低光能觸發(fā)的砷化鎵光導開關導通機理

徐守利 劉京亮 胡 龍 倪 濤 許春良

低光能觸發(fā)的砷化鎵光導開關導通機理

徐守利1劉京亮1胡 龍2倪 濤1許春良1

（1. 中國電子科技集團公司第十三研究所 石家莊 050050 2. 西安交通大學電子科學與工程學院 西安 710049）

該文建立了砷化鎵（GaAs）光導開關（PCSS）的一維器件仿真模型，研究了低光能觸發(fā)條件下電流通道內(nèi)關鍵物理參數(shù)的瞬態(tài)變化過程，提出了GaAs PCSS的多雪崩電離疇物理模型，能夠自洽地解釋低光能觸發(fā)、超快速導通和電壓鎖定等開關特征。GaAs PCSS受12 W、905 nm脈沖激光觸發(fā)后，電流通道內(nèi)產(chǎn)生多個高場強（200～600 kV/cm）雪崩電離疇，雪崩電離疇隨等離子體濃度的提高而發(fā)展、湮滅，導致開關延遲3.0 ns后在147 ps內(nèi)超快速導通。開關導通后，電流通道內(nèi)仍存在少量雪崩電離疇，使開關導通后電壓鎖定。雪崩電離疇運動導致GaAs PCSS工作時出現(xiàn)ps級電流振蕩現(xiàn)象，分析了振蕩信號產(chǎn)生的物理原因。同時，開展了低光能觸發(fā)條件下GaAs PCSS雪崩導通實驗研究。結(jié)果表明，當采用50 Ω固態(tài)脈沖形成線、4 mm間距異面結(jié)構(gòu)、PCSS工作電壓為17.5 kV時，負載輸出脈沖峰值功率達MW級，脈沖上升時間約為620 ps，最高重頻達到20 kHz。

脈沖功率 光導開關 雪崩電離疇 低光能觸發(fā) 亞納秒

0 引言

高功率微波因具有巨大的軍事應用價值，已成為當前軍事競爭的戰(zhàn)略制高點。高功率微波武器是利用定向輻射的高功率微波束干擾、擾亂、降級甚至燒毀敵方電子設備的一種定向能武器[1-4]。

高功率微波按頻帶寬度一般分為窄帶高功率微波和超寬帶高功率微波。窄帶高功率微波的產(chǎn)生主要依賴氣體開關的脈沖驅(qū)動源和電真空器件的微波源[5]。相對于窄帶高功率微波，超寬帶高功率微波覆蓋的頻譜范圍更寬，理論上作用目標范圍相對更廣。超寬帶高功率微波的產(chǎn)生主要依賴氣體開關的脈沖源和后級的氣體陡化開關，微波功率可達到數(shù)十吉瓦。但系統(tǒng)復雜、體積和質(zhì)量龐大，受限于開關恢復時間，重頻水平僅為百赫茲量級[6-8]。隨著半導體技術的不斷進步，半導體器件的峰值功率不斷提升，基于半導體器件可構(gòu)建固態(tài)化的高重頻超寬帶微波系統(tǒng)，進一步拓展了超寬帶高功率微波的應用。雪崩砷化鎵（Gallium Arsenide, GaAs）光導開關（Photoconductive Semiconductor Switch, PCSS）所需的觸發(fā)光能量相比于Si和SiC PCSS低約3～5個數(shù)量級。GaAs PCSS工作電壓高達數(shù)百千伏、開通時間為百皮秒、延時抖動僅為數(shù)十皮秒、觸發(fā)光脈沖能量為數(shù)納焦、重頻達到千赫茲以上，在超寬帶高功率微波中具有重要應用價值[9-11]。

