田立強(qiáng) 潘璁 施衛(wèi) 潘藝柯 冉恩澤 李存霞

(西安理工大學(xué)理學(xué)院,西安 710048)

光電導(dǎo)開關(guān)非線性模式的產(chǎn)生機(jī)理研究是該領(lǐng)域熱點(diǎn)問(wèn)題之一.本文采用波長(zhǎng)1064 nm、脈寬5 ns 的激光脈沖觸發(fā)半絕緣GaAs 光電導(dǎo)開關(guān),在觸發(fā)光能1 mJ、偏置電壓2750 V 時(shí)獲得穩(wěn)定的非線性波形.基于雙光子吸收模型,計(jì)算了開關(guān)體內(nèi)光生載流子濃度,計(jì)算結(jié)果表明光生載流子彌補(bǔ)了材料本征載流子的不足,在開關(guān)體內(nèi)形成由光生載流子參與的電荷疇.依據(jù)轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)原理,對(duì)疇內(nèi)的峰值電場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果表明高濃度載流子可使疇內(nèi)峰值電場(chǎng)遠(yuǎn)高于材料的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng),致使疇內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的雪崩電離.基于光激發(fā)雪崩疇模型,對(duì)非線性模式的典型實(shí)驗(yàn)規(guī)律進(jìn)行了解釋,理論與實(shí)驗(yàn)一致.基于漂移擴(kuò)散模型和負(fù)微分電導(dǎo)率效應(yīng),對(duì)觸發(fā)瞬態(tài)開關(guān)體內(nèi)電場(chǎng)進(jìn)行仿真,結(jié)果表明開關(guān)體內(nèi)存在有峰值電場(chǎng)達(dá)GaAs 本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)的多疇輸運(yùn)現(xiàn)象.該研究為非線性光電導(dǎo)開關(guān)的產(chǎn)生機(jī)理及光激發(fā)電荷疇理論的完善提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論支撐.

1 引言

高功率超快開關(guān)是脈沖功率系統(tǒng)的核心部件,其不僅決定了脈沖功率裝置的輸出特性,在某種程度上甚至是脈沖功率系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵.傳統(tǒng)的脈沖功率開關(guān)是氣體開關(guān),例如閘流管(thyratrons)和火花隙開關(guān)(spark gap),它們已在高功率脈沖激光、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、沖擊雷達(dá)、高功率微波源等有重要應(yīng)用.然而由于這些開關(guān)的體積大、觸發(fā)抖動(dòng)、開啟時(shí)間長(zhǎng)、有限功率容量等固有缺點(diǎn),而限制了它們的應(yīng)用[1-3].

光電導(dǎo)開關(guān)(photoconductor semiconductor switches,PCSSs)是利用超短脈沖激光器與光電導(dǎo)材料相結(jié)合形成的一類新型半導(dǎo)體光電子器件.與傳統(tǒng)開關(guān)相比,PCSSs 具有開關(guān)速度快(亞納秒量級(jí))、觸發(fā)抖動(dòng)低(皮秒量級(jí))、寄生電感電容小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等特點(diǎn),特別是耐高壓及其大功率容量,使其在超高速電子學(xué)、大功率脈沖產(chǎn)生與整形(大功率亞納秒脈沖源、超寬帶射頻發(fā)生器)及THz 輻射等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[4-16].

