劉 鴻，鄭 理，朱曉玲，楊 維，戴松暉，楊煜婷，鄔 丹

(1.成都大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106;2.成都工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 611730)

0 引 言

研究高增益砷化鎵(GaAs)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)(Photoconductive Semiconductor Switches，PCSS)的物理機(jī)理具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值［1－7］.在半絕緣GaAs PCSS 中，載流子本征碰撞電離的電場(chǎng)閾值Eth高達(dá)400 kV/cm［8－9］，然而高增益砷化鎵光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的平均電場(chǎng)E≥10 kV/cm 就能夠觀察到載流子的雪崩生長(zhǎng)現(xiàn)象［6－7］，因此載流子的碰撞電離是需要研究的關(guān)鍵問(wèn)題.在分析高增益GaAs PCSS 實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上，本研究闡述了電子雪崩域的物理過(guò)程，以此揭示載流子在局域內(nèi)雪崩生長(zhǎng)的本質(zhì)特性.

1 電子雪崩域

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用點(diǎn)光源照射砷化鎵光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的陰極，且高增益GaAs PCSS 兩端的偏置電場(chǎng)E 低于砷化鎵材料的本征碰撞電離的閾值電場(chǎng)Eth(E ＜Eth)時(shí)，器件中發(fā)生了載流子碰撞電離雪崩生長(zhǎng)，形成絲狀電流傳播的現(xiàn)象［7］.

1.1 絲狀電流的形成

在高增益GaAs PCSS 中，激光束點(diǎn)光源激活光導(dǎo)開(kāi)關(guān)，在與陰極相接觸的光斑處產(chǎn)生一個(gè)局域非平衡載流子密度區(qū)域，如圖1 圓形虛線所示.這個(gè)區(qū)域在照明期間保持高的光電導(dǎo)率，因此大量電子能夠從陰極注入該區(qū)域.如果局域非平衡載流子密度npe與該區(qū)域的特征長(zhǎng)度LE的乘積大于1012cm－2，且該局域的電場(chǎng)在負(fù)微分遷移率(N-shaped Negative Differential Conductivity，N-NDC)范圍，該區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)(Transferred-electron Effect，TEE)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲗?dǎo)作用方面，則生長(zhǎng)偶極疇能夠形成［10－12］，如圖1 所示，其中b 表示生長(zhǎng)疇的寬度.

圖1 觸發(fā)激光聚焦在一個(gè)小點(diǎn)，緊鄰陰極照明光導(dǎo)開(kāi)關(guān)示意圖

當(dāng)偏置電場(chǎng)E 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于砷化鎵材料中載流子本征碰撞電離的電場(chǎng)閾值Eth時(shí)，大量注入電子可能不均勻地分布在生長(zhǎng)疇的積累層上，漂移的TEE 高場(chǎng)疇通過(guò)積累載流子，一方面可能使積累層上某些部位的電子積累達(dá)到雪崩臨界值nc=1017cm－3［2］，另一方面將外加電場(chǎng)的相當(dāng)部分集中在很小的疇區(qū)內(nèi)，疇內(nèi)形成的局域強(qiáng)電場(chǎng)E 可能達(dá)到或超過(guò)砷化鎵材料中載流子的本征碰撞電離的電場(chǎng)閾值Eth(即E≥Eth)［13］，導(dǎo)致疇區(qū)內(nèi)的載流子本征碰撞電離雪崩生長(zhǎng)發(fā)生在沿電場(chǎng)方向的整個(gè)疇寬范圍，生長(zhǎng)疇也被這些雪崩區(qū)域分隔成多個(gè)亞區(qū).例如，在生長(zhǎng)疇內(nèi)存在一個(gè)雪崩區(qū)域，則生長(zhǎng)疇在垂直電場(chǎng)的方向上被分成3 個(gè)亞區(qū)，如圖1 所示.在生長(zhǎng)疇的雪崩區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生的載流子密度一旦達(dá)到1018cm－3數(shù)量級(jí)，將導(dǎo)致這樣的亞區(qū)成為近似的電中性.這是由于載流子雪崩生長(zhǎng)產(chǎn)生的密度對(duì)電場(chǎng)的變化率大于零，即，

過(guò)補(bǔ)償了陷阱填充效應(yīng)引起的dn/dE ＜0 和轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)引起的電子漂移速度v 對(duì)電場(chǎng)的變化率小于零，即，

所造成的結(jié)果.因此，該亞區(qū)內(nèi)的N-NDC 特征消失.即，雪崩擊穿消除了該亞區(qū)內(nèi)的初始空間電荷結(jié)構(gòu)(即疇形結(jié)構(gòu))，導(dǎo)致N-NDC 特征直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍拓?fù)微分電導(dǎo)率(S-type Negative Differential Conductivity，S-NDC)特征，從而初級(jí)絲狀電流(即電流絲)能夠形成.從這個(gè)意義上講，生長(zhǎng)疇中由于高電場(chǎng)和高載流子密度導(dǎo)致的雪崩區(qū)域被稱為“電子雪崩域(Electron Avalanche Domain，EAD)”，如圖1 所示.

