CN112563345B - 一种匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构及光导开关器件和方法 - Google Patents

一种匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构及光导开关器件和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构及光导开关器件和方法，属于脉冲功率技术领域，该外导体电极结构由金属立方体块材构成，在该金属立方体块材表面镀有至少一层金属镀层，且该外导体电极结构的上侧边缘和下侧边缘分别形成倒角结构，有效地降低器件电极边缘的电场强度，在显著增强器件耐压能力的同时，抑制电极边缘损伤的出现，从而提升器件工作时的可靠性和寿命。与此同时，外导体凭借其良好的导热性，能够将器件连续工作时在电极边缘生成的热量快速转移，避免热损伤的出现。

Description

一种匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构及光导开关器件和方法
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构及光导开关器件和方法。
背景技术
随着脉冲功率技术的发展，以固态开关为代表的高功率半导体器件凭借其高能效、高重频、小型化的特点和优势，正逐渐取代着气体开关、真空开关、等离子体开关等传统器件。然而，随着功率的增加，对高功率半导体器件的可靠性和寿命提出了更高的要求。在更高的工作电压和工作电流下，功率半导体器件往往需要承受很高的电场，容易发生沿面闪络或击穿，这严重影响了器件的正常工作，甚至使器件彻底失效。对于平面型光导开关而言，在高偏置电压下器件内部的电场呈现出非均匀分布的特点，尤其在电极的边缘具有极高的电场分布，比器件内部的理论平均电场高2个数量级以上，这使得器件在工作过程中极易在电极边缘积累损伤，在脉冲偏置电压下严重限制了器件的寿命，在直流偏置电压下容易发生电晕放电，严重降低了器件的耐压能力。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构及光导开关器件和方法，有效地降低器件电极边缘的电场强度，在显著增强器件耐压能力的同时，抑制电极边缘损伤的出现，从而提升器件工作时的可靠性和寿命。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构，该外导体电极结构由金属立方体块材制成，在该金属立方体块材表面镀有至少一层金属镀层，且该外导体电极结构的上侧边缘和下侧边缘分别形成倒角结构。
优选地，所述金属立方体块材包括铜、铝、金、银、镍、锗、铂或钯，或者包含铜、铝、金、银、镍、锗、铂或钯的合金材料。
优选地，金属镀层是采用金、银、钛或镍形成。
优选地，假定金属立方体块材的厚度为h，则上侧倒角曲率半径Ru和下侧倒角的曲率半径Rd满足：0<Ru<h，0<Rd<h，且Ru+Rd≤h。
本发明公开了一种含有上述的匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构的光导开关器件，所述光导开关器件的电极至少设置两个，电极位于半导体衬底材料的同侧或者异侧；
所述光导开关器件的电极与所述匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构形成欧姆接触，设接触面为S；且光导开关器件的电极的尺寸和表面积均小于S的尺寸和表面积。
优选地，在半导体衬底材料表面具有单层或多层钝化层。
优选地，半导体衬底材料采用GaAs、GaN、SiC或Si。
优选地，在外导体电极结构与光导开关器件的接触面S倒角边缘处填充均匀的高耐压绝缘材料。
本发明还公开了上述光导开关器件的电场匀化方法，通过改变所述的匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构的倒角的曲率半径实现对光导开关内部电场分布不同程度的匀化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构，构成外导体的材料主要为金属立方体材料，并在其表面镀有至少一层的金属镀层，以便于外导体与光导开关原有电极形成优良的欧姆接触。其次，镀层的存在有效地改善了外导体表面的平整度，并且对内部金属材料起到了保护和抗氧化的作用。再者，构成外导体电极的金属立方体材料，上侧和下侧各棱角均进行倒角处理，倒角能够有效地匀化外导体电极与光导开关原有电极接触面边缘的电场强度。因此，本发明的外导体电极通过对光导开关电场分布的匀化和对电极边缘处高电场的抑制，有效地避免了器件表面的闪络，提高了器件的耐压能力，从而在相同的器件制备工艺和工作条件下显著地提升了光导开关的寿命。
