CN111739953A - 一种用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，包括碳化硅光导开关、反射结构；所述碳化硅光导开关包括透明电极、SiC材料衬底、背反电极；所述透明电极、SiC材料衬底、背反电极依次由上向下排列；所述反射结构位于所述透明电极上方；所述反射结构与所述透明电极之间的间距L满足：L<cτ/4，其中，c表示真空中的光速，τ表示高斯光脉冲的半高宽。本发明采用外置的光学结构构成光腔结构，使馈入的激光脉冲难以逸出器件，将未被碳化硅光导开关充分吸收而逸出的激光脉冲能量再次反射至器件内部，增加激光在器件内吸收的光程，能够在实现高的光电转换效率的同时保证器件光电响应。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构。
背景技术
大功率开关器件在高压电网、雷达探测系统和网络通信等领域应用广泛，是电力电子系统的核心元器件，正朝向大功率化、高频化和集成化的方向发展。光导开关(Photoconductive semiconductor switch，PCSS)是脉冲激光器和光电半导体相结合形成的新型器件，通过快激光脉冲在半导体器件体内的产生大量光生载流子、控制材料电导率，通过变化脉冲激光的强度实现对开关电阻的控制，以脉冲激光的触发和湮灭实现开关的关断和导通。与传统功率开关相比，光导开关具有闭合时间快(ps量级)，抖动时间小(ps量级)，GHz重复频率，不受电磁干扰，重量轻，体积小等优点。光导开关相比于电力半导体开关，同时在功率容量(MW)和重复频率(GHz)两方面具有较大的潜在优势。
第三代半导体碳化硅(SiC)具有宽禁带、载流子饱和漂移速度高(2×105m/s)、击穿电场强度高(300kV/mm)、热导率高(500W·m-1·K-1)、快速响应等优点，可制造高温下稳定工作的高重频高效率的高电压大功率器件，应用在以Si和GaAs材料为基体的器件难以胜任的场合，已成为当前制造高压大功率光电子器件、短波长光电子器件和耐复杂高温环境器件最具潜力的半导体材料之一。从20世纪90年代起，随着SiC晶体生长工艺的不断改进，基于半绝缘SiC晶体制备的光导开关在国内外也得到了迅速发展。按照电极相对位置来分，碳化硅光导开关的结构可以分为两类。当两个电极均在同一个面上时，称为平面型光导开关；当两个电极位于衬底相反的两个面时，称为垂直型光导开关(或体结构)。平面型光导开关，一般采用单个光子能量大于其禁带宽度的355nm激光触发，355nm波长在碳化硅衬底的吸收深度约50μm，载流子主要集中在衬底表面，容易发生表面闪络击穿，难以发挥SiC高击穿电场强度优势。体结构光导开关具备更加优良的高电压工作特性，一般采用单个光子能量小于其禁带宽度的532nm激光触发，532nm波长在碳化硅衬底的吸收深度一般为cm量级，触发光束一般需要从衬底的侧面入射，载流子主要在衬底流动，击穿机制一般为衬底击穿。美国利弗莫尔国家实验室J.S.Sullivan报道了一种532nm激光触发的体结构光导开关，1mm厚的衬底在17kV条件下的导通电流高达1.5kA，最小导通电阻约1.03Ω。
上海硅酸盐所研制的采用透明电极体结构碳化硅光导开关，引入具有增透作用的铝掺杂氧化锌(AZO)透明导电电极和具有光反射作用的组合银镜电极，激光从透明导电电极正入射至器件内部，在增大光照的入射面积同时可以将触发激光在器件中的光程加倍，克服了传统的体结构不透明金属电极开关器件内部场强分布不均的问题。开关器件在20mJ激光能量下，导通电阻为7.14Ω。国防科技大学伍麒霖等人应用该结构开关，在30mJ的激光能量触发下，开关电压为18kV，输出电流为591.7A，功率达到10.56MW。
提高激光功率能够增大碳化硅光导开关的输出电流，而目前限制体结构碳化硅光导开关实际大功率应用的是其高激光能量需求。为了充分发挥激光驱动技术的潜在优势，需要在高峰值功率、高效率和紧凑性方面进行创新。为此，SiC光导半导体的光电转换效率至关重要，提高效率的方法主要包括：一是提高内量子效率；改进SiC光导半导体的材料性质，包括控制合理的掺杂浓度及比例、减少制备过程中引入的缺陷能级等，进而改变其载流子特性(如载流子寿命和材料光吸收系数)。二是提高器件外量子效率，由于532nm波长在碳化硅衬底的吸收深度一般为mm～cm量级，这意味着有相当能量的激光没有被衬底充分吸收、直接逸出器件，因此，亟需一种光学结构用于提高碳化硅光导开关的光吸收效率，通过选取合适的传输介质(光纤或光波导)和入射方式，改进光导开关器件结构，使脉冲光源输出的调制激光尽可能地耦合进入光导半导体并被其吸收，在实现高的光电转换效率的同时保证器件光电响应。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，以解决现有技术中存在的技术问题，能够有效减少激光逸出，增加激光在器件中的吸收光程，提升激光的利用比率，在实现高的光电转换效率的同时保证器件光电响应。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，包括碳化硅光导开关、反射结构；所述碳化硅光导开关包括透明电极、SiC材料衬底、背反电极；所述透明电极、SiC材料衬底、背反电极依次由上向下排列；所述反射结构位于所述透明电极上方；所述反射结构与所述透明电极之间的间距L满足：L<cτ/4，其中，c表示真空中的光速，τ表示高斯光脉冲的半高宽。
