科學(xué)通報 | 超高耐壓(>120 kV cm-1)、亞納秒(<0.5 ns)氮化鋁光電導(dǎo)開關(guān)

中山大學(xué)鄭偉教授團隊在《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證。

光電導(dǎo)開關(guān)(photoconductive semiconductor switch, PCSS)是超寬帶雷達及脈沖功率系統(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波, 適用于特定目標物體的高精度探測. PCSS的響應(yīng)速度與輸出功率是評價其性能的關(guān)鍵指標, 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

本研究使用具有嚴格[002]取向、高結(jié)晶度、宏觀尺度均勻性的AlN單晶進行PCSS的制備, 這為PCSS的高壓耐受性和快速載流子輸運特性提供了結(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, 表明在本實驗的測試條件范圍內(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)的標準高斯脈沖進行了對比, 結(jié)果顯示兩者高度吻合, 輸出信號無明顯展寬, 表明本實驗中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)示意圖及實物圖; (b) 脈沖激光能量為3.02 mJ時, 30~120 kV cm-1偏置電場強度下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的輸出信號進行了多次測試，峰值輸出電壓較低的標準差表明了該PCSS輸出信號的高穩(wěn)定性與重復(fù)性. 同時，本研究進一步構(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度, 可有效增強AlN PCSS的峰值輸出電壓和功率, 這為其在實際脈沖功率系統(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, 上升時間與傅里葉變換后的頻譜寬度呈負相關(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, 其性能仍存在進一步提升空間. 在最大工作電場強度方面, AlN PCSS可穩(wěn)定工作于120 kV cm-1的偏置電場強度下, 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. 實驗結(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的峰值輸出電壓標準差較低, 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的偏置電場強度下工作, 且輸出峰值電壓與功率均隨偏置電場強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.

轉(zhuǎn)載、投稿請留言

| 關(guān)注科學(xué)通報 | 了解科學(xué)前沿