[发明专利]新型多层结构碳化硅光电导开关及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于宽禁带半导体技术领域，更具体地说，涉及一种新型多层结构碳化硅光电导开关及其制备方法。

背景技术

脉冲功率系统，例如高功率激光器、冲击雷达、高功率微波发生器等装置，需要高功率高速开关产生高幅值窄脉冲。传统的脉冲功率开关是气体放电开关，诸如氢闸管、火花隙等，尽管这些开关耐压高、通流能力强，但是存在尺寸大、开启时间长、开通抖动、电磁辐射、需要经常维护等缺点。而光电导开关具有ps量级的触发抖动、ns量级的开通时间、高电流密度、高耐压、小尺寸、低损耗、可控、光电隔离、不受电磁干扰等优点。

光电导开关是通过触发光源在半导体光电材料内产生大量载流子来降低材料电阻率而实现导通。自1972年S.Jayaraman等人发现用ps量级的光脉冲照射半导体光电材料时其响应时间也为ps量级现象以来，人们开始关注半导体光电材料这种特性，并为光电导开关的发展奠定了基础。美国Bell实验室Auston在1976年利用半导体材料硅Si制成第一个ps光电导开关，随后一系列ps光电导开关被研制成功；在1977年C. H. Lee等人研制出砷化镓GaAs材料光电导开关。由于GaAs的材料特性比Si更优秀，GaAs比Si更适合用于光电导开关材料。

第三代宽禁带半导体材料碳化硅SiC，其击穿场强比GaAs高1个数量级，其暗电阻比GaAs高4个数量级，其热导率比GaAs高1个数量级。此外，由于SiC是间接带隙半导体，使得载流子复合时间比GaAs大400倍，这意味着维持导通电阻的光能比GaAs要小400倍。另外，以SiC材料制作的光电导开关，能使固态电路的功率密度至少提高4个数量级，并大大地提高光电导开关的工作温度。SiC材料还有很强的抗辐射特性，可以大大增强军事电子系统的生命力。

理论上，禁带宽度为3eV左右的SiC材料能够承受高达4 MV/cm的电场强度，而实际上，测试中的SiC光导开关在体内电场强度不到300 kV/cm就失效，SiC光导开关的诸多优点无法得到体现，因而，近几年来，由于SiC光导开关容易发生提前击穿而导致研究热情降低。SiC开关没有形成超高耐压的原因是多方面的，除了SiC材料本身存在微管缺陷可能导致开关提前击穿外，开关结构设计不合理也是一个主要因素。

为了提高SiC光导开关的击穿电压，国外的研究人员采取了多种方法。Nunnally等人通过弧形电极结构设计使SiC晶片内的电场均匀化，并且在电极和SiC晶片之间的空隙填充聚合物之类的高介电常数绝缘物来降低边缘效应而产生的高电场，避免晶片表面和电极之间空气被击穿（W. C. Nunnally, D. Cooperstock. Methods and configurations for improving photo-conductive switch performance. Conference Record of the Twenty-Fifth International Power Modulator Symposium, 2002, Page(s): 183-186.）。Kelkar等人在阴极和SiC晶片之间插入一层数微米厚的p⁺层，来提高体区内电场的均匀度，抑制了沿面闪络和丝状电流的形成，单只器件的耐压可以超过900 kV/cm（K. S. Kelkar, N. E. Islam, C. M. Fessler, et al . Design and characterization of silicon carbide photoconductive switches for high field applications. Journal of Applied Physics, 2006, 100: 124905.）。Hettler等人采用台面结构，将比重为15%的BaTiO₃粉末添加到环氧树脂中作为封装材料，并在0.5 torr的压力下抽取材料中的气泡，在35℃的烤箱中固化24小时，不仅提高了封装材料的机械强度，而且提高开关的暗态电阻的同时将SiC开关的击穿电压提高40%（C. Hettler, C. James, J. Dickens. High electric field packaging of silicon carbide photoconductive switches. 2009 IEEE Pulsed Power Conference, 2009: 631-634.）。Zhu等人在高阻SiC晶片和金属电极之间插入一层n⁺ GaN来改善电流集中效应，以此提高开关的击穿电压（K. Zhu, S. Dogan, Y. T. Moon, et al. Effect of n⁺-GaN subcontact layer on 4H–SiC high-power photoconductive switch. Applied Physics Letters, 2005, 86, 261108-261108-3.）。Fessler等人采用一种IEP技术，在晶片有效厚度不变的情况下，从SiC晶片两侧的表面分别向晶片内刻蚀一定深度的U型槽，然后将电极安装在槽内，他们发现，开关的耐压和槽深有关，当槽深从1.5 mm减小到10 mm，开关的临界击穿场强从300 kV/cm提高到827 kV/cm （C. M. Fessler, K. Kelkar, W.C. Nunnally, et al. Investigation of high electric fields at the electrode-SiC interface in photo-switches. 16th IEEE International Pulsed Power Conference, 2007, 1:114-119.）。