CN117913170A - 垂直型GaN光导开关及其制备方法 - Google Patents

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CN117913170A CN202410074886.8A CN202410074886A CN117913170A CN 117913170 A CN117913170 A CN 117913170A CN 202410074886 A CN202410074886 A CN 202410074886A CN 117913170 A CN117913170 A CN 117913170A
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张育民
王建峰
徐科
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Abstract

本申请公开了一种垂直型GaN光导开关及其制备方法，光导开关包括依次层叠设置的第一电极、第一重掺杂外延层、衬底、第二重掺杂外延层和第二电极，衬底包括位于一侧的入射面以及与入射面相对设置的出射面，入射面设有第一陷光结构，第一陷光结构用于反射、折射和散射入射光线，以使入射光线分散至衬底内部各处，出射面设有第二陷光结构，第二陷光结构用于反射、折射和散射出射光线，以使出射光线分散至衬底内部各处。本申请采用垂直型结构，通过在第一电极和衬底之间布置第一重掺杂外延层，在第二电极和衬底之间布置第二重掺杂外延层，能够有效降低金属材质的电极与衬底材料间的接触电阻，同时缓解电场集中效应，从而提高器件的耐压性能。

Description

垂直型GaN光导开关及其制备方法
技术领域
本申请属于半导体器件技术领域，具体涉及一种垂直型GaN光导开关及其制备方法。
背景技术
氮化镓(GaN)作为第三代半导体的核心材料，具备卓越的物理化学特性，具有宽带隙、高热导率、高电子迁移率和高击穿电场等优点。与传统的半导体材料(如硅和锗)相比，GaN在制备功率器件和光电子器件等领域具有显著的优势。光导开关(Photoconductivesemiconductor switches，PCSS)是一种利用激发光源触发的半导体开关，具有体积小、损耗低、输出功率高、响应速度快、重复频率高等优良特性，在医疗、军事、航空航天等领域有广泛的应用前景。
但现有的GaN光导开关未能充分发掘GaN作为宽禁带材料的潜力，器件的耐压值远未达到其理论极限值，并且光利用率较低，导致光能损耗严重。其中耐压性能主要受到“电场集中”效应的影响，“电场集中”效应是指在外加偏置电压下，电极边缘处会出现大量载流子聚集，导致此处的电场强度明显高于其他地方，这会导致开关在电场边缘处发生预击穿，不利于器件在高压下可靠工作，降低了器件的耐压性能。
发明内容
本申请的目的在于提供一种垂直型GaN光导开关及其制备方法，以解决现有技术中存在的GaN光导开关的耐压值远未达到其理论极限值，并且光利用率较低，导致光能损耗严重的技术问题。
为了实现上述目的，本申请采用的一个技术方案是：
提供一种垂直型GaN光导开关，包括依次层叠设置的第一电极、第一重掺杂外延层、衬底、第二重掺杂外延层和第二电极，所述衬底包括位于一侧的入射面以及与所述入射面相对设置的出射面，所述入射面设有第一陷光结构，所述第一陷光结构用于反射、折射和散射入射光线，以使入射光线分散至所述衬底内部各处，所述出射面设有第二陷光结构，所述第二陷光结构用于反射、折射和散射出射光线，以使出射光线分散至所述衬底内部各处。
在一个或多个实施方式中，所述第一陷光结构包括布置在所述入射面的多个纳米凸起，所述纳米凸起自所述入射面沿背离所述出射面方向延伸设置；
所述第二陷光结构包括布置在所述出射面的多个纳米凹槽，所述纳米凹槽自所述出射面向所述入射面方向延伸设置。
在一个或多个实施方式中，所述衬底为Fe掺杂GaN单晶衬底，Fe掺杂浓度为5×1018cm-3～1×1019cm-3。
在一个或多个实施方式中，还包括：
