Comparative Study of Lateral and Vertical Beta-Ga2O3 Photoconductive Switches via Intrinsic and Extrinsic Optical Triggering

Resumen Técnico: Estudio Comparativo de Interruptores Fotoconductores de $\beta$-Ga₂O₃ Laterales y Verticales

Planteamiento del Problema
El óxido de galio ($\text{Ga}_2\text{O}_3$) es un candidato líder para los interruptores de semiconductores fotoconductores (PCSS) en aplicaciones de pulsos de alta potencia y alta velocidad debido a su banda prohibida ultraancha (4.8 eV) y su alto campo de ruptura teórico (8 MV/cm). Sin embargo, el despliegue práctico de los PCSS de $\text{Ga}_2\text{O}_3$ enfrenta desafíos relacionados con la geometría del dispositivo y los mecanismos de activación óptica. Los dispositivos laterales, aunque más fáciles de fabricar, sufren de flashover superficial y concentración del campo eléctrico en los bordes de los electrodos. Los dispositivos verticales ofrecen una mejor uniformidad del campo, pero requieren una fabricación compleja. Además, la elección entre la activación intrínseca (banda a banda) y la extrínseca (sub-banda mediante estados de defecto) impacta significativamente el rendimiento. La activación intrínseca requiere láseres de ultravioleta profundo (DUV) costosos y voluminosos (p. ej., 245 nm), mientras que la activación extrínseca permite el uso de fuentes de luz más económicas y compactas (p. ej., láseres de diodo de 445 nm) al aprovechar estados de trampa como el hierro (Fe) e iridio (Ir). Existe una falta de datos experimentales sistemáticos que comparen cómo la geometría del dispositivo (lateral frente a vertical) interactúa con estos distintos mecanismos de excitación para dictar el rendimiento de la conmutación.

Metodología
Los autores fabricaron y compararon experimentalmente dispositivos PCSS laterales y verticales utilizando sustratos de $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ con dopaje de Fe (concentración de Fe ~ $1 \times 10^{17} \text{ cm}^{-3}$).

• Fabricación de Dispositivos:
  • PCSS Lateral: Presenta contactos con perfil Rogowski con un espacio de 450 µm y una longitud de contacto de 1950 µm. Los electrodos consisten en pilas de Ti/Au con contacto óhmico establecido mediante recocido térmico rápido.
  • PCSS Vertical: Utiliza un contacto inferior uniforme de Ti/Au y un contacto superior con patrón de regiones alternas de metal y transparentes para facilitar la inyección de luz y una distribución de campo vertical uniforme.
• Configuración Experimental: Ambos dispositivos fueron encapsulados en carcasas TO-257 y probados bajo una polarización de CC de 200 V. Fueron activados por un láser OPOLETTE sintonizable con un ancho de pulso de 7 ns.
• Condiciones de Excitación: El estudio evaluó el rendimiento bajo:
  • Excitación Intrínseca: 245 nm (por encima de la banda prohibida).
  • Excitación Extrínseca: 280 nm, 300 nm y 445 nm (por debajo de la banda prohibida).
• Análisis: El estudio correlacionó las formas de onda de corriente experimental y las métricas de resistencia con simulaciones TCAD Silvaco de las distribuciones de campo eléctrico y los perfiles de fotogeneración dependientes de la longitud de onda. También se realizaron mediciones de transmitancia óptica.

Resultados Clave
El estudio revela un distintivo "cruce de rendimiento" dependiente de la longitud de onda de excitación y la geometría del dispositivo:

1. Excitación Intrínseca (245 nm):

   • El PCSS lateral superó la estructura vertical.
   • Rendimiento: El dispositivo lateral logró una resistencia de encendido ($R_{ON}$) de 54.17 $\Omega$ y una responsividad de $1.25 \times 10^{-4}$ A/W, en comparación con la $R_{ON}$ de 719.23 $\Omega$ y la responsividad de $1.41 \times 10^{-5}$ A/W del dispositivo vertical.
   • Mecanismo: A 245 nm, la profundidad de absorción es superficial (~0.1–1 µm). Los portadores se generan cerca de la superficie donde el campo eléctrico del dispositivo lateral es más fuerte (debido a la concentración de campo en los electrodos superficiales), lo que conduce a una recolección eficiente. El campo del dispositivo vertical es uniforme pero menos intenso en la profundidad específica de generación superficial.

2. Excitación Extrínseca (280 nm – 445 nm):

   • El PCSS vertical superó consistentemente a la estructura lateral.
   • Rendimiento: A 445 nm, el dispositivo vertical logró una $R_{ON}$ de 140.47 $\Omega$ (menos de la mitad de la del dispositivo lateral de 350 $\Omega$) y casi el doble de la responsividad.
   • Mecanismo: Las longitudes de onda más largas penetran más profundamente en el volumen (bulk). En el dispositivo lateral, el campo eléctrico decae exponencialmente con la profundidad, dejando a los portadores generados profundamente en una región de bajo campo con una eficiencia de extracción deficiente. Por el contrario, el dispositivo vertical mantiene un campo eléctrico fuerte y uniforme en todo el volumen de deriva, permitiendo una recolección eficiente de los portadores generados profundamente en el sustrato.

3. Comportamiento Transitorio:

   • Fotoconductividad Persistente (PPC): Bajo excitación de 245 nm y 280 nm, ambos dispositivos exhibieron fotocorrientes de cola prolongadas. Esto se atribuye a las transiciones banda a banda que crean huecos autoatrapados (STHs) que suprimen la recombinación.
   • Decaimiento Rápido: Bajo excitación de 300 nm y 445 nm, la fotocorriente decayó rápidamente sin persistencia, ya que estas longitudes de onda activan principalmente estados de defecto relacionados con Fe e Ir, donde los portadores son recapturados rápidamente por las trampas.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma presentar la primera comparación experimental sistemática de PCSS de $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ laterales y verticales bajo condiciones de activación óptica intrínseca y una amplia gama de condiciones de activación extrínseca:

• Las geometrías laterales son óptimas para la excitación intrínseca (absorción superficial).
• Las geometrías verticales son superiores para la excitación extrínseca (penetración en el volumen).

Los autores enfatizan que estos hallazgos proporcionan una guía crítica para diseñar dispositivos PCSS de alto voltaje eficientes y de bajo costo. Específicamente, los resultados sugieren que los dispositivos de $\text{Ga}_2\text{O}_3$ verticales son excepcionalmente adecuados para aplicaciones de alta responsividad que aprovechan la fotoconducción extrínseca con fuentes de luz rentables, un comportamiento distinto al de los PCSS de SiC y GaN donde la excitación intrínseca típicamente produce una mayor responsividad. El estudio subraya que optimizar los PCSS de $\text{Ga}_2\text{O}_3$ requiere alinear la geometría del dispositivo con la profundidad de absorción específica y el mecanismo de generación de portadores del disparador óptico previsto.