高倍增高壓超快GaAs光電導(dǎo)開關(guān)中的光激發(fā)疇現(xiàn)象

1、第20卷第1期半導(dǎo)體學(xué)報(bào)V o l . 20, N o . 11999年1月CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S Jan . , 1999高倍增高壓超快GaA s 光電導(dǎo)開關(guān)中的光激發(fā)疇現(xiàn)象3施衛(wèi)梁振憲(西安理工大學(xué)應(yīng)用物理系西安710048 (西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院西安710049摘要本文首次報(bào)道了在臨界觸發(fā)條件下觀察到的高倍增GaA s 光電導(dǎo)開關(guān)中的光激發(fā)疇現(xiàn)象. 分析了疇的產(chǎn)生與輻射發(fā)光在L ock -on 效應(yīng)中的作用. 指出正是光激發(fā)疇的性質(zhì)與行為決定了GaA s 光電導(dǎo)開關(guān)高倍增工作模式的典型現(xiàn)象和特性.PACC :7220H

2、; EEACC :42501引言隨著雷達(dá)、通信、激光核聚變等技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展, 對高壓大功率超快電磁脈沖發(fā)生系統(tǒng)及其開關(guān)技術(shù)提出了更高的要求. 半導(dǎo)體光電導(dǎo)開關(guān)(Pho toconductive Sem iconducto rInP 等 相結(jié)合形Sw itches , 簡稱PCSS s 就是利用超快脈沖激光器與光電導(dǎo)體(如GaA s 、成的一類新型器件. 與傳統(tǒng)開關(guān)相比, PCSS 觸發(fā)無晃動、寄生電感電容s 具有開關(guān)速度快、小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊等特點(diǎn), 尤其是耐高壓及其大功率容量使其在超高速電子學(xué)和大功率超快電磁脈沖的產(chǎn)生與整形技術(shù)領(lǐng)域如大功率亞納秒脈沖源和超寬帶(UW B 雷達(dá)及通信等領(lǐng)域具

3、有廣泛的應(yīng)用前景1. 特別地, 在強(qiáng)電場下由GaA s 、InP 等 2 族半導(dǎo)體制作的PCSS s 存在高倍增(也稱L ock 2on 效應(yīng)或非線性 工作模式, 所需觸發(fā)光能由線性工作模式下的m J 量級降至J 量級, 因而超快大功率PCSSs可以由激光二極管陣列(LDA 替代2龐大的YA G 激光器觸發(fā), 使得緊湊型大功率PCSS s 成為可能.高倍增工作模式的典型現(xiàn)象為3, 4:(1 L ock 2on 效應(yīng)的發(fā)生存在偏置電場閾值和觸發(fā)光能閾值; (2 觸發(fā)光脈沖作用與開關(guān)導(dǎo)通之間的時(shí)間延遲; (3 電流脈沖上升時(shí)間明顯小于載流子以飽和速率在開關(guān)電極間的渡越時(shí)間; (4 開關(guān)導(dǎo)通的維持階

4、段存在L ock 2on 電場; (5 用光斑覆蓋兩電極的均勻照射觸發(fā)和用透鏡聚焦并加光闌的點(diǎn)觸發(fā)兩種方式都能使PCSS . 強(qiáng)電場下PCSS s 出現(xiàn)L ock 2on 效應(yīng)s 的高倍增工作模式表明當(dāng)外界觸發(fā)光脈沖消失后PCSS . s 內(nèi)部存在新的載流子的產(chǎn)生與輸運(yùn)機(jī)制我們在系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中首次觀察到工作在高倍增模式下的GaA s PCSS s 中存在一種類似于偶極疇(耿疇 的光激發(fā)疇現(xiàn)象, 高倍增GaA s PCSS s 的典型現(xiàn)象和特性都與光激發(fā)疇的性質(zhì)與行為有密切關(guān)系.3國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(N o . 59407006施衛(wèi)男, 1957年出生, 博士, 副教授, 主要從事光電物理器

5、件、高功率超快固態(tài)光控開關(guān)方面的研究工作1998206219收到, 1998207231定稿2實(shí)驗(yàn)橫向GaA s PCSS 其暗態(tài)電阻率>5×s 芯片材料選用半絕緣GaA s , 厚度016mm 、(V s 、1078c m 、遷移率>5500c m 2 兩電極間隙3mm , 放置在由聚四氟乙烯玻璃纖維復(fù)銅板制作的微帶傳輸線襯底上, 通過同軸接頭形成開關(guān)的輸入輸出端. 用超快激光脈沖照射芯片電極間隙以觸發(fā)開關(guān)導(dǎo)通, 其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1. 用對撞脈沖主被動鎖模N d :YA G 激光器(p s 作為觸發(fā)源測試開關(guān)的性能, 測試線路見圖2. 示波器是T ek 7934, 光能

