專利名稱：：光控碳化硅和相關的寬帶隙晶體管以及可控硅元件的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種先進的微電子(半導體)器件及其制造方法，特別涉及包括光活性材料區(qū)域的微電子器件，該光活性材料使該器件在一個波長的光脈沖作用下關閉，然后在第二波長的光脈沖作用下打開。
背景技術：
：如圖1所示的電路廣泛應用于將一個電壓或電流(通常是DC)轉換為三相AC電壓或電流(反之亦然)所需的各種器件。例如用于電動汽車的馬達驅動、工廠使用的工業(yè)電機、公用功率調節(jié)系統(tǒng)，這樣的靜態(tài)伏安反應(SVAR)補償器、整流器和轉換器用于高壓直流電功率傳輸，雙開關和四開關型的該電路(分別稱作“半橋”和“全橋”)廣泛應用于國防和民用電子工業(yè)的電力供應中。該電路有六個半導體開關，可以多種形式構造，包括雙極結晶體管(BJT)、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、絕緣閘雙極型晶體管(IGBT)、靜電感應晶體管(SIT)、可控硅整流器(SCR)型、矩形脈沖關閉(GTO)型，或靜電感應型[2]。現(xiàn)有技術中還有以上器件的許多其他變形。圖1所示的基本的電路模塊是雙開關半橋相腳(見圖幻。圖2還示出現(xiàn)有技術的兩個缺點。第一個缺點是“高端門驅動器”的問題上開關Si由與其共同連接負載的門驅動器電路電控制，因此，浮柵驅動是必需的。這增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。第二個問題是可能產(chǎn)生錯誤的門信號，該門信號可引起半橋錯誤的運行，從而可能導致電路或負載發(fā)生故障。這些錯誤的門信號的來源通常被稱為“電磁干擾”或EMI。EMI可有許多來源，并會影響所有器件。但是，在與軍事相關的系統(tǒng)中，敵方有意引入的EMI會產(chǎn)生更大的威脅。EMI會影響電路中任意的、所有的開關的運行，包括圖2中所示的低端開關S2。光控電路既解決了高端門驅動器問題，也解決了EMI問題。圖3所示為現(xiàn)有技術的另一實施方案，其部分地解決了上述問題。在門驅動器中引入的附加電路被稱為光接收器，其采用光纖將中央處理器和圖3所示電路中任一開關光連接。通常，光纖連接較少受到EMI，雖然不能避免。不幸的是，為接收器和門驅動器提供絕緣電功率的問題仍然存在。并且門驅動器電路仍容易受到潛在的EMI。無論何時，一系列器件被串聯(lián)在一起從而使堆的總阻斷電壓加倍時，前述問題就更為棘手，而這種情況在電子工業(yè)裝備中很常見。典型的反應就是，如果可能，去除門驅動器電路。光活性開關的應用是一個解決方案。圖4所示為現(xiàn)有技術，其中光活性器件(通常是光觸發(fā)可控硅元件)由于其不需要門驅動器進行開或“關”而被使用。通常，由激光器(但也可使用其它光能量源)產(chǎn)生的特定波長的光輻射由適當?shù)姆绞?通常采用光纖電纜)傳導至開關。在開關的一部分中產(chǎn)生電子空穴對，對其進行照射，從而將器件導通。主要的局限性在于該開關通常不能利用光關閉，這就解釋了可控硅元件的普及主要是由于其通?？梢酝ㄟ^被稱為整流轉換的過程而利用外部電路來切斷開關。這大大限制了光觸發(fā)可控硅元件的在可能使用電路整流轉換領域的應用，因此到目前為止，光活性開關主要用于電子工業(yè)中；然而，在很多領域并不采用整流轉換，其嚴重限制了現(xiàn)有技術中光活性開關的應用。光活性BJT，即通常所說的光電晶體管，普遍用于微電子工業(yè)器件中，例如“光隔離器”(或簡寫為"opto-isolators")和多種光檢波器。光電晶體管很少用于圖1所示的電路中，而實際是可以應用的。現(xiàn)有技術中的光電晶體管是光觸發(fā)可控硅元件的一個變形，其中電子空穴對由能量超過晶體管中半導體帶隙能的光子的光源產(chǎn)生。BJT的基通常被選作光活性介質。光活性BJT的優(yōu)勢在于只要有光線照射在BJT基，就可通過晶體管持續(xù)傳導。當去除光源時，BJT將停止傳導電流并及時關閉或“打開”開關。問題在于開關關閉之前的延遲通常是由BJT基中儲存的少數(shù)載流子的物理性質確定的，其通?？蓽p緩BJT從而獲得較好的光學增益W]。引入雜質可加速光電晶體管的制備，這將導致少數(shù)載流子壽命(MCL)變短，但這會對光學增益產(chǎn)生不利的影響。在很多應用中，用于啟動并保持傳導所需的光能是重要的品質因數(shù)，并且越少越好。在試圖利用半導體開關控制大量瞬時功率的發(fā)展過程中出現(xiàn)了類似的問題，例如通常所說的脈沖功率發(fā)生器。這些系統(tǒng)通常應用于防御和醫(yī)療領域。這些領域需要非?？焖俚亻_關[5]，從而發(fā)展了采用脈沖功率技術的半導體器件，而不是傳統(tǒng)功率電子領域中的半導體器件。在脈沖功率領域，在激光照射時關閉、而后以材料的時間常數(shù)特征在去除激光照射時打開的開關被稱作是以“線性模式”操作W]。線性模式開關的特點可描述為“光持續(xù)”體材料光電導關閉和打開開關。這種開關與光電晶體管有相似之處，此外其結構簡單，由具有金屬觸點的略多余半導體體材料(例如硅或砷化鎵)構成，金屬觸點位于其任一端，以形成歐姆觸點，用于和外部電路的開關相連；并且其尺寸典型地較大，從而反映其完全不同的應用領域[7]。