（微电子学与固体电子学专业论文）砷化镓光电导开关瞬态特性研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 学 作 砷化镓光电导开关瞬态特性研究 科：邀生王堂量固签电至鲎 者：氆! 三挺( 签名) 指导老师： 答辩日期：2 q q 2 。3 ( 签名) 职称：塾撞擅昱 在兼顾b 脉冲功率和带宽两方而，光【u 导开荚是最有效的微波辐射源。然 而由丁g a as 材料的同有特性，、r 绝缘g a a s 光电导开关在其工作性能上有明 显的优点，特别是在一定的光能羽i 电场蚓佰条什1 、，g a a s 光电导开关能产牛 l o c k o n 效应现象，所以g a a s 光电导开关的器制1 研究和实际府川丌发成为光l u 导开关研究者所关注的焦点。然而到目前为t l ：，没有一种完善的理论模型，能 对、r 绝缘g a a s 光电导开关中发现的l o c k o n 效廊进行较全面的解释。 作者测试了半绝缘g a a s 光电导开关在线性、1 | 线性以及从线性剑怍线性 过渡的临界状态模式下输出的电脉冲波形特别是反复测量了开关在临界状态 p 的偏置电场闽值和l o c k o n 电场强度。本文基于g a a s 等i i i v 族化台物、r 导 体的转移电子理论，结合半绝缘g a a s 光电导丁1 二关中特有的l o c k 0 i l 效廊的研 究，提出了类似丁耿畴( 高场畴或偶极畴) 的单极电荷畴理论模型，对光电导 开关l o c k 。o f t 效应的各种现象给出了理论解释。由丁单极电荷畴i = | 电场强度增 大，从而导致开关体内载流子雪崩倍增和辐射复合，引发了l o c k o i l 效应的特 仃现象。当触发光脉冲消失后，单极【b 荷畴内雪崩r u 离和辐射复合在开关体内 形成了载流子高导电通道，成为了载流子倍增卉勺源泉，控制着l o c k o i l 电流。 应川单极电荷畴模，数值计算了l o c k o n 效府的光、l h 叫间延迟平载流子的渡 西安j e s 大学硕士学位论文 越速度( 丝状电流穿越开芙问隙的速度) ，所得计算结果与实验测试结果基本吻 利川半绝缘g a a s 光电导歼关的超快光i h 响应特性，成功地应刚丁纳秒激 光脉冲展宽试验中，证明了开关可广泛应川在超快光电响应章光电反馈网络 o p 。 关键词：g a a s 光电导开关，l o c k o i l 效应，单极屯荷畴，光脉冲展宽 本研究得到国家自然科学基金资助( n o5 0 0 7 7 0 1 7 ) ， 西安理工大学硕士学位论文 t h et r a n s i e n ts t u d y0 ng a l l i u m a r s e n i d e p h o t o c o n d u c t i v es w i t c h e s s p e c i a l i t y ：m i c r o e l e c t r o n i c s c a n d i d a t e ：g 丝坠堡坐 ( s i g n a t u r e ) s u p e r v i s o r ：( s i g n a t u r e ) a sf a ra st h ep o w e ra n db a n dw i d t ho fe l e c t r o n i cp u l s e sa r ec o n c e r n e d ，o p t i c a l l y c o n t r o l l e dp h o t o c o n d u c t i v es e m i c o n d u c t o rs w i t c h e s ( p c s s s ) a r et h em o s te f f e c t i v e m i c r o w a v er a d i a n ts o u r c e s d u et ot h e i n t r i n s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a a sm a t e r i a l s e m i i n s u l a t i n gf s l lg a a sp c s s sh a v em o r eo b v i o u sa d v a n t a g e si nt h ep e r f o r m a n c eo f b o t hh i g hp o w e ra n du l t r a f a s ts w i t c h i n gt h a nt h o s ep c s s sm a d eo fo t h e rm a t e r i a l s t h e g a a sp c s s sc a nt a k eo nt h ep a r t i c u l a rp h e n o m e n o no fl o c k o ne f f e c tw h e nt h e t h r e s h o l d so fa c t i v a t i n go p t i c a le n e r