基于氧化鋅透明電極的異面型光導開關及其制作方法與流程

本發明屬于微電子領域，特別涉及一種透明電極異面型光導開關，可用于高速大功率脈沖系統中的開關。

技術背景

1974年由貝爾實驗室的D.H.Auston制備了世界上第一只硅基的光導開關，但是由于硅材料的局限性，并不能得到高性能的開關；1976年有馬里蘭大學的H.L.Chi制備了第一個GaAs光導開關，其性能遠優于硅基的光導開關，因此在后來數十年內，砷化鎵的光導開關得到了較為成熟的研究。但由于砷化鎵光導開關獨特的Lock-on效應，限制了其在更廣范圍內的應用。隨著第三代半導體碳化硅材料的成熟，由于它的寬帶隙、高臨界電場、高電子飽和速度和高熱導率等特點使得它在高壓光導開關方面具有巨大的研究潛力。

文獻“Applied Physics Letters 104.172106(2014)《High power operation of a nitrogen doped,vanadium compensated,6H-SiC extrinsic photoconductive switch》”報道了一種垂直型結構的光導開關器件，該器件采用532nm激光觸發，激光從兩個側面進行照射。由于其采用垂直型結構，所以器件的臨界擊穿場強較大，并且取得了最小導通電阻為1Ω的測試結果。但是又由于該器件采用的是金屬電極，因此在實際應用中主要會存在以下問題：

一方面，532nm激光需要從兩個側面照射，器件側面的激光入射面積極為有限，這種情況下，器件的使用就需要精密的光纖系統為開關搭建光路，增加了器件使用的難度。

另一方面，532nm激光從側面照射，到達電極下方時，激光的能量已經大幅衰減，器件要到達飽和狀態就需要提高入射激光的能量密度，即從原理上不能實現低能量密度觸發。

技術實現要素：

本發明的目的在于避免上述已有技術存在的不足，提出一種基于氧化鋅透明電極的異面型光導開關及其制作方法，以改變光照方式，增加器件的受光面積，提高導電通道的光子濃度，實現低能量密度觸發。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

1.一種基于氧化鋅透明電極的異面型光導開關，包括摻釩碳化硅襯底、上歐姆接觸電極、下歐姆接觸電極、上薄膜電極和下薄膜電極，上薄膜電極淀積在摻釩碳化硅襯底的正面及上歐姆接觸電極的表面，下薄膜電極淀積在摻釩碳化硅襯底的背面及下歐姆接觸電極的表面，其特征在于：

上薄膜電極和下薄膜電極均采用透明氧化鋅材料，以使器件可以在電極面光照下導通，增加器件的受光面積。

2.一種制作基于氧化鋅透明電極的異面型光導開關的方法，包括如下步驟：

(1)清洗襯底：將電阻率大于10¹⁰Ω·cm的釩補償的碳化硅半絕緣襯底樣片進行標準清洗；

(2)淀積阻擋層：采用PECVD的方法在摻釩碳化硅襯底樣片的正面和背面分別淀積厚度為1～5μm的二氧化硅，作為襯底正面和背面離子注入的阻擋層；

(3)光刻：分別在襯底正面和背面的阻擋層上涂膠，用光刻板在涂膠后的阻擋層上刻蝕出離子注入窗口，并用濃度為5％的HF酸腐蝕掉窗口位置下的阻擋層，并去膠清洗；

(4)淀積犧牲層：采用PECVD的方法在阻擋層開窗后的樣片正面和背面分別淀積厚度為50～80nm的二氧化硅作為離子注入的犧牲層；

(5)離子注入：在淀積犧牲層后的樣片正面和背面分別進行多次磷離子注入，使摻釩碳化硅襯底正面和背面表面的雜質濃度均為1×10²⁰cm^-3；

(6)去除阻擋層：離子注入完成后腐蝕掉樣片正面和背面剩余的阻擋層，清洗掉樣品表面的殘留物；

(7)退火：在清洗殘留物后的樣片正面和背面涂負膠，將該樣片置于300～400℃溫度環境中加熱90分鐘進行碳膜濺射；再在1550～1750℃溫度范圍內退火10分鐘，以在樣片表面形成厚度為150nm的良好歐姆接觸；然后在900～1100℃溫度范圍內干氧氧化15分鐘，以去除樣片正面和背面的碳膜；

