高功率GaAs光电导开关的瞬态热效应及其传输特性研究

摘要

超快脉冲激光器与光电半导体(如GaAs，InP，SiC等)相结合形成的光电导开关器件，具有响应速度快(ps量级)、重复率高(GHz量级)、皮秒时间精度、光电隔离、耐压高、寄生电感电容小以及结构简单灵活等优点，使之在超高速电子学、脉冲功率技术和太赫兹技术等领域具有广阔的应用前景。本论文从GaAs光电导开关热载流子弛豫过程出发，对热电子弛豫和热激子弛豫特性进行分析，并以此为基础研究了热弛豫和声子曳引瞬态热效应以及GaAs光电导开关的热传导特性；提出了大间隙半绝缘(Semi-Insulating，SI)GaAs光电导开关的过压弛豫限累模式。具体的研究内容和结论如下：
　　 (1)从GaAs光电导开关的热载流子弛豫过程出发，依据开关的工作特性分析了当开关内载流子的弛豫时间与载流子寿命之间满足不同的关系条件时，开关可以处于载流子弛豫过程的不同阶段。当开关满足τee<τn<τe-ac条件时(τn为载流子寿命，τee为电子一电子弛豫时间，τe-ac为电子一声学声子的弛豫时间)，芯片体内建立了电子温度τe高于晶格温度T的热电子分布，热电子弛豫过程处于非热平衡阶段，开关具有非平衡的瞬态热效应特性。当开关满足τee，τe-ac<τn条件时，在光生载流子的整个寿命时间内，热激子经历由非热平衡阶段向准热平衡分布的弛豫过程，并最终通过复合过程电子温度和晶格温度趋于一致达到等温热平衡阶段。
　　 (2)对GaAs光电导开关芯片内热弛豫效应进行分析，认为开关中热电子和热激子的热弛豫过程和特性影响着开关芯片内的瞬态热效应，在开关中存在热弛豫和声子曳引瞬态热效应，在热电子和热激子的热弛豫效应影响下GaAs光电导开关具有了非平衡的瞬态热效应特性。GaAs光电导开关激子效应的光电导特性也影响了热载流子的弛豫行为和开关的瞬态热效应。光激发电荷畴与激子效应的相互作用以及激子的形成、传输及离解过程产生自由电子和空穴，为激子激发光电导提供了必要的条件。
　　 (3)GaAs光电导开关的热传导过程经历热弛豫过程的非热平衡阶段到准热平衡阶段直至最后的等温热平衡阶段。热电子和热激子与声子相互作用的弛豫时间是影响GaAs光电导开关热传导过程的主要因素，在这些弛豫过程的影响下，GaAs光电导开关具有了电子温度高于晶格温度的非平衡热传导特性；开关的热传导特性实际上就是开关芯片内各种弛豫过程的弛豫时间与载流子从阴极向阳极的漂移时间快慢的竞争结果。由于开关芯片体内的热弛豫效应以及热传导过程的相互作用，使得GaAs芯片晶格温度变化呈现出弛豫振荡的特性。
　　 (4)以GaAs光电导开关体内非平衡的热传导过程为基础，建立了开关的热传导方程，并用COMSOL软件数值仿真了芯片体内电子温度、光学声子温度、声学声子温度随时间的瞬态变化关系。以GaAs光电导开关的热弛豫过程、瞬态热效应以及热传导特性为基础对丝状电流损伤特性进行了分析，丝状电流也具有非平衡的瞬态热效应特性，并控制着丝状电流的损伤程度。当施加的偏置电压大于某一阈值时，开关芯片体内局部的热传导过程就在一定程度上影响了GaAs材料缺陷的特性，当微缺陷积累到一定程度将产生对芯片材料的本质损坏，开关工作性能显著下降。
　　 (5)提出了大间隙半绝缘GaAs光电导开关的过压弛豫限累模式。大间隙SI-GaAs光电导开关形成累积层的条件是n0·L≥1013cm-2；开关在高于某一阈值电压条件时，载流子浓度与频率之比满足n0/f≤3×105s·cm-3条件使得空间电荷累积得以抑制，而满足n0/f≥5×104s·cm-3条件则使得累积的空间电荷得以全部消散。大间隙半绝缘GaAs光电导开关满足5×104s·cm-3≤n0/f≤3×105s·cm-3和n0·L≥1013cm-2条件时，在累积效应和介电弛豫效应的作用下，可以在一定范围内保证开关体内积累的空间电荷全部消散，开关工作在过压弛豫限累模式。并运用COMSOL软件对大间隙SI-GaAs光电导开关过压弛豫限累模式的瞬态传输特性进行了仿真分析。