CN106169514A - 高功率异面电极嵌入式台面型光导开关及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率异面电极嵌入式台面型光导开关及其制作方法。该光导开关，包括掺钒碳化硅衬底(1)和一对欧姆接触电极(5,6)，其中掺钒碳化硅衬底(1)的一边为45°±2°的斜边，作为倾斜入射台面(2)；该掺钒碳化硅衬底(1)的上表面和斜边表面淀积有上氮化硅层(7)，掺钒碳化硅衬底(1)的下表面淀积下氮化硅层(8)，用于减少入射光在表面的反射，增加器件的耐压能力；该掺钒碳化硅衬底(1)的上部开有上凹槽(3)，掺钒碳化硅衬底(1)的下部开有下凹槽(4)，一对欧姆接触电极(5,6)分别嵌在这两个凹槽中。本发明具有边缘击穿少，载流子收集率高等优点，可用于高功率脉冲系统中。
Description
技术领域
本发明属于微电子领域，有其涉及一种高功率光导开关，可用于高速大功率脉冲系统中。
技术背景
光导开关作为一种光控开关器件，在功率电路领域应用广泛。光导开关利用半导体的光电效应达到控制电路通断的作用。一般光导开关所使用的材料为高阻半导体材料(高纯半导体或者互补掺杂所制作的半绝缘材料)，当光照射到材料时，材料内部产生光生载流子，光生载流子在外部电压的作用下漂移形成电流，表现在外电路上就是光导开关所等效的大电阻阻值降低，当光波长和功率达到阈值时光导开关的电阻值降到极低，此时光导开关导通。
与传统的制备光导开关的Si和GaAs相比，SiC具有大的禁带宽度，高临界击穿电场、高暗态电阻率、优异的自然散热性能以及超短的载流子寿命等优点，使其成为制备大功率光导开关的理想材料。
由西安电子科技大学梁佳博等申请的专利“201510098787.4碳化硅嵌入式电极异面型光导开关及其制作方法”中提出一种新结构光导开关，通过开孔、离子注入制作嵌入式电极，一定程度上增大了光导开关耐压能力，减小了导通电阻。但是实际制作过程中，由于碳化硅衬底自身原因，光导开关边缘受光处容易发生空气击穿，使光导开关难以工作在较高电压条件下，另外入射光垂直于器件侧壁射入不利于光子的吸收，从而导通速率慢，导通电阻大，使得需要开启器件的光功率大，增加了开关损耗。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术不足，提出一种高功率异面电极嵌入式台面型光导开关及其制作方法，以降低开关损耗、提高导通速率与器件耐压能力。
为实现上述目的，本发明包括：掺钒碳化硅衬底和一对欧姆接触电极，其特征在于：
掺钒碳化硅衬底的一边为45°±2°的斜边，作为倾斜入射台面；
掺钒碳化硅衬底的上表面和斜边表面淀积有上氮化硅层，掺钒碳化硅衬底的下表面淀积下氮化硅层，用于减少入射光在表面的反射，同时增加器件的耐压能力；
掺钒碳化硅衬底的上部开有上凹槽，掺钒碳化硅衬底的下部开有下凹槽，一对欧姆接触电极分别嵌在这两个凹槽中。
作为优选，所述两个凹槽，自表面上的氮化硅层到掺钒碳化硅衬底的深度均为3～5μm。
作为优选，掺钒碳化硅衬底的形状为圆柱体或长方体。
为实现上述目的，本发明制作高功率异面电极嵌入式台面型光导开关的方法，包括如下步骤：
1)对掺钒浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3的碳化硅衬底进行清洗，去除表面污染物；
2)在清洗后的掺钒碳化硅衬底右侧进行倒角，形成45°±2°斜面，并对此斜面采用化学机械抛光CMP，使其形成粗糙度为Ra≤0.01的光滑入射台面；
3)用磁控溅射方法在衬底上表面、入射台面以及下表面溅射铝膜作为干法刻蚀的掩膜层，再采用电感耦合等离子体刻蚀ICP法在衬底的上下表面分别刻蚀形成深度为3～5μm，底面直径为8～12mm的圆柱形上凹槽和下凹槽；
4)采用等离子增强化学气相淀积PECVD的方法在刻槽后的掺钒碳化硅衬底样品上表面、入射台面以及下表面上淀积厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层；
5)在阻挡层上涂光刻胶，用光刻胶在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口图案，并用HF酸溶液腐蚀掉窗口图案位置下的阻挡层，阻挡层表面所开窗口即为离子注入的窗口，并去胶清洗；