增透膜，布置在所述第一陷光结构表面；
反射膜，布置在所述第二陷光结构表面。
在一个或多个实施方式中，还包括：
第一钝化层，布置在所述第一重掺杂外延层背离所述衬底一面，所述第一钝化层环绕所述第一电极设置，且所述第一钝化层覆盖所述第一电极背离所述衬底一面的外缘；
第二钝化层，布置在所述第二重掺杂外延层背离所述衬底一面，且所述第二钝化层环绕所述第二电极设置，且所述第二钝化层覆盖所述第二电极背离所述衬底一面的外缘。
在一个或多个实施方式中，所述第一电极和所述第二电极为自所述衬底表面沿背离所述衬底方向延伸的圆柱型电极。
在一个或多个实施方式中，所述第一重掺杂外延层和所述第二重掺杂外延层为Si掺杂GaN外延层，且Si掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3；所述第一重掺杂外延层和所述第二重掺杂外延层的厚度为100～300nm。
为了实现上述目的，本申请采用的另一个技术方案是：
提供一种上述任一实施方式所述的垂直型GaN光导开关的制备方法，包括：
在衬底的两面分别生长第一重掺杂外延层和第二重掺杂外延层；
在所述第一重掺杂外延层表面沉积第一电极，在所述第二重掺杂外延层表面沉积第二电极；
分别刻蚀所述衬底的入射面和出射面，以在所述入射面形成第一陷光结构，在所述出射面形成第二陷光结构。
在一个或多个实施方式中，还包括：
在所述第一陷光结构表面沉积增透膜，在所述第二陷光结构表面沉积反射膜。
在一个或多个实施方式中，还包括：
在所述第一重掺杂外延层表面沉积环绕所述第一电极且覆盖第一电极背离所述衬底一面外缘的第一钝化层，在所述第二重掺杂外延层表面沉积环绕所述第二电极且覆盖第二电极背离所述衬底一面外缘的第二钝化层。
区别于现有技术，本申请的有益效果是：
本申请的光导开关采用垂直型结构，通过在第一电极和衬底之间布置第一重掺杂外延层，在第二电极和衬底之间布置第二重掺杂外延层，能够有效降低金属材质的电极与衬底材料间的接触电阻，同时缓解电场集中效应，从而提高器件的耐压性能；
本申请的光导开关的衬底入射面布置有第一陷光结构，出射面布置有第二陷光结构，能够将入射光线分散至衬底内部各处，同时将出射光线反射回衬底内部并分散至衬底各处，从而有效提高光程，提高光利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请垂直型GaN光导开关一实施方式的结构示意图；
图2是本申请垂直型GaN光导开关一实施方式的俯视结构示意图；
图3是本申请垂直型GaN光导开关的制备方法一实施方式的流程示意图。
主要附图标记说明：
第一电极10；
第一重掺杂外延层20；
衬底30；入射面301；出射面302；
第二重掺杂外延层40；
第二电极50；
第一陷光结构60；纳米凸起601；
第二陷光结构70；纳米凹槽602；
增透膜80；
反射膜90；
第一钝化层100；
第二钝化层110。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
为了解决现有的GaN光导开关的耐压性能较低，远未达到GaN材料的理论极限值，同时光利用率较低，导致光能损耗严重的问题，申请人开发了一种新型的GaN光导开关，该光导开关能够有效缓解“电场集中”效应，并提高器件光利用率，减小光能损耗，从而显著改善器件光电性能。
具体地，请参阅图1，图1是本申请垂直型GaN光导开关一实施方式的结构示意图。
如图1所示，该光导开关包括依次层叠设置的第一电极10、第一重掺杂外延层20、衬底30、第二重掺杂外延层40和第二电极50。
其中，衬底30可以是Fe掺杂GaN单晶衬底30，为了提高器件的热稳定性，衬底30的Fe掺杂浓度可以为5×1018cm-3～1×1019cm-3。
衬底30的一侧还设有入射面301，另一侧设有与入射面301相对设置的出射面302。
第一重掺杂外延层20和第二重掺杂外延层40外延生长在衬底30的两面，第一电极10和第二电极50分别通过第一重掺杂外延层20和第二重掺杂外延层40与衬底30电连接。
