CN110133471A - 一种GaAs光导开关载流子浓度分布变化测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaAs光导开关载流子浓度分布变化测试方法，属于半导体器件测试领域，本发明利用激光照射GaAs光导开关的不同位置，根据被照射位置折射率的变化，获得GaAs光导开关导通过程中内部载流子浓度分布变化曲线，本发明提供的GaAs光导开关导通过程中内部载流子准动态分布诊断方法，填补了光导开关内载流子浓度分布变化诊断的空白，可为新型GaAs光导开关设计提供依据。

Description

一种GaAs光导开关载流子浓度分布变化测试方法

技术领域

本发明属于半导体器件测试领域，具体涉及到GaAs光导开关内部载流子准动态分布测试。

背景技术

在高新装备(如电磁脉冲模拟器、高新技术武器等)、物理研究、工业需求等的推动下，固态脉冲功率技术受到广泛关注，各主要技术强国均投入大量人力物力开展相关研究工作，取得了多项里程碑式的技术进步，其应用领域也获得迅速拓展。固态脉冲功率技术主要朝着高重复频率、高平均功率、小型化、模块化、长使用寿命的方向发展。目前，高重复频率、高平均功率固态脉冲功率源技术研究已经成为脉冲功率技术研究领域的热点，列入美国多个重点国家科技计划。发展高重复频率、高平均功率、高能量密度的固态脉冲功率装置，开关是最关键的器件。与其它固体开关(如功率半导体开关、半导体断路开关、磁开关等)相比，光导开关具有体积小，重复频率性能好、闭合时间短(ps量级)、时间抖动小(ps量级)、开关电感低(亚纳亨)、同步精度高(ps量级)、电磁兼容性强，使光导开关在固态紧凑型脉冲功率源上有着较为广阔的应用前景。

现有研究结果表明GaAs光导开关长脉冲宽度工作条件下寿命较低，原因有二：一方面是由于GaAs光导开关导通电阻较大；另一方面是由于GaAs光导开关导通过程中载流子汇聚导致电流丝。GaAs光导开关较大的导通电阻和电流丝现象都会导致开关工作状态下局部焦耳加热现象的发生，导致GaAs光导开关的热损伤和热击穿，严重降低GaAs光导开关的寿命。上述现象均与GaAs光导开关导通过程中载流子分布密切相关。因此，需要对GaAs光导开关导通过程中内部载流子分布变化情况进行诊断。

而目前在GaAs光导开关研究相关文献和专利资料中并未发现有相关GaAs光导开关内部载流子浓度分布变化测试相关的专利信息。

发明内容

本发明的目的是利用半导体材料内部载流子浓度变化会引起半导体材料折射率变化的原理，设计出GaAs光导开关载流子浓度分布变化测试方法，用于诊断GaAs光导开关导通过程中GaAs光导开关内部载流子分布情况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种GaAs光导开关载流子浓度分布变化测试方法，利用激光照射GaAs光导开关的不同位置，根据被照射位置折射率的变化，获得GaAs光导开关导通过程中内部载流子浓度分布变化曲线。

在上述技术方案中，所述激光包括探测激光和泵浦激光。

在上述技术方案中，分布测试方法具体过程为：

步骤一：将泵浦激光遮挡，将GaAs光导开关样品沿光路方向移动，得到仅有探测激光时GaAs光导开关Z扫描曲线；

步骤二：同时提供探测激光和泵浦激光，将GaAs光导开关样品沿光路方向移动，得到有泵浦激光和探测激光时GaAs光导开关Z扫描曲线；

步骤三：在GaAs光导开关两端加载电压，测试GaAs光导开关导通过程中不同X和Y位置处的Z扫描曲线，得到GaAs光导开关不同X和Y位置处自由载流子浓度绝对变化值和相对于步骤一和步骤二变化值；

其中：将光导开关垂直光路方向的平面定义为X Y平面，垂直于XY面的方向定义为Z向，Z向与光路平行。

在上述技术方案中，所述GaAs光导开关为非线性半导体材料，基于非线性材料Z扫描测试得到曲线峰谷透过率差ΔT_p-v：ΔT_p-v＝0.406×(1-s)^0.25|ΔΦ₀|，

