同面电极砷化镓光导开关的导通特性_刘英洲.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs20230100210半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月同面电极砷化镓光导开关的导通特性刘英洲1，韦金红2，王郎宁2，李嵩2，*，冯进军1(1 中国电子科技集团公司 第十二研究所 微波电真空器件国家级重点实验室，北京100015;2 国防科技大学 前沿交叉学科学院，长沙410073)摘要:砷化镓光导开关(GaAs PCSS)作为固态脉冲功率器件，具有可承载高电压、超快速导通、在高重复频率下稳定工作等特点。基于多雪崩电离畴理论，建立了同面电极 GaAs PCSS的二维数值计算模型，分析了 GaAs PCSS 的瞬态导通特性和延迟击穿特性。仿真结果表明，载流子浓度的增加与雪崩电离畴的形成和演化之间存在正反馈环路，促使 GaAs PCSS 超快速导通;雪崩电离畴的形成和演化会影响 PCSS 的延迟击穿特性。偏置电压、光照强度、PCSS 长度和触发位置均会影响 PCSS 的延迟时间和导通时间。该结论对 GaAs PCSS 设计及开展相关实验研究具有参考意义。关键词:砷化镓(GaAs);光导开关(PCSS);同面电极;雪崩电离畴;超快速导通中图分类号:TN36文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01001008Switching Transient Characteristics of GaAs PhotoconductiveSemiconductor Switch with Co-Planar ElectrodesLiu Yingzhou1，Wei Jinhong2，Wang Langning2，Li Song2，*，Feng Jinjun1(1 Vacuum Electronic National Laboratory，The 12thesearch Institute，CETC，Beijing 100015，China;2 College of Advanced Interdisciplinary Studies，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)Abstract:As a solid-state pulsed power device，GaAs photoconductive semiconductor switch(PCSS)has the advantages of high power，ultra-fast switching and stable operation at high repetition fre-quencies Based on the theory of multiple avalanche ionization domains，a two-dimensional numericalmodel of GaAs PCSS with co-planar electrodes was established，and the transient switching and delayedbreakdown characteristics of the GaAs PCSS were analyzed The simulation results show that a positivefeedback loop exists between the increase of the carrier concentration and the formation and evolution ofavalanche ionization domains，which drives the ultra-fast conduction of the GaAs PCSS The formationand evolution of avalanche ionization domains affect the delayed breakdown characteristic of the PCSSThe bias voltage，illumination