CN102157597A - 一种光控碳化硅光电导开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光控碳化硅(SiC)光电导开关，其包括如下部件：光电导晶片，所述光电导晶片为碳化硅晶片，具有以下抛光良好的晶面：至少一个(1100)m面；至少两个(1120)a面；其中(1100)m面或(1120)a面是与激发光源光学连接的朝光面，以及与所述(1120)a面或(1120)m面具有良好电学性质的电极，且当所述(1100)m面作为朝光面时，所述电极与所述(1120)a面电学连接；当所述(1120)a面作为朝光面时，所述电极与所述(1100)m面电学连接。
Description
技术领域
本发明涉及光控碳化硅光电导开关，更具体地涉及一种耐高压、大电流的光控大功率碳化硅(SiC)光电导开关，属于大功率半导体开关器件制备技术领域。
背景技术
开关是电力电子电路中必不可少的部件之一，而在大功率***中开关的性质体现得尤为重要。所谓大功率***，即须同时承受大的电压和电流。大的电压带给器件最直接的问题是强电场加速载流子引起的雪崩击穿，而大电流下容易由于热效应产生热击穿。这两种失效形式是大功率开关器件所面临的难题。目前实际应用中的这种大功率开关为火花隙开关，即利用强场下气体击穿放电形成的放电通道来实现对大电压和大电流的导通。由于气体放电通道本身就是一种随机过程，因此该开关在稳定性方面存在着问题。此外，由于该开关由于涉及到密闭气体腔、触发装置和散热装置等使得开关***十分庞大和复杂，进一步削弱了其工作的稳定性，不能很好的满足国防高精尖科技领域对高性能大功率开关的需求。
目前半导体开关由于具有较好的稳定性，小的体积以及容易集成等优势，而为大功率开关的研究人员关注。虽然半导体MESFET(金属半导体场效应晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等大功率开关器件的出现满足了部分领域的需求，但它们的耐压和电流尚有待提高，目前还不能满足如大功率脉冲功率电源，直流感应加速器，冲击雷达等领域的需求。而半导体光控光电导开关是潜在的很好的大功率应用领域的开关。第一个光电导开关原型在1974年由贝尔实验室的D.H.Auston制备，材料采用高阻Si，但Si禁带宽度小，临界击穿场强低，而且存在致命的热奔现象，不能得到高性能的开关；1976年，马里兰大学的Chi H.Lee制备了第一个GaAs光电导开关，随后GaAs光电导开关便成为此领域研究的焦点。虽然GaAs具有迁移率高的优点，但其散热性较差，临界击穿场强不够高，难以胜任大功率领域的应用。因此这些光电导开关都还处于实验室研究阶段。随着宽禁带半导体材料制备技术的日益成熟，人们把制备大功率光电导开关的目光放到了宽禁带半导体材料上来。SiC作为宽禁带半导体的代表具有较其他宽禁带半导体材料更为突出的优势——高的临界击穿场强和热导率，而这两点正是之前Si和GaAs材料制备光电导开关所无法解决的瓶颈问题。然而，制备高性能的大功率光电导开关，需要高质量的半绝缘SiC晶片。但直到2003年高质量的半绝缘SiC单晶生长技术才成熟，此时才陆续开始了高性能SiC光电导开关的研究工作。
根据SiC材料的特性，在近几年的研究中提出了一些SiC光电导开关的技术方案。最早的结构如图1所示，即在SiC晶片的c面上制作一定间距的电极，光照间隙区，实现开关的导通。然而，半导体的表面是完整晶体结构的断裂面，其性质远不如体材料，由于电极在表面，在开关导通时，电流在表面流通，易发生表面击穿，因此一般这种开关的耐压值都只在3000V左右。另一种开关的结构如图2所示，电极正对的沉积在晶片的上下两个面上，电极处于面的中心位置。然而这样的设计使电极远离晶片边缘，相当于增加了两个电极之间的距离，且电场线集中在两正对电极间的体SiC区，因此种结构的SiC开关耐压值更高，在10kV左右。但这种结构的开关对晶片掺杂类型、浓度以及激发光源都有一定的要求。美国Lawrence Livermore国家实验室目前主要研究这种结构的SiC开关。对于该结构的开关来说，光入射方向为很窄的晶片侧面，而电极位于晶片中心位置，两电极间的SiC是设计中希望光照的区域，在光到达目的区域前不可避免的要先经过很长距离的SiC区域，存在这个区域光吸收引起的光衰减。因此激发光的波长和吸收深度都必须匹配，但这又对半绝缘晶片的性质提出了特定的要求。目前Lawrence Livermore只能使用特定掺杂浓度的矾掺杂半绝缘SiC晶片来制作这种结构的开关，而激发光源仅限于绿色激光(532nm)和红色激光(1064nm)，而且光激发的载流子浓度决定了开关的导通性质。该开关对半绝缘SiC晶片要求很高。
