專利名稱：：光控碳化硅和相關(guān)的寬帶隙晶體管以及可控硅元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種先進(jìn)的微電子(半導(dǎo)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(gè)波長的光脈沖作用下關(guān)閉，然后在第二波長的光脈沖作用下打開。
背景技術(shù)：
：如圖1所示的電路廣泛應(yīng)用于將一個(gè)電壓或電流(通常是DC)轉(zhuǎn)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(dòng)汽車的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、工廠使用的工業(yè)電機(jī)、公用功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這樣的靜態(tài)伏安反應(yīng)(SVAR)補(bǔ)償器、整流器和轉(zhuǎn)換器用于高壓直流電功率傳輸，雙開關(guān)和四開關(guān)型的該電路(分別稱作“半橋”和“全橋”)廣泛應(yīng)用于國防和民用電子工業(yè)的電力供應(yīng)中。該電路有六個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，可以多種形式構(gòu)造，包括雙極結(jié)晶體管(BJT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣閘雙極型晶體管(IGBT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、可控硅整流器(SCR)型、矩形脈沖關(guān)閉(GTO)型，或靜電感應(yīng)型[2]?，F(xiàn)有技術(shù)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(guān)半橋相腳(見圖幻。圖2還示出現(xiàn)有技術(shù)的兩個(gè)缺點(diǎn)。第一個(gè)缺點(diǎn)是“高端門驅(qū)動(dòng)器”的問題上開關(guān)Si由與其共同連接負(fù)載的門驅(qū)動(dòng)器電路電控制，因此，浮柵驅(qū)動(dòng)是必需的。這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。第二個(gè)問題是可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的門信號，該門信號可引起半橋錯(cuò)誤的運(yùn)行，從而可能導(dǎo)致電路或負(fù)載發(fā)生故障。這些錯(cuò)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(huì)影響所有器件。但是，在與軍事相關(guān)的系統(tǒng)中，敵方有意引入的EMI會(huì)產(chǎn)生更大的威脅。EMI會(huì)影響電路中任意的、所有的開關(guān)的運(yùn)行，包括圖2中所示的低端開關(guān)S2。光控電路既解決了高端門驅(qū)動(dòng)器問題，也解決了EMI問題。圖3所示為現(xiàn)有技術(shù)的另一實(shí)施方案，其部分地解決了上述問題。在門驅(qū)動(dòng)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(guān)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(qū)動(dòng)器提供絕緣電功率的問題仍然存在。并且門驅(qū)動(dòng)器電路仍容易受到潛在的EMI。無論何時(shí)，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(shí)，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(yīng)就是，如果可能，去除門驅(qū)動(dòng)器電路。光活性開關(guān)的應(yīng)用是一個(gè)解決方案。圖4所示為現(xiàn)有技術(shù)，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(qū)動(dòng)器進(jìn)行開或“關(guān)”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(dāng)?shù)姆绞?通常采用光纖電纜)傳導(dǎo)至開關(guān)。在開關(guān)的一部分中產(chǎn)生電子空穴對，對其進(jìn)行照射，從而將器件導(dǎo)通。主要的局限性在于該開關(guān)通常不能利用光關(guān)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(zhuǎn)換的過程而利用外部電路來切斷開關(guān)。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(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用，因此到目前為止，光活性開關(guān)主要用于電子工業(yè)中；然而，在很多領(lǐng)域并不采用整流轉(zhuǎn)換，其嚴(yán)重限制了現(xiàn)有技術(shù)中光活性開關(guān)的應(yīng)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(shí)際是可以應(yīng)用的?，F(xiàn)有技術(shù)中的光電晶體管是光觸發(fā)可控硅元件的一個(gè)變形，其中電子空穴對由能量超過晶體管中半導(dǎo)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(zhì)。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(dǎo)。當(dāng)去除光源時(shí)，BJT將停止傳導(dǎo)電流并及時(shí)關(guān)閉或“打開”開關(guān)。問題在于開關(guān)關(guān)閉之前的延遲通常是由BJT基中儲(chǔ)存的少數(shù)載流子的物理性質(zhì)確定的，其通?？蓽p緩BJT從而獲得較好的光學(xué)增益W]。引入雜質(zhì)可加速光電晶體管的制備，這將導(dǎo)致少數(shù)載流子壽命(MCL)變短，但這會(huì)對光學(xué)增益產(chǎn)生不利的影響。