g ya n db i a sf i e l d ，w h i c ht h ed e v i c e sd e m a n d ，a r e m e t e ds i m u l t a n e o u s l y a c c o r d i n g l y , t h eg r e a ti m p o r t a n c ew a sa t t a c h e dt ot h ed e v i c e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h eg a a sp c s s s u pt ot h ep r e s e n t ，t h e r ea r en or e l i a b l e t h e o r i e st h a tc a nc o r r e c t l ya c c o u n tf o rt h eo b s e r v e dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c sp r o d u c e db y t h el o c k o ne f f b c t t h ee l e c t r o n i cp u l s ew a v e f o r mo fl i n e a r ，n o n l i n e a ra n dt h ec r i t i c a l l yt r a n s i t i n g s w i t c h i n gm o d e so u t p u t c e df r o mt h es i g a a sp c s s sw a so b s e r v e da n dm e a s u r e d e s p e c i a l l y , w er e p e a t e d l ym e a s u r e dt h eb i a s f i e l dt h r e s h o l d sa n dl o c k o nf i e l do ft h e c r i t i c a lt r a n s i t i n gm o d ef r o mt h el i n e a rt on o n - l i n e a rs t a t e b a s e do nt h et r a n s f e r r e d e l e c t r o nt h e o r yo ft h e1 1 1 一v c o m p o u n ds e m i c o n d u c t o ra n dt h er e s e a r c ho nt h el o c k - o n e f f e c to ft h es i g a a sp c s s s ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h em o n o p o l ec h a r g ed o m a i nm o d e l s i m i l a rt ot h eg u u no rh i g h f i e l dd o m a i nt oe x p l a i nt h ep e c u l i a rs w i t c h i n gp h e n o m e n a o c c u r r i n gi nt h el o c k - o nm o d et h e o r e t i c a l l yo w i n g t ot h ef i e l de n h a n c e m e n ti nt h ed o m a i n ， t h ea v a l a n c h i n gg a i na n dr e c o m b i n a t i o nr a d i a t i o na r ei n d u c e da n dt h es w i t c h e so c c u rt h e s p e c i a lp h e n o m e n o no ft h el o c k - o ne f f e c tw h e nt h et r i g g e r i n gl i g h tg o e s ，t h ea v a l a n c h e i m p a c ti o n i z a t i o na n dr e c o m b i n a t i o nr a d i a t i o ni nt h ed o m a i nr e s u l ti nt h ef o r m a t i o no ft h e c a r r i e r s c o n d u c t i v ec h a n n e li nt h eb o d yo f t h ed e v i c e sa n dc o n t r o lt h ec u r r e n to f t h el o c k - o n s w i t c h i n g b a s e do nt h et h e o r ym o d e ，t h ed e l