CN115020515B - 基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关，包括有屏蔽盒，屏蔽盒内部设置有多通道导电开关单元，屏蔽盒顶部的开口处设置有位相型触发光栅系统，位相型触发光栅系统位于多通道导电开关单元上方。该多通道砷化镓光电导开关，能够降低开关的暗态电流，抑制表面闪络的发生，提升开关的耐压能力。

Description

基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关

技术领域

本发明属于高功率超快半导体光电器件技术领域，具体涉及一种基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关。

背景技术

砷化镓光电导开关技术被广泛地应用于介质壁加速器，太赫兹辐射源，生物电学，超宽带脉冲源，武器点火，X射线飞秒条纹相机和环境保护等方面。砷化镓光电导开关与传统的纯电学的开关技术相比，具有相应速度快，抖动小，重复频率高，暗态电阻大和寄生电感电容小等优点。目前砷化镓光电导开关主要有两种工作模式：线性工作模式和高倍增工作模式。在高倍增工作模式下，其需要的触发光能将比线性工作模式下小三到五个数量级，为弱光触发奠定了基础。目前的研究结果显示开关的偏置电压越高，则需要的触发光能越小，砷化镓光电导开关高倍增工作模式的光能阈值与电场阈值成反比例的关系。且在砷化镓光电导开关的高倍增猝灭模式下偏置电压越高，其输出的电脉冲的脉宽越短。总之，砷化镓光电导开关在高偏置电压下工作具有很多益处，而且耐压能力为高功率脉冲开关技术的重要参数之一。尽管砷化镓材料的本征击穿电场达到250kV/cm，但是砷化镓光电导开关往往在40kV/cm左右就会发生表面闪络，导致开关损坏，这极大的影响了砷化镓光电导开关的发展。研究显示砷化镓光电导开关表面闪络现象的发生的初始电子来源于电极金属，砷化镓和绝缘介质的三结合处，然后在电场的作用下轰击半导体表面，从而导致二次电子发射，进而电子倍增，闪络发生；贯穿阶段为绝缘材料表面解吸附气体层的击穿。因此抑制砷化镓光电导开关的表面闪络成为提高其耐压能力的关键。另一方面，当砷化镓光电导开关工作于高倍增工作模式下时，开关导通时其内部将会形成电流丝，而电流丝的直径非常小，导致其绝大部分的材料并没有起到有效的通流作用。在触发光方面，对于多个砷化镓光电导开关往往采用多个激光器同步触发，激光的同步性将对开关的同步性产生影响，且实验表明提升触发脉冲激光的峰值功率密度将有助于降低其阈值电场，提高光能的利用率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关，能够降低开关的暗态电流，抑制表面闪络的发生，提升开关的耐压能力。

本发明所采用的技术方案是，基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关，包括有屏蔽盒，屏蔽盒内部设置有多通道导电开关单元，屏蔽盒顶部的开口处设置有位相型触发光栅系统，位相型触发光栅系统位于多通道导电开关单元上方。

本发明的特征还在于，

位相型触发光栅系统包括由上至下依次设置的滤光片及相位光栅。

多通道导电开关单元包括由下至上依次设置的支撑层、砷化镓层，砷化镓层的上表面设置有两个金属电极，两个金属电极之间设置有两组侧墙单元，两组侧墙单元之间刻蚀有若干个沟道，相位光栅的狭缝与沟道一一对应；

包括有保护层，保护层沉积在除两个金属电极及两组侧墙单元外的砷化镓层上表面，若干个沟道表面覆盖有保护层；保护层上表面沉积有绝缘隔离层。每组侧墙单元有一个或多个侧墙组成，侧墙的材质为二氧化硅。

支撑层及绝缘隔离层的材质均为二氧化硅；保护层的材质为三氧化二砷、五氧化二砷或三氧化二镓。

金属电极为Ni/AuGe/Ni的金属淀积层。

沟道的形状为中间为条形，两端逐渐收窄，沟道的端部与侧墙之间有缝隙。

本发明的有益效果是：

本发明的多通道砷化镓光电导开关能够抑制其砷化镓光电导开关表面闪络的发生，提升砷化镓光电导开关的耐压能力；增加砷化镓光电导开关的工作通道，降低其通态电阻；使用位相光栅进行等能分光同步触发，消除触发光的抖动，同时增强触发光能的单位面积上的峰值功率，降低其在高倍增工作模式下的电场阈值，降低开关的整体通态电阻，最终实现砷化镓光电导开关整体性能的提升。

