专利名称：一种高耐压碳化硅光导开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高耐压碳化硅光导开关，属于半导体器件制备技 术领域。
背景技术：
光电导开关(Photoconductive Semiconductor Switches, 简称 PCSS)是近十几年来迅速发展起来的一种半导体光电子器件。其工作 原理是采用半导体材料的光电效应调制材料的电阻率，即光照射在半 导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子一空穴 对，使半导体材料产生电效应。光导开关具有极其优良的特性，如传 输功率大、响应速度快、同步精度高、光电隔离好、触发抖动小、器 件结构简单、使用寿命长等，可以应用在开关精确性高、功率大、噪 音高的环境中，如应用于产生高、低压宽带脉冲和ps级微波脉冲、 半导体激光二极管的驱动器、点火装置、皮秒脉冲激光探测器及新型 超宽带雷达所需的高速高功率脉冲源等。最早用作光电导开关的材料是Si，由于存在禁带宽度窄、载流 子迁移率低等缺点，不适合制作超快大功率光导开关。GaAs的大暗
态电阻率和宽禁带无疑有利于制作大功率器件，但是由于GaAs热导 率低，运行过程中容易产生热奔(thermal run)和锁定(lock-on) 效应，限制了 GaAs光导开关在高温、高重复速率和高功率的环境中 的应用。和Si、GaAs相比，SiC的禁带宽度大，热导率高达4. 9W/cm-K， 电子漂移速率大，在工作频率、开关速度和低功耗等方面较Si和GaAs 有明显的优势，这些优良的特性表明SiC是制作高压、大功率器件的 首选材料。目前常见的SiC光导开关结构设计主要有两种。 图1 (a)为横向结构，即两电极位于开关体芯片的同一侧平面 内，开关的入射光方向与开关体内电场方向相互垂直。这种结构设计 简单，制作方面。芯片的表面暴露在整个电场下，由于两种材料界面 的电击穿强度远小于任一种材料的体电击穿强度，所以通常较容易发 生表面闪烙现象，影响开关的耐压强度。 一般情况下这种开关的耐压 小于3000V/mm。图1 (b)为纵向结构，即两电极位于开关体芯片的异侧平面内， 开关的入射光方向与开关体内电场方向相互平行。这种设计可减小开 关的表面效应，增大开关的耐压强度。但是由于开关两电极间隙受到 所使用芯片切片厚度的限制，耐压能力亦受到一定的限制，而且至少 开关的一个电极必须对触发光是透明的，这一电极通常是用金属栅、 非常薄的金属层、外延生长掺杂的半导体薄膜层来制作，制作比较困 难。为了减少微管缺陷对开关耐压性能的影响，美国LawrenceLivermore国家实验室设计出图1 (c)结构形式的SiC光导开关， 使用的是SiC (11-20)面抛光片。但是由于受通光效率的影响，开关 的耐压也仅有4000V。发明内容本发明的目的是提供一种碳化硅光导开关，提高开关的耐压性能。本发明的高耐压碳化硅光导开关，包括半绝缘碳化硅晶片和相对 面型欧姆接触电极，半绝缘碳化硅单晶和合金电极形成欧姆接触。合金电极包括Ni/Ti/Au、 Ni/Cr/Au、 Ni/Cr、 W/Ti/Ni、 TiN、 TiW 或Ti/Al电极等。碳化硅单晶片的使用面为{0001}晶面、{1 100}晶面和{11 50}晶 面，使用面也可与上述晶片取向有0 8。的偏离。碳化硅晶体为钒掺杂或本征半绝缘六方SiC晶体欧姆接触电极面积占所在的碳化硅单晶面面积的5%—20%，欧 姆接触电极与其所在的碳化硅单晶面边缘不接触。相对面的欧姆接触电极投影面不重叠，两电极在投影面上的最短 距离为1 3腿。保证开关的超快特性。本发明所提供的光导开关设计用于高压场合。SiC光导开关的工 作原理如下(1)阻断态在SiC光导开关两瑞加上直流偏压，无光照(暗态) 时，由于光导材料电阻率很高，通过开关的电流(暗电流)很小，开