a yt i m eb e t w e e nt h eb e g i n n i n go fo p t i c a l i l l u m i n a t i o na n dt h eo n s e to fl o c k o ns w i t c h i n gw a sc a l c u l a t e d ，a n dt h et r a n s i t i n gs p e e d o fe l e c t r o n s ，t h et r a v e r s i n gv e l o c i t yo ft h ec u r r e n tf i l a m e n t ，w a so b t a i n e da sw e l l t h e c a l c u l a t e dr e s u l t sm a t c h e dw e l lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 西安理工大学硕士学位论文 t a k i n ga d v a n t a g eo ft h eu l t r a - f a s tr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e v i c e s ，s i g a a s p c s s sa r es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h eb r o a d e n i n gt e s to fn a n o s e c o n dl a s e rp u l s e s o u r t e s t ss h o wt h a tt h es w i t c h e sc o u l db eu s e di nt h eu l t r a f a s tp h o t o e l c c t r i cr e s p o n s ea n dt h e p h o t o e l e c t r i cf e e d b a c kn e t k e yw o r d s ：g a a sp h o t o c o n d u c t i v es w i t c h e s ，l o c k o ne f f e c t ，m o n o p o l a rc h a r g e d o m a i n ，l a s e rp u l s eb r o a d e n i n g t h i sr e s e a r c hw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fpr c h i n a ( n o 5 0 0 7 7 0 1 7 ) 西安理工大学硕士学位论文 。 l 一 月i j蟊 半缝缘 i j 佬镓( s e m i i n s u l a t i n gg a a s ，麓称s i ，g a a s ) 光电 导开关 ( p h o t o c o n d u c t i v es e m i c o n d u c t o rs w i t c h e s ，简称 p c s s s ) 是近年来光电予学领域研究的热1 7 课题之一，由于s i ， g a a sp c s s s 在产生超快、大功率电磁脉冲方面具有其独特的性 能， i 起各重研究者豹密切关注。s i 。g a a sp c s s s 俘为超宽带电 磁脉冲辐射源，可广泛地应用于通信、电子对抗、电磁武器和医 学成像等许多领域。然而， ；= i 前没有一种完善的理论能全面地解 释s i - g a a sp c s s s 工作在非线性模式下的特有现象，所以对s i g a a sp c s s s 爨态特性豹研究，成为开关广泛应用惫纛解决的关 键问题，同时也是对光电器件理论的弥补。 本文基于g a a s 等i i i v 化合物半导体的转移电子学理论，再 结合具体的实验结果，提出了单极电荷畴理论模型，对工作在非 线憔模式下s i g a a sp c s s s 产生备静物理现象给出了解释。 本谍题的实验是在葱安光机所“瞬态光学技术黼家重点实验 室”进行的，该实验室具有国内最先进的超快脉冲激光器及其超 快测试设备。并且将开关成功地应用于纳秒激光脉冲展宽试验 中。 本文的蠹容安排如下：第一章重点讨论了s i g a a sp c s s s 的 工作模式：第二章沦述了p c s s s 的试验方法，并给出了我们的实 验结果；第三章讨论了单极电荷畴模型，并应用模型计算了延迟时 问：第四章讨论了光脉冲展宽实验及其试验结果。由于作者的水平 有限，论文中难免逐存在些疑点秘镬误，觳切隶黧各位评委郡读 者批评指j 下。 v 概述 第一章概述帚一早僦怂 随着光学和微波技术的巨大进步，产生了一系列新型超快 速电子装置】【2 i 。这项新技术涉及光学和电子学领域，被称为 光电子学，而连接这两个领域的纽带就是光电导体。同时激光 技术得到长足发展，能够产生超短的激光脉冲。这大大促进了 半导体光电导开关器件的进展。