CN113054041B - 用于光导开关的衬底及其制作方法、光导开关 - Google Patents

用于光导开关的衬底及其制作方法、光导开关 Download PDF

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Abstract

提供了一种衬底，其包括基体以及掺杂于基体内的缺陷材料和施主材料；从基体的第一表面到基体的中央面，缺陷材料的掺杂浓度由第一缺陷掺杂浓度逐渐增大到第二缺陷掺杂浓度，施主材料的掺杂浓度由第一施主掺杂浓度逐渐降低到第二施主掺杂浓度；从中央面到基体的第二表面，缺陷材料的掺杂浓度由第二缺陷掺杂浓度逐渐降低到第三缺陷掺杂浓度，施主材料的掺杂浓度由第二施主掺杂浓度逐渐增加到第三施主掺杂浓度，第二表面与第一表面相对。还提供了该衬底的制作方法和具有该衬底的光导开关。衬底的第一、第二表面附近区域的施主材料浓度较高，缺陷材料浓度较低，可以提高载流子浓度；衬底的中央区域，缺陷材料的掺杂浓度较高，可以提高衬底的暗电阻率。

Description

用于光导开关的衬底及其制作方法、光导开关
技术领域
本发明属于光电和半导体技术领域，具体地讲，涉及一种用于光导开关的衬底及其制作方法以及包含所述衬底的光导开关。
背景技术
光导开关(Photoconductive Semiconductor Switches,PCSS)由于具有重复频率高、体积小、输出功率高、低抖动、响应速度快、光电绝缘性好以及稳定性高等优异特性，已被广泛应用于医疗器械，航空航天，通信等重要高功率脉冲电源等领域中。然而，限制其大规模实用化的最大因素之一便是其电极可靠性太差，导致其在大电压大电流的工作环境下，电极快速退化致使器件损坏，从而缩短器件的使用寿命。所以提高电极可靠性一直都是光导开关器件所面临的最大问题之一。
目前，光导开关衬底材料都是基于半绝缘半导体材料之上，例如应用最为广泛的GaAs材料，它是利用本征缺陷EL2补偿背景载流子浓度达到半绝缘的状态，现在第三代半导体材料如SiC基、GaN基光导开关的研究越来越热，它们分别通过均匀掺杂钒(V)和铁(Fe)杂质来达到半绝缘的状态，使得其暗电阻率达到108-109Ω·cm。然而在载流子浓度如此低的情况下，欧姆电极的制备便困难了许多，接触电阻也随之增加。随着光导开关的不断开启和闭合，由于接触电阻大而在电极附近产生大量的热致使电极退化，寿命降低。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于光导开关的衬底及其制作方法以及包含所述衬底的光导开关。
根据本发明的实施例的一方面提供的用于光导开关的衬底，其包括基体以及掺杂于所述基体内的缺陷材料和施主材料；其中，从所述基体的第一表面到所述基体的中央面，所述缺陷材料的掺杂浓度由第一缺陷掺杂浓度逐渐增大到第二缺陷掺杂浓度，所述施主材料的掺杂浓度由第一施主掺杂浓度逐渐降低到第二施主掺杂浓度；其中，从所述基体的中央面到所述基体的第二表面，所述缺陷材料的掺杂浓度由第二缺陷掺杂浓度逐渐降低到第三缺陷掺杂浓度，所述施主材料的掺杂浓度由第二施主掺杂浓度逐渐增加到第三施主掺杂浓度，所述第二表面与所述第一表面相对。
在上述一方面提供的用于光导开关的衬底的一个示例中，所述缺陷材料为铁，所述施主材料为硅，所述基体的材料为氮化镓。
在上述一方面提供的用于光导开关的衬底的一个示例中，所述缺陷材料为钒，所述施主材料为氮，所述基体的材料为碳化硅。
在上述一方面提供的用于光导开关的衬底的一个示例中，所述缺陷材料为铬，所述施主材料为硅，所述基体的材料为砷化镓。
根据本发明的实施例的另一方面提供的光导开关，其包括第一电极、第二电极以及上述的用于光导开关的衬底；其中，所述第一电极和所述第二电极分别设置于所述衬底的第一表面和第二表面上。
根据本发明的实施例的又一方面提供的用于光导开关的衬底的制作方法，其包括：生长衬底的基体时仅通入施主材料；达到第一预设条件时停止通入所述施主材料，并通入缺陷材料；达到第二预设条件时停止通入所述缺陷材料，并通入所述施主材料。
在上述又一方面提供的用于光导开关的衬底的制作方法的一个示例中，所述第一预设条件为生长的所述基体的厚度达到第一预定厚度，和/或所述第二预设条件为生长的所述基体的厚度达到第二预定厚度，所述第二预定厚度大于所述第一预定厚度。
