[发明专利]碳化硅嵌入式电极异面型光导开关及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子领域，尤其涉及一种电极异面型光导开关，可用于高速大功率脉冲系统中的开关。

技术背景

1974年由贝尔实验室的D.H.Auston制备了第一个光导开关，材料采用高阻Si，但Si禁带宽度小，临界击穿场强低，而且存在致命的热崩现象，不能得到高性能的开关；1976年由马里兰大学的H.L.Chi制备了第一个GaAs光导开关，一直到现在都是该领域的热点。随着宽禁带半导体材料制备技术的成熟，半绝缘碳化硅(SiC)由于它的宽带隙、高临界电场强度、高电子饱和速度和高热导率这些特点使得它是应用为高压光导开关的一种有吸引力的材料。

文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 82,3107(2003)《4H-SiC photoconductive switching devices for use in high-power applications》”介绍了S.Dogan等人研究的环状电极间距为1mm的光导开关，但是耐压能力较低。

文献“《异面结构GaAs光导开关耐压特性研究》”介绍了李寅鑫等人对间隙宽度为3mm的GaAs光导开关进行耐压测试实验，用SLVACO软件对异面电极结构的GaAs光导开关进行仿真分析，这也是首次在国内制作异面结构光导开关，如图4所示。该结构存在以下缺陷：

一是由于一对欧姆接触电极分别做在衬底的正面和背面上，电极边缘处的光生载流子浓度很高，容易发生击穿现象，光导开关很难在工作情况下耐较高的电压，且电子和空穴的迁移率低，光导开关的导通速率慢，导通电阻大。

二是开关尺寸大，影响电路的集成度和开关器件应用。

发明内容

本发明的目的在于避免上述已有技术存在的不足，提出一种碳化硅嵌入式电极异面型光导开关及其制作方法，以提高开关工作的耐压能力和导通速率，并减小器件尺寸。

为实现上述目的，本发明的碳化硅嵌入式电极异面型光导开关，包括掺钒碳化硅衬底、上致密绝缘氧化层、下致密绝缘氧化层、上欧姆接触电极和下欧姆接触电极，其特征在于：上致密绝缘氧化层淀积在掺钒碳化硅衬底正面，下致密绝缘氧化层淀积在掺钒碳化硅衬底背面，掺钒碳化硅衬底的正面及其表面的上致密绝缘氧化层所对应位置处开有上凹槽，掺钒碳化硅衬底背面及其表面的下致密绝缘氧化层所对应位置处开有下凹槽，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极分别嵌入到上凹槽中和下凹槽中。

为实现上述目的，本发明制作碳化硅嵌入式电极异面型光导开关的方法，包括如下步骤：

(1)对掺钒浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3的样片进行清洗；

(2)用磁控溅射铝膜作为刻蚀掩膜层，采用电感耦合等离子刻蚀法在清洗后的样片正面和背面进行台面刻蚀分别形成一个深度均为2～5μm，底面直径均为8～12mm的圆柱形上凹槽和下凹槽；

(3)采用PECVD的方法在刻槽后的掺钒碳化硅衬底样片正面和背面分别淀积一层厚度为2μm的SiO₂作为离子注入的阻挡层；

(4)分别在正面和背面的SiO₂阻挡层上涂胶，用光刻版在涂胶后的SiO₂阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口图案，并用浓度为5％的HF酸腐蚀掉窗口图案位置下的阻挡层，阻挡层表面所开窗口即为离子注入的窗口，并去胶清洗；

(5)对阻挡层开窗后的样片正面和背面同时进行三次磷离子注入，注入的能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.931×10¹⁵cm^-2、5.72×10¹⁵cm^-2、3.4×10¹⁵cm^-2，使掺钒碳化硅衬底正面和背面掺杂浓度均为2×10²⁰cm^-3；

(6)离子注入完成后腐蚀掉样片正面和背面剩余的SiO₂阻挡层，清洗样片表面的残留物；

(7)在清洗残留物后的样片正面和背面涂BN310负胶，将该样片置于300～400℃温度环境中加热90分钟进行碳膜溅射；然后在1550～1750℃温度范围内退火10分钟，以在样片正面和背面分别形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在900～1100℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除样片正面和背面的碳膜；