光触发大功率半导体开关研究进展

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由于在基础科学研究和工业领域的应用拓展(包括加速器电源、激光器电源、纳米材料制作、细胞改性等)以及高功率电磁脉冲源发展需求牵引，近年来脉冲功率技术朝着高重复频率、高平均功率的方向发展，且要求脉冲功率源必须实现紧凑、模块化、长寿命和高重复频率运行，由此基于固体开关器件的固态脉冲功率技术得到了蓬勃发展。

光导开关是超快脉冲激光器和光电半导体(通常为Si、GaAs、SiC等)相结合形成的固体开关器件，通过触发光对半导体材料电导率的控制实现开关的导通和关断，由于同时在功率容量和重复频率两方面具有较大优势而备受关注。在激光触发下光导开关导通速度可大于300 kA/μs，且具有光电隔离的优点。高压晶闸管已有成熟的系列产品，功率容量大，可实现大电流输出，但开关导通慢。将激光触发快导通与高压晶闸管结合的高压光控晶闸管有望成为高功率容量快导通的成熟开关器件。

从应用需求出发，基于固体开关构建固态重频脉冲功率源需要关注开关功率、导通时间、重复频率、开关寿命等技术指标。实际应用中以上指标综合考虑时面临得失取舍。开关功率越大、导通时间(输出脉冲宽度)越大，开关运行重复频率越高，则开关寿命越短。基于光导开关输出重频长脉冲或高重频短脉冲时均面临着由于开关导通时间过长(长脉冲功率源)或者重复频率过高(短脉冲功率源)等带来损伤累积以致开关失效的关键科学问题。本项研究紧密围绕这一关键问题，从材料选择、导通机制、结构设计、触发方式等方面提升了光导开关性能；将光导开关触发方式应用于高压晶闸管，提升了高压光控晶闸管的电流上升速率。

1  基于长载流子寿命Si材料光导开关实现百ns量级长脉冲输出的方法

1975年Si材料光导开关首先研制成功，两年后即1977年，第二代半导体GaAs取代Si成为光导开关主流材料。Si等间接带隙半导体材料制成的光导开关只能工作在线性模式，即光电导材料每吸收一个大于一定能量的光子产生一个电子空穴对，开关的输出电脉冲幅度与光脉冲的强度基本上呈线性关系。直接带隙半导体材料(如GaAs、InP等)制成的光导开关除了可以工作在线性模式以外，还可以工作在非线性模式，只有当施加的偏置电压和入射光能量都超过某个阈值的时候方能进入非线性模式；非线性模式下即使光脉冲熄灭开关也能够维持导通状态一段时间。

光导开关工作在线性模式时，开关的输出电脉冲与光脉冲很相似，如图1(a)所示。由于激光脉冲通常为数ns，因此线性模式光导开关的输出电脉冲通常也为数ns。针对长脉冲输出的特殊要求，GaAs光导开关必须工作在非线性模式下，通过光脉冲熄灭后开关的持续导通状态才能实现百ns级的脉冲输出，如图1(b)所示。由于非线性模式下GaAs光导开关中存在电流丝现象，将导致开关单次导通时局部的严重损伤，因此，在长脉冲输出场合GaAs光导开关的应用受到了限制。

Si光导开关只能工作在线性模式，输出电脉冲通常与触发激光脉冲相同(数ns)。由于Si材料的热导率是GaAs材料的2.6倍，Si光导开关的散热性能优于GaAs光导开关，如能解决长脉冲输出的问题，则在损伤控制方面，Si光导开关优于GaAs光导开关。

从光导开关的暗态电阻公式出发，通过考察光生载流子的变化，结合载流子连续性方程，并对激光脉冲进行高斯脉冲近似，可以得到光导开关的电阻表达式

 

