半导体光电导开关及其制备方法

摘要

本发明为半导体光电导开关，为半导体器件，解决已有器件开关电流导通截面积小，传输电流不均匀的问题。衬底(1)的上、下表面(2)、(3)各有掺杂接触层(4)、(5)，两掺杂接触层(4)、(5)内端长度L之间的纵向截面为倾斜的电流传输面Sc，掺杂接触层(4)，(5)上有难熔金属接触层构成的电极(6)、(7)、难熔金属接触层电极(6)、(7)上各有电极引线(8)、(9)，衬底(1)的上、下表面(2)、(3)各有上、下台阶(13)、(14)掺杂接触层(4)、(5)覆盖台阶(13)、(14)表面。

权利要求

1.半导体光电导开关，衬底(1)的上、下表面(2)、(3)各有掺杂接触层(4)、(5)，两掺杂接触层(4)、(5)内端长度L之间的纵向截面为倾斜的电流传输面Sc，掺杂接触层(4)、(5)上有难熔金属接触层构成的电极，难熔金属接触层电极上各有电极引线(8)、(9)，其特征在于衬底(1)的上、下表面(2)、(3)各有斜向上、下台阶(13)、(14)，掺杂接触层(4)、(5)覆盖台阶(13)、(14)表面，掺杂接触层(4)、(5)内端长度为台阶(13)、(14)的斜向长度。

2.根据权利要求1所述的半导体光电导开关，其特征在于台阶与电极夹角为α，90°＜α＜180°。

3.根据权利要求1所述的半导体光电导开关，其特征在于上、下台阶(13)、(14)为相互平行的平面。

4.根据权利要求1所述的半导体光电导开关，其特征在于掺杂接触层(4)、(5)分别为n、p掺杂层，分别为光电导开关的阴电极和阳电极的组成部分。

5.根据权利要求1所述的半导体光电导开关，其特征在于上、下台阶(13)、(14)的高度HG为1-200微米。

6.根据权利要求1所述的半导体光电导开关，其特征在于上、下台阶(13)、(14)的水平间距LG为0.1-50mm。

7.根据权利要求1所述的半导体光电导开关，其特征在于上、下台阶(13)、(14)与水平面的交线为直线或曲线。

8.根据权利要求1所述的半导体光电导开关，其特征在于衬底(1)的上、下表面至少有一面与带通光孔(10)的陶瓷片(11)紧密连接。

9.半导体光电导开关制造方法，包括如下步骤：

a.在衬底(1)的上、下表面各蚀刻一个台阶，衬底(1)为单晶半导体，台阶由斜面构成，斜面为平面或曲面，与水平面夹角为定值，两台阶平行，b.在上表面的台阶表层用800℃热扩法形成n掺杂接触层，在500℃下，下表面的台阶用Zn蒸汽热扩散形成P掺杂接触层，或者用离子注入与热退火法在上、下表面台阶分别形成n与P掺杂接触层，c.在n与P掺杂接触层的水平面上淀积多层难熔金属形成接触层，分别与掺杂接触层构成阴、阳电极。

说明书

技术领域：

本发明涉及可以在大功率、高电压、超宽带、超短、电磁脉冲微波源及电子电路中用作超快开关的半导体器件。

背景技术：

高功率超短电磁脉冲微波源，超宽带脉冲发生器，瞬间辐射电磁武器等系统中不断需求转换快，抖动小，不受电磁干扰高重复率工作的大功率高增益高速开关装置。半导体光电导开关(PCSS)代表着具有满足这些需求潜力的新一类开关器件。为了简化，这类开关器件被称为PCSS。

PCSS是利用超快脉冲激光与光电半导体相结合而形成的新型器件。其基本原理是利用超短激光脉冲在光电半导体衬底材料中产生电子一空穴对来实现对材料电导率的光调制。光脉冲照射时光电半导体材料呈现高电导率，光脉冲过后，半导体材料的电阻便恢复到高阻状态。这种电导的转换相同于普通开关装置从闭合状态转换到断路状态。一种现有技术的PCSS[1]如图1所表明，PCSS 100包括：

高电阻率半导体(如GaAs，InP等)衬底102，在该衬底的两个表面104和106上形成多层难熔金属欧姆接触层118和120(简称为平面电极)，夹在118和120之间的空间G(116)是PCSS的隔离间隙，金属引出电极122和124之间可加直流高电压。衬底102其间隙116的表面104和106是平行的水平状表面，金属接触层118和120之间的距离(即间隙的长度)LG从0.2mm到3cm。高电阻衬底102的电阻率大小与LG的长短决定了100光导开关的高电压承受能力。

