CN101473451B - 光控碳化硅和相关的宽带隙晶体管以及可控硅元件 - Google Patents

Abstract

一种用于制造功率器件和电路的光活性材料，其与影响功率电子器件和电路的光学控制的传统方法相比具有显著的性能优势。碳化硅光活性材料通过与硼相关的D中心补偿浅施主而形成。由此产生的材料可为n型或p型，但其与其他材料的区别在于，当其被光子能量超过从D中心激发光电子至接近于导带边缘所允许的状态所需的阈值能量的电磁辐射照射时，可在其中导致持续的光电导性，其由多型变化为多型。

Description

光控碳化硅和相关的宽带隙晶体管以及可控硅元件

技术领域

本发明涉及一种先进的微电子(半导体)器件及其制造方法，特别涉及包括光活性材料区域的微电子器件，该光活性材料使该器件在一个波长的光脉冲作用下关闭，然后在第二波长的光脉冲作用下打开。

背景技术

如图1所示的电路广泛应用于将一个电压或电流(通常是DC)转换为三相AC电压或电流(反之亦然)所需的各种器件。例如用于电动汽车的马达驱动、工厂使用的工业电机、公用功率调节系统，这样的静态伏安反应(SVAR)补偿器、整流器和转换器用于高压直流电功率传输，双开关和四开关型的该电路(分别称作“半桥”和“全桥”)广泛应用于国防和民用电子工业的电力供应中。

该电路有六个半导体开关，可以多种形式构造，包括双极结晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘闸双极型晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)、可控硅整流器(SCR)型、矩形脉冲关闭(GTO)型，或静电感应型[2]。现有技术中还有以上器件的许多其他变形。

图1所示的基本的电路模块是双开关半桥相脚(见图2)。图2还示出现有技术的两个缺点。第一个缺点是“高端门驱动器”的问题：上开关S1由与其共同连接负载的门驱动器电路电控制，因此，浮栅驱动是必需的。这增加了系统的复杂性和成本。第二个问题是可能产生错误的门信号，该门信号可引起半桥错误的运行，从而可能导致电路或负载发生故障。这些错误的门信号的来源通常被称为“电磁干扰”或EMI。EMI可有许多来源，并会影响所有器件。但是，在与军事相关的系统中，敌方有意引入的EMI会产生更大的威胁。EMI会影响电路中任意的、所有的开关的运行，包括图2中所示的低端开关S2。

光控电路既解决了高端门驱动器问题，也解决了EMI问题。图3所示为现有技术的另一实施方案，其部分地解决了上述问题。在门驱动器中引入的附加电路被称为光接收器，其采用光纤将中央处理器和图3所示电路中任一开关光连接。通常，光纤连接较少受到EMI，虽然不能避免。不幸的是，为接收器和门驱动器提供绝缘电功率的问题仍然存在。并且门驱动器电路仍容易受到潜在的EMI。无论何时，一系列器件被串联在一起从而使堆的总阻断电压加倍时，前述问题就更为棘手，而这种情况在电子工业装备中很常见。

典型的反应就是，如果可能，去除门驱动器电路。光活性开关的应用是一个解决方案。图4所示为现有技术，其中光活性器件(通常是光触发可控硅元件)由于其不需要门驱动器进行开或“关”而被使用。通常，由激光器(但也可使用其它光能量源)产生的特定波长的光辐射由适当的方式(通常采用光纤电缆)传导至开关。在开关的一部分中产生电子空穴对，对其进行照射，从而将器件导通。主要的局限性在于该开关通常不能利用光关闭，这就解释了可控硅元件的普及主要是由于其通常可以通过被称为整流转换的过程而利用外部电路来切断开关。这大大限制了光触发可控硅元件的在可能使用电路整流转换领域的应用，因此到目前为止，光活性开关主要用于电子工业中；然而，在很多领域并不采用整流转换，其严重限制了现有技术中光活性开关的应用。

光活性BJT，即通常所说的光电晶体管，普遍用于微电子工业器件中，例如“光隔离器”(或简写为″opto-isolators″)和多种光检波器。光电晶体管很少用于图1所示的电路中，而实际是可以应用的。现有技术中的光电晶体管是光触发可控硅元件的一个变形，其中电子空穴对由能量超过晶体管中半导体带隙能的光子的光源产生。BJT的基通常被选作光活性介质。光活性BJT的优势在于：只要有光线照射在BJT基，就可通过晶体管持续传导。当去除光源时，BJT将停止传导电流并及时关闭或“打开”开关。问题在于开关关闭之前的延迟通常是由BJT基中储存的少数载流子的物理性质确定的，其通常可减缓BJT从而获得较好的光学增益[4]。引入杂质可加速光电晶体管的制备，这将导致少数载流子寿命(MCL)变短，但这会对光学增益产生不利的影响。在很多应用中，用于启动并保持传导所需的光能是重要的品质因数，并且越少越好。

