砷化鎵光導開關中電流絲的輻射復合系數(shù)研究

鄭 理 ,劉 鴻

(1.成都工業(yè)學院 機電工程系，成都 610031；2.成都學院 電子信息工程學院，成都 610106)

劉鴻(1961- )，男(漢族)，重慶人，副教授，博士，研究方向：無線電物理、光電子學。

砷化鎵光導開關中電流絲的輻射復合系數(shù)研究

鄭 理1,劉 鴻2

(1.成都工業(yè)學院 機電工程系，成都 610031；2.成都學院 電子信息工程學院，成都 610106)

應用統(tǒng)計物理方法研究了砷化鎵光導開關中電流絲(即流注)的輻射復合系數(shù)。通過分析砷化鎵光導開關中電流絲一端的自發(fā)輻射光譜, 依據(jù)簡單平均法和歸一化條件, 確定了電流絲輻射波長為890nm的輻射復合系數(shù)為0.118 2, 與相關實驗測量吻合。

光電子學；砷化鎵光導開關；電流絲；輻射復合系數(shù)

光導開關(photoconductive semiconductor switches，PCSS)較之常規(guī)的脈沖產(chǎn)生器件具有獨特的優(yōu)勢[1-3]。研究高增益砷化鎵(GaAs)光導開關中電流絲(即流注)的自發(fā)輻射，對于進一步研究高增益GaAs PCSS的物理機理和相關器件的性能設計具有重要意義[4-16]。Zutavern等[8]測量了高增益GaAs PCSS中電流絲的自發(fā)輻射，波長890 nm的輻射具有最大光輸出能量。本文在分析高增益GaAs PCSS中流注的自發(fā)輻射光譜特征基礎上，應用統(tǒng)計物理方法，提出了確定不同輻射波長的輻射復合系數(shù)的近似方法，通過與相關實驗結果比較，確定了波長890 nm的輻射復合系數(shù)值約為0.118 2。

1 輻射復合系數(shù)

高增益GaAs PCSS中電流絲內非平衡載流子的復合輻射分布在一定波長范圍，在此范圍內，不同波長所對應的發(fā)光強度不同，該結論與實驗觀察的光譜曲線一致[8]，輻射強度的最大峰值波長大約為890 nm[8]。由于GaAs是直接帶隙半導體，直接復合起主導作用，因此在GaAs PCSS的電流絲的自發(fā)輻射現(xiàn)象中，設dN(λ)為單位時間內在電流絲中產(chǎn)生的波長分布在某一間隔λ～λ+dλ內的光子數(shù)，Nph為單位時間內產(chǎn)生的總光子數(shù)，則dN(λ)/Nph表示分布在這一間隔內的光子數(shù)占總光子數(shù)的百分率，顯然dN(λ)/Nph與波長增量dλ成正比，也與波長λ有關。定義輻射波長分布在λ附近單位波長間隔內的光子數(shù)占總光子數(shù)的百分率為輻射復合系數(shù)，表示為η(λ)，即輻射強度與輻射的波長分布函數(shù)為：

(1)

對于處在一定溫度下的GaAs PCSS，η(λ)只是波長λ的函數(shù)，根據(jù)分布函數(shù)的定義，對自發(fā)輻射波長分布范圍積分，得到輻射復合系數(shù)η(λ)的歸一化條件為：

(2)

輻射波長的平均值為：

(3)

在高增益GaAs PCSS的流注的自發(fā)輻射現(xiàn)象中，由于輻射復合系數(shù)η(λ)的具體形式尚不清楚，因此，筆者分析流注的自發(fā)輻射光譜的結構特征，確定關于η(λ)的一組參照值，從而計算輻射波長范圍內各波長的輻射復合系數(shù)。

筆者導出了不同輻射波長的復合輻射系數(shù)之間的關系[17]，類似可得不同輻射波長的輻射復合系數(shù)與平均輻射復合系數(shù)之間的關系為：

(4)

2 與實驗測量結果比較

將文獻[18]中電流絲頂部的自發(fā)輻射功率的基本公式改寫為：

(5)

圖1 流注一端1 ns最大自發(fā)輻射能量隨絲 電流變化的實驗測量和理論計算結果比較

式中：R為半絕緣砷化鎵材料的反射率，τh為載流子的復合時間,h為普朗克常數(shù)，c為光速，e為電子的電量，u為載流子速度，Stip為電流絲一端的面積，Strans為流注的橫切面積，VT為流注的體積，ST為流注的表面積，I為電流絲電流，Ith為電流絲放射激光的閾值電流，Pth為與Ith對應的輻射功率。實驗測量流注一端的最大輻射能量(λ=890 nm)如圖1中連接2個數(shù)據(jù)點的虛線(最下面)所示[8]。注意到圓柱形流注有Stip=Strans，取文獻[8]中的實驗測量數(shù)據(jù)：流注橫切面的半徑r0≈b/2=20 μm (流注寬度b=40 μm)，長度d=0.5 mm，R=0.3，λ= 890 nm，Ith=5 A，Pth=0；則VT= 628 000 μm3，ST=65 312 μm2。 其他參數(shù)取值分別為：τh= 100 ps[2]，h= 6.625×10-34J·s，c= 3×108m·s-1，e= 1.6×10-19C，u=ud= 107cm/s (ud為GaAs中載流子的高場飽和漂移速度)。圖1中連接2個數(shù)據(jù)點的虛線是輻射波長890 nm自發(fā)輻射的測量結果；當取η(890)=0.13時，式(5)的計算結果如圖1中最上面的點劃線所示，與實驗數(shù)據(jù)相差明顯；當取η(890) = 0.118 2時，式(5)的計算結果(實線)與實驗數(shù)據(jù)(虛線)幾乎重合，如圖1所示，證明這里計算的輻射復合系數(shù)值η(890)=0.118 2是合理的。

3 結語

本文在分析高增益砷化鎵光導開關中電流絲的自發(fā)輻射光譜的結構特征基礎上，應用簡單平均法和歸一化條件，近似確定了關于輻射復合系數(shù)的一組參照值，計算了不同條件下輻射波長為890 nm的輻射復合系數(shù)分別為η(890)=0.13和η(890)=0.118 2, 由η(890)=0.118 2計算的光輸出能量與實驗測量吻合。這個工作為進一步研究高增益GaAs PCSS的物理機理奠定了基礎。

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StudyoftheRadiativeRecombinationCoefficientofFilamentsinGaAsPhotoconductiveSemiconductorSwitches

ZHENGLi1，LIUHong2

(1.Department of Mechatronic Engineering ,Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China；2.School of Electronic Information Engineering , Chengdu University, Chengdu 610106, China)

The radiative recombination coefficients of the current filaments in high gain gallium arsenide (GaAs) photoconductive semiconductor switches (PCSS) are studied by using the method of statistical physics in this paper. By analyzing the structure characteristics of the spontaneous emission spectrum and using the simple average method and the normalization condition, it can be approximately determined that the radiative recombination coefficient of 890 nm radiation is 0.1182. The calculated result of radiation energy coincides with the experimental measured result.

optoelectronics; GaAs photoconductive semiconductor switch (PCSS); current filament; radiative recombination coefficient

2013-03-09

成都工業(yè)學院院級科研項目“砷化鎵光導開關的關鍵技術的理論研究”(KY1211002A)

鄭理(1969- )，女(漢族)，四川成都人，副教授，碩士，研究方向：機電控制、數(shù)控技術、光電控制。

TN303

A

2095-5383(2013)02-0010-03