【摘 要】
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高功率超宽带微波源要求输出脉冲的上升时间在亚纳秒范围内,高压亚纳秒开关是其关键技术之一。快速离化晶体管（Fast Ionization Dynistors,FID）是基于延迟雪崩击穿现象的新型两端半导体器件,其导通时间小于1ns,能够满足高功率超宽带微波源的应用需求。为了解决FID器件国产化以及器件开通原理尚不明确的问题,本文在FID器件的导通机理研究、二维数值仿真模型的建立、器件芯片结构参数设计
【基金项目】
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装备预研重点实验室基金（项目编号:61426050103）； GF基础科研计划项目（项目编号:JCKY2018110C148）；
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高功率超宽带微波源要求输出脉冲的上升时间在亚纳秒范围内,高压亚纳秒开关是其关键技术之一。快速离化晶体管（Fast Ionization Dynistors,FID）是基于延迟雪崩击穿现象的新型两端半导体器件,其导通时间小于1ns,能够满足高功率超宽带微波源的应用需求。为了解决FID器件国产化以及器件开通原理尚不明确的问题,本文在FID器件的导通机理研究、二维数值仿真模型的建立、器件芯片结构参数设计、器件样品的测试、失效器件的分析以及器件结构的优化设计几个方面进行了研究。本文建立了FID器件的二维数值仿真模型,利用改进的动态仿真电路,对器件开通过程进行了数值仿真。利用建立的二维数值仿真模型,设计了芯片的结构参数。通过流片得到FID器件样品,器件样品在漏电流为10μA时的阻断电压为2.96k V。搭建了测试电路,并对FID器件样品进行测试,在实验中成功捕获器件样品的数百皮秒开通前沿。通过实验测试得到器件样品导通时间为554ps。通过对数值仿真结果的分析,发现器件开通过程中电场前沿的传播速度超过载流子饱和漂移速度,以及导通过程中器件内部存在局部电场集中的现象,这解释了FID器件亚纳秒导通过程的原理。本文提出通过加入n型促离化层来优化器件特性,仿真结果显示加入n型促离化层后器件导通速度得到提高。为了能够深入分析器件导通原理,根据半导体器件基本方程,建立了器件的底层数值仿真模型,通过底层数值仿真模型仿真出了器件的开通过程。本文利用扫描电子显微镜对测试中失效的FID器件进行分析,发现器件失效部位存在芯片裂纹,并根据裂纹特征归纳出两种失效模式。根据数值仿真结果以及分析结果,认为芯片裂纹是由局部电场集中在微裂纹部位导致的裂纹扩展形成的。而器件开通过程中承受的不同程度的电热应力以及初始微裂纹的不同位置是导致不同失效模式的原因。
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