综上所述，本领域亟需一种耐高压、大电流的功率特性的光控碳化硅光电导开关。因此，本领域迫切需要一种耐高压、大电流的功率特性的光控碳化硅光电导开关。
发明内容
本发明的目的在于获得一种耐高压、大电流的功率特性的光控碳化硅光电导开关。
在本发明的第一方面，提供了一种光控碳化硅(SiC)光电导开关，其包括如下部件：
-光电导晶片，所述光电导晶片为碳化硅晶片，具有以下抛光良好的晶面，且其中各个面的偏角范围不超过10度：
至少一个(1100)m面；
至少两个(1120)a面；
其中(1100)m面或(1120)a面是与激发光源光学连接的朝光面，以及
-与所述(1120)a面或(1100)m面电学连接的电极，且
当所述(1100)m面作为朝光面时，所述电极与所述(1120)a面电学连接；
当所述(1120)a面作为朝光面时，所述电极与所述(1100)m面电学连接，此时所述光电导晶片具有至少一个1120a面，至少两个(1100)m面。
在一优选例中，所述碳化硅晶片为半绝缘碳化硅晶片。在一优选例中，半绝缘碳化硅晶片是4H-SiC晶片。
更优选地，朝光的上表面m面和两个侧面a面精细抛光并经表面钝化处理。
更优选地，所述电极分别沉积在侧面的两个a面上，电极沉积的面积可以布满整个侧面，也可以是侧面的一部分，但两个a面上的电极应投影保持完全重合。
更优选地，所述电学连接采用单一金属Ni高温快速退火后覆盖Pt形成。
在一优选例中，所述光电导开关还包括绝缘介质，优选为透明绝缘介质，更具体地，所述开关的上表面均匀涂覆透明绝缘介质。
在本发明的一个具体实施方式中，所述碳化硅晶片为长方体片状结构。
在本发明的一个具体实施方式中，所述碳化硅晶片的长方体片状结构包括：
朝光面和背光面为(1100)m面、四个侧面分别为(1120)a面和(0001)c面，其中各个面的偏角范围不超过10度；
更优选地，所述碳化硅晶片为长方体状的方形薄片，厚度为0.1mm～5mm，也即所述(1120)a面和(0001)c面的高度为0.1mm～5mm。
更优选地，m面和c面相交边边长为0.5mm～30mm，m面和a面相交边长为0.5～50mm。
在本发明的一个具体实施方式中，所述长方体片状结构包括：
朝光面为(1120)a面、四个侧面分别为(1100)m面和(0001)c面；背光面为(1100)m面。
更优选地，所述碳化硅晶片为长方体状的方形薄片，厚度为0.1mm～5mm，也即所述(1100)m面和(0001)c面的高度为0.1mm～5mm。
在本发明的一个具体实施方式中，所述长方体片状结构的长度l、宽度w、高度h的比例为：30～20∶10～2∶1。
在本发明的一个具体实施方式中，所述电极由单质金属和保护金属组成，所述单质金属选自Ta、Ti、W、Cr、Co、Zn、或Al，所述保护金属选自Al、Cu、Au或其组合。
在本发明的一个具体实施方式中，所述SiC晶片和电极之间沉积有半导体薄膜。
在一个优选例中，所述半导体薄膜为Si、Ge、SiC、GaAs、GaN等半导体薄膜；更优选地，所述半导体薄膜为重掺杂的Si、Ge、SiC、GaAs、GaN等半导体薄膜。
所述“重掺杂”是指重掺杂半导体载流子浓度大于1×1021cm-3。
在本发明的一个具体实施方式中，所述激发光源选自紫外光(波长为200nm～380nm)、绿色光源(波长为520nm～550nm)或红色光源(波长为650nm～1100nm)。
在本发明的一个具体实施方式中，其特征在于半绝缘SiC晶片选自4H或6H晶型的SiC晶片。
所述晶片可以是高纯材料也可以是V掺杂SiC晶片。
在本发明的一个具体实施方式中，所述开关的耐压值范围为10kV～50kV，峰值电流范围为100A～3000A。
附图说明
图1为同面型结构的SiC光电导开关；