本发明公开的含有上述外导体电极结构的光导开关器件，由于外导体电极的引入实现了对平面型光导开关原有电极的扩展和增厚，显著改变了电极和衬底材料的拓扑结构。基于这种结构，外导体电极对平面型光导开关电场的匀化作用主要表现在三个方面：(1)外导体电极与原有电极所构成的组合电极显著增加了阳极和阴极之间的相对有效面积，使得衬底材料内部电场分布更加均匀；(2)外导体电极与光导开关表面接触边缘半径为Rd的倒角有效降低了电场线在电极边缘的集聚程度，从而显著降低了外导体边缘的电场强度；(3)外导体电极与器件接触面边缘相对于原有电极边缘超出长度为L，等效为长度为L的场板，因此显著降低了器件原有电极边缘的电场，对原有电极起到了保护。(4)外导体凭借其良好的导热性，能够将器件连续工作时在电极边缘生成的热量快速转移，避免热损伤的出现。基于以上特点，对于含有外导体电极的平面型光导开关，衬底材料内部电场强度分布更加均匀，光导开关原有电极边缘的电场强度降低了2个数量级，外导体电极与器件接触面边缘的最大电场强度相对于无外导体光导开关电极边缘的电场强度降低1个数量级。
本发明对于不同电极间距的平面型光导开关，通过改变外导体电极的厚度h和倒角的曲率半径Rd，Ru，可以对器件内电场分布实现不同程度的匀化。
附图说明
图1为外导体电极结构的示意图；
图2为外导体电极结构的三视图；
图3为外导体电极所适用的平面型光导开关结构示意图；其中，(a)为同侧电极；(b)为异侧电极；
图4为含有外导体电极结构的平面型光导开关器件的结构示意图；其中，(a)为同侧电极；(b)为异侧电极。
其中，1为阳极；2为阴极；3为钝化层；4为衬底材料层；5为外导体电极结构。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1和图2所示，构成外导体电极结构的金属立方体块材主要为铜、铝、金或银等电导率良好的金属材料及其合金，此处以铜材料为例。图1中铜材料的表面镀有单层金属镀层，以便于外导体与光导开关原有电极形成优良的欧姆接触。根据光导开关原有电极材料和工艺的不同，金属镀层可以为单层金属镀层或多层金属镀层，金属镀层的材料可以是金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、镍(Ni)等材料。此外，金属镀层的存在有效地改善了外导体表面的平整度，并且对内部金属材料起到了保护和抗氧化的作用。
构成外导体电极结构的金属立方体块材，在其上侧和下侧各棱角均进行倒角处理，其中上侧倒角的曲率半径为Ru，下侧倒角的曲率半径为Rd，设金属立方体材料的厚度为h，则Ru+Rd≤h。圆弧倒角能够有效地匀化外导体电极与光导开关原有电极接触面边缘的电场强度。
图3中(a)和(b)给出了平面型光导开关的结构示意图，其中衬底材料层4为半导体材料，可以为GaAs，GaN，SiC和Si，这里以GaAs为例。金属电极(阳极1和阴极2)通常为多层金属材料，通常由金(Au)、银(Ag)、锗(Ge)、镍(Ni)、钛(Ti)、钯(Pd)等金属材料的某几种构成，与衬底材料层4形成良好的欧姆接触。衬底材料层4的表面制备有质密均匀的单层或多层钝化层3，在起到钝化作用的同时，对器件表面进行了保护，通常具有优良的透光率，以利于光导开关在工作时高效地吸收激光脉冲地能量。
对于GaAs衬底的平面型光导开关，衬底材料层4的厚度H约为600μm，电极厚度he通常在200～500nm。当电极间距较大时(d>2mm)，在这种结构下，无论是共面电极还是异面电极的光导开关，电极的相对有效面积很小，故器件具有极小的等效电容。当通过电极给光导开关施加一定的偏置电压时，考虑到金属良导体中电荷的趋肤效应，从阳极出发假想电场线在阳极边缘处集聚，并向外发散；又由于器件的等效电容极小，仅有部分电场线会回到阴极。因此在电极边缘有着很高的电场强度，并且阳极边缘电场强度会显著高于器件内的理论平均电场1～2个数量级，在器件工作时容易引起闪络和击穿，造成器件彻底失效。