关基本上处于阻断状态；(2) 导通态当激光的激励脉冲波长人满足hc/A ^AE时，光导材料体内产生大量的电子一空穴对，在偏置的外场电压作用下定向 移动，使光导开关的电阻率骤降，开关很快从阻断态转换成导通态；(3) 电脉冲这一转换过程可以在皮秒甚至亚皮秒量级的时间内完成。当光脉冲熄灭后，由于载流子的复合，光导开关很快恢复阻断 状态，这样在负载上就得到一个电脉冲，完成了一个开关过程。本发明的优点在于通过对SiC光导开关结构进行相对面型设计，在不进行任何绝缘处理的情况下，把SiC的耐压强度大幅度提高， 从目前文献报道的小于3000V提高到8000V以上。在SiC晶体的解离面，分别采用为{0001}晶面、{1 了00}晶面和 {11 50}晶面，或与其偏转一定角度的晶面。而采用钒掺杂或本征半 绝缘六方SiC晶体时，在上述几个解理面上的性能更为出色。欧姆接触电极面积通常占所在的碳化硅单晶面面积的5%—20 %，面积过大，浪费电极材料，而面积过小，亦无法达到导流性能。 两电极之间的距离亦不能过大，否则将导致电流响应过慢， 一般投影 面上的最短距离为1 3mm为佳，以保证开关的超快特性。碳化硅晶片和对应的欧姆接触电极的布置方式往往决定了器件 的性能。图1 (a)器件制作简单，缺点是芯片的表面暴露在整个电 场下，两种材料界面的电击穿强度远小于任一种材料的体电击穿强 度，易发生表面闪烙现象，影响开关的耐压强度。图1 (b)的纵向 结构可减小开关的表面效应，增大PCSS的耐压强度，缺点是开关两
结构可减小开关的表面效应，增大PCSS的耐压强度，缺点是开关两 电极间隙受到所使用芯片切片厚度的限制，耐压能力亦受到一定的限 制，至少开关的一个电极必须对触发光是透明的，这一电极通常是用 金属栅、非常薄的金属层、外延生长掺杂的半导体薄膜层来制作，制 作比较困难而本发明设计的光导开关采用相对面布置，继承了结构设计简 单和结构高耐压的优势，不易发生空气击穿，开关的耐压大幅度提升。 电极和晶体边缘不接触亦避免表面闪烙现象发生。
图1为目前几种常见的SiC光导开关的结构设计； 图2为SiC晶体的结构和解理面；图3为偏置电压为8200 V/mm、入射光能量为5 raj的条件下， (0001 )面SiC光导开关的输出电脉冲波形图(经高压探头衰减100 倍后)图4为偏置电压为9000 V/腿、入射光能量为5 mj的条件下， (11-20)面SiC光导开关的输出电脉冲波形图90% 。图5为本发明相对面型高耐压碳化硅光导开关结构示意图。
具体实施方式
实施例1采用(0001)面半绝缘SiC晶体获得的相对面型光导开关。 过钒掺杂获得半绝缘6H—SiC晶 体，晶片样品沿垂直于晶体c轴方向切割，晶面为(0001)，双面抛光 后厚度为O. 5腿，外形尺寸为10. 0 , X 10.0咖，通过AFM检测 晶体的表面粗糙度Ra小于0. 5 nm。为了去除表面氧化层及加工过程 中形成的亚损伤层，钝化晶片表面，SiC晶片在1000T下进行15小 时的表面高温氢气退火处理，然后浸入200°C熔融K0H熔液中刻蚀3 min，最后放入稀HF中浸泡12 h，然后按照RCA工艺请介绍进行清 洗处理，为制作器件电极作好准备。实验制作的器件采用相对面型电极结构，电极为正方形，边长 3.5mm，电极设计的垂直投影面间隙为lmm。