砷化镓光电导开关混合工作模式

马湘蓉， 施 卫， 向 梅

(1．西安理工大学应用物理系，陕西西安710048;2．新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆乌鲁木齐830054)

0 引言

光电半导体开关(Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS)与传统的开关相比，具有ps响应、触发无晃动、高耐压、寄生电感电容小等特点。利用超快脉冲激光器与光电半导体(如GaAs，InP，SiC等)相结合形成的超快光电半导体功率开关器件［1-2］具有GHz的重复率、光电隔离、结构灵活等特点，使之在超高速电子学、脉冲功率技术、THz技术等领域具有广阔的应用前景［3，4］。近年来，随着雷达、通信、激光核聚变等技术领域的迅速发展，对高压大功率发生系统及其开关技术提出了更高的要求。于是，提高光电导开关的耐压性能及通流能力成为人们追求的重要技术指标。GaAs光电导开关在强电场作用下由于长达几到几十μs的锁定而无法快速恢复，开关会一直维持导通状态，电流高度集中成丝，使用寿命大大缩短，抑制了光电导开关高功率、高重复频率的应用，使得开关的实际应用受到很大限制［5-6］。西安理工大学研制了一种新型光电导开关结构，双层(串联)组合SI GaAs光电导开关［7］。这种组合开关既具有非线性模式特有的所需光能小、上升速度快等优点，又具有线性模式特有的重复频率高、使用寿命长等特点，同时工作效率也大大提高。本文对串联组合SI GaAs光电导开关不同于普通单个光电导开关独特的实验现象，从光激发电荷畴、猝灭畴和限累模式的工作模式特征出发，对组合开关工作于混合工作模式的实验现象和传输特性做了进一步研究和分析。

1 实验测试与结果

串联组合SI GaAs光电导开关电路设计如图1所示。两个串联的SI GaAs晶体材料相同，均为非故意掺杂半绝缘GaAs:EL2材料。两个晶体大小均为3 mm×3 mm×3 mm，因此该开关有效电极间隙为6 mm。串联GaAs光电导开关经60 dB同轴衰减器(带宽0～18 GHz)与示波器(作为50Ω负载)串联，其传输线特性阻抗匹配。0．12μF的陶瓷电容器经高压直流偏置电源充电，提供电脉冲输出能量。触发光波长1 064 nm，脉宽8 ns，单次光脉冲能量3 mJ，在时间和空间上均为高斯分布［7］。调节光斑位置，使约1/3光斑(≥1 mJ)覆盖在1个GaAs晶体上，约2/3光斑(≤2 mJ)覆盖在另一个GaAs晶体上。图2记录了不同偏置电压时的输出电脉冲波形，这些波形显然不具有非线性模式的锁定效应，该双峰脉冲的波形近似为一个方波。实验条件相同，在同样激光脉冲触发条件下，普通单个开关在外加偏置电压2 kV时输出典型的非线性锁定波形，如图3所示。

图1 串联组合SI GaAs光电导开关电路测试图

图2 不同偏压下组合开关的输出波形

图3 偏置电压2 kV时普通开关的输出波形

2 工作模式机理分析

Gunn效应器件中，当载流子浓度与开关间隙的乘积n0l以及载流子浓度与振荡频率之比n0/f满足不同的数值时，器件将处于不同的工作模式，如限累模式、畴延迟模式、畴猝灭模式以及畴渡越模式等［8］，如图4所示。GaAs光电导开关在不同的偏置电压及激光触发条件下，存在线性和非线性工作模式［9］，它们在通常情况下是相互不关联的。实际应用中，SI GaAs光电导开关常常处于各种错综复杂的工作环境中，开关呈现出许多奇特的传输特性［10］。

