半絕緣GaAs半導體開關的傳輸特性研究

薛　紅

(渭南師范學院 數理學院,陜西 渭南 714099)

?

【現代應用技術研究】

半絕緣GaAs半導體開關的傳輸特性研究

薛紅

(渭南師范學院 數理學院,陜西 渭南 714099)

通過實驗及理論分析，對半絕緣GaAs(SI-GaAs)光電導開關的光電性能和傳輸特性進行了研究。在不同的偏置電壓條件下，開關將輸出兩種不同模式的電脈沖并存在振蕩效應，認為：導致輸出電脈沖振蕩效應的主要原因是光電導振蕩現象；當外界光電條件一定，開關電極間隙越小，輸出電脈沖上升時間越短，輸出功率越大。為了提高開關的上升時間和輸出功率，必須使光電導開關工作在飽和狀態。

光電導開關；電脈沖；振蕩效應；功率

半導體光電導體開關(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體材料相結合而發展起來的一種新型固態半導體開關器件，是通過超快脈沖光注入方式產生載流子，而對材料的電阻率控制來實現器件功能的。其工作原理是利用半導體的本征耐壓特性或pn結反向耐壓特性，使半導體開關能夠承受高電壓，然后以光注入或電注入的觸發方式，在極短的時間內產生大量的非平衡載流子，致使開關得以導通。這種光電導開關具有可靠性高、使用壽命長、工作頻率高等優點，具有傳統高功率脈沖器件不具備的優良性能，廣泛地應用于高功率微波、超快電子學等領域，在產生高功率脈沖領域有很大發展潛力[1]。迄今為止，GaAs仍是制作光導開關的主流材料，已有許多用532 nm、780 nm、876 nm、900 nm、1 064 nm和1 530 nm激光脈沖觸發半絕緣GaAs光電導開關的研究報道[2-11]。本文主要采用Nd:YAG激光器作為觸發光源，通過實驗及理論分析，對GaAs光導開關的光電性能和輸出特性等進行了詳細研究。

1　實驗原理及裝置

實驗采用橫向型結構的光電導開關，實驗原理如圖1所示，將其接入與之匹配的平面傳輸線上，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復銅板制作，由于Al2O3具有高導熱性能，使得開關具有很好的散熱性能。開關的芯片材料選用半絕緣GaAs，暗態電阻率為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，載流子的復合壽命小于1ns，開關晶片尺寸為0.6 mm×20 mm×10 mm，電極尺寸為6 mm×4 mm，光電導開關電極為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；實驗中選用的觸發光源是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，重復頻率為82 MHz；實驗用直流高電壓源輸出電壓為0～10 kV，實驗測試用示波器為8600 A wave master系列，帶寬為6 GHz，測試電路如圖2所示。

圖1　實驗原理圖

圖2　PCSS測試電路圖

2　輸出電脈沖的振蕩效應

2.1實驗觀察

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

2.2振蕩效應分析

一般而言，光電導開關有兩種工作狀態，即線性狀態和非線性狀態。由半導體的光電子學理論可知，以上兩種工作機制的本質均是觸發光子與電子相互作用從而產生非平衡載流子，在偏置電場和光場作用下，開關材料內主要會發生光吸收與載流子激發、非平衡載流子弛豫與遷移以及載流子的復合等過程，非平衡載流子會在產生、弛豫以及復合過程中相互競爭，在輸運過程中遷移率會發生變化，從而會導致光電導發生變化的光電導現象，呈現出線性與非線性狀態的電脈沖輸出。通常，光電導現象存在于光激發非平衡載流子的壽命時間內[12]。