研制高功率PCSSs 可選用的材料有SiC、金剛石、InP、Si、GaAs 等,由于Si 和GaAs 材料的制備工藝相對(duì)成熟,成為研制PCSSs 的主要材料.與Si 材料相比較,GaAs 具有電子遷移率高、擊穿強(qiáng)度大、載流子壽命短等特點(diǎn),特別是GaAs PCSSs在強(qiáng)電場(chǎng)作用下具有的載流子雪崩倍增效應(yīng)使開關(guān)導(dǎo)通所需的觸發(fā)光能顯著減少的特點(diǎn),使得GaAs材料成為研制高功率高重復(fù)頻率超快PCSSs 的首選材料[17-19].GaAs PCSSs 具有兩種不同的工作模式: 線性工作模式和非線性工作模式.當(dāng)開關(guān)偏置電場(chǎng)低于某一閾值時(shí),開關(guān)工作于線性模式,此時(shí)開關(guān)輸出電脈沖波形完全由觸發(fā)光脈沖決定,開關(guān)每吸收一個(gè)光子,最多產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì),光電導(dǎo)開關(guān)線性模式的導(dǎo)通機(jī)理很容易用光子將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶的導(dǎo)電過(guò)程加以解釋.當(dāng)光電導(dǎo)開關(guān)的偏置電場(chǎng)高于某一閾值時(shí),開關(guān)將工作于非線性模式(即高倍增模式,或lock-on 效應(yīng)),其典型特征是開關(guān)每吸收一個(gè)光子可產(chǎn)生多個(gè)電子-空穴(開關(guān)體內(nèi)發(fā)生了載流子的雪崩碰撞電離).非線性光電導(dǎo)開關(guān)具有引發(fā)、維持和恢復(fù)階段,其特點(diǎn)有: 1) 非線性模式存在觸發(fā)光能和偏置電場(chǎng)閾值;2) 觸發(fā)光脈沖和輸出電脈沖之間存在時(shí)間延遲;3) 開關(guān)導(dǎo)通時(shí),開關(guān)電流在開關(guān)體內(nèi)匯聚成絲,絲狀電流在開關(guān)體內(nèi)的傳播速度比載流子的飽和漂移速度大1—2 個(gè)數(shù)量級(jí);4) 開關(guān)電場(chǎng)鎖定在一個(gè)與初始偏置電場(chǎng)、開關(guān)的幾何尺寸無(wú)關(guān)的穩(wěn)定值;5) 開關(guān)導(dǎo)通所需光能比線性模式下小3—5 個(gè)數(shù)量級(jí).由于非線性光電導(dǎo)開關(guān)具有弱光觸發(fā)的大功率超快特性,從而引起脈沖功率界研究人員極大地興趣.然而,非線性光電導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通過(guò)程中,電流高度集中成絲,且導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)達(dá)μs 量級(jí),這極大地限制了開光的使用壽命和重復(fù)頻率.由于強(qiáng)電場(chǎng)下GaAs 材料特殊能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的載流子復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為,直到目前,對(duì)GaAs PCSSs 的非線性工作模式還未形成統(tǒng)一的理論[20-22].

本文采用波長(zhǎng)1064 nm、脈寬5 ns 的激光脈沖觸發(fā)GaAs PCSSs,在獲得穩(wěn)定非線性波形的基礎(chǔ)上,依據(jù)光激發(fā)電荷疇理論[17]和雙光子吸收模型,對(duì)非線性光電導(dǎo)開關(guān)觸發(fā)瞬態(tài)過(guò)程中的雪崩倍增機(jī)理、電場(chǎng)鎖定效應(yīng)、載流子超快輸運(yùn)特性、及光激發(fā)載流子濃度進(jìn)行理論分析和計(jì)算,并基于漂移擴(kuò)散模型和負(fù)微分電導(dǎo)機(jī)制對(duì)光激發(fā)電荷疇的輸運(yùn)特性進(jìn)行仿真.本研究為GaAs 功率器件在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境下的載流子輸運(yùn)機(jī)制研究提供理論依據(jù).

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用橫向PCSSs,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,開關(guān)芯片為半絕緣(semi-insulating,SI)液封直拉(liquid encapsulated Czochralski,LEC)原生GaAs,摻雜濃度為1.5×107cm—3,材料暗態(tài)電阻率ρ≥5×107Ω·cm,電子遷移率μ＞5500 cm2/(V·s),開關(guān)芯片厚度為0.6 mm、寬為0.8 mm、長(zhǎng)為1.0 cm.開關(guān)電極為Au/Ge/Ni 合金電極,通過(guò)電子束蒸發(fā)工藝,經(jīng)退火處理與開關(guān)芯片形成歐姆接觸.電極尺寸為8 mm×3 mm,電極間隙為3 mm.開關(guān)的絕緣保護(hù)采用多層固態(tài)透明介質(zhì)(見(jiàn)圖1),第1 層介質(zhì)是Si3N4鈍化保護(hù)層,第2 層介質(zhì)是新型有機(jī)硅凝膠.開關(guān)芯片放置在由高導(dǎo)熱率性能的Al2O3陶瓷敷銅板制作的微帶傳輸線襯底上,通過(guò)同軸接頭形成開關(guān)的輸入/輸出端.