在很多應(yīng)用中，用于啟動(dòng)并保持傳導(dǎo)所需的光能是重要的品質(zhì)因數(shù)，并且越少越好。在試圖利用半導(dǎo)體開關(guān)控制大量瞬時(shí)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(yīng)用于防御和醫(yī)療領(lǐng)域。這些領(lǐng)域需要非?？焖俚亻_關(guān)[5]，從而發(fā)展了采用脈沖功率技術(shù)的半導(dǎo)體器件，而不是傳統(tǒng)功率電子領(lǐng)域中的半導(dǎo)體器件。在脈沖功率領(lǐng)域，在激光照射時(shí)關(guān)閉、而后以材料的時(shí)間常數(shù)特征在去除激光照射時(shí)打開的開關(guān)被稱作是以“線性模式”操作W]。線性模式開關(guān)的特點(diǎn)可描述為“光持續(xù)”體材料光電導(dǎo)關(guān)閉和打開開關(guān)。這種開關(guān)與光電晶體管有相似之處，此外其結(jié)構(gòu)簡單，由具有金屬觸點(diǎn)的略多余半導(dǎo)體體材料(例如硅或砷化鎵)構(gòu)成，金屬觸點(diǎn)位于其任一端，以形成歐姆觸點(diǎn)，用于和外部電路的開關(guān)相連；并且其尺寸典型地較大，從而反映其完全不同的應(yīng)用領(lǐng)域[7]。然而，在用于開關(guān)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(dǎo)開關(guān)，該專利文獻(xiàn)公開了體材料光電導(dǎo)器件，其中一個(gè)波長的激光脈沖激勵(lì)了持續(xù)的光電導(dǎo)性，在激光脈沖所持續(xù)的納秒級時(shí)間結(jié)束后，該持續(xù)的光電導(dǎo)性還可持續(xù)多個(gè)毫秒[10]，并且在更長波長的第二“淬滅”激光脈沖作用下結(jié)束[11]。khoerAach等人在該專利文獻(xiàn)中利用了I960年發(fā)現(xiàn)的光淬火效應(yīng)，該效應(yīng)在砷化鎵中摻雜銅就會(huì)變得很強(qiáng)[12]。人們在1965年就充分認(rèn)識了如摻雜銅的GaAs及CdS(以上專利文獻(xiàn)的基礎(chǔ))的光敏半導(dǎo)體紅外光淬火物理現(xiàn)象[13]。khoerAach等人在以上專利文獻(xiàn)中的教導(dǎo)僅限于在體材料光電導(dǎo)開關(guān)中應(yīng)用上述效應(yīng)，其具體實(shí)施方案如參考文獻(xiàn)[7]和[9]所述以及圖5所示。例如，參考文獻(xiàn)[14]和[15]中記載了可用于類似圖6中所示的電路的光電導(dǎo)開關(guān)，并記載了在脈沖功率領(lǐng)域的通常應(yīng)用，正如Moudt等人在美國專利號5，864，166中所描述的[16]。對于實(shí)際應(yīng)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(dǎo)開關(guān)，以及用同樣的核心流程制成的體材料光電導(dǎo)開關(guān)，所述核心流程為在摻雜了硅的CaAs中通過熱擴(kuò)散補(bǔ)償銅(GaAsSi:Cu)而制成體材料半絕緣材料[17]。事實(shí)上，美國專利4，825，061并未給出其他實(shí)際教導(dǎo)。與現(xiàn)有技術(shù)的脈沖功率開關(guān)相比，GaAsSiCu光電導(dǎo)開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)性增益，從而降低了以下領(lǐng)域中所需消耗的激光功率，該領(lǐng)域要求電流脈沖快速升降數(shù)倍并且負(fù)載比長期和/或連續(xù)變化。然而，如參考文獻(xiàn)[14]所述，在GaAs:Si:Cu體材料光電導(dǎo)開關(guān)中，僅能控制約為3kV/cm量級的相對較低的平均電場，這是因?yàn)榛静环€(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致電流超小[18]，從而阻擋了高電壓并傳導(dǎo)高電流，功率電子工業(yè)中所使用的傳統(tǒng)半導(dǎo)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(lǐng)域中應(yīng)用開關(guān)。另一缺點(diǎn)在于，功率電子工業(yè)中通常很少選用GaAs，這是因?yàn)槠錈醾鲗?dǎo)性較低等原因。khoerAach等沒有給出可實(shí)際應(yīng)用于功率電子的半導(dǎo)體的更好選擇，例如碳化硅。
發(fā)明內(nèi)容一方面，與硼相關(guān)的D中心被用于補(bǔ)償碳化硅中的淺施主，從而形成能夠呈現(xiàn)持續(xù)光電導(dǎo)性的光活性材料，該持續(xù)光電導(dǎo)性是由電磁光譜的黃色或綠色部分中的光輻射導(dǎo)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(nèi)的長波光輻射進(jìn)行同樣的持續(xù)光電導(dǎo)性的光淬火。通過由硼相關(guān)D中心補(bǔ)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(zhì)上相同的特性。在多個(gè)實(shí)施方案中，由D中心補(bǔ)償?shù)腟iC形成的光活性材料結(jié)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(dāng)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(kuò)散導(dǎo)致在一維、二維和三維器件結(jié)構(gòu)中通過高溫?zé)崽幚砘蜻B續(xù)外延生長形成D中心。在一個(gè)實(shí)施方案中，由D中心補(bǔ)償?shù)腟iC形成的光活性材料被結(jié)合在光控雙級結(jié)晶體管(BJT)的基中。在另一實(shí)施方案中，由D中心補(bǔ)償?shù)腟iC形成的光活性材料被結(jié)合在光控縱向和橫向槽結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)的通道中。在另一實(shí)施方案中，由D中心補(bǔ)償?shù)腟iC形成的光活性材料被結(jié)合在可光控金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的通道中。