采用透明电极的垂直型4H-SiC光导开关的研究

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在高功率脉冲应用领域,碳化硅光导开关器件在输出功率和开关频率特性方面具有传统开关器件不可比拟的优势,在近二十年成为国内外研究热点。而国内相关实验研究起步较晚,整体水平不高,还需要持续投入和不断实验。本文结合国内外碳化硅光导开关的研究情况,提出将透明电极材料AZO和Ag镜反射层分别应用到垂直型碳化硅光导开关的阴极与阳极,从而实现垂直型碳化硅光导开关的电极面照射。新型结构可以增大光照面积,同时镜面使得触发激光在碳化硅衬底中光程加倍,进而提高触发激光的利用效率和器件的光饱和速度,最终使得器件在饱和时对入射光功率密度的需求降低50%以上。前期研究表明,AZO导电薄膜的电阻率<5.60×10-6Ω?cm,而且对532nm波长的透过率>95%,因此AZO导电薄膜完全可以满足电极的需求,AZO薄膜的厚度根据折射率设计为增透射膜。器件制作采用厚度465μm钒补偿的c-plane的4H-SiC半绝缘衬底来制作器件,并对主要的工艺过程进行了详细的描述,实验制作得到边长12mm×12mm,光照窗口直径为6mm的目标器件样品若干。利用圆点传输线法,对金属电极的比接触电阻进行测量和拟合,结果表面,碳面和硅面的Ni/SiC比接触电阻均达到了10-4Ω?cm2量级。搭建了无负载的光导开关测试电路,在2kV直流偏压下,对器件进行最小导通电阻测试,结果表明,当532nm(FWHM=10ns)激光的光强达到18.2MW/cm2时得到器件的最小导通电阻7.5Ω;高压测试表明,该器件的最高耐压值为12kV,器件的击穿场强为260kV/cm,等效输出功率高到19.2MW,同时研究发现电极表面的局部热量积累会诱发器件击穿。对同类型器件的测试结果与本文设计的新型结构对比,在光饱和速度及最小导通电阻方面新型结构具有显著的优势。紧接着,本文分析了电路寄生电感对高频测试产生的影响,提出了减小测试误差的方法。建立了光导开关导通时导通电阻的模型,得到了饱和区Rontest1/S的线性关系,通过小孔光照实验,拟合得到了碳化硅衬底在导通时的最小电阻率为0.959Ω?cm,器件在导通过程中,碳化硅衬底电阻率变化了11个数量级,用电阻率计算得到的器件导通电阻<1Ω。最后,总结了该器件结构的性能表现,从结构、材料、测试等几个方面对未来的研究提出了优化和改进的方法。
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