中山大學(xué)鄭偉教授團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報》發(fā)表研究性論文，在國際上首次報道了基于氮化鋁體單晶的超高壓光電導(dǎo)開關(guān)，器件工作電壓突破1.2萬伏，顯著超越當(dāng)前碳化硅、氮化鎵、金剛石同類器件的已報道耐壓極限，為超大功率寬譜微波輸出領(lǐng)域提供了具備顛覆性潛力的氮化鋁基核心器件方案，其科學(xué)價值與應(yīng)用前景得到突破性驗(yàn)證。

光電導(dǎo)開關(guān)(photoconductive semiconductor switch, PCSS)是超寬帶雷達(dá)及脈沖功率系統(tǒng)等的關(guān)鍵器件. 如圖1(a)所示, 激光激發(fā)的PCSS可輸出超快大功率電信號,經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為高分辨率、高信噪比的寬帶雷達(dá)波, 適用于特定目標(biāo)物體的高精度探測. PCSS的響應(yīng)速度與輸出功率是評價其性能的關(guān)鍵指標(biāo), 二者直接受半導(dǎo)體材料物理特性的制約.圖1(b)展示了常見半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵參數(shù),其中氮化鋁(AlN)表現(xiàn)出最寬的帶隙(~6.2 eV)、超高擊穿場強(qiáng)及高導(dǎo)熱率.這些特性使AlN基PCSS具備在高偏置電場下工作的潛力, 從而輸出快速大功率信號.

圖1(a) 光電半導(dǎo)體開關(guān)的應(yīng)用場景; (b) AlN與常見半導(dǎo)體材料的物理特性對比

本研究使用具有嚴(yán)格[002]取向、高結(jié)晶度、宏觀尺度均勻性的AlN單晶進(jìn)行PCSS的制備, 這為PCSS的高壓耐受性和快速載流子輸運(yùn)特性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ). 本研究所使用的測試系統(tǒng)及器件實(shí)物圖如圖2(a)所示. 圖2(b)展示了脈沖激光能量為3.02 mJ時, 偏置電場強(qiáng)度由30 kV cm-1增加到120 kV cm-1時AlN PCSS的輸出信號. 不同偏置電壓下PCSS的歸一化輸出信號曲線高度一致, 表明在本實(shí)驗(yàn)的測試條件范圍內(nèi), AlN PCSS的響應(yīng)速度結(jié)果不受偏置電場強(qiáng)度變化的影響. 圖2(c)將AlN PCSS的輸出信號與半高寬為6 ns(即輸入脈沖激光半高寬)的標(biāo)準(zhǔn)高斯脈沖進(jìn)行了對比, 結(jié)果顯示兩者高度吻合, 輸出信號無明顯展寬, 表明本實(shí)驗(yàn)中AlN PCSS輸出信號的響應(yīng)時間主要受到觸發(fā)光源的限制. 由于AlN PCSS的輸出信號為入射光脈沖信號與AlN PCSS沖擊響應(yīng)的卷積, 輸出信號無明顯展寬時, 器件的實(shí)際上升時間應(yīng)低于輸入信號上升時間的1/5, 即0.5 ns. 圖2(d)展示了上升時間為0.5 ns的信號在經(jīng)過傅里葉變換后所得到的結(jié)果. 結(jié)果顯示，在Hz~GHz頻率范圍內(nèi), 上升時間為0.5 ns的信號具有明顯的強(qiáng)度, 這充分反映了AlN PCSS在高頻信號產(chǎn)生與應(yīng)用領(lǐng)域的巨大潛力.