在试图利用半导体开关控制大量瞬时功率的发展过程中出现了类似的问题，例如通常所说的脉冲功率发生器。这些系统通常应用于防御和医疗领域。这些领域需要非常快速地开关[5]，从而发展了采用脉冲功率技术的半导体器件，而不是传统功率电子领域中的半导体器件。在脉冲功率领域，在激光照射时关闭、而后以材料的时间常数特征在去除激光照射时打开的开关被称作是以“线性模式”操作[6]。线性模式开关的特点可描述为“光持续”体材料光电导关闭和打开开关。这种开关与光电晶体管有相似之处，此外其结构简单，由具有金属触点的略多余半导体体材料(例如硅或砷化镓)构成，金属触点位于其任一端，以形成欧姆触点，用于和外部电路的开关相连；并且其尺寸典型地较大，从而反映其完全不同的应用领域[7]。然而，在用于开关速度的激光能量方面仍然存在缺陷[8]。

在美国专利号4,825,061中[9]，Schoenbach等人阐述了另一种“光持续”光电导开关，该专利文献公开了体材料光电导器件，其中一个波长的激光脉冲激励了持续的光电导性，在激光脉冲所持续的纳秒级时间结束后，该持续的光电导性还可持续多个毫秒[10]，并且在更长波长的第二“淬灭”激光脉冲作用下结束[11]。Schoenbach等人在该专利文献中利用了1960年发现的光淬火效应，该效应在砷化镓中掺杂铜就会变得很强[12]。人们在1965年就充分认识了如掺杂铜的GaAs及CdS(以上专利文献的基础)的光敏半导体红外光淬火物理现象[13]。Schoenbach等人在以上专利文献中的教导仅限于在体材料光电导开关中应用上述效应，其具体实施方案如参考文献[7]和[9]所述以及图5所示。例如，参考文献[14]和[15]中记载了可用于类似图6中所示的电路的光电导开关，并记载了在脉冲功率领域的通常应用，正如Stoudt等人在美国专利号5,864,166中所描述的[16]。对于实际应用的器件的所有记载仅限于Schoenbach等人在美国专利号4,825,061中所阐述的体材料光电导开关，以及用同样的核心流程制成的体材料光电导开关，所述核心流程为在掺杂了硅的CaAs中通过热扩散补偿铜(GaAs:Si:Cu)而制成体材料半绝缘材料[17]。事实上，美国专利4,825,061并未给出其他实际教导。

与现有技术的脉冲功率开关相比，GaAs:Si:Cu光电导开关的优点在于在具有短寿命的少数载流子的材料中获得较高光电导性增益，从而降低了以下领域中所需消耗的激光功率，该领域要求电流脉冲快速升降数倍并且负载比长期和/或连续变化。然而，如参考文献[14]所述，在GaAs:Si:Cu体材料光电导开关中，仅能控制约为3kV/cm量级的相对较低的平均电场，这是因为基本不稳定性会导致电流超小[18]，从而阻挡了高电压并传导高电流，功率电子工业中所使用的传统半导体器件需要极大的活性区域。因此，抑制激光能量增大需要在功率电子工业领域中应用开关。另一缺点在于，功率电子工业中通常很少选用GaAs，这是因为其热传导性较低等原因。Schoenbach等没有给出可实际应用于功率电子的半导体的更好选择，例如碳化硅。

发明内容

根据一个实施方案，提供了一种集成电路器件，包括：衬底；光活性的半绝缘碳化硅层，其施加在所述衬底上，在所述碳化硅层中形成有与硼相关的D中心缺陷；光传输层，其允许电磁辐射进入所述碳化硅层的表面；以及电磁辐射器件，所述电磁辐射器件配置为将电磁辐射导向所述碳化硅层的所述表面上。

根据另一个实施方案，提供了一种集成电路器件，包括：衬底；漂移层，设置于所述衬底上；通道层，设置于所述漂移层上；光活性的半绝缘碳化硅层，其施加在所述衬底上，在所述碳化硅层中形成有与硼相关的D中心缺陷；光传输层，其允许电磁辐射进入所述碳化硅层的表面；以及电磁辐射器件，所述电磁辐射器件配置为将电磁辐射导向所述碳化硅层的所述表面上。

一方面，与硼相关的D中心被用于补偿碳化硅中的浅施主，从而形成能够呈现持续光电导性的光活性材料，该持续光电导性是由电磁光谱的黄色或绿色部分中的光辐射导致的，该光活性材料还能够采用电磁光谱的近红外至红色部分内的长波光辐射进行同样的持续光电导性的光淬火。通过由硼相关D中心补偿浅施主而使得SiC所有重要的多型(包括但不限于3C、4H和6H)都具有本质上相同的特性。

在多个实施方案中，由D中心补偿的SiC形成的光活性材料结合在以选择方式用于功率电子器件中的多种微电子器件的适当活性区域中。上述方式包括将硼注入碳化硅衬底材料和/或外延材料，然后硼的扩散导致在一维、二维和三维器件结构中通过高温热处理或连续外延生长形成D中心。

