一种堆栈结构的激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关

摘要

本发明公开了一种堆栈结构的激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关，包括SiC衬底、GaN基层、厚度不均匀的AlGaN层、高浓度GaN掺杂层和欧姆接触金属层，GaN基层与AlGaN层构成势阱结构，不同厚度的AlGaN层堆栈结构通过刻蚀实现，掺杂层为AlGaN层上生长的一层高掺杂浓度n

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件应用领域，具体来说涉及一种堆栈结构的激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关。

背景技术

在高新装备（如电磁脉冲模拟器等）、物理研究、工业需求等的推动下，固态脉冲功率技术受到广泛关注，各主要技术强国均投入大量人力物力开展相关研究工作，取得了多项里程碑式的技术进步，其应用领域也获得迅速拓展。固态脉冲功率技术主要朝着高重复频率、高平均功率、小型化、模块化、长使用寿命的方向发展。目前，高重复频率、高平均功率固态脉冲功率源技术研究已经成为脉冲功率技术研究领域的热点，列入美国多个重点国家科技计划。发展高重复频率、高平均功率、高能量密度的固态脉冲功率装置，开关是最关键的器件。

与其它固体开关（如功率半导体开关、半导体断路开关、磁开关等）相比，激光触发大功率半导体开关具有体积小，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，使激光触发大功率半导体开关在固态紧凑型脉冲功率源上有着较为广阔的应用前景。

但是，目前制作的激光触发大功率GaN基开关功率和寿命均较低，这主要由于激光触发大功率GaN基开关导通电阻较大所导致。激光触发大功率GaN基开关较大的导通电阻会导致开关工作状态下焦耳加热现象的发生，造成激光触发大功率GaN基开关两电极间电场分布不均匀状况加剧，进而导致激光触发大功率GaN基开关的热损伤和热击穿，严重降低激光触发大功率GaN基开关的寿命。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上，一种新型堆栈结构激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关，通过制作堆栈结构激光触发大功率GaN基开关，可有效降低激光触发大功率GaN基开关的导通电阻，大大提高开关寿命。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术手段：

一种堆栈结构的激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关，包括： SiC衬底、GaN基层、厚度不均匀的AlGaN层、高浓度GaN掺杂层和欧姆接触金属层；

所述GaN基层与AlGaN层构成势阱结构，所述AlGaN层通过MOCVD的方法外延生长在所述GaN基层上，不同厚度的AlGaN层堆栈结构通过刻蚀实现；

所述掺杂层为AlGaN层上生长的一层高掺杂浓度n⁺-GaN层，

所述n+-GaN掺杂层表面淀积有欧姆接触金属层，

所述堆栈结构可以实现电极间电场的均匀分布，不同的AlGaN层厚度周期结构可以提高载流子迁移率。

一种制作堆栈结构的激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关的方法，包括如下步骤：

步骤一：在GaN基层上通过MOCVD的方法外延生长AlGaN层，与GaN层间形成势阱结构；

步骤二：在AlGaN层上生长一层高掺杂浓度的n⁺-GaN层；

步骤三：通过干法刻蚀的方法将AlGaN层电极区域外的高掺杂n⁺-GaN层去除；

步骤四：通过电子束蒸发的方式将Ti、Al、Ni、Au金属依次淀积到电极区域的n^+-GaN层表面；

步骤五：采用干法刻蚀将AlGaN层部分区域厚度变小，形成堆栈结构；

步骤六：通过快速热退火的方式形成欧姆接触；

在上述技术方案中，所述AlGaN层的厚度为22nm，具体分子结构为Al_0.21Ga_0.79N，非电极区域的部分区域Al_0.21Ga_0.79N厚度为5nm。

在上述技术方案中，所述高掺杂n⁺-GaN层掺杂的浓度大于10¹⁹>-3。

在上述技术方案中，由高掺杂n⁺-GaN层和金属层组成的欧姆接触，欧姆接触电阻率小于10^-6Ω·cm²

在上述技术方案中，正电极的电极区域内的欧姆接触电极间隙为5mm，欧姆电极尺寸为10 mm×5 mm。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的堆栈结构激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关，由1 mm厚的半绝缘SiC/GaN衬底材料和22nm厚Al0.21Ga0.79N层组成，欧姆接触电极间隙为5 mm，测试时使用波长355nm、能量10mJ、触发激光脉宽15 ns的激光脉冲触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关，在脉冲电压42kV时，通过计算得到堆栈结构激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关的导通电阻为22Ω。可以拓展其在固态脉冲功率领域应用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1 堆栈结构激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关结构示意图；

图2 激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关测试电路图；

图3 非堆栈结构激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关输入电压和回路电流波形；

图4堆栈结构激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关输入电压和回路电流波形；

其中：1是GaN层，2是AlGaN层，3是高掺杂n⁺-GaN层，4是欧姆接触金属层，5是不同厚度AlGaN层间间隙（μm量级），6是c-GaN层，7是AlN层，8是SiC层。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，本实施例的最终结构为包括： GaN基层、AlGaN层、掺杂层和金属层；所述GaN基层与AlGaN层构成势阱结构，所述AlGaN层设置在所述GaN基层的电极面上的电极区域上，所述掺杂层为AlGaN层上设置有一层高掺杂n+-GaN层，掺杂层表面淀积有金属层，AlGaN层电极面的电极之间设置一层增透膜，GaN基层的非电极面设置一层高反膜，AlGaN层包括非电极区域和电极区域，非电极区域中的部分区域厚度小于电极区域的厚度。

其制作过程为：首先在SiC/GaN衬底材料上通过MOCVD的方法外延生长厚度为22nm的Al_0.21Ga_0.79N层，与GaN层间形成势阱结构；其次在Al_0.21Ga_0.79N层上生长一层n⁺-GaN层，掺杂浓度大于10¹⁹>-3，然后通过干法刻蚀的方法将电极区域外的高掺杂n+-GaN层去除；接下来通过电子束蒸发的方式将Ti/Al/Ni/Au金属依次淀积到n⁺-GaN层表面，电极间隙为5mm，欧姆电极尺寸为10>-6Ω·cm²。最后在GaN衬底面制作高反膜，AlGaN面电极间制作增透膜。

图2是激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关测试电路图。回路电容器电容值为1nF，负载电阻为50Ω。使用Pearson线圈测量开关的导通电流，线圈灵敏度为0.1 V/A；开关加载电压通过Tek P6015A高压探头测量。

图3是非堆栈结构激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关输入电压和回路电流波形在输入电压42 kV时测得的开关加载电压及回路电流波形图；图4是堆栈结构激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关输入电压和回路电流波形在输入电压42 kV时测得的开关加载电压及回路电流波形图。从两个图中可以看出：堆栈结构激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关在相同的加载电压下，输出回路电流较大。可以由R_on=U_min/I_PCSS简单计算得到开关的导通电阻R_on，其中U_min为开关导通时的最低电压值，I_PCSS为开关上通过的最大电流。计算可得：非堆栈结构激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关导通电阻约为41Ω；而堆栈结构激光触发大功率半绝缘AlGaN/GaN开关导通电阻为22>

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。