圖2(a) AlN PCSS的測試系統(tǒng)示意圖及實(shí)物圖; (b) 脈沖激光能量為3.02 mJ時, 30~120 kV cm-1偏置電場強(qiáng)度下AlN PCSS的輸出信號; (c) AlN PCSS輸出信號與輸入脈沖激光信號對比; (d) 上升時間為0.5 ns信號的傅里葉變換結(jié)果

此外，本研究在相同工作情況下，對PCSS的輸出信號進(jìn)行了多次測試，峰值輸出電壓較低的標(biāo)準(zhǔn)差表明了該P(yáng)CSS輸出信號的高穩(wěn)定性與重復(fù)性. 同時，本研究進(jìn)一步構(gòu)建峰值輸出電壓等位線圖, 以研究脈沖激光能量與偏置電場強(qiáng)度對AlN PCSS峰值輸出電壓和峰值輸出功率的協(xié)同影響. 結(jié)果表明峰值輸出電壓和峰值輸出功率都與脈沖激光能量、偏置電場強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系, 即通過提升脈沖激光能量與偏置電場強(qiáng)度, 可有效增強(qiáng)AlN PCSS的峰值輸出電壓和功率, 這為其在實(shí)際脈沖功率系統(tǒng)中的高功率輸出應(yīng)用提供了理論依據(jù)與調(diào)控策略.

為深入評估AlN PCSS的性能優(yōu)勢, 本研究將AlN PCSS的響應(yīng)時間與最大工作電場強(qiáng)度同基于砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)及金剛石(diamond)等材料的PCSS進(jìn)行對比, 對比結(jié)果如圖3所示. 響應(yīng)速度以信號上升時間為量化指標(biāo), 上升時間與傅里葉變換后的頻譜寬度呈負(fù)相關(guān), 更短的上升時間對應(yīng)著更寬的頻譜范圍, 直接反映了器件輸出寬譜信號的能力. 從圖中可以看出, AlN PCSS具有短至亞納秒的上升時間, 明顯優(yōu)于對比器件, 由于本研究中器件響應(yīng)速度主要受制于激光源的上升時間, 其性能仍存在進(jìn)一步提升空間. 在最大工作電場強(qiáng)度方面, AlN PCSS可穩(wěn)定工作于120 kV cm-1的偏置電場強(qiáng)度下, 該參數(shù)與器件單位電極間距下的理論最大輸出電壓相關(guān). 對比結(jié)果顯示, 相較于基于其他材料的PCSS, AlN PCSS在最大工作偏置電場耐受性能上表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢. 這一特性表明AlN PCSS在高功率脈沖輸出領(lǐng)域具有突出的應(yīng)用潛力.

圖3基于AlN和其他常見半導(dǎo)體材料的PCSS的上升時間與工作電場強(qiáng)度對比

總的來說，本研究基于高質(zhì)量的AlN單晶制作了具有異面錯位電極結(jié)構(gòu)的PCSS. 采用紫外脈沖激光作為觸發(fā)光源, 系統(tǒng)地測試了AlN PCSS的動態(tài)響應(yīng)特性與輸出性能. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該器件具有小于0.5 ns的超短上升時間, 表明其在寬譜信號生成領(lǐng)域具有突出潛力. AlN PCSS的峰值輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)差較低, 表明其信號輸出的高穩(wěn)定性. 此外, 該器件最大能夠在120 kV cm-1的偏置電場強(qiáng)度下工作, 且輸出峰值電壓與功率均隨偏置電場強(qiáng)度和脈沖激光能量的增加而增加, 表明其在高功率脈沖系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用潛力. 當(dāng)前器件的峰值輸出電壓及峰值輸出功率仍存在優(yōu)化空間, 后續(xù)研究中可優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)以改善器件內(nèi)部電場分布, 同時更換脈沖激光源或優(yōu)化光斑聚焦方案, 以進(jìn)一步提高受觸發(fā)時AlN PCSS內(nèi)部的載流子密度, 降低其導(dǎo)通電阻, 以獲得更大的峰值輸出電壓及峰值輸出功率.

文章信息

王釗，張利欣，段凱凱，鄭偉。超高耐壓(>120 kV/cm)、亞納秒(< 0.5 ns)氮化鋁光電導(dǎo)開關(guān). 科學(xué)通報, 2025.

DOI:10.1360/CSB-2025-5146.

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-5146.

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