激光作用GaAs非平衡载流子瞬态特性研究

薛 红

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

Ⅲ-Ⅴ族化合物GaAs是一种重要的半导体材料，与单晶Si和Ge等相比，具有许多独特的物理性质，这与其中的电子状态及其动力学特征有着密切的关系［1］.自从20世纪50年代发展以来，由于能带结构上的一些特点，使其具有许多独特的优越性能，GaAs及其相关的混合晶体AlGaAs等已成为制造许多高性能发光器件、电子器件和半导体激光器的重要材料［2－5］.一般而言，在绝对零度附近，半导体和绝缘体中的能带都是满带或者空带，不导电，因此0K时半导体和绝缘体都不导电;而在室温下，由于半导体的能隙比较小，价带顶附近能带中的电子被热激发到导带底附近的量子态中，同时在价带中留下空穴，因而具有了导电性.一般情况下半导体与绝缘体没有绝对的划分，通常将0K条件下，能隙在2～3eV以下的固体划分为半导体.半导体物质通常都是以共价键结合为主的，最常见也最重要的半导体结构有：金刚石结构、闪锌矿结构和纤锌矿结构.Ⅲ-Ⅴ族元素化合物半导体一般具有闪锌矿结构，如GaAs、InP、GaN、AlN、InSb等［6］，这类半导体材料在光电半导体物理和光电器件技术中占据了极为重要的地位［7－8］.本文根据非平衡量子统计理论，对GaAs半导体材料电子态的微观结构进行了详细分析，并对光激发引起的GaAs半导体内部非平衡热电子的瞬态量子统计分布特性进行了系统研究.

1 GaAs半导体的能带模型和能带特点

在各种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料中，研究得最充分的是GaAs.实验测量得到其晶格常数大约为0.5nm数量级，原子数密度约为5×1022/cm3数量级，原子间距约为0.2 nm数量级，共价半径约为0.1nm数量级.

1.1 GaAs的能带模型

GaAs半导体属于直接能隙结构(直接半导体direct semiconductor)，能带结构如图1所示.GaAs导带的三个能谷Г、X和L能谷的谷底与价带顶的能量差分别为1.42eV、1.71eV和1.90eV，导带底电子有效质量为0.063m0(其中m0是电子的静止质量)，两个卫星能谷X能谷和L能谷的极值能量相差很小，其电子的有效质量较大，分别为0.22m0和0.58m0.通常认为在紧靠Г能谷底很窄的能量范围内，E-k之间存在抛物性关系，即E=η2k2/2m*，两个卫星能谷L和X处的等能面为椭球面，E-k关系为：E=η2/2·).在强电场作用下，当电子获得了足够的能量时，可以从Г能谷转移到L或X能谷，产生转移电子效应.室温下禁带宽度为1.43eV，同时随着温度的升高，GaAs的禁带宽度变小［9］.

图1 GaAs能带结构示意图

1.2 EL2缺陷能级

杂质缺陷对半导体材料来说是一个非常重要的研究课题，人们对宽禁带半导体材料中杂质缺陷已作了很多研究.由于Ⅲ-Ⅴ族半导体GaAs材料是研究光电导开关的优良材料，因此对其缺陷能级的研究具有特殊的意义.

EL2缺陷位于GaAs能隙的中央附近，即导带以下约0.75eV处，产生了深施主能级，如图2所示.通常可利用它来补偿浅受主，从而可不经掺杂得到在技术上颇具重要性的半绝缘的GaAs(即SI-GaAs).在低于100K的温度下，利用1～1.3eV光子的激发可使EL2进入亚稳态，在亚稳态荷电状态保持不变.亚稳态在带隙中没有能级，加热到110K以上又可回到基态，两个状态之间相隔一个约0.34eV的势垒，这些性质使它成为研究得最多的一种缺陷.

图2 EL2能级示意图

1.3 GaAs的能带特点

GaAs化合物半导体材料禁带宽度较大，与Si、Ge等单晶体相比具有电子迁移率高、载流子寿命短、电阻率高等优点.

(1)GaAs导带是多能谷结构，电子在中心能谷和卫星能谷之间的跃迁会导致电阻律的变化，具有电子转移效应.

(2)GaAs是直接禁带结构.用其制作光电子器件，光电转换效率比Si等其它半导体材料高得多，更适合于制造高压、高频、高速及高效发光器件［2－5，7］.

(3)GaAs禁带宽度较大，极限工作温度可高达720K左右，适宜制造大功率器件.

(4)存在EL2能级，使得Si-GaAs光导开关具有相当长Lock-on延迟时间，使开关可在较长时间内处于导通状态.能够克服开关在线性状态下不适合长时间导通的缺陷.

(5)GaAs载流子寿命短，常用于快速开关.

2 激光作用GaAs非平衡载流子的产生与复合

激光作用的本质是GaAs半导体的原子与光子相互作用使得能带电子发生跃迁的过程，这一过程可以看成一个固体中的粒子反应：价带顶电子+光子 =导带底电子.