1.2 電流絲的傳播

當(dāng)初級(jí)電流絲(長(zhǎng)度為d)離開(kāi)觸發(fā)區(qū)而進(jìn)入絕緣區(qū)時(shí)，它發(fā)射的復(fù)合輻射的光致電離［5，10，14－18］，在其周?chē)囊欢ǚ秶鷥?nèi)產(chǎn)生了大量的非平衡光電子—空穴對(duì)，形成了新的活性區(qū)域，即初級(jí)電流絲成為了替代外界電離因子作用的“輻射電離源".絲電流是具有高電導(dǎo)率的等離子通道，電流絲的頂部附著高密度電子，能夠?yàn)榍懊娴纳L(zhǎng)疇注入電子，其尾部能夠很好地吸入電子.因此，進(jìn)入絕緣區(qū)的電流絲可以形象地看成為“延伸進(jìn)入PCSS 的絕緣區(qū)內(nèi)的電極".此外，本研究只討論緊鄰陰極接觸處形成的初級(jí)電流絲，該電流絲可以認(rèn)為是“延伸進(jìn)入PCSS 的絕緣區(qū)內(nèi)的陰極".

電流絲的復(fù)合輻射在電流絲的前端(頂部)周?chē)a(chǎn)生非平衡載流子密度區(qū)域如圖2 所示.如果活性區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)在N-NDC 范圍，TEE 生長(zhǎng)疇在這個(gè)局域內(nèi)成核，電流絲頂部前面的生長(zhǎng)疇將移動(dòng)生長(zhǎng).如果在這個(gè)移動(dòng)疇離開(kāi)激活區(qū)域前，電流絲頂部的電子注入高場(chǎng)疇的積累層，在部分位置上載流子密度達(dá)到雪崩臨界值nc，漂移的TEE 高場(chǎng)疇通過(guò)積累載流子，將外加電場(chǎng)的相當(dāng)部分集中在很小的疇區(qū)內(nèi)，疇區(qū)內(nèi)形成的局域強(qiáng)電場(chǎng)E 達(dá)到或超過(guò)砷化鎵材料中載流子的本征碰撞電離的電場(chǎng)閾值Eth，則相應(yīng)部分亞區(qū)形成EAD，該區(qū)域內(nèi)的載流子雪崩生長(zhǎng)達(dá)到絲電流條件，就推進(jìn)了電流絲結(jié)構(gòu)，即絲電流傳播發(fā)生.電流絲傳播的物理圖像也如圖2 所示.由于統(tǒng)計(jì)隨機(jī)性，電流絲頂部的電子注入TEE 生長(zhǎng)疇的部分積累層產(chǎn)生了一個(gè)EAD，將生長(zhǎng)疇區(qū)域分割成了3 個(gè)亞區(qū)，新一級(jí)的電流絲將形成.

圖2 電流絲(長(zhǎng)度為d)傳播期間，由于電流絲頂部的電子注入，形成的后代電子雪崩域示意圖

此外，由圖2 可見(jiàn)，每一級(jí)電流絲生長(zhǎng)的長(zhǎng)度就是相應(yīng)的EAD 的長(zhǎng)度，而EAD 的長(zhǎng)度則是TEE 生長(zhǎng)疇的寬度b.同理，隨后的電流絲機(jī)制發(fā)生，這是一個(gè)自持的重復(fù)過(guò)程，直到電流絲連通GaAs PCSS的2 個(gè)電極，形成高電導(dǎo)率的電流通道.

1.3 討 論

電子雪崩域內(nèi)的電場(chǎng)E 不小于該材料的本征碰撞電離的電場(chǎng)閾值Eth，載流子密度n 不小于該材料的臨界雪崩載流子密度nc，這2 個(gè)條件缺一不可，且同時(shí)滿足2 個(gè)條件是EAD 形成的充分必要條件.在半絕緣砷化鎵光導(dǎo)開(kāi)關(guān)中，取Eth= 400 kV/cm［2，8－9］和nc=1017cm－3［2］.

光致電離效應(yīng)、載流子注入機(jī)制和TEE 高場(chǎng)疇對(duì)于EAD 是否能夠形成具有直接決定意義.

2 結(jié) 論

在高增益GaAs PCSS 中，電子雪崩域模型揭示了載流子的碰撞電離對(duì)電場(chǎng)和載流子密度2 個(gè)方面的要求，載流子雪崩生長(zhǎng)具有局域特性.

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