在一个实施方案中，由D中心补偿的SiC形成的光活性材料被结合在光控双级结晶体管(BJT)的基中。

在另一实施方案中，由D中心补偿的SiC形成的光活性材料被结合在光控纵向和横向槽结型场效应晶体管(JFET)的通道中。

在另一实施方案中，由D中心补偿的SiC形成的光活性材料被结合在可光控金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的通道中。

在另一实施方案中，由D中心补偿的SiC形成的光活性材料被结合在可光控的可控硅元件的p基中。

在另一实施方案中，由D中心补偿的SiC形成的光活性材料被结合在光控静电感应可控硅元件(也就是通常所说的场控可控硅元件)的p基中形成的通道中。

以上所述的微电子器件及本领域技术人员由该器件的启示所能想到的其他结构，均可结合于功率电子系统，其具有允许开关的纯光控关闭和打开传输的优点，关闭和打开周期的占空比的实质无穷结合的范围从单个关闭光脉冲的数毫秒至更长，如果规律的关闭光脉冲序列照射器件的活性区域从而补充持续的光电导性，则上述周期更长。

进一步的优点和特征将在以下的具体实施方案部分进行描述，并且对于本领域技术人员来说，在阅读以下本发明的实施方案的基础上可以更清楚地了解这些优点和特征。

附图说明

图1为现有技术中三相电机驱动的一般示意图。

图2为现有技术中采用电控门驱动器和电控开关的传统半桥电路的示意图。

图3为现有技术中采用光控门驱动器和电控开关的传统半桥电路的示意图。

图4为现有技术中采用光激励或维持开关的光控半桥电路的示意图。

图5为现有技术中GaAs:Cu:Si光电导开关的示意图(在参考文献[15]之后)。

图6为现有技术在脉冲功率电路中的GaAs:Cu:Si光电导开关中的应用和结果的示意图(在参考文献[15]之后)。

图7为本发明的一个或多个实施方案应用于半桥电路的示意图。

图8为本发明的一个或多个实施方案中所述的光活性材料的带隙的示意图，该材料包含用浅氮施主掺杂并用硼受主和与硼相关的D中心补偿的碳化硅半导体的6H多型(6H-SiC:B:N)。

图9为光电导性循环的示意图，当具有两种不同波长的电磁辐射脉冲持续照射本发明的一个或多个实施方案中所述的光活性区域时，图9所示的循环可能存在于由D中心补偿的SiC:B:N制成的光活性材料中。

图10为根据本发明实施方案的竖直平面双极结晶体管(BJT)的剖视图，其包括从端部照射的SiC:B:N光活性区域。

图11为电荷控制循环的示意图，当具有两种不同波长的激光脉冲持续照射图10所示的双极结晶体管的光活性区域时，图11所示的循环可能存在于由D中心补偿的SiC:B:N制成的光活性材料中。

图12为根据本发明实施方案的竖直沟槽双极结晶体管(BJT)的剖视图，其包括由端部通过在沟槽内制备的损耗波导照射SiC:B:N的光活性区域。

图13为根据本发明实施方案的竖直沟槽双极结晶体管(BJT)的剖视图，其包括由顶部进入在沟槽内制备的损耗波导照射SiC:B:N的光活性区域。

图14为根据本发明实施方案的竖直通道结型场效应晶体管(JFET)的剖视图，其包括由顶部直接照射SiC:B:N的光活性区域。

图15为根据本发明实施方案的横向通道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的剖视图，其包括由顶部直接照射SiC:B:N的光活性区域。

图16所示为本发明的实施方案，其中采用图14所示的光活性器件驱动传统电门功率器件的门。

具体实施方式

本发明提供了用于制造一整类功率器件和集成电路的碳化硅光活性材料，其在需要或益于用纯光闸控制的电路中具有显著优点。该应用的一个实施方案为如图7所示的电路1。该电路是包括两个晶体管开关2的半桥功率电路，一个晶体管开关位于“高端”位置，另一个晶体管开关位于“低端”位置。控制器3驱动电磁辐射4的源，电磁辐射4能产生第一波长的电磁辐射光束5和第二波长的电磁辐射光束6，第一波长小于第二波长。可用由控制器确定的任意序列的光束中的任一束照射高端开关和低端开关。这种半桥电路本身在多种电源中应用或者用作为集成电路的输出级。或者，两个半桥电路可连接在一起，以形成全桥电路(未示出)。或者，三个半桥电路可连接在一起，以形成三相电路，如图1所示。或者，对于本领域的技术人员来说，在以下描述或本发明实施方案的教导下容易想到上述电路的其他互连方式。

一些实施方案中的光活性材料基于任意已知的多型(最常见的是4H-SiC和6H-SiC)的碳化硅半导体。然而，3C-SiC、15R-SiC以及其他多型同样可用。碳化硅是一类具有宽带隙的半导体。例如，在T＝300K时4H-SiC的带隙约为3.2eV，而在T＝300K时6H-SiC的带隙约为2.9eV。SiC也是间接带隙半导体。与窄带隙半导体(如，硅或砷化镓)相比，在典型的较低特定导通电阻条件下宽带隙可进行高电压高温操作。而且，有利地，任何多型的SiC都具有较大的热传导率(至少是GaAs的六倍)。因此，对SiC器件的使用在需要功率半导体器件的领域，如重要的功率电子工业领域中应用日益广泛。