2.1 光激发在半导体中产生自由载流子过程

一般情况下，产生半导体光电现象的最基本的物理过程就是光激发在半导体中产生自由载流子，即电子或空穴都可以被激发到能量很高的热激发状态.例如，光激发电子可以处在导带底以上几个声子能量的状态而成为热电子，热电子在作为电荷载流子运动的同时，很快通过声子发射等过程弛豫到导带底附近，同时还可以通过复合回到基态，其跃迁过程如图3所示.

图3 光激发电子跃迁过程示意图

2.2 光激发非平衡载流子的产生与复合

在带间直接跃迁复射复合的情况下，电子和空穴以相等的速率产生和复合，GaAs半导体中非平衡载流子的浓度由速率方程决定：

可见，只有直接禁带半导体，并且在较高温度和较高掺杂情况下，带间直接跃迁辐射复合才可能是半导体的占支配地位的复合机制.

3 激光作用GaAs非平衡载流子的瞬态特性

3.1 直接禁带GaAs中的光吸收过程

GaAs材料通常具有强烈的光吸收作用，对光能的吸收系数可以达到105cm－1数量级，材料吸收辐射光能使电子从较低能带跃迁到较高能带.以导带底以上价带顶以下较小能量范围内的光吸收过程为例，对于导带与价带都是抛物线型的非简并直接跃迁情况，进行理论计算可得吸收系数与光子能量的关系为：

3.2 本征激发载流子的驰豫过程

要发生本征光激发，光子能量必须等于或大于禁带能量εg，即hν≥hν0=εg.光激发的导带电子和价带空穴，可以产生远离能带边缘的热激发态，形成非平衡载流子，它们可以通过声子过程或其它过程很快驰豫到带内平衡分布，再通过辐射或无辐射跃迁的复合过程回到基态，但更可几的是首先通过和自由载流子或声子的互相作用，弛豫掉它们的过剩动能达到带边缘附近的冷激发态，然后经复合过程回到基态，这种带内平衡驰豫过程远快于复合过程.

采用二能级模型来阐明非平衡载流子的带间激发和复合过程，如图4所示，光激发热电子分布在两个激发能级上，热电子能级的电子数为nh，热平衡级的电子数为nc，τr为弛豫时间，τ为复合时间.其速率方程为：

在大多数情况下，存在τ＞＞τr，热电子效应可忽略，可得到非平衡过剩载流子浓度为：

可见，非平衡载流子浓度及其相应的光电特性主要决定于复合过程.

3.3 强激光作用GaAs中载流子的驰豫过程

利用不同延迟时间的泵—探束瞬态吸收光谱，对强激光脉冲照射下GaAs中的载流子驰豫时间进行研究.如图5所示是GaAs中非平衡载流子在两种不同浓度情况下的差分透射系数随延迟时间的变化关系，其中光激发非平衡载流子浓度分别为1018cm－3和1017cm－3，泵束和探束能量均为2eV.

图5 GaAs载流子瞬态差分透射系数ΔT随延迟时间的变化

可见，非平衡载流子驰豫存在两个过程，一个是快过程即相位驰豫，一个是慢过程即准热平衡驰豫;前者主要由热电子从中心谷Γ谷向X和L两个卫星谷的散射引起，GaAs中的热电子Γ-X谷散射时间约55fs，Γ-L谷散射时间约80fs，其主要散射机制为载流子—载流子散射;后者主要为载流子—声子散射，散射时间大约为ps量级.

［1］夏建白.现代半导体物理［M］.北京：北京大学出版社，2001.33－39.

［2］B.S.-Y.Ung，B.M.Fischer，B.W.-H.Ng，et al.Towards quality control of food using terahertz［C］.Proc.of SPIE，BioMEMS and Nanotechnology III，2007，67991E-(1-10).

［3］Jiang Z P，Zhang X C.Free-Space Electro-Optic Technologies［J］.THz Sensing and Imaging Technology，2001，33：161 －164.

［4］Zhang X C.The Encyclopedia of Imaging Science ＆Technology［J］.Imaging Technology ＆ Systems Section，2002，(2)：1393 －1404.

［5］Wang Y X，Zhao ZR，Chen ZQ，et al.Performance of the continuous-wave imaging system based on a terahertz gas laser［J］.红外与毫米波学报，2011，30(3)：193 －197.

［6］叶良修.半导体物理学：上册［M］.第2 版.北京：高等教育出版社，2007.9 －10，88 －93.

［7］Mar A，Loubriel G.M，Zutavern F.J，et al.Doped contacts for high-longevity optically activated high-gain GaAs photoconductive semiconductor switches［J］.IEEE Trans.Plasma Sci，2000，28(5)：1507 －1511.

［8］施卫，薛红，马湘蓉.半绝缘光电导开关体内热电子的光电导振荡特性［J］.物理学报，2009，58(12)：8554－8559.

［9］刘恩科，朱秉升，罗晋生，等.半导体物理学［M］.西安：西安交通大学出版社，2006.24－26，39－40.