由國防科技大學(xué)光導微波團隊在學(xué)術(shù)期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 發(fā)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(xué)基金委員會(huì )重點(diǎn)項目（項目編號：62434010）資助，部分由國家自然科學(xué)基金委員會(huì )（項目編號：62101577）資助，部分由湖南省自然科學(xué)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(guò)激光調控導通/關(guān)斷狀態(tài)的高功率開(kāi)關(guān)，具有光電隔離、響應快、承壓高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于脈沖功率、超快電子學(xué)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(cháng)載流子壽命、高擊穿場(chǎng)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(chǎng)強約 8 MV/cm），其寬帶隙帶來(lái)了極高的暗電阻率和擊穿電壓，這對于要求器件在關(guān)斷狀態(tài)下承受極高偏壓的 HPM 應用至關(guān)重要。在 β-Ga₂O₃ 中摻雜鐵（Fe）會(huì )形成深受主能級，能有效補償材料中無(wú)意的淺施主，從而獲得具有極高電阻率的半絕緣特性，進(jìn)一步增強了器件的關(guān)斷態(tài)性能。

3. 主要內容

研究團隊專(zhuān)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(jìn)行了測試與分析，包括暗態(tài)電阻（10¹³Ω）、暗態(tài)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(shí)，Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 以線(xiàn)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(shí)，Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 的調制深度均高于 90 %。為了進(jìn)一步提升光響應度，對內部和外部量子效率進(jìn)行了基于模擬的優(yōu)化。結果顯示，光響應度分別提高了 6.97 倍和 2.69 倍。

4. 創(chuàng )新點(diǎn)

• 對 Fe 摻雜 β-Ga₂O₃ 光電導器件專(zhuān)門(mén)面向高功率微波源應用的輸出特性進(jìn)行詳細測試。

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

• 證明該器件在亞帶隙光照（532/1064 nm）下仍能發(fā)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(tài)擊穿電壓為31.6kV。器件三聯(lián)點(diǎn)的場(chǎng)強集中效應導致電極邊緣發(fā)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(chǎng)和激光能量之間關(guān)系的模型。該模型證實(shí)了在 1064 nm 和 532 nm 激光觸發(fā)下，器件的單光子線(xiàn)性吸收行為。

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

在未來(lái)，研究團隊考慮使用更短波長(cháng)的激光來(lái)測試器件的光電響應，并著(zhù)重優(yōu)化 Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 的摻雜濃度和反射光路，從而為實(shí)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(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號