intensity，PCSS length and trigger position all affect the delay time andswitching time of the PCSS The conclusion has reference significance for GaAs PCSS design and relatedexperimental researchKeywords:GaAs;photoconductivesemiconductorswitch(PCSS);co-planarelectrode;avalanche ionization domain;ultra-fast switchingEEACC:4250刘英洲等:同面电极砷化镓光导开关的导通特性=January2023Semiconductor Technology Vol48 No1110引言光导开关(PCSS)是一种利用激光能量激励半导体材料使其电导率发生变化而产生电脉冲的光电转换元件1。该类型开关凭借超快速导通、时间抖动小、重复频率高、易于集成等优势，在脉冲功率装置、高功率微波系统、太赫兹器件、超宽带雷达领域具有广阔的应用前景2。其中，同面电极 PCSS 结构简单、易于加工，便于工程化应用，受到研究者的广泛关注3。现有解释 PCSS 雪崩导通特性的理论主要有陷阱俘获场模型4、双注入模型5、深能级杂质电离模型6、流注模型7、集体碰撞电离模型8、光激发电荷畴模型9 等。PCSS 导通后，分析其瞬态特性的关键在于捕捉电流通道的场分布及载流子的动态特征。雪崩电离畴对 PCSS 的快速导通和输出波形具有至关重要的作用10。因此，相对于上述其他模型，多雪崩电离畴理论能够更好地解释PCSS 的雪崩导通特性1113。L.Hu 等人13 基于多雪崩电离畴理论建立了 PCSS 的一维仿真模型，但同面电极 PCSS 的电极位置位于衬底同一侧，其载流子浓度、电场分布以及电流密度将明显受到电极位置的影响，采用一维仿真模型描述同面电极PCSS 的导通特性不够充分。受到一维 PCSS 模型仿真研究的启发，本文尝试用多雪崩电离畴理论解释同面电极 PCSS 在高增益非线性工作模式下的导通特性，基于多雪崩电离畴理论建立了同面电极 GaAs PCSS 的二维数值计算模型，研究了同面电极 GaAs PCSS 的瞬态导通特性。分析了导通过程中雪崩电离畴的动态演化过程，以及偏置电压、光照强度、触发位置以及器件长度对延迟时间与导通时间的影响，相关结论可对GaAs PCSS 设计和实验研究提供参考。1二维数值计算模型及模拟电路PCSS 瞬态特性的分析依赖于对基本半导体方程的求解以及参数模型的使用。其中，电流密度的计算基于漂移扩散理论，该理论涉及到载流子连续性方程14，即nt=1qJn+Gn+Gon(1)pt=1qJp+Gp+Gop(2)以及输运方程14，即Jn=qnnE+qDnn(3)Jp=qppEqDpp(4)式中:n 和 p 分别为电子浓度和空穴浓度;t 为时间;q 为电荷量;Jn和 Jp分别为电子和空穴产生的电流密度;Go为光致载流子生成率;Gn和 Gp分别为电子和空穴碰撞电离率;n和 p分别为电子和空穴的复合率;Dn和 Dp分别为电子和空穴扩散系数;n和 p分别为电子和空穴迁移率;E 为器件内部电场强度。泊松方程描述了静电势与局部空间电荷密度的关系，通过求解泊松方程可以得到任意时刻器件内部的电场分布。在 GaAs 中，深能级补偿 EL2 施主作为电子陷阱中心对空间电荷密度有显著影响15(EL2 陷阱能级为 0.730 eV)。因此，考虑到半绝缘 GaAs(SI-GaAs)材料中的俘获电荷，将泊松方程修正为()=q(pn+NtDNtA)(5)式中:为介电常数;为静电势;NtD和 NtA分别为电离施主和电离受主的浓度。计算时将金属半导体边界设置为欧姆接触。本文采用 S.Selberherr16 提出的碰撞电离模型以及依赖于光照强度和晶片吸收系数的光致载流子生成率公式17 分别计算 Gn、Gp和 Go。在载流子复合过程中，施主陷阱和受主陷阱对电子的发射或捕获会影响载流子的浓度。因此，本文采用考虑了由施主陷阱和受主陷阱引起复合的 Shockley-ead-Hall(SH)复合模型17。此外，由于涉及到高浓度载流子复合，研究还采用了俄歇复合模型18。