【国际论文】美国DARPA再启新项目：β-Ga₂O₃光导辅助高压开关冲刺十GW级脉冲应用

        最近几周，圈内传出一个消息：美国方面在U.S. Department of Energy组织下，正在酝酿新一轮项目布局，周期大致是 2027–2030 年，重点方向之一就是第四代半导体材料——氧化镓和金刚石，目标是冲刺十 GW 量级的超高压脉冲能量电源控制。

        在相关方案中，一个比较重要的器件方向，是万伏千安级别的氧化镓光导辅助开关器件 PCAS。原因其实也不复杂：在能够承受几万伏高压的宽禁带材料体系里，金刚石性能很好，但成本高、尺寸受限；相比之下，氧化镓更便宜、衬底尺寸也更大，因此成为更现实的选择。

        那为什么要做光导辅助开关 PCAS，而不是传统的光导开关 PCSS？

        这里涉及材料体系的差异。第一代光导开关大多基于硅或者 GaAs 材料，这些材料临界内部电场强度虽然不高，但材料成熟、缺陷密度低，拖尾暗电流和漏电问题相对可控，因此简单的光导电阻结构也能工作得比较稳定。

        但到了超宽禁带材料体系情况就不一样了。如果继续沿用传统 PCSS 的简单结构，在氧化镓这类材料上，拖尾漏电问题会非常严重，往往打不了几个脉冲器件就可能烧掉。因此需要通过结构设计进行辅助控制，形成光导辅助开关（PCAS）结构，以抑制拖尾漏电并提高器件稳定性。

        说起来也有点巧。笔者十多年前上学的时候，曾经听过关于硅光导触发开关器件的课程，当时印象很深。后来在 2023 年刚开始接触氧化镓功率开关器件项目时，发现虽然衬底质量不错，但厚外延并不好做，也很难买到能够承受高压的垂直外延片，于是就想到一个思路：能不能直接利用高阻衬底，做一个光导辅助结构的开关器件试试。

        当时的想法其实很简单，就是想做一个超高压开关器件，看能不能在某些场景下替代高压电网中部分氧化锌镁堆柱结构。这个方向本身市场不算大，感兴趣的人也不算多。

        但到了 2024 年底，又看到美国能源部发布的一批项目，目标正是做万伏千安级的氧化镓光导开关，并且提出需要结合可关断拖尾漏电的保护结构设计，这个思路其实和现在说的 PCAS 结构已经非常接近了。

        最近又听说，氧化镓万伏千安 PCAS 在美国那边突然变得比较火。国内今年春节期间听到这个消息之后，从元旦到开年，各地也开始密集出现第四代半导体相关项目提案，其中不少都涉及氧化镓材料和器件方向。

        这种情况，其实十年前 SiC 也经历过一次。氧化镓材料和器件，或许也正在进入一个新的研究升温阶段。