基于3C-SiC薄膜的光导开关的研究
3C-SiC界面的研究的开题报告

光电子能谱线站的建设及Cu/3C-SiC界面的研究的
开题报告
一、研究背景
光电子能谱(PE)可以很好地研究物质的电子结构和表面化学反应。
随着现代科技的发展,越来越多的实验室和研究机构开始关注光电子能谱技术的应用。
本文拟建设一条光电子能谱线站,主要用于研究Cu/3C-SiC界面的性质和特征。
二、研究内容
本文主要研究以下内容:
1、建设光电子能谱线站,选用适合的仪器设备,优化实验流程和条件,建立光电子能谱研究平台。
2、针对Cu/3C-SiC界面的问题,采用光电子能谱技术研究该界面结构、成分、电子态密度等性质,探讨Cu/3C-SiC界面特征和机理,为今后开展材料处理和系统工程研究提供理论基础。
三、研究方法
1、建设光电子能谱线站,选用高分辨率的光电子能谱仪,引进在PE 实验分析和数据处理方面有着深厚实践经验的专家组成研究团队。
2、采用光电子能谱技术研究Cu/3C-SiC界面结构和性质,包括表面和体内的电子结构和化学反应。
通过对光电子光谱和角分辨数据的测量和分析,揭示界面上的化学反应机理和物理特性。
四、研究意义
1、建设光电子能谱线站将为材料科学、光子学和化学等多学科研究提供充分的测试手段和研究工具,加速学科交叉和协同发展。
2、探究Cu/3C-SiC界面特征和机理,对于了解此类材料的性质和应用前景具有重要意义。
3、为今后科学家和工程师提供研究依据,为新型电子材料设计和制备提供一系列指导,有望为相关领域的技术进步和工程应用做出积极贡献。
异质外延3C-SiC薄膜生长的研究进展概论

3C-SiC薄膜生长的研究难点- 界面孔洞
3C-SiC薄膜生长的研究难点
单晶si衬底与3C-SiC薄膜之间存在近20% 的晶格失配和8%的热膨胀系数差异,外延 生长的薄膜中往往存在大量的缺陷以及较 大的残余热应力,严重制约着3C-SiC基器 件性能的提高;同时由于受到生长温度的 限制,3C-SiC薄膜的可控掺杂也一直是个 难点。
3C-SiC薄膜生长的研究难点- 界面孔洞
异质外延3C-SiC薄膜生长的研究 进展
郭慧君 2013.5.29
异质外延3C-SiC薄膜的基本原理
在单晶Si衬底上直接外延3C-SiC薄膜,所获得的 薄膜不但结晶质量差,单晶区域面积小,还夹杂 着大量的多晶区域,不能满足半导体器件对3CSiC外延薄膜的要求。因而,在3C-SiC外延生长之 前,在Si衬底上引入“缓冲层”,以实现大面积 单晶薄膜的生长。目前单晶Si衬底异质外延3CSiC薄膜基本有原位腐蚀(In situ etching)、 碳化处理(Carbonization)和外延生长 (Epitaxial growth)三个工艺过程组成。
➢ 在碳化过程中,衬底si原子向外扩(Out-diffusion),在衬底上 形成Si空位,这些空位随着碳化的进行相互连接合并,在界面处 形成了孔洞。孔洞的存在,使得Si/3C-SiC界面变得粗糙,严重 降低SiC/Si异质结二极管等器件的性能。研究表明,孔洞的形状 与衬底取向相关,在Si(100)和Si(111)衬底上形成的孔洞为“倒 金字塔”形,其底面分别为四边形和三角形,侧面取向为{111} 面;Si(110)衬底上形成的孔洞为倒置的圆棒状,侧面取向也为 {111}面。
SOI基3C-SiC薄膜的光谱表征

第29卷第2期光散射学报V q I.29 N o.2 2017 年6 月THE JOURNAL OF LIGHT SCATTERING Jun. 2017文章编号:l〇〇4-5929(2017)02-0187-04S O I基3C-S iC薄膜的光谱表征王飞,杨治美%马瑶,龚敏(四川大学物理科学与技术学院,微电子技术重点实验室,成都610064)摘要:本文探索在S O I基片上通过顶层S i直接与碳源反应,反向外延生长3C-SiC薄膜的工艺条件和技术。
采用LPC V D技术,以CH4和H2混合气体为反应源,在S O I衬底上生长3C-SiC薄膜。
采用X射线衍射分析 仪、场发射扫描电子显微镜和傳里叶红外光谱来研究样品的结构和性质;并研究反应前、后样品电压-电容特 性的变化。
研究结果表明,通过反向外延的方法,能够在S O I基片反向外延生长得到3C-SiC薄膜,但目前的 工艺条件有待进一步的改善。
关键词:立方碳化硅;SO I;SiCO I;碳化;反向外延中图分类号:TN304. 054 文献标志码:A doi:10. 13883/j. issnl004-5929. 201702015Spectral Characterization of 3C-SiC Film Grown on SOI SubstrateW A N G F e i,Y A N G Z him ei % M A Y a〇,G O N G M inC Key L a b ora tory f o r m ic r o e le c t r o n ic s»C o lle g e o f P h y s i c a l S cie n ce a n dT e c h n o l o g y,Sichu a n U n i v e r s i t y,C h e n g d u,China)Abstract:This paper is to explore process conditions and technology of the reverse epitaxial growth of 3C-SiCthin film through the reaction between the top silicon of the substrate and carbon source. 3C-SiC film wasgrown on SOI substrate by Low Pressure Chemical Vapor Deposition(LPCVD) with CH4and H2gas mixtureas reaction sources. Using various techniques,including X-ray diffraction(XR D),scanning electron microscope(SEM)and Fourier transform infrared(FTIR) reflectance to study the structure, properties and voltage capacitance characteristics of SOI and 3C-SiCOI samples, it? s found out that 3C-SiC film can be obtained through reverse epitaxial growth method and the current process conditions need to be further improved.Key words: cubic silicon carbide;silicon-on-insulator;SiC-on-insulator;carbonization; reverse-epitaxial growthprocessi引言碳化硅(SiC)因具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点,在高温、高频、高压、高功率和抗辐射电子器件等方面具有重要应用,是极具潜力的宽禁带半导体材料[1]。
