專利名稱：一種高耐壓碳化硅光導開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高耐壓碳化硅光導開關，屬于半導體器件制備技 術領域。
背景技術：
光電導開關(Photoconductive Semiconductor Switches, 簡稱 PCSS)是近十幾年來迅速發展起來的一種半導體光電子器件。其工作 原理是采用半導體材料的光電效應調制材料的電阻率，即光照射在半 導體材料上，材料中處于價帶的電子吸收光子能量，通過禁帶躍入導帶，使導帶內電子濃度和價帶內空穴增多，即激發出光生電子一空穴 對，使半導體材料產生電效應。光導開關具有極其優良的特性，如傳 輸功率大、響應速度快、同步精度高、光電隔離好、觸發抖動小、器 件結構簡單、使用壽命長等，可以應用在開關精確性高、功率大、噪 音高的環境中，如應用于產生高、低壓寬帶脈沖和ps級微波脈沖、 半導體激光二極管的驅動器、點火裝置、皮秒脈沖激光探測器及新型 超寬帶雷達所需的高速高功率脈沖源等。最早用作光電導開關的材料是Si，由于存在禁帶寬度窄、載流 子遷移率低等缺點，不適合制作超快大功率光導開關。GaAs的大暗
態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 率低，運行過程中容易產生熱奔(thermal run)和鎖定(lock-on) 效應，限制了 GaAs光導開關在高溫、高重復速率和高功率的環境中 的應用。和Si、GaAs相比，SiC的禁帶寬度大，熱導率高達4. 9W/cm-K， 電子漂移速率大，在工作頻率、開關速度和低功耗等方面較Si和GaAs 有明顯的優勢，這些優良的特性表明SiC是制作高壓、大功率器件的 首選材料。目前常見的SiC光導開關結構設計主要有兩種。 圖1 (a)為橫向結構，即兩電極位于開關體芯片的同一側平面 內，開關的入射光方向與開關體內電場方向相互垂直。這種結構設計 簡單，制作方面。芯片的表面暴露在整個電場下，由于兩種材料界面 的電擊穿強度遠小于任一種材料的體電擊穿強度，所以通常較容易發 生表面閃烙現象，影響開關的耐壓強度。 一般情況下這種開關的耐壓 小于3000V/mm。圖1 (b)為縱向結構，即兩電極位于開關體芯片的異側平面內， 開關的入射光方向與開關體內電場方向相互平行。這種設計可減小開 關的表面效應，增大開關的耐壓強度。但是由于開關兩電極間隙受到 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 開關的一個電極必須對觸發光是透明的，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體薄膜層來制作，制作比較困 難。為了減少微管缺陷對開關耐壓性能的影響，美國LawrenceLivermore國家實驗室設計出圖1 (c)結構形式的SiC光導開關， 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 的耐壓也僅有4000V。發明內容本發明的目的是提供一種碳化硅光導開關，提高開關的耐壓性能。本發明的高耐壓碳化硅光導開關，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。保證開關的超快特性。本發明所提供的光導開關設計用于高壓場合。SiC光導開關的工 作原理如下(1)阻斷態在SiC光導開關兩瑞加上直流偏壓，無光照(暗態) 時，由于光導材料電阻率很高，通過開關的電流(暗電流)很小，開
關基本上處于阻斷狀態；(2) 導通態當激光的激勵脈沖波長人滿足hc/A ^AE時，光導材料體內產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，使光導開關的電阻率驟降，開關很快從阻斷態轉換成導通態；(3) 電脈沖這一轉換過程可以在皮秒甚至亞皮秒量級的時間內完成。當光脈沖熄滅后，由于載流子的復合，光導開關很快恢復阻斷 狀態，這樣在負載上就得到一個電脈沖，完成了一個開關過程。本發明的優點在于通過對SiC光導開關結構進行相對面型設計，在不進行任何絕緣處理的情況下，把SiC的耐壓強度大幅度提高， 從目前文獻報道的小于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，在上述幾個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，浪費電極材料，而面積過小，亦無法達到導流性能。 兩電極之間的距離亦不能過大，否則將導致電流響應過慢， 一般投影 面上的最短距離為1 3mm為佳，以保證開關的超快特性。碳化硅晶片和對應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，缺點是芯片的表面暴露在整個電 場下，兩種材料界面的電擊穿強度遠小于任一種材料的體電擊穿強 度，易發生表面閃烙現象，影響開關的耐壓強度。圖1 (b)的縱向 結構可減小開關的表面效應，增大PCSS的耐壓強度，缺點是開關兩
結構可減小開關的表面效應，增大PCSS的耐壓強度，缺點是開關兩 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，至少開關的一個電極必須對觸發光是透明的，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體薄膜層來制作，制 作比較困難而本發明設計的光導開關采用相對面布置，繼承了結構設計簡 單和結構高耐壓的優勢，不易發生空氣擊穿，開關的耐壓大幅度提升。 電極和晶體邊緣不接觸亦避免表面閃烙現象發生。
圖1為目前幾種常見的SiC光導開關的結構設計； 圖2為SiC晶體的結構和解理面；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光導開關的輸出電脈沖波形圖(經高壓探頭衰減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光導開關的輸出電脈沖波形圖90% 。圖5為本發明相對面型高耐壓碳化硅光導開關結構示意圖。
具體實施方式
實施例1采用(0001)面半絕緣SiC晶體獲得的相對面型光導開關。 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下進行15小 時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工藝請介紹進行清 洗處理，為制作器件電極作好準備。實驗制作的器件采用相對面型電極結構，電極為正方形，邊長 3.5mm，電極設計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，再用電子束蒸發法鍍上Au(120nm)膜，最后在900°C的氮氣氣 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、重復頻 率為1-600 Hz的KrF(氟化氪)準分子激光器作為觸發源，對1 mm電 極間隙的SiC光導開關進行實驗。實驗表明，開關的耐壓性能達到 8200V/mm，見圖3。實施例2采用(11-20)面半絕緣SiC晶體獲得的相對面型光導開關。 SiC光導開關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下進行15 小時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工藝請介紹進行 清洗處理，為制作器件電極作好準備。實驗制作的器件采用相對面型電極結構，電極為圓形，直徑 4mm。，電極設計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，再用電子束蒸發法鍍上Au(120nm)膜，最后在900°C的氮氣氣氛 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、重復頻 率為1-600 Hz的KrF(氟化氪)準分子激光器作為觸發源，對1 mm電 極間隙的SiC光導開關進行實驗。實驗表明，開關的耐壓性能達到 9000 V/腿，見圖4。
權利要求
1、一種高耐壓碳化硅光導開關，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、 按權利要求1所述的一種高耐壓碳化硅光導開關，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、 按權利要求1或2所述的一種高耐壓碳化硅光導開關，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、 按權利要求1或2所述的一種高耐壓碳化硅光導開關，其特 征在于所述的合金電極采用標準的合金化工藝或采用離子注入工藝。
5、 一種按權利要求1所述的高耐壓碳化硅光導開關用制備于半 導體器件。
全文摘要
本發明涉及一種高耐壓碳化硅光導開關，屬于半導體器件制備技術領域。光導開關采用相對面型設計，在經處理后的碳化硅拋光片的兩面制作歐姆接觸，形成兩個電極。這種相對面型碳化硅光導開關可以成倍地提高開關的耐壓能力，使光導開關的體積得以縮小，為光導開關的集成化創造條件，可用于半導體器件領域。
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 優先權日2007年8月24日
發明者嚴成鋒, 施爾畏, 兵 肖, 陳之戰 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所