GaAs PCSS導通過程中產(chǎn)生電流絲通道，其密度高達106A/cm2量級以上，導致PCSS壽命有限。若要解決器件壽命難題，必須要深入研究器件的工作機理。目前，已有陷阱俘獲場模型、雙注入和深能級陷阱俘獲模型、深能級雜質(zhì)電離模型、陽極雪崩注入模型、局部電離模型、流注模型、集體碰撞電離模型、光激發(fā)電荷疇模型等數(shù)種物理模型來解釋GaAs PCSS雪崩導通機理[12-20]。上述模型可以解釋器件的個別工作特征，雖尚未能自恰地解釋器件低光能觸發(fā)、超快速導通、電壓鎖定（lock-on）等各工作特征，但為后續(xù)的研究工作起到很好的借鑒作用?；诎雽w器件仿真工具無法模擬獲得PCSS電流絲的形成過程，因此對全尺寸GaAs PCSS仿真時，并不能獲得超快速的雪崩導通物理過程。實際上，PCSS雪崩導通僅發(fā)生在電流絲通道內(nèi)，故可將模型中的器件結(jié)構(gòu)等效為電流絲結(jié)構(gòu)，只仿真電流絲內(nèi)的物理過程。因此，在低光能觸發(fā)條件下獲得了GaAs PCSS超快速導通的整個瞬態(tài)過程，并觀察到了多雪崩電離疇形成、演變及湮滅過程[21]。多雪崩電離疇的演變物理過程導致的超快速導通需要深入分析，尤其是雪崩電離疇演變運動所引發(fā)的新物理現(xiàn)象更值得關注。本文深入研究了GaAs PCSS雪崩導通過程中，雪崩電離疇的產(chǎn)生和演變動態(tài)過程，為器件的工程設計和應用提供理論指導依據(jù)。

1 器件仿真模型

1.1 砷化鎵參數(shù)模型

基于Silvaco Atlas器件仿真工具建立GaAs PCSS一維器件-電路混合模型。P. M. Smith等通過實驗測取了GaAs在高場強下的電子速度，當電場強度在20～200 kV/cm范圍內(nèi)時，電子速度隨電場強度的提高而降低[22]；S. N. Vainshtein等的實驗結(jié)果表明，電子微分遷移率在特征電場強度th至600 kV/cm的范圍內(nèi)仍為負[23]。根據(jù)上述研究結(jié)果，PCSS仿真模型中電子遷移率為

式中，為電場強度；th為特征電場強度，本文取4.0 kV/cm；sn為電子飽和速度，取5.0×106cm/s；n0為低電場電子遷移率，取7 000 cm2/(V·s)。

空穴遷移率為

式中，sp為空穴飽和速度，取6.6×106cm/s；p0為低電場空穴遷移率，取400 cm2/(V·s)。

載流子電離系數(shù)是PCSS仿真模型中重要的物理參數(shù)。參數(shù)模型中的電子、空穴電離系數(shù)取值與實測值一致[24]。電子、空穴的電離系數(shù)分別為

式中，n0取2.1×105cm-1；n取6.2×105V/cm；p0取2.5×105cm-1；p取7.2×105V/cm。

載流子復合包含兩種復合模型：Shockel-Read- Hall（SRH）復合和俄歇（Auger）復合。SRH復合模型的載流子復合率表示為

式中，和分別為電子濃度和空穴濃度；n為電子壽命，取1.0×10-9s；p為空穴壽命，取2.0×10-8s；ie為本征載流子濃度。SRH復合是通過雜質(zhì)或缺陷等復合中心的電子和空穴復合。在PCSS器件模型中，電子和空穴壽命采用仿真工具中GaAs材料的推薦參數(shù)值。

電子與空穴復合時，把能量或者動量通過碰撞轉(zhuǎn)移給另一個電子或另一個空穴，造成該電子或空穴躍遷的復合過程稱為Auger復合。Auger復合模型的復合率表示為

式中，n和p分別為電子和空穴的Auger系數(shù)，采用仿真工具中GaAs材料的推薦參數(shù)值[25]，n取5.0× 10-30cm6/s，p取6.0×10-31cm6/s。

光在半導體材料內(nèi)傳播時，光子被材料吸收產(chǎn)生電子-空穴對。光致載流子生成率表示為

式中，為光功率；0為量子效率；為光傳播相對距離；為普朗克常數(shù)；為光波長；為光傳播速度；為光吸收系數(shù)。GaAs材料的本征吸收界約為873 nm，仿真和實驗采用的光波長均為905 nm。GaAs材料吸收905 nm激光的量子效率約為0.66[26]。光吸收系數(shù)不僅與波長有關，且受偏置電場影響。根據(jù)Franz-Keldysh效應[27]，905 nm波長激光在88 kV/cm電場偏置的GaAs中吸收系數(shù)為3.61′102cm-1。