例如3XE7ΩCnGaAs材料制成PCSS，当LG＝2.5mm时，118和120两电极间可以承受30000伏的直流高电压，在116区内无脉冲激光照射时，其隔离电阻RG可高达数百兆欧姆，100光导开关处于<断路>状态。在间隙116用超快脉冲激光照射时，利用PCSS的快速响应特征，100光导开关处于<闭路>(即导通)状态。在负载匹配的情况下，获得纳秒级(ns)或皮秒(ps)级上升下降时间的高功率微波输出。用波长为800～904nm的超快脉冲激光从102衬底的顶表面104单一方向照射驱动开关装置100来实现对半导体衬底材料电导率的调制，常规结构开关具有皮秒(ps)级上升/下降时间，GHz的重复率，耐高压及大电流承载能力，在高功率超短电磁脉冲微波源，超宽带脉冲发生器等脉冲功率系统得到广泛应用。在这种常规结构的光导开关中，116间隙区内电场呈现非均匀分布。光照射面104局部电场集中处，易出现低电压表面击案，118欧姆接触电极与116间隙交界处C出现电流集中。在118和120电极之间出现丝状传输电流，可导致电极接触的退化和半导体内的损伤。在这类开关中，电流传输的纵向截面Sc狭小，开关导通的均匀性较差，不具有热沉装置，光导材料中的热耗散受限制。用现有技术制造的常规结构的光导开关100存在着耐压不高，热稳定性不好，开关寿命较短的不足之处需要改进。

