4H-SiC光导开关性能的仿真研究

碳化硅光导开关是相关领域的研究热点,但是文献中对4H-SiC光导开关的理论研究仍然以集总元件模型为主,仅能给出定性结果,典型文献中瞬态条件下的实验数据还没有定量的理论解释。文章使用SilvacoTCAD软件中的器件-电路混合模式,结合自编的载流子迁移率接口程序,对4H-SiC光导开关的光学电学特性进行模拟仿真。单脉冲响应的仿真结果表明,器件在瞬态条件下的峰值光电流随光能的变化与文献中的实验数据相符合,表明所用模型和参数具有合理性。对影响单脉冲响应的主要因素,包括脉冲能量、脉冲宽度、碳化硅厚度,进行了计算和分析。同时,针对两种碳化硅厚度的器件,进行了多脉冲串响应的计算和分析。文章得到的结果和结论对碳化硅光导开关的进一步研究具有较好的参考价值。

大功率光电器件光波导键合技术研究

光导开关是一种新型半导体光电子器件,在光通讯、雷达、微波等领域广泛应用,但在高工作电压的条件下会发生表面击穿等问题,因此需要对其进行封装提高侧面的耐压性能。该文选用光波导的方式对碳化硅晶片进行封装,通过玻璃浆料烧结键合、真空热压键合和光波导胶键合3种方法对小面积的侧面异质键合进行研究。通过3种方法的工艺优化及键合质量性能测试,光波导胶键合方法对激光功率的损耗最小,实现器件耐压值提升至10 kV。

同面电极砷化镓光导开关的导通特性

砷化镓光导开关(GaAs PCSS)作为固态脉冲功率器件,具有可承载高电压、超快速导通、在高重复频率下稳定工作等特点。基于多雪崩电离畴理论,建立了同面电极GaAs PCSS的二维数值计算模型,分析了GaAs PCSS的瞬态导通特性和延迟击穿特性。仿真结果表明,载流子浓度的增加与雪崩电离畴的形成和演化之间存在正反馈环路,促使GaAs PCSS超快速导通;雪崩电离畴的形成和演化会影响PCSS的延迟击穿特性。偏置电压、光照强度、PCSS长度和触发位置均会影响PCSS的延迟时间和导通时间。该结论对GaAs PCSS设计及开展相关实验研究具有参考意义。

低光能触发的砷化镓光导开关导通机理

该文建立了砷化镓(GaAs)光导开关(PCSS)的一维器件仿真模型,研究了低光能触发条件下电流通道内关键物理参数的瞬态变化过程,提出了GaAs PCSS的多雪崩电离畴物理模型,能够自洽地解释低光能触发、超快速导通和电压锁定等开关特征。GaAsPCSS受12 W、905 nm脉冲激光触发后,电流通道内产生多个高场强(200~600 kV/cm)雪崩电离畴,雪崩电离畴随等离子体浓度的提高而发展、湮灭,导致开关延迟3.0 ns后在147 ps内超快速导通。开关导通后,电流通道内仍存在少量雪崩电离畴,使开关导通后电压锁定。雪崩电离畴运动导致GaAs PCSS工作时出现ps级电流振荡现象,分析了振荡信号产生的物理原因。同时,开展了低光能触发条件下GaAs PCSS雪崩导通实验研究。结果表明,当采用50?固态脉冲形成线、4 mm间距异面结构、PCSS工作电压为17.5 kV时,负载输出脉冲峰值功率达MW级,脉冲上升时间约为620ps,最高重频达到20 kHz。

大功率半导体激光器脉冲驱动电源研制

研制了一种大电流、窄脉宽的半导体激光器驱动电源,该驱动电源激励半导体激光器用于驱动砷化镓光导开关。驱动电路采用高速金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为开关,为半导体激光器提供一个前沿快(1.2 ns)、脉宽窄(15 ns)、峰值电流大(72 A)的脉冲驱动电流,并可根据需要调节电路中的参数,获得不同前沿、不同脉宽、不同峰值的电流脉冲。半导体激光器输出的激光脉冲功率可达75 W,上升前沿约3 ns,抖动均方根小于200 ps,可稳定触发工作在非线性模式下的砷化镓光导开关。

