（物理电子学专业论文）gaas光电导开关优化及背面触发下闪络特性研究.pdf

摘要 论文题目：g a a s 光电导开关优化及背面触发下闪络特性研究 学科专业：物理电子学 研究生：贾纪强签名：委幺主垂 指导教师：施卫教授签名： 摘要 随着脉冲功率技术的飞速进步，半导体器件向着高电压大功率的方向发展，尤其是半 绝缘砷化镓光电导开关( s e m i i n s u l a t e dg a a sp h o t o c o n d u c t i v es e m i c o n d u c t o rs w i t c h e s ，简称 p c s s s ) ，以其极高开关响应速度、极小的电感和较大通流能力，受到国内外研究者的广 泛重视。然而，现今制约光电导开关发展的主要原因在于：当在光电导开关两端施加较高 电压时，开关表面会出现闪络放电现象，尤其在电极边缘，并常常伴随有破坏现象，而此 时所加电场强度却远低于砷化镓材料本身的击穿场强。因此，砷化镓光电导开关的工作场 强远低于砷化镓材料本身的击穿场强，这极大的限制了砷化镓光电导开关的工作性能。 2 0 世纪末，国内外形成了对半导体材料沿面闪络放电现象研究的热潮，大量关于闪 络放电现象的理论解释被提出。尽管对闪络特性的理论研究已取得了很多的成果，然而闪 络是一个极为复杂的现象，因此至今人们对其内在机理还不是十分清楚。如何抑制闪络放 电现象的发生是现今人们研究的重要课题，也是提高半导体器件性能的重要因素。 本文依据二次电子发射等理论，分析了g a a s 光电导开关沿面闪络的发生机理。对 g a a s 光电导开关沿面闪络发生时的电场进行了分析，指出表面电场的畸变是沿面闪络发 生的重要因素。 对g a a s 光电导开关的电极进行了改进，优化了表面电场分布。采甩了新型的绝缘封 装技术，成功研制了高性能的g a a s 光电导开关，有效抑制了沿面闪络的发生，大大提高 了闪络电压。 首次提出了背面触发方式，并对开关正面触发以及背面触发进行了大量实验，得出了 在1 0 6 4 n m 激光脉冲下，背面触发g a a s 光电导开关比正面触发时其耐压有明显提高的实 验结论，并通过净电荷和电场畸变理论对其进行了合理的分析。 实验表明了本文研制的光电导开关在3 0 h z 重复频率下，耐压性能可以达到2 0 k v ， 并且具有良好的稳定性。 关键词：g a a s 光电导开关；光脉冲；沿面闪络；背面触发 本研究得到国家自然基金( n o 5 0 8 3 7 0 0 5 和1 0 8 7 6 0 2 6 ) 的资助。 西安理工大学硕士学位论文 i l a b s t r a c t t i t l e ：o p t i m i z a t l o no fa n dr e s e a r c ho nt h ef l a s h o v e r c h a r a c t e r l s t i c sb a c k t r i g g e r e dg a a s p h o t o c o n d u c t i v es e m l c o n d u c t o rs w i t c h s m a j o r = p h y s i c se l e c t r o n i c s n a m e j iq i a n gj i a s u p e r v i s o r p r o f w e is h i a b s t r a c t s i g n a t u r e ：i ：二呈! 塑乃、及 s i g n a t u r e ：此：z w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp u l s e dp o w e rt e c h n o l o g y ，h i g h - v o l t a g ea n dh i g h p o w e r s e m i c o n d u c t o rd e v i c e sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp o p u l a r ，a m o n gw h i c hs e m i - i n s u l a t e dg a a s p h o t o c o n d u c t i v es e m i c o n d u c t o rs w i t c h e s ( p c s s s ) ，w i t ht h e i rh i g hs w i t c h i n gs p e e d ，s m a l l i n d u c t a n c ea n dl a r g et r a n s m i s s i o nc u r r e n tc a p a c i t y ，h a dc a u g h te x t e n s i v ea t t e n