基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关的制备方法，包括：(a)提供碳化硅衬底；(b)在所述碳化硅衬底表面上制作AZO薄膜电极；(c)在所述AZO薄膜电极上制作金属电极；(d)将若干LD光学部件垂直且均匀的分布在所述碳化硅衬底或所述AZO薄膜电极表面，以完成所述同面光导开关的制作。本发明提供的基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关具有较长的使用寿命，和较小的尺寸，方便携带使用。

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关及其制备方法。

背景技术

光导开关是一种光控开关器件，在功率电路中广泛应用。光导开关利用半导体的光电效应达到控制电路通断的作用。当光照射到材料时，材料内部产生光生载流子，光生载流子在外部电压下形成漂移电流，外部表现为其电阻大大降低，当功率达到阈值，此时光导开关导通。

传统的光导开关主要由Si和GaAs制作而成，其光触发装置覆盖整个开关表面，导致光导开关工作时产生的电流丝集中在开关表面的边缘区域，使得边缘区域承受大电流而容易发生击穿，从而导致光导开关减寿甚至毁坏；同时，传统的光导开关电极处于衬底的表面，光照产生的载流子在表面运输，表面的电流密度较大，电子空穴迁移率低，开关的导通电阻大。此外，传统的光导开关的尺寸也比较大，不易携带。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关的制备方法，包括：

(a)提供碳化硅衬底；

(b)在所述碳化硅衬底表面上制作AZO薄膜电极；

(c)在所述AZO薄膜电极上制作金属电极；

(d)将若干LD光学部件垂直且均匀的分布在所述碳化硅衬底或所述AZO薄膜电极表面，以完成所述同面光导开关的制作。

在本发明的一个实施例中，所述碳化硅衬底为具有钒掺杂剂的6H-SiC衬底。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：

(b1)在真空条件下，利用磁控溅射工艺在所述碳化硅衬底表面溅射AZO薄膜；

(b2)刻蚀所述AZO薄膜，以形成AZO薄膜电极。

在本发明的一个实施例中，步骤(b2)包括：

(b21)在所述AZO薄膜上均匀旋涂光刻胶；

(b22)利用光刻工艺刻蚀所述光刻胶，以在所述碳化硅衬底表面形成待刻蚀区域；

(b23)利用稀盐酸刻蚀所述待刻蚀区域，并进行剥离、去胶以形成所述AZO薄膜电极。

在本发明的一个实施例中，步骤(b22)包括：

(b22-1)将涂好光刻胶的衬底用130℃～180℃高温加热110s～130s；

(b22-2)利用光学曝光系统，将整个衬底和第一掩模版的图形进行校准，然后用紫外光照射，以使所述衬底曝光；

(b22-3)将曝光后的衬底放到正胶显影液中显影30s～50s，用去离子水清洗，并用高纯氮气吹干；

(b22-4)将所述衬底用130℃～180℃高温加热110s～130s，以形成待刻蚀区域。

在本发明的一个实施例中，在步骤(b22)之后，(b23)之前，还包括：

采用等离子增强气相沉积工艺，在所述衬底底部淀积氮化硅材料以形成反射层。

在本发明的一个实施例中，步骤(c)包括：

(c1)利用光刻工艺在所述衬底表面形成金属电极待生长区域；

(c2)采用磁控直流溅射工艺，在所述金属电极待生长区域溅射Al金属薄膜，以形成Al金属电极。

在本发明的一个实施例中，步骤(c1)包括：

(c11)在所述衬底表面均匀旋涂光刻胶；

(c12)利用光学曝光系统，将整个衬底和第二掩模版的图形进行校准，然后用紫外光照射，以使所述衬底曝光；

(c13)将曝光后的衬底放到正胶显影液中显影30s～50s，然后用去离子水清洗，并用高纯氮气吹干，以形成所述金属电极待生长区域。

在本发明的一个实施例中，步骤(c2)包括：

(c21)选用高纯的Al靶在背底真空条件下，在所述金属电极待生长区域溅射Al金属薄膜；其中，溅射气压为1.2Pa，溅射功率为60W，溅射速率为5nm/min；

(c22)去除光刻胶，在所述金属电极待生长区域形成Al金属电极。

本发明的另一个实施例提供了一种基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关，包括：反射层、碳化硅衬底、AZO薄膜电极、金属电极以及光学部分；所述光学部分包括光波导介质、电光调制器以及基于LD的光触发装置；其中，所述同面光导开关由上述实施例所述的方法制备形成。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关将光触发装置垂直均匀的分布在衬底上，从而使得光触发在电极区域点状分布，电流从正极开始依次通过激光照射点直至负极，电流根据激光照射的点形成更多的电流丝，以使器件能够承受更大的导通电流，延长了光导开关的寿命；

