半导体光电导体开关(Photoconductive Semiconductor Switch, 简称 PCSS)是超快脉冲激光器与半绝缘GaAs、InP、ZnSe和金刚石等化合物半导体材料相结合而发展起来的一种新型固态半导体开关器件, 是通过超快脉冲光注入方式产生载流子, 而对材料的电阻率控制来实现器件功能的。其工作原理是利用半导体的本征耐压特性或pn结反向耐压特性, 使半导体开关能够承受高电压, 然后以光注入或电注入的触发方式, 在极短的时间内产生大量的非平衡载流子, 致使开关得以导通。这种光电导开关具有可靠性高、使用寿命长、工作频率高等优点, 具有传统高功率脉冲器件不具备的优良性能, 广泛地应用于高功率微波、超快电子学等领域, 在产生高功率脉冲领域有很大发展潜力^[1]。迄今为止, GaAs仍是制作光导开关的主流材料, 已有许多用532 nm、780 nm、876 nm、900 nm、1 064 nm和1 530 nm激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关的研究报道^[2-11]。本文主要采用Nd:YAG激光器作为触发光源, 通过实验及理论分析, 对GaAs光导开关的光电性能和输出特性等进行了详细研究。

1、实验原理及装置

实验采用横向型结构的光电导开关, 实验原理如图 1所示, 将其接入与之匹配的平面传输线上, 通过微带过渡接头与同轴电缆相连接, 其中：微带传输线采用Al₂O₃复铜板制作, 由于Al₂O₃具有高导热性能, 使得开关具有很好的散热性能。开关的芯片材料选用半绝缘GaAs, 暗态电阻率为ρ>5×10⁷ Ω·cm, 本征击穿电场为250 kV/cm；电子的浓度为n≈10¹⁴ cm^-3, 迁移率为μ>5 500 cm²/V·s, 载流子的复合寿命小于1ns, 开关晶片尺寸为0.6 mm×20 mm×10 mm, 电极尺寸为6 mm×4 mm, 光电导开关电极为Au/Ge/Ni合金与GaAs芯片形成良好的欧姆接触, 电场阈值为4.1 kV/cm；实验中选用的触发光源是SKLTOT-L1型YAG-ps染料锁模激光器, 输出光脉冲波长分别为800 nm和532 nm, 单脉冲能量可在1nJ至10 mJ之间变化, 平均功率范围为800～900 mW, 重复频率为82 MHz；实验用直流高电压源输出电压为0~10 kV, 实验测试用示波器为8600 A wave master系列, 带宽为6 GHz, 测试电路如图 2所示。

2、输出电脉冲的振荡效应 (2.1) 实验观察

用波长为532 nm、单脉冲能量为0.5 mJ激光脉冲触发间隙为4 mm的上述光电导开关, 在不同的偏置电压条件下, 开关将输出两种不同模式的电脉冲, 如图 3所示。(1) 当偏置电压为1.5 kV时, 输出的电脉冲为图 3(a), 波形在经历了一个高斯型主脉冲后, 呈现出几个连续的减幅振荡, 但开关仍处于线性工作状态而并未引起非线性变化。(2) 当偏置电压达到3 kV时, 电脉冲波形为图 3(b), 在主脉冲过后呈现出周期性的不同程度的减幅振荡并逐渐消失, 最后进入稳定的Lock-on锁定状态。

(2.2) 振荡效应分析

一般而言, 光电导开关有两种工作状态, 即线性状态和非线性状态。由半导体的光电子学理论可知, 以上两种工作机制的本质均是触发光子与电子相互作用从而产生非平衡载流子, 在偏置电场和光场作用下, 开关材料内主要会发生光吸收与载流子激发、非平衡载流子弛豫与迁移以及载流子的复合等过程, 非平衡载流子会在产生、弛豫以及复合过程中相互竞争, 在输运过程中迁移率会发生变化, 从而会导致光电导发生变化的光电导现象, 呈现出线性与非线性状态的电脉冲输出。通常, 光电导现象存在于光激发非平衡载流子的寿命时间内^[12]。

