[发明专利]光激发碳化硅高压开关

说明书

根据美国能源部与加利福尼亚大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室之间的合约No.W-7405-ENG-48，美国政府对该发明拥有权利。 

在先申请的引用 

本申请要求2005年10月24日申请的美国临时申请No.60/730,161和2006年5月4日申请的美国临时申请No.60/798,016的优先权，通过引用将其内容结合到本文中。 

技术领域

本发明涉及光电导开关，尤其涉及一种光激发的碳化硅(SiC)高压开关。 

背景技术

粒子加速器，比如示例中的介质壁加速器(DWA)，极其依赖能以纳秒精度被激活的高电压、大电流、快速闭合开关。在用最小的电感来处理高电压和大电流、实现快速闭合、精确的瞬间控制和长工作寿命潜力方面，光电导开关是最有前景的。光电导开关是一种技术，其中光能被施加到半导体材料上，并且该光能使半导体内产生使其导电的载流子。 

目前，已用于光电导开关的材料包括硅和砷化镓(GaAs)。使用这些材料的难点在于即使在合适的参数下也存在各种不同的失效机制。此外，这些材料的光吸收深度较低，于是载流子不得不仅在材料块表面下的非常薄的区域中流动。因此，光电导开关的主要问题是由过电压和过电流条件导致的短的使用寿命。 

此外，碳化硅(SiC)长期以来一直是用作光电导开关材料的有希望的候选材料。然而，仅在最近，该特定的材料才被制造成商业可用的尺寸和纯度，从而具有用作高压开关的前景。SiC材料具有比大多数固体材料(～4MV/cm)高的高介电击穿强度、并且其具有高导热率(与铜的导热率相比)、以及较低的光吸收。因此，随着单晶碳化硅的可实用性，获得新种类的开关是可能的。 

虽然SiC是有希望的，但SiC易因电极与光电导基片接触分离处局部产生的高电场而失效。图1所示为本技术领域中已知的一种光电导开关，该光电导开关具有SiC光电导基片10和两个相对电极11和12。图2所示为图1中的间隔A的放大图，图中显示间隔A是在电极与基片表面之间的金属接触处形成的半月面。图3所示为接触面上的电场数值，显示在三相 点处的电场峰值。人们已使用各种方法去降低并最小化该三相点处的电场，比如包括用高介电常数材料填充电极与基片之间的空间。该方法如图4-6所示。与图1类似，图4所示为SiC基片15和两个电极16和17。此外，高介电常数绝缘体18被填入电极与基片之间分离的空间内。三相点处的半月面19如图5所示，其中，该三相点现在包括绝缘体材料18。然而，图6显示，在电极-基片分离的三相点处，虽然电场值更小，但仍有峰。 

因此，目前所需要的是用于高电压领域比如用于粒子加速器的光电导开关，该光电导开关优选用SiC材料或其他的光电导材料比如GaAs来实现，从而最小化或至少降低电极-基片分离点处的高电场值。 

发明内容

本发明一方面包括一种光电导开关，其包括：由带隙宽大于1.6eV的较宽带隙材料构成的光电导基片，所述基片具有两个相对的凹面，和可与光源光学连接的、用于从中接收光能的小平面；和两个用于对基片施加电势的电极，所述电极具有可接触地设置于上述两个凹面上的凸面。 

本发明另一方面包括一种光电导开关，其包括：由带隙宽大于1.6eV的较宽带隙材料构成的光电导基片，所述基片具有相对的电极接触面，和可与光源光学连接的、用于从中接收光能的小平面；两个与基片的电极接触面电连接的电极，用于对基片施加电势；和两个围绕电极接触面形成于基片上的场分级划线器，用于沿电场对其进行分级。 

附图说明

本公开结合的附图说明如下。 

图1所示为本技术领域中已知的SiC光电导开关的侧视图。 

图2所示为图1中间隔A的放大侧视图，图中显示间隔A是三相点处形成的半月面。 

图3所示为沿SiC基片与金属镀层的界面的电场数值的示意图。 

图4所示为本技术领域中已知的SiC光电导开关的侧视图，该开关类似于图1中的开关，并具有填充在电极周界处空间的高介电常数绝缘体。 

图5所示为图4中间隔B的放大侧视图，图中显示间隔B是在三相点处形成的半月面，现已包括绝缘体。 

图6所示为沿SiC基片、金属镀层、和高介电常数绝缘体之间的界面的电场数值的示意图。 

图7所示为基础光电导开关的透视图。 

图8所示为用于转换系统的本发明的光电导开关的示范性实施方式的示意图。