然而，在用于開關速度的激光能量方面仍然存在缺陷[8]。在美國專利號4，825，061中[9]，khoerAach等人闡述了另一種“光持續(xù)”光電導開關，該專利文獻公開了體材料光電導器件，其中一個波長的激光脈沖激勵了持續(xù)的光電導性，在激光脈沖所持續(xù)的納秒級時間結束后，該持續(xù)的光電導性還可持續(xù)多個毫秒[10]，并且在更長波長的第二“淬滅”激光脈沖作用下結束[11]。khoerAach等人在該專利文獻中利用了I960年發(fā)現(xiàn)的光淬火效應，該效應在砷化鎵中摻雜銅就會變得很強[12]。人們在1965年就充分認識了如摻雜銅的GaAs及CdS(以上專利文獻的基礎)的光敏半導體紅外光淬火物理現(xiàn)象[13]。khoerAach等人在以上專利文獻中的教導僅限于在體材料光電導開關中應用上述效應，其具體實施方案如參考文獻[7]和[9]所述以及圖5所示。例如，參考文獻[14]和[15]中記載了可用于類似圖6中所示的電路的光電導開關，并記載了在脈沖功率領域的通常應用，正如Moudt等人在美國專利號5，864，166中所描述的[16]。對于實際應用的器件的所有記載僅限于khoerAach等人在美國專利號4，825，061中所闡述的體材料光電導開關，以及用同樣的核心流程制成的體材料光電導開關，所述核心流程為在摻雜了硅的CaAs中通過熱擴散補償銅(GaAsSi:Cu)而制成體材料半絕緣材料[17]。事實上，美國專利4，825，061并未給出其他實際教導。與現(xiàn)有技術的脈沖功率開關相比，GaAsSiCu光電導開關的優(yōu)點在于在具有短壽命的少數(shù)載流子的材料中獲得較高光電導性增益，從而降低了以下領域中所需消耗的激光功率，該領域要求電流脈沖快速升降數(shù)倍并且負載比長期和/或連續(xù)變化。然而，如參考文獻[14]所述，在GaAs:Si:Cu體材料光電導開關中，僅能控制約為3kV/cm量級的相對較低的平均電場，這是因為基本不穩(wěn)定性會導致電流超小[18]，從而阻擋了高電壓并傳導高電流，功率電子工業(yè)中所使用的傳統(tǒng)半導體器件需要極大的活性區(qū)域。因此，抑制激光能量增大需要在功率電子工業(yè)領域中應用開關。另一缺點在于，功率電子工業(yè)中通常很少選用GaAs，這是因為其熱傳導性較低等原因。khoerAach等沒有給出可實際應用于功率電子的半導體的更好選擇，例如碳化硅。
發(fā)明內容一方面，與硼相關的D中心被用于補償碳化硅中的淺施主，從而形成能夠呈現(xiàn)持續(xù)光電導性的光活性材料，該持續(xù)光電導性是由電磁光譜的黃色或綠色部分中的光輻射導致的，該光活性材料還能夠采用電磁光譜的近紅外至紅色部分內的長波光輻射進行同樣的持續(xù)光電導性的光淬火。通過由硼相關D中心補償淺施主而使得SiC所有重要的多型(包括但不限于3C、4H和6H)都具有本質上相同的特性。在多個實施方案中，由D中心補償?shù)腟iC形成的光活性材料結合在以選擇方式用于功率電子器件中的多種微電子器件的適當活性區(qū)域中。上述方式包括將硼注入碳化硅襯底材料和/或外延材料，然后硼的擴散導致在一維、二維和三維器件結構中通過高溫熱處理或連續(xù)外延生長形成D中心。在一個實施方案中，由D中心補償?shù)腟iC形成的光活性材料被結合在光控雙級結晶體管(BJT)的基中。在另一實施方案中，由D中心補償?shù)腟iC形成的光活性材料被結合在光控縱向和橫向槽結型場效應晶體管(JFET)的通道中。在另一實施方案中，由D中心補償?shù)腟iC形成的光活性材料被結合在可光控金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的通道中。在另一實施方案中，由D中心補償?shù)腟iC形成的光活性材料被結合在可光控的可控硅元件的P基中。在另一實施方案中，由D中心補償?shù)腟iC形成的光活性材料被結合在光控靜電感應可控硅元件(也就是通常所說的場控可控硅元件)的P基中形成的通道中。以上所述的微電子器件及本領域技術人員由該器件的啟示所能想到的其他結構，均可結合于功率電子系統(tǒng)，其具有允許開關的純光控關閉和打開傳輸?shù)膬?yōu)點，關閉和打開周期的占空比的實質無窮結合的范圍從單個關閉光脈沖的數(shù)毫秒至更長，如果規(guī)律的關閉光脈沖序列照射器件的活性區(qū)域從而補充持續(xù)的光電導性，則上述周期更長。進一步的優(yōu)點和特征將在以下的具體實施方案部分進行描述，并且對于本領域技術人員來說，在閱讀以下本發(fā)明的實施方案的基礎上可以更清楚地了解這些優(yōu)點和特征。圖1為現(xiàn)有技術中三相電機驅動的一般示意圖。圖2為現(xiàn)有技術中采用電控門驅動器和電控開關的傳統(tǒng)半橋電路的示意圖。圖3為現(xiàn)有技術中采用光控門驅動器和電控開關的傳統(tǒng)半橋電路的示意圖。圖4為現(xiàn)有技術中采用光激勵或維持開關的光控半橋電路的示意圖。圖5為現(xiàn)有技術中GaAs:CU:Si光電導開關的示意圖(在參考文獻[15]之后)。圖6為現(xiàn)有技術在脈沖功率電路中的GaAs:Cu:Si光電導開關中的應用和結果的示意圖(在參考文獻[15]之后)。圖7為本發(fā)明的一個或多個實施方案應用于半橋電路的示意圖。