一种双导通型碳化硅光导开关及其制备方法

摘要

本发明涉及一种双导通型碳化硅光导开关及其制备方法，该光导开关包括碳化硅衬底，碳化硅衬底的上表面的两侧分别设置有电极，电极与碳化硅衬底之间通过设置高掺杂的外延层或离子注入或退火形成欧姆接触，电极之间的电流通道区域上设置有图形化刻蚀处理的图形；当激光触发光导开关后，光生载流子使得光导开关产生第一次导通，电流通道区域上图形化刻蚀处理的图形引起表面闪络引起放电，产生第二次导通，实现一次激光触发两次导通。本发明提供的双导通型碳化硅光导开关通过图形化处理电极之间的电流通道区域，使得初级能量更加充分释放，并且一次触发两次导通，且在触发频率上有所提高。

权利要求

1.一种双导通型碳化硅光导开关的制备方法，包括碳化硅衬底，所述碳化硅衬底的上表面的两侧分别设置有电极，其特征在于，所述电极与碳化硅衬底之间通过设置高掺杂的外延层或离子注入或退火形成欧姆接触，所述电极之间的电流通道区域上设置有图形化刻蚀处理的图形；当激光触发光导开关后，光生载流子使得光导开关产生第一次导通，所述电流通道区域上图形化刻蚀处理的图形引起表面闪络引起放电，产生第二次导通，实现一次激光触发两次导通；

双导通型碳化硅光导开关的制备方法，包括以下步骤：（1）通过MOCVD技术在碳化硅衬底上外延生长掺杂的n型氮化镓层，并利用光刻工艺在碳化硅衬底上制备光导开关的电极图形；

（2）通过电子束蒸发设备，在步骤（1）处理后的碳化硅衬底上蒸镀Ti/Pt/Au复合金属层或者Ti/Al/Ti/Au复合金属层，并通过丙酮剥离得到带有光导开关电极结构的整片碳化硅晶片；

（3）将步骤（2）处理后的碳化硅晶片放入到氮气气氛的合金炉中进行合金处理；

（4）通过等离子体刻蚀技术去除电流通道区域上的多余的掺杂的n型氮化镓层；

（5）通过机械刻蚀，或干法刻蚀，或湿法刻蚀的方法在电极之间的电流通道区域上制备周期排列的条形凹槽；

（6）对电极进行焊接，封装，完成制备双导通型碳化硅光导开关。

2.根据权利要求1所述的一种双导通型碳化硅光导开关的制备方法，其特征在于，所述光导开关的触发激光为脉冲激光，脉冲激光的波长为350-360nm，脉冲宽度为20-30ns。

3.根据权利要求1所述的一种双导通型碳化硅光导开关的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，利用BCl3气体腐蚀电流通道区域上的多余的掺杂的n型氮化镓层；并通过熔融的KOH去除电流通道区域上的氮化镓层，熔融的KOH的处理时间10-20s。

4.根据权利要求1所述的一种双导通型碳化硅光导开关的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，合金炉的温度为450-600℃，处理时间为8-15min。

5.根据权利要求1所述的一种双导通型碳化硅光导开关的制备方法，其特征在于，所述掺杂的n型氮化镓层为高掺杂硅或者碳的n型氮化镓层，掺杂浓度大于1×1019 cm-3。

6.根据权利要求1所述的一种双导通型碳化硅光导开关的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，在碳化硅衬底上外延生长的掺杂的n型氮化镓的厚度为150-250nm。

7.根据权利要求1所述的一种双导通型碳化硅光导开关的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，电极图形的电极之间的距离为1-7mm，电极的尺寸为（3-5）mm×（6-10）mm。

8.根据权利要求2所述的一种双导通型碳化硅光导开关的制备方法，其特征在于，脉冲激光的波长为355nm，脉冲宽度为25ns。

9.根据权利要求4所述的一种双导通型碳化硅光导开关的制备方法，其特征在于， 所述步骤（3）中，合金炉的温度为550℃，处理时间为10 min。

10.根据权利要求6所述的一种双导通型碳化硅光导开关的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，在碳化硅衬底上外延生长的掺杂的n型氮化镓的厚度为200nm。