6、量計(jì)是KSD P 221024GH z . 激光脈沖寬度200p s 經(jīng)CA S 21, T S 100240dB 同軸衰減器帶寬為0KT P 晶體倍頻輸出0153m 的光脈沖, 用透鏡聚焦使光斑直徑約為0115mm , 并加光闌除去雜散光實(shí)現(xiàn)點(diǎn)觸發(fā), 觸發(fā)光斑位于兩電極中間. 獲得了GaA s PCSS s 在不同偏置電場和入4射光能條件下的L ock 2on 電流波形. 其中, 當(dāng)開關(guān)偏置電場和相應(yīng)的觸發(fā)光能量在不同的閾值附近觸發(fā)時(shí), 得到一組開關(guān)電流波形上升形狀呈現(xiàn)出一定規(guī)律的L ock 2. on 電流波形(b 、(c 和(d 所示的L ock 2如圖3所示. 圖3(a 、912、on

7、 電流波形是開關(guān)分別處在819、917和1110kV 32、25和21. 實(shí)c m 偏置電場下, 相應(yīng)的觸發(fā)光能量分別為56、J 時(shí)得到的驗(yàn)測試時(shí), 開關(guān)電場均大于最小觸發(fā)電場閾值411kV c m , 而觸發(fā)光能量則是與每一開關(guān)電場相對應(yīng)的最小觸發(fā)光能閾值 .圖1橫向GaA s PCSS s 結(jié)構(gòu)示意圖圖2皮秒激光脈沖觸發(fā)GaA s PCSS s 測試線路從以上電流波形可以看出, (1 引發(fā)階段中, 在不同的偏置電場和入射光能閾值附近, 其電流波形上升階段均呈現(xiàn)出相同規(guī)律的脈動形狀, 且脈動時(shí)間間隔都相等, 約等于67n s . (2 隨著時(shí)間的演化, 電流脈動波形下降沿的底部逐漸抬高, 當(dāng)

8、開關(guān)內(nèi)大電流密度形成后脈動現(xiàn)象消失. (3 在相同的偏置電場下, 當(dāng)觸發(fā)光能低于或高于相應(yīng)的閾值時(shí), 都未表現(xiàn)出具有同一規(guī)律脈動形狀的開關(guān)電流上升波形.3結(jié)果與討論強(qiáng)電場下GaA s PCSS s 的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明:(1 只有當(dāng)開關(guān)芯片材料的能級結(jié)構(gòu)為多能谷時(shí), 才會出現(xiàn)強(qiáng)電場下的高倍增模式. (2 PCSS s 的觸發(fā)電場強(qiáng)度閾值以及在維持階段的L ock 2on 電場強(qiáng)度閾值均大于開關(guān)材料的負(fù)微分遷移率區(qū)的電場閾值(耿氏電場強(qiáng)度 .用不同工藝制備的GaA s 材料的耿氏電場閾值有所不同, 一般在312kV c m 到319kV. 當(dāng)GaA s PCSS c m 之間, 均小于最小觸發(fā)電場閾值

9、s 工作在高倍增模式時(shí), 由于電子從低能谷向高能谷的散射而導(dǎo)致負(fù)動態(tài)電阻效應(yīng)(NDR 發(fā)生, 電子的漂移速度隨電場的增大而 圖3皮秒激光脈沖觸發(fā)GaA s PCSS 電場閾值附近觸發(fā)時(shí)的L ock 2s 在不同光能、on 電流波形橫軸為時(shí)間t :5ns 格, 豎軸為508, 負(fù)載電壓V :1V 格;偏置電場:(a 8. 9kV c m , (b 9. 2kV c m , (c 9. 7kV c m , (d 11. 0kV c m ;入射光能:(a 56J , (b 32J , (c 25J , (d 21J .減小. 此外, 在強(qiáng)電場作用下, GaA s 中的光激發(fā)載流子被電場加速并可能達(dá)到

