高功率异面电极嵌入式台面型光导开关及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种高功率异面电极嵌入式台面型光导开关及其制作方法。该光导开关，包括掺钒碳化硅衬底(1)和一对欧姆接触电极(5,6)，其中掺钒碳化硅衬底(1)的一边为45°±2°的斜边，作为倾斜入射台面(2)；该掺钒碳化硅衬底(1)的上表面和斜边表面淀积有上氮化硅层(7)，掺钒碳化硅衬底(1)的下表面淀积下氮化硅层(8)，用于减少入射光在表面的反射，增加器件的耐压能力；该掺钒碳化硅衬底(1)的上部开有上凹槽(3)，掺钒碳化硅衬底(1)的下部开有下凹槽(4)，一对欧姆接触电极(5,6)分别嵌在这两个凹槽中。本发明专利技术具有边缘击穿少，载流子收集率高等优点，可用于高功率脉冲系统中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子领域，有其涉及一种高功率光导开关，可用于高速大功率脉冲系统中。技术背景光导开关作为一种光控开关器件，在功率电路领域应用广泛。光导开关利用半导体的光电效应达到控制电路通断的作用。一般光导开关所使用的材料为高阻半导体材料(高纯半导体或者互补掺杂所制作的半绝缘材料)，当光照射到材料时，材料内部产生光生载流子，光生载流子在外部电压的作用下漂移形成电流，表现在外电路上就是光导开关所等效的大电阻阻值降低，当光波长和功率达到阈值时光导开关的电阻值降到极低，此时光导开关导通。与传统的制备光导开关的Si和GaAs相比，SiC具有大的禁带宽度，高临界击穿电场、高暗态电阻率、优异的自然散热性能以及超短的载流子寿命等优点，使其成为制备大功率光导开关的理想材料。由西安电子科技大学梁佳博等申请的专利“201510098787.4碳化硅嵌入式电极异面型光导开关及其制作方法”中提出一种新结构光导开关，通过开孔、离子注入制作嵌入式电极，一定程度上增大了光导开关耐压能力，减小了导通电阻。但是实际制作过程中，由于碳化硅衬底自身原因，光导开关边缘受光处容易发生空气击穿，使光导开关难以工作在较高电压条件下，另外入射光垂直于器件侧壁射入不利于光子的吸收，从而导通速率慢，导通电阻大，使得需要开启器件的光功率大，增加了开关损耗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术不足，提出一种高功率异面电极嵌入式台面型光导开关及其制作方法，以降低开关损耗、提高导通速率与器件耐压能力。为实现上述目的，本专利技术包括：掺钒碳化硅衬底和一对欧姆接触电极，其特征在于：掺钒碳化硅衬底的一边为45°±2°的斜边，作为倾斜入射台面；掺钒碳化硅衬底的上表面和斜边表面淀积有上氮化硅层，掺钒碳化硅衬底的下表面淀积下氮化硅层，用于减少入射光在表面的反射，同时增加器件的耐压能力；掺钒碳化硅衬底的上部开有上凹槽，掺钒碳化硅衬底的下部开有下凹槽，一对欧姆接触电极分别嵌在这两个凹槽中。作为优选，所述两个凹槽，自表面上的氮化硅层到掺钒碳化硅衬底的深度均为3～5μm。作为优选，掺钒碳化硅衬底的形状为圆柱体或长方体。为实现上述目的，本专利技术制作高功率异面电极嵌入式台面型光导开关的方法，包括如下步骤：1)对掺钒浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3的碳化硅衬底进行清洗，去除表面污染物；2)在清洗后的掺钒碳化硅衬底右侧进行倒角，形成45°±2°斜面，并对此斜面采用化学机械抛光CMP，使其形成粗糙度为Ra≤0.01的光滑入射台面；3)用磁控溅射方法在衬底上表面、入射台面以及下表面溅射铝膜作为干法刻蚀的掩膜层，再采用电感耦合等离子体刻蚀ICP法在衬底的上下表面分别刻蚀形成深度为3～5μm，底面直径为8～12mm的圆柱形上凹槽和下凹槽；4)采用等离子增强化学气相淀积PECVD的方法在刻槽后的掺钒碳化硅衬底样品上表面、入射台面以及下表面上淀积厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层；5)在阻挡层上涂光刻胶，用光刻胶在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口图案，并用HF酸溶液腐蚀掉窗口图案位置下的阻挡层，阻挡层表面所开窗口即为离子注入的窗口，并去胶清洗；6)在离子注入窗口的衬底上表面和下表面进行三次磷离子注入，注入能