异面结构GaAs光导开关耐压特性研究

光导开关用于产生高功率脉冲,提高光导开关的耐压能力可有效提高器件的输出功率。用SILVACO软件对共面和异面电极结构的GaAs光导开关进行了仿真分析,比较了两者的击穿电压,指出异面开关耐压性能优于共面开关。对设计制作的3mm间隙宽度的GaAs光导开关进行了耐压特性试验,并结合模拟结果进行分析。模拟结果和试验结果表明:和共面电极结构相比,异面结构的光导开关具有更高的耐压能力,击穿电场可达7.67 kV/mm。

超快光电导开关瞬态电阻计算方法

应用电磁学原理,研究了光电导开关输出电流中的位移电流和传导电流,认为位移电流可以由内建电场变化和负载分压过程引起。内建电场变化引起的位移电流在大间隙光电导开关中可以忽略;负载分压引起的位移电流能够抑制光电导开关输出电流的变化。横向光电导开关的输出电流主要依赖电极吸收载流子形成的传导电流和负载分压引起的位移电流。建立了基于载流子输运过程与瞬态电磁过程的全电流模型。根据此模型得到了光电导开关瞬态电阻计算方法,与电导率模型相比,该方法可以更精确描述超快光电导开关的瞬态电阻。

砷化镓光导开关中流注890nm辐射的光致电离效应

分析了高增益砷化镓光导开关中流注一端波长890 nm自发辐射的光致电离效应,导出了砷化镓光导开关中流注顶部波长890 nm自发辐射在吸收区域产生的载流子密度分布规律.计算结果表明,紧邻流注顶部处的光生载流子密度最大,波长890 nm自发辐射产生的最大载流子密度比流注内平均载流子密度至少小3个数量级.

砷化镓光导开关中流注辐射实验理论分析

分析了高增益砷化镓光导开关中流注一端的辐射复合实验现象,首次引入了单色光(890 nm)的辐射复合系数,导出了流注顶部的单色光自发辐射公式.比较理论计算结果与实验观测结果,两者很好符合,证明了流注顶部的单色光自发辐射模型的合理性.

砷化镓光电导开关混合工作模式

实验中,当偏置电压达到一定阈值时,串联组合(双层)半绝缘(SemiInsulating,SI)砷化镓(GaAs)光电导开关(PCSS)输出为近似方波的双峰脉冲波形。输出脉冲随外加偏置电压的升高,上升时间基本不变,脉宽和下降时间都略有减小,双峰峰值均明显增大,开关呈现出不同于普通单个(单层)开关独特的实验现象。分析认为:串联组合SI GaAs光电导开关和普通单个开关各处于不同的工作模式中,组合开关工作在介于光激发电荷畴(Photoactivated Charge Domain,PACD)和限制空间电荷积累模式(Limit Space charge Accumulation,LSA)(简称限累模式)之间的混合模式,此工作模式使得组合开关中的电场都被扫进阈值之上的负微分迁移率区,抑制了开关进入非线性模式的锁定状态,工作效率较高;而普通开关则工作在光激发电荷畴模式,开关输出电脉冲波形呈现出典型的非线性锁定特性。

砷化镓光导开关中流注自发辐射实验的理论分析

分析了高增益砷化镓光导开关中流注(即电流丝)一端不同辐射波长的自发辐射实验现象,导出了不同辐射波长的辐射复合系数之间的关系,拓展了电流丝的自发辐射随电流丝电流变化的数学模型.

