CN106816495A - 一种砷化镓光导开关的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种砷化镓光导开关的制备方法，包括以下步骤：(1)清洗砷化镓表面；(2)在砷化镓表面涂覆一层光刻胶；(3)加热固化光刻胶；(4)冷却后进行曝光，接着进行曝光后显影前的烘烤；(5)冷却后进行显影，剥离需要镀膜位置的光刻胶；(6)镀膜作为电极；(7)进行解胶处理，去掉掩膜位置的光刻胶；(8)用划片机划取所需尺寸的晶片；(9)清洗后在快速退火炉中进行去应力退火处理。本发明通过半导体光刻技术制备电极，减少电极边缘阴影和毛刺，缓解电场增强效应，在不改变原料和其它工艺条件下提高砷化镓光导开关工作耐压性能。通过快速退火工艺，提高电极与砷化镓结合力，消除异质界面缺陷，从而提高砷化镓光导开关的性能。
Description
技术领域
本发明属于光导开关技术领域，特别涉及一种砷化镓光导开关的制备方法。
背景技术
超短激光脉冲技术的应用日益广泛促进了光导开关的发展。相比较于传统开关，光导开关具有结构简单、响应速度快(纳秒～皮秒级)、无触发抖动、寄生电感电容低、光电隔离好以及结构紧凑等优点，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。
半导体砷化镓GaAs材料电阻率高达107～108Ω·cm，具有优良的电学和光学特征，是制备光导开关的良好材料。砷化镓光导开关的结构为，在半导体两端制作欧姆电极，用宽带传输线与同轴电缆接头形成开关的输入和输出端，然后用绝缘材料封装保护起来。光导开关利用脉冲激光照射芯片两电极之间的区域来控制光导开关的导通与断开。光导材料的一端通过传输线与直流高压电源或脉冲电源相连接，另一端的宽带传输线与负载相连接。开关工作于直流或者脉冲电压下，在暗态情况下，砷化镓光导开关处于断开状态；当用一定波长的光照射两电极之间的区域时开关导通。当光消失时，光导开关恢复高阻态，从而断开。在脉冲器件运用中，采用脉冲激光器触发光导开关，随着光脉冲作用在开关上时，开关相应的输出一个电脉冲。
从光导开关工作原理可以看出，在同样条件下，光导开关的工作电压越高，在开关体内形成的电场强度越高，开关导通前储能越多，输出电压也越高。另外，超短脉冲放电过程中，放电电流大，光导开关电极如果存在缺陷，往往导致局部发热而损坏光导开关。因此，提高光导开关的工作电压和大电流放电性能具有非常重要意义。
发明内容
为了提高砷化镓光导开关的工作电压和通大电流的能力，本发明提供了一种砷化镓光导开关的制备方法。
一种砷化镓光导开关的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗砷化镓表面；
(2)在砷化镓表面涂覆一层光刻胶；
(3)加热固化光刻胶；
(4)冷却后进行曝光，接着进行曝光后显影前的烘烤；
(5)冷却后进行显影，剥离需要镀膜位置的光刻胶；
(6)镀膜作为电极；
(7)进行解胶处理，去掉掩膜位置的光刻胶；
(8)用划片机划取所需尺寸的晶片；
(9)清洗后进行去应力退火处理。
所述步骤(2)中，均匀涂覆光刻胶层的厚度为1μm～5μm；
步骤(3)和步骤(4)中所述的烘烤分别为，将砷化镓放入接触式加热板，70℃～100℃恒温保持1min～4min；
所述步骤(6)为，采用磁控溅射技术镀Ti/Ni/Au膜。
所述步骤(9)中，去应力退火处理在快速退火炉中进行，去应力退火的温度为200～450℃，保温时间为60s～300s。
本发明选择光刻技术制备砷化镓电极以及对砷化镓光导开关进行去应力退火后处理的原理为：
