CN112820784A - 一种垂直背入射同面电极高功率光导开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直背入射同面电极高功率光导开关，该光导开关包括：半导体晶片、设于半导体晶片正面的输入电极、输出电极；输入电极与输出电极之间间隔设置，并且相邻边之间相互交错形成交指结构，交指结构为光导开关的赋形照射感光区。本发明通过输入电极与输出电极相邻边之间相互交错形成交指结构，延长了电极之间的接触长度，从而有效降低了光导开关的导通电阻其中，输入电极与所述输出电极可以并排设置，也可以呈环形设置，环形设置的方式在交指结构的基础上再次延长电极之间的接触长度，进一步降低光导开关的导通电阻，大大提高了光导开关的性能。

Description

一种垂直背入射同面电极高功率光导开关
技术领域
本发明属于光导开关技术领域，尤其涉及一种垂直背入射同面电极高功率光导开关。
背景技术
光导开关全称为光电导半导体开关(Photoconductive semiconductorswitches，PCSS)，是利用激光脉冲触发光电导半导体固态开关，具有功率高(MW级)、响应速度快(～10ps-～100ps级)、触发抖动低(ps级)、抗电磁干扰能力强、体积小、易集成等优点，在大电流点火装置、高功率瞬态测试、冲击雷达和电磁干扰等方面有广泛的应用前景。
光导开关有两种工作模式。在非线性(雪崩)工作模式下，一个光子激励多个电子空穴对产生雪崩效应，当激光消失时，雪崩效应仍持续一段时间后结束，称为“Lock on”效应，恢复时间慢，优点是激光激励功率小；在线性工作模式下，光子与激励的电子空穴对一一对应，当激光激励消失时，电子空穴对瞬间符合，缺点是激光激励功率大。
同面电极光导开关的优点是“Triple point”效应小；缺点是电流截面小且不均匀，电流密度高，易损伤；同面电极也易击穿；光程短，导致光量子效率低。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种垂直背入射同面电极高功率光导开关，本发明的技术方案为：
一种垂直背入射同面电极高功率光导开关，包括：半导体晶片、设于半导体晶片正面的输入电极、输出电极；
输入电极与输出电极之间间隔设置，并且相邻边之间相互交错形成交指结构，交指结构为光导开关的赋形照射感光区。
在其中一个实施例中，输入电极为单电极，其中，输入电极与输出电极呈并排设置，或者输出电极设于输入电极内者呈环形设置。
在其中一个实施例中，交指结构中的拐角呈圆角设置。
在其中一个实施例中，半导体晶片位于输入电极与输出电极的下方各开设有金属化的空腔，空腔内填充有焊片，半导体晶片经焊片分别与输入电极、输出电极电连接。
在其中一个实施例中，半导体晶片正面还设有反射膜，反射膜设于交指结构的间隙处。
在其中一个实施例中，半导体晶片背面设有增透膜，增透膜与交指结构的位置相对应。
在其中一个实施例中，半导体晶片正面还设有高压绝缘胶，高压绝缘胶包裹半导体晶片的整个正面、以及设于其上的输入电极、输出电极。
在其中一个实施例中，还包括电容介质、金属地，电容介质设于输入电极与金属地之间，其中，电容介质、金属地设于半导体晶片的周侧，金属地与输入电极之间形成储能电容。
在其中一个实施例中，电容介质为陶瓷衬底，陶瓷衬底与半导体晶片之间还设有导热层。
在其中一个实施例中，输入电极和/或金属地设有用于散热的热管。
在其中一个实施例中，半导体晶片的背面位于赋形照射感光区对应的位置设有波束赋形模块，用于光导开关激励光源的输入与赋形。
本发明与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1)本发明通过输入电极与输出电极相邻边之间相互交错形成交指结构，延长了电极之间的接触长度，从而有效降低了光导开关的导通电阻，其中，输入电极与所述输出电极可以并排设置，也可以呈环形设置，环形设置的方式在交指结构的基础上再次延长电极之间的接触长度，进一步降低光导开关的导通电阻，大大提高了光导开关的性能；
2)本发明通过将交指结构中的拐角设计成圆角，可以有效降低光导开关的打火阈值，提高光导开关性能；
3)本发明在各电极下开设金属化的空腔并填充焊片，半导体晶片经焊片与电极形成良好的欧姆接触，增加电极之间的接触面积，从而也有效降低导通电阻和电流密度，大大提高了光导开关性能；
4)本发明在交指结构中的间隙处设置反射膜，以使激励光束在半导体晶片内形成二次反射，增加光量子效率，同时在半导体晶片的背面，也就是入射激励光束的一侧设置增透膜，减少该侧光反射以提高光量子效率；
