CN111584434B - 兆瓦级光导半导体器件及电极连接与绝缘封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种光子微波用兆瓦级光导半导体器件及电极的连接与绝缘封装方法。由绝缘封装盒、正电极、负电极、第二固定板、宽禁带光导半导体晶圆组成。本发明以光导半导体绝缘封装盒为主体结构，通过电极涂敷与绝缘胶灌封，很好的解决了微米级光导半导体器件和外接电极的欧姆接触和耐高压绝缘问题。通过优化电极结构，改进涂敷、灌封方式等措施，解决了光导半导体器件与外接电路的欧姆接触问题，大幅度减少了光导半导体器件的欧姆接触阻抗，同时也保证了欧姆接触的稳定性。本发明可以有效提高在几十ns脉宽、几十kV量级重复频率脉冲高压条件下，光导半导体器件的耐压绝缘特性和系统整体紧凑化程度，实现兆瓦量级光子微波输出。
Description
技术领域
本发明涉及到光学技术、脉冲功率技术、高功率微波技术等领域，具体涉及一种光子微波用兆瓦级光导半导体器件及电极的连接与绝缘封装方法。
背景技术
光导半导体器件是脉冲功率技术领域的关键部件之一，用于产生高功率超短皮秒脉冲。光导器件不仅具有固体器件结构紧凑的优点外，还有其自身独特的优点，如极快的导通时间(皮秒量级)、极小的时间抖动(皮秒量级)、极好的同步精度(皮秒量级)、低导通电感(亚纳亨)、光电隔离等。尤其是在功率容量(数百兆瓦)和重复频率(千赫兹)这两方面，光导器件具有很大的发展前景。这些独特的优点使得光导半导体器件在固态紧凑型脉冲功率源、高功率超宽带微波辐射源、介质壁加速器、大型脉冲功率装置的触发系统、太赫兹辐射等脉冲功率研究领域中有着广阔的应用前景。随着科学技术的发展，尤其是光电技术、微波技术、和激光技术的崛起，人们对光导半导体器件的响应速度、体积重量、工作精度、功率容量、导通电阻等性能指标提出了越来越高的要求。目前，大功率甚至高功率微波的产生方式正在由传统的电真空器件向固态器件转变，采用宽禁带光导半导体产生参数可调的射频和微波是一种全新尝试，具有重要应用前景。在超宽带源和紧凑型脉冲功率系统应用中对比发现，用SiC材料制作的光导半导体器件具有很好的实用性，因为它具有宽禁带、高临界击穿电场、高载流子迁移率、高电子饱和漂移速度、高热导率等诸多优良特性。
通常宽禁带光导半导体晶圆由一对电极和光导晶圆衬底构成。电极上施加偏置电压，入射光辐照晶圆衬底，在两个电极间产生光导电流。根据电极位置，宽禁带光导半导体晶圆可分为同面型和异面型两种。对于同面型，电极位于晶圆的同一个面上，制作简单，触发光入射方向与载流子运动方向垂直，相应速度快。但由于电极在晶圆的同一个面上，容易形成表面局部强电流，造成沿面击穿，绝缘强度较低，很难使器件达到较高的功率容量。异面型电极结构，开关的两个电极分别位于晶圆衬底的上下两侧，相较同面型结构，可以实现器件的“体导通”，充分发挥光导材料的优良特性，同时结构较为紧凑。为了充分发挥晶圆衬底的优良特性，异面型光导结构需要实现良好的电极接触和绝缘封装。光导半导体材料方面，主要缺点在于机械强度较差、耐压能力较弱、对于高压绝缘要求较高，采用绝缘封装技术有利于加强材料机械强度，避免其因电压闪络导致使用寿命下降。接触电极方面，对于电极与半导体材料欧姆接触，以及外电路连接稳固性均有较高要求。因此在研究光导半导体器件自身物理性能的同时，也要对电极欧姆接触工艺、半导体器件总体的封装连接设计及高压绝缘灌封技术开展研究。