在这样的科技背景下，19 7 5 年 美国b e l t 实验室科学家a u s t o n 提出了光电导开关技术1 。半 导体光电导开关是利用超快脉冲激光器与光电导体( 如s i ， g a a s ，i n p 等) 相结合而发展起来的一种新型光电器件，简称 p c s s s ( p h o t o c o n d u c t i v es e m i c o n d u c t o rs w i t c h e s ) 。光电导开关 的基本工作原理是应用半导体的光电效应。对于光电导体而 言，被吸收的入射光子可在导体中产生电子、空穴或电子- 空穴 对，然而这种光电响应过程非常短暂，已有报道这一响应时间 小于o 6 皮秒】。 1 1 发展历史 1 9 7 2 年，j a y a r a m a n 和l e e 首次报道了：当用皮秒光脉冲 照射光电导体时，光电导体具有皮秒量级的时问响应特性l ， 这开创了光电导开关技术发展新时代。在19 7 5 年，美国b e l l 实验室a u s t o n 等人研制出硅光电导开关】，19 7 7 年l e e 等制 作了砷化镓光电导开关，这些开关用皮秒激光脉冲触发时，可 用来开、关直流电压1 。随之以后一系列光电导开关被研制成 功，如i n p 、z n s e 和金刚石等光电导开关。然而在l9 8 4 年，当 n u n n a l l y 等人证实大尺寸的光电导开关能耐承受15 0k v 的高压 西安理工大学硕士学位论文 和能产生1 0 0k v 、2 k a 的大电流后，光电导丌关引起了脉冲源 研究者的极大关注“】。特别是在19 8 7 年，美国s a n d i a 国家实 验室l o u b r i e l 等人在实验室中观察到g a a s 、i n p 等i i i v 族化合 物半导体p c s s s 中存在l o c k - o n 效应( 高倍增( h i g hg a i n ) 或 非线性( n o n l i n e a r ) 模式) 1 ：证实了大功率g a a sp c s s s 所 需触发光能可降低三到五个数量级，从而可实现用激光二极管 阵列代替庞大的y a g 激光器，从此展丌了对l o c k - o n 效应的理 论探索和实际应用的研究1 。 1 2 光电导开关的应用前景 由于该器件具有无触发晃动，快速响应( 皮秒量级上升下降 时间) ，寄生电容、电感小，动态范围大，高重复率，结构简单 ( 适配于各种传输线结构) 等特点，特别在耐高压、承担大功率 容量方面有优越的性能1 。这些独特的性能预示着一种全新的 功率丌关技术，使其在超高速光电子学、超快大功率电磁脉冲 产生、检测和整形等领域具有广泛的应用前景】，成为传统开 关( 间隙放电、闸流管及结器件) 最有希望的换代器件。可应 用在高功率超短电磁脉冲微波源、超宽带脉冲发生器、超宽带 冲击雷达、电磁武器等领域”。 1 3 光电导开关的结构 器件的结构比较简单，在半绝缘体芯片( 半导体) 两端制 作欧姆电极，用微波传输线作开关的输入输出端，再用绝缘介 质保护并封装。脉冲激光器输出的光束照射开关体芯片来控制 其的通断，很类似于三极管结构( 如图l 一1 所示) ，即激光脉 概速 冲涞类似于三极管器件的控 制端。 l 。3 1 耄投 由于大功率p c s s s 输 运的电流密度较大，因而外 电路与开关芯片的接触在器 圈i 一1 光电母开关结构示意圈 穆瓣羧诗中裁撼褥 零重要，它决定着开关鹣工终牲襞秘海鑫 l l ”。开关的芯片般都是选掰半绝缘的半母体材科，所以在制 作欧姆电极时要求比较严格，尤其在合金成分的配比上，否则 会影响开关的电漉一电压特性。p c s s s 的电极材料与制器方法 醚开关舞遥霜蕊冀麓餐静不瓣嚣异。露采遮粥半绝缘麓g a a s 作芯片材料，一般都用n i g e a u 台金来制作欧姆电极，谴时开 关主体就是一卜n i n 二极管：若芯片材料选用s i ，则般 郡逡耀a 1 a u 台愈寒 蔽欧姆电檄，此时开关主 本为一p 1 p 二极 蓉”。 l ，3 2 传输线 光电导开关工作在纳秒到皮秒时域，输i = 的电磁脉冲以微 波麴形式黄导，缓激开关豹输入，簸窭线帮鬻袋爱微波铸羧线。 其爨体采用何种澄式的传输绒，要由p c s s s 的具体应粥所决 定。具体要求是：开关的通态电阻要与传输线以及负载的阻抗 相臌配。 1 3 。3 绝缘骜装 p c s s s 输如功率大小主裂取决于所阻断电压和承载电流的 大小，虽然半绝缘体的本征击穿强度都较高，如g a a s 的本征 击穿电场强度离达2 5 0k v c m ，但在实际光电导开关中裔多静 溺豢导致开关在遴小于奉蔹毒穿电场强度瓣嚣孬击穿撰舔，翔表 面闪烙、电极的结构与形状、热击穿等等。如g a a sp c s s s 在 西安理工大学硕士学位论文 无绝缘保护时，电极之间的表面闪烙电场强度仅为l0 k v c m ”，因而开关的绝缘保护就非常关键，常常由于器件的绝缘强 度不够，而发生表面闪烙现象导致开关损坏。目前研制的 p c s s s 中，有采用各种不同绝缘介质保护的方法，丌关的击穿 强度随绝缘介质的不同而变化，表1 1 给出了采用不同保护措 施的g a a s 光电导开关在直流脉冲电压作用下击穿强度的实验 结果1 ”。 