圖1 光電導(dǎo)開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Diagram of the structure of the lateral switch.

開關(guān)的測(cè)試電路如圖2 所示.開關(guān)的偏置電壓由0.01 μF 的儲(chǔ)能電容提供,電容器經(jīng)10 MΩ 電阻與高壓直流電源連接,開關(guān)輸出端經(jīng)帶寬4 GHz,60 dB 的同軸衰減器與帶寬6 GHz 的示波器(Le-Croy-8600 A)連接,觸發(fā)光源為波長(zhǎng)1064 nm、脈沖寬度為5 ns 的摻釹: 釔鋁石榴石(Nd: YAG)納秒脈沖激光器.用KSDP2210-CAS-1 光能量計(jì)對(duì)觸發(fā)光能進(jìn)行測(cè)量.

圖2 光電導(dǎo)開關(guān)的測(cè)試電路Fig.2.Test circuit of the switch.

開關(guān)觸發(fā)光采用點(diǎn)觸發(fā)方式,聚焦光斑直徑大小約0.3 mm,觸發(fā)光的脈沖能量為1 mJ.開關(guān)的起始偏置電壓為100 V,隨后,偏置電壓每升高50 V 觸發(fā)一次開關(guān).起初開關(guān)工作于線性模式,圖3 為偏置電壓為500 V 時(shí)開關(guān)輸出的線性電脈沖波形(重復(fù)觸發(fā)開關(guān)50 次的線性電脈沖的重疊圖),可以看出線性模式下開關(guān)輸出電脈沖十分穩(wěn)定,脈沖寬度約10 ns,脈沖下降沿約20 ns(由光激發(fā)載流子壽命決定).當(dāng)開關(guān)電壓升高至2750 V(對(duì)應(yīng)偏置電場(chǎng)為9.17 kV/cm)時(shí),開關(guān)進(jìn)入非線性模式,圖4 為重復(fù)觸發(fā)開關(guān)50 次時(shí)開關(guān)輸出非線性電脈沖波形的重疊圖,這時(shí)開關(guān)輸出的電流波形突然加寬,脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)μs 量級(jí).由圖4 可以看出,除由于偏置電壓的漲落(約為5%)引起輸出波形有微小變化ΔU(約120 V)外,開關(guān)輸出基本穩(wěn)定.當(dāng)偏置電壓繼續(xù)升高時(shí),開關(guān)輸出電脈沖也隨之增高,但開關(guān)上的分壓始終保持不變,鎖定在一個(gè)確定的量值,即開關(guān)發(fā)生了電場(chǎng)鎖定效應(yīng).從圖4 可以看出,開關(guān)的lock-on 電壓約2060 V(開關(guān)的偏置電壓減輸出電壓),對(duì)應(yīng)lock-on 電場(chǎng)為6.87 kV/cm.

圖3 偏置電壓為500 V、觸發(fā)光能為1 mJ 時(shí),開關(guān)輸出的50 次重疊線性波形Fig.3.Superposed linear waveform of fifty times output from the switch under the bias of 500 V and trigger optical pulse energy of 1 mJ.

圖4 偏置電壓為2750 V,觸發(fā)光能為1 mJ 時(shí),開關(guān)輸出的50 次重疊非線性波形,ΔU 為偏置電壓漲落引起的開關(guān)輸出電壓變化Fig.4.Superposed nonlinear waveform of fifty times output from the switch under the bias of 2750 V and trigger optical pulse energy of 1 mJ,ΔU is the uncertainty limit of output voltage caused by bias voltage fluctuation.