圖8為本發(fā)明的一個或多個實施方案中所述的光活性材料的帶隙的示意圖，該材料包含用淺氮施主摻雜并用硼受主和與硼相關的D中心補償?shù)奶蓟璋雽w的6H多型(6H-SiC:B:N)。圖9為光電導性循環(huán)的示意圖，當具有兩種不同波長的電磁輻射脈沖持續(xù)照射本發(fā)明的一個或多個實施方案中所述的光活性區(qū)域時，圖9所示的循環(huán)可能存在于由D中心補償?shù)腟iC:B:N制成的光活性材料中。圖10為根據(jù)本發(fā)明實施方案的豎直平面雙極結晶體管(BJT)的剖視圖，其包括從端部照射的SiC:B:N光活性區(qū)域。圖11為電荷控制循環(huán)的示意圖，當具有兩種不同波長的激光脈沖持續(xù)照射圖10所示的雙極結晶體管的光活性區(qū)域時，圖11所示的循環(huán)可能存在于由D中心補償?shù)腟iC:B:N制成的光活性材料中。圖12為根據(jù)本發(fā)明實施方案的豎直溝槽雙極結晶體管(BJT)的剖視圖，其包括由端部通過在溝槽內制備的損耗波導照射SiC:B:N的光活性區(qū)域。圖13為根據(jù)本發(fā)明實施方案的豎直溝槽雙極結晶體管(BJT)的剖視圖，其包括由頂部進入在溝槽內制備的損耗波導照射SiC:B:N的光活性區(qū)域。圖14為根據(jù)本發(fā)明實施方案的豎直通道結型場效應晶體管(JFET)的剖視圖，其包括由頂部直接照射SiC:B:N的光活性區(qū)域。圖15為根據(jù)本發(fā)明實施方案的橫向通道金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的剖視圖，其包括由頂部直接照射SiC:B:N的光活性區(qū)域。圖16所示為本發(fā)明的實施方案，其中采用圖14所示的光活性器件驅動傳統(tǒng)電門功率器件的門。具體實施例方式本發(fā)明提供了用于制造一整類功率器件和集成電路的碳化硅光活性材料，其在需要或益于用純光閘控制的電路中具有顯著優(yōu)點。該應用的一個實施方案為如圖7所示的電路1。該電路是包括兩個晶體管開關2的半橋功率電路，一個晶體管開關位于“高端”位置，另一個晶體管開關位于“低端”位置?？刂破?驅動電磁輻射4的源，電磁輻射4能產(chǎn)生第一波長的電磁輻射光束5和第二波長的電磁輻射光束6，第一波長小于第二波長?？捎糜煽刂破鞔_定的任意序列的光束中的任一束照射高端開關和低端開關。這種半橋電路本身在多種電源中應用或者用作為集成電路的輸出級?；蛘?，兩個半橋電路可連接在一起，以形成全橋電路(未示出)?；蛘?，三個半橋電路可連接在一起，以形成三相電路，如圖1所示?；蛘?，對于本領域的技術人員來說，在以下描述或本發(fā)明實施方案的教導下容易想到上述電路的其他互連方式?！嵤┓桨钢械墓饣钚圆牧匣谌我庖阎亩嘈?最常見的是4H_SiC和6H-SiC)的碳化硅半導體。然而，3C-SiC、15R-SiC以及其他多型同樣可用。碳化硅是一類具有寬帶隙的半導體。例如，在T=300K時4H-SiC的帶隙約為3.2eV,而在T=300K時6H-SiC的帶隙約為2.9eV。SiC也是間接帶隙半導體。與窄帶隙半導體(如，硅或砷化鎵)相比，在典型的較低特定導通電阻條件下寬帶隙可進行高電壓高溫操作。而且，有利地，任何多型的SiC都具有較大的熱傳導率(至少是GaAs的六倍)。因此，對SiC器件的使用在需要功率半導體器件的領域，如重要的功率電子工業(yè)領域中應用日益廣泛。特別地，光活性材料為用淺施主(如氮或磷)摻雜的、并用硼受主及與硼相關的D中心補償?shù)腟iC。圖8所示為6HSiC中該材料的一例的帶隙10的示意圖。6H-SiC具有與價帶12能量間隔為2.9eV的導帶11。6H_SiC材料在生長過程中摻雜氮，以形成平均低于導帶0.IeV的淺施主能級13。無論是在生長過程中，或者更可能是在生長之后，硼被引入BH-I-SiC0硼形成了SiC中雜質中心的兩個不同類型。第一類型為在價帶之上約0.!BeV的硼受主14，其在硼雜質原子在硅空缺位置上替換時形成。第二類型為D中心，其在硼原子在硅空缺位置上替換時形成，該空缺位置是自身點缺陷的更大復合體的一部分，例如所謂的碳空缺Vc。D中心的帶隙明顯比硼受主的更深，并且任意特定SiC多型都可包含硼受主和D中心的濃縮。借助光學光譜裝置并利用熱學光譜裝置，已將D中心進行了深入的研究。已報道的結果是，價帶之上0.73eV的光激活能，以及價帶之上0.58至0.63eV的熱激活能[19]。圖8所示為通過使用參考文獻[19]中的雙級模式解決該差異，其中，D中心基態(tài)15位于價帶之上0.73eV,而D中心的第二激發(fā)態(tài)16位于價帶之上約0.58eV。通過該模式可預見與在D中心處的電子和空穴俘獲相關的光激活能和熱激活能之間所觀察到的差異。無論當淺施主態(tài)的數(shù)目超過硼和D中心受主態(tài)的數(shù)目總和(在熱平衡時該材料為η型)，或是相反的情況時(在熱平衡時該材料為P型)，該材料都可以是光活性的。圖9所示為可由光活性SiC:B:N材料激發(fā)的光電導性的循環(huán)。圖9(a)所示為在其高阻態(tài)下的平衡P型材料，在該狀態(tài)下，觀察到幾乎沒有或沒有傳導性。事實上，所有氮施主態(tài)都帶正電并因此包括俘獲的空穴20。事實上，所有的硼受主態(tài)及許多D中心態(tài)均帶負電，并因此包括俘獲的電子21。其余的中性D中心態(tài)包括俘獲的空穴20。