6)在离子注入窗口的衬底上表面和下表面进行三次磷离子注入，注入能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.9×1015cm-2，5.7×1015cm-2，3.4×1015cm-2，形成上、下表面掺杂浓度均为2×1020cm-2的样片；
7)离子注入完成后腐蚀掉样片表面剩余的SiO2阻挡层，清洗样片表面的残留物；
8)在清洗残留物后的样片上表面、倾斜台面以及下表面涂BN310负胶，将该样片置于300℃～400℃温度环境中加热90分钟进行碳膜溅射；然后在1550℃～1750℃温度范围内退火10分钟，以在样片表面形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在900℃～1100℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除样片上表面、倾斜台面以及下表面的碳膜；
9)将去除碳膜的样品在300℃～400℃范围内进行等离子增强化学气相淀积PECVD工艺，在样片上表面、入射台面以及下表面淀积70～80nm厚的氮化硅，作为减反层；
10)在氮化硅减反层上旋涂光刻胶，利用金属层的掩膜版作刻蚀阻挡层；然后用熔融的NaOH溶液腐蚀10分钟，将衬底的上凹槽和下凹槽对应位置处的氮化硅减反层刻蚀掉，刻蚀出的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域；
11)在开窗后的样片上表面、入射台面以及下表面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形；通过磁控溅射分别在样片的两个凹槽中淀积厚度为80～100nm的金属Ni，在Ar气环境中升温至900℃～1100℃，退火10分钟后冷却至室温；
12)在冷却至室温的样片上表面、入射台面和下表面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形，并通过磁控溅射法分别在两个凹槽中淀积厚度为3～5μm的Au薄膜，通过超声波剥离形成金属电极，再在Ar气环境中升温至450℃～650℃，退火5分钟后冷却至室温，完成整个器件的制作。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.通过采用氮化硅减反层代替致密氧化层和SiO2钝化层，只需一步工艺即可实现，减少了工艺步骤，降低了制造难度，并且氮化硅具有比SiO2更高的介电常数，能有效提高较大脉冲输入时器件的耐压能力。
2.将碳化硅衬底单侧倒角形成光滑台面，并增加增反层，使入射光在器件内形成全反射，提高了入射光光程，降低开启光功率，有效降低开关损耗，同时避免了器件边缘发生空气击穿，提高了器件的可靠性。
3.本发明选用了圆柱体或长方体掺钒碳化硅衬底，能够在衬底上表面和下表面制得一对圆柱形欧姆接触电极，该形状的欧姆接触电极可以有效减少光导开关金属电极与衬底边缘的击穿现象。
附图说明
图1是本发明采用圆柱体衬底或长方体衬底的光导开关剖面结构示意图；
图2是圆柱体衬底光导开关的俯视图；
图3是长方体衬底光导开关的俯视图；
图4是本发明制作光导开关的工艺流程示意图。
具体实施方式
参照图1、图2和图3，本发明的高功率异面电极嵌入式台面型光导开关由掺钒碳化硅衬底1、倾斜入射台面2、上凹槽3、下凹槽4、上欧姆接触电极5、下欧姆接触电极6、上氮化硅减反层7与下氮化硅减反层8组成。碳化硅衬底1是在碳化硅材料中掺入钒原子形成的，掺入的钒原子在碳化硅衬底1中既可以作为施主原子也可以作为受主原子。倾斜入射台面2是在掺钒碳化硅衬底右侧进行倒角形成45°±2°的台面，上氮化硅减反层7是在掺钒碳化硅衬底1上表面和倾斜入射台面2上淀积形成的，下氮化硅减反层8是在掺钒碳化硅衬底1的下表面淀积形成的。上凹槽3是刻蚀在掺钒碳化硅衬底1的上表面，下凹槽4是刻蚀在掺钒碳化硅衬底1的下表面，上凹槽3与下凹槽4的深度均为3～5μm、底面直径均为8～12mm。上欧姆接触电极5和下欧姆接触电极6分别嵌入在上凹槽3与下凹槽4中。上欧姆接触电极5和下欧姆接触电极6的底面直径均为8～12mm，厚度n均为3～5μm。
当入射光垂直照射到倾斜入射台面2上时，由于光波导的原因，这种台面可使入射光在器件内形成全反射，提高了入射光的光程，增大了材料对光的吸收面积，从而可以产生更多的光生载流子，嵌入在两个凹槽3,4的欧姆电极5,6将产生的光生载流子收集起来，以在器件内形成大电流，该大电流在外电路中等效为开关导通。
