一种基于石墨烯膜的光导半导体开关

1.一种基于石墨烯膜的光导栅型半导体开关，用于干扰和毁伤无人机、导弹等电子装备，属于光导半导体开关技术领域。


背景技术：

2.现有技术的光导半导体开关的电极通过过渡金属与半导体材料进行欧姆接触，从而存在如下技术问题：
3.1.现有技术中的光导半导体开关的电极通过过渡金属与半导体材料的接触电阻较大，因此存在发热、导热不好；
4.2.现有技术中的光导半导体开关面放电，在开关表面形成等离子体丝状放电而烧毁开关导致其承受的电压低、重频低、脉冲上升沿时间长以及使用寿命短等问题。


技术实现要素：

5.针对上述研究的问题，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯膜的光导栅型半导体开关，解决现有技术中的半导体开关表面因电流密度过大导致打火烧毁开关以及散热性差、耐压低、重频低、带宽窄，且使用寿命短等问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于石墨烯膜的光导半导体开关，包括栅型结构的半导体基片，依次设置在半导体基片上的第一过渡层、第一石墨烯膜和阴极，依次设置在半导体基片上的第二过渡层、第二石墨烯膜和阳极。
8.进一步，所述第一过渡层、第一石墨烯膜和阴极依次设置在半导体基片的上表面上；
9.所述第二过渡层、第二石墨烯膜和阳极依次设置在半导体基片的上表面或下表面上。
10.进一步，所述半导体基片为纯度99.999％以上的砷化镓或碳化硅中的一种制备而成，刻蚀了周期性的槽，即栅型结构8。
11.进一步，所述第一过渡层和第二过渡层为金属材质。
12.进一步，所述第一过渡层和第二过渡层由铂或钯中的一种。
13.进一步，所述第一石墨烯膜和第二石墨烯膜为单层的石墨烯，厚度为μm量级。
14.进一步，所述阴极和阳极由铜镀金制备而成。
15.进一步，在激光照射一侧，所述半导体基片上刻蚀了周期性的槽，槽的宽度为1mm-3mm，长度为10mm-20mm，深度为3mm。
16.本发明同现有技术相比，其有益效果表现在：
17.一、本发明在正、反面电极，即阴极和阳极下面增加一层石墨烯膜形成的栅型光导半导体开关，其性能大幅提升，即极大改善了电极与过渡层、gaas/sic的欧姆接触、耐压和散热特性，开关速度更快、耐压更高、拓展了光导开半导体关产生电磁波的带宽、可承受的
功率密度更高，耐压可达20kv以上，寿命可达万次以上，而现有技术中的光导开关耐压在10kv左右、寿命短只有几千次；其中，采用正反面电极在半导体基片上获得的电场不只在表面，避免电极容易打火造成开关的损坏，同时立体的栅型结构使产生的光电流在固定的通道(电流通道)中通过，即变成了体电流，利用了半导体基片的整个体积，降低了电流密度或者说在同样的电流密度下，耐压就得到数量级的提升；
18.二、本发明的石墨烯膜光导半导体开关产生的高功率超宽带电磁波因为带宽更宽，覆盖了大多数电子装备(如无人机、导弹等)的工作波段，所以可以从前门和后门(孔、缝隙等)耦合进入电子装备的电路中对电子元件进行干扰和毁伤，由于本案的光导半导体开关产生的高功率超宽带，目前的隐身飞机对高功率超宽带电磁脉冲雷达而言不能隐身；
19.三、本发明基于石墨烯膜的光导半导体开关，可产生高峰值功率、窄脉冲、低触发抖动、较高重频的电脉冲的优点，为研制体积小、重量轻，具有低截获概率、高分辨率、强的抗电磁干扰和反隐身能力，集近距离电磁干扰与中远距离目标探测于一体的光控阵列有源超宽带雷达以及干扰毁伤无人机、导弹等电子目标奠定坚实的基础；
