半绝缘4H-SiC光导开关研究

发布时间：2020-11-21 23:41

　　 光导开关(PCSS)在脉冲功率领域具有广阔的应用前景,半绝缘SiC材料的优异特性使其成为良好的光导开关基体材料。SiC光导开关在国内的研究起步较晚,大多处于理论仿真阶段,在实际的工艺及测试上还存在一些问题需要解决。本文从半导体材料的光学特性出发,阐述了光导开关工作的光学机理。对材料本征吸收、非本征吸收及电导率等方面的特性进行了深入分析。通过分析对比各种材料的多种特性,结合现有工艺条件,最终确定以高纯半绝缘4H-SiC为基体材料,设计制备了横向结构的光导开关,并对开关的测试平台及性能进行了研究。高纯半绝缘SiC材料中,深能级缺陷浓度有限,非本征激发较弱,仅适用于355nm等短波激光器触发导通。结果表明:电极间距为5mm的横向结构光导开关,耐压可达11kV,导通电阻约17?。为了降低导通电阻,保证开关电极在大电流条件下的工作寿命,对欧姆接触方案进行了设计。欧姆接触中使用trim软件仿真获得了P离子注入方案,淀积80nm的Ni作电极,使用TLM图形测量结果表明比接触电阻为3.82?10-6??cm2,欧姆接触效果良好。横向开关的击穿往往是由表面闪络引起的,为了抑制这种不利情况,本文设计使用SiO2作为表面钝化层提高击穿场强。钝化层是由干氧得到20nm与PECVD淀积得到1?m的方法构成。使用上海硅酸盐研究所的平台对开关性能进行了测量,对实验中出现的电流过冲等现象进行分析,设计阻抗匹配良好的微带线改进实验平台。调研分析了测试电路中负载电阻的选取,需要考虑高频抗电压冲击特性,目前使用合适的CVR可满足导通电流的测量。开关在导通的过程中,上升沿出现了两个台阶,而且随着激光能量的增大,外加电压的增大,凹陷越明显。针对这一现象,从非本征激发和开关的电容电阻等效模型两个角度进行了分析。非本征激发与本征激发的直接叠加,并不能构成台阶。如果在时间上相差一个半高宽,能够叠加出一个不是特别明显的台阶,但这与激光的实际工作情况不符。光子数量与开关内部的载流子浓度成线性关系,开关内电阻的变化与激光信号在时间上的变化上都是高斯波形。在光照期间发生的变化导致电容也发生了变化,其充放电过程会导致上升沿出现台阶。而且这一模型合理解释了凹陷情况随着电压增大变严重的情况。应用于高频的光导开关,需要在开关结构设计过程中避免内部电容的剧烈变化造成性能的下降。最后基于现有的实验,提出了光导开关可以改进的研究方向。以掺钒半绝缘SiC为基体材料,使用低能量532nm激光实现开关的导通关断,光导开关的应用范围可以更为广泛。使用{1120}晶向切割的材料来制作垂直结构的光导开关,避免c轴上的微管密度造成的泄漏电流过大的问题。欧姆接触方面,使用透明的ZnO电极,可增加开关的受光面积,对开关尺寸的进一步缩小具有重大的意义。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN304.24
【部分图文】：

介质壁加速器示意图

千伏皮秒量级硅光电开关

西安电子科技大学硕士学位论文4图1.3 常见功率开关应用和重复频率范围1.2.2 SiC光导开关国外研究现状光导开关应用领域的拓展正是基于 GaAs 材料的使用，也就是说，GaAs 材料的优异特性使得光导开关的应用范围不断扩大。随着材料科学的发展，新的材料不断被发掘，应用于光导开关的材料不断成熟，必然会使得光导开关有更高的性能，应用于更为苛刻的领域。SiC 材料比 GaAs 材料具有更大的禁带宽度，更高的热导率，饱和漂移速度大，更高的击穿场强，如果应用于光导开关的研制，将会在高频、高温、高功率等方面有更为优越的性能。近二十几年来，SiC 材料的单晶生长技术、外延材料的制备尤其是厚外延低掺杂浓度的外延技术的成熟，包括离子注入、氧化、欧姆接触技术的成熟
【参考文献】

相关期刊论文 前7条

1 章林文;夏连胜;谌怡;王卫;刘毅;张篁;;介质壁加速器关键技术[J];高电压技术;2015年06期

2 周郁明;靳爱津;冯德仁;;钒补偿度对SiC光导开关特性影响的研究[J];电子科技大学学报;2012年06期

3 常少辉;刘学超;黄维;周天宇;杨建华;施尔畏;;正对电极结构型碳化硅光导开关的制备与性能研究[J];无机材料学报;2012年10期

4 黄维;常少辉;陈之战;施尔畏;;11kV大功率SiC光电导开关导通特性[J];强激光与粒子束;2010年03期

5 严成锋;施尔畏;陈之战;李祥彪;肖兵;;超快大功率SiC光导开关的研究[J];无机材料学报;2008年03期

6 袁建强;谢卫平;周良骥;陈林;王新新;;光导开关研究进展及其在脉冲功率技术中的应用[J];强激光与粒子束;2008年01期

7 周郁明;余岳辉;梁琳;陈海刚;;超高速大电流半导体开关实验研究[J];强激光与粒子束;2006年03期

本文编号：2893775