專利名稱：一種高耐壓碳化硅光導(dǎo)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高耐壓碳化硅光導(dǎo)開關(guān)，屬于半導(dǎo)體器件制備技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光電導(dǎo)開關(guān)(Photoconductive Semiconductor Switches, 簡稱 PCSS)是近十幾年來迅速發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體光電子器件。其工作 原理是采用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)調(diào)制材料的電阻率，即光照射在半 導(dǎo)體材料上，材料中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量，通過禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價(jià)帶內(nèi)空穴增多，即激發(fā)出光生電子一空穴 對，使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電效應(yīng)。光導(dǎo)開關(guān)具有極其優(yōu)良的特性，如傳 輸功率大、響應(yīng)速度快、同步精度高、光電隔離好、觸發(fā)抖動(dòng)小、器 件結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長等，可以應(yīng)用在開關(guān)精確性高、功率大、噪 音高的環(huán)境中，如應(yīng)用于產(chǎn)生高、低壓寬帶脈沖和ps級微波脈沖、 半導(dǎo)體激光二極管的驅(qū)動(dòng)器、點(diǎn)火裝置、皮秒脈沖激光探測器及新型 超寬帶雷達(dá)所需的高速高功率脈沖源等。最早用作光電導(dǎo)開關(guān)的材料是Si，由于存在禁帶寬度窄、載流 子遷移率低等缺點(diǎn)，不適合制作超快大功率光導(dǎo)開關(guān)。GaAs的大暗
態(tài)電阻率和寬禁帶無疑有利于制作大功率器件，但是由于GaAs熱導(dǎo) 率低，運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生熱奔(thermal run)和鎖定(lock-on) 效應(yīng)，限制了 GaAs光導(dǎo)開關(guān)在高溫、高重復(fù)速率和高功率的環(huán)境中 的應(yīng)用。和Si、GaAs相比，SiC的禁帶寬度大，熱導(dǎo)率高達(dá)4. 9W/cm-K， 電子漂移速率大，在工作頻率、開關(guān)速度和低功耗等方面較Si和GaAs 有明顯的優(yōu)勢，這些優(yōu)良的特性表明SiC是制作高壓、大功率器件的 首選材料。目前常見的SiC光導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有兩種。 圖1 (a)為橫向結(jié)構(gòu)，即兩電極位于開關(guān)體芯片的同一側(cè)平面 內(nèi)，開關(guān)的入射光方向與開關(guān)體內(nèi)電場方向相互垂直。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 簡單，制作方面。芯片的表面暴露在整個(gè)電場下，由于兩種材料界面 的電擊穿強(qiáng)度遠(yuǎn)小于任一種材料的體電擊穿強(qiáng)度，所以通常較容易發(fā) 生表面閃烙現(xiàn)象，影響開關(guān)的耐壓強(qiáng)度。 一般情況下這種開關(guān)的耐壓 小于3000V/mm。圖1 (b)為縱向結(jié)構(gòu)，即兩電極位于開關(guān)體芯片的異側(cè)平面內(nèi)， 開關(guān)的入射光方向與開關(guān)體內(nèi)電場方向相互平行。這種設(shè)計(jì)可減小開 關(guān)的表面效應(yīng)，增大開關(guān)的耐壓強(qiáng)度。但是由于開關(guān)兩電極間隙受到 所使用芯片切片厚度的限制，耐壓能力亦受到一定的限制，而且至少 開關(guān)的一個(gè)電極必須對觸發(fā)光是透明的，這一電極通常是用金屬柵、 非常薄的金屬層、外延生長摻雜的半導(dǎo)體薄膜層來制作，制作比較困 難。為了減少微管缺陷對開關(guān)耐壓性能的影響，美國LawrenceLivermore國家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出圖1 (c)結(jié)構(gòu)形式的SiC光導(dǎo)開關(guān)， 使用的是SiC (11-20)面拋光片。但是由于受通光效率的影響，開關(guān) 的耐壓也僅有4000V。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種碳化硅光導(dǎo)開關(guān)，提高開關(guān)的耐壓性能。本發(fā)明的高耐壓碳化硅光導(dǎo)開關(guān)，包括半絕緣碳化硅晶片和相對 面型歐姆接觸電極，半絕緣碳化硅單晶和合金電極形成歐姆接觸。合金電極包括Ni/Ti/Au、 Ni/Cr/Au、 Ni/Cr、 W/Ti/Ni、 TiN、 TiW 或Ti/Al電極等。