儲能電容對GaAs光電導開關快前沿正負對稱脈沖輸出特性的影響*

桂淮濛 施衛

1) (陜西工業職業技術學院信息工程學院, 咸陽 712000)

2) (西安理工大學理學院, 西安 710048)

針對GaAs光電導開關快前沿正負對稱脈沖輸出特性的研究, 對提高飛秒條紋相機的時間分辨率具有重要意義.本文使用脈寬為60 fs的激光器觸發電極間隙為3.5 mm的GaAs光電導開關, 在不同的儲能電容及外加偏置電壓條件下, 獲得具有上升時間最快為149 ps, 電壓傳輸效率最高為92.9%的快前沿正負對稱輸出,測試結果滿足條紋相機實現飛秒時間分辨率的設計需求.實驗結果的對比分析表明, 儲能電容是影響電壓傳輸效率及上升時間的重要因素之一.同時, 結合GaAs光電導開關線性工作模式特點及電容儲能特性分析表明, 當觸發激光特性相同時, 隨著儲能電容的增大, 輸出電脈沖傳輸效率及上升時間均會增加.研究結果將有助于GaAs光電導開關更好地應用于飛秒條紋相機中.

1 引 言

GaAs光電導開關 (photoconductive semiconductor switch, PCSS)是利用光電半導體材料GaAs與超快脈沖激光器結合形成的一種超快光電子器件[1,2].相較于傳統的半導體開關,GaAs PCSS器件具有響應速度快、耐壓高以及光電隔離等特點[3?5].當前 GaAs PCSS 器件的應用研究迅速發展, 在脈沖功率系統、精密同步控制系統、THz產生裝置等方面都取得了實質性的進展[6?9].在飛秒條紋相機的應用中, 由于GaAs PCSS具有極小的時間抖動及超快的時間響應, 已作為條紋相機中掃描電路的核心器件.因此, 以基于GaAs PCSS的掃描電路為研究對象, 探究提高條紋相機的時間分辨率成為當前備受關注的研究內容[10?12].

由于時間分辨率是條紋相機性能的重要指標,學者對提高時間分辨率的研究引起了廣泛關注.Liu等[13]利用GaAs PCSS為條紋相機提供正負對稱電脈沖時, 可使條紋相機的時間抖動值減小到 50 fs, 時間分辨率優于 600 fs.掃描電路作為條紋相機的重要組成部分, 決定了相機系統的時間分辨率及掃描速度.為了改善條紋相機的性能, 這就要求掃描電路輸出具有電壓傳輸效率高(> 70%)、上升時間快(< 200 ps)的正負對稱脈沖[14].因此,研究影響快前沿正負對稱脈沖輸出特性的因素, 具有重要的科學和應用價值.

本文基于GaAs PCSS設計了快前沿正負對稱輸出的掃描電路.當使用不同儲能電容時, 在不同的外加偏置電壓下測試了快前沿正負對稱脈沖輸出特性.通過計算載流子的倍增率, 指出GaAs PCSS工作在線性模式下.同時, 實驗結果表明在線性模式下, 當觸發激光脈沖特性一定時, 儲能電容也會對輸出電脈沖的上升時間及傳輸效率產生影響, 此結論可為提高條紋相機的時間分辨率提供理論指導.

2 實 驗

實驗中使用橫向結構的GaAs PCSS, 如圖1所示.半絕緣 GaAs材料的暗態電阻大于5 × 107W·cm, 禁帶寬度為 1.43 eV, 電子的遷移率大于5000 cm2/(V·s), 載流子濃度為 1014cm–3, 其本征擊穿場強可達250 kV/cm.GaAs芯片的尺寸為寬8.0 mm, 長 10.0 mm, 厚度 0.6 mm.GaAs PCSS的電極采用刻蝕方法制作, 通過優化設計使得電場分別更均勻, 電極為 135°圓角, 尺寸為 6.0 mm ×3.5 mm, 圓角半徑為 1.1 mm, 電極采用 Au/Ge/Ni合金制作而成, 與GaAs PCSS芯片材料形成了良好的歐姆接觸.

掃描電路的結構示意如圖2.電路中的元器件取值為:限流電阻R1,R2,R3和R4的阻值為 470 kW,濾波電容C1,C2,C3和C4的容值為 10 nf, 儲能電容C5和C6的耐壓為3 kV.

圖2 掃描電路結構圖Fig.2.Schematic diagram of scanning circuit.

測試電路如圖3 所示.使用波長為 800 nm, 脈寬為60 fs的飛秒激光器(型號為MaiTaiTisapphire)觸發電極間隙為 3.5 mm 的 GaAs PCSS, 其中激光脈沖波形為高斯分布.掃描電路經 SMA(subminiature version A)接頭進入 50 W 的同軸線中, 繼而通過 60 dB 同軸衰減器 (帶寬 0—40 GHz) 與帶寬為6 GHz的示波器(型號為LecroyWaveMaster 806Zi-A)相連.使用型號為 KSDP2210-CAS-1激光能量計對激光脈沖能量進行測量.

3 測量結果

當觸發激光能量為 97.5 μJ, 外加偏置電壓為± 1.9 kV 時, 測試了在儲能電容容值為 33 pF時輸出波形, 如圖4所示.從圖4可以看出, 正負輸出電脈沖的對稱性好.經示波器測量可得正向脈沖的輸出電壓為 1.270 kV, 上升時間為 164 ps.負向脈沖的輸出電壓為1.302 kV, 上升時間為175 ps.

