儲(chǔ)能電容對(duì)GaAs光電導(dǎo)開關(guān)快前沿正負(fù)對(duì)稱脈沖輸出特性的影響*

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, 咸陽 712000)

2) (西安理工大學(xué)理學(xué)院, 西安 710048)

針對(duì)GaAs光電導(dǎo)開關(guān)快前沿正負(fù)對(duì)稱脈沖輸出特性的研究, 對(duì)提高飛秒條紋相機(jī)的時(shí)間分辨率具有重要意義.本文使用脈寬為60 fs的激光器觸發(fā)電極間隙為3.5 mm的GaAs光電導(dǎo)開關(guān), 在不同的儲(chǔ)能電容及外加偏置電壓條件下, 獲得具有上升時(shí)間最快為149 ps, 電壓傳輸效率最高為92.9%的快前沿正負(fù)對(duì)稱輸出,測(cè)試結(jié)果滿足條紋相機(jī)實(shí)現(xiàn)飛秒時(shí)間分辨率的設(shè)計(jì)需求.實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析表明, 儲(chǔ)能電容是影響電壓傳輸效率及上升時(shí)間的重要因素之一.同時(shí), 結(jié)合GaAs光電導(dǎo)開關(guān)線性工作模式特點(diǎn)及電容儲(chǔ)能特性分析表明, 當(dāng)觸發(fā)激光特性相同時(shí), 隨著儲(chǔ)能電容的增大, 輸出電脈沖傳輸效率及上升時(shí)間均會(huì)增加.研究結(jié)果將有助于GaAs光電導(dǎo)開關(guān)更好地應(yīng)用于飛秒條紋相機(jī)中.

1 引 言

GaAs光電導(dǎo)開關(guān) (photoconductive semiconductor switch, PCSS)是利用光電半導(dǎo)體材料GaAs與超快脈沖激光器結(jié)合形成的一種超快光電子器件[1,2].相較于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體開關(guān),GaAs PCSS器件具有響應(yīng)速度快、耐壓高以及光電隔離等特點(diǎn)[3?5].當(dāng)前 GaAs PCSS 器件的應(yīng)用研究迅速發(fā)展, 在脈沖功率系統(tǒng)、精密同步控制系統(tǒng)、THz產(chǎn)生裝置等方面都取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[6?9].在飛秒條紋相機(jī)的應(yīng)用中, 由于GaAs PCSS具有極小的時(shí)間抖動(dòng)及超快的時(shí)間響應(yīng), 已作為條紋相機(jī)中掃描電路的核心器件.因此, 以基于GaAs PCSS的掃描電路為研究對(duì)象, 探究提高條紋相機(jī)的時(shí)間分辨率成為當(dāng)前備受關(guān)注的研究?jī)?nèi)容[10?12].

由于時(shí)間分辨率是條紋相機(jī)性能的重要指標(biāo),學(xué)者對(duì)提高時(shí)間分辨率的研究引起了廣泛關(guān)注.Liu等[13]利用GaAs PCSS為條紋相機(jī)提供正負(fù)對(duì)稱電脈沖時(shí), 可使條紋相機(jī)的時(shí)間抖動(dòng)值減小到 50 fs, 時(shí)間分辨率優(yōu)于 600 fs.掃描電路作為條紋相機(jī)的重要組成部分, 決定了相機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率及掃描速度.為了改善條紋相機(jī)的性能, 這就要求掃描電路輸出具有電壓傳輸效率高(> 70%)、上升時(shí)間快(< 200 ps)的正負(fù)對(duì)稱脈沖[14].因此,研究影響快前沿正負(fù)對(duì)稱脈沖輸出特性的因素, 具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值.

本文基于GaAs PCSS設(shè)計(jì)了快前沿正負(fù)對(duì)稱輸出的掃描電路.當(dāng)使用不同儲(chǔ)能電容時(shí), 在不同的外加偏置電壓下測(cè)試了快前沿正負(fù)對(duì)稱脈沖輸出特性.通過計(jì)算載流子的倍增率, 指出GaAs PCSS工作在線性模式下.同時(shí), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在線性模式下, 當(dāng)觸發(fā)激光脈沖特性一定時(shí), 儲(chǔ)能電容也會(huì)對(duì)輸出電脈沖的上升時(shí)間及傳輸效率產(chǎn)生影響, 此結(jié)論可為提高條紋相機(jī)的時(shí)間分辨率提供理論指導(dǎo).

