專利名稱：一種光導半導體開關結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件技術領域，尤其涉及一種光導半導體開關結構。
背景技術：
光導半導體開關(PhotoconductiveSemiconductor Switches,簡稱 PCSS),是近年來發(fā)展迅速的一種半導體光電子器件，其工作原理本質上是利用半導體的光電效應來調制半導體光電導材料的電導率。在光導半導體開關的電極上施加一定的偏置電壓，激光脈沖照射在開關的半導體材料上，產生大量的載流子，此時開關導通，產生輸出電脈沖；當激光脈沖撤去后，載流子消失，開關恢復到最初的阻斷狀態(tài)，輸出電脈沖隨之消失。光導半導體開關與傳統(tǒng)開關相比具有諸多優(yōu)點，在超高速電子學、大功率脈沖產生與整形、超寬帶雷達、脈沖功率和高功率微波發(fā)生器、高速光探測器和調制器、光控微波和毫米波等領域具有廣泛的應用前景。
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為滿足大功率場合的應用，光導半導體開關則應具有更小的暗電流、更高的擊穿電壓、更大的導通電流。激光未照射在光導半導體開關時，在兩只電極上施加一定的偏置電壓，產生的電流為暗電流。減小暗電流可減小光導半導體開關的損耗。目前的做法是在光導半導體開關表面制備一層鈍化層，例如氮化娃薄膜，或者將器件浸入液體電介質中，例如全氟三丁胺。前者的缺點是制備高質量的鈍化層難度較大，而后者則不是全固態(tài)器件，不便于使用。目前光導半導體開關的擊穿電壓遠小于其半導體材料的擊穿電壓并且導通工作電流較小，其原因有如下幾個1、開關的耐壓封裝技術有待改進，特別是激光入射面的絕緣保護，這主要涉及鈍化層的材料選擇與工藝技術，但研究表明，增加鈍化層會明顯縮短光導半導體開關的壽命；2、光導半導體開關的金屬電極與半導體材料之間的歐姆接觸技術有待改進，若偏置電壓過高或導通工作電流過大，電流密度也隨之增加，導致電極與半導體材料之間出現(xiàn)電流擁擠和隨之的焦耳熱，易發(fā)生燒毀；3、基片材料自身存在缺陷，例如存在微管道、位錯、小角晶界等缺陷，在這些缺陷處的電場較大時，易發(fā)生擊穿，缺陷的存在直接限制了光導半導體開關的面積的縮小，使得無法降低電流密度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足提供一種具有高擊穿電壓、大導通電流、低暗電流的光導半導體開關結構。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種光導半導體開關結構，包括基片，所述基片的頂端面設置有第一碳化硅薄膜，所述第一碳化硅薄膜的頂端面的兩側分別設置有電極，所述電極的頂端面設置有第二碳化硅薄膜，該第二碳化硅薄膜覆蓋于電極之間的間隙及電極的頂端面的部分區(qū)域。其中，所述第二碳化娃薄膜覆蓋所述電極頂端面面積的90%_95%。其中，所述第一碳化硅薄膜及第二碳化硅薄膜均為β -碳化硅薄膜。
其中，所述β-碳化硅薄膜為具有立方結構的β-碳化硅薄膜，電阻率大于IO5Ω.cm。其中，所述基片為娃基片、碳化娃基片、氧化招基片、神化嫁基片或者憐化鋼基片。其中，所述電極包括次接觸層及金屬薄膜層，所述次接觸層設置于金屬薄膜層外表面，所述次接觸層為n+-GaN層，所述金屬薄膜層為Ni/Ti/Au/Ti/Ni復合金屬層、Ni/Cr/Au/Cr/ Ni復合金屬層、Ni/Cr/ Ni復合金屬層、W/Ti/Ni/Ti/ W復合金屬層、TiN層、TiW層或者Ti/Al/Ti復合金屬層。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的一種光導半導體開關結構，相對于傳統(tǒng)的光導半導體開關，在電極的頂端面設置有一層第二碳化硅薄膜，采用一層第二碳化硅薄膜覆蓋于電極之間的間隙及電極的部分區(qū)域，利用其高暗電阻率、高擊穿電場的特點來降低暗電流，提高擊穿電壓。同時，第二碳化硅薄膜還用于傳輸輸出電脈沖，增加了與電極的接觸面積，與傳統(tǒng)光導半導體開關相比，導通電流可以從電極的兩個表面流通，從而降低了電流密度，降低了電極與碳化硅薄膜之間的界面電阻，使得所產生的熱量隨之減少，從而提高了光導半 導體開關的導通電流。本發(fā)明采用在電極的頂端面設置一層碳化硅薄膜以增加碳化硅薄膜與電極的接觸面積，從而使得導通電流可以從電極的兩個表面流通，同時實現(xiàn)光導半導體開關的擊穿電壓和導通電流的提高，以及暗電流的降低。