图4 Gunn效应器件模式图［8］

2．1 光激发电荷畴模式

施卫等提出［11］，当半绝缘 GaAs、InP等光电半导体开关在一定的光电阈值条件下，芯片内发生转移电子效应有“光激发电荷畴”生成，畴内电子初始浓度由激光照射条件决定，GaAs光电导开关材料每吸收一个光子将有103～105电子-空穴对产生，并指出这种畴的生长可引发雪崩碰撞电离致使开关进入非线性工作模式。光激发电荷畴模型理论基础是［12-14］:开关芯片材料GaAs是直接带隙半导体且具有多能谷结构;在一定的光电阈值条件下，光注入产生电子-空穴对，由转移电子效应产生光激发电荷畴;电场达到GaAs材料雪崩击穿所需的电场强度时，发生强烈的碰撞电离致使载流子雪崩倍增;碰撞电离决定的辐射复合发射光子成为触发光脉冲过后的新光源并被材料自身再吸收;畴发光并被再吸收决定了开关电流上升时间的超快过程;雪崩发光畴决定了维持阶段锁定(lock-on)电场的存在;当外电路控制使畴生存条件遭到破坏时开关恢复。光激发电荷畴模型较好地解释了光电导开关许多非线性特性，如超快上升、延迟时间、lock-on电场、丝状电流等特性，并指出畴是以108cm/s的速度量级穿越开关间隙，超过了载流子的饱和漂移速度。

在足够高的n0l和n0/f值时，满足n0l≥1013cm－2和n0/f≥2×104s/cm3条件下，光激发电荷畴形成和消失一般都在渡越时间内，畴在阴极形成，畴生长的时间范围是由介电弛豫时间τR=ε/enμ'(ε是材料的电容率;μ'是SI GaAs的迁移率;e是电子的电量;n是载流子密度，近似等于n0)决定的，GaAs中τR≈103/n0(n0=1014/cm3)。畴电压能很快地扫过畴电流-电压特性的负阻部分，微分迁移率μ'(或电阻率)是负的，则由电荷自发地增长而远离平衡情况，从而导致畴的形成，这样介电弛豫时间就在畴生长的时间范围内。光激发电荷畴的重复再现可迅速在开关两电极之间形成具有光控预击穿性质的电子-空穴等离子体通道，开关导通。辐射复合发光和再吸收替代了注入光脉冲消失后的可以移动的触发光源，这对应于开关工作在高倍增模式(或锁定效应)［11］。

2．2 猝灭畴模式

在SI GaAs光电导开关光激发电荷畴的猝灭模式示意图5中(a)表示外电路自激振荡引起的交流电场，(b)表示一个周期的速-场特性变化轨迹。在光激发电荷畴向阳极渡越过程中，开关的直流电场由于受到电路自激振荡的影响产生周期性的调制，开关电场E在某一时刻t1高于耿氏阈值电场ET，这样光激发电荷畴就开始产生并生长，并在极短的时间内(约为ps量级)就成长为稳态畴，畴在到达阳极之前的某一时刻t2时;电场E下降到低于光激发电荷畴的维持电场Es时，畴的生存条件遭到破坏，因此，畴在还没有到达阳极时就已经消散了，这就是光激发电荷畴猝灭模式的工作过程［15］。t3时刻，电场E再次上升到高于ET时，又有新的光激发电荷畴开始形成，开关输出的电流波形呈现出周期性的振荡特性。光激发电荷畴猝灭畴模式要求畴的渡越时间不能小于谐振电路交流电场周期的1/2，这样才能使得畴在到达阳极之前就被猝灭。图5中，开关的振荡周期与光激发电荷畴的渡越时间满足τ＞T的关系，在光激发电荷畴猝灭模式下，偏置电场E不足以引发SI GaAs光电导开关芯片体内的雪崩倍增效应，所以开关的输出电脉冲波形并未呈现出非线性模式的典型lock-on现象，开关输出为线性的周期性减幅振荡的波形如图6所示［15］。

