GaAs材料的光電特性及應(yīng)用研究

高劍森，毛仕春

（宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

GaAs作為繼單晶硅后應(yīng)廣泛應(yīng)用的第二代新型化合物半導(dǎo)體材料，屬在III～V族化合物半導(dǎo)體，閃鋅礦型晶格結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為5.65×10-10m，熔點(diǎn)為1238℃，禁帶寬度為在愛1.42V，與Ge、Si等元素半導(dǎo)體相比，GaAs具有禁帶寬度大、介電常數(shù)小、電子有效質(zhì)量小、特殊能帶結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。根據(jù)在GaAs咋材料特性，可分為導(dǎo)電性材料和半絕緣性材料，導(dǎo)電型GaAs材料主要用于LED生產(chǎn)領(lǐng)域；半絕緣GaAs材料主要應(yīng)用于微電子和光電子領(lǐng)域。在微電子領(lǐng)域可作為射頻（RF）功率器件、微波大功率器件、低噪聲器件、微波毫米波單片集成電路和超高速數(shù)字集成電路等，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橐苿?dòng)通信、光纖通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、超高速計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域；在光電子領(lǐng)域，借助GaAs材料的躍遷能帶結(jié)構(gòu)的高電光轉(zhuǎn)換效率特性，可用于生產(chǎn)激光器、二極管、光探測器等各類光電器件[1]。

GaAs光電導(dǎo)開關(guān)（PCSS’s）是基于GaAs材料與高速脈沖激光器結(jié)合的具有ps甚至fs量級(jí)響應(yīng)速度的新型超高速光電導(dǎo)開關(guān)器件，其結(jié)構(gòu)由開關(guān)芯片材料、開關(guān)電極和傳輸線構(gòu)成，開關(guān)芯片影響光電導(dǎo)開關(guān)性能的關(guān)鍵部件，其光電特性受多方面因素影響。本文以半絕緣GaAs材料制作GaAs光電導(dǎo)開關(guān)，以此研究在GaAs材料光電特性[2]。

1 理論研究

GaAs材料受激子效應(yīng)和電荷疇效作用影響顯著，研究其作用機(jī)理有利于深入研究GaAs材料光電特性。

1.1 激子效應(yīng)

使用激光觸發(fā)GaAs光電導(dǎo)開關(guān)芯片材料時(shí)，光電導(dǎo)材料瞬間形成的載流子密度可達(dá)到1020cm-3，在該過程中，光電導(dǎo)開關(guān)芯片內(nèi)存在多種激子效應(yīng)，包括電子—激子、激子—激子、雜質(zhì)—激子等各類散射和輻射的復(fù)合效應(yīng)，在各類復(fù)合效應(yīng)下，激光觸發(fā)光電導(dǎo)材料產(chǎn)生輻射復(fù)合發(fā)光。在激光觸發(fā)過程中，激子為中性電子，激子效應(yīng)不能形成電流，但激子作為能量載體，可在遷移過程中傳遞能量，激子復(fù)合時(shí)釋放能量。激光激發(fā)光電導(dǎo)開關(guān)芯片材料所需的光能為：

式中，Eg為GaAs禁帶寬度，En為激子能級(jí)，me為電子質(zhì)量，mp為空穴質(zhì)量，h為普朗克常數(shù)，K為激子波矢。

激子能級(jí)可表示為：

式中，μ為電子與空穴折合質(zhì)量，q為電子電量，n為能級(jí)數(shù)。

由式2可知，在激子存在若干能級(jí)，且能級(jí)幾乎是連續(xù)的，當(dāng)能級(jí)數(shù)為無限大時(shí)，激子能級(jí)為0，表示導(dǎo)帶處于低能級(jí)，電子與空穴完全脫離，此時(shí)，電子進(jìn)入導(dǎo)帶內(nèi)，空穴則處于價(jià)帶。通過分析激子效應(yīng)分析，可計(jì)算激子離解光電導(dǎo)芯片材料電子和空穴束縛的最低能量要求為1.425eV，激光長波限869.8。

當(dāng)激子密度達(dá)到最低要求后，由于激子間距與激子直徑接近，激子束縛作用減弱，自由激子數(shù)量增加，激子在自由移動(dòng)中攜帶能量，并與電子空穴復(fù)合發(fā)光，束縛激子在復(fù)合發(fā)光過程中因聲子參與而產(chǎn)生能量損失，即使在雜質(zhì)含量很低的情況下，聲子對(duì)輻射復(fù)合作用的影響仍較為顯著，且束縛激子較自由激子有更強(qiáng)的光發(fā)射[3]。

