新型多层结构碳化硅光电导开关及其制备方法

摘要

本发明公开一种新型多层结构碳化硅光电导开关及其制备方法，属于宽禁带半导体技术领域。它包括衬底，所述的衬底由钒掺杂形成的半绝缘碳化硅晶片或本征碳化硅晶片构成，在所述衬底的硅面上有一层导电类型的第一掺杂层，掺杂类型为N型；所述衬底的碳面上有两层导电类型的掺杂层，从内到外依次为：第二掺杂层和第三掺杂层，所述的第二掺杂层掺杂类型为P型，所述第三掺杂层掺杂类型为N型；所述硅面一侧设置有开关的阳极，所述的碳面的一侧设置有开关的阴极。本发明的碳化硅光电导开关在提高开关击穿电压的同时并没有降低开关的导通特性。

说明书

技术领域

本发明属于宽禁带半导体技术领域，更具体地说，涉及一种新型多层结构碳化硅光电导开关及其制备方法。

背景技术

脉冲功率系统，例如高功率激光器、冲击雷达、高功率微波发生器等装置，需要高功率高速开关产生高幅值窄脉冲。传统的脉冲功率开关是气体放电开关，诸如氢闸管、火花隙等，尽管这些开关耐压高、通流能力强，但是存在尺寸大、开启时间长、开通抖动、电磁辐射、需要经常维护等缺点。而光电导开关具有ps量级的触发抖动、ns量级的开通时间、高电流密度、高耐压、小尺寸、低损耗、可控、光电隔离、不受电磁干扰等优点。

光电导开关是通过触发光源在半导体光电材料内产生大量载流子来降低材料电阻率而实现导通。自1972年S.Jayaraman等人发现用ps量级的光脉冲照射半导体光电材料时其响应时间也为ps量级现象以来，人们开始关注半导体光电材料这种特性，并为光电导开关的发展奠定了基础。美国Bell实验室Auston在1976年利用半导体材料硅Si制成第一个ps光电导开关，随后一系列ps光电导开关被研制成功；在1977年C. H. Lee等人研制出砷化镓GaAs材料光电导开关。由于GaAs的材料特性比Si更优秀，GaAs比Si更适合用于光电导开关材料。

第三代宽禁带半导体材料碳化硅SiC，其击穿场强比GaAs高1个数量级，其暗电阻比GaAs高4个数量级，其热导率比GaAs高1个数量级。此外，由于SiC是间接带隙半导体，使得载流子复合时间比GaAs大400倍，这意味着维持导通电阻的光能比GaAs要小400倍。另外，以SiC材料制作的光电导开关，能使固态电路的功率密度至少提高4个数量级，并大大地提高光电导开关的工作温度。SiC材料还有很强的抗辐射特性，可以大大增强军事电子系统的生命力。

理论上，禁带宽度为3eV左右的SiC材料能够承受高达4 MV/cm的电场强度，而实际上，测试中的SiC光导开关在体内电场强度不到300 kV/cm就失效，SiC光导开关的诸多优点无法得到体现，因而，近几年来，由于SiC光导开关容易发生提前击穿而导致研究热情降低。SiC开关没有形成超高耐压的原因是多方面的，除了SiC材料本身存在微管缺陷可能导致开关提前击穿外，开关结构设计不合理也是一个主要因素。

为了提高SiC光导开关的击穿电压，国外的研究人员采取了多种方法。Nunnally等人通过弧形电极结构设计使SiC晶片内的电场均匀化，并且在电极和SiC晶片之间的空隙填充聚合物之类的高介电常数绝缘物来降低边缘效应而产生的高电场，避免晶片表面和电极之间空气被击穿（W. C. Nunnally, D. Cooperstock. Methods and configurations for improving photo-conductive switch performance. Conference Record of the Twenty-Fifth International Power Modulator Symposium, 2002, Page(s): 183-186.）。Kelkar等人在阴极和SiC晶片之间插入一层数微米厚的p⁺层，来提高体区内电场的均匀度，抑制了沿面闪络和丝状电流的形成，单只器件的耐压可以超过900 kV/cm（K. S. Kelkar, N. E. Islam, C. M. Fessler, et al . Design and characterization of silicon carbide photoconductive switches for high field applications. Journal of Applied Physics, 2006, 100: 124905.）。Hettler等人采用台面结构，将比重为15%的BaTiO₃粉末添加到环氧树脂中作为封装材料，并在0.5 torr的压力下抽取材料中的气泡，在35℃的烤箱中固化24小时，不仅提高了封装材料的机械强度，而且提高开关的暗态电阻的同时将SiC开关的击穿电压提高40%（C. Hettler, C. James, J. Dickens. High electric field packaging of silicon carbide photoconductive switches. 2009 IEEE Pulsed Power Conference, 2009: 631-634.）。Zhu等人在高阻SiC晶片和金属电极之间插入一层n⁺ GaN来改善电流集中效应，以此提高开关的击穿电压（K. Zhu, S. Dogan, Y. T. Moon, et al. Effect of n⁺-GaN subcontact layer on 4H–SiC high-power photoconductive switch. Applied Physics Letters, 2005, 86, 261108-261108-3.）。Fessler等人采用一种IEP技术，在晶片有效厚度不变的情况下，从SiC晶片两侧的表面分别向晶片内刻蚀一定深度的U型槽，然后将电极安装在槽内，他们发现，开关的耐压和槽深有关，当槽深从1.5 mm减小到10 mm，开关的临界击穿场强从300 kV/cm提高到827 kV/cm （C. M. Fessler, K. Kelkar, W.C. Nunnally, et al. Investigation of high electric fields at the electrode-SiC interface in photo-switches. 16th IEEE International Pulsed Power Conference, 2007, 1:114-119.）。