表1 1g a a s 光电导开关击穿强度的实验结果 击穿强度脉冲偏压 开关间隙 芯片材料绝缘介质 ( k v c m )时问( s )宽度( c m 。c m ) 14 32 1 0 6c r ：g a a s 高纯水1 5 2 5 l0 32 1 0 6c r ：g a a s 高纯水1 5 2 5 2 6 2 3 0c r ：g a as s f 6 1 5 2 5 2 03 0c r ：g a a s绝缘油1 5 2 5 2 01o o c r ：g a a s绝缘油1 5 2 5 18 710 0 c r ：g a a s绝缘油1 5 2 5 1 6 73 0cr ：g a a ss f 6 1 5 2 5 11 82 0g a a ss f 6 3 5 5 概述 1 4 材料的性能 p c s s s 的光电导体一般选用半绝缘体的s i ，g a a s ，i n p ， s e c d 等半导体材料，其电学特性如表1 2 所示。p c s s s 对材 料的基本要求是：高电阻率和大介电常数。不同用途的开关对 材料的具体要求也有所不同。 表1 2 光电导材料的电学特性 堂 s ig a asi n pc d sc d s e ，。禺1 a 土4 - 、 电子迁移率( c m2 v s ) l3 0 08 5 0 06 5 0 0 3 0 0 5 0 0 空穴迁移率( c m2 v s ) 9 0 05 0 04 0 0 室温电阻率( mq m ) o0 0 22 o2o2 0 01 0 0 电击穿强度( m v m ) 3 02 12 0 3 0 2o 相对介电常数1 1 9l3 18l2 45 4l0 6 在研究的初期阶段，由于s i 材料的工艺较成熟，一般都选 用s i 材料。随着研究的进一步深入，却发现用s i 材料制作的 光电导丌关有许多难以解决的问题( 如热崩，重复率低等) 而 g a a s 材料恰能克服s i 材料本身所带来的不足1 。 ( 1 ) 半绝缘体的g a a s 具有相当高的暗态电阻率( 大于 10 7 q c m ) ，远大于半绝缘s i 的电阻率( 1 0 5 q c m ) ：同时 西安理工大学硕士学位论文 g a a s 的相对介电常数( 1318 ) 也大于s i 的介电常数( 1 1 9 ) 。 因此g a a sp c s s s 的耐高压能力要比s ip c s s s 高。 ( 2 ) g a a s 中载流子寿命要比s i 的小五个数量级( g a a s 材料的寿命在纳秒量极，而s i 材料的在亚毫秒量极) ，这可大 大缩短开关的恢复时间。故可用g a as 材料制作高重复率的 p c s s s 。 ( 3 ) 室温下，g a a s 的禁带宽度为1 4 2e v ，高于s i 的禁 带宽度1 1 2e v ；再加上g a a s 具有多能谷的能带结构，当电场 高于一定阈值时，能发生电子转移效应，即能发生不等价谷间 散射，这可引起中心能谷中的热电子的能量和动量的损耗，从 而抑制了由于中心能谷电子温度随外电场增加而上升所导致的 材料击穿。所以用g a a s 材料制作的p c s s s 就不像s i 制作的那 样容易发生热崩现象。 ( 4 ) g a a s 的电子迁移率( 一般为8 5 0 0c m 2 ( v s ) 1 远大于 s i 中电子的迁移率( 13 0 0c m2 ( v s ) ) ，大约是s i 的5 倍左 右。这样g a a s 材料就比s i 材料更适合于制作快速开关器件。 ( 5 ) g a a s 是直接带隙半导体，即价带顶和导带底均位于 布里渊区中心，电子吸收光子后发生直接跃迁，即只需光子和 电子的参与：而s i 是间接带隙半导体，吸收光子后电子发生非 直接跃迁，需要光子、电子和声子三者同时参与。由此可见 g a a s 的光电转换效率要比s i 的高，g a a s 材料更适宜于制作光 电器件。 由以上分析可知，g a a s 是较理想的p c s s s 制备材料，尤其 适合于制作大功率高压超快p c s s s 。 1 5 光电导开关的工作模式 概述 在1 9 8 7 年，美国s a n d i a 国家实验室的科学家们在g a a s ， i n p 等三五族化合物半导体p c s s s 中发现了l o c k o r l 效应，也叫 非线性( n o n l i n e a r ) 或高倍增( h i g hg a i n ) 工作模式。而在s i 等别的半导体p c s s s 中从未发现这种特殊的现象】。对于 g a a sp c s s s ，在一定的偏置电场和光能触发条件下，可触发进 入线性或非线性工作模式。而对于s ip c s s s ，无论外界触发条 件如何变化，只能在线性模式下工作。 1 5 1 线性工作模式 在线性模式下工作时，开关吸收一个触发光脉冲对应输出一 个相应大小的电脉冲，即每吸收一个光子，最多只对应于一个 电子一空穴对( e h p ) ，电脉冲电流仅由导体吸收光子发生光电 离所产生的载流子而引起的 时，开关所输出的电 脉冲与触发光脉冲的 波形一样，即具有相 同的上升时间；但是 当用d s 或f s 激光器 触发时，由于受到开 关输出线带宽的限 不存在载流子的倍增效应”1 。