(8)淀積金屬電極：

8a：在去除碳膜的樣片正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法在樣片的正面和背面的對應金屬電極位置淀積厚度為80～100nm的金屬Ni，并通過超聲波剝離掉光刻膠，再在Ar氣環境中升溫至900～1100℃，保存10分鐘后冷卻至室溫；

8b：在冷卻至室溫的樣片正面和背面涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出金屬圖形，通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ni膜上淀積厚度為50～100nm的金屬Ti和0.5～1.5μm的Au；通過超聲波剝離形成金屬電極，在樣片的正面和背面分別形成橫向寬度L、縱向寬度W均為6～8mm，厚度h均為0.5～2μm的上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極，再在Ar氣環境中升溫至450～600℃范圍，保持5分鐘后冷卻至室溫；

(9)淀積透明氧化鋅電極：通過磁控濺射法在冷卻至室溫的樣片正面和背面分別淀積厚度為1～2μm的氧化鋅透明薄膜，并分別在正面和背面的氧化鋅透明薄膜上涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出所需窗口圖形，再采用稀鹽酸進行濕法刻蝕得到透明電極，完成整個器件的制作。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1.本發明由于采用透明的氧化鋅薄膜電極，使得垂直型光導開關可以在電極面光照下導通，增加了光照的面積，使激光到達器件導電通道時的衰減大幅降低，且減小了配套光路的設計難度；同時由于激光可以直接到達導電通道，可使電極下方的區域導通，提高了激光的利用效率；此外由于上下表面均為透明電極，可使激光從上下電極面同時照射，進一步增加導電通道的激光濃度，可實現更低的導通電阻，使得器件在實際的應用中的設計更加靈活方便。

2.本發明的器件由于采用具有臨界擊穿場強高的異面結構，故可以通過控制襯底的厚度，得到不同耐壓范圍的器件。

附圖說明

圖1是本發明的剖面結構示意圖；

圖2是圖1的俯視示意圖；

圖3是本發明制作方法的流程示意圖。

具體實施方式

參照圖1，本發明的光導開關，其主要由長方體的摻釩碳化硅襯底1、上歐姆接觸電極2、下歐姆接觸電極3、上薄膜電極4和下薄膜電極5組成。碳化硅襯底1是在碳化硅材料中摻入釩原子形成的，摻入的釩原子在碳化硅襯底1中既可作為施主原子也可以作為受主原子。上歐姆接觸電極2和下歐姆接觸電極3分別淀積在摻釩碳化硅襯底1的正面和背面，其邊緣均為設有1/4的圓弧倒角，上薄膜電極4淀積在摻釩碳化硅襯底1的正面及上歐姆接觸電極2表面，下薄膜電極5淀積在摻釩碳化硅襯底1的背面及下歐姆接觸電極3表面，上薄膜電極4及下薄膜電極5均采用透明氧化鋅材料。

參照圖2，上歐姆接觸電極2和下歐姆接觸電極3的橫向寬度L、縱向寬度W均為6～8mm，厚度h均為0.5～2μm。上薄膜電極4和下薄膜電極5的底面直徑d均為6～7mm，厚度n均為1～2μm。

當入射光垂直于上歐姆接觸電極2和下歐姆接觸電極3照射到碳化硅透明電極異面型光導開關上時，在摻釩碳化硅襯底1內會產生大量的光生載流子，摻釩碳化硅襯底正面的上歐姆接觸電極2和背面的下歐姆接觸電極3會將產生的光生載流子大量的收集起來，在上歐姆接觸電極2與下歐姆接觸電極3之間形成電流，使開關在幾十個ps時間內導通。

參照圖3，本發明的制作方法給出如下三種實例：

實施例1，制作透明電極異面型光導開關。其上薄膜電極和下薄膜電極底面直徑d均為6mm，厚度均為1μm，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極厚度均為0.63μm，橫向寬度、縱向寬度均為6mm。

