基于碳化硅等离子体器件的功率脉冲锐化技术

01摘要

利用Sentaurus搭建了碳化硅漂移阶跃恢复二极管（DSRD）与雪崩整形二极管（DAS）全电路仿真模型，研究了碳化硅等离子体器件在脉冲锐化方面的能力，并且通过器件内部等离子浓度分布解释了这两种器件实现脉冲锐化的机制。借助碳化硅DSRD可以将峰值超过千伏的电压脉冲的前沿缩短到300ps；碳化硅DSRD与DAS的组合可以输出脉冲前沿在35ps、峰值超过2kV的电压脉冲。

仿真与实验发现当触发脉冲与碳化硅DAS匹配时，可以实现快速开启后快速关断，得益于碳化硅DAS这种神奇现象，可以将峰值在两千伏以上脉冲的半高宽缩小到百皮秒量级；通过频谱分析发现脉冲经过DAS整形后，其最高幅值−30dB对应的频谱带宽扩大了37倍，达到7.4GHz。

关键词：碳化硅；漂移阶跃恢复二极管；雪崩整形二极管；超宽带

02前言

脉冲功率技术是近几十年来快速发展起来的新兴学科，早期主要是美国和前苏联在从事相关研究，研究目的是为了满足国防和科研的需求。随着技术研究的深入，该技术逐渐出现在工业生产中，目前脉冲功率技术已经被广泛应用于环境保护、航空航天、生物医疗、资源开采、军工、国防等诸多领域。

当前脉冲功率技术正朝着高重频、模块化、阵列化、紧凑化、固态化和长寿命方向发展，脉冲功率技术的核心是脉冲功率开关，随着半导体理论研究的加深，以及半导体制造工艺的成熟，出现了一批半导体等离子体脉冲功率开关，其具有开关时间短、可靠性高等优势。

脉冲功率开关有两类：一类为与电感储能相配合的断路开关，其可以快速关断；另一类为与电容储能相配合的闭合开关，其可以在短时间内导通。半导体等离子体断路开关的代表是漂移阶跃恢复二极管（DSRD），其基于漂移阶跃恢复原理可以在亚纳秒时间内关断，硅基DSRD最大电压上升率可达2kV/ns；半导体等离子体闭合开关的代表是雪崩整形二极管（DAS），其基于可逆延迟雪崩击穿效应可以在皮秒量级时间内导通。这些新型半导体脉冲功率开关的脉冲源，在超宽带探地雷达发射、高功率电磁环境模拟、脉冲驱动源主开关的低抖动触发以及超宽谱高功率微波等关键研究领域，具有重要应用价值。

2022年底，美国国家点火装置首次实现了惯性约束核聚变的净能量增益，这种增益未计算脉冲激光消耗的电网能量。实验中所用的脉冲激光效率不到0.7%，另外产生脉冲激光的装置大概需要三个足球场大小。提高脉冲源效率以及减小脉冲激光源尺寸是惯性约束核聚变从实验走向应用需要解决的问题之一，在脉冲源中使用碳化硅脉冲器件是解决这些问题的方法之一。

由于碳化硅材料具有高临界击穿场强、高载流子饱和速度、高热导率、高熔点，在等离子体脉冲功率开关领域具有天然优势，碳化硅等离子脉冲功率开关具有更高的效率、更小的体积和更快的开关速度。碳化硅脉冲功率开关可以实现脉冲源的高效率、高重频、小尺寸、固态化和长寿命。

目前碳化硅DSRD研究从器件机理到脉冲源设计都有广泛覆盖，而碳化硅DAS目前主要处在理论研究阶段，理论研究表明碳化硅DAS开启速度会比相同电压等级硅DAS快一倍，达到几十皮秒。文献基于碳化硅DSRD与DAS研究了碳化硅基脉冲源的特性，但该文献有4个不足：其仅仅关注了脉冲前沿时间，未注意到碳化硅DAS的快速关断现象；未发现碳化硅DAS在超宽带窄脉冲应用领域的优势；未给出碳化硅脉冲功率器件工作过程中温升以及效率；未通过实验对仿真结果进行验证。

为了更加准确地了解碳化硅等离子体器件在脉冲功率领域的潜能，本文在Sentaurus中搭建脉冲源全电路仿真模型，研究了碳化硅DSRD以及DSRD与DAS组合对脉冲的锐化能力，并通过实验对本课题组研制的DAS进行了触发，利用实验支撑了仿真结论的准确性。

1.器件结构及物理模型

1.1 器件结构

仿真使用的DSRD与DAS结构如图1（a）所示，它们均采样P+P−N+结构，a和b对应器件基区边界。DSRD与DAS对应的击穿特性如图1（b）所示：为了减小DSRD输出脉冲的平台区，DSRD基区比较短，其对应的静态击穿电压约776V；为了DAS输出脉冲峰值高、前沿陡，DAS基区设计比较长，其对应的击穿电压为1486V。碳化硅DAS发生延迟雪崩击穿时，动态击穿电压约为静态击穿电压的1.4倍，为了能满足DAS触发时的电压要求，本文用三个碳化硅DSRD的串联完成对单个碳化硅DAS的触发。