参照图4，本发明的制作方法给出如下三种实施例：
实施例1，制作衬底形状为圆柱体，台面角度为45°，上凹槽和下凹槽深度均为3μm，上氮化硅减反层和下氮化硅减反层厚度均为70nm，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极厚度均为80nm/3μm的嵌入式台面型光导开关。
步骤1：对掺钒碳化硅圆柱体衬底进行倒角形成台面。
(1a)选用掺钒浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3的碳化硅圆柱体衬底，对其进行清洗，去除表面污染物，清洗步骤为：将碳化硅圆柱体衬底放置在去离子水的超声波中清洗15min后取出，再用去离子水反复清洗，将清洗后的碳化硅圆柱体衬底浸在NH4OH：H2O2:H2O＝1:2:5溶液中煮沸，浸泡15min，用去离子水反复进行第二次清洗，将第二次清洗后的碳化硅圆柱体衬底浸入HCl：H2O2:H2O＝1:2:8溶液中煮沸，浸泡15min，用去离子水反复进行第三次清洗；
(1b)在清洗后的半绝缘碳化硅圆柱体衬底右侧进行倒角形成45°台面，并对此斜面采用化学机械抛光CMP，使其形成粗糙度为Ra≤0.01的光滑入射台面，如图4a。
步骤2：对掺钒碳化硅圆柱体衬底上表面和下表面进行刻蚀。
(2a)采用磁控溅射法在圆柱体衬底的上表面、入射台面和下表面溅射铝膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版在形成铝膜的衬底上表面和下表面刻蚀出所需要的图案；
(2b)将刻蚀出图案的圆柱体衬底样片清洗后采用电感耦合等离子刻蚀ICP法在其上表面和下表面分别进行台面刻蚀，以在上表面和下表面分别形成深度为3μm，底面直径为8mm的圆柱形上凹槽与下凹槽，如图4b。
步骤3：在形成上凹槽和下凹槽的圆柱体衬底样片表面淀积SiO2。
(3a)对形成上凹槽和下凹槽的圆柱体衬底样片进行清洗；
(3b)采用等离子增强化学气相淀积PECVD的方法在刻槽后的掺钒碳化硅圆柱体衬底样品上表面、入射台面以及下表面上淀积厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层，如图4c。
步骤4：对样片上表面和下表面分别进行离子注入。
(4a)在SiO2阻挡层上涂光刻胶，用光刻版在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口位置，并用浓度为5％的HF酸腐蚀掉窗口图案下的阻挡层，阻挡层表面所开窗口区域即为离子注入的窗口，并去胶清洗；
(4b)在离子注入的窗口进行三次磷离子注入，注入能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.9×1015cm-2，5.7×1015cm-2，3.4×1015cm-2，形成表面掺杂浓度为2×1020cm-2的样片，如图4d；
(4c)离子注入完成后腐蚀掉样片上表面、入射台面以及下表面剩余的SiO2阻挡层，清洗样片表面的残留物；
(4d)在清洗残留物后的样片上表面、倾斜台面以及下表面涂BN310负胶，再将该样片置于300℃温度环境中加热90分钟进行碳膜溅射；
(4e)在1550℃温度范围内退火10分钟，以在样片表面形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在900℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除样片上表面、倾斜台面以及下表面的碳膜。
步骤5：在去除碳膜的样片上表面、入射台面和下表面上淀积氮化硅。
将去除碳膜的样品进行等离子增强化学气相淀积，在样片上表面、入射台面以及下表面淀积形成70nm厚，折射率为2.0的氮化硅，其工艺参数为：衬底温度300℃，硅烷与氨气流量比为1:6，气体总流量为4000sccm，工艺压强为170Pa，淀积结果如图4e。
步骤6：在氮化硅层对应圆柱体衬底样片凹槽的位置开窗。
(6a)在样片上表面、入射台面以及下表面的氮化硅减反层上旋涂光刻胶，利用金属层的掩膜版作刻蚀阻挡层；