3 光激發(fā)電荷疇模型

對(duì)于GaAs 等III-V 族化合物半導(dǎo)體器件,當(dāng)器件的偏置電場(chǎng)高于某一閾值電場(chǎng)(耿氏閾值電場(chǎng),對(duì)GaAs 材料約為3.2—4.2 kV/cm)時(shí),器件體內(nèi)將發(fā)生電子由主能谷向子能谷散射的轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)[23].由于子能谷電子遷移率遠(yuǎn)小于主能谷的電子遷移率,從而發(fā)生負(fù)微分遷移率效應(yīng).這時(shí)隨著偏置電場(chǎng)的增強(qiáng),電子的漂移速度反而下降.通常,當(dāng)器件工作時(shí),電子在陰極的注入會(huì)導(dǎo)致陰極附近電場(chǎng)畸變而形成高電場(chǎng)區(qū),因此轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)首先發(fā)生在器件陰極附近區(qū)域.在該區(qū)內(nèi),由于負(fù)微分遷移率效應(yīng),電子的速度隨電場(chǎng)的增大而減小,但高場(chǎng)區(qū)前后電場(chǎng)較低,因而高場(chǎng)區(qū)外電子的漂移速度大于區(qū)內(nèi)電子的漂移速度,于是在高場(chǎng)區(qū)后面看,就會(huì)形成電子的積累.電子的積累會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域的電場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng),這樣由于負(fù)微分遷移率效應(yīng),電子會(huì)進(jìn)一步的堆積,于是出現(xiàn)高濃度的電荷區(qū)域,這便形成了空間電荷疇.

由于穩(wěn)態(tài)疇的形成需要一定的時(shí)間(疇生長(zhǎng)時(shí)間),這就要求疇的渡越時(shí)間(電荷疇從陰極運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極的時(shí)間)必須長(zhǎng)于疇的生長(zhǎng)時(shí)間,克羅默(Kroemer)首先從理論上指出,要形成穩(wěn)態(tài)疇必須滿足器件載流子濃度與器件長(zhǎng)度的乘積大于某一閾值,其給出的閾值條件為[24]

式中L為器件長(zhǎng)度,n為器件材料的摻雜濃度.對(duì)于半絕緣(SI)GaAs,由于材料的摻雜濃度很低,一般不能滿足克羅默判據(jù),因此認(rèn)為SI-GaAs 器件中不能產(chǎn)生電荷疇[25].

在非線性光電導(dǎo)開關(guān)的大量實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)[17,19,22]:1)開關(guān)的非線性模式僅存在于由III-V 族化合物半導(dǎo)體研制的開關(guān)中;2)且開關(guān)的偏置電場(chǎng)及l(fā)ock-on 電場(chǎng)均大于耿氏閾值電場(chǎng).由于開關(guān)在觸發(fā)瞬間,開關(guān)體內(nèi)將產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì),且光激發(fā)載流子壽命(ns 量級(jí))[22]遠(yuǎn)大于疇的生長(zhǎng)時(shí)間(ps 量級(jí))[23],因此,雖然本實(shí)驗(yàn)中開關(guān)間隙與載流子濃度的乘積僅為6×106cm—2(遠(yuǎn)小于閾值條件),但光注入載流子可彌補(bǔ)材料本征載流子的不足,參與疇的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程.在開關(guān)非線性模式實(shí)驗(yàn)中,觸發(fā)光能為1 mJ,脈沖寬度為5 ns,觸發(fā)光斑直徑為0.3 mm,則觸發(fā)光強(qiáng)度可計(jì)算為

式中Ea為入射光能量,TL為激光脈沖寬度,S為入射光斑面積.在如此高的光照條件下,可認(rèn)為雙光子吸收占主導(dǎo)地位[26],雙光子吸收過(guò)程可表示為

式中β為雙光子吸收系數(shù),對(duì)1064 nm 光波,GaAs的雙光子吸收系數(shù)β=23 cm/GW[27],求解(3)式可得透射光強(qiáng)為

式中d為開關(guān)芯片厚度,考慮到在雙光子吸收過(guò)程中,開關(guān)材料每吸收兩個(gè)光子只可產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì),因此光激發(fā)載流子濃度可表示為