t i o nf r o m r e s e a r c h e r sb o t hh o m ea n da b r o a d h o w e v e r ，o n em a j o rr e a s o n r e s t r i c t i n g t h ep c s s s d e v e l o p m e n ti st h a tt h ef l a s h o v e rp h e n o m e n o na p p e a r sa tt h es u r f a c eo fp c s s sw h e n e v e r h i g h - v o l t a g ea r ei m p o s e d ，a n da tt h ee l e c t r o d ee d g e st h ef l a s h o v e ri sp a r t i c u l a r l yi n t e n s e ， a c c o m p a n i e do f t e nw i t hm a t e r i a ld a m a g e ，w h i l et h es e m i c o n d u c t o r sw o r ke l e c t r i ci n t e n s i t yi s f a rl o w e rt h a nt h eg a a sb r e a k d o w ne l e c t r i ci n t e n s i t y s ow i t haw o r ke l e c t r i ci n t e n s i t yl o w e r t h a nt h em a t e r i a l sb r e a k d o w ne l e c t r i ci n t e n s i t y ，t h ep c s s sc a nn o th a v eb e t t e rp e r f o r m a n c e t h ee n do ft h e2 0 t hc e n t u r yw i t n e s s e d ar e s e a r c hb o o m e do nt h es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l f l a s h o v e rd i s c h a r g ep h e n o m e n o ni nc h i n aa sw e l la si nf o r e i g nc o u n t r i e s l o t so ft h e o r e t i c a l e x p l a n a t i o n sh a db e e np u tf o r w a r d a l t h o u g hm a n ya c h i e v e m e n t sh a db e e nm a d eo nt h e f l a s h o v e rc h a r a c t e r i s t i c s ，h o w e v e r ，f l a s h o v e ri sav e r yc o m p l e xp h e n o m e n o n ，s of a ri ti sn o t v e r yc l e a ra b o u ti t si n t e m a lm e c h a n i s m n o w a d a y s ，h o wt os u p p r e s st h eo c c u r r e n c eo f f l a s h o v e rb e c o m e sa ni m p o r t a n tt o p i c i ti sa l s oa ni m p o r t a n tf a c t o rf o rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e p e r f o r m a n c e b a s e do nt h es e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o na v a l a n c h e ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h em e c h a n i s m o ft h ep c s s sf l a s h o v e r t h ef l a s h o v e re l e c t r i cf i e l dw a sa n a l y z e d ，a n di tw a sp o i n t e do u tt h a t t h es u r f a c ee l e c t r i cd i s t o r t i