特别地，光活性材料为用浅施主(如氮或磷)掺杂的、并用硼受主及与硼相关的D中心补偿的SiC。图8所示为6H SiC中该材料的一例的带隙10的示意图。6H-SiC具有与价带12能量间隔为2.9eV的导带11。6H-SiC材料在生长过程中掺杂氮，以形成平均低于导带0.1eV的浅施主能级13。无论是在生长过程中，或者更可能是在生长之后，硼被引入6H-1-SiC。硼形成了SiC中杂质中心的两个不同类型。第一类型为在价带之上约0.3eV的硼受主14，其在硼杂质原子在硅空缺位置上替换时形成。第二类型为D中心，其在硼原子在硅空缺位置上替换时形成，该空缺位置是自身点缺陷的更大复合体的一部分，例如所谓的碳空缺Vc。D中心的带隙明显比硼受主的更深，并且任意特定SiC多型都可包含硼受主和D中心的浓缩。借助光学光谱装置并利用热学光谱装置，已将D中心进行了深入的研究。已报道的结果是，价带之上0.73eV的光激活能，以及价带之上0.58至0.63eV的热激活能[19]。图8所示为通过使用参考文献[19]中的双级模式解决该差异，其中，D中心基态15位于价带之上0.73eV，而D中心的第二激发态16位于价带之上约0.58eV。通过该模式可预见与在D中心处的电子和空穴俘获相关的光激活能和热激活能之间所观察到的差异。无论当浅施主态的数目超过硼和D中心受主态的数目总和(在热平衡时该材料为n型)，或是相反的情况时(在热平衡时该材料为p型)，该材料都可以是光活性的。

图9所示为可由光活性SiC:B:N材料激发的光电导性的循环。图9(a)所示为在其高阻态下的平衡p型材料，在该状态下，观察到几乎没有或没有传导性。事实上，所有氮施主态都带正电并因此包括俘获的空穴20。事实上，所有的硼受主态及许多D中心态均带负电，并因此包括俘获的电子21。其余的中性D中心态包括俘获的空穴20。

图9(b)所示为被波长小于580nm的电磁能照射的材料。具有该能量的光子(＞2.14eV)激发过程30，在该过程中电子从D中心基态15被光离子化，在中性D中心中留下自由电子22和俘获的空穴。当波长大于500nm时，硼受主的电子光离子化作用将不会发生。具有该能量的光子还将激发过程31，该过程中俘获的空穴从D中心基态被光离子化，在带负电的D中心中留下自由空穴23和俘获的电子。由于B受主及D中心均具有0.1至I×10^-14cm²之间的相对较大的空穴俘获截面[20]，因此自由空穴可能被这些中心俘获(过程32)，其中这些自由空穴能被另一光子吸收过程31激发而回到价带中。D中心具有更小的电子俘获截面，正如低温下D中心一分钟的光致发光次数显示的那样[19]。因此，不太可能使光离子化的电子被重新俘获。结果是导致如图9(c)所示的持续光电导性(PPC)。当去除电磁辐射源时，光活性材料中保留的空穴通过过程32被D中心及B受主俘获。非平衡自由电子保留在导带中，直到它们通过在6H中在约2.13eV(或4H中，2.34eV[21])集中的光子的宽带的特征发射被D中心俘获(过程未示出)[20]，或者直到它们与由D中心热发射的空穴重新结合(过程34在过程33之后)。已知过程33和34的结合，并称之为热淬火[19]。然而，该过程的时间常数取决于空穴从D中心相对较慢的热发射，大量文献报道，这将在300K和大约10ms的时间尺度下产生(例如[20]和[22])。在该段时间内持续的光电导率比在GaAs:Cu:Si中所观察到的大了约1000倍，因此较之现有技术具有重大进步[10]。

如图9(d)所示，当小于1.77μm但大于0.58μm波长的电磁辐射照射光活性材料时，持续的光电导性可被光淬火。在该能量范围内(0.7＜hv＜2.13eV)的光子激发了过程35而不激发过程30。这意味着由过程33以非常缓慢的速率热发射的空穴将被过程35以更大的速率确定的速率发射。假设再结合过程34与过程32的空穴俘获的速率相当，则将发生PPC的淬火。如果再结合过程明显地慢于空穴俘获，则将不会观察到光淬火。因此，本发明包括这样一种光活性材料，其电子空穴再结合速率与空穴俘获过程32相当或者快于空穴俘获过程32。在这种情况下，该材料将回到图9(e)所示的状态，该状态与图9(a)所示的初始状态基本类似。