以上这些方法在一定程度解决了SiC光导开关的过早击穿问题，提高了SiC光导开关的耐压，然而，距离SiC材料的4 MV/cm击穿场强还相差较远，无法体现SiC相对其它材料的优势。

发明内容

要解决的技术问题

针对传统的碳化硅光电导开关击穿电压不高或者导通电流较小等不足，本发明提供了一种新型多层结构碳化硅光电导开关及其制备方法，它从器件工艺、器件造型等方面着手，通过解决丝状电流的抑制、载流子集中、欧姆接触等问题，极大提高了SiC光导开关的耐压性能，发挥了SiC材料能在高频、高温、电磁辐射等恶劣环境下的独特优势，且在提高开关击穿电压的同时并没有降低开关的导通特性。

技术方案

发明原理：本发明是基于现有半导体工艺，通过在半绝缘碳化硅衬底两侧增加多个高浓度、不同杂质类型和厚度的掺杂层来抑制开关体内电场、提高碳化硅光电导开关的欧姆接触特性而达到提高碳化硅光导开关耐压的目的。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明的新型多层结构碳化硅光电导开关，它包括衬底，所述的衬底由钒掺杂形成的半绝缘碳化硅晶片或本征碳化硅晶片构成，在所述衬底的硅面上有一层导电类型的第一掺杂层，掺杂类型为N型；所述衬底的碳面上有两层导电类型的掺杂层，从内到外依次为：第二掺杂层和第三掺杂层，所述的第二掺杂层掺杂类型为P型，所述第三掺杂层掺杂类型为N型；所述硅面一侧设置有开关的阳极，所述的碳面的一侧设置有开关的阴极。

优选地，所述第一掺杂层和第三掺杂层的离子浓度为2-5×10¹⁸个/cm³，掺杂层的厚度为10-20 mm；所述第二掺杂层的离子浓度为1-3×10¹⁸个/cm³，离子注入的深度为0.8-1.2 mm。

本发明的新型多层结构碳化硅光电导开关的制备方法，其步骤为：

1）选择衬底

选用由钒掺杂形成的半绝缘碳化硅晶片或本征碳化硅晶片作为衬底；

2）在衬底的硅面上进行外延生长

采用高温化学气相沉积工艺在所述的衬底硅面的0001面上偏轴4-8°外延生长掺入氮（N），形成第一掺杂层，掺杂浓度控制在2-5×10¹⁸个/cm³，生长温度为1500-1600 ℃、生长气压为50-200 mbar，反应气体由硅烷、丙烷和氮气组成，由氢气稀释并作为载气，形成的第一掺杂层的厚度为10-20 mm；

3）在衬底的碳面上注入离子并进行外延生长

a）采用离子注入工艺，注入能量为450-550 KeV、剂量为1-5×10¹⁵ cm^-2，在所述的衬底的碳面上形成离子浓度为1-3×10¹⁸ 个/cm³的P型第二掺杂层，控制第二掺杂层的离子注入深度为0.8-1.2 mm；离子注入后采用1600-1700 ℃高温退火20-50min，并采用碳膜保护，退火后在1050-1100 ℃的氧气气氛下氧化；

b) 采用高温化学气相沉积工艺在步骤a）制得的第二掺杂层上外延生长浓度为2-5×10¹⁸个/cm³的N型第三掺杂层，生长温度为1500-1600 ℃、生长气压为50-200 mbar，反应气体由硅烷、丙烷和氮气组成，由氢气稀释并作为载气，控制生长厚度为10-20 mm，至此，得碳化硅光导开关晶片；

4）将制备的碳化硅光导开关晶片，采用磁控溅射工艺或者电子束蒸发法从内到外在晶片的两侧分别制备Ni/Pt/Cu或者Ti/Al/Cu金属电极接触层，该金属电极接触层中，金属层Ni、Pt、Ti、Al的厚度均为200 nm，金属层Cu厚度为500 nm，溅射或蒸发时腔室真空度为3-5×10^-5 Pa；