优选的，所述反射结构上还设有通孔结构，形成中空反射结构；所述通孔结构的孔径由入射激光的光斑半径和碳化硅光导开关材料的光损伤阈值所决定。
优选的，所述中空反射结构的通孔结构内设有光纤，形成光纤馈入中空反射结构，所述光纤能够容纳入射激光的脉冲峰值而不受损伤。
优选的，所述中空反射结构的通孔结构上方设有凸透镜组，形成凸透镜组中空反射结构。
优选的，所述中空反射结构的通孔结构上方设有凹透镜组，形成凹透镜组中空反射结构。
优选的，所述反射结构为金属膜反射镜、介质膜反射镜中的一种。
优选的，所述反射结构采用外置胶封固定的方式固定在所述透明电极的上方；所述反射结构还能通过在所述透明电极上沉积溅射构成反射电极的形式，与所述碳化硅光导开关构成一体式器件；所述反射结构还能采用外置方式。
本发明公开了以下技术效果：
本发明采用外置的光学结构构成光腔结构，使馈入的激光脉冲难以逸出器件，将未被碳化硅光导开关充分吸收而逸出的激光脉冲能量再次反射至器件内部，增加激光在器件内吸收的光程，能够在实现高的光电转换效率的同时保证器件光电响应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构示意图；
图2为本发明实施例一用于碳化硅光导开关光电转换效率验证的电路结构图；
图3为本发明实施例一不同L设置下，负载R上的光电流波形对比图；
图4为本发明实施例二用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构示意图；
图5为本发明实施例二增加反射结构与未加反射结构时，负载R上的光电流波形对比图；
图6为本发明实施例三用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构示意图；
图7为本发明实施例四用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构示意图；
图8为本发明实施例五用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构示意图；
图中，1为透明电极，2为SiC材料衬底，3为背反电极，4为入射激光，5为剩余能量的激光脉冲，6为反射激光脉冲，7为反射结构，8为通孔结构，9为光纤，10为凸透镜组，11为凹透镜组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
参照图1所示，本实施例提供一种用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，包括：碳化硅光导开关、反射结构7；所述碳化硅光导开关包括透明电极1、SiC材料衬底2、背反电极3；所述透明电极1、SiC材料衬底2、背反电极3依次由上向下排列；所述反射结构位于所述透明电极1上方。
所述反射结构7为金属膜反射镜、介质膜反射镜中的一种；能够采用镀金属铝膜的石英基底的反射镜，金属铝反射膜对532nm激光反射率容易做到90％；还能采用贵金属银镀膜，其反射率超过95％；而介质膜反射镜，其理论反射率大于99％。本实施实验采用的是镀金属银膜的石英基底的反射镜，石英厚度为1mm。
进一步地优化方案，所述反射结构7采用外置胶封固定的方式固定在所述透明电极1的上方；所述反射结构7还能通过在所述透明电极1上沉积溅射构成反射电极的形式，与所述碳化硅光导开关构成一体式器件；所述反射结构7还能采用外置方式，方便实验调节。
所述用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构的具体工作原理为：
入射激光4通过透明电极1正入射至SiC材料衬底2内部，经背反电极3再次反射至SiC材料衬底2，实现激光在器件中的光程加倍；未被所述SiC材料衬底2吸收的剩余能量的激光脉冲5从透明电极1逸出，经反射结构7反射后，反射激光脉冲6再次通过透明电极1正入射至SiC材料衬底2内部，实现激光脉冲能量的再次利用，提高光导开关器件的光电转换效率。
反射镜与器件的空间距离L剧烈影响光电转换效率的提升比例和光电响应的一致性。L越小，光电转换效率提升水平越高，同时也能保证优良的光电响应。L较远时，单脉冲激发的光电响应会畸变为双峰电流，双峰间隔时间T表示为：T＝2L/(c)，其中，c表示真空中的光速；为了保证光电转换效率的提高，即提高峰值电流，所述反射结构7与所述透明电极1之间的间距L需满足：L<cτ/4，其中，τ表示高斯光脉冲的半高宽。减小L能够提升光电转换效率(即更高的峰值电流)的增加水平，同时保证较好的光电响应(光电流波形在采用该光学结构的前后保持基本一致)。