2、本发明提供的基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关采用AZO薄膜电极与Al电极结合的方式，将AZO薄膜电极置于碳化硅衬底，不但增大了衬底的最大透光量，提高了光能利用率，降低了光触发装置的能耗，而且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导致提前发生击穿；同时，器件的尺寸还可以根据实际应用需求适当减小尺寸，减小了导通电阻；

3、本发明提供的基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关将光学部分装置和光导开关进行一体化封装，使得生产过程中省去组装环节，且器件尺寸整体减小，便于携带使用，能适应强烈的震动、冲击等环境。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关的制备方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的第一掩模版的形状示意图；

图3是本发明实施例提供的第二掩模版的形状示意图；

图4使本发明实施例提供的LD光学部件结构示意图；

图5是本发明实施例提供的LD驱动电路示意图；

图6a～6k是本发明实施例提供的基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关的制备方法示意图；

图7是本发明实施例提供的一种基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关的制备方法流程示意图，包括：

(a)提供碳化硅衬底；

本实施例选取碳化硅(SiC)作为衬底材料制备光导开关主要是因为与传统制备光导开关的Si和GaAs相比，SiC具有更大的禁带宽度、高临界击穿电场、优秀的散热性能和高暗态电阻率以及超短的载流子寿命等优点，使用其制备光导开关具有更好的性能。

进一步地，所述碳化硅衬底为具有钒掺杂剂的6H-SiC衬底。

一般情况下SiC会存在些许杂质，其中6H-SiC中主要有氮和硼杂质，氮处于深施主能级，硼处于受主能级，如果氮能级电离出的电子和硼能级接受的电子数量达到完美平衡，则材料不仅是复合的，还是半绝缘的。然而实际当中总存在其中一种的量大于另一种，因此本实施例在6H-SiC材料中新加入一种掺杂剂钒，使得电离和接受的电子完美平衡，从而导致非常短的重组时间，真正实现更大的暗电阻和更小的导通电阻。

具体地，本实施例选取的具有钒掺杂剂的6H-SiC衬底中钒的掺杂浓度为1×10

(b)在所述碳化硅衬底表面上制作AZO薄膜电极；

AZO薄膜(Al掺杂ZnO的透明导电薄膜)是一种宽禁带半导体材料，它具有较低的电阻率，导电性好，同时具有在可见光区透过率高、在紫外区截止等光学特性；除此之外，它的来源广泛，价格低廉，逐渐成为主要的透明导电薄膜材料。

在本实施例中，制作AZO薄膜电极之前，要先对选取的碳化硅衬底进行抛光并清洗。

具体地，采用化学机械抛光工艺(CMP)，将碳化硅衬底的粗糙度降低至原子等级，再进行充分的清洗并吹干表面水分。

进一步地，步骤(b)可以包括：

(b1)在真空条件下，利用磁控溅射工艺在所述碳化硅衬底表面溅射AZO薄膜；

具体地，在真空条件下，选用Al掺杂ZnO靶材在衬底表面进行射频磁控溅射，与此同时，为了保证AZO薄膜良好的结晶程度，将碳化硅衬底加热并保持在380℃～420℃。经过一段时间的溅射，在碳化硅衬底上形成一层200nm厚度的AZO薄膜。

