金屬電極結構及工藝對SiC光導開關壽命的影響

摘 要：本文研究了金屬電極結構和工藝對SiC光導開關壽命的影響。SiC光導開關采用釩摻雜的半絕緣6H-SiC基片，以Ti/Al/Ti/Au為接觸電極，以重摻雜n+-GaN薄膜為次接觸層。電極結構具有不同的參數，且所經過的退火溫度也不同。開關壽命測試實驗表明：退火溫度對SiC光導開關的壽命影響最大；邊緣間隙應越小越好，但受到制備工藝限制；1mm的結合層厚度是足夠的。

關鍵詞：SiC光導開關 脈沖功率 壽命

中圖分類號：TM836 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0092-01

自1975年光導半導體開關（PCSS）[1]首次發明以來，由于上升時間短、寄生電感小、觸發抖動低、傳輸功率高、重量輕、體積小等優點，在大電流點火裝置、超快瞬態電子學、超寬帶通訊、超寬帶雷達有廣泛的應用前景。光導半導體開關自20世紀90年代以來成為研究熱點，其中一個主要的研究內容是提高光導開關的壽命，開關壽命直接影響維護成本和系統的有效工作時間。

光導半導體開關采用的半導體材料先后經歷了Si[2]、以GaAs和InP為代表的的III-V族化合物半導體[3]、以SiC為代表的寬禁帶半導體材料[4]。相比前兩者，SiC具有更高的擊穿場強和熱導率、更快的載流子遷移率、更高的暗電阻率、線性模式下更小的觸發激光能量，具有更好的超快特性，更適合用于制備大功率高重頻的光導半導體開關。因此，本文對SiC光導開關結構對開關壽命的影響進行了研究。

一般來說，工作在低偏置電壓、小導通電流下的光導半導體開關具有較長的壽命，重頻還可以達到kHz，而提高偏置電壓、增大電流則會明顯縮短壽命，重頻也會降低。為便于比較，導通電流設為20 A，偏置電壓32 kV，重頻20 Hz。研究了結合金屬邊緣與接觸金屬層邊緣的距離、結合金屬的厚度、退火溫度對SiC光導開關壽命的影響。

1 實驗

實驗制備的器件采用橫向結構，電極間隙1.25 mm，電極寬度為4 mm。采用的基片為摻釩的半絕緣6H-SiC晶片。晶面方向為（0001），厚度為0.5 mm，晶片尺寸12 mm×12 mm。基片先經過1600 ℃的表面氫退火處理16 h，然后浸入200 ℃熔融態KOH中刻蝕3 min，然后浸入稀氫氟酸中浸泡12 h，最后依次使用丙酮、甲醇、去離子水清洗基片。

n+-GaN外延層采用OMVPE工藝沉積在基片表面，厚度為100 nm，摻雜率為3×1019。采用濕法腐蝕工藝除去多余的n+-GaN薄膜，得到次接觸層的圖案。濕法腐蝕是浸沒在90℃的80%KOH溶液中15 min。采用磁控濺射在n+-GaN次接觸層表面制備Ti/Al/Ti（30/200/30/30 nm）薄膜作為電極的接觸金屬層之后，再沉積一層Au膜作為結合金屬層，電極所需的圖案通過漏板獲得，再經過1 min快速退火后得到歐姆接觸。為避免結合金屬層（Au膜）直接與SiC接觸，結合金屬層區域的邊緣與接觸金屬層的邊緣有一定的間隔，如圖1所示。

測試電路如圖2所示。SiC光導開關的兩端分別與50 m特性阻抗的高壓電纜相連，其中一根高壓電纜的另一端接51 m的負載電阻。0.05 m的電流探測電阻（CVR）與負載電阻串聯，用于測量導通電流。采用Q開關YAG倍頻激光器作為觸發激光源，波長為532 nm，激光脈寬15 ns。激光光斑剛好覆蓋電極之間的間隙。采用示波器和數字計數器檢測光導開關輸出的電脈沖。

2 結果討論

影響光導開關壽命的因素有很多，對具有不同參數的SiC光導開關進行壽命測試，實驗結果如表1所示。從表中可看出，開關壽命的變化范圍達到三個數量級。由圖中可看出，退火溫度對開關壽命影響最大。退火溫度影響電極在SiC基片表面的附著性，溫度越高，附著性越好，但是會造成薄膜表面的不平整，產生更高的場增強。邊緣間隙越小，場增強越小，開關能承受的電流越大，但是邊緣間隙受限于加工精度。結合層厚度則應具有一定的厚度，避免因電流過大而損壞結合層，從表1可看出，1 mm是足夠的。

3 結語

本文研究了金屬電極結構對SiC光導開關壽命的影響。SiC光導開關采用釩摻雜的半絕緣6H-SiC基片，以Ti/Al/Ti/Au為接觸電極，以重摻雜n+-GaN薄膜為次接觸層。電極結構具有不同的參數，且所經過的退火溫度也不同。開關壽命測試實驗表明：退火溫度對SiC光導開關的壽命影響最大；邊緣間隙應越小越好，但受到制備工藝限制；1 mm的結合層厚度事足夠的。

參考文獻

[1]袁建強，劉宏偉，劉金鋒，等.50 kV半絕緣GaAs光導開關[J].強激光與粒子束，2009（21）：783-786.

[2]常少輝，劉學超，黃維，等.正對電極結構型碳化硅光導開關的制備與性能研究[J].無機材料學報，2012（27）：1058-1062.

[3]阮馳，趙衛，陳國夫，等.GaAs與InP半導體光導開關特性實驗研究[J].光子學報，2007（36）：405-411.

[4]嚴成峰，施爾畏，陳之戰，等.超快大功率SiC光導開關的研究[J].無機材料學報，2008（23）：425-428.