Fabrication and Characterization of GaAs Photoconductive Semiconductor Switches

Abstract

Photoconductive Semiconductor Switches (PCSSs) are being researched as promising optoelectronic devices capable of playing critical roles in high-power electronics. PCSSs have unique advantages over traditional high-power switches, such as spark gaps, insulated gate bipolar transistors (IGBTs), and thyristors, including ultra-fast switching speed, stable operation, and very low jitter characteristics. These features make PCSSs attractive in high- power applications requiring rapid response, especially in solid-state microwave generation technologies, which are key for ultra-wideband (UWB) signal and high-power microwave (HPM) signal generation devices. Various semiconductor materials can be used for PCSS, each with distinct material properties suitable for specific applications. Gallium arsenide (GaAs), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), and diamond are candidate materials being explored for PCSS applications. In this study, we fabricated and analyzed the characteristics of semi-insulating GaAs- based PCSSs. The output characteristics of the fabricated PCSSs were measured using both front-side and back-side illumination, with back-side illumination demonstrating higher operating voltages and peak output voltages. Simulation results indicated that back-side illumination contributes to an even distribution of the electric field within the semiconductor, reducing the susceptibility to surface flashover at the edges of the electrodes caused by high electric fields. Additionally, back-side illumination was found to lower the contact resistance between the semiconductor and metal, improving overall output performance by generating electron-hole pairs within the semiconductor. Jitter, a key factor affecting device reliability and synchronization, was measured using TDSJIT3 equipment, yielding a value of 7–17 ps under a bias voltage of up to 1.5 kV. The operating limit voltage of the PCSS is primarily determined by the breakdown voltage of the semiconductor material; however, practically, the surface flashover occurring at electric fields above 10 kV/cm restricts both the operating voltage and the device lifetime. Although theoretical explanations for surface flashover are not yet fully established, we analyzed this phenomenon based on existing literature to enhance surface withstand characteristics. Surface passivation using silicon resin (Eb>165 kV/cm), SiNx, and SiO₂ was attempted, with silicon resin in particular proving effective. Compared to the previous back-side illumination where flashover occurred at 1.8 kV, devices with silicon resin passivation exhibited flashover at 3.8 kV, significantly enhancing the operating and flashover voltages of the PCSS. To enhance PCSS output, an interdigitated structure was investigated, which increases electrode perimeter. In this study, we applied a comb electrode structure and analyzed its characteristics. By varying the comb electrode length from 0 to 750 μm, we found that as the comb electrode length increased, the peak voltage increased by up to 3.53 times under a 1 kV bias voltage. Additionally, the operating voltage improved from 1.5 kV to over 3 kV, and the device's on-resistance decreased by up to a factor of 10, leading to enhanced output voltage, operating voltage, and breakdown voltage. To further investigate the effect of the comb structure, we conducted experiments using a cylindrical lens to restrict light to specific regions. We observed that the device output improved even in regions where light did not directly reach the electrodes, validating the mechanism by which the comb electrode structure affects the device’s resistance and enhances output performance. Moreover, when comparing back-side illumination with a PCSS with a 500 μm comb