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

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

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

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，熱電子弛豫過程處于非熱平衡階段，開關(guān)具有非平衡的瞬態(tài)熱效應特性。當開關(guān)滿足τee，τe-ac<τn條件時，在光生載流子的整個壽命時間內(nèi)，熱激子經(jīng)歷由非熱平衡階段向準熱平衡分布的弛豫過程，并最終通過復合過程電子溫度和晶格溫度趨于一致達到等溫熱平衡階段。
　　 (2)對GaAs光電導開關(guān)芯片內(nèi)熱弛豫效應進行分析，認為開關(guān)中熱電子和熱激子的熱弛豫過程和特性影響著開關(guān)芯片內(nèi)的瞬態(tài)

4、熱效應，在開關(guān)中存在熱弛豫和聲子曳引瞬態(tài)熱效應，在熱電子和熱激子的熱弛豫效應影響下GaAs光電導開關(guān)具有了非平衡的瞬態(tài)熱效應特性。GaAs光電導開關(guān)激子效應的光電導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。光激發(fā)電荷疇與激子效應的相互作用以及激子的形成、傳輸及離解過程產(chǎn)生自由電子和空穴，為激子激發(fā)光電導提供了必要的條件。
　　 (3)GaAs光電導開關(guān)的熱傳導過程經(jīng)歷熱弛豫過程的非熱平衡階段到準熱平衡階段直至最后的等溫熱

5、平衡階段。熱電子和熱激子與聲子相互作用的弛豫時間是影響GaAs光電導開關(guān)熱傳導過程的主要因素，在這些弛豫過程的影響下，GaAs光電導開關(guān)具有了電子溫度高于晶格溫度的非平衡熱傳導特性；開關(guān)的熱傳導特性實際上就是開關(guān)芯片內(nèi)各種弛豫過程的弛豫時間與載流子從陰極向陽極的漂移時間快慢的競爭結(jié)果。由于開關(guān)芯片體內(nèi)的熱弛豫效應以及熱傳導過程的相互作用，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光電導開關(guān)體內(nèi)非平

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

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光電導開關(guān)的過壓弛豫限累模式。大間隙SI-GaAs光電導開關(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，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光電導開關(guān)滿足5×104s·cm-3