为进一步验证本实施例用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构对光电转换效率的增强效果，在所述碳化硅光导开关上施加直流电压偏置V0和负载R，具体电路结构如图2所示；所述透明电极1与所述直流电压偏置V0的正极相连，所述背反电极3通过所述负载R与所述直流电压偏置V0的负极相连，所述反射结构7与所述透明电极1之间的间距为L。通过入射激光4触发导通所述碳化硅光导开关，并测量负载R上的光电流波形。
设置直流电压偏置V0为300V，负载R的阻值为50ohm，入射激光4的波长为532nm、能量为0.15mJ、光信号半高宽1.5ns；不同L设置下，负载R上的光电流波形如图3所示，其中曲线a-e分别为未加反射结构7、L设置为7cm、16cm、30cm、58cm时负载R上的光电流波形。通过图3可知，L越大，被反射结构7反射的激光脉冲所触发的光电流波形越不能很好的叠加在入射激光4所触发的光电流波形上(即曲线a)，导致曲线d和曲线e出现双峰其中，双峰的间隔时间T表示为：T＝2L/(c)；随着L的减小，双峰现象消失，先出现一个电流脉冲展宽的光电流波形，如曲线c所示，光电流波形相比于入射激光4所触发的光电流波形(即曲线a)发生较大畸变，但并未提升光电流的峰值；只有当L被限制的较小的情况下，才能得到较为理想的光电流波形，如曲线b所示，相比于未加反射结构7的光电流波形(即曲线a)，L＝7cm时的光电流波形的峰值电流提高了36％。
实施例二：
参照图4所示，根据实施例一所述的用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，所述反射结构7上还设有通孔结构8，形成中空反射结构；
通孔结构8的孔径由入射激光4的光束光斑半径和光导开关材料的光损伤阈值所决定。有研究表明，透明电极1的SiC材料能够承受的光强峰值功率10MW/cm2。本实施例圆形光斑的半径约为1mm，因此，本实施例实验采用的孔径为1mm；反射结构7的厚度应当做得足够薄，以防止遮挡光束入射至光导开关表面，本实施例实验采用的反射结构7的厚度为1mm。同样的，反射结构7与光导开关器件的空间距离L剧烈影响光电转换效率的提升比例和光电响应的一致性。所述反射结构7与所述透明电极1之间的间距L需满足：L<cτ/4，其中，τ表示高斯光脉冲的半高宽。减小L能够提升光电转换效率(即更高的峰值电流)的增加水平，同时保证较好的光电响应(光电流波形在采用该光学结构的前后保持基本一致)。
所述用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构的具体工作原理为：
入射激光4通过通孔结构8倾斜入射至所述碳化硅光导开关，未被所述SiC材料衬底2吸收的剩余能量的激光脉冲5从透明电极1逸出，经反射结构7反射后，反射激光脉冲6再次通过透明电极1正入射至SiC材料衬底2内部，实现激光脉冲能量的多次吸收，提高光导开关器件的光电转换效率。
为进一步验证本实施例用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构对光电转换效率的增强效果，通过图2所示的电路结构对负载R光电流波形进行测量。
设置直流电压偏置V0为300V，负载R的阻值为50ohm，入射激光4的波长为532nm、能量为0.088mJ、光信号半高宽1.5ns、入射倾斜角为5度；通孔结构8的孔径为1mm，反射结构7的厚度为0.5mm，反射结构7与透明电极1之间的间距为L＝3.5cm，通过入射激光4触发导通所述碳化硅光导开关，并测量负载R上的光电流波形，如图5所示。图5中，曲线m、n分表为未加反射结构7、增加带有通孔结构8的反射结构7的情况下负载R上的光电流波形图；曲线m’、n’分别为曲线m、n的归一化波形；通过对曲线m、n进行比较，可得，曲线n的峰值电流相对于曲线m提高了55％；通过对曲线m’、n’进行比较，可得，曲线m’、n’波形重叠。因此，在L满足：L<cτ/4的情况下，反射结构7能够在不影响光电响应(输出光电流波形)的同时，大比例提升光电转换效率(光电流峰值)。
实施例三：
参照图6所示，根据实施例二所述的用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，所述中空反射结构的通孔结构8内设有光纤9，形成光纤馈入中空反射结构，所述光纤9根据实际应用进行选择，需选取能够容纳入射激光4的脉冲峰值而不受损伤的光纤，本实施例采用多模光纤，光纤芯径＞100um。
所述用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构的具体工作原理为：
光纤9穿过通孔结构8，将高功率激光脉冲辐照到碳化硅光导开关的透明电极1，经过透明电极1进入碳化硅光导开关器件内部，激光脉冲受背反电极3反射逸出碳化硅光导开关器件后，再次受反射结构7的反射作用辐照进入碳化硅光导开关器件内部，增加激光脉冲在SiC材料衬底2内的吸收光程，提高光导开关器件的光电转换效率。
