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面向高功率微波源的Fe-β-Ga2O3光电导半导体器件输出特性测试
Test on the Output Characteristics of Fe-β-Ga2O3 Photoconductive Semiconductor Device Toward High-Power Microwave Sources
| 作者 | Tianjiao Shen · Langning Wang · Ting He · Li'Ao Yang · Jingming Gao · Tao Xun |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年5月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能变流器PCS |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | Fe-β-Ga2O3光导半导体器件 输出特性 激光照射 光响应度 优化 |
语言:
中文摘要
我们聚焦于用于高功率微波源应用的 Fe - β - Ga₂O₃ 光电导半导体器件（PCSD）。我们测试并分析了该器件的输出特性，包括其暗态电阻（10¹³ Ω）、暗态耐压（31.6 kV）、光电导输出和高频响应。当受到半高宽（FWHM）均为 10 ns 的 532 nm 和 1064 nm 单脉冲激光照射时，Fe - β - Ga₂O₃ 光电导半导体器件以线性模式工作。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。在基宽为 30 ns、调制频率在 0.4 至 1.2 GHz 不同范围内的 532 nm 连续激光脉冲照射下，Fe - β - Ga₂O₃ 光电导半导体器件的调制深度高于 90%。为进一步提高光响应度，我们对内部和外部量子效率进行了基于仿真的优化。结果，光响应度分别提高了 6.97 倍和 2.69 倍。
English Abstract
We focus on the Fe- -Ga2O3 photoconductive semiconductor device (PCSD) for high-power microwave source applications. We tested and analyzed the output characteristics of this device, including its dark-state resistance ( 10^13 ) , dark-state withstand voltage (31.6 kV), photoconductive output, and high-frequency response. When irradiated by single-pulse lasers at 532 and 1064 nm, both with a full-width at half-maximum (FWHM) of 10 ns, the Fe- -Ga2O3 PCSD operates in a linear mode. The peak voltage output under 532 nm laser irradiation is 18 times that under 1064-nm laser irradiation. However, its photoresponsivity is relatively low, with the highest value only reaching the order of 10^-7 A/W. Under the irradiation of 532 nm continuous laser pulses with a base width of 30 ns at different modulation frequencies ranging from 0.4 to 1.2 GHz, the modulation depth of the Fe- -Ga2O3 PCSD is above 90%. To further enhance the photoresponsivity, we carried out simulation-based optimizations on internal and external quantum efficiency. As a result, the photoresponsivity was increased by 6.97 times and 2.69 times, respectively.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项Fe-β-Ga2O3光导半导体器件研究虽然主要面向高功率微波源应用，但其核心技术特性对我们在光伏逆变器和储能系统中的功率半导体器件应用具有一定参考价值。
该器件展现出的超高暗态电阻（10¹³Ω）和31.6kV耐压能力，反映了β-Ga2O3材料在宽禁带半导体领域的潜力。对于阳光电源而言，宽禁带半导体技术是提升逆变器效率和功率密度的关键方向。然而，该研究暴露的光响应度偏低（仅10⁻⁷ A/W量级）问题，说明Ga2O3材料在光电转换应用上仍需大幅优化，这与我们光伏逆变器对高效光电转换的需求存在较大差距。
值得关注的是器件在0.4-1.2 GHz频段保持90%以上调制深度的高频响应特性。这一特性对我们储能系统中的高频开关电源和功率变换器设计具有启发意义，可能有助于提升系统的动态响应速度和控制精度。
从技术成熟度评估，该研究仍处于实验室阶段，距离商业化应用尚远。主要挑战包括：光响应度需提升数个数量级才能满足实际应用需求；材料制备工艺的稳定性和成本控制；以及从微波源应用向功率电子应用的技术迁移难度。
对阳光电源的战略意义在于，持续跟踪Ga2O3等新型宽禁带半导体材料的发展动态，评估其在未来高压大功率逆变器和储能变流器中替代现有SiC/GaN器件的可能性。建议保持技术观察，待材料性能和工艺成熟后再考虑深度合作或技术引进。