某型低接触电阻率异面GaAs半导体光导开关的研究

摘要

光导开关(Photoconductive semiconductor switch，PCSS)也就是通过光控制导通与关断的半导体材料开关。光导开关是一种利用光能量激励半导体材料，使其电导率发生变化而产生电脉冲的光电转换器件。光导开关具有功率密度高（MW量级）、响应速度快（ps量级）、触发抖动低（ps量级）、抗电磁干扰能力强（良好的光电隔离）、体积小、易集成的优点。在大电流点火装置、拒止武器和高功率微波系统、精密时间同步、THz技术、瞬态测试、冲激雷达、电磁干扰与攻击系统等领域应用广泛。
　　光导开关诞生以后，研究人员就孜孜不倦的研究着不同用途的光导开关的体材料，对于材料的实验和研究从未停止。第一代半导体材料中的Si，第二代半导体材料中的GaAs，第三代半导体材料中的SiC都被广泛应用到光导开关中。
　　常温下GaAs的电子迁移率可达8500cm2/V·s，比Si和SiC都要高得多，载流子的寿命为0.1ns到10ns，实验数据表明，对于特定波长的光激励，GaAs光导开关的电压转换有着更高的效率。
　　光导开关的核心部分是重掺杂半导体有源区与多层金属经合金化形成电极的欧姆接触。电极接触电阻的大小直接决定了光导开关的开关速度、效率和增益等性能，因此准确的测量光导开关欧姆接触的参数是研究光导开关的先决条件。
　　欧姆接触性能的表征可以通过I-V特性曲线和接触电阻率测量来体现，也可以通过显微镜来扫描其形貌特征来直观表现。一个器件要想获得良好的性能，必须尽可能的降低器件电极的接触电阻率，从而减小接触上的压降，增大器件工作部分的压降。
　　本论文的研究工作是围绕GaAs光导开关的制作工艺和欧姆接触性能分析研究展开的。
　　论文叙述了光导开关的研究意义、结构和应用，在此基础上，介绍了光导开关的原理和欧姆接触的原理;通过对比和项目的要求确定了光导开关的衬底材料、电极金属体系和光导开关的结构;介绍了常见的欧姆接触电阻率测量的方法和光导开关的制作工艺;用圆点传输线测量方法对样品的接触电阻率进行了测量，用半导体电学特性测试仪测量了欧姆接触的I-V特性曲线，并且用AFM原子扫描显微镜对金属电极的形貌进行了扫描;论文最后对研究工作进行了总结和展望。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 光导开关的研究意义

1．2 光导开关的发展历史及现状

1．3 光导开关应用举例

1．3．1 PCSS在瞬态测试中的应用

1．3．2 PCSS在THz辐射方面的应用

1．3．3 PCSS在脉冲功率领域的应用

1．4 本论文的主要研究内容

第二章 光导开关的工作原理

2．1 光导开关的工作原理

2．1．1 光导开关的基本原理

2．1．2 光导开关的基本结构

2．1．3 光导开关的工作模式

2．2 光导开关衬底材料

2．2．1 材料特性对PCSS性能的影响

2．2．2 开关衬底材料介绍

2．2．3 半导体材料的比较

2．2．4 本文光导开关衬底材料的选择

2．3 本章小结

第三章 金半接触的原理及欧姆接触电阻率的测量方法

3．1 金属半导体接触

3．1．1 金半接触及其能级图

3．1．2 金半接触的整流理论

3．1．3 载流子输运机制

3．1．4 欧姆接触

3．2 欧姆接触电阻率及测量方法

3．2．1 接触电阻率

3．2．2 接触电阻率的测量方法

3．3 本章小结

第四章 欧姆接触电极的制作

4．1 欧姆接触金属体系的选择

4．1．1 欧姆接触金属体系的组成

4．1．2 欧姆接触金属系统的选择

4．1．3 光导开关结构的确定

4．2 欧姆接触电极的制作工艺

4．2．1 欧姆接触电极制作的流程图

4．2．2 芯片清洗工艺

4．2．3 光刻工艺

4．2．4 磁控溅射工艺

4．2．5 离子注入工艺

4．2．6 刻蚀与剥离工艺

4．2．7 退火工艺

4．3 本章小结

第五章 光导开关性能测试

5．1 欧姆接触电阻率测量分析

5．2 光导开关I-V特性曲线的测量

5．3 光导开关电极形貌扫描

5．4 光导开关热稳定性和附着力测试

5．5 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文