11.根据权利要求7所述的一种双导通型碳化硅光导开关的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，电极图形的电极之间的距离为3mm，电极尺寸为4×8mm。

说明书

一种双导通型碳化硅光导开关及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种双导通型碳化硅光导开关及其制备方法，属于半导体器件制备技术领域。

背景技术

[0002] 光导开关是一种通过光控制载流子的产生与复合来实现开关的导通和关闭状态的新型超快半导体器件，其工作时域可达到皮秒量级，是产生高功率超短脉冲的关键器件。
作为脉冲功率系统中的新型开关器件，相对于传统的脉冲功率器件，光导开关具有重复频
率性能好、闭合时间短(ps量级)、时间抖动小(ps量级)、开关电感低(亚纳亨)、同步精度高
(ps量级)、电磁兼容性强等优点，使其在固态紧凑型脉冲功率源上有着较为广阔的应用前
景。光导开关与传统的脉冲功率开关器件相同，需要工作在强电场的环境下。光生载流子的
产生和输运是其导通的根本原因，因此光导开关所用的材料为高阻的半绝缘衬底。

[0003] 伴随着材料的发展，从第一代半导体的硅材料到第二代半导体的砷化镓和磷化铟材料，第三代半导体的碳化硅、氮化镓等材料制备的光导开关，其性能越来越好，应用环境
越来越广泛。材料的特性决定了开关的应用性能，例如砷化镓光导开关，当偏置电压增加到
一定数值时，开关不需要较高的触发能量就可以进入高增益模式，利用激光二极管等小能
量的光源去触发，就能够实现开关的导通。通过后续储能电路与激光二极管的匹配，使得砷
化镓光导开关制备的脉冲功率设备向着高频小型化的方向发展。但是由于材料本身的特
性，也对器件的可靠性产生了一定的影响。砷化镓材料热导率低，在高频率的情况下，内部
热量不易传导，使其在开关表面以及内部形成不可恢复的热损伤，降低了器件的可靠性。砷
化镓材料禁带宽度相对较小，因此耐压能力弱于禁带宽度大的半导体材料。

[0004] 碳化硅作为第三代宽禁带半导体的代表，随着生长工艺的进一步完善，得到高质量的碳化硅衬底变得不再困难，因此高功率碳化硅光导开关也是一直以来研究的热点。此
外，随着半导体工艺成熟化，外延其他半导体材料、制作新型电极结构等工艺手段也越来越
多地被应用到光导开关的制备当中。各种因素的叠加作用，使得光导开关的可靠性越来越
好，并且产生了一些新的物理现象。

[0005] 对于正常半导体工艺制备的碳化硅光导开关来说，一个激光脉冲会产生一个电流电压波形，例如，中国专利文献CN101132030B提供一种高耐压碳化硅光导开关，该专利中光
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；中国专利文献CN104681646B发明了一种碳化硅嵌入式电极平面型光导开关的制备方
法，该光导开关自下而上为半绝缘碳化硅衬底、致密绝缘氧化层和SiO2钝化层，在半绝缘碳
化硅衬底上部两端及其表面上层的致密绝缘氧化层和SiO2钝化层对应位置处开有两个深
度均为2～5μm的凹槽，一对厚度均为3～7μm的欧姆接触电极分别嵌入到这两个凹槽中；中
国专利文献 CN103681969B提供一种基于碳化硅衬底光导开关的制备方法，该发明以抛光
后厚度为400μm 的SiC为衬底，其包括SiC衬底准备，热氧化生成SiO2绝缘保护层，光刻刻蚀
窗口，在高真空低温Ar气氛中，碳面沉积Ti电极，硅面沉积Ni电极，经Ar气氛中高温快速热
处理后，小型离子溅射仪沉积Au保护薄膜，黏连铜电极后经透明Si3N4封装形成Au/Ti/SiC/
Ni/Au异面正对极结构的光导开关。以上发明专利提供的光导开关都是基于一个激光脉冲
产生一种电流电压波形的情况而制备的，对于某一特定频率的脉冲激光只能产生相同频率
的触发电信号；对于初级储能为持续储能的情况，光导开关经过激光触发后只能进行一次
放电，对于线性开关模式，存在初级储能未被利用的情况，能量利用率低。

