高功率4H SiC光导开关超高耐压形成方法研究

半导体光导开关（PCSS)是新型的高功率器件，碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体材料，现有的SiC光导开关容易提前击穿而导致耐受电压低。本项目研究SiC光导开关的超高耐压形成方法。通过建立SiC双面高浓度外延器件的物理模型，探明双面高浓度外延层对晶片内电场分布的影响，为从工艺上提高开关的耐压提供理论依据。探索SiC厚外延层的生长工艺，实现极低的微管缺陷密度以及精确的掺杂水平控制；研究钒补偿浓度对SiC光导开关绝缘强度和瞬态特性的影响；研究SiC晶片表面超高平整度的加工方法，并形成性能良好的欧姆接触电极；研究超高耐压SiC光导开关的表面造型和保护方法，晶片和铜电极之间的无缝焊接方法。.超高耐压SiC 光导开关是高功率激光器、高功率脉冲发生器等装置的关键器件，对提高脉冲功率系统的稳定性、紧凑性、功率密度有重要的意义，在国防、科学试验、工业等领域具有广阔的应用前景。

光导开关具有皮秒量级的触发抖动、纳秒量级的开通时间、高电流密度、高耐压、小尺寸、低损耗、可控、光电隔离、不受电磁干扰等优点。碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体材料，具有高击穿场强、高饱和电子迁移率、高热导率等优点。相对其它材料而言，利用碳化硅材料制备的光导开关，除了能承受更高的电压外，在导通的时候并不会形成丝状电流，因而可靠性更高、通流能力更强，并能使固态电路的功率密度提高4个数量级之多，在超快光电子学、高温电子学、抗辐射电子学等领域具有较大的应用价值。本项目以工作在高频、高压、短脉冲、大电流密度等条件下的SiC光导开关为目标，较为系统地进行了如下工作：（1）在半绝缘SiC衬底上建立了SiC双面外延器件模型，研究了外延层的掺杂类型、厚度等参数对光导开关耐压和特性的影响，结果表明增加N+外延层厚度可以提高耐压，而导通电流首先随着外延层厚度的增加而减小，在N+外延层厚度为5m时达到最小值，随后随着厚度的增加，导通电流增加；（2）研究了钒掺杂形成半绝缘SiC的机理，并研究了钒掺杂浓度对光导开关光特性的影响，结果表明随着钒掺杂浓度的增加，光导开关的漏电流、峰值电流、拖尾电流均减小；（3）研究了高压SiC的测试方法，并试制了相应的测试装置；（4）研究了高耐压SiC光导开关的若干工艺，包括表面造型、台面结构、欧姆接触等；（5）制备出耐压达到4kV的半绝缘SiC光导开关样品；（6）提出了高耐压SiC光导开关的基本结构以及所需要解决的问题。这些研究较为系统地解决了当前SiC光导开关存在的诸如半绝缘强度不够高、外延层生长困难、台面造型难以形成、边沿电流通道等问题，所取得的项目研究成果较大地推动了碳化硅光导开关在实际装置中的应用。