(1)光刻技术对半导体进行加工，需要一个部分透光部分不透光的掩膜板，先在处理过后的半导体上涂覆一层光刻胶，固化冷却后盖上掩膜板，通过曝光、显影、刻蚀等技术获得和掩膜板一样的图形。其中对应掩膜板透光部分的光刻胶化学成分在曝光过程中发生了变化；之后进行显影，将发生化学变化的光刻胶腐蚀掉，裸露出半导体；之后对裸露出的半导体进行刻蚀，最后把光刻胶去掉就得到了想要的图形。本发明采用光刻技术制备电极，能有效减少砷化镓电极边缘的毛刺，降低电场畸变效应，从而提高砷化镓光导开关工作电压。
(2)快速退火在半导体生产中已被广泛采用，如用于氧化、掺杂、焊接等工艺中，该工艺与一般退火工艺相比的不同之处在于，达到退火温度所用的时间和退火时间都非常短，由于电极薄膜的厚度薄，砷化镓衬底材料有一定的厚度，热容量较大，退火可以在极短时间内优化电极薄膜材料质量，消除缺陷及应力，同时避免了掺杂扩散、界面反应或分解、挥发等效应，经过退火的电极薄膜材料将更加致密，性能也得到优化。因此本发明利用快速退火工艺，改善电极薄膜质量，提高砷化镓光导开关大电流导流能力。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过半导体光刻技术制备电极，减少电极边缘阴影和毛刺，缓解电场增强效应，在不改变原料和其它工艺条件下提高砷化镓光导开关工作耐压性能。
2、本发明通过快速退火工艺，提高电极与砷化镓结合力，消除异质界面缺陷，从而提高电极载流能力，保证砷化镓光导开关在大电流下正常工作。
3、本发明有利于减小光导开关体积，为光导开关的小型化、集成化创造条件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
制备方法：先采用标准清洗工艺清洗砷化镓表面，然后采用半导体光刻技术“匀胶-烘烤-曝光-烘烤-显影-镀膜”技术，在砷化镓表面制备Ti/Ni/Au电极，然后在快速退火炉中进行去应力退火处理。
对比例1
选择晶向<100>的砷化镓双抛光片，电阻率≥10Ω·cm，厚度为0.6mm，直径为100mm。用丙酮清洗砷化镓表面，去除表面杂质。选择钢板模具作为掩膜版，采用磁控溅射技术镀Ti/Ni/Au膜作为电极。最后用划片机划取外观尺寸为13mm×10mm的小晶片，电极间隙为1mm。击穿试验前光导开关暗态电阻为1.8×108Ω。
最后用氟化氢准分子激光器作为触发源，对电极间隙的光导开关进行实验。实验表明，开关的耐压性能达到3.2kV/mm。
实施例1
选择晶向<100>的砷化镓双抛光片，电阻率≥10Ω·cm，厚度为0.6mm，直径为100mm。用丙酮清洗砷化镓表面，去除表面杂质。选择紫外正胶AR-P4340光刻胶，在砷化镓表面涂覆一层透明均匀的1μm厚的光刻胶，然后在70℃对其进行烘烤加热4min，固化光刻胶。冷却至室温后选择合适的曝光模具对其进行曝光，接着在70℃再次对其烘烤4min，冷却至室温，然后显影，将需要镀膜位置的光刻胶剥离。然后进行磁控溅射镀Ti/Ni/Au膜作为电极。最后进行解胶处理，去掉掩膜位置的光刻胶。最后用划片机划取外观尺寸为13mm×10mm的小晶片，电极间隙为1mm。清洗后将其放入快速退火炉中去应力退火，200℃保温90s，然后随炉冷却。击穿试验前光导开关暗态电阻为1.7×108Ω。
最后用氟化氢准分子激光器作为触发源，对电极间隙的光导开关进行实验。实验表明，开关的耐压性能达到5.5kV/mm。
实施例2
选择晶向<100>的砷化镓双抛光片，电阻率≥10Ω·cm，厚度为1mm，直径为100mm。用丙酮清洗砷化镓表面，去除表面杂质。选择紫外正胶AR-P4340光刻胶，在砷化镓表面涂覆一层透明均匀的2μm厚的光刻胶，然后在80℃对其进行烘烤加热3min，固化光刻胶。冷却至室温后选择合适的曝光模具对其进行曝光，接着在80℃再次对其烘烤3min，冷却至室温，然后显影，将需要镀膜位置的光刻胶剥离。然后进行磁控溅射镀Ti/Ni/Au膜作为电极。镀完膜的砷化镓进行解胶处理，去掉掩膜位置的光刻胶。最后用划片机划取外观尺寸为13mm×10mm的小晶片，电极间隙为1mm。清洗后将其放入快速退火炉中去应力退火，300℃保温90s，然后随炉冷却。击穿试验前光导开关暗态电阻为1.8×108Ω。