密度泛函理论SrTiO33C-SiC电子结构热导率硕士论文

SrTiO3及3C-SiC物性的第一性原理研究【摘要】本文通过第一性原理研究了两部分内容:SrTiO3材料的电子结构及其属性的研究和3C-SiC的热力学性质及热输运性质的研究。
首先基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势计算方法,采用广义梯度近似(WC泛函)对SrTiO3材料的电子结构及其属性进行研究,主要内容分三个部分:⑴计算了纯SrTiO3晶体的能带结构,态密度以及分波态密度,并对其价键结构进行了Mulliken布居分析。
⑵计算了分别含O,Sr,Ti三种空位缺陷的SrTiO3材料的晶体结构,电子结构和形成能的大小,研究了空位本征缺陷对SrTiO3材料导电机理的影响。
⑶计算了Fe替代Sr位和Ti位掺杂SrTiO3的掺杂形成能;同时对SrTi1-x Fe x O3体系(x=0,0.125,0.167,0.25)的晶体结构及电子结构进行计算,分析了Fe替代Ti位掺杂对SrTiO3电子结构及导电性能的影响。
其次基于密度... 更多还原【Abstract】 The dissertation is devoted to the study ofelectronic structure and related properties of SrTiO3, thermodynamic properties and thermal transport properties of 3C-SiC from first principles.Electronic structure and related properties of SrTiO3 were investigated by using afirst-principles ultrasoft pseudopotential approach of the plane wave and General Gradient Approximation (WC functional)based upon the Density Functional Theory. Main contents and results obtained in this ... 更多还原【关键词】密度泛函理论;SrTiO3;3C-SiC;电子结构;热导率;【Key words】DFT;SrTiO3;3C-SiC;Electronic Structure;Thermal conductivity;摘要3-4Abstract 4第一章密度泛函理论及其数值计算方法7-211.1 密度泛函理论基本概念7-111.1.1 从波函数到电子密度7-81.1.2 Hohenberg-Kohn 定理8-101.1.3 Kohn–Sham 方程10-111.2 交换相关能量泛函11-141.2.1 局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)11-131.2.2 轨道泛函与非局域泛函13-141.2.3 自相互作用修正141.3 密度泛函理论的扩展形式14-161.4 密度泛函理论的应用161.5 密度泛函理论的数值计算方法16-211.5.1 超晶胞近似16-171.5.2 赝势近似17-191.5.3 自洽迭代循环和几何优化19-21第二章基于密度泛函理论的常用软件包简介21-292.1 V ASP 程序包简介21-262.1.1 V ASP 的计算功能及特点21-222.1.2 V ASP 的输入输出文件22-262.2 Materials Studio 软件26-272.3 Gaussian 系列272.4 WIEN 系列27-282.5 其它系列软件28-29第三章SrTiO_3电子结构及其属性研究29-573.1 SrTiO_3 材料简介29-323.1.1 SrTiO_3材料的性质及其应用29-303.1.2 国内外研究进展30-323.2 理想SrTiO_3电子结构及性质32-383.2.1 理论模型和计算方法32-333.2.2 晶体结构几何优化333.2.3 Mulliken 布居分析33-353.2.4 SrTiO_3能带结构、态密度及分波态密度35-383.3 SrTiO_3本征空位缺陷的研究38-463.3.1 理论模型与计算方法38-393.3.2 晶体结构几何优化39-403.3.3 SrTi0_(2.875)体系电子结构及其分析40-433.3.4 Sr_(0.875)Ti0_3,SrTi_(0.875)0_3体系的电子结构及其分析43-453.3.5 空位形成能45-463.4 Fe 掺杂SrTiO_3电子结构及其性质46-573.4.1 理论模型和计算方法47-483.4.2 掺杂形成能48-493.4.3 晶体结构几何优化493.4.4 能带结构49-513.4.5 态密度及分波态密度51-57第四章3C-SiC 热学性质与热输运性质计算57-694.1 SiC 的结构和性质57-594.1.1 SiC 的晶体结构574.1.2 SiC 物化性质简介57-584.1.3 SiC 的理论研究进展58-594.2 理论模型及计算方法59-614.2.1 理论基础59-604.2.2 计算模型建立60-614.3 3C-SiC 几何结构优化614.4 3C-SiC 的声子谱及声子态密度61-634.5 3C-SiC 的比热容和德拜温度63-654.6 3C-SiC 的声子群速度及非谐声子平均自由程65-664.7 3C-SiC 的热导率66-69第五章结论69-71 致谢71-73参考文献。