5）在所述衬底的硅面一侧设置开关的阳极，碳面一侧设置开关的阴极。

有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）采用本发明的碳化硅光电导开关的结构设计，在阴极采用高浓度的P/N复合结构，当光导开关处于高压偏置作用下，一方面能将阴极电场均匀化，另一方面能够抑制开关体内空穴向阴极的注入，同已有的阴极采用P型或者N型单层结构相比，本发明能够成倍提高碳化硅光电导开关的击穿电压；

（2）本发明的碳化硅光电导开关两侧外延层的生长属于同质外延，相比以往的异质外延，能将材料的失配率降低到最小，因而两侧的厚外延层不会因开关工作在高频、高温情况下而出现开裂、脱落等情况，因而本发明的碳化硅光导开关更适合工作在极端环境情况下、最大限度地发挥碳化硅材料的性能优点；

（3）本发明的碳化硅光电导开关两侧的同质外延，能消除异质外延时因材料失配而产生的体内电流丝现象，因而能进一步提高碳化硅光导开关的耐压；

（4）采用本发明的新型多层结构碳化硅光电导开关，两侧采用外延工艺制备高浓度的掺杂层，能形成良好的欧姆接触而并没有降低开关的导通电流；

（5）本发明的碳化硅光电导开关的制备方法，所采用的离子注入、高温外延、干氧氧化、真空镀膜等工艺都是比较成熟的半导体工艺，所以操作性强。

附图说明

图1为本发明的碳化硅光电导开关结构图；

图2为本发明的方法的工艺流程图。

图中：1、衬底；2、第一掺杂层；3、第二掺杂层；4、第三掺杂层；5、阳极；6、阴极。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1、图2，本实施例的新型多层结构碳化硅光电导开关的制备方法，其步骤如下：

1）选择衬底

选用研究级钒掺杂碳化硅晶片作为衬底1，碳化硅晶片的厚度为300 mm；

2）在衬底的硅面上进行外延生长

采用高温化学气相沉积工艺（HTCVD）在衬底1硅面的0001面上偏轴4°外延生长掺入电子级纯度的氮（N），形成第一掺杂层2，掺杂浓度为5×10¹⁸ cm^-3，生长温度为1580 ℃，反应气体流量硅烷20 mL/min、丙烷10 mL/min、氮气20 mL/min，载气氢气80 L/min，气压保持为50 mbar；形成的第一掺杂层2的厚度为10 mm；

3）在衬底的碳面上注入离子并进行外延生长

a）采用离子注入工艺，注入能量为550 KeV、剂量为1×10¹⁵ cm^-2，注入元素为铝（Al），在衬底1的碳面上形成离子浓度为1×10¹⁸个/ cm³的第二掺杂层3；控制第二掺杂层3的离子注入深度为1.2 mm；

在碳化硅专用退火炉内实施离子注入后的高温退火工艺。退火温度为1650℃、时间为30分钟。退火之前，在碳化硅衬底1双面甩胶、坚膜，在两侧表面形成厚度约为3 mm的碳膜保护层，一方面保证被注入的离子绝大部分被激活，另一方面保护被注入的离子不被高温损伤；同时，衬底1另一面的碳膜保护衬底1的碳面不被高温侵蚀。

在管式炉内通干氧，炉内温度为1050℃，保持时间3小时，将退火后衬底1两面的剩余碳膜去除掉。

b) 退火后的衬底1，采用高温化学气相沉积（HTCVD）工艺在步骤a）制得的第二掺杂层3上掺入电子级纯度的氮（N）形成第三掺杂层4，掺杂浓度为5×10¹⁸ cm^-3，生长温度为1500 ℃、生长气压为50 mbar，反应气体由硅烷、丙烷和氮气组成，由氢气稀释并作为载气；控制生长厚度为10 mm，至此，得碳化硅光导开关晶片；

4）将制备的碳化硅光导开关晶片，采用电子束蒸发工艺，本底真空度为3×10^-5 Pa，在制作好的碳化硅晶片两侧分别从内到外依次形成Ni(200nm)/Pt(200nm)/Cu(500nm)多层金属膜；随后在1050 ℃、时间为5分钟、氮气保护的条件下快速退火。

