Influence of laser spot energy distribution on the on-state performance of GaN-based photoconductive switches
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摘要: 光斑是影响光导开关导通特性的重要因素之一。探索了激光能量分布对光导开关输出特性的影响，分别采用高斯光和平顶光对同一GaN光导开关导通特性进行了对比测试。结果表明，由于平顶光具有更均匀的能量分布，相比于高斯光触发，在相同外加偏置电压（800 V）下，电压转换效率提升了6.8%。在激光能量为500 μJ时的平顶光触发下进行了加压测试，最大峰值输出电压为
4550 V，此时输出功率达到414 kW，上升时间为420 ps，下降时间为5 ns，导通电阻为13.7 Ω。Abstract: The beam spot is one of the important factors affecting the on-state performance of photoconductive switches. The on-state performance of the GaN photoconductive switch has been tested under the triggering of Gaussian beam and flat-top beam. As the energy uniformity of flat-top beam is better than that of Gaussian beam, the results show that the voltage conversion efficiency is increased by 6.8% under the same applied bias voltage (800 V), Triggered by flat-top beam at a laser energy of 500 μJ, GaN PCSS shows a maximum peak output voltage of4550 V, at the same time the output power reaches 414 kW and the conduction is 13.7 Ω. The output waveform has a rise time of 420 ps and a fall time of 5 ns.-
Key words:
- photoconductive semiconductor switch /
- GaN /
- flat-top beam /
- Gaussian beam /
- on-state performance
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光导开关（PCSS）因其独特的优势，如极低的抖动、极快的响应速度、高重复频率、高同步精度、高功率密度、良好的光电隔离性、高耐压和大功率容量等特性，使其在脉冲电源和高功率微波系统等领域中具有广阔的应用前景[1-6]。随着半导体材料的快速发展，具有宽带隙、高载流子迁移率的氮化镓（GaN）等第三代半导体材料在光导开关领域表现出更优异的耐压特性，与第一代半导体材料硅（Si）、第二代半导体材料砷化镓（GaAs）相比，GaN具有更宽的禁带宽度（3.39 eV）、更高的临界击穿电场（3.3 MV/cm）和更大的饱和电子迁移速率（2.5×107 cm/s），理论上能够承受更高的工作电压，适用于高温、高频和高功率的应用场景，因此是制备大功率PCSS器件的理想材料之一[7-9]。
研究发现，光斑调制对PCSS器件的导通特性有着重要影响。2010年，中国工程物理研究院流体物理研究所研究了光斑照射位置对GaAs PCSS器件导通特性的影响规律，在本征触发和非本征触发的情况下得到了不同的结果。器件在本征触发时，完整覆盖正负电极的光斑照射得到了更高的光电转换效率，而在非本征触发时，光斑位置偏向于阳极附近得到的光电流更大[10]；2024年，国防科技大学研究了光斑尺寸对GaAs PCSS工作模式的影响，通过调整光斑的长度和宽度发现，延长光斑长度可促进开关非线性效应，而增加光斑宽度则可调整光生载流子的空间分布，有助于增强开关线性效应并抑制非线性效应[11]；同年，山东大学通过将光斑整形成更适应电极间隙区域的椭圆形，相较于初始的圆形光斑获得了更低的器件导通电阻和更高的光电转换效率[12]。光斑特性与光导开关的导通特性息息相关，但到目前为止，光斑的能量分布对光导开关的导通特性的影响鲜有研究。
为此，我们制备了同面型GaN基光导开关，电极间隙为3 mm，分别通过脉宽为80 ps的高斯光与平顶光触发，通过高频同轴衰减器获得输出电压信号。结果表明，相比于高斯光，能量分布均匀的平顶光触发下的GaN PCSS具有更高的电压转换效率。
1. 实验准备
1.1 PCSS的制备
PCSS的制备需要使用高电阻率的半绝缘GaN衬底。本文中使用的GaN衬底采用HVPE法生长，并经过碳（C）掺杂，其电阻率超过1.0×1010 Ω·cm。在GaN中，C原子通常取代氮（N）原子的位置，形成所谓的C-N缺陷，进而形成受主中心。由于C的电负性与N相似，C在GaN晶格中能够形成稳定的强共价键；C在GaN中的受主能级较深，通常位于导带以下0.9到1.1 eV处。这些深能级受主能够有效捕获导带中的自由电子，减少自由载流子的浓度，从而显著增加材料的电阻率，使得C掺杂的GaN衬底具备半绝缘特性[13]。
GaN PCSS的结构如图1所示。在PCSS器件的制备工艺中，首先使用RCA标准工艺用于清洗GaN衬底[14]；在GaN衬底表面形成一层六甲基二硅氮烷（HMDS）膜，以改善光刻胶的附着力；使用负性光刻胶旋涂，依次进行前烘、曝光、后烘、显影的工序，并使用氧等离子体清洗机清除表面残胶；通过电子束蒸发在衬底表面依次沉积Ti（20 nm）、Al（120 nm）、Ni（55 nm）、Au（45 nm），最终经剥离工艺获得电极尺寸为3 mm×8 mm、间隙为3 mm的GaN PCSS，并在850 ℃的N2氛围下快速热退火35 s形成欧姆接触[15]。