由于 GaAs 导带结构包含能谷、L 和 X，当施加的偏压电场强度超过临界阈值时，GaAs 会呈现负微分电导效应。电子漂移速度在电场强度达到临界阈值时达到峰值，然后随偏压电场强度的增大而减小，n和 p可以分别表示为10 n(E)=n0+vsnEEE0()41+EE0()4(6)刘英洲等:同面电极砷化镓光导开关的导通特性=12半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月p(E)=p0+vspEEE0()1+EE0()(7)式中:n0和 p0分别为电子和空穴的低场迁移率，n0=8 000 cm2/(Vs)，p0=400 cm2/(Vs);vsn和 vsp分别为电子和空穴的饱和漂移速度，vsn=9.5106cm/s，vsp=6.6106cm/s;E0为电场强度的临界阈值，E0=4 kV/cm。此外，模型中使用了玻耳兹曼统计，Dn和 Dp由爱因斯坦关系给出，在热平衡条件下为14 Dnn=Dpp=kBTq(8)式中:kB为玻耳兹曼常数;T 为热力学温度。基于上述物理模型，用于研究瞬态特性的 SI-GaAs PCSS 的二维数值计算模型及模拟电路如图 1所示，其中同面电极 PCSS 与负载电阻串联，由直流电源提供偏置电压(Va)，外加光脉冲来触发PCSS 导通。图 1SI-GaAs PCSS 二维数值计算模型及模拟电路示意图Fig.1Schematic of two-dimensional numerical model andsimulated circuit of the SI-GaAs PCSS在模拟电路中，设置 PCSS 长度 a=30 m，厚度 b=6 m，宽度 c=10 m;设置同面电极的长度d=2 m，厚度 e=0.1 m，负载电阻=50。电流通道内最小雪崩电离畴宽度约为 0.5 m，在确保数值模拟结果合理有效的前提下，为提高计算效率，将 x 轴方向相邻网格点的间距设为 0.1 m，使每个雪崩电离畴有足够网格点进行描述;在 y 轴方向，将电极区域网格点的间距设为 0.1 m，体区域网格点的间距设为 1 m。此外，SI-GaAs 为均匀掺杂的 n 型半导体，GaAs 材料的禁带宽度为1.42 eV，对应的本征波长吸收限为 873 nm，PCSS触发光脉冲波长选取为 873 nm，光 照 强 度 为5.5 MW/cm2，在距阴极 5 m 处注入触发光脉冲。2GaAs PCSS的瞬态导通特性同面电极 PCSS 具有超快速导通特性，可以从延迟和导通两个阶段对该特性进行描述。2.1PCSS延迟阶段特性图 2 为偏置电压 200 V 下 PCSS 延迟阶段不同时刻的电场分布。当光脉冲触发 PCSS 中间区域时，光注入区吸收光子产生电子空穴对，电子和空穴分别在外电场作用下向阳极和阴极漂移，电极两端产生高电场区，光脉冲于 t=0 时刻注入，在t=0.776 ns 时，阴极和阳极附近电场强度均达到3105V/cm(图 2(a)。强电场促使载流子发生碰撞电离，从而使 PCSS 电流通道内的载流子浓度增加，当电流通道内局域电场强度超过 E0时，(a)t=0.776 ns(b)t=1.133 ns(c)t=1.569 ns图2偏置电压200 V 下 PCSS 延迟阶段不同时刻的电场分布Fig.2Electric field distribution of PCSS in the delay phaseat a bias voltage of 200 V刘英洲等:同面电极砷化镓光导开关的导通特性=January2023Semiconductor Technology Vol48 No113电子在漂移过程中形成空间积聚。根据 Kroemer 判据10:当载流子浓度与器件有效长度的乘积大于1012cm2时，在电子积聚的基础上能够形成稳定的空间电离畴，图 2(b)所示的电场分布(t=1.133 ns)验证了该理论。此时电离畴初步形成，畴平均宽度约为 3.4 m，畴间电场强度约为 1.5105V/cm。电子积累形成的空间电离畴向阳极运动，畴内载流子雪崩倍增，等离子体浓度升高。等离子体浓度的提高使雪崩电离畴宽度减小，从而导致畴两端电势差减小，畴外电场区电场强度增大，当光注入区附近电场强度再次大于 E0时，会产生新的向阳极运动的电离畴，而较早形成的雪崩电离畴尚未被阳极吸收。