碳化硅嵌入式电极异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碳化硅嵌入式电极异面型光导开关。其包括掺钒碳化硅衬底(1)、上致密绝缘氧化层(2)、下致密绝缘氧化层(3)、上欧姆接触电极(4)和下欧姆接触电极(5)，该上致密绝缘氧化层(2)和下致密绝缘氧化层(3)分别淀积在掺钒碳化硅衬底(1)的正面和背面，掺钒碳化硅衬底的正面及其表面的上致密绝缘氧化层(2)所对应位置处开有上凹槽(6)，掺钒碳化硅衬底背面及其表面的下致密绝缘氧化层(3)所对应位置处开有下凹槽(7)，上欧姆接触电极(4)和下欧姆接触电极(5)分别嵌入到上凹槽(6)中和下凹槽(7)中。本发明专利技术具有导通电阻小，导通效率和载流子收集率高，边缘击穿少的优点，可用于高速脉冲系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子领域，尤其涉及一种电极异面型光导开关，可用于高速大功率脉冲系统中的开关。技术背景1974年由贝尔实验室的D.H.Auston制备了第一个光导开关，材料采用高阻Si，但Si禁带宽度小，临界击穿场强低，而且存在致命的热崩现象，不能得到高性能的开关；1976年由马里兰大学的H.L.Chi制备了第一个GaAs光导开关，一直到现在都是该领域的热点。随着宽禁带半导体材料制备技术的成熟，半绝缘碳化硅(SiC)由于它的宽带隙、高临界电场强度、高电子饱和速度和高热导率这些特点使得它是应用为高压光导开关的一种有吸引力的材料。文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 82,3107(2003)《4H-SiC photoconductive switching devices for use in high-power applications》”介绍了S.Dogan等人研究的环状电极间距为1mm的光导开关，但是耐压能力较低。文献“《异面结构GaAs光导开关耐压特性研究》”介绍了李寅鑫等人对间隙宽度为3mm的GaAs光导开关进行耐压测试实验，用SLVACO软件对异面电极结构的GaAs光导开关进行仿真分析，这也是首次在国内制作异面结构光导开关，如图4所示。该结构存在以下缺陷：一是由于一对欧姆接触电极分别做在衬底的正面和背面上，电极边缘处的光生载流子浓度很高，容易发生击穿现象，光导开关很难在工作情况下耐较高的电压，且电子和空穴的迁移率低，光导开关的导通速率慢，导通电阻大。二是开关尺寸大，影响电路的集成度和开关器件应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于避免上述已有技术存在的不足，提出一种碳化硅嵌入式电极异面型光导开关及其制作方法，以提高开关工作的耐压能力和导通速率，并减小器件尺寸。为实现上述目的，本专利技术的碳化硅嵌入式电极异面型光导开关，包括掺钒碳化硅衬底、上致密绝缘氧化层、下致密绝缘氧化层、上欧姆接触电极和下欧姆接触电极，其特征在于：上致密绝缘氧化层淀积在掺钒碳化硅衬底正面，下致密绝缘氧化层淀积在掺钒碳化硅衬底背面，掺钒碳化硅衬底的正面及其表面的上致密绝缘氧化层所对应位置处开有上凹槽，掺钒碳化硅衬底背面及其表面的下致密绝缘氧化层所对应位置处开有下凹槽，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极分别嵌入到上凹槽中和下凹槽中。为实现上述目的，本专利技术制作碳化硅嵌入式电极异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的样片进行清洗；(2)用磁控溅射铝膜作为刻蚀掩膜层，采用电感耦合等离子刻蚀法在清洗后的样片正面和背面进行台面刻蚀分别形成一个深度均为2～5μm，底面直径均为8～12mm的圆柱形上凹槽和下凹槽；(3)采用PECVD的方法在刻槽后的掺钒碳化硅衬底样片正面和背面分别淀积一层厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层；(4)分别在正面和背面的SiO2阻挡层上涂胶，用光刻版在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口图案，并用浓度为5％的HF酸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；(5)对阻挡层开窗后的样片正面和背面同时进行三次磷离子注入，注入的能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.931×1015cm-2、5.72×1015cm-2、3.4×1015cm-2，使掺钒碳化硅衬底正面和背面掺杂浓度均为2×1020cm-3；(6)离子注入完成后腐蚀掉样片正面和背面剩余的SiO2阻挡层，清洗样片表面的残留物；(7)在清洗残留物后的样片正面和背面涂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，以在样片正面和背面分别形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在900～1100℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除样片正面和背面的碳膜；(8)将去除正面和背面碳膜的样片在900～1100℃温度范围内进行4个小时的干氧氧化，在样片正面形成厚度为15～20nm的上致密绝缘氧化层，在样片背面形成厚度为15～20nm的下致密绝缘氧化层；(9)在样片上致密绝缘氧化层和下致密绝缘氧化层表面旋涂光刻胶，利用金属层的掩膜版作刻蚀阻挡层；用浓度为5％的HF酸腐蚀10秒，将掺钒碳化硅衬底正面和背面对应凹槽位置处的致密绝缘氧化层刻蚀掉，样片正面和背面刻蚀出的