electrode, higher output and operating voltages were achieved compared to a structure without comb electrodes. Finally, vertical GaAs PCSSs were fabricated to enable stable operation under high voltages and analyzed its characteristics. In the vertical structure, the distance between the device edge and electrodes was varied to measure output efficiency and the operating limit voltage. The results indicated that as the distance between the electrode and device edge increased, the output decreased, showing a proportional relationship with the light absorption between electrodes. Additionally, the flashover voltage increased with the distance between the electrode and edge, enhancing operating stability. Furthermore, we observed that the pulse width of the output pulse decreased as the bias voltage increased in the vertical PCSS, suggesting the potential for pulse-width modulation. This study demonstrates the potential for enhancing the performance and stability of GaAs-based PCSSs by applying various structures and illumination methods. These findings will contribute to advancements in photoconductive semiconductor switch research for high- power applications. © 2025 Yong Pyo Kim ALL RIGHTS RESERVED|광전도 반도체 스위치(Photoconductive Semiconductor Switch, PCSS)는 고전력 전자기기에서 중요한 역할을 할 수 있는 유망한 광전소자로 연구되고 있다. PCSS 는 스파크 갭, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT), 사이리스터와 같은 기존의 고전력 스위치와 비교하여 초고속 스위칭 속도, 안정적인 동작, 매우 낮은 지터 특성 등 여러 가지 고유한 장점을 갖추고 있다. 이러한 특성으로 PCSS 는 고속 동작이 필요한 고전력 응용 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, PCSS 를 이용한 고체 기반 마이크로파 발생 기술은 초광대역(UWB) 신호 및 고전력 마이크로파(HPM) 신호 발생 장치에서 중요한 기술로 주목받고 있다. PCSS 는 다양한 반도체 재료를 사용할 수 있으며, 각 재료는 고유한 물질적 특성으로 인해 특정 응용 분야에 적합하다. 갈륨비소(GaAs), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 다이아몬드 등의 반도체 재료가 PCSS 에 사용될 수 있는 후보 물질로 연구되고 있다. 본 연구에서는 반절연 GaAs 기반의 PCSS 를 제작하고 특성을 분석하였다. 제작된 PCSS 의 출력 특성은 전면 및 후면 조사 방식을 통해 측정되었으며, 후면 조사 방식이 더 높은 동작 전압과 피크 출력 전압을 나타냈다. 시뮬레이션 결과, 후면 조사가 반도체 내부 전계를 고르게 분포시키는 데 기여하여, 전극 가장자리에서 발생할 수 있는 고전계에 의한 surface flashover(표면 절연 파괴)에 강점을 가지는 것으로 분석되었다. 또한, 후면 조사를 통해 반도체 내부에서 생성된 전자-홀 쌍이 반도체-금속 간의 접촉 저항을 낮추어 전체적인 출력 성능을 향상시키는 것으로 나타났다. 소자의 신뢰성에 영향을 미치고 동기화에 중요한 요소인 지터는 TDSJIT3 장비를 통해 측정하였으며, 1.5 kV 바이어스 전압까지 측정했을 때 7~17 ps 수준으로 관찰되었다. PCSS 의 동작 한계 전압은 반도체 재료의 breakdown 전압에 의해 결정되지만, 실질적으로는 10 kV/cm 이상의 동작 전계에서 발생하는 surface flashover 가 동작 전압과 수명을 제한하는 요인으로 작용한다. Surface flashover 에 대한 이론적 설명은 아직 정립되지 않았으나, 기존 문헌들을 토대로 분석하여 표면의 내압 특성을 개선하고자 silicon resin(Eb>165 kV/cm), SiNx, SiO₂ 등을 이용한 표면 패시베이션을 시도하였다. 특히, silicon resin 을 적용한 소자는 기존 후면 조사 방식에서 flashover 가 1.8 kV에서 발생하던 것에 비해 3.8 kV에서 flashover가 발생하는 것으로 나타나, 표면 패시베이션이 소자의 동작 전압과 flashover 전압을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다. PCSS 의 출력 향상을 위해 전극 페리미터를 증가시키는 interdigitated 구조가 연구된 바 있으며, 본 연구에서는 이를 응용하여 빗 모양 전극 구조를 도입하고 특성을 분석하였다. 빗 전극의 길이를 0~750 μm 까지 변화시켜가며 분석한 결과, 빗 전극의 길이가 길어질수록 피크 전압이 1 kV 바이어스 전압에서 최대 3.53 배 증가하였으며, 동작 전압이 기존 1.5 kV 에서 3 kV 이상으로 개선되었다. 또한, 소자의 온 저항이 최대 10 배 이상 감소하여 출력 전압과 동작 전압, 방전 전압 모두가 개선되었다. 빗 모양 구조의 효과를 보다 구체적으로 분석하기 위해 cylindrical lens 를 사용하여 제한된 영역에 빛을 조사하는 실험을 진행하였고, 빛이 전극에 직접 닿지 않는 영역에서도 소자의 출력이 향상되는 것을 확인하였다. 이를 통해 빗 모양 전극 구조가 소자의 저항에 영향을 미쳐 출력 성능을 높이는 메커니즘을 검증할 수 있었다. 또한, 500 μm 길이의 빗 전극을 가진 PCSS 를 사용하여 후면 조사 효과를 비교 분석하였으며, 빗 전극이 없는 구조보다 더 높은 출력과 동작 전압을 나타냈다. 마지막으로, PCSS 가 고전압에서 안정적으로 작동할 수 있도록 수직형 GaAs PCSS 를 제작하여 특성을 분석하였다. 수직형 구조에서는 소자 가장자리에서 전극까지의 거리를 변화시키며 출력 효율 및 동작 한계 전압을 측정하였다. 그 결과, 소자의 출력은 전극과 소자 가장자리 간 거리가 길어질수록 감소하였고, 전극 간의 빛 흡수도와 비례하는 특성을 보였다. 또한, 전극과 가장자리 간 거리가 길어질수록 flashover 전압이 증가하여 동작 안정성이 향상되는 것으로 나타났다. 추가적으로, 수직형 PCSS 에서 바이어스 전압이 증가함에 따라 출력 펄스의 폭이 감소하는 현상을 관찰하였으며, 이를 통해 펄스 폭의 모듈레이션이 가능함을 확인하였다. 본 연구는 GaAs 기반 PCSS 의 제작 공정과 특성 분석을 통해 다양한 구조와 조사 방식을 적용함으로써 소자의 성능과 안정성을 개선할 수 있는 가능성을 확인하였으며, 고전력 응용에 있어 광전도 반도체 스위치의 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. ©2025 김 용 표 ALL RIGHTS RESERVED