碳化硅衬底表面微结构影响高耐压光导开关导通电阻的机制研究

Silicon carbide (SiC) is a promising semiconductor for high-power, high-temperature and high-frequency applications owing to its good properties. SiC photoconductive semiconductor switch (PCSS) shows unique advantages over conventional power switches such as smaller, high speed and negligible jitter time, high breakdown field and high current density. SiC PCSS is a promising switch in pulsed power fields. The on-state resistance is still too high to meet the demands in high power applications. As SiC PCSS can only work on the linear mode, which means increasing the distance between electrodes will increase the breakdown voltage, but the on-state resistance will increase also. Decreasing the on-state resistance itself is the key. Besides improve the SiC crystal quality, the surface microstructures of SiC was considered in this work. The preliminary researches suggested that surface microstructures affect both the contact resistance and the volume resistance. In this work, SiC substrates with different surface microstructures will be used to fabricate PCSSs, with new research method, the relationship between surface microstructures and contact resistance and volume resistance will be revealed, respectively. This work will provide both technical and theoretical support for the fabrication of high voltage low on-state resistance SiC PCSS.

基于碳化硅单晶优异的物理性质，碳化硅光导开关被认为是具有小型、快速、低抖动、耐高压和大电流特点的新型功率开关，在脉冲功率领域有着重要的潜在应用。兼具耐高压和低导通电阻是目前碳化硅光导开关研制和应用面临的难点。碳化硅只有线性模式，增大电极间距提高光导开关耐压值的同时增大了导通电阻。有效降低导通电阻是研制高耐压低导通电阻碳化硅光导开关的关键。除了提高晶体质量这一常见方法，前期实验和分析显示，碳化硅单晶表面微结构同时影响在表面制备电极的接触电阻和导通时的体电阻。基于这个发现，本研究提出通过改善碳化硅单晶表面微结构来降低导通电阻。使用不同表面微结构的碳化硅晶片，采用相同工艺制备光导开关，应用先进的分析方法对这些开关的电极接触电阻和体导通电阻进行系统研究。揭示碳化硅单晶表面微结构影响开关的导通电阻的基本规律，阐明其中的理论机制，为制备高耐压低导通电阻的碳化硅光导开关奠定重要的理论基础。

提出了一种全新的可分离光导开关器件中碳化硅材料自身电阻和电极接触电阻等其他因素引起电阻的方法。通过对碳化硅表面微结构的制备，形成机制研究，以及采用新方法对碳化硅光导开关性能的影响和机制研究，发现采用高温H2刻蚀得到的碳化硅表面具有整齐原子台阶的有序微结构，且该表面较传统机械抛光和化学机械抛光的碳化硅表面具有更低的表面陷阱，因而以具有该表面微结构制备的电极具有较好的欧姆接触性质，制备的光导开关器件由于载流子在表面和电极界面处被界面陷阱复合的较少，因而具有更低的导通电阻。对碳化硅表面台阶微结构的形成进行了分子动力学模拟，了解了其形成机制是由台阶边缘处ES势垒决定的，系统计算模拟了不同晶面形成台阶的条件，找到了稳定高效制备具有整齐原子台阶的有序微结构的方法。结合上述研究结果，首次提出了具有AZO透明电极和Ag镜反射层的垂直型碳化硅光导开关，实现了光生载流子产生与电场区的完全重合，增大了光照面积，使光程加倍，提高触发激光的利用效率，相同光照条件下实现更低的导通电阻。制备的高性能碳化硅光导开关耐压值达到18 kV，导通电阻7.5欧姆，响应速度大于1GHz。本项目研制的高性能碳化硅光导开关关器件在CT 大小级小型加速器质子癌症治疗，以及国防科技方面的超宽带雷达、高功率电磁脉冲等领域有重要意义。