當(dāng)自由激子濃度增加至一定程度時(shí)，電子與空穴庫侖作用受載流子屏蔽作用影響，導(dǎo)致激子離化能，離子更易離解，激子效應(yīng)消失。受該作用影響，激光觸發(fā)光電導(dǎo)材料時(shí)，由于疇體內(nèi)激子效應(yīng)受到抑制，激子效應(yīng)只發(fā)生在疇體附近。根據(jù)該原理，激子的激發(fā)與電荷轉(zhuǎn)移在GaAs光電導(dǎo)過程發(fā)揮著重要作用。

1.2 光激發(fā)電荷疇與激子效應(yīng)的相互作用

在GaAs光電導(dǎo)開關(guān)中，由于GaAs材料直接帶隙復(fù)合形成的光子波長為875±10mm，電子空穴復(fù)合幾率增大，并在復(fù)合時(shí)向周圍發(fā)射光子，當(dāng)復(fù)合發(fā)射的光子強(qiáng)度達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)，單個(gè)入射光子即能夠激發(fā)多倍電子與空穴參與導(dǎo)電，激子吸收光激發(fā)后，經(jīng)電子空穴復(fù)合后離解，從而完成激子能量吸收、釋放的過程。在該過程中，激子克服了電子空穴的庫倫束縛力，電子實(shí)現(xiàn)了由空穴到導(dǎo)帶的躍遷，激子離解形成的電子自疇體周圍進(jìn)入疇體內(nèi)，提高了疇體內(nèi)電子載流子密度。

當(dāng)光電導(dǎo)芯片材料溫度變化時(shí)，載流子復(fù)合系數(shù)相應(yīng)變化，開關(guān)溫度與載流子復(fù)合系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，并受多種因素影響，主要包括芯片材料溫度、電流、載流子濃度等，當(dāng)芯片材料溫度達(dá)到臨界溫度時(shí)，即使受到激光觸發(fā)，但激子效應(yīng)猝滅，無法產(chǎn)生光電作用。在高載流子濃度、高電場的復(fù)合作用下，激光觸發(fā)芯片材料時(shí)，將出現(xiàn)激子飽和吸收效應(yīng)。因此，當(dāng)激光激發(fā)芯片材料時(shí)，且與載流子數(shù)量、激子壽命均達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，光電導(dǎo)芯片開關(guān)材料激子效應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

2 基于激子效應(yīng)的GaAs材料光電導(dǎo)特性分析

2.1 光電特性分析

基于激子效應(yīng)原理，載流子數(shù)量變化是光電導(dǎo)現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因[4]。在光電導(dǎo)過程中，隨載流子遷移而產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，其光學(xué)性質(zhì)取決于電子—空穴，激子和激子—空穴的相互作用。由于激子是相互束縛的電子—空穴對(duì)，可在體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，對(duì)光電導(dǎo)電導(dǎo)率無顯著影響，但可通過在熱激發(fā)、激子與激子非彈性碰撞和電場分離等方式，使激子離解，形成自由電子和空穴，為在激子激發(fā)光電導(dǎo)提供必要條件。同時(shí)，由于GaAs導(dǎo)帶部分能量極大值處于最小值的斜上方，且電子在兩個(gè)位置時(shí)有效質(zhì)量存在差異，電子可通過與聲子的相互作用躍遷達(dá)到上能谷，但該位置不穩(wěn)定，可在聲子的相互作用下轉(zhuǎn)移至下能谷，并使電流增加。在光電導(dǎo)過程中，電子與聲子的相互作用弛豫時(shí)間為10-12～10-14，熱載流子馳豫最低帶邊緣時(shí)，其能量小于（為光聲子頻率），此時(shí)，熱載流子已不能與光學(xué)聲子交換能量。在特定情況下，當(dāng)熱平衡能級(jí)與熱激發(fā)能級(jí)咋載流子數(shù)比例，與復(fù)合時(shí)間與弛豫時(shí)間比例相同。

