CN101390223B - 光激发碳化硅高压开关 - Google Patents

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Abstract

一种改进的光电导开关，该光电导开关具有SiC或其他的较宽带隙基片材料比如GaAs、和优选由SiN构成的场分级划线器，该场分级划线器紧挨电极周界或紧挨基片周界而形成于基片上，用于对电场进行分级。

Description

光激发碳化硅高压开关
根据美国能源部与加利福尼亚大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室之间的合约No.W-7405-ENG-48，美国政府对该发明拥有权利。 
在先申请的引用 
本申请要求2005年10月24日申请的美国临时申请No.60/730,161和2006年5月4日申请的美国临时申请No.60/798,016的优先权，通过引用将其内容结合到本文中。 
技术领域
本发明涉及光电导开关，尤其涉及一种光激发的碳化硅(SiC)高压开关。 
背景技术
粒子加速器，比如示例中的介质壁加速器(DWA)，极其依赖能以纳秒精度被激活的高电压、大电流、快速闭合开关。在用最小的电感来处理高电压和大电流、实现快速闭合、精确的瞬间控制和长工作寿命潜力方面，光电导开关是最有前景的。光电导开关是一种技术，其中光能被施加到半导体材料上，并且该光能使半导体内产生使其导电的载流子。 
目前，已用于光电导开关的材料包括硅和砷化镓(GaAs)。使用这些材料的难点在于即使在合适的参数下也存在各种不同的失效机制。此外，这些材料的光吸收深度较低，于是载流子不得不仅在材料块表面下的非常薄的区域中流动。因此，光电导开关的主要问题是由过电压和过电流条件导致的短的使用寿命。 
此外，碳化硅(SiC)长期以来一直是用作光电导开关材料的有希望的候选材料。然而，仅在最近，该特定的材料才被制造成商业可用的尺寸和纯度，从而具有用作高压开关的前景。SiC材料具有比大多数固体材料(～4MV/cm)高的高介电击穿强度、并且其具有高导热率(与铜的导热率相比)、以及较低的光吸收。因此，随着单晶碳化硅的可实用性，获得新种类的开关是可能的。 
虽然SiC是有希望的，但SiC易因电极与光电导基片接触分离处局部产生的高电场而失效。图1所示为本技术领域中已知的一种光电导开关，该光电导开关具有SiC光电导基片10和两个相对电极11和12。图2所示为图1中的间隔A的放大图，图中显示间隔A是在电极与基片表面之间的金属接触处形成的半月面。图3所示为接触面上的电场数值，显示在三相 点处的电场峰值。人们已使用各种方法去降低并最小化该三相点处的电场，比如包括用高介电常数材料填充电极与基片之间的空间。该方法如图4-6所示。与图1类似，图4所示为SiC基片15和两个电极16和17。此外，高介电常数绝缘体18被填入电极与基片之间分离的空间内。三相点处的半月面19如图5所示，其中，该三相点现在包括绝缘体材料18。然而，图6显示，在电极-基片分离的三相点处，虽然电场值更小，但仍有峰。 
因此，目前所需要的是用于高电压领域比如用于粒子加速器的光电导开关，该光电导开关优选用SiC材料或其他的光电导材料比如GaAs来实现，从而最小化或至少降低电极-基片分离点处的高电场值。 
发明内容
本发明一方面包括一种光电导开关，其包括：由带隙宽大于1.6eV的较宽带隙材料构成的光电导基片，所述基片具有两个相对的凹面，和可与光源光学连接的、用于从中接收光能的小平面；和两个用于对基片施加电势的电极，所述电极具有可接触地设置于上述两个凹面上的凸面。 
本发明另一方面包括一种光电导开关，其包括：由带隙宽大于1.6eV的较宽带隙材料构成的光电导基片，所述基片具有相对的电极接触面，和可与光源光学连接的、用于从中接收光能的小平面；两个与基片的电极接触面电连接的电极，用于对基片施加电势；和两个围绕电极接触面形成于基片上的场分级划线器，用于沿电场对其进行分级。 
附图说明
本公开结合的附图说明如下。 
图1所示为本技术领域中已知的SiC光电导开关的侧视图。 
图2所示为图1中间隔A的放大侧视图，图中显示间隔A是三相点处形成的半月面。 
图3所示为沿SiC基片与金属镀层的界面的电场数值的示意图。 
图4所示为本技术领域中已知的SiC光电导开关的侧视图，该开关类似于图1中的开关，并具有填充在电极周界处空间的高介电常数绝缘体。 
