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

Résumé technique : Étude comparative de commutateurs photoconducteurs $\beta$-Ga₂O₃ latéraux et verticaux

Énoncé du problème
L'oxyde de gallium (Ga₂O₃) est un candidat de premier plan pour les commutateurs à semi-conducteurs photoconducteurs (PCSS) destinés aux applications impulsionnelles de haute puissance et haute vitesse, en raison de sa bande interdite ultra-large (4,8 eV) et de son champ de claquage théorique élevé (8 MV/cm). Cependant, le déploiement pratique des PCSS à base de Ga₂O₃ fait face à des défis liés à la géométrie des dispositifs et aux mécanismes de déclenchement optique. Les dispositifs latéraux, bien que plus faciles à fabriquer, souffrent d'amorçages de surface (flashover) et de concentration de champ électrique aux bords des électrodes. Les dispositifs verticaux offrent une meilleure uniformité du champ, mais nécessitent une fabrication complexe. De plus, le choix entre un déclenchement intrinsèque (bande à bande) et extrinsèque (sous la bande interdite via des états de défaut) impacte significativement les performances. Le déclenchement intrinsèque nécessite des lasers UV profonds (DUV) coûteux et volumineux (ex. : 245 nm), tandis que le déclenchement extrinsèque permet l'utilisation de sources lumineuses compactes et rentables (ex. : lasers à diode à 445 nm) en exploitant les états de pièges tels que le fer (Fe) et l'iridium (Ir). Il existe un manque de données expérimentales systématiques comparant comment la géométrie du dispositif (latérale vs verticale) interagit avec ces différents mécanismes d'excitation pour dicter la performance de commutation.

Méthodologie
Les auteurs ont fabriqué et comparé expérimentalement des dispositifs PCSS latéraux et verticaux utilisant des substrats de $\beta$-Ga₂O₃ semi-isolants dopés au fer (concentration de Fe ~1 × 10¹⁷ cm⁻³).

• Fabrication des dispositifs :
  • PCSS Latéral : Présente des contacts au profil de Rogowski avec un écart de 450 µm et une longueur de contact de 1950 µm. Les électrodes consistent en des empilements Ti/Au avec un contact ohmique établi par recuit thermique rapide.
  • PCSS Vertical : Utilise un contact inférieur uniforme en Ti/Au et un contact supérieur structuré avec des régions alternées de métal et de zones transparentes pour faciliter l'injection de lumière et une distribution uniforme du champ vertical.
• Configuration expérimentale : Les deux dispositifs ont été encapsulés dans des boîtiers TO-257 et testés sous une tension continue de 200 V. Ils ont été déclenchés par un laser OPOLETTE accordable avec une largeur d'impulsion de 7 ns.
• Conditions d'excitation : L'étude a évalué la performance sous :
  • Excitation intrinsèque : 245 nm (au-dessus de la bande interdite).
  • Excitation extrinsèque : 280 nm, 300 nm et 445 nm (sous la bande interdite).
• Analyse : L'étude a corrélé les formes d'ondes de courant expérimentales et les métriques de résistance avec des simulations TCAD Silvaco des distributions de champ électrique et des profils de photogénération dépendants de la longueur d'onde. Des mesures de transmittance optique ont également été effectuées.

Résultats clés
L'étude révèle un « croisement de performance » distinct dépendant de la longueur d'onde d'excitation et de la géométrie du dispositif :

1. Excitation intrinsèque (245 nm) :

   • Le PCSS latéral a surpassé la structure verticale.
   • Performance : Le dispositif latéral a atteint une résistance à l'état passant ($R_{ON}$) de 54,17 $\Omega$ et une responsivité de $1,25 \times 10^{-4}$ A/W, contre une $R_{ON}$ de 719,23 $\Omega$ et une responsivité de $1,41 \times 10^{-5}$ A/W pour le dispositif vertical.
   • Mécanisme : À 245 nm, la profondeur d'absorption est faible (~0,1–1 µm). Les porteurs sont générés près de la surface, là où le champ électrique du dispositif latéral est le plus fort (en raison de la concentration de champ aux électrodes de surface), ce qui conduit à une collecte efficace. Le dispositif vertical possède un champ uniforme mais moins intense à la profondeur spécifique de génération de surface.

2. Excitation extrinsèque (280 nm – 445 nm) :

   • Le PCSS vertical a systématiquement surpassé la structure latérale.
   • Performance : À 445 nm, le dispositif vertical a atteint une $R_{ON}$ de 140,47 $\Omega$ (moins de la moitié du dispositif latéral de 350 $\Omega$) et une responsivité presque double.
   • Mécanisme : Les longueurs d'onde plus longues pénètrent plus profondément dans le volume (bulk). Dans le dispositif latéral, le champ électrique décroît exponentiellement avec la profondeur, laissant les porteurs générés profondément dans une région à faible champ, ce qui entraîne une faible efficacité d'extraction. À l'inverse, le dispositif vertical maintient un champ électrique fort et uniforme à travers toute la région de dérive du volume, permettant une collecte efficace des porteurs générés profondément dans le substrat.

3. Comportement transitoire :

   • Photoconductivité persistante (PPC) : Sous excitation à 245 nm et 280 nm, les deux dispositifs ont présenté des courants de traîne prolongés. Cela est attribué aux transitions bande à bande créant des trous auto-piégés (STH) qui suppriment la recombinaison.
   • Décroissance rapide : Sous excitation à 300 nm et 445 nm, le photocourant a décroît rapidement sans persistance, car ces longueurs d'onde activent principalement des états de défaut liés au Fe et à l'Ir, où les porteurs sont rapidement recapturés par les pièges.

Signification et affirmations
L'article affirme présenter la première comparaison expérimentale systématique des PCSS $\beta$-Ga₂O₃ latéraux et verticaux sous des conditions d'excitation intrinsèque et sous une large gamme de conditions d'excitation extrinsèque. La contribution principale est l'identification d'un croisement de performance dépendant de la géométrie :

• Les géométries latérales sont optimales pour l'excitation intrinsèque (absorption de surface).
• Les géométries verticales sont supérieures pour l'excitation extrinsèque (pénétration dans le volume).

Les auteurs soulignent que ces résultats fournissent des orientations critiques pour la conception de dispositifs PCSS à haute tension efficaces et rentables. Plus précisément, les résultats suggèrent que les dispositifs Ga₂O₃ verticaux sont particulièrement adaptés aux applications de haute responsivité exploitant la photoconduction extrinsèque avec des sources de lumière rentables, un comportement distinct de celui des PCSS SiC et GaN où l'excitation intrinsèque produit généralement une plus grande responsivité. L'étude souligne que l'optimisation des PCSS à base de Ga₂O₃ nécessite d'aligner la géométrie du dispositif avec la profondeur d'absorption spécifique et le mécanisme de génération de porteurs de l'impulsion optique prévue.