附图说明

图1为本发明基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关的结构示意图；

图2为图1的A_A方向剖面结构示意图；

图3为图1的B_B方向部分剖面结构示意图；

图4为本发明多通道砷化镓光电导开关中的多通道导电开关单元的俯视图。

图中，1.位相型触发光栅系统，2.多通道导电开关单元，3.屏蔽盒；

1-1.滤光片，1-2.光栅；

2-1.支撑层，2-2.砷化镓层，2-3.金属电极，2-4.侧墙单元，2-5.沟道，2-6.保护层，2-7.绝缘隔离层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关，如图1-4所示，包括有(没有盖板的)屏蔽盒3，屏蔽盒3内部设置有多通道导电开关单元2，屏蔽盒3顶部的开口处设置有位相型触发光栅系统1，位相型触发光栅系统1位于多通道导电开关单元2上方。

位相型触发光栅系统1包括由上至下依次设置的滤光片1-1及相位光栅1-2，相位光栅1-2的狭缝数与通道数相同，一束激光经过透射式相位光栅1-2，在单缝衍射中央包含至少9条主极大的亮条保护层纹，使点光源变为线光源，且这9条亮条纹和多通道一一对应，从而多通道的激光触发光更均匀，同步性更好。

多通道导电开关单元2包括由下至上依次设置的支撑层2-1(厚度为1μm，主要起到结构支撑的作用)、砷化镓层2-2，砷化镓层2-2的上表面设置有两个金属电极2-3，两个金属电极2-3之间设置有两组侧墙单元2-4，两组侧墙单元2-4之间刻蚀有若干个沟道2-5，相位光栅1-2的狭缝与沟道2-5一一对应；

光栅作为一种分光元件，利用其衍射效应可以将一束入射光分成多束光，衍射强度随着衍射级数的增大而减小。而位相光栅可以通过调节光栅的结构，使在一定区域内衍射强度不随衍射级次而变化。总共分为两层，最外一层为相应触发光波长的滤光板，确保开关不受自然光的干扰。第二层为位相光栅，对应不同的波长调节光栅的结构使衍射的光束的强度不随级数的增加而减弱，确保形成等强度的9条触发光线，并与砷化镓材料的9条缝隙相对应。

包括有保护层2-6，保护层2-6沉积在除两个金属电极2-3及两组侧墙单元2-4外的砷化镓层2-2上表面，若干个沟道2-5表面覆盖有保护层2-7填满；保护层2-6上表面沉积有绝缘隔离层2-7，绝缘隔离层2-7填满若干个沟道2-5。

砷化镓层2-2为衬底，厚度为0.6mm，其电阻率高于10⁷Ω·cm。

每组侧墙单元2-4有一个或多个侧墙组成，侧墙的材质为二氧化硅，高度为10μm。

两组侧墙单元2-4在两个金属电极之间，每一个侧墙单元2-4距对应的金属电极2-3之间的距离为0.1mm，侧墙位于砷化镓材料之上。在电极前形成一个或多个侧墙，能够抑制电子崩的形成和发展，从而提升开关的耐压能力。

支撑层2-1及绝缘隔离层2-7的材质均为二氧化硅；保护层2-6的材质为三氧化二砷、五氧化二砷或三氧化二镓。

金属电极2-3为在衬底上形成Ni/AuGe/Ni的金属淀积层，然后进行高温退火形成具有欧姆接触的合金电极。每个金属电极2-3宽3mm，长6mm，并进行圆角处理。两个金属电极2-3间的间隙为3mm。

在两组侧墙单元之间对称刻蚀9个沟道，沟道2-5的刻蚀深度为0.3mm，宽度为0.3mm，沟道和沟道之间的间距为0.3mm。沟道2-5的形状为中间为条形，在据侧墙0.1mm处，两端逐渐收窄，沟道2-5的端部与侧墙之间有缝隙。多通道结构可以有效降低开关的横截面积，减小暗电流和抑制闪络的横向发展。在通道在末端展宽有助于电流的流动和增强其结构的稳定性。

