半絕緣4H-SiC光導(dǎo)開關(guān)研究.pdf

1、光導(dǎo)開關(guān)（PCSS）在脈沖功率領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，半絕緣SiC材料的優(yōu)異特性使其成為良好的光導(dǎo)開關(guān)基體材料。SiC光導(dǎo)開關(guān)在國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，大多處于理論仿真階段，在實(shí)際的工藝及測(cè)試上還存在一些問(wèn)題需要解決。
　　本文從半導(dǎo)體材料的光學(xué)特性出發(fā)，闡述了光導(dǎo)開關(guān)工作的光學(xué)機(jī)理。對(duì)材料本征吸收、非本征吸收及電導(dǎo)率等方面的特性進(jìn)行了深入分析。通過(guò)分析對(duì)比各種材料的多種特性，結(jié)合現(xiàn)有工藝條件，最終確定以高純半絕緣4H-SiC為基體材

2、料，設(shè)計(jì)制備了橫向結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)開關(guān)，并對(duì)開關(guān)的測(cè)試平臺(tái)及性能進(jìn)行了研究。高純半絕緣SiC材料中，深能級(jí)缺陷濃度有限，非本征激發(fā)較弱，僅適用于355nm等短波激光器觸發(fā)導(dǎo)通。結(jié)果表明：電極間距為5mm的橫向結(jié)構(gòu)光導(dǎo)開關(guān)，耐壓可達(dá)11kV，導(dǎo)通電阻約17Ω。
　　為了降低導(dǎo)通電阻，保證開關(guān)電極在大電流條件下的工作壽命，對(duì)歐姆接觸方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。歐姆接觸中使用trim軟件仿真獲得了P離子注入方案，淀積80nm的Ni作電極，使用TLM圖形測(cè)

3、量結(jié)果表明比接觸電阻為3.82×10-6Ω·cm2，歐姆接觸效果良好。橫向開關(guān)的擊穿往往是由表面閃絡(luò)引起的，為了抑制這種不利情況，本文設(shè)計(jì)使用SiO2作為表面鈍化層提高擊穿場(chǎng)強(qiáng)。鈍化層是由干氧得到20nm與PECVD淀積得到1μm的方法構(gòu)成。使用上海硅酸鹽研究所的平臺(tái)對(duì)開關(guān)性能進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的電流過(guò)沖等現(xiàn)象進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)阻抗匹配良好的微帶線改進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。調(diào)研分析了測(cè)試電路中負(fù)載電阻的選取，需要考慮高頻抗電壓沖擊特性，目前使用合

4、適的CVR可滿足導(dǎo)通電流的測(cè)量。
　　開關(guān)在導(dǎo)通的過(guò)程中，上升沿出現(xiàn)了兩個(gè)臺(tái)階，而且隨著激光能量的增大，外加電壓的增大，凹陷越明顯。針對(duì)這一現(xiàn)象，從非本征激發(fā)和開關(guān)的電容電阻等效模型兩個(gè)角度進(jìn)行了分析。非本征激發(fā)與本征激發(fā)的直接疊加，并不能構(gòu)成臺(tái)階。如果在時(shí)間上相差一個(gè)半高寬，能夠疊加出一個(gè)不是特別明顯的臺(tái)階，但這與激光的實(shí)際工作情況不符。光子數(shù)量與開關(guān)內(nèi)部的載流子濃度成線性關(guān)系，開關(guān)內(nèi)電阻的變化與激光信號(hào)在時(shí)間上的變化上都是高斯

5、波形。在光照期間發(fā)生的變化導(dǎo)致電容也發(fā)生了變化，其充放電過(guò)程會(huì)導(dǎo)致上升沿出現(xiàn)臺(tái)階。而且這一模型合理解釋了凹陷情況隨著電壓增大變嚴(yán)重的情況。應(yīng)用于高頻的光導(dǎo)開關(guān)，需要在開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中避免內(nèi)部電容的劇烈變化造成性能的下降。
　　最后基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)，提出了光導(dǎo)開關(guān)可以改進(jìn)的研究方向。以摻釩半絕緣SiC為基體材料，使用低能量532nm激光實(shí)現(xiàn)開關(guān)的導(dǎo)通關(guān)斷，光導(dǎo)開關(guān)的應(yīng)用范圍可以更為廣泛。使用{1120}晶向切割的材料來(lái)制作垂直結(jié)構(gòu)的