一种绝缘栅型光电导开关制造技术

本发明专利技术提供了一种绝缘栅型光电导开关，其包括：半绝缘衬底、该半绝缘衬底的上表面上制成的阳极、在该半绝缘衬底的下表面上制成的第一n型掺杂层、在该第一n型掺杂层上制成的p型掺杂层、在该p型掺杂层上制成的第二n型掺杂层、在该第二n型掺杂层上制成的阴极、朝向所述第一n型掺杂层竖直延伸且到达该第一n型掺杂层的一部分的多个凹槽、在该多个凹槽的底部和槽壁以及所述第二n型掺杂层上制成的绝缘层、以及在该多个凹槽的底部和槽壁上的绝缘层上制成的栅极和为确保该多个凹槽处的栅极彼此电连接而在位于所述第二n型掺杂层上的绝缘层的一部分上制成的栅极，其中阴极与栅极之间是电隔离的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，具体而言涉及一种新型光电导开关。
技术介绍
由超短脉冲激光触发的光电导开关(photoconductivesemiconductorswitch,缩写PCSS)是一种低抖动、超宽带、抗电磁干扰的高功率开关器件，按照光生载流子是否雪崩倍增分为两种工作模式——线性模式和高倍增模式(也称非线性模式或锁定模式)。传统的光电导开关由阳极、半绝缘衬底、阴极组成，所述半绝缘衬底通常是引入深能级杂质或缺陷对低电阻率的半导体晶体进行高度补偿而获得的，如铁掺杂的氮化镓(GaN:Fe)和钒掺杂的碳化硅(SiC:V)。以GaN材料为例，需要掺入浓度高达1017cm-3以上的Fe杂质，才能使GaN晶体的电阻率达到高阻水平，这样的GaN:Fe晶体才可以用作传统的光电导开关的半绝缘衬底。但是由于难以避免地存在高浓度的深能级，传统的光电导开关的暗态电阻呈现明显地非线性，以至于该开关的暗态漏电流随着直流偏置电压升高而显著增长，直至击穿。光电导开关在直流电压偏置下的漏电流问题限制了它的直流耐压能力，由于光生载流子的平均漂移速度通常正比于偏置电压，因此也限制了光电导开关输出的光电流峰值。此外，对于GaAs、InP材料制作的光电导开关，在高偏置电压下具有高倍增工作模式。该工作模式的显著优点是：由于光生载流子发生雪崩倍增，不但可以弱光触发，而且所得光电流脉冲的上升沿可远远快于触发光的上升沿，因此脉冲光源可以用成本低廉且便携性好的激光二极管，而不是昂贵笨重的功率脉冲激光器。该GaAs、InP材料制作的光电导开关的主要缺点是：进入高倍增工作模式后电流“锁定”，除非施加在半绝缘衬底上的偏置电场能快速降低至高倍增所需的阈值电场以下，否则该开关不能在纳秒甚至微秒量级内自行关断。对于上述的问题，现有的解决方案是：用占空比小的高压脉冲源作为光电导开关的偏置电压源，例如马克斯(Marx)电路，可以抑制光电导开关的暗态漏电流，并且可以强制GaAs、InP材料制作的光电导开关退出高倍增工作模式。但是，高压脉冲源通常含多个高功率器件，且要考虑它们之间传输线阻抗匹配的困难，因此这样的系统具有成本高且便携性较差的缺点，在需要高重复频率时这一缺点尤其明显。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型光电导开关，以改善上述的问题。本专利技术实施例提供了一种光电导开关器件，其包括：半绝缘衬底、该半绝缘衬底的上表面上制成的阳极、在该半绝缘衬底的下表面上制成的第一n型掺杂层、在该第一n型掺杂层上制成的p型掺杂层、在该p型掺杂层上制成的第二n型掺杂层、在该第二n型掺杂层上制成的阴极、朝向所述第一n型掺杂层竖直延伸且到达该第一n型掺杂层的一部分的多个凹槽、在该多个凹槽的底部和槽壁以及所述第二n型掺杂层上制成的绝缘层、以及在该多个凹槽的底部和槽壁上的绝缘层上制成的栅极和为确保该多个凹槽处的栅极彼此电连接而在位于所述第二n型掺杂层上的绝缘层的一部分上制成的栅极，其中阴极与栅极之间是电隔离的，通过设计所述第一n型掺杂层、所述p型掺杂层和所述第二n型掺杂层的浓度和厚度参数以确保所述第一n型掺杂层和所述p型掺杂层之间形成的反向p-n结的空间电荷区随偏置电压的增大而先扩展到所述的半绝缘衬底一侧，而不是先扩展到所述第二n型掺杂层。优选的，所述第二n型掺杂层上的阴极、绝缘层和栅极之间的位置关系是：所述阴极在所述第二n型掺杂层的表面上，所述绝缘层在所述阴极的表面上，所述栅极在所述绝缘层的表面上，此时所述凹槽是穿过所述阴极层、所述第二n型掺杂层和所述p型掺杂层以达到所述第一n型掺杂层的一部分内。优选的，所述第二n型掺杂层上的阴极、绝缘层和栅极之间的位置关系是：所述阴极在所述第二n型掺杂层的一部分表面上，所述绝缘层在所述第二n型掺杂层的未被阴极覆盖的表面上，所述栅极在所述绝缘层的表面上且与所述阴极之间有一定的间隔以确保电隔离，此时所述凹槽是穿过所述第二n型掺杂层和所述p型掺杂层以达到所述第一n型掺杂层的一部分内。优选的，所述第一n型掺杂层、所述p型掺杂层、所述第二n型掺杂层、所述绝缘层和所述栅极形成金属绝缘半导体场效应晶体管结构，其中每个金属绝缘半导体场效应晶体管单元的栅极是布置在所述凹槽底部的所述栅极，多个金属绝缘半导体场效应晶体管单元是电学并联关系。优选的，所述金属绝缘半导体场效应晶体管单元的个数、形状和排列方式的设计要求为：1)有利于减小光电导开关的电流密度；2)所述多个MISFET单元的总的沟道漏电流小；3)便于后续的封装工艺。优选的，第一n型掺杂层和p型掺杂层之间的反向p-n结的击穿电压阈值为所述光电导开关器件的额定直流偏置电压的0.1-0.9倍之间的任意值。有益效果：本专利技术的新型光电导开关改善了传统的光电导开关的直流暗态漏电流大的问题，因此与具有相同衬底的传统的纵向型光电导开关相比，其直流耐压更高且其光电流脉冲峰值更高。此外，本专利技术的光电导开关改善了以GaAs、InP材料制作的传统光电导开关在直流偏置下的电流锁定问题。因为本专利技术的新型光电导开关无需使用高压脉冲电源，例如马克斯电路，所以其具有系统成本低、易便携和重复工作频率高的优点。附图说明图1是本专利技术的新型光电导开关器件结构的一个示例性的局部剖面图；图2是示意性示出多个凹槽的布局及其电连接关系的一个实施例的图案；图3是示意性示出多个凹槽的布局及其电连接关系的另一个实施例的图案；图4是一种合理的触发信号时序；图5是另一种合理的触发信号时序；图6是脉冲激光从本专利技术的开关器件的阳极面入射的示意图；图7是脉冲激光从本专利技术的开关器件的半绝缘衬底的侧面入射的示意图。图中，1-阳极，2-阴极，3-栅极，4-绝缘层，6-半绝缘衬底(即激光触发区)，7-栅极触发区，9-脉冲激光，12-n型掺杂层，13-p型掺杂层，14-n型掺杂层。具体实施方式下面将结合本专利技术的附图和具体实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。图1是本专利技术的光电导开关器件结构的剖视图。如图1所示，本专利技术提供的光电导开关器件包括：半绝缘衬底6、该半绝缘衬底6的上表面上制成的阳极1、在该半绝缘衬底6的下表面上制成的n型掺杂层12、在该n型掺杂层12上制成的p型掺杂层13、在该p型掺杂层13上制成的n型掺杂层14、在n型掺杂层14上制成的阴极2、朝向n型掺杂层12竖直延伸且到达该n型掺杂层12的一部分的多个凹槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电导开关器件，其包括：半绝缘衬底、该半绝缘衬底的上表面上制成的阳极、在该半绝缘衬底的下表面上制成的第一n型掺杂层、在该第一n型掺杂层上制成的p型掺杂层、在该p型掺杂层上制成的第二n型掺杂层、在该第二n型掺杂层上制成的阴极、朝向所述第一n型掺杂层竖直延伸且到达该第一n型掺杂层的一部分的多个凹槽、在该多个凹槽的底部和槽壁以及所述第二n型掺杂层上制成的绝缘层、以及在该多个凹槽的底部和槽壁上的绝缘层上制成的栅极和为确保该多个凹槽处的栅极彼此电连接而在位于所述第二n型掺杂层上的绝缘层的一部分上制成的栅极，其中阴极与栅极之间是电隔离的，通过设计所述第一n型掺杂层、所述p型掺杂层和所述第二n型掺杂层的浓度和厚度参数以确保所述第一n型掺杂层和所述p型掺杂层之间形成的反向p‑n结的空间电荷区随偏置电压的增大而先扩展到所述的半绝缘衬底一侧，而不是先扩展到所述第二n型掺杂层。