发明内容

[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供一种双导通型碳化硅光导开关及其制备方法。

[0007] 本发明提供的双导通型碳化硅光导开关，通过图形化处理电极之间的电流通道区域，提供了在一种脉冲激光触发下产生两次导通的碳化硅光导开关。

[0008] 术语说明：

[0009] MOCVD：金属有机化学气相沉积。

[0010] 本发明的技术方案为：

[0011] 一种双导通型碳化硅光导开关，包括碳化硅衬底，所述碳化硅衬底的上表面的两侧分别设置有电极，所述电极与碳化硅衬底之间通过设置高掺杂的外延层或离子注入或退
火形成欧姆接触，所述电极之间的电流通道区域上设置有图形化刻蚀处理的图形；当激光
触发光导开关后，光生载流子使得光导开关产生第一次导通，所述电流通道区域上图形化
刻蚀处理的图形引起表面闪络引起放电，产生第二次导通，实现一次激光触发两次导通。

[0012] 根据本发明优选的，所述图形化刻蚀处理的图形为周期性或者非周期性排列的阵列图形，阵列图形为条形凹槽、方形、圆形、椭圆形、三角形中的一种。图形化刻蚀处理的图
形通过阻断电极平面上的开关导通通道，使得光导开关不仅能够产生由于激光引起的电流
波形，并且电流值高于无图形化碳化硅光导开关的电流值，而且还能够产生由于表面耐压
降低引起的类似于电火花开关的表面放电的电流波形。

[0013] 根据本发明优选的，所述图形化刻蚀处理的图形是通过机械刻蚀，或干法刻蚀，或湿法刻蚀的方法得到的。

[0014] 根据本发明优选的，所述光导开关的触发激光为脉冲激光，脉冲激光的波长为350-360nm，脉冲宽度为20-30ns；优选的，脉冲激光的波长为355nm，脉冲宽度为25ns。本发
明特别优选脉冲激光的波长355nm，既要能够激发图形化表面产生大量的光生载流子引起
表面发生闪络，又要考虑脉冲激光对碳化硅材料的穿透力。过高过过低都无法实现本发明
的目的。产生脉冲激光的脉冲激光器采用激光能量为10mJ的电路，脉冲激光器为电容型脉
冲储能方式。

[0015] 根据本发明优选的，所述电极为Ti/Pt/Au复合金属层，或者Ti/Al/Ti/Au复合金属层。

[0016] 上述双导通型碳化硅光导开关的制备方法，包括以下步骤：

[0017] (1)通过MOCVD技术在碳化硅衬底上外延生长掺杂的n型氮化镓层，并利用光刻工艺在碳化硅衬底上制备光导开关的电极图形；

[0018] (2)通过电子束蒸发设备，在步骤(1)处理后的碳化硅衬底上蒸镀Ti/Pt/Au复合金属层或者Ti/Al/Ti/Au复合金属层，并通过丙酮剥离得到带有光导开关电极结构的整片碳
化硅晶片；

[0019] (3)将步骤(2)处理后的碳化硅晶片放入到氮气气氛的合金炉中进行合金处理；目的是增加金属与氮化镓材料的粘附性，并形成欧姆接触。

[0020] (4)通过等离子体刻蚀技术去除电流通道区域上的多余的掺杂的n型氮化镓层；

[0021] (5)通过机械刻蚀，或干法刻蚀，或湿法刻蚀的方法在电极之间的电流通道区域上制备图形化刻蚀处理的图形；

[0022] (6)对电极进行焊接，封装，完成制备双导通型碳化硅光导开关。

[0023] 根据本发明优选的，所述步骤(4)中，利用BCl3气体腐蚀电流通道区域上的多余的掺杂的n型氮化镓层；并通过熔融的KOH去除电流通道区域上的氮化镓层，熔融的KOH的处理
时间10-20s。

