激光二极管触发GaAs光导开关的失效机理研究

Photoconductive semiconductor switch (PCSS) could be available for ultra wideband technology, terahertz technology, ultra fast electronics technology, compact pulse power technology, and so on. PCSS has many advantages properties including low jitter, fast response, small size, high power, and high repetition rate. Based on high power laser trigger, the GaAs PCSS, as the representative of second generation PCSS, could steadily and long lifetime operate. With the development of compact pulse power technology, the pulse power system needs tens of thousands of PCSSs are operating at the same time. Under the condition, the PCSS based on high power laser trigger has problems that equipment is expensive and complex. Our experiment shows that the GaAs PCSS could be triggered by low power laser diode. And this method of laser diode trigger also can reduce complexity and cost. At the same time, a contrast experiment shows that the GaAs PCSS has a lifetime problem under the laser diode trigger with low energy. Thus, this work is devoted to studying the influence of some factors to GaAs PCSS lifetime, the on-state mechanism and failure mechanism of GaAs PCSS under the laser diode trigger. And then the technical proposal of prolonging GaAs PCSS’s lifetime is explored.

光导开关可用于超宽带技术、THz技术、超高速电子学技术、紧凑型脉冲功率技术等领域，具有低抖动、快响应、小尺寸、大功率以及高重复频率等优点。GaAs光导开关作为二代光导开关的典型代表，采用激光器提供触发信号实现了GaAs光导开关高稳定、长寿命工作。随着紧凑型脉冲功率技术的发展，脉冲功率系统需要数量为数千甚至数万的光导开关同时工作，在此情况下，采用高功率激光器触发光导开关存在增加系统成本和复杂程度等方面的问题。申请者所在课题组开展的实验表明，采用低功率激光二极管可以有效触发GaAs光导开关，并且大大降低复杂成度和成本。同时，开展的对比实验结果表明，在低光能激光二极管触发GaAs光导开关时，存在开关寿命较大程度的缩短现象。因此，本项目拟通过探索激光二极管触发条件下的各种因素对GaAs光导开关寿命的影响规律，研究GaAs光导开关的导通机理和失效机理，进而探索延长GaAs光导开关寿命的技术方案。

与其它半导体开关相比，GaAs光导开关具有简单结构、快响应、低抖动、低电感、光电隔离、高重复频率、高工作电压和大电流等许多优点。在光通信、地面冲击雷达、THz技术、紧凑型脉冲功率技术、超快电子学和瞬态电磁技术等方面具有广阔的应用前景。但在GaAs光导开关非线性导通过程中形成的丝状电流将引起GaAs光导开关的损坏，极大地制约GaAs光导开关的实际应用。. 在国家自然科学基金的资助下，本项目开展了激光二极管触发条件下的GaAs光导开关的失效机理研究，完成了项目计划书的研究内容，达到了项目计划书的研究目的。主要完成了以下研究工作：1、开展了GaAs光导开关和大功率激光二极管触发器两种关键器件的研制，并将关键器件进行集成，搭建了激光二极管触发GaAs光导开关的实验研究平台；2、开展了激光二极管触发GaAs光导开关的实验，研究了激光二极管触发GaAs光导开关的导通特性，分析了多种因素对GaAs光导开关的影响规律；3、分析了激光二极管触发GaAs非线性导通过程中丝状电流产生原因以及发展形式，完善了激光二极管触发GaAs光导开关非线性导通机理，研究了激光二极管触发条件下的GaAs 光导开关的失效机理。. 通过该项目的研究，培养了本团队参研人员的创新思维方式和科研方法，实现了青年科研人员个人能力的快速提升。