国防科技大学光导微波团队---Fe掺杂β-Ga₂O₃光导半导体器件针对高功率微波源输出特性的研究

由国防科技大学光导微波团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 Test on the Output Characteristics of Fe-β-Ga₂O₃ Photoconductive Semiconductor Device Toward High-Power Microwave Sources（Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 光导半导体器件针对高功率微波源输出特性的研究）的文章。

1. 项目支持

本研究部分由国家自然科学基金委员会重点项目（项目编号：62434010）资助，部分由国家自然科学基金委员会（项目编号：62101577）资助，部分由湖南省自然科学基金（项目编号：2025JJ20065）资助。

2. 背景

光电导半导体器件（PCSD）是一种通过激光调控导通/关断状态的高功率开关，具有光电隔离、响应快、承压高等优点，广泛应用于脉冲功率、超快电子学及高功率微波源。理想的 PCSD 材料应具备高暗电阻、高载流子迁移率、长载流子寿命、高击穿场强和良好的热性能。β-氧化镓（β-Ga₂O₃）作为一种新兴的超宽禁带材料（带隙约 4.9 eV，击穿场强约 8 MV/cm），其宽带隙带来了极高的暗电阻率和击穿电压，这对于要求器件在关断状态下承受极高偏压的 HPM 应用至关重要。在 β-Ga₂O₃ 中掺杂铁（Fe）会形成深受主能级，能有效补偿材料中无意的浅施主，从而获得具有极高电阻率的半绝缘特性，进一步增强了器件的关断态性能。

3. 主要内容

研究团队专注于 Fe-β-Ga₂O₃ 光导半导体器件（PCSD）在高功率微波源应用中的研究，对该器件的输出特性进行了测试与分析，包括暗态电阻（10¹³Ω）、暗态击穿电压（31.6 kV）、光导输出及高频响应。当受到 532 nm 和 1064 nm 单脉冲激光照射（两者均具有 10 ns 的全宽半高值（FWHM））时，Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 以线性模式工作。在 532 nm 激光照射下的峰值电压输出是 1064 nm 激光照射下的 18 倍。然而，其光响应度相对较低，最高值仅达到 10^-7 A/W量级。在 532 nm 连续激光脉冲（基宽 30 ns）照射下，当调制频率在 0.4 至 1.2 GHz 范围内变化时，Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 的调制深度均高于 90 %。为了进一步提升光响应度，对内部和外部量子效率进行了基于模拟的优化。结果显示，光响应度分别提高了 6.97 倍和 2.69 倍。

4. 创新点

• 对 Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 光电导器件专门面向高功率微波源应用的输出特性进行详细测试。

• 系统地分析了与 HPM 应用相关的关键性能指标，包括暗态特性、单脉冲线性工作模式、不同波下的响应对比，以及与频率相关的调制深度。

• 证明该器件在亚带隙光照（532/1064 nm）下仍能发生非本征吸收光响应，归因于 Fe²⁺/Fe³⁺ 离子能级转换。

5. 总结

设计并测试了垂直电极配置的 Fe-β-Ga₂O₃ 光控半导体断路器（PCSD）器件，以评估其输出性能。

1）由于氧化镓的宽带隙特性，Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 暗态击穿电压为31.6kV。器件三联点的场强集中效应导致电极边缘发生体击穿。

2）基于单脉冲测试结果，建立了描述器件内部迁移率和光生载流子浓度与电场和激光能量之间关系的模型。该模型证实了在 1064 nm 和 532 nm 激光触发下，器件的单光子线性吸收行为。

3）此外，该器件在 1.2 GHz 的微波下表现出超过 90% 的调制深度。

在未来，研究团队考虑使用更短波长的激光来测试器件的光电响应，并着重优化 Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 的掺杂浓度和反射光路，从而为实现 Fe-β-Ga₂O₃ PCSD 更高的输出功率和更高的响应频率奠定基础。

图 1. 垂直正入射 Fe-β-Ga₂O₃ PCSD的结构。

图2. 激光辐照测试链路图及 1.2GHz 频率响应结果图

DOI:

doi.org/10.1109/TED.2025.3568381

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号