CN102945887A - 一种光导半导体开关结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种光导半导体开关结构，包括基片，所述基片的顶端面设置有第一碳化硅薄膜，所述第一碳化硅薄膜的顶端面的两侧分别设置有电极，所述电极的顶端面设置有第二碳化硅薄膜，该第二碳化硅薄膜覆盖于电极之间的间隙及电极的顶端面的部分区域。本发明采用在电极的顶端面设置一层碳化硅薄膜以增加碳化硅薄膜与电极的接触面积，从而使得导通电流可以从电极的两个表面流通，同时实现光导半导体开关的击穿电压和导通电流的提高，以及暗电流的降低。

Description

一种光导半导体开关结构

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种光导半导体开关结构。

背景技术

光导半导体开关（Photoconductive Semiconductor Switches，简称PCSS），是近年来发展迅速的一种半导体光电子器件，其工作原理本质上是利用半导体的光电效应来调制半导体光电导材料的电导率。在光导半导体开关的电极上施加一定的偏置电压，激光脉冲照射在开关的半导体材料上，产生大量的载流子，此时开关导通，产生输出电脉冲；当激光脉冲撤去后，载流子消失，开关恢复到最初的阻断状态，输出电脉冲随之消失。光导半导体开关与传统开关相比具有诸多优点，在超高速电子学、大功率脉冲产生与整形、超宽带雷达、脉冲功率和高功率微波发生器、高速光探测器和调制器、光控微波和毫米波等领域具有广泛的应用前景。

为满足大功率场合的应用，光导半导体开关则应具有更小的暗电流、更高的击穿电压、更大的导通电流。

激光未照射在光导半导体开关时，在两只电极上施加一定的偏置电压，产生的电流为暗电流。减小暗电流可减小光导半导体开关的损耗。目前的做法是在光导半导体开关表面制备一层钝化层，例如氮化硅薄膜，或者将器件浸入液体电介质中，例如全氟三丁胺。前者的缺点是制备高质量的钝化层难度较大，而后者则不是全固态器件，不便于使用。

目前光导半导体开关的击穿电压远小于其半导体材料的击穿电压并且导通工作电流较小，其原因有如下几个：1、开关的耐压封装技术有待改进，特别是激光入射面的绝缘保护，这主要涉及钝化层的材料选择与工艺技术，但研究表明，增加钝化层会明显缩短光导半导体开关的寿命；2、光导半导体开关的金属电极与半导体材料之间的欧姆接触技术有待改进，若偏置电压过高或导通工作电流过大，电流密度也随之增加，导致电极与半导体材料之间出现电流拥挤和随之的焦耳热，易发生烧毁；3、基片材料自身存在缺陷，例如存在微管道、位错、小角晶界等缺陷，在这些缺陷处的电场较大时，易发生击穿，缺陷的存在直接限制了光导半导体开关的面积的缩小，使得无法降低电流密度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种具有高击穿电压、大导通电流、低暗电流的光导半导体开关结构。

为实现上述目的，本发明的一种光导半导体开关结构，包括基片，所述基片的顶端面设置有第一碳化硅薄膜，所述第一碳化硅薄膜的顶端面的两侧分别设置有电极，所述电极的顶端面设置有第二碳化硅薄膜，该第二碳化硅薄膜覆盖于电极之间的间隙及电极的顶端面的部分区域。

其中，所述第二碳化硅薄膜覆盖所述电极顶端面面积的90%-95%。

其中，所述第一碳化硅薄膜及第二碳化硅薄膜均为β-碳化硅薄膜。

其中，所述β-碳化硅薄膜为具有立方结构的β-碳化硅薄膜，电阻率大于10⁵Ω·cm。

其中，所述基片为硅基片、碳化硅基片、氧化铝基片、砷化镓基片或者磷化铟基片。

其中，所述电极包括次接触层及金属薄膜层，所述次接触层设置于金属薄膜层外表面，所述次接触层为n⁺-GaN层，所述金属薄膜层为Ni/Ti/Au/Ti/Ni复合金属层、Ni/Cr/Au/Cr/ Ni复合金属层、Ni/Cr/ Ni复合金属层、W/Ti/Ni/Ti/ W复合金属层、TiN层、TiW层或者Ti/Al/Ti复合金属层。