其中：ΔΦ₀(t)＝kΔn₀(t)L_eff，

式中L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀为样品有效厚度，r_A为光阑小孔半径，ω_a为小孔光阑处光斑大小，α₀为样品线性吸收系数，L为样品厚度，k＝2π/λ，材料折射率变化为Δn₀。

在上述技术方案中，半导体材料内部自由载流子浓度的变化会引起材料折射率变化，通过测试材料折射率变化计算光照和电压加载时材料自由载流子浓度变化ΔN_e

式中n₀为材料初始折射率，e为电子电荷，λ为测试激光波长，C为光速，ε₀为材料介电常数，m^*为电子有效质量。

在上述技术方案中，通过计算：步骤一获得自由载流子浓度变化ΔNe₀，步骤二获得自由载流子浓度变化ΔNe₁，步骤三获得自由载流子浓度变化ΔNe_xy，

ΔNe₀可得到探测光对GaAs光导开关自由载流子浓度分布变化影响，

ΔNe₁-ΔNe₀可得到泵浦光对GaAs光导开关自由载流子浓度分布变化影响，

ΔNe_xy-ΔNe₀可得到泵浦光和外加偏压对GaAs光导开关自由载流子浓度分布变化影响。

在上述技术方案中，沿着激光光路方向设置有第一分光镜BS₁，分光后其中一路激光通过第一反射镜M₁反射到光导开关，分光后的另一路激光通过第二反射镜M₂反射、反射后光路在光路方向进行延时后，通过第一凸透镜L₁后照射到光导开关，并透过光导开关由第二分光镜BS₂分为两路激光，两路激光束的光路上分别设置有一个能量探测器。

在上述技术方案中，所述光导开关以第一凸透镜L₁焦点为零点位置，光导开关沿着第一凸透镜L₁后的光路方向移动，移动方向为光导开关XY面的Z方向。

在上述技术方案中，在第二反射镜M₂与第一凸透镜L₁之间设置有延时光路，所述延时光路中激光由第三反射镜M₃反射进入延时器，从延时器发出的光路进入第四反射镜M₄，第四反射镜M₄反射后进入第一凸透镜L₁。

在上述技术方案中，所述延时器可以沿着第三反射镜反射的光路方向移动，以调节探测光相对于泵浦光之间的延迟时间。

本发明载流子浓度分布诊断基本原理：半导体材料内部载流子浓度变化会引起半导体材料折射率变化，基于此可以采用光学诊断方法测试GaAs光导开关导通过程中开关不同位置处折射率变化，进而计算得到GaAs光导开关导通过程中内部载流子浓度分布变化曲线。

综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比：

本发明的提供的GaAs光导开关导通过程中内部载流子准动态分布诊断方法，填补了光导开关内载流子浓度分布变化诊断的空白，可为新型GaAs光导开关设计提供依据。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的光路示意图；

图2 GaAs光导开关X和Y方向示意图；

图3 GaAs光导开关载流子浓度变化分布图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，是本实施例的光路示意图，其中激光发射器发射出激光，激光通过第一分光镜BS₁进行分光，分为两路光路。其中一路激光经过第一反射镜M₁进行反射，反射后的激光直接照射到光导开关上，透过光导开关的激光由回收器进行回收。另一路激光经过第二反射镜M₂进行反射，反射后经过第一凸透镜L₁照射在光导开关上，透过光导开关的激光由第二分光镜BS₂再次分为两路，一路直接被能量探测器D₂进行接收，另一路通过第二凸透镜L₂后由能量探测器D₃进行接收。

本实施例中，为了完成对于光导开关的Z向扫描曲线，将光导开关设置在第一凸透镜L₁与第二分光镜BS₂之间，并将第一凸透镜L₁的焦点定义为光导开关的位移坐标零点，光导开关以零点开始，沿着第一透镜L₁的光路方向进行移动，以便于获得扫描曲线。如图2所示，而对于光导开关的空间坐标定义，以焦点为零点，光导开关的平面为XY面，垂直于XY面及第一透镜L₁后光路传播方向为Z向。