经绝缘封装与电极优化的光导半导体器件作为脉冲功率系统重要模块，可应用于强流加速器、脉冲功率系统以及高功率微波源等技术领域，具有较好的军事及工业效益，但目前尚未有相关技术方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种用于光子微波的、基于宽禁带光导半导体晶圆的异面型结构电极的光导半导体器件及其外接电极金属化的连接及高绝缘封装方法，通过合理设计解决电极接触问题，降低与外接电极之间的接触阻抗、减少回路连接电感及耐高压绝缘，实现光导半导体器件在皮秒时域内光导电路中的实际应用，使光导半导体器件达到兆瓦级功率容量，为高功率光导微波奠定技术支撑。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种兆瓦级光导半导体器件，由绝缘封装盒1、正电极2、负电极3、第二固定板5，宽禁带光导半导体晶圆6组成。其中，绝缘封装盒1为一个中空的立方体，在立方体的一个侧面开有深凹槽，正电极2和负电极3通过“厂”字形“一”靠左一侧上下表面开设的凹槽卡在深凹槽内，然后被中间具有凸起的第二固定板5压紧固定；正电极2和负电极3均为“厂”字形，在“厂”字形“一”的右端均设置有空心圆柱状接触电极，宽禁带光导半导体晶圆6通过两个空心圆柱状接触电极压紧并电接触良好；在“厂”字形“丿”的下端设置有电极引脚，便于连接外部电路；在“厂”字形的交叉处开有螺纹孔，两个空心圆柱状接触电极之间的压紧程度通过穿过螺纹孔的紧固螺杆调节。在立方体中空的部分填充有绝缘灌封胶，保证两个接触电极与宽禁带光导半导体晶圆6浸渍在绝缘灌封胶里，防止发生电击穿。
进一步地，本发明还具有第一固定板4，正电极2可以根据电路连接需要，通过第一固定板4固定在绝缘封装盒的另一侧。
进一步地，本发明所述绝缘封装盒1、第一固定板4、第二固定板5及紧固螺杆均采用尼龙或聚四氟乙烯，所述正电极2、负电极3均采用黄铜。
进一步地，本发明所述宽禁带光导半导体晶圆6为覆有氧化锌透明电极的SiC宽禁带光导半导体晶圆。
本发明还提供一种如上所述光导半导体器件外接电极的连接与绝缘封装方法，主要由敷着电极处理、导电银胶制备、外接电极涂敷、电极间欧姆接触、欧姆接触金属化、制备绝缘灌封胶、绝缘灌封胶脱泡处理、绝缘灌封胶固化共八个步骤组成，其具体实施方式如下：
(S1)敷着电极处理：先对宽禁带光导半导体晶圆的敷着电极区域(与正电极和负电极接触的区域)进行空气除尘，用4009A防静电光学无尘布配合丙酮对敷着电极区域进行微擦处理，目的是清洁敷着电极表面以便与外接金属电极形成良好的电连接；最后将宽禁带光导半导体晶圆放置在无尘真空干燥箱中进行干燥处理；
(S2)导电银胶制备：所使用的导电银胶型号为EPO-TEK/H20E，由A和B两种组分构成；将A、B两种组分的导电银胶取出，用精密电子称分别对组分A、B进行称重，保证其重量一致，将重量一致的A、B一起倒入洁净的调配皿中，充分搅拌均匀；
(S3)外接电极涂敷：将S2中已制备好的导电银胶均匀涂敷在正、负电极空心圆柱状接触电极的环形接触面上；
(S4)电极间欧姆接触：确保宽禁带光导半导体晶圆敷着电极的环形面与正、负电极环形面同轴，调节紧固螺杆对宽禁带光导半导体晶圆电极与正、负电极空心圆柱状接触电极之间的欧姆接触进行紧固，调节第二固定板5对宽禁带光导半导体晶圆电极的欧姆接触进行进一步加固；
(S5)欧姆接触金属化：将装配好正、负电极和宽禁带光导半导体晶圆的绝缘封装盒整体放入真空干燥箱内进行烘干；待干燥箱内温度自然冷却后，向真空干燥箱内注入纯净的干燥氮气，待与室压平衡时，取出；
