一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管制造技术

本发明专利技术公开的一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管，包括有由上至下依次设置的上电极、p型外延层、半绝缘层、下p型层及下电极；半绝缘层为半绝缘GaAs层或外延本征砷化镓层或外延低温半绝缘砷化镓层。本发明专利技术一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管，解决了现有技术中存在的固态脉冲压缩器件脉冲压缩比和前沿压缩比较低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管
本专利技术属于脉冲功率
，具体涉及一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管。
技术介绍
高性能固态高压半导体开关可以产生高压、大功率、高重频、宽频带快电磁脉冲，一直是国内外脉冲功率技术的主要研究方向之一。脉冲压缩器件能够将脉冲功率开关产生的电脉冲进一步压缩，以加快脉冲上升速度和缩短脉冲宽度。常见的脉冲压缩器件有半导体快速离化开关(FID)、磁开关、延迟击穿二极管(DBD)等。FID具有独特的结构及工作原理，具有极高的脉冲电流变化速率、高压快脉冲前沿、大功率输出、长寿命、高可靠性、性能稳定等优点。FID脉冲压缩前沿最快可达50ps，单器件工作电压约5kV，脉冲压缩比约数十倍；磁开关的可靠性、电压上升率以及寿命都可以得到保证，可靠性高、寿命长以及无电极侵蚀问题等优点。单器件工作电压可达数十kV，通流能力千安量级。但磁开关脉冲压缩前沿最快几十ns，并且重复频率在几百Hz量级，脉冲压缩比<100；延迟击穿二极管(DBD)是一种利用半导体PN结超快可逆延迟击穿效应而研制，能够将几纳秒的电脉冲上升沿进一步加速至亚纳秒。对于以上所述的各类脉冲压缩器件，其脉冲压缩比和脉冲前沿压缩比都小于100倍，这就要求这些器件的前级输入脉冲具有较快的上升速度和短脉宽，例如FID和DBD都要求输入脉冲上升沿在几ns量级，这对前级脉冲源提出了较高的要求。磁开关的脉冲压缩一般能够达到us级上升沿，同时脉冲压缩比也仅仅数十倍。目前尚无任何一种脉冲压缩器件能够直接将几百us的高压脉冲直接压缩至几ns量级。对于脉冲压缩器件，脉冲压缩比越大，则对前级脉冲的要求就越低，能够极大的减低系统实现难度，降低成本，缩小系统体积。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管，解决了现有技术中存在的固态脉冲压缩器件脉冲压缩比和前沿压缩比较低的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管，包括有由上至下依次设置的上电极、p型外延层、半绝缘层、下p型层及下电极；半绝缘层为半绝缘GaAs层或外延本征砷化镓层或外延低温半绝缘砷化镓层。本专利技术的特征还在于，上电极为金锗镍欧姆接触电极或银电极或铂金电极。p型外延层为p+GaAs上外延层，外延厚度为2nm-100um，外延掺杂浓度为1×1014/cm3-9×1020/cm3。半绝缘层为半绝缘GaAs层时其电子迁移率为1000cm2/Vs-12000cm2/Vs，电阻率106-1010Ω/cm。下p型层(4)为p+GaAs下外延层，外延厚度2nm-100um，外延掺杂浓度为1×1014/cm3-9×1020/cm3。下层电极(5)为金锗镍欧姆接触电极或银电极或铂金电极。本专利技术的有益效果是：本专利技术一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管，具有大于10万倍的脉冲压缩比和大于10万倍的脉冲前沿压缩比。由于具有远大于FID、DBD、磁开关等器件的脉冲压缩比，因此，本专利技术的的脉冲压缩二极管可以直接压缩高压晶闸管、IGBT、MOSFET等器件产生的上升沿在数十甚至数百us的电脉冲，获得亚ns至几ns上升沿的纳秒级电脉冲。附图说明图1是本专利技术一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管的结构示意图；图2是本专利技术二极管的应用电路示例图。图中，1.上电极，2.p型外延层，3.半绝缘层，4.下p型层，5.下电极，6.本专利技术二极管，7.负载电阻，8.储能电容。