本发明的有益效果：本发明的一种光导半导体开关结构，相对于传统的光导半导体开关，在电极的顶端面设置有一层第二碳化硅薄膜，采用一层第二碳化硅薄膜覆盖于电极之间的间隙及电极的部分区域，利用其高暗电阻率、高击穿电场的特点来降低暗电流，提高击穿电压。同时，第二碳化硅薄膜还用于传输输出电脉冲，增加了与电极的接触面积，与传统光导半导体开关相比，导通电流可以从电极的两个表面流通，从而降低了电流密度，降低了电极与碳化硅薄膜之间的界面电阻，使得所产生的热量随之减少，从而提高了光导半导体开关的导通电流。

本发明采用在电极的顶端面设置一层碳化硅薄膜以增加碳化硅薄膜与电极的接触面积，从而使得导通电流可以从电极的两个表面流通，同时实现光导半导体开关的击穿电压和导通电流的提高，以及暗电流的降低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为在偏置电压为33.8kV，入射光能量为5mJ的条件下，本发明的输出电脉冲波形图。

附图标记包括：

1—基片   2—第一碳化硅薄膜   3—电极   4—第二碳化硅薄膜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的一种光导半导体开关结构，包括基片1，所述基片1的顶端面设置有第一碳化硅薄膜2，所述第一碳化硅薄膜2的顶端面的两侧分别设置有电极3，所述电极3的顶端面设置有第二碳化硅薄膜4，该第二碳化硅薄膜4覆盖于电极3之间的间隙及电极3的顶端面的部分区域。本发明相对于传统的光导半导体开关，在电极3的顶端面设置有一层第二碳化硅薄膜4，采用一层第二碳化硅薄膜4覆盖于电极3之间的间隙及电极3顶端面的部分区域，其中，所述第一碳化硅薄膜2及第二碳化硅薄膜4均为β-碳化硅薄膜。β-碳化硅材料，例如3C-碳化硅薄膜，具有高暗电阻率，高击穿电场等优点。利用其高暗电阻率、高击穿电场的特点来降低暗电流，提高击穿电压。同时，第二碳化硅薄膜4还用于传输输出电脉冲，增加了与电极3的接触面积，与传统光导半导体开关相比，导通电流可以从电极3的两个表面流动，从而降低了电流密度，降低了电极3与碳化硅薄膜之间的界面电阻，使得所产生的热量随之减少，从而提高了光导半导体开关的导通电流及击穿电压和，同时，降低了光导半导体开关的暗电流。

所述第二碳化硅薄膜4覆盖所述电极3顶端面面积的90%-95%，使得导通电流可以从电极3的更大的表面积流通，另外，还有部分未被第二碳化硅薄膜4覆盖的电极3的顶端面则用于与外电路的电气连接。

所述β-碳化硅薄膜为具有立方结构的β-碳化硅薄膜，电阻率大于10⁵Ω·cm。其中，β-碳化硅薄膜可采用磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积或者外延技术制备而得。α-碳化硅薄膜因其具有立方与六方混合结构而存在微管缺陷，会导致光导半导体开关过早地被击穿，存在一定的缺陷性，而β-碳化硅薄膜具有纯立方的结构，不存在微管缺陷，故击穿电压很高，此外还具有碳化硅材料普遍具有的高暗电阻率，高击穿电场等优点，因此采用β-碳化硅薄膜做为半导体材料的使用效果更佳。

所述基片1为硅基片、碳化硅基片、氧化铝基片、砷化镓基片或者磷化铟基片。优选的，所述基片1为6H-碳化硅基片，6H-碳化硅基片具有高热导率、高暗电阻率和低介电常数等特点，成为耐高温、耐高压、大功率、抗辐照的半导体器件的优选材料。

所述电极3包括次接触层及金属薄膜层，所述次接触层设置于金属薄膜层外表面，所述次接触层为n⁺-GaN层，所述金属薄膜层为Ni/Ti/Au/Ti/Ni复合金属层、Ni/Cr/Au/Cr/ Ni复合金属层、Ni/Cr/ Ni复合金属层、W/Ti/Ni/Ti/ W复合金属层、TiN层、TiW层或者Ti/Al/Ti复合金属层。若偏置电压过高或导通工作电流过大时，碳化硅薄膜与电极3之间会产生大量的热量，从而烧毁光导半导体开关，而在金属薄膜层外设置n⁺-GaN层则用于改善欧姆接触，由于n⁺-GaN层的掺杂浓度为3×10¹⁹，高掺杂率的n⁺-GaN层可吸收大量的空穴到电极3附近，从而降低电极3与碳化硅薄膜之间的接触电阻，从而降低电极3与碳化硅薄膜之间产生的热量，起到保护光导半导体开关的作用。

