桂淮濛，施 衛(wèi)

(1．陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西咸陽 712000; 2．西安理工大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710048)

1 引 言

GaAs光電導(dǎo)開關(guān)(Photoconductive semiconductor switch，PCSS)是超快激光器與光電半導(dǎo)體相結(jié)合形成的一類新型器件［1］。GaAs PCSS具有快速的響應(yīng)、光電隔離、高耐壓、寄生電感電容小、抖動時間小、同步精度高等特性［2-3］，因此在超高速電子學(xué)及高功率超寬帶脈沖產(chǎn)生領(lǐng)域等具有廣闊的應(yīng)用前景［4］。特別是當(dāng)需要兼顧輸出電脈沖的超快上升沿、超短脈寬、高重復(fù)頻率、高功率、抗電磁干擾等方面時，光電導(dǎo)開關(guān)成為眾多功率開關(guān)中的最優(yōu)選擇。相比于傳統(tǒng)的高功率開關(guān)，GaAs PCSS具有極小的抖動時間［5-6］，因此已廣泛地應(yīng)用在條紋相機(jī)及精同步控制領(lǐng)域。條紋相機(jī)設(shè)計中，用于產(chǎn)生快前沿的半導(dǎo)體開關(guān)輸出脈沖的速度和觸發(fā)抖動決定了條紋相機(jī)的最大時間分辨率［7］。Liu等指出在使用GaAs PCSS為偏轉(zhuǎn)板提供電壓時，可使條紋相機(jī)的時間抖動值減小到30 fs，積分模式下的時間分辨率優(yōu)于 590 fs［8］。

國內(nèi)外學(xué)者已開展了一系列針對GaAs PCSS時間抖動特性的研究［9-11］。Gaudet等指出觸發(fā)光的快速上升時間是獲得低抖動的關(guān)鍵因素，充足的光脈沖能量以及激光準(zhǔn)直也是至關(guān)重要的［12］。Shi等使用光纖分光的方法，將一束波長為1 053 nm、脈寬為500 ps的激光分成能量相等的兩束，同時觸發(fā)兩路并聯(lián)的間隙為3 mm的GaAs PCSS。在外加偏置電壓為1 kV時，得到GaAs PCSS 的時間抖動為 14．41 ps［13］。激光使用過程中會帶來輸出能量的漲落，而能量的漲落對GaAs PCSS時間抖動的影響尚未有報道。本文通過觸發(fā)激光能量漲落的改變對輸出電脈沖幅值漲落影響的實驗，及對開關(guān)導(dǎo)通過程中載流子輸運過程的分析，研究了觸發(fā)激光能量漲落對開關(guān)時間抖動的影響。該結(jié)果為進(jìn)一步提高條紋相機(jī)的時間分辨率提供了有利的理論依據(jù)。

2 實 驗

實驗中使用橫向結(jié)構(gòu)GaAs PCSS，如圖1所示。光電導(dǎo)開關(guān)的芯片材料選用的是半絕緣GaAs，其暗態(tài)電阻大于5×107Ω·cm，禁帶寬度為1．43 eV，電子的遷移率大于5 000 cm2/(V·s)，載流子濃度為1014cm－3，載流子壽命為幾個納秒，芯片材料的相對介電常數(shù)為12．9，其本征擊穿場強(qiáng)可達(dá)250 kV/cm。半絕緣砷化鎵芯片為8．0 mm(寬) × 10．0 mm(長) × 0．6 mm(厚度)，開關(guān)芯片表面用多層透明有機(jī)硅凝膠做絕緣保護(hù)，防止強(qiáng)場下沿面閃絡(luò)的發(fā)生，該透明硅膠對觸發(fā)激光幾乎不吸收。半絕緣GaAs PCSS電極采用刻蝕方法制作，通過優(yōu)化設(shè)計來使電場更均勻，電極為135°圓角，尺寸為6．0 mm×3．0 mm，其圓角半徑為1．1 mm。電極采用Au/Ge/Ni合金制作，與GaAs PCSS芯片材料形成歐姆接觸。

圖1 GaAs PCSS結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Schematic diagram of GaAs PCSS

觸發(fā)光能量漲落對電脈沖幅值漲落影響的測試電路如圖2所示。高壓直流電源正極連接阻值為15 MΩ的限流電阻對充電回路中的0．1 nF的電容器進(jìn)行充電，電容正極連接GaAs PCSS輸入端，開關(guān)的輸出端通過50#特性阻抗匹配的傳輸線耦合入衰減器，然后由40 dB衰減器衰減信號后經(jīng)傳輸線耦合到示波器進(jìn)行測試。在GaAs PCSS觸發(fā)時，用DET210A型PIN光電二極管實時監(jiān)測觸發(fā)光的時域波形。

圖2 實驗電路測試圖Fig．2 Test circuit of GaAs PCSS

在外加偏置電壓為2 kV時，使用激光波長為1 053 nm，脈寬為500 ps，平均能量分別為11．25，44．9，60．8$J觸發(fā) GaAs PCSS，在每一個特定的觸發(fā)光能量下連續(xù)觸發(fā)20次，記錄每次觸發(fā)光脈沖幅值和輸出電脈沖的幅值。在不同的觸發(fā)能量下，分別計算出觸發(fā)光脈沖幅值和輸出電脈沖幅值的平均值。當(dāng)外加偏置電壓為2 kV、激光能量為60．8$J時，輸出電脈沖波形如圖3所示(時間基點選為零，觸發(fā)電平為電壓分度格的50%)。