在上述又一方面提供的用于光导开关的衬底的制作方法的一个示例中，所述缺陷材料为铁，所述施主材料为硅，所述基体的材料为氮化镓；或者所述缺陷材料为钒，所述施主材料为氮，所述基体的材料为碳化硅；或者所述缺陷材料为铬，所述施主材料为硅，所述基体的材料为砷化镓。
根据本发明的实施例的再一方面提供的用于光导开关的衬底的制作方法，其包括：生长衬底的基体时仅通入缺陷材料，以形成掺杂所述缺陷材料的基体；利用激光直接掺杂激活的方式或者离子注入激活的方式在掺杂有所述缺陷材料的所述基体内的预定位置处掺杂施主材料。
在上述再一方面提供的用于光导开关的衬底的制作方法的一个示例中，所述利用激光直接掺杂激活的方式或者离子注入激活的方式在掺杂有所述缺陷材料的所述基体内的预定位置处掺杂施主材料，具体包括：在掺杂有所述缺陷材料的所述基体内的预定位置处以激光直接掺杂或离子注入的方式掺杂所述施主材料；施主杂质掺杂；对掺杂有所述缺陷材料和所述施主材料的基体进行热退火处理，以形成用于光导开关的衬底。
在上述再一方面提供的用于光导开关的衬底的制作方法的一个示例中，所述缺陷材料为铁，所述施主材料为硅，所述基体的材料为氮化镓；或者所述缺陷材料为钒，所述施主材料为氮，所述基体的材料为碳化硅；或者所述缺陷材料为铬，所述施主材料为硅，所述基体的材料为砷化镓。
有益效果：本发明提供的衬底的第一表面和第二表面的附近区域的施主材料掺杂浓度较高，而缺陷材料掺杂浓度较低，从而可以提升载流子浓度，而载流子浓度较高的第一表面和第二表面的附近区域有利于提升欧姆接触性能，减小接触电阻；而本发明提供的衬底的中央区域的缺陷材料掺杂浓度较高，施主材料掺杂浓度较低，缺陷材料的深缺陷能级能够补偿施主材料所释放的电子，从而使衬底达到半绝缘状态，并提高衬底的暗电阻率。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的实施例的用于光导开关的衬底中掺杂材料的掺杂浓度示意图；
图2是根据本发明的实施例的用于光导开关的衬底的制作方法的流程图；
图3是根据本发明的另一实施例的用于光导开关的衬底的制作方法的流程图；
图4是根据本发明的实施例的光导开关的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的具体实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
如背景技术中所述，光导开关衬底材料通过掺杂杂质来达到半绝缘状态，同时也导致衬底的载流子浓度较低，接触电阻随之增加。随着光导开关的不断开启和闭合，由于接触电阻大而在电极附近产生大量的热致使电极退化，寿命降低。
为了降低所述接触电阻，根据本发明的实施例提供了一种用于光导开关的衬底及其制作方法。该衬底包括基体以及掺杂于所述基体内的缺陷材料和施主材料；其中，从所述基体的第一表面到所述基体的中央面，所述缺陷材料的掺杂浓度由第一缺陷掺杂浓度逐渐增大到第二缺陷掺杂浓度，所述施主材料的掺杂浓度由第一施主掺杂浓度逐渐降低到第二施主掺杂浓度；其中，从所述基体的中央面到所述基体的第二表面，所述缺陷材料的掺杂浓度由第二缺陷掺杂浓度逐渐降低到第三缺陷掺杂浓度，所述施主材料的掺杂浓度由第二施主掺杂浓度逐渐增加到第三施主掺杂浓度，所述第二表面与所述第一表面相对。
因此，在衬底厚度(或称深度)方向上，使衬底中央区域的缺陷材料掺杂浓度较高，而施主材料的掺杂浓度较低，如此可以使缺陷材料补偿施主材料的低浓度，使衬底的中央区域的电阻率增大；而所述衬底的上、下表面附近处施主材料掺杂浓度较高，而缺陷材料掺杂浓度较低，从而可以提升载流子浓度。而衬底上、下表面附近区域的载流子浓度较高有利于提升欧姆接触性能，减小接触电阻。
以下将结合附图来详细描述根据本发明的实施例的用于光导开关的衬底及其制作方法。
图1是根据本发明的实施例的用于光导开关的衬底中掺杂材料的掺杂浓度示意图。
参照图1，根据本发明的实施例的用于光导开关的衬底包括基体以及掺杂于所述基体内的缺陷材料和施主材料。在本实施例中，所述缺陷材料为铁，所述施主材料为硅，所述基体的材料为氮化镓，但本发明并不限制于此。在其他实施例中，所述缺陷材料可以为钒，所述施主材料可以为氮，所述基体的材料可以为碳化硅；或者，所述缺陷材料可以为铬，所述施主材料可以为硅，所述基体的材料可以为砷化镓。
在所述基体的厚度方向(即下面描述的从光导开关的第一电极到第二电极的方向)上，所述基体包括：将用于承载第一电极的第一表面、将用于承载第二电极的且与所述第一表面彼此面对的第二表面以及位于第一表面和第二表面之间且与二者均面对的中央面。