图5 猝灭畴模式示意图［15］

图6 开关工作在猝灭畴模式时输出的电脉冲波形

2．3 限制空间电荷积累(限累)模式

在光电导开关芯片GaAs材料内存在负微分迁移率时，开关中就会出现电场的不均匀，电子的任何微小不均匀性都会随时间迅速增长，GaAs光电导开关中这种电子的不稳定性就导致电子积累。限累模式的工作原理如图7所示，其基本思想是当器件加上超过阈值的偏置电压后，如能设法不使空间电荷积累起来，或者在它形成高场畴以前就把它消散了，而使整个器件内部都有高于阈值的均匀电场，因而整个器件都是负阻区，这样就可以充分利用体效应器件的微分负阻特性而使效率提高［17］。在SI GaAs光电导开关中，当电子密度与频率之比在5×104s/cm3≤n0/f≤3×105s/cm3时［18-19］，则器件在1个周期内停留在负阻区的时间T－T1内，小到不足以形成一个成熟的畴，而器件停留在正阻区的T1时间内，又足以使负阻区中积累起来的空间电荷通过一段短距离得以消散，频率越高，这段距离越短，因而器件的绝大部分空间中的电场保持均匀，而随偏置电压同步地改变，器件中的电场在1个周期的绝大部分时间内超过阈值，因而器件最大限度地利用了它的负阻特性，只在一部分时间内，总电场低于阈值而工作于正阻区从而得到较高的效率。根据分析可以得到建立限累模式必须满足的两个条件:①使TT1这段时间内必然要发生的空间电荷积累受到限制，使它们不能达到形成畴的程度;②在T1这段比较短的时间内要将T－T1这段比较长的时间内积累起来的空间电荷全部消散掉。这样就能使器件大部分时间工作于负阻区，而不致形成畴，从而能充分利用其负阻特性。满足这一条件是比较复杂的，因为只有SI GaAs光电导开关工作在负阻区时，载流子才能把从直流电场获得的能量转化为载流子运动所需的能量;当工作于正阻区时，则要消耗能量，所以开关实际工作在限累模式时，1个周期的绝大部分时间是在正阻区的，只有很小一部分时间工作在负阻区。载流子浓度与振荡频率之比n0/f≤3×105s/cm3，正是反映了工作于负阻区的时间比形成畴所需要的时间短这一条件，因而累积得以抑制;而n0/f≥5×104s/cm3，则反映了工作于正阻区的时间比介电弛豫时间长这一条件，因而保证了这些累积的电子可以全部消散。因为，如果不能全部消散，即使只剩下很小的一部分，那么经过若干周期以后，就会有很多的电子累积起来，最后还是导致畴的形成，失去限累的作用。由于限累模式几乎不需要畴的漂移运动，当GaAs光电导开关电极间隙足够长时，它的振荡频率基本上与开关间隙无关，限累模式可以工作在很高的频率上。光激发电荷畴可以由阴极接触或者掺杂起伏引起，只有在整个周期内畴电压保持得很小限累模式才可以存在，较大的起始畴电压值将不允许限累模式存在。因此，积累层猝灭和畴衰减到起始畴电压值的条件决定了开关进入限累模式的条件。

图7 限累模式工作原理［16］

2．4 混合模式

混合模式是一类介于畴模式和限累模式之间的中间状态模式［20-21］，在这种模式中，由谐振电路确定的振荡周期T0可以和畴的生长时间TD相比拟。此模式有较之于限累模式更明显的电荷积累层形成，器件内电场存在较之限累模式明显的畸变。但在射频周期的大部分时间内，虽偏置电压大于阈值却不能生长为成熟的畴，维持器件两端的振荡是依靠负微分迁移率的作用。这种模式的优点是允许在比渡越频率更高的频率下工作，且较之限累模式可以工作在更大的n0/f范围，工作效率也相当高。在混合模式中畴可以形成，只不过在器件中移动一个短的距离之后就消失了，混合模式解释了一个十分重要的特点，即器件如何串联工作。首先，考虑串联的每个器件畴成核的时间稍有不同，在阈值上，电流由低频阈值电流和位移电流联合组成。当n0/f比高达106时，流入器件的位移电流占有重要部分。因此可以借助于位移电流调节不同开关的阈值电流的微小变化，这样就可以使得串联的全部器件中的电场都被扫进阈值之上的负微分迁移率区，然后在每个器件中都能形成畴。

由于在形成畴时形成得不成熟，畴外电场并不像猝灭畴模式中降得那么低，而是器件大部分区域在一个振荡周期中的大部分时间都高于阈值。从这方面讲，尽管不是完全的限累模式，但是部分的有限累模式的特性。又由于此时有畴存在，当电场下降时在畴行进过程中畴将被猝灭，从这方面看又有猝灭畴模式的特性，即它在振荡过程中具有两种模式混合的特性。对于混合模式来说，在器件端电压高于阈值时，由于畴的存在，电流低于限累模式，因此混合模式的效率低于限累模式，但比猝灭畴模式器件的效率要高。由于混合模式中有畴存在，控制空间电荷对材料掺杂均匀性的要求比限累模式要低，所以实现该模式振荡相对比较容易。混合模式相对于峰值电流延迟了畴的形成，进而该延迟改善了电流和电压的相对相位，电流和电压相位关系的改善能够提高输出功率。该特点使得混合模式能够给出比其它大多数模式都高的工作效率。