在另一實(shí)施方案中，由D中心補(bǔ)償?shù)腟iC形成的光活性材料被結(jié)合在可光控的可控硅元件的P基中。在另一實(shí)施方案中，由D中心補(bǔ)償?shù)腟iC形成的光活性材料被結(jié)合在光控靜電感應(yīng)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(lǐng)域技術(shù)人員由該器件的啟示所能想到的其他結(jié)構(gòu)，均可結(jié)合于功率電子系統(tǒng)，其具有允許開關(guān)的純光控關(guān)閉和打開傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，關(guān)閉和打開周期的占空比的實(shí)質(zhì)無窮結(jié)合的范圍從單個(gè)關(guān)閉光脈沖的數(shù)毫秒至更長，如果規(guī)律的關(guān)閉光脈沖序列照射器件的活性區(qū)域從而補(bǔ)充持續(xù)的光電導(dǎo)性，則上述周期更長。進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)和特征將在以下的具體實(shí)施方案部分進(jìn)行描述，并且對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在閱讀以下本發(fā)明的實(shí)施方案的基礎(chǔ)上可以更清楚地了解這些優(yōu)點(diǎn)和特征。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一般示意圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中采用電控門驅(qū)動(dòng)器和電控開關(guān)的傳統(tǒng)半橋電路的示意圖。圖3為現(xiàn)有技術(shù)中采用光控門驅(qū)動(dòng)器和電控開關(guān)的傳統(tǒng)半橋電路的示意圖。圖4為現(xiàn)有技術(shù)中采用光激勵(lì)或維持開關(guān)的光控半橋電路的示意圖。圖5為現(xiàn)有技術(shù)中GaAs:CU:Si光電導(dǎo)開關(guān)的示意圖(在參考文獻(xiàn)[15]之后)。圖6為現(xiàn)有技術(shù)在脈沖功率電路中的GaAs:Cu:Si光電導(dǎo)開關(guān)中的應(yīng)用和結(jié)果的示意圖(在參考文獻(xiàn)[15]之后)。圖7為本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案應(yīng)用于半橋電路的示意圖。圖8為本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)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(guān)的D中心補(bǔ)償?shù)奶蓟璋雽?dǎo)體的6H多型(6H-SiC:B:N)。圖9為光電導(dǎo)性循環(huán)的示意圖，當(dāng)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(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中所述的光活性區(qū)域時(shí)，圖9所示的循環(huán)可能存在于由D中心補(bǔ)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(shí)施方案的豎直平面雙極結(jié)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(dāng)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(jié)晶體管的光活性區(qū)域時(shí)，圖11所示的循環(huán)可能存在于由D中心補(bǔ)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(shí)施方案的豎直溝槽雙極結(jié)晶體管(BJT)的剖視圖，其包括由端部通過在溝槽內(nèi)制備的損耗波導(dǎo)照射SiC:B:N的光活性區(qū)域。圖13為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的豎直溝槽雙極結(jié)晶體管(BJT)的剖視圖，其包括由頂部進(jìn)入在溝槽內(nèi)制備的損耗波導(dǎo)照射SiC:B:N的光活性區(qū)域。圖14為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的豎直通道結(jié)型場效應(yīng)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(shí)施方案的橫向通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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(shí)施方案，其中采用圖14所示的光活性器件驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)電門功率器件的門。具體實(shí)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(diǎn)。該應(yīng)用的一個(gè)實(shí)施方案為如圖7所示的電路1。該電路是包括兩個(gè)晶體管開關(guān)2的半橋功率電路，一個(gè)晶體管開關(guān)位于“高端”位置，另一個(gè)晶體管開關(guān)位于“低端”位置。控制器3驅(qū)動(dòng)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(guān)和低端開關(guān)。這種半橋電路本身在多種電源中應(yīng)用或者用作為集成電路的輸出級?；蛘撸瑑蓚€(gè)半橋電路可連接在一起，以形成全橋電路(未示出)?；蛘?，三個(gè)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(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在以下描述或本發(fā)明實(shí)施方案的教導(dǎo)下容易想到上述電路的其他互連方式?！?shí)施方案中的光活性材料基于任意已知的多型(最常見的是4H_SiC和6H-SiC)的碳化硅半導(dǎo)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(dǎo)體。