砷化镓光导开关中的电子雪崩域

刘 鸿，郑 理，朱晓玲，杨 维，戴松晖，杨煜婷，邬 丹

(1.成都大学 电子信息工程学院，四川 成都 610106;2.成都工业学院 机械工程学院，四川 成都 611730)

0 引 言

研究高增益砷化镓(GaAs)光导开关(Photoconductive Semiconductor Switches，PCSS)的物理机理具有重要的理论意义和实用价值［1－7］.在半绝缘GaAs PCSS 中，载流子本征碰撞电离的电场阈值Eth高达400 kV/cm［8－9］，然而高增益砷化镓光导开关的平均电场E≥10 kV/cm 就能够观察到载流子的雪崩生长现象［6－7］，因此载流子的碰撞电离是需要研究的关键问题.在分析高增益GaAs PCSS 实验观察的基础上，本研究阐述了电子雪崩域的物理过程，以此揭示载流子在局域内雪崩生长的本质特性.

1 电子雪崩域

实验发现，当使用点光源照射砷化镓光导开关的阴极，且高增益GaAs PCSS 两端的偏置电场E 低于砷化镓材料的本征碰撞电离的阈值电场Eth(E ＜Eth)时，器件中发生了载流子碰撞电离雪崩生长，形成丝状电流传播的现象［7］.

1.1 丝状电流的形成

在高增益GaAs PCSS 中，激光束点光源激活光导开关，在与阴极相接触的光斑处产生一个局域非平衡载流子密度区域，如图1 圆形虚线所示.这个区域在照明期间保持高的光电导率，因此大量电子能够从阴极注入该区域.如果局域非平衡载流子密度npe与该区域的特征长度LE的乘积大于1012cm－2，且该局域的电场在负微分迁移率(N-shaped Negative Differential Conductivity，N-NDC)范围，该区域内转移电子效应(Transferred-electron Effect，TEE)转变为主导作用方面，则生长偶极畴能够形成［10－12］，如图1 所示，其中b 表示生长畴的宽度.

图1 触发激光聚焦在一个小点，紧邻阴极照明光导开关示意图

当偏置电场E 远远小于砷化镓材料中载流子本征碰撞电离的电场阈值Eth时，大量注入电子可能不均匀地分布在生长畴的积累层上，漂移的TEE 高场畴通过积累载流子，一方面可能使积累层上某些部位的电子积累达到雪崩临界值nc=1017cm－3［2］，另一方面将外加电场的相当部分集中在很小的畴区内，畴内形成的局域强电场E 可能达到或超过砷化镓材料中载流子的本征碰撞电离的电场阈值Eth(即E≥Eth)［13］，导致畴区内的载流子本征碰撞电离雪崩生长发生在沿电场方向的整个畴宽范围，生长畴也被这些雪崩区域分隔成多个亚区.例如，在生长畴内存在一个雪崩区域，则生长畴在垂直电场的方向上被分成3 个亚区，如图1 所示.在生长畴的雪崩区域内，产生的载流子密度一旦达到1018cm－3数量级，将导致这样的亚区成为近似的电中性.这是由于载流子雪崩生长产生的密度对电场的变化率大于零，即，

过补偿了陷阱填充效应引起的dn/dE ＜0 和转移电子效应引起的电子漂移速度v 对电场的变化率小于零，即，

所造成的结果.因此，该亚区内的N-NDC 特征消失.即，雪崩击穿消除了该亚区内的初始空间电荷结构(即畴形结构)，导致N-NDC 特征直接转变为电流型负微分电导率(S-type Negative Differential Conductivity，S-NDC)特征，从而初级丝状电流(即电流丝)能够形成.从这个意义上讲，生长畴中由于高电场和高载流子密度导致的雪崩区域被称为“电子雪崩域(Electron Avalanche Domain，EAD)”，如图1 所示.

1.2 电流丝的传播

当初级电流丝(长度为d)离开触发区而进入绝缘区时，它发射的复合辐射的光致电离［5，10，14－18］，在其周围的一定范围内产生了大量的非平衡光电子—空穴对，形成了新的活性区域，即初级电流丝成为了替代外界电离因子作用的“辐射电离源".丝电流是具有高电导率的等离子通道，电流丝的顶部附着高密度电子，能够为前面的生长畴注入电子，其尾部能够很好地吸入电子.因此，进入绝缘区的电流丝可以形象地看成为“延伸进入PCSS 的绝缘区内的电极".此外，本研究只讨论紧邻阴极接触处形成的初级电流丝，该电流丝可以认为是“延伸进入PCSS 的绝缘区内的阴极".

电流丝的复合辐射在电流丝的前端(顶部)周围产生非平衡载流子密度区域如图2 所示.如果活性区域内的电场在N-NDC 范围，TEE 生长畴在这个局域内成核，电流丝顶部前面的生长畴将移动生长.如果在这个移动畴离开激活区域前，电流丝顶部的电子注入高场畴的积累层，在部分位置上载流子密度达到雪崩临界值nc，漂移的TEE 高场畴通过积累载流子，将外加电场的相当部分集中在很小的畴区内，畴区内形成的局域强电场E 达到或超过砷化镓材料中载流子的本征碰撞电离的电场阈值Eth，则相应部分亚区形成EAD，该区域内的载流子雪崩生长达到丝电流条件，就推进了电流丝结构，即丝电流传播发生.电流丝传播的物理图像也如图2 所示.由于统计随机性，电流丝顶部的电子注入TEE 生长畴的部分积累层产生了一个EAD，将生长畴区域分割成了3 个亚区，新一级的电流丝将形成.

图2 电流丝(长度为d)传播期间，由于电流丝顶部的电子注入，形成的后代电子雪崩域示意图

此外，由图2 可见，每一级电流丝生长的长度就是相应的EAD 的长度，而EAD 的长度则是TEE 生长畴的宽度b.同理，随后的电流丝机制发生，这是一个自持的重复过程，直到电流丝连通GaAs PCSS的2 个电极，形成高电导率的电流通道.

1.3 讨 论

电子雪崩域内的电场E 不小于该材料的本征碰撞电离的电场阈值Eth，载流子密度n 不小于该材料的临界雪崩载流子密度nc，这2 个条件缺一不可，且同时满足2 个条件是EAD 形成的充分必要条件.在半绝缘砷化镓光导开关中，取Eth= 400 kV/cm［2，8－9］和nc=1017cm－3［2］.

光致电离效应、载流子注入机制和TEE 高场畴对于EAD 是否能够形成具有直接决定意义.

2 结 论

在高增益GaAs PCSS 中，电子雪崩域模型揭示了载流子的碰撞电离对电场和载流子密度2 个方面的要求，载流子雪崩生长具有局域特性.

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