(6b)在反应温度为300℃的条件下，使用熔融的NaOH溶液腐蚀10分钟，将样片的上凹槽和下凹槽对应位置处的氮化硅减反层刻蚀掉，形成的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域，如图4f。
步骤7：在样片刻蚀槽内溅射金属Ni膜。
(7a)在开窗后的样片上表面、入射台面以及下表面涂胶，用金属层掩膜版光刻出金属图形，并通过磁控溅射方法分别在样片的上凹槽与下凹槽中淀积厚度为80nm的金属Ni，如图4g；
(7b)在Ar气环境中升温至900℃，退火10分钟后冷却至室温。
步骤8：在Ni膜上溅射Au金属合金。
(8a)在冷却至室温的样片上表面、入射台面以及下表面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形，通过磁控溅射法分别在上凹槽与下凹槽内的金属Ni膜上淀积厚度为3μm的Au薄膜，通过超声波剥离分别形成嵌入在上凹槽中厚度为80nm/3μm的Ni/Au金属合金上欧姆接触电极和嵌入在下凹槽中厚度为80nm/3μm的Ni/Au金属合金下欧姆接触电极，如图4h；
(8b)在Ar气环境中升温至450℃，退火5分钟后冷却至室温,完成高功率异面电极嵌入式台面型光导开关的制作。
实施例2，制作衬底形状为圆柱体，台面角度为44°，上凹槽和下凹槽深度均为4μm，上氮化硅减反层和下氮化硅减反层厚度均为75nm，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极厚度均为90nm/4μm的嵌入式台面型光导开关。
步骤一：对掺钒碳化硅圆柱体衬底进行倒角形成台面。
首先，选用掺钒浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3的碳化硅圆柱体衬底，对其进行清洗，去除表面污染物，清洗步骤为：将碳化硅圆柱体衬底放置在去离子水的超声波中清洗15min后取出，再用去离子水反复清洗，将清洗后的碳化硅圆柱体衬底浸在NH4OH：H2O2:H2O＝1:2:5溶液中煮沸，浸泡15min，用去离子水反复进行第二次清洗，将第二次清洗后的碳化硅圆柱体衬底浸入HCl：H2O2:H2O＝1:2:8溶液中煮沸，浸泡15min，用去离子水反复进行第三次清洗；
然后，在清洗后的半绝缘碳化硅圆柱体衬底右侧进行倒角形成44°台面，并对此斜面采用化学机械抛光CMP，使其形成粗糙度为Ra≤0.01的光滑入射台面，如图4a。
步骤二：对掺钒碳化硅圆柱体衬底上表面和下表面进行刻蚀。
首先，采用磁控溅射法在圆柱体衬底的上表面、入射台面和下表面溅射铝膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版在形成铝膜的圆柱体衬底上表面和下表面刻蚀出所需要的图案；
然后，将刻蚀出图案的圆柱体衬底清洗后采用电感耦合等离子刻蚀ICP法在其上表面和下表面进行台面刻蚀，在上表面和下表面分别形成深度为4μm，底面直径为10mm的圆柱形上凹槽与下凹槽，如图4b。
步骤三：在形成上凹槽和下凹槽的圆柱体衬底样片表面淀积SiO2。
此步骤与实施例1的步骤3相同，如图4c。
步骤四：对样片上表面和下表面分别进行离子注入。
在SiO2阻挡层上涂光刻胶，用光刻版在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口位置，并用浓度为5％的HF酸腐蚀掉窗口图案下的阻挡层，阻挡层表面所开窗口区域即为离子注入的窗口，并去胶清洗；
在离子注入的窗口进行三次磷离子注入，注入能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.9×1015cm-2，5.7×1015cm-2，3.4×1015cm-2，形成表面掺杂浓度为2×1020cm-2的样片，如图4d；
离子注入完成后腐蚀掉样片上表面、入射台面以及下表面剩余的SiO2阻挡层，清洗样片表面的残留物；
在清洗残留物后的样片上表面、倾斜台面以及下表面涂BN310负胶，再将该样片置于350℃温度环境中加热90分钟进行碳膜溅射；
在1650℃温度范围内退火10分钟，以在样片表面形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在1000℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除样片上表面、倾斜台面以及下表面的碳膜。