o nw a sa ni m p o r t a n tf a c t o rf o rf l a s h o v e r t h ee l e c t r o d ew a si m p r o v e d ，a n dt h i sp a p e ro p t i m i z e dt h es u r f a c ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n i i i 西安理工大学硕士学位论文 a d o p t i n g an e wi n s u l a t i o np a c k i n gt e c h n i q u e ，t h eh i g h - p e r f o r m a n c eg a a sp c s s sw e r e s u c c e s s f u ld e v e l o p e d t h ef l a s h o v e rw a se f f e c t i v e l ys u p p r e s s e d ，a n dt h ef l a s h o v e rv o l t a g ew a s g r e a t l yi m p r o v e d t h em o d e lo fb a c k - t r i g g e r e dp c s s sw a sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e t h ef r o n t t r i g g e r e d p c s s sa n dt h eb a c k t r i g g e r e dp c s s sw e r eb o t ht e s t e df o rt h e i rw i t h s t a n d i n gv o l t a g e p e r f o r m a n c et h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t s i tw a so b t a i n e dt h a tu n d e rt h e10 6 4 n l t ll a s e rp u l s e t h eb a c k t r i g g e r e dg a a sp c s s sc o u l dr e s i s th i g h e rw i t h s t a n dv o l t a g et h a nt h ef r o n t t r i g g e r e d o n e s ad e t a i l e ds t a t i s t i c sa n a l y s i sa n dt h e o r e t i c a le x p l a n a t i o nw e r eg i v e nb ya n a l y z i n gt h e c h a r g ea n de l e c t r i cf i e l dd i s t o r t i o n e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ep c s s sw h i c hw ed e v e l o p e dc o u l dr e s i s tav o l t a g ea sh i g ha s 2 0k vu n d e rt h er e p e t i t i o nf r e q u e n c yo f3 0h z ，a n dh a dg o o ds t a b i l i t y k e yw o r k s ：g a a sp c s s s ；l a s e rp u l s e ；f l a s h o v e r ；b a c k t r i g g e r e d t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d m i o no fc h i n au n d e r g r a n t ( n o 5 0 8 3 7 0 0 5a n d1 0 8 7 6 0 2 6 ) i v 目录 目录 1 绪 仑1 1 1 光电导开关的研究与进展1 1 2 光电导开关的基本结构2 1 3 光电导开关的基本工作原理3 1 4 光电导开关的应用3 1 5 影响光电导开关的主要因素4 1 6 真空中固体电介质表面闪络理论6 1 6 1s e e a 模型6 1 。6 。2e p r t 模型一7 1 7 影响半导体闪络的主要因素8 1 8 本文研究的主要内容9 1 9 本章小结1 0 2g a a s 光电导开关特性以及损伤机理1 1 2 1g a a s 材料的特性1 1 2 2g a a s 光电导开关的工作模式1 2 2 2 1g a a s 光电导开关的线性工作模式1 2 2 2 2g a a s 光电导开关的非线性工作模式1 4 2 3e l 2 能级1 6 2 3 1e l 2 能级在线性工作模式中的作用1 6 2 3 。