图5所示为图4中间隔B的放大侧视图，图中显示间隔B是在三相点处形成的半月面，现已包括绝缘体。 
图6所示为沿SiC基片、金属镀层、和高介电常数绝缘体之间的界面的电场数值的示意图。 
图7所示为基础光电导开关的透视图。 
图8所示为用于转换系统的本发明的光电导开关的示范性实施方式的示意图。 
图9所示为本发明的光电导开关的第一示范性实施方式的上半部分的剖视图，显示上部电极与光电导基片之间的电连接。 
图10所示为本发明的光电导开关的第二示范性实施方式的上半部分的剖视图。 
图11所示为本发明的光电导开关的第三示范性实施方式的上半部分的剖视图。 
图12所示为本发明的光电导开关的第四示范性实施方式的上半部分的剖视图。 
图13所示为本发明的光电导开关的第五示范性实施方式的上半部分的剖视图。 
图14所示为本技术领域中已知的的光电导开关的SiC基片的平面的剖视图。 
图15所示为本发明的光电导开关的SiC基片的平面的剖视图。 
图16所示为本技术领域中已知的光电导开关的光学性能示意图。 
图17所示为本发明的光电导开关的光学性能示意图。 
本发明的光电导开关对如图7所示的基础光电导开关的结构和操作进行了改进，改进处在于使开关能用最小的电感处理高电压和大电流、实现快速闭合、精确的瞬间控制和长工作寿命。因此，本发明的光电导开关具有与如图7所示的基础光电导开关大致相同的结构，其通常具有在两个电极22与23之间的光电导材料21。如果没有光能注入，即在暗处，那么光电导材料是具有较大电阻值(比电路阻抗大的多)的绝缘体，于是该开关实质上会阻断电流。当光能被注入并被光电导材料吸收时，开关电阻跌至较小值(比电路阻抗小得多)，于是该开关导通电流。因此，基础光电导开关实质上是光控电阻。可用的相对短脉冲激光器或其他光源可以以短脉冲方式注入光能，从而使较大的阻断电阻与较小的导通电阻之间的转换时间较易为几个纳秒。 
光电导开关存在多个物理实施方式或几何结构，如图7所示光电导开关是其中的一个，其中相对于半导体材料设置触点或电极。开关的几何结构(电极和半导体材料)由其中将光能施加给开关的方法以及用于开关操作的光电导模式确定。光电导的模式，本征的或非本征的，取决于光子能量与半导体的带隙能量的比率。在本征光电导体中，光子能量大于半导体的带隙能量。在本征的情况中，光吸收深度或光能可透入的深度非常小，为几十个微米的数量级。在非本征的模式中，光子能量小于半导体的带隙能量，于是光能可透入非常大的深度，这取决于半导体中的活性掺杂剂和缺陷密度。 
光电导的这两种模式被进一步用于线性开关系统和非线性开关系统操作。在线性光电导开关中，各个被吸收的光子产生一个电子和一个电子空位或空穴，由此产生的电子和空穴被称为电子空穴对。通过注入充足的光能，使产生的电子和空穴密度足以将开关电阻降低到预 期的电导值。此外，开关闭合的速率取决于光能注入到开关体积内的速率，于是开关的闭合时间近似等于光脉冲的宽度。线性光开关中的电流密度通过光能在开关体积内的分布来确定。 
在本发明中，优选线性、非本征的运行模式，这是因为光吸收深度以及由此而跨越横截面的传导尺寸能通过控制带间掺杂剂的密度来调整。然而，本发明并不限于此。带间掺杂剂的密度也决定了电流载流子(电子和空穴)的最大密度和由此形成的电流密度，在此电流密度下导电成为可能(如果采用线性运行模式，那么电流密度是自身限定的)。该线性运行模式要求各个载流子对通过光子产生，并且不依赖于内部雪崩过程，该雪崩过程已被证实会产生有损触点和材料块的极高密度的电流束。 
优选本发明的光电导开关使用补偿性、半绝缘的碳化硅(CSI-SiC)作为光电导基片，这是因为CSI-SiC被认为是用于高功率光电导开关领域的最佳材料。这是基于如下原因。首先，CSI-SiC具有非常大的介电强度(3MV/m)，从而允许以非常薄的层来承受巨大的电压(GaAs仅能承受约250kV/cm)。CSI-SiC开关需要水平降低的光学闭合能，这是因为其所需的光学闭合能与CSI-SiC材料的厚度成比例。CSI-SiC具有较大的暗电阻(1011-1015Ohm-cm)，从而可低速率地施加电压或充电(GaAs的最大电阻率为～109Ohm-cm)。CSI-SiC具有较大的导热性，从而可以以较高的平均功率运行而没有热诱导的传导(GaAs的导热性仅为SiC的10％)。此外，CSI-SiC的补偿性允许人们对其复合时间、光吸收深度进行设计，从而可对电流密度进行设计。 
