由國(guó)防科技大學(xué)光導(dǎo)微波團(tuán)隊(duì)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(dǎo)半導(dǎo)體器件針對(duì)高功率微波源輸出特性的研究）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

本研究部分由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：62434010）資助，部分由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（項(xiàng)目編號(hào)：62101577）資助，部分由湖南省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：2025JJ20065）資助。

2. 背景

光電導(dǎo)半導(dǎo)體器件（PCSD）是一種通過激光調(diào)控導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)的高功率開關(guān)，具有光電隔離、響應(yīng)快、承壓高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)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(yīng)具備高暗電阻、高載流子遷移率、長(zhǎng)載流子壽命、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)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(duì)于要求器件在關(guān)斷狀態(tài)下承受極高偏壓的 HPM 應(yīng)用至關(guān)重要。在 β-Ga₂O₃ 中摻雜鐵（Fe）會(huì)形成深受主能級(jí)，能有效補(bǔ)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(jìn)一步增強(qiáng)了器件的關(guān)斷態(tài)性能。

3. 主要內(nèi)容

研究團(tuán)隊(duì)專注于 Fe-β-Ga₂O₃ 光導(dǎo)半導(dǎo)體器件（PCSD）在高功率微波源應(yīng)用中的研究，對(duì)該器件的輸出特性進(jìn)行了測(cè)試與分析，包括暗態(tài)電阻（10¹³Ω）、暗態(tài)擊穿電壓（31.6 kV）、光導(dǎo)輸出及高頻響應(yīng)。當(dāng)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)，F(xiàn)e-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(yīng)度相對(duì)較低，最高值僅達(dá)到 10^-7 A/W量級(jí)。在 532 nm 連續(xù)激光脈沖（基寬 30 ns）照射下，當(dāng)調(diào)制頻率在 0.4 至 1.2 GHz 范圍內(nèi)變化時(shí)，F(xiàn)e-β-Ga₂O₃ PCSD 的調(diào)制深度均高于 90 %。為了進(jìn)一步提升光響應(yīng)度，對(duì)內(nèi)部和外部量子效率進(jìn)行了基于模擬的優(yōu)化。結(jié)果顯示，光響應(yīng)度分別提高了 6.97 倍和 2.69 倍。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

• 對(duì) Fe 摻雜 β-Ga₂O₃ 光電導(dǎo)器件專門面向高功率微波源應(yīng)用的輸出特性進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。

• 系統(tǒng)地分析了與 HPM 應(yīng)用相關(guān)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，包括暗態(tài)特性、單脈沖線性工作模式、不同波下的響應(yīng)對(duì)比，以及與頻率相關(guān)的調(diào)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(yīng)，歸因于 Fe²⁺/Fe³⁺ 離子能級(jí)轉(zhuǎn)換。

5. 總結(jié)

設(shè)計(jì)并測(cè)試了垂直電極配置的 Fe-β-Ga₂O₃ 光控半導(dǎo)體斷路器（PCSD）器件，以評(píng)估其輸出性能。

1）由于氧化鎵的寬帶隙特性，F(xiàn)e-β-Ga₂O₃ PCSD 暗態(tài)擊穿電壓為31.6kV。器件三聯(lián)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)集中效應(yīng)導(dǎo)致電極邊緣發(fā)生體擊穿。

2）基于單脈沖測(cè)試結(jié)果，建立了描述器件內(nèi)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，器件的單光子線性吸收行為。

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

在未來，研究團(tuán)隊(duì)考慮使用更短波長(zhǎng)的激光來測(cè)試器件的光電響應(yīng)，并著重優(yōu)化 Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 的摻雜濃度和反射光路，從而為實(shí)現(xiàn) Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 更高的輸出功率和更高的響應(yīng)頻率奠定基礎(chǔ)。

圖 1. 垂直正入射 Fe-β-Ga₂O₃ PCSD的結(jié)構(gòu)。

圖2. 激光輻照測(cè)試鏈路圖及 1.2GHz 頻率響應(yīng)結(jié)果圖

DOI:

doi.org/10.1109/TED.2025.3568381

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)