针对上述情形，将图1所示外导体电极与图3所述的平面型GaAs光导开关进行组合，得到的结果如图4中(a)和(b)所示，外导体电极结构5与器件原有的电极实现良好的电接触，外导体电极结构5的顶部(底部)引出镀金导体铜带以便于给光导开关施加偏置电压，外导体电极结构5与器件接触面倒角边缘处可以填充均匀的高耐压绝缘材料作进一步保护。
可见，外导体电极结构的引入实现了对平面型光导开关原有电极的扩展和增厚，显著改变了电极和衬底材料的拓扑结构。基于这种结构，外导体电极结构对平面型光导开关电场的匀化作用主要表现在三个方面：(1)外导体电极结构与原有电极所构成的组合电极显著增加了阳极和阴极之间的相对有效面积，使得衬底材料内部电场分布更加均匀；(2)外导体电极结构与光导开关表面接触边缘半径为Rd的倒角有效降低了电场线在电极边缘的集聚程度，从而显著降低了外导体边缘的电场强度；(3)外导体电极结构与器件接触面边缘相对于原有电极边缘超出长度为L，等效为长度为L的场板，因此显著降低了器件原有电极边缘的电场，对原有电极起到了保护。基于以上特点，对于含有外导体电极的平面型光导开关，衬底材料内部电场强度分布更加均匀，光导开关原有电极边缘的电场强度降低了2个数量级，外导体电极与器件接触面边缘的最大电场强度相对于图3所示的无外导体光导开关电极边缘的电场强度降低1个数量级。
进一步地，对于不同电极间距的平面型光导开关，通过改变外导体电极结构的厚度h和倒角的曲率半径Rd，Ru，可以对器件内电场分布实现不同程度的匀化。
因此，本申请所设计的外导体电极通过对光导开关电场分布的匀化和对电极边缘处高电场的抑制，有效地避免了器件表面的闪络，提高了器件的耐压能力，从而在相同的器件制备工艺和工作条件下显著地提升了光导开关的寿命。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含有匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构的光导开关器件，其特征在于，所述光导开关器件的电极至少设置两个，电极位于半导体衬底材料的同侧或者异侧；
所述光导开关器件的电极与所述匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构形成欧姆接触，设接触面为S；且光导开关器件的电极的尺寸和表面积均小于S的尺寸和表面积；
所述匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构由金属立方体块材制成，在该金属立方体块材表面镀有至少一层金属镀层，且该外导体电极结构的上侧边缘和下侧边缘分别形成倒角结构；
假定金属立方体块材的厚度为h，则上侧倒角曲率半径和下侧倒角的曲率半径满足：
，，且。
2.根据权利要求1所述的含有匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构的光导开关器件，其特征在于，在半导体衬底材料表面具有单层或多层钝化层。
3.根据权利要求1所述的含有匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构的光导开关器件，其特征在于，半导体衬底材料采用GaAs、GaN、SiC或Si。
4.根据权利要求1所述的含有匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构的光导开关器件，其特征在于，在外导体电极结构与光导开关器件的接触面S倒角边缘处填充均匀的高耐压绝缘材料。
5.根据权利要求1所述的含有匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构的光导开关器件，其特征在于，所述金属立方体块材包括铜、铝、金、银、镍、锗、铂或钯，或者包含铜、铝、金、银、镍、锗、铂或钯的合金材料。
6.根据权利要求1所述的含有匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构的光导开关器件，其特征在于，金属镀层是采用金、银、钛或镍形成。
7.权利要求1~6中任意一项所述的含有匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构的光导开关器件的电场匀化方法，其特征在于，通过改变所述的匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构的倒角的曲率半径实现对光导开关内部电场分布不同程度的匀化。
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