1.2 仿真電路

PCSS雪崩導通時形成高密度電流通道，假設光脈沖注入時刻電流通道即已形成，最高電流密度設為1.0×106A/cm2。半絕緣GaAs電阻率達到108Ω·cm，電子遷移率大于6 000 cm2/(V·s)。根據(jù)電阻率和電子濃度關系，模型中GaAs摻雜濃度為107cm-3。電極間距為0.1 mm。雪崩電離疇寬度最小約為0.1 μm，相鄰網(wǎng)格點的間距設為0.01 μm，以保證每個雪崩電離疇描述的網(wǎng)格點足夠多。觸發(fā)光波長為905 nm，對應光子能量為1.375 eV。GaAs材料禁帶寬度為1.42 eV，材料內(nèi)EL2缺陷能級距離導帶間隙為0.75 eV。缺陷能級上的束縛電子吸收注入光子后，非本征躍遷至導帶，形成初始載流子。PCSS觸發(fā)位置由陰極沿電場方向注入。

異面結(jié)構(gòu)PCSS、一維等效電流通道及模擬電路如圖1所示。直流電源dc通過充電電阻c向電容（100 pF）充電，待電容充電至880 V工作電壓時，開關S1關斷，光脈沖從陰極觸發(fā)PCSS。光脈沖功率為12 W，脈寬為1.3 ns，能量約為15.2 nJ。電路模擬中，最小時間步為1′10-6ns，滿足PCSS整個雪崩導通過程的時間精度要求。波長905 nm的光在GaAs材料的吸收系數(shù)為3.61′102cm-1，即光功率透射2.77′10-2mm深度時功率衰減至原功率的36.8%。PCSS導通后，電容向50 Ω負載放電。

圖1 PCSS模擬電路

1.3 仿真電路波形

PCSS電壓、負載電壓和光脈沖功率波形如圖2所示。圖中，0=50.0 ns、1=52.983 ns、2=53.130 ns、1,2=53.011 ns。開關電壓提高至880 V時，PCSS偏置電場強度為88 kV/cm，50 ns時刻光脈沖沿電場方向觸發(fā)PCSS陰極。PCSS延遲時間為3.0 ns，導通時間為147 ps。在線性模式下，PCSS的輸出波形幾乎是觸發(fā)光脈沖的線性響應，而模型中PCSS的導通時間遠小于觸發(fā)光脈沖前沿（約為1 ns）。此外，PCSS輸出脈沖峰值功率為12.8 kW，相對光脈沖峰值功率增益約為1 000倍。因此，PCSS工作于雪崩模式。

圖2 電路模擬波形

根據(jù)電流通道內(nèi)電場強度、載流子濃度等關鍵物理參數(shù)分布變化，PCSS的導通過程可分為三個階段：延遲階段（0≤＜1）、超快速導通階段（1≤＜2）和電壓鎖定階段（≥2）。

2 PCSS導通瞬態(tài)物理過程

2.1 延遲階段

光脈沖觸發(fā)PCSS時，陰極受光區(qū)吸收光子產(chǎn)生了電子-空穴對。在電場作用下，電子向陽極漂移，空穴向陰極漂移。陽極處產(chǎn)生高電場區(qū)，峰值電場強度大于250 kV/cm。陽極高電場區(qū)及雪崩疇形成如圖3所示。高電場區(qū)內(nèi)載流子雪崩倍增，產(chǎn)生的空穴向陰極漂移，電子向陽極漂移。由于陽極高電場區(qū)的雪崩注入作用，陰極處光注入等離子體區(qū)外的空穴濃度逐漸提高，結(jié)構(gòu)內(nèi)形成初始等離子體。光注入等離子體區(qū)邊界電場強度大于th時，產(chǎn)生初始偶極疇，如3a所示。初始偶極疇向陽極運動，積累層電子濃度提高，疇峰值電場強度提高，初始偶極疇發(fā)展為高電場（電場強度大于200 kV/cm）的雪崩電離疇。從52.268～53.543 ns的時段內(nèi)，疇峰值電場強度由71.67 kV/cm提高至274.32 kV/cm，PCSS兩端電動勢差sw變化率為-1.67 V/ns，如圖3b所示。在52.389 ns時，當光注入等離子體區(qū)邊界處電場強度大于th時，產(chǎn)生了新的初始偶極疇。

圖3 陽極高電場區(qū)及雪崩疇形成

雪崩電離疇向陽極運動，疇內(nèi)載流子雪崩倍增，導致疇后等離子體濃度高于疇前等離子體濃度。等離子體濃度提高使雪崩電離疇寬度減小，從而導致疇兩端電動勢差減小。當光注入等離子體區(qū)邊界處電場強度再次大于th時，產(chǎn)生一個新的初始偶極疇向陽極運動，并在高等離子體濃度條件下迅速發(fā)展為雪崩電離疇。因此，隨著等離子體濃度提高，形成了多個雪崩電離疇同時向陽極運動，并使等離子體濃度加速提高。52.839～52.881 ns時，電流通道內(nèi)多雪崩電離疇的演變?nèi)鐖D4所示。疇寬度隨等離子體濃度提高而迅速減小。雪崩電離疇產(chǎn)生、運動過程中，電流通道內(nèi)等離子體濃度提高，導致雪崩電離疇峰值電場強度提高、數(shù)量增多、寬度減小。雪崩電離疇峰值電場強度提高，又加速了疇內(nèi)載流子雪崩倍增，導致等離子體濃度進一步提高，因此，雪崩電離疇的演變是一個正反饋過程。