砷化镓光导开关中电流丝的辐射复合系数研究

应用统计物理方法研究了砷化镓光导开关中电流丝(即流注)的辐射复合系数。通过分析砷化镓光导开关中电流丝一端的自发辐射光谱,依据简单平均法和归一化条件,确定了电流丝辐射波长为890 nm的辐射复合系数为0.118 2,与相关实验测量吻合。

不同激光二极管能量触发下GaAs光导开关研究

Ga As光导开关在较高的场强下可工作于雪崩模式,为此设计了异面体结构的Ga As光导开关以提高开关场强。设计的开关芯片厚度为2mm,电极间隙为3mm,利用半导体激光二极管对开关进行了触发实验。当开关充电电压超过8k V后,开关输出脉冲幅度显著增强,输出脉冲前沿快于光脉冲,开关开始了雪崩工作模式,且随着开关电场不断增加,开关输出电压幅值也线性增加。在不同触发能量下,开关输出电压幅值和波形基本没有改变,但在较高的触发能量和高的偏置电场下,开关抖动较小,实验中开关获得的最小抖动约500ps。

GaAs光导开关耐压试验研究

对设计制作的3mm间隙共面型GaAs光导开关进行了耐压试验研究。试验中比较了光导开关的静态绝缘电阻、暗电流和击穿电压之间的关系,发现在1 kV时暗电流不高于3μA的光导开关在试验中击穿电压都在12 kV左右,这为试验前评价光导开关的耐压性提供了参考依据。采用不同方式对光导开关进行了绝缘保护,并结合介质击穿理论对试验结果进行了分析,结果表明:绝缘保护可以有效提高耐压特性,绝缘强度达4 kV/mm。

光电导开关中的隧穿现象

采用光刻和大气环境下原子力显微镜(AFM)阳极诱导氧化加工相结合的加工方法,加工由Ti-TiOx-Ti纳米级隧道结构成其基本结构的微型光电导开关(PCSS),并对其电特性进行了研究和分析。研究结果表明在大气室温条件下,微型PC-SS的输出特性随氧化物宽度不同而不同,当宽度小于100nm时,其输出特性表现为在一个线性峰值的输出过后,又出现了一个非线性的峰值;在一定条件下Ti-TiOx-Ti纳米级隧道结存在隧穿效应,且其隧穿特性随绝缘金属氧化物的宽度不同而不同。

GaAs光电导开关激子效应的光电导特性

从GaAs光电导开关的激子效应和光激发电荷畴理论基础出发,研究了强电场触发下GaAs光电导开关激子效应的光电导特性;光激发电荷畴与激子效应的相互作用以及激子的形成、传输及离解过程形成自由电子和空穴,为激子激发光电导提供了必要的条件。影响激子效应的光电导特性的主要因素有:激子能级的吸收,束缚激子及光激发电荷畴引起的能带重整化效应,多声子跃迁,束缚激子沿位错线发生分裂和漂移。在上述因素的相互耦合作用下,使得GaAs光电导开关激子效应的光电导呈现出一定的振荡特性。

砷化镓光导开关中的电子雪崩域

分析了高增益砷化镓光导开关中载流子的碰撞电离现象,阐明了光致电离效应和转移电子效应高场畴的意义,揭示了电子雪崩域形成的充分必要条件和载流子的局域雪崩生长特性,理论分析与实验观察一致.

砷化镓光导开关中的有效电流丝段

分析了高增益砷化镓光导开关中电流丝(即流注)顶端1ps的光生载流子密度分布.提出了"有效电流丝段"的概念,导出了有效电流丝段的光致电离效应公式,揭示了电流丝顶部前面最大光生载流子密度只随着电流丝半径变化的规律.

光导开关欧姆接触电阻率测量方法研究

光导开关对重掺杂半导体基底与多层金属电极形成的欧姆接触有很高的要求,欧姆接触的质量直接影响光导开关的效率、增益和开关速度等性能,因此准确地测量光导开关欧姆接触的参数非常重要。文章对适合光导开关的欧姆接触电阻率的测量方法进行了系统的归纳和整理,分析了各种测试方法的优点和局限性,明确了各测试方法的适用范围,对后续测试方法的改进提出了建议。

GaAs光导开关损伤机理研究

光导开关(photoconductive semiconductor switches,PCSS)的损伤分为热击穿和电击穿,2种击穿的原因都由开关基底材料陷阱特性决定,因此对芯片击穿机理与开关制作工艺关系的研究非常重要。文章依据开关芯片的材料特性和半导体工艺知识,研究和分析了光导开关的击穿机理以及开关击穿可能存在的工艺问题。