圖9(b)所示為被波長小于580nm的電磁能照射的材料。具有該能量的光子(>2.14eV)激發(fā)過程30，在該過程中電子從D中心基態(tài)15被光離子化，在中性D中心中留下自由電子22和俘獲的空穴。當波長大于500nm時，硼受主的電子光離子化作用將不會發(fā)生。具有該能量的光子還將激發(fā)過程31，該過程中俘獲的空穴從D中心基態(tài)被光離子化，在帶負電的D中心中留下自由空穴23和俘獲的電子。由于B受主及D中心均具有0.1至IX10_14cm2之間的相對較大的空穴俘獲截面[20]，因此自由空穴可能被這些中心俘獲(過程32)，其中這些自由空穴能被另一光子吸收過程31激發(fā)而回到價帶中。D中心具有更小的電子俘獲截面，正如低溫下D中心一分鐘的光致發(fā)光次數(shù)顯示的那樣[19]。因此，不太可能使光離子化的電子被重新俘獲。結果是導致如圖9(c)所示的持續(xù)光電導性(PPC)。當去除電磁輻射源時，光活性材料中保留的空穴通過過程32被D中心及B受主俘獲。非平衡自由電子保留在導帶中，直到它們通過在6H中在約2.13eV(或4H中，2.34eV[21])集中的光子的寬帶的特征發(fā)射被D中心俘獲(過程未示出)[20]，或者直到它們與由D中心熱發(fā)射的空穴重新結合(過程34在過程33之后)。已知過程33和34的結合，并稱之為熱淬火[19]。然而，該過程的時間常數(shù)取決于空穴從D中心相對較慢的熱發(fā)射，大量文獻報道，這將在300K和大約IOms的時間尺度下產(chǎn)生(例如[20]和[22])。在該段時間內持續(xù)的光電導率比在GaAs:CU:Si中所觀察到的大了約1000倍，因此較之現(xiàn)有技術具有重大進步[10]。如圖9(d)所示，當小于1.77μm但大于0.58μm波長的電磁輻射照射光活性材料時，持續(xù)的光電導性可被光淬火。在該能量范圍內(0.7<hv<2.13eV)的光子激發(fā)了過程35而不激發(fā)過程30。這意味著由過程33以非常緩慢的速率熱發(fā)射的空穴將被過程35以更大的速率確定的速率發(fā)射。假設再結合過程34與過程32的空穴俘獲的速率相當，則將發(fā)生PPC的淬火。如果再結合過程明顯地慢于空穴俘獲，則將不會觀察到光淬火。因此，本發(fā)明包括這樣一種光活性材料，其電子空穴再結合速率與空穴俘獲過程32相當或者快于空穴俘獲過程32。在這種情況下，該材料將回到圖9(e)所示的狀態(tài)，該狀態(tài)與圖9(a)所示的初始狀態(tài)基本類似。圖10為包括具有光活性區(qū)域的雙極結晶體管(BJT)的本發(fā)明的一個實施方案的剖視圖。該器件在η型傳導襯底40上制備。在襯底上外延生長具有足夠厚度和摻雜的η型集電極41，從而在該器件處于關閉狀態(tài)時阻斷所需的電壓。在此集電極上制備半導體的光活性區(qū)域42，其作為BJT的基。制備該光活性材料的方法可以是通過補償外延層而制備的，該外延層通過以形成D中心的方法引入硼而包含一定濃度的淺施主，如第2002/0149021Α1號美國專利申請中所公開的[23]。用硼受主和D中心對層42進行充分的補償，從而變?yōu)楦咦杩辜癙型傳導性。η型發(fā)射層43是通過外延方式或離子注入方式添加在42層的頂部上的。特別地，該實施方案與圖10所示的深臺面邊緣終止技術相容，將歐姆觸點施加于發(fā)射層的側壁鈍化介電材料46通過適當順序的金屬層和熱處理而形成，從而留下作為發(fā)射觸點的金屬堆44。類似過程被用于襯底40的底部，從而留下作為收集觸點的金屬堆45。一個波長的光或其它波長的光被引入器件邊緣。當光從一側或多側通過器件傳播時，在光活性區(qū)域42內發(fā)生過程30或35，其能以改變器件開關狀態(tài)的方式來改變材料的傳導率。在電磁輻射的波長產(chǎn)生了過程30的情況下，該器件狀態(tài)從非傳導(“阻斷”)變?yōu)閭鲗?“開”)。在電磁輻射的波長只產(chǎn)生了過程35的情況下，該器件狀態(tài)從傳導(“開”)變?yōu)榉莻鲗?“阻斷”)。本發(fā)明的顯著優(yōu)勢體現(xiàn)在大尺度的功率器件中激活整個體積的光活性材料的能力。由于輻射的光子能量低于半導體的帶隙，所以圖9中所示的光電導性循環(huán)所描述的電磁輻射的波長稱之為低帶隙波長。因此，該輻射比高帶隙波長的情況被更弱地吸收。進入材料的電磁輻射的特征方程由式(1)給出I(x)=I0exp(-αχ)(1)，其中I(χ)是指光活性材料42內的點χ處的輻射強度，其單位為W/cm2，I0為輻射引入器件(X=O)時BJT表面的初始輻射強度，α為特定波長的輻射的吸收系數(shù)，其單位為cm—1。對于低帶隙輻射，吸收系數(shù)由深能級光電離決定，如D中心。式(2)給出了吸收系數(shù)的近似值α=σNd(2)，其中σ為光電離的橫截面，單位為cm2，Nd為D中心的數(shù)密度，單位為cm_3。已知對于閾值光子能為0.7eV的硼相關吸收帶(即D中心)，有α=4.17X10_17cm2[24]。低帶隙電磁輻射的特性吸收深度為d=1/α(3)圖10的實施方案中，通過器件的長度傳播電磁輻射，該實施方案要求d與器件的橫向尺寸相當，從而使在整個光活性材料中的光子被有效而均勻地吸收。這種較大的距離意味著SiC對于低帶隙的波長而言接近透明。