2.2.1非平衡熱載流子的輸運與復合

在實驗中我們選用的觸發激光脈沖波長為532 nm，當照射到GaAs開關芯片時，將瞬態地在開關芯片材料中產生大量的非平衡載流子(電子—空穴對)。這種波長為532 nm的光子能量遠大于GaAs材料的禁帶寬度(即hv>>Eg)，由于光激發而產生的非平衡載流子(電子和空穴)均處于較高激發狀態，從而會遠離能帶底，也稱之為熱激發態或熱載流子，而處于高激發狀態的非平衡載流子會再經過無輻射躍遷復合或者輻射躍遷復合的過程回到基態。通常，GaAs材料中空穴的有效質量很大，約是電子質量的6～8倍，空穴對于光電信號的影響通常可以忽略，因此在產生與輸運過程中主要考慮熱載流子的影響。當波長為532 nm的激光觸發GaAs開關時，熱載流子處于高激發狀態而遠離導帶底部，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烈，于是熱載流子首先選擇上述過程弛豫到達導帶底附近，最后再經過輻射躍遷或無輻射躍遷的過程復合至基態。對于極性半導體GaAs而言，熱載流子—LO聲子弛豫過程為在經歷了幾個連續的縱光學聲子(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，之后再經過熱電子與聲學聲子的相互作用使電子弛豫到導帶底的穩定平衡狀態。因此，熱載流子—聲子之間的弛豫過程主要是熱載流子在導帶底附近且能量小于一個光學聲子能量范圍內的相互作用過程。

2.2.2帶內非平衡熱載流子光電導

當照射到GaAs開關芯片的觸發激光脈沖波長為532 nm時，開關中將瞬態地產生大量的非平衡熱載流子，若觸發開始時非平衡熱載流子能量為E0=hv-Eg，在連續經歷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。可見，無論觸發瞬態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出現以?ω0為周期的變化，呈現出振蕩現象，進而導致光電導出現振蕩。在特征弛豫時間之間及與載流子壽命之間的關系不同時，所觀察到的光電導振蕩現象不同。

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

(2)當非平衡熱載流子的觸發能量大于俘獲能量而恰好等于光學聲子能量的整數倍時，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，可導致由俘獲機制引起壽命調制的光電導振蕩現象。

(3)動量損失也將引起光電導振蕩現象。在非平衡熱載流子能量小于光學聲子能量?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過連續的LO聲子散射會弛豫到導帶底附近，造成在電場方向上動量損失，從而引起電流減小產生光電導振蕩現象。

因此，在非平衡熱載流子弛豫與復合的競爭過程中，引起了載流子遷移率的振蕩，進而導致了光電導的振蕩現象。另外，動量損失、帶間激發和激子激發過程也是導致光電導振蕩現象的一個原因。

3　實驗參數對開關輸出特性的影響

一般而言，要提高光電導開關的輸出性能，擬采用的方法就是減小開關輸出的上升時間和提高開關的耐壓性能。在一定的觸發光能和絕緣封裝條件下，若要提高開關的耐壓性能，就需要采用電極間隙較大的光電導開關；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，使得大功率光電導開關在實際應用中會經常受到觸發光源限制，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光脈沖的脈寬有關，在能量不飽和的情況下，還和激勵光能量和縫隙長度有關，因而應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，但大間隙開關在相同觸發條件下導通效率又低。解決的方法是通過實驗和理論分析，找出滿足要求的最佳結合點，對開關進行優化設計。因此，如何在觸發光功率一定的條件下設計開關，獲得最大輸出功率的光電導開關具有實際意義。理論與實驗顯示，光電導開關電極間隙的增大將有利于提高開關的耐壓能力，但距離過大又將影響開關的通態電阻和開關的超快特性。開關導通狀態負載上的功率P為：

(1)

其中：L為開關間隙，ξ為開關能承受的最大電場強度，ω為光脈沖的重復頻率，R為負載電阻，Ron為開關的通態電阻。

(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電極間隙對開關輸出功率的影響

由上述(1)(2)兩式可得到在特定的觸發光能條件下，開關導通狀態負載上輸出功率與電極間隙的變化關系曲線。曲線上有極值，表明：一旦觸發光能量被選定，就可以找出最佳的電極間隙條件，以保證開關負載輸出最大的功率。實驗選用光能量為1 μJ、波長為800 nm的觸發光源，負載電阻為50 Ω，得到光電導開關輸出功率Wf隨電極間隙的變化關系，如圖4所示。可見，當電極間隙的大小在0.8～1 mm范圍內時，光電導開關輸出功率最大。理論計算結果與實驗結果一致。