3 混合工作模式传输特性

图8 组合SI GaAs光电导开关

图9 混合工作模式电场特性

串联组合SI GaAs光电导开关晶体结构如图8所示，如果触发时偏置电场强度大于非线性阈值，由于触发光照射在2个GaAs芯片上的能量不同，会使两晶体先后进入混合工作模式如图9所示，即先后进入光激发电荷畴和限累模式。假设晶体1经历一定的延迟后先进入光激发电荷畴模式，那么在极短的时间内晶体1率先发生载流子雪崩倍增过程，表现为混合模式的t3时刻，对应脉冲波形的第1个尖峰。载流子雪崩倍增会使晶体1的电阻率迅速下降远小于晶体2，此时畴中所吸收的电压已不足以维持载流子的高浓度，电阻率急剧恢复，进入混合模式的t4时刻，即限累模式。受2个晶体电阻率快速下降和恢复的影响，光激发电荷畴呈现出交替的充放电状态，所以晶体1的畴处于放电的同时，晶体2中的畴随着充电电压不断上升，经历一定的延迟后，晶体2中畴吸收的电压和能量足以达到载流子雪崩倍增，表现为脉冲波形的第2个尖峰。载流子的高增益使晶体2的电阻率开始下降，而此时晶体1的电阻率已经逐渐恢复，所以晶体2中畴开始对外放电，电压已达不到维持雪崩倍增所必须的电场阈值，逐渐进入限累模式。这时晶体1经历了一段时间充电过程，但由于晶体2中的限累模式还没有完全完成，这时能量分配在了2个晶体中，都没有达到能使其中1个晶体所吸收的电压满足雪崩的能量，这时2个晶体互相制约对方进入雪崩倍增过程，2个晶体中的光激发电荷畴都不能再维持，使其共同处于限累模式，对应于输出电脉冲的下降阶段。又由于两晶体芯片内非平衡载流子经过几十ns的辐射复合、扩散，电极和传输线吸收也会损失一部分能量，能量最终在电路中损失使得光激发电荷畴内浓度已达不到非线性阈值，都不能再进入雪崩倍增过程，在限累模式下两芯片迅速恢复其半绝缘性。组合开关通过光激发电荷畴交替充放电，能互相抑制对方进入高增益状态，避免了电流长期锁定及丝状电流效应。因此，在高于非线性触发光电阈值的条件下，输出电脉冲不同于典型的非线性锁定波形，而是近似为方波形状的双峰波形，其脉宽是线性模式下输出脉宽的2倍。

如图2所示，不同偏压下串联GaAs光电导开关的电脉冲波形随外加偏置电压的升高，上升时间基本不变，脉宽和下降时间都略有减小，双峰峰值均明显增大。分析认为:在一定触发光脉冲和偏置电压条件下，输出脉冲上升时间主要由光脉冲上升时间决定，在触发光脉冲一定时受偏置电压影响很小，因此随着外界偏压升高，对上升时间基本没有影响。在一定阈值下，峰值电压与畴内吸收的最大电压有关，偏置电压越高畴内电压也越高，但畴内电压一旦达到饱和就与外界电压无关。所以两个晶体在光激发电荷畴分别进入雪崩时，对应的两个双峰峰值均有所增大。当外界偏置电压上升时，这样两晶体分配的电压会加大，削弱了弛豫和延迟过程，加速了晶体2达到雪崩的时间，使得脉宽降低，限累模式所经历的时间也越短，使得下降时间有所减少。

4 结语

对串联组合SI GaAs超快光电导功率开关，当偏置电压达到6 kV时，开关输出为近似方波的双峰脉冲的实验现象进行了研究。从光激发电荷畴、猝灭畴和限累模式的工作模式原理出发，分析认为由于串联组合开关和普通单个开关各处于不同的工作模式中，组合开关工作在光激发电荷畴模式和限累模式交互作用下，受此混合模式影响，两晶体交替进入光激发电荷畴模式和限累模式，最终由于相互抑制作用组合开关并未进入锁定状态。而普通开关仅工作在光激发电荷畴模式作用下，在一定触发阈值条件下开关进入非线性模式，呈现出很好的锁定状态。这种组合开关工作在光激发电荷畴模式向限累模式过渡的混合模式中，既具有光激发电荷畴模式特有的非线性所需光能小、上升速度快等优点，又具有限累模式特有的重复频率高、使用寿命长等特点，同时工作效率也有所提高。