碳化硅新结构光导开关特性模拟硕士论文

新型SiC光导开关特性研究【摘要】光导开关因其具备开关速度快、传输功率大、同步精度高、触发抖动小、器件结构简单、使用寿命长、近乎完美的光电隔离和不受电磁干扰等优良特性在超宽带脉冲,超快电子等领域表现出诱人的发展潜力和应用前景。
本文首先对光导开关的发展历史做了简要回顾,概述了光导开关的发展状况,介绍了光导开关的两种主要的工作模式,同时对用于制作光导开关的半导体材料进行了简要分析。
在对光导开关材料分析的基础上,提出了一种新的异质结碳化硅光导开关器件结构。
该结构可以把碳化硅材料的优良特性与光导开关的杰出优点有机结合,可以增大光导开关的有效面积,提高光导开关的耐高压性能,提高开关的重复频率。
其次,建立了光导开关的等效模型,即把光导开关等效为一个时变电阻和间隙电容并联的形式,通过求解载流子浓度的分布规律求得了时变电阻的表达式,同时参考经验公式也得到了间隙电容的数值。
针对所建立的等效模型,计算模拟了光导开关在不同条件下载流子浓度的变化规律、激发光的波长、激发光强度、开关电极间隙以及不同偏压对光导开关特性的影响,最后还对光导开关输出进行了频谱特性分析。
更多还原【Abstract】 Photoconductive Semiconductor Switches(PCSS)have simple structure and highqualityperformance compared with the traditional switchs.This device has attractivepotential and prospect in various fields such as UWB andultra-fastelectronie.At first,the history and the development course of the PCSS have been reviewed,two different kind of operational modes(Linear mode and Nonlinear model) have beendiscussed. The characteristic of PCSS material has been analyzed. Based on the aboveconsiderations,a ne... 更多还原【关键词】碳化硅;新结构;光导开关;特性模拟;【Key words】SiC;new structure;PCSS;simulate the characteristic;摘要3-4Abstract 4第一章绪论7-151.1 光导开关发展历史7-81.2 光导开关的研究现状及应用前景8-101.3 本文的研究意义10-121.4 本文的主要研究内容12-15第二章光导开关工作原理及衬底材料特性研究15-252.1 光导开关的工作原理及分类15-172.1.1 光导开关的工作原理152.1.2 光导开关的分类15-172.2 光导开关的两种工作模式17-192.2.1 光导开关的线性工作模式182.2.2 光导开关的非线性工作模式18-192.3 光导开关材料特性19-222.3.1 SiC 材料的生长技术20-212.3.2 β-SiC/α-SiC 的异质外延技术21-222.4 本章小结22-25第三章光导开关输出特性的理论研究25-453.1 SiC 光导开关输出特性的理论分析25-273.1.1 SiC 光导开关的电路结构25-263.1.2 SiC 光导开关的电路分析26-273.2 SiC 光导开关的关键参数确定27-363.2.1 SiC 光导开关等效电路时变电阻的求解27-333.2.2 SiC 光导开关间隙电容的求解33-363.3 碳化硅光导开关的特性研究36-413.3.1 载流子浓度的变化规律36-383.3.2 激发光波长对器件特性的影响38-393.3.3 激发光强对器件特性的影响39-403.3.4 开关电极间隙对器件特性的影响403.3.5 不同偏压对器件特性的影响40-413.4 光导开关频谱特性分析41-443.4.1 碳化硅光导开关输出特性的傅里叶表征41-423.4.2 碳化硅光导开关的频谱特性42-443.5 本章小结44-45第四章光导开关的制备工艺规划45-534.1 制备3C-SiC 光导开关的关键技术45-484.1.1 金属-碳化硅接触势垒45-464.1.2 金属半导体接触的载流子输运过程46-474.1.3 比接触电阻ρ_c 47-484.2 具体的工艺步骤48-514.2.1 β-SiC 光导开关一般制备工艺流程设计48-504.2.2 制备碳化硅光导开关的流程框图50-514.3 本章小结51-53第五章结束语53-555.1 结论535.2 后续工作设想53-55致谢55-57参考文献。
3C-SiC薄膜异质外延生长与表征的开题报告

3C-SiC薄膜异质外延生长与表征的开题报告1. 研究背景碳化硅(SiC)是一种具有优良物理、化学和材料特性的广泛用途的宽带隙半导体材料。
SiC的优点包括高电场承受能力、高热传导性能、化学惰性、高硬度和机械强度、高温稳定性和较小的失配问题。
因此,SiC被广泛研究和应用于高温、高频、辐射、光电等领域。
SiC的异质外延生长技术是制备高品质SiC晶体和器件的重要方法。
3C-SiC是一种具有优异物理特性的SiC晶体。
在晶学方面,3C-SiC与硅基衬底有良好匹配度,有望实现大面积、高质量晶体的生长。
因此,研究3C-SiC薄膜的异质外延生长和表征具有重要的理论和应用意义。
2. 研究内容本论文将通过文献调研、实验测试和数据分析,研究以下内容:(1)3C-SiC薄膜的异质外延生长技术及其影响因素:包括衬底的选择、生长温度、化学气相沉积(CVD)过程的参数等。
(2)薄膜晶体结构和表面形貌的表征:光学显微镜表征晶体形貌和表面质量;拉曼光谱表征晶体质量和应变状况;X射线衍射分析晶体结构和各向异性;能量色散谱(EDS)分析薄膜成分组成。
(3)薄膜电学性质的表征:采用霍尔效应测量薄膜的载流子浓度、迁移率和电阻率等电学参数。
3. 研究意义本研究将从材料学和物理学角度分析3C-SiC薄膜的异质外延生长过程和特性,探究其电学、光学和力学性质。
结果将对SiC材料及其相关器件的制备和应用提供重要参考。
4. 研究方法(1)光学显微镜:用于表征晶体形貌和表面质量。
(2)拉曼光谱:用于表征晶体质量和应变状况。
(3)X射线衍射:用于分析晶体结构和各向异性。
(4)能量色散谱(EDS):用于分析薄膜成分组成。
