【会员论文】西安电子科技大学---掺铁β型氧化镓基垂直光导开关初步研制及高压寿命测试

        由西安电子科技大学的研究团队在学术期刊强激光与粒子束中发布了一篇名为Preliminary development and high-voltage lifetime testing of vertical photoconductive semiconductor switches based on Fe-doped β-Ga₂O₃（掺铁β型氧化镓基垂直光导开关初步研制及高压寿命测试）的文章。

        光导开关是当前性能优异的大功率开关之一，能够在光的作用下于高阻状态和导通状态之间快速切换。相比于传统开关，光导开关拥有极小的关断时间与时间抖动、抗电磁干扰、轻质量、小体积等诸多优点，材料禁带宽度的大小会影响光导开关适宜的输入激光脉冲波长以及器件工作的温度范围，通常情况下，禁带宽度越大的材料在高温和大电流下工作更稳定，更适合用于制备大功率器件。光导开关的发展历程可追溯至20世纪70年代。1972年，美国马里兰大学帕克分校的S. Jayaraman等人研究砷化镓的光导特性时，发现其光响应频率与激光频率十分接近，得出了部分半导体材料的光响应时间在ps量级的结论。1975年，美国贝尔实验室的D. H. Auston等观测到单晶硅对532 nm和1064 nm波长激光可产生ps级响应。1976年，P. Lefur和D. H. Auston制备出了世界上第一个以单晶Si作为基体的半导体光导开关，此后对于光导开关的研究日渐蓬勃。国内在光导开关领域也有一定的研究。2008年，中国科学院上海硅酸盐研究所严成峰等人研制出国内第一只半绝缘6H-SiC光导开关，上升时间为6.8 ns，后续一批大学和机构也开启了相关领域的探索。但对于氧化镓基光导开关，截至目前国内外相关研究依然较少。荷兰代尔夫特理工大学微电子系的K. M. Dowling等首批制作和演示β-Ga₂O₃ PCSS，他们测试了平面型开关的载流子寿命和直流电特性等，表明Fe: β-Ga₂O₃具有较高的击穿场强和适度的光电响应特性，虽然在特定条件下光暗电流比较低，仍然验证了Fe: β-Ga₂O₃作为恶劣环境应用的PCSS材料的潜力。

        主要围绕Fe: β-Ga₂O₃基垂直型光导开关的高压性能进行实验和分析。结果显示，Fe: β-Ga₂O₃中深能级能提供产生非本征激发的载流子，输入电压为20 kV并进行单次激光触发时器件未出现击穿趋势，在15 kV下以10 Hz光触发至少5000余次后开关损坏，有效数据中脉冲表现较为稳定，初步证明了氧化镓光导开关可应用于大功率和高频等极限环境。失效分析说明较大的禁带宽度不是决定高耐压的唯一条件，除了使用精确掺杂的手段引入特定缺陷来改变Ga₂O₃材料性能外，进一步改良现有的材料生长方式和器件封装结构等也对提高光导开关的输出和寿命有所帮助。

        5000余次的高压寿命以及后续的失效分析，说明较大的禁带宽度不是决定高耐压的唯一条件。除了使用精确掺杂的手段引入特定缺陷来改变Ga₂O₃材料性能外，通过改善封装方式、改良生长方式等也对提高光导开关的输出和寿命有所帮助。 

        由于实验条件的限制，本文光导开关所使用的封装、抛光方式以及实验的光学、电学条件仍有不小完善和改进的空间，但实验初步证明了Fe: β-Ga₂O₃作为PCSS材料的潜力，为未来其他提升氧化镓基光导开关各项性能的科学研究提供了一定的借鉴和参考。 

图  1  氧化镓和铜电极封装成的光导开关

图  2  测试系统实拍与实验电路图

DOI：

doi.org/10.11884/HPLPB202537.240426