然后使用丙酮对样品表面进行超声清洗，之后使用去离子水重复清洗3次，再用高纯氮气吹干。

(b2)刻蚀所述AZO薄膜，以形成AZO薄膜电极；

进一步地，步骤(b2)包括：

(b21)在所述AZO薄膜上均匀旋涂光刻胶；

具体地，将样品放置于匀胶机的旋转盘上，将AZO薄膜面向上，使用正性光刻胶，将胶滴在样品中心位置处，设置好旋转的速度和时间即可得到厚度均匀的光刻胶薄层。

在本实施例中，匀胶机旋转盘的旋转速度可以是4000rpm，旋转时间可以是20s。

(b22)利用光刻工艺刻蚀所述光刻胶，以在所述碳化硅衬底表面形成待刻蚀区域；

进一步地，步骤(b22)可以包括：

(b22-1)将涂好光刻胶的衬底用130℃～180℃高温加热110s～130s；这样做的目的是蒸发掉胶体中的水分，使其更好的附着在AZO薄膜上；

(b22-2)利用光学曝光系统，将整个衬底和第一掩模版的图形进行校准，然后用紫外光照射，以使所述衬底曝光；

在本实施例中，光学曝光系统可以是汞灯。第一掩模版的图形为制作AZO薄膜电极的具体位置，请参见图2，图2是本发明实施例提供的第一掩模版的形状示意图。

(b22-3)将曝光后的衬底放到正胶显影液中显影30s～50s，用去离子水清洗，并用高纯氮气吹干；

(b22-4)将所述衬底用130℃～180℃高温加热110s～130s，以形成待刻蚀区域。

本实施例在此处对衬底进行再次加热的好处是能够巩固剩余光刻胶相对于样品的附着能力，以形成待刻蚀区域，方便后续对AZO薄膜的刻蚀。

进一步地，在刻蚀AZO薄膜之前，还包括：采用等离子增强气相沉积工艺，在所述衬底底部淀积氮化硅材料以形成反射层。

具体地，将样品反置，在380℃～420℃内的温度下采用等离子增强气相沉积工艺(PECVD)，在衬底的另一面淀积70-80nm厚的氮化硅作为反射层，该发射层对光有着较强的反射作用。

(b23)利用稀盐酸刻蚀所述待刻蚀区域，并进行剥离、去胶以形成所述AZO薄膜电极。

具体地，采用盐酸和水的体积配比为1：100的稀盐酸溶液对AZO薄膜进行刻蚀。暴露在溶液中的AZO薄膜很快溶解在稀盐酸溶液中，碳化硅晶片上被光刻胶覆盖的部分保留。

对所述衬底进行剥离、去胶以形成AZO薄膜电极。

(c)在所述AZO薄膜电极上制作金属电极；

进一步地，步骤(c)可以包括：

(c1)利用光刻工艺在所述衬底表面形成金属电极待生长区域；

具体地，步骤(c1)可以包括：

(c11)在所述衬底表面均匀旋涂光刻胶；

具体地，同步骤(b21)，将样品放置于匀胶机的旋转盘上，将AZO薄膜电极面向上，在AZO薄膜电极和衬底上形成厚度均匀的光刻胶薄层。

(c12)利用光学曝光系统，将整个衬底和第二掩模版的图形进行校准，然后用紫外光照射，以使所述衬底曝光。

在本实施例中，第二掩模版的图形为制作金属电极的具体位置，请参见图3，图3是本发明实施例提供的第二掩模版的形状示意图。

(c13)将曝光后的衬底放到正胶显影液中显影30s～50s，然后用去离子水清洗，并用高纯氮气吹干，以形成所述金属电极待生长区域。

由于在制作金属电极的时候不需要对衬底进行刻蚀，此处可以不对衬底进行再次加热。如果为了达到更好的效果，也可以选择性的对衬底再次加热以使巩固剩余光刻胶相对于样品的附着能力。

(c2)采用磁控直流溅射工艺，在所述金属电极待生长区域溅射Al金属薄膜，以形成Al金属电极。

具体地，步骤(c2)可以包括：

(c21)选用高纯的Al靶在背底真空条件下，在所述金属电极待生长区域溅射Al金属薄膜；其中，溅射气压为1.2Pa，溅射功率为60W，溅射速率为5nm/min；

(c22)去除光刻胶，在所述金属电极待生长区域形成Al金属电极。

传统的光导开关采用常见结构的金属电极时，通常情况下电极会阻挡一部分本应照射在衬底上的光，导致光能的利用率不高，甚至使得开关导通电阻达不到预期值。本实施例采用AZO薄膜电极和体积更小的Al金属电极结合的方式制作衬底电极，不但增大了衬底的最大透光量，提高了光能利用率，降低了光触发装置的能耗，而且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导致提前发生击穿；同时，器件的尺寸还可以根据实际应用需求适当减小尺寸，减小了导通电阻。

(d)将若干LD光学部件垂直且均匀的分布在所述碳化硅衬底或所述AZO薄膜电极表面，以完成所述同面光导开关的制作。

首先，对光导开关的光学部分进行组装贴片。请参见图4，图4使本发明实施例提供的LD光学部件结构示意图，其包括光波导介质41、电光调制器42以及基于LD的光触发装置43。

具体地，将光波导介质41调整成与电光调制器42相同的尺寸，并均匀的附着在电光调制器42的两端，将基于LD的光触发装置43紧密贴合在其中一端的光波导介质上，完成光学部分的组装。