式中R為空氣和GaAs 界面的反射系數(shù)(R≈0.3)[28],τ為SI-GaAs 材料的載流子壽命(τ≈1 ns)[29],hν為單個(gè)光子的能量.由(5)式計(jì)算可得光激發(fā)載流子濃度為2.66×1018cm—3.這時(shí)載流子濃度沿器件長(zhǎng)度的積分≈7.98×1016cm-2,該值遠(yuǎn)大于形成電荷疇所需的閾值條件,即在該實(shí)驗(yàn)的觸發(fā)光電閾值條件下,開關(guān)體內(nèi)可發(fā)生由光激發(fā)載流子形成的電荷疇(光激發(fā)電荷疇).因此,形成電荷疇所需載流子濃度與器件長(zhǎng)度乘積的閾值條件應(yīng)改寫為: 光注入載流子濃度與材料本征載流子濃度之和沿器件長(zhǎng)度的積分滿足克羅默閾值關(guān)系,該關(guān)系可表示為

式中n為材料的本征載流子濃度,n'為光注入載流子濃度.

4 非線性模式的機(jī)理分析

由以上分析計(jì)算可知,在SI-GaAs PCSSs 非線性工作模式下,能夠滿足形成電荷疇的基本條件,那么在開關(guān)導(dǎo)通過(guò)程中必然形成光激發(fā)電荷疇.對(duì)于穩(wěn)態(tài)電荷疇,在快速輸運(yùn)過(guò)程中,若忽略載流子擴(kuò)散的條件下,電荷疇內(nèi)電場(chǎng)分布呈三角形狀[30],如圖5 所示.疇沿傳播方向的空間寬度Wd和疇外電場(chǎng)E0可分別表示為[31]

圖5 電場(chǎng)呈三角形分布的空間電荷疇的示意圖,Ep 為疇內(nèi)峰值電場(chǎng),E0 為疇外電場(chǎng),Wd 為疇寬,υs 為載流子飽和漂移速度,x1 和x2 分別為電荷疇后端和前端位置坐標(biāo)Fig.5.Schematic of the space charge domains with a triangular shape electric field distribution,Ep is the peak electric field within the domain,E0 denotes the external electric field of the domain,and υs indicates the saturation drift velocity of the carriers,x1 and x2 represent the posterior and anterior position coordinates of the charge domain,respectively.

式中,ε=1.17×10—10C2/(N·m2)為GaAs 的介電常數(shù),e=1.602×10—19C 為電子電量,Ep為電荷疇內(nèi)的峰值電場(chǎng),υs=1×107cm/s 和μ分別表示電子的飽和漂移速度和電子的低場(chǎng)遷移率.令μ=8000 cm2/(V·s),Wd=0.1 μm[32],則 由(7)式和(8)式可得光激發(fā)電荷疇內(nèi)的峰值電場(chǎng)Ep=3.6×103kV/cm,該計(jì)算值遠(yuǎn)大于GaAs 材料的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)250 kV/cm[33].由于電荷疇內(nèi)電場(chǎng)可達(dá)到遠(yuǎn)大于材料本征擊穿的程度,因此,將在材料內(nèi)部引起強(qiáng)烈的雪崩電離.該雪崩疇的形成正是引發(fā)非線性PCSSs 載流子雪崩倍增的內(nèi)在物理機(jī)制,非線性模式的觸發(fā)光電閾值條件,實(shí)際為形成雪崩疇對(duì)器件載流子濃度和偏置電場(chǎng)的需求.