2e l 2 能级在非线性工作模式中的作用17 2 4g a a s 光电导开关中的丝状电流1 7 2 5 现有理论以及光激发畴理论对非线性的分析1 8 2 5 1 现有对非线性现象的理论1 8 2 5 2 光激发电荷畴理论19 2 6 沿面闪络的对开关损坏的机理2 1 2 7 本章小结2 1 3g a a s 光电导开关结构设计与电极优化2 3 3 1 电极的掺杂工艺2 3 3 2 电极的刻蚀工艺2 4 3 3 优化电极外沿轮廓2 5 3 。4 退火工艺。2 6 3 5g a a s 光电导开关绝缘保护的改进2 6 西安理工大学硕士学位论文 3 6 本章小结2 7 4 强场下g a a s 光电导开关闪络特性的研究2 9 4 1 触发激光的选值依据2 9 4 2 开关电极间隙长度的选值依据3 0 4 3 实验中所选用的光电导开关3 1 4 4 实验电路3 2 4 5 实验内容3 3 4 6 实验结果与分析3 8 4 6 1 阴极、空气、材料三者交界处的电场畸变3 9 4 6 2 电荷注入理论对垂直场强分量的畸变4 0 4 6 3 激光诱导闪络的作用4 1 4 6 4 光激发电荷筹理论下的电场畸变4 2 4 6 5 绝缘保护层对抑制开关沿面闪络的作用一4 2 4 6 6 背面触发g a a s 光电导开关耐压性能分析4 3 4 7 小结4 3 5 总结与展望一4 5 5 1 本文研究工作总结4 5 5 2 未来工作展望4 5 致谢4 7 参考文献4 9 附录5 5 1 绪论 1 绪论 光电导开关( p h o t o c o n d u c t i v es e m i c o n d u c t o rs w i t c h e s ，简称p c s s s ) 是一种工作在超快 领域和高功率领域的半导体光电子器件，它是光电导材料和超快脉冲激光器组合的一种新 型光电开关器件。p c s s s 在电脉冲功率和带宽两个方面有明显的优势，随着近2 0 年的发 展，p c s s s 正逐步向着小体积、低成本和高性能方向发展。制作光电导开关芯片材料的选 择对光电导开关的特性具有重要的影响“。5 1 ，一开始人们选用的材料是s i 和g e 。然而， 以s i 和g e 为芯片材料的光电导开关在响应速度、频率要求、器件结构、输出稳定性、使 用寿命等性能方面己不能适应现今科学技术发展的要求。二十世纪8 0 年代中期，人们发 现使用g a a s 作为芯片材料制作的光电导开光比s i 材料具有更大的优势“ ，如：载流子 寿命短、禁带宽度宽等。正是这些优良的特性使得g a a s 材料成为现今制作高压、高频、 高效器件的首选材料，并在t h z 电磁波删、高速电子学、超宽带雷达等高新科技领域 具有广阔的应用前景。 p c s s s 的工作模式有线性工作模式和非线性工作模式两种，线性工作模式有如下一些 特点：触发光源波形决定开关的输出波形，它们有基本相同的上升沿；超快的响应时间( 可 在飞秒量级) ，输出波形和触发光脉冲之间基本没有时间延迟等。二十世纪末，s a n d i a 实 验室的l o u b r i e l 等人首次观察到了p c s s s 的非线性工作模式，非线性工作模式具有一些 独特性质，如激励光脉冲能量小，电流增益高等特点。随着光电导开关应用研究的深入以 及现今科技的发展，在超快特性、输出功率、稳定性、使用寿命等方面对光电导开关提出 了更高的要求。目前，p c s s s 还处于研究阶段，对光电导开关的制作、理论、应用研究还 有待深入的研究解决，对实现实际应用还有一定距离。 1 1 光电导开关的研究与进展 人们对p c s s s 做了大量的研究工作，获得了很多实验结果，为p c s s s 的发展提供了 巨大的推动作用。1 9 7 2 年m a r y l a n d 大学的j a y a r a l n a n 和c h l e e 等人用皮秒量级光脉冲 照射光电导材料时，发现光电导材料的响应时间也为皮秒量级n ；a u s t o n 等人研制出了 s i 材料的p c s s s n 扪；c h l e e 等人研制出g a a s ：c rp c s s s ，并指出用g a a s 制作的p c s s s 比使用s i 制作的p c s s s 开关有更好的性能n 1 。随后，n u n n a l l y 等人使用g a a sp c s s s 得 到了输出功率达8 0 m w 的超高功率电脉冲。 至此，p c s s s 已经取得了很大的发展，具有一定的应用价值。然而由于p c s s s 工作 处于线性工作模式下，触发p c s s s 的设备庞大，其应用受到极大限制。所以此时的p c s s s 主要用于低电压，小功率方面。 