典型地，優(yōu)選為(1>1mm，這意味著Nd為了理解本發(fā)明，不能只簡單地考慮圖9所示的光電導性循環(huán)以及khoerAach在美國專利4，825，061中的教導。在現(xiàn)有技術中沒有教導將光活性材料結合到圖10所示類型的實際半導體器件中，這是非顯而易見的進步。圖11(a)所示為圖10所示的實施方案的BJT的一半。用施加于收集觸點上的電壓Vc及施加于發(fā)射觸點上的電壓Ve說明了BJT，其中Vc>VE。光活性材料處于圖9(a)所示的準平衡態(tài)，并且將因此而使其自由空穴被部分地耗盡，從而留下負空間電荷區(qū)60。同樣，在形成于兩種材料之間的金屬相結處與光活性材料相接觸的η型材料的自由電子被部分耗盡，從而留下正空間電荷區(qū)61。處于該狀態(tài)的BJT將只允許較小的泄漏電流流向差分電壓VeE=Vc-Ve高達該器件的介電擊穿電壓的器件。圖11(b)所示為該器件內的變化，該變化是由通過波長足夠短的電磁輻射照射以激發(fā)光電離過程30及31而引起的。最終結果是在光活性材料中產(chǎn)生大密度的自由電子及自由空穴。通過漂移和擴散，這些自由載流子在產(chǎn)生電流62的電場中分離。分別漂移到收集和發(fā)射觸點的電子和空穴被光活性材料中新的光電離物替代。這就導致，相對于已有的當器件處于圖11(a)所示的阻斷狀態(tài)的電流而言，更大的電流從集電極流向發(fā)射極。由于光吸收過程是現(xiàn)代物理學中熟知的最快的過程之一，所以BJT由阻斷狀態(tài)向導通態(tài)的轉變可發(fā)生在超過電磁輻射脈沖的時間尺度上，這對于納秒量級的時間不成問題。最后，電磁輻射脈沖衰減，并且剩余的自由空穴被捕獲(圖9(b)的過程3到硼受主及D中心。結果是光活性材料從平衡ρ型材料光轉變?yōu)閳D11(c)所示的非平衡η型材料。光活性材料現(xiàn)在就像作為BJT的ρ基，其中空穴是固定的(事實上它們的確是固定不動的，這是因為它們已經(jīng)在空穴陷阱中被捕獲)，因此它們不能注入到發(fā)射極，并且它們不能與從發(fā)射極63射入的電子再結合。圖9(c)所示的發(fā)射空穴過程33的速率決定了注入電子的損失。由于對D中心而言該速率很低，所以器件在T=300Κ保持在圖11(c)所示的非平衡態(tài)幾十ms，并且在該狀態(tài)下，該器件作為極高增益的BJT，對于其而言，在SiC中當前沒有傳統(tǒng)的等價物。對于時間長于IOms的傳導電流，可按所需的頻率使用具有足夠短波長的電磁輻射的第二脈沖，以導致過程30和31，從而滿足所需的傳導時間。圖11(c)所示的非平衡傳導狀態(tài)的持續(xù)，可在任何時間命令終止，該終止是通過用具有足以導致圖11(d)所示的光活性材料中的過程35的波長的電磁輻射照射器件而實現(xiàn)的。該過程僅產(chǎn)生在價帶內且可大量參與三個過程之一的自由空穴。一個過程如圖9(b)所示的過程32，被重新俘獲。第二個是光電離的空穴漂移和/或擴散至發(fā)射層的過程64，其留下負空間電荷的量子。第三個是過程65，其中光電離的空穴與自由電子再結合，既可自發(fā)發(fā)生，也可在SiC的帶隙中的再結合中心的幫助下發(fā)生。典型地，后者在諸如SiC的間接半導體內更快，因而可期望其占主導。這樣，電子形式的少數(shù)載流子電荷很快從光活性材料中耗盡，從而留下負空間電荷區(qū)60。同樣，自由電子漂移和/或擴散至未從光活性材料中取代的η型材料中的收集觸點(過程66)，從而留下正電荷量子；這樣，結附近的η型材料的自由電子被同時且快速地耗盡，從而留下正空間電荷區(qū)61。因此，該器件恢復到圖11(e)所示的阻斷狀態(tài)。圖10所示的實施方案有很多優(yōu)點，包括制造半導體器件的簡單性及器件的活性區(qū)域與物理區(qū)域相比較大的比例。一個缺點是光從器件邊緣到整個光活性材料的體積的有效且均勻的傳遞問題。圖12所示的實施方案在這方面有所提高。該器件也是BJT，但其具有帶槽的橫截面而不是平坦的橫截面。該器件通過外延生長η型漂移層41而形成于傳導η型襯底40上。η型通道層47生長于漂移層41之上，然后，發(fā)射層43分別生長在通道層上或注入通道層內。所形成的槽的深度超過了發(fā)射層43的厚度。通過適合的掩模材料，硼被注入槽中，并且防止其注入發(fā)射層，從而呈現(xiàn)出自對準過程。該實施方案還結合了第6，767，783號美國專利的說明書和權利要求書中所提出的教導[25]。注入硼的區(qū)域48表現(xiàn)為選擇性地注入槽結構中的硼的固體源。具有足夠溫度的附加熱處理步驟將導致硼擴散進入通道層并引入硼受主和D中心，因此選擇性地產(chǎn)生ρ型光活性材料區(qū)域42。用介電材料49的結合體填充溝槽，其有兩個目的。其一，絕緣材料提供了形成于發(fā)射層和P型光活性材料之間的發(fā)射基結的表面鈍化和電絕緣。介電堆也在光頻率形成電磁輻射的損耗波導，包括紅外線帶和可見光帶。為完成該器件，形成了邊緣終止結構，例如圖示的具有介電鈍化結構46的深臺。添加歐姆金屬觸點，以形成發(fā)射觸點44和收集觸點45。如圖12所示，當電磁輻射束36從器件的一端或兩端向下射向溝槽時，其中一些輻射散射到溝槽任一側上的光活性材料中，產(chǎn)生了依賴于輻射波長的過程30和31或過程35。BJT按本質上與圖11所示相同的順序從非導通態(tài)切換到導通態(tài)并且回到非導通態(tài)。