1.2 物理模型

仿真使用的软件为Synopsys旗下的SentaurusTCAD，通过求解泊松方程，来计算器件内部电场；通过求解电流连续性方程，计算器件内部电流；为了更加准确地研究碳化硅等离子体器件开启过程中的器件发热状况，耦合求解了温度方程，同时激活热力学模型以及开启温度相关的热导热容模型。

由于器件封装形式的不同，表面热阻也会有所差别，这里选用典型值0.3cm2·k·W−1，同时热极温度设为300K，加在器件正负极上；为了准确描述温度对载流子输运的影响开启了热力学模型；由于存在外围电路，求解了基尔霍夫方程。雪崩电离模型选用OkutoCrowell，驱动力为准费米能级梯度；考虑掺杂及温度相关的Shockley-Read-Hall(SRH)复合及俄歇复合；迁移率模型中开启了掺杂相关和高场速度饱和；考虑了碳化硅材料的各项异性，器件阳极到阴极的方向为碳化硅材料＜0001＞方向；加入了碳化硅材料不完全电离模型；模型中涉及的碳化硅材料参数选用软件自带参数。

2.脉冲锐化电路

2.1 DSRD 整形电路

所使用的DSRD基脉冲源电路如图2所示（红框中元件保留），其工作原理为：开始时Q1关断，V1、V2给C2充电，稳定时C2两端的电压为ΔV=V1−V2，其中V1大于V2；当Q1闭合时，V1经过Q1给L1充电，同时，C2通过L2、Q1放电使DSRD（为了满足后面触发碳化硅DAS的要求，这里通过三个DSRD串联提高整体耐压）正向导通，少数载流子注入DSRD基区；当Q1再次关断时，L1上的电流从Q1转向C1所属支路和L2、DSRD所属支路，之前注入到DSRD的载流子被抽取，当DSRD中的载流子被抽光时，DSRD迅速关断L2上的电流快速切换到负载Rl2(50Ω)，此时Rl2上会输出一个前沿较陡的电脉冲。如果不使用DSRD只保留蓝框中元件，由于没有利用DSRD快速关断效应，负载Rl1(50Ω)上只会输出一个类正弦脉冲。2.2DSRD结合DAS整形电路DAS的触发电路如图3所示，将红框中的负载Rl2换为绿框中的元件。Vb提供DAS的初始偏置电压，电容C4用于储能，可以避免DAS与负载上的电压突变以优化输出脉冲特性。

2.2 DSRD 结合 DAS 整形电路

DAS的触发电路如图3所示，将红框中的负载Rl2换为绿框中的元件。Vb提供 DAS的初始偏置电压，电容C4用于储能，可以避免DAS与负载上的电压突变以优化输出脉冲特性。

在DAS触发电路中原本流向Rl2的电脉冲大部分会流向DAS与Rl3(50Ω)构成的支路。DAS内的电场会在电脉冲的作用下迅速建立，当电场建立速度快于载流子的饱和移动速度，DAS会发生可逆延迟雪崩击穿，此时器件上所承受电压会高于器件静态击穿电压，载流子会在基区内积累形成等离子体（高浓度的载流子）。等离子体充满基区后DAS会迅速开启，原本加在DAS上的电压会在皮秒量级时间内切换到Rl3，会在其上输出一个前沿时间在皮秒量级的电脉冲。

在Sentaurus中搭建了如图2和图3所示电路，电路中所包含元件参数见表1，其中Q1为射频MOSFET(DE475-102N21A)在仿真中构建了其SPICE模型。仿真时V1=210V；V2=0V；Vb=600V；Q1栅压加15V，开启时间40ns。以上设置可能不是电路与器件匹配的最优条件，但不影响展现碳化硅等离子体功率器件优异的脉冲锐化能力。

3.结果分析

3.1 DSRD 整形

在碳化硅DSRD基脉冲电路中，DSRD关断时DSRD以及负载Rl2上的电流如图4（a）所示：t1之前DSRD内充满正向注入的等离子体；t1到t2等离子体被抽取，器件基区内的载流子浓度降到平衡载流子浓度附近。

如图4（b）所示，P+P−结（a位置）处的等离子体先被抽取，抽到P−N+（b位置）结时，整个基区内的等离子体全被抽完；t2到t3平衡载流子被抽取，耗尽区建立，DSRD关断，电流流向Rl2致使其电流迅速上升。

由于相同耐压等级下碳化硅DSRD基区比硅短，因此t2到t3过程通常比较快，本次仿真中这段时间大约300 ps。t1到t2的时间可以通过调整DSRD单元或电路参数压缩，因此本文将脉冲前沿时间选为t2到t3的时间。Rl2上输出电脉冲峰值为1350V，脉冲半高宽（脉冲最大值二分之一处的时间宽度）为2.26ns。当前散热条件下单次脉冲过后器件内的温度升高大约为1K。单次触发后三个DSRD上消耗的总能量为27μJ，Rl2上消耗的总能量为60μJ占比约69%。