图3所示200开关装置[2]是100的改进了常规结构，图3、4所示是图1、2的一种改进的现有技术。图3中各个数码标记所示内容与图1相同(例如202与102，216与116，218与118…)。在200中增加了226和228，n+或p+掺杂接触层，由于200采用n+-i-p+或n+-i-n+结构，使100结构C处的电流集中得到缓解，电流纵向截面积Sc、开关导通的均匀性和寿命有改善。但216间隙区的光照面与金属接触电极218仍然是处于同一水平状表面(简称为平面电极)，间隙区内电场呈非均匀分布，丝状电流，光导开关导通电流传输的纵向截面Sc小，热容量小等因素仍然存在使光导开关的耐高压能力、长工作寿命、热稳定性受到制约。仍然有这样的需要，光导开关间隙区内电场呈均匀分布，丝状电流扩展为平面均匀传输电流，光导开关电流导通截面积增大数倍到数十倍量级，热容量有一个数量级的增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体光电导开关，它具有耐高压、寿命长，热稳性高的特点。
本发明的又一个目的是提供上述半导体光电导开关的制造方法。
本发明是这样实现的：
本发明半导体光电导开关，衬底1的上、下表面2、3各有掺杂接触层4、5两掺杂接触层4、5内端长度L之间的纵向截面为倾斜的电流传输面Sc，掺杂接触层4、5上有难熔金属接触层构成的电极、难熔金属接触层电极上各有电极引线8、9，衬底1的上、下表面2、3各有斜向上、下台阶13、14，掺杂接触层4、5覆盖台阶13、14表面，掺杂接触层4、5内端长度为台阶13、14的斜向长度。
台阶与电极夹角为α，90°＜180°。优选100°＜α＜150°。
上、下台阶13、14为相互平行的平面。
掺杂接触层4、5分别为n、p掺杂层，分别为光电导开关的阴电极和阳电极的组成部分。
上、下台阶13、14的高度HG为1-200微米。优选50-100微米。
上、下台阶13、14的水平间距LG为0.1-50mm。
上、下台阶13、14与水平面的交线为直线或曲线。
衬底1的上、下表面至少有一面与带通光孔10的陶瓷片11紧密连接。
9、半导体光电导开关制造方法，包括如下步骤：
a.在衬底1的上、下表面各蚀刻一个台阶，衬底1为单晶半导体，台阶由斜面构成，斜面为平面或曲面，与水平面夹角为定值，两台阶平行，
b.在上表面的台阶表层用800℃热扩法形成n掺杂接触层，在500℃下，下表面的台阶用Zn蒸汽热扩散形成P掺杂接触层，或者用离子注入与热退火法在上、下表面台阶分别形成n与P掺杂接触层，
c.在n与P掺杂接触层的水平面上淀积多层难熔金属形成接触层，分别与掺杂接触层构成阴、阳电极。
衬底1的上、下表面中的至少一个面紧密连接带有通光孔的AIN陶瓷片。
本发明的半导体光电导开关结构简单，制造容易，成本低廉，电流导通纵向截面积大，电流在电极之间传输均匀，热稳定性好，耐高压，使用寿命长。
附图说明：
图1说明现有技术PCSS的主视图。
图2是现有技术的PCSS的俯视图。
图3是一种改进的现有技术的主视图。
图4是图3的俯视图
图5是本发明的主视图。
图6是图5的俯视图。
图7是图5的左视图。
图8是本发明的结构图，包括了光导开关设备的主构件。
具体实施方式：
在高电阻率半导体衬底1的上表面2和下表面3上各刻蚀了一个异面台阶13、14，并在台阶区掺入不同类型杂质，然后在掺杂台阶的底部形成欧姆接触金属电极6、7，完成PCSS芯片制造。然后PCSS芯片至少有一表面与陶瓷热沉11紧密连接。激光二极管阵列经光纤偶合，从双面直接照射到台阶上，驱动光导开关装置.
本发明比起已有技术的PCSS来有下述优点.首先，在两个异面台阶电极之间的间隙隔离区内形成平行平面均匀分布电场，光导开关导通电流纵向截面增大5倍以上，光导开关导通电流由丝状扩展为均匀平面状，可消除电流集中。
“LOCK-ON”效应也可减到最小。热容量增大约一个数量级。
参考图5和图6，本发明包括一个高电阻率半导体衬底1，它具有上表面2和下表面3，衬底1包括两个蚀刻在上表面2和下表面3上的台阶13和14，台阶13、14其形状相同，面积相等，台阶13、14在下述表达中简称为异面台阶。图6中，台阶14是用虚线多边形所限定的区域。衬底1上，台阶13、14之间的空间称为间隙隔离区。在两个异面台阶选定的区域内掺入不同类型杂质，构成掺杂接触层4、5，在衬底1上掺杂接触层4、5选定的区域内，制造金属欧姆接触层6、7。在衬底1上的欧姆接触层电极6、7上，有电极引线8、9。
本发明包括2个陶瓷基片11，在陶瓷基片中心区域各开有一个透光的孔12，孔的形状并不仅限于长方形或矩形。激光驱动光源15可以是Nd:YAG激光器，或者激光二极管阵列。
在衬底1上蚀刻台阶的高度HG。为1-200微米。
衬底1上，蚀刻台阶13、14，台阶13、14与电极6、9。夹角α为100-170°。
两个异面台阶之间的间隙隔离区长度LG(两台阶顶端水平间距)为0.1-50mm。
本发明的光电开关这样制造的：首先蚀刻衬底1的上表面2以建立一个台阶13，接着用双面对准曝光技术在衬底1的下表面3蚀刻一个台阶14。两个台阶顶端在水平方向的距离为LG，LG的长度可以为约4毫米。两个异面台阶的高度HG可以为100微米，两个异面台阶与电极夹度可为50°，两个异面台阶的宽度WG(台阶在衬底1的纵轴投影，见图6)和高度HG的数值可以因为制造不同尺寸的光导开关、不同用途的光导开关(例如大电流类型，高电压类型等)，使用的衬底材料不同，这些或其它因素的任意组合而有很大的变化。衬底1可以是砷化镓或其它合适的材料。在本发明中，衬底1采用了半绝缘砷化镓(SI-GaAs)单晶材料，其电阻率约3E7至8E7欧姆厘米。[100]晶向，GaAs园片的厚度约650微米，GaAs园片双面抛光。在本发明的一个实施例中，在衬底1采用SI-GaAs，其两个台阶的蚀刻采用NH4OH∶H2O2＝＝1∶(100-1000)体积比的湿法蚀刻，也可以用干法蚀刻。其次用厚度约为1000埃的Si3N4薄膜作杂质的掩蔽扩散膜，在光导开关的阴极区，例如图5台阶区进行Si杂质用800℃热扩散法，在台阶13区域形成n+掺杂接触层，在光导开关的阳极区，在约500℃温下，用zn蒸汽热扩散在台阶区14形成p+掺杂接触层。在台阶区，制造n与p掺杂接触层，也可以用离子注入与热退火技术形成。台阶13、14通过n与p掺杂后，成为光导开关PCSS的阴电极与阳电极的重要组成部分。两个异面台阶倾斜的斜面电极板之间的电场构成平行平面板均匀电场。电极板台阶的高度HG越大，PCSS电流导通横截面Sc就越大，开关导通时电流在电极板13和14之间均匀传输。
本实例中，PCSS驱动光源可穿透电极板13和14，在间隙区使光生载流子产生率获得提高，并从PCSS的阴极4和阳极5分别有电子和空穴载流子以电注入方式进入间隙区。有关制造本发明其余部分的技术的附加信息，在现有技术[1]、[2]中找到。
根据上面所述，本发明将导致在高耐压、长寿命、热稳定性上更加优良的PCSS的制造和实际应用。虽然上面说明并显示了本发明的一个具体实例(异面电极PCSS)，但本发明并不局限于如此说明和显示的特定形式和其中部件的安排，例如本发明可以应用在平面侧向电极PCSS装置中。