開關(guān)體內(nèi)發(fā)生碰撞電離后,隨即會(huì)出現(xiàn)載流子的復(fù)合過(guò)程,強(qiáng)烈的雪崩電離形成的帶間復(fù)合可產(chǎn)生大量的復(fù)合輻射光子,復(fù)合輻射光子可被材料再次吸收,而形成替代外部觸發(fā)的可移動(dòng)的觸發(fā)光源.復(fù)合輻射光子觸發(fā)形成的載流子同樣可參與電荷疇的形成,于是在初始雪崩疇傳播的方向上,可形成新的光激發(fā)電荷疇.由于初始電荷疇強(qiáng)烈的雪崩電離可形成高強(qiáng)度的復(fù)合發(fā)光,因此復(fù)合輻射的再吸收可激發(fā)高的載流子濃度,足以使新生疇的內(nèi)部電場(chǎng)達(dá)到雪崩的程度,于是新生疇重復(fù)初始疇的雪崩電離和復(fù)合發(fā)光過(guò)程.這種過(guò)程可以重復(fù)進(jìn)行,這樣就形成了非線性模式的多疇輸運(yùn)方式.帶間復(fù)合輻射光子的波長(zhǎng)為876 nm,該波長(zhǎng)光波在GaAs 材料中的吸收深度[34]為2 μm,這對(duì)應(yīng)于光子在相鄰兩個(gè)電荷疇之間傳播的距離,而疇的生長(zhǎng)時(shí)間為電荷疇以電子的飽和漂移速度在材料中的傳播時(shí)間,因此,傳播在最前面的光激發(fā)電荷疇(種子疇)等效于以電子的飽和漂移速度和光的傳播速度交替?zhèn)鬏?其表觀漂移速度可表示為

式中a為GaAs 材料的吸收深度,為光在GaAs 材料中的傳播速度(c=3.0×1010cm/s為真空中的光速),εr=13.18 為GaAs 材料的相對(duì)介電常數(shù)),υd=υs為疇的傳播速度,由于光的傳播速度恒大于電荷疇傳輸速度,因此γ為大于1 的系數(shù),τR=1 ps 為雪崩疇的生長(zhǎng)時(shí)間,則由(9)式可得載流子的漂移速度為υ=2.1×108cm/s,與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果基本一致[35].

由(9)式可以看出,在載流子飽和漂移速度不變的情況下,載流子的表觀漂移速度主要由復(fù)合輻射的吸收深度、光在GaAs 中的傳播速度、及雪崩疇的生長(zhǎng)時(shí)間決定.復(fù)合輻射的吸收深度主要由材料的能帶結(jié)構(gòu)和輻射光的波長(zhǎng)決定,光在介質(zhì)中的傳播速度主要決定于介質(zhì)的介電常數(shù),因此兩者均可認(rèn)為是不變的常數(shù).這樣,載流子表觀漂移速度主要決定于雪崩疇的生長(zhǎng)時(shí)間.當(dāng)偏置電壓增高時(shí),電荷疇達(dá)到雪崩所需時(shí)間將縮短,由(9)式可得表觀漂移速率將增大,開關(guān)的導(dǎo)通速度加快,輸出電脈沖上升時(shí)間變短,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[36].

在非線性PCSSs 觸發(fā)瞬間,由于高濃度光激發(fā)載流子可使光激發(fā)電荷疇內(nèi)電場(chǎng)達(dá)到遠(yuǎn)高于GaAs 材料本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)的程度,但由于疇內(nèi)的雪崩電離和復(fù)合發(fā)光,使得疇內(nèi)電場(chǎng)迅速下降,于是,除傳播于最前方的種子電荷疇外,其余電荷疇的內(nèi)部峰值電場(chǎng)最終降落到(或略高于)材料的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)的大小,以維持雪崩疇的輸運(yùn),雪崩疇模型的示意圖如圖6 所示.若令疇內(nèi)峰值電場(chǎng)為280 kV/cm,則三角形疇內(nèi)的平均電場(chǎng)為140 kV/cm,這時(shí)開關(guān)體內(nèi)的平均電場(chǎng),即lockon 電場(chǎng)可表示為

圖6 雪崩疇模型,區(qū)域A 為穩(wěn)態(tài)雪崩疇區(qū),區(qū)域B 為種子疇,區(qū)域C 為未電離區(qū)Fig.6.Avalanche charge domain model,region A is steady state avalanche charge domain,region B is seed charge domain,region C is unionized area.

式中,Nd為開關(guān)導(dǎo)通后開關(guān)體內(nèi)電荷疇數(shù)量,依據(jù)復(fù)合輻射光子觸發(fā)疇形成過(guò)程(光激發(fā)電荷疇傳輸機(jī)制),開關(guān)芯片內(nèi)的電荷疇數(shù)量可表示為

代入相關(guān)參量可得lock-on 電場(chǎng)約為6.94 kV/cm,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地符合.

