光導(dǎo)開(kāi)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(kāi)關(guān)基體材料。SiC光導(dǎo)開(kāi)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(kāi)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為基體材料,設(shè)計(jì)制備了橫向結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)開(kāi)關(guān),并對(duì)開(kāi)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(kāi)關(guān),耐壓可達(dá)11kV,導(dǎo)通電阻約17?。為了降低導(dǎo)通電阻,保證開(kāi)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)量結(jié)果表明比接觸電阻為3.82?10-6??cm2,歐姆接觸效果良好。橫向開(kāi)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1?m的方法構(gòu)成。使用上海硅酸鹽研究所的平臺(tái)對(duì)開(kāi)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,目前使用合適的CVR可滿足導(dǎo)通電流的測(cè)量。開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)內(nèi)部的載流子濃度成線性關(guān)系,開(kāi)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(kāi)關(guān),需要在開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)的導(dǎo)通關(guān)斷,光導(dǎo)開(kāi)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)的光導(dǎo)開(kāi)關(guān),避免c軸上的微管密度造成的泄漏電流過(guò)大的問(wèn)題。歐姆接觸方面,使用透明的ZnO電極,可增加開(kāi)關(guān)的受光面積,對(duì)開(kāi)關(guān)尺寸的進(jìn)一步縮小具有重大的意義。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN304.24
【部分圖文】：

介質(zhì)壁加速器示意圖

千伏皮秒量級(jí)硅光電開(kāi)關(guān)

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1.3 常見(jiàn)功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用和重復(fù)頻率范圍1.2.2 SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)國(guó)外研究現(xiàn)狀光導(dǎo)開(kāi)關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展正是基于 GaAs 材料的使用，也就是說(shuō)，GaAs 材料的優(yōu)異特性使得光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新的材料不斷被發(fā)掘，應(yīng)用于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的材料不斷成熟，必然會(huì)使得光導(dǎo)開(kāi)關(guān)有更高的性能，應(yīng)用于更為苛刻的領(lǐng)域。SiC 材料比 GaAs 材料具有更大的禁帶寬度，更高的熱導(dǎo)率，飽和漂移速度大，更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，如果應(yīng)用于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的研制，將會(huì)在高頻、高溫、高功率等方面有更為優(yōu)越的性能。近二十幾年來(lái)，SiC 材料的單晶生長(zhǎng)技術(shù)、外延材料的制備尤其是厚外延低摻雜濃度的外延技術(shù)的成熟，包括離子注入、氧化、歐姆接觸技術(shù)的成熟
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2893775