本发明的光导半导体开关结构，基片1优选6H-碳化硅基片，然后采用化学气相沉积工艺在基片1的顶端面制备一层20mm厚的3C-碳化硅薄膜作为第一碳化硅薄膜2，将第一碳化硅薄膜2的顶端面与掩模板紧密贴合，其中，掩模板用于沉积薄膜时，对基片1的顶端面的局部或者全部面积进行遮挡，以控制薄膜沉积的区域，并采用有机金属气相外延单独在电压的负极的表面沉积一层n⁺-GaN层，之后更换掩模板，在电压的正负极的表面均采用磁控溅射依次沉积Ni(75nm)/Ti(50nm)/Au(120nm)/Ti(50nm)/Ni(75nm)薄膜，之后再次更换掩模板，并采用有机金属气相外延单独在电压的负极的金属薄膜层的表面沉积一层n⁺-GaN层，获得电极3，接着在电极3的顶端面采用化学气相沉积工艺制备一层20mm厚的3C-碳化硅薄膜作为第二碳化硅薄膜4，最后，采用金丝球焊工艺使得电极3未被第二碳化硅薄膜4覆盖的部分区域与外部电路之间实现电气连接，即光导半导体开关结构完成。

如图2所示，选用波长为1064nm、脉宽为70ns、能量5mJ的YAG倍频激光器作为触发源，脉冲电源提供偏置电压脉冲，对1mm电极3间隙的光导半导体开关进行实验。图2中，曲线1为偏置电压脉冲曲线，纵坐标每一格表示10.0kV，偏置电压脉冲的最高值为33.8kV；曲线3为电流曲线，纵坐标每一格表示100A，从左往右，曲线3的第一个峰是脉冲电源施加偏置电压脉冲而形成的瞬态电流，第二个峰为光导半导体开关的导通电流，其电流值在大约4ms内超过600A，其中，图2的横坐标每一格表示10ms。由此可知，该光导开关可承受33.8kV的偏置电压，对应的偏置电场达到33.8kV/mm；在30kV偏置电压下、4ms的时间内可通过600A的导通电流。

本发明采用β-碳化硅薄膜覆盖电极3之间的间隙及电极3的部分区域，以提高击穿电压、降低暗电流，β-碳化硅薄膜用于传输输出电脉冲，增加了与电极3的接触面积，降低两者的界面电阻和随之产生的热量，从而提高导通电流。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种光导半导体开关结构，包括基片（1），所述基片（1）的顶端面设置有第一碳化硅薄膜（2），所述第一碳化硅薄膜（2）的顶端面的两侧分别设置有电极（3），其特征在于：所述电极（3）的顶端面设置有第二碳化硅薄膜（4），该第二碳化硅薄膜（4）覆盖于电极（3）之间的间隙及电极（3）的顶端面的部分区域。

2.根据权利要求1所述的一种光导半导体开关结构，其特征在于：所述第二碳化硅薄膜（4）覆盖所述电极（3）顶端面面积的90%-95%。

3.根据权利要求1所述的一种光导半导体开关结构，其特征在于：所述第一碳化硅薄膜（2）及第二碳化硅薄膜（4）均为β-碳化硅薄膜。

4.根据权利要求3所述的一种光导半导体开关结构，其特征在于：所述β-碳化硅薄膜为具有立方结构的β-碳化硅薄膜，电阻率大于10⁵Ω·cm。

5.根据权利要求1所述的一种光导半导体开关结构，其特征在于：所述基片（1）为硅基片、碳化硅基片、氧化铝基片、砷化镓基片或者磷化铟基片。

6.根据权利要求1所述的一种光导半导体开关结构，其特征在于：所述电极（3）包括次接触层及金属薄膜层，所述次接触层设置于金属薄膜层外表面，所述次接触层为n⁺-GaN层，所述金属薄膜层为Ni/Ti/Au/Ti/Ni复合金属层、Ni/Cr/Au/Cr/ Ni复合金属层、Ni/Cr/ Ni复合金属层、W/Ti/Ni/Ti/ W复合金属层、TiN层、TiW层或者Ti/Al/Ti复合金属层。

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