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基于氮化铝的具有亚带隙响应性和加速关断速度的结型光电导半导体开关
A Junction Photoconductive Semiconductor Switch (J-PCSS) in AlN With Sub-Band Gap Responsivity and Accelerated Turn-Off Speed
| 作者 | Jiahao Dong · Rafael Jaramillo |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年4月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能变流器PCS 宽禁带半导体 SiC器件 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 光电导半导体开关 掺锗AlN 可见光 持续光电导 J - PCSS |
语言:
中文摘要
由超宽带隙氮化铝镓（AlGaN）制成的光电导半导体开关（PCSS）在高功率应用中前景广阔。然而，激发本征光电导性需要深紫外（UV）光，这会影响系统成本和可靠性。在此，我们报道了一种基于掺锗氮化铝（AlN）对亚带隙可见光的非本征光电导响应的光电导半导体开关。在中心波长为 455 nm 的蓝色发光二极管（LED）照射下，当辐照度低至 1 mW/cm² 时，该光电导半导体开关的光电流密度达到 0.9 μA/mm，开关比达到 5 个数量级，光响应度达到 18 A/W。由于持续光电导效应（PPC），光电导半导体开关器件的关断速度通常较慢。我们展示了利用肖特基结控制氮化铝通道内的费米能级来抑制持续光电导效应的方法。采用我们称之为结型光电导半导体开关（J - PCSS）的器件结构，我们实现了器件关断速度的显著提升。这些结果为利用可见光触发的快速开关、高光增益氮化铝镓功率器件的发展铺平了道路。
English Abstract
A photoconductive semiconductor switch (PCSS) made from ultra-wide band gap AlGaN is promising in high power applications. However, stimulating intrinsic photoconductivity requires deep ultraviolet (UV) light, which compromises system cost and reliability. Here we report a PCSS that uses extrinsic photoconductive response to sub-bandgap visible light in Ge-doped AlN. With blue LED (455 nm center wavelength) illumination, and irradiance as low as 1 mW/cm2, the PCSS achieves photocurrent density of 0.9 A/mm, 5 orders-of-magnitude on/off ratio, and optical responsivity of 18 A/W. PCSS devices often suffer from slow turn-off due to persistent photoconductivity (PPC). We demonstrate suppression of PPC using a Schottky junction to control the Fermi energy within the AlN channel. Using this device geometry, that we call a junction-PCSS (J-PCSS), we achieve substantial speed-up of device turn-off. These results pave the way for fast switching and high optical gain AlGaN power devices triggered with visible illumination.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于AlN材料的结型光导半导体开关（J-PCSS）技术具有重要的战略价值。该技术通过Ge掺杂实现了对可见光（455nm蓝光）的亚带隙响应，突破了传统超宽带隙半导体开关必须使用深紫外光触发的限制，这对我们的高功率电力电子系统具有显著意义。
在光伏逆变器和储能变流器领域，快速、可靠的功率开关是核心器件。该技术展现的18 A/W高光学响应率和五个数量级的开关比，意味着可以用低功率LED（仅1 mW/cm²）实现高效触发，大幅降低驱动电路的复杂度和成本。更重要的是，通过肖特基结抑制持续光电导效应（PPC），显著加速了关断速度，这直接解决了光导开关在高频应用中的关键瓶颈。
对于我们的MW级储能系统和大功率逆变器产品，AlN材料的超宽带隙特性（约6.2 eV）能够承受更高的击穿电压和工作温度，有望在高压直流开断、故障保护等场景中替代传统晶闸管或IGBT，提升系统可靠性和功率密度。
然而，该技术仍处于实验室阶段，面临材料制备成本高、器件工艺复杂、大电流密度验证不足等挑战。当前0.9 μA/mm的光电流密度距离实际应用还有数量级差距。建议我们持续跟踪该技术的工程化进展，特别关注其在脉冲功率调制、快速隔离开关等特定场景的应用潜力，适时开展联合研发，为下一代高频高压电力电子系统储备关键技术。