基片是选自于由4h SiC、6h SiC、和GaN所构成的组中的补偿性、半绝缘材料。优选基片具有六方晶体结构并从选自于由A平面、C平面和M平面所构成的组中的平面中截取。使用这样的多个叠层可降低微管的长度。优选半绝缘SiC中掺入如下掺杂剂中的至少一种：硼、钒、氮、铝、磷、氧、钨和锌。优选基片中的至少一个非电极面涂有电介质以产生全内反射。 
图8所示为本发明的光电导开关30的示意图和示范性实施方式，该开关经由光纤38与光源37比如激光器相连。该光电导开关包括光电导基片31，该基片具有两个与基片电连接的电极32和33(优选它们相对，但不是必需的)。此外，该光电导开关还包括图中所示的形成于基片上的场分级划线器34和35，以对电场进行分级。 
图9-13所示为电极与基片的电极接触面(例如图11中的63)之间的电连接的各种实施方式。图9显示的电极接触面为平面并且划线器42凹入基片下方。划线器42设在基片和电极周界之间。图10显示了紧挨基片周界/未端的划线器55、56。图11所示为具有两个相对的用于设置凸状电极62的凹面的电极接触面。因此，电极接触面63也是凹形的。图12所示为 与图11类似的开关结构，该开关结构还包括电极周界与基片之间的划线器75。图13所示为与图12类似的开关结构，该开关结构具有紧挨基片周界的划线器。 
光电导开关优选包括：由带隙宽大于1.6eV的材料构成的光电导基片，所述基片具有两个相对的凹面，和可与光源光学连接的、用于从中接收光能的小平面；和两个用于对基片施加电势的电极，所述电极具有可接触地设置于上述两个凹面上的凸面。 
此外，至少一个场分级划线器围绕相应的一个电极接触面形成于基片上，用于沿电场对其进行分级。两个场分级划线器紧挨电极周界。此外，两个场分级划线器形成两个凹面的边沿，用以在电极与基片的间隙处对电场进行分级。优选场分级划线器整体地形成于基片上。 
优选用于场分级划线器的材料是高介电常数材料，或者是导电材料和半导体材料。优选该材料由氮化硅构成。导电材料或半导体材料可形成向基片内延伸约1微米深的基片的掺杂次表层。视需要地，基片可以是多层，该多层具有至少两个被分离层分离的光电导层，该分离层由导电材料或半导体材料构成。 
此外，该光电导开关包括：由带隙宽大于1.6eV的较宽带隙材料构成的光电导基片，所述基片具有相对的电极接触面和可与光源光学连接的用于从中接收光能的小平面；两个与基片的电极接触面电连接的电极，用于对基片施加电势；和两个围绕电极接触面形成于基片上的场分级划线器，用于沿电场对其进行分级。在场分级划线器紧挨电极周界的情况中，优选场分级划线器形成在基片与电极周界之间。此外，两个场分级划线器凹入电极接触面以下。其中，场分级划线器的外表面与电极接触面共面以形成其延伸部分。其中，场分级划线器紧挨基片周界。 
在大多数基片中，其结构内是有缺陷的，比如如图14所示。这些缺陷92可包括孔隙、裂纹等。在SiC的特定平面中，比如图中所示的平面90处，这些孔隙还可以包括“微管”，比如图中所示的微管91。“微管”是指贯穿基片整个长度的狭长的管状孔隙。在将高电压施加到基片上时，经由孔隙的连接或经由微管的完全连接使电弧击穿现象发生在整个长度的器件内。本技术领域的技术人员熟知，因电离产生于孔隙内的带电粒子的加速和碰撞会使孔隙中发生击穿。碰撞产生离子-电子对，由此产生的离子-电子对进一步促进碰撞过程，直至发生完全的雪崩，即电弧。此外，众所周知，带电粒子运行得越短，它们获得的能量越少，于是雪崩发生的概率越小。因此，小的孔隙比大的孔隙具有更小的雪崩效应。然而，除去所有的孔隙是困难的、成本很高的工艺。 
用于隔离孔隙从而降低它们的尺寸的改进如本发明的图15所示。在该结构中，基片被制成层叠结构，比如三层100-102。微管不再能形成贯穿整个基片厚度的完全的连接。此外，大多数孔隙能被制造得更小。 
如图16所示，许多基片对于用于使它们从绝缘态转换到导电态的光能而言是可透过的的。对约1微米的光，上述基片的光吸收深度是1cm的数量级。于是，在较短的光学开关中，大量的输入光能被浪费。基片是昂贵的，因此为使开关有效，较长的光学开关也将是昂贵的。于是，因为成本而不可能允许在加速器中较大阵列地使用这些开关。如图17所示，本发明的示范性实施方式将开关制造成可容纳所有注入光能的空腔。这可通过该方法，比如如图17所示的电介质涂层来实现，通过该电介质涂层制造具有较小尺寸的基片，从而能根据电学要求比如经由开关的电流密度来优化器件的尺寸。 