對于本領域技術人員來說，通道指的寬度優(yōu)選地從一微米到多個微米的范圍，這依賴于通道摻雜和電磁輻射的吸收長度。圖10及12所示的實施方案仍需要將電磁輻射從器件的邊緣引入，這增加了器件與電磁輻射源之間界面的復雜性。圖13是本發(fā)明的另一實施方案，其所示出的BJT基本上與圖12所示的實施方案類似，不同在于發(fā)射觸點44具有扇形的開口，從而使電磁輻射可從器件的頂部射入波導49。該輻射再次散射進入光活性材料42，這點也與圖12所示實施方案類似。本實施方案和所有用來自頂部的電磁輻射激發(fā)的實施方案均與很多不同的邊緣終止技術高度相容，其中包括如圖13所示的深臺面技術，包括(但不限于)多種形式的凸起或埋入的保護環(huán)和結終止延伸(JTE)。然而，如圖14所示，另一實施方案改變了BJT器件結構，增加了結式場效應晶體管(JFET)結構。與之前器件一樣，在該器件中形成傳導襯底40及η型漂移層41。使用了諸如鋁的、不同于硼的摻雜物添加重P型材料層50。該層可通過外延方式或注入方式形成。將硼注入物48添加至ρ型層50的表面。形成穿過ρ型層的溝槽，并且采用外延方式再生長通道，從而利用留下基本平坦表面的方法填充溝槽并覆蓋P型層和硼注入物。在通道的頂部上，還生長重度摻雜的η型層43。該實施方案還結合了參考文獻[26]的說明書和權利要求書中的教導。在再生過程中，硼擴散進入生長通道，以形成硼受主和D中心，并將通道轉換為P型光活性材料42。將歐姆金屬添加到源極層43的頂部和襯底40的底部，從而分別形成源極觸點44和漏極觸點45。該源極觸點通過光刻法構圖，以使得窗口打開，從而使電磁輻射通過源極層43并激勵光活性材料42進入過程30和31或過程35，這依賴于輻射的波長。這就使器件從非導通態(tài)切換到導通態(tài)并返回到非導通態(tài)，類似于圖11所示。源極觸點44也與ρ型層50電接觸，以確保源極和該ρ型層之間的電勢為零。在一些應用中，值得期待的是，漂移區(qū)邊界處的半導體器件的耗盡部分以及光活性材料不被電磁輻射顯著地照射。在圖15所示的再一實施方案中，JFET通道區(qū)由重度η型材料51縮短。僅通過器件表面的光活性材料42的導通態(tài)對通過器件的電流傳導進行控制。該實施方案中，窗口在源極觸點44和源極層43中均打開。源極材料43和通道層51之間的通道的表面與介電鈍化材料46相接觸。該實施方案與無柵極的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)類似。穿過源極觸點和源極材料的窗口使得光活性材料被來自于頂部的電磁輻射激勵，從而使得該器件的操作與圖14所示的實施方案相似。確定本發(fā)明是否有實際應用意義需要考慮到是需要導致器件變化導通狀態(tài)的電磁輻射每個脈沖的總能量。采用運動學的方法估算品質因數(shù)，即每安培電流所需的光能。由式(4)得出每單位面積的能量E/A=nqhvNd(4)，其中E/A是電磁輻射每個脈沖的每單位面積的能量，其單位為J/cm2，η為解決各種無效的光激發(fā)所需的無量綱倍增因數(shù)，q為元電荷=1.60XIO-19C,hv為每個光子的能量，單位為eV，估計4H-SiC的光子能量為2.4eV,ND為能夠被激發(fā)產(chǎn)生持續(xù)的光電導性的電子的最大有效數(shù)密度，單位為cm—3，其通過光活性材料中的淺施主密度近似得出。通過利用在持續(xù)的光導電性時由器件傳導的電流密度對式(4)進行歸一化，從而計算品質因數(shù)。典型功率器件的額定電流定為2V的正向電壓時的電流。若該器件的特定導通電阻大約為4H-SiC功率JFET的現(xiàn)有狀態(tài)的水平，則P(開)=2.5mΩ-cm2[27]。該技術預期的額定電流密度為J=V(開)/p(開)=2V/2.5mQ-cm2=800A/cm2。(5)通過歸一化式(4)結合式(5)可得品質因數(shù)(E/A)/J=ηqhvNDP(開)/V(開)(6)對于ρ(開)=2.5mΩ-cm2的600-V器件，取修正值Nd=1XIO1W3,當忽略η時，有(E/A)/J=2nJ/A。僅為打開優(yōu)化的材料中，倍增因數(shù)η不能小于2，并且如果效率與良好的關閉性能也達到平衡，則倍增因數(shù)可達到10。用于維持傳導所必需的電磁脈沖頻率依賴于熱空穴發(fā)射率，其在室溫下遠低于100s—1[20]。但是當結溫度升高時，空穴發(fā)射率也升高。當T=200°C時，空穴發(fā)射率將升高約10，000倍，而且特征空穴發(fā)射時間變?yōu)榧sIyS。由于典型功率電子器件的重復頻率小于1MHz，因此可以假設，在實際應用中，工作溫度下電磁輻射多個脈沖之間的時間間隔由空穴發(fā)射率決定。IMHz的脈沖重復頻率(PRF)乘以品質因數(shù)(包括為10的效率乘數(shù))意味著所需要的電磁輻射源的平均功率約為2nJ/AXIOXlO6Hz=20mff/Ao因此，例如100-A的4H_SiCBJT器件在200°C時需要大約2W的光功率來維持傳導。這是非常實際的但并不是無關緊要的。實現(xiàn)與圖7具有相同功能的另一個插入應用的方法是將本發(fā)明實施方案的小規(guī)模器件與傳統(tǒng)結構的完整規(guī)模功率器件配對。該完整規(guī)模的傳統(tǒng)器件可由碳化硅制成，或可由硅制成，或可由多種半導體中的另一種材料制成。