CN108735849A - 一种光导开关及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光导开关，包括：硅衬底；位于所述硅衬底上的碳化硅薄膜；位于所述碳化硅薄膜上的金属电极。本发明提供的光导开关，使用廉价广泛的单晶硅衬底，采用硅衬底上生长碳化硅薄膜的方式取代传统的碳化硅衬底，降低碳化硅的制备难度，提高生产效率，降低了光导开关的成本，有利于光导开关的大规模应用。

Description

一种光导开关及其制备方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种光导开关及其制备方法。
背景技术
光导开关是一种通过激光控制电流导通的光电器件。光照前，衬底具有较高电阻值，电流无法导通，开关处于关断状态。光照过程中，半导体材料电阻率发生改变，阻值变小，开关导通；熄灭光脉冲后，电阻率恢复，开关又处于阻断状态，从而形成电脉冲。光导开关在电脉冲产生及探测等领域存在着应用价值。
光导开关原理主要基于半导体材料特性，光照下大量电子会从价带激发到导带，提高材料导电性能。最初光导开关采用单晶硅制备，后来宽禁带半导体由于具有更高的击穿强度、稳定的化学性质以及优良的导热性能，开始在光导开关中进行应用。目前常见的宽禁带半导体有氮化镓(GaN)，碳化硅(SiC)，氮化铝(AlN)等材料，其中SiC单晶已成功制备出光导开关，如图1所示，在SiC单晶衬底4上设置电极3，耐压值在千伏以上，具有优良的性能，但由于SiC在正常的工程条件下无液相存在，理论计算表明在压力超过1010Pa、温度超过2830℃的条件下，理想化学配比的SiC熔体才可能存在，所以SiC晶体的制备难度较大，从而导致其价格昂贵，这严重影响了光导开关的大规模应用。
所以亟需一种新的光导开关来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光导开关，以解决现有的光导开关制备困难、价格昂贵等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光导开关，包括：
硅衬底；
位于所述硅衬底上的碳化硅薄膜；
位于所述碳化硅薄膜上的金属电极。
可选的，所述的碳化硅为3C碳化硅。
可选的，所述碳化硅薄膜的电阻率大于100000Ω·cm。
可选的，所述碳化硅薄膜的厚度大于20μm。
可选的，所述金属电极为两个，其中一个为正极，另一个为负极。
相应的，本发明还一种光导开关的制备方法，包括以下步骤：
提供一硅衬底；
在所述硅衬底上形成碳化硅薄膜；
在所述碳化硅薄膜上形成金属电极。
可选的，所述碳化硅薄膜采用化学气相沉积法沉积而成。
可选的，在所述硅衬底上形成碳化硅薄膜包括：采用氢气与氯化氢气体对硅衬底表面进行刻蚀处理，去除硅表面氧化层与损伤层；采用丙烷和硅烷作为反应气体，在氢气氛围下生成碳化硅薄膜。
可选的，在提供一硅衬底之后，在所述硅衬底上形成碳化硅薄膜之前，还包括：对所述硅衬底进行清洗。
可选的，在所述碳化硅薄膜上形成金属电极包括：
在碳化硅薄膜上形成光刻胶；
在所述光刻胶中形成开口，暴露出所述碳化硅薄膜；
在所述碳化硅薄膜上进行金属沉积，填充满所述开口；
去除所述金属位于所述光刻胶上的部分，仅保留位于所述开口中的部分，形成所述金属电极；
去除所述光刻胶；
在氩气氛下进行快速热退火处理。
本发明提供的光导开关及其制备方法，采用碳化硅薄膜取代传统的碳化硅衬底，降低碳化硅的制备难度，提高生产效率，降低了光导开关的成本，有利于光导开关的大规模应用。
附图说明
图1是现有的光导开关结构示意图；
图2是本发明一实施例所提供的光导开关的结构示意图；
图3是所述步骤S2中碳化硅沉积的时间和温度的关系图；
图4-图6是所述步骤S3的过程示意图。
图中标号：
1-硅衬底；2-碳化硅薄膜；3-金属电极；4-碳化硅衬底；5-光刻胶；6-金属层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的光导开关及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
现有的光导开关存在价格昂贵，制备困难等问题，本发明的发明人经过长期的研究和实验，发明了一种新型的光导开关解决了上述问题。
本发明提供一种光导开关，包括
硅衬底；
位于所述硅衬底上的碳化硅薄膜；
位于所述碳化硅薄膜上的金属电极。
本发明一实施例所提供的光导开关如图2所示，包括硅衬底1、碳化硅薄膜2和金属电极3。在所述硅衬底1形成有碳化硅薄膜2上，所述碳化硅薄膜上形成有金属电极3，所述金属电极3为两个，一个为正极，一个为负极。
所述碳化硅薄膜2优选的覆盖在所述硅衬底1上，所述金属电极3优选的与所述碳化硅薄膜2形成欧姆接触。
所述的碳化硅薄膜2具有半绝缘高阻值的特性，电阻率大于100000Ω·cm，所述碳化硅薄膜2的晶型优选的为3C碳化硅晶型。所述碳化硅薄膜的厚度大于20μm。
所述的碳化硅薄膜化学气相沉积法沉积而成，更为优选的采用APCVD(常压化学气相沉积法)沉积而成，先在常压高温条件下利用氢气与氯化氢气体刻蚀所述硅衬底的表面，去除所述硅衬底表面的氧化层和损伤层，然后用丙烷和硅烷作为反应气体，氢气作为载气，调节硅/碳比例、反应时间、反应温度等参数，最终形成碳化硅薄膜。本领域技术人员可以理解的是，所述生成碳化硅薄膜的具体工艺条件可以根据实际对碳化硅薄膜的要求进行设定。