图2美国Lawrence Livermore国家实验室采用的正对面型结构的开关；
图3本发明提出的新型结构开关；
图4V掺杂半绝缘6H-SiC大功率光电导开关输出电脉冲波形；
图5高纯半绝缘6H-SiC大功率光电导开关输出电脉冲波形；
图6高纯半绝缘4H-SiC大功率光电导开关输出电脉冲波形；
图7对比例的表面击穿通道图；
图8对比例的开关信号。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究，通过改进制备工艺，获得了耐高压、大电流的光控大功率碳化硅(SiC)光电导开关。在此基础上完成了本发明。
本发明的具体技术构思如下：
本发明涉及的是一种耐高压、大电流的光控大功率碳化硅(SiC)光电导开关，属于半导体器件制备技术领域。光控光电导开关采用侧面正对型结构设计，将晶体按照特定的方向切割，对晶体进行抛光及表面处理后在a(11-20)面制备电极，从而在SiC晶片侧面上形成开关的阳极和阴极。具有该结构的开关能避开微管道缺陷，极大地提高开关的耐压值；另外由于电流沿a面方向流动，开关也具有很好的电学性质。因此，具有该结构的开关具有很好的耐高压，大电流的功率特性。此外，该光控大功率开关还具有体积小，易于串并联等优点，是易于集成化的新一代高性能大功率开关，适用于半导体功率器件领域。
本文中，“抛光良好”是指平均粗糙度小于1nm，更优选地小于0.5nm。
本文中，“(1100)m面”是指在六方结构的SiC单晶中与方向<1-100>垂直的面，其同时垂直于a面和c面。
本文中，“(1120)a面”是指在六方结构的SiC单晶中与方向<11-20>垂直的面，其同时垂直于m面和c面。
本文中，“(0001)c面”是指在六方结构的SiC单晶中与c轴方向<0001>垂直的面。
本文中，所述“4H-SiC晶片”是指六方结构的碳化硅晶体中原子层堆垛结构为ABCBA的晶体
本文中，所述“6H-SiC晶片”是指六方结构的碳化硅晶体中原子层堆垛结构为ABCACBA的晶体
本文中，“半绝缘”是指电阻率大于105Ohm·cm的碳化硅光电导晶片。
以下对本发明的各个方面进行详述：如无具体说明，本发明的各种原料均可以通过市售得到；或根据本领域的常规方法制备得到。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
本发明的光控碳化硅(SiC)光电导开关包括如下部件：
-光电导晶片，所述光电导晶片为碳化硅晶片，具有以下抛光良好的晶面：
至少一个(1100)m面；
至少两个(1120)a面；
其中(1100)m面或(1120)a面是与激发光源光学连接的朝光面，以及
-与所述(1120)a面或(1100)m面电学连接的电极，且
当所述(1100)m面作为朝光面时，所述电极与所述(1120)a面电学连接；
当所述(1120)a面作为朝光面时，所述电极与所述(1100)m面电学连接。
所述“光学连接”是指所述激发光源的光线可以照射到所述朝光面。
光电导晶片
本发明所采用的光电导晶片为碳化硅晶片。在一优选例中，所述碳化硅晶片为半绝缘碳化硅晶片。在一优选例中，半绝缘碳化硅晶片是4H-SiC晶片。
为了达到本发明的目的，发明人采用侧面正对型结构设计，将晶体按照特定的方向切割。
具体地，所述碳化硅晶片为长方体片状结构。所述长方体片状结构包括至少一个(1100)m面；至少两个(1120)a面。所述碳化硅晶片与激发光源光学连接的朝光面可以是(1100)m面，也可以是(1120)a面。
在一具体实施方式中，所述碳化硅晶片的长方体片状结构包括：朝光面和背光面均为(1100)m面、四个侧面分别为(1120)a面和(0001)c面(其中各个面的偏角范围不超过10度。更优选地，所述碳化硅晶片为长方体状的方形薄片，厚度为0.1mm～5mm，也即所述(1120)a面和(0001)c面的高度为0.1mm～5mm。更优选地，m面和c面相交边边长为0.5mm～30mm，m面和a面相交边长为0.5～50mm。
在另一具体实施方式中，所述长方体状结构包括：朝光面为(1120)a面、四个侧面分别为(1100)m面和(0001)c面；背光面为(1100)m面。更优选地，所述碳化硅晶片为长方体状的方形薄片，厚度为0.1mm～5mm，也即所述(1100)m面和(0001)c面的高度为0.1mm～5mm。
