【国际论文】APL丨美国伊利诺伊大学：电极几何形状和亚带隙激发对β-Ga₂O₃光导半导体开关的影响

        由美国伊利诺伊大学芝加哥分校、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Effects of electrode geometry and sub-bandgap excitation in β-Ga₂O₃ photoconductive semiconductor switches（电极几何形状和亚带隙激发对 β-Ga₂O₃ 光导半导体开关的影响）的文章。

        光导半导体开关依靠光信号调控半导体电导率，能够规避高压功率单元向低压控制电路的信号回灌问题，在脉冲功率系统、光控固态断路器、电磁发射装置等大功率场景具备核心应用价值。超宽禁带 β-Ga₂O₃ 拥有极高临界击穿电场，可实现器件小型化与高压工作，铁掺杂半绝缘 β-Ga₂O₃ 衬底是制备光导开关的理想基底材料。现有 β-Ga₂O₃ 光导开关多采用本征带隙紫外光激发，光子仅在材料近表面被吸收，光生载流子易发生表面复合，大幅降低载流收集效率；同时电极栅距几何结构缺少系统性优化，栅宽过窄会降低透光面积，栅距过大则削弱边缘 fringe 电场，二者无法兼顾高光电流与低导通电阻。目前相关研究仅单独讨论激发波长或电极结构单一变量，缺少电极尺寸与亚带隙光协同优化方案，也未建立统一的响应-电导优值量化评价标准，难以指导高性能大功率光导开关器件设计。

        该团队通过同步优化电极几何结构与光激发波长，提升铁掺杂 β-Ga₂O₃ 光导半导体开关（PCSS）的光电开关性能。系统调控 20–80 μm 阳极栅距与 235–500 nm 激发光谱后，确定以 272 nm 为中心的亚带隙特征波段，该波段可激活深能级缺陷并实现体内高效载流输运。常规带隙以上激发仅在材料浅层吸光，而亚带隙光照可大幅提升光生载流子生成量与收集效率。栅距 40 μm 的最优器件峰值光电流可达 4.14 A，导通电阻低至 10.4 Ω。为综合评价器件性能，本文定义响应-电导优值 FoM_RC，该器件优值可达 4.7 ×10⁻⁶ S/W。研究证明，同步优化电极结构与亚带隙激发可使铁掺杂 β-Ga₂O₃ 实现安级光电流与低导通电阻，在下一代大功率光控开关领域具备巨大应用潜力。

        同步优化阳极栅电极尺寸与亚带隙激发波长，改善铁掺杂 β-Ga₂O₃ 光导开关性能。

        发现 272 nm 亚带隙激发窗口，可通过铁相关深能级缺陷实现体内高效载流子产生。

        提出全新响应-电导优值 FoM_RC，用于统一量化光导开关综合性能。

        栅距 40 μm 最优器件实现 4.14 A 峰值光电流，导通电阻低至 10.4 Ω。

        综上，该研究证实，同步优化兼具透光窗口与电场调控作用的阳极栅距以及激发波长，能够显著提升铁掺杂 β-Ga₂O₃ 光导半导体开关的光控开关性能。272 nm 激发、40 μm 栅距的最优结构可最大化体内载流子生成与收集效率，器件峰值光电流 4.14 A、导通电阻 10.4 Ω，响应-电导优值 FoM_RC 达 4.7 ×10⁻⁶ S/W，刷新超宽禁带光开关性能基准。当激发波长偏离 272 nm 最优波段时，要么透光率升高、要么光生载流子仅局限于材料表层，载流收集效率下降，器件性能同步衰减。综合实验结果表明，铁掺杂 β-Ga₂O₃ 是低成本、高性能下一代大功率光控开关核心材料，相比现有超宽禁带光导器件拥有更优异的电导与光电转换综合性能。