实施例四：
参照图7所示，根据实施例二所述的用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，所述中空反射结构的通孔结构8上方设有凸透镜组10，形成凸透镜组中空反射结构。
进一步地优化方案，所述凸透镜组10采用标准正透镜，如平凸透镜、双凸透镜；所述凸透镜组10还能采用外形透镜、弯月形透镜和多元件透镜系统。
所述用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构的具体工作原理为：
大光斑的入射激光4通过凸透镜组10缩小为小光斑，并穿过通孔结构8辐照到碳化硅光导开关的透明电极1，经过透明电极1进入碳化硅光导开关器件内部，激光脉冲受背反电极3反射逸出碳化硅光导开关器件后，再次受反射结构7的反射作用辐照进入碳化硅光导开关器件内部，增加激光脉冲在SiC材料衬底2内的吸收光程，提高光导开关器件的光电转换效率。
实施例五：
参照图8所示，根据实施例二所述的用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，所述中空反射结构的通孔结构8上方设有凹透镜组11，形成凹透镜组中空反射结构。
进一步地优化方案，所述凹透镜组11采用标准负透镜，如平凹透镜、双凹透镜；所述凹透镜组11还能采用外形透镜、弯月形透镜和多元件透镜系统。
所述用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构的具体工作原理为：
小光斑的入射激光4通过凹透镜组11汇聚在通孔结构8处，利用凹透镜组11的散焦性能，扩大光斑，改变入射激光4的传播方向，辐照到碳化硅光导开关的透明电极1，经过透明电极1进入碳化硅光导开关器件内部，激光脉冲受背反电极3反射逸出碳化硅光导开关器件后，再次受反射结构7的反射作用辐照进入碳化硅光导开关器件内部，增加激光脉冲在SiC材料衬底2内的吸收光程，提高光导开关器件的光电转换效率。
本发明通过通孔结构馈入入射激光脉冲，而器件反射的激光脉冲会被反射结构再次反射进入器件内、难以逸出，构成光腔结构，增加激光在器件衬底材料内的吸收光程，增大光电转换效率。
通孔结构馈入激光脉冲的方式能够采用直接倾斜角馈入，光纤馈入和透镜组辅助馈入的方式实现。其馈入方式根据实际需求和器件情况进行调整，采用单一馈入方法，还能够组合使用不同的馈入方法实现激光的有效馈入，组成光腔结构，增加激光在器件衬底材料内的吸收光程，增大光电转换效率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，其特征在于，包括碳化硅光导开关、反射结构(7)；所述碳化硅光导开关包括透明电极(1)、SiC材料衬底(2)、背反电极(3)；所述透明电极(1)、SiC材料衬底(2)、背反电极(3)依次由上向下排列；所述反射结构位于所述透明电极(1)上方；所述反射结构(7)与所述透明电极(1)之间的间距L满足：L<cτ/4，其中，c表示真空中的光速，τ表示高斯光脉冲的半高宽。
2.根据权利要求1所述的用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，其特征在于，所述反射结构(7)上还设有通孔结构(8)，形成中空反射结构；所述通孔结构(8)的孔径由入射激光(4)的光斑半径和碳化硅光导开关材料的光损伤阈值所决定。
3.根据权利要求2所述的用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，其特征在于，所述中空反射结构的通孔结构(8)内设有光纤(9)，形成光纤馈入中空反射结构，所述光纤(9)能够容纳入射激光(4)的脉冲峰值而不受损伤。
4.根据权利要求2所述的用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，其特征在于，所述中空反射结构的通孔结构(8)上方设有凸透镜组(10)，形成凸透镜组中空反射结构。
5.根据权利要求2所述的用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，其特征在于，所述中空反射结构的通孔结构(8)上方设有凹透镜组(11)，形成凹透镜组中空反射结构。
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，其特征在于，所述反射结构(7)为金属膜反射镜、介质膜反射镜中的一种。
7.根据权利要求6所述的用于提高碳化硅光导开关光电转换效率的光学结构，其特征在于，所述反射结构(7)采用外置胶封固定的方式固定在所述透明电极(1)的上方；所述反射结构(7)还能通过在所述透明电极(1)上沉积溅射构成反射电极的形式，与所述碳化硅光导开关构成一体式器件；所述反射结构(7)还能采用外置方式。
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