5)本发明在半导体晶片的正面电极侧灌封高压绝缘胶，解决了同面电极在高压时容易打火的问题，显著提高了工作电压；
6)本发明在半导体晶片的背面设置电容介质、金属地，使得金属地与电极之间形成储能电容，对光导开关电源实现部分储能和充分交流退耦；
7)本发明通过波束赋形模块实现对光导开关的激励光源的输入与赋形，使得激励光源发射的光束能够将光能集中照射交指结构的区域，从而降低导通电阻；
8)本发明电容介质与半导体晶片之间设置导热层，并且电极、金属地铺设热管，大大提高了光导开关的导热性能。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1A为本发明的一种交指结构并排设置的垂直背入射同面双电极高功率光导开关的器件剖面图；
图1B为本发明的一种交指结构并排设置的垂直背入射同面双电极高功率光导开关的器件正视图；
图2A为本发明的一种垂直背入射同面双电极高功率光导开关中交指结构并排设置的拓扑图；
图2B为本发明的一种垂直背入射同面双电极高功率光导开关中横向长度增加之后并排设置交指结构的拓扑图；
图3A为本发明的一种交指结构环形设置的垂直背入射同面双电极高功率光导开关的器件剖面图；
图3B为本发明的一种交指结构环形设置的垂直背入射同面双电极高功率光导开关的器件正视图；
图4为本发明的一种垂直背入射同面双电极高功率光导开关的模块剖面图。
附图标记说明：
1：半导体晶片；
2：输入电极；
21：第一电极；22：第二电极
3：输出电极；
4：交指结构；
5：焊片；
6：反射膜；
7：增透膜；
8：高压绝缘胶；
9：电容介质；
10：金属地；
11：导热层；
12：热管；
13：波束赋形模块；
14：激励光源；
15：激励赋形波束；
16：带状传输线；
17：+V电压输入。
具体实施方式
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种垂直背入射同面电极高功率光导开关及控制方法作进一步详细说明。
参看图1A和1B，本申请提供了一种垂直背入射同面双电极高功率光导开关，包括：
一种垂直背入射同面电极高功率光导开关，包括：半导体晶片1、设于半导体晶片1正面的输入电极2、输出电极3；
输入电极2与输出电极3之间间隔设置，并且相邻边之间相互交错形成交指结构4，交指结构4为光导开关的赋形照射感光区。
现具体对本实施例进行详细介绍，但不仅限于此。
参看图1A，本实施例的输入电极2为单电极，与输出电极3共平面，形成同面双电极，并且设置于半导体晶片1的正面，本实施例的半导体晶片1为用于光导开关的掺杂宽禁带半导体晶片1，需要说明的是，本实施例半导体晶片1的背面为光导开关输入光束的一侧，而半导体晶片1的正面为与该背面相对应的一侧。
参看图1B，为了降低光导开关的导通电阻，本申请将输入电极2与输出电极3的相邻边之间互相交错形成交指结构4，延长了两个电极之间的接触边界，从而降低了导通电阻。具体的，参看图2A，本实施例的交指结构4可以被设计为“城墙式”的结构，也可以被设计为“波浪式”的结构，其中，“城墙式”的交指结构4在拐角处呈圆角设置，以防止电极之间打火造成光导开关损坏，“波浪式”的交指结构4相比于“城墙式”的结构进一步降低了打火阈值。更为广泛地，交指结构4的形状不仅限于上述两种形状，同样地，还可以为“梯形”、“三角形”等等形状，以延长了两个电极之间的接触边界，从而降低了导通电阻。进一步地，参看图2B，“城墙式”和“波浪式”等交指结构4可在横向长度上延长，进一步降低导通电阻，提高光导开关的性能。
具体地，基于上述“城墙式”、“波浪式”等交指结构4，参看图1B，本实施例的输入电极2与输出电极3可以呈并排设置，除此之外，参看图3A与3B,本实施例的输出电极3可以设于输入电极2内者呈环形设置，但不仅限于此。
参看图1B，为了提高激光照射效率，激光照射采用垂直背入射方式，较垂直正入射方式能够充分激发输入电极2、输出电极3下方掺杂宽禁带半导体晶片1中的载流子。针对掺杂宽禁带半导体晶片1在激励光源14照射时对导通电阻影响权重最大的特点，较优地，参看图4，本实施例在半导体晶片1的背面位于赋形照射感光区对应的位置设有波束赋形模块13，用于光导开关激励光源14的输入与赋形，形成激励赋形光束，从而实现一种赋形条形激光波束照射方法，将光能量有效照射两个电极接触边界的交指结构4区域，提高光能量密度，进一步降低导通电阻。具体地，激励赋形光束具体的形状可以根据具体的交指结构4及电极设计形状进行设计，例如采用如图1B所示的并排设置交指结构4，激励赋形波束15可以采用“笔形”波束，例如采用如图3B所示的环形设置交指结构4，激励赋形波束15可以采用“环形”波束，从而将光能集中照射间隙图案和附近金属电极区域，进一步降低导通电阻。
