砷化镓光导开关中的有效电流丝段

刘　鸿, 郑　理, 杨　维, 朱晓玲, 戴松晖, 杨洪军

(1.成都大学 信息科学与工程学院， 四川 成都　610106； 2.成都工业学院 机械工程学院， 四川 成都　611730)



砷化镓光导开关中的有效电流丝段

刘鸿1, 郑理2, 杨维1, 朱晓玲1, 戴松晖1, 杨洪军1

(1.成都大学 信息科学与工程学院， 四川 成都610106； 2.成都工业学院 机械工程学院， 四川 成都611730)

摘要：分析了高增益砷化镓光导开关中电流丝(即流注)顶端1ps的光生载流子密度分布.提出了“有效电流丝段”的概念，导出了有效电流丝段的光致电离效应公式，揭示了电流丝顶部前面最大光生载流子密度只随着电流丝半径变化的规律.

关键词：砷化镓光导开关；有效电流丝段；光致电离效应；电流丝半径

0引言

高增益砷化镓(GaAs)光导开关(PhotoconductiveSemiconductorSwitch,PCSS)中电流丝的光致电离效应研究具有十分重要的意义[1-10].电流丝自发辐射的几个典型波长的拟合辐射复合系数[2,4,6]为，η(890)=0.1182、η(885)≈0.1154、η(881)≈0.1106、η(876)≈0.1058和η(875)≈0.0958.实验表明，电流丝生长在皮秒(ps)数量级[11]，此意味着研究电流丝在顶端1ps时间的光致电离效应十分必要.考虑光在砷化镓材料中1ps传播的距离为l0，当高增益GaAsPCSS中电流丝的长度d>l0时，则电流丝中距离顶端(d-l0)范围内的光子在1ps时间内不能辐射出电流丝顶部，以致不能为光致电离效应做出贡献.对此，本研究分析了电流丝长度d>l0时的光致电离效应，提出了“有效电流丝段”的概念，导出了有效电流丝段的光致电离效应公式，揭示了光致电离效应与电流丝半径的直接关系.

1有效电流丝段

2有效电流丝段的光致电离效应公式

设电流丝内为电中性的电子—空穴高密度等离子体，电流丝内非平衡载流子密度的平均值为n，载流子的有效寿命为τh，自发辐射波长为λ的辐射复合系数为η(λ)[2,4]，电子—空穴对复合的自发辐射向各个方向是等概率的[11]，在电流丝生长阶段，不考虑自发辐射在砷化镓材料界面的反射率.设紧邻电流丝顶部的光吸收区域是与电流丝同一轴线且相同半径的圆柱体形，光吸收区域沿轴线方向到电流丝顶部的距离为Z[3,12]，半绝缘砷化镓材料的光吸收系数为α(λ)，本征载流子密度为ni，单位时间内波长为λ的自发辐射在吸收区域内产生的载流子密度为neh(λ,n,Z)，对电流丝的自发辐射光谱积分可得光生载流子密度总和为neh(n,Z).同时，考虑被吸收的每个光子产生一对电子—空穴[6]，据此可导出波长为λ的自发辐射在吸收区域内产生的载流子密度分布为,

(1)

式(1)表明，电流丝中非平衡载流子密度不变时，一定波长的自发辐射导致的光致电离效应随着光吸收区域的长度增大而减小，同时随着电流丝半径的变化而变化.光生载流子密度总和neh(n,Z)为[2]，

(2)

在电流丝辐射波长范围内非均匀分段，各段辐射复合系数取值[2,4]为：η(830≤λ≤875)≈0.3832，η(875<λ≤879)≈0.1058，η(879<λ≤883)≈0.1106，η(883<λ≤887)≈0.1154，η(887<λ≤900)≈0.185，η(900<λ≤930)≈0.1.半绝缘砷化镓材料的光吸收系数α(λ)相应分别取值[17]为：α(830≤λ≤875)≈8× 103cm-1，α(875<λ≤879)≈5×103cm-1，α(879<λ≤883)≈1×103cm-1，α(883<λ≤887)≈4×102cm-1，α(887<λ≤900)≈1×102cm-1，α(900<λ≤930)≈20cm-1.参数：ni≈2.25×106cm-3[17]，τh=100ps[18]，l0=75μm.为了便于比较，取n=1×1018cm-3.

1)由式(1)和式(2)计算电流丝半径r0=100μm时，吸收区域内光生载流子密度随着到电流丝顶部不同距离Z变化的规律如图1所示.

图1当r0=100μm和n=1×1018cm-3时，吸收区域内光生载流子密度随着到电流丝顶部不同距离Z变化的规律

由图1可知，光生载流子密度随Z的增加而减小，紧邻电流丝顶部的光生载流子密度最大，即当Z=0+时，光生载流子密度取得最大值.与电流丝内非平衡载流子密度n=1×1018cm-3比较得出，最大光生载流子密度小于电流丝内非平衡载流子密度大约1个数量级.

2)由式(1)和式(2)计算Z=0.001μm时，光生载流子密度随有效电流丝段半径r0变化的规律如图2所示.

图2当Z=0.001μm和n=1×1018cm-3时，光生载流子密度随电流丝半径的变化

由图2可知，辐射波长范围内的自发辐射产生的载流子密度随电流丝半径的增大而增加.当电流丝长度d>l0时，电流丝在顶端1ps的光生载流子密度仅由电流丝的半径决定.