通过在电极和衬底30之间布置重掺杂外延，可以有效降低金属材质的电极与衬底30材料间的接触电阻，同时缓解电场集中效应，从而提高器件的耐压性能。
在一个实施方式中，为了进一步优化器件的耐压性能，且提高器件的热稳定性，第一重掺杂外延层20和第二重掺杂外延层40可以为Si掺杂GaN外延层，且Si掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3；第一重掺杂外延层20和第二重掺杂外延层40的厚度可以为100～300nm。
衬底30的入射面301设有第一陷光结构60，第一陷光结构60用于反射、折射和散射入射光线，以使入射光线分散至衬底30内部各处；出射面302设有第二陷光结构70，第二陷光结构70用于反射、折射和散射出射光线，以使出射光线分散至衬底30内部各处。
可以理解的，通过在入射面301和出射面302分别设置第一陷光结构60和第二陷光结构70，能够将入射光线分散至衬底30内部各处，同时将出射光线反射回衬底30内部并分散至衬底30各处，从而有效提高光程，提高光利用率。
具体地，第一陷光结构60可以包括布置在入射面301的多个纳米凸起601，纳米凸起601自入射面301沿背离出射面302方向延伸设置，该纳米凸起601可以是金字塔型结构等，从而实现对入射光线的反射、折射和散热。
相应的，第二陷光结构70可以包括布置在出射面302的多个纳米凹槽701，纳米凹槽701自出射面302向入射面301方向延伸设置，该纳米凹槽701也可以是金字塔型凹槽，从而将出射光线反射并分散至衬底30内部各处。
为了进一步入射光线的透光率以及出射光线的反射率，第一陷光结构60的表面还布置有增透膜80，第二陷光结构70的表面还布置有反射膜90。
具体的，在一个实施方式中，增透膜80和反射膜90可以均为由二氧化硅低折射率层和二氧化钛高折射率层层叠布置得到的膜结构，基于层叠层数控制以及低折射率层和高折射率层的分布控制分别实现增透和增反效果。
为了提高电流的分布均匀性，进一步降低电场集中效应，请参阅图2，图2是本申请垂直型GaN光导开关一实施方式的俯视结构示意图。
如图2所示，第一电极10和第二电极50可以是圆柱型电极，其可以自衬底30表面沿背离衬底30方向延伸设置。
为了进一步避免器件表面击穿，提高器件耐压性能，请参阅图1和图2，本实施方式中，光导开关还包括第一钝化层100和第二钝化层110。
具体地，第一钝化层100可以布置在第一重掺杂外延层20背离衬底30一面，第一钝化层100环绕第一电极10设置，且第一钝化层100覆盖第一电极10背离衬底30一面的外缘。
第二钝化层110可以布置在第二重掺杂外延层40背离衬底30一面，且第二钝化层110环绕第二电极50设置，且第二钝化层110覆盖第二电极50背离衬底30一面的外缘。
在一个实施方式中，第一钝化层100和第二钝化层110的材料可以是二氧化硅，在其他实施方式中，也可以采用其他材料制备第一钝化层100和第二钝化层110，能够实现第一电极10和第二电极50的保护即可。
基于上述实施方式的光导开关采用垂直型结构，能够显著提高光导开关的光利用率，减小光能损耗；同时，缓解电场集中效应，提高光导开关的耐压性能，从而有效改善光导开关的光电性能。
本申请还提供了一种光导开关的制备方法，请参阅图3，图3是本申请垂直型GaN光导开关的制备方法一实施方式的流程示意图。
如图3所示，该制备方法包括：
S100、在衬底的两面分别生长第一重掺杂外延层和第二重掺杂外延层。
首先，可以在衬底的两面生长重掺杂外延层，生长方法可以是MOCVD，也可以是其他外延生长方法，均能够实现本实施方式的效果。
S200、在第一重掺杂外延层表面沉积第一电极，在第二重掺杂外延层表面沉积第二电极。
具体地，一实施方式中，可以采用溅射或蒸发的方法沉积金属材料制备电极；在其他实施方式中，也可以采用lift off工艺制备金属电极。
S300、分别刻蚀衬底的入射面和出射面，以在入射面形成第一陷光结构，在出射面形成第二陷光结构。
通过对入射面和出射面的刻蚀，能够得到由若个纳米凸起组成的第一陷光结构，以及由若干纳米凹槽组成的第二陷光结构。
