氮化铝表面钝化的SiC光导开关研究

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与传统开关相比,光导开关(PCSS)具有很大的优势,响应速度快,响应时间在皮秒(ps)量级,耐压能力强,具有良好的光电隔离和不受电磁干扰特性。虽然光导开关有着很大的优势,但也存在一定的缺陷,比如光导开关的实际耐压能力往往低于理论耐压值,而且器件的漏电流过大等。基于SiC-PCSS同样也存在这样的问题,本文提出了在光导开关衬底材料表面淀积一薄层氮化铝进行表面钝化处理,从而改善光导开关的工作性能。本文基于漂移-扩散理论建立光导开关(PCSS)器件模型,该模型选用的衬底材料是钒掺杂半绝缘n型4H-SiC,器件结构是电极共面型,结构尺寸设置为:横向总宽度为150μm、纵向厚度为15μm、电极宽度均为30μm,主要研究在4H-SiC衬底材料上淀积一层AlN钝化层,光导开关的性能变化情况,研究工作主要分以下几个部分:(1)探究了在SiC基底中掺入钒作为深能级陷阱,陷阱浓度对SiC中浅能级杂质进行补偿作用,本文选用陷阱浓度分别为1×1016/cm3、1×1017/cm3、1×1018/cm3,结果表明:陷阱加入后,光电流和暗电流明显下降,漏电流明显减小,随着陷阱浓度增大,暗电阻率增加,电导率下降,当陷阱浓度达到1×1018/cm3时,几乎俘获了所有由非故意掺杂的浅能级杂质N(浓度为3×1015/cm3)电离出的自由电子。因此,深能级杂质钒发挥了良好的补偿作用,且陷阱浓度的选择可根据SiC材料中非故意掺杂的浅能级杂质的浓度而定。(2)研究在4H-SiC表面淀积AlN钝化层前后,SiC-PCSS的暗态特性,结果表明:经钝化处理后,能够有效限制暗态电流,暗态电流明显减小,防止了漏电流过大,改善了SiC-PCSS的暗态特性。(3)研究AlN钝化层厚度和表面积对SiC-PCSS性能的影响,本文研究选取AlN钝化层的厚度分别为0.5μm、1.0μm、2.0μm;表面积设置采用改变AlN钝化层横截面长度的方法,分别为50μm、70μm、90μm,结果表明:淀积AlN钝化层的厚度并不是越厚越好,需要淀积一薄层AlN钝化层,AlN的厚度为0.5μm和截面长度为90μm时暗态电流下降更明显,因此可得出当用AlN钝化层钝化除电极以外的其它全部区域,钝化效果能达到最优;(4)研究在4H-SiC表面淀积一层AlN钝化层后器件的击穿特性,结果表明:在4H-SiC表面淀积一薄层AlN钝化层,还能提高SiC-PCSS的击穿电压,击穿电压达到约7.5KV。(5)研究制作SiC-PCSS的工艺方法,设计横向结构SiC-PCSS的具体制备工艺流程,为光导开关的制作做充分准备。本文采用在光导开关的衬底材料4H-SiC表面淀积一薄层AlN钝化层的方法来改变SiC-PCSS的性能,通过按照以上研究工作获得的结果可得出:对SiC-PCSS表面除了电极区域外的其它区域加入AlN进行钝化处理,不仅能够改变SiC-PCSS的暗态特性,而且还能提高SiC-PCSS的耐压能力。
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