图10为包括具有光活性区域的双极结晶体管(BJT)的本发明的一个实施方案的剖视图。该器件在n型传导衬底40上制备。在衬底上外延生长具有足够厚度和掺杂的n型集电极41，从而在该器件处于关闭状态时阻断所需的电压。在此集电极上制备半导体的光活性区域42，其作为BJT的基。制备该光活性材料的方法可以是通过补偿外延层而制备的，该外延层通过以形成D中心的方法引入硼而包含一定浓度的浅施主，如第2002/0149021A1号美国专利申请中所公开的[23]。用硼受主和D中心对层42进行充分的补偿，从而变为高阻抗及p型传导性。n型发射层43是通过外延方式或离子注入方式添加在42层的顶部上的。特别地，该实施方案与图10所示的深台面边缘终止技术相容，将欧姆触点施加于发射层的侧壁钝化介电材料46通过适当顺序的金属层和热处理而形成，从而留下作为发射触点的金属堆44。类似过程被用于衬底40的底部，从而留下作为收集触点的金属堆45。一个波长的光或其它波长的光被引入器件边缘。当光从一侧或多侧通过器件传播时，在光活性区域42内发生过程30或35，其能以改变器件开关状态的方式来改变材料的传导率。在电磁辐射的波长产生了过程30的情况下，该器件状态从非传导(“阻断”)变为传导(“开”)。在电磁辐射的波长只产生了过程35的情况下，该器件状态从传导(“开”)变为非传导(“阻断”)。

本发明的显著优势体现在大尺度的功率器件中激活整个体积的光活性材料的能力。由于辐射的光子能量低于半导体的带隙，所以图9中所示的光电导性循环所描述的电磁辐射的波长称之为低带隙波长。因此，该辐射比高带隙波长的情况被更弱地吸收。进入材料的电磁辐射的特征方程由式(1)给出：

I(x)＝I₀exp(-αx)    (1)，

其中I(x)是指光活性材料42内的点x处的辐射强度，其单位为W/cm²，I₀为辐射引入器件(x＝0)时BJT表面的初始辐射强度，α为特定波长的辐射的吸收系数，其单位为cm^-1。对于低带隙辐射，吸收系数由深能级光电离决定，如D中心。式(2)给出了吸收系数的近似值：

α＝σN_D    (2)，

其中σ为光电离的横截面，单位为cm²，N_D为D中心的数密度，单位为cm^-3。已知对于阈值光子能为0.7eV的硼相关吸收带(即D中心)，有α＝4.17×10^-17cm²[24]。低带隙电磁辐射的特性吸收深度为：

d＝1/α    (3)

图10的实施方案中，通过器件的长度传播电磁辐射，该实施方案要求d与器件的横向尺寸相当，从而使在整个光活性材料中的光子被有效而均匀地吸收。这种较大的距离意味着SiC对于低带隙的波长而言接近透明。典型地，优选为d＞1mm，这意味着N_D＜10¹⁷cm^-3。

为了理解本发明，不能只简单地考虑图9所示的光电导性循环以及Schoenbach在美国专利4,825,061中的教导。在现有技术中没有教导将光活性材料结合到图10所示类型的实际半导体器件中，这是非显而易见的进步。

图11(a)所示为图10所示的实施方案的BJT的一半。用施加于收集触点上的电压Vc及施加于发射触点上的电压V_E说明了BJT，其中Vc＞V_E。光活性材料处于图9(a)所示的准平衡态，并且将因此而使其自由空穴被部分地耗尽，从而留下负空间电荷区60。同样，在形成于两种材料之间的金属相结处与光活性材料相接触的n型材料的自由电子被部分耗尽，从而留下正空间电荷区61。处于该状态的BJT将只允许较小的泄漏电流流向差分电压V_CE＝V_C-V_E高达该器件的介电击穿电压的器件。

图11(b)所示为该器件内的变化，该变化是由通过波长足够短的电磁辐射照射以激发光电离过程30及31而引起的。最终结果是在光活性材料中产生大密度的自由电子及自由空穴。通过漂移和扩散，这些自由载流子在产生电流62的电场中分离。分别漂移到收集和发射触点的电子和空穴被光活性材料中新的光电离物替代。这就导致，相对于已有的当器件处于图11(a)所示的阻断状态的电流而言，更大的电流从集电极流向发射极。由于光吸收过程是现代物理学中熟知的最快的过程之一，所以BJT由阻断状态向导通态的转变可发生在超过电磁辐射脉冲的时间尺度上，这对于纳秒量级的时间不成问题。

最后，电磁辐射脉冲衰减，并且剩余的自由空穴被捕获(图9(b)的过程32)到硼受主及D中心。结果是光活性材料从平衡p型材料光转变为图11(c)所示的非平衡n型材料。光活性材料现在就像作为BJT的p基，其中空穴是固定的(事实上它们的确是固定不动的，这是因为它们已经在空穴陷阱中被捕获)，因此它们不能注入到发射极，并且它们不能与从发射极63射入的电子再结合。图9(c)所示的发射空穴过程33的速率决定了注入电子的损失。由于对D中心而言该速率很低，所以器件在T＝300K保持在图11(c)所示的非平衡态几十ms，并且在该状态下，该器件作为极高增益的BJT，对于其而言，在SiC中当前没有传统的等价物。对于时间长于10ms的传导电流，可按所需的频率使用具有足够短波长的电磁辐射的第二脉冲，以导致过程30和31，从而满足所需的传导时间。