步骤五：在去除碳膜的样片上表面、入射台面和下表面上淀积氮化硅。
将去除碳膜的样品进行等离子增强化学气相淀积，在样片上表面、入射台面以及下表面淀积形成75nm厚，折射率为2.0的氮化硅，其工艺参数为：衬底温度350℃，硅烷与氨气流量比为1:8，气体总流量为4200sccm，工艺压强为170Pa，淀积结果如图4e。
步骤六：在氮化硅层对应圆柱体衬底样片凹槽的位置开窗。
首先，在样片上表面、入射台面以及下表面的氮化硅减反层上旋涂光刻胶，利用金属层的掩膜版作刻蚀阻挡层；
然后，在反应温度为350℃的条件下，使用熔融的NaOH溶液腐蚀10分钟，将样片的上凹槽和下凹槽对应位置处的氮化硅减反层刻蚀掉，形成的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域，如图4f。
步骤七：在样片刻蚀槽内溅射金属Ni膜。
首先，在开窗后的样片上表面、入射台面以及下表面涂胶，使金属层掩膜版光刻出金属图形，通过磁控溅射分别在样片的上凹槽与下凹槽中淀积厚度为90nm的金属Ni，如图4g；
然后，在Ar气环境中升温至1000℃，退火10分钟后冷却至室温。
步骤八：在Ni膜上溅射Au金属合金。
首先，在冷却至室温的样片上表面、入射台面以及下表面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形，通过磁控溅射法分别在上凹槽与下凹槽内的金属Ni膜上淀积厚度为4μm的Au薄膜，通过超声波剥离分别形成嵌入在上凹槽中厚度为90nm/4μm的Ni/Au金属合金上欧姆接触电极和嵌入在下凹槽中厚度为90nm/4μm的Ni/Au金属合金下欧姆接触电极，如图4h；
然后，在Ar气环境中升温至550℃，退火5分钟后冷却至室温,完成高功率异面电极嵌入式台面型光导开关的制作。
实施例3，制作衬底形状为长方体，台面角度为46°，上凹槽和下凹槽深度均为5μm，上氮化硅减反层和下氮化硅减反层厚度均为80nm，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极厚度均为100nm/5μm的嵌入式台面型光导开关。
步骤A：对掺钒碳化硅长方体衬底进行倒角形成台面。
(Aa)选用掺钒浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3的碳化硅长方体衬底，对其进行清洗，去除表面污染物，清洗步骤为：将碳化硅长方体衬底放置在去离子水的超声波中清洗15min后取出，再用去离子水反复清洗，将清洗后的碳化硅长方体衬底浸在NH4OH：H2O2:H2O＝1:2:5溶液中煮沸，浸泡15min，用去离子水反复进行第二次清洗，将第二次清洗后的碳化硅长方体衬底浸入HCl：H2O2:H2O＝1:2:8溶液中煮沸，浸泡15min，用去离子水反复进行第三次清洗；
(Ab)在清洗后的半绝缘碳化硅长方体衬底右侧进行倒角形成46°台面，并对此斜面采用化学机械抛光CMP，使其形成粗糙度为Ra≤0.01的光滑入射台面，如图4a。
步骤B：对掺钒碳化硅长方体衬底上表面和下表面进行刻蚀。
(Ba)采用磁控溅射法在样片的上表面、入射台面和下表面溅射铝膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版在形成铝膜的样片上表面和下表面刻蚀出所需要的图案；
(Bb)将刻蚀出图案的长方体衬底样片清洗后采用电感耦合等离子刻蚀ICP法在其上表面和下表面进行台面刻蚀，在上表面和下表面分别形成深度为5μm，底面直径均为12mm的圆柱形上凹槽与下凹槽，如图4b。
步骤C：在形成上凹槽和下凹槽的长方体衬底样片表面淀积SiO2。
此步骤与实施例1的步骤3相同，如图4c。
步骤D：对样片上表面和下表面分别进行离子注入。
(Da)在SiO2阻挡层上涂光刻胶，用光刻版在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口位置，并用浓度为5％的HF酸腐蚀掉窗口图案下的阻挡层，阻挡层表面所开窗口区域即为离子注入的窗口，并去胶清洗；
(Db)在离子注入的窗口进行三次磷离子注入，注入能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.9×1015cm-2，5.7×1015cm-2，3.4×1015cm-2，形成表面掺杂浓度为2×1020cm-2的样片，如图4d；