使用Matlab模拟了载流子寿命改变对开关瞬态过程中载流子数密度的影响。图2是激光脉冲的波形，激光脉冲的中心点为10 ns，半高宽为5 ns，图3是在其他条件相同的情况下，当载流子复合寿命在0.5~50 ns变化时得到的载流子数密度的变化曲线。从图中可以看出，当载流子寿命小于激光脉冲的半高宽时(如载流子寿命为0.5 ns和1 ns时)，载流子数密度的变化曲线与激光脉冲基本一致，即回路电流波形与激光脉冲波形基本一致。当载流子复合寿命大于激光脉冲的半高宽时，载流子数密度的变化曲线有所不同；在载流子数密度达到最大值后，载流子数密度以复合时间的倒数为时间常数作指数衰减。载流子寿命从0.5~50 ns变化的过程中，可以看出由于载流子复合速度变慢，载流子数密度的幅值逐渐增加，且幅值对应的时间点也不断后移。当载流子寿命为50 ns时，在100 ns的时间尺度上，载流子数密度从峰值降到了峰值的18%，如果载流子寿命远远大于50 ns，则可以在100 ns的时间尺度上基本实现平顶输出。通过控制Si材料掺杂参数提高了载流子寿命，实现了脉冲宽度大于100 ns的脉冲输出(如图4所示)，并通过在Si光导开关表面施加二氧化硅层、加强吸潮保护、使用多层金属的欧姆接触等方式提升了脉冲高压偏置下Si光导开关的性能。

2  高偏置场强下光生载流子对GaAs光导开关放电电流的弥散作用

不同波长的激光触发下，GaAs材料对光的吸收情况不同，对本征光电导的情况(光子能量大于禁带宽度)，由于吸收深度小，载流子只在开关表面薄层产生，尽管入射光能量均沉积在开关体内，能量利用效率高，但开关电流密度高，对寿命影响较大，同时高光子能量的激光设备效率较低，且同样能量下光子数目少，因此一般采用YAG激光器的基频光触发(1064 nm)。1064 nm激光触发属于非本征光电导的情况，吸收深度较大(往往大于开关厚度)，因此载流子在整个开关内部都产生，但激光透过开关造成触发光能量损失。测试得到了GaAs材料在200~1 100 nm范围内的吸收深度随波长的变化曲线，如图5所示。

从图5可以看出，对于常用来触发GaAs光导开关的1 064 nm激光，吸收深度约3 mm；市场上标准0.6 mm厚晶圆制作的开关，理论上其吸收光能仅18%。采用了非标3 mm厚的GaAs芯片构建侧面电极体开关结构(图6)，理论计算其吸收光能为63%。通过测试不同厚度芯片时开关输出电压与充电电压的关系，进一步分析了芯片厚度对输出效率及导通电阻的影响。结果表明，同样的触发光能条件下，5 mm及10 mm厚开关芯片输出电压明显高于0.6 mm厚开关芯片，5 mm厚开关与10 mm厚开关输出电压基本一致。这也验证了侧面电极的增厚型GaAs光导开关结构能够提高光能利用效率，从而降低开关损伤。

非线性模式下GaAs光导开关的电流丝导致开关导通时的局部损伤。GaAs光导开关电流丝产生的根源在于GaAs材料内部的局部高场强引起的雪崩过程，而非线性模式的阈值场强很低，实验中给出的是3.6~4.5 kV/cm，在高偏置场强下电流丝的出现似乎是无法避免的。但研究表明，额外载流子对电流丝存在明显的抑制作用。设计了如图7的实验，采用具有一定时间间隔的两束激光触发光导开关，激光脉宽均为80 ps。第一束光能量约40 μJ(光束a)，聚焦成单条线光束；第二束光能量约500 μJ(光束b)，覆盖整个开关；光束a延迟约2.1 ns后光束b入射开关。图8给出了仅光束a、两束光以及仅光束b触发时的开关瞬态图像。可以看出，仅光束a触发时，开关内出现明显的电流丝图像；两束光触发时，同样的拍摄时刻电流丝几乎消失；仅有光束b触发时，同一时刻没有拍摄到明显的电流丝。因此，高偏置场强条件下额外光生载流子对GaAs光导开关放电电流具有弥散作用，从而可以降低光导开关内的导通电流密度，降低开关损伤，进而实现开关的高功率、高重频及长寿命运行。

3  基于光纤蜂窝状排布组合分束或激光二极管实现了兆赫兹重频的触发光源

要实现光导开关的兆赫兹重复频率运行，必须有兆赫兹重复频率的光源来触发。由脉冲激光器直接输出兆赫兹重复频率的激光难度大，性价比不高。本项研究研制了基于光纤蜂窝状排布组合分束或基于兆赫兹重频脉冲驱动激光二极管的兆赫兹重频触发光源。