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管，如图1-2所示，有由上至下依次设置的上电极1、p型外延层2、半绝缘层3、下p型层4及下电极5；半绝缘层3为半绝缘GaAs层或外延本征砷化镓层或外延低温半绝缘砷化镓层。上电极1为金锗镍欧姆接触电极或银电极或铂金电极。p型外延层2为p+GaAs上外延层，外延厚度为2nm-100um，外延掺杂浓度为1×1014/cm3-9×1020/cm3。半绝缘层3为半绝缘GaAs层时其电子迁移率为1000cm2/Vs-12000cm2/Vs，电阻率106-1010Ω/cm。下p型层4为p+GaAs下外延层，外延厚度2nm-100um，外延掺杂浓度为1×1014/cm3-9×1020/cm3。下层电极5为金锗镍欧姆接触电极或银电极或铂金电极。如图1所示，本专利技术的二极管中，半绝缘层3为半绝缘GaAs层呈弱n型。当上电极1接阳极，下电极5接阴极时，下p型层4与半绝缘GaAs层形成的pn结反偏，下p型层4与p型外延层2形成的pn结正偏。当外加电压上升时，主要由反偏pn结和弱n型半绝缘GaAs层承担电压。当半绝缘GaAs层的电场强度大于20kV/cm时，EL2深能级缺陷离化作用显著增强，但EL2深能级离化过程是一个较慢的过程，同时强场下电子由于转移电子效应，大量处于子能谷中，迁移率低，因此离化产生的载流子虽然能够降低半绝缘GaAs层的耐压，但电压需要较长的延迟时间才能全部转移到反偏pn结上。当输入脉冲下降沿到来时，半绝缘GaAs层中的电子随电场下降向主能谷跃迁，主能谷中电子所占比例增大，导致电子迁移率增大，半绝缘电阻率下降，半绝缘GaAs层电场进一步下降。电场的下降和电子漂移速度的增大形成正反馈，从而能够导致电场指数级的下降。这种现象被称之为逆向偶极畴。逆向偶极畴的形成引发半绝缘GaAs层电场快速下降，其剩余电压为正值，该剩余电压最终由反偏pn结承担。因此，在逆向偶极畴的牵引下，反偏pn结上的电场快速上升，直至击穿。当反偏pn结击穿后，二极管快速导通，向负载输出ns级高压脉冲。本专利技术的二极管和FID、DBD两种延迟击穿器件相比，都是基于pn结的快速离化器件。但本专利技术引入半绝缘GaAs作为缓冲层。充分利用半绝缘GaAs中EL2深能级离化速度慢的特性实现极大的击穿延迟时间。利用半绝缘GaAs中的逆向偶极畴效应实现输入电脉冲下降沿触发击穿。因此本专利技术的二极管获得了数百us的击穿延迟时间，同时由于逆向偶极畴效应的响应速度理论上可达ps量级，因此本专利技术的二极管还具备了ns级快速导通特性。最终实现了大于10万倍的脉冲压缩比和大于10万倍的前沿压缩比。能够直接将上升沿数百us，脉宽3ms的电脉冲，直接压缩至上升沿1-2ns，脉宽6-200ns(取决于储能电容)。如图2所示为一种实用电路，图2中，本专利技术二极管6及负载7串联后与储能电容8并联，储能电容8一端接地，待压缩脉冲输入后，储能电容8充电，当输入脉冲上升沿结束，电压达到顶峰，下降沿开始时，本专利技术二极管6能够被电压下降沿触发导通，向负载输出纳秒级高压快脉冲。及时输入脉冲峰值电压远大于本专利技术二极管6的静态击穿电压，但在电容电压不断上升阶段，本专利技术二极管6具有远大于静态击穿电压的耐压能力。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管，其特征在于，包括有由上至下依次设置的上电极(1)、p型外延层(2)、半绝缘层(3)、下p型层(4)及下电极(5)；所述半绝缘层(3)为半绝缘GaAs层或外延本征砷化镓层或外延低温半绝缘砷化镓层。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管，其特征在于，包括有由上至下依次设置的上电极(1)、p型外延层(2)、半绝缘层(3)、下p型层(4)及下电极(5)；所述半绝缘层(3)为半绝缘GaAs层或外延本征砷化镓层或外延低温半绝缘砷化镓层。


2.根据权利要求1所述的一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管，其特征在于，所述上电极(1)为金锗镍欧姆接触电极或银电极或铂金电极。


3.根据权利要求1所述的一种用于高压电脉冲压缩的延迟击穿二极管，其特征在于，所述p型外延层(2)为p+GaAs上外延层，外延厚度为2nm-100um，外延掺杂浓度为1×1014/cm3-9×1020/c...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈光辉，赵岚，汪雅馨，徐鸣，兰春鹏，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61