例如，在T=300K時(shí)4H-SiC的帶隙約為3.2eV,而在T=300K時(shí)6H-SiC的帶隙約為2.9eV。SiC也是間接帶隙半導(dǎo)體。與窄帶隙半導(dǎo)體(如，硅或砷化鎵)相比，在典型的較低特定導(dǎo)通電阻條件下寬帶隙可進(jìn)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(dǎo)率(至少是GaAs的六倍)。因此，對SiC器件的使用在需要功率半導(dǎo)體器件的領(lǐng)域，如重要的功率電子工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)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(guān)的D中心補(bǔ)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(jià)帶12能量間隔為2.9eV的導(dǎo)帶11。6H_SiC材料在生長過程中摻雜氮，以形成平均低于導(dǎo)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(zhì)中心的兩個(gè)不同類型。第一類型為在價(jià)帶之上約0.!BeV的硼受主14，其在硼雜質(zhì)原子在硅空缺位置上替換時(shí)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(shí)形成，該空缺位置是自身點(diǎn)缺陷的更大復(fù)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(xué)光譜裝置并利用熱學(xué)光譜裝置，已將D中心進(jìn)行了深入的研究。已報(bào)道的結(jié)果是，價(jià)帶之上0.73eV的光激活能，以及價(jià)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(xiàn)[19]中的雙級模式解決該差異，其中，D中心基態(tài)15位于價(jià)帶之上0.73eV,而D中心的第二激發(fā)態(tài)16位于價(jià)帶之上約0.58eV。通過該模式可預(yù)見與在D中心處的電子和空穴俘獲相關(guān)的光激活能和熱激活能之間所觀察到的差異。無論當(dāng)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(shí)該材料為η型)，或是相反的情況時(shí)(在熱平衡時(shí)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(dǎo)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(dǎo)性。事實(shí)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(shí)上，所有的硼受主態(tài)及許多D中心態(tài)均帶負(fù)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(dāng)波長大于500nm時(shí)，硼受主的電子光離子化作用將不會(huì)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(fù)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(jià)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(jié)果是導(dǎo)致如圖9(c)所示的持續(xù)光電導(dǎo)性(PPC)。當(dāng)去除電磁輻射源時(shí)，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(dǎo)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(jié)合(過程34在過程33之后)。已知過程33和34的結(jié)合，并稱之為熱淬火[19]。然而，該過程的時(shí)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(xiàn)報(bào)道，這將在300K和大約IOms的時(shí)間尺度下產(chǎn)生(例如[20]和[22])。在該段時(shí)間內(nèi)持續(xù)的光電導(dǎo)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(shù)具有重大進(jìn)步[10]。如圖9(d)所示，當(dāng)小于1.77μm但大于0.58μm波長的電磁輻射照射光活性材料時(shí)，持續(xù)的光電導(dǎo)性可被光淬火。在該能量范圍內(nèi)(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(shè)再結(jié)合過程34與過程32的空穴俘獲的速率相當(dāng)，則將發(fā)生PPC的淬火。如果再結(jié)合過程明顯地慢于空穴俘獲，則將不會(huì)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(jié)合速率與空穴俘獲過程32相當(dāng)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(jié)晶體管(BJT)的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的剖視圖。該器件在η型傳導(dǎo)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(guān)閉狀態(tài)時(shí)阻斷所需的電壓。在此集電極上制備半導(dǎo)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(bǔ)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(jìn)行充分的補(bǔ)償，從而變?yōu)楦咦杩辜癙型傳導(dǎo)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(shí)施方案與圖10所示的深臺(tái)面邊緣終止技術(shù)相容，將歐姆觸點(diǎn)施加于發(fā)射層的側(cè)壁鈍化介電材料46通過適當(dāng)順序的金屬層和熱處理而形成，從而留下作為發(fā)射觸點(diǎn)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(diǎn)的金屬堆45。