20.四、本发明由于光导开关具有功率密度高、响应速度快、触发抖动低、抗电磁干扰能力强、体积小、易集成等优点，在大电流点火装置、拒止武器和高功率微波系统、thz技术、冲激雷达、电磁干扰与攻击系统等领域有广泛的应用前景。
附图说明
21.图1为本发明中阳极和阴极设置在相对侧的层状结构示意图，其中，1为半导体基片、2为第一过渡层、3为第一石墨烯膜、4为阴极、5为第二过渡层、6为第二石墨烯膜、7为阳极；
22.图2为本发明中阳极和阴极设置在同一侧的俯视图；
23.图3为图2在侧视图状态下的剖视图；
具体实施方式
24.下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
25.本发明采用异面电极结构，如图1所示，在半导体基片刻蚀栅型结构，在开关电极下增加一层石墨烯膜，采用匹配栅型结构的激光光斑为条形照射至栅型结构上，形成了专门的电流通道，避免了表面等离子体成丝状电流毁坏开关，降低了表面的电流密度，形成体电流形式，即克服传统开关的面电流密度高造成等离子体丝状电流，从而烧毁开关，变成体电流便于承受更高的电压，如图2、3所示。
26.具体结构为：
27.一种基于石墨烯膜的光导半导体开关，包括栅型结构的半导体基片1，依次设置在半导体基片1上的第一过渡层2、第一石墨烯膜3和阴极4，依次设置在半导体基片1上的第二过渡层5、第二石墨烯膜6和阳极7。所述第一过渡层2、第一石墨烯膜3和阴极4依次设置在半导体基片1的上表面上；所述第二过渡层5、第二石墨烯膜6和阳极7依次设置在半导体基片1的上表面或下表面上，即表示第一过渡层2、第一石墨烯膜3和阴极4与第二过渡层5、第二石墨烯膜6和阳极7可设置在同侧，也可设置在相对侧。
28.半导体基片1为纯度99.999％以上的砷化镓或碳化硅中的一种制备而成，刻蚀了
周期性的槽，即栅型结构8。
29.第一过渡层2和第二过渡层5为金属材质，第一过渡层2和第二过渡层5由铂或钯中的一种，当然，还可为其它金属。
30.第一石墨烯膜3和第二石墨烯膜6为单层的石墨烯，厚度为μm量级。
31.所述阴极4和阳极7由铜镀金制备而成。
32.半导体基片1上刻蚀了周期性的槽，槽的宽度为1mm-3mm，如2mm，长度为10mm-20mm，如11mm、12mm或13mm，深度为3mm左右。在实践中，触发的激光光斑(如图2所示为条形激光)宽为1mm-2mm，长为10mm-20mm，匹配周期性的槽，这样形成了电流通道如图3所示。
33.工作原理：条形激光脉冲触发对应的栅型结构半导体，在偏置在电场条件下，光电导材料(半导体基片)gaas/sic吸收光子产生电子空穴对，在相应的电流通道中输出大幅度的电脉冲，在此栅型结构下可以获得更高功率的光导开关。而且由于石墨烯膜的加入，使开关的散热条形和电子迁移率提高，可以产生的脉冲上升沿越陡，产生的超宽带电磁脉冲频段越宽。石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/(v
·
s)，且具有非常好的热传导性能，石墨烯膜的加入，极大改善了电极与过渡层、gaas/sic的欧姆接触、耐压和散热特性，开关速度更快、耐压更高、可承受的功率密度更高。
34.综上所述，条形光斑匹配栅型结构和石墨烯膜的加入，进一步改善了散热特性和开关的性能。以此形成的脉冲功率器件的耐压、功率、带宽和重频以及寿命极大提高。解决了光导半导体开关耐压低、寿命短、重频低等问题，其作为干扰机和雷达等的核心器件直接影响了其可达到的功率水平和作战的距离。
35.以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。