CN103178131B - 正对电极结构、SiC光导开关及其它们的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体器件领域，涉及一种正对电极结构、SiC光导开关及其它们的制造方法。本发明所述正对电极结构包括半绝缘SiC晶片、空心电极柱、半透明或透明电极层以及实心电极柱。其中，所述半绝缘SiC晶片为经过抛光处理的高纯半绝缘或者钒掺杂半绝缘的SiC晶片；所述半透明或透明电极层是Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)半透明电极结构或者透明导电薄膜，任选进行相应的退火；所述空心电极柱和实心电极柱优选分别为空心铝电极柱和实心铝电极柱。所述SiC光导开关通过使用特氟隆模具将本发明所述正对电极结构绝缘封装、并进行抽气封装获得。相比现有技术，本发明所述SiC光导开关可以增加开关通光面积，同时保证开关有较高的耐压值。

Description

正对电极结构、SiC光导开关及其它们的制造方法

技术领域

本发明属于半导体器件领域，涉及一种新型正对电极结构及其制造方法。此外，本发明还涉及包含该新型正对电极结构的SiC光导开关及其制造方法。

背景技术

光导开关全称为光控光导半导体开关(OpticallyControlledPhotoconductiveSemiconductorswitches——PCSS)是一种超快脉冲激光器与光电导体(如GaAs，InP，SiC等)相结合形成的一种新型开关器件。它的工作原理是利用超短激光脉冲在半导体材料中产生电子-空穴对，实现对材料电导率的控制，也就是控制开关闭合。与传统开关相比，它具有结构简单、响应速度快、触发稳定、无触发抖动、动态范围大、热容量和热传导性高、寄生电感低、灵敏度高、光电隔离好等优点，加上其耐高压及大电流承载能力，使之不但在超高速电子学、大功率脉冲产生与整形领域中得到广泛应用，成为传统开关最有希望的换代器件，而且在超宽带雷达、脉冲功率和高功率微波发生器、高速光探测器和调制器、光控微波和毫米波等领域也有着广泛的应用前景。光导开关的一个潜在应用是在新型的介质壁加速器，它被认为是加速器技术的一次革命，已引起普遍关注。它的关键部件包括高沿面强度绝缘介质壁、非对称脉冲形成线和快速低抖动闭合开关，其中开关器件的比较好的选择是超快光导开关。

与传统的制备光导开关的Si和GaAs材料相比，SiC具有大的禁带宽度，高临界击穿场强，高暗态电阻率、优异的自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PCSS的理想材料。

目前常见的SiC光导开关结构有以下两种：

(1)同面电极结构

图1为同面电极结构，即将两个电极制备在SiC衬底的同一个面上，电极之间为电流通道。这种结构的光导开关受表面加工、绝缘封装等影响较大，容易出现表面闪络现象，导致开关的击穿。为了避免表面闪络，往往需要增加电极间距，进而导致导通电阻变大。另外，因为开关的导通限制在表面的区域，开关导通时的电流密度会非常大。

(2)正对电极结构

图2为正对电极结构，即将电极制备在SiC衬底的正反两个面上，两个电极正对，电极之间为电流通道。激发光从开关的侧面入射。这种结构的光导开关更适合于制备高压开关。但是由于激发光光是通过衬底的侧面入射的，所以通光面积较小，导通电阻也会较大。

在本发明中，我们使用空心电极的正对结构开关，同时进行抽气的耐压封装。既可以保证开关的耐压，又可以增加光的通过面积。同时，由于该开关的激发可以使用绿光，随着绿光半导体激光器的发展，这也可以推动SiC光导开关的小型化应用。

发明内容

本发明的目的是增加SiC光导开关的耐压值，降低其导通电阻，为此本发明提供一种新颖、实用的正对电极结构，该结构包括：

半绝缘SiC晶片；

位于所述半绝缘SiC晶片上表面的空心电极柱；

位于所述半绝缘SiC晶片下方的实心电极柱；

位于所述半绝缘SiC晶片的上表面、与所述空心电极柱的空心区域相对应的半透明或透明电极层；以及

***所述半绝缘SiC晶片下表面和实心电极柱之间的电极层。

在本发明一个实施方式中，所述半绝缘SiC晶片为经过抛光处理的高纯半绝缘或者钒掺杂半绝缘的SiC晶片；优选沿着(0001)面进行切割所得的晶片无微管缺陷存在；更优选沿着(11-20)面或者(1-100)面进行切割所得的晶片无微管缺陷存在。

在本发明一个实施方式中，所述半透明或透明电极层是半透明或透明的Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)电极层。

在本发明一个实施方式中，所述***所述半绝缘SiC晶片下表面和实心电极柱之间的电极层为Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)电极层。