步驟1：對摻釩碳化硅襯底樣片正面和背面分別淀積阻擋層。

采用PECVD的方法在長方體碳化硅襯底樣片的正面和背面分別淀積厚度為2μm的二氧化硅，作為襯底正面和背面離子注入的阻擋層；如圖3a。

步驟2：對樣片正面和背面分別進行離子注入。

(2a)分別在樣片正面和背面的阻擋層上涂膠，用光刻板在涂膠后的阻擋層上刻蝕出離子注入窗口，并用濃度為5％的HF酸腐蝕掉窗口位置下的阻擋層，并去膠清洗；

(2b)采用PECVD的方法在阻擋層開窗后的樣片正面和背面分別淀積厚度為60nm的二氧化硅作為離子注入的犧牲層；

(2c)將淀積犧牲層后的樣片正面置于500℃溫度環境下進行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對應的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對應的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對應的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對應的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實現摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3；

(2d)將已淀積犧牲層后的樣片背面置于500℃溫度環境下進行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對應的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對應的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對應的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對應的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實現摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3，如圖3b；

(2e)去除完成離子注入后樣片正面和背面剩余的阻擋層，并進行清洗；

(2f)在1600℃退火10分鐘，以在樣片正面和背面分別形成150nm的良好歐姆接觸，退火后再在900℃干氧氧化15分鐘，去除樣片正面和背面的碳膜；

步驟3：在樣片濺射金屬Ni膜。

(3a)在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法在樣片的正面和背面的對應金屬電極位置淀積厚度為80nm的金屬Ni，通過超聲波剝離清洗掉光刻膠，如圖3c；

(3b)在高純Ar氣環境中升溫至1100℃，保持10分鐘冷卻至室溫。

步驟4：在Ni膜上濺射Ti金屬合金。

在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ni膜上淀積厚度為50nm的Ti金屬合金，如圖3d；

步驟5：在Ti膜上濺射Au。

(5a)在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ti膜上淀積厚度為0.5μm的Au；通過超聲波剝離分別形成厚度為0.63μm，橫向寬度、縱向寬度均為6mm的Ni/Ti/Au金屬合金上歐姆接觸電極和厚度為0.63μm，橫向寬度、縱向寬度均為6mm的Ni/Ti/Au金屬合金下歐姆接觸電極，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極的電極邊緣均為設有1/4的圓弧倒角，如圖3e；

(5b)在Ar氣環境中升溫至550℃，保持5分鐘冷卻至室溫。

步驟6：濺射透明氧化鋅電極。

通過磁控濺射法在冷卻至室溫的樣片正面和背面分別淀積厚度為1μm，底面直徑為6mm的氧化鋅透明薄膜，并分別在正面和背面的氧化鋅透明薄膜上涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出所需窗口圖形，再采用稀鹽酸進行濕法刻蝕得到透明電極，如圖3f，完成整個器件的制作。

實施例2，制作透明電極異面型光導開關。其上薄膜電極和下薄膜電極底面直徑d均為6.5mm，厚度均為1.5μm，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極厚度均為1.165μm，橫向寬度、縱向寬度均為7mm。

步驟一：對摻釩碳化硅襯底樣片正面和背面分別淀積阻擋層。

采用PECVD的方法在長方體碳化硅襯底樣片的正面和背面分別淀積厚度為2.5μm的二氧化硅，作為襯底正面和背面離子注入的阻擋層；如圖3a。

步驟二：對樣片正面和背面分別進行離子注入。

首先，分別在樣片正面和背面的阻擋層上涂膠，用光刻板在涂膠后的阻擋層上刻蝕出離子注入窗口，并用濃度為5％的HF酸腐蝕掉窗口位置下的阻擋層，并去膠清洗；

接著，采用PECVD的方法在阻擋層開窗后的樣片正面和背面分別淀積厚度為65nm的二氧化硅作為離子注入的犧牲層；

接著，將淀積犧牲層后的樣片正面置于500℃溫度環境下進行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對應的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對應的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對應的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對應的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實現摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3；

接著，將已淀積犧牲層后的樣片背面置于500℃溫度環境下進行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對應的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對應的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對應的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對應的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實現摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3，如圖3b；

接著，去除完成離子注入后樣片正面和背面剩余的阻擋層，并進行清洗；

然后，在1700℃退火10分鐘，以在樣片正面和背面分別形成150nm的良好歐姆接觸，退火后再在950℃干氧氧化15分鐘，去除樣片正面和背面的碳膜；

步驟三：在樣片濺射金屬Ni膜。

首先，在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法在樣片的正面和背面的對應位置淀積厚度為90nm的金屬Ni，通過超聲波剝離清洗掉光刻膠，如圖3c；

