【摘 要】
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当今世界,日新月异,科技水平的飞速发展,使得诸多领域发生了翻天覆地的变化,在军工、航空航天技术、医疗器械以及超宽带雷达等在内的诸多领域对高功率脉冲的要求也越来越高,与传统的机械开关相比,光导开关具有许多优良的特性,主要包括具有更小的体积、更高的耐压能力、更小的导通电阻、更快的工作频率以及更高的重频可靠性。正是由于光导开关的这些优点,使得其广泛应用于航天航天、国防工业、医疗器械以及通讯设备等领域。此
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当今世界,日新月异,科技水平的飞速发展,使得诸多领域发生了翻天覆地的变化,在军工、航空航天技术、医疗器械以及超宽带雷达等在内的诸多领域对高功率脉冲的要求也越来越高,与传统的机械开关相比,光导开关具有许多优良的特性,主要包括具有更小的体积、更高的耐压能力、更小的导通电阻、更快的工作频率以及更高的重频可靠性。正是由于光导开关的这些优点,使得其广泛应用于航天航天、国防工业、医疗器械以及通讯设备等领域。此外,随着航空航天等技术的不断发展,使得半导体功率器件需要在极端条件下进行工作,例如高温、高压以及辐射环境下。这也使得光导开关的制作材料由硅逐渐发展到现在的碳化硅材料。但是,碳化硅光导开关在耐压能力、瞬态输出特性以及重频可靠性等方面还存在诸多问题,限制了碳化硅光导开关性能的进一步提升以及在相关领域的大范围应用。本文针对上述提到的问题,以提高碳化硅光导开关性能为研究目的,主要的研究内容以及成果如下:（1）在研究4H-SiC光导开关的基本结构以及工作原理的基础上,提出Sentaurus仿真环境下的器件建模和仿真方案,分析所需要的器件仿真模型,同时探究了开关内部载流子浓度对光照强度的影响情况,结果表明光照区表面高浓度的离子注入会在一定程度上影响入射光的利用率和光导开关的输出电流,总的来说影响程度较小。对含有非故意N、B杂质的碳化硅材料进行钒掺杂设计,得到满足半绝缘性能的碳化硅材料,为后续的4H-SiC光导开关边界终端结构的设计以及瞬态工作特性仿真研究提供了基础。（2）通过对场限环终端结构进行分析,提出了N+-N保护环终端结构,并利用Sentaurus-TCAD软件对保护环结构进行相应的优化仿真。主要是对带有保护环结构的垂直型光导开关进行阻断特性仿真,并对保护环的宽度、数量、首环间距以及环分布情况进行仿真优化,最终得出光导开关在相同的终端面积条件下,不均匀分布的保护环终端结构具有更好的耐压能力。相比于不加保护环的光导开关,三区等差不均匀分布80环终端的器件击穿电压从6.8 k V提升到37 k V,耐压能力提升了5倍。预期在更多的保护环数量可进一步提高其耐压水平。（3）钒在4H-SiC中会形成不同的深受主杂质能级,基于文献给出的深能级位置对不同钒掺杂浓度的情况进行仿真研究,仿真结果表明:钒掺杂浓度越高,引入的陷阱能级密度越高,从而瞬态输出电流下降。由于碳化硅生长过程中杂质的引入情况无法完全避免,在保证电阻率相同的情况下,杂质离子浓度含量越高,瞬态输出特性越差。因此应当选取杂质含量较低的碳化硅材料进行光导开关的制备。（4）网状电极的存在一方面使得光照面积下降导致输出特性变差,另一方面有利于光生载流子的收集。通过对不同网状电极情况进行仿真优化,得出网状电极数量n（或面积）与光导开关输出功率二者之间存在一个最优的关系。在每个网状电极宽度一定、且等间隔分布的条件下,当网状电极总面积与光照窗口面积之比为4%时具有最优的瞬态输出特性。（5）实现了大尺寸光导开关的光、电、热耦合仿真过程,首先采用Sentaurus软件在不同温度下分别对光导开关进行单周期的光电耦合仿真,根据仿真结果,可以得出光导开关输出功率与温度之间的关系。在使用ANSYS进行热仿真的时候需要设置相应的发热功率,此时可以将热功率设置为温度的函数,从而在进行ANSYS热仿真时实现使得热源受到温度的影响,而热源的改变会进一步反应到器件温度上,从而实现光、电、热的耦合仿真,完成大尺寸光导开关的热分析。根据仿真结果可得,网状电极的优化不仅能改善光导开关的输出情况,也改善了光导开关的温度特性。随着网状电极的密度增大,光导开关内部电流密度分布更均匀,从而使得光导开关内部温度分布的均匀性逐渐改善。但仍需要在光导开关输出功率和热稳定性两方面进行折中。基于本文的仿真结果,为兼顾温度分布的均匀性和更高的输出电流,网状电极面积在4%～5%是较适宜的选择。
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