不同激光能量漲落對(duì)GaAs光電導(dǎo)開關(guān)時(shí)間抖動(dòng)的影響

桂淮濛，施 衛(wèi)

(1．陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西咸陽 712000; 2．西安理工大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710048)

1 引 言

GaAs光電導(dǎo)開關(guān)(Photoconductive semiconductor switch，PCSS)是超快激光器與光電半導(dǎo)體相結(jié)合形成的一類新型器件［1］。GaAs PCSS具有快速的響應(yīng)、光電隔離、高耐壓、寄生電感電容小、抖動(dòng)時(shí)間小、同步精度高等特性［2-3］，因此在超高速電子學(xué)及高功率超寬帶脈沖產(chǎn)生領(lǐng)域等具有廣闊的應(yīng)用前景［4］。特別是當(dāng)需要兼顧輸出電脈沖的超快上升沿、超短脈寬、高重復(fù)頻率、高功率、抗電磁干擾等方面時(shí)，光電導(dǎo)開關(guān)成為眾多功率開關(guān)中的最優(yōu)選擇。相比于傳統(tǒng)的高功率開關(guān)，GaAs PCSS具有極小的抖動(dòng)時(shí)間［5-6］，因此已廣泛地應(yīng)用在條紋相機(jī)及精同步控制領(lǐng)域。條紋相機(jī)設(shè)計(jì)中，用于產(chǎn)生快前沿的半導(dǎo)體開關(guān)輸出脈沖的速度和觸發(fā)抖動(dòng)決定了條紋相機(jī)的最大時(shí)間分辨率［7］。Liu等指出在使用GaAs PCSS為偏轉(zhuǎn)板提供電壓時(shí)，可使條紋相機(jī)的時(shí)間抖動(dòng)值減小到30 fs，積分模式下的時(shí)間分辨率優(yōu)于 590 fs［8］。

國內(nèi)外學(xué)者已開展了一系列針對(duì)GaAs PCSS時(shí)間抖動(dòng)特性的研究［9-11］。Gaudet等指出觸發(fā)光的快速上升時(shí)間是獲得低抖動(dòng)的關(guān)鍵因素，充足的光脈沖能量以及激光準(zhǔn)直也是至關(guān)重要的［12］。Shi等使用光纖分光的方法，將一束波長(zhǎng)為1 053 nm、脈寬為500 ps的激光分成能量相等的兩束，同時(shí)觸發(fā)兩路并聯(lián)的間隙為3 mm的GaAs PCSS。在外加偏置電壓為1 kV時(shí)，得到GaAs PCSS 的時(shí)間抖動(dòng)為 14．41 ps［13］。激光使用過程中會(huì)帶來輸出能量的漲落，而能量的漲落對(duì)GaAs PCSS時(shí)間抖動(dòng)的影響尚未有報(bào)道。本文通過觸發(fā)激光能量漲落的改變對(duì)輸出電脈沖幅值漲落影響的實(shí)驗(yàn)，及對(duì)開關(guān)導(dǎo)通過程中載流子輸運(yùn)過程的分析，研究了觸發(fā)激光能量漲落對(duì)開關(guān)時(shí)間抖動(dòng)的影響。該結(jié)果為進(jìn)一步提高條紋相機(jī)的時(shí)間分辨率提供了有利的理論依據(jù)。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用橫向結(jié)構(gòu)GaAs PCSS，如圖1所示。光電導(dǎo)開關(guān)的芯片材料選用的是半絕緣GaAs，其暗態(tài)電阻大于5×107Ω·cm，禁帶寬度為1．43 eV，電子的遷移率大于5 000 cm2/(V·s)，載流子濃度為1014cm－3，載流子壽命為幾個(gè)納秒，芯片材料的相對(duì)介電常數(shù)為12．9，其本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)250 kV/cm。半絕緣砷化鎵芯片為8．0 mm(寬) × 10．0 mm(長(zhǎng)) × 0．6 mm(厚度)，開關(guān)芯片表面用多層透明有機(jī)硅凝膠做絕緣保護(hù)，防止強(qiáng)場(chǎng)下沿面閃絡(luò)的發(fā)生，該透明硅膠對(duì)觸發(fā)激光幾乎不吸收。半絕緣GaAs PCSS電極采用刻蝕方法制作，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來使電場(chǎng)更均勻，電極為135°圓角，尺寸為6．0 mm×3．0 mm，其圓角半徑為1．1 mm。電極采用Au/Ge/Ni合金制作，與GaAs PCSS芯片材料形成歐姆接觸。