从图 2(c)可以发现，在 t=1.569 ns时刻，随着等离子体浓度的提高，形成了多个雪崩电离畴并同时向阳极运动，而畴宽度迅速减小，此时雪崩电离畴平均宽度约为 1.6 m，畴内的峰值电场强度为 3.61105V/cm。在电离畴产生、运动和吸收过程中，电流通道内等离子体浓度提高，导致雪崩电离畴数量增多、宽度减小、畴内峰值电场强度提高。而畴内峰值电场强度提高又加速了畴内载流子雪崩倍增，使等离子体浓度进一步提高。显然，在 PCSS 延迟阶段，雪崩电离畴产生机制是一个正反馈过程。2.2PCSS导通阶段特性当载流子浓度达到一定水平时，PCSS 开始工作在导通阶段。图 3 为偏置电压 200 V 下 PCSS 导通阶段不同时刻的电场分布。这一阶段畴宽度继续减小，畴数量增多，在 t=1.681 ns 时刻，第 6 个畴正在形成，平均畴宽度约为 0.8 m，峰值电场强度为 3.87105V/cm;在 t=1.730 ns 时刻，7 个稳定的雪崩电离畴正在向阳极移动，平均畴宽度约为 0.7 m，峰值电场强度为 4.5105V/cm。随着超快速导通过程的发展，畴宽度减小使 PCSS 内各畴电压降低，PCSS 两端电压下降，流过的电流急剧增大。该阶段 PCSS 两端电压被转移到负载电阻上，不足以产生新电离畴，而旧畴被阳极不断吸收，PCSS 内畴数量越来越少，当 t=1.840 ns 时，仅有 2 个电离畴，平均畴宽度约为 0.5 m，峰值电场强度下降为 3.67105V/cm。(a)t=1.681 ns(b)t=1.730 ns(c)t=1.840 ns图 3偏置电压 200 V 下 PCSS 导通阶段不同时刻的电场分布Fig.3Electric field distribution of PCSS in the switchingphase at a bias voltage of 200 V同面电极结构 PCSS 电流通道内的雪崩电离畴峰值电场强度达到 600 kV/cm 以上，最小畴宽度约为 0.5 m，PCSS 导通后电流密度107A/cm2，光触发和碰撞电离共同导致了同面电极 PCSS 电流通道内载流子浓度的升高，与此同时，载流子浓度的增加与雪崩电离畴的形成和演化之间存在一个正反馈环路，促使了 GaAs PCSS 的超快速导通。2.3PCSS雪崩电离畴二维特性分析在 PCSS 瞬态导通过程中，产生的雪崩电离畴具有二维特性，主要表现为在畴漂移过程中，每个畴的电场在 x、y 两个方向的分布都不均匀。被施加偏压的 PCSS 吸收光后，由于半导体对光的吸收随纵向深度增加而衰减，大量光生载流子使半导体上半部分内的载流子浓度保持高水平，畴内峰值电场强度较高;而下半部分对光的吸收较少，载流子刘英洲等:同面电极砷化镓光导开关的导通特性=14半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月浓度与畴内电场强度均较低。图 4(a)为 t=1.730 ns 时刻 PCSS 中的电子浓度分布。电子浓度近似等于空穴浓度，可看作载流子浓度。x 方向上，雪崩电离畴内外存在约1018cm3的电子浓度差，在畴内形成内建电场;y方向上，电极区域外呈现出载流子浓度随深度增加而下降的趋势。监测雪崩电离畴电场强度在 x、y方向的分量 Ex、Ey，结果如图 4(b)所示。在 x方向，电场强度始终保持较高数值，促使载流子在电场作用下保持水平运动;相比之下 y 方向的垂直电场分量几乎为 0，仅有小幅振荡，因此在 y 方向观察不到畴的运动特征。在载流子浓度较高处，总电场强度峰值达到约 360 kV/cm，随着纵向深度增加，载流子浓度降低，电场强度从约 360 kV/cm减小至约 240 kV/cm，数值结果与理论分析吻合。(a)电子浓度分布(b)雪崩电离畴电场强度分布图 4t=1.730 ns 时 PCSS 中电子浓度与畴电场强度分布Fig.4Distribution of electron concentration and chargedomain electric field strength at t=1.730 ns每个雪崩电离畴上下的粗细不同。由前文分析可知，上方区域等离子体浓度高，畴呈细窄状;下方区域等离子体浓度低，畴变得粗大。等离子体浓度不均导致每个雪崩电离畴自上到下的宽度由窄变宽。