例如，用于在6H-SiC基片上整体形成场分级划线器的示范性制造工艺如下。首先，用RCA清洁6H-SiC基片。然后，在350℃下，通过等离子体增强的化学气相沉积工艺或PECVD生长技术在6H-SiC基片的表面上制备0.5μm的氮化硅层。在氮化物层的表面上高温(1200℃)生长1μm厚的热氧化层(SiO2)。穿过SiO2和Si3N4层进行反应性离子刻蚀，直至进入6H-SiC基片表面内的约1-2μm处。使用SF6-O2气体的反应性离子刻蚀，将导致在贯穿SiO2、Si3N4 并进入SiC内的刻蚀图案的边缘处产生弧形面。接着，直接在经刻蚀的图案上沉积接触金属层，从而使金属化边缘处的高电场进入热的SiO2层。热氧化层具有比6H-SiC高三倍多的临界电场强度。 
应理解，RCA清洁技术是用于从晶片除去污染物的行业标准。为获得高性能和高可靠性的半导体器件、以及防止加工设备的污染，尤其是高温氧化、扩散、和沉积试管的污染，必须用专门的工艺步骤除去在加工开始时或在加工期间累积的硅片表面上的污染物。RCA清洁步骤具有三个顺序使用的主要步骤：首先用H2O∶H2O2∶NH4OH为5∶1∶1的溶液进行包括除去不溶性有机污染物的有机清洁。接着，用稀释的H2O∶HF溶液进行包括除去薄的二氧化硅层的氧化剥离，该二氧化硅层中积累了上述步骤中产生的金属污染物。最后，用H2O∶H2O2∶HCl为6∶1∶1的溶液进行包括除去离子和重金属原子污染物的离子清除。 
虽然本发明描述了特定的操作程序、材料、温度、参数、以及特定的实施方式，但本发明并不限于此。对本领域的技术人员来说，本发明的某些改进和变换是显而易见的，本发明仅受限于附后的权利要求的保护范围。 

Claims (14)

1.一种光电导开关，其包括：
由带隙宽大于1.6eV的材料构成的光电导基片，所述基片具有至少一个凹面、和与光源光学连接的从中接收光能的小平面；和
两个与所述基片电连接的用于对所述基片施加电势的电极，所述电极中的至少一个电极具有接触地设置在与所述至少一个凹面中所对应的凹面中的凸面，以及
两个在所述基片上形成的、围绕着所述基片的电极接触面的场分级划线器，用于沿电场对其进行分级。
2.如权利要求1所述的光电导开关，其特征在于，所述两个场分级划线器被整体地形成于所述基片上、并且围绕着相对应的电极接触面之一，其中所述电极接触面是相对的表面。
3.如权利要求2所述的光电导开关，其特征在于，所述两个场分级划线器紧挨着所述电极的周界。
4.如权利要求3所述的光电导开关，其特征在于，所述两个场分级划线器形成所述两个凹面的边沿，用于在所述电极与所述基片的间隙处对电场进行分级。
5.如权利要求2所述的光电导开关，其特征在于，所述场分级划线器是高介电常数材料。
6.如权利要求2所述的光电导开关，其特征在于，所述场分级划线器选自于由导电材料和半导体材料所构成的组。
7.如权利要求5所述的光电导开关，其特征在于，所述场分级划线器由氮化硅构成。
8.如权利要求6所述的光电导开关，其特征在于，所述导电材料或半导体材料形成为所述基片的延伸入所述基片内约1微米深的掺杂次表层。
9.如权利要求1所述的光电导开关，其特征在于，所述基片是包含有至少两个被分离层分离的光电导层的多层结构，所述分离层选自于由导电材料和半导体材料所构成的组。
10.如权利要求1所述的光电导开关，其特征在于，所述基片是选自于由4h SiC、6h SiC、和GaN所构成的组的补偿性、半绝缘材料。
11.如权利要求10所述的光电导开关，其特征在于，所述基片是半绝缘SiC，所述半绝缘SiC具有六方晶体结构并沿选自于由A平面、C平面和M平面所构成的组的平面截取。
12.如权利要求11所述的光电导开关，其特征在于，所述基片包括沿C平面截取并彼此补偿的至少两层。
13.如权利要求11所述的光电导开关，其特征在于，所述半绝缘SiC中掺入如下掺杂剂中的至少一种：硼、钒、氮、铝、磷、氧、钨和锌。
14.如权利要求1所述的光电导开关，其特征在于，所述基片中的至少一个小平面涂有电介质以产生全内反射。
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