5）在衬底1的硅面一侧设置开关的阳极5，碳面一侧设置开关的阴极6。（本实施例制得的碳化硅光导电开关结构如图1。）

实施例2

结合图2，本实施例的新型多层结构碳化硅光电导开关的制备方法，其步骤为：

1）选择衬底

选用研究级本征碳化硅晶片作为衬底1，碳化硅晶片的厚度为330 mm；

2）在衬底的硅面上进行外延生长

采用高温化学气相沉积（HTCVD），在衬底1硅面的0001面上偏轴8°外延生长掺入电子级纯度的氮（N）形成第一掺杂层2，掺杂浓度为3×10¹⁸ cm^-3，生长温度为1500 ℃，反应气体为硅烷、丙烷和氮气组成，气体流量均为0.5 sccm，碳硅比（C/Si）为2，载气氢气流量为3000 sccm，反应室压力为100 mbar，形成的第一掺杂层2的厚度为15 mm；

3）在衬底的碳面上注入离子并进行外延生长

a）在衬底1的碳面，采用离子注入工艺，能量为500 KeV、剂量为3×10¹⁵ cm^-2，注入元素为铝（Al），在衬底1的碳面上形成离子浓度为2×10¹⁸个/ cm³、深度为1.0 mm的P型第二掺杂层3。

在碳化硅专用退火炉内实施离子注入后的高温退火工艺，以免SiC衬底1在退火过程中引入新的杂质而受污染。退火温度为1600℃、时间为20分钟。退火之前，在碳化硅衬底1双面甩胶、坚膜，在两侧表面形成厚度约为3 mm的AlN保护层，一方面保证被注入的离子绝大部分被激活，另一方面保护被注入的离子、以免因高温而损伤。

在管式炉内通干氧，炉内温度为1070 ℃，保持时间3小时，将退火后衬底1两面的剩余AlN膜去除掉。

b）退火后的衬底1，采用高温化学气相沉积在步骤a）制得的第二掺杂层3上外延生成厚度为15 mm、掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3的N型第三掺杂层4，生长温度为1590 ℃、生长气压为100 mbar，反应气体由硅烷、丙烷和氮气组成，由氢气稀释并作为载气，至此，得碳化硅光导开关晶片；

4）采用磁控溅射工艺，本底真空度为4×10^-5 Pa，在制作好的碳化硅晶片两侧分别从内到外依次形成Ti/Al/Cu、厚度分别为200nm/200nm/500nm的多层金属膜；随后在950℃、时间为5分钟、氮气保护的条件下快速退火。

5）在衬底1的硅面一侧设置开关的阳极5，碳面一侧设置开关的阴极6。如图1。

实施例3

结合图2，本实施例的新型多层结构碳化硅光电导开关的制备方法，其步骤为：

1）选择衬底

选用研究级钒掺杂碳化硅晶片作为衬底1，碳化硅晶片的厚度为350 mm；

2）在衬底的硅面上进行外延生长

在衬底1的硅面，采用高温化学气相沉积（HTCVD）工艺在衬底1硅面的0001面上偏轴8°外延掺入电子级纯度的氮（N）形成厚度为20 mm、掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3的N型第一掺杂层2，生长温度为1600 ℃，反应气体流量硅烷22 mL/min、丙烷13 mL/min、氮气22 mL/min，载气氢气83 L/min，气压保持为200 mbar；

3）在衬底的碳面上注入离子并进行外延生长

a）在衬底1的碳面，采用离子注入工艺，注入能量为450 KeV、剂量为5×10¹⁵ cm^-2，注入元素为铝（Al），形成离子浓度为3×10¹⁸个/ cm³、深度为0.8 mm的P型第二掺杂层3。

在碳化硅专用退火炉内实施离子注入后的高温退火工艺。退火温度为1700℃、时间为50分钟。退火之前，在碳化硅衬底1双面甩胶、坚膜，在两侧表面形成厚度约为3 mm的碳膜保护层，一方面保证被注入的离子绝大部分被激活，另一方面保护被注入的离子、以免被高温损伤；同时，衬底1另一面的碳膜保护衬底1的碳面以免被高温侵蚀。

在管式炉内通干氧，炉内温度为1100℃，保持时间3小时，将退火后衬底1两面的剩余碳膜去除掉。

b)退火后的衬底1，采用高温化学气相沉积在碳面生成厚度为20 mm、掺杂浓度为3×10¹⁸ cm^-3的N型第三掺杂层4，生长温度为1600 ℃、生长气压为200 mbar，反应气体由硅烷、丙烷和氮气组成，由氢气稀释并作为载气，至此，得碳化硅光导开关晶片；

4）采用电子束蒸发工艺，本底真空度为5′10^-5 Pa，在制作好的碳化硅晶片两侧分别从内到外依次形成Ti/Pt/Cu、厚度分别为200nm/200nm/500nm的多层金属膜；随后在1000℃、时间为5分钟、氮气保护的条件下快速退火。

5）在衬底1的硅面一侧设置开关的阳极5，碳面一侧设置开关的阴极6。

根据上述方法制得高击穿电压、高通态电流、长寿命的碳化硅光电开关。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。