S400、在第一陷光结构表面沉积增透膜，在第二陷光结构表面沉积反射膜。
在获得第一陷光结构和第二陷光结构后，可以分别在第一陷光结构和第二陷光结构表面沉积增透膜和反射膜。
S500、在第一重掺杂外延层表面沉积环绕第一电极且覆盖第一电极背离衬底一面外缘的第一钝化层，在第二重掺杂外延层表面沉积环绕第二电极且覆盖第二电极背离衬底一面外缘的第二钝化层。
在第一重掺杂外延层和第二重掺杂外延层表面分别沉积环绕且覆盖布置第一电极和第二电极的钝化层，得到光导开关。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种垂直型GaN光导开关，其特征在于，包括依次层叠设置的第一电极、第一重掺杂外延层、衬底、第二重掺杂外延层和第二电极，所述衬底包括位于一侧的入射面以及与所述入射面相对设置的出射面，所述入射面设有第一陷光结构，所述第一陷光结构用于反射、折射和散射入射光线，以使入射光线分散至所述衬底内部各处，所述出射面设有第二陷光结构，所述第二陷光结构用于反射、折射和散射出射光线，以使出射光线分散至所述衬底内部各处。
2.根据权利要求1所述的垂直型GaN光导开关，其特征在于，所述第一陷光结构包括布置在所述入射面的多个纳米凸起，所述纳米凸起自所述入射面沿背离所述出射面方向延伸设置；
所述第二陷光结构包括布置在所述出射面的多个纳米凹槽，所述纳米凹槽自所述出射面向所述入射面方向延伸设置。
3.根据权利要求1所述的垂直型GaN光导开关，其特征在于，所述衬底为Fe掺杂GaN单晶衬底，Fe掺杂浓度为5×1018cm-3～1×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述的垂直型GaN光导开关，其特征在于，还包括：
增透膜，布置在所述第一陷光结构表面；
反射膜，布置在所述第二陷光结构表面。
5.根据权利要求1所述的垂直型GaN光导开关，其特征在于，还包括：
第一钝化层，布置在所述第一重掺杂外延层背离所述衬底一面，所述第一钝化层环绕所述第一电极设置，且所述第一钝化层覆盖所述第一电极背离所述衬底一面的外缘；
第二钝化层，布置在所述第二重掺杂外延层背离所述衬底一面，且所述第二钝化层环绕所述第二电极设置，且所述第二钝化层覆盖所述第二电极背离所述衬底一面的外缘。
6.根据权利要求1所述的垂直型GaN光导开关，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为自所述衬底表面沿背离所述衬底方向延伸的圆柱型电极。
7.根据权利要求1所述的垂直型GaN光导开关，其特征在于，所述第一重掺杂外延层和所述第二重掺杂外延层为Si掺杂GaN外延层，且Si掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3；所述第一重掺杂外延层和所述第二重掺杂外延层的厚度为100～300nm。
8.一种如权利要求1至7任一所述的垂直型GaN光导开关的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底的两面分别生长第一重掺杂外延层和第二重掺杂外延层；
在所述第一重掺杂外延层表面沉积第一电极，在所述第二重掺杂外延层表面沉积第二电极；
分别刻蚀所述衬底的入射面和出射面，以在所述入射面形成第一陷光结构，在所述出射面形成第二陷光结构。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述第一陷光结构表面沉积增透膜，在所述第二陷光结构表面沉积反射膜。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述第一重掺杂外延层表面沉积环绕所述第一电极且覆盖第一电极背离所述衬底一面外缘的第一钝化层，在所述第二重掺杂外延层表面沉积环绕所述第二电极且覆盖第二电极背离所述衬底一面外缘的第二钝化层。
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