(Dc)离子注入完成后腐蚀掉样片上表面、入射台面以及下表面剩余的SiO2阻挡层，清洗样片表面的残留物；
(Dd)在清洗残留物后的样片上表面、倾斜台面以及下表面涂BN310负胶，将该样片置于400℃温度环境中加热90分钟进行碳膜溅射；
(De)在1750℃温度范围内退火10分钟，以在样片表面形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在1100℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除样片上表面、倾斜台面以及下表面的碳膜。
步骤E：在去除碳膜的样片上表面、入射台面和下表面上淀积氮化硅。
将去除碳膜的样品进行等离子增强化学气相淀积，在样片上表面、入射台面以及下表面淀积形成80nm厚，折射率为2.1的氮化硅，其工艺参数为：衬底温度400℃，硅烷与氨气流量比为1:10，气体总流量为4400sccm，工艺压强为170Pa，淀积结果如图4e。
步骤F：在氮化硅层对应长方体衬底样片凹槽的位置开窗。
(Fa)在样片上表面、入射台面以及下表面的氮化硅减反层上旋涂光刻胶，利用金属层的掩膜版作刻蚀阻挡层；
(Fb)在反应温度为400℃的条件下，使用熔融的NaOH溶液腐蚀10分钟，将样片的上凹槽和下凹槽对应位置处的氮化硅减反层刻蚀掉，形成的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域，如图4f。
步骤G：在样片刻蚀槽内溅射金属Ni膜。
(Ga)在开窗后的样片上表面、入射台面以及下表面涂胶，使金属层掩膜版光刻出金属图形，通过磁控溅射分别在样片的上凹槽与下凹槽中淀积厚度为100nm的金属Ni，如图4g；
(Gb)在Ar气环境中升温至1100℃，退火10分钟后冷却至室温。
步骤H：在Ni膜上溅射Au金属合金。
(Ha)在冷却至室温的样片上表面、入射台面以及下表面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形，通过磁控溅射法分别在上凹槽与下凹槽内的金属Ni膜上淀积厚度为5μm的Au薄膜，通过超声波剥离分别形成嵌入在上凹槽中厚度为100nm/5μm的Ni/Au金属合金上欧姆接触电极和嵌入在下凹槽中厚度为100nm/5μm的Ni/Au金属合金下欧姆接触电极，如图4h；
(Hb)在Ar气环境中升温至650℃，退火5分钟后冷却至室温,完成高功率异面电极嵌入式台面型光导开关的制作。
Claims (8)
1.高功率异面电极嵌入式台面型光导开关，包括掺钒碳化硅衬底(1)和一对欧姆接触电极(5,6)，其特征在于：
掺钒碳化硅衬底(1)的一边为45°±2°的斜边，作为倾斜入射台面(2)；
掺钒碳化硅衬底(1)的上表面和斜边表面淀积有上氮化硅层(7)，掺钒碳化硅衬底(1)的下表面淀积下氮化硅层(8)，用于减少入射光在表面的反射，同时增加器件的耐压能力；
掺钒碳化硅衬底(1)的上部开有上凹槽(3)，掺钒碳化硅衬底(1)的下部开有下凹槽(4)，一对欧姆接触电极(5,6)分别嵌在这两个凹槽(3,4)中。
2.根据权利要求1中所述高功率异面电极嵌入式台面型光导开关，其特征在于：两个凹槽自表面上的氮化硅层(7,8)到掺钒碳化硅衬底(1)的深度均为3～5μm。
3.根据权利要求1中所述高功率异面电极嵌入式台面型光导开关，其特征在于：掺钒碳化硅衬底(1)材料形状为圆柱体或长方体。
4.高功率异面电极嵌入式台面型光导开关的制作方法，包括如下步骤：
1)对掺钒浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3的碳化硅衬底进行清洗，去除表面污染物；
2)在清洗后的掺钒碳化硅衬底右侧进行倒角，形成45°±2°斜面，并对此斜面采用化学机械抛光CMP，使其形成粗糙度为Ra≤0.01的光滑入射台面；
3)用磁控溅射方法在衬底上表面、入射台面以及下表面溅射铝膜作为干法刻蚀的掩膜层，再采用电感耦合等离子体刻蚀ICP法在衬底的上下表面分别刻蚀形成深度为3～5μm，底面直径为8～12mm的圆柱形上凹槽和下凹槽；
4)采用等离子增强化学气相淀积PECVD的方法在刻槽后的掺钒碳化硅衬底样品上表面、入射台面以及下表面上淀积厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层；