如果該傳統(tǒng)器件是常閉的器件(所謂的“增強型”器件)，則圖16所示的電路代表本發(fā)明的另一實施方案，這是因為如果圖16所示的部件封裝在一起，則器件導致了其與圖10、12、13、14和15所示的本發(fā)明的單片電路實施方案從本質上無法區(qū)分。圖16中，具有傳統(tǒng)結構的功率器件2可以是BJT、增強型的M0SFET、常閉JFETjg形脈沖關閉(GTO)可控硅元件或其他任何類似的器件。當電磁輻射脈沖5照射與圖14所示的結構類似的光控JFET7時，其將正門偏置切換至來自能量存儲網(wǎng)絡8的功率器件2，該能量存儲網(wǎng)絡8包括存儲電荷的元件和只允許電流單向流動的元件，例如二極管。該二極管使電存儲器件由電壓源充電，該電壓源由功率器件2開關，但不由功率器件對其放電。連接在門和功率器件的公共終端之間的網(wǎng)絡9具有兩個功能。第一個功能是，其將可相對于公共終端施加在門上的電壓限制為安全值。光控JFET7幫助其完成該功能，即使當網(wǎng)絡8中電荷存儲元件上的電壓高達功率器件2的額定阻斷電壓時，光控JFET7仍能夠自限制流向網(wǎng)絡9的電流。第二，其為存儲在要被放電的功率器件中的電荷保持了從功率器件的門至公共終端的路徑。網(wǎng)絡9的一個實施例是由電壓限制二極管形成的網(wǎng)絡，稱之為齊納(Zener)二極管，與電阻器并聯(lián)連接?？蛇x地，可用類似于電流源的器件替換電阻器，例如具有共同縮短的門和源終端的JFET。當不同波長的脈沖6照射光控JFET7時，JFET關閉，并且功率器件2的門被網(wǎng)絡9放電，以使功率器件關閉。如圖16所示，控制器3能夠采用光發(fā)射器4以圖7所示相同的方式控制傳統(tǒng)功率器件；雖然有利的是，所需光能量減少?？梢酝ㄟ^考慮減小光控器件相對于完整規(guī)模的功率器件的尺寸來估計如圖16所示的實施方案的增益。描述功率開關器件的功率處理能力的品質因數(shù)是器件的導通電阻和門電荷％的乘積，該門電荷％是將該器件轉換到1)傳導狀態(tài)所需的電荷。最優(yōu)的SiC功率JFET器件的乘積在200°C時等于大約5Χ10_9Ω(。該功率器件的額定漏電流為Id=V(開)/R(開)。必須由光控器件提供的平均門電流為Ig=PRFX%。因此，R(開)=(V(開)/PRF)X(IG/ID)(7)，其中光增益等于光控器件的面積與等價光控器件的面積之比的倒數(shù)，該等價光控器件的尺寸與傳統(tǒng)功率器件相同，其等于比例Ie/ID。對于Ie/ID求解式(7)并假設=2V且PRF=IMHz，則Ie/ID=0.0025。光增益是該比例的倒數(shù)，為400。如果在之前的實施例中應用如圖16所示的實施方案，則為了開關同樣的100A，在200°C時所需的光功率由因數(shù)400減小至5mW。能提供該數(shù)值的平均功率的脈沖電磁輻射源是易于應用并且價格相對低廉的。結合上述優(yōu)點，已對本發(fā)明的具體實施方案進行了描述。這些實施方案僅是對本發(fā)明的說明性的描述。許多變化和調整對于本領域技術人員來說是顯而易見的。并且，本摘要的目的是使美國專利商標辦及普通大眾、特別是科學家、工程師及不熟悉專利或法律條款或用語的本領域技術人員通過粗略查看迅速了解該應用的技術啟示和本質。摘要并不是打算以任何形式對本發(fā)明的范圍進行限制。參考文獻[lJPhilipKrein,“ChapterlJntroduction,(第一章緒論)“PowerElectronicsHandbook(功率電子手冊)，ed.Μ·H.Rashid.AcademicPress,SanDiego,CA,2001，pp.7-8.[2]PhilipKrein,“ChapterlIntroduction,(第一章緒論)“PowerElectronicsHandbook(功率電子手冊)，ed.Μ.FLRashid.AcademicPress,SanDiego,CA,2001,p.10.[3]JerryHudgins,EnricoSanti,AntonioCaiafa,KatherineLengel,andPatrickR.Palmer,"Chapter3:Thyristors,(第三章可控娃兀件)〃PowerElectronicsHandbook(功率電子手冊)，ed.Μ·H.Rashid.AcademicPress,SanDiego,CA,2001，ρ·44.[4]J.WilsonandJ.F.B.Hawkes,Optoelectronics:AnIntroduction.(光電子學緒論)Prentice-Hallinternational,London,1983，pp.323-324.[5]M.Buttram,“Chapter1Introduction,(11-:)"High-PowerOpticallyActivatedSolid-StateSwitches(1)^Jf^)eds.A.RosenandF.Zutavern.ArtechHouse,Norwood,Massachusetts,1994,p.2.[6]M.D.PochaandW.W.Hofer,“Chapter3=High-SpeedSwitchinginPhotoconductors,(第三章光導體中的高速開關)〃High-PowerOpticallyActivatedSolid-StateSwitches(1)^!