高功率GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的瞬態(tài)熱效應(yīng)及其傳輸特性研究.pdf

1、超快脈沖激光器與光電半導(dǎo)體(如GaAs，InP，SiC等)相結(jié)合形成的光電導(dǎo)開關(guān)器件，具有響應(yīng)速度快(ps量級(jí))、重復(fù)率高(GHz量級(jí))、皮秒時(shí)間精度、光電隔離、耐壓高、寄生電感電容小以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)，使之在超高速電子學(xué)、脈沖功率技術(shù)和太赫茲技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文從GaAs光電導(dǎo)開關(guān)熱載流子弛豫過(guò)程出發(fā)，對(duì)熱電子弛豫和熱激子弛豫特性進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)研究了熱弛豫和聲子曳引瞬態(tài)熱效應(yīng)以及GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的熱傳導(dǎo)特

2、性；提出了大間隙半絕緣(Semi-Insulating，SI)GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的過(guò)壓弛豫限累模式。具體的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　 (1)從GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的熱載流子弛豫過(guò)程出發(fā)，依據(jù)開關(guān)的工作特性分析了當(dāng)開關(guān)內(nèi)載流子的弛豫時(shí)間與載流子壽命之間滿足不同的關(guān)系條件時(shí)，開關(guān)可以處于載流子弛豫過(guò)程的不同階段。當(dāng)開關(guān)滿足τee<τn<τe-ac條件時(shí)(τn為載流子壽命，τee為電子一電子弛豫時(shí)間，τe-ac為電子一聲學(xué)聲子的弛豫時(shí)間

3、)，芯片體內(nèi)建立了電子溫度τe高于晶格溫度T的熱電子分布，熱電子弛豫過(guò)程處于非熱平衡階段，開關(guān)具有非平衡的瞬態(tài)熱效應(yīng)特性。當(dāng)開關(guān)滿足τee，τe-ac<τn條件時(shí)，在光生載流子的整個(gè)壽命時(shí)間內(nèi)，熱激子經(jīng)歷由非熱平衡階段向準(zhǔn)熱平衡分布的弛豫過(guò)程，并最終通過(guò)復(fù)合過(guò)程電子溫度和晶格溫度趨于一致達(dá)到等溫?zé)崞胶怆A段。
　　 (2)對(duì)GaAs光電導(dǎo)開關(guān)芯片內(nèi)熱弛豫效應(yīng)進(jìn)行分析，認(rèn)為開關(guān)中熱電子和熱激子的熱弛豫過(guò)程和特性影響著開關(guān)芯片內(nèi)的瞬態(tài)

4、熱效應(yīng)，在開關(guān)中存在熱弛豫和聲子曳引瞬態(tài)熱效應(yīng)，在熱電子和熱激子的熱弛豫效應(yīng)影響下GaAs光電導(dǎo)開關(guān)具有了非平衡的瞬態(tài)熱效應(yīng)特性。GaAs光電導(dǎo)開關(guān)激子效應(yīng)的光電導(dǎo)特性也影響了熱載流子的弛豫行為和開關(guān)的瞬態(tài)熱效應(yīng)。光激發(fā)電荷疇與激子效應(yīng)的相互作用以及激子的形成、傳輸及離解過(guò)程產(chǎn)生自由電子和空穴，為激子激發(fā)光電導(dǎo)提供了必要的條件。
　　 (3)GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的熱傳導(dǎo)過(guò)程經(jīng)歷熱弛豫過(guò)程的非熱平衡階段到準(zhǔn)熱平衡階段直至最后的等溫?zé)?/p>

5、平衡階段。熱電子和熱激子與聲子相互作用的弛豫時(shí)間是影響GaAs光電導(dǎo)開關(guān)熱傳導(dǎo)過(guò)程的主要因素，在這些弛豫過(guò)程的影響下，GaAs光電導(dǎo)開關(guān)具有了電子溫度高于晶格溫度的非平衡熱傳導(dǎo)特性；開關(guān)的熱傳導(dǎo)特性實(shí)際上就是開關(guān)芯片內(nèi)各種弛豫過(guò)程的弛豫時(shí)間與載流子從陰極向陽(yáng)極的漂移時(shí)間快慢的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。由于開關(guān)芯片體內(nèi)的熱弛豫效應(yīng)以及熱傳導(dǎo)過(guò)程的相互作用，使得GaAs芯片晶格溫度變化呈現(xiàn)出弛豫振蕩的特性。
　　 (4)以GaAs光電導(dǎo)開關(guān)體內(nèi)非平

6、衡的熱傳導(dǎo)過(guò)程為基礎(chǔ)，建立了開關(guān)的熱傳導(dǎo)方程，并用COMSOL軟件數(shù)值仿真了芯片體內(nèi)電子溫度、光學(xué)聲子溫度、聲學(xué)聲子溫度隨時(shí)間的瞬態(tài)變化關(guān)系。以GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的熱弛豫過(guò)程、瞬態(tài)熱效應(yīng)以及熱傳導(dǎo)特性為基礎(chǔ)對(duì)絲狀電流損傷特性進(jìn)行了分析，絲狀電流也具有非平衡的瞬態(tài)熱效應(yīng)特性，并控制著絲狀電流的損傷程度。當(dāng)施加的偏置電壓大于某一閾值時(shí)，開關(guān)芯片體內(nèi)局部的熱傳導(dǎo)過(guò)程就在一定程度上影響了GaAs材料缺陷的特性，當(dāng)微缺陷積累到一定程度將產(chǎn)生對(duì)芯片

7、材料的本質(zhì)損壞，開關(guān)工作性能顯著下降。
　　 (5)提出了大間隙半絕緣GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的過(guò)壓弛豫限累模式。大間隙SI-GaAs光電導(dǎo)開關(guān)形成累積層的條件是n0·L≥1013cm-2；開關(guān)在高于某一閾值電壓條件時(shí)，載流子濃度與頻率之比滿足n0/f≤3×105s·cm-3條件使得空間電荷累積得以抑制，而滿足n0/f≥5×104s·cm-3條件則使得累積的空間電荷得以全部消散。大間隙半絕緣GaAs光電導(dǎo)開關(guān)滿足5×104s·cm-3