图 1 GaN PCSS的结构示意图(Ti/Al/Ni/Au：20 nm/120 nm/55 nm /45 nm)Figure 1. Schematic of GaN PCSS device (Ti/Al/Ni/Au: 20 nm/120 nm/55 nm/45 nm)1.2 测试平台
使用波长355 nm，脉宽80 ps，频率500 Hz的激光器作为触发光源，如图2（a）所示。图2（b）为测试电路图，利用高压探头（Tektronix P6015A）探测输入电压，输出电压通过80 dB同轴衰减器（华湘同轴衰减器PE7424-40）接入到带宽为20 GHz的示波器（Tektronix DSA
72004 ）上进行采集和存储。使用激光功率计（索雷博S442C）对激光脉冲能量进行读取。
图 2 激光器脉冲波形图(355 nm、80 ps、500 Hz)及激光触发GaN PCSS的测试电路Figure 2. Pulse width of laser (355 nm, 80 ps, 500 Hz) waveform and circuit diagram of the test-setup for evaluation of the on-state performance of the GaN PCSS2. 实 验
使用光束质量分析仪对高斯光斑进行分析，光斑轮廓及能量分布示意图见图3（a）、图3（b）。在本工作中，高斯光和平顶光尺寸均设为4 mm。采用光阑与扩束镜的搭配，将激光器原始的高斯光转换为平顶光。
图 3 高斯光、平顶光轮廓图及沿y轴的能量分布图Figure 3. Profile images and energy distribution along the y axis of Gaussian beam, falt-top beam为了实现平顶光束，首先，激光器原始的高斯光源经过光阑限制，然后将中心能量密度最高的区域经扩束镜将激光光斑均匀放大，最后再通过光阑获得尺寸为4 mm的平顶光斑。经光束质量分析仪结果如图3（c）、图3（d）所示，可以发现平顶光的能量分布相对均匀。
使用图2（b）所示的光电测试平台进行开关导通特性测试。在相同的输入电压下（800 V），调整激光能量并使用激光功率计进行读取。高斯光和平顶光触发的GaN PCSS输出波形分别为图4（a）和图4（b）。在高斯光斑能量为50 μJ时，输出电压为275 V，此时电压转换效率为34.3%。随着激光能量的增加至400 μJ，输出电压为572 V，电压转换效率基本达到饱和，为71.5%；在平顶光斑能量为50 μJ时，输出电压为308 V，此时电压转换效率为38.5%。平顶光能量达到400 μJ时，电压转换效率基本达到饱和，与高斯激光基本一致，输出电压为619 V，电压转换效率为77.3%，相比于高斯光触发，电压转换效率提升了5.8%。将高斯光和平顶光触发下输出电压随激光能量变化绘制成散点图进行比较，如图4（c）所示，可见激光能量分布相对均匀的平顶光触发下GaN PCSS在不同激光能量下均具有更高的输出电压。500 μJ能量下，高斯光触发的GaN PCSS的电压转换效率为71.3%，平顶光触发下的效率比高斯光提高了6.8%，达到78.1%，波形对比如图4（d）所示。
图 4 800 V充电电压下，不同激光能量的输出电压波形和效率对比，以及500 μJ激光能量下的输出电压波形比较图Figure 4. Output voltage waveform diagrams, efficiency comparison charts at different laser energy levels under an 800 V charging voltage, and a comparative voltage waveform diagram at 500 μJ laser energyGaN PCSS的初始导通电阻计算公式如下
$$ R{\text{ = }}\dfrac{{\left( {{V_1} - {V_2}} \right){R_0}}}{{V{}_2}} $$ (1) 式中：V1和V2分别表示输入电压和输出电压，R0为固定常数50 Ω。计算可得500 μJ平顶光触发下GaN PCSS的导通电阻为13.7 Ω。
在平顶光斑能量500 μJ下，对GaN PCSS进行加压测试。在输入电压1 630 V时，输出电压为1 280 V，上升时间420 ps，下降时间为5 ns，电压转换效率为78.5%。随着输入电压的增加，输出电压最高达4 550 V，最高输出功率达到414 kW，此时电压转换效率为78.4%。由图5可以看出，输入电压从1 630 V增加至5 800 V，电压转换效率未出现明显降低。输入电压5 800 V下，器件仍处于低电场区域，因此我们获得了最高的传输效率和最低的导通电阻[12]。但目前氮化镓光导开关仍受限于材料生长，衬底材料的高位错密度限制了GaN PCSS在更高功率的应用。根据测试结果，目前GaN PCSS的耐压上限为6 000 V。
图 5 相同激光脉冲能量（500 μJ）下的输出电压波形及效率散点图Figure 5. Output voltage waveforms and voltage conversion efficiency scatter plot under same laser pulse energy (500 μJ)另外，由图4（a）、图4（b）、图4（d）及图5中的输出电压波形可以发现波形的下降时间较长且难以回归到基线，这种情况可归因于材料本身的掺杂特性及杂质补偿机制[16]。GaN较低的C掺杂浓度导致衬底材料载流子寿命过长，影响了开关的关断。
3. 结 论
