本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域，特別涉及一種高功率光導(dǎo)開關(guān)，可用于高速大功率脈沖系統(tǒng)中的開關(guān)。

技術(shù)背景

光導(dǎo)開關(guān)作為一種光控開關(guān)器件，在功率電路領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。光導(dǎo)開關(guān)利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)達(dá)到控制電路通斷的作用。一般光導(dǎo)開關(guān)所使用的材料為高阻半導(dǎo)體材料即高純半導(dǎo)體或者互補(bǔ)摻雜所制作的半絕緣材料，當(dāng)光照射到材料時，材料內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在外部電壓的作用下漂移形成電流，表現(xiàn)在外電路上就是光導(dǎo)開關(guān)所等效的大電阻阻值降低，當(dāng)光波長和功率達(dá)到閾值時光導(dǎo)開關(guān)的電阻值降到極低，此時光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通。

與傳統(tǒng)的制備光導(dǎo)開關(guān)的Si和GaAs相比，SiC具有大的禁帶寬度，高臨界擊穿電場、高暗態(tài)電阻率、優(yōu)異的自然散熱性能以及超短的載流子壽命等優(yōu)點，使其成為制備大功率光導(dǎo)開關(guān)的理想材料。

文獻(xiàn)“Pulsed Power Conference(PPC)，201319^th IEEE《Performance and characterization of a 20kV，contact face illuminated，silicon carbide photoconductive semiconductor switch for pulsed power applications》”介紹了Texas Tech University的D.Mauch等人的平面型光導(dǎo)開關(guān)。此種光導(dǎo)開關(guān)表面電流密度較大，電子空穴遷移率低，開關(guān)導(dǎo)通電阻大，歐姆電極收集載流子的邊緣極易發(fā)生擊穿，光導(dǎo)開關(guān)很難在工作的情況下耐較高的電壓，另外開關(guān)器件的尺寸較大。

由西安電子科技大學(xué)宋朝陽等申請的專利“201510098637.3碳化硅嵌入式電極平面型光導(dǎo)開關(guān)及其制作方法”中提出一種新結(jié)構(gòu)光導(dǎo)開關(guān)，通過開孔、離子注入制作嵌入式電極，在一定程度上增大了光導(dǎo)開關(guān)耐壓能力，減小了導(dǎo)通電阻。但是實際制作過程中，由于碳化硅襯底自身原因，光導(dǎo)開關(guān)邊緣受光處容易發(fā)生空氣擊穿，使光導(dǎo)開關(guān)失效，另外由于光吸收集中在器件表面，而電流主要流過兩個電極下的薄層處，因此不利于降低導(dǎo)通電阻，使得需要開啟器件的光功率大，增加了開關(guān)損耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種高功率同面電極嵌入式臺面型光導(dǎo)開關(guān)，以降低開關(guān)損耗，提高器件耐壓能力。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的高功率同面電極嵌入式臺面型光導(dǎo)開關(guān)，包括半絕緣碳化硅襯底和一對歐姆接觸電極，其特征在于：

半絕緣碳化硅襯底的一邊為45°±2°的斜邊，作為傾斜入射臺面；

半絕緣碳化硅襯底的上表面和斜邊表面淀積氮化硅，用于減少入射光在表面的反射，同時增加器件的耐壓能力。

所述半絕緣碳化硅襯底上部兩端開有兩個凹槽，凹槽自表面上的氮化硅層到半絕緣碳化硅襯底的深度為3～5μm，一對歐姆接觸電極嵌在這兩個凹槽中。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明制作高功率同面電極嵌入式臺面型光導(dǎo)開關(guān)的方法，包括如下步驟：

1)對半絕緣碳化硅襯底進(jìn)行清洗，去除表面污染物；

2)在清洗后的半絕緣碳化硅襯底右側(cè)進(jìn)行倒角，形成45°±2°斜面，并對此斜面采用化學(xué)機(jī)械拋光CMP，使其形成粗糙度為Ra≤0.01的光滑入射臺面；

3)用磁控濺射方法在襯底表面濺射鋁膜作為干法刻蝕的掩膜層，再采用電感耦合等離子體刻蝕ICP法在襯底的上表面刻蝕形成兩個深度為3～5μm，橫向?qū)挾葹?～4mm，縱向長度為5～10mm的凹槽；

4)采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD的方法在刻槽后的碳化硅半絕緣襯底樣品表面以及入射臺面上淀積厚度為2μm的SiO₂作為離子注入的阻擋層；