一個(gè)波長的光或其它波長的光被引入器件邊緣。當(dāng)光從一側(cè)或多側(cè)通過器件傳播時(shí)，在光活性區(qū)域42內(nèi)發(fā)生過程30或35，其能以改變器件開關(guān)狀態(tài)的方式來改變材料的傳導(dǎo)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(dǎo)(“阻斷”)變?yōu)閭鲗?dǎo)(“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(dǎo)(“開”)變?yōu)榉莻鲗?dǎo)(“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(gè)體積的光活性材料的能力。由于輻射的光子能量低于半導(dǎo)體的帶隙，所以圖9中所示的光電導(dǎo)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(jìn)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(nèi)的點(diǎn)χ處的輻射強(qiáng)度，其單位為W/cm2，I0為輻射引入器件(X=O)時(shí)BJT表面的初始輻射強(qiáng)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(guān)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(shí)施方案中，通過器件的長度傳播電磁輻射，該實(shí)施方案要求d與器件的橫向尺寸相當(dāng)，從而使在整個(gè)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(dǎo)性循環(huán)以及khoerAach在美國專利4，825，061中的教導(dǎo)。在現(xiàn)有技術(shù)中沒有教導(dǎo)將光活性材料結(jié)合到圖10所示類型的實(shí)際半導(dǎo)體器件中，這是非顯而易見的進(jìn)步。圖11(a)所示為圖10所示的實(shí)施方案的BJT的一半。用施加于收集觸點(diǎn)上的電壓Vc及施加于發(fā)射觸點(diǎn)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(zhǔn)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(fù)空間電荷區(qū)60。同樣，在形成于兩種材料之間的金屬相結(jié)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(dá)該器件的介電擊穿電壓的器件。圖11(b)所示為該器件內(nèi)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(jié)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(kuò)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(diǎn)的電子和空穴被光活性材料中新的光電離物替代。這就導(dǎo)致，相對于已有的當(dāng)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(xué)中熟知的最快的過程之一，所以BJT由阻斷狀態(tài)向?qū)☉B(tài)的轉(zhuǎn)變可發(fā)生在超過電磁輻射脈沖的時(shí)間尺度上，這對于納秒量級的時(shí)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(jié)果是光活性材料從平衡ρ型材料光轉(zhuǎn)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(shí)上它們的確是固定不動(dòng)的，這是因?yàn)樗鼈円呀?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(jié)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(dāng)前沒有傳統(tǒng)的等價(jià)物。對于時(shí)間長于IOms的傳導(dǎo)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(dǎo)致過程30和31，從而滿足所需的傳導(dǎo)時(shí)間。圖11(c)所示的非平衡傳導(dǎo)狀態(tài)的持續(xù)，可在任何時(shí)間命令終止，該終止是通過用具有足以導(dǎo)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(shí)現(xiàn)的。該過程僅產(chǎn)生在價(jià)帶內(nèi)且可大量參與三個(gè)過程之一的自由空穴。一個(gè)過程如圖9(b)所示的過程32，被重新俘獲。第二個(gè)是光電離的空穴漂移和/或擴(kuò)散至發(fā)射層的過程64，其留下負(fù)空間電荷的量子。第三個(gè)是過程65，其中光電離的空穴與自由電子再結(jié)合，既可自發(fā)發(fā)生，也可在SiC的帶隙中的再結(jié)合中心的幫助下發(fā)生。典型地，后者在諸如SiC的間接半導(dǎo)體內(nèi)更快，因而可期望其占主導(dǎo)。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(fù)空間電荷區(qū)60。同樣，自由電子漂移和/或擴(kuò)散至未從光活性材料中取代的η型材料中的收集觸點(diǎn)(過程66)，從而留下正電荷量子；這樣，結(jié)附近的η型材料的自由電子被同時(shí)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(fù)到圖11(e)所示的阻斷狀態(tài)。