本发明的多通道砷化镓光电导开关主要通过侧墙技术抑制其表面闪络的纵向发展；通过多通道技术抑制表面闪络的横向发展；通过滤光板排除自然光的干扰，提升砷化镓光电导开关的暗态电阻；通过位相光栅等能分布的多条光束同步触发多通道的砷化镓光电导开关，解决触发光光能的均匀性问题，简化多通道砷化镓光电导开关的触发方式。具体效果如下：

(1)侧墙技术

传统的砷化镓光电导开关在两个电极之间完全是没有阻挡层。那么在电极，半导体和绝缘体三结合处出射的电子极易倍增，形成闪络。而侧墙的存在，可以阻止二次电子发射，抑制表面闪络的发展，提升砷化镓光电导开关的耐压能力。

(2)多通道设计

在本设计中，采用刻蚀的方法在半绝缘砷化镓材料中形成多通道。与传统的多通道技术相比，本发明中采用二氧化硅进行填充，并在通道的末端宽度逐渐展宽，增加砷化镓材料的通流能力和结构的稳定性。

(3)位相光栅分光系统

在金属外壳的物理保护基础之上，在最外层的添加滤光板，起过滤自然光的作用，保证光电半导体开关完全处于暗室，减小其暗态电流。相位光栅起分光作用，保障多通道砷化镓光电导开关的每一条通道都被激光照射，增加通道的工作数量，减小通态电阻。利用光栅进行分光触发可以消除不同通道因光源带来的抖动。

(4)滤光板

在砷化镓光电导开关的屏蔽盒上加上单色滤波片，只能使与触发光波长相同的激光通过，消除其他杂光的干扰，增强本开关在暗态下电阻。滤光片起阻挡杂光的作用，使整个开关保持暗室的状态。光栅起分光的作用，使触发光更均匀。

侧墙主要构建于两个金属电极之间，其目的在于阻断闪络的发展路径，提高开关的耐压能力；在两个金属电极之间构建多通道结构，在通道之间淀积二氧化硅，形成通道的隔离层，其主要作用是降低砷化镓材料的横截面积，减小暗电流，同时可以抑制闪络的横向发展；位相光栅分光系统的主要作用是确保每一束激光强度相同，且同时触发每一条通道，消除不同触发光之间的时间延迟，同时提高触发光脉冲的峰值功率密度。

Claims (6)

1.基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关，其特征在于，包括有屏蔽盒(3)，屏蔽盒(3)内部设置有多通道导电开关单元(2)，屏蔽盒(3)顶部的开口处设置有位相型触发光栅系统(1)，位相型触发光栅系统(1)位于多通道导电开关单元(2)上方；

所述位相型触发光栅系统(1)包括由上至下依次设置的滤光片(1-1)及相位光栅(1-2)；

所述多通道导电开关单元(2)包括由下至上依次设置的支撑层(2-1)、砷化镓层(2-2)，砷化镓层(2-2)的上表面设置有两个金属电极(2-3)，两个金属电极(2-3)之间设置有两组侧墙单元(2-4)，两组侧墙单元(2-4)之间刻蚀有若干个沟道(2-5)，相位光栅(1-2)的狭缝与沟道(2-5)一一对应。

2.根据权利要求1所述的基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关，其特征在于，包括有保护层(2-6)，保护层(2-6)沉积在除两个金属电极(2-3)及两组侧墙单元(2-4)外的砷化镓层(2-2)上表面，若干个沟道(2-5)表面覆盖有保护层(2-6)；保护层(2-6)上表面沉积有绝缘隔离层(2-7)。

3.根据权利要求2所述的基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关，其特征在于，每组所述侧墙单元(2-4)有一个或多个侧墙组成，侧墙的材质为二氧化硅。

4.根据权利要求3所述的基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关，其特征在于，所述支撑层(2-1)及绝缘隔离层(2-7)的材质均为二氧化硅；保护层(2-6)的材质为三氧化二砷、五氧化二砷或三氧化二镓。

5.根据权利要求3所述的基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关，其特征在于，金属电极(2-3)为Ni/AuGe/Ni的金属淀积层。

6.根据权利要求3所述的基于位相光栅分光触发带侧墙的多通道砷化镓光电导开关，其特征在于，沟道(2-5)的形状为中间为条形，两端逐渐收窄，沟道(2-5)的端部与侧墙之间有缝隙。

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