最后用氟化氢准分子激光器作为触发源，对电极间隙的光导开关进行实验。实验表明，开关的耐压性能达到5.3kV/mm。
实施例3
选择晶向<100>的砷化镓双抛光片，电阻率≥10Ω·cm，厚度为1mm，直径为100mm。用丙酮清洗砷化镓表面，去除表面杂质。选择紫外正胶AR-P4340光刻胶，在砷化镓表面涂覆一层透明均匀的4μm厚的光刻胶，，然后在90℃对其进行烘烤加热2min，固化光刻胶。冷却至室温后选择合适的曝光模具对其进行曝光，接着在90℃再次对其烘烤2min，冷却至室温，然后显影，将需要镀膜位置的光刻胶剥离。然后进行磁控溅射镀Ti/Ni/Au膜作为电极。镀完膜的砷化镓进行解胶处理，去掉掩膜位置的光刻胶。最后用划片机划取外观尺寸为13mm×10mm的小晶片，电极间隙为1mm。清洗后将其放入快速退火炉中去应力退火，350℃保温90s，然后随炉冷却。击穿试验前光导开关暗态电阻为2.0×108Ω。
最后用氟化氢准分子激光器作为触发源，对电极间隙的光导开关进行实验。实验表明，开关的耐压性能达到6.5kV/mm。
实施例4
选择晶向<100>的砷化镓双抛光片，电阻率≥10Ω·cm，厚度为1mm，直径为100mm。用丙酮清洗砷化镓表面，去除表面杂质。选择紫外正胶AR-P4340光刻胶，在砷化镓表面涂覆一层透明均匀的5μm厚的光刻胶，然后在100℃对其进行烘烤加热1min，固化光刻胶。冷却至室温后选择合适的曝光模具对其进行曝光，接着在100℃再次对其烘烤1min，冷却至室温，然后显影，将需要镀膜位置的光刻胶剥离。然后进行磁控溅射镀Ti/Ni/Au膜作为电极。镀完膜的砷化镓进行解胶处理，去掉掩膜位置的光刻胶。最后用划片机划取外观尺寸为13mm×10mm的小晶片，电极间隙为1mm。清洗后将其放入快速退火炉中去应力退火，450℃保温90s，然后随炉冷却。击穿试验前光导开关暗态电阻为1.9×108Ω。
最后用氟化氢准分子激光器作为触发源，对电极间隙的光导开关进行实验。实验表明，开关的耐压性能达到5.9kV/mm。
从实施例中可以看出，本发明通过新型电极技术和电极后处理工艺，在不改变光导开关原料和其它工艺条件下提高砷化镓光导开关工作电压，提高电极耐压性能，从而促进脉冲功率小型化微型化发展。
Claims (5)
1.一种砷化镓光导开关的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗砷化镓表面；
(2)在砷化镓表面涂覆一层光刻胶；
(3)烘烤加热固化光刻胶；
(4)冷却后进行曝光，接着进行曝光后显影前的烘烤；
(5)冷却后进行显影，剥离需要镀膜位置的光刻胶；
(6)镀膜作为电极；
(7)进行解胶处理，去掉掩膜位置的光刻胶；
(8)用划片机划取所需尺寸的晶片；
(9)清洗后进行去应力退火处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，均匀涂覆光刻胶层的厚度为1μm～5μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)中所述的烘烤分别为，将砷化镓放入接触式加热板，70℃～100℃恒温保持1min～4min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)为，采用磁控溅射技术镀Ti/Ni/Au膜。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(9)中，去应力退火处理在快速退火炉中进行，去应力退火的温度为200～450℃，保温时间为60s～300s。
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