在本发明一个实施方式中，所述半绝缘SiC晶片的表面没有划痕，表面粗糙度Ra小于0.5nm。

本发明还提供一种制造所述正对电极结构的方法，所述方法包括：

(1)对高纯或钒掺杂半绝缘SiC单晶晶锭沿着(11-20)面、(1-100)面或者(0001)面进行切割获得的半绝缘的SiC晶片，优选沿着(0001)面进行切割所得的晶片无微管缺陷存在；更优选沿着(11-20)面或者(1-100)面进行切割所得的晶片无微管缺陷存在；

(2)对切割获得的半绝缘SiC晶片进行抛光处理；优选抛光步骤包括：使用金刚石磨料减薄，使用3μm的金刚石磨料进行粗抛，使用1μm的金刚石磨料进行粗抛，最后使用化学机械抛光的方法进行抛光；

(3)将经抛光处理的半绝缘SiC晶片进行清洗，优选按照RCA标准工艺(美国无线电公司研发的RCA(RadioCompanyofAmerica的缩写)清洗技术，所述RCA标准清洗法是1965年由Kern和Puotinen等人在N.J.Princeton的RCA实验室首创的，并由此而得名)进行清洗；

(4)在半绝缘的SiC晶片的下表面镀上Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)电极层，并进行退火，优选在1000℃下，在Ar气氛中快速退火两分钟；

(5)在半绝缘的SiC晶片的上表面镀上Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)半透明或透明电极层；

(6)将空心电极柱焊接在所述半透明或透明电极层上；以及

(7)将实心电极柱焊接在所述半绝缘的SiC晶片的下表面的电极层上。

本发明另一方面提供一种SiC光导开关，它包括本发明所述的正对电极结构。本发明制造SiC光导开关的方法包括：使用特氟隆模具将所述正对电极结构绝缘封装，并进行抽气。

本发明使用半绝缘SiC衬底作为开关的芯片。使用的半绝缘SiC包括高纯半绝缘SiC和掺杂半绝缘SiC(通常是钒掺杂，也可以是其它掺杂)，电阻率大于10⁵Ω·cm。SiC晶体中往往存在着微管缺陷，这些微管是沿着<0001>方向生长的，如果电流顺着微管方向，就很容易因其开关的提前击穿，不能发挥SiC晶体材料本身的优点。为了发挥SiC材料的优点，就需要使电流通道避开这些微管。由于同面的电极结构存在很多缺点，要实现开光的实用化，需要使用正对电极结构。为了克服正对电极结构中通光面积较小的缺点，我们将其中的一个电极制备成半透明的接触，同时该电极对应的电极柱使用空心结构，使激发光从中射入，这样既发挥正对电极结构的优点，又解决了通光面积不足的缺点。

另一方面，本发明SiC光导开关制备的具体步骤如下：

(1)对半绝缘SiC单晶晶锭沿着(11-20)面或者(1-100)面或者(0001)面进行切割，沿着(0001)面进行切割所得的晶片要求无微管缺陷存在，沿着(11-20)或者(1-100)面进行切割所得的晶片可以有微管。

(2)对所得晶片进行抛光，步骤包括：使用金刚石磨料减薄至一定厚度，使用3μm的金刚石磨料进行粗抛，使用1μm的金刚石磨料进行粗抛，最后使用化学机械抛光的方法进行抛光。要求经过抛光后的SiC晶片表面没有划痕，表面粗糙度Ra小于0.5nm。

(3)将所得晶片划为1.2cm×1.2cm的方片形状，使用RCA标准工艺进行清洗。

(4)将晶片的正面镀上Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)电极，电极为直径10mm的圆形，并在Ar气氛中进行快速退火，退火温度1000℃，退火时间2分钟。在晶片的反面镀上对激发光透明的导电薄膜(氧化锌等薄膜)或者使用模具镀上半透明的Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)电极，电极为8mm的圆形。

(5)将直径为10mm的实心Al电极柱焊接到晶片的正面，将内径7mm外径8mm的空心的Al电极柱焊接到晶片的反面。

(6)使用特氟龙模具对开关进行封装。封装材料使用环氧高分子绝缘材料，并混以15％的BaTiO₃，在0.5Pa气压下对封装过的开关进行除气处理，以抽取封装材料中的气泡。

附图说明

图1为现有技术中同面电极结构的示意图。

图2为现有技术中正对电极结构的示意图。

图3为本发明一个实施方式中的正对电极结构的示意图。

图4为本发明实施例1中正对电极结构所制得的SiC光导开关的测试结果。

图5是本发明实施例2(对比)中正对电极结构所制得的SiC光导开关的测试结果。

具体实施方式

实施例1(本发明)