以图 3 中被观测雪崩畴为例，在 y=1 m 处，畴宽度为 0.6 m，而在 y=5 m 处，畴宽度变为0.9 m。雪崩电离畴密度也展现出了二维特征。光注入区附近会形成等离子体，初始偶极畴产生于光生等离子体区靠近阳极一侧边界处及阴极处，并由载流子浓度较高的上表面不断向下表面扩展，逐渐纵穿半导体。等离子体区域产生的畴在高等离子体浓度条件下迅速生长为雪崩电离畴并向阳极稳定地移动;阴极产生的畴向光生等离子体区域移动，随后在光生等离子体区靠近阴极的一侧被吸收。因此，阳极与阴极附近的畴密度较高，而光生等离子体区域附近由于同时伴随着畴的吸收与生成，畴密度相对较低。3PCSS的延迟击穿特性延迟时间与导通时间是判断 PCSS 性能的关键参数。载流子浓度快速增加导致电子空间积聚，并进一步发展为雪崩电离畴，因此，急剧增加的载流子浓度与快速演化的空间电离畴使 PCSS 工作在超快速导通模式下。在导通阶段提高 PCSS 偏置电压，将使得阴、阳极附近的高场区域电场增强。电场强度越大，电离率就越高，并将进一步提高电流通道内的等离子体浓度，加速雪崩电离畴的演化。在延迟阶段，光照强度越大，则注入光能量越多，相应的光生载流子浓度越高，可促进雪崩电离畴的形成。通过数值模拟不同参数下同面电极 PCSS 的延迟击穿特性，可探究影响延迟时间和导通时间的重要因素。图 5不同偏置电压下同面电极 PCSS 的延迟时间与导通时间Fig.5Delay time and switching time of PCSS withco-planar electrodes at different bias voltages首先在阴极附近施加光脉冲，保持光照强度为5.5 MW/cm2，图 5 给出了不同偏置电压下的 PCSS延迟时间和导通时间。显然，较高的偏置电压促进早期 PCSS 两端电极形成高电场区域，同时半导体内部电流通道载流子浓度较高，从而导致延迟时间刘英洲等:同面电极砷化镓光导开关的导通特性=January2023Semiconductor Technology Vol48 No115和导通时间缩短。当施加的偏置电压从 80 V 上升到 240 V(电场强度从约 28.6 kV/cm 上升到约85.7 kV/cm)时，延迟时间从 3.43 ns 下降到1.29 ns，导通时间从 1.026 ns 下降到 0.165 ns。保持 200 V 的偏置电压与阴极附近触发位置不变，通过数值模拟，可得到不同光照强度的光脉冲照射下同面电极 PCSS 的延迟时间与导通时间，如图 6 所示。随着光照强度的增加，可以观察到与图5 相似的趋势。当光照强度由 104W/cm2增加到108W/cm2时，导 通 时 间 从 0.288 ns 缩 短 至0.158 ns，延迟时间从 3.6 ns 缩短至 1.05 ns。如前所述，光照强度增加意味着光能量的增加，单位时间能够产生更多载流子，进而使等离子体浓度升高，加速雪崩电离畴的形成与发展，致使延迟时间和导通时间缩短。图6不同光照强度下同面电极 PCSS 的延迟时间与导通时间Fig.6Delay time and switching time of PCSS with co-planarelectrodes under different illumination intensities为了使 PCSS 在较低偏置电压下能稳定工作于非线性模式，载流子浓度与器件有效长度的乘积需满足 Kroemer 判据。在器件尺寸固定的前提下，意味着需要更高的光照强度以激发更多载流子。同理，提高偏置电压可以弥补载流子浓度的不足以降低对光照强度的要求。保持 200 V 偏置电压和 5.5 MW/cm2光照强度不变，分别使触发光脉冲在图 7 中 I、II、III、IV位置处入射，可得到不同光触发位置同面电极PCSS 的延迟时间与导通时间如图 8 所示。可以看到，只有在阳极附近触发 PCSS 时延迟时间最长，高达 4 ns，而在其他位置触发，延迟时间基本均保持在 1.5 ns 左右。这是因为，在阴极附近触发，电子向阳极漂移时的输运通道相比在阳极附近触发的更长，这为光注入区左侧雪崩电离畴的形成、演化提供了更长的时间，以产生足够的载流子，从而降低了对触发光能量的要求，缩短了延迟时间。