5)在阻擋層上涂光刻膠，用光刻膠在涂膠后的SiO₂阻擋層上刻蝕出對應(yīng)凹槽位置的窗口圖案，并用HF酸溶液腐蝕掉窗口圖案位置下的阻擋層，阻擋層表面所開窗口即為離子注入的窗口，并去膠清洗；

6)在離子注入窗口進(jìn)行三次磷離子注入，注入能量分別為150keV、80keV、30keV，注入的劑量分別為0.9×10¹⁵cm^-2，5.7×10¹⁵cm^-2，3.4×10¹⁵cm^-2，形成表面摻雜濃度為2×10²⁰cm^-2的樣片；

7)離子注入完成后腐蝕掉樣品表面剩余的SiO₂阻擋層，清洗樣片表面的殘留物；

8)在清洗殘留物后的樣片表面涂BN310負(fù)膠，將該樣片置于300℃～400℃溫度環(huán)境中加熱90分鐘進(jìn)行碳膜濺射；然后在1550℃～1750℃溫度范圍內(nèi)退火10分鐘，以在樣片表面形成厚度為150nm的良好歐姆接觸；再在900℃～1100℃溫度范圍內(nèi)干氧氧化15分鐘，以去除表面碳膜；

9)將去除碳膜的樣品在300℃～400℃范圍內(nèi)進(jìn)行等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相PECVD淀積工藝，在樣片和傾斜臺面表面淀積70～80nm厚的氮化硅，作為減反層；

10)在氮化硅減反層上旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版作刻蝕阻擋層；然后用熔融的NaOH溶液腐蝕10分鐘，將半絕緣襯底上表面對應(yīng)凹槽位置處的氮化硅減反層刻蝕掉，形成的凹槽窗口區(qū)域即為要做金屬電極的區(qū)域；

11)在開窗后的樣片表面涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射在樣片的兩個凹槽中淀積厚度為80～100nm的金屬Ni，在Ar氣環(huán)境中升溫至900℃～1100℃，退火10分鐘后冷卻至室溫；

12)在冷卻后的樣片表面涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出金屬圖形，并通過磁控濺射法在兩個凹槽處淀積厚度為3～5μm的Au薄膜，通過超聲波剝離形成金屬電極，再在Ar氣環(huán)境中升溫至450℃～650℃，退火5分鐘后冷卻至室溫，完成整個器件的制作。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：

1.通過采用氮化硅減反層代替致密氧化層和SiO₂鈍化層，只需一步工藝即可實現(xiàn)，減少了工藝步驟，降低了制造難度，并且氮化硅具有比SiO₂更高的介電常數(shù)，能有效提高較大脈沖輸入時器件的耐壓能力。

2.本發(fā)明將碳化硅襯底單側(cè)倒角形成光滑臺面，并增加減反層，使入射光在器件內(nèi)形成全反射，提高了入射光光程，降低開啟光功率，有效降低了開關(guān)損耗，同時避免了器件邊緣發(fā)生空氣擊穿，提高了器件可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是本發(fā)明制作方法的流程示意圖。

具體實施方式

參照圖1和圖2，本發(fā)明的高功率同面電極嵌入式臺面型光導(dǎo)開關(guān)，主要由半絕緣碳化硅襯底1、傾斜入射臺面2、兩個凹槽3和4、一對歐姆電極5和6與氮化硅層7組成。半絕緣碳化硅襯底1是在碳化硅材料中摻入釩原子形成的，摻入的釩原子在半絕緣碳化硅襯底1中既可以作為施主雜質(zhì)也可以作為受主雜質(zhì)。傾斜入射臺面2是在半絕緣碳化硅襯底右側(cè)進(jìn)行倒角形成的45°±2°臺面，氮化硅層7是在半絕緣碳化硅襯底1和傾斜入射臺面2上淀積形成的。兩個凹槽3和4開設(shè)在半絕緣碳化硅襯底1上部的兩端，每個凹槽的深度為3～5μm，橫向?qū)挾葹?～4mm，縱向長度為5～10mm。兩個歐姆電極5和6分別嵌入在兩個凹槽3和4中，這一對歐姆接觸電極的橫向?qū)挾萪為2～4mm，縱向長度w為5～10mm，厚度n為3～5μm。

當(dāng)入射光垂直照射到傾斜入射臺面2上時，由于光波導(dǎo)的原因，這種臺面可使入射光在器件內(nèi)形成全反射，提高了入射光的光程，增大了材料對光的吸收面積，從而可以產(chǎn)生更多的光生載流子，并通過嵌入在兩個凹槽3,4中的歐姆電極5,6將產(chǎn)生的光生載流子收集起來，以在器件表面形成大電流，該大電流在外電路中等效為開關(guān)導(dǎo)通。