基于光纤蜂窝状排布组合分束的兆赫兹重频触发光源基本原理为通过固定的时间延迟来产生兆赫兹重频的触发光序列。由于单根光纤所能传输能量的限制和脉冲功率源紧凑化、可移动化的需求，基于光纤蜂窝状排布组合分束的兆赫兹重频触发光源将多根光纤以图9中所示的蜂窝状排布在一个圆形包层内，光纤之间相切；光纤长短不一，通过设计长度差来实现所需的光信号延迟，从而得到兆赫兹重频的触发光序列。为了实现触发光序列之间脉冲能量的一致性，考虑激光器输出光斑的能量分布，对不同位置的光纤进行分组，通过合理组合实现分束。

为实现光纤之间的合理组合，需要计算不同位置光纤传输的激光功率。针对蜂窝状排布光纤，建立了坐标系，对光纤进行编号，如图10所示。推导了以任何点为半径的圆内通过的功率与总功率之比k_n,d的表达式。

设计了光纤分组方法，根据k_n,d的表达式，设计了分组方法，基本思路为：

1）输入分光系统层数、光纤半径、输出光脉冲数、激光器焦斑尺寸；

2）由计算子程序得到k(n,d)数值并由小到大排列；

3）寻找待分配的a组中的数值之和最小的组A_n；

4）将被分配的队列中最大的数分配给该组；

5）再次寻找待分配a组中数值之和最小的组A_n；       

6）将被分配队列中最大的数分配给该组；

7）循环分配至结束。

编制了相关程序，可解决大量(数百甚至更多)光导开关使用时的光纤组合分束问题，并实现了输出端光强的一致性，可有效避免由于触发光能量差异造成的开关状态差异过大导致的多开关连续击穿。

基于兆赫兹重频脉冲驱动激光二极管的兆赫兹重频触发光源主要包含三部分：数字信号发生器、驱动模块和激光二极管。数字信号发生器主要用于产生兆赫兹重频触发电信号，驱动模块将220 V工频电压转化为脉冲高压，最终激光二极管输出兆赫兹重频触发光。激光二极管模块如图11所示，采用基于MOSFET的高压电路，驱动模块如图12所示，驱动模块可实现最高300 A的电流输出, 激光二极管的输出功率为800 W。

基于光纤蜂窝状排布组合分束或基于兆赫兹脉冲驱动激光二极管的兆赫兹重频触发光源均可实现猝发兆赫兹重频的脉冲激光输出。两种触发光源的比较如表1所示。

4  基于激光二极管触发方式实现了高压光控晶闸管电流上升速率的提升

激光触发可大大提高高压半导体开关的电流上升速率。将激光触发方式用于高压晶闸管，改变了开关触发方式，可补上高压晶闸管成熟产品导通速度慢的短板。目前，国内外已有光控晶闸管相关报道，可用于电力传输和变换，但该类光控晶闸管导通速度仍然较慢，无法直接用于脉冲功率系统。本项研究将光导开关的触发方式应用于高压晶闸管。为了实现高压冲晶闸管的小型化和控制方便，设计了紧凑的激光触发模块。采用高压射频驱动技术，基于射频MOSFET管产生前沿小于5 ns，电流幅值约300 A的驱动电流，以驱动高功率脉冲激光二极管。

激光二极管采用激光二极管芯片进行阵列式封装，并采用金丝球焊、金属气密封装，将平均功率提高了数十倍，如图13所示。小体积的激光二极管驱动电路结合激光二极管阵列，将激光脉冲峰值功率由百瓦提升至数千瓦。激光触发模块输出激光，并通过光纤传输至高压光控晶闸管。图14所示为初步设计的能量传输光纤及晶闸管实物。

为了解决激光高效率柔性传输与馈入问题，设计了多根裸芯并联的能量传输光纤，在能量光纤的首端，设计了用于激光二极管馈入及散热的耦合器。在能量光纤的末端，设计了直角拐弯的输出口，以实现激光的柔性传输与直角馈入。脉冲激光二极管输出的激光，通过能量耦合光纤传输，并在末端得到光斑匀化，最终匹配高压光控晶闸管的门极进行耦合触发。

将高压光控晶闸管(见图15)进行了初步测试。结果表明，高压光控晶闸管实现了5 kV的开关电压、2.5 kA的开关电流，电流上升速率大于10 kA/μs。