2.2.1. 非平衡热载流子的输运与复合

在实验中我们选用的触发激光脉冲波长为532 nm, 当照射到GaAs开关芯片时, 将瞬态地在开关芯片材料中产生大量的非平衡载流子(电子—空穴对)。这种波长为532 nm的光子能量远大于GaAs材料的禁带宽度(即hv>>E_g), 由于光激发而产生的非平衡载流子(电子和空穴)均处于较高激发状态, 从而会远离能带底, 也称之为热激发态或热载流子, 而处于高激发状态的非平衡载流子会再经过无辐射跃迁复合或者辐射跃迁复合的过程回到基态。通常, GaAs材料中空穴的有效质量很大, 约是电子质量的6～8倍, 空穴对于光电信号的影响通常可以忽略, 因此在产生与输运过程中主要考虑热载流子的影响。当波长为532 nm的激光触发GaAs开关时, 热载流子处于高激发状态而远离导带底部, 热载流子在弛豫和迁移过程中与GaAs中的载流子和晶格相互作用, 电子—电子、电子—声子的相互作用最强烈, 于是热载流子首先选择上述过程弛豫到达导带底附近, 最后再经过辐射跃迁或无辐射跃迁的过程复合至基态。对于极性半导体GaAs而言, 热载流子—LO声子弛豫过程为在经历了几个连续的纵光学声子(LO声子)弛豫过后, 热载流子的动能会迅速下降到小于一个LO声子能量的值, 之后再经过热电子与声学声子的相互作用使电子弛豫到导带底的稳定平衡状态。因此, 热载流子—声子之间的弛豫过程主要是热载流子在导带底附近且能量小于一个光学声子能量范围内的相互作用过程。

2.2.2. 带内非平衡热载流子光电导

当照射到GaAs开关芯片的触发激光脉冲波长为532 nm时, 开关中将瞬态地产生大量的非平衡热载流子, 若触发开始时非平衡热载流子能量为E₀=hv-E_g, 在连续经历LO声子散射(n次散射)以后, 热载流子的能量减少到E_h=E₀-nћω₀。可见, 无论触发瞬态非平衡热载流子的能量如何变化, 随着LO声子散射弛豫过后的热载流子能量始终在0～ћω₀之间变化, 使热载流子在电场中的迁移率在一定范围内出现以ћω₀为周期的变化, 呈现出振荡现象, 进而导致光电导出现振荡。在特征弛豫时间之间及与载流子寿命之间的关系不同时, 所观察到的光电导振荡现象不同。

(1) 非平衡热载流子寿命小于电子—声学声子弛豫时间时(GaAs材料载流子的寿命为ns量级), 在光触发后非平衡热载流子的寿命时间内, 热载流子始终处于非平衡状态, 在电场中加速使能量增加, 电子—声子散射主要表现为载流子与声学声子的作用, 能量始终在0～ћω₀之间变化, 其迁移率随瞬态能量的增加表现出以ћω₀为周期振荡变化, 迁移率或者光电导的极小值出现在热电子能量为E_h=ћω₀的位置处, 呈现出迁移率调制下的光电导振荡现象。

(2) 当非平衡热载流子的触发能量大于俘获能量而恰好等于光学声子能量的整数倍时, 非平衡载流子被俘获的几率显著增加, 热载流子寿命有极小值, 可导致由俘获机制引起寿命调制的光电导振荡现象。

(3) 动量损失也将引起光电导振荡现象。在非平衡热载流子能量小于光学声子能量ћω₀的情况下, 热载流子将从外加偏置电场中获得能量并且经过连续的LO声子散射会弛豫到导带底附近, 造成在电场方向上动量损失, 从而引起电流减小产生光电导振荡现象。

因此, 在非平衡热载流子弛豫与复合的竞争过程中, 引起了载流子迁移率的振荡, 进而导致了光电导的振荡现象。另外, 动量损失、带间激发和激子激发过程也是导致光电导振荡现象的一个原因。