參照圖3，本發(fā)明的制作方法給出如下三種實施例：

實施例1，制作臺面角度為45°，凹槽深度均為3μm，氮化硅減反層厚度為70nm，歐姆接觸電極厚度為80nm/3μm的嵌入式臺面型光導(dǎo)開關(guān)。

步驟1：對半絕緣襯底進(jìn)行倒角形成臺面。

選用半絕緣碳化硅襯底，對其進(jìn)行清洗，去除表面污染物；在清洗后的半絕緣碳化硅襯底右側(cè)進(jìn)行倒角形成45°斜面，并對此斜面采用化學(xué)機(jī)械拋光CMP，使其形成粗糙度為Ra≤0.01的光滑入射臺面，如圖3a。

步驟2：對半絕緣襯底上表面進(jìn)行刻蝕。

(2a)采用磁控濺射法在襯底表面濺射鋁膜作為刻蝕掩膜層，使用光刻版在形成鋁膜的襯底的上表面刻蝕出所需要的圖案；

(2b)將刻蝕出圖案的襯底樣片清洗后采用電感耦合等離子刻蝕ICP法在其上表面進(jìn)行臺面刻蝕，形成兩個深度為3μm，橫向?qū)挾葹?mm，縱向長度為6mm的凹槽，如圖3b。

步驟3：在形成凹槽的襯底樣片表面淀積SiO₂。

采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD的工藝方法在刻槽后的氮化硅半絕緣襯底樣品表面以及入射臺面上淀積厚度為2μm的SiO₂作為離子注入的阻擋層，如圖3c。

步驟4：對樣片進(jìn)行離子注入。

(4a)在阻擋層上涂光刻膠，用光刻膠在涂膠后的SiO₂阻擋層上刻蝕出對應(yīng)凹槽位置的窗口圖案，并用濃度為5％的HF酸溶液腐蝕掉窗口圖案位置下的阻擋層，阻擋層表面所開窗口即為離子注入的窗口，并去膠清洗；

(4b)在離子注入窗口進(jìn)行三次磷離子注入，注入能量分別為150keV、80keV、30keV，注入的劑量分別為0.9×10¹⁵cm^-2，5.7×10¹⁵cm^-2，3.4×10¹⁵cm^-2，形成表面摻雜濃度為2×10²⁰cm^-2的樣片,如圖3d；

(4c)離子注入完成后腐蝕掉樣片表面剩余的SiO₂阻擋層，清洗樣片表面的殘留物；

(4d)在清洗殘留物后的樣片表面涂BN310負(fù)膠，將該樣片置于300℃溫度環(huán)境中加熱90分鐘進(jìn)行碳膜濺射；

(4e)在1550℃退火10分鐘，以在樣片表面形成厚度為150nm的良好歐姆接觸；再在900℃溫度范圍內(nèi)干氧氧化15分鐘，以去除表面碳膜。

步驟5：在去除碳膜的表面淀積氮化硅。

將去除碳膜的樣品進(jìn)行等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在樣片和傾斜臺面表面淀積形成70nm厚，折射率為2.0的氮化硅層，其工藝參數(shù)為：襯底溫度300℃，硅烷與氨氣流量比為1:6，氣體總流量為4000sccm，工藝壓強(qiáng)為170Pa，淀積結(jié)果如圖3e。

步驟6：在氮化硅層對應(yīng)襯底樣片凹槽的位置開窗。

(6a)在氮化硅減反層上旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版作刻蝕阻擋層；

(6b)在反應(yīng)溫度為300℃的條件下，使用熔融的NaOH溶液腐蝕10分鐘，將半絕緣襯底上表面對應(yīng)凹槽位置處的氮化硅減反層刻蝕掉，形成的凹槽窗口區(qū)域即為要做金屬電極的區(qū)域，如圖3f。

步驟7：在樣片刻蝕槽內(nèi)濺射金屬Ni膜。

(7a)在開窗后的樣片表面涂膠，使用金屬層掩膜版，光刻出金屬圖形，并通過磁控濺射在樣片的兩個凹槽中淀積厚度為80nm的金屬Ni，如圖3g；

(7b)在Ar氣環(huán)境中升溫至900℃，退火10分鐘后冷卻至室溫。

步驟8：在Ni膜上濺射Au金屬合金。

(8a)在冷卻至室溫的樣片表面涂膠，使用金屬層掩膜版，光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法在兩個凹槽內(nèi)的金屬Ni膜上淀積厚度為3μm的Au薄膜，通過超聲波剝離形成一對厚度為80nm/3μm的Ni/Au金屬合金歐姆接觸電極，如圖3h；