［1］ Zutavern F J，Steven F G，Michael E S，et al．DC-Charged GaAs PCSSs for trigger generators and other high-voltage applications［J］．IEEE Transactions on Plasma Science，2010，38(10)，2708-2715．

［2］ Steven F G，Zutavern F J，Michael J C，et al．Pulsed-and DCCharged PCSS-Based trigger generators［J］．IEEE Transactions on Plasma Science，2010，38(10)，2701-2707．

［3］ Suen JY，Li W，Taylor ZD，et al．Characterization and modeling of a terahertz photoconductive switch［J］．Applied Physics Letters，2010，96，141103:1-3．

［4］ Carl Headley，Lan Fu，XinLong Xu．Improved performance of GaAs-based terahertz emitters via surface passivation and silicon nitride encapsulation［J］．IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2011，17(1)，17-21．

［5］ Loubriel G M，Zutavern F J，Hjalmarson H P，et al．Measurement of the velocity of current filaments in optically triggered high gain GaAs switches［J］．Applied Physics Letters，1994，64(6):3323-3325．

［6］ ZengGong Jiang，Wei Shi，Lei Hou，et al．Effect of current filament characteristics on the output current of high-gain photoconductive semiconductor switch［J］．Applied Physics Letters，2012，101，192104:1-3．

［7］ 施 卫，王馨梅，侯 磊，等．高增益双层组合GaAs光电导开关设计与实验研究［J］．物理学报，2008，57(11):7185-7188．

［8］ Copeland J A．Characterization of bulk negative-resistance diode behavior［J］．Electron Devices，1967，14(9):461-463．

［9］ Zutavern F J， Loubriel G M， O’Malley M W， et al．Photoconductive semiconductor switch experiments for pulsed power applications［C］．IEEE Transations on Electron Devices，1990，37(12):2472-2477．

［10］ Wei Shi，HuiYing Dai，XiangBing Zhang．Peculiar photoconduction in semi-insulating GaAs photoconductive switch triggered by 1064nm laser［J］．Chinese Journal of Semiconductors，2005 26(3):460-464．

［11］ Wei Shi．Optically activated charge domain model for high-gain GaAs photoconductive switches［J］． Chinese Journal of Semiconductors，2001，22(12):1481-1485．

［12］ Wei Shi，GuangHui Qu，Ming Xu，et al．Current limiting effects of photoactivated charge domain in semi-insulating GaAs photoconductive switch［J］．Applied Physics Letter，2009，94:072110．

［13］ Wei Shi，LiQiang Tian．Mechanism analysis of periodicity and weaking surge of GaAs photoconductive semiconductor switches［J］．Applied Physics Letters，2006，89(20):202103-1 ～202103-3．

［14］ XiangRong Ma，Wei Shi，WeiLi Ji，et al ．Light controlled prebreakdown characteristics for semi-insulating GaAs photoconductive switch［J］．Chinese Journal of Semiconductors，2011，32(12):40061-40066．

［15］ LiQiang Tian，Wei Shi．Quenched-Domain mode of Photo-Activated charge domain in semi-insulating GaAs devices［J］．Chinese Journal of Semiconductors，2008，29(10):1913-1916．

［16］ Copeland J A．LSA oscillator diode theory［J］．Journal Applied Physics，1967，38:3096-3101．

［17］ Copeland J A．A new mode of operation for bulk negative resistance oscillators［J］．Proceedings of the IEEE，1966，54(10):1479-1480．

［18］ XiangRong Ma，Wei Shi，WeiLi Ji，et al．The overvoltage LSA relaxation mode studies in photoconductive semiconductor switch［C］//International Symposium on Photonics and Optoelectronics，Chengdou，2010:5504:407．

［19］ XiangRong Ma，Wei Shi．Peculiar transmission characteristics for the large Gap Semi-Insulating GaAs photoconductive switch［J］．Chinese Physics Letters，2011，28(12):42011-42014．

［20］ Bott I B，Malvern U K，Fawcett W．Theoretical study of the effect of temperature on X band Gunn oscillators［J］．Electronics Letters，1968，4(10):207-209．

［21］ HoChung Huang，MacKenzie L A．A Gunn diode operated in the hybrid mode［J］．Proceedings of the IEEE，1969，56(7):1232-1233．