然后，在高純Ar氣環境中升溫至1000℃，保持10分鐘冷卻至室溫。

步驟四：在Ni膜上濺射Ti金屬合金。

在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ni膜上淀積厚度為75nm的Ti金屬合金，如圖3d；

步驟五：在Ti膜上濺射Au。

首先，在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ti膜上淀積厚度為1μm的Au；通過超聲波剝離分別形成厚度為1.165μm，橫向寬度、縱向寬度均為7mm的Ni/Ti/Au金屬合金上歐姆接觸電極和厚度為1.165μm，橫向寬度、縱向寬度均為7mm的Ni/Ti/Au金屬合金下歐姆接觸電極，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極的電極邊緣均為設有1/4的圓弧倒角，如圖3e；

然后，在Ar氣環境中升溫至500℃，保持5分鐘冷卻至室溫。

步驟六：濺射透明氧化鋅電極。

通過磁控濺射法在冷卻至室溫的樣片正面和背面分別淀積厚度為1.5μm，底面直徑為6.5mm的氧化鋅透明薄膜，分別在正面和背面涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出所需窗口圖形，采用稀鹽酸進行濕法刻蝕，得到所需的透明電極，如圖3f，完成整個器件的制作。

實施例3，制作透明電極異面型光導開關。其上薄膜電極和下薄膜電極底面直徑d均為7mm，厚度均為2μm，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極厚度均為1.7μm，橫向寬度、縱向寬度均為8mm。

步驟A：對摻釩碳化硅襯底片正面和背面分別淀積。

采用PECVD的方法在長方體碳化硅襯底樣片的正面和背面分別淀積厚度為3μm的二氧化硅，作為襯底正面和背面離子注入的阻擋層；如圖3a

步驟B：對樣片正面和背面分別進行離子注入。

(Ba)分別在樣片正面和背面的阻擋層上涂膠，用光刻板在涂膠后的阻擋層上刻蝕出離子注入窗口，并用濃度為5％的HF酸腐蝕掉窗口位置下的阻擋層，并去膠清洗；

(Bb)采用PECVD的方法在阻擋層開窗后的樣片正面和背面分別淀積厚度為70nm的二氧化硅作為離子注入的犧牲層；

(Bc)將淀積犧牲層后的樣片正面置于500℃溫度環境下進行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對應的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對應的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對應的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對應的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實現摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3；

(Bd)將已淀積犧牲層后的樣片背面置于500℃溫度環境下進行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對應的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對應的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對應的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對應的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實現摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3，如圖3b；

(Be)去除完成離子注入后樣片正面和背面剩余的阻擋層，并進行清洗；

(Bf)在1550℃退火10分鐘，以在樣片正面和背面分別形成150nm的良好歐姆接觸，退火后再在1000℃干氧氧化15分鐘，去除樣片正面和背面的碳膜；

步驟C：在樣片濺射金屬Ni膜。

(Ca)在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法在樣片的正面和背面的對應位置淀積厚度為100nm的金屬Ni，通過超聲波剝離清洗掉光刻膠，如圖3c；

(Cb)在高純Ar氣環境中升溫至1040℃，保持10分鐘冷卻至室溫。

步驟D：在Ni膜上濺射Ti金屬合金。

在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ni膜上淀積厚度為100nm的Ti金屬合金，如圖3d；

步驟E：在Ti膜上濺射Au。

(Ea)在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ti膜上淀積厚度為1.5μm的Au；通過超聲波剝離分別形成厚度為1.7μm，橫向寬度、縱向寬度均為8mm的Ni/Ti/Au金屬合金上歐姆接觸電極和厚度為1.7μm，橫向寬度、縱向寬度均為8mm的Ni/Ti/Au金屬合金下歐姆接觸電極，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極的電極邊緣均為設有1/4的圓弧倒角，如圖3e；

(Eb)在Ar氣環境中升溫至460℃，保持5分鐘冷卻至室溫。

步驟F：濺射透明氧化鋅電極。

通過磁控濺射法在冷卻至室溫的樣片正面和背面分別淀積厚度為2μm，底面直徑為7mm的氧化鋅透明薄膜，分別在正面和背面涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出所需窗口圖形，采用稀鹽酸進行濕法刻蝕，得到所需的透明電極，如圖3f，完成整個器件的制作。