由國防科技大學光導微波團隊在學術期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 發布了一篇名為 Test on the Output Characteristics of Fe-β-Ga₂O₃ Photoconductive Semiconductor Device Toward High-Power Microwave Sources（Fe 摻雜 β-Ga₂O₃ 光導半導體器件針對高功率微波源輸出特性的研究）的文章。

1. 項目支持

本研究部分由國家自然科學基金委員會重點項目（項目編號：62434010）資助，部分由國家自然科學基金委員會（項目編號：62101577）資助，部分由湖南省自然科學基金（項目編號：2025JJ20065）資助。

2. 背景

光電導半導體器件（PCSD）是一種通過激光調控導通/關斷狀態的高功率開關，具有光電隔離、響應快、承壓高等優點，廣泛應用于脈沖功率、超快電子學及高功率微波源。理想的 PCSD 材料應具備高暗電阻、高載流子遷移率、長載流子壽命、高擊穿場強和良好的熱性能。β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）作為一種新興的超寬禁帶材料（帶隙約 4.9 eV，擊穿場強約 8 MV/cm），其寬帶隙帶來了極高的暗電阻率和擊穿電壓，這對于要求器件在關斷狀態下承受極高偏壓的 HPM 應用至關重要。在 β-Ga₂O₃ 中摻雜鐵（Fe）會形成深受主能級，能有效補償材料中無意的淺施主，從而獲得具有極高電阻率的半絕緣特性，進一步增強了器件的關斷態性能。

3. 主要內容

研究團隊專注于 Fe-β-Ga₂O₃ 光導半導體器件（PCSD）在高功率微波源應用中的研究，對該器件的輸出特性進行了測試與分析，包括暗態電阻（10¹³Ω）、暗態擊穿電壓（31.6 kV）、光導輸出及高頻響應。當受到 532 nm 和 1064 nm 單脈沖激光照射（兩者均具有 10 ns 的全寬半高值（FWHM））時，Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 以線性模式工作。在 532 nm 激光照射下的峰值電壓輸出是 1064 nm 激光照射下的 18 倍。然而，其光響應度相對較低，最高值僅達到 10^-7 A/W量級。在 532 nm 連續激光脈沖（基寬 30 ns）照射下，當調制頻率在 0.4 至 1.2 GHz 范圍內變化時，Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 的調制深度均高于 90 %。為了進一步提升光響應度，對內部和外部量子效率進行了基于模擬的優化。結果顯示，光響應度分別提高了 6.97 倍和 2.69 倍。

4. 創新點

• 對 Fe 摻雜 β-Ga₂O₃ 光電導器件專門面向高功率微波源應用的輸出特性進行詳細測試。

• 系統地分析了與 HPM 應用相關的關鍵性能指標，包括暗態特性、單脈沖線性工作模式、不同波下的響應對比，以及與頻率相關的調制深度。

• 證明該器件在亞帶隙光照（532/1064 nm）下仍能發生非本征吸收光響應，歸因于 Fe²⁺/Fe³⁺ 離子能級轉換。

5. 總結

設計并測試了垂直電極配置的 Fe-β-Ga₂O₃ 光控半導體斷路器（PCSD）器件，以評估其輸出性能。

1）由于氧化鎵的寬帶隙特性，Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 暗態擊穿電壓為31.6kV。器件三聯點的場強集中效應導致電極邊緣發生體擊穿。

2）基于單脈沖測試結果，建立了描述器件內部遷移率和光生載流子濃度與電場和激光能量之間關系的模型。該模型證實了在 1064 nm 和 532 nm 激光觸發下，器件的單光子線性吸收行為。

3）此外，該器件在 1.2 GHz 的微波下表現出超過 90% 的調制深度。

在未來，研究團隊考慮使用更短波長的激光來測試器件的光電響應，并著重優化 Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 的摻雜濃度和反射光路，從而為實現 Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 更高的輸出功率和更高的響應頻率奠定基礎。

圖 1. 垂直正入射 Fe-β-Ga₂O₃ PCSD的結構。

圖2. 激光輻照測試鏈路圖及 1.2GHz 頻率響應結果圖

DOI:

doi.org/10.1109/TED.2025.3568381

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號