(8b)在Ar氣環(huán)境中升溫至450℃，退火5分鐘后冷卻至室溫,完成高功率同面電極嵌入式臺面型光導(dǎo)開關(guān)的制作。

實施例2，制作臺面角度為44°,凹槽深度均為4μm，氮化硅減反層厚度為75nm，歐姆接觸電極厚度為90nm/4μm的嵌入式臺面型光導(dǎo)開關(guān)。

步驟一：對半絕緣襯底進(jìn)行倒角形成臺面。

選用半絕緣碳化硅襯底，對其進(jìn)行清洗，去除表面污染物；在清洗后的半絕緣碳化硅襯底右側(cè)進(jìn)行倒角形成44°斜面，并對此斜面采用化學(xué)機(jī)械拋光CMP，使其形成粗糙度為Ra≤0.01的光滑入射臺面，如圖3a。

步驟二：對半絕緣襯底上表面進(jìn)行刻蝕。

首先，采用磁控濺射法在襯底表面濺射鋁膜作為刻蝕掩膜層，使用光刻版在形成鋁膜的襯底的上表面刻蝕出所需要的圖案；

然后，將刻蝕出圖案的襯底樣片清洗后采用電感耦合等離子刻蝕ICP法在其上表面進(jìn)行臺面刻蝕，形成兩個深度為4μm，橫向?qū)挾葹?mm，縱向長度為8mm的凹槽，如圖3b。

步驟三：在形成凹槽的樣片表面淀積SiO₂。

本步驟與實施例1的步驟3相同，如圖3c。

步驟四：對樣片進(jìn)行離子注入。

在阻擋層上涂光刻膠，用光刻膠在涂膠后的SiO₂阻擋層上刻蝕出對應(yīng)凹槽位置的窗口圖案，并用濃度為5％的HF酸溶液腐蝕掉窗口圖案位置下的阻擋層，阻擋層表面所開窗口即為離子注入的窗口，并去膠清洗；

在離子注入窗口進(jìn)行三次磷離子注入，注入能量分別為150keV、80keV、30keV，注入的劑量分別為0.9×10¹⁵cm^-2，5.7×10¹⁵cm^-2，3.4×10¹⁵cm^-2，形成表面摻雜濃度為2×10²⁰cm^-2的樣片,如圖3d；

離子注入完成后腐蝕掉樣片表面剩余的SiO₂阻擋層，清洗樣片表面的殘留物；

在清洗殘留物后的樣片表面涂BN310負(fù)膠，將該樣片置于350℃溫度環(huán)境中加熱90分鐘進(jìn)行碳膜濺射；

在1650℃退火10分鐘，以在樣片表面形成厚度為150nm的良好歐姆接觸；再在1000℃溫度范圍內(nèi)干氧氧化15分鐘，以去除表面碳膜。

步驟五：在去除碳膜的表面淀積氮化硅。

將去除碳膜的樣品進(jìn)行等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在樣片和傾斜臺面表面淀積形成75nm厚，折射率為2.0的氮化硅層，其工藝參數(shù)為：襯底溫度350℃，硅烷與氨氣流量比為1:8，氣體總流量為4200sccm，工藝壓強(qiáng)為170Pa，淀積結(jié)果如圖3e。

步驟六：在氮化硅層對應(yīng)襯底樣片凹槽的位置開窗。

首先，在氮化硅減反層上旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版作刻蝕阻擋層；

然后，在反應(yīng)溫度為350℃的條件下，使用熔融的NaOH溶液腐蝕10分鐘，將半絕緣襯底上表面對應(yīng)凹槽位置處的氮化硅減反層刻蝕掉，形成的凹槽窗口區(qū)域即為要做金屬電極的區(qū)域，如圖3f。

步驟七：在樣片刻蝕槽內(nèi)濺射金屬Ni膜。

首先，在開窗后的樣片表面涂膠，使用金屬層掩膜版，光刻出金屬圖形；并通過磁控濺射在樣片的兩個凹槽中淀積厚度為90nm的金屬Ni,如圖3g；

然后，在Ar氣環(huán)境中升溫至1000℃，退火10分鐘后冷卻至室溫。

步驟八：在Ni膜上濺射Au金屬合金。

首先，在冷卻至室溫的樣片表面涂膠，使用金屬層掩膜版，光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法在兩個凹槽內(nèi)的金屬Ni膜上淀積厚度為4μm的Au薄膜，通過超聲波剝離形成一對厚度為90nm/4μm的Ni/Au金屬合金歐姆接觸電極，如圖3h；

