碳化硅基平面型光导开关的制备与性能研究
半导体光导开关(Photoconductive semiconductor switch,PCSS)具有大功率、快速响应、高重复频率、低抖动的优异性能,是目前最有望在脉冲功率领域应用的高性能开关.SiC单晶较其它半导体具有更加优异的半导体性质,非常适合制备耐高温、高频、大功率器件,是目前制备高性能光导开关最合适的材料.SiC单晶生长技术的日益成熟不但为SiC基光导开关的研制提供了良好的材料支撑,也促进了SiC晶体为基体光导开关的研究.随着SiC晶体为基体的光导开关性能的逐步提升,其在大功率领域的应用前景令人期待.
本文在半绝缘SiC晶体为基体光导开关的设计、制备、性能测试及相关理论分析方面开展了系统的研究工作.对355 am和532 nm激光激发效率的研究表明:355 nm光激发效率更高,可在激发光强较小的情况下获得更小的导通电阻.我们结合355 nm约几十nm的吸收深度设计了平面型的开关结构.通过对测试电路的模拟优化,发现电容器容量小于10 nF时开关波形发生失真,采用22 nF的无感电容等及其他它元器件,自主设计研制了外加电压最大达30 kV的光导开关测试系统.本文还发展了一套采用组合材料芯片技术研究SiC接触性质的方法,结果表明沉积金属Ni的厚度70 nm左右时能稳定得到性质较好的欧姆接触.通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)及同步辐射光电子能谱(SRPES)等手段研究了SiC欧姆接触形成的界面机制,发现SiC欧姆接触的形成依赖于两个关键因素:一是SiC表面自然氧化层的完全去除;二是结合良好的平整Ni2Si/SiC界面.
建立了SiC晶体质量同开关性能的关系.采用高分辨X射线衍射(HRXRD)摇摆曲线的面扫描得到半高宽(FWHM)的平均值来评价一块10 mm*10 mm SiC晶片的整体结晶质量.在10 mm*10 mm SiC晶片上设计制备了9个不同间距的光导开关,通过实验数据与理论公式的拟合,分析得到了评价SiC晶片光电导容量(PC)的参量.FWHM值在30 arcgec时PC值可能达到最小值.采用摇摆曲线大幅展宽及出现卫星峰的SiC晶片制备的光导开关的导通电阻大大增加.对SiC表面质量的研究表明化学机械抛光(CMP)及H2刻蚀处理都可以有效去除SiC表面的划痕及亚表面损伤层,特别是H2刻蚀后,表面的悬键大幅减少,降低了表面态,减少了对电子的俘获,降低了开关的导通电阻.
通过在SiC光导开关的制备中基体材料选用、SiC晶片表面处理、电极沉积和退火、开关的绝缘保护封装以及测试技术的研究,制备得到的电极间距为10 mm的V掺杂半绝缘6H-SiC晶体为基体的光导开关获得了耐压值大于20 kV、导通电阻约10 Ohm、半高宽约4 ns、上升时间约1.2 ns的良好性能.
- 作者：
- 黄维
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 材料学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 施尔畏
- 关键词：
- 碳化硅；光导开关；导通电阻；欧姆接触
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