(S6)制备绝缘灌封胶：使用的绝缘灌封胶型号为SYLGARD 184，使用的主剂与助化剂的配制比例为1:10，将主剂和助化剂置于洁净的容器皿中，搅拌均匀，直到混合充分为止；
(S7)绝缘灌封胶脱泡处理：将均匀混合后的绝缘灌封胶置于真空箱中，利用真空泵进行真空抽气，待绝缘灌封胶中的所有气泡除净后，取出绝缘灌封胶；
(S8)绝缘灌封胶固化：将脱泡处理后的绝缘灌封胶倒入绝缘封装盒的中空部分，使正电极、负电极以及宽禁带光导半导体晶圆浸渍在绝缘灌封胶里，随后将倒入绝缘灌封胶后的绝缘封装盒再次进行真空脱泡，随后将绝缘封装盒置于真空干燥箱中进行高温固化；待箱内温度自然冷却后取出即可得到最终的光导半导体封装器件。
采用本发明可以达到以下技术效果：
本发明以光导半导体绝缘封装盒为主体结构，通过电极涂敷与绝缘胶灌封，很好的解决了微米级光导半导体器件和外接电极的欧姆接触和耐高压绝缘问题。通过优化电极结构，改进涂敷、灌封方式等措施，解决了光导半导体器件与外接电路的欧姆接触问题，大幅度减少了光导半导体器件的欧姆接触阻抗，同时也保证了欧姆接触的稳定性。本发明可以有效提高在几十ns脉宽、几十kV量级重复频率脉冲高压条件下，光导半导体器件的耐压绝缘特性和系统整体紧凑化程度，实现兆瓦量级光子微波输出。
附图说明
图1为本发明本发明设计的光导半导体封装件的结构示意图，其中图(a)为电极同侧封装图，图(b)为电极异侧封装图；
图2为本发明本发明设计的光导半导体封装件的爆炸图，其中图(a)为电极同侧封装图，图(b)为电极异侧封装图；
图3(a)是本发明光导半导体绝缘封装盒1的结构示意图，图3(b)为结构正视图，图3(c)是沿AA’剖面图，图3(d)为沿BB’剖面图；
图4(a)是本发明正接触电极2的结构示意图，图4(b)为结构正视图，图4(c)为沿AA’剖面图，图4(d)为沿BB剖面图；
图5(a)是本发明负接触电极3的结构示意图，图5(b)为结构正视图，图5(c)为沿AA’剖面图，图5(d)为沿BB’剖面图；
图6(a)是本发明第一固定板结构4的结构示意图，图6(b)为沿AA’剖面图；
图7(a)是本发明第二固定板结构5的结构示意图，图7(b)为沿AA’剖面图；
图8为本发明所述光导半导体器件在实验中得到的输出波形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明由绝缘封装盒1、正电极2、负电极3、第一固定板4、第二固定板5，覆有氧化锌透明电极的SiC宽禁带光导半导体晶圆6组成。其中，绝缘封装盒1为一个中空的立方体，在立方体的一个侧面开有深凹槽，正电极2和负电极3通过“厂”字形“一”靠左一侧上下表面开设的凹槽卡在深凹槽内，然后被中间具有凸起的第二固定板5压紧固定；正电极2和负电极3均为“厂”字形，在“厂”字形“一”的右端均设置有空心圆柱状接触电极，SiC宽禁带光导半导体晶圆6通过两个空心圆柱状接触电极压紧并电接触良好；在“一”靠左的一侧的上下表面开有两个凹槽，在“厂”字形“丿”的下端设置有电极引脚，便于电路固定连接。在“厂”字形的交叉处开有螺纹孔，两个空心圆柱状接触电极之间的压紧程度通过穿过螺纹孔的紧固螺杆调节。在立方体中空的部分填充有绝缘灌封胶，使正电极、负电极以及SiC宽禁带光导半导体晶圆浸渍在绝缘灌封胶里，防止电击穿。
本发明所述绝缘封装盒1、第一固定板4、第二固定板5及紧固螺杆均采用尼龙或聚四氟乙烯，所述正电极2、负电极3均采用黄铜。
