砷化鎵光導開關中的電子雪崩域

劉 鴻，鄭 理，朱曉玲，楊 維，戴松暉，楊煜婷，鄔 丹

(1.成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106;2.成都工業(yè)學院 機械工程學院，四川 成都 611730)

0 引 言

研究高增益砷化鎵(GaAs)光導開關(Photoconductive Semiconductor Switches，PCSS)的物理機理具有重要的理論意義和實用價值［1－7］.在半絕緣GaAs PCSS 中，載流子本征碰撞電離的電場閾值Eth高達400 kV/cm［8－9］，然而高增益砷化鎵光導開關的平均電場E≥10 kV/cm 就能夠觀察到載流子的雪崩生長現象［6－7］，因此載流子的碰撞電離是需要研究的關鍵問題.在分析高增益GaAs PCSS 實驗觀察的基礎上，本研究闡述了電子雪崩域的物理過程，以此揭示載流子在局域內雪崩生長的本質特性.

1 電子雪崩域

實驗發(fā)現，當使用點光源照射砷化鎵光導開關的陰極，且高增益GaAs PCSS 兩端的偏置電場E 低于砷化鎵材料的本征碰撞電離的閾值電場Eth(E ＜Eth)時，器件中發(fā)生了載流子碰撞電離雪崩生長，形成絲狀電流傳播的現象［7］.

1.1 絲狀電流的形成

在高增益GaAs PCSS 中，激光束點光源激活光導開關，在與陰極相接觸的光斑處產生一個局域非平衡載流子密度區(qū)域，如圖1 圓形虛線所示.這個區(qū)域在照明期間保持高的光電導率，因此大量電子能夠從陰極注入該區(qū)域.如果局域非平衡載流子密度npe與該區(qū)域的特征長度LE的乘積大于1012cm－2，且該局域的電場在負微分遷移率(N-shaped Negative Differential Conductivity，N-NDC)范圍，該區(qū)域內轉移電子效應(Transferred-electron Effect，TEE)轉變?yōu)橹鲗ё饔梅矫?，則生長偶極疇能夠形成［10－12］，如圖1 所示，其中b 表示生長疇的寬度.

圖1 觸發(fā)激光聚焦在一個小點，緊鄰陰極照明光導開關示意圖

當偏置電場E 遠遠小于砷化鎵材料中載流子本征碰撞電離的電場閾值Eth時，大量注入電子可能不均勻地分布在生長疇的積累層上，漂移的TEE 高場疇通過積累載流子，一方面可能使積累層上某些部位的電子積累達到雪崩臨界值nc=1017cm－3［2］，另一方面將外加電場的相當部分集中在很小的疇區(qū)內，疇內形成的局域強電場E 可能達到或超過砷化鎵材料中載流子的本征碰撞電離的電場閾值Eth(即E≥Eth)［13］，導致疇區(qū)內的載流子本征碰撞電離雪崩生長發(fā)生在沿電場方向的整個疇寬范圍，生長疇也被這些雪崩區(qū)域分隔成多個亞區(qū).例如，在生長疇內存在一個雪崩區(qū)域，則生長疇在垂直電場的方向上被分成3 個亞區(qū)，如圖1 所示.在生長疇的雪崩區(qū)域內，產生的載流子密度一旦達到1018cm－3數量級，將導致這樣的亞區(qū)成為近似的電中性.這是由于載流子雪崩生長產生的密度對電場的變化率大于零，即，

過補償了陷阱填充效應引起的dn/dE ＜0 和轉移電子效應引起的電子漂移速度v 對電場的變化率小于零，即，

所造成的結果.因此，該亞區(qū)內的N-NDC 特征消失.即，雪崩擊穿消除了該亞區(qū)內的初始空間電荷結構(即疇形結構)，導致N-NDC 特征直接轉變?yōu)殡娏餍拓撐⒎蛛妼?S-type Negative Differential Conductivity，S-NDC)特征，從而初級絲狀電流(即電流絲)能夠形成.從這個意義上講，生長疇中由于高電場和高載流子密度導致的雪崩區(qū)域被稱為“電子雪崩域(Electron Avalanche Domain，EAD)”，如圖1 所示.

1.2 電流絲的傳播

當初級電流絲(長度為d)離開觸發(fā)區(qū)而進入絕緣區(qū)時，它發(fā)射的復合輻射的光致電離［5，10，14－18］，在其周圍的一定范圍內產生了大量的非平衡光電子—空穴對，形成了新的活性區(qū)域，即初級電流絲成為了替代外界電離因子作用的“輻射電離源".絲電流是具有高電導率的等離子通道，電流絲的頂部附著高密度電子，能夠為前面的生長疇注入電子，其尾部能夠很好地吸入電子.因此，進入絕緣區(qū)的電流絲可以形象地看成為“延伸進入PCSS 的絕緣區(qū)內的電極".此外，本研究只討論緊鄰陰極接觸處形成的初級電流絲，該電流絲可以認為是“延伸進入PCSS 的絕緣區(qū)內的陰極".

電流絲的復合輻射在電流絲的前端(頂部)周圍產生非平衡載流子密度區(qū)域如圖2 所示.如果活性區(qū)域內的電場在N-NDC 范圍，TEE 生長疇在這個局域內成核，電流絲頂部前面的生長疇將移動生長.如果在這個移動疇離開激活區(qū)域前，電流絲頂部的電子注入高場疇的積累層，在部分位置上載流子密度達到雪崩臨界值nc，漂移的TEE 高場疇通過積累載流子，將外加電場的相當部分集中在很小的疇區(qū)內，疇區(qū)內形成的局域強電場E 達到或超過砷化鎵材料中載流子的本征碰撞電離的電場閾值Eth，則相應部分亞區(qū)形成EAD，該區(qū)域內的載流子雪崩生長達到絲電流條件，就推進了電流絲結構，即絲電流傳播發(fā)生.電流絲傳播的物理圖像也如圖2 所示.由于統(tǒng)計隨機性，電流絲頂部的電子注入TEE 生長疇的部分積累層產生了一個EAD，將生長疇區(qū)域分割成了3 個亞區(qū)，新一級的電流絲將形成.

圖2 電流絲(長度為d)傳播期間，由于電流絲頂部的電子注入，形成的后代電子雪崩域示意圖

此外，由圖2 可見，每一級電流絲生長的長度就是相應的EAD 的長度，而EAD 的長度則是TEE 生長疇的寬度b.同理，隨后的電流絲機制發(fā)生，這是一個自持的重復過程，直到電流絲連通GaAs PCSS的2 個電極，形成高電導率的電流通道.

1.3 討 論

電子雪崩域內的電場E 不小于該材料的本征碰撞電離的電場閾值Eth，載流子密度n 不小于該材料的臨界雪崩載流子密度nc，這2 個條件缺一不可，且同時滿足2 個條件是EAD 形成的充分必要條件.在半絕緣砷化鎵光導開關中，取Eth= 400 kV/cm［2，8－9］和nc=1017cm－3［2］.

光致電離效應、載流子注入機制和TEE 高場疇對于EAD 是否能夠形成具有直接決定意義.

2 結 論

在高增益GaAs PCSS 中，電子雪崩域模型揭示了載流子的碰撞電離對電場和載流子密度2 個方面的要求，載流子雪崩生長具有局域特性.

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