基于3C—SiC薄膜的光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的研究

摘要：該文報(bào)道了一種可承受33 kV偏置電壓的光導(dǎo)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)從兩方面提高光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的耐壓特性：兩層厚度為20 μm的3C-SiC薄膜采用HFCVD工藝制備在6H-SiC基片表面，用于輸出電脈沖傳輸，可消除了6H-SiC基片的微管缺陷對(duì)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)耐壓特性的影響；電極位于兩層薄膜之間，增加了接觸面積，因此降低了電極表面的電流密度。

關(guān)鍵詞：光導(dǎo)開(kāi)關(guān) 3C?SiC薄膜 偏置電壓

中圖分類號(hào)：TM836 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）01（b）-00-02

光導(dǎo)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)（PCSS）是利用超快脈沖激光器與光電半導(dǎo)體材料（如Si，GaAs，InP等）相結(jié)合形成的一種新型開(kāi)關(guān)器件[1]，其工作原理是利用光電效應(yīng)，通過(guò)激光能量激勵(lì)半導(dǎo)體材料，使其電導(dǎo)率發(fā)生變化，改變開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)，從而產(chǎn)生電脈沖。與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)技術(shù)相比，光導(dǎo)開(kāi)關(guān)具有上升時(shí)間短、傳輸功率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于超快瞬態(tài)電子學(xué)、超寬帶通訊等領(lǐng)域。

光導(dǎo)開(kāi)關(guān)自1975年誕生以來(lái)，大致經(jīng)歷了三代：（1）以Si為代表[2]，Si存在暗電流較大，載流子壽命長(zhǎng)的問(wèn)題；（2）采用GaAs、InP為代表的III-V族化合物半導(dǎo)體[3]，與Si相比，載流子更短壽命；（3）使用以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料[4]，由于適合高壓大功率光導(dǎo)開(kāi)關(guān)，近年來(lái)逐漸成為研究熱點(diǎn)。

但是SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的擊穿電壓遠(yuǎn)低于SiC的理論值，原因是使用的SiC基片多為α-SiC（包括6H-SiC和4-SiC），晶格結(jié)構(gòu)為立方與六方混合結(jié)構(gòu)，具有“微管”缺陷。β-SiC（例如3C-SiC）則沒(méi)有微管缺陷，但是基片難以獲得，只有薄膜材料。微管的密度直接決定了器件的耐壓性。因此，該文采用熱絲化學(xué)氣相沉積（HFCVD）工藝在α-SiC基片表面制備基于3C-SiC薄膜的SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)，并對(duì)其耐壓特性進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

6H-SiC基片由補(bǔ)償工藝生長(zhǎng)得到。基于淺施主深受主補(bǔ)償機(jī)制，用深能級(jí)受主釩（V）對(duì)氮（N）補(bǔ)償而使得SiC基片具有半絕緣特性。基片的晶面方向（0001），厚度0.5 mm。基片先經(jīng)過(guò)1600 ℃的表面氫退火處理16 h，然后浸入200 ℃熔融態(tài)KOH中刻蝕3 min，然后浸入稀氫氟酸中浸泡12 h，最后依次使用丙酮、甲醇、去離子水清洗基片。

3C-SiC薄膜采用HFCVD工藝制備。采用CH4和SiH4分別作為C源和Si源，H2作為稀釋保護(hù)氣體。鎢絲到基片的距離為6 mm，基片溫度為850 ℃，H2流量為100 mL/min，CH4和SiH4流量比8：1。所制備的3C-SiC薄膜厚度大約為20μm。

該文制備的SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)為橫向結(jié)構(gòu)，電極圖案為帶圓弧的矩形，如圖1所示，電極間距1 mm。為提高器件的擊穿電壓，制備兩層3C-SiC薄膜，將電極夾在兩層薄膜之間。使用磁控濺射工藝先后在3C-SiC薄膜表面制備一層100 nm厚的Ni，經(jīng)過(guò)5 min的高溫快速退火后形成歐姆接觸，使用高壓直流電源與萬(wàn)用表測(cè)量暗態(tài)伏安特性，以表征電極與SiC薄膜的接觸性能。

SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的測(cè)試電路如圖2所示，電源通過(guò)RC電路給SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)施加偏置電壓，光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的輸出電脈沖經(jīng)過(guò)衰減器衰減后，由示波器讀取其峰值電壓。觸發(fā)源為波長(zhǎng)248 nm、能量0.4～1.0 mJ、脈沖寬度20 ns的氟化氪激光器。

2 結(jié)果討論

將所制備的SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)置于暗盒內(nèi)測(cè)試，得到暗態(tài)伏安特性，結(jié)果如圖1所示。可看出伏安特性曲線的線性度較好，斜率不隨偏置電壓而出現(xiàn)明顯變化，表明SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的歐姆接觸良好。暗電流的幅度較小，這與SiC材料本身的暗電阻率高有關(guān)。即使SiC材料的擊穿電壓很高，但如果將電極暴露在空氣中，則光導(dǎo)開(kāi)關(guān)可施加的最高電壓則取決于擊穿空氣的電壓。空氣的擊穿電壓為30 kV/cm，電極間距1 mm，可計(jì)算出施加在SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)上的最高電壓為3 kV，而圖1中施加的最高偏置電壓達(dá)到了20 kV，因此該文提出的結(jié)構(gòu)顯著提升了耐壓性能。

圖4給出了入射光強(qiáng)5 mJ時(shí)輸出電脈沖的峰值與偏置電壓的關(guān)系。由圖中可看出，輸出電脈沖的峰值與偏置電壓之間具有較好的線性度。圖5則給出了當(dāng)偏置電壓為5 kV時(shí)輸出電脈沖的峰值與入射光強(qiáng)的關(guān)系，兩者也具有較好的線性度。

3 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)改進(jìn)SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)以提高其耐壓性能。在6H-SiC基片表面采用HFCVD工藝制備兩層厚度為20 μm的3C-SiC薄膜用于輸出電脈沖傳輸，而電極位于兩層薄膜

之間。

采用該結(jié)構(gòu)可消除6H-SiC基片的微管缺陷的影響，并不受空氣擊穿電壓的限制，從而提高光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的擊穿電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有該結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)電壓最高可承受33 kV的偏置

電壓。

參考文獻(xiàn)

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