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

中山大學鄭偉教授團隊在《科學通報》發表研究性論文，在國際上首次報道了基于氮化鋁體單晶的超高壓光電導開關，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，其科學價值與應用前景得到突破性驗證。

光電導開關(photoconductive semiconductor switch, PCSS)是超寬帶雷達及脈沖功率系統等的關鍵器件. 如圖1(a)所示, 激光激發的PCSS可輸出超快大功率電信號,經處理后轉化為高分辨率、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的響應速度與輸出功率是評價其性能的關鍵指標, 二者直接受半導體材料物理特性的制約.圖1(b)展示了常見半導體材料的關鍵參數,其中氮化鋁(AlN)表現出最寬的帶隙(~6.2 eV)、超高擊穿場強及高導熱率.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) 光電半導體開關的應用場景; (b) AlN與常見半導體材料的物理特性對比

本研究使用具有嚴格[002]取向、高結晶度、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構基礎. 本研究所使用的測試系統及器件實物圖如圖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, AlN PCSS的響應速度結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輸出信號的響應時間主要受到觸發光源的限制. 由于AlN PCSS的輸出信號為入射光脈沖信號與AlN PCSS沖擊響應的卷積, 輸出信號無明顯展寬時, 器件的實際上升時間應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的信號在經過傅里葉變換后所得到的結果. 結果顯示，在Hz~GHz頻率范圍內, 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在高頻信號產生與應用領域的巨大潛力.

圖2(a) AlN PCSS的測試系統示意圖及實物圖; (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輸出信號的高穩定性與重復性. 同時，本研究進一步構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同影響. 結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關系, 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中的高功率輸出應用提供了理論依據與調控策略.

為深入評估AlN PCSS的性能優勢, 本研究將AlN PCSS的響應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, 對比結果如圖3所示. 響應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, 更短的上升時間對應著更寬的頻譜范圍, 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, 明顯優于對比器件, 由于本研究中器件響應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可穩定工作于120 kV cm-1的偏置電場強度下, 該參數與器件單位電極間距下的理論最大輸出電壓相關. 對比結果顯示, 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出顯著優勢. 這一特性表明AlN PCSS在高功率脈沖輸出領域具有突出的應用潛力.

圖3基于AlN和其他常見半導體材料的PCSS的上升時間與工作電場強度對比

總的來說，本研究基于高質量的AlN單晶制作了具有異面錯位電極結構的PCSS. 采用紫外脈沖激光作為觸發光源, 系統地測試了AlN PCSS的動態響應特性與輸出性能. 實驗結果表明, 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中的巨大應用潛力. 當前器件的峰值輸出電壓及峰值輸出功率仍存在優化空間, 后續研究中可優化器件結構以改善器件內部電場分布, 同時更換脈沖激光源或優化光斑聚焦方案, 以進一步提高受觸發時AlN PCSS內部的載流子密度, 降低其導通電阻, 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)氮化鋁光電導開關. 科學通報, 2025.

DOI:10.1360/CSB-2025-5146.

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

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