由(10)式和(11)式可以看出,lock-on 電場(chǎng)決定于開關(guān)芯片材料特性相關(guān)的參數(shù)(載流子飽和漂移速度,疇外電場(chǎng),材料本征吸收限的吸收深度)和穩(wěn)態(tài)雪崩疇的特性(疇峰值電場(chǎng),疇生長(zhǎng)時(shí)間,疇寬度).當(dāng)電荷疇生長(zhǎng)時(shí)間不變時(shí),由(11)式可知開關(guān)體內(nèi)的電荷疇數(shù)量與器件長(zhǎng)度成正比,即當(dāng)器件長(zhǎng)度增大時(shí),電荷疇也隨之增加,二者的比值保持不變,則由(10)式可知,lock-on 電場(chǎng)與器件長(zhǎng)度無(wú)關(guān).當(dāng)偏置電場(chǎng)增大時(shí),雪崩疇的生長(zhǎng)時(shí)間縮短,疇的數(shù)量將增加,但由于疇數(shù)量、疇寬、峰值電場(chǎng)相互制約[37](制約機(jī)制還需要進(jìn)一步研究),仍可保持lock-on 電場(chǎng)恒定不變.

由以上分析可知,PCSSs 非線性模式中存在光激發(fā)載流子參與形成的電荷疇(光激發(fā)電荷疇),光激發(fā)電荷疇引起的局部電場(chǎng)增強(qiáng)(場(chǎng)強(qiáng)高于材料的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng))是非線性模式載流子雪崩倍增的內(nèi)在物理機(jī)制,開關(guān)體內(nèi)載流子的超快輸運(yùn)和lock-on 電場(chǎng)是光激發(fā)電荷疇傳輸機(jī)理和多疇輸運(yùn)模式的必然結(jié)果.由于開關(guān)所處電路不斷放電,使開關(guān)兩端電壓不斷下降,當(dāng)開關(guān)電場(chǎng)低于電荷疇的維持電場(chǎng)(電荷疇生存所需最小電場(chǎng))時(shí),光激發(fā)電荷疇在輸運(yùn)過(guò)程中猝滅[22],這樣開關(guān)就失去載流子倍增的內(nèi)在動(dòng)力,于是,由于載流子的不斷復(fù)合,開關(guān)將處于關(guān)斷狀態(tài).

5 雪崩疇特性

光激發(fā)電荷疇模型的關(guān)鍵在于指出PCSSs 非線性模式中存在有光激發(fā)載流子參與形成的雪崩疇.雖然光激發(fā)電荷疇模型對(duì)非線性模式的理論解釋為光激發(fā)電荷疇的存在具有支撐作用,但要承認(rèn)半絕緣GaAs 中可存在光誘導(dǎo)的雪崩疇,還需要進(jìn)一步的證據(jù).為此,利用Silvaco-Atlas 器件模擬器對(duì)光觸發(fā)下半絕緣GaAs 器件內(nèi)的瞬變電場(chǎng)分布進(jìn)行了2D 仿真.仿真選用半絕緣GaAs 的摻雜濃度為1×107cm—3,開關(guān)電極間隙為30 μm,芯片厚度為60 μm,觸發(fā)功率為106W.在無(wú)光照時(shí),器件長(zhǎng)度與載流子濃度乘積僅為3×104cm—2,不能滿足電荷疇形成條件,因此無(wú)論施加多大的偏置電壓,器件內(nèi)也不能形成電荷疇.為了在器件體內(nèi)形成電荷疇,使用波長(zhǎng)900 nm 的觸發(fā)光,在偏置電壓為200 V 時(shí),對(duì)器件瞬變載流子濃度和瞬變電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真研究.圖7 為開關(guān)觸發(fā)后360 ps 時(shí)器件內(nèi)瞬變載流子濃度分布,可以看出電極之間(觸發(fā)光覆蓋區(qū)域)載流子濃度分布在2×1016—2.5×1018cm—3范圍(與實(shí)驗(yàn)條件下理論計(jì)算得到的載流子濃度基本一致),能夠滿足載流子濃度與器件長(zhǎng)度乘積的耿氏閾值條件(n·L＞1012cm—2).圖8 為器件分別在觸發(fā)后300,360 和420 ps 的瞬變電場(chǎng)分布.從圖8 可以看出,器件內(nèi)存在有多疇輸運(yùn)現(xiàn)象,電荷疇的傳輸速度約為1×107cm/s,每個(gè)大的主電荷疇前后存在若干小的子電荷疇,主疇寬度d2約為5 μm,子疇寬度d1約為1 μm.觸發(fā)后時(shí)間300,360 和420 ps 時(shí)的疇內(nèi)最大峰值電場(chǎng)分別為256.7,304.4 和326.4 kV/cm,在陰極附近電荷疇的電場(chǎng)高達(dá)650.5 kV/cm.這種峰值電場(chǎng)接近、甚至超過(guò)GaAs 材料本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)的快速移動(dòng)多雪崩電荷疇?wèi)?yīng)該是形成非線性光電導(dǎo)載流子雪崩電離的主要機(jī)制.