圖1 GaAs PCSS結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Schematic diagram of GaAs PCSS

觸發(fā)光能量漲落對(duì)電脈沖幅值漲落影響的測(cè)試電路如圖2所示。高壓直流電源正極連接阻值為15 MΩ的限流電阻對(duì)充電回路中的0．1 nF的電容器進(jìn)行充電，電容正極連接GaAs PCSS輸入端，開關(guān)的輸出端通過50#特性阻抗匹配的傳輸線耦合入衰減器，然后由40 dB衰減器衰減信號(hào)后經(jīng)傳輸線耦合到示波器進(jìn)行測(cè)試。在GaAs PCSS觸發(fā)時(shí)，用DET210A型PIN光電二極管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)觸發(fā)光的時(shí)域波形。

圖2 實(shí)驗(yàn)電路測(cè)試圖Fig．2 Test circuit of GaAs PCSS

在外加偏置電壓為2 kV時(shí)，使用激光波長(zhǎng)為1 053 nm，脈寬為500 ps，平均能量分別為11．25，44．9，60．8$J觸發(fā) GaAs PCSS，在每一個(gè)特定的觸發(fā)光能量下連續(xù)觸發(fā)20次，記錄每次觸發(fā)光脈沖幅值和輸出電脈沖的幅值。在不同的觸發(fā)能量下，分別計(jì)算出觸發(fā)光脈沖幅值和輸出電脈沖幅值的平均值。當(dāng)外加偏置電壓為2 kV、激光能量為60．8$J時(shí)，輸出電脈沖波形如圖3所示(時(shí)間基點(diǎn)選為零，觸發(fā)電平為電壓分度格的50%)。

圖3 偏置電壓2．0 kV時(shí)輸出的波形圖Fig．3 Outputwaveform when the 2．0 kV bias voltage

3 結(jié)果與討論

從圖3可以看出，輸出電脈沖波形與光脈沖波形形狀相同，脈寬一致。當(dāng)外加偏置電壓相同、觸發(fā)光能量改變時(shí)，光脈沖幅值漲落與輸出電脈沖幅值漲落的關(guān)系，如圖4、5和6所示。當(dāng)光脈沖幅值增加時(shí)，輸出電脈沖的幅值也會(huì)隨之增加。反之，亦然。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了線性擬合，擬合度分別為 0．991，0．977，0．926。根據(jù)擬合曲線可以看出，光脈沖幅值的漲落與電脈沖幅值漲落成正比關(guān)系。根據(jù)PIN光電二極管的工作原理可知，激光脈沖能量越大，光脈沖幅值就越大。也就是說，當(dāng)開關(guān)工作在線性模式時(shí)，觸發(fā)光脈沖能量的漲落是引起輸出電脈沖幅值漲落的主要原因。

圖4 觸發(fā)光能量為11．25$J，觸發(fā)光脈沖幅值漲落與輸出電脈沖幅值漲落關(guān)系示意圖。Fig．4 Relationship between trigger energy fluctuation and electric pulse amplitude fluctuation when the 11．25$J trigger light energy

圖5 觸發(fā)光能量為44．9$J，觸發(fā)光脈沖幅值漲落與輸出電脈沖幅值漲落關(guān)系示意圖。Fig．5 Relationship between trigger energy fluctuation and electric pulse amplitude fluctuation when the 44．9$J trigger light energy

圖6 觸發(fā)光能量為60．8$J，觸發(fā)光脈沖幅值漲落與輸出電脈沖幅值漲落關(guān)系示意圖。Fig．6 Relationship between trigger energy fluctuation and electric pulse amplitude fluctuation when the 60．8$J trigger light energy