圖4 多雪崩電離疇形成

2.2 超快速導通階段

當雪崩電離疇峰值電場強度足夠高、數(shù)量足夠多時，電流通道內(nèi)等離子體濃度開始急劇上升，PCSS進入超快速導通階段。根據(jù)雪崩電離疇的演變特征，超快速導通階段又可劃分為兩個階段。

1）第1階段（1≤＜1,2）

在第1階段，隨著等離子體濃度提高，雪崩電離疇數(shù)量增多、峰值電場強度提高，但疇寬度急劇減小，使PCSS兩端電動勢差急劇降低，開關兩端電動勢差變化率達到-5.4′103V/ns，該階段電流通道內(nèi)的電場、電子和空穴分布變化如圖5所示。

圖5 第1階段多雪崩電離疇演變

等離子體濃度提高導致雪崩電離疇峰值電場強度提高、疇寬度減小、疇兩端電動勢差降低，雪崩電離疇運動速度隨峰值電場強度的提高而提高。52.999～53.011 ns內(nèi)的多雪崩電離疇演變動態(tài)如圖6a所示，其中一個雪崩電離疇的演變?nèi)鐖D6b所示。在52.999～53.007 ns的8 ps時間內(nèi)，圖6b中雪崩電離疇峰值電場強度由434.56 kV/cm提高至471.94 kV/cm，疇寬度由0.58 μm減小至0.46 μm，疇兩端電動勢差由24.51 V降低至21.78 V，疇內(nèi)峰值載流子生成率由6.31′1030cm-1·s-1提高至1.0′1031cm-1·s-1，疇向陽極運動了0.527 μm，對應運動速度為8.78′106cm/s；在時刻53.007～53.011 ns的4 ps時間內(nèi)，雪崩電離疇峰值電場強度進一步提高至500.52 kV/cm，疇寬度減小至0.42 μm，疇兩端電動勢差降低至20.51 V，峰值載流子生成率提高至2.0′1031cm-1·s-1，疇向陽極運動了0.473 μm，對應運動速度為1.18′107cm/s。

圖6 雪崩電離疇演變（52.999～53.011 ns）

2）第2階段（1,2≤＜2）

在第2階段內(nèi)，隨著等離子體濃度提高，雪崩電離疇峰值電場強度降低、疇數(shù)量減少、疇寬度減小，從而導致PCSS兩端電動勢差進一步急劇降低，該階段的開關兩端電動勢差變化率為-4.94′103V/ns，電流通道內(nèi)的電場、電子和空穴分布變化如圖7所示。

等離子體濃度提高導致電離疇峰值電場強度降低、疇寬度減小，電離疇運動速度隨峰值電場強度降低而降低。53.069～53.082 ns內(nèi)多雪崩電離疇演變動態(tài)如圖8a所示，其中一個雪崩電離疇演變?nèi)鐖D8b所示。在時刻53.069～53.077 ns 的8 ps時間內(nèi)，疇峰值電場強度由484.89 kV/cm降低至433.9 kV/cm，疇寬度由0.2 μm減小至0.16 μm，疇兩端電動勢差由9.65 V降低至6.57 V，疇運動速度為9.59′106cm/s；53.077～53.082 ns中，雪崩電離疇峰值電場強度進一步降低至393.88 kV/cm，疇寬度減小至0.13 μm，疇兩端電動勢差降低至5.34 V，疇運動速度為6.98′106cm/s。