圖7 觸發(fā)光功率為106 W,光觸發(fā)后360 ps 時(shí)開關(guān)體內(nèi)載流子濃度分布Fig.7.Snapshots of the carriers concentration profile in the bulk of switch at 360 ps after the optical trigger and under a trigger optical power of 106 W.

圖8 器件觸發(fā)后300,360 和420 ps 時(shí)開關(guān)體內(nèi)瞬變電場(chǎng)分布,d1 和d2 分別子疇和主疇的寬度,υ 為電荷疇的漂移速度Fig.8.Snapshots of the electric field profiles in the bulk of the switch at 300,360 and 420 ps,respectively after the switch triggered by the light.Here,d1 and d2 denote the width of subsidiary charge domain and main charge domain,repectively,and υ is drift velocity of the charge domain.

6 結(jié)論

本文進(jìn)行了SI-GaAs PCSSs 非線性工作模式實(shí)驗(yàn),在偏置電壓2750 V,觸發(fā)光能量1 mJ 時(shí),開關(guān)進(jìn)入非線性模式,獲得穩(wěn)定的非線性波形.結(jié)合開關(guān)非線性模式實(shí)驗(yàn),對(duì)SI-GaAs PCSSs 的光吸收機(jī)制和非線性模式的工作機(jī)理進(jìn)行理論分析和計(jì)算,并對(duì)光觸發(fā)下SI-GaAs 器件內(nèi)瞬變載流子濃度和電場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真.1)理論分析和計(jì)算結(jié)果表明,高功率ns 激光脈沖觸發(fā)下,雙光子吸收機(jī)制可使開關(guān)體內(nèi)產(chǎn)生高濃度的光激發(fā)載流子,使SI-GaAs PCSSs 滿足形成電荷疇所需的閾值條件;高濃度的載流子可使光激發(fā)電荷疇內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到遠(yuǎn)高于材料本征擊穿強(qiáng)度的程度,引起開關(guān)雪崩電離擊穿;載流子的超快輸運(yùn)是由于電荷疇內(nèi)雪崩電離引發(fā)的復(fù)合發(fā)光再吸收過(guò)程使種子疇(傳播在最前面的光激發(fā)電荷疇)以光速和載流子的飽和漂移速度交替輸運(yùn)造成的;lock-on 電場(chǎng)是由光激發(fā)雪崩疇輸運(yùn)機(jī)制及電荷疇的固有屬性決定.2)仿真結(jié)果表明,光激發(fā)載流子可以在SI-GaAs 中誘發(fā)電荷疇的產(chǎn)生,電荷疇的峰值電場(chǎng)可以達(dá)到甚至超過(guò)SI-GaAs 的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng),形成引發(fā)器件體內(nèi)強(qiáng)烈碰撞電離的雪崩疇.理論分析、計(jì)算和仿真結(jié)果能夠與實(shí)驗(yàn)相互印證.該研究對(duì)PCSSs 非線性模式產(chǎn)生機(jī)理的深入研究、強(qiáng)電場(chǎng)偏置下GaAs功率器件載流子輸運(yùn)機(jī)理研究、及非線性PCSSs在脈沖功率系統(tǒng)中的應(yīng)用研究具有重要意義.