3、实验参数对开关输出特性的影响

一般而言, 要提高光电导开关的输出性能, 拟采用的方法就是减小开关输出的上升时间和提高开关的耐压性能。在一定的触发光能和绝缘封装条件下, 若要提高开关的耐压性能, 就需要采用电极间隙较大的光电导开关；又由于大功率超短脉冲激光器, 尤其是大功率飞秒激光器价格昂贵、制造困难, 使得大功率光电导开关在实际应用中会经常受到触发光源限制, 因此可选择的光源是十分有限的。同时, 电脉冲的上升时间和脉宽主要和触发光脉冲的脉宽有关, 在能量不饱和的情况下, 还和激励光能量和缝隙长度有关, 因而应在耐压允许的情况下, 尽量缩短缝隙长度；但提高辐射功率的主要途径是提高耐压, 而要提高耐压, 就要采用大间隙的开关, 但大间隙开关在相同触发条件下导通效率又低。解决的方法是通过实验和理论分析, 找出满足要求的最佳结合点, 对开关进行优化设计。因此, 如何在触发光功率一定的条件下设计开关, 获得最大输出功率的光电导开关具有实际意义。理论与实验显示, 光电导开关电极间隙的增大将有利于提高开关的耐压能力, 但距离过大又将影响开关的通态电阻和开关的超快特性。开关导通状态负载上的功率P为：

$P={{\left( \frac{L\xi }{R+{{R}_{on}}} \right)}^{2}}\frac{R}{\omega }。$

(1)

其中：L为开关间隙, ξ为开关能承受的最大电场强度, ω为光脉冲的重复频率, R为负载电阻, R_on为开关的通态电阻。

${{R}_{on}}=\frac{{{L}^{2}}hv}{Eq\mu }+{{r}_{0}}。$

(2)

其中：hν为光子能量, E为单脉冲光能量, q为电子电量, μ为迁移率, r₀为欧姆电极电阻。

(3.1) 电极间隙对开关输出功率的影响

由上述(1) (2) 两式可得到在特定的触发光能条件下, 开关导通状态负载上输出功率与电极间隙的变化关系曲线。曲线上有极值, 表明：一旦触发光能量被选定, 就可以找出最佳的电极间隙条件, 以保证开关负载输出最大的功率。实验选用光能量为1 μJ、波长为800 nm的触发光源, 负载电阻为50 Ω, 得到光电导开关输出功率W_f随电极间隙的变化关系, 如图 4所示。可见, 当电极间隙的大小在0.8～1 mm范围内时, 光电导开关输出功率最大。理论计算结果与实验结果一致。

(3.2) 触发光功率对开关输出功率的影响

选用电极间隙分别为3 mm和4 mm的光电导开关, 得到输出功率随着触发光能量变化的拟合结果, 如图 5所示。由图 5可知, 对于某一特定电极间隙的开关, 输出功率随着触发光能量的增加而增大, 逐渐将趋于饱和；当输出功率达到饱和条件以后, 即使触发光能量继续增大, 开关负载的输出功率也不会增加。因此, 可得到输出功率等于饱和值时的最佳触发光能值。

(3.3) 电极间隙对开关超快特性的影响

选用电极间隙分别为0.5 mm、1.5 mm、2.2 mm、2.5 mm的光电导开关进行实验, 可得到开关具有不同电极间隙时, 对输出电脉冲的上升时间及峰值电压的影响关系。图 6为光电导开关输出电脉冲上升时间随开关电极间隙变化的曲线, 图 7为光电导开关输出电压随开关电极间隙变化的曲线。

可见, 在外界光电条件不变的情况下, 开关电极间隙越小, 输出电脉冲上升时间越短, 输出功率将会越大。这是因为在相同偏置电压条件下, 电极间隙增大将会导致开关中的偏置电场减小。在低场条件下, 迁移速度和偏置电场为线性关系, 可使光电导减小, 因此输出电脉冲幅值减小；在高场条件下, 为了提高开关的上升时间和输出功率, 就必须使开关工作在饱和状态下, 触发光脉冲的宽度要求尽量窄。

4、结语

对于横向型半绝缘GaAs光电导开关的光电性能和输出特性等进行了详细研究。认为导致输出电脉冲振荡效应的主要原因是光电导振荡现象；当外界光电条件一定, 开关电极间隙越小, 输出电脉冲上升时间越短, 输出功率越大。为了提高开关的上升时间和输出功率, 必须使光电导开关工作在饱和状态, 而且触发光脉冲的宽度应该尽量窄。为在触发光能量一定的条件下设计光电导开关, 获得最大的输出功率具有重要的实际意义。