圖I為本發(fā)明的結構示意圖。圖2為在偏置電壓為33. 8kV，入射光能量為5mJ的條件下，本發(fā)明的輸出電脈沖波形圖。附圖標記包括
I 一基片 2—第一碳化娃薄膜 3—電極 4一第二碳化娃薄膜。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖I所示，本發(fā)明的一種光導半導體開關結構，包括基片I，所述基片I的頂端面設置有第一碳化硅薄膜2，所述第一碳化硅薄膜2的頂端面的兩側分別設置有電極3，所述電極3的頂端面設置有第二碳化硅薄膜4，該第二碳化硅薄膜4覆蓋于電極3之間的間隙及電極3的頂端面的部分區(qū)域。本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的光導半導體開關，在電極3的頂端面設置有一層第二碳化硅薄膜4，采用一層第二碳化硅薄膜4覆蓋于電極3之間的間隙及電極3頂端面的部分區(qū)域，其中，所述第一碳化硅薄膜2及第二碳化硅薄膜4均為β-碳化硅薄膜。β -碳化硅材料，例如3C-碳化硅薄膜，具有高暗電阻率，高擊穿電場等優(yōu)點。利用其高暗電阻率、高擊穿電場的特點來降低暗電流，提高擊穿電壓。同時，第二碳化硅薄膜4還用于傳輸輸出電脈沖，增加了與電極3的接觸面積，與傳統(tǒng)光導半導體開關相比，導通電流可以從電極3的兩個表面流動，從而降低了電流密度，降低了電極3與碳化硅薄膜之間的界面電阻，使得所產生的熱量隨之減少，從而提高了光導半導體開關的導通電流及擊穿電壓和，同時，降低了光導半導體開關的暗電流。
所述第二碳化硅薄膜4覆蓋所述電極3頂端面面積的90%_95%，使得導通電流可以從電極3的更大的表面積流通，另外，還有部分未被第二碳化硅薄膜4覆蓋的電極3的頂端面則用于與外電路的電氣連接。所述β -碳化硅薄膜為具有立方結構的β -碳化硅薄膜，電阻率大于105Ω ·αιι。其中，β -碳化硅薄膜可采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)、化學氣相沉積或者外延技術制備而得。α_碳化硅薄膜因其具有立方與六方混合結構而存在微管缺陷，會導致光導半導體開關過早地被擊穿，存在一定的缺陷性，而β -碳化硅薄膜具有純立方的結構，不存在微管缺陷，故擊穿電壓很高，此外還具有碳化硅材料普遍具有的高暗電阻率，高擊穿電場等優(yōu)點，因此采用β_碳化硅薄膜做為半導體材料的使用效果更佳。所述基片I為娃基片、碳化娃基片、氧化招基片、神化嫁基片或者憐化鋼基片。優(yōu)選的，所述基片I為6Η-碳化硅基片，6Η-碳化硅基片具有高熱導率、高暗電阻率和低介電常數(shù)等特點，成為耐高溫、耐高壓、大功率、抗輻照的半導體器件的優(yōu)選材料。所述電極3包括次接觸層及金屬薄膜層，所述次接觸層設置于金屬薄膜層外表 面，所述次接觸層為H+-GaN層，所述金屬薄膜層為Ni/Ti/Au/Ti/Ni復合金屬層、Ni/Cr/Au/Cr/ Ni復合金屬層、Ni/Cr/ Ni復合金屬層、W/Ti/Ni/Ti/ W復合金屬層、TiN層、TiW層或者Ti/Al/Ti復合金屬層。若偏置電壓過高或導通工作電流過大時，碳化硅薄膜與電極3之間會產生大量的熱量，從而燒毀光導半導體開關，而在金屬薄膜層外設置n+-GaN層則用于改善歐姆接觸，由于n+-GaN層的摻雜濃度為3X 1019，高摻雜率的n+_GaN層可吸收大量的空穴到電極3附近，從而降低電極3與碳化硅薄膜之間的接觸電阻，從而降低電極3與碳化硅薄膜之間產生的熱量，起到保護光導半導體開關的作用。本發(fā)明的光導半導體開關結構，基片I優(yōu)選6H-碳化硅基片，然后采用化學氣相沉積工藝在基片I的頂端面制備一層20mm厚的3C-碳化娃薄膜作為第一碳化娃薄膜2,將第一碳化硅薄膜2的頂端面與掩模板緊密貼合，其中，掩模板用于沉積薄膜時，對基片I的頂端面的局部或者全部面積進行遮擋，以控制薄膜沉積的區(qū)域，并采用有機金屬氣相外延單獨在電壓的負極的表面沉積一層n+-GaN層，之后更換掩模板，在電壓的正負極的表面均采用磁控派射依次沉積 Ni (75nm) /Ti (50nm) /Au (120nm) /Ti (50nm) /Ni (75nm)薄膜,之后再次更換掩模板，并采用有機金屬氣相外延單獨在電壓的負極的金屬薄膜層的表面沉積一層n+-GaN層，獲得電極3，接著在電極3的頂端面采用化學氣相沉積工藝制備一層20mm厚的3C-碳化硅薄膜作為第二碳化硅薄膜4，最后，采用金絲球焊工藝使得電極3未被第二碳化硅薄膜4覆蓋的部分區(qū)域與外部電路之間實現(xiàn)電氣連接，即光導半導體開關結構完成。