50kV半绝缘GaAs光导开关

　　关置于0.2 MPa的SF6气体环境中。在施加直流50 kV电压的情况下,使用Rogowski线圈测得开关的最大导通电流为1.1 kA。对实验结果进行分析表明:随着初始偏置电压的升高,回路流过的电荷与电容初始储存的电荷的比值不断提高,但都没有达到100%,即非线性模式下光导开关的关断原因并不是由于外电路的能量已经耗尽。对非本征光电导的情况,计算出开关的通态电阻为2.71Ω。脉冲功率技术的本质是将能量在时间和空间上进行压缩,以得到高的功率输出和高的能量密度。

　　开关在脉冲功率系统中起着重要的作用,不仅决定了脉冲功率装置的输出特性,在某种程度上甚至是脉冲功率系统成败的关键[1]。光导开关(photoconductive semiconductor switch, PCSS)由于具有极快的闭合时间、极小的时间抖动、低开关电感、高重复频率、体积小和光电隔离等优点在脉冲功率技术领域中日益受到重视[2]。自1975年Si光导开关研制成功[3],尤其是1977年性能更优越的GaAs取代Si成为开关材料[4]以来,光导开关在脉冲功率技术领域得到了重要的应用,包括固态紧凑型脉冲功率源[5]、高功率超宽带辐射[6]、THz电磁波发射[7]、大型脉冲功率装置触发控制系统[8]等。目前,工作在非线性模式下光导开关的最大电压达到了210 kV,最大开关电流达到了8 kA,在单个开关上同时达到了100 kV的开关电压和1.3 kA的开关电流[8]。沿面闪络[9]、丝状电流[10]和欧姆接触退化[11]是光导开关损坏的主要原因。

　　光导开关通过触发光对半导体材料电阻率的控制实现导通和关断。在触发光照射到光导开关之前,开关必须承受高的偏置电压,因此半绝缘GaAs材料由于其暗态电阻率高、泄漏电流小成为了首选。根据GaAs材料的禁带宽度和光子能量的大小,光导开关具有两种光电导方式,即本征光电导和非本征光电导。GaAs材料的禁带宽度为1.42 eV,对应的光波长为873 nm,该波长的激光在GaAs材料中的吸收深度约为0.89μm[12]。当触发光波长小于873 nm时,光导开关使用本征光电导方式。随着波长的减小,触发光在材料中的吸收深度也减小,因此光生载流子仅在GaAs材料表面产生,使得导通电流密度过大并可能导致开关损坏。对非本征光电导来说,触发光在GaAs材料中的吸收深度可以达到几mm[12],使得开关用于光电导的有效体积大大增加,减小了电流密度。本文使用非本征光电导方式对大功率非线性模式下的半绝缘GaAs光导开关进行了实验研究。

　　1　开关结构及实验装置

　　横向结构的光导开关如图1所示。开关由600μm厚的半绝缘GaAs晶片制成,电极间隙为20 mm,电极尺寸为6 mm×2 mm。由Ge/Au/Ni/Au(37 nm/100 nm/15 nm/200 nm,由内到外)构成的金属层淀积在材料表面并经过高温退火工艺以形成欧姆接触。GaAs材料由于其中的碳(C)杂质被深能级施主EL2补偿而具有半绝缘特性,其能级图如图2所示。其中C能级位于价带以上0.019 eV处,EL2能级位于导带以下0.83 eV处。EL2施主的数密度为1.6×1016cm-3,载流子迁移率约为6 000 cm2/(V·s)。