圖4　光電導開關電極間隙與輸出功率關系曲線

圖5　光電導開關輸出功率隨觸發光能變化曲線

3.2觸發光功率對開關輸出功率的影響

選用電極間隙分別為3 mm和4 mm的光電導開關，得到輸出功率隨著觸發光能量變化的擬合結果，如圖5所示。由圖5可知，對于某一特定電極間隙的開關，輸出功率隨著觸發光能量的增加而增大，逐漸將趨于飽和；當輸出功率達到飽和條件以后，即使觸發光能量繼續增大，開關負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光能值。

3.3電極間隙對開關超快特性的影響

選用電極間隙分別為0.5 mm、1.5 mm、2.2 mm、2.5 mm的光電導開關進行實驗，可得到開關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系。圖6為光電導開關輸出電脈沖上升時間隨開關電極間隙變化的曲線，圖7為光電導開關輸出電壓隨開關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。這是因為在相同偏置電壓條件下，電極間隙增大將會導致開關中的偏置電場減小。在低場條件下，遷移速度和偏置電場為線性關系，可使光電導減小，因此輸出電脈沖幅值減小；在高場條件下，為了提高開關的上升時間和輸出功率，就必須使開關工作在飽和狀態下，觸發光脈沖的寬度要求盡量窄。

4　結語

對于橫向型半絕緣GaAs光電導開關的光電性能和輸出特性等進行了詳細研究。認為導致輸出電脈沖振蕩效應的主要原因是光電導振蕩現象；當外界光電條件一定，開關電極間隙越小，輸出電脈沖上升時間越短，輸出功率越大。為了提高開關的上升時間和輸出功率，必須使光電導開關工作在飽和狀態，而且觸發光脈沖的寬度應該盡量窄。為在觸發光能量一定的條件下設計光電導開關，獲得最大的輸出功率具有重要的實際意義。

[1] Kelkar K S,Islam N E,Fessler C M,et al. Design and characterization of silicon carbide photoconductive switches for high field application[J].Appl. Phys,2006,100:124905.

[2] D. H. Auston. Picosecond optoelectronic switching and gating in silicon[J].Appl. Phys. Lett,1975,54(26):1011.

[3] Dogan S,Teke A,Huang D,et al. 4H-SiC photoconductive switching devices for use in high-power applications[J].Appl. Phys. Lett,2008,82(18):3107-3109.

[4] Treu M,Rupp R,Blaschitz P,et al. Commercial SiC device processing:Status and requirements with respect to SiC based power devices[J].Superlattices and Microstructures,2006,40(6):380-387.

[5] 施衛,薛紅,馬湘蓉.半絕緣GaAs 光電導開關體內熱電子的光電導振蕩特性[J].物理學報,2009,58(12):8554-8558.

[6] SHI Wei,XUE Hong,LI Ning. Fiber-Optically Triggered Four Parallel GaAs Photoconductive Semiconductor Switches[J].Plasma Science and Techno-logy,2012,13(6):1-4.

[7] 張顯斌,施衛．用紅外激光脈沖觸發半絕緣GaAs光電導開關的實驗研究[J].強激光與粒子束,2002,14(6):815-818．

[8] 薛紅,施衛,紀衛莉,等. GaAs 光電導開關非線性鎖定效應的機理研究[J].西安理工大學學報,2011,27(4):407-410.

[9] 王馨梅,紀衛莉,施衛,等.超快光電導開關的傳輸特性分析及優化方案[J].西安理工大學學報,2013,29(1):8-12.

[10] 薛紅.激光作用GaAs非平衡載流子瞬態特性研究[J].渭南師范學院學報，2012,27(10)：32-36.

[11] 薛紅,席彩萍,白秀英.強電場作用非平衡載流子輸運的瞬態特性研究[J].半導體光電,2015,36(6):942-945.

[12] 葉良修.半導體物理學：下冊[M].第2版.北京:高等教育出版社,2007.212-220.

【責任編輯牛懷崗】

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

陜西省自然科學基金項目：強場作用GaAs載流子輸運機理及THz輻射技術研究(2013JM8013);陜西省軍民融合研究規劃項目：高功率THz光電導偶極天線的設計(16JMR06);渭南師范學院科研基金項目：面向渭南環境安全監測的強THz源機理研究(15YKS007);渭南師范學院特色學科建設項目：光電檢測技術與秦東工業(14TSXK06)

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