[0024] 根据本发明优选的，所述步骤(3)中，合金炉的温度为450-600℃，处理时间为8-15min；优选的，所述步骤(3)中，合金炉的温度为550℃，处理时间为10min。

[0025] 根据本发明优选的，所述掺杂的n型氮化镓层为高掺杂硅或者碳的n型氮化镓层，掺杂浓度大于1×1019cm-3。

[0026] 根据本发明优选的，所述步骤(1)中，在碳化硅衬底上外延生长的掺杂的n型氮化镓的厚度为150-250nm；优选的，所述步骤(1)中，在碳化硅衬底上外延生长的掺杂的n型氮
化镓的厚度为200nm。

[0027] 根据本发明优选的，所述步骤(1)中，电极图形的电极之间的距离为1-7mm，电极的尺寸为(3-5)mm×(6-10)mm；优选的，所述步骤(1)中，电极图形的电极之间的距离为3mm，电
极尺寸为4×8mm。

[0028] 本发明的有益效果为：

[0029] 1.本发明提供的双导通型碳化硅光导开关通过阻断电极平面上的开关导通通道，使得光导开关不仅能够产生由于激光引起的电流波形，并且电流值高于无图形化碳化硅光
导开关的电流值，而且还能够产生由于表面耐压降低引起的类似于电火花开关的表面放电
的电流波形。

[0030] 2.本发明提供的双导通型碳化硅光导开关使得初级能量更加充分释放，并且一次触发两次导通，且在触发频率上有所提高。

附图说明

[0031] 图1为实施例1所提供的双导通型碳化硅光导开关的截面结构示意图；

[0032] 图2为实施例1所提供的双导通型碳化硅光导开关的俯视结构示意图；

[0033] 图3为实施例2所提供的双导通型碳化硅光导开关的俯视结构示意图；

[0034] 图4为双导通型碳化硅光导开关的测试电路图，R为限流电阻，RL为高频无感电阻，C 为储能电容，PCSS为光导开关；

[0035] 图5为实施例1所提供的的双导通型碳化硅光导开关的测试结果，输入电压、输出电压和负载电流的波形曲线，横坐标代表时间，纵坐标为电流和电压；

[0036] 1、碳化硅衬底，2、掺杂的n型氮化镓层，3、电极，4、条形凹槽，5、方形阵列图形。

具体实施方式

[0037] 下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

[0038] 实施例1

[0039] 一种双导通型碳化硅光导开关，如图1和图2所示，包括碳化硅衬底1，碳化硅衬底1的上表面的两侧分别设置有电极3，电极3与碳化硅衬底1之间设置高掺杂的n型氮化镓层2，
此外，电极3与碳化硅衬底1之间也可以设置p型氮化镓层、n型碳化硅层、p型碳化硅层中的
一种；再者，电极3与碳化硅衬底1之间也可以通过离子注入或高温退火形成欧姆接触。

[0040] 电极3之间的电流通道区域上设置有图形化刻蚀处理的图形；当激光触发双导通型碳化硅光导开关后，光生载流子使得光导开关产生工作在线性模式产生的导通，电流通
道上图形化刻蚀处理的图形会引起表面闪络引起放电产生二次导通，通过一次脉冲触发产
生两次导通。

[0041] 图形化刻蚀处理的图形为周期排列的条形凹槽4，如图2所示，条形凹槽4的宽度为20-150 um，条形凹槽4的深度10-100um，条形凹槽4的周期占空比为40％-80％。