3.2 DSRD 结合 DAS 整形

使用碳化硅DSRD以及DAS两级锐化后的脉冲波形如图5（a）绿线所示，t1到t2电压脉冲反向加到DAS上，DAS基区内的电场迅速抬升，促使器件内部发生碰撞电离产生载流子。当电场移动速度快于载流子饱和移动速度，基区内的载流子会积累形成等离子体，如图5（b）所示；t2到t3等离子体形成，器件从高阻抗状态迅速切换到低阻抗状态，DAS上的电压转移到Rl3，负载上形成一个前沿很陡的脉冲，t2到t3的时间非常短约为35ps。t1到t2为DAS反向充电时间，其可以通过调整DAS单元或电路参数压缩，因此本文将脉冲前沿时间选为t2到t3的时间；t3到t4等离子体被抽取器件向关断转变，电压从Rl3向DAS转移，负载上脉冲后沿形成。

相同击穿电压下与硅DAS相比，碳化硅DAS基区短、碳化硅载流子寿命低、复合快、以及载流子饱和速度高、碳化硅DAS等离子体消耗快，t3到t4的过程非常短，约148ps。得益于碳化硅DAS内等离子体的快速形成以及消耗，使得其输出脉冲半高宽只有109ps，为文献中的三分之一。

DAS快速关断现象在实验中也有观测到，对现有碳化硅DAS进行了脉冲触发实验。不同V1电压下的触发结果如图6所示，实验中碳化硅DAS输出脉冲存在“尖刺”，这表明碳化硅DAS在快速导通后，存在快速关断，与仿真表现出的现象一致。

图6（a）中，碳化硅DAS输出的半高宽为250ps，大于仿真中的半高宽109ps，这是由于此次设计的碳化硅DAS触发条件较苛刻，目前只实现了半触发。同时可以观察到随着V1的增大，输出脉冲峰值增大但脉冲“尖刺”变短，出现这种现象的原因是V1增大后触发脉冲能量增强，导致碳化硅DAS在开始关断的过程中碰撞电离过程加剧，出现了关断困难。

本文仿真中实现了触发脉冲与碳化硅DAS的匹配，输出了峰值电压超过2kV，半高宽在百皮秒左右的脉冲。图5中t4之后由于器件基区上的碰撞电离依然存在，器件处于半阻断状态，这个过程能耗比较大，在这个阶段器件内最高温度上升6K左右。

单次触发后三个DSRD上消耗的总能量为37μJ，DAS上消耗的能量为39μJ，Rl3上消耗的能量为26μJ，占比约25%。

3.3 脉冲频谱分析

图7（a）展示了碳化硅等离子体功率器件对脉冲的锐化效果：其中黑线曲线所示为锐化之前的脉冲波形；红色曲线为碳化硅DSRD锐化之后的脉冲波形，脉冲前沿时间由7ns缩短到了300ps，半高宽从7ns缩短到了2.26ns；蓝色曲线为碳化硅DSRD与DAS组合锐化后的脉冲波形，电压峰值高度从1350V上升到了2178V，半高宽也由2.26ns缩短到了109ps。

以上波形为TCAD仿真结果，由于仿真过程中收敛性的差异会导致求解步长不同表现为这些脉冲波形的采样率不均匀。在matlab中使用非均匀快速傅里叶变换（NUFFT）对脉冲波形进行傅里叶变换。NUFFT变换后的幅值与采用点数有关，通过将变换后得到的幅值乘2并除以采用点数获得实际幅值。

对实际幅值取20lg可以得到图7（b）对应的频谱，这里取峰值−30dB为脉冲的频谱带宽。初始脉冲带宽为200MHz、DSRD整形后的脉冲频谱带宽为1.4GHz、DAS锐化后脉冲的频谱带宽高达7.4GHz。

4.结论

本文中，我们借助TCAD软件研究了碳化硅DSRD与DAS对脉冲的锐化效果。碳化硅DSRD基脉冲源可以输出前沿300ps、半高宽2.26ns、峰值电压为1350V、−30dB频谱宽度为1.4GHz的脉冲；碳化硅DAS发生延迟雪崩击穿后等离子体快速形成，后被快速抽取，出现快速导通与快速关断这一神奇现象。通过实验复现了仿真中的这种现象。基于该现象，实验中碳化硅DAS输出脉冲峰值为940V时，脉冲的半高宽可以缩小到250ps；仿真中基于这个现象，利用三个碳化硅DSRD实现对碳化硅DAS的触发后，可以输出前沿35ps、半高宽109ps、峰值电压为2178V、−30dB频谱宽7.4GHz的脉冲。本文通过仿真与实验展现了碳化硅脉冲功率器件在超宽带窄脉冲领域应用的潜能。

来源：强激光与粒子束

作者：郭登耀1，汤晓燕1，宋庆文1，周瑜1,2，郭京凯1，孙乐嘉1，袁昊1，杜丰羽1,2，张玉明1（1.西安电子科技大学微电子学院，西安；2.西安电子科技大学芜湖研究院，安徽芜湖）

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