GaAs材料的光電特性及應用研究

高劍森，毛仕春

（宿遷學院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

GaAs作為繼單晶硅后應廣泛應用的第二代新型化合物半導體材料，屬在III～V族化合物半導體，閃鋅礦型晶格結構，其晶格常數為5.65×10-10m，熔點為1238℃，禁帶寬度為在愛1.42V，與Ge、Si等元素半導體相比，GaAs具有禁帶寬度大、介電常數小、電子有效質量小、特殊能帶結構等特點。根據在GaAs咋材料特性，可分為導電性材料和半絕緣性材料，導電型GaAs材料主要用于LED生產領域；半絕緣GaAs材料主要應用于微電子和光電子領域。在微電子領域可作為射頻（RF）功率器件、微波大功率器件、低噪聲器件、微波毫米波單片集成電路和超高速數字集成電路等，主要應用領域為移動通信、光纖通信、衛星通信、雷達、超高速計算機等領域；在光電子領域，借助GaAs材料的躍遷能帶結構的高電光轉換效率特性，可用于生產激光器、二極管、光探測器等各類光電器件[1]。

GaAs光電導開關（PCSS’s）是基于GaAs材料與高速脈沖激光器結合的具有ps甚至fs量級響應速度的新型超高速光電導開關器件，其結構由開關芯片材料、開關電極和傳輸線構成，開關芯片影響光電導開關性能的關鍵部件，其光電特性受多方面因素影響。本文以半絕緣GaAs材料制作GaAs光電導開關，以此研究在GaAs材料光電特性[2]。

1 理論研究

GaAs材料受激子效應和電荷疇效作用影響顯著，研究其作用機理有利于深入研究GaAs材料光電特性。

1.1 激子效應

使用激光觸發GaAs光電導開關芯片材料時，光電導材料瞬間形成的載流子密度可達到1020cm-3，在該過程中，光電導開關芯片內存在多種激子效應，包括電子—激子、激子—激子、雜質—激子等各類散射和輻射的復合效應，在各類復合效應下，激光觸發光電導材料產生輻射復合發光。在激光觸發過程中，激子為中性電子，激子效應不能形成電流，但激子作為能量載體，可在遷移過程中傳遞能量，激子復合時釋放能量。激光激發光電導開關芯片材料所需的光能為：

式中，Eg為GaAs禁帶寬度，En為激子能級，me為電子質量，mp為空穴質量，h為普朗克常數，K為激子波矢。

激子能級可表示為：

式中，μ為電子與空穴折合質量，q為電子電量，n為能級數。

由式2可知，在激子存在若干能級，且能級幾乎是連續的，當能級數為無限大時，激子能級為0，表示導帶處于低能級，電子與空穴完全脫離，此時，電子進入導帶內，空穴則處于價帶。通過分析激子效應分析，可計算激子離解光電導芯片材料電子和空穴束縛的最低能量要求為1.425eV，激光長波限869.8。

當激子密度達到最低要求后，由于激子間距與激子直徑接近，激子束縛作用減弱，自由激子數量增加，激子在自由移動中攜帶能量，并與電子空穴復合發光，束縛激子在復合發光過程中因聲子參與而產生能量損失，即使在雜質含量很低的情況下，聲子對輻射復合作用的影響仍較為顯著，且束縛激子較自由激子有更強的光發射[3]。

當自由激子濃度增加至一定程度時，電子與空穴庫侖作用受載流子屏蔽作用影響，導致激子離化能，離子更易離解，激子效應消失。受該作用影響，激光觸發光電導材料時，由于疇體內激子效應受到抑制，激子效應只發生在疇體附近。根據該原理，激子的激發與電荷轉移在GaAs光電導過程發揮著重要作用。

1.2 光激發電荷疇與激子效應的相互作用

在GaAs光電導開關中，由于GaAs材料直接帶隙復合形成的光子波長為875±10mm，電子空穴復合幾率增大，并在復合時向周圍發射光子，當復合發射的光子強度達到一定的強度時，單個入射光子即能夠激發多倍電子與空穴參與導電，激子吸收光激發后，經電子空穴復合后離解，從而完成激子能量吸收、釋放的過程。在該過程中，激子克服了電子空穴的庫倫束縛力，電子實現了由空穴到導帶的躍遷，激子離解形成的電子自疇體周圍進入疇體內，提高了疇體內電子載流子密度。

當光電導芯片材料溫度變化時，載流子復合系數相應變化，開關溫度與載流子復合系數呈現負相關關系，并受多種因素影響，主要包括芯片材料溫度、電流、載流子濃度等，當芯片材料溫度達到臨界溫度時，即使受到激光觸發，但激子效應猝滅，無法產生光電作用。在高載流子濃度、高電場的復合作用下，激光觸發芯片材料時，將出現激子飽和吸收效應。因此，當激光激發芯片材料時，且與載流子數量、激子壽命均達到飽和狀態時，光電導芯片開關材料激子效應進入穩定狀態。