GaAs PCSS在不同的偏置電場(chǎng)及入射光能下存在兩種工作模式。當(dāng)偏置電場(chǎng)低于某一閾值時(shí)，開關(guān)工作在線性模式下。當(dāng)偏置電場(chǎng)超過4～8 kV/cm，開關(guān)將進(jìn)入非線性模式(也稱為lock-on模式)。上述實(shí)驗(yàn)中，GaAs PCSS工作在線性模式下，即每吸收一個(gè)光子最多只能產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)。載流子輸運(yùn)過程中由于散射過程和產(chǎn)生-復(fù)合過程，使得載流子的速度和數(shù)目均存在漲落，這就導(dǎo)致輸出電流漲落的產(chǎn)生。而輸出電流的表達(dá)式是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，因此，每一個(gè)確定時(shí)刻電流的大小都不是固定不變的。這使得開關(guān)在多次導(dǎo)通過程中，存在時(shí)間的偏差，即為開關(guān)的時(shí)間抖動(dòng)，其表達(dá)式為:

其中，ΔIRMS為輸出電脈沖漲落的標(biāo)準(zhǔn)偏差，ΔI/Δt為電脈沖上升沿50%處的斜率。當(dāng)觸發(fā)激光脈沖寬度相同時(shí)，ΔI/Δt為一確定的值。因此，由公式(1)可知在每一個(gè)固定時(shí)刻下，輸出電脈沖的漲落越大，則經(jīng)多次導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)的時(shí)間抖動(dòng)也就越大。在線性模式下，不存在載流子的倍增效應(yīng)，則觸發(fā)激光特性是決定載流子分布的關(guān)鍵。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，當(dāng)觸發(fā)激光能量存在漲落時(shí)，輸出電脈沖也隨之漲落，且光脈沖幅值的漲落與電脈沖幅值漲落成正比關(guān)系。經(jīng)上述分析可以看出，觸發(fā)激光能量的漲落是引起GaAs PCSS時(shí)間抖動(dòng)的關(guān)鍵因素，且激光能量漲落越大，GaAs PCSS時(shí)間抖動(dòng)也隨之增加。

當(dāng)觸發(fā)激光能量足夠強(qiáng)時(shí)，GaAs材料會(huì)出現(xiàn)飽和吸收。GaAs PCSS輸出電脈沖幅值并不會(huì)隨著激光脈沖能量的增加而增加，此時(shí)載流子的數(shù)目不會(huì)再隨著能量的增加而增多，載流子數(shù)目的偏差趨于穩(wěn)定，因此當(dāng)激光脈沖能量達(dá)到GaAs的飽和吸收光能時(shí)，開關(guān)的時(shí)間抖動(dòng)不會(huì)隨著觸發(fā)光能的增大而迅速減小。

4 結(jié) 論

本文在外加偏置電壓為2 kV下，使用波長(zhǎng)為1 053 nm的激光觸發(fā)GaAs PCSS，在不同的激光能量下測(cè)試能量漲落對(duì)輸出電脈沖能量漲落的影響。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合度分別為0．991，0．977，0．926，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明觸發(fā)激光能量漲落與GaAs PCSS輸出電脈沖能量漲落呈正比關(guān)系。開關(guān)工作在線性模式時(shí)，觸發(fā)激光特性是決定載流子分布的關(guān)鍵。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知載流子的漲落來自于觸發(fā)激光能量的不穩(wěn)定，同時(shí)結(jié)合開關(guān)導(dǎo)通過程中載流子的輸運(yùn)過程及時(shí)間抖動(dòng)的定義，理論分析指出觸發(fā)激光能量的漲落是引起GaAs PCSS時(shí)間抖動(dòng)的關(guān)鍵因素，且激光能量漲落越大，GaAs PCSS時(shí)間抖動(dòng)也隨之增加。當(dāng)觸發(fā)光能量增大到GaAs材料的飽和吸收限時(shí)，載流子數(shù)目不會(huì)隨著能量的變化而變化。因此，能量的漲落不會(huì)引起時(shí)間抖動(dòng)的迅速變化。該結(jié)論為進(jìn)一步提高條紋相機(jī)的分辨率提供了理論依據(jù)。