(5)霍尔效应:用于测量载流子浓度、迁移率和电阻率等电学参数。
(6)CVD工艺:用于制备3C-SiC薄膜。
3C-SiC纳米颗粒及复合薄膜的制备与发光特性研究的开题报告

3C-SiC纳米颗粒及复合薄膜的制备与发光特性研究的开题
报告
一、研究背景
纳米材料因其尺寸效应、表面效应和量子效应等独特的性能,在材料科学、生物医学、电子信息等领域具有广泛的应用前景。
SiC(碳化硅)作为一种新型半导体材料,具有高热稳定性、高硬度和高绝缘性能,已被广泛关注。
近年来,研究人员通过改进制备方法,成功制备了3C-SiC纳米颗粒和复合薄膜。
3C-SiC纳米颗粒具有优异的光催化性能和发光特性,可以应用于环境污染治理和生物
医学等领域。
同时,3C-SiC复合薄膜也具有多种应用潜力,例如用于光学薄膜、光伏
器件和传感器等。
本研究将探究制备3C-SiC纳米颗粒及复合薄膜的方法,并研究其发光特性。
二、研究内容
1. 制备3C-SiC纳米颗粒的方法:本研究将选择溶胶-凝胶法、热解法和晶化法等方法进行实验,对比不同方法的制备效果。
2. 制备3C-SiC复合薄膜的方法:本研究将采用物理气相沉积法,研究不同掺杂
元素和衬底的影响,并进一步研究复合薄膜的光学性能和电学性能。
3. 发光特性研究:通过荧光光谱和紫外-可见吸收光谱等测试手段,研究3C-SiC
纳米颗粒和复合薄膜的发光特性,并探究其发光机理。
三、研究意义
本研究将对3C-SiC纳米颗粒和复合薄膜的制备和发光特性进行深入研究,有助
于拓展SiC材料的应用领域。
同时,本研究将为解决环境污染和提高生物医学检测灵
敏度等问题提供新思路。
SiC薄膜的制备及性能研究

SiC薄膜的制备及性能研究之老阳三干创作指导老师:学生姓名:专业班级:资料工程摘要碳化硅被誉为下一代半导体资料, 因为其具有众多优异的物理化学特性, 被广泛应用于光电器件、高频年夜功率、高温电子器件.本文论述了SiC研究进展及应用前景, 从光学性质、电学性质、热稳定性、化学性质、硬度和耐磨性、搀杂物六个方面介绍了SiC的性能.SiC有高的硬度与热稳定性,稳定的结构,年夜的禁带宽度 ,高的热导率,优异的电学性能.同时介绍了SiC的制备方法:物理气相聚积法和化学气相聚积法, 以及SiC薄膜表征手段.包括X射线衍射谱、傅里叶红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱等.最后讲了SiC的光学性能和电学性能以及参杂SiC薄膜的光学性能研究进展.关键词:SiC, 溅射, 搀杂, 性能研究Study On The Synthesis And Properties Of SiCFilmC l a s s: Material EngineeringN a m e: Hengyi WangInstructor: Yuxiang LiAbstractSilicon carbide is known as next-generation semiconductor materials, because it has many excellent physical and chemical characteristics, widely applied light electric parts, high frequency power, high temperature electronic devices.This paper expounds the research progress and application prospects of foundation, from optical properties, electrical properties, thermal stability, chemical properties, hardness and abrasion resistance, doping thing six aspects introduces the performance of SiC.SiC has high hardness and thermal stability, stable structure, largeforbidden band width, high thermal conductivity, excellent electrical properties.Meanwhile introduces the preparation methods of SiC: the physical vapor deposition and chemical vapor deposition, and SiC film characterization methods.Including X-ray diffraction spectrum, Fourier infrared spectra, Raman spectra, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Finally spoke SiC optical performance and electrical properties and joined SiC film optical properties research progress.Keywords: SiC, Spurting, Mingle, Performance study目录1 绪论 (5)1.1 引言 (5)1.2 SiC资料的研究进展 (6)1.3 SiC的晶体结构、特性及应用前景 (7)SiC的晶体结构 (7)SiC的物理和化学性质 (9)SiC的应用前景 (11)1.4 SiC的搀杂 (12)2 SiC薄膜的制备方法 (14)2.1 物理气象聚积法 (14)2.1.1 溅射 (14)分子束外延 (16)离子注入合成法 (17)2.2 化学气象聚积法 (17)高压化学气相聚积 (17)热灯丝化学气相聚积法 (18)等离子增强化学气相聚积 (18)3 SiC薄膜的表征方法 (21)3.1 X射线衍射谱 (21)3.2 傅里叶红外光谱 (22)3.3 拉曼光谱 (22)3.4 X射线光电子能谱 (24)3.5 原子力显微镜和各种电镜 (24)4 SiC薄膜的性能研究 (25)4.1 SiC薄膜的力学性能方面 (25)4.3 SiC薄膜电学性能方面 (25)4.3 SiC薄膜搀杂及光学性能方面的研究 (26)5 小结 (28)6 参考文献 (29)7 致谢 (32)1 绪论1.1 引言SiC由Si原子和C原子组成, 其晶体结构具有同质多型体的特点, 在半导体领域最罕见的是具有立方闪锌矿结构的3C-SiC和六方纤锌矿结构的4H-SiC和6H-SiC.21世纪以来以Si为基本资料的微电子机械系统(MEMS)已有长足的发展, 随着MEMS应用领域的不竭扩展, Si资料自己的性能局限性制约了Si基MEMS在高温、高频、强辐射及化学腐蚀等极端条件下的应用.