GaAs光导开关的特性和损伤机理研究

摘要

光导开关(Photoconductive semiconductor switch，PCSS)也就是通过光控制导通与关断的半导体开关器件。光导开关具有功率密度高（MW量级）、响应速度快（ps量级）、触发抖动低（ps量级）、抗电磁干扰能力强（良好的光电隔离）、体积小、易集成的优点。在大电流点火装置、拒止武器和高功率微波系统、精密时间同步、THz技术、瞬态测试、冲激雷达、电磁干扰与攻击系统等领域应用广泛。
　　光导开关诞生以后，研究人员就孜孜不倦的研究着不同用途的光导开关的体材料，对于材料的实验和研究从未停止。第一代以Si为主的半导体材料被广泛用于光导开关的制作;第二代半导体材料中GaAs的禁带宽度及迁移率都大于Si，所以GaAs材料逐渐取代了Si在光导开关制作材料中的地位，而GaAs材料的光导开关以其优异的性能和广泛的应用作为本课题的主要研究对象;第三代半导体材料中的SiC的半导体性能更好，SiC作为衬底材料正不断的应用于光导开关的研究。
　　常温下GaAs的电子迁移率可达8500cm2/V·s，比Si和SiC都要高得多，载流子的寿命为0.1ns到10ns。一直以来GaAs材料在半导体领域都受到广泛的重视，在光导开关方面具有广泛的应用，GaAs光导开关在高频电子领域中具有更广阔的应用前景。
　　本论文的主要研究内容是通过重掺杂形成欧姆电极，这种GaAs光导开关能够很好的工作于高频电路中;对GaAs光导开关电极进行了形貌表征，以及热稳定性和附着力测试，发现开关开关电极的性能均符合设计要求;在此基础上，对GaAs光导开关进行了改进，降低了开关衬底厚度，大大提高了GaAs光导开关的导电性能;最后对GaAs光导开关的损伤机理进行了工艺方面的研究，GaAs光导开关的损伤主要是EL2能级浓度分布不均匀造成的，改变开关制作工艺条件改善EL2能级的分布，进而能够很好的提升开关击穿特性。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 光导开关的研究意义

1．2 光导开关的发展历史及现状

1．3 光导开关应用举例

1．3．1 PCSS在瞬态测试中的应用

1．3．2 PCSS在THz辐射方面的应用

1．3．3 PCSS在脉冲功率领域的应用

1．4 本论文的主要研究内容

第二章 材料及实验设备

2．1 主要实验材料

2．2 实验仪器设备

2．2．1 光导开关的制作设备

2．2．2 光导开关测试和表征设备

第三章 GaAs光导开关的工作原理及制备实验

3．1 光导开关的工作原理

3．1．1 光导开关的基本原理

3．1．2 光导开关的基本结构

3．1．3 光导开关的工作模式

3．2 光导开关衬底材料

3．2．1 材料特性对PCSS性能的影响

3．2．2 开关衬底材料介绍

3．2．3 半导体材料的比较

3．2．4 本文光导开关衬底材料的选择

3．3 开光电极的制作过程

3．3．1 欧姆接触电极制作的流程图

3．3．2 芯片清洗工艺

3．3．3 光刻工艺

3．4 本章小结

第四章 GaAs光导开关损伤机理研究

4．1 开光芯片材料的损伤机理

4．1．1 暗态条件下的击穿

4．1．2 导通状态下的不可恢复性损伤

4．2 击穿机理及相关工艺研究

4．2．1 电击穿机理分析

4．2．2 热击穿机理分析

4．2．3 光导开关的SEM分析

4．3 开关制作工艺对缺陷EL2影响

4．3．1 Gaks材料中EL2浓度及分布

4．3．2 过量As原子的分布与EL2浓度及分布的影响

4．3．3 热处理对EL2浓度及分布的影响

4．4 本章小结

第五章 GaAs光导开关性能测试

5．1 光导开关电极热稳定性和附着力测试

5．2 光导开关电极形貌

5．3 新旧开关物理尺寸和电学特性对比

5．3．1 物理尺寸对比

5．3．2 电学特性对比

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文