所述的金属电极优选的采用PVD(物理气相沉积法)沉积而成，更为优选的是采用磁控溅射的方法生成，即利用镍靶(Ni)，通过调节溅射气压、温度、时间等参数来沉积形成金属电极。本领域技术人员可以理解的是，所述生成金属电极的具体工艺可以更具实际对金属电极的要求进行设定。
本发明所提供的光导开关，采用生长碳化硅薄膜的方式取代传统的碳化硅衬底，降低了碳化硅的制备难度，从而降低了光导开关的成本，有利用光导开关的大规模应用。
相应的，本发明还提供一种光导开关的制备方法，包括以下步骤：
S1:提供一硅衬底；
S2:在所述硅衬底上形成碳化硅薄膜；
S3：在所述碳化硅薄膜上形成金属电极。
所述步骤S2具体分为以下三步：
S21：清洗所述硅衬底上的杂质，去除金属与非金属颗粒的污染。所述清洗采用标准清洗程序。
S22：采用APCVD(常压化学气相沉积法)沉积碳化硅薄膜，在常压高温条件下利用氢气与氯化氢气体刻蚀所述硅衬底的表面，去除所述硅衬底表面的氧化层和损伤层。
S23：然后用丙烷和硅烷作为反应气体，氢气作为载气，调节硅/碳比例、反应时间、反应温度等参数，最终形成碳化硅薄膜。
本领域技术人员可以理解的是，所述的反应时间和反应温度等参数可根据实际对碳化硅薄膜的要求进行调节设定。
在所述硅衬底上形成碳化硅薄膜之前，所述硅衬底上含有杂质和污染物，此时需要先用清洗程序对硅衬底进行清洗，以去除硅衬底上的杂质以及污染物；然后在常压高温条件下利用氢气与氯化氢气体刻蚀所述硅衬底的表面，去除所述硅衬底表面的氧化层和损伤层，使硅衬底表面能够达到生成碳化硅薄膜的条件；之后利用丙烷和硅烷作为反应气体，在氢气氛围下生成碳化硅薄膜。
图3是所述步骤S2中碳化硅沉积的时间和温度的关系图，横坐标表示时间(s)，纵坐标表示温度(℃)，其中t1-t2时间段表示所述步骤S22的过程，所述t3-t4时间段表示所述步骤S23的过程。
所述步骤S3具体分为以下四步：
S31：运用光刻手段在所述碳化硅薄膜上形成所需电极图案；
S32：采用磁控溅射的方法，利用镍(Ni)靶，通过调节溅射气压、温度、时间等参数来沉积形成金属层；
S33：将光刻胶和光刻胶上的金属进行剥离处理，仅留下金属电极部分；
S34：将整个器件在800℃～1200℃的氩气氛下快速退火处理，例如，可以是1000℃，促进金属电极与碳化硅薄膜形成欧姆接触。
所述步骤S31-S34的过程如图4-图6所示，具体的为：先在所述碳化硅薄膜2上形成光刻胶5，在所述光刻胶5中形成开口，暴露出部分碳化硅薄膜；在所述碳化硅薄膜2上进行金属沉积，形成金属层6，所述金属层6填充满所述开口；去除所述金属层6位于所述光刻胶5上的部分，仅保留位于所述开口的部分，形成金属电极3；去除所述的光刻胶5；将整个器件在1000℃左右氩气氛围下快速退火处理，促进金属电极3与碳化硅薄膜2形成欧姆接触。通过图4-图6可以更加直接的理解所述步骤S31-S34的具体过程。
综上所述，本发明所提供的光导开关及其制备方法，利用廉价广泛的单晶硅衬底，采用生长碳化硅薄膜的方式取代传统的碳化硅衬底，从而降低了碳化硅的制备难度，提高生产效率，降低了光导开关的成本，有利于光导开关的大规模应用。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种光导开关，其特征在于，包括：
硅衬底；
位于所述硅衬底上的碳化硅薄膜；
位于所述碳化硅薄膜上的金属电极。
2.如权利要求1所述的光导开关，其特征在于，所述的碳化硅为3C碳化硅。
3.如权利要求1所述的光导开关，其特征在于，所述碳化硅薄膜的电阻率大于100000Ω·cm。
4.如权利要求1所述的光导开关，其特征在于，所述碳化硅薄膜的厚度大于20μm。
5.如权利要求1所述的光导开关，其特征在于，所述金属电极为两个，其中一个为正极，另一个为负极。
6.一种光导开关的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一硅衬底；
在所述硅衬底上形成碳化硅薄膜；
在所述碳化硅薄膜上形成金属电极。
7.如权利要求6所述的光导开关的制备方法，其特征在于，所述碳化硅薄膜采用化学气相沉积法沉积而成。
8.如权利要求6所述的光导开关的制备方法，其特征在于，在所述硅衬底上形成碳化硅薄膜包括：采用氢气与氯化氢气体对硅衬底表面进行刻蚀处理，去除硅表面氧化层与损伤层；采用丙烷和硅烷作为反应气体，在氢气氛围下生成碳化硅薄膜。
9.如权利要求6所述的光导开关的制备方法，其特征在于，在提供一硅衬底之后，在所述硅衬底上形成碳化硅薄膜之前，还包括：对所述硅衬底进行清洗。
10.如权利要求6所述的光导开关的制备方法，其特征在于，在所述碳化硅薄膜上形成金属电极包括：
在碳化硅薄膜上形成光刻胶；
在所述光刻胶中形成开口，暴露出所述碳化硅薄膜；
在所述碳化硅薄膜上进行金属沉积，填充满所述开口；
去除所述金属位于所述光刻胶上的部分，仅保留位于所述开口中的部分，形成所述金属电极；
去除所述光刻胶；
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