因此寻找Si的新型替代资料正日益受到重视.在众多半导体资料中, SiC的机械强度、热学性能、抗腐蚀性、耐磨性等方面具有明显的优势, 且与IC工艺兼容, 故而在极端条件的MEMS应用中, 成为Si的首选替代资料.SiC资料具有良好的电学特性和力学特性, 是一种非常理想的可适应诸多恶劣环境的半导体资料.它禁带宽度较年夜, 具有热传导率高、耐高温、抗腐蚀、化学稳定性高等特点, 以其作为器件结构资料, 可以获得耐高温、耐高压和抗腐蚀的SiC-MEMS器件, 具有广阔的市场和应用前景.同时SiC陶瓷具有高温强度年夜、抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率年夜、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性.因此, 是以后最有前途的结构陶瓷之一, 而且已在许多高技术领域(如空间技术、核物理等)及基础财富(如石油化工、机械、车辆、造船等)获得应用, 用作精密轴承、密封件、气轮机转子、喷嘴、热交换器部件及原子核反应堆资料等.如利用多层多晶碳化硅概况微机械工艺制作的微型电念头, 可以在490℃以上的高温环境下稳定工作.可是SiC体单晶须在高温下生长, 搀杂难于控制, 晶体中存在缺陷, 特别是微管道缺陷无法消除, 而且SiC体单晶非常昂贵, 因此发展高温制备SiC薄膜技术对SiC器件的实际应用有重年夜意义.目前, 制备SiC薄膜的方法主要分为两年夜类:物理气相聚积法和化学气相聚积法.物理气相聚积主要包括溅射法、离子注入法、分子束外延等.化学气相聚积主要有高压化学气相聚积、热灯丝化学气相聚积、等离子体化学气相聚积[1].1.2 SiC资料的研究进展国际上, SiC的发展至今经历了3个研究时期:第一是采纳升华法制备SiC单晶来开发各种器件的时期;第二是SiC的外延生长等基础研究时期;第三是接近于相关领域应用要求的以后研究开发时期.SiC晶体的获得最早是用AchesonZ工艺将石英砂与C混合放入管式炉中2600℃反应生成, 这种方法只能获得尺寸很小的多晶SiC.至1955年, Lely用无籽晶升华法生长出了针状3C-SiC孪晶, 由此奠基了SiC的发展基础.20世纪80年代初Tairov等采纳改进的升华工艺生长出SiC晶体, SiC作为一种实用半导体开始引起人们的研究兴趣, 国际上一些先进国家和研究机构都投入巨资进行SiC研究.20世纪90年代初, Cree Research Inc 用改进的Lely法生长6H-SiC晶片并实现商品化, 并于1994年制备出4H-SiC晶片.这一突破性进展立即掀起了SiC晶体及相关技术研究的热潮.目前实现商业化的SiC 晶片只有4H-和6H-型, 且均采纳PVD技术, 以美国CreeResearch Inc为代表.采纳此法已逐步提高SiC晶体的质量和直径达7.5cm, 目前晶圆直径已超越10cm, 最年夜有用面积到达40mm2/cm2.现今就SiC单晶生长来讲, 美国处于领先位置, 俄罗斯、日本和欧盟(以瑞典和德国为首)的一些公司或科研机构也在生产SiC晶片, 而且已经实现商品化.SiC作为第三代半导体资料的杰出代表, 由于其特有的物理化学特性丽成为制作高频、年夜功率、高温器件的理想资料.随着SiC体资料的生长和外延技术的成熟, 各种SiC器件将会相继呈现.目前, SiC器件的研究主要以分立器件为主, 仍处于以开发为主、生产为辅的阶段[1].1.3 SiC的晶体结构、特性及应用前景1.3.1SiC的晶体结构SiC的基本结构单位是Si-C四面体, 属于密聚积结构.由单向聚积方式的分歧发生各种分歧的晶型, 已经发现的同质多型体就有250多种.密聚积有3种分歧的位置, 记为A, B, C.依赖于聚积顺序, Si-C键暗示为立方闪锌矿或六方纤锌矿结构.如聚积顺序为ABCABC, 则获得立方闪锌矿结构, 记作3c-SiC或p-SiC(c=cubic).若聚积顺序为ABAB, 则获得纯六方结构, 记为2H-SiC.其它多型体为以上两种聚积方式的混合.两种最罕见的六方晶型是4H和6H.其聚积方式分别为ABCB’ABCB和ABCACB’ABCACB, 如图1-1所示.图1-1分歧多型碳化硅在(1120)面上的堆叠序列分歧的SiC多型体在半导体特性方面暗示出各自的特性.利用SiC的这一特点可以制作SiC分歧多型体间晶格完全匹配的异质复合结构和超晶格, 从而获得性能极佳的器件.其中6H-SiC结构最为稳定, 适用于制造光电子器件:p-SiC比6H-SiC活泼, 其电子迁移率最高, 饱和电子漂移速度最快, 击穿电场最强, 较适宜于制造高温、年夜功率、高频器件, 及其它薄膜资料(如A1N、GaN、金刚石等)的衬底和X射线的掩膜等.而且, β-SiC薄膜能在同属立方晶系的Si衬底上生长, 而Si衬底由于其面积年夜、质量高、价格低, 可与Si的平面工艺相兼容, 所以后续PECVD制备的SiC薄膜主要是β-SiC薄膜[2].1.3.2SiC的物理和化学性质(1)光学性质资料带隙即禁带的年夜小决定了器件的很多性质, 包括光谱响应特性、抗辐射特性、工作温度以及击穿电压等许多器件的重要特性.SiC的禁带宽, 如4H-SiC 是3.2eV, 6H-SiC是2.8eV, 所以SiC具有良好的紫外光谱响应特性, 对红外辐射不响应, 抗辐射特性好, 可应用于检测红热布景下的微弱紫外信号.而且其暗电流很低, 工作温度高, 故也可用于探测高温环境中的紫外信号.SiC在很宽的光谱范围(2.2~3.2eV)内也有良好的发光特性.不外, SiC的光学特性与晶体取向及同质多型体的结构有很密切的关系.(2)电学性质SiC的临界击穿电场比经常使用半导体Si和GaAs都年夜很多, 这说明SiC资料制作的器件可接受很年夜的外加电压, 具备很好的耐高特性.另外, 击穿电场和热导率决定器件的最年夜功率传输能力.击穿电场对直流偏压转换为射频功率给出一个基本的界限, 而热导率决定了器件获得恒定直流功率的难易水平.SiC具有优于Si 和GaAs的高温工作特性, 因为SiC的热导率和击穿电场均高出Si, GaAs好几倍, 带隙也是GaAs, Si的两三倍.