圖7 第2階段多雪崩電離疇演變

圖8 雪崩電離疇演變（53.069～53.082 ns）

2.3 電壓鎖定

PCSS的導通電壓示意圖如圖9a所示，其導通電壓約為38.09 V，對應電場強度約為3.8 kV/cm，該Lock-on電場強度近似等于電子速度的特征場強值（4 kV/cm）。PCSS通態(tài)電場強度模擬結(jié)果與已報道的Lock-on電場強度實驗值（3.6～9.5 kV/cm）相符合。導通后的電場及電動勢分布如圖9b所示，電流通道內(nèi)的等離子體區(qū)仍然存在兩個疇，峰值電場強度分別為268.17 kV/cm、114.41 kV/cm，對應峰值載流子生成率分別為7.94′1027cm-3·s-1、3.98′1023cm-3·s-1。陰極邊界處空穴濃度大于電子濃度，導致該處存在高電場區(qū)，該區(qū)域和等離子體區(qū)交界處產(chǎn)生雪崩電離疇向陽極運動。電離疇運動過程中逐漸湮滅，而高電場區(qū)和等離子體區(qū)交界處將持續(xù)產(chǎn)生雪崩電離疇。在53.317 ns時，PCSS兩端電動勢差為37.62 V（陽極處電動勢），兩個雪崩電離疇兩端電動勢差總和為29.23 V，開關維持的電動勢差主要由雪崩電離疇分擔。PCSS導通后，電流通道內(nèi)仍然存在少量的雪崩電離疇，使電流通道內(nèi)載流子產(chǎn)生和復合達到了動態(tài)平衡，導致PCSS電壓鎖定，即Lock-on現(xiàn)象。

圖9 導通電壓及電流通道內(nèi)電場、電動勢分布

2.4 雪崩電離疇特征

雪崩電離疇是由電子和空穴組成的局部高電場區(qū)，其峰值電場強度為200～600 kV/cm。雪崩電離疇內(nèi)載流子濃度、電場強度、電子速度和電流密度分布特征如圖10所示。雪崩電離疇前沿電場強度th處的電子速度高于疇內(nèi)高電場處的電子速度，使該處電子抽取速度高于疇內(nèi)電子補充速度，導致疇前沿電子耗盡，即電子濃度低于疇外等離子體濃度；同樣，雪崩電離疇后沿處電子積累，電子濃度高于疇外等離子體濃度，如圖10a所示。雪崩電離疇運動速度高于疇內(nèi)電子漂移速度，且空穴向陰極漂移，導致疇后等離子體濃度高于疇前等離子體濃度。雪崩電離疇內(nèi)電子和空穴濃度相等時，電場強度最大，如圖10b所示。疇內(nèi)電場分布對應的電子速度分布如圖10c所示。電子電流密度、空穴電流密度、位移電流密度和總電流密度分布如圖10d所示。

雪崩電離疇提高了PCSS電流通道內(nèi)的等離子體濃度，等離子體濃度的提高又影響雪崩電離疇的演變。在電流通道內(nèi)雪崩電離疇形成和湮滅過程中，疇峰值電場強度和寬度隨等離子體濃度變化如圖11所示。當?shù)入x子體濃度由2.0×1015cm-3左右提高至1.0×1018cm-3左右時，雪崩電離疇峰值電場強度從270 kV/cm左右提高至540 kV/cm左右后下降至360 kV/cm左右，雪崩電離疇寬度從約13.9 μm減小至0.1 μm左右。

圖11 雪崩電離疇參數(shù)隨等離子體濃度變化

雪崩電離疇與傳統(tǒng)Gunn疇特征明顯不同，主要表現(xiàn)在兩個方面。

1）初始形成

傳統(tǒng)Gunn疇形成于微波Gunn二極管器件中，由摻雜電離產(chǎn)生的電子和電離施主組成；雪崩電離疇產(chǎn)生于PCSS雪崩導通的電流通道內(nèi)，由碰撞電離產(chǎn)生的電子和空穴組成。

2）演變動態(tài)

當內(nèi)外電子平均速度相等時，Gunn疇停止生長并趨于穩(wěn)定，Gunn疇周期性產(chǎn)生、渡越和消失，對應產(chǎn)生周期性微波信號；PCSS中，由于強大的雪崩注入作用，形成的初始偶極疇不穩(wěn)定而迅速發(fā)展為高電場雪崩電離疇，隨著等離子體濃度提高，雪崩電離疇形成、湮滅。

多雪崩電離疇在PCSS內(nèi)引發(fā)類似載流子集體雪崩電離現(xiàn)象，在亞納秒時間內(nèi)產(chǎn)生高濃度等離子體。由于PCSS導通主要由結(jié)構(gòu)內(nèi)強烈的雪崩電離決定，PCSS具備低光能觸發(fā)和超快速導通特性。PCSS導通后結(jié)構(gòu)內(nèi)仍然存在少量雪崩電離疇使電壓鎖定。因此，多雪崩電離疇理論能夠自洽地解釋PCSS雪崩導通各工作特征。