从所述基体的第一表面到所述基体的中央面，所述缺陷材料的掺杂浓度由第一缺陷掺杂浓度逐渐增大到第二缺陷掺杂浓度，所述施主材料的掺杂浓度由第一施主掺杂浓度逐渐降低到第二施主掺杂浓度；而从所述基体的中央面到所述基体的第二表面，所述缺陷材料的掺杂浓度由第二缺陷掺杂浓度逐渐降低到第三缺陷掺杂浓度，所述施主材料的掺杂浓度由第二施主掺杂浓度逐渐增加到第三施主掺杂浓度。因此，第二缺陷掺杂浓度大于第一缺陷掺杂浓度且大于第三缺陷掺杂浓度；而第二施主掺杂浓度小于第一施主掺杂浓度且小于第三施主掺杂浓度。
在一个示例中，所述第一缺陷掺杂浓度为1×1017cm-3，所述第二缺陷掺杂浓度为5×1018cm-3，所述第三缺陷掺杂浓度为1×1017cm-3。
在一个示例中，所述第一施主掺杂浓度为5×1018cm-3，所述第二施主掺杂浓度为1×1017cm-3，所述第三施主掺杂浓度为5×1018cm-3。
因此，在衬底上、下表面附近施主材料掺杂浓度较高，而缺陷材料掺杂浓度较低，施主材料可以提高电子浓度从而提高衬底的载流子浓度，形成“载流子浓度高-载流子浓度低-载流子浓度高”的“三明治”结构；而在衬底中央区域，缺陷材料的掺杂浓度较高且分布稳定，缺陷材料的深缺陷能级能够补偿施主材料所释放的电子，从而使衬底达到半绝缘状态，提高衬底的暗电阻率。
图2是根据本发明的实施例的用于光导开关的衬底的制作方法的流程图。
参照图2，在步骤S210中，在生长衬底的基体时仅通入施主材料。
在步骤S220中，达到第一预设条件时停止通入所述施主材料，并通入缺陷材料。
在一个示例中，所述第一预设条件为生长的所述基体的厚度达到第一预定厚度。
在步骤S130中，达到第二预设条件时停止通入所述缺陷材料，并再次通入所述施主材料。
在第一示例中，所述第二预设条件为生长的所述基体的厚度达到第二预定厚度。在这种情况下，所述第二预定厚度大于所述第一预定厚度。
在本实施例中，基体选择为氮化镓基体，施主材料为硅，缺陷材料为铁，氮化镓基体的生长方法选择为氢化物气相外延法生长方法。
在其他的实施例中，所述缺陷材料可以为钒，所述施主材料可以为氮，所述基体的材料可以为碳化硅；或者所述缺陷材料可以为铬，所述施主材料可以为硅，所述基体的材料可以为砷化镓。
在其他的实施例中，氮化镓基体的生长方法还可以为金属有机化合物化学气相沉淀法或者分子束外延法。
在一个示例中，采用氢化物气相外延法生长铁-硅共掺的氮化镓基体，以形成根据本发明的实施例的用于光导开关的衬底的过程包括：
首先，在开始生长氮化镓基体时开启硅掺杂源；
其次，生长2um厚的氮化镓基体后关闭硅掺杂源，并开启铁掺杂源；
最后，生长一定厚度的氮化镓基体后关闭铁掺杂源，并开启硅掺杂源，再生长2um厚的氮化镓基体后结束生长。
其中，铁在氮化镓基体中的掺杂浓度应大于1×108cm-3且小于或等于5×1019cm-3，这样才可以使所述衬底达到半绝缘状态并且能够提高衬底的暗电阻率。例如，可以通过控制载气氯化氢的流量来控制铁的浓度变化。
需要进行说明的是，氮化镓基体在生长过程中由于石英反应器等非故意掺杂导致氮化镓衬底中还含有背景杂质硅，背景杂质硅在氮化镓衬底中为均匀分布，且浓度为1×1017cm-3。
图3是根据本发明的另一实施例的用于光导开关的衬底的制作方法的流程图。参照图3，根据本发明的另一实施例的用于光导开关的衬底的制作方法包括：
步骤S310，在生长衬底的基体时仅通入缺陷材料，以形成掺杂所述缺陷材料的基体。
步骤S320，利用激光直接掺杂激活的方式或者离子注入激活的方式在掺杂有所述缺陷材料的所述基体内的预定位置处掺杂施主材料。
在一个示例中，所述步骤S320具体包括：
首先，在掺杂有所述缺陷材料的所述基体内的预定位置处以激光直接掺杂或离子注入的方式掺杂所述施主材料；
其次，对掺杂有所述缺陷材料和所述施主材料的基体进行热退火处理，以形成用于光导开关的衬底。
在本实施例中，基体选择为氮化镓基体，施主材料为硅，缺陷材料为铁，氮化镓基体的生长方法选择为氢化物气相外延法生长方法。
在其他的实施例中，所述缺陷材料可以为钒，所述施主材料可以为氮，所述基体的材料可以为碳化硅；或者所述缺陷材料可以为铬，所述施主材料可以为硅，所述基体的材料可以为砷化镓。
在其他的实施例中，氮化镓基体的生长方法还可以为金属有机化合物化学气相沉淀法或者分子束外延法。