优选地，所述长方体片状结构的长度l、宽度w、高度h的比例为：30～20∶10～2∶1。
所述各个表面可以经过抛光或钝化处理。例如，将朝光的上表面m面和两个侧面a面精细抛光并经表面钝化处理。
本发明提供一个优选的实施例，其中所述激发光源选自紫外光(波长为200nm～380nm)、绿色光源(波长为520nm～550nm)或红色光源(波长为650nm～1100nm)。
本发明人发现，采用本发明的特定结构设计，使得对于激发光源的要求大为降低。现有技术的光控碳化硅(SiC)光电导开关中，对于激发光源有严格的要求(通常为很窄的范围或甚至为一个确定数值)。而本发明可以采用更为宽泛范围的光源波长。
本发明还提供一个优选的实施方式，采用4H或6H晶型的SiC晶片。所述晶片可以是高纯材料也可以是V掺杂SiC晶片。本发明专利的开关对半绝缘SiC晶片没有严格的掺杂类型和掺杂量的要求，可以是4H、6H、3C等晶型的SiC晶片，晶片可以是高纯材料也可以是V掺杂SiC晶片。针对不同的晶片类型可以分别选用紫外光和可见光激发。
本发明人发现，采用本发明的本发明的特定结构设计，使得SiC晶片的要求大为降低。现有技术中，通常只能使用特定掺杂浓度的矾掺杂半绝缘SiC晶片来制作这种结构的开关，而激发光源仅限于绿色激光(532nm)和红色激光(1064nm)，而且光激发的载流子浓度决定了开关的导通性质。该开关对半绝缘SiC晶片要求很高。而本发明半绝缘SiC晶片可以是高纯材料也可以是V掺杂SiC晶片。
电极
在一具体实施方式中，所述电极由单质金属和保护金属组成，所述单质金属选自Ta、Ti、W、Cr、Co、Zn、或Al，所述保护金属选自Al、Cu、Au或其组合。
具体地，电极金属可以是Ni，Ta、Ti、W、Cr、Co、Zn、Al等单质金属，在一定温度快速退火后，在电极区沉积Pt、Al、Cu、Au等电导率高，化学稳定性好的金属作为保护层，这样在电极引出时避免了对关键的合金化金属层的损坏。电极的形状和面积可以根据不同的电流大小来调整以获得合适大小的电流密度以及最小的场强密度。
更优选地，所述电极分别沉积在侧面的两个a面上，电极沉积的面积可以布满整个侧面，也可以是侧面的一部分，但两个a面上的电极应投影保持完全重合。
更优选地，所述电学连接采用单一金属Ni高温快速退火后覆盖Pt形成。
在一具体实施方式中，所述SiC晶片和电极之间沉积有半导体薄膜。重掺杂层被广泛应用于半导体器件的电极的制备工艺中以获得更优异的接触性质。光电导开关电极的制备也可以借鉴这种方法，在半绝缘SiC晶片和金属电极间沉积重掺杂的Si、Ge、S iC、GaAs、GaN等半导体薄膜。
在一个优选例中，所述半导体薄膜为Si、Ge、SiC、GaAs、GaN等半导体薄膜；更优选地，所述半导体薄膜为重掺杂的Si、Ge、SiC、GaAs、GaN等半导体薄膜。
在一优选例中，所述光电导开关还包括绝缘介质，优选为透明绝缘介质，更具体地，所述开关的上表面均匀涂覆透明绝缘介质。透明绝缘介质涂覆在m面，保护了开关中耐压性质较薄弱的表面区域，也将进一步增大开关的耐压值。
光电导开关
本发明的光电导开关的耐压值范围可以为10kV～50kV，峰值电流范围为100A～3000A。
本发明发现，采用特定的结构设计，可以提供一种新型结构的SiC光电导开关，以使之能胜任更高电压和电流的大功率领域的应用。
这种新型的开关结构如图3所示，基本结构为长方体状的方形薄片，朝上面为m面，四个侧面分别为a面和c面；上表面m面和两个侧面a面经精细抛光并经表面钝化处理。电极分别沉积在侧面的两个a面上，电极沉积的面积可以布满整个侧面，也可以是侧面的一部分，但两个a面上的电极投影应完全保持重合。电极接触通过与铜带电极连接后引出作为开关的两个电极。开关的上表面均匀涂覆透明绝缘介质。