使用(11-20)面的半绝缘SiC晶片，晶片使用步骤(2)所述方法抛光抛光后晶片厚度为0.4mm。将晶片切割为1.2cm×1.2cm的方片形状，并使用RCA标准工艺进行清洗。将晶片的其中一面镀上Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)电极，电极为直径10mm的圆形，并在Ar气氛中进行快速退火，退火温度1000℃，退火时间2分钟。在晶片的另一面使用模具镀上半透明的Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)电极，电极为8mm的圆形。将直径为10mm的实心Al电极柱焊接到晶片的正面，将内径7mm外径8mm的空心的Al电极柱焊接到晶片的反面。使用特氟龙模具对开关进行封装。封装材料使用环氧高分子绝缘材料，并混以15％的BaTiO₃，在0.5Pa气压下对封装过的开关进行除气处理，以抽取封装材料中的气泡。

使用532nm光激发，能量为每脉冲5mJ，重复频率10Hz的激光器进行激发，同时对开关的电压、电流、激发光进行测试，测试结果如图4所示。其中1为激光波形，2为电流波形，3为电压波形。实验表明，开关信号脉宽为20ns。开关耐压值达到5kV，即12.5kV/mm。

实施例2(对比)

使用(11-20)面的半绝缘SiC晶片，晶片使用步骤(2)所述方法抛光抛光后晶片厚度为0.4mm。将晶片切割为1.2cm×1.2cm的方片形状，并使用RCA标准工艺进行清洗。将晶片的两面均镀上Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)电极，电极为直径10mm的圆形，并在Ar气氛中进行快速退火，退火温度1000℃，退火时间2分钟。将直径为10mm的实心Al电极柱焊接到晶片的正反面。使用特氟龙模具对开关进行封装。封装材料使用环氧高分子绝缘材料，并混以15％的BaTiO₃，在0.5Pa气压下对封装过的开关进行除气处理，以抽取封装材料中的气泡。

使用532nm光激发，能量为每脉冲5mJ，重复频率10Hz的激光器进行激发，同时对开关的电压、电流、激发光进行测试，测试结果如图5所示。其中1为激光波形，2为电流波形，3为电压波形。实验表明，开关信号脉宽为20ns。开关耐压值达到5kV，即12.5kV/mm。与实施例1中的空心电极结构的正对电极结构开关相比，虽然无空心电极柱的常规正对电极结构具有相同的耐压值，但是同等激发条件下，开关被激发出的载流子明显偏少，所以相应的导通电流也偏小，开关的导通电阻变大。

Claims (11)

1.一种正对电极结构，该结构包括：

半绝缘SiC晶片；

位于所述半绝缘SiC晶片上方的空心电极柱；

位于所述半绝缘SiC晶片下方的实心电极柱；

位于所述半绝缘SiC晶片的上表面、与所述空心电极柱的空心区域相对应的半透明或透明电极层；以及

***所述半绝缘SiC晶片下表面和实心电极柱之间的电极层。

2.如权利要求1所述的正对电极结构，其特征在于，所述半绝缘SiC晶片为经过抛光处理的高纯半绝缘或者钒掺杂半绝缘的SiC晶片。

3.如权利要求2所述的正对电极结构，其特征在于，沿着(0001)面进行切割所得的晶片无微管缺陷存在。

4.如权利要求2所述的正对电极结构，其特征在于，沿着(11-20)面或者(1-100)面进行切割所得的晶片无微管缺陷存在。

5.如权利要求1所述的正对电极结构，其特征在于，所述半透明或透明电极层是半透明或透明的Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)电极层。

6.如权利要求1所述的正对电极结构，其特征在于，所述***所述半绝缘SiC晶片下表面和实心电极柱之间的电极层为Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)电极层。

7.如权利要求1所述的正对电极结构，其特征在于，所述半绝缘SiC晶片的表面没有划痕，表面粗糙度Ra小于0.5nm。

8.一种制造权利要求1-7任一项所述正对电极结构的方法，所述方法包括：

(1)对高纯或钒掺杂半绝缘SiC单晶晶锭沿着(11-20)面、(1-100)面或者(0001)面进行切割获得的半绝缘的SiC晶片；

(2)对切割获得的半绝缘SiC晶片进行抛光处理；

(3)将经抛光处理的半绝缘SiC晶片进行清洗；

(4)在半绝缘的SiC晶片的下表面镀上Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)电极层，并进行退火；

(5)在半绝缘的SiC晶片的上表面镀上Au(500nm)/Pt(100nm)/Ti(100nm)/Ni(50nm)半透明或透明电极层；

(6)将空心电极柱焊接在所述半透明或透明电极层上；以及

(7)将实心电极柱焊接在所述半绝缘的SiC晶片的下表面的电极层上。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述抛光处理包括：使用金刚石磨料减薄，使用3μm的金刚石磨料进行粗抛，使用1μm的金刚石磨料进行粗抛，最后使用化学机械抛光的方法进行抛光。

10.一种SiC光导开关，它包括权利要求1-7任一项所述的正对电极结构。

11.一种制造权利要求10所述SiC光导开关的方法，所述方法包括：使用特氟隆模具将权利要求1-7任一项所述正对电极结构绝缘封装，并进行抽气。