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.9×1015cm-2，5.7×1015cm-2，3.4×1015cm-2，形成上、下表面掺杂浓度均为2×1020cm-2的样片；7)离子注入完成后腐蚀掉样片表面剩余的SiO2阻挡层，清洗样片表面的残留物；8)在清洗残留物后的样片上表面、倾斜台面以及下表面涂BN310负胶，将该样片置于300℃～400℃温度环境中加热90分钟进行碳膜溅射；然后在1550℃～1750℃温度范围内退火10分钟，以在样片表面形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在900℃～1100℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除样片上表面、倾斜台面以及下表面的碳膜；9)将去除碳膜的样品在300℃～400℃范围内进行等离子增强化学气相淀积PECVD工艺，在样片上表面、入射台面以及下表面淀积70～80nm厚的氮化硅，作为减反层；10)在氮化硅减反层上旋涂光刻胶，利用金属层的掩膜版作刻蚀阻挡层；然后用熔融的NaOH溶液腐蚀10分钟，将衬底的上凹槽和下凹槽对应位置处的氮化硅减反层刻蚀掉，刻蚀出的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域；11)在开窗后的样片上表面、入射台面以及下表面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形；通过磁控溅射分别在样片的两个凹槽中淀积厚度为80～100nm的金属Ni，在Ar气环境中升温至900℃～1100℃，退火10分钟后冷却至室温；12)在冷却至室温的样片上表面、入射台面和下表面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形，并通过磁控溅射法分别在两个凹槽中淀积厚度为3～5μm的Au薄膜，通过超声波剥离形成金属电极，再在Ar气环境中升温至450℃～650℃，退火5分钟后冷却至室温，完成整个器件的制作。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1.通过采用氮化硅减反层代替致密氧化层和SiO2钝化层，只需一步工艺即可实现，减少了工艺步骤，降低了制造难度，并且氮化硅具有比SiO2更高的介电常数，能有效提高较大脉冲输入时器件的耐压能力。2.将碳化硅衬底单侧倒角形成光滑台面，并增加增反层，使入射光在器件内形成全反射，提高了入射光光程，降低开启光功率，有效降低开关损耗，同时避免了器件边缘发生空气击穿，提高了器件的可靠性。3.本专利技术选用了圆柱体或长方体掺钒碳化硅衬底，能够在衬底上表面和下表面制得一对圆柱形欧姆接触电极，该形状的欧姆接触电极可以有效减少光导开关金属电极与衬底边缘的击穿现象。附图说明图1是本专利技术采用圆柱体衬底或长方体衬底的光导开关剖面结构示意图；图2是圆柱体衬底光导开关的俯视图；图3是长方体衬底光导开关的俯视图；图4是本专利技术制作光导开关的工艺流程示意图。具体实施方式参照图1、图2和图3，本专利技术的高功率异面电极嵌入式台面型光导开关由掺钒碳化硅衬底1、倾斜入射台面2、上凹槽3、下凹槽4、上欧姆接触电极5、下欧姆接触电极6、上氮化硅减反层7与下氮化硅减反层8组成。碳化硅衬底1是在碳化硅材料中掺入钒原子形成的，掺入的钒原子在碳化硅衬底1中既可以作为施主原子也可以作为受主原子。倾斜入射台面2是在掺钒碳化硅衬底右侧进行倒角形成45°±2°的台面，上氮化硅减反层7是在掺钒碳化硅衬底1上表面和倾斜入射台面2上淀积形成的，下氮化硅减反层8是在掺钒碳化硅衬底1的下表面淀积形成的。上凹槽3是刻蚀在掺钒碳化硅衬底1的上表面，下凹槽4是刻蚀在掺钒碳化硅衬底1的下表面，上凹槽3与下凹槽4的深度均为3～5μm、底面直径均为8～12mm。上欧姆接触电极5和下欧姆接触电极6分别嵌入在上凹槽3与下凹槽4中。上欧姆接触电极5和下欧姆接触电极6的底面直径均为8～12mm，厚度n均为3～5μm。当入射光垂直照射到倾斜入射台面2上时，由于光波导的原因，这种台面可使入射光在器件内形成全反射，提高了入射光的光程，增大了材料对光的吸收面积，从而可以产生更多的光生载流子，嵌入在两个凹槽3,4的欧姆电极5,6将产生的光生载流子收集起来，以在器件内形成大电流，该大电流在外电路中等本文档来自技高网...