此 、一 _ 、 制，上升时间一般在 图1 2 飞秒激光脉冲( 脉冲宽度为12 0 p s 量级6 ( 如图1 f s ，波kj j 7 8 0n m ，能量j j7 6n j ，重复 一2 所示) 。然而电脉 率为7 6m h z ) 触发g a asp c s s ，s 得到的 冲的下降时间则由所 线性电流脉冲波形( 横轴为时间t ：5 0 0 用半导体材料的载流 d s g h 竖轴为5 0q 负载电压v ：i8 子寿命来决定，一般 。v 格) 。 成指数形式衰减。 1 5 2 非线形工作模式 7 西安理工大学硕士学位论文 g a a sp c s s s 在同 时满足一定的入射光能 和偏置电场闽值条件 下，方能被引发进入非 线性工作模式1 7 18 1 9 2 ”。在此工作模式 下，光电导体内存在载 流子高倍增现象，即一 个被吸收的光子可对应 于多个电子一空穴对， 所以也称为高倍增模 式；此时开关两端的电 压降却保持恒定不变， 这时所对应的开关体内 电场称为l o c k o n 电 场，故而也称为l o c k o n 效应。与线性模式相 比，在非线性模式下工 作的开关对触发光脉冲 能量的要求可降级三倒 五个数量级，即可从毫 焦量级降到微焦或更低 量级”。非线性工作 模式可分为以下三个阶 段：如图1 3 所示。 a 引发阶段 开关两端的偏置电 1 。卜 叽f 。f 1 趔 厘 o d 米 幽l 一3 用纳秒激光器( 脉冲宽 度为8 n s 波氏为5 3 2 n m ) 触发 得到的l o c k - o n 电流波形( 横轴 为时间t ：2 0n s 格，竖轴为5 0 q ，负载电压v ：18m v 格) 引自【i6 】 偏置闽值电场k v c m 。1 图1 4半绝缘g a as 高倍增 开关的光、电闽值曲线 引臼【13 】 概述 场和触发光能大于一定的阈值条件时，丌关可进入引发阶段。 此时开关的最小触发电场阈值和相应的最小光能阈值大致成反 比关系，如图1 4 所示”。偏置电场阂值从5 7k v e m 到1 0 k v c m 间变化时，最低触发光能而从1 7m j 降低到2 0uj 。在 强场下，开关的光能阈值大约是低电场下的千分之一，这种有 效的触发增益( 开关的载流子数与入射光予数之比) 允许更小 的激光器来触发开关。然而光能闽值和电场阂值由具体的光电 导体材料所决定。电脉冲的上升时间可远快于触发光脉冲的上 升时间，而且上升时间随触发前外加偏压的增大而缩短。开关 输出的电脉冲和触发光脉冲之间存在时间延迟，而延迟时间随 触发前外加偏压的增加而减小。电脉冲以1 0 8 c m s 速度在开关 两电极间输运( 电脉冲速度= 电极f 司隙距离电脉冲上升时间) ， 比强场下的载流子的饱和漂移速度( 10 7 c m s ) 大一个数量级。 b 维持阶段 一旦开关被引发到l o c k o n 状态，开关的平均电场将降到 一个非零的固定值( l o c k o n 电场) ：即使撤走了触发光脉冲， 开关仍能维持高导通状态；直到外电路不能提供开关所需的 l o c k o i l 电场，这时开关才闭合。l o c k o n 电场随光电导体材料 的不同而变化，如：砷化镓的l o c k o i l 电场一般在3 6 - 4 5 k v c m 9 1 范围内，磷化铟的l o c k o n 电场为1 4 4k v c m 【： 并且l o c k o i l 电场不随触发光能和触发前开关所加偏压的变化 而变化，也不依赖于开关电极间隙距离。在此阶段，开关的工 作特性很类似与齐纳二极管。而且电脉冲以丝状电流形式在丌 关体内输运，曾有论文报道”：丝状电流以l0 9c m s 量级的速 度传输，并且丝状电流存在发光现象，辐射光予的能量一般在 1 4e v ( 波长在8 7 5n m ) 左右。这阶段丌关的电阻由其l o c k 一0 1 3 电 压和外电路所提供的电流来决定。 西安理工犬学硕士学位论文 c 恢复阶段 当外电路不能维持l o c k o l l 电场时，开关迅速恢复到触发 前的高阻态，恢复时间由g a as 中载流子的寿命所决定，一般 在几十纳秒范围，如：两电极间隙为1 ，5c i l l 氏的cr ：g a as 开 关，最短的恢复时间为35n s n ”。如果外部电路能以及快的速 度恢复开关的l o c k o n 电场，开关不需要外界触发光脉冲将重 新返回到维持阶段。就恢复到开关触发前的电阻值而言，l o c k o n 高导通效应对开关不产生破坏作用。但是就开关两电极的退 化而言，在对开关重复率的测试时，l o c k o n 效应是有破坏性 的。 1 6 小结 本章比较全面地介绍了近二十年来发展起来的光电导开关 技术，特别是讨论了基于半绝缘g a as 材料的光电导开关的工 作模式。值得注意的是，g a a s 等i i i v 族化合物p c s s s 的非 线性工作模式具有广阔的应用前景，所以发展完善、全面l o c k o d 效应理论模型也显得十分重要。 