图3(a)是本发明光导半导体绝缘封装盒1的结构示意图。其中图3(b)为结构正视图；图3(c)是沿AA’剖面图；图3(d)为沿DD’剖面图。绝缘封装盒1为中空方台结构，沿AA’成轴对称结构。前端面高度为H1，宽度为L1，左端面顶端长度为L2，底座长度为L3，高度为H2，顶端棱边圆角半径为R1，底座后侧棱边圆角半径为R2。内部中空槽底端与绝缘封装盒1底座上端面平齐，前端面长度为L4，高度为H3，空槽深度为L5，正端面空巢四个棱边圆角半径为R3。左右端面分别挖有固定方槽，两方槽沿左右端面方向贯穿，宽度为L5，满足下列关系L5＝(L1-L4)/2，高度为H4，左端面深度为L6，右端面深度为L7。四个完全相同的螺纹孔分别就AA’，DD’成轴对称分布，与AA’距离为L8，与DD’距离为L9，螺纹孔规格为MΦ4，深度为L10。底座后侧挖有两个贯穿通孔，通孔半径为R5，与底座后沿距离为L11，与对称轴面AA’距离为L12。
图4(a)是本发明正接触电极2的结构示意图。其中图4(b)为结构正视图，图4(c)为沿AA’剖面图，图4(d)为沿BB剖面图。正接触电极2主要由空心圆柱电极201，固定孔202，底座203，固定凹槽204，固定梁205和支撑梁206构成。空心圆柱电极201结构沿AA’成轴对称，电极两端与AA’对称面距离为L13。电极201外径为R6，内径为R7，内边缘圆角半径为R8，外边缘圆角半径为R9。固定孔202与空心圆柱电极201通过固定梁205结构进行连接，固定梁205与空心圆柱电极201外切连接。固定梁205宽度L14，厚度为L15，BB’面与支撑梁206边沿距离长度为L16。固定梁205与支撑梁206连接外棱边圆角半径为R10，内棱边圆角半径为R11。固定凹槽204宽度为L17，与支撑梁左边沿距离为L18，半径为R12。底座203与固定孔202通过支撑梁206结构进行连接，支撑梁206宽度为L19，底座203与固定梁205上沿距离为L20，底座203高度为L21，长度为L22，宽度为L23。底座除支撑梁外的三个竖直棱边圆角半径为R13。剖面CC’与BB’的距离为L24。底座203上挖有一贯穿螺纹孔，螺纹孔关于CC’剖面轴对称，距离底座前端面距离为L25，螺纹孔规格为MΦ14，上边缘圆角半径为R15。固定凹槽204位于固定梁205上，用于绝缘封装盒1与正接触电极2的连接固定。固定凹槽204右侧与BB’剖面距离为L26。
图5(a)是本发明负接触电极3的结构示意图。其中图5(b)为结构正视图，图5(c)为沿AA’剖面图，图5(d)为沿BB’剖面图。负接触电极3主要由空心圆柱电极301，螺纹固定孔302，底座303，固定凹槽304，固定梁305和支撑梁306构成。空心圆柱电极301结构沿AA’成轴对称，电极端与AA’对称面距离为L131。电极301外径为R61，内径为R71，内边缘圆角半径为R81，外边缘圆角半径为R91。固定孔302与空心圆柱电极301通过固定梁305结构进行连接，固定梁305与空心圆柱电极301外切连接。固定梁305宽度L141，厚度为L151,，BB’面与支撑梁306边沿距离长度为L161。固定梁305与支撑梁306连接外棱边圆角半径为R101，内棱边圆角半径为R111。凹槽304长度为L171，与支撑梁左边沿距离为L181，螺纹孔规格为MΦ121。底座303与固定孔302通过支撑梁306结构进行连接，支撑梁306宽度为L191，底座303与固定梁305上沿距离为L201，底座303高度为L211，长度为L221，宽度为L231。底座除支撑梁外的三个竖直棱边圆角半径为R131。剖面CC’与BB’的距离为L241。底座303上挖有一贯穿螺纹孔，螺纹孔关于CC’剖面轴对称，距离底座前端面距离为L251，螺纹孔规格为MΦ141，上边缘圆角半径为R151。固定凹槽304位于固定梁305上，用于绝缘封装盒1与负接触电极3的连接固定。固定凹槽304右侧与BB’剖面距离为L261。