為了使掃描電路獲得更高的電壓傳輸效率以及更快的上升時間, 當觸發光能為 97.5 μJ 時, 分別在電容容值為 10, 33, 82, 和 100 pF 時進行測試.當外加偏置電壓為± 2.0 kV, 單邊電脈沖的輸出結果如圖5所示.從圖中可以看出, 隨著儲能電容的增大, 輸出電脈沖的幅值及上升時間均增加.

此外, 對每一個特定電容, 在外加偏置電壓分別為± 1.5, ± 1.7, ± 1.9 和± 2.0 kV 條件下測試了掃描電路的輸出波形, 測試結果如表1和表2所列.經對比分析表明, 隨著儲能電容的增大, 輸出電脈沖的傳輸效率及上升時間均增加.

4 討 論

根據導通機理的不同, GaAs PCSS分為線性工作模式和非線性工作模式.在線性工作模式下,GaAs材料吸收一個光子最多產生一個電子空穴對.當偏置電場超過 4—8 kV/cm 時, 開關進入到非線性模式, 載流子出現倍增現象, 即GaAs材料吸收一個光子產生多個電子空穴對.當GaAs PCSS工作在線性模式時, 其時間抖動主要受觸發激光脈沖能量、波長以及脈寬的影響[15?17].相比于非線性工作模式, 線性工作模式下GaAs PCSS的時間抖動更小[18,19].因此, 為了更好地滿足條紋相機的設計需求, GaAs PCSS需工作在線性模式下.

圖3 掃描電路測試電路圖Fig.3.Testing test circuit of scanning circuit.

圖4 儲能電容為 33 pF, 偏置電壓為± 1.9 kV 時的輸出波形圖Fig.4.The output waveforms of 33 pF capacitor at the bias voltage is ± 1.9 kV.

實驗中, 飛秒激光的波長為 800 nm, GaAs 材料對800 nm波長的吸收深度為微米量級.實驗中所使用的GaAs材料厚度為 0.6 mm, 因此GaAs材料對光是完全吸收.GaAs材料的本征吸收限為867 nm, 當用 800 nm 波長的激光觸發 GaAs PCSS時, 光生載流子為本征吸收所產生的.對于光能量為E, 波長為l的入射光, 其所對應的載流子數為

圖5 外加偏置電壓為± 2.0 kV 時的輸出波形圖 (插圖為上升沿波形圖)Fig.5.The output waveforms at the bias voltage is ± 2.0 kV(insert is rising edge output waveform).

表1 不同儲能電容時輸出電脈沖電壓傳輸效率Table 1.The voltage transmission efficiency of output waveformwith different energy storage capacitor.

其中NL為GaAs材料吸收的光子數目,E為觸發光能量,l為波長 800 nm,h為普朗克常數,c為光速.當觸發光能量為 97.5 μJ 時, 根據 (1)式計算得出此時載流子數目為4.1 × 1014個.

表2 不同儲能電容時輸出電脈沖上升時間Table 2.The rise time of output waveform with different energy storage capacitor.

當外加偏置電壓為± 2.0 kV 時, 對于電極間隙為 3.5 mm 的 GaAs PCSS, 此時電場強度為11.43 kV/cm.根據輸出電脈沖波形, 可以計算出載流子的倍增率[20],

其中G為載流子倍增率,NG為光生載流子數.通過(2)式計算可得出, 載流子的倍增率約為1 ×10–3, 也就是說載流子未出現倍增, 即開關工作在線性模式下.當GaAs PCSS工作在線性模式時,輸出電脈沖的上升時間和傳輸效率除了受觸發激光特性和偏置電場的影響外, 儲能電容也會對其產生影響.在相同的外加偏置電壓時, 由于使用的GaAs PCSS 的間隙均為 3.5 mm, 因此, 開關上的外加偏置場強是相同的.此外, 由于觸發激光脈沖特性相同, 即單位時間內光生載流子的產生數量及速度相同.作為能量的儲存或輸出裝置, 當電容增大時, 電容儲存的電量也會增加.因此提供給開關的電能也就相應增加, 使得輸出電脈沖的傳輸效率增大.同時, 儲能電容的增大導致了電路充放電時間常數的增大, 對光脈沖響應的靈敏度降低, 則輸出電脈沖上升時間增大.

5 結 論

本文根據飛秒條紋相機中對掃描電路的需求,設計了基于GaAs PCSS的具有快前沿正負對稱輸出的掃描電路.利用飛秒激光脈沖觸發GaAs PCSS, 在不同的儲能電容及外加偏置電壓下, 獲得了單邊輸出電脈沖的上升時間最快為149 ps, 電壓傳輸效率最高為92.9%, 測試結果滿足條紋相機的設計需求.通過對實驗值的對比分析, 得出在相同的觸發激光脈沖, 儲能電容會影響輸出電脈沖的效率及上升時間.結合輸出電脈沖波形計算載流子的倍增率, 得出GaAs PCSS工作在線性模式下.根據線性模式的工作特點及電容的儲能特性, 分析指出在觸發激光脈沖特性相同時, 隨著儲能電容增大, 輸出電脈沖電壓傳輸效率及上升時間均增加,這與實驗結果一致.該研究對GaAs PCSS更好地應用在飛秒條紋相機中具有一定的指導意義, 同時對提高飛秒條紋相機的時間分辨率具有一定的推進作用.