【会员论文】APL丨355 nm亚带隙激发实现83.9%转换效率，深圳平湖实验室张道华院士团队揭示Fe掺杂氧化镓光电导开关载流子动力学

        由深圳平湖实验室张道华院士联合山东大学肖龙飞教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Fe-Doped β-Ga₂O₃ Photoconductive Switches with High Conversion Efficiency and Fast Rise Time under Sub-Bandgap Excitation（亚带隙激发下具有高转换效率与快上升时间的 Fe-掺杂 β-Ga₂O₃ 光电导开关）的文章。

        光电导半导体开关（PCSS）是下一代脉冲功率系统的核心器件，具备光电隔离、超快触发、系统易集成等突出优势。β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，禁带宽度约为 4.8 eV，理论击穿场强可达 8 MV/cm，是高压大功率光电导开关极具潜力的候选材料，大尺寸熔体法单晶衬底进一步推动该材料工程化发展。

        传统 SiC、GaN 宽禁带半导体可采用带间光激发产生光载流子实现开关工作。但 β-Ga₂O₃ 的本征带间激发需要深紫外光源，存在成本高、输出功率受限的问题，制约器件实际应用。Fe 掺杂不仅可以补偿残余载流子实现半绝缘特性，还可引入深受主能级，支持亚带隙光触发起开关作用。

        然而 Fe-掺杂 β-Ga₂O₃ 在亚带隙激发下的载流子动力学尚不清晰，尤其高注入、高电场工况下缺陷参与的光电响应机制缺少系统研究；同时高光激发条件下热效应带来器件退化风险，需要实验探明器件性能边界，为高性能 β-Ga₂O₃ 光电导开关的器件设计提供依据。

        β-Ga₂O₃ 光电导半导体开关（PCSS）在大功率光控开关领域具备巨大应用前景，但亚带隙激发条件下的载流子动力学尚未得到充分阐释，高注入、高电场工况下的相关机制尤其模糊。本文系统研究了 355 nm 亚带隙激发下 Fe-掺杂 β-Ga₂O₃ 光电导开关的载流子行为。该器件电压转换效率高达 83.9 %，通态电阻低至 9.6 Ω，同时可保持约 250 ps 的快上升时间。进一步分析表明，高激发条件下热效应成为制约器件性能进一步提升的主要因素。本研究有助于理解 β-Ga₂O₃ 中缺陷介导的载流子动力学，也凸显该材料在亚带隙激发条件下实现高效率、高速光电导开关的应用潜力。

        ① 制备垂直结构 Fe-掺杂 β-Ga₂O₃ 光电导开关，采用栅网顶电极加反射底电极构型，实现高效体相载流子产生与高电场工作；器件可承受耐压大于11KV，关态电阻可达 ~43 GΩ。

        ② 在 355 nm 亚带隙激光激发下获得 83.9 % 的高电压转换效率，通态电阻低至 9.6 Ω，同时维持 ~250 ps 的快上升时间；上升时间几乎不随激发光能量变化。

        ③ 揭示器件弛豫存在快慢双阶段衰减行为：慢衰减分量随激发光能量显著变长，来源于陷阱俘获-再释放效应，阐明缺陷态对瞬态开关响应的调控机制。

        ④ 证实高光注入下电极金属熔融迁移、热累积会造成器件不可逆损伤，明确热效应是限制该类器件性能上限的关键瓶颈。

        ⑤ 开展不同电场下低注入特性测试，分析转换效率、通态电阻随电场的演变规律，为亚带隙触发 β-Ga₂O₃ 光电导开关的工程化设计提供实验依据。

        综上，本文系统研究了 355 nm 亚带隙激发下 Fe-掺杂 β-Ga₂O₃ 光电导半导体开关的缺陷调控型载流子动力学。该器件实现高达 83.9 % 的电压转换效率以及约 250 ps 的快上升时间，证明掺杂调控 β-Ga₂O₃ 体系中缺陷辅助光电导效应可用于高性能开关器件。上升时间以及初始快衰减时间受激发条件影响较小，而后续慢衰减时间强烈受参与载流子俘获与延迟释放过程的缺陷态影响。失效分析进一步证实，热管理是制约 β-Ga₂O₃ 光电导开关性能进一步提升的关键瓶颈。该研究加深了对超宽禁带半导体亚带隙载流子动力学的理解，为高效率、高速光控开关的器件设计提供指导。

        本研究得到深圳平湖实验室项目（Grant No. 225190、925060）资助。

图 1 Fe-掺杂 β-Ga₂O₃ 单晶衬底：(a) (020) 摇摆曲线，FWHM 为 18.2 arcsec，插图为 XRD 2θ 扫描，显示单一 (020) 衍射峰；(b) Fe-掺杂 β-Ga₂O₃ 衬底的光吸收系数谱，吸收边红移至约 350 nm，标注本研究使用的 355 nm 激发波长；插图示意 Fe-掺杂 β-Ga₂O₃ 中涉及的尾态。

图 2 (a) 带有栅网顶电极与反射底接触的垂直结构 Fe-掺杂 β-Ga₂O₃ 光电导开关示意图；(b) 脉冲激光激发下光电导开关测试装置；(c) 置于氟化油中测试的关态耐压测试，最高耐压 11 kV 未发生击穿；(d) 半对数坐标暗态电流-电压曲线，2000 V 下漏电流为 47 nA，关态电阻为 43 GΩ。

图 3 在约 40 kV/cm 电场下，不同脉冲能量 355 nm 激发得到 Fe-掺杂 β-Ga₂O₃ 光电导开关瞬态输出电压波形；(b) 电压转换效率随激发能量变化曲线，提取得到峰值效率约 83.9 %，通态电阻 9.6 Ω；(c) 归一化输出电压波形，体现随激发能量升高衰减动力学的演变；(d) 上升时间与下降时间随激发能量的变化，上升时间基本维持在约 250 ps，高激发条件下下降时间显著增大。

图 4 (a) 高光激发后栅网电极区域 SEM 图像，圆形虚线标记局部烧蚀损伤区域；(b)-(d) 损伤区域 EDS 元素面分布：(b) Ti 元素在烧蚀区域分布相对连续；(c) Ni、(d) Ag 层发生明显团聚形成孤立团簇，共存于损伤区，表明过高的局部加热引发金属熔融。

图 5 (a) 低注入条件（约 0.15 mJ）不同电场（40-256 kV/cm）下瞬态输出电压波形；(b) 电压转换效率以及通态电阻随外加电场变化；(c) 上升时间与下降时间随电场的变化。

图 6 355 nm 亚带隙激发条件下 Fe-掺杂 β-Ga₂O₃ 内部缺陷介导光电导过程示意图。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0344550