1 9 8 7 年，l o u b r i e l 等在实验中观察到g a a s 等i i i v 族化合物光电导材料存在非线性 工作模式，使导通所需的触发光能比线性模式下小3 5 个数量级，而电流增益却高出3 5 个数量级。从而使得大功率p c s s s 所需的触发光脉冲能量大大降低，极大的增加了p c s s s 的实用性 1 4 1 。s a n d i a 实验室的研究小制作的g a a sp c s s s 耐压性能可以超过1 0 0 k v n 。 西安理工大学硕士学位论文 从此，p c s s s 开始被广泛应用在高脉冲、大功率应用技术中，并且g a a s 成为人们最 为关注的p c s s s 制作材料。 虽然，国内对p c s s s 的研究起步比国外要晚，但是仍然取得了很大的成就。从2 0 世 纪8 0 年代初，我国研究者对p c s s s 的研究开始兴起，中科院上海光机所的研究小组使用 s i 材料成功研制出了光电导开关。此后，西安交通大学、西安理工大学的研究人员也成 功研发出了半绝缘g a a s 光电导开关。不过，p c s s s 虽然有良好的开关性能，但当其工作 在较高场强条件下时容易在表面发生闪络放电现象，而所加的偏置电压远远小于器件本身 的耐压强度。闪络放电会导致开关的损坏，即使采用了绝缘保护工艺仍然无法完全避免表 面闪络现象的发生，这极大地限制了p c s s s 在高电压、大功率领域的发展，成为影响p c s s s 器件性能的重要因素。现今，闪络现象已成为国际和国内上的一个研究热点n ，国内的 施卫教授n ，张冠军教授，严璋教授n 8 川，分别对引起材料闪络的各种因素进行了试验 和理论解释。然而，至今对闪络现象的内在机理人们还不是很清楚。 1 2 光电导开关的基本结构 光电导开关根据结构可以分为平面电极型( 横向) 光电导开关和垂直电极型( 纵向) 光电导开关两种，如图1 1 所示心们，平面电极型光电导开关的电极在光电导材料的同一 侧，垂直电极型光电导开关电极分布在光电导材料的两侧。图1 2 为光电导开关的实物图。 平面电极型光电导开关有设计简单、较大的光照面积、可用较宽的波长范围的光束来触发 以及不论吸收深度为几微米还是为几百微米的所有光都可被激活区域吸收等特点，因此人 们通常采用这种结构乜1 2 柚。 p c s s s 主要可以分为三部分：芯片、电极和传输微带线。 电极电极 2 ( a ) ( b ) 图1 1p c s s s 的不同结构( a ) 平面电极型p c s s s ；( b ) 垂直电极型光p c s s s f i g 1 1d i f f e r e n ts t r u c t u r eo f p c s s s ( a ) t h eh o r i z o n t a lp c s s s ；( b ) t h ev e r t i c a lp c s s s 1 绪论 ( a )( b ) 图1 - 2p c s s s 实物图( a ) 平面电极型p c s s s ；( b ) 垂直电极型p c s s s f i g 1 - 2r e a lf i g u r eo fp c s s s ( a ) t h eh o r i z o n t a lp c s s s ；( b ) t h ev e r t i c a lp c s s s 1 3 光电导开关的基本工作原理 光电导开关的结构虽然各有不同但其工作原理基本相同( 如图1 3 托3 1 ) ：在无光照的条 件下( 即暗态条件) ，由于光电导材料处于较高的电阻状态，因而输出端的暗电流很小，光 电导开关处于阻断状态，示波器没有电脉冲输出，当触发激光照射到光电导材料时，光电 导材料体会在极短的时间里( 约1 0 j 5s ) 激发出大量的电子空穴对，光电导材料的电阻率骤 然下降，开关导通，这一过程极快，在皮秒甚至亚皮秒量级的时间内即可完成乜。当光 脉冲熄灭后载流子将会复合，光电导材料的电阻率变高，p c s s s 又重新恢复到阻断状态， 这是在负载上会得到了一个电脉冲。 光脉冲 图1 - 3p c s s s 的工作原理图 f i g1 - 3w o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo fp c s s s 1 4 光电导开关的应用 光电导开关的应用主要可简述为：产生超短、超高压、超高功率的电脉冲等“钉。 具体应用可归结如下： ( 1 ) 大电流点火装置。 3 西安理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 超宽带脉冲源：使用光电导开关制作的超短脉冲源有响应时间短，触发无晃动， 功率容量大等优点。 ( 3 ) t h z 电磁波源“6 屯”： t h z 电磁波是频率处于3 0 0 g h z 3 t h z 的电磁波。