2.5 皮秒級振蕩

根據(jù)模擬研究結(jié)果，PCSS轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥鑼顟B(tài)后，開關電流波形出現(xiàn)了皮秒級的振蕩信號，如圖12所示。圖中，1=53.222 9 ns,2=53.224 2 ns,3=53.225 5 ns,4=53.227 0 ns。由圖12可知，振蕩電流信號的峰峰值約為0.04～0.25 A，振蕩周期約為3.8～6.1 ps。

圖12 皮秒級振蕩信號

PCSS雪崩導通轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)后，電流通道內(nèi)充滿高濃度等離子體（約為1018cm-3）。電極處電子濃度和空穴濃度不相等，導致產(chǎn)生兩個高電場區(qū)。陽極高電場區(qū)中，電子濃度高于空穴濃度，電子向陽極漂移，不滿足疇形成條件；陰極處高電場區(qū)內(nèi)，碰撞電離產(chǎn)生的電子向等離子體區(qū)漂移，當陰極高電場區(qū)某處電子濃度高于空穴濃度時，陰極高電場區(qū)分裂出一個雪崩電離疇。雪崩電離疇在高濃度等離子體區(qū)運動過程中逐漸湮滅，即峰值電場強度降低、疇寬度減小。一個振蕩周期內(nèi)不同時刻（見圖12）的陰極處電場分布和結(jié)構(gòu)內(nèi)電動勢分布如圖13所示。由于陰極處雪崩電離疇周期性產(chǎn)生和湮滅，PCSS兩端電動勢差變化周期為ps量級，對應電流波形出現(xiàn)ps級振蕩信號。PCSS雪崩導通后，電流通道內(nèi)形成高濃度的等離子體后，陰極處雪崩電離疇周期性產(chǎn)生和湮滅，使開關電流出現(xiàn)ps級振蕩，振蕩信號頻率達到THz范圍。

圖13 不同時刻電流通道內(nèi)陰極處電場分布和電動勢分布

S. N. Vainshtein等開展n-p-n0-n+結(jié)構(gòu)的雙極GaAs雪崩晶體管超快速導通研究時，提出了GaAs雪崩晶體管的雪崩電離疇的物理模型，模擬發(fā)現(xiàn)并實驗驗證了雙極GaAs雪崩晶體管可產(chǎn)生太赫茲波，并將太赫茲波的產(chǎn)生歸因于雪崩電離疇的演變坍塌[28-29]。

3 PCSS雪崩導通實驗研究

3.1 實驗電路

基于GaAs PCSS導通機理研究，進一步開展了低光能觸發(fā)GaAs PCSS的實驗研究。實驗電路原理圖如圖14a所示，電路由觸發(fā)控制、初級供電、脈沖形成、PCSS及負載構(gòu)成。直流電源DC通過充電電阻c向電容充電，充電完成后雙路延時觸發(fā)信號源首先控制初級開關Sm導通，通過1:30脈沖變壓器（Pulse-Transformer, PT）和二極管VD向微帶型脈沖形成線充電，待形成線電壓達到峰值，信號源觸發(fā)激光二極管。激光二極管產(chǎn)生兩路激光脈沖，一路用于監(jiān)測，另一路觸發(fā)PCSS。負載脈沖經(jīng)80 dB衰減后由2.5 GHz、20 GS/s示波器監(jiān)測。脈沖形成線端口阻抗為50 Ω，電長度約為1 ns。激光脈沖波長約905 nm。選取窄條異面結(jié)構(gòu)GaAs PCSS進行實驗，如圖14b所示。器件電極間距為 4 mm、寬度為2 mm，脈沖耐壓為20 kV。PCSS由陰極處被觸發(fā)，受光區(qū)域直徑約為1 mm。

圖14 GaAs光導開關實驗原理及器件實物

3.2 實驗結(jié)果及討論

實驗中初級電容充電至450 V，脈沖變壓器次級脈沖形成線的充電電壓約為17.5 kV。隨著PCSS受光觸發(fā)導通，形成線電壓迅速向負載釋放。圖15為形成線通過PCSS向負載輸出的實驗脈沖波形，高壓脈沖峰值約為8.5 kV，脈沖上升沿為620 ps，開關導通電流約為170 A，峰值功率約為1.4 MW。

圖15 負載輸出波形

由于雪崩電離疇的最小寬度約為0.1mm，在PCSS數(shù)值模擬中，在保證網(wǎng)格間距精度條件下，受限于網(wǎng)格總量，無法仿真全間距PCSS導通過程，不得不縮小開關間距開展仿真以研究器件導通機理。由1.3節(jié)可知，仿真得到0.1 mm間距器件獲得了147 ps的脈沖上升時間；實驗測得4 mm間距PCSS產(chǎn)生的脈沖上升沿約為620 ps。除測量因素外，負載脈沖的上升沿r主要受兩個因素影響：一是PCSS本身的開關時間sw；二是形成線放電形成波傳輸回路的寄生電感p（r∝p/，為回路電阻）。則r可表示為

1）實驗PCSS開關速度將大于仿真獲得的開關速度。一方面，PCSS器件模型中，載流子遷移率、電離率等參數(shù)未考慮器件工作溫度的影響，實際上PCSS雪崩導通形成的高密度電流將使器件溫度明顯上升，載流子飽和漂移速度和載流子電離率隨溫度提高而降低，從而將導致開關時間將隨器件溫度提高而增大；另一方面，在模擬中，未考慮寄生電感的影響。

2）在實驗中，PCSS的電流絲及高壓條件下的連接方式等，將產(chǎn)生大于8 nH的寄生電感（按電流絲等效圓截面直導線計算），回路時間常數(shù)約為160 ps。因此，寄生電感引起的測量限制時間約為500 ps。

3）此外，所能獲得的高壓脈沖衰減器帶寬僅為1.5 GHz，也限制了脈沖上升沿的準確測量。

模擬中0.1 mm小間距GaAs PCSS的結(jié)果和實驗中4 mm大間距PCSS的結(jié)果均說明，以電子渡越時間無法解釋PCSS超快速導通的物理原因，而多雪崩電離疇模型能很好地解釋雪崩模式PCSS超快速導通特性。由于大間距PCSS的電流絲和高壓絕緣連接帶來的寄生電感更大，大間距高壓PCSS產(chǎn)生脈沖前沿大于小間距低壓PCSS。

當器件峰值功率達到MW量級時，絲狀電流分布導致開關每次導通時的損耗較大。在1 kHz重復頻率下，對器件進行測試，結(jié)果表明，PCSS可連續(xù)工作10 s以上，僅個別輸出脈沖幅值發(fā)生跌落。PCSS連續(xù)工作10 s后暫停工作一段時間，依然能恢復1 kHz正常工作。在20 kHz重復頻率下，進一步測試了開關的極限頻率響應特性，結(jié)果如圖16所示。結(jié)果表明100～200個脈沖內(nèi)，開關可以維持穩(wěn)定工作，隨著20 kHz下脈沖數(shù)增加，開關芯片局部電暈電荷逐漸積累，器件沿面出現(xiàn)放電和閃絡等現(xiàn)象，嚴重影響了開關表面的絕緣特性。

圖16 20 kHz重復頻率下輸出脈沖實驗波形

PCSS雪崩導通時形成高密度電流通道，使器件隨工作次數(shù)增加而損傷加劇。實驗結(jié)果表明，電極邊緣處因電場、電流聚集而更容易損傷。要提高雪崩模式GaAs PCSS的壽命，不僅要勻化電極邊緣處電場和電流分布，還要采用新材料、新技術提高電極散熱性能及高溫工作穩(wěn)定性。此外，還應研究多電流通道集成技術，減少每條電流通道的電流，從而進一步提高器件壽命。

4 結(jié)論

本文研究了低光能觸發(fā)GaAs PCSS超快速導通的雪崩電離疇產(chǎn)生和演變機理，解釋了PCSS低光能觸發(fā)、超快速導通和電壓鎖定等工作特征的物理原因，得到以下結(jié)論：

1）在延遲階段，電流通道內(nèi)產(chǎn)生了多個高電場強度（200～600 kV/cm）的雪崩電離疇，隨著等離子體濃度提高，雪崩電離疇峰值電場強度提高，疇內(nèi)高電場又加速載流子雪崩倍增，從而使等離子體濃度進一步提高。

2）在超快速導通階段，隨著等離子體濃度的提高，雪崩電離疇峰值電場強度提高，但疇寬度迅速減小，使PCSS兩端電動勢差急劇降低；隨著等離子體濃度進一步提高，雪崩電離疇峰值電場強度降低、疇寬度減小、疇數(shù)量減少，從而使PCSS兩端電動勢差進一步急劇降低。

3）PCSS導通后，電流通道內(nèi)仍存在少量雪崩電離疇，使開關電壓鎖定，對應Lock-on電場強度為3.8 kV/cm，與已報道實驗結(jié)果（3.6～ 9.5 kV/cm）相符合。PCSS雪崩導通后，電流通道內(nèi)充滿高濃度等離子體（約為1018cm-3），陰極處雪崩電離疇周期性產(chǎn)生、湮滅使開關電流振蕩周期為3.8～6.1 ps。