相比之下，阳极附近触发的载流子漂移通道长度有限，初始畴尚未形成已经被阳极吸收，载流子浓度增加缓慢，故在阳极附近触发 PCSS 的延迟时间更长。此外，由图 8 可看出，光触发位置对导通时间没有明显影响，可推断不同光触发位置虽然会影响雪崩电离畴形成的快慢，但是多雪崩电离畴一旦形成，正反馈环路将不断促进该过程，此时触发条件不再影响 PCSS 的导通时间，4 个触发位置对应的PCSS 导通时间几乎一致。图 7不同光触发位置示意图Fig.7Schematic diagram of different light trigger positions图8不同光触发位置同面电极 PCSS 的延迟时间与导通时间Fig.8Delay time and switching time of PCSS with co-planar electrodes with different triggering positions对 PCSS 施加 200 V 偏置电压，在阴极附近注入 5.5 MW/cm2的光脉冲，通过数值计算可得到PCSS 长度变化对延迟时间与导通时间的影响，如图9 所示。随着 PCSS 长度从30 m 增加至60 m，PCSS 的延迟时间由 1 ns 延长至 13.4 ns，导通时间从 0.225 ns 延长至 0.466 ns。同面电极 PCSS 的延迟时间与导通时间均随着 PCSS 长度的增加而延长。这是因为在其他条件相同的前提下，器件长度变长使器件平均电场随之降低;同时 PCSS 体积变大，载流子浓度也随之降低，载流子漂移至两端的渡越时间增加，这两个因素使电极两端建立高电场所需要的时间变长。根据 Kroemer 判据分析该特征刘英洲等:同面电极砷化镓光导开关的导通特性=16半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月可得出同样结论，尽管 PCSS 长度增加使器件的有效长度增大，但使载流子浓度增加到满足判据要求所需的时间更长，致使延迟时间增加。载流子浓度升高的速率变小将同时导致多雪崩电离畴的演化过程放缓，造成导通时间的增加。若在偏置电压、光照强度等条件不变的情况下，进一步使 PCSS 变长，则载流子散射机制会阻止 PCSS 导通。图 9不同长度的同面电极 PCSS 的延迟时间与导通时间Fig.9Delay time and switching time of PCSS with co-planarelectrodes with different lengths4结论本文基于多雪崩电离畴理论，建立了 GaAsPCSS 的二维数值计算模型，并对 GaAs PCSS 的导通特性和延迟击穿特性进行了数值分析。结果表明，碰撞电离与触发光脉冲对器件内部的作用导致PCSS 导通过程中电流通道内载流子浓度剧增，载流子浓度从平均约 1017cm3增加到平均约 4 1018cm3，且载流子浓度的增加与雪崩电离畴演化之间存在正反馈环路，雪崩电离畴的动态演化实现了 PCSS 的超快速导通并影响 PCSS 的延迟时间和导通时间。高偏置电压和光照强度会使雪崩电离畴更早形成，加速雪崩电离畴的演化。偏置电压从80 V 上升至 240 V，可使导通时间从 1.026 ns 缩短至 0.165 ns，延迟时间从 3.43 ns 缩短到 1.29 ns;光照强度的提高可促使等离子体浓度上升，使延迟时间与导通时间随光照强度的增加而减小;触发位置决定了 PCSS 中雪崩电离畴的分布，影响延迟时间，其中阳极触发延迟时间最长，达到 4 ns，阴极触发可以提供更长的输运通道，为雪崩电离畴演化提供充足时间，致使延迟时间降低;器件长度的增大可使载流子浓度降低，导致畴的演化过程放缓，延迟时间与导通时间随之增加。上述结论对 GaAsPCSS 设计及开展相关实验研究具有一定的参考作用。参考文献:1 吴朝阳，范昭奇，陆巍，等 半导体激光二极管触发GaAs PCSS J 太赫兹科学与电子信息学报，2014，12(6):804806 2 LI S，GAO J M，YANG H W，et al Investigation ondynamic properties of amorphous magnetic core stimulatedby different 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