o 试验方法 第二章试验方法 光电导开关的设计要涉及到丌关结构、半绝缘材料的选择 和处理、绝缘封装技术、传输线以及光源的选用等方面。基本 的光电导开关设计类似于一三端半导体器件的设计n l l 。其中两 端是电极，要开、关的电压通过两电极来施加，另一端则是触 发光脉冲的入射端，然而开关的具体设计则要由其具体的实际 应用来决定。由于开关是一种体器件，所以可以根据具体应用 来按比例设计开关的尺寸。例如，对于高速、高频、低输出电 压的应用，开关两电极间隙长度应是几个微米；而对于大功率 开关来说，开关间隙通常在几个毫米或厘米。 2 1 开关的基本结构 根据光电导开关两电极的几何位置，p c s s s 可分为横向和 纵向两种基本结构( 如图2 1 所示) n ”。当两电极位于开关体 芯片的同一侧平面内时，称为横向结构( 通常这种丌关的入射 光方向与开关体内电场方向相互垂直) ：当两电极位于开关体芯 片的异侧平面内时，则称为纵向结构( 通常入射光的方向与开 关体电场方向相互平行) ，横向结构丌关的一个缺点是芯片的表 尸迸_ 夕l 土i 光电导体 光电导体 一1 r 图2 一l 光电导开关结构示意图，( a ) 横向，( b ) 纵向。 西安理s - 大学硕士学位论文 面暴露在整个电场下，而且通常两种材料界面的电击穿强度远小 于任一种材料的体电击穿强度，所以通常较容易发生表面闪烙 现象：”，从而影响开关的耐压强度。然而纵向结构丌关可通过 降低开关近表面的电场强度来增大p c s s s 耐压强度，但是由于 开关两电极问隙受到所使用芯片( 芯片的切片厚度) 厚度的限 制，其耐压能力亦受到一定的限制，相反这种结构可减小开关 的表面效应( 如表面闪烙) ：纵向结构开关的另一个不足之处 是：至少开关的一个电极必须对触发光是透明的，这一电极通 常是用金属栅、非常薄的金属层、或外延生氏掺杂的半导体薄 层来制作，故而制作比较困难。 半导体的光吸收特性强烈地依赖于入射光波长。对于短波 长的光，光子能量大丁半导体的禁带宽度，在穿透深度小于1 um 就被材料吸收。然而对于长波长的光，光子能量小于半导 体禁带宽度，能穿透几个厘米。对于所有光电导开关系统的设 计，激光源的选择也是很重要的一部分。在设计时考虑到所选 用的触发光源，选择开关几何结构也有一折衷方案。 对于横向结构开关，无论光在几微米内( 如：波长为5 3 2 n m 的光脉冲触发g a a sp c s s s ) 吸收，还是在几百个微米内 ( 如：波长为1 0 6 4r i m 光脉冲触发s ip c s s s ) 吸收，吸收区均 在开关的活性区。对于均匀照射的线性横向丌关，开关电阻立 即达到最小。然而，如果载流子在电极处产生或注入，并要求 f 负电荷互相分离且穿过绝缘区的话，空间电荷产生的电场与 由此引起的时间延迟会限制开关电流和上升时间。对于均匀 光照、横向线性开关，峰值电流和上升时间仅依赖光脉冲的大 小和波形、载流子复合时间以及丌关外电路的配置。 而对于纵向结构开关，只有选用波长较长的触发光才能穿 透开关体，方可实现均匀照射；工作于线性模式下的纵向丌 试验方法 关，如果所有的载流子在靠近电极处产生或注入，就会产生一 瞬变的位移电流，直到一载流子通道穿透电极间隙后，开关才 会闭合。这无疑会导致开关动作滞后于入射光脉冲。对于小尺 寸开关，如在低电压( 小于1 0v ) 下，这种影响是不明显的， 并且也能得到亚纳秒的电流脉冲。如对于两电极间距为0 5m m 的g a a s 光电导开关，即使电子以2 x 1 0 7c m s 的速度渡越开关 间隙时，也要花费2 5r l s 的时间来穿越开关体；此时当用上升 时间小于1o op s 的光电脉冲触发丌关，所得到的电脉冲的上升 时f 司己远大于皮秒量级了。 可见这两种结构各有利弊，具体使用那种结构，要由开关的 具体应用( 即耐压要求，触发光源等) 来确定。实际上这只是 两种基本的开关结构而已，光电导开关的研究者们根据开关的 具体实际应用，已研制出许多结构新奇的开关：如图2 2 是美 国s a n d i a 国家实验室的研究者研制的一种制作在同轴线上的横 厂 、 7 、 一 j ， 翰 一 【1 1 一 孑 、k 一 图2 2制作在同轴传输线中的光电导开关 引白【2 4 】 西安理工大学硕士学位论文 向光电导开关n “。其中光电导体做成带状( 带有一定的厚 度) ，并与同轴线内导管相接。如图2 3 是m a u r i c e 等人研制 的一种制作在径向传输线端的纵向光电导开关2 5 1 其中光脉冲 是通过上端的合金电极栅孔来照射光i = ! - 导体。 电 光脉冲 图2 3 制作在径向线上的光电导脉冲源 引a 【25 】 2 2 半绝缘g a a s 材料 层 虽然制作光电导开关可选用许多的半绝缘材料，但是近几 年研究者的兴趣却集中于g a a s 半绝缘材料上。这主要得益于 g a a s 材料的固有特性，如上一章所述。就半绝缘g a a s 材料而 言，其类型也有许多种，它的性能也各不相同。当然用不同类 型的半绝缘g a a s 材料制作的光电导开关，也具有不同的性能 参数和使用特点。 