圖10所示的實(shí)施方案有很多優(yōu)點(diǎn)，包括制造半導(dǎo)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(gè)缺點(diǎn)是光從器件邊緣到整個(gè)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(shí)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(dǎo)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(nèi)。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(zhǔn)過程。該實(shí)施方案還結(jié)合了第6，767，783號美國專利的說明書和權(quán)利要求書中所提出的教導(dǎo)[25]。注入硼的區(qū)域48表現(xiàn)為選擇性地注入槽結(jié)構(gòu)中的硼的固體源。具有足夠溫度的附加熱處理步驟將導(dǎo)致硼擴(kuò)散進(jìn)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(jié)合體填充溝槽，其有兩個(gè)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(jié)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(dǎo)，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(jié)構(gòu)，例如圖示的具有介電鈍化結(jié)構(gòu)46的深臺(tái)。添加歐姆金屬觸點(diǎn)，以形成發(fā)射觸點(diǎn)44和收集觸點(diǎn)45。如圖12所示，當(dāng)電磁輻射束36從器件的一端或兩端向下射向溝槽時(shí)，其中一些輻射散射到溝槽任一側(cè)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(zhì)上與圖11所示相同的順序從非導(dǎo)通態(tài)切換到導(dǎo)通態(tài)并且回到非導(dǎo)通態(tài)。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，通道指的寬度優(yōu)選地從一微米到多個(gè)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(shí)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(fù)雜性。圖13是本發(fā)明的另一實(shí)施方案，其所示出的BJT基本上與圖12所示的實(shí)施方案類似，不同在于發(fā)射觸點(diǎn)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(dǎo)49。該輻射再次散射進(jìn)入光活性材料42，這點(diǎn)也與圖12所示實(shí)施方案類似。本實(shí)施方案和所有用來自頂部的電磁輻射激發(fā)的實(shí)施方案均與很多不同的邊緣終止技術(shù)高度相容，其中包括如圖13所示的深臺(tái)面技術(shù)，包括(但不限于)多種形式的凸起或埋入的保護(hù)環(huán)和結(jié)終止延伸(JTE)。然而，如圖14所示，另一實(shí)施方案改變了BJT器件結(jié)構(gòu)，增加了結(jié)式場效應(yīng)晶體管(JFET)結(jié)構(gòu)。與之前器件一樣，在該器件中形成傳導(dǎo)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(shí)施方案還結(jié)合了參考文獻(xiàn)[26]的說明書和權(quán)利要求書中的教導(dǎo)。在再生過程中，硼擴(kuò)散進(jìn)入生長通道，以形成硼受主和D中心，并將通道轉(zhuǎn)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(diǎn)44和漏極觸點(diǎn)45。該源極觸點(diǎn)通過光刻法構(gòu)圖，以使得窗口打開，從而使電磁輻射通過源極層43并激勵(lì)光活性材料42進(jìn)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(dǎo)通態(tài)切換到導(dǎo)通態(tài)并返回到非導(dǎo)通態(tài)，類似于圖11所示。源極觸點(diǎn)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(yīng)用中，值得期待的是，漂移區(qū)邊界處的半導(dǎo)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(shí)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(dǎo)通態(tài)對通過器件的電流傳導(dǎo)進(jìn)行控制。該實(shí)施方案中，窗口在源極觸點(diǎn)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(shí)施方案與無柵極的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)類似。穿過源極觸點(diǎn)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(lì)，從而使得該器件的操作與圖14所示的實(shí)施方案相似。確定本發(fā)明是否有實(shí)際應(yīng)用意義需要考慮到是需要導(dǎo)致器件變化導(dǎo)通狀態(tài)的電磁輻射每個(gè)脈沖的總能量。采用運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法估算品質(zhì)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(gè)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(gè)光子的能量，單位為eV，估計(jì)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(dǎo)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(dǎo)電性時(shí)由器件傳導(dǎo)的電流密度對式(4)進(jìn)行歸一化，從而計(jì)算品質(zhì)因數(shù)。