在无光照的情况下，半绝缘的SiC晶片处于绝缘态，开关中只有纳安甚至皮安级的电流通过，开关处于断开状态。对于这种新型结构的开关，两个电极正对的沉积在a面上，在外电压下电场方向与a面垂直，并贯穿整个SiC晶片的体区域，与图1开关结构中场强集中在表面的情况相较，这种新型结构的开关耐压值将大大提高。当激发光垂直m面入射，覆盖整个上表面时，在半绝缘的SiC晶片中激发出大量的载流子，在垂直于a面方向电场的加速下，载流子从一个电极漂移到另一个电极，从而实现开关的导通。对于本发明专利的开关来说，由于电场贯穿整个体SiC区域，电流的通道也将是由表面至体内一定厚度的区域，因此较图1的开关结构而言，在相同电流大小情况下这种开关的电流密度更小。而大的电流密度往往导致电极随工作时间发生烧蚀，性质变化等情况，影响开关性质稳定性。
同现有技术相比，本发明专利所提供的耐高压大电流的大功率SiC光电导开关降低了对半绝缘晶片材料掺杂类型和浓度的要求，增加了开关的耐高压和大电流的性能。
发明人发现，与实施例中相同电极间距的同面型开关(即图1所示开关)在电压值大于6kV时就发生了由微管道引起的击穿。采用本发明制备得到的开关耐压值增加了2.5倍以上而不会发生击穿。
在一个具体实施方式中，本发明提供一种耐高压、大电流的光控大功率碳化硅(SiC)光电导开关，其结构组成包括半绝缘碳化硅晶片、透明绝缘介质、电极和引出导线，所使用的4H-SiC晶片为长方体状的方形薄片，厚度为0.1mm～5mm，朝上面为(1100)m面，四个侧面分别为(1120)a面和(0001)c面；上表面m面和两个侧面a面精细抛光并经表面钝化处理；电极分别沉积在侧面的两个a面上，电极沉积的面积可以布满整个侧面，也可以是侧面的一部分，但两个a面上的电极应投影保持完全重合；电极接触采用单一金属Ni高温快速退火后覆盖Pt形成；电极接触通过与铜带电极连接后引出作为开关的两个电极；开关的上表面均匀涂覆透明绝缘介质。
更优选地，所述m面和a面可以互换，即a面作为较大的上下表面，而m面作为电极所在的较小的侧面。
本发明的其他方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件进行。除非另外说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比，所述的聚合物分子量为数均分子量。
除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
实施例1
采用V掺杂半绝缘6H-SiC单晶作为晶片材料制备的高性能大功率光电导开关。
选取结晶质量较好的V掺杂半绝缘6H-SiC单晶((该单晶采用物理气相传输(PVT)方法生长，其中V掺杂浓度为3.8×1023m-3，电阻率为1.6×107Ω·m，该单晶摇摆曲线半高宽为50弧秒(结晶质量的参数)))作为晶片材料，切片加工成如图3所示的长方体结构薄片，其中l为12mm，d为5mm，h为0.4mm。
其中所述长方体结构如下：
朝光面为(1100)面、四个侧面分别为(1120)面和(0001)面、背光面为(1100)面，各个面偏角均小于1度。
其中m面和a面均抛光至粗糙度小于1nm，经标准RCA工艺清洗后在压强为1bar氢气中1200℃退火3小时以消除表面损伤层，然后放在浓度为10体积百分比％的HF酸中浸泡12小时，使用前采用纯水冲洗30分钟，覆盖掩膜后放入磁控溅射室沉积50nm金属Ni，取出后在Ar气氛中950℃快速退火1分钟，形成金属化电极。再次覆盖掩膜沉积100nm金属Pt作为电极保护层，之后采用In焊接铜导线作为引出电极，最后在开关表面涂覆透明绝缘介质。
选用波长为248nm，脉宽为40ns的KrF(氟化氪)准分子激光器作为触发源，对上述开关进行开关性质的测试。图4为开关导通的波形，可见开关的上升时间为5ns，耐压值大于15kV。通过采样电阻得到开关导通时的峰值电流达到200A，计算得到的峰值功率达到2.4MW。表明采用本发明得到的光电导开关具有非常好的大功率性质。
实施例2
采用高纯半绝缘6H-SiC单晶作为晶片材料制备的高性能大功率光电导开关。
选取结晶质量较好的高纯半绝缘6H-SiC单晶(该单晶采用物理气相传输(PVT)方法生长，其中V掺杂浓度小于7.6×1020m-3，电阻率为1.0×107Ω·m，该单晶摇摆曲线半高宽为45弧秒(结晶质量的参数))作为晶片材料，切片加工成如图3所示的薄片，其中l为12mm，d为5mm，h为0.5mm。其中m面和a面均抛光至粗糙度小于1nm，经标准RCA工艺清洗后在压强为1bar氢气中1200℃退火3小时以消除表面损伤层，然后放在浓度为10％的HF酸中浸泡12小时，使用前采用纯水冲洗30分钟，覆盖掩膜后放入磁控溅射室沉积50nm金属Ni，取出后在Ar气氛中950℃快速退火1分钟，形成金属化电极。再次覆盖掩膜沉积100nm金属Au作为电极保护层，之后采用In焊接铜导线作为引出电极，最后在开关表面涂覆透明绝缘介质。