t h z 电磁波具有以下特点和用处： 低光子能量，可用于医学成像。 极强的穿透性，可用来探测x 射线、红外线等无法探侧到的材料内部。 宇宙中很多星际分子的特征谱线在t h z 范围，因此对天文学的研究具有极其重要 的意义。 利用t h z 电磁波可以进行指纹识别和表征。 光电导开关产生t h z 电磁波原理图如图1 4 所示： 图1 - 4 光电导方法产生t h z 电磁波示意图 f i g 1 4s c h e m a t i co fe h tp h o t o c o n d u c t i v et h z e m i t t e r ( 4 ) 其他方面的应用 p c s s s 还在电感储能装置元件、直线感应加速器( l i a ) 的加速腔等方面也有很大的应 用。 1 5 影响光电导开关性能的主要因素 衡量p c s s s 开关性能的指标有很多，例如：耐压性能、持续时间、上升时间、反转 时间、延迟时间、开关吸收总能量、传输电荷量、可靠性和寿命等。然而许多条件制约着 开关高功率的性能，其中沿面闪络现象成为最严重的情况之一，成为当今世界的研究热点。 在高电压作用下，气体或液体介质沿绝缘表面会发生破坏性放电，称为沿面闪络，其 放电时的电压称为闪络电压。发生闪络后，电极间的电压迅速下降到零或接近于零。闪络 通道中的火花或电弧使绝缘表面局部过热，常常使得绝缘表面损坏。光电导开关受到限制 4 波 k 磁n 川 枷儿川v t 卜j 川 1 绪论 的主要原因是：当在开关两端施加高电压时，在开关表面会出现闪络现象，电极边缘尤为 剧烈，并常常伴随着破坏现象。图1 5 为半绝缘g a a s 光电导开关表面闪络造成开关表面 损坏的照片阳0 3 ，图1 - 6 为s i 材料闪络照片。 ( a )( b ) 图l 一5 表面闪络造成g a a s 光电导开关表面闪络损坏照片( a ) 平面电极型开关的表面损坏； ( b ) 垂直电极型开关表面损坏 f i g 1 5f l a s h o v e rd a m a g ep h o t o so fg a a sp c s s s ( a ) t h es u r f a c ed a m a g ep h o t oo fh o r i z o n t a lp c s s s ； ( b ) t h es u r f a c ed a m a g ep h o t oo fv e r t i c a lp c s s s 图1 - 6s i 材料表面闪络照片3 2 1 f i g 1 6f l a s h o v e rp h o t oo fs im a t e r i a ls u r f a c e 正是因为当在光电导开关两端施加高电压时，在开关表面会发生闪络放电现象，使偏 置电压无法再提高，因此极大地限制了p c s s s 技术的发展。 从电场强度的公式可知，如果增加两电极间的距离，可以降低两电极间的电场强度， 从而提高光电导开光两电极间的电压。然而，p c s s s 的输出功率与器件尺寸通常可以用公 式( 1 1 ) 进行描述n 。 5 西安理工大学硕士学位论文 r = 一v 2 = v ：q u - l e 三( 1 - 一 9 r s ch v 其中： b 光电导开关的功率； 矿开关的工作电压； 印电子电荷量； 似电子迁移率和空穴迁移率之和； 既入射激光的能量； h 普朗克常数； r 半导体对于相应激光波长的反射率； v 入射光频率； 上器件长度； 由公式可以看出，开关的功率与器件长度的平方成反比，当增加两电极问的间隙时， 开关的功率反而会下降d 3 蚰。所以，如果能够在小电极间距情况下，提高p c s s s 的闪络 场强不但可以提高开关的功率和工作电压，还可以降低触发激光源所需的能量，提高开关 的效率。因此，国内外大量学者对闪络现象进行了深入研究，希望能找出抑制闪络发生的 方法“。 1 6 真空中固体电介质表面闪络理论 通常认为表面闪络过程可以分为：起始、发展和贯穿三个阶段。起始阶段开始于阴极、 真空和绝缘材料表面的三结合处( c a t h o d et r i p l ej u n c t i o n ，c r j ) 的场致电子发射，最终阶段 为绝缘材料表面气体解吸附形成的放电通道。但是，人们对于闪络发展的中间过程仍然不 是十分清楚，存在着多种理论假设，目前有2 种理论占主导地位，一个是a n d e r s o n 等人 提出的二次电子发射雪崩( s e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o na v a l a n c h e ，s e e a ) 模型“ ；另一 个是b l a i s e 和g r e s s u s 提出的电子触发的极化松弛( e l e c t r o nt r i g g e r e dp o l a r i t yr e l a x a t i o n ， e t p r ) 模型8 3 。 