GaN次接觸層對SiC光導(dǎo)開關(guān)歐姆接觸的改進(jìn)研究

摘 要：大功率SiC光導(dǎo)開關(guān)存在接觸電阻過高、接觸退化的問題。為此，在接觸金屬與SiC基片之間增加一層n+-GaN次接觸層，光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻隨之下降兩個(gè)數(shù)量級，而光電流效率增加兩個(gè)數(shù)量級。

關(guān)鍵詞：SiC光導(dǎo)開關(guān) GaN 歐姆接觸

中圖分類號：TM836 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-00-02

光導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)（PCSS）是利用超快脈沖激光器照射光電半導(dǎo)體材料（Si，GaAs，InP等），形成導(dǎo)通的一種開關(guān)器件[1]，其工作原理是，激光能量激勵(lì)半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生電子-空穴對，使其電導(dǎo)率發(fā)生變化，改變開關(guān)的通斷狀態(tài)，產(chǎn)生電脈沖。光導(dǎo)開關(guān)因?yàn)樯仙龝r(shí)間短、寄生電感小、傳輸功率高、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于超快瞬態(tài)電子學(xué)、超寬帶通訊、超寬帶雷達(dá)等領(lǐng)域。光導(dǎo)開關(guān)的半導(dǎo)體材料有三種：1、Si[2]的暗電流較大，載流子壽命長，所以電脈沖寬度在ns級以上，且容易熱擊穿；2、GaAs、InP為代表的III-V族化合物半導(dǎo)體[3]，載流子壽命短，電脈沖寬度縮短至ps級，GaAs擊穿電壓高、電壓轉(zhuǎn)換效率高，而InP的觸發(fā)抖動更小，輸出電脈沖波形更平穩(wěn)；3、SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料[4]，是非常理想的材料，近年來成為研究熱點(diǎn)。光導(dǎo)開關(guān)金屬電極與半導(dǎo)體之間的接觸電阻關(guān)系輸出功率和開關(guān)壽命，而高溫大功率工作環(huán)境會造成接觸退化。該文使用有機(jī)金屬氣相外延（OMVPE）在SiC基片表面制備一層重?fù)诫s的n+-GaN次接觸層，以改善歐姆接觸。

1 實(shí)驗(yàn)

制備的器件為橫向結(jié)構(gòu)，電極寬度為4 mm，設(shè)置不同電極間隙0.5、0.75、1.25和1.75 mm?；瑸閾解C的半絕緣6H-SiC晶片，晶面方向（0001），厚度0.5 mm。基片先經(jīng)過1600 ℃的表面氫退火處理16 h，再浸入200 ℃熔融態(tài)KOH中刻蝕3 min，然后浸入稀氫氟酸中浸泡12 h，最后使用丙酮、甲醇、去離子水清洗。

n+-GaN外延層采用OMVPE工藝沉積在基片表面，厚度100 nm，摻雜率6×1019。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，工藝參數(shù)為浸沒在90 ℃的80%KOH溶液中15 min。

制備不含n+-GaN次接觸層的SiC光導(dǎo)開關(guān)以供比較。金屬電極Ni/Ti/Au（50/30/75 nm）和Ti/Al/Ti/Au（30/200/30/30 nm）分別采用磁控濺射工藝沉積在SiC和GaN表面，再經(jīng)過快速退火后得到歐姆接觸，前者950 ℃，1.5 min；后者900℃，1 min。

6H-SiC的禁帶寬度Eg為3e V，對應(yīng)的光波長為380 nm。采用波長248 nm，脈沖寬度20 ns的氟化氪激光器作為觸發(fā)源。測試電路如圖1所示。

2 結(jié)果討論

不同的電極間隙下的暗電阻如圖2所示。有GaN的暗電阻明顯小于沒有GaN的暗電阻。當(dāng)間隙為0.5 mm時(shí)，沒有GaN的暗電阻為1201 M?，而有GaN的則降為101 M?。間隙為1.75 mm時(shí)，沒有GaN的暗電阻為20137 M?，而有GaN的則降為3023 M?。這是因?yàn)镚aN的引入減小了接觸電阻。有GaN的暗電阻隨間隙的擴(kuò)大呈增加的趨勢，而沒有GaN的暗電阻則沒有一個(gè)明顯的規(guī)律。

兩種SiC光導(dǎo)開關(guān)的擊穿電壓均可承受3 kV的電壓和220 A的電流。沒有GaN的開關(guān)若電流過高會產(chǎn)生焦耳熱，造成負(fù)電極的接觸退化。接觸退化后，相同偏置電壓下通過的電流明顯下降。接觸退化的原因是：正電極吸引電子，而負(fù)電極吸引空穴。由于空穴的遷移率比電子小得多，相比正極，負(fù)極產(chǎn)生更多的焦耳熱，造成接觸退化。有GaN的開關(guān)則未發(fā)現(xiàn)接觸退化的問題。這是因?yàn)镚aN能夠富集大量空穴，降低了接觸電阻，焦耳熱也隨之下降。

表1和表2給出了兩種光導(dǎo)開關(guān)在不同偏置電壓下的導(dǎo)通電流峰值，觸發(fā)激光的能量6 μJ。由表1可知，有GaN的開關(guān)的光電流效率為1.38×10-1A/μJ V（偏置電壓90 V），導(dǎo)通電阻為1.21 ?；而沒有GaN的開關(guān)在接觸退化后，光電流效率僅為1.66×10-3A/μJ V（偏置電壓2500 V），比前者小兩個(gè)數(shù)量級，相應(yīng)的導(dǎo)通電阻為1.00×102 ?，比前者大兩個(gè)數(shù)量級。

3 結(jié)語

在電極與SiC基片之間增加一層n+-GaN次接觸層以降低接觸電阻，消除負(fù)極的接觸退化。

空穴的遷移率小是造成接觸退化的原因，n+-GaN可有效富集空穴，從而解決該問題。

導(dǎo)通電阻下降兩個(gè)數(shù)量級而導(dǎo)通電流增加兩個(gè)數(shù)量級。

參考文獻(xiàn)

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

[2]常少輝，劉學(xué)超，黃維，等.正對電極結(jié)構(gòu)型碳化硅光導(dǎo)開關(guān)的制備與性能研究[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2012（27）：1058-1062.

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