图11(c)所示的非平衡传导状态的持续，可在任何时间命令终止，该终止是通过用具有足以导致图11(d)所示的光活性材料中的过程35的波长的电磁辐射照射器件而实现的。该过程仅产生在价带内且可大量参与三个过程之一的自由空穴。一个过程如图9(b)所示的过程32，被重新俘获。第二个是光电离的空穴漂移和/或扩散至发射层的过程64，其留下负空间电荷的量子。第三个是过程65，其中光电离的空穴与自由电子再结合，既可自发发生，也可在SiC的带隙中的再结合中心的帮助下发生。典型地，后者在诸如SiC的间接半导体内更快，因而可期望其占主导。这样，电子形式的少数载流子电荷很快从光活性材料中耗尽，从而留下负空间电荷区60。同样，自由电子漂移和/或扩散至未从光活性材料中取代的n型材料中的收集触点(过程66)，从而留下正电荷量子；这样，结附近的n型材料的自由电子被同时且快速地耗尽，从而留下正空间电荷区61。因此，该器件恢复到图11(e)所示的阻断状态。

图10所示的实施方案有很多优点，包括制造半导体器件的简单性及器件的活性区域与物理区域相比较大的比例。一个缺点是光从器件边缘到整个光活性材料的体积的有效且均匀的传递问题。

图12所示的实施方案在这方面有所提高。该器件也是BJT，但其具有带槽的横截面而不是平坦的横截面。该器件通过外延生长n型漂移层41而形成于传导n型衬底40上。n型通道层47生长于漂移层41之上，然后，发射层43分别生长在通道层上或注入通道层内。所形成的槽的深度超过了发射层43的厚度。通过适合的掩模材料，硼被注入槽中，并且防止其注入发射层，从而呈现出自对准过程。该实施方案还结合了第6,767,783号美国专利的说明书和权利要求书中所提出的教导[25]。注入硼的区域48表现为选择性地注入槽结构中的硼的固体源。具有足够温度的附加热处理步骤将导致硼扩散进入通道层并引入硼受主和D中心，因此选择性地产生p型光活性材料区域42。用介电材料49的结合体填充沟槽，其有两个目的。其一，绝缘材料提供了形成于发射层和p型光活性材料之间的发射基结的表面钝化和电绝缘。介电堆也在光频率形成电磁辐射的损耗波导，包括红外线带和可见光带。为完成该器件，形成了边缘终止结构，例如图示的具有介电钝化结构46的深台。添加欧姆金属触点，以形成发射触点44和收集触点45。

如图12所示，当电磁辐射束36从器件的一端或两端向下射向沟槽时，其中一些辐射散射到沟槽任一侧上的光活性材料中，产生了依赖于辐射波长的过程30和31或过程35。BJT按本质上与图11所示相同的顺序从非导通态切换到导通态并且回到非导通态。对于本领域技术人员来说，通道指的宽度优选地从一微米到多个微米的范围，这依赖于通道掺杂和电磁辐射的吸收长度。

图10及12所示的实施方案仍需要将电磁辐射从器件的边缘引入，这增加了器件与电磁辐射源之间界面的复杂性。图13是本发明的另一实施方案，其所示出的BJT基本上与图12所示的实施方案类似，不同在于发射触点44具有扇形的开口，从而使电磁辐射可从器件的顶部射入波导49。该辐射再次散射进入光活性材料42，这点也与图12所示实施方案类似。本实施方案和所有用来自顶部的电磁辐射激发的实施方案均与很多不同的边缘终止技术高度相容，其中包括如图13所示的深台面技术，包括(但不限于)多种形式的凸起或埋入的保护环和结终止延伸(JTE)。

然而，如图14所示，另一实施方案改变了BJT器件结构，增加了结式场效应晶体管(JFET)结构。与之前器件一样，在该器件中形成传导衬底40及n型漂移层41。使用了诸如铝的、不同于硼的掺杂物添加重p型材料层50。该层可通过外延方式或注入方式形成。将硼注入物48添加至p型层50的表面。形成穿过p型层的沟槽，并且采用外延方式再生长通道，从而利用留下基本平坦表面的方法填充沟槽并覆盖p型层和硼注入物。在通道的顶部上，还生长重度掺杂的n型层43。该实施方案还结合了参考文献[26]的说明书和权利要求书中的教导。在再生过程中，硼扩散进入生长通道，以形成硼受主和D中心，并将通道转换为p型光活性材料42。将欧姆金属添加到源极层43的顶部和衬底40的底部，从而分别形成源极触点44和漏极触点45。该源极触点通过光刻法构图，以使得窗口打开，从而使电磁辐射通过源极层43并激励光活性材料42进入过程30和31或过程35，这依赖于辐射的波长。这就使器件从非导通态切换到导通态并返回到非导通态，类似于图11所示。源极触点44也与p型层50电接触，以确保源极和该p型层之间的电势为零。