[0042] 图形化刻蚀处理的图形是通过机械刻蚀的方法得到的。

[0043] 光导开关的触发激光为脉冲激光，脉冲激光的波长为355nm，脉冲宽度为25ns。脉冲激光的波长355nm既要能够激发图形化表面产生大量的光生载流子引起表面发生闪络，
又要考虑脉冲激光对碳化硅材料的穿透力。过高过过低都无法实现本发明的目的。产生脉
冲激光的脉冲激光器采用激光能量为10mJ的电路，脉冲激光器为电容型脉冲储能方式。

[0044] 电极3为Ti/Pt/Au复合金属层。

[0045] 光导开关通过环氧树脂封装到陶瓷片上，在陶瓷片和电极之间设有铜箔。

[0046] 本发明所选的触发激光的波长为355nm，脉冲宽度为25ns的脉冲激光器，脉冲激光器采用激光能量为10mJ电路，脉冲激光器为电容型脉冲储能方式。

[0047] 实施例2

[0048] 根据实施例1所提供的一种双导通型碳化硅光导开关，其区别之处在于：

[0049] 本实施例中，如图3所示，电流通道区域上设置的图形化刻蚀处理的图形为周期性排列的方形阵列图形5。

[0050] 实施例3

[0051] 实施例1所提供的双导通型碳化硅光导开关的制备方法，包括：

[0052] (1)利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在半绝缘的碳化硅衬底1的硅面外延生长200nm厚的高掺杂硅的n型氮化镓层，掺杂浓度为2×1019cm-3，并利用光刻工艺在该碳
化硅衬底1上做好光导开关的电极图形；电极3之间的距离为1-7mm，电极3的尺寸为(3-5) 
mm×(6-10)mm；

[0053] (2)利用电子束蒸发设备，在半绝缘的碳化硅衬底1上蒸镀Ti/Pt/Au复合金属层，并通过丙酮剥离得到带有光导开关电极结构的整片碳化硅晶片；

[0054] (3)利用氮气气氛的合金炉中对样品进行合金处理，合金炉的温度为550℃，处理时间为10min，通过合金炉退火处理可以增加金属与材料的粘附性，并形成欧姆接触。

[0055] (4)继续旋涂光刻胶，利用套刻技术，并通过显影，在电极区域形成光刻胶保护区。

[0056] (5)通过等离子体刻蚀技术，通过BCl3气体对碳化硅开关进行处理，去除电流通道上多余的氮化镓层；并通过熔融的KOH去除损伤层即电流通道区域上的氮化镓层，熔融的
KOH 处理时间15s。

[0057] (6)利用锯片机在电极3之间做出周期排列的条形凹槽4。

[0058] (7)利用铟材料对光导开关进行电极3的焊接，外接材料为铜箔。

[0059] (8)利用超高热导环氧树脂对电极面进行保护，并通过环氧树脂封装到陶瓷片上。

[0060] 另外，在半绝缘的碳化硅衬底1上生长p型氮化镓层、n型碳化硅层、p型碳化硅层的方法与本实施例提供的方法相似，离子注入或高温退火的工艺在碳化硅衬底1和电极3之间
形成欧姆接触的方法为现有技术，此处不再做详细介绍。

[0061] 根据实施例2所提供的制备方法制备实施例1所提供的双导通型碳化硅光导开关，针对制备的双导通型碳化硅光导开关采用图4提供的测试电路进行测试，如图4所示，提供
的测试电路中限流电阻R为100MΩ，高频无感电阻为50Ω，C为储能电容lnF，PCSS代表光导
开光，通过高压探头测试电压值，通过电流环测试电流值。

[0062] 所测得的输入电压、输出电压和负载电流的波形如图5所示，在图5中，曲线1代表光导开关输入端电压值的变化曲线，曲线2代表光导开关输出端电压值的变化曲线，曲线3
代表负载电流的变化曲线，电流变化曲线出现双峰现象，第一个峰代表开关导通由于激光
引起的电流波形，第二个峰由于表面耐压降低引起的类似于电火花开关的表面放电的电流
波形，能够起到提高触发频率的效果。