【技术特征摘要】
2015.03.20 US 62/135920;2016.03.18 US 15/0745121.一种光电导开关器件，其包括：半绝缘衬底、该半绝缘衬底的上表
面上制成的阳极、在该半绝缘衬底的下表面上制成的第一n型掺杂层、在
该第一n型掺杂层上制成的p型掺杂层、在该p型掺杂层上制成的第二n
型掺杂层、在该第二n型掺杂层上制成的阴极、朝向所述第一n型掺杂层
竖直延伸且到达该第一n型掺杂层的一部分的多个凹槽、在该多个凹槽的底
部和槽壁以及所述第二n型掺杂层上制成的绝缘层、以及在该多个凹槽的
底部和槽壁上的绝缘层上制成的栅极和为确保该多个凹槽处的栅极彼此电
连接而在位于所述第二n型掺杂层上的绝缘层的一部分上制成的栅极，其
中阴极与栅极之间是电隔离的，通过设计所述第一n型掺杂层、所述p型
掺杂层和所述第二n型掺杂层的浓度和厚度参数以确保所述第一n型掺杂层
和所述p型掺杂层之间形成的反向p-n结的空间电荷区随偏置电压的增大
而先扩展到所述的半绝缘衬底一侧，而不是先扩展到所述第二n型掺杂层。
2.根据权利要求1所述的光电导开关器件，其特征在于，所述第二n
型掺杂层上的阴极、绝缘层和栅极之间的位置关系是：所述阴极在所述第
二n型掺杂层的表面上，所述绝缘层在所述阴极的表面上，所述栅极在所
述绝缘层的表面上，此时所述凹槽是穿过所述阴...

【专利技术属性】
技术研发人员：王馨梅，苏迪普·凯·马祖姆德，施卫，
申请(专利权)人：西安理工大学，伊利诺伊大学董事会，
类型：发明
国别省市：陕西;61