激光能量分布对GaN基光导开关导通特性影响显著。本文通过使用不同空间能量分布的光斑对GaN PCSS进行触发，结果发现，相比于高斯光触发，激光能量分布相对均匀的平顶光触发下GaN PCSS在不同激光能量下均获得更高的电压转换效率，即均匀的激光能量分布对器件导通特性产生了积极影响作用。在相同外加偏置电压（800 V）下，电压转换效率提升了6.8%。对GaN PCSS进行加压测试，最大峰值输出电压为4 550 V，此时输出功率达到414 kW，上升时间为420 ps，下降时间为5 ns，导通电阻为13.7 Ω。我们也在工作中发现，GaN材料的耐压能力远不达理论预期，仍需进一步优化半绝缘GaN体块材料生长工艺，这对于提升GaN PCSS的性能至关重要。未来我们将通过优化掺杂调控材料特性和开展新型器件设计的方式，实现GaN PCSS更高的功率输出水平和工作可靠性。
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图 1 GaN PCSS的结构示意图(Ti/Al/Ni/Au：20 nm/120 nm/55 nm /45 nm)
Figure 1. Schematic of GaN PCSS device (Ti/Al/Ni/Au: 20 nm/120 nm/55 nm/45 nm)
图 2 激光器脉冲波形图(355 nm、80 ps、500 Hz)及激光触发GaN PCSS的测试电路
Figure 2. Pulse width of laser (355 nm, 80 ps, 500 Hz) waveform and circuit diagram of the test-setup for evaluation of the on-state performance of the GaN PCSS
图 3 高斯光、平顶光轮廓图及沿y轴的能量分布图
Figure 3. Profile images and energy distribution along the y axis of Gaussian beam, falt-top beam
图 4 800 V充电电压下，不同激光能量的输出电压波形和效率对比，以及500 μJ激光能量下的输出电压波形比较图
Figure 4. Output voltage waveform diagrams, efficiency comparison charts at different laser energy levels under an 800 V charging voltage, and a comparative voltage waveform diagram at 500 μJ laser energy
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[1] Bora M, Voss L F, Grivickas P V, et al. A total internal reflection photoconductive switch[J]. IEEE Electron Device Letters, 2019, 40(5): 734-737. doi: 10.1109/LED.2019.2903926 [2] 施卫, 闫志巾. 雪崩倍增GaAs光电导太赫兹辐射源研究进展[J]. 物理学报, 2015, 64:228702 doi: 10.7498/aps.64.228702Shi Wei, Yan Zhijin. Research progress on avalanche multiplication GaAs photoconductive terahertz emitter[J]. Acta Physic Sinica, 2015, 64: 228702 doi: 10.7498/aps.64.228702 [3] Liu Xiaorong, Li Song. The effect of photoconductive semiconductor materials in improving the resolution of femtosecond streak camera[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, 772: 012060. doi: 10.1088/1757-899X/772/1/012060 [4] 袁建强, 李洪涛, 刘宏伟, 等. 大功率光导开关研究[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(4):791-794 doi: 10.3788/HPLPB20102204.0791Yuan Jianqiang, Li Hongtao, Liu Hongwei, et al. Study on high-power photoconductive semiconductor switches[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2010, 22(4): 791-794 doi: 10.3788/HPLPB20102204.0791 [5] Wang Langning, Jia Yongsheng, Liu Jinliang. Photoconductive semiconductor switch-based triggering with 1 ns jitter for trigatron[J]. Matter and Radiation at Extremes, 2018, 3(5): 256-260. doi: 10.1016/j.mre.2017.12.006 [6] Luan Chongbiao, Li Hongtao. Influence of hot-carriers on the on-state resistance in Si and GaAs photoconductive semiconductor switches working at long pulse width[J]. Chinese Physics