典型功率器件的額定電流定為2V的正向電壓時(shí)的電流。若該器件的特定導(dǎo)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(shù)預(yù)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(jié)合式(5)可得品質(zhì)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(dāng)忽略η時(shí)，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(guān)閉性能也達(dá)到平衡，則倍增因數(shù)可達(dá)到10。用于維持傳導(dǎo)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(yuǎn)低于100s—1[20]。但是當(dāng)結(jié)溫度升高時(shí)，空穴發(fā)射率也升高。當(dāng)T=200°C時(shí)，空穴發(fā)射率將升高約10，000倍，而且特征空穴發(fā)射時(shí)間變?yōu)榧sIyS。由于典型功率電子器件的重復(fù)頻率小于1MHz，因此可以假設(shè)，在實(shí)際應(yīng)用中，工作溫度下電磁輻射多個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔由空穴發(fā)射率決定。IMHz的脈沖重復(fù)頻率(PRF)乘以品質(zhì)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(shí)需要大約2W的光功率來維持傳導(dǎo)。這是非常實(shí)際的但并不是無關(guān)緊要的。實(shí)現(xiàn)與圖7具有相同功能的另一個(gè)插入應(yīng)用的方法是將本發(fā)明實(shí)施方案的小規(guī)模器件與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(qiáng)型”器件)，則圖16所示的電路代表本發(fā)明的另一實(shí)施方案，這是因?yàn)槿绻麍D16所示的部件封裝在一起，則器件導(dǎo)致了其與圖10、12、13、14和15所示的本發(fā)明的單片電路實(shí)施方案從本質(zhì)上無法區(qū)分。圖16中，具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功率器件2可以是BJT、增強(qiáng)型的M0SFET、常閉JFETjg形脈沖關(guān)閉(GTO)可控硅元件或其他任何類似的器件。當(dāng)電磁輻射脈沖5照射與圖14所示的結(jié)構(gòu)類似的光控JFET7時(shí)，其將正門偏置切換至來自能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)8的功率器件2，該能量存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)8包括存儲(chǔ)電荷的元件和只允許電流單向流動(dòng)的元件，例如二極管。該二極管使電存儲(chǔ)器件由電壓源充電，該電壓源由功率器件2開關(guān)，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(luò)9具有兩個(gè)功能。第一個(gè)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)8中電荷存儲(chǔ)元件上的電壓高達(dá)功率器件2的額定阻斷電壓時(shí)，光控JFET7仍能夠自限制流向網(wǎng)絡(luò)9的電流。第二，其為存儲(chǔ)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(luò)9的一個(gè)實(shí)施例是由電壓限制二極管形成的網(wǎng)絡(luò)，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(dāng)不同波長的脈沖6照射光控JFET7時(shí)，JFET關(guān)閉，并且功率器件2的門被網(wǎng)絡(luò)9放電，以使功率器件關(guān)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(jì)如圖16所示的實(shí)施方案的增益。描述功率開關(guān)器件的功率處理能力的品質(zhì)因數(shù)是器件的導(dǎo)通電阻和門電荷％的乘積，該門電荷％是將該器件轉(zhuǎn)換到1)傳導(dǎo)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(shí)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(jià)光控器件的面積之比的倒數(shù)，該等價(jià)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(shè)=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(shí)施例中應(yīng)用如圖16所示的實(shí)施方案，則為了開關(guān)同樣的100A，在200°C時(shí)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(yīng)用并且價(jià)格相對低廉的。結(jié)合上述優(yōu)點(diǎn)，已對本發(fā)明的具體實(shí)施方案進(jìn)行了描述。這些實(shí)施方案僅是對本發(fā)明的說明性的描述。許多變化和調(diào)整對于本領(lǐng)域技術(shù)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(biāo)辦及普通大眾、特別是科學(xué)家、工程師及不熟悉專利或法律條款或用語的本領(lǐng)域技術(shù)人員通過粗略查看迅速了解該應(yīng)用的技術(shù)啟示和本質(zhì)。摘要并不是打算以任何形式對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。參考文獻(xiàn)[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)“Powe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