3结语

当高增益砷化镓光导开关中生长电流丝长度d>l0时，电流丝在顶端的光致电离效应与电流丝内非平衡载流子密度(n)、电流丝的半径(r0)和吸收区域内到电流丝顶端的距离(Z)3个因素密切相关.当Z=0+时，光生载流子密度最大；对应一定的n值，最大光生载流子密度仅随电流丝半径r0的增加而增加.这个分析结论具有重要的理论意义和应用价值.

参考文献:

[1]Stout P J,Kushner M J.Modelingofhighpowersemiconductorswitchesoperatedinthenonlinearmode[J].J Appl Phys，1996,79(4)：2084-2090.

[2]刘鸿,郑理,阮成礼,等.砷化镓光导开关中电流丝的自发辐射效应[J].中国科学:物理学 力学 天文学,2014,12(1):49-54.

[3]刘鸿,阮成礼.高增益砷化镓光导开关中的光致电离效应[J].光学学报,2009,29(2):496-499.

[4]刘鸿,郑理,杨洪军,等.砷化镓光导开关中流注的辐射复合系数[J].激光与光电子学进展,2013,50(5):052301.

[5]刘鸿,郑理,杨洪军,等.砷化镓光导开关中电流丝的自发辐射能量分析[J].激光与光电子学进展,2013,50(9):092303.

[6]Liu H,Zheng L,Yang H J,et al.SpontaneousradiationenergyofcurrentfilamentsinGaAsphotoconductivesemiconductorswitches[C]//AppliedMechanicsandMaterials,3rdInternationalConferenceonAppliedMechanics.Dalian，China：Materials and Manufacturing,2013：423-426.

[7]Liu H,Zheng L,Yang W,et al.PhotoionizationinGaAsPhotoconductiveSemiconductorSwitches[C]//AdvancedMaterialsResearch,5thInternationalConferenceonManufacturingScienceandEngineering.Shanghai，China：2014：941-944.

[8]刘鸿,郑理,程浩,等.砷化镓光导开关中流注辐射实验理论分析[J].成都大学学报(自科版)，2012,31(2)：133-135.

[9]刘鸿,郑理,杨洪军,等.砷化镓光导开关中流注自发辐射实验的理论分析[J].成都大学学报(自科版)，2012,31(4)：324-326.

[10]刘鸿,郑理,杨维,等.砷化镓光导开关中流注890 nm辐射的光致电离效应[J].成都大学学报(自科版)，2013,32(3)：247-249.

[11]Loubriel G M,Zutavern F J,Hjalmarson H P,et al.Measurementofthevelocityofcurrentfilamentsinopticallytriggered,highgainGaAsswitches[J].Appl Phys Lett,1994,64(24):3323-3325.

[12]刘鸿,阮成礼.本征砷化镓光导开关中的流注模型[J].科学通报,2008,53(18):2181-2185.

[13]刘鸿,阮成礼,郑理.砷化镓光导开关的畴电子崩理论分析[J].科学通报,2011,56(9):679-684.

[14]刘鸿,阮成礼.高增益砷化镓光导开关中的的特征量分析[J].中国激光，2010,37(2):394-397.

[15]Liu H, Ruan C L.“S-shaped"negativedifferentialconductivityofhighgainGaAsphotoconductiveswitches[C]//IEEELasers&ElectroOptics&ThePacificRimConferenceonLasersandElectro-Optics.Shanghai，China：IEEE Press,2009：1-2.

[16]Liu H,Ruan C L.StreamerinhighgainGaAsphotoconductivesemiconductorswitches[C]//17thIEEEInternationalPulsedPowerConference(PPC2009).Washington,DC,USA：IEEE Press,2009：663-668.

[17]Blakemore J S.Semiconductingandothermajorpropertiesofgalliumarsenide[J].J Appl Phys,1982,53(10):123-181.

[18]Lee C H.PicosecondoptoelectronicswitchinginGaAs[J].Appl Phys Lett,1977,30(2):84-86.

Effective Current Filament Region(ECFR) in GaAs Photoconductive Semiconductor Switches(PCSS)

LIUHong1,ZHENGLi2,YANGWei1,ZHUXiaolin1,DAISonghui1,YANGHongjun1

(1.School of Information Science and Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China;2.College of Mechanical Engineering , Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China)

Abstract：The density distribution of photo-generated carrier per unit time (1 ps) from the current filaments(namely streamer) in high gain GaAs photoconductive semiconductor switches(PCSS) is analyzed.The effective current filament region(ECFR) is proposed.The photoionization effects formula of the ECFR is derived.It is revealed that the increase of the maximum density of the photo-generated carrier ahead of the tip of the filament is just dependent on the increase of the radius of the filament.

Key words：GaAs photoconductive semiconductor switch(PCSS);effective current filament region(ECFR);photoionization effects;current filament radius

文章编号：1004-5422(2016)02-0134-03

收稿日期：2016-05-13.

基金项目：四川省教育厅自然科学基金(15ZB0386)、 成都大学1315人才工程(2081915041)资助项目.

作者简介：刘鸿(1961 — )， 男， 博士， 教授， 从事光电子学、 砷化镓光导开关机理与应用研究.

中图分类号：TN365；O471

文献标志码：A