选用波长为248nm，脉宽为40ns的KrF(氟化氪)准分子激光器作为触发源，对上述开关进行开关性质的测试。图5为开关导通的波形，可见开关的上升时间为8ns，耐压值大于14.5kV。通过采样电阻得到开关导通时的峰值电流达到195A，计算得到的峰值功率达到1.95MW。表明采用本发明得到的光电导开关具有非常好的大功率性质。
实施例3
采用V掺杂半绝缘4H-SiC单晶作为晶片材料制备的高性能大功率光电导开关。
选取结晶质量较好的V掺杂半绝缘4H-SiC单晶(该单晶采用物理气相传输(PVT)方法生长，其中V掺杂浓度为6.1×1022m-3，电阻率为3.5×107Ω·m，该单晶摇摆曲线半高宽为40弧秒(结晶质量的参数))作为晶片材料，切片加工成如图3所示的薄片，其中l为12mm，d为5mm，h为0.5mm。其中m面和a面均抛光至粗糙度小于1nm，经标准RCA工艺清洗后在压强为1bar氢气中1200℃退火3小时以消除表面损伤层，然后放在浓度为10％的HF酸中浸泡12小时，使用前采用纯水冲洗30分钟，覆盖掩膜后放入磁控溅射室沉积50nm金属Ni，取出后在Ar气氛中950℃快速退火1分钟，形成金属化电极。再次覆盖掩膜沉积100nm金属Au作为电极保护层，之后采用In焊接铜导线作为引出电极，最后在开关表面涂覆透明绝缘介质。
选用波长为248nm，脉宽为40ns的KrF(氟化氪)准分子激光器作为触发源，对上述开关进行开关性质的测试。图6为开关导通的波形，可见开关的上升时间为5ns，耐压值大于16kV。通过采样电阻得到开关导通时的峰值电流达到341A，计算得到的峰值功率达到5.35MW。表明采用本发明得到的光电导开关具有非常好的大功率性质。
比较例
采用与实施例1相同的V掺杂半绝缘6H-SiC单晶(该单晶采用物理气相传输(PVT)方法生长，其中V掺杂浓度小于7.6×1020m-3，电阻率为1.0×107Ω·m，该单晶摇摆曲线半高宽为45弧秒(结晶质量的参数))作为晶片材料，制备了如图1所示的同面型和图2所示的正对型开关，分别称为开关1，和开关2.开关1间距为12mm，开关2电极间距为1mm.其中沉积金属的面和光照面均抛光至1nm以下.加工好的晶片经标准RCA工艺清洗后在压强为1bar氢气中1200℃退火3小时以消除表面损伤层，然后放在浓度为10％的HF酸中浸泡12小时，使用前采用纯水冲洗30分钟，覆盖掩膜后放入磁控溅射室沉积50nm金属Ni，取出后在Ar气氛中950℃快速退火1分钟，形成金属化电极。再次覆盖掩膜沉积100nm金属Au作为电极保护层，之后采用In焊接铜导线作为引出电极.开关1最后在开关表面涂覆透明绝缘介质；开关2在四个侧面涂覆透明绝缘介质。
采用与前述实施例相同的测试条件和方法，测试了开关1的开关性质。随着电压的加大，该开关两端电压在9kV左右时发生了表面击穿，其表面击穿通道图像如图7所示。可见同面型开关的耐压值远不如本发明设计所涉及的开关。
采用与前述实施例相同的测试条件和方法，测试了开关2的开关性质。该开关在246nm紫外激光照射侧面时未有导通信号。其原因在于SiC对246nm激光的吸收深度仅为10nm左右，两电极间的半绝缘SiC没有光射入，因此无法激发出大量的载流子以使开关导通。采用532nm绿色激光照射该开关侧面时，采集到了如图8所示的开关信号。从图中可以看到导通时开关两端的电压值的减少很小，而且开关的下降沿时间达到了约1s左右。这使开关存在以下两个问题：一是开关的导通电阻非常大，二是开关速度非常慢。因此，该开关不能满足高压大功率快速开关的要求。其原因在于，该开关所采用的V掺杂半绝缘晶片未采用特定的掺杂浓度以调节，使绿色激光的吸收深度较小，照射至两电极之间的光强很弱，不够激发出足够多的载流子以使开关导通电阻降低。采用开关2的结构要获得导通电阻小，速度快的开关，对V的掺杂量及相关杂质的要求很高。