當(dāng)復(fù)合時(shí)間顯著大于馳豫時(shí)間時(shí)，可忽略熱電子效應(yīng)，即過剩載流子處于能帶邊附近的冷激發(fā)狀態(tài)，過剩載流子濃度與在熱平衡能級(jí)上的載流子相等，該過程為激子輻射復(fù)合過程，能夠?yàn)榧ぷ蛹ぐl(fā)光電導(dǎo)提供必要條件。由于光電導(dǎo)芯片材料內(nèi)部存在電子、激子和雜質(zhì)的輻射復(fù)合作用，且受到疇體抑制作用的影響，與疇體外自由載流子復(fù)合幾率相比，疇體外激子復(fù)合幾率較高，且受電子、激子、雜質(zhì)的電離作用影響，導(dǎo)致咋疇體內(nèi)激子離解加速，形成對(duì)光電導(dǎo)的貢獻(xiàn)。

2.2 GaAs材料光電導(dǎo)特性影響因素

在室溫條件下，光電導(dǎo)芯片材料受到激發(fā)后，激子受施加的強(qiáng)偏置作用影響，激子受熱轉(zhuǎn)換為自由電子，其光電導(dǎo)特性與自由電子呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系。在弱激光激發(fā)作用下，光電導(dǎo)芯片材料與施加的偏置電壓呈正相關(guān)關(guān)系，如偏置電壓較高，則激子數(shù)量增加較多。施加外電場的情況下，光電導(dǎo)材料內(nèi)自由電子做定向運(yùn)動(dòng)，并與激子復(fù)合產(chǎn)生散射效應(yīng)，攜帶的電荷沿光電導(dǎo)材料晶格逐級(jí)跳躍，最終離解為自由載流子。GaAs開關(guān)芯片體內(nèi)束縛激子離解后產(chǎn)生電子與空穴，并在離解過程中釋放光子和聲子，光子各向發(fā)射。由于空間電荷導(dǎo)致電場畸變，新產(chǎn)生的光電子不在原疇體路徑上，可能受疇中部空穴在的吸引，自疇中部注入，部分光電子向陽極漂移，疇頭部載流子能帶增加（如圖1所示）。電子注入疇時(shí)，疇內(nèi)電荷密度不斷變化，進(jìn)而引起電流變化，從而使GaAs光電導(dǎo)呈現(xiàn)出一定的振蕩特性。此外，激子輻射復(fù)合與馳豫是相互競爭、交互的過程。受兩種作用交互影響，GaAs光電導(dǎo)振蕩受激子、馳豫影響顯著，當(dāng)激子復(fù)合作用增強(qiáng)時(shí)，GaAs光電導(dǎo)馳豫時(shí)間縮短。

圖1 光激發(fā)與電荷疇相互作用示意圖

3 材料應(yīng)用

GaAs材料在具體應(yīng)用中，由于其光電轉(zhuǎn)換效率高，禁帶寬度較Si寬，具有良好的光譜響應(yīng)特性，在光電子、微電子、通信和太陽能電池等方面應(yīng)用廣泛。

圖2 光子、聲子對(duì)激子能帶的影響示意圖

在光電子方面，可以GaAs材料制作小型化的激光器、小型雷達(dá)，符合戰(zhàn)地條件應(yīng)用需求。在微電子方面，可作為光電子器件使用，如可見光激光器、近紅外激光器、發(fā)光二極管等，以半絕緣GaAs材料為基材，可直接離子注入GaAs高速數(shù)字電路、微波單片電路和光電集成電路等，由于GaAs材料特殊的光電導(dǎo)特性，以GaAs材料制作的微電子產(chǎn)品具有頻率高、速度快、功耗低等特點(diǎn)，在國防和民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

在通信領(lǐng)域，GaAs材料由于具有良好的光譜響應(yīng)特性、飽和電子速率和電子遷移率，可在250GHz場景下工作，且具有噪聲少、擊穿電壓特性，適宜在移動(dòng)電話、衛(wèi)星通信、微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接等方面發(fā)揮特出作用。

4 結(jié)語

根據(jù)本研究，GaAs材料作為Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料，受激子效應(yīng)的影響，在光激發(fā)電荷疇作用下，激子形成、傳輸與離解形成自由電子和空穴，當(dāng)光激發(fā)電荷疇生存條件受到破壞時(shí)，激子效應(yīng)消失。在該過程中，GaAs材料光電導(dǎo)呈現(xiàn)出一定的振蕩特性，該特性在光電子、微電子和通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。