光电导天线等效电路模型的比较研究（LT-GaAs）*
1. 概述
作为发射器，当激光束激发天线间隙时，光电导天线（PCA）会产生太赫兹脉冲，从而在光电导半导体衬底（例如低温GaAs、半绝缘 GaAs、InP、ZnSe、ZnO和4H/6H-SiC）中产生电荷载流子（电子空穴对）。由于施加在天线电极上的偏置电压在皮秒时间尺度上感应出光电流峰值，这些载流子被加速。结果，在天线中产生太赫兹频率范围的电场。
由于光电导天线 (PCA) 操作期间涉及的多物理场现象以及缺乏标准化验证方法，光电导天线的等效电路模型 (ECM) 的比较是一项挑战。在这项工作中，使用一组独特的仿真参数和验证指标（太赫兹波形、光功率饱和度和等效电路模型电压一致性）对当前报告的等效电路模型进行比较。等效电路模型模拟与在不同光功率（20mW 至 220mW）下测量的 H 形 20μm 间隙光电导天线太赫兹脉冲进行了对比。此外，还使用所提出的方法提出并验证了一种替代的双元件等效电路模型，它可以解释空间电荷和辐射屏蔽效应。该模型显示了使用数量减少的电路元件精确再现的太赫兹脉冲。
2. 样品制备
在能隙为 1.43eV、载流子寿命低于 1ps 的低温生长砷化镓 (LT-GaAs) 晶圆（来自中芯晶研）上制作了 20μm 间隙的偶极子光电导天线。在晶圆表面，使用标准光刻和金属剥离工艺对H 形金偶极子天线（参见图 1(a)中的尺寸）进行图案化。使用导热粘合剂将图案化的天线安装在铝支架（厚度为 2.54cm，孔径面积为 25mm 2）上，为 LT-GaAs 衬底中产生的任何热量提供良好的散热效果
图1 LT-GaAs光电导天线：（a）H形偶极结构的天线几何结构；（b）20µm天线间隙的SEM图像
3. 结论
在本工作中，通过将所制造的光电导天线的太赫兹脉冲测量值与三个指标（太赫兹脉冲波形、光功率饱和值和电路电压一致性）进行比较，估计了大多数报道的光电导天线等效电路模型的准确性。模型比较表明，辐射屏蔽效应是导致主成分分析饱和的主要效应，尽管包括空间电荷屏蔽可以提高模型的准确性。符合模型的电路元件取决于光激励和天线物理参数，这些参数主要由天线有源面积、载流子密度和迁移率表示。这些参数的变化改变了模型的主要微分方程的形式，导致总电路电流的变化，从而影响建模的太赫兹脉冲的特性。
此外，我们还提出了一种替代等效电路模型，命名为GapCSrR。引入的模型减少了精确再现太赫兹脉冲所需的电路元件的数量，这减少了模拟过程中的计算工作量。该模型表现出良好的性能（Exp:69.3mW/Mod:69.3mW），在现有技术等效电路模型的精度范围内。这一结果归因于包含了一个时间相关电容，该电容同时考虑了天线的载流子动力学和空间电荷屏蔽效应。本工作中提出的验证方法和等效电路模型为系统研究不同构成材料的光电导天线提供了一种新的选择，同时提高了发射太赫兹脉冲的模拟精度。
更多LT-GaAs样品信息或疑问，请邮件咨询：vp@honestgroup.cn