参看图1A和1B，为了解决同面光导开关电流截面小且不均匀、电流密度高导致易损伤的问题，较以往在金属电极下方刻蚀亚微米至几微米的做法不同，本实施例采用干法和湿法等离子刻蚀组合的刻蚀方法，向下刻蚀几十微米至百微米，并做金属化的欧姆接触，形成金属化的空腔，然后放入定制赋形焊片5与金属电极焊接，增加电极之间的横截面，降低导通电阻，降低电流密度，提高发射功率和电极可靠性。
参看图1A，较优地，在光导开关正面的两个金属电极间隙，即交指结构4的间隙处，镀激光的反射膜6，使得激励赋形光束在宽禁带半导体晶片1内形成二次反射，增加光量子效率。较优地，对应光导开关正面的两个金属电极间隙，即与交指结构4对应，在晶片背面镀激光的增透膜7，减小光反射以提高光量子效率。
参看图1A，针对同面电极在高压时容易打火的问题，在电极正面用高压绝缘胶8进行高压灌封，高压绝缘胶8包裹半导体晶片1的整个正面、以及设于其上的输入电极2、输出电极3。
参看图4，本实施例还提供了基于上述实施例的光导开关模块，其中，该模块还包括电容介质9、金属地10，电容介质9设于输入电极2与金属地10之间，其中，电容介质9、金属地10设于半导体晶片1的周侧，金属地10与输入电极2之间形成储能电容。具体地，输出电极3通过AlN陶瓷带状传输线16输出，电容介质采用陶瓷衬底，陶瓷衬底包括但不仅限于AlN高热导率陶瓷，宽禁带半导体材料晶片安装在包括但不仅限于AlN高热导率陶瓷基座上，AlN陶瓷与金属电极和金属地10电极同时构成高压储能和退耦电容。较优地，为便于散热，陶瓷衬底与半导体晶片1之间还设有导热层11，导热层11可以采用包括但不仅限于高热导率石墨烯材料，晶片通过高热导率石墨烯材料匹配晶片的压紧安装，同样为了散热，输入电极2和/或金属地10设有用于散热的热管12，将热管12与输入电极2和金属地10复合设计。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种垂直背入射同面电极高功率光导开关，其特征在于，包括：半导体晶片、设于所述半导体晶片正面的输入电极、输出电极；
所述输入电极与所述输出电极之间间隔设置，并且相邻边之间相互交错形成交指结构，所述交指结构为光导开关的赋形照射感光区。
2.根据权利要求1所述的垂直背入射同面电极高功率光导开关，其特征在于，所述输入电极为单电极，其中，所述输入电极与所述输出电极呈并排设置，或者所述输出电极设于所述输入电极内且呈环形设置。
3.根据权利要求1或2所述的垂直背入射同面电极高功率光导开关，其特征在于，所述交指结构中的拐角呈圆角设置。
4.根据权利要求1或2所述的垂直背入射同面电极高功率光导开关，其特征在于，所述半导体晶片位于所述输入电极与所述输出电极的下方各开设有金属化的空腔，所述空腔内填充有焊片，所述半导体晶片经所述焊片分别与所述输入电极、所述输出电极电连接。
5.根据权利要求1或2所述的垂直背入射同面电极高功率光导开关，其特征在于，所述半导体晶片正面还设有反射膜，所述反射膜设于所述交指结构的间隙处。
6.根据权利要求5所述的垂直背入射同面电极高功率光导开关，其特征在于，所述半导体晶片背面设有增透膜，所述增透膜与所述交指结构的位置相对应。
7.根据权利要求1或2所述的垂直背入射同面电极高功率光导开关，其特征在于，所述半导体晶片正面还设有高压绝缘胶，所述高压绝缘胶包裹所述半导体晶片的整个正面、以及设于其上的所述输入电极、所述输出电极。
8.根据权利要求1或2所述的垂直背入射同面电极高功率光导开关，其特征在于，还包括电容介质、金属地，所述电容介质设于所述输入电极与所述金属地之间，其中，所述电容介质、所述金属地设于所述半导体晶片的周侧，所述金属地与所述输入电极之间形成储能电容。
9.根据权利要求8所述的垂直背入射同面电极高功率光导开关，其特征在于，所述电容介质为陶瓷衬底，所述陶瓷衬底与所述半导体晶片之间还设有导热层。
10.根据权利要求1或2所述的垂直背入射同面电极高功率光导开关，其特征在于，所述输入电极和/或所述金属地设有用于散热的热管。
11.根据权利要求1或2所述的垂直背入射同面电极高功率光导开关，其特征在于，所述半导体晶片的背面位于所述赋形照射感光区对应的位置设有波束赋形模块，用于光导开关激励光源的输入与赋形。
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