意圖［15］

圖6 開關工作在猝滅疇模式時輸出的電脈沖波形

2．3 限制空間電荷積累(限累)模式

在光電導開關芯片GaAs材料內存在負微分遷移率時，開關中就會出現電場的不均勻，電子的任何微小不均勻性都會隨時間迅速增長，GaAs光電導開關中這種電子的不穩定性就導致電子積累。限累模式的工作原理如圖7所示，其基本思想是當器件加上超過閾值的偏置電壓后，如能設法不使空間電荷積累起來，或者在它形成高場疇以前就把它消散了，而使整個器件內部都有高于閾值的均勻電場，因而整個器件都是負阻區，這樣就可以充分利用體效應器件的微分負阻特性而使效率提高［17］。在SI GaAs光電導開關中，當電子密度與頻率之比在5×104s/cm3≤n0/f≤3×105s/cm3時［18-19］，則器件在1個周期內停留在負阻區的時間T－T1內，小到不足以形成一個成熟的疇，而器件停留在正阻區的T1時間內，又足以使負阻區中積累起來的空間電荷通過一段短距離得以消散，頻率越高，這段距離越短，因而器件的絕大部分空間中的電場保持均勻，而隨偏置電壓同步地改變，器件中的電場在1個周期的絕大部分時間內超過閾值，因而器件最大限度地利用了它的負阻特性，只在一部分時間內，總電場低于閾值而工作于正阻區從而得到較高的效率。根據分析可以得到建立限累模式必須滿足的兩個條件:①使TT1這段時間內必然要發生的空間電荷積累受到限制，使它們不能達到形成疇的程度;②在T1這段比較短的時間內要將T－T1這段比較長的時間內積累起來的空間電荷全部消散掉。這樣就能使器件大部分時間工作于負阻區，而不致形成疇，從而能充分利用其負阻特性。滿足這一條件是比較復雜的，因為只有SI GaAs光電導開關工作在負阻區時，載流子才能把從直流電場獲得的能量轉化為載流子運動所需的能量;當工作于正阻區時，則要消耗能量，所以開關實際工作在限累模式時，1個周期的絕大部分時間是在正阻區的，只有很小一部分時間工作在負阻區。載流子濃度與振蕩頻率之比n0/f≤3×105s/cm3，正是反映了工作于負阻區的時間比形成疇所需要的時間短這一條件，因而累積得以抑制;而n0/f≥5×104s/cm3，則反映了工作于正阻區的時間比介電弛豫時間長這一條件，因而保證了這些累積的電子可以全部消散。因為，如果不能全部消散，即使只剩下很小的一部分，那么經過若干周期以后，就會有很多的電子累積起來，最后還是導致疇的形成，失去限累的作用。由于限累模式幾乎不需要疇的漂移運動，當GaAs光電導開關電極間隙足夠長時，它的振蕩頻率基本上與開關間隙無關，限累模式可以工作在很高的頻率上。光激發電荷疇可以由陰極接觸或者摻雜起伏引起，只有在整個周期內疇電壓保持得很小限累模式才可以存在，較大的起始疇電壓值將不允許限累模式存在。因此，積累層猝滅和疇衰減到起始疇電壓值的條件決定了開關進入限累模式的條件。

圖7 限累模式工作原理［16］

2．4 混合模式

混合模式是一類介于疇模式和限累模式之間的中間狀態模式［20-21］，在這種模式中，由諧振電路確定的振蕩周期T0可以和疇的生長時間TD相比擬。此模式有較之于限累模式更明顯的電荷積累層形成，器件內電場存在較之限累模式明顯的畸變。但在射頻周期的大部分時間內，雖偏置電壓大于閾值卻不能生長為成熟的疇，維持器件兩端的振蕩是依靠負微分遷移率的作用。這種模式的優點是允許在比渡越頻率更高的頻率下工作，且較之限累模式可以工作在更大的n0/f范圍，工作效率也相當高。在混合模式中疇可以形成，只不過在器件中移動一個短的距離之后就消失了，混合模式解釋了一個十分重要的特點，即器件如何串聯工作。首先，考慮串聯的每個器件疇成核的時間稍有不同，在閾值上，電流由低頻閾值電流和位移電流聯合組成。當n0/f比高達106時，流入器件的位移電流占有重要部分。因此可以借助于位移電流調節不同開關的閾值電流的微小變化，這樣就可以使得串聯的全部器件中的電場都被掃進閾值之上的負微分遷移率區，然后在每個器件中都能形成疇。

由于在形成疇時形成得不成熟，疇外電場并不像猝滅疇模式中降得那么低，而是器件大部分區域在一個振蕩周期中的大部分時間都高于閾值。從這方面講，盡管不是完全的限累模式，但是部分的有限累模式的特性。又由于此時有疇存在，當電場下降時在疇行進過程中疇將被猝滅，從這方面看又有猝滅疇模式的特性，即它在振蕩過程中具有兩種模式混合的特性。對于混合模式來說，在器件端電壓高于閾值時，由于疇的存在，電流低于限累模式，因此混合模式的效率低于限累模式，但比猝滅疇模式器件的效率要高。由于混合模式中有疇存在，控制空間電荷對材料摻雜均勻性的要求比限累模式要低，所以實現該模式振蕩相對比較容易。混合模式相對于峰值電流延遲了疇的形成，進而該延遲改善了電流和電壓的相對相位，電流和電壓相位關系的改善能夠提高輸出功率。該特點使得混合模式能夠給出比其它大多數模式都高的工作效率。