在一些应用中，值得期待的是，漂移区边界处的半导体器件的耗尽部分以及光活性材料不被电磁辐射显著地照射。在图15所示的再一实施方案中，JFET通道区由重度n型材料51缩短。仅通过器件表面的光活性材料42的导通态对通过器件的电流传导进行控制。该实施方案中，窗口在源极触点44和源极层43中均打开。源极材料43和通道层51之间的通道的表面与介电钝化材料46相接触。该实施方案与无栅极的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)类似。穿过源极触点和源极材料的窗口使得光活性材料被来自于顶部的电磁辐射激励，从而使得该器件的操作与图14所示的实施方案相似。

确定本发明是否有实际应用意义需要考虑到是：需要导致器件变化导通状态的电磁辐射每个脉冲的总能量。采用运动学的方法估算品质因数，即每安培电流所需的光能。

由式(4)得出每单位面积的能量：

E/A＝ηq hv N_D    (4)，

其中E/A是电磁辐射每个脉冲的每单位面积的能量，其单位为J/cm²，η为解决各种无效的光激发所需的无量纲倍增因数，q为元电荷＝1.60×10^-19C，hv为每个光子的能量，单位为eV，估计4H-SiC的光子能量为2.4eV，ND为能够被激发产生持续的光电导性的电子的最大有效数密度，单位为cm^-3，其通过光活性材料中的浅施主密度近似得出。

通过利用在持续的光导电性时由器件传导的电流密度对式(4)进行归一化，从而计算品质因数。典型功率器件的额定电流定为2V的正向电压时的电流。若该器件的特定导通电阻大约为4H-SiC功率JFET的现有状态的水平，则ρ_(开)＝2.5mΩ-cm²[27]。该技术预期的额定电流密度为

J＝V_(开)/ρ_(开)＝2V/2.5mΩ-cm²＝800A/cm²。(5)

通过归一化式(4)结合式(5)可得品质因数：

(E/A)/J＝ηqhvN_Dρ_(开)/V_(开)    (6)

对于ρ_(开)＝2.5mΩ-cm²的600-V器件，取修正值N_D＝1×10¹⁶cm^-3，当忽略η时，有(E/A)/J＝2nJ/A。仅为打开优化的材料中，倍增因数η不能小于2，并且如果效率与良好的关闭性能也达到平衡，则倍增因数可达到10。用于维持传导所必需的电磁脉冲频率依赖于热空穴发射率，其在室温下远低于100s^-1[20]。但是当结温度升高时，空穴发射率也升高。当T＝200℃时，空穴发射率将升高约10,000倍，而且特征空穴发射时间变为约1μs。由于典型功率电子器件的重复频率小于1MHz，因此可以假设，在实际应用中，工作温度下电磁辐射多个脉冲之间的时间间隔由空穴发射率决定。1MHz的脉冲重复频率(PRF)乘以品质因数(包括为10的效率乘数)意味着所需要的电磁辐射源的平均功率约为2nJ/A×10×10⁶Hz＝20mW/A。因此，例如100-A的4H-SiC BJT器件在200℃时需要大约2W的光功率来维持传导。这是非常实际的但并不是无关紧要的。

实现与图7具有相同功能的另一个插入应用的方法是将本发明实施方案的小规模器件与传统结构的完整规模功率器件配对。该完整规模的传统器件可由碳化硅制成，或可由硅制成，或可由多种半导体中的另一种材料制成。如果该传统器件是常闭的器件(所谓的“增强型”器件)，则图16所示的电路代表本发明的另一实施方案，这是因为如果图16所示的部件封装在一起，则器件导致了其与图10、12、13、14和15所示的本发明的单片电路实施方案从本质上无法区分。

图16中，具有传统结构的功率器件2可以是BJT、增强型的MOSFET、常闭JFET、矩形脉冲关闭(GTO)可控硅元件或其他任何类似的器件。当电磁辐射脉冲5照射与图14所示的结构类似的光控JFET7时，其将正门偏置切换至来自能量存储网络8的功率器件2，该能量存储网络8包括存储电荷的元件和只允许电流单向流动的元件，例如二极管。该二极管使电存储器件由电压源充电，该电压源由功率器件2开关，但不由功率器件对其放电。连接在门和功率器件的公共终端之间的网络9具有两个功能。第一个功能是，其将可相对于公共终端施加在门上的电压限制为安全值。光控JFET 7帮助其完成该功能，即使当网络8中电荷存储元件上的电压高达功率器件2的额定阻断电压时，光控JFET 7仍能够自限制流向网络9的电流。第二，其为存储在要被放电的功率器件中的电荷保持了从功率器件的门至公共终端的路径。网络9的一个实施例是由电压限制二极管形成的网络，称之为齐纳(Zener)二极管，与电阻器并联连接。可选地，可用类似于电流源的器件替换电阻器，例如具有共同缩短的门和源终端的JFET。当不同波长的脉冲6照射光控JFET 7时，JFET关闭，并且功率器件2的门被网络9放电，以使功率器件关闭。如图16所示，控制器3能够采用光发射器4以图7所示相同的方式控制传统功率器件；虽然有利的是，所需光能量减少。