10、足以使晶格原子電離的動能. 被加速的電子與晶格原子發(fā)生非彈性碰撞作用, 同時(shí)失去從電場中所得到的一部分能量. 如果每次碰撞損失的能量小于兩次碰撞之間由電場所獲得的能量, 則電子的動能可以逐漸得到增加直至大于禁帶寬度E g , 這種過程的結(jié)果可以使載流子的數(shù)目雪崩倍增并發(fā)生一部分電子2空穴對的復(fù)合而發(fā)射光子.當(dāng)GaA s PCSS s 加直流偏壓使其電場強(qiáng)度大于耿氏電場閾值. 實(shí)驗(yàn)用觸發(fā)光波長0153光脈沖能量為21m 、J 時(shí), 光注入載流子濃度(1 n =3. 2×1021c m -32D h式中N 是能量為21. 由于開關(guān)J 光脈沖的光子數(shù); D 為光斑直徑; h 是GaA s

11、的吸收深度電極間隙3mm , 那么, 光激發(fā)時(shí)載流子濃度與器件長度的乘積遠(yuǎn)大于1012c m -2. 用光脈沖照射時(shí)在開關(guān)體內(nèi)將引起電場畸變而形成了局部高電場區(qū). 光注入載流子的濃度分布、空間電荷電場分布以及合成電場的分布如圖4所示. 可見, 由于光注入, 開關(guān)體內(nèi)形成了兩個(gè)局部高電場區(qū). 以其中一個(gè)高電場區(qū)為例, 并設(shè)該區(qū)外電場為偏置電場. 由于外加偏置電場在GaA s 材料的微分負(fù)遷移率區(qū), 根據(jù)速度2電場特性, 在這里形成空間電荷層. 即由光注入引起局部電場畸變而形成了以電子和空穴組成的空間電荷偶極層高場疇. 高場疇成核 后, 疇內(nèi)的正電荷和負(fù)電荷又產(chǎn)生一個(gè)方向與外加電場一致的附加電場,

12、 導(dǎo)致疇內(nèi)電場進(jìn)一步加強(qiáng), 而疇內(nèi)電子的平均漂移速度不斷下降, 因此疇在向開關(guān)陽極渡越的過程中逐步生長, 使得電子層不斷積累而空穴層的寬度不斷增加. 但這一過程不會無限制的進(jìn)行下去, 因?yàn)樵谕饧与妷阂欢〞r(shí),疇加寬和疇內(nèi)電場的增高必然使疇外電場不斷下降, 當(dāng)疇外電場降到使疇外電子的漂移速度和疇內(nèi)電子的平均速度(也即疇的速度 相等時(shí), 疇就會停止生長而達(dá)到穩(wěn)定. 當(dāng)疇漂移被開關(guān)陽極“吸收”時(shí), 對應(yīng)于開關(guān)輸出一個(gè)電流脈沖. 這是入射光脈沖能量小于觸發(fā)閾值時(shí)(即線性開關(guān) 的情形.當(dāng)入射光脈沖能量高于觸發(fā)光能閾值、同時(shí)開關(guān)偏置電場也高于耿氏閾值電場并達(dá)到觸發(fā)電能閾值, 此時(shí)由光注入引起的高場疇內(nèi)的電場

13、強(qiáng)度急劇增大, 使得在疇成核、生長的某一時(shí)刻, 疇內(nèi)電場已接近或達(dá)到GaA s 材料的雪崩擊穿強(qiáng)度. 于是發(fā)生了強(qiáng)烈的碰撞電離使載流子雪崩倍增, 與此過程相伴而生的還有和碰撞電離相關(guān)的輻射復(fù)合發(fā)射光子.圖4(a 光注入載流子濃度分布; 這些光子越過雪崩電離區(qū)域向四周傳播, 并被GaA s 材料再(b 空間電荷電場分布; 吸收. 若GaA s 自吸收區(qū)域的電場強(qiáng)度還沒有低于觸發(fā)閾(c 合成電場分布E th :耿氏電場閾值; 值電場的話(對應(yīng)于初始偏置電場大于觸發(fā)閾值電場的情. E t :偏置電場形 , 這種自吸收將再次觸發(fā)新的高場疇并在那里發(fā)生雪崩碰撞電離. 這種光激發(fā)疇的重復(fù)再現(xiàn)便迅速在開關(guān)兩

14、電極之間形成了具有光控預(yù)擊穿性質(zhì)的電子2空穴等離子體通道, 開關(guān)導(dǎo)通. 輻射復(fù)合發(fā)光和再吸收替代了注入光脈沖消失后的可以移動的觸發(fā)光源. 這對應(yīng)于開關(guān)工作在高倍增模式(或L ock 2on 效應(yīng) .圖3所示的電流波形是開關(guān)觸發(fā)條件介于線性和高倍增模式之間的情形, 對應(yīng)于臨界不穩(wěn)定狀態(tài). 最初的觸發(fā)光能、電場條件能在GaA s 中形成疇, 但光注入載流子濃度卻不足以使疇內(nèi)的電場畸變達(dá)到本征擊穿的程度而導(dǎo)致載流子雪崩倍增使開關(guān)迅速導(dǎo)通. 又由于疇形成后開關(guān)偏置電場仍高于耿氏閾值電場, 因而伴隨的輻射復(fù)合發(fā)射光子在開關(guān)內(nèi)能夠激發(fā)新的疇, 形成與偶極疇渡越模式相似的電流脈動. 由于開關(guān)處于臨界不穩(wěn)定狀

