针对光导开关高重复频率运行时产生丝电流加热, 使光导开关温度迅速超过材料最高允许使用温度, 造成开关失效或损伤的难题, 本文结合微通道散热技术和射流冷却技术的优点, 设计了射流微通道耦合高效散热器。通过实验测试, 对不同运行工况下射流微通道耦合高效散热器的传热特性进行了研究, 并与美国进口的蜂窝型微通道散热器进行散热性能对比。实验结果表明: 体积流量为 3 L/min的情况下, 射流微通道耦合高效散热器的换热系数超过 35 000 W/(K·m2), 散热量高达 1 000 W, 相比蜂窝型微通道散热器散热量提升了 45%。在测试流量下, 随着体积流量的增加, 射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数接近线性增加, 而蜂窝型微通道散热器的平均换热系数在大流量下却增加缓慢。此外, 采用射流微通道耦合高效散热器冷却的热源面温度均匀性明显优于采用蜂窝型微通道散热器冷却的热源面温度均匀性, 采用射流微通道耦合高效散热器的热源面温度波动能降低 58%, 更有利于降低光导开关热应力。
射流阵列 微通道 实验研究 光导开关 jet array micro-channel experimental research Photoconductive Semiconductor Switches 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(11): 1397
1 中国科学技术大学国家示范性微电子学院,合肥 230026
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,苏州 215123
3 苏州纳维科技股份有限公司,苏州 215123
4 江苏第三代半导体研究院,苏州 215000
透明半导体铟锡氧化物(ITO)作为电极能够降低光导开关电极边缘电流集聚效应和提高脉冲激光的利用率。本文通过在ITO与GaN界面之间分别插入10 nm的Ti与TiN, 研究Ti、TiN对ITO与GaN欧姆接触性能的影响。I-V测试结果表明, 随着退火温度升高, 插入TiN的光导开关一直保持欧姆接触特性, 而插入Ti的光导开关由欧姆接触转变为肖特基接触。通过TEM测试发现, 当以Ti作为插入层时, ITO通过插入层向插入层与GaN的界面扩散, 在接触界面形成Ti的氧化物及空洞。透射光谱显示, 不同退火温度下插入Ti层的透过率均低于38.3%, 而以TiN作为插入层时透过率为38.8%~55.0%。因此含有TiN的光导开关具有更稳定的电学性能和更高的透过率, 这为GaN光导开关在高温高功率领域的应用提供了参考。
GaN光导开关 欧姆接触 GaN photoconductive semiconductor switch ITO ITO Ti Ti TiN TiN Ohmic contact
强激光与粒子束
2022, 34(9): 095018
强激光与粒子束
2022, 34(9): 095003
1 佛山科学技术学院物理与光电工程学院，广东 佛山 528000
2 南开大学物理学院，天津 300071
为了提高光导开关的光生载流子密度，延长器件的使用寿命，降低对光源的能量需求，实现设备的小型化，基于半绝缘4H-SiC材料建立了全内反射式光导开关数学模型，并分析了全内反射发生的条件及影响光导开关吸收效率和均匀度的因素。采用ZEMAX非序列模式建立了全内反射光导开关模型，并利用光线追迹方法进行分析。设计了一种高效率全内反射光导开关光学系统，结果表明，该光学系统能在获得高吸收效率的同时保证高均匀度，吸收效率可达90.78%，吸收均匀度达到74.56%。
光学设计 全内反射 数学模型 高效率 光导开关 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1122001
中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900
砷化镓光导开关（GaAs-PCSS）是具有快响应、高重频、低抖动、高功率容量的半导体光电导开关，多通道设计能够有效降低GaAs-PCSS非线性大电流导通时的损伤，提高开关寿命。为探究GaAs-PCSS多通道同步导通的必要条件，在基于固态脉冲形成线的实验平台上，通过特殊设计的夹具，将多枚GaAs-PCSS并联连接以作为脉冲形成电路的开关，以对各GaAs-PCSS施以不同的触发信号进行测试。实验结果证明：相同触发信号下，开关导通电流被成功地均分到4个GaAs-PCSS通道中；不同触发信号下，为获得较好的电流均分效果，各通道触发延迟时差须小于1 ns，触发能量差须小于20 μJ。设计了分体式、单体式两种结构的多通道GaAs-PCSS，其中基于刻蚀工艺的单体式20通道GaAs-PCSS在7 000余次大电流工作后仅发生轻微损伤。