在一个示例中，通过光刻工艺形成光导开关的图案化的电极，以光刻胶作为掩膜在掺杂有所述缺陷材料的所述基体内的预定位置处利用激光掺杂或离子注入掺杂材料进行定域掺杂，然后将所述光刻胶剥离，接着利用快速热退火激活掺杂杂质，即可形成所述用于光导开关的衬底。
图4是根据本发明的实施例的光导开关的结构示意图。需要说明的是，在图4中，仅示出了光导开关的两个电极结构，但是本领域技术人员应当知道的是，光导开关还包括其他必要的部件。
参考图4，所述光导开关至少包括：第一电极410、第二电极420以及上述的衬底430，其中，第一电极410设置于衬底430的第一表面上，而第二电极420设置于衬底430的第二表面上，所述第一表面和所述第二表面彼此面对。
在这种情况下，衬底430的第一表面和第二表面的附近区域内施主材料掺杂浓度较高，而缺陷材料掺杂浓度较低，从而载流子浓度较高；所述衬底430的中央区域内缺陷材料掺杂浓度较高，施主材料掺杂浓度较低，这样有利于增大所述衬底430的暗电阻。所述光导开关的第一电极410和第二电极420分别设置于所述衬底的载流子浓度较高的第一表面和第二表面上，这样既可以获得良好的欧姆接触性能，也不会影响衬底430本身暗电阻的提高。
上述对本发明的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。
在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
以上结合附图详细描述了本发明的实施例的可选实施方式，但是，本发明的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的实施例的技术构思范围内，可以对本发明的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的实施例的保护范围。
本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说，对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (7)

1.一种用于光导开关的衬底掺杂结构，其特征在于，所述光导开关衬底包括基体以及掺杂于所述基体内的缺陷材料和施主材料；
其中，从所述基体的第一表面到所述基体的中央面，所述缺陷材料的掺杂浓度由第一缺陷掺杂浓度逐渐增大到第二缺陷掺杂浓度，所述施主材料的掺杂浓度由第一施主掺杂浓度逐渐降低到第二施主掺杂浓度；
其中，从所述基体的中央面到所述基体的第二表面，所述缺陷材料的掺杂浓度由第二缺陷掺杂浓度逐渐降低到第三缺陷掺杂浓度，所述施主材料的掺杂浓度由第二施主掺杂浓度逐渐增加到第三施主掺杂浓度，所述第二表面与所述第一表面相对。
2.根据权利要求1所述的衬底掺杂结构，其特征在于，所述缺陷材料为铁，所述施主材料为硅，所述基体的材料为氮化镓。
3.根据权利要求1所述的衬底掺杂结构，其特征在于，所述缺陷材料为钒，所述施主材料为氮，所述基体的材料为碳化硅。
4.根据权利要求1所述的衬底掺杂结构，其特征在于，所述缺陷材料为铬，所述施主材料为硅，所述基体的材料为砷化镓。
5.一种光导开关，其特征在于，所述光导开关包括第一电极、第二电极以及权利要求1至4任一项所述的衬底掺杂结构，所述第一电极和所述第二电极分别设置于所述衬底的第一表面和第二表面上。
6.一种用于光导开关的衬底的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
生长衬底的基体时仅通入施主材料；
达到第一预设条件时停止通入所述施主材料，并通入缺陷材料；
达到第二预设条件时停止通入所述缺陷材料，并通入所述施主材料；
其中，所述第一预设条件为生长的所述基体的厚度达到第一预定厚度，所述第二预设条件为生长的所述基体的厚度达到第二预定厚度，所述第二预定厚度大于所述第一预定厚度。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述缺陷材料为铁，所述施主材料为硅，所述基体的材料为氮化镓；或者所述缺陷材料为钒，所述施主材料为氮，所述基体的材料为碳化硅；或者所述缺陷材料为铬，所述施主材料为硅，所述基体的材料为砷化镓。
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