5)在阻挡层上涂光刻胶，用光刻胶在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口图案，并用HF酸溶液腐蚀掉窗口图案位置下的阻挡层，阻挡层表面所开窗口即为离子注入的窗口，并去胶清洗；
6)在离子注入窗口的衬底上表面和下表面进行三次磷离子注入，注入能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.9×1015cm-2，5.7×1015cm-2，3.4×1015cm-2，形成上、下表面掺杂浓度均为2×1020cm-2的样片；
7)离子注入完成后腐蚀掉样片表面剩余的SiO2阻挡层，清洗样片表面的残留物；
8)在清洗残留物后的样片上表面、倾斜台面以及下表面涂BN310负胶，将该样片置于300℃～400℃温度环境中加热90分钟进行碳膜溅射；然后在1550℃～1750℃温度范围内退火10分钟，以在样片表面形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在900℃～1100℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除样片上表面、倾斜台面以及下表面的碳膜；
9)将去除碳膜的样品在300℃～400℃范围内进行等离子增强化学气相淀积PECVD工艺，在样片上表面、入射台面以及下表面淀积70～80nm厚的氮化硅，作为减反层；
10)在氮化硅减反层上旋涂光刻胶，利用金属层的掩膜版作刻蚀阻挡层；然后用熔融的NaOH溶液腐蚀10分钟，将衬底的上凹槽和下凹槽对应位置处的氮化硅减反层刻蚀掉，刻蚀出的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域；
11)在开窗后的样片上表面、入射台面以及下表面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形；通过磁控溅射分别在样片的两个凹槽中淀积厚度为80～100nm的金属Ni，在Ar气环境中升温至900℃～1100℃，退火10分钟后冷却至室温；
12)在冷却至室温的样片上表面、入射台面和下表面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形，并通过磁控溅射法分别在两个凹槽中淀积厚度为3～5μm的Au薄膜，通过超声波剥离形成金属电极，再在Ar气环境中升温至450℃～650℃，退火5分钟后冷却至室温，完成整个器件的制作。
5.根据权利要求4中所述高功率异面电极嵌入式台面型光导开关的制作方法，其特征在于步骤1)中对掺钒浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3的碳化硅衬底进行清洗，按如下步骤进行：
a)将碳化硅衬底放置在去离子水的超声波中清洗15min后取出，再用去离子水反复清洗；
b)将清洗后的碳化硅衬底浸在NH4OH：H2O2:H2O＝1:2:5溶液中煮沸，浸泡15min，用去离子水反复进行第二次清洗；
c)将第二次清洗后的碳化硅衬底浸入HCl：H2O2:H2O＝1:2:8溶液中煮沸，浸泡15min，用去离子水反复进行第三次清洗。
6.根据权利要求4中所述高功率异面电极嵌入式台面型光导开关的制作方法，其特征在于步骤9)采用PECVD淀积氮化硅，其主要工艺参数为：衬底温度300℃～400℃，硅烷与氨气流量比为1:6～1:10，气体总流量为4000～4500sccm，工艺压强为170Pa；生成氮化硅薄膜厚度为75～80nm，折射率为2.0～2.1。
7.根据权利要求4中所述高功率异面电极嵌入式台面型光导开关的制作方法，其特征在于步骤10)采用熔融NaOH溶液腐蚀氮化硅减反层，反应温度为300℃～400℃。
8.根据权利要求4中所述高功率异面电极嵌入式台面型光导开关的制作方法，其特征在于步骤12)中的金属电极，为直径d为8～12mm，厚度n为3～5μm的圆柱形欧姆接触电极。
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Application publication date: 20161130 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |