大功率半绝缘GaAs光电导开关瞬态传输特性及其损伤机理的研究

论文摘要

半绝缘GaAs光电导开关是利用脉冲激光器与半绝缘GaAs相结合组成的一类新型超快光电器件。与传统开关相比,半导体光电导开关具有触发无晃动、寄生电感电容小、上升时间快、关断时间短、重复频率高等特点,特别是耐高压及大功率容量使其在超高速电子学和大功率脉冲产生与整形技术领域具有广泛的应用前景。用GaAs光电导开关产生高功率高压无晃动超短电脉冲的研究,成为国防建设、超宽带通信、超宽带雷达、电磁武器的实现等领域急需解决的关键问题。本文通过GaAs光电导开关芯片材料特性的研究,分析了散射机制对电脉冲输出特性的影响;总结了线性和非线性模式下的实验规律,用光激发电荷畴模型分析了光电导开关非线性模式下传输特性;对非线性工作模式下的使用寿命问题展开实验研究和理论分析。本文着重讨论了半绝缘GaAs的材料特性,对其电阻率、杂质和缺陷、载流子迁移率等几个方面进行了较为全面的分析。研究了半绝缘GaAs材料中的散射机制,并根据散射理论计算了各种散射机制的散射率和散射终态的一般表达式,选择出对半绝缘GaAs光电导开关输出电脉冲产生主要影响的散射机制,并具体讨论了当温度、最大触发光功率、开关缝隙长度等参数发生变化时,散射机制对光电导开关输出特性的影响。对线性模式下的光电延迟、输出电脉冲展宽等实验现象理论分析。研究表明,引起输出电脉冲展宽的主要原因是由于反位AsGa点缺陷能级的俘获作用,并成功地解释了实验结果。用光激发电荷畴理论分析了半绝缘GaAs光电导开关在非线性工作模式下的输出特性和光电阈值条件。在总结实验规律的基础上,得到半绝缘GaAs光电导开关非线性模式的光电阈值条件,指出当光能触发使开关满足n0L≥1012cm-2时,达到形成高场畴的必要条件,阈值电场的作用是使材料体内产生电子转移效应。光场、电场的共同作用使开关体内产生高场畴。高场畴的输运决定了光电导开关输出电脉冲的特性。用电荷畴的观点讨论光电导开关在线性区域、非线性区域及阈值区的工作特性。分析了高电压下引起半绝缘GaAs光电导开关的光电延迟的原因,得到与实验测试结果相吻合的结论。对开关电极和芯片材料在高电压强电流条件下的退化和损伤分别作了详细的理论分析。指出电极退化和损伤的主要原因是强电场触发时,开关电极金属—半导体材料互扩散、金属电极的电迁移等效应。其中阳极附近由于存在势垒等原因,损坏比阴极严重。芯片材料的损伤主要是由于EL2能级的存在;通过对EL2能级在开关中所起作用的机理分析,提出深能级缺陷及热效应是导致开关击穿的主要原因。通过对光电导开关击穿机理的研究,我们认为改进开关寿命的主要途径是以下几种:（1）选择适当的触发光源;（2）开关芯片两电极之间的间隙长度最优取值;（3）电极形状及位置进行重新设计;（4）选用新的电极材料;（5）改善接触界面。本研究得到国家自然科学基金（No.10376025,50477011）的资助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 综述
• 1.1 本论文的研究背景及意义
• 1.2 光电导开关的发展历史及现状
• 1.3 光电导开关应用前景
• 1.4 光电导开关的基本结构
• 1.5 光电导开关的工作模式
• 1.5.1 线性工作模式
• 1.5.2 非线性工作模式
• 1.6 本论文研究的主要内容
• 2 半绝缘GaAs的材料特性
• 2.1 半绝缘GaAs能带结构
• 2.2 半绝缘GaAs的杂质和缺陷
• 2.3 单能级的产生和复合
• 2.4 半绝缘GaAs的电阻率
• 2.4.1 半绝缘GaAs电阻率的测量数据
• 2.4.2 电阻率与杂质浓度和温度的关系
• 2.5 半绝缘GaAs中的迁移率
• 2.6 半绝缘GaAs中的光吸收
• 2.7 本章小结
• 3 半绝缘GaAs光电导开关中散射机制的选取
• 3.1 散射理论
• 3.2 半导体材料中散射机制的散射率和散射终态的推导
• 3.2.1 晶格振动散射
• 3.2.2 电离杂质的散射
• 3.2.3 谷间散射
• 3.3 半绝缘GaAS散射机制的比较
• 3.3.1 杂质散射
• 3.3.2 晶格振动散射
• 3.3.3 谷间散射
• 3.3.4 其它散射
• 3.3.5 散射率的比较
• 3.4 散射机制的选取
• 3.5 本章小结
• 4 半绝缘GaAs光电导开关特性参数对散射率的影响
• 4.1 半绝缘GaAs光电导开关线性工作模式下的传输性能参数
• 4.2 半绝缘GaAs光电导开关中的光电导表达式
• 4.3 温度对半绝缘GaAs先电导开关散射率的影响
• 4.3.1 声学波散射
• 4.3.2 光学波散射
• 4.3.3 谷间散射
• 4.3.4 杂质散射
• 4.4 光功率对散射率的影响
• 4.5 开关缝隙对散射率的影响
• 4.6 本章小结
• 5 半绝缘GaAs光电导开关线性工作模式下的实验研究
• 5.1 实验装置
• 5.2 线性模式下的实验结果分析
• 5.2.1 触发光脉冲测试
• 5.2.2 偏置电压的改变对输出特性的影响
• 5.2.3 触发光脉冲能量的改变对输出特性的影响
• 5.2.4 开关间隙的改变对输出特性的影响
• 5.3 光生载流子浓度动态变化对输出电脉冲响应速度的影响
• 5.4 线性模式下输出电脉冲展宽现象的理论分析
• 5.5 光电导开关特性参数对输出电脉冲幅值的影响
• 5.5.1 开关电极间隙对输出电脉冲幅值的影响
• 5.5.2 触发光能对输出电脉冲幅值的影响
• 5.5.3 光波波长对输出电脉冲幅值的影响
• 5.6 本章小结
• 6 非线性模式下响应特性的实验研究及理论分析
• 6.1 非线性模式下实验结果
• 6.2 高场下半导体材料的转移电子效应
• 6.3 高场下半绝缘GaAs体内高场畴的产生及必要条件
• 6.4 半绝缘GaAs光电导开关非线性模式的物理机制
• 6.5 半绝缘GaAs光电导开关非线性模式的光电阈值条件
• 6.6 高场下半绝缘GaAs光电导开关的光电延迟特性分析
• 6.7 半绝缘GaAs光电导开关奇异光电导现象的分析
• 6.8 本章小结
• 7 开关损伤的机理分析及其丝状电流的分布
• 7.1 开关损伤的实验研究
• 7.1.1 芯片材料为3mm且没有绝缘封装的开关的实验结果
• 7.1.2 芯片材料为3mm且经过绝缘封装的开关的实验结果
• 7.1.3 芯片材料为8mm且经过绝缘封装的开关的实验情况
• 7.1.4 电极损伤实验
• 7.1.5 开关损伤前后电阻变化测试
• 7.2 开关芯片材料损伤机理
• 7.2.1 暗态条件下的击穿
• 7.2.2 导通状态下的不可恢复性损伤
• 7.3 丝状电流密度及分布的计算
• 7.4 可恢复性损伤
• 7.5 开关电极损伤机理分析
• 7.6 本章小结
• 8 提高光电导开关性能及寿命的优化设计
• 8.1 开关材料的选择
• 8.2 激励光源的选择
• 8.3 芯片材料优化设计
• 8.4 电极结构的优化设计
• 8.5 电极材料的选择
• 8.6 电极接触的改善
• 8.7 本章小结
• 9 结论及后续工作展望
• 9.1 结论
• 9.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A 相关参数表
• 在学期间发表的学术论文与研究成果