^^^)，eds.A.RosenandF.Zutavern.ArtechHouse,Norwood,Massachusetts,1994,p.48.[7]FredJ.ZutavernandGuillermoM.Loubriel,"Chapter11:High_VoltageLateralSwitchesFromSiliconorGalliumArsenide,(第十一章娃或石申化嫁的高壓側開關)〃High-PowerOpticallyActivatedSolid-StateSwitches(高功率光活性固態(tài)開關)，eds.A.RosenandF.Zutavern.ArtechHouse,Norwood,Massachusetts,1994,pp.247-251.[8]K.H.Schoenbach,"Chapter6:OpticallyActivatedOpeningofCopper-DopedGalliumArsenideSwitches,(第六章銅摻雜的砷化鎵開關的光活性開口)〃High-PowerOpticallyActivatedSolid-StateSwitches(高功率光活性固態(tài)開關),eds.A.RosenandF.Zutavern.ArtechHouse,Norwood,Massachusetts,1994,p.95.[9]KarlH.Schoenbach,RudolfK.F.Germer,VishnukumarK.Lakdawala,SachariaAlbin,"OpticallyControlledBulkSemiconductorSwitchNotRequiringRadiationtoSustainConduction，(無需輻射而保持傳導的光控半導體塊材開關)〃U.S.PatentDocument4,825,061,Aprill989.[10]M.S.Mazzola,K.H.Schoenbach,V.K.Lakdawala,R.Germer,G.M.Loubriel,andF.J.Zutavern,"GaAsPhotoconductiveClosingSwitcheswithHighDarkResistanceandMicrosecondConductivityDecay，(具有較高暗電阻禾口微秒、傳導性衰減的GaAs光傳導關閉開關)“Appl.Phys.Lett..，vol.54，pp.742-744，1989.[11]M.S.Mazzola,K.H.Schoenbach,V.K.Lakdawala,andS.T.Ko,“NanosecondOpticalQuenchingofPhotoconductivityinaBulkGaAsSwitch,(塊材GaAs開關中光傳導性的納秒光淬火)“Appl.Phys.Lett.·，vol.55，pp.2102-2104，1989.[12]JosephBlanc,RichardH.Bube,andHaroldE.MacDonald,“PropertiesofHigh-ResistivityGalliumArsenideCompensatedwithDiffusedCopper(補償有擴散的銅的高電阻率砷化鎵的性質)，J.Appl.Phys.，vol.32，pp.1666-1679，1961.[13]JoseSauraandRichardH.Bube,"Laser-QuenchingofPhotoconductivityandRecombinationProcessesinSensitivePhotoconductors,(靈敏光導體中的光導電性的激光淬火和再結合過程)“J.Appl.Phys.，vol.36,pp.3660-3662，1965.[14]MichaelS.Mazzola,KarlH.Schoenbach,VishnuK.Lakdawala,andRandyRoush,"InfraredQuenchingofConductivityatHighElectricFieldsinaBulkCopper-Compensated,OpticallyActivatedGaAsSwitch，(補償銅的塊材光活性GaAs開關中高電場下傳導率的紅外淬火)“IEEETrans.ElectronDev.，vol.37，pp.2499-2505，1990.[15]DavidC.Stoudt,RandyA.Roush,MichaelS.Mazzola,andScottF.Griffiths,"InvestigationofaLaser-Controlled,Copper-DopedGaAsClosingandOpeningSwitch,(激光控制的銅摻雜的GaAs開關的研究)“Proc.IEEEPulsedPowerConf.，pp.41-44，1991.[16]DavidC.StoudtandMichaelA.Richardson,"BistablePhotoconductiveSwitchesParticularlySuitedForFrequency-Agile,Radio-FrequencySources,(適于頻率敏感的射頻源的雙穩(wěn)態(tài)光傳導開關)“U.S.PatentDocument5，864，166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