重复频率半导体脉冲功率开关RSD的强场效应与关键技术研究

基于PIN模型下强场的雪崩等离子体碰撞效应和等离子体的集肤效应，通过利用导通延迟等于零和预充电流与主电流电极具有几何上合并的特点，根据预充电荷的解析条件、采用降低单只阻断电压而增加串联数目的思路，由多单元并联结构、强漂移场下工作模式，研究高电流的开通和关断在芯片中全面积同时发生的技术关键。为多芯片并联实现400kA以上开关电流提供理论依据和技术支撑，为高功率密度、重复频率脉冲功率开关反向开关晶体管RSD(reversely switched dynistor)的设计、制造及应用提供试验依据和系列技术。

基于半导体物理基本方程，在二维元胞单元上利用有限差分的方法建立了RSD器件的数值模型，模型考虑了载流子间散射、SRH和俄歇复合、碰撞电离等物理效应，采用实验电路提取的参数建立了RSD谐振预充触发电路的外电路模型，联合器件模型方程组和谐振触发外电路模型方程，获得了器件瞬态载流子分布和电压电流波形。在RSD中引入缓冲层，耗尽层穿通轻掺杂基区，电场被缓冲层截止，该结构在提高RSD阻断电压的同时降低了开通电压。基于等离子体集肤效应，RSD在短脉冲放电应用中有电流集中流向芯片边缘的趋势，所以为提高芯片面积利用率，应尽量使用小直径芯片，而通过多单元并联结构来满足电流容量的要求。. 进行了若干关键工艺研究，包括：采用优化设计方法，实施薄片化技术；严格执行工艺规范、中转中测标准；适当减薄P基区厚度，改善预充；尽量减小磨角边宽，保证有效阴极面积；阴极面电子束蒸厚铝；提高烧结质量，逐片检查阳极面烧结空洞；提高压接组装技术等。. 根据RSD特殊的工作模式，分别提出了RSD关键特性参数开通电压和关断时间的检测方案，搭建试验平台完成了测试，为评价器件特性和验证模型提供了参考和依据。同时，从应用的角度研究了优化RSD特性的方法：在预充电流注入电荷量一定的情况下，随着预充时间的增加，有效预充电荷量先增大后减小，RSD开通电压先减小后增大，所以预充时间存在最佳值；设计了一种RSD的两步式放电电路，仿真和实验结果均表明在相同预充条件下两步式放电电路对RSD开通性能有改善作用，实验需保证第一步放电电流的幅值、脉宽既不会导致换流阶段出现基区等离子体耗尽，同时为第二步脉冲大电流通流提供足够消耗的等离子体。试验研究了基于RSD的两种不同预充拓扑结构的高压脉冲电路：直接式预充拓扑和变压器预充拓扑，分析了二者适合的应用场合。在大电流开通试验中，3吋RSD堆体在12.0kV工作电压下成功通过峰值电流173kA，传输电荷32C，达到了“研制出的RSD开关样品的电荷转移能力至少达到24C”的研究目标。在重频开通试验中，在重复频率0.2Hz、峰值电流107kA、单次传输电荷19C条件下，成功开通五万多次，累计传输电荷量约106C，传输能量5GJ。. 综上所述，本项目已基本按要求完成，达到了预期目标，为高功率密度、重复频率脉冲功率开关RSD的设计、制造及应用提供了试验依据和系列技术。