1 6 1s e e a 模型 s e e a 模型认为二次电子发射不仅是闪络发展过程中电子倍增的原因，还是使材料表 面气体解吸附的原因，如图1 7 所示“们。 6 1 绪论 图1 7s e e a 模型 f i g 1 7s e e am o d e l s e e a 模型的主要观点如下d 7 4 1 叫： ( 1 ) 当绝缘介质两端施加电压时，c t j 处的局部电场强度很高，当场强提高到一定 程度( 约1 0 7 v c m ) 时会发生电子的场致发射现象，从而产生初始电子。 ( 2 ) 初始电子在电场的作用下被加速获得能量并撞击材料表面，并引起二次电子发 射，进而导致电子雪崩倍增，同时倍增电子崩在电场的作用下向阳极移动。 ( 3 ) 二次电子发射后材料表面会留下正电荷，阴极附近出现正电荷积聚，积聚的正 电荷又会增强垂直方向的电场，引发的各种效应。 ( 4 ) 电子对材料表面的不断撞击会使吸附在材料表面的气体分子解吸附，解吸附的 气体分子在材料表面形成气体层，最终在气体层中形成闪络通道。 s e e a 模型可以很好的解释一些现象，如：纳秒级脉冲作用下的表面闪络机制；表面 解吸附气体的原因；预测绝缘子的长度与闪络电压之间的关系等。但s e e a 却难以解释直 流电压作用下施加数秒后才发生闪络的现象。 1 6 2e p r t 模型 当在绝缘材料两端施加高的直流电压一段时间后撤去外加电压，然后把材料两端进行 短接，这时仍然会发生闪络放电现象引。s e e a 模型无法解释这一现象，因此真正的闪 络机理仍然未被人们所完全了解。b l a i s e 和g r e s s u s 通过实验研究发现，当材料两端施加 高的直流电压时，材料表面由于电子轰击而带电，即使后来撤去电压，在一定条件下仍然 会发生闪络现象。基于这些实验现象，他们提出了基于极化能量松弛的表面闪络模型“9 5 0 1 。 b l a i s e 和g r e s s u s 的极化能量松弛表面闪络模型的主要观点可表述为“9 5 0 1 ： ( 1 ) 极化的电介质在电场或机械应力等作用下会有所响应。 ( 2 ) 介质材料中的不均匀、杂质、断键等结构会形成电荷陷阱，陷阱俘获电荷后会 使材料带电。这种带电现象并不均匀，局部会形成聚集净电荷区，电荷区将会产生一个很 强的静电场，这个静电场会引发一个极化电场以维持平衡。极化平衡状态储藏着巨大的能 7 西安理工大学硕士学位论文 量，但是这个平衡是极不稳定的，任何外界的扰动都可能会打破平衡，平衡被打破将释放 巨大的能量，这- - 酏1 3 e 量足以使材料表面气体解吸附。 ( 3 ) 最后，被陷阱捕获的电荷在受到外来因素的扰动下，将引起极化能量的释放并 释放大量的高能电子和光子，从而使电子倍增，最终导致闪络击穿。e p t r 模型可以解释 一些现象但也有一定局限性，例如：无法解释纳秒级脉冲作用下的表面闪络现象。 不同的情况下闪络的现象有所不同，闪络的现象随着空间电荷位置的不同会有不同的 特点：如果介质表面被污物覆盖，陷阱电荷则大部分存于污物层或交界面，此时发生闪络 将会驱散介质表层的污物，如图1 8 ( a ) ( a t ) 所示；新制备介质材料，陷阱电荷主要分布在晶 粒内部，闪络将会使得材料熔化，如图1 8 ( b ) ( b ) 所示；而老化的介质材料，陷阱电荷则 主要存于晶粒交界处，闪络会使晶粒从介质中脱离，闪络的部位是晶界处，如图1 - 8 ( c ) ( c ) 1 所示。 ( a ) 覆盖了一层污 染物的介质表面 ( b ) 新制备的介质材料 ( c ) 老化的介质材料 ( a ，) 介质表面污( b7 ) 晶体被融化( c ) 晶粒从介质中脱出 染物被清除 图1 8 陷阱电荷的产生部位及相应的闪络发生形式5 f i g ，1 8t r a pc h a r g ep r o d u c i n gp a n sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gf l a s h o v e rf o r m 1 7 影响半导体闪络的主要因素 起初人们认为闪络通常发生在气体层中，但并没有把外界环境与半导体材料结合在一 起考虑，无法解释真空下的半导体闪络现象。 n u n n a l l y 的研究小组认为半导体表面闪络过程是在表面解吸附气体中完成的，表面的 热通道与电子轰击都可能是引起表面气体解吸附的因素朋。 1 绪论 f e u e r s t e i n 和s e n i t z k y 则认为半导体的闪络电压无法使表面外的电子获得足够的能量 完成倍增过程，而且也不可能出现正极性的表面充电现象，他们认为闪络发生在半导体内 部旧1 。 w i l l i a m s 和p e t e r k i n 的研究小组认为半导体表面闪络起始于表面内层“4 1 。