半导体光电导开关及其制备方法技术

本发明专利技术为半导体光电导开关，为半导体器件，解决已有器件开关电流导通截面积小，传输电流不均匀的问题。衬底（１）的上、下表面（２）、（３）各有掺杂接触层（４）、（５），两掺杂接触层（４）、（５）内端长度Ｌ之间的纵向截面为倾斜的电流传输面Ｓｃ，掺杂接触层（４），（５）上有难熔金属接触层构成的电极（６）、（７）、难熔金属接触层电极（６）、（７）上各有电极引线（８）、（９），衬底（１）的上、下表面（２）、（３）各有上、下台阶（１３）、（１４）掺杂接触层（４）、（５）覆盖台阶（１３）、（１４）表面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可以在大功率、高电压、超宽带、超短、电磁脉冲微波源及电子电路中用作超快开关的半导体器件。
技术介绍
高功率超短电磁脉冲微波源，超宽带脉冲发生器，瞬间辐射电磁武器等系统中不断需求转换快，抖动小，不受电磁干扰高重复率工作的大功率高增益高速开关装置。半导体光电导开关(PCSS)代表着具有满足这些需求潜力的新一类开关器件。为了简化，这类开关器件被称为PCSS。PCSS是利用超快脉冲激光与光电半导体相结合而形成的新型器件。其基本原理是利用超短激光脉冲在光电半导体衬底材料中产生电子一空穴对来实现对材料电导率的光调制。光脉冲照射时光电半导体材料呈现高电导率，光脉冲过后，半导体材料的电阻便恢复到高阻状态。这种电导的转换相同于普通开关装置从闭合状态转换到断路状态。一种现有技术的PCSS[1]如图1所表明，PCSS 100包括高电阻率半导体(如GaAs，InP等)衬底102，在该衬底的两个表面104和106上形成多层难熔金属欧姆接触层118和120(简称为平面电极)，夹在118和120之间的空间G(116)是PCSS的隔离间隙，金属引出电极122和124之间可加直流高电压。衬底102其间隙116的表面104和106是平行的水平状表面，金属接触层118和120之间的距离(即间隙的长度)LG从0.2mm到3cm。高电阻衬底102的电阻率大小与LG的长短决定了100光导开关的高电压承受能力。例如3XE7ΩCnGaAs材料制成PCSS，当LG＝2.5mm时，118和120两电极间可以承受30000伏的直流高电压，在116区内无脉冲激光照射时，其隔离电阻RG可高达数百兆欧姆，100光导开关处于<断路>状态。在间隙116用超快脉冲激光照射时，利用PCSS的快速响应特征，100光导开关处于<闭路>(即导通)状态。在负载匹配的情况下，获得纳秒级(ns)或皮秒(ps)级上升下降时间的高功率微波输出。用波长为800～904nm的超快脉冲激光从102衬底的顶表面104单一方向照射驱动开关装置100来实现对半导体衬底材料电导率的调制，常规结构开关具有皮秒(ps)级上升/下降时间，GHz的重复率，耐高压及大电流承载能力，在高功率超短电磁脉冲微波源，超宽带脉冲发生器等脉冲功率系统得到广泛应用。在这种常规结构的光导开关中，116间隙区内电场呈现非均匀分布。光照射面104局部电场集中处，易出现低电压表面击案，118欧姆接触电极与116间隙交界处C出现电流集中。在118和120电极之间出现丝状传输电流，可导致电极接触的退化和半导体内的损伤。在这类开关中，电流传输的纵向截面Sc狭小，开关导通的均匀性较差，不具有热沉装置，光导材料中的热耗散受限制。用现有技术制造的常规结构的光导开关100存在着耐压不高，热稳定性不好，开关寿命较短的不足之处需要改进。图3所示200开关装置[2]是100的改进了常规结构，图3、4所示是图1、2的一种改进的现有技术。图3中各个数码标记所示内容与图1相同(例如202与102，216与116，218与118…..)。在200中增加了226和228，n+或p+掺杂接触层，由于200采用n+-i-p+或n+-i-n+结构，使100结构C处的电流集中得到缓解，电流纵向截面积Sc、开关导通的均匀性和寿命有改善。但216间隙区的光照面与金属接触电极218仍然是处于同一水平状表面(简称为平面电极)，间隙区内电场呈非均匀分布，丝状电流，光导开关导通电流传输的纵向截面Sc小，热容量小等因素仍然存在使光导开关的耐高压能力、长工作寿命、热稳定性受到制约。仍然有这样的需要，光导开关间隙区内电场呈均匀分布，丝状电流扩展为平面均匀传输电流，光导开关电流导通截面积增大数倍到数十倍量级，热容量有一个数量级的增大。专利技术的内容本专利技术的目的是提供一种半导体光电导开关，它具有耐高压、寿命长，热稳性高的特点。本专利技术的又一个目的是提供上述半导体光电导开关的制造方法。本专利技术是这样实现的本专利技术半导体光电导开关，衬底1的上、下表面2、3各有掺杂接触层4、5，两掺杂接触层4、5内端长度L之间的纵向截面为倾斜的电流传输面Sc，掺杂接触层4、5上有难熔金属接触层构成的电极6、7、难熔金属接触层电极6、7上各有电极引线8、9，衬底1的上、下表面2、3各有斜向上、下台阶13、14，掺杂接触层4、5覆盖台阶13、14表面，掺杂接触层4、5内端长度为台阶13、14的斜向长度。台阶与电极夹角为α，90°＜α＜180°，优选100°＜α＜150°。上、下台阶13、14为相互平行的平面。掺杂接触层4、5分别为n、p掺杂层，分别为光电开关的阴电极6和阳电7的组成部分。上、下台阶13、14的高度HG为1-200微米，优选50-100微米。上、下台阶13、14的水平间距LG为0.1-50mm。上、下台阶13、14与水平面的交线为直线或曲线。衬底1的上、下表面至少有一面与带通光孔10的陶瓷片11紧密连接。半导体光电导开关制造方法，包括如下步骤a.在衬底1的上、下表面各蚀刻一个台阶，衬底1为单晶半导体，台阶由斜面构成，斜面为平面或曲面，与水平面夹角为定值，两台阶平行，b.在上表面的台阶表层用800℃热扩法形成n掺杂接触层，下表面的台阶用500℃下，Zn蒸汽热扩散形成P掺杂接触层，或者用离子注入与热退火法在上、下表面台阶分别形成n与P掺杂接触层，c.在n与P掺杂接触层的水平面上淀积多层难熔金属形成接触层，分别与掺杂接触层构成阴、阳电极。衬底1的上、下表面中的至少一个面紧密连接带有通光孔的AIN陶瓷片。本专利技术的半导体光电导开关结构简单，制造容易，成本低廉，电流导通纵向截面积大，电流在电极之间传输均匀，热稳定性好，耐高压，使用寿命长。附图说明图1说明现有技术PCSS的主视图，图2是现有技术的PCSS的俯视图。图3是一种改进的现有技术的主视图。图4是图3的俯视5是本专利技术的主视图。图6是图5的俯视图。图7是图5的左视图。图8是本专利技术的结构图，包括了光导开关设备的主构件。具体实施例方式在高电阻率半导体衬底1的上表面2和下表面3上各刻蚀了一个异面台阶13、14，并在台阶区掺入不同类型杂质，然后在掺杂台阶的底部形成欧姆接触金属电极6、7，完成PCSS芯片制造。然后PCSS芯片至少有一表面与陶瓷热沉11紧密连接。激光二极管阵列经光纤偶合，从双面直接照射到台阶上，驱动光导开关装置。本专利技术比起已有技术的PCSS来有下述优点。首先，在两个异面台阶电极之间的间隙隔离区内形成平行平面均匀分布电场，光导开关导通电流纵向截面增大5倍以上，光导开关导通电流由丝状扩展为均匀平面状，可消除电流集中。“LOCK-ON”效应也可减到最小。热容量增大约一个数量级。参考图5和图6，本专利技术包括一个高电阻率半导体衬底1，它具有上表面2和下表面3，衬底1包括两个蚀刻在上表面2和下表面3上的台阶13和14，台阶13、14其形状相同，面积相等，台阶13、14在下述表达中简称为异面台阶。图6中，台阶14是用虚线多边形所限定的区域。衬底1上，台阶13、14之间的空间称为间隙隔离区。在两个异面台阶选定的区域内掺入不同类型杂质，构成掺杂接触层4、5，在衬底1上掺杂接触层4、5选定的区域内，本文档来自技高网...

