不同激光能量漲落對GaAs光電導開關時間抖動的影響

桂淮濛，施 衛

(1．陜西工業職業技術學院信息工程學院，陜西咸陽 712000; 2．西安理工大學理學院，陜西西安 710048)

1 引 言

GaAs光電導開關(Photoconductive semiconductor switch，PCSS)是超快激光器與光電半導體相結合形成的一類新型器件［1］。GaAs PCSS具有快速的響應、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及高功率超寬帶脈沖產生領域等具有廣闊的應用前景［4］。特別是當需要兼顧輸出電脈沖的超快上升沿、超短脈寬、高重復頻率、高功率、抗電磁干擾等方面時，光電導開關成為眾多功率開關中的最優選擇。相比于傳統的高功率開關，GaAs PCSS具有極小的抖動時間［5-6］，因此已廣泛地應用在條紋相機及精同步控制領域。條紋相機設計中，用于產生快前沿的半導體開關輸出脈沖的速度和觸發抖動決定了條紋相機的最大時間分辨率［7］。Liu等指出在使用GaAs PCSS為偏轉板提供電壓時，可使條紋相機的時間抖動值減小到30 fs，積分模式下的時間分辨率優于 590 fs［8］。

國內外學者已開展了一系列針對GaAs PCSS時間抖動特性的研究［9-11］。Gaudet等指出觸發光的快速上升時間是獲得低抖動的關鍵因素，充足的光脈沖能量以及激光準直也是至關重要的［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，同時觸發兩路并聯的間隙為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，及對開關導通過程中載流子輸運過程的分析，研究了觸發激光能量漲落對開關時間抖動的影響。該結果為進一步提高條紋相機的時間分辨率提供了有利的理論依據。

2 實 驗

實驗中使用橫向結構GaAs PCSS，如圖1所示。光電導開關的芯片材料選用的是半絕緣GaAs，其暗態電阻大于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為12．9，其本征擊穿場強可達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)，開關芯片表面用多層透明有機硅凝膠做絕緣保護，防止強場下沿面閃絡的發生，該透明硅膠對觸發激光幾乎不吸收。半絕緣GaAs PCSS電極采用刻蝕方法制作，通過優化設計來使電場更均勻，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結構示意圖Fig．1 Schematic diagram of GaAs PCSS

觸發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的電容器進行充電，電容正極連接GaAs PCSS輸入端，開關的輸出端通過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傳輸線耦合到示波器進行測試。在GaAs PCSS觸發時，用DET210A型PIN光電二極管實時監測觸發光的時域波形。

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$J觸發 GaAs PCSS，在每一個特定的觸發光能量下連續觸發20次，記錄每次觸發光脈沖幅值和輸出電脈沖的幅值。在不同的觸發能量下，分別計算出觸發光脈沖幅值和輸出電脈沖幅值的平均值。當外加偏置電壓為2 kV、激光能量為60．8$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。當外加偏置電壓相同、觸發光能量改變時，光脈沖幅值漲落與輸出電脈沖幅值漲落的關系，如圖4、5和6所示。當光脈沖幅值增加時，輸出電脈沖的幅值也會隨之增加。反之，亦然。將實驗數據分別進行了線性擬合，擬合度分別為 0．991，0．977，0．926。根據擬合曲線可以看出，光脈沖幅值的漲落與電脈沖幅值漲落成正比關系。根據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，當開關工作在線性模式時，觸發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 觸發光能量為11．25$J，觸發光脈沖幅值漲落與輸出電脈沖幅值漲落關系示意圖。Fig．4 Relationship between trigger energy fluctuation and electric pulse amplitude fluctuation when the 11．25$J trigger light energy

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

圖6 觸發光能量為60．8$J，觸發光脈沖幅值漲落與輸出電脈沖幅值漲落關系示意圖。Fig．6 Relationship between trigger energy fluctuation and electric pulse amplitude fluctuation when the 60．8$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。當偏置電場低于某一閾值時，開關工作在線性模式下。當偏置電場超過4～8 kV/cm，開關將進入非線性模式(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生一個電子-空穴對。載流子輸運過程中由于散射過程和產生-復合過程，使得載流子的速度和數目均存在漲落，這就導致輸出電流漲落的產生。而輸出電流的表達式是關于時間的函數，因此，每一個確定時刻電流的大小都不是固定不變的。這使得開關在多次導通過程中，存在時間的偏差，即為開關的時間抖動，其表達式為:

其中，ΔIRMS為輸出電脈沖漲落的標準偏差，ΔI/Δt為電脈沖上升沿50%處的斜率。當觸發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，則經多次導通時，開關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，則觸發激光特性是決定載流子分布的關鍵。從實驗結果中可以看出，當觸發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系。經上述分析可以看出，觸發激光能量的漲落是引起GaAs PCSS時間抖動的關鍵因素，且激光能量漲落越大，GaAs PCSS時間抖動也隨之增加。

當觸發激光能量足夠強時，GaAs材料會出現飽和吸收。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，此時載流子的數目不會再隨著能量的增加而增多，載流子數目的偏差趨于穩定，因此當激光脈沖能量達到GaAs的飽和吸收光能時，開關的時間抖動不會隨著觸發光能的增大而迅速減小。

4 結 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。對實驗數據進行線性擬合，擬合度分別為0．991，0．977，0．926，實驗結果表明觸發激光能量漲落與GaAs PCSS輸出電脈沖能量漲落呈正比關系。開關工作在線性模式時，觸發激光特性是決定載流子分布的關鍵。由實驗結果可知載流子的漲落來自于觸發激光能量的不穩定，同時結合開關導通過程中載流子的輸運過程及時間抖動的定義，理論分析指出觸發激光能量的漲落是引起GaAs PCSS時間抖動的關鍵因素，且激光能量漲落越大，GaAs PCSS時間抖動也隨之增加。當觸發光能量增大到GaAs材料的飽和吸收限時，載流子數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。該結論為進一步提高條紋相機的分辨率提供了理論依據。