【会员论文】湖北九峰山实验室首席专家魏强民、北京怀柔实验室、华中科技大学：β-Ga₂O₃光导辅助开关研究

        由湖北九峰山实验室首席专家魏强民、北京怀柔实验室、华中科技大学的联合研究团队在学术会议 2025 22nd China International Forum on Solid State Lighting & 2025 11th International Forum on Wide Bandgap Semiconductors (SSLCHINA: IFWS) 发布了一篇名为 Research on β-Ga₂O₃ Photoconductive Assisted Switch（β-Ga₂O₃ 光导辅助开关研究）的文章。本文第一作者为湖北九峰山实验室的李明哲。

        β-Ga₂O₃ 的禁带宽度高达 4.8 eV，这使其临界击穿电场达到约 8 MV/cm，远超硅（Si）和碳化硅（SiC）。其模拟本征电子迁移率为 250 cm²/Vs，饱和速度高达 2.0 × 10⁷ cm/s。氧化镓体单晶可以通过多种成本效益高的熔体法大规模生长，具有高质量和大尺寸的优势，极具商业前景。但缺乏 p 型 β-Ga₂O₃ 是制约其技术发展的最大挑战之一。这导致难以设计具有低漏电流、高热稳定性和优异浪涌处理能力的双极型器件。目前研究多集中于单极器件，虽然异质结技术被用于弥补 p 型缺失，但界面问题往往限制了材料特性的完全发挥。为了在不依赖 p 型氧化镓的前提下发挥其材料潜力，研究团队提出了一种结合光电技术的新型概念，光电导辅助开关（PCAS），其原理有别于传统光导半导体开关（PCCS）。电子控制单元为低压控制开关，其结构可采用 Fin 结构、JFET 或 pn 二极管等形式，用于控制整个 PCAS 晶体管的导通与截止。当 PCAS 导通时，光控制单元将协同低压控制开关进一步开启。该单元需采用沟槽结构，有助于光线更易穿透耗尽区并产生光致载流子。耐压单元由 Ga₂O₃ 外延层与衬底构成，高电阻衬底能借助 Ga₂O₃ 卓越的材料特性增强外延层耐压能力，从而充分发挥 β-Ga₂O₃ 的潜在性能。

        本研究提出一种基于 β-Ga₂O₃ 的光电技术，开发出光导辅助开关（PCAS）器件。该器件通过低掺杂外延层与衬底，在关断状态下实现千伏级阻断能力；而在导通状态下，光照诱导光导效应（光导调制）快速产生空穴对，降低导通电阻并实现大导通电流。通过 Silvaco TCAD 仿真验证了该 PCAS 的工作原理，结果显示其开关比超过 3 个数量级。这充分展现了 β-Ga₂O₃ 技术在先进电力系统中的巨大应用潜力。

        •该结构巧妙地规避了 p 型掺杂缺失和异质结界面不理想这两大障碍，在不依赖 p 型氧化镓的情况下实现了高性能应用。

        •实现了在关断时阻断数万伏高压，而在开启时产生大能量脉冲电流的能力。

        •展示了 β-Ga₂O₃ 技术在先进电力系统中的巨大应用潜力。

        本研究提出了一种基于 β-Ga₂O₃ 的光电集成技术，并开发出光导辅助开关（PCAS）器件。该器件通过低掺杂外延层与衬底，在关断状态下实现千伏级阻断能力；而在导通状态下，光照诱导光导效应（光导调制）快速产生空穴对，降低导通电阻并实现大导通电流。Silvaco 仿真结果验证了该 PCAS 的运作原理与可行性，凸显了 β-Ga₂O₃ 技术在先进电力系统中的巨大潜力。

图1. 提出的 β-Ga₂O₃ PCAS 的示意性横截面图。

图2. 提出的 β-Ga₂O₃ 光致电容耦合器等效示意图。

图3. 关断状态下 FinFET 在 650 V 电压下的电场分布。

图4. Silvaco TCAD 对 FinFET 的 PCAS 模拟结果。（a）暗态关断电流密度。（b）1W/cm² 光照强度下的导通电流密度。

图5. β-Ga₂O₃ MOSFET的光学图像。

DOI：

doi.org/10.1109/SSLCHINAIFWS69008.2025.11315036