GaAs材料的光电特性及应用研究

高剑森，毛仕春

（宿迁学院，江苏 宿迁 223800）

0 引言

GaAs作为继单晶硅后应广泛应用的第二代新型化合物半导体材料，属在III～V族化合物半导体，闪锌矿型晶格结构，其晶格常数为5.65×10-10m，熔点为1238℃，禁带宽度为在爱1.42V，与Ge、Si等元素半导体相比，GaAs具有禁带宽度大、介电常数小、电子有效质量小、特殊能带结构等特点。根据在GaAs咋材料特性，可分为导电性材料和半绝缘性材料，导电型GaAs材料主要用于LED生产领域；半绝缘GaAs材料主要应用于微电子和光电子领域。在微电子领域可作为射频（RF）功率器件、微波大功率器件、低噪声器件、微波毫米波单片集成电路和超高速数字集成电路等，主要应用领域为移动通信、光纤通信、卫星通信、雷达、超高速计算机等领域；在光电子领域，借助GaAs材料的跃迁能带结构的高电光转换效率特性，可用于生产激光器、二极管、光探测器等各类光电器件[1]。

GaAs光电导开关（PCSS’s）是基于GaAs材料与高速脉冲激光器结合的具有ps甚至fs量级响应速度的新型超高速光电导开关器件，其结构由开关芯片材料、开关电极和传输线构成，开关芯片影响光电导开关性能的关键部件，其光电特性受多方面因素影响。本文以半绝缘GaAs材料制作GaAs光电导开关，以此研究在GaAs材料光电特性[2]。

1 理论研究

GaAs材料受激子效应和电荷畴效作用影响显著，研究其作用机理有利于深入研究GaAs材料光电特性。

1.1 激子效应

使用激光触发GaAs光电导开关芯片材料时，光电导材料瞬间形成的载流子密度可达到1020cm-3，在该过程中，光电导开关芯片内存在多种激子效应，包括电子—激子、激子—激子、杂质—激子等各类散射和辐射的复合效应，在各类复合效应下，激光触发光电导材料产生辐射复合发光。在激光触发过程中，激子为中性电子，激子效应不能形成电流，但激子作为能量载体，可在迁移过程中传递能量，激子复合时释放能量。激光激发光电导开关芯片材料所需的光能为：

式中，Eg为GaAs禁带宽度，En为激子能级，me为电子质量，mp为空穴质量，h为普朗克常数，K为激子波矢。

激子能级可表示为：

式中，μ为电子与空穴折合质量，q为电子电量，n为能级数。

由式2可知，在激子存在若干能级，且能级几乎是连续的，当能级数为无限大时，激子能级为0，表示导带处于低能级，电子与空穴完全脱离，此时，电子进入导带内，空穴则处于价带。通过分析激子效应分析，可计算激子离解光电导芯片材料电子和空穴束缚的最低能量要求为1.425eV，激光长波限869.8。

当激子密度达到最低要求后，由于激子间距与激子直径接近，激子束缚作用减弱，自由激子数量增加，激子在自由移动中携带能量，并与电子空穴复合发光，束缚激子在复合发光过程中因声子参与而产生能量损失，即使在杂质含量很低的情况下，声子对辐射复合作用的影响仍较为显著，且束缚激子较自由激子有更强的光发射[3]。

当自由激子浓度增加至一定程度时，电子与空穴库仑作用受载流子屏蔽作用影响，导致激子离化能，离子更易离解，激子效应消失。受该作用影响，激光触发光电导材料时，由于畴体内激子效应受到抑制，激子效应只发生在畴体附近。根据该原理，激子的激发与电荷转移在GaAs光电导过程发挥着重要作用。

1.2 光激发电荷畴与激子效应的相互作用

在GaAs光电导开关中，由于GaAs材料直接带隙复合形成的光子波长为875±10mm，电子空穴复合几率增大，并在复合时向周围发射光子，当复合发射的光子强度达到一定的强度时，单个入射光子即能够激发多倍电子与空穴参与导电，激子吸收光激发后，经电子空穴复合后离解，从而完成激子能量吸收、释放的过程。在该过程中，激子克服了电子空穴的库伦束缚力，电子实现了由空穴到导带的跃迁，激子离解形成的电子自畴体周围进入畴体内，提高了畴体内电子载流子密度。

当光电导芯片材料温度变化时，载流子复合系数相应变化，开关温度与载流子复合系数呈现负相关关系，并受多种因素影响，主要包括芯片材料温度、电流、载流子浓度等，当芯片材料温度达到临界温度时，即使受到激光触发，但激子效应猝灭，无法产生光电作用。在高载流子浓度、高电场的复合作用下，激光触发芯片材料时，将出现激子饱和吸收效应。因此，当激光激发芯片材料时，且与载流子数量、激子寿命均达到饱和状态时，光电导芯片开关材料激子效应进入稳定状态。

