[发明专利]一种双导通型碳化硅光导开关及其制备方法

说明书

本发明涉及一种双导通型碳化硅光导开关及其制备方法，该光导开关包括碳化硅衬底，碳化硅衬底的上表面的两侧分别设置有电极，电极与碳化硅衬底之间通过设置高掺杂的外延层或离子注入或退火形成欧姆接触，电极之间的电流通道区域上设置有图形化刻蚀处理的图形；当激光触发光导开关后，光生载流子使得光导开关产生第一次导通，电流通道区域上图形化刻蚀处理的图形引起表面闪络引起放电，产生第二次导通，实现一次激光触发两次导通。本发明提供的双导通型碳化硅光导开关通过图形化处理电极之间的电流通道区域，使得初级能量更加充分释放，并且一次触发两次导通，且在触发频率上有所提高。

技术领域

本发明涉及一种双导通型碳化硅光导开关及其制备方法，属于半导体器件制备技术领域。

背景技术

光导开关是一种通过光控制载流子的产生与复合来实现开关的导通和关闭状态的新型超快半导体器件，其工作时域可达到皮秒量级，是产生高功率超短脉冲的关键器件。作为脉冲功率系统中的新型开关器件，相对于传统的脉冲功率器件，光导开关具有重复频率性能好、闭合时间短(ps量级)、时间抖动小(ps量级)、开关电感低(亚纳亨)、同步精度高(ps量级)、电磁兼容性强等优点，使其在固态紧凑型脉冲功率源上有着较为广阔的应用前景。光导开关与传统的脉冲功率开关器件相同，需要工作在强电场的环境下。光生载流子的产生和输运是其导通的根本原因，因此光导开关所用的材料为高阻的半绝缘衬底。

伴随着材料的发展，从第一代半导体的硅材料到第二代半导体的砷化镓和磷化铟材料，第三代半导体的碳化硅、氮化镓等材料制备的光导开关，其性能越来越好，应用环境越来越广泛。材料的特性决定了开关的应用性能，例如砷化镓光导开关，当偏置电压增加到一定数值时，开关不需要较高的触发能量就可以进入高增益模式，利用激光二极管等小能量的光源去触发，就能够实现开关的导通。通过后续储能电路与激光二极管的匹配，使得砷化镓光导开关制备的脉冲功率设备向着高频小型化的方向发展。但是由于材料本身的特性，也对器件的可靠性产生了一定的影响。砷化镓材料热导率低，在高频率的情况下，内部热量不易传导，使其在开关表面以及内部形成不可恢复的热损伤，降低了器件的可靠性。砷化镓材料禁带宽度相对较小，因此耐压能力弱于禁带宽度大的半导体材料。

碳化硅作为第三代宽禁带半导体的代表，随着生长工艺的进一步完善，得到高质量的碳化硅衬底变得不再困难，因此高功率碳化硅光导开关也是一直以来研究的热点。此外，随着半导体工艺成熟化，外延其他半导体材料、制作新型电极结构等工艺手段也越来越多地被应用到光导开关的制备当中。各种因素的叠加作用，使得光导开关的可靠性越来越好，并且产生了一些新的物理现象。

对于正常半导体工艺制备的碳化硅光导开关来说，一个激光脉冲会产生一个电流电压波形，例如，中国专利文献CN101132030B提供一种高耐压碳化硅光导开关，该专利中光导开关采用相对面型设计，在经处理后的碳化硅抛光片的两面制作欧姆接触，形成两个电极；中国专利文献CN104681646B发明了一种碳化硅嵌入式电极平面型光导开关的制备方法，该光导开关自下而上为半绝缘碳化硅衬底、致密绝缘氧化层和SiO₂钝化层，在半绝缘碳化硅衬底上部两端及其表面上层的致密绝缘氧化层和SiO₂钝化层对应位置处开有两个深度均为2～5μm的凹槽，一对厚度均为3～7μm的欧姆接触电极分别嵌入到这两个凹槽中；中国专利文献 CN103681969B提供一种基于碳化硅衬底光导开关的制备方法，该发明以抛光后厚度为400μm 的SiC为衬底，其包括SiC衬底准备，热氧化生成SiO₂绝缘保护层，光刻刻蚀窗口，在高真空低温Ar气氛中，碳面沉积Ti电极，硅面沉积Ni电极，经Ar气氛中高温快速热处理后，小型离子溅射仪沉积Au保护薄膜，黏连铜电极后经透明Si₃N₄封装形成Au/Ti/SiC/Ni/Au异面正对极结构的光导开关。以上发明专利提供的光导开关都是基于一个激光脉冲产生一种电流电压波形的情况而制备的，对于某一特定频率的脉冲激光只能产生相同频率的触发电信号；对于初级储能为持续储能的情况，光导开关经过激光触发后只能进行一次放电，对于线性开关模式，存在初级储能未被利用的情况，能量利用率低。