2 2 1 半绝缘c u ：g a a s 试验方法 这种半绝缘材料是通过热扩散工艺，在低电阻率n 型g a a s ( s i 掺杂) 中引入深能级杂质c u 制成的补偿型半导体。c u 杂 质在g a a s 禁带中可产生两个受主能级：c u 。和c u 。能级，其中 c u 。能级是位于价带之上o 4 4e v 的深受主。当在s i ：g a a s 中引 入适当浓度的c u 。受主，它的电阻率可高达1 0 7qc m 。 用这种半绝缘材料做成的光电导丌关，可实现用两束光脉 冲来控制开关的通断【2 “。当用一短波长的光脉冲触发时，其光 子能量不但要小于g a as 的禁带宽度14 2e v ( 3 0 0k ) ，而且还 要大于导带和c u 。能级间的能量差0 9 8e v ，c u 。能级上的电子 因受激发而进入导带，此时开关电阻迅速下降而闭合，如图2 4 ( a ) 所示。这时光电导开关体类似于一n 型半导体，导带 内有自由电子，而禁带中有不可移动的正电荷( c u 。失去了电 子而形成的) 。由于c u 。能级不断俘获导带的电子，而且其电子 俘获截面较小，所以这是种亚稳态。如图2 4 ( b ) 所示。当 用另一长波长的光脉冲照射开关时，这时要求其光子能量小于 导带和c u 。能级间和能量差0 9 8e v ，但要大于c u 。能级和价带 间的能量差o 4 4e v ，价带中的电子受激发而进入c u 。能级，而 在价带中留下大量的空穴，如图2 4 ( c ) 所示。这些空穴与 e c i 一1 丁0 0 0 5 踮v i 二二二二王e v ( a )( b )( c ) 图2 4 c u ：g a a sp c s s s 开、关原理示意图。 ( a ) 开 关闭台：( b ) 开关的弧稳态：( c ) 开关断开 西安理工大学硕士学位论文 导带中的自由电子快速复合而导致开关恢复到高阻态。 2 2 2 半绝缘c r ：g a a s 和e l 2 ：g a a s c r ：g a a s ，这种最常用的半绝缘材料是在普通的g a as 中掺 c r 而实现的。掺c r 的目的就是要在g a a s 中提供足够数量的深 受主( 其能级位于价带之上0 7 9e v 处) ，以补偿s i 等浅施主的 作用，从而使电阻率提高。cr ：g a a s 的电阻率一般可高达1 0 8q c m ，载流子寿命小于2n s 。而半绝缘e l 2 ：g a as 是在单晶生长 过程中，通过采取一定的措施极力避免浅施主的粘污而得到 的。其中e l 2 能级是一种深施主中心，对应的能级是在导带以 下0 7 5e v 处，它起着补偿由于生长过程中所引入浅受主c 的 作用。其电阻率通常在lo6 l0 7 qc m 的范围，载流子寿命一 般大于10n s 。然而这两种半绝缘g a a s 材料不象c u ：g a a s ，不 能用波长不同的两束光脉冲来断丌和闭合开关。 在制作g a a sp c s s s 时，通常选用上述的几种半绝缘体 g a a s 材料。然而当选用的不同材料时，p c s s s 出现l o c k 0 1 1 效应的电场阈值和l o c k o n 电场强度也不i 司。这几种材料都具 有一定浓度的e l 2 深能级缺陷，在用长波长的光脉冲( 其光子 能量小于g a as 的禁带宽度) 触发g a a sp c s s s 而使丌关导通 时，许多研究者认为该能级起着重要的作用n 7 1 。 2 3 光电导开关的阻值设计 实质上，光电导丌关的工作原理就是光电效应的具体应用。 光电导体吸收光子过程是相当短暂，已有报道这一时间常数小 于o 6 ps ”。在暗态时，几乎接近本征的半绝缘材料在室温卜 可当作绝缘体来使用，其电阻率相当高。然而当用适当波长的 光脉冲照射半绝缘材料时，处于束缚态的电子吸收入射光子的 试验方法 能量后，可跃迁到导带，从而改变材料的载流子浓度，导致电 导率大幅度增大，这样开关就导通了。开关在导通时的阻值大 小，直接关系到开关的具体应用。所以在制作开关时，应先根 据具体应用的要求来设计开关阻值。 开关的阻值设计比较复杂，它涉及到半绝缘材料的载流子寿 命和迁移率，以及激光脉冲的能量和脉宽，并且它随着入射光 脉冲能量的变化而动态变化。 对于图2 5 所示的开关芯片尺寸而言n ”，设占为光的吸收 深度，工为开关两电极的间距，为丌关体的宽度。其暗态电 阻r ( 假设为本征半导体) 为： 月：土：上土：旦( ：n 2 l a ) ( 2 1 ) o - a ”p “a n e l s 、 其中： 是电子浓度( 与空穴浓度p 相等) ，n 是全体载流子 数，p 为单位电子电荷，o 是电导率，_ 为电子和空穴迁移率之 和：f2f 。+ i j 。，一为芯片的纵截面积：a = w 巧。 入射 图2 5 光电导开关体示意图 由此可见，开关的暗态电阻与开关两电极问的距离平方成反 比。所以要想提高开关的耐压能力，开关电极间距是可考虑的 因素之一。 西安理工大学硕士学位论文 然而当用一定波长的光脉冲照射丌关时，r 关体中的载流子 数目则取决于芯片吸收的光子数量、光子能量和载流子的寿命 r ，其中载流子寿命取决于材料类型。这时载流子浓度则随着 入射光强度的变化而变化，丌关的电阻动态变化。对于线性光 电