圖3 偏置電壓2．0 kV時輸出的波形圖Fig．3 Outputwaveform when the 2．0 kV bias voltage

3 結(jié)果與討論

從圖3可以看出，輸出電脈沖波形與光脈沖波形形狀相同，脈寬一致。當(dāng)外加偏置電壓相同、觸發(fā)光能量改變時，光脈沖幅值漲落與輸出電脈沖幅值漲落的關(guān)系，如圖4、5和6所示。當(dāng)光脈沖幅值增加時，輸出電脈沖的幅值也會隨之增加。反之，亦然。將實驗數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了線性擬合，擬合度分別為 0．991，0．977，0．926。根據(jù)擬合曲線可以看出，光脈沖幅值的漲落與電脈沖幅值漲落成正比關(guān)系。根據(jù)PIN光電二極管的工作原理可知，激光脈沖能量越大，光脈沖幅值就越大。也就是說，當(dāng)開關(guān)工作在線性模式時，觸發(fā)光脈沖能量的漲落是引起輸出電脈沖幅值漲落的主要原因。

圖4 觸發(fā)光能量為11．25$J，觸發(fā)光脈沖幅值漲落與輸出電脈沖幅值漲落關(guān)系示意圖。Fig．4 Relationship between trigger energy fluctuation and electric pulse amplitude fluctuation when the 11．25$J trigger light energy

圖5 觸發(fā)光能量為44．9$J，觸發(fā)光脈沖幅值漲落與輸出電脈沖幅值漲落關(guān)系示意圖。Fig．5 Relationship between trigger energy fluctuation and electric pulse amplitude fluctuation when the 44．9$J trigger light energy

圖6 觸發(fā)光能量為60．8$J，觸發(fā)光脈沖幅值漲落與輸出電脈沖幅值漲落關(guān)系示意圖。Fig．6 Relationship between trigger energy fluctuation and electric pulse amplitude fluctuation when the 60．8$J trigger light energy

GaAs PCSS在不同的偏置電場及入射光能下存在兩種工作模式。當(dāng)偏置電場低于某一閾值時，開關(guān)工作在線性模式下。當(dāng)偏置電場超過4～8 kV/cm，開關(guān)將進(jìn)入非線性模式(也稱為lock-on模式)。上述實驗中，GaAs PCSS工作在線性模式下，即每吸收一個光子最多只能產(chǎn)生一個電子-空穴對。載流子輸運過程中由于散射過程和產(chǎn)生-復(fù)合過程，使得載流子的速度和數(shù)目均存在漲落，這就導(dǎo)致輸出電流漲落的產(chǎn)生。而輸出電流的表達(dá)式是關(guān)于時間的函數(shù)，因此，每一個確定時刻電流的大小都不是固定不變的。這使得開關(guān)在多次導(dǎo)通過程中，存在時間的偏差，即為開關(guān)的時間抖動，其表達(dá)式為:

其中，ΔIRMS為輸出電脈沖漲落的標(biāo)準(zhǔn)偏差，ΔI/Δt為電脈沖上升沿50%處的斜率。當(dāng)觸發(fā)激光脈沖寬度相同時，ΔI/Δt為一確定的值。因此，由公式(1)可知在每一個固定時刻下，輸出電脈沖的漲落越大，則經(jīng)多次導(dǎo)通時，開關(guān)的時間抖動也就越大。在線性模式下，不存在載流子的倍增效應(yīng)，則觸發(fā)激光特性是決定載流子分布的關(guān)鍵。從實驗結(jié)果中可以看出，當(dāng)觸發(fā)激光能量存在漲落時，輸出電脈沖也隨之漲落，且光脈沖幅值的漲落與電脈沖幅值漲落成正比關(guān)系。經(jīng)上述分析可以看出，觸發(fā)激光能量的漲落是引起GaAs PCSS時間抖動的關(guān)鍵因素，且激光能量漲落越大，GaAs PCSS時間抖動也隨之增加。

當(dāng)觸發(fā)激光能量足夠強(qiáng)時，GaAs材料會出現(xiàn)飽和吸收。GaAs PCSS輸出電脈沖幅值并不會隨著激光脈沖能量的增加而增加，此時載流子的數(shù)目不會再隨著能量的增加而增多，載流子數(shù)目的偏差趨于穩(wěn)定，因此當(dāng)激光脈沖能量達(dá)到GaAs的飽和吸收光能時，開關(guān)的時間抖動不會隨著觸發(fā)光能的增大而迅速減小。

4 結(jié) 論

本文在外加偏置電壓為2 kV下，使用波長為1 053 nm的激光觸發(fā)GaAs PCSS，在不同的激光能量下測試能量漲落對輸出電脈沖能量漲落的影響。對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合度分別為0．991，0．977，0．926，實驗結(jié)果表明觸發(fā)激光能量漲落與GaAs PCSS輸出電脈沖能量漲落呈正比關(guān)系。開關(guān)工作在線性模式時，觸發(fā)激光特性是決定載流子分布的關(guān)鍵。由實驗結(jié)果可知載流子的漲落來自于觸發(fā)激光能量的不穩(wěn)定，同時結(jié)合開關(guān)導(dǎo)通過程中載流子的輸運過程及時間抖動的定義，理論分析指出觸發(fā)激光能量的漲落是引起GaAs PCSS時間抖動的關(guān)鍵因素，且激光能量漲落越大，GaAs PCSS時間抖動也隨之增加。當(dāng)觸發(fā)光能量增大到GaAs材料的飽和吸收限時，載流子數(shù)目不會隨著能量的變化而變化。因此，能量的漲落不會引起時間抖動的迅速變化。該結(jié)論為進(jìn)一步提高條紋相機(jī)的分辨率提供了理論依據(jù)。