大功率GaAs光導開關熱設計技術研究.pdf

1、小型化、重復頻率是脈沖功率技術目前發(fā)展的主要方向之一。光導半導體開關(Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS)，簡稱光導開關，是超快脈沖激光技術和半導體技術相結合而產生的新型器件，通過觸發(fā)光對半導體材料電導率的控制實現(xiàn)開關的導通和關斷。光導開關以其高功率、高重復頻率、低抖動等優(yōu)點，在小型化、重復頻率脈沖功率裝置設計中日益受到重視。光導開關工作過程中的歐姆生熱嚴重影響光導開關的電學性能和使用壽命

2、，本文討論了光導開關不同光電導方式和工作模式的熱特征，指出其暗態(tài)熱過程符合傅里葉熱傳導定律，而導通狀態(tài)瞬態(tài)熱過程具有很強的非傅里葉效應。為便于對熱過程進行分析，可通過適當假設，有效地將光導開關的熱過程進行簡化。
　　在對光導開關熱過程進行簡化的基礎上，基于時域有限差分法(Finite DifferenceTime Domain method，F(xiàn)DTD)建立了光導開關的工程數(shù)值熱學模型，使用該模型分析了各種發(fā)熱機制及溫度參數(shù)對光導開

3、關電學性能的影響，對非線性模式GaAs光導開關的熱傳導過程進行了數(shù)值模擬。定義了光導開關臨界頻率為特定熱邊界條件下可持續(xù)運行的最高頻率，研究了臨界頻率隨電流絲位置、半徑、數(shù)量、芯片尺寸、環(huán)境溫度等參量變化的趨勢。模擬結果表明:臨界頻率隨電流絲半徑、數(shù)量的增加，呈指數(shù)上升趨勢;臨界頻率隨著電流絲距熱邊界距離的增加、芯片厚度的增加，呈指數(shù)下升趨勢;臨界頻率在某個特定溫度閾值以下隨環(huán)境溫度的上升呈線性下降趨勢。當溫度達到某個特定閾值時，首次脈

4、沖即會導致光導開關的損壞。
　　為解決因歐姆生熱導致光導開關芯片溫度升高而形成的局部熱點，使用硅材料設計了一種矩形微槽微通道散熱器，其由散熱器本體和蓋板兩部分組成，散熱器本體上設有分流槽、矩形微槽陣列、匯流槽，蓋板通過半導體刻蝕工藝形成通孔，兩部分通過硅-硅鍵合工藝連接以形成閉合通道。分別以水和FC-40為冷卻工質，實驗測試了不同冷卻工質流量、進口溫度時微通道散熱器的換熱性能、溫度均勻性和流體阻力，證明該微通道散熱器在適中的冷卻工

5、質流量下具有較高的換熱性能、較低的流體阻力和較好的溫度均勻性，滿足大部分重復頻率大功率光導開關的散熱冷卻需求。
　　設計了一種光導開關和半導體激光二極管觸發(fā)光源絕緣封裝結構，該結構具有由K9光學玻璃窗隔離的兩個小室，分別用于放置光導開關芯片和半導體激光二極管觸發(fā)光源，經外循環(huán)冷卻的FC-40工質經歧管分別冷卻光導開關芯片和半導體激光二極管觸發(fā)光源，并充滿光導開關芯片所在小室，為光導開關芯片提供絕緣保護。該種封裝結構可以允許光導開關

6、以較高重復頻率運行。
　　最后通過對光導開關的歐姆接觸原理、制作方法、退化機理的討論，針對光導開關歐姆接觸性能退化提出三種假設:高溫下歐姆接觸區(qū)域的多層離子參雜層之間的離子互擴散可能是導致歐姆接觸失效的主要原因之一;歐姆接觸電極和半導體材料的熱失配帶來的循環(huán)熱應力可能是導致歐姆接觸電極剝離和脫落的主要原因之一;某些帶Si3N4保護層的GaAs光導開關，在重復頻率運行時Si3N4保護層的剝離和脫落是因為熱失配帶來的循環(huán)熱應力造成的。