可以通过考虑减小光控器件相对于完整规模的功率器件的尺寸来估计如图16所示的实施方案的增益。描述功率开关器件的功率处理能力的品质因数是器件的导通电阻R_(开)和门电荷Q_G的乘积，该门电荷Q_G是将该器件转换到R_(开)传导状态所需的电荷。最优的SiC功率JFET器件的R_(开)Q_G乘积在200℃时等于大约5×10^-9ΩC。该功率器件的额定漏电流为I_D＝V_(开)/R_(开)。必须由光控器件提供的平均门电流为I_G＝PRF×Q_G。因此，

R_(开)Q_G＝(V_(开)/PRF)×(I_G/I_D)    (7)，

其中光增益等于光控器件的面积与等价光控器件的面积之比的倒数，该等价光控器件的尺寸与传统功率器件相同，其等于比例I_G/I_D。对于I_G/I_D求解式(7)并假设V_(开)＝2V且PRF＝1MHz，则I_G/I_D＝0.0025。光增益是该比例的倒数，为400。如果在之前的实施例中应用如图16所示的实施方案，则为了开关同样的100A，在200℃时所需的光功率由因数400减小至5mW。能提供该数值的平均功率的脉冲电磁辐射源是易于应用并且价格相对低廉的。

结合上述优点，已对本发明的具体实施方案进行了描述。这些实施方案仅是对本发明的说明性的描述。许多变化和调整对于本领域技术人员来说是显而易见的。

并且，本摘要的目的是使美国专利商标办及普通大众、特别是科学家、工程师及不熟悉专利或法律条款或用语的本领域技术人员通过粗略查看迅速了解该应用的技术启示和本质。摘要并不是打算以任何形式对本发明的范围进行限制。

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Claims (16)

1.一种集成电路器件，包括：

衬底；

光活性的半绝缘碳化硅层，其施加在所述衬底上，在所述碳化硅层中形成有与硼相关的D中心缺陷；

光传输层，其允许电磁辐射进入所述碳化硅层的表面；以及

电磁辐射器件，所述电磁辐射器件配置为将电磁辐射导向所述碳化硅层的所述表面上，

其中，所述电磁辐射器件所产生的电磁辐射至少具有激励所述碳化硅层中的光电导性的第一波长和使所述碳化硅层中的光电导性淬火的第二波长。

2.如权利要求1所述的集成电路器件，其中所述衬底为N型传导衬底。

3.如权利要求1所述的集成电路器件，其中所述衬底为P型传导衬底。

4.如权利要求1所述的集成电路器件，进一步包括：

控制器，连接至所述电磁辐射器件，所述控制器配置为驱动所述电磁辐射器件。

5.如权利要求1所述的集成电路器件，其中所述集成电路器件配置为光控双极结晶体管(BJT)。

6.如权利要求1所述的集成电路器件，其中所述集成电路器件配置为光控结式场效应晶体管(JFET)。

7.如权利要求1所述的集成电路器件，其中所述集成电路器件配置为光控金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

8.如权利要求1所述的集成电路器件，其中所述集成电路器件配置为光控的可控硅元件。

9.一种集成电路器件，包括：

衬底；

漂移层，设置于所述衬底上；

通道层，设置于所述漂移层上；

光活性的半绝缘碳化硅层，其施加在所述衬底上，在所述碳化硅层中形成有与硼相关的D中心缺陷；

光传输层，其允许电磁辐射进入所述碳化硅层的表面；以及

电磁辐射器件，所述电磁辐射器件配置为将电磁辐射导向所述碳化硅层的所述表面上，

其中，所述电磁辐射器件所产生的电磁辐射至少具有激励所述碳化硅层中的光电导性的第一波长和使所述碳化硅层中的光电导性淬火的第二波长。

10.如权利要求9所述的集成电路器件，其中所述衬底为N型传导衬底。

11.如权利要求9所述的集成电路器件，其中所述衬底为P型传导衬底。

12.如权利要求9所述的集成电路器件，进一步包括：

控制器，连接至所述电磁辐射器件，所述控制器配置为驱动所述电磁辐射器件。

13.如权利要求9所述的集成电路器件，其中所述集成电路器件配置为光控BJT。

14.如权利要求9所述的集成电路器件，其中所述集成电路器件配置为光控JFET。

15.如权利要求9所述的集成电路器件，其中所述集成电路器件配置为光控MOSFET。

16.如权利要求9所述的集成电路器件，其中所述集成电路器件配置为光控的可控硅元件。

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