高功率高重复频率GaAs光电导开关关键技术研究

围绕能产生高电压强电流、高能量密度、高功率密度和高重复频率的超快电脉冲序列的光电导开关器件，对半导体材料处理、光电导开关芯片制备和整体绝缘三个方面涉及到的基础科学问题进行深入研究。采用离子注入掺杂技术，精确控制半导体能带分布及电特性，形成适用于瞬态雪崩倍增机制的杂质及缺陷能级结构，提高开关的峰值功率密度。通过在重复频率脉冲功率条件下光子诱发电荷畴的特性与规律的研究，认识这种特殊条件下的电子雪崩倍增机理和输运机制，有效抑制丝状电流的形成，提高开关的工作寿命。通过对绝缘结构与方式在半导体光控预击穿条件下的规律研究，提高开关的工作电压。研制出重复频率0.1到100kHz，电压百kV量级，电流数kA量级，电流脉冲宽度几ns到几十ns量级的光电导开关器件。本项目将为我国高重复频率超快脉冲功率技术的研究打下良好的基础，并为促进国防建设领域的高科技研究以及前沿物理研究发挥积极的作用。

研究了GaAs光电导体在强电场下伴随有光子作用的载流子超快动力学机理、约束GaAs PCSS锁定效应的物理机制与实验方法、具有预击穿行为的丝状大电流密度的规律，研制了高功率高重复频率GaAs PCSS器件。.针对高功率高重复频率GaAs PCSS所表现出超乎寻常的载流子倍增及超快输运现象，首先从实验上获得具有载流子倍增特性的高功率GaAs PCSS的实验规律，在充分考虑触发光子对载流子雪崩倍增及超快输运作用的基础上，经过深入地研究，发展了光激发电荷畴理论，理论上得到半绝缘GaAs PCSS因光致碰撞电离引起的、以光控预击穿为表现形式的、伴随有光子作用的载流子超快动力学物理规律。.针对高功率GaAs PCSS工作于强电场/弱光场和强电流脉冲输出的特点，提出了在半绝缘GaAs体材料衬底采用刻蚀深埋制备电极的思路，形成避免强电场下电流过于集中的三维立体电极结构，通过理论分析，形成最佳方案和独特的欧姆接触制备技术；提出多层全固态绝缘的理论分析和设计方法用于GaAs PCSS的研制，有效地抑制了沿面闪络，提高了开关性能；结合对半绝缘GaAs材料进行特殊的后处理，以形成适用于瞬态雪崩倍增机制的杂质及缺陷能级结构；研制了100kV/1kA、重复频率1kHz的高功率超快GaAs PCSS。.针对弱光触发具有载流子雪崩倍增机制的GaAs PCSS在非线性模式下具有锁定效应而限制了其应用范围的难题，我们提出了通过调整GaAs的能带结构等外部条件，使所形成的光子诱发电荷畴处于瞬态电场约束条件下的猝灭畴模式来约束锁定效应的发展的思路，在国际上首次提出了光激发电荷畴猝灭模式的理论，并在实验上得到验证，并将这一理论应用于实际，研制了能有效抑制锁定效应的动态分压控制双层GaAs PCSS、GaAs PCSS-火花隙级联组合开关、及GaAs PCSS-ZnO组合开关。在实验上，实现了用激光二极管触发GaAs PCSS输出具有载流子雪崩倍增机制的强电流脉冲。.研究了强电场下高功率GaAs PCSS的雪崩导通过程中光生载流子瞬态输运规律及内建电场瞬态分布，理论上得出GaAs PCSS的雪崩导通过程不但存在显著的瞬态电学不均匀性，同时还存在显著的瞬态光学非均匀性，发现强烈的光学非均匀性通过二次光子的发射和再吸收导致载流子的重新瞬态分布趋于集中的规律，得到开关性能退化甚至击穿的物理原因及抑制方法。