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域；(10)在开窗后的样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形；通过磁控溅射法分别在样片正面的上凹槽和背面的下凹槽中淀积厚度为80～100nm的金属Ni，在Ar气环境中升温至900～1100℃范围，保持10分钟后冷却至室温；(11)在冷却至室温的样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形；通过磁控溅射法分别在上凹槽和下凹槽中的Ni膜上淀积厚度为2～5μm的Au金属合金，通过超声波剥离形成金属电极，在样片正面的上凹槽中形成上欧姆接触电极，背面的下凹槽中形成下欧姆接触电极，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极的底面直径d均为8～12mm，厚度n均为2～6μm；再在Ar气环境中升温至450～600℃范围，保持5分钟后冷却至室温，完成碳化硅嵌入式异面型光导开关的制作。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1.本专利技术由于采用嵌入式欧姆接触电极，因而能够有效地将光照产生的载流子进行收集，避免了载流子在电极处的堆积造成局部电场过大，提前发生击穿的问题；同时由于提高了电极耐击穿的场强，器件的尺寸可以根据实际应用需求适当减小，以达到减小导通电阻的目的，且提高了在大规模集成电路设计方面的集成度；此外由于本专利技术并没有出现过多的工艺加工步骤，故价格相对便宜且工艺成熟，易于实现。2.本专利技术选用了圆柱体掺钒碳化硅衬底衬底，能够在衬底正面和背面制备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的边缘击穿现象。附图说明图1是本专利技术的剖面结构示意图；图2是图1的俯视示意图；图3是本专利技术制作方法的主要工艺流程示意图；图4是现有的异面型光导开关剖面示意图；具体实施方式参照图1，本专利技术的电极嵌入式异面型光导开关主要由掺钒碳化硅衬底1、上致密绝缘氧化层2、下致密绝缘氧化层3、上欧姆接触电极4、上欧姆接触电极5、上凹槽6和下凹槽7组成。碳化硅衬底1是在SiC材料中掺入钒原子形成的，掺入的钒原子在碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于碳化硅的异面型光导开关，包括掺钒碳化硅衬底(1)、上致密绝缘氧化层(2)、下致密绝缘氧化层(3)、上欧姆接触电极(4)和下欧姆接触电极(5)，其特征在于：上致密绝缘氧化层(2)淀积在掺钒碳化硅衬底(1)正面，下致密绝缘氧化层(3)淀积在掺钒碳化硅衬底(1)背面，掺钒碳化硅衬底(1)的正面及其表面的上致密绝缘氧化层(2)所对应位置处开有上凹槽(6)，掺钒碳化硅衬底(1)背面及其表面的下致密绝缘氧化层(3)所对应位置处开有下凹槽(7)，上欧姆接触电极(4)和下欧姆接触电极(5)分别嵌入到上凹槽(6)中和下凹槽(7)中。

【技术特征摘要】
1.一种基于碳化硅的异面型光导开关，包括掺钒碳化硅衬底(1)、上致密
绝缘氧化层(2)、下致密绝缘氧化层(3)、上欧姆接触电极(4)和下欧姆接触
电极(5)，其特征在于：上致密绝缘氧化层(2)淀积在掺钒碳化硅衬底(1)正
面，下致密绝缘氧化层(3)淀积在掺钒碳化硅衬底(1)背面，掺钒碳化硅衬底
(1)的正面及其表面的上致密绝缘氧化层(2)所对应位置处开有上凹槽(6)，
掺钒碳化硅衬底(1)背面及其表面的下致密绝缘氧化层(3)所对应位置处开有
下凹槽(7)，上欧姆接触电极(4)和下欧姆接触电极(5)分别嵌入到上凹槽(6)
中和下凹槽(7)中。
2.根据权利要求1所述基于碳化硅的异面型光导开关，其特征在于掺钒碳
化硅衬底(1)材料形状为圆柱体。
3.根据权利要求1所述基于碳化硅的异面型光导开关，其特征在于上欧姆
接触电极(4)和下欧姆接触电极(5)的底面直径d均为8～12mm，厚度n均为
2～6μm的圆柱形电极，以保证电极尺寸具有足够的电流容量及满足外部封装所必
须的电极尺寸。
4.根据权利要求1所述基于碳化硅的异面型光导开关，其特征在于上凹槽
(6)和下凹槽(7)均为底面直径是8～12mm，深度是2～5μm的圆柱形刻蚀槽。
5.一种制作基于碳化硅异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的碳化硅衬底样片进行清洗；
(2)用磁控溅射铝膜作为刻蚀掩膜层，采用电感耦合等离子刻蚀法在清洗
后的样片正面和背面进行台面刻蚀分别形成一个深度均为2～5μm，底面直径均为
8～12mm的圆柱形上凹槽和下凹槽；
(3)采用PECVD的方法在刻槽后的掺钒碳化硅衬底样片正面和背面分别
淀积一层厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层；
(4)分别在正面和背面的SiO2阻挡层上涂胶，用光刻版在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口图案，并用浓度为5％的HF酸腐蚀掉窗口
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；
(5)对阻挡层开窗后的样片正面和背面同时进行三次磷离子注入，注入的
能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.931×1015cm-2、...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭辉，梁佳博，蒋树庆，宋朝阳，张玉明，
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