4）在導通機理研究的基礎上，開展了低光能觸發(fā)下4 mm間距異面PCSS的實驗研究。在雪崩模式下，脈沖形成線充電電壓為17.5 kV，負載輸出高壓脈沖上升沿約為620 ps，脈沖峰值功率可達MW級，最高重頻達到20 kHz。

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Operating Mechanism of Low-Energy-Triggered Gallium Arsenide Photoconductive Semiconductor Switch

Xu Shouli1Liu Jingliang1Hu Long2Ni Tao1Xu Chunliang1

（1. The 13th Research Institute China Electronics Technology Group Corporation Shijiazhuang 050050 China 2. School of Electronic Science and Engineering Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

High repetitive ultrawide band pulse possesses wide application prospect to civil and military fields, whose key parameters are decided by prosperities of the pulsed power semiconductor device. Gallium arsenide (GaAs) photoconductive semiconductor switch (PCSS) in avalanche mode based on semi-insulating (SI) wafer possesses properties of low-energy triggering, high voltage and ultrafast switching. The ultrawide band generator based on GaAs PCSS can achieve miniaturization, modularization and array. For decades, there were several theories explaining the phenomena in the avalanche PCSS with consideration of field-dependent trapping of charge carriers, deep impurity ionization, double injection, avalanche injection, localized impact ionization, streamer formation, collective impact ionization, and photo-activated charge domain. However, the operation mechanism, especially the lock-on effect, of the GaAs PCSS in the avalanche mode is still unclear.

Operating mechanism of low-energy-triggered GaAs PCSS was analyzed using a one-dimensional physics-based numerical simulation. The transient process of physical parameters in filament was discussed. The physics of multiple avalanche domains as the operating mechanism of the PCSS in avalanche mode was described, which leads to characteristics of low-energy triggering, ultrafast switching and voltage locking of the switch. When a 905-nm optical pulse with the power of 12 W triggered the PCSS from cathode, the switch reached a high conducting state in 147 ps after a delay time of 3.0 ns, and then turn-on voltage across the PCSS was locked at an electric field of about 3.9 kV/cm due to existing of residual avalanche domains in filament. The transient process can be divided into three stages containing delay, ultrafast switching and votage locking. In the delay stage, the intrinsic positive feedback causes formation of multiple avalanche domains and dense electron-hole plasma. In the ultrafast switching stage, the increase of plasma density leads to the increase of domain field and drastic domain shrinkage that reduces voltage across the structure very fast. Further increase of plasma density results in domains annihilation including reduction of domain width, peak field and domain number, and ultrafast switching sustainable occurs. At the last stage, the PCSS turns into voltage locking stage due to the existence of a small quantity of avalanche domains in the high conductivity structure. Moreover, the phenomenon of picosecond current oscillations was observed numerically in the avalanche GaAs PCSS, and the peak-to-peak amplitude of these current signals is about 0.04～0.25 A, and the oscillating period is about 3.8～6.1 ps.The physical reason was also discussed by evolution of avalanche domains in the filament.

Based on the investigation on the switching mechanism, the experimental study of the GaAs PCSS with 4 mm gap biased at 17.5 kV was carried out using in a 50 Ω pulse forming line. When the pulse forming line was charged to 17.5 kV, the laser pulse from a laser diode module triggered the GaAs PCSS at cathode side. The PCSS turned into a conducting state, and the pulse was generated across the load resistance. The peak power of voltage pulse reaches MW level, and risetime of output pulse is only about 620 ps, and the highest repetition rate is up to 20 kHz. The numeric switching time of GaAs PCSS is significantly less than that achieved in our experiment, which is caused mainly by parasitic inductance in experimental circuit.

Pulsed power, photoconductive semiconductor switch (PCSS), avalanche domain, low-energy triggering, sub-nanosecond

徐守利 男，1978年生，碩士，高級工程師，研究方向為半導體功率電子器件。E-mail:13833106174@139.com

胡 龍 男，1986年生，副研究員，碩士生導師，研究方向為半導體功率電子器件、脈沖功率技術。E-mail:hulong@xjtu.edu.cn（通信作者）

TM89

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221390

國家自然科學基金（52177156）和強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室開放課題（SKLIPR2004）資助項目。

2022-07-19

2022-10-14

（編輯 李 冰）