因此开关2也不能很好的满足高压大功率光电导开关的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的实质技术内容范围，本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他人完成的技术实体或方法，若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同，也或是一种等效的变更，均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种光控碳化硅(SiC)光电导开关，其特征在于，包括如下部件：
-光电导晶片，所述光电导晶片为碳化硅晶片，具有以下抛光良好的晶面，且其中各个面的偏角范围不超过10度：
至少一个(1100)m面；
至少两个(1120)a面；
其中(1100)m面或(1120)a面是与激发光源光学连接的朝光面，以及
-与所述(1120)a面或(1100)m面电学连接的电极，且
当所述(1100)m面作为朝光面时，所述电极与所述(1120)a面电学连接；
当所述(1120)a面作为朝光面时，所述电极与所述(1100)m面电学连接，此时所述光电导晶片具有至少一个1120a面，至少两个(1100)m面。
2.按权利要求1所述的光电导开关，其特征在于，所述碳化硅晶片为长方体片状结构。
3.按权利要求2所述的光电导开关，其特征在于，所述碳化硅晶片的长方体片状结构包括：
朝光面和背光面为(1100)m面、四个侧面分别为(1120)a面和(0001)c面，其中各个面的偏角范围不超过10度；
更优选地，所述碳化硅晶片为长方体状的方形薄片，厚度为0.1mm～5mm，也即所述(1120)a面和(0001)c面的高度为0.1mm～5mm。
4.按权利要求2所述的光电导开关，其特征在于，所述长方体片状结构包括：
朝光面为(1120)a面、四个侧面分别为(1100)m面和(0001)c面；背光面为(1100)m面，其中各个面的偏角范围不超过10度。
5.按权利要求2所述的光电导开关，其特征在于，所述长方体片状结构的长度l、宽度w、高度h的比例为：30～20∶10～2∶1。
6.按权利要求1所述的光电导开关，其特征在于，所述电极由单质金属和保护金属组成，所述单质金属选自Ta、Ti、W、Cr、Co、Zn、或Al，所述保护金属选自Al、Cu、Au或其组合。
7.按权利要求1所述的光电导开关，其特征在于，所述碳化硅晶片和电极之间沉积有半导体薄膜。
8.按权利要求1所述的光电导开关，其特征在于，所述激发光源选自紫外光(波长为200nm～380nm)、绿色光源(波长为520nm～550nm)或红色光源(波长为650nm～1100nm)。
9.按权利要求1所述的光电导开关，其特征在于碳化硅晶片选自4H或6H晶型的碳化硅晶片。
10.按权利要求1所述的光电导开关，其特征在于，所述开关的耐压值范围为10kV～50kV，峰值电流范围为100A～3000A。
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Effective date of registration: 20111013 Address after: 201800 Shanghai City, north of the city of Jiading District Road No. 215 Applicant after: Research and Design center, Shanghai Institute of Ceramics Co-applicant after: Shanghai Silicates Institute, the Chinese Academy of Sciences Address before: 1295 Dingxi Road, Shanghai, No. 200050 Applicant before: Shanghai Silicates Institute, the Chinese Academy of Sciences |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110817 |