本实施例中，为了得到探测光与泵浦光之间的时间延迟，在第二反射镜M₂与第一凸透镜L₁之间设置有延时光路，用于对该光路进行延时。延时光路包括两个反射镜和一个延时器Time Delay，激光由第二反射镜M₂反射后进入延时光路中的第三反射镜M₃，第三反射镜M₃反射后进入延时器，由延时器发出的激光进入第四反射镜M₄，第四反射镜M₄反射的激光进入第一透镜L₁。经过延时光路后的激光与第二反射镜M₂反射后的光路保持在同一方向进行光路传播。延时器通过沿着第三反射镜M₃反射后的光路方向进行移动，从而实现以调节探测光相对于泵浦光之间的延迟时间。

本实施例中，基于上述的光路实现对GaAs光导开关载流子浓度变化分布进行测试。GaAs材料为非线性半导体材料，因此，基于非线性材料Z扫描测试(自聚焦或自散焦效应)，激光汇聚焦点前后材料吸收率不同，可通过测试绘制出Z扫描曲线(开孔和闭孔曲线进行归一化处理)，进而得到曲线峰谷透过率差ΔT_p-v：

ΔT_p-_v＝0.406×(1-s)^0.25|ΔΦ₀|

其中：

ΔΦ₀(t)＝kΔn₀(t)L_eff

式中L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀为样品有效厚度，r_A为光阑小孔半径，ω_a为小孔光阑处光斑大小，α₀为样品线性吸收系数，L为样品厚度，k＝2π/λ。通过以上公式可计算出材料折射率变化Δn₀。

由于半导体材料内部自由载流子浓度的变化会引起材料折射率变化，依据下式，通过测试材料折射率变化可推导计算出光照和电压加载时材料自由载流子浓度变化ΔN_e。

式中n₀为材料初始折射率，e为电子电荷，λ为测试激光波长，C为光速，ε₀为材料介电常数，m^*为电子有效质量。

具体的测试过程为：

第一步：因为激光发射器发射出的激光包括有探测激光和泵浦激光，因此首先将泵浦激光遮挡，按照诊断光路图将GaAs光导开关样品沿光路Z方向移动(焦点为Z方向零点位置)，得到仅有探测光时GaAs光导开关Z扫描曲线，按照上述公式可计算得到自由载流子浓度变化ΔN_e0，以计算得到探测光对GaAs光导开关自由载流子浓度分布变化影响；

第二步：同时发射探测激光和泵浦激光，按照诊断光路图将GaAs光导开关样品沿光路Z方向移动，得到有探测光和泵浦光时GaAs光导开关Z扫描曲线，按照上述公式可计算得到自由载流子浓度变化ΔN_e1，ΔN_e1-ΔN_e0可得到泵浦光对GaAs光导开关自由载流子浓度分布变化影响；

第三步：在GaAs光导开关两端加载6kV电压，测试GaAs光导开关导通过程中不同X和Y位置处的Z扫描曲线，按照上述公式计算可得到GaAs光导开关不同X和Y位置处自由载流子浓度变化值ΔN_exy，ΔN_exy-ΔN_e0可得到泵浦光和外加偏压对GaAs光导开关自由载流子浓度分布变化影响。

如图3所述，本实施例采用GaAs光导开关厚度为1mm，开关导通过程中载流子分布诊断时，测试回路电容器电容值为1nF，负载电阻为50Ω，开关加载电压通过Tek P6015A高压探头测量，获得GaAs光导开关的XY平面在X＝0mm和X＝3mm两处的载流子浓度分布变化图。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种GaAs光导开关载流子浓度分布变化测试方法，其特征在于利用激光照射GaAs光导开关的不同位置，根据被照射位置折射率的变化，获得GaAs光导开关导通过程中内部载流子浓度分布变化曲线。