3 混合工作模式傳輸特性

圖8 組合SI GaAs光電導開關

圖9 混合工作模式電場特性

串聯組合SI GaAs光電導開關晶體結構如圖8所示，如果觸發時偏置電場強度大于非線性閾值，由于觸發光照射在2個GaAs芯片上的能量不同，會使兩晶體先后進入混合工作模式如圖9所示，即先后進入光激發電荷疇和限累模式。假設晶體1經歷一定的延遲后先進入光激發電荷疇模式，那么在極短的時間內晶體1率先發生載流子雪崩倍增過程，表現為混合模式的t3時刻，對應脈沖波形的第1個尖峰。載流子雪崩倍增會使晶體1的電阻率迅速下降遠小于晶體2，此時疇中所吸收的電壓已不足以維持載流子的高濃度，電阻率急劇恢復，進入混合模式的t4時刻，即限累模式。受2個晶體電阻率快速下降和恢復的影響，光激發電荷疇呈現出交替的充放電狀態，所以晶體1的疇處于放電的同時，晶體2中的疇隨著充電電壓不斷上升，經歷一定的延遲后，晶體2中疇吸收的電壓和能量足以達到載流子雪崩倍增，表現為脈沖波形的第2個尖峰。載流子的高增益使晶體2的電阻率開始下降，而此時晶體1的電阻率已經逐漸恢復，所以晶體2中疇開始對外放電，電壓已達不到維持雪崩倍增所必須的電場閾值，逐漸進入限累模式。這時晶體1經歷了一段時間充電過程，但由于晶體2中的限累模式還沒有完全完成，這時能量分配在了2個晶體中，都沒有達到能使其中1個晶體所吸收的電壓滿足雪崩的能量，這時2個晶體互相制約對方進入雪崩倍增過程，2個晶體中的光激發電荷疇都不能再維持，使其共同處于限累模式，對應于輸出電脈沖的下降階段。又由于兩晶體芯片內非平衡載流子經過幾十ns的輻射復合、擴散，電極和傳輸線吸收也會損失一部分能量，能量最終在電路中損失使得光激發電荷疇內濃度已達不到非線性閾值，都不能再進入雪崩倍增過程，在限累模式下兩芯片迅速恢復其半絕緣性。組合開關通過光激發電荷疇交替充放電，能互相抑制對方進入高增益狀態，避免了電流長期鎖定及絲狀電流效應。因此，在高于非線性觸發光電閾值的條件下，輸出電脈沖不同于典型的非線性鎖定波形，而是近似為方波形狀的雙峰波形，其脈寬是線性模式下輸出脈寬的2倍。

如圖2所示，不同偏壓下串聯GaAs光電導開關的電脈沖波形隨外加偏置電壓的升高，上升時間基本不變，脈寬和下降時間都略有減小，雙峰峰值均明顯增大。分析認為:在一定觸發光脈沖和偏置電壓條件下，輸出脈沖上升時間主要由光脈沖上升時間決定，在觸發光脈沖一定時受偏置電壓影響很小，因此隨著外界偏壓升高，對上升時間基本沒有影響。在一定閾值下，峰值電壓與疇內吸收的最大電壓有關，偏置電壓越高疇內電壓也越高，但疇內電壓一旦達到飽和就與外界電壓無關。所以兩個晶體在光激發電荷疇分別進入雪崩時，對應的兩個雙峰峰值均有所增大。當外界偏置電壓上升時，這樣兩晶體分配的電壓會加大，削弱了弛豫和延遲過程，加速了晶體2達到雪崩的時間，使得脈寬降低，限累模式所經歷的時間也越短，使得下降時間有所減少。

4 結語

對串聯組合SI GaAs超快光電導功率開關，當偏置電壓達到6 kV時，開關輸出為近似方波的雙峰脈沖的實驗現象進行了研究。從光激發電荷疇、猝滅疇和限累模式的工作模式原理出發，分析認為由于串聯組合開關和普通單個開關各處于不同的工作模式中，組合開關工作在光激發電荷疇模式和限累模式交互作用下，受此混合模式影響，兩晶體交替進入光激發電荷疇模式和限累模式，最終由于相互抑制作用組合開關并未進入鎖定狀態。而普通開關僅工作在光激發電荷疇模式作用下，在一定觸發閾值條件下開關進入非線性模式，呈現出很好的鎖定狀態。這種組合開關工作在光激發電荷疇模式向限累模式過渡的混合模式中，既具有光激發電荷疇模式特有的非線性所需光能小、上升速度快等優點，又具有限累模式特有的重復頻率高、使用壽命長等特點，同時工作效率也有所提高。

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