碳化硅單晶片的使用面為{0001}晶面、{1 100}晶面和{11 50}晶 面，使用面也可與上述晶片取向有0 8。的偏離。碳化硅晶體為釩摻雜或本征半絕緣六方SiC晶體歐姆接觸電極面積占所在的碳化硅單晶面面積的5%—20%，歐 姆接觸電極與其所在的碳化硅單晶面邊緣不接觸。相對面的歐姆接觸電極投影面不重疊，兩電極在投影面上的最短 距離為1 3腿。保證開關(guān)的超快特性。本發(fā)明所提供的光導(dǎo)開關(guān)設(shè)計(jì)用于高壓場合。SiC光導(dǎo)開關(guān)的工 作原理如下(1)阻斷態(tài)在SiC光導(dǎo)開關(guān)兩瑞加上直流偏壓，無光照(暗態(tài)) 時(shí)，由于光導(dǎo)材料電阻率很高，通過開關(guān)的電流(暗電流)很小，開
關(guān)基本上處于阻斷狀態(tài)；(2) 導(dǎo)通態(tài)當(dāng)激光的激勵(lì)脈沖波長人滿足hc/A ^AE時(shí)，光導(dǎo)材料體內(nèi)產(chǎn)生大量的電子一空穴對，在偏置的外場電壓作用下定向 移動(dòng)，使光導(dǎo)開關(guān)的電阻率驟降，開關(guān)很快從阻斷態(tài)轉(zhuǎn)換成導(dǎo)通態(tài)；(3) 電脈沖這一轉(zhuǎn)換過程可以在皮秒甚至亞皮秒量級的時(shí)間內(nèi)完成。當(dāng)光脈沖熄滅后，由于載流子的復(fù)合，光導(dǎo)開關(guān)很快恢復(fù)阻斷 狀態(tài)，這樣在負(fù)載上就得到一個(gè)電脈沖，完成了一個(gè)開關(guān)過程。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過對SiC光導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相對面型設(shè)計(jì)，在不進(jìn)行任何絕緣處理的情況下，把SiC的耐壓強(qiáng)度大幅度提高， 從目前文獻(xiàn)報(bào)道的小于3000V提高到8000V以上。在SiC晶體的解離面，分別采用為{0001}晶面、{1 了00}晶面和 {11 50}晶面，或與其偏轉(zhuǎn)一定角度的晶面。而采用釩摻雜或本征半 絕緣六方SiC晶體時(shí)，在上述幾個(gè)解理面上的性能更為出色。歐姆接觸電極面積通常占所在的碳化硅單晶面面積的5%—20 %，面積過大，浪費(fèi)電極材料，而面積過小，亦無法達(dá)到導(dǎo)流性能。 兩電極之間的距離亦不能過大，否則將導(dǎo)致電流響應(yīng)過慢， 一般投影 面上的最短距離為1 3mm為佳，以保證開關(guān)的超快特性。碳化硅晶片和對應(yīng)的歐姆接觸電極的布置方式往往決定了器件 的性能。圖1 (a)器件制作簡單，缺點(diǎn)是芯片的表面暴露在整個(gè)電 場下，兩種材料界面的電擊穿強(qiáng)度遠(yuǎn)小于任一種材料的體電擊穿強(qiáng) 度，易發(fā)生表面閃烙現(xiàn)象，影響開關(guān)的耐壓強(qiáng)度。圖1 (b)的縱向 結(jié)構(gòu)可減小開關(guān)的表面效應(yīng)，增大PCSS的耐壓強(qiáng)度，缺點(diǎn)是開關(guān)兩
結(jié)構(gòu)可減小開關(guān)的表面效應(yīng)，增大PCSS的耐壓強(qiáng)度，缺點(diǎn)是開關(guān)兩 電極間隙受到所使用芯片切片厚度的限制，耐壓能力亦受到一定的限 制，至少開關(guān)的一個(gè)電極必須對觸發(fā)光是透明的，這一電極通常是用 金屬柵、非常薄的金屬層、外延生長摻雜的半導(dǎo)體薄膜層來制作，制 作比較困難而本發(fā)明設(shè)計(jì)的光導(dǎo)開關(guān)采用相對面布置，繼承了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡 單和結(jié)構(gòu)高耐壓的優(yōu)勢，不易發(fā)生空氣擊穿，開關(guān)的耐壓大幅度提升。 電極和晶體邊緣不接觸亦避免表面閃烙現(xiàn)象發(fā)生。


圖1為目前幾種常見的SiC光導(dǎo)開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 圖2為SiC晶體的結(jié)構(gòu)和解理面；圖3為偏置電壓為8200 V/mm、入射光能量為5 raj的條件下， (0001 )面SiC光導(dǎo)開關(guān)的輸出電脈沖波形圖(經(jīng)高壓探頭衰減100 倍后)圖4為偏置電壓為9000 V/腿、入射光能量為5 mj的條件下， (11-20)面SiC光導(dǎo)開關(guān)的輸出電脈沖波形圖90% 。圖5為本發(fā)明相對面型高耐壓碳化硅光導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1采用(0001)面半絕緣SiC晶體獲得的相對面型光導(dǎo)開關(guān)。 過釩摻雜獲得半絕緣6H—SiC晶 體，晶片樣品沿垂直于晶體c軸方向切割，晶面為(0001)，雙面拋光 后厚度為O. 5腿，外形尺寸為10. 0 , X 10.0咖，通過AFM檢測 晶體的表面粗糙度Ra小于0. 5 nm。