然后，在Ar氣環(huán)境中升溫至550℃，退火5分鐘后冷卻至室溫,完成高功率同面電極嵌入式臺面型光導(dǎo)開關(guān)的制作。

實施例3，制作臺面角度為46°,凹槽深度均為5μm，氮化硅減反層厚度為80nm，歐姆接觸電極厚度為100nm/5μm的嵌入式臺面型光導(dǎo)開關(guān)。

步驟A，對半絕緣襯底進(jìn)行倒角形成臺面。

選用半絕緣碳化硅襯底，對其進(jìn)行清洗，去除表面污染物；在清洗后的半絕緣碳化硅襯底右側(cè)進(jìn)行倒角形成46°斜面，并對此斜面采用化學(xué)機(jī)械拋光CMP，使其形成粗糙度為Ra≤0.01的光滑入射臺面，如圖3a。

步驟B：對半絕緣襯底上表面進(jìn)行刻蝕。

采用磁控濺射法在襯底表面濺射鋁膜作為刻蝕掩膜層，使用光刻版在形成鋁膜的襯底的上表面刻蝕出所需要的圖案；將刻蝕出圖案的襯底樣片清洗后采用電感耦合等離子刻蝕ICP法在其上表面進(jìn)行臺面刻蝕，形成兩個深度為5μm，橫向?qū)挾葹?mm，縱向長度為10mm的凹槽，如圖3b。

步驟C：在形成凹槽的樣片表面淀積SiO₂。

本步驟與實施例1的步驟3相同，如圖3c。

步驟D：對樣片進(jìn)行離子注入。

(Da)在阻擋層上涂光刻膠，用光刻膠在涂膠后的SiO₂阻擋層上刻蝕出對應(yīng)凹槽位置的窗口圖案，并用濃度為5％的HF酸溶液腐蝕掉窗口圖案位置下的阻擋層，阻擋層表面所開窗口即為離子注入的窗口，并去膠清洗；

(Db)在離子注入窗口進(jìn)行三次磷離子注入，注入能量分別為150keV、80keV、30keV，注入的劑量分別為0.9×10¹⁵cm^-2，5.7×10¹⁵cm^-2，3.4×10¹⁵cm^-2，形成表面摻雜濃度為2×10²⁰cm^-2的樣片,如圖3d；

(Dc)離子注入完成后腐蝕掉樣片表面剩余的SiO₂阻擋層，清洗樣片表面的殘留物；

(Dd)在清洗殘留物后的樣片表面涂BN310負(fù)膠，將該樣片置于400℃溫度環(huán)境中加熱90分鐘進(jìn)行碳膜濺射；

(De)在1750℃退火10分鐘，以在樣片表面形成厚度為150nm的良好歐姆接觸；再在1100℃溫度范圍內(nèi)干氧氧化15分鐘，以去除表面碳膜。

步驟E：在去除碳膜的表面淀積氮化硅。

將去除碳膜的樣品進(jìn)行等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在樣片和傾斜臺面表面淀積形成80nm厚，折射率為2.1的氮化硅層，其工藝參數(shù)為：襯底溫度400℃，硅烷與氨氣流量比為1:10，氣體總流量為4400sccm，工藝壓強(qiáng)為170Pa，淀積結(jié)果如圖3e。

步驟F：在氮化硅層對應(yīng)襯底樣片凹槽的位置開窗。

(Fa)在氮化硅減反層上旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版作刻蝕阻擋層；

(Fb)在反應(yīng)溫度為400℃的條件下使用熔融的NaOH溶液腐蝕10分鐘，將半絕緣襯底上表面對應(yīng)凹槽位置處的氮化硅減反層刻蝕掉，形成的凹槽窗口區(qū)域即為要做金屬電極的區(qū)域，如圖3f。

步驟G：在樣片刻蝕槽內(nèi)濺射金屬Ni膜。

(Ga)在開窗后的樣片表面涂膠，使用金屬層掩膜版，光刻出金屬圖形；并通過磁控濺射在樣片的兩個凹槽中淀積厚度為100nm的金屬Ni,如圖3g；

(Gb)在Ar氣環(huán)境中升溫至1100℃，退火10分鐘后冷卻至室溫。

步驟H：在Ni膜上濺射Au金屬合金。

(Ha)在冷卻至室溫的樣片表面涂膠，使用金屬層掩膜版，光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法在兩個凹槽內(nèi)的金屬Ni膜上淀積厚度為5μm的Au薄膜，通過超聲波剝離形成一對厚度為100nm/5μm的Ni/Au金屬合金歐姆接觸電極，如圖3h；

(Hb)在Ar氣環(huán)境中升溫至650℃，退火5分鐘后冷卻至室溫,完成高功率同面電極嵌入式臺面型光導(dǎo)開關(guān)的制作。