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用橫向結(jié)構(gòu)的GaAs PCSS, 如圖1所示.半絕緣 GaAs材料的暗態(tài)電阻大于5 × 107W·cm, 禁帶寬度為 1.43 eV, 電子的遷移率大于5000 cm2/(V·s), 載流子濃度為 1014cm–3, 其本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)250 kV/cm.GaAs芯片的尺寸為寬8.0 mm, 長(zhǎng) 10.0 mm, 厚度 0.6 mm.GaAs PCSS的電極采用刻蝕方法制作, 通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使得電場(chǎng)分別更均勻, 電極為 135°圓角, 尺寸為 6.0 mm ×3.5 mm, 圓角半徑為 1.1 mm, 電極采用 Au/Ge/Ni合金制作而成, 與GaAs PCSS芯片材料形成了良好的歐姆接觸.

掃描電路的結(jié)構(gòu)示意如圖2.電路中的元器件取值為:限流電阻R1,R2,R3和R4的阻值為 470 kW,濾波電容C1,C2,C3和C4的容值為 10 nf, 儲(chǔ)能電容C5和C6的耐壓為3 kV.

圖2 掃描電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2.Schematic diagram of scanning circuit.

測(cè)試電路如圖3 所示.使用波長(zhǎng)為 800 nm, 脈寬為60 fs的飛秒激光器(型號(hào)為MaiTaiTisapphire)觸發(fā)電極間隙為 3.5 mm 的 GaAs PCSS, 其中激光脈沖波形為高斯分布.掃描電路經(jīng) SMA(subminiature version A)接頭進(jìn)入 50 W 的同軸線中, 繼而通過 60 dB 同軸衰減器 (帶寬 0—40 GHz) 與帶寬為6 GHz的示波器(型號(hào)為L(zhǎng)ecroyWaveMaster 806Zi-A)相連.使用型號(hào)為 KSDP2210-CAS-1激光能量計(jì)對(duì)激光脈沖能量進(jìn)行測(cè)量.

3 測(cè)量結(jié)果

當(dāng)觸發(fā)激光能量為 97.5 μJ, 外加偏置電壓為± 1.9 kV 時(shí), 測(cè)試了在儲(chǔ)能電容容值為 33 pF時(shí)輸出波形, 如圖4所示.從圖4可以看出, 正負(fù)輸出電脈沖的對(duì)稱性好.經(jīng)示波器測(cè)量可得正向脈沖的輸出電壓為 1.270 kV, 上升時(shí)間為 164 ps.負(fù)向脈沖的輸出電壓為1.302 kV, 上升時(shí)間為175 ps.

為了使掃描電路獲得更高的電壓傳輸效率以及更快的上升時(shí)間, 當(dāng)觸發(fā)光能為 97.5 μJ 時(shí), 分別在電容容值為 10, 33, 82, 和 100 pF 時(shí)進(jìn)行測(cè)試.當(dāng)外加偏置電壓為± 2.0 kV, 單邊電脈沖的輸出結(jié)果如圖5所示.從圖中可以看出, 隨著儲(chǔ)能電容的增大, 輸出電脈沖的幅值及上升時(shí)間均增加.

此外, 對(duì)每一個(gè)特定電容, 在外加偏置電壓分別為± 1.5, ± 1.7, ± 1.9 和± 2.0 kV 條件下測(cè)試了掃描電路的輸出波形, 測(cè)試結(jié)果如表1和表2所列.經(jīng)對(duì)比分析表明, 隨著儲(chǔ)能電容的增大, 輸出電脈沖的傳輸效率及上升時(shí)間均增加.

4 討 論

根據(jù)導(dǎo)通機(jī)理的不同, GaAs PCSS分為線性工作模式和非線性工作模式.在線性工作模式下,GaAs材料吸收一個(gè)光子最多產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì).當(dāng)偏置電場(chǎng)超過 4—8 kV/cm 時(shí), 開關(guān)進(jìn)入到非線性模式, 載流子出現(xiàn)倍增現(xiàn)象, 即GaAs材料吸收一個(gè)光子產(chǎn)生多個(gè)電子空穴對(duì).當(dāng)GaAs PCSS工作在線性模式時(shí), 其時(shí)間抖動(dòng)主要受觸發(fā)激光脈沖能量、波長(zhǎng)以及脈寬的影響[15?17].相比于非線性工作模式, 線性工作模式下GaAs PCSS的時(shí)間抖動(dòng)更小[18,19].因此, 為了更好地滿足條紋相機(jī)的設(shè)計(jì)需求, GaAs PCSS需工作在線性模式下.

圖3 掃描電路測(cè)試電路圖Fig.3.Testing test circuit of scanning circuit.

圖4 儲(chǔ)能電容為 33 pF, 偏置電壓為± 1.9 kV 時(shí)的輸出波形圖Fig.4.The output waveforms of 33 pF capacitor at the bias voltage is ± 1.9 kV.