2.根据权利要求1所述的一种GaAs光导开关载流子浓度分布变化测试方法，其特征在于所述激光包括探测激光和泵浦激光。

3.根据权利要求2所述的一种GaAs光导开关载流子浓度分布变化测试方法，其特征在于分布测试方法具体过程为：

步骤一：将泵浦激光遮挡，将GaAs光导开关样品沿光路方向移动，得到仅有探测激光时GaAs光导开关Z扫描曲线；

步骤二：同时提供探测激光和泵浦激光，将GaAs光导开关样品沿光路方向移动，得到有泵浦激光和探测激光时GaAs光导开关Z扫描曲线；

步骤三：在GaAs光导开关两端加载电压，测试GaAs光导开关导通过程中不同X和Y位置处的Z扫描曲线，得到GaAs光导开关不同X和Y位置处自由载流子浓度绝对变化值和相对于步骤一和步骤二变化值；

其中：将光导开关垂直光路方向的平面定义为XY平面，垂直于XY面的方向定义为Z向，Z向与光路平行。

4.根据权利要求3所述的一种GaAs光导开关载流子浓度分布变化测试方法，其特征在于所述GaAs光导开关为非线性半导体材料，基于非线性材料Z扫描测试得到曲线峰谷透过率差ΔT_p-v：ΔT_p-v＝0.406×(1-s)^0.25|ΔΦ₀|，

其中：ΔΦ₀(t)＝kΔn₀(t)L_eff，

式中L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀为样品有效厚度，r_A为光阑小孔半径，ω_a为小孔光阑处光斑大小，α₀为样品线性吸收系数，L为样品厚度，k＝2π/λ，材料折射率变化为Δn₀。

5.根据权利要求3所述的一种GaAs光导开关载流子浓度分布变化测试方法，其特征在于半导体材料内部自由载流子浓度的变化会引起材料折射率变化，通过测试材料折射率变化，计算可得到激光辐照和电压加载时GaAs光导开关自由载流子浓度变化ΔN_e

式中n₀为材料初始折射率，e为电子电荷，λ为测试激光波长，C为光速，ε₀为材料介电常数，m*为电子有效质量。

6.根据权利要求3、4、5任一所述的一种GaAs光导开关载流子浓度分布变化测试方法，其特征在于通过计算：步骤一获得自由载流子浓度变化ΔN_e0，步骤二获得自由载流子浓度变化ΔN_e1，步骤三获得自由载流子浓度变化ΔN_exy，

ΔN_e0可得到探测光对GaAs光导开关自由载流子浓度分布变化影响，

ΔN_e1-ΔN_e0可得到泵浦光对GaAs光导开关自由载流子浓度分布变化影响，

ΔN_exy-ΔN_e0可得到泵浦光和外加偏压对GaAs光导开关自由载流子浓度分布变化影响。

7.一种实现权利要求1所述分布测试方法的光路，其特征在于沿着激光光路方向设置有第一分光镜BS₁，分光后其中一路激光通过第一反射镜M₁反射到光导开关，分光后的另一路激光通过第二反射镜M₂反射、反射后的光路在光路方向进行延时后，通过第一凸透镜L₁后照射到光导开关，并透过光导开关由第二分光镜BS₂分为两路激光，两路激光束的光路上分别设置有一个能量探测器。

8.根据权利要求7所述的一种光路，其特征在于所述光导开关以第一凸透镜L₁焦点为零点位置，光导开关沿着第一凸透镜L₁后的光路方向移动，移动方向为光导开关XY面的Z方向。

9.根据权利要求7所述的一种光路，其特征在于在第二反射镜M₂与第一凸透镜L₁之间设置有延时光路，所述延时光路中激光由第三反射镜M₃反射进入延时器(Time Delay)，从延时器发出的光路进入第四反射镜M₄，第四反射镜M₄反射后进入第一凸透镜L₁。

10.根据权利要求9所述的一种光路，其特征在于所述延时器可以沿着第三反射镜反射的光路方向移动，以调节探测光相对于泵浦光之间的延迟时间。