如圖2所示，選用波長為1064nm、脈寬為70ns、能量5mJ的YAG倍頻激光器作為觸發(fā)源，脈沖電源提供偏置電壓脈沖，對1_電極3間隙的光導半導體開關進行實驗。圖2中，曲線I為偏置電壓脈沖曲線，縱坐標每一格表示10. OkV，偏置電壓脈沖的最高值為33. 8kV ；曲線3為電流曲線，縱坐標每一格表示100A，從左往右，曲線3的第一個峰是脈沖電源施加偏置電壓脈沖而形成的瞬態(tài)電流，第二個峰為光導半導體開關的導通電流，其電流值在大約4ms內超過600A，其中，圖2的橫坐標每一格表示10ms。由此可知，該光導開關可承受33. 8kV的偏置電壓，對應的偏置電場達到33. 8kV/mm ;在30kV偏置電壓下、4ms的時間內可通過600A的導通電流。本發(fā)明采用β -碳化硅薄膜覆蓋電極3之間的間隙及電極3的部分區(qū)域，以提高擊穿電壓、降低暗電流，β-碳化硅薄膜用于傳輸輸出電脈沖，增加了與電極3的接觸面積，降低兩者的界面電阻和隨之產生的熱量，從而提高導通電流。以上內容僅為本發(fā)明的較佳實施例 ，對于本領域的普通技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。
權利要求
1.一種光導半導體開關結構，包括基片(1)，所述基片(I)的頂端面設置有第一碳化硅薄膜(2)，所述第一碳化硅薄膜(2)的頂端面的兩側分別設置有電極(3)，其特征在于所述電極(3)的頂端面設置有第二碳化硅薄膜(4)，該第二碳化硅薄膜(4)覆蓋于電極(3)之間的間隙及電極(3)的頂端面的部分區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種光導半導體開關結構，其特征在于所述第二碳化硅薄膜(4)覆蓋所述電極(3)頂端面面積的90%-95%。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種光導半導體開關結構，其特征在于所述第一碳化娃薄膜(2)及第二碳化硅薄膜(4)均為β -碳化硅薄膜。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種光導半導體開關結構，其特征在于所述β-碳化硅薄膜為具有立方結構的β -碳化硅薄膜，電阻率大于IO5 Ω cm。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種光導半導體開關結構，其特征在于所述基片(I)為硅基片、碳化娃基片、氧化招基片、神化嫁基片或者憐化鋼基片。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種光導半導體開關結構，其特征在于所述電極(3)包括次接觸層及金屬薄膜層，所述次接觸層設置于金屬薄膜層外表面，所述次接觸層為n+-GaN層，所述金屬薄膜層為Ni/Ti/Au/Ti/Ni復合金屬層、Ni/Cr/Au/Cr/ Ni復合金屬層、Ni/Cr/ Ni復合金屬層、W/Ti/Ni/Ti/ W復合金屬層、TiN層、TiW層或者Ti/Al/Ti復合金屬層。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體器件技術領域，尤其涉及一種光導半導體開關結構，包括基片，所述基片的頂端面設置有第一碳化硅薄膜，所述第一碳化硅薄膜的頂端面的兩側分別設置有電極，所述電極的頂端面設置有第二碳化硅薄膜，該第二碳化硅薄膜覆蓋于電極之間的間隙及電極的頂端面的部分區(qū)域。本發(fā)明采用在電極的頂端面設置一層碳化硅薄膜以增加碳化硅薄膜與電極的接觸面積，從而使得導通電流可以從電極的兩個表面流通，同時實現(xiàn)光導半導體開關的擊穿電壓和導通電流的提高，以及暗電流的降低。
文檔編號H01L31/08GK102945887SQ201210522250
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權日2012年12月7日
發(fā)明者楊匯鑫, 胡剛 申請人:東莞市五峰科技有限公司