欧姆接触电极制作方法 如下首先采用磁控溅射在SiC基片上溅射Ni(75 nm) / Ti (50 nm) 薄膜，再用电子束蒸发法镀上Au(120nm)膜，最后在900°C的氮气气 氛下2 min快速退火。选用波长为248 nm、能量为0. 4_10 mj、脉宽为20 ns、重复频 率为1-600 Hz的KrF(氟化氪)准分子激光器作为触发源，对1 mm电 极间隙的SiC光导开关进行实验。实验表明，开关的耐压性能达到 8200V/mm，见图3。实施例2采用(11-20)面半绝缘SiC晶体获得的相对面型光导开关。 SiC光导开关所用的晶片是通过钒掺杂获得半绝缘6H—SiC晶 体，晶片样品沿平行于晶体c轴方向切割，晶面为(11-20)，双面抛 光后厚度为0. 5 mm，外形尺寸为10. 0 mm X 10. 0 mm，通过AFM检 测晶体的表面粗糙度Ra小于0.5 nm。为了去除表面氧化层及加工过 程中形成的亚损伤层，钝化晶片表面，SiC晶片在1000°C下进行15 小时的表面高温氢气退火处理，然后浸入200°C熔融KOH熔液中刻蚀 3 min，最后放入稀HF中浸泡12 h，然后按照RCA工艺请介绍进行 清洗处理，为制作器件电极作好准备。实验制作的器件采用相对面型电极结构，电极为圆形，直径 4mm。，电极设计的垂直投影面间隙为l腿。欧姆接触电极制作方法如 下首先采用磁控溅射在SiC基片上溅射Ni (75 nm) / Ti (50 nm)薄 膜，再用电子束蒸发法镀上Au(120nm)膜，最后在900°C的氮气气氛 下2 min快速退火。选用波长为248 nm、能量为0. 4-10 mj、脉宽为20 ns、重复频 率为1-600 Hz的KrF(氟化氪)准分子激光器作为触发源，对1 mm电 极间隙的SiC光导开关进行实验。实验表明，开关的耐压性能达到 9000 V/腿，见图4。
权利要求
1、一种高耐压碳化硅光导开关，包括半绝缘碳化硅晶片和相对面型欧姆接触电极，其特征在于所述的欧姆接触电极为合金电极；半绝缘碳化硅晶片的使用面为{0001}晶面、晶面和晶面，使用面也可与上述晶片取向有0～8°的偏离；欧姆接触电极面积占所在的碳化硅单晶面面积的5％-20％，欧姆接触电极与其所在的碳化硅单晶面边缘不接触。相对面的欧姆接触电极投影面不重叠，两电极在投影面上的最短距离为1～3mm。
2、 按权利要求1所述的一种高耐压碳化硅光导开关，其特征在 于所述的合金电极包括M/Ti/Au、 Ni/Cr/Au、 Ni/Cr、 W/Ti/Ni、 TiN、 TiW或Ti/Al电极等。
3、 按权利要求1或2所述的一种高耐压碳化硅光导开关，其特 征在于所述的半绝缘碳化硅晶片为钒掺杂或本征半绝缘六方SiC晶 片，电阻率大于105Q*cm。
4、 按权利要求1或2所述的一种高耐压碳化硅光导开关，其特 征在于所述的合金电极采用标准的合金化工艺或采用离子注入工艺。
5、 一种按权利要求1所述的高耐压碳化硅光导开关用制备于半 导体器件。
全文摘要
本发明涉及一种高耐压碳化硅光导开关，属于半导体器件制备技术领域。光导开关采用相对面型设计，在经处理后的碳化硅抛光片的两面制作欧姆接触，形成两个电极。这种相对面型碳化硅光导开关可以成倍地提高开关的耐压能力，使光导开关的体积得以缩小，为光导开关的集成化创造条件，可用于半导体器件领域。
文档编号H01L31/0224GK101132030SQ20071004522
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月24日 优先权日2007年8月24日
发明者严成锋, 施尔畏, 兵 肖, 陈之战 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所