他们还针 对g a a s 光电导开关开发了一套电场测量系统5 5 叫。 g r a d i n a r u 和s u d a r s h a n 的研究小组试图将环境和半导体看作一个系统，认为闪络发 生在这个系统中“，界面处某个介质通道处的表面闪络最终将引起材料击穿。 半导体表面闪络的影响因素很多，主要归结如下： ( 1 ) 半导体材料特性会影响半导体闪络“8 5 ： 材料本身的特性对于闪络尤其是对于闪络起始阶段具有明显的作用。 ( 2 ) 介质环境会影响半导体闪络“仉6 ： 例如，s i 材料在真空中的闪络场强大约为1 5 2 5 k v c m ，而置于s f 6 中其闪络场强可 以达到6 0 8 0 k v c m 左右；在去离子水或绝缘油中则达到9 0 - 一10 0 k v c m 。 ( 3 ) 电极接触会影响闪络特性“2 6 3 一们。 ( 4 ) 表面状况会影响闪络特性4 6 。 研究发现表面经过一定处理后将会影响材料的闪络场强，表( 界) 面的陷阱电荷对闪络 的发展起着重要的作用。 ( 5 ) 注入电流对闪络特性具有重要的作用 6 4 - 6 6 1 。 1 8 本文研究的主要内容 随着脉冲技术的发展，对光电导开关的性能提出了更高的要求，其中高耐压问题成为 制约光电导开关输出功率的主要问题。由气体、液体或真空与固体介质构成的复合并联绝 缘系统中，其绝缘性能往往受沿固体介质表面闪络现象的制约，因发生闪络时的施加电场 强度往往低于固体绝缘和氛围本身的耐电强度。光电导开关工作场强受到限制的主要原因 在于，当施加电场较高时，会在半导体材料表面出现闪络现象，电极边缘的区域尤为剧烈， 并常常伴随着材料的破坏，因此这种半导体器件的工作场强不得不远远小于所用材料的体 击穿场强。由于p c s s s 的应用需求，2 0 世纪末2 0 年间，国际上形成了研究半导体沿面闪 络现象的热潮，尽管目前关于闪络现象的研究成果已有相当规模的积累，然而至今对其内 在机理还不是很清楚，在实际应用中，这问题仍然是影响器件性能和寿命的主要因素之一。 如何提高g a a s 光电导开关的沿面闪络电压问题是本文研究的主要内容。 针对上述问题，本文的主要研究工作可以总结如下： ( 1 ) 分析影响闪络发生的因素，改进光电导开关的结构，抑制沿面闪络的出现，提高 g a a s 光电导开关的耐压，提高g a a s 光电导开关性能。 ( 2 ) 提出新的光触发方式背面触发。并进行半导体g a a s 光电导开关正面以及背 面触发下耐压性能测试，验证背面触发g a a s 光电导开关的耐压性能高于正面触发下的耐 9 西安理工大学硕士学位论文 压性能，并通过理论分析对其进行合理的解释。 ( 3 ) 研制出能在3 0 h z 重复频率下，耐压性能可以达到2 0 k v 的光电导开关，并对其 耐压提高的因素给出了详细的分析。 1 9 本章小结 本章介绍了光电导开关的研究背景、应用前景、以及发展历史；简要介绍了光电导开 关的工作原理；介绍了限制光电导开关的主要因素沿面闪络，以及现今对闪络发生的 研究机理，并简要阐述了本文的主要内容。 1 0 2g a a s 光导开关特性以及损伤机理的研究 2g a a s 光电导开关特性以及损伤机理 2 1g a a s 材料的特性 砷化镓的能带结构比较复杂，图2 1 描绘出了g a a s 的能带结构图。k = 0 处为g a a s 的导带极小值，其价带极大值也在k = 0 处，g a a s 为直接跃迁型。直接跃迁型能带的半导 体，其价带的电子吸收光子便会跃迁到导带，或者电子从导带跃迁到价带和空穴复合而发 光。 g a a s 在( 1 0 0 ) 方向具有双能谷的能带结构，除k = o 处有极小值，在( 1 0 0 ) 方向边缘上存 在着比另一个中心的极小值仅仅高出0 3 6 e v 的导带极小值。因此电子具有主、次 两个能谷，由此可见g a a s 材料具有负阻性。 ( a )( 图2 - ig a a s 能带结构如图( a ) g a a s 全能带结构；( b ) g a a s 局部能带结构 f i g 2 1g a a sb a n ds t r u c t u r es c h e m e s ( a ) g a a sf u l lb a n ds t r u c t u r e ；( b ) g a a sl o c a lb a n ds t r u c t u r e 开关芯片材料的选取对于光电导开关的性能有很大的影响。常用的芯片材料有s i 、 g a a s 、i n p 、s e c d 等，其中s i 和g a a s 是最常见的光电导开关芯片材料。s i 材料是研究 很早、技术也很成熟的开关芯片，不过由于s i 材料制作的开关在耐压性能、开关速度和 开关效率等方面都不如g a a s 材料，而且更容易发生热崩以及重复频率低等缺点，因此 g a a s 成为现今最有前景的开关芯片材料，其主要优势如下“l l 2 3 l