电子迁移率和空穴迁移率暗示单位电场下载流子的漂移速度, 是器件很重要的参数, 会影响到微波器件跨导、FET的输出增益、功率FET的导通电阻以及其他参数.4H-SiC电子迁移率较年夜, 但各向异性较弱;6H-SiC电子迁移率较小, 但各向异性强.(3)热稳定性SiC的热稳定性比力高.在常压下不会熔化.在高温下, SiC升华并分解为碳和含硅的SiC蒸气, 残留下来的石墨以原晶体的质形存在.(4)化学性质SiC会发生氧化反应, 所以在其概况加一SiO2层以防止氧化.因此, SiC也能溶解于熔融的氧化剂物质.与氯气或CCl4反应时会留下石墨残留物, 与氟在300℃的反应没有任何残留物.所以, 可用熔融的氧化剂和氟作为SiC的概况腐蚀剂.立方结构的SiC化学性质比六方结构活泼.(5)硬度和耐磨性SiC硬度很高, 介于金刚石和黄玉之间, 可以切割红宝石, 其莫氏硬度为9.2~9.3, 克氏硬度为3000kg/mm2.碳化硅还具有极高的耐磨性, 如果金刚石的耐磨性被视作10, 刚玉为9, 那么SiC的则为9.15.其杨氏弹性模量为4x104kg/mm2.(6)搀杂物SiC罕见的p型搀杂物有Al, B, Be, Ga, O等.其中, Al 是最经常使用的, 因为Al具有较浅的受主能级(约200meV).其他p型搀杂物如B有较深的受主能级(320~735meV).SiC的n型搀杂物主要是N.不外, 相对p型搀杂物比力稳定的受主能级而言, n型搀杂物的施主激活能变动较年夜, 这与搀杂浓度、多型结构、资料质量和丈量技术有关.比如, 对n型3C-SiC, 霍尔丈量确定了氮的激活能为18~48meV.SiC的许多杂质能级具有比在Si中更深的能级, 这说明室温下SiC中会有部份载流子被解冻.不外, 由于存在杂质电离场, SiC的结型场效应管仍可以在77K的高温下运行.除上述性质外, SiC在压敏、热电等方面也具有优良的性能[3].1.3.3SiC的应用前景由于SiC具有上述众多优异的物理化学性质, 不单能够作为一种良好的高温结构资料, 也是一种理想的高温半导体资料.近20年, 陪伴薄膜制备技术的高速发展, SiC薄膜已经被广泛应用于呵护涂层、光致发光、场效应晶体管、薄膜发光二极管以及非晶Si太阳能电池的窗口资料等.另外, 作为结构资料的SiC薄膜还被认为是核聚变堆中最佳的防护资料, 在不锈钢基体上聚积一层SiC薄膜, 可以年夜年夜地降低氚的渗透率, 并坚持聚变反应的稳定性.总结起来, SiC具有以下几个方面的应用:(1)高的硬度与热稳定性, 可用于刀具涂层;(2)稳定的结构, 在核反应技术中用作核聚变堆等离子体的面对资料:(3)年夜的禁带宽度, 可作为光的短波长区域发光资料.例如, 3C-SiC的Eg=2.2eV, 6H-SiC的Eg=2.9eV可分别用作绿色、蓝色LED资料, 目前SiC蓝光LED已经商品化;(4)高的热导率, 可作为超年夜规模集成电路和特年夜规模集成电路的热沉资料, 年夜年夜提高了电路的集成度;(5)优异的电学性能,在功率器件、微波器件、高温器件和抗辐射器件方面也具有广泛的应用前景[1].1.4SiC的搀杂SiC中的杂质原子一般以替换Si或C原子的替位方式存在, N、P等原子一般只替换C, Al原子只替换Si, 而B原子既可替换Si也可替换C.由于立方结构中Si位与C位与六方结构中的Si位与C位具有分歧的近次邻关系, 搀杂原子替换分歧晶体结构中的Si和C受到静电势的不完全相同, 杂质原子的电离能是不相同的, 影响杂质原子的能级.高纯度的SiC, 无论是那种同素异构体, 通常呈现n型导电性, 施主杂质是N, 这是因为SiC晶体中的N施主杂质不容易清除, 因而SiC的n型搀杂一般只用N而不用其他Ⅴ族元素.但N在SiC晶体中的扩散速度较低, 宜采纳离子注入或在生长过程中采纳气相搀杂.SiC的p型搀杂物有Al、B、Be、Ga、O、Sc等, 其中Al 通常是SiC晶体的自然杂质, 具有比力浅的受主能级(约200meV), 是最经常使用的p型搀杂物.其他Ⅲ族p 型搀杂物如B有较深的受主能级(320-735meV), 而且在低气压条件下, B与C易形成非常稳定的化合物, 极难去除. 钒是对SiC应用具有特殊意义的一种双性深陷阱杂质.在6H-SiC中掺V, 可发生一条深施主和一条深受主, 分别位于导带底下1.13eV和0.7eV处, 利用它们对电子和空穴的陷阱作用, 实现杂质的高度赔偿, 可以获得半绝缘SiC衬底, 满足SiC微波功率器件与微波单片集成电路的需要.但V在SiC中的固溶度不高, 因此掺V制备半绝缘SiC, 先要提高SiC的纯度[4].2SiC薄膜的制备方法薄膜质量的高低将直接关系到其光电性能, 进而影响其在微电子以及硅基光电器件中的应用, 因此, 制备高质量的薄膜尤为重要, 同时也是一项非常困难的工作.目前SiC薄膜的制备方法主要可分为物理气相聚积和化学气相聚积.2.1物理气相聚积(PVD)物理气相聚积制备SiC薄膜主要包括溅射法、离子注入合成法和分子束外延法共三类.2.1.1 溅射溅射又可分为二极溅射、射频溅射、磁控溅射等.(1)二极溅射等人于1968年首先采纳直流二极溅射制取SiC薄膜.六方SiC单晶作为靶材(阴极), 晶体为n×2×cm, 阴极靶上接负高压(-2KV), 工作时先将真空室预抽到高真空(1×10-8Torr), 然后通入氢气使真空室内压力维持在7×10-2Torr, 接通电源使在阴极和阳极之间发生异常辉光放电, 并建立起等离子区, 其中带正电的氩离子受到电场加速而轰击阴极靶, 从而使靶材发生溅射[7].直流二极溅射结构简单, 可获得年夜面积膜厚均匀的薄膜, 但不能溅射介质资料, 且溅射参数不容易自力控制, 排气系统差, 残留气体对膜层污染较严重, 纯度较差, 基板温升高, 淀积速率低.(2)射频溅射王英华等人采纳射频溅射制取SiC薄膜, 制样设备为JS-450射频溅射仪, 基片与靶之间距离为25~40mm, 溅射气体为高纯Ar, 基础真空度为1×10-5Torr, 溅射气压2×10-3×10-2TorrμmhW/cm2.靶为烧结碳化硅, 采纳玻璃和石英玻璃为基片.研究标明, 射频溅射膜为非晶态SiC薄膜, 退火可以减少短法式中的缺陷, 消除悬挂键, Eg增年夜.射频溅射由于采纳射频电压, 取消了二极溅射靶材必需是导体的限制, 且在射频电压的正负半周均能发生溅射, 溅射速率比二极溅射高[8].(3)磁控溅射法毛旭等人用射频磁控溅射法在Si(100)和玻璃衬底上制备出衬底温度分别为300℃, 450℃, 600℃的碳化硅薄膜,并对薄膜进行了拉曼光谱和原子力显微镜测试分析.