半絕緣4H-SiC光導開關(guān)研究.pdf

1、光導開關(guān)（PCSS）在脈沖功率領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，半絕緣SiC材料的優(yōu)異特性使其成為良好的光導開關(guān)基體材料。SiC光導開關(guān)在國內(nèi)的研究起步較晚，大多處于理論仿真階段，在實際的工藝及測試上還存在一些問題需要解決。
　　本文從半導體材料的光學特性出發(fā)，闡述了光導開關(guān)工作的光學機理。對材料本征吸收、非本征吸收及電導率等方面的特性進行了深入分析。通過分析對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，設計制備了橫向結(jié)構(gòu)的光導開關(guān)，并對開關(guān)的測試平臺及性能進行了研究。高純半絕緣SiC材料中，深能級缺陷濃度有限，非本征激發(fā)較弱，僅適用于355nm等短波激光器觸發(fā)導通。結(jié)果表明：電極間距為5mm的橫向結(jié)構(gòu)光導開關(guān)，耐壓可達11kV，導通電阻約17Ω。
　　為了降低導通電阻，保證開關(guān)電極在大電流條件下的工作壽命，對歐姆接觸方案進行了設計。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

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引起的，為了抑制這種不利情況，本文設計使用SiO2作為表面鈍化層提高擊穿場強。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對開關(guān)性能進行了測量，對實驗中出現(xiàn)的電流過沖等現(xiàn)象進行分析，設計阻抗匹配良好的微帶線改進實驗平臺。調(diào)研分析了測試電路中負載電阻的選取，需要考慮高頻抗電壓沖擊特性，目前使用合

4、適的CVR可滿足導通電流的測量。
　　開關(guān)在導通的過程中，上升沿出現(xiàn)了兩個臺階，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角度進行了分析。非本征激發(fā)與本征激發(fā)的直接疊加，并不能構(gòu)成臺階。如果在時間上相差一個半高寬，能夠疊加出一個不是特別明顯的臺階，但這與激光的實際工作情況不符。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在時間上的變化上都是高斯

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