砷化镓光导开关 多通道 同步 触发延迟时差 触发能量 GaAs-PCSS multi-channel synchronous trigger delay trigger energy 强激光与粒子束
2020, 32(2): 025005
山东大学 晶体材料国家重点实验室, 济南 250100
碳化硅作为第三代宽禁带半导体的核心材料之一, 相对于传统的硅和砷化镓等半导体材料, 具有禁带宽度大、载流子饱和迁移速度高, 热导率高、临界击穿、场强高等诸多优异的性质。基于这些优良的特性, 碳化硅材料是制备高温电子器件、高频大功率器件的理想材料。近年来在碳化硅材料生长和器件制备方面取得重大进展, 对碳化硅材料特性和生长方法进行回顾, 并研究了碳化硅光导开关偏压、触发能量、导通电流之间的关系, 以及开关失效情况下电极表面的损伤情况。
碳化硅 物理气相传输法 功率器件 光导开关 器件失效 silicon carbide physical vapor transport method power device photoconductive semiconductor switch device failure 强激光与粒子束
2019, 31(4): 040003
1 中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 脉冲功率科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
为了实现光导开关以MHz重复频率运行，设计了通过延迟产生MHz序列重复频率触发光的分光系统。分光系统由多根类蜂窝状排布的光纤组成并分为数组，各组光纤长度不同以产生时间序列。进行了光纤分光系统的理论计算，设计了分组程序，获得了各根光纤的输出端能量占比，实现了光纤输出端的分组设计优化。计算结果表明：当分光系统半径与激光器焦斑之比增大时，分光系统效率增高，达到一定数值后，分光系统效率趋于稳定；当激光器焦斑大小不变时，光纤层数增大，分光系统效率变小；当触发光脉冲数不变时，在一定范围内，光纤层数增大，输出端激光能量的最大相对误差变小。实验结果表明：四脉冲10 MHz分光系统实现了周期为100 ns的4个光脉冲输出，输出端能量最大相对误差6.80%，系统效率为38.07%。
光导开关 分光系统 光纤 MHz MHz photoconductive semiconductor switch fiber splitter fiber 强激光与粒子束
2017, 29(10): 105004
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
研究了一种新型大功率激光脉冲二极管的输出特性, 该激光二极管主要用于触发工作在高增益模式下的砷化镓光导开关。研制了基于射频金属-氧化物半导体场效应管的激光二极管驱动电路, 可以为激光二极管提供上升沿、半高宽和峰值电流分别为4 ns,20 ns和130 A的脉冲驱动电流。研究了激光二极管输出的激光脉冲波形、能量、功率、光场分布等特性, 并在Blumlein传输线结构中, 研究了该大功率激光脉冲二极管的输出特性对工作于高增益模式下的光导开关的导通电阻、开关抖动等主要导通性能参数的影响规律。实验结果表明, 激光脉冲的能量和功率越大, 光斑面积越大、分布越均匀, 在相同偏置电压条件下, 光导开关的导通性能越好。
激光二极管 大功率 短脉冲 金属-氧化物半导体场效应管 光导开关 laser diode high power short pulse MOSFET photoconductive semiconductor switch 强激光与粒子束
2016, 28(9): 095003
1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621999
2 中国工程物理研究院 电子工程研究所, 四川 绵阳 621999
利用能量较低的脉冲激光二极管, 在较高场强下触发GaAs光导开关, 使其工作于雪崩模式, 从而产生纳秒上升前沿的快脉冲电压。GaAs光导开关采用垂直体结构设计, 芯片厚度为2 mm, 电极形状分别为圆环和圆面, 触发光脉冲从圆环穿过。快脉冲产生由同轴Blumlein脉冲形成线完成。对基于GaAs光导开关的同轴Blumlein脉冲线进行了模拟仿真和实验, 当充电电压超过8 kV(40 kV/cm)后, 开关开始了雪崩工作模式。当充电电压约为15 kV(75 kV/cm)时, 在50 Ω负载上获得了约11 kV的脉冲电压, 实验波形与仿真波形一致。对开关抖动进行了测试, 其测试结果显示开关充电电压对抖动影响很大, 随着开关偏压增加, 开关抖动减小, 开关获得了最小抖动约700 ps。
砷化镓 光导开关 雪崩 半导体二极管 GaAs Photoconductive Semiconductor Switch avalanche semiconductor diode 太赫兹科学与电子信息学报
2016, 14(3): 340