图6(a)是本发明第一固定板结构4的结构示意图。其中其中图6(b)为结构俯视图。第一固定板4沿AA’，BB’呈轴对称结构。第一固定板4前端面底边长度为L28，宽度为L29，高度为H6，凸出部分长度为L30，高度为H7。两个通孔关于BB’对称，与BB’对称面距离为L31，通孔半径为R16。
图7(a)是本发明第二固定板结构5的结构示意图。其中其中图7(b)为结构俯视图。第二固定板5沿AA’，BB’呈轴对称结构。第二固定板4前端面底边长度为L281，宽度为L291，高度为H61，凸出部分长度为L301，高度为H71。两个通孔关于BB’对称，与BB’对称面距离为L311，通孔半径为R161。
国防科技大学按本发明所述结构制备了一个基于SiC宽禁带光导半导体晶圆，实现了兆瓦级光子微波光导系统的电极优化连接与绝缘封装。实施实例的响应尺寸为：R1＝3.0mm，R2＝3.0mm，R3＝2.0mm，R4＝3.0mm，R5＝5.5mm，R6＝2.5mm，R7＝3.5mm，R8＝0.2mm，R9＝0.7mm，R10＝3.0mm，R11＝1.0mm，R12＝1.6mm，R13＝2.0mm，R15＝2.0mm，Φ14＝4.0mm，R61＝2.5mm，R71＝3.5mm，R81＝0.2mm，R91＝0.7mm，R101＝3.0mm，R111＝1.0mm，Φ121＝3.2mm，R131＝2.0mm，R151＝2.0mm，Φ141＝4.0mm，R16＝1.75mm，R161＝1.75mm，L1＝30.0mm，L2＝27.0mm，L3＝42.0mm，L4＝20.0mm，L5＝22.0mm，L6＝17.0mm，L7＝2.3mm，L8＝12.5mm，L9＝5.0mm，L10＝8.0mm，L11＝7.5mm，L12＝7.5mm，L13＝3.5mm，L14＝3.0mm，L15＝5.0mm，L16＝20.0mm，L17＝5.0mm，L18＝2.5mm，L19＝3.0mm，L20＝18.5mm，L21＝3.0mm，L22＝8.0mm，L23＝9.0mm，L24＝21.0mm，L25＝2.5mm，L26＝10.0mm，L131＝3.5mm，L141＝3.0mm，L151＝5.0mm，L161＝20.0mm，L171＝5.0mm，L181＝2.5mm，L191＝3.0mm，L201＝18.5mm，L211＝3.0mm，L221＝8.0mm，L231＝9.0mm，L241＝21.0mm，L251＝2.5mm，L261＝10.0mm，L28＝20.0mm，L29＝5.0mm，L30＝5.0mm，L31＝5.0mm，L281＝20.0mm，L291＝5.0mm，L301＝5.0mm，L311＝5.0mm，H1＝30.0mm，H2＝5.0mm，H3＝20.0mm，H4＝5.0mm，H6＝3.0mm，H7＝5.3mm，H61＝3.0mm，H7＝7.0mm。
图8为使用本发明专利得到的光导半导体器件在实验中得到的输出波形。通过设计外界电极结构与绝缘封装，在触发光能量约为25mJ条件下，可以实现高压18kV，高功率10.65MW的兆瓦级光子微波重频输出。