本实施例采用的LD的光脉冲触发装置体积小，便携性好，紧密贴合在光波导介质上，光触发后可以迅速进行调制，且将开关导通，然后在光消失后开关能够相对迅速关断，满足了光导开关的高效实时性。

进一步地，本实施例选用的LD驱动电路光触发装置中，驱动电路如图5所示，本实施例选用了稳定恒流源激光二极管驱动电路、电路由基准电压电路、电压电流转换电路、恒流输出电路和反馈电路组成LD驱动电路。该电路的恒流效果能够实现光触发较为稳定的输出。

此外，在光学部分中起连接作用的光波导介质选用了常用的光纤，其由纤芯和包层组成，因包层与纤芯的折射率差异使得光在其中稳定传输；在光纤中的电光调制器将光调制成与该开关相匹配的频率和强度，在本实施例中需将激光调制成波长为532nm的可见光，最终发送到开关衬底中，实现光导开关的导通。

然后，将若干个光学部分中的另一端光波导介质直接作用在衬底或AZO薄膜电极上并垂直均匀分布，以实现电流的点状分布，最终完成基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关的制备。

本实施例将光触发装置垂直均匀的分布在衬底上，从而使得光触发在电极区域点状分布，电流从正极开始依次通过激光照射点直至负极，电流根据激光照射的点形成更多的电流丝，从而使器件能够承受更大的导通电流，延长了光导开关的寿命。同时，本实施例将光学部分装置和光导开关进行一体化封装，使得节省了光导开关生产过程中的组装环节，且器件尺寸整体减小，便于携带使用，能适应强烈的震动、冲击等环境。

实施例二

在上述实施例一的基础上，结合附图对本发明的制备方法进行进一步的说明。请参见图6a～6k，图6a～6k是本发明实施例提供的基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关的制备方法示意图，该制备方法包括如下步骤：

步骤1：选取钒掺杂浓度为1×10

步骤2：在真空条件下，选用Al掺杂ZnO靶材在衬底601表面进行射频磁控溅射，与此同时，将碳化硅衬底加热并保持在380℃～420℃。经过一段时间的溅射，在碳化硅衬底上形成一层200nm厚度的AZO薄膜602，如图6b所示。

步骤3：利用匀胶机在所述AZO薄膜602上均匀旋涂光刻胶603，如图6c所示；其中匀胶机旋转盘的旋转速度为4000rpm，旋转时间为20s。

步骤4：利用光刻工艺刻蚀所述光刻胶603，以在所述碳化硅衬底表面形成待刻蚀区域604，如图6d所示。

步骤5：采用等离子增强气相沉积工艺，在所述衬底601底部淀积氮化硅材料以形成反射层605，如图6e所示。

步骤6：刻蚀所述待刻蚀区域604，并剥离、去除所述AZO薄膜602上的余胶，以形成AZO薄膜电极606，如图6f所示。

步骤7：利用匀胶机在所述AZO薄膜电极606和所述衬底601上均匀旋涂光刻胶607，如图6g所示。

步骤8：利用光刻工艺刻蚀所述光刻胶607，以形成所述金属电极待生长区域608，如图6h所示。

步骤9：采用磁控直流溅射工艺，在所述金属电极待生长区域608溅射Al金属薄膜609，如图6i所示。

步骤10：去除光刻胶，在所述金属电极待生长区域形成Al金属电极610，如图6j所示。

步骤11：将若干LD光学部件611垂直且均匀的分布在所述碳化硅衬底或所述AZO薄膜电极表面，如图6k所示。

至此，完成基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关的制作。

实施例三

本实施例提供了一种基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关，请参见图7，图7是本发明实施例提供的一种基于LD AZO薄膜电极的同面光导开关结构示意图，其包括：

反射层1、碳化硅衬底2、AZO薄膜电极3、金属电极4以及光学部分5；所述光学部分5包括光波导介质51、电光调制器52以及基于LD的光触发装置53；其中，所述同面光导开关由上述实施例一或实施例二所述的方法制备形成。

本实施例提供的光导开关可用于紧凑型脉冲功率系统。在特殊应用场合如介质壁加速器等要求脉冲功率系统设计尽可能的紧凑和便携，同时能够实现开关的快速切换。其中，级间开关要求具有较低的电感，电阻状态能够快速转换和精确的控制，因此常常使用光导开关来实现。本实施例将层叠的传输线系统能量存储，开关切换和脉冲成形等模块紧密配合并和衬底部分进行组装放置于同一空间中，使得体积和重量最小化。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。