结果标明,用溅射法在玻璃衬底上生长出微晶SiC 薄膜和在Si(100)衬底上生长出立方碳化硅薄膜, 而且薄膜资料的结晶度随着衬底温度的升高而改善.磁控溅射通过改变电子的运动方向, 提高电子对工作气体的电离几率, 有效天时用了电子的能量, 使正离子对靶材轰击溅射更有效, 所以它具有高温、高速两年夜特点.其淀积速率比一般溅射高一个数量级.可是磁控溅射不能实现磁性资料的高温高速溅射, 而且使用绝缘资料靶会使基板温度上升[9].2.1.2分子束外延(MBE)徐彭寿等人在国内首次利用固源分子束外延技术, 在衬底温度为1100℃时, 以Si(111)为衬底胜利地外延生长出了3C-SiC单晶薄膜.通过x射线衍射、拉曼光谱以及原位反射高能电子衍射等手段研究了外延薄膜的晶型、结晶质量、外延膜与衬底的外延取向关系, 并考察了薄膜制备过程中衬底的碳化对薄膜质量的影响.结果标明, 外延膜与衬底晶格取向完全一致;碳化可以减小SiC和衬底Si之间的晶格失配、释放应力、引入成核中心, 有利于薄膜单晶质量的提高.分子束外延的优点是:使用的衬底温度低, 膜层生长速率慢, 束流强度易于精确控制, 膜层组分和搀杂浓度可随源的变动而迅速调整.用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜, 以及交替生长分歧组分、分歧搀杂的薄膜而形成的超薄层量子阱微结构资料[10].2.1.3离子注入合成法由于在电子学技术方面可能广泛应用, 在基板概况高剂量离子注入形成化合物是现今资料科学研究者的一年夜课题.严辉等人用高剂量的碳离子注入单晶Si 衬底, 获得了SiC埋层, 利用X射线光电子能谱, 研究了SiC埋层中Si2p的特征能量损失谱[11].结果标明, Si2p的特征能量损失谱依赖于SiC埋层中C原子的浓度分布, 而且与SiC埋层的有序度效应.离子注入技术具有以下一些其它惯例概况处置技术难以到达的共同优点:(1)它是一种纯洁的无公害的概况处置技术;(2)无需热激活, 无需在高温环境下进行, 因而不会改变工件的外形尺寸和概况光洁度;(3)离子注入层由离子束与基体概况发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新概况层, 它与基体之间不存在剥落问题;(4)离子注入后无需再进行机械加工和热处置.2.2化学气相聚积法(CVD)利用化学气相聚积法制备碳化硅资料具有很多突出的优点, 如可以用高纯度的气体反应获得高纯度的单晶体, 而且生长速度可以通过调节反应温度和气氛成分比例而获得控制.由CVD法制取SiC薄膜的反应组分可以多种多样, 但年夜致可以分为三类:(1)硅化物(经常是SiH4)和碳氢(或氟)化物, 如CH4、C2H4、C3H8、CF4等, 以及一些载气(如H2、Ar等);(2)含碳、硅化合物(如CH3SiCl3、Si(CH3)4)和H2;(3)碳氢化合物和氢气.根据反应条件分歧, CVD可分为PECVD, LPCVD以及热丝CVD(HFCVD)等.2.2.1高压化学气相聚积(LPCVD)CVD反应室通常有热壁型和冷壁型, 前者用于放热反应, 后者用于吸热反应.LPCVD相对普通CVD来说, 一方面基板温度较低, 防止了杂质的扩散和迁移;另一方面减少了杂质气体的污染, 且无须运载气体, 淀积速率增加, 膜厚均匀性年夜年夜改善.Hurtós等人选择Si(CH3)4(TMS)作为先驱体, H2为载气, 在垂直的冷壁反应室里, 在石墨基板概况聚积多晶SiC薄膜.基板温度在1100~1500℃范围, 反应室压强在15~100Torr, 随着TMS分压的增加, 聚积速率亦提高[12].2.2.2热灯丝化学气相聚积法(HFCVD)通常SiC薄膜的聚积是由一含C的先驱体和一含Si 的先驱体通过各种CVD法而获得.然而用HFCVD法、以CH4和H2作为混合气进行金刚石薄膜的聚积时, 有可能在聚积早期阶段形成一薄层缓冲层(Si基板上).这缓冲层有可能是SiC、类金刚石薄膜或者是无定形碳等等, 但因薄层太薄无法表征.这标明在CH4-H2混合物用HFCVD法在Si基板上聚积SiC薄膜也是可能的.王辉等人采纳HFCVD 技术在Si(111)衬底上生长了SiC薄膜.通过电子能谱、X射线衍射和时间分辨光谱等分析手段对样品结构、组分进行了分析.结果标明所制备的样品为纳米晶态SiC, 并通过计算获得验证,对所制备样品进行光致发光特性测试,观察到其在室温下有较强的紫外发光[13].2.2.3等离子增强化学气相聚积(PECVD)由于一般的CVD聚积温度高(大都都在900~1000℃甚至更高), 因而带来了一系列问题:如易引起基板的变形和组织的变动, 降低基板资料的机械性能, 基底资料与膜层资料在高温下发生相互扩散, 两者的结合力削弱.而辉光放电形成的等离子体在化学气相聚积中能将反应物中的气体分子激活成活性离子, 降低反应温度;并能加速反应物在概况的扩散, 提高成膜速度, 对基体及膜层概况具有溅射清洗作用, 从而加强了薄膜与基板间的附着力, 由于反应物中的原子、分子、离子和电子的碰撞、散射作用, 使形成的薄膜厚度均匀.根据等离子体形成条件的分歧, PECVD又可分为射频、微波以及电子回旋共振(ECR)PECVD等三类.于威小组采纳螺旋波等离子体化学气相聚积技术在Si(100)衬底上制备了具有纳米结构的碳化硅薄膜, 在室温下观测到了峰值波长可变的紫外发光[14].3SiC薄膜的表征方法表征薄膜性质的方法有很多, 比如薄膜的成分、化学元素比、结构以及形貌等, 了解各种表征的方法, 对分析所制备的薄膜各种性质非常重要.下面我对SiC 薄膜的经常使用表征方法以及各自的优缺点作简单介绍.3.1X射线衍射谱X射线衍射分析(XRD), 是利用晶体形成的X射线衍射, 对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法.将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时, X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射, 散射的X射线在某些方向上相位获得加强, 从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象.X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、丈量精度高、能获得有关晶体完整性的年夜量信息等优点.