為了去除表面氧化層及加工過程 中形成的亞損傷層，鈍化晶片表面，SiC晶片在1000T下進(jìn)行15小 時(shí)的表面高溫氫氣退火處理，然后浸入200°C熔融K0H熔液中刻蝕3 min，最后放入稀HF中浸泡12 h，然后按照RCA工藝請介紹進(jìn)行清 洗處理，為制作器件電極作好準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)制作的器件采用相對面型電極結(jié)構(gòu)，電極為正方形，邊長 3.5mm，電極設(shè)計(jì)的垂直投影面間隙為lmm。歐姆接觸電極制作方法 如下首先采用磁控濺射在SiC基片上濺射Ni(75 nm) / Ti (50 nm) 薄膜，再用電子束蒸發(fā)法鍍上Au(120nm)膜，最后在900°C的氮?dú)鈿?氛下2 min快速退火。選用波長為248 nm、能量為0. 4_10 mj、脈寬為20 ns、重復(fù)頻 率為1-600 Hz的KrF(氟化氪)準(zhǔn)分子激光器作為觸發(fā)源，對1 mm電 極間隙的SiC光導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，開關(guān)的耐壓性能達(dá)到 8200V/mm，見圖3。實(shí)施例2采用(11-20)面半絕緣SiC晶體獲得的相對面型光導(dǎo)開關(guān)。 SiC光導(dǎo)開關(guān)所用的晶片是通過釩摻雜獲得半絕緣6H—SiC晶 體，晶片樣品沿平行于晶體c軸方向切割，晶面為(11-20)，雙面拋 光后厚度為0. 5 mm，外形尺寸為10. 0 mm X 10. 0 mm，通過AFM檢 測晶體的表面粗糙度Ra小于0.5 nm。為了去除表面氧化層及加工過 程中形成的亞損傷層，鈍化晶片表面，SiC晶片在1000°C下進(jìn)行15 小時(shí)的表面高溫氫氣退火處理，然后浸入200°C熔融KOH熔液中刻蝕 3 min，最后放入稀HF中浸泡12 h，然后按照RCA工藝請介紹進(jìn)行 清洗處理，為制作器件電極作好準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)制作的器件采用相對面型電極結(jié)構(gòu)，電極為圓形，直徑 4mm。，電極設(shè)計(jì)的垂直投影面間隙為l腿。歐姆接觸電極制作方法如 下首先采用磁控濺射在SiC基片上濺射Ni (75 nm) / Ti (50 nm)薄 膜，再用電子束蒸發(fā)法鍍上Au(120nm)膜，最后在900°C的氮?dú)鈿夥?下2 min快速退火。選用波長為248 nm、能量為0. 4-10 mj、脈寬為20 ns、重復(fù)頻 率為1-600 Hz的KrF(氟化氪)準(zhǔn)分子激光器作為觸發(fā)源，對1 mm電 極間隙的SiC光導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，開關(guān)的耐壓性能達(dá)到 9000 V/腿，見圖4。
權(quán)利要求
1、一種高耐壓碳化硅光導(dǎo)開關(guān)，包括半絕緣碳化硅晶片和相對面型歐姆接觸電極，其特征在于所述的歐姆接觸電極為合金電極；半絕緣碳化硅晶片的使用面為{0001}晶面、晶面和晶面，使用面也可與上述晶片取向有0～8°的偏離；歐姆接觸電極面積占所在的碳化硅單晶面面積的5％-20％，歐姆接觸電極與其所在的碳化硅單晶面邊緣不接觸。相對面的歐姆接觸電極投影面不重疊，兩電極在投影面上的最短距離為1～3mm。
2、 按權(quán)利要求1所述的一種高耐壓碳化硅光導(dǎo)開關(guān)，其特征在 于所述的合金電極包括M/Ti/Au、 Ni/Cr/Au、 Ni/Cr、 W/Ti/Ni、 TiN、 TiW或Ti/Al電極等。
3、 按權(quán)利要求1或2所述的一種高耐壓碳化硅光導(dǎo)開關(guān)，其特 征在于所述的半絕緣碳化硅晶片為釩摻雜或本征半絕緣六方SiC晶 片，電阻率大于105Q*cm。
4、 按權(quán)利要求1或2所述的一種高耐壓碳化硅光導(dǎo)開關(guān)，其特 征在于所述的合金電極采用標(biāo)準(zhǔn)的合金化工藝或采用離子注入工藝。
5、 一種按權(quán)利要求1所述的高耐壓碳化硅光導(dǎo)開關(guān)用制備于半 導(dǎo)體器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高耐壓碳化硅光導(dǎo)開關(guān)，屬于半導(dǎo)體器件制備技術(shù)領(lǐng)域。光導(dǎo)開關(guān)采用相對面型設(shè)計(jì)，在經(jīng)處理后的碳化硅拋光片的兩面制作歐姆接觸，形成兩個(gè)電極。這種相對面型碳化硅光導(dǎo)開關(guān)可以成倍地提高開關(guān)的耐壓能力，使光導(dǎo)開關(guān)的體積得以縮小，為光導(dǎo)開關(guān)的集成化創(chuàng)造條件，可用于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。
文檔編號H01L31/0224GK101132030SQ20071004522
公開日2008年2月27日 申請日期2007年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月24日
發(fā)明者嚴(yán)成鋒, 施爾畏, 兵 肖, 陳之戰(zhàn) 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所