【技术保护点】
半导体光电导开关，衬底（１）的上、下表面（２）、（３）各有掺杂接触层（４）、（５），两掺杂接触层（４）、（５）内端长度Ｌ之间的纵向截面为倾斜的电流传输面Ｓｃ，掺杂接触层（４）、（５）上有难熔金属接触层构成的电极（６）、（７）、难熔金属接触层电极（６）、（７）上各有电极引线（８）、（９），其特征在于衬底（１）的上、下表面（２）、（３）各有斜向上、下台阶（１３）、（１４），掺杂接触层（４）、（５）覆盖台阶（１３）、（１４）表面，掺杂接触层（４）、（５）内端长度为台阶（１３）、（１４）的斜向长度。

【技术特征摘要】
1.半导体光电导开关，衬底(1)的上、下表面(2)、(3)各有掺杂接触层(4)、(5)，两掺杂接触层(4)、(5)内端长度L之间的纵向截面为倾斜的电流传输面Sc，掺杂接触层(4)、(5)上有难熔金属接触层构成的电极(6)、(7)、难熔金属接触层电极(6)、(7)上各有电极引线(8)、(9)，其特征在于衬底(1)的上、下表面(2)、(3)各有斜向上、下台阶(13)、(14)，掺杂接触层(4)、(5)覆盖台阶(13)、(14)表面，掺杂接触层(4)、(5)内端长度为台阶(13)、(14)的斜向长度。2.根据权利要求1所述的半导体光电导开关，其特征在于台阶与电极夹角为α，90°＜α＜180°，优选100°＜α＜150°。3.根据权利要求1所述的半导体光电导开关，其特征在于上、下台阶(13)、(14)为相互平行的平面。4.根据权利要求1所述的半导体光电导开关，其特征在于掺杂接触层(4)、(5)分别为n、p掺杂层，分别为光电开关的阴电极(6)和阳电(7)的组成部分。5.根据权利要求1所述的半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡思福，胡刚，
申请(专利权)人：胡思福，胡刚，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]