晶体的X射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换, 每种晶体的结构与其X射线衍射图之间都有着一一对应的关系, 其特征X射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而发生变动, 这就是X射线衍射物相分析方法的依据.制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化, 将待分析物质的衍射花样与之对比, 从而确定物质的组成, 就成为物相定性分析的基本方法.X射线衍射谱能测定SiC薄膜的结构和晶格取向.3-1SiC衍射峰的2θ值3.2傅里叶红外光谱红外光谱属于吸收光谱, 是由于化合物分子振动时吸收特定波长的红外光而发生的, 化学键振动所吸收的红外光的波长取决于化学键动力常数和连接在两真个原子折合质量, 也就是取决于分子的结构特征.这就是红外光谱测定化合物结构的理论依据.红外光谱作为“分子的指纹”广泛用于分子结构和物质化学组成的研究.根据分子对红外光吸收后获得谱带频率的位置、强度、形状以及吸收谱带和温度、聚集状态等的关系即可以确定分子的空间构型, 求出化学建的力常数、键长和键角.从光谱分析的角度看主要是利用特征吸收谱带的频率推断分子中存在某一基团或键, 由特征吸收谱带频率的变动推测临近的基团或键, 进而确定分子的化学结构.固然也可由特征吸收谱带强度的改变对混合物及化合物进行定量分析.SiC是红外活性的资料, 因而能利用红外光谱来鉴定所制备的SiC薄膜的相成分.还可以冲吸收峰的相对强度定性或者定量的计算出薄膜中各种相成分之间的含量比.SiC的晶体结构特征是具有统治多型体的, 所以SiC的红外光谱比力复杂, 下表列出了罕见的几种多型体的红外特征吸收峰.从SiC薄膜的红外吸收峰位置, 我们可以鉴定薄膜中所含的相成分.可是由于薄膜中的缺陷、残余应力等其他因素会招致薄膜红外吸收峰展。
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基于3C-SiC薄膜的光导开关的研究
摘要:该文报道了一种可承受33kV偏置电压的光导开关结构。
该结构从两方面提高光导开关的耐压特性:两层厚度为20μm的3C-SiC薄膜采用HFCVD工艺制备在6H-SiC基片表面,用于输出电脉冲传输,可消除了6H-SiC基片的微管缺陷对光导开关耐压特性的影响;电极位于两层薄膜之间,增加了接触面积,因此降低了电极表面的电流密度。
关键词:光导开关3CSiC薄膜偏置电压
光导半导体开关(PCSS)是利用超快脉冲激光器与光电半导体材料(如Si,GaAs,InP等)相结合形成的一种新型开关器件[1],其工作原理是利用光电效应,通过激光能量激励半导体材料,使其电导率发生变化,改变开关的通断状态,从而产生电脉冲。
与传统开关技术相比,光导开关具有上升时间短、传输功率高、体积小等优点,可应用于超快瞬态电子学、超宽带通讯等领域。
光导开关自1975年诞生以来,大致经历了三代:(1)以Si为代表[2],Si存在暗电流较大,载流子寿命长的问题;(2)采用GaAs、InP 为代表的III-V族化合物半导体[3],与Si相比,载流子更短寿命;(3)使用以SiC为代表的宽禁带半导体材料[4],由于适合高压大功率光导开关,近年来逐渐成为研究热点。
但是SiC光导开关的击穿电压远低于SiC的理论值,原因是使用
的SiC基片多为α-SiC(包括6H-SiC和4-SiC),晶格结构为立方与六方混合结构,具有“微管”缺陷。
β-SiC(例如3C-SiC)则没有微管缺陷,但是基片难以获得,只有薄膜材料。
微管的密度直接决定了器件的耐压性。
因此,该文采用热丝化学气相沉积(HFCVD)工艺在α-SiC基片表面制备基于3C-SiC薄膜的SiC光导开关,并对其耐压特性进行研究。
1 实验
6H-SiC基片由补偿工艺生长得到。
基于浅施主深受主补偿机制,用深能级受主钒(V)对氮(N)补偿而使得SiC基片具有半绝缘特性。
基片的晶面方向(0001),厚度0.5mm。
基片先经过1600℃的表面氢退火处理16h,然后浸入200℃熔融态KOH中刻蚀3min,然后浸入稀氢氟酸中浸泡12h,最后依次使用丙酮、甲醇、去离子水清洗基片。
3C-SiC薄膜采用HFCVD工艺制备。
采用CH4和SiH4分别作为C源和Si源,H2作为稀释保护气体。
钨丝到基片的距离为6mm,基片温度为850℃,H2流量为100mL/min,CH4和SiH4流量比8:1。
所制备的3C-SiC薄膜厚度大约为20μm。
该文制备的SiC光导开关为横向结构,电极图案为带圆弧的矩形,如图1所示,电极间距1mm。
为提高器件的击穿电压,制备两层3C-SiC薄膜,将电极夹在两层薄膜之间。
使用磁控溅射工艺先后在3C-SiC薄膜表面制备一层100nm厚的Ni,经过5min的高温快速
退火后形成欧姆接触,使用高压直流电源与万用表测量暗态伏安特性,以表征电极与SiC薄膜的接触性能。
SiC光导开关的测试电路如图2所示,电源通过RC电路给SiC 光导开关施加偏置电压,光导开关的输出电脉冲经过衰减器衰减后,由示波器读取其峰值电压。
触发源为波长248nm、能量0.4~1.0mJ、脉冲宽度20ns的氟化氪激光器。
2 结果讨论
将所制备的SiC光导开关置于暗盒内测试,得到暗态伏安特性,结果如图1所示。
可看出伏安特性曲线的线性度较好,斜率不随偏置电压而出现明显变化,表明SiC光导开关的欧姆接触良好。
暗电流的幅度较小,这与SiC材料本身的暗电阻率高有关。
即使SiC材料的击穿电压很高,但如果将电极暴露在空气中,则光导开关可施加的最高电压则取决于击穿空气的电压。
空气的击穿电压为30kV/cm,电极间距1mm,可计算出施加在SiC光导开关上的最高电压为3kV,而图1中施加的最高偏置电压达到了20kV,因此该文提出的结构显著提升了耐压性能。
图4给出了入射光强5mJ时输出电脉冲的峰值与偏置电压的关系。
由图中可看出,输出电脉冲的峰值与偏置电压之间具有较好的线性度。
图5则给出了当偏置电压为5kV时输出电脉冲的峰值与入射光强的关系,两者也具有较好的线性度。
3 结语
该文通过改进SiC光导开关的结构以提高其耐压性能。
在6H-SiC 基片表面采用HFCVD工艺制备两层厚度为20μm的3C-SiC薄膜用于输出电脉冲传输,而电极位于两层薄膜
之间。
采用该结构可消除6H-SiC基片的微管缺陷的影响,并不受空气击穿电压的限制,从而提高光导开关的击穿电压。
实验结果表明,具有该结构的开关电压最高可承受33kV的偏置电压。
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