2 基于激子效应的GaAs材料光电导特性分析

2.1 光电特性分析

基于激子效应原理，载流子数量变化是光电导现象产生的主要原因[4]。在光电导过程中，随载流子迁移而产生光电导效应，其光学性质取决于电子—空穴，激子和激子—空穴的相互作用。由于激子是相互束缚的电子—空穴对，可在体内运动，对光电导电导率无显著影响，但可通过在热激发、激子与激子非弹性碰撞和电场分离等方式，使激子离解，形成自由电子和空穴，为在激子激发光电导提供必要条件。同时，由于GaAs导带部分能量极大值处于最小值的斜上方，且电子在两个位置时有效质量存在差异，电子可通过与声子的相互作用跃迁达到上能谷，但该位置不稳定，可在声子的相互作用下转移至下能谷，并使电流增加。在光电导过程中，电子与声子的相互作用弛豫时间为10-12～10-14，热载流子驰豫最低带边缘时，其能量小于（为光声子频率），此时，热载流子已不能与光学声子交换能量。在特定情况下，当热平衡能级与热激发能级咋载流子数比例，与复合时间与弛豫时间比例相同。

当复合时间显著大于驰豫时间时，可忽略热电子效应，即过剩载流子处于能带边附近的冷激发状态，过剩载流子浓度与在热平衡能级上的载流子相等，该过程为激子辐射复合过程，能够为激子激发光电导提供必要条件。由于光电导芯片材料内部存在电子、激子和杂质的辐射复合作用，且受到畴体抑制作用的影响，与畴体外自由载流子复合几率相比，畴体外激子复合几率较高，且受电子、激子、杂质的电离作用影响，导致咋畴体内激子离解加速，形成对光电导的贡献。

2.2 GaAs材料光电导特性影响因素

在室温条件下，光电导芯片材料受到激发后，激子受施加的强偏置作用影响，激子受热转换为自由电子，其光电导特性与自由电子呈强正相关关系。在弱激光激发作用下，光电导芯片材料与施加的偏置电压呈正相关关系，如偏置电压较高，则激子数量增加较多。施加外电场的情况下，光电导材料内自由电子做定向运动，并与激子复合产生散射效应，携带的电荷沿光电导材料晶格逐级跳跃，最终离解为自由载流子。GaAs开关芯片体内束缚激子离解后产生电子与空穴，并在离解过程中释放光子和声子，光子各向发射。由于空间电荷导致电场畸变，新产生的光电子不在原畴体路径上，可能受畴中部空穴在的吸引，自畴中部注入，部分光电子向阳极漂移，畴头部载流子能带增加（如图1所示）。电子注入畴时，畴内电荷密度不断变化，进而引起电流变化，从而使GaAs光电导呈现出一定的振荡特性。此外，激子辐射复合与驰豫是相互竞争、交互的过程。受两种作用交互影响，GaAs光电导振荡受激子、驰豫影响显著，当激子复合作用增强时，GaAs光电导驰豫时间缩短。

图1 光激发与电荷畴相互作用示意图

3 材料应用

GaAs材料在具体应用中，由于其光电转换效率高，禁带宽度较Si宽，具有良好的光谱响应特性，在光电子、微电子、通信和太阳能电池等方面应用广泛。

图2 光子、声子对激子能带的影响示意图

在光电子方面，可以GaAs材料制作小型化的激光器、小型雷达，符合战地条件应用需求。在微电子方面，可作为光电子器件使用，如可见光激光器、近红外激光器、发光二极管等，以半绝缘GaAs材料为基材，可直接离子注入GaAs高速数字电路、微波单片电路和光电集成电路等，由于GaAs材料特殊的光电导特性，以GaAs材料制作的微电子产品具有频率高、速度快、功耗低等特点，在国防和民用领域应用广泛。

在通信领域，GaAs材料由于具有良好的光谱响应特性、饱和电子速率和电子迁移率，可在250GHz场景下工作，且具有噪声少、击穿电压特性，适宜在移动电话、卫星通信、微波点对点连接等方面发挥特出作用。

4 结语

根据本研究，GaAs材料作为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，受激子效应的影响，在光激发电荷畴作用下，激子形成、传输与离解形成自由电子和空穴，当光激发电荷畴生存条件受到破坏时，激子效应消失。在该过程中，GaAs材料光电导呈现出一定的振荡特性，该特性在光电子、微电子和通信等领域具有广泛的应用前景。