以上所述仅是本发明的一个优选实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种兆瓦级光导半导体器件，其特征在于：由绝缘封装盒(1)、正电极(2)、负电极(3)、第二固定板(5)，宽禁带光导半导体晶圆(6)组成；其中，绝缘封装盒(1)为一个中空的立方体，在立方体的一个侧面开有深凹槽；正电极(2)和负电极(3)均为“厂”字形，正电极(2)和负电极(3)通过“厂”字形“一”靠左一侧上下表面开设的凹槽卡在深凹槽内，然后被中间具有凸起的第二固定板(5)压紧固定；在“厂”字形“一”的右端均设置有空心圆柱状接触电极，宽禁带光导半导体晶圆(6)通过两个空心圆柱状接触电极压紧并电接触良好；在“厂”字形“丿”的下端设置有电极引脚，便于连接外部电路；在“厂”字形的交叉处开有螺纹孔，两个空心圆柱状接触电极之间的压紧程度通过穿过螺纹孔的紧固螺杆调节；在立方体中空的部分填充有绝缘灌封胶，保证两个接触电极与宽禁带光导半导体晶圆(6)浸渍在绝缘灌封胶里，防止发生电击穿。
2.一种根据权利要求1所述兆瓦级光导半导体器件，其特征在于：所述绝缘封装盒(1)、第二固定板(5)及紧固螺杆均采用尼龙或聚四氟乙烯，所述正电极(2)、负电极(3)均采用黄铜。
3.一种根据权利要求1所述兆瓦级光导半导体器件，其特征在于：所述宽禁带光导半导体晶圆(6)为覆有氧化锌透明电极的SiC宽禁带光导半导体晶圆。
4.一种根据权利要求1所述光导半导体器件外接电极的连接与绝缘封装方法，其特征在于：该方法由敷着电极处理、导电银胶制备、外接电极涂敷、电极间欧姆接触、欧姆接触金属化、制备绝缘灌封胶、绝缘灌封胶脱泡处理、绝缘灌封胶固化共八个步骤组成，其具体实施方式如下：
(S1)敷着电极处理：先对宽禁带光导半导体晶圆的敷着电极区域进行空气除尘，用4009A防静电光学无尘布配合丙酮对敷着电极区域进行微擦处理；最后将宽禁带光导半导体晶圆放置在无尘真空干燥箱中进行干燥处理；
(S2)导电银胶制备：所使用的导电银胶型号为EPO-TEK/H20E，由A和B两种组分构成；将A、B两种组分的导电银胶取出，用精密电子称分别对组分A、B进行称重，保证其重量一致，将重量一致的A、B一起倒入洁净的调配皿中，充分搅拌均匀；
(S3)外接电极涂敷：将S2中已制备好的导电银胶均匀涂敷在正、负电极空心圆柱状接触电极的环形接触面上；
(S4)电极间欧姆接触：确保宽禁带光导半导体晶圆敷着电极的环形面与正、负电极环形面同轴，调节紧固螺杆对宽禁带光导半导体晶圆电极与正、负电极空心圆柱状接触电极之间的欧姆接触进行紧固，调节第二固定板(5)对宽禁带光导半导体晶圆电极的欧姆接触进行进一步加固；
(S5)欧姆接触金属化：将装配好正、负电极和宽禁带光导半导体晶圆的绝缘封装盒整体放入真空干燥箱内进行烘干；待干燥箱内温度自然冷却后，向真空干燥箱内注入纯净的干燥氮气，待与室压平衡时，取出；
(S6)制备绝缘灌封胶：使用的绝缘灌封胶型号为SYLGARD 184，使用的主剂与助化剂的配制比例为1:10，将主剂和助化剂置于洁净的容器皿中，搅拌均匀，直到混合充分为止；
(S7)绝缘灌封胶脱泡处理：将均匀混合后的绝缘灌封胶置于真空箱中，利用真空泵进行真空抽气，待绝缘灌封胶中的所有气泡除净后，取出绝缘灌封胶；
(S8)绝缘灌封胶固化：将脱泡处理后的绝缘灌封胶倒入绝缘封装盒的中空部分，使正电极、负电极以及宽禁带光导半导体晶圆浸渍在绝缘灌封胶里，随后将倒入绝缘灌封胶后的绝缘封装盒再次进行真空脱泡，随后将绝缘封装盒置于真空干燥箱中进行高温固化；待箱内温度自然冷却后取出即可得到最终的光导半导体器件。
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