實(shí)驗(yàn)中, 飛秒激光的波長(zhǎng)為 800 nm, GaAs 材料對(duì)800 nm波長(zhǎng)的吸收深度為微米量級(jí).實(shí)驗(yàn)中所使用的GaAs材料厚度為 0.6 mm, 因此GaAs材料對(duì)光是完全吸收.GaAs材料的本征吸收限為867 nm, 當(dāng)用 800 nm 波長(zhǎng)的激光觸發(fā) GaAs PCSS時(shí), 光生載流子為本征吸收所產(chǎn)生的.對(duì)于光能量為E, 波長(zhǎng)為l的入射光, 其所對(duì)應(yīng)的載流子數(shù)為

圖5 外加偏置電壓為± 2.0 kV 時(shí)的輸出波形圖 (插圖為上升沿波形圖)Fig.5.The output waveforms at the bias voltage is ± 2.0 kV(insert is rising edge output waveform).

表1 不同儲(chǔ)能電容時(shí)輸出電脈沖電壓傳輸效率Table 1.The voltage transmission efficiency of output waveformwith different energy storage capacitor.

其中NL為GaAs材料吸收的光子數(shù)目,E為觸發(fā)光能量,l為波長(zhǎng) 800 nm,h為普朗克常數(shù),c為光速.當(dāng)觸發(fā)光能量為 97.5 μJ 時(shí), 根據(jù) (1)式計(jì)算得出此時(shí)載流子數(shù)目為4.1 × 1014個(gè).

表2 不同儲(chǔ)能電容時(shí)輸出電脈沖上升時(shí)間Table 2.The rise time of output waveform with different energy storage capacitor.

當(dāng)外加偏置電壓為± 2.0 kV 時(shí), 對(duì)于電極間隙為 3.5 mm 的 GaAs PCSS, 此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度為11.43 kV/cm.根據(jù)輸出電脈沖波形, 可以計(jì)算出載流子的倍增率[20],

其中G為載流子倍增率,NG為光生載流子數(shù).通過(2)式計(jì)算可得出, 載流子的倍增率約為1 ×10–3, 也就是說載流子未出現(xiàn)倍增, 即開關(guān)工作在線性模式下.當(dāng)GaAs PCSS工作在線性模式時(shí),輸出電脈沖的上升時(shí)間和傳輸效率除了受觸發(fā)激光特性和偏置電場(chǎng)的影響外, 儲(chǔ)能電容也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響.在相同的外加偏置電壓時(shí), 由于使用的GaAs PCSS 的間隙均為 3.5 mm, 因此, 開關(guān)上的外加偏置場(chǎng)強(qiáng)是相同的.此外, 由于觸發(fā)激光脈沖特性相同, 即單位時(shí)間內(nèi)光生載流子的產(chǎn)生數(shù)量及速度相同.作為能量的儲(chǔ)存或輸出裝置, 當(dāng)電容增大時(shí), 電容儲(chǔ)存的電量也會(huì)增加.因此提供給開關(guān)的電能也就相應(yīng)增加, 使得輸出電脈沖的傳輸效率增大.同時(shí), 儲(chǔ)能電容的增大導(dǎo)致了電路充放電時(shí)間常數(shù)的增大, 對(duì)光脈沖響應(yīng)的靈敏度降低, 則輸出電脈沖上升時(shí)間增大.

5 結(jié) 論

本文根據(jù)飛秒條紋相機(jī)中對(duì)掃描電路的需求,設(shè)計(jì)了基于GaAs PCSS的具有快前沿正負(fù)對(duì)稱輸出的掃描電路.利用飛秒激光脈沖觸發(fā)GaAs PCSS, 在不同的儲(chǔ)能電容及外加偏置電壓下, 獲得了單邊輸出電脈沖的上升時(shí)間最快為149 ps, 電壓傳輸效率最高為92.9%, 測(cè)試結(jié)果滿足條紋相機(jī)的設(shè)計(jì)需求.通過對(duì)實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比分析, 得出在相同的觸發(fā)激光脈沖, 儲(chǔ)能電容會(huì)影響輸出電脈沖的效率及上升時(shí)間.結(jié)合輸出電脈沖波形計(jì)算載流子的倍增率, 得出GaAs PCSS工作在線性模式下.根據(jù)線性模式的工作特點(diǎn)及電容的儲(chǔ)能特性, 分析指出在觸發(fā)激光脈沖特性相同時(shí), 隨著儲(chǔ)能電容增大, 輸出電脈沖電壓傳輸效率及上升時(shí)間均增加,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.該研究對(duì)GaAs PCSS更好地應(yīng)用在飛秒條紋相機(jī)中具有一定的指導(dǎo)意義, 同時(shí)對(duì)提高飛秒條紋相機(jī)的時(shí)間分辨率具有一定的推進(jìn)作用.