2 基于激子效應的GaAs材料光電導特性分析

2.1 光電特性分析

基于激子效應原理，載流子數量變化是光電導現象產生的主要原因[4]。在光電導過程中，隨載流子遷移而產生光電導效應，其光學性質取決于電子—空穴，激子和激子—空穴的相互作用。由于激子是相互束縛的電子—空穴對，可在體內運動，對光電導電導率無顯著影響，但可通過在熱激發、激子與激子非彈性碰撞和電場分離等方式，使激子離解，形成自由電子和空穴，為在激子激發光電導提供必要條件。同時，由于GaAs導帶部分能量極大值處于最小值的斜上方，且電子在兩個位置時有效質量存在差異，電子可通過與聲子的相互作用躍遷達到上能谷，但該位置不穩定，可在聲子的相互作用下轉移至下能谷，并使電流增加。在光電導過程中，電子與聲子的相互作用弛豫時間為10-12～10-14，熱載流子馳豫最低帶邊緣時，其能量小于（為光聲子頻率），此時，熱載流子已不能與光學聲子交換能量。在特定情況下，當熱平衡能級與熱激發能級咋載流子數比例，與復合時間與弛豫時間比例相同。

當復合時間顯著大于馳豫時間時，可忽略熱電子效應，即過剩載流子處于能帶邊附近的冷激發狀態，過剩載流子濃度與在熱平衡能級上的載流子相等，該過程為激子輻射復合過程，能夠為激子激發光電導提供必要條件。由于光電導芯片材料內部存在電子、激子和雜質的輻射復合作用，且受到疇體抑制作用的影響，與疇體外自由載流子復合幾率相比，疇體外激子復合幾率較高，且受電子、激子、雜質的電離作用影響，導致咋疇體內激子離解加速，形成對光電導的貢獻。

2.2 GaAs材料光電導特性影響因素

在室溫條件下，光電導芯片材料受到激發后，激子受施加的強偏置作用影響，激子受熱轉換為自由電子，其光電導特性與自由電子呈強正相關關系。在弱激光激發作用下，光電導芯片材料與施加的偏置電壓呈正相關關系，如偏置電壓較高，則激子數量增加較多。施加外電場的情況下，光電導材料內自由電子做定向運動，并與激子復合產生散射效應，攜帶的電荷沿光電導材料晶格逐級跳躍，最終離解為自由載流子。GaAs開關芯片體內束縛激子離解后產生電子與空穴，并在離解過程中釋放光子和聲子，光子各向發射。由于空間電荷導致電場畸變，新產生的光電子不在原疇體路徑上，可能受疇中部空穴在的吸引，自疇中部注入，部分光電子向陽極漂移，疇頭部載流子能帶增加（如圖1所示）。電子注入疇時，疇內電荷密度不斷變化，進而引起電流變化，從而使GaAs光電導呈現出一定的振蕩特性。此外，激子輻射復合與馳豫是相互競爭、交互的過程。受兩種作用交互影響，GaAs光電導振蕩受激子、馳豫影響顯著，當激子復合作用增強時，GaAs光電導馳豫時間縮短。

圖1 光激發與電荷疇相互作用示意圖

3 材料應用

GaAs材料在具體應用中，由于其光電轉換效率高，禁帶寬度較Si寬，具有良好的光譜響應特性，在光電子、微電子、通信和太陽能電池等方面應用廣泛。

圖2 光子、聲子對激子能帶的影響示意圖

在光電子方面，可以GaAs材料制作小型化的激光器、小型雷達，符合戰地條件應用需求。在微電子方面，可作為光電子器件使用，如可見光激光器、近紅外激光器、發光二極管等，以半絕緣GaAs材料為基材，可直接離子注入GaAs高速數字電路、微波單片電路和光電集成電路等，由于GaAs材料特殊的光電導特性，以GaAs材料制作的微電子產品具有頻率高、速度快、功耗低等特點，在國防和民用領域應用廣泛。

在通信領域，GaAs材料由于具有良好的光譜響應特性、飽和電子速率和電子遷移率，可在250GHz場景下工作，且具有噪聲少、擊穿電壓特性，適宜在移動電話、衛星通信、微波點對點連接等方面發揮特出作用。

4 結語

根據本研究，GaAs材料作為Ⅲ-Ⅴ族半導體材料，受激子效應的影響，在光激發電荷疇作用下，激子形成、傳輸與離解形成自由電子和空穴，當光激發電荷疇生存條件受到破壞時，激子效應消失。在該過程中，GaAs材料光電導呈現出一定的振蕩特性，該特性在光電子、微電子和通信等領域具有廣泛的應用前景。