15、態(tài), 導(dǎo)致電流脈動波形下降沿的底部逐漸抬高使開關(guān)進(jìn)入高倍增模式. 可計(jì)算出GaA s PCSS s 中這種光激發(fā)疇移動的速度v d =2. 3×107c m s -6. 5n s 1(2這正是強(qiáng)電場下載流子的飽和漂移速度. 可見GaA s PCSS s 中載流子穿越開關(guān)間隙是以光速(輻射復(fù)合發(fā)光在渡越時(shí)間中傳播的距離 和載流子的飽和漂移速度(光激發(fā)疇在渡越時(shí)間中行駛的距離 按一定的比例進(jìn)行的, 所以開關(guān)電流脈沖上升時(shí)間明顯小于載流子以飽和速率在開關(guān)電極間的渡越時(shí)間. 當(dāng)觸發(fā)光能低于或高于臨界觸發(fā)條件時(shí), 對應(yīng)于開關(guān)表現(xiàn)出線性模式或迅速進(jìn)入高倍增(L ock 2on 狀態(tài)而難以觀察到疇

16、現(xiàn)象. 由于強(qiáng)電場下光注入產(chǎn)生疇依賴于材料的負(fù)動態(tài)電阻效應(yīng)(NDR , 因而只有當(dāng)開關(guān)芯片材料的能級結(jié)構(gòu)為多能谷且觸發(fā)電場、光能大于閾值時(shí), 才能觀察到開關(guān)的高倍增工作模式.4結(jié)論(1 首次在臨界觸發(fā)條件下觀察到GaA s PCSS . 觸發(fā)光脈沖制約s 中的光激發(fā)疇現(xiàn)象著開關(guān)內(nèi)局部電場畸變的急劇增加并結(jié)合材料的負(fù)阻效應(yīng)而產(chǎn)生疇. 在一定條件下, 因發(fā)生輻射復(fù)合發(fā)射光子并激發(fā)新的疇, 從而替代了外界觸發(fā)光消失后新的觸發(fā)光源, 形成了新的載流子雪崩倍增與輸運(yùn)機(jī)制.(2 強(qiáng)電場下GaA s PCSS s 的高倍增模式或L ock 2on 效應(yīng)的物理過程可以理解為:強(qiáng)電場偏置下光注入GaA s 產(chǎn)生

17、電子2空穴對; 因負(fù)阻效應(yīng)(NDR 的存在而形成光激發(fā)疇; 在一定的光電閾值條件下疇內(nèi)電場達(dá)本征擊穿強(qiáng)度; 疇內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈碰撞, 電離使載流子雪崩倍增; 由碰撞電離決定的輻射復(fù)合成為觸發(fā)光脈沖消失后的新光源; 輻射復(fù)合發(fā)光并被開關(guān)材料再吸收決定了開關(guān)電流脈沖上升時(shí)間明顯小于載流子以飽和速率在開關(guān)電極間的渡越時(shí)間; 由光激發(fā)疇生存所必須的電壓降決定了維持階段L ock 2on 電場的存在; 當(dāng)外電路控制使疇生存條件遭到破壞時(shí)(疇電壓降低于L ock 2. on 電場 開關(guān)電阻便恢復(fù)參2S . D. T h ibaut, SP IE , 1992, 1632, 167176.3A . Ro se ,

18、 F . J . Zutavern , H igh Pow er Op tical A ctivated So lid 2State Sw itches , 1st ed , Bo ston :A rtech House ,1993, 252257.4S . W ei , L . Z . X ian et al . , 半導(dǎo)體學(xué)報(bào), 1998, 19(6 :437441. 考文獻(xiàn)1G . M. L oubriel, F. J. Zutavern and A. G . Baca et al . , IEEE T rans . P las m a Sci . , 1997, 25(2 :124130.Optica lly Activa ted Charge D oma i n Phenom ena i n H igh Ga i nUltra Fa st H igh Voltage GaA s Photoconductive Sw itchesSh iW ei(X i an U n iversity of T echnology , X i an 710048L iang Zhenx ian(X i an J iaotong U n iversity ,