【技术保护点】
高功率异面电极嵌入式台面型光导开关，包括掺钒碳化硅衬底(1)和一对欧姆接触电极(5,6)，其特征在于：掺钒碳化硅衬底(1)的一边为45°±2°的斜边，作为倾斜入射台面(2)；掺钒碳化硅衬底(1)的上表面和斜边表面淀积有上氮化硅层(7)，掺钒碳化硅衬底(1)的下表面淀积下氮化硅层(8)，用于减少入射光在表面的反射，同时增加器件的耐压能力；掺钒碳化硅衬底(1)的上部开有上凹槽(3)，掺钒碳化硅衬底(1)的下部开有下凹槽(4)，一对欧姆接触电极(5,6)分别嵌在这两个凹槽(3,4)中。

【技术特征摘要】
1.高功率异面电极嵌入式台面型光导开关，包括掺钒碳化硅衬底(1)和一对欧姆接触电极(5,6)，其特征在于：掺钒碳化硅衬底(1)的一边为45°±2°的斜边，作为倾斜入射台面(2)；掺钒碳化硅衬底(1)的上表面和斜边表面淀积有上氮化硅层(7)，掺钒碳化硅衬底(1)的下表面淀积下氮化硅层(8)，用于减少入射光在表面的反射，同时增加器件的耐压能力；掺钒碳化硅衬底(1)的上部开有上凹槽(3)，掺钒碳化硅衬底(1)的下部开有下凹槽(4)，一对欧姆接触电极(5,6)分别嵌在这两个凹槽(3,4)中。2.根据权利要求1中所述高功率异面电极嵌入式台面型光导开关，其特征在于：两个凹槽自表面上的氮化硅层(7,8)到掺钒碳化硅衬底(1)的深度均为3～5μm。3.根据权利要求1中所述高功率异面电极嵌入式台面型光导开关，其特征在于：掺钒碳化硅衬底(1)材料形状为圆柱体或长方体。4.高功率异面电极嵌入式台面型光导开关的制作方法，包括如下步骤：1)对掺钒浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3的碳化硅衬底进行清洗，去除表面污染物；2)在清洗后的掺钒碳化硅衬底右侧进行倒角，形成45°±2°斜面，并对此斜面采用化学机械抛光CMP，使其形成粗糙度为Ra≤0.01的光滑入射台面；3)用磁控溅射方法在衬底上表面、入射台面以及下表面溅射铝膜作为干法刻蚀的掩膜层，再采用电感耦合等离子体刻蚀ICP法在衬底的上下表面分别刻蚀形成深度为3～5μm，底面直径为8～12mm的圆柱形上凹槽和下凹槽；4)采用等离子增强化学气相淀积PECVD的方法在刻槽后的掺钒碳化硅衬底样品上表面、入射台面以及下表面上淀积厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层；5)在阻挡层上涂光刻胶，用光刻胶在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口图案，并用HF酸溶液腐蚀掉窗口图案位置下的阻挡层，阻挡层表面所开窗口即为离子注入的窗口，并去胶清洗；6)在离子注入窗口的衬底上表面和下表面进行三次磷离子注入，注入能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.9×1015cm-2，5.7×1015cm-2，3.4×1015cm-2，形成上、下表面掺杂浓度均为2×1020cm-2的样片；7)离子注入完成后腐蚀掉样片表面剩余的SiO2阻挡层，清洗样片表面的残留物；8)在清洗残留物后的样片上表面、倾斜台面以及下表面涂BN310负胶，将该样片置于300℃～400℃温度环境中加热90分钟进行碳膜溅射；然后在1550℃～1750℃温度范围内退火10分钟，以在样片表面形成厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭辉，张晨旭，张玉明，杨佳奇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61