碳化硅材料高功率光导开关研究

摘要

半绝缘SiC由于其宽禁带、高临界击穿电场、高电子饱和漂移速度、高热导率等优良特性，使其非常适合作为大功率光导开关的基体材料。其中，4H-SiC的临界击穿电场达300 MV/m，尤其适合应用于工作在高电压、高功率密度条件下的快速开关中。 本文基于漂移-扩散理论建立了横向4H-SiC光导开关（PCSS）的器件模型，模拟了本征和钒掺杂半绝缘光导开关在恒定光照下的I-V特性。结果表明本征SiC-PCSS在偏置电压为10V、波长为300 nm入射光的激励下产生了光电流；但当入射光波长大于500 nm时，由于其光子能量小于4H-SiC禁带宽度，本征SiC-PCSS没有产生明显的光电流，器件工作于本征吸收模式；对于补偿型4H-SiCPCSS，通过模拟成功地观察到钒作为深能级陷阱对自由载流子的俘获造成的对n型杂质N的补偿作用，进一步验证了钒在SiC中的补偿作用。该补偿型4H-SiCPCSS最大吸收系数出现在1020 nm处，说明半绝缘4H-SiC光导开关可以用低于禁带宽度的波长激发，工作于非本征吸收模式。 最后，本文以横向光导开关为基本结构，讨论了光导开关的关键工艺之一的欧姆接触问题，并设计了具体的工艺步骤和工艺参数，为制作SiC光导开关奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1光导开关的研究背景

1.2 SiC光导开关的优势及研究现状

1.3 SiC光导开关的应用前景及关键技术

1.4本文主要工作和章节安排

第二章 SiC光导开关材料和器件特性研究

2.1 SiC材料特性及半绝缘机理

2.1.1 SiC材料特性

2.1.2 SiC材料半绝缘机理

2.2光导开关基本结构与原理

2.2.1光导开关的基本结构

2.2.2光导开关的基本工作原理

2.3影响SiC-PCSS的因素

2.3.1材料参数对光导开关性能的影响

2.3.2电极接触对光导开关性能的影响

2.3.3外部光源对光导开关转化率的影响

2.3.4不同材料光导开关的差异及存在问题

2.4本章小结

第三章 SiC-PCSS材料与器件的模拟研究

3.1 SiC-PCSS的器件结构与模拟流程

3.1.1 SiC-PCSS的器件模型

3.1.2模拟流程

3.2建立模型

3.2.1基本状态方程模型

3.2.2迁移率模型

3.2.3复合模型

3.2.4不完全离化模型

3.2.5光产生模型

3.2.6边界条件

3.2.7网格划分

3.3模拟结果与分析

3.3.1 本征SiC-PCSS的模拟结果与分析

3.3.2 掺钒补偿型半绝缘SiC-PCSS的模拟结果与分析

3.4本章小结

第四章结构设计与工艺

4.1横向SiC-PCSS的设计和实现

4.1.1 一种横向SiC-PCSS结构

4.1.2横向SiC-PCSS工艺设计

4.2具体工艺步骤及参数

4.3本章小结

第五章结束语

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目、完成的学术论文情况