Letters, 2020, 37: 044203. doi: 10.1088/0256-307X/37/4/044203 [7] Rais-Zadeh M, Gokhale V J, Ansari A, et al. Gallium nitride as an electromechanical material[J]. Journal of Microelectromechanical Systems, 2014, 23(6): 1252-1271. doi: 10.1109/JMEMS.2014.2352617 [8] Mauch D, Dickens J, Kuryatkov V, et al. Evaluation of GaN: Fe as a high voltage photoconductive semiconductor switch for pulsed power applications[C]//Proceedings of 2015 IEEE Pulsed Power Conference. 2015: 1-4. [9] Yang Xianghong, Yang Yingxiang, Hu Long, et al. The initial test of a micro-joules trigger, picosecond response, vertical GaN PCSS[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2023, 35(2): 69-72. doi: 10.1109/LPT.2022.3222163 [10] 袁建强, 刘宏伟, 刘金锋, 等. 不同形状的光斑触发砷化镓光导开关[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(3):557-560 doi: 10.3788/HPLPB20102203.0557Yuan Jianqiang, Liu Hongwei, Liu Jinfeng, et al. GaAs photoconductive semiconductor switch triggered by laser spots with different profiles[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2010, 22(3): 557-560 doi: 10.3788/HPLPB20102203.0557 [11] Wei Jinhong, Li Song, Chen Hong, et al. Effects of spot size on the operation mode of GaAs photoconductive semiconductor switch employing extrinsic photoconductivity[J]. Plasma Science and Technology, 2024, 26: 055502. doi: 10.1088/2058-6272/ad1194 [12] Sun Xun, Xiao Longfei, Luan Chongbiao, et al. Low ON-resistance and high peak voltage transmission efficiency based on high-purity 4H-SiC photoconductive semiconductor switch[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2024, 39(2): 2013-2019. doi: 10.1109/TPEL.2023.3320124 [13] Richter E, Beyer F C, Zimmermann F, et al. Growth and properties of intentionally carbon-doped GaN layers[J]. Crystal Research and Technology, 2020, 55: 1900129. doi: 10.1002/crat.201900129 [14] Kern W. The evolution of silicon wafer cleaning technology[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1990, 137(6): 1887-1892. doi: 10.1149/1.2086825 [15] Yang Xianghong, Hu Long, Dang Xin, et al. Low specific contact resistivity of 10−3Ω·cm2 for Ti/Al/Ni/Au multilayer metals on SI-GaN: Fe substrate[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2022, 69(10): 5773-5779. doi: 10.1109/TED.2022.3201784 [16] He Ting, Shu Ting, Yang Hanwu, et al. Effect of donor-acceptor compensation on transient performance of vanadium-doped SiC photoconductive switches using 532-nm laser[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2024, 71(7): 4275-4282. doi: 10.1109/TED.2024.3397628 -
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