本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域，特別涉及一種透明電極異面型光導(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

1974年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的D.H.Auston制備了世界上第一只硅基的光導(dǎo)開關(guān)，但是由于硅材料的局限性，并不能得到高性能的開關(guān)；1976年有馬里蘭大學(xué)的H.L.Chi制備了第一個(gè)GaAs光導(dǎo)開關(guān)，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于硅基的光導(dǎo)開關(guān)，因此在后來數(shù)十年內(nèi)，砷化鎵的光導(dǎo)開關(guān)得到了較為成熟的研究。但由于砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)獨(dú)特的Lock-on效應(yīng)，限制了其在更廣范圍內(nèi)的應(yīng)用。隨著第三代半導(dǎo)體碳化硅材料的成熟，由于它的寬帶隙、高臨界電場(chǎng)、高電子飽和速度和高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)使得它在高壓光導(dǎo)開關(guān)方面具有巨大的研究潛力。

文獻(xiàn)“Applied Physics Letters 104.172106(2014)《High power operation of a nitrogen doped,vanadium compensated,6H-SiC extrinsic photoconductive switch》”報(bào)道了一種垂直型結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)開關(guān)器件，該器件采用532nm激光觸發(fā)，激光從兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行照射。由于其采用垂直型結(jié)構(gòu)，所以器件的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)較大，并且取得了最小導(dǎo)通電阻為1Ω的測(cè)試結(jié)果。但是又由于該器件采用的是金屬電極，因此在實(shí)際應(yīng)用中主要會(huì)存在以下問題：

一方面，532nm激光需要從兩個(gè)側(cè)面照射，器件側(cè)面的激光入射面積極為有限，這種情況下，器件的使用就需要精密的光纖系統(tǒng)為開關(guān)搭建光路，增加了器件使用的難度。

另一方面，532nm激光從側(cè)面照射，到達(dá)電極下方時(shí)，激光的能量已經(jīng)大幅衰減，器件要到達(dá)飽和狀態(tài)就需要提高入射激光的能量密度，即從原理上不能實(shí)現(xiàn)低能量密度觸發(fā)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于避免上述已有技術(shù)存在的不足，提出一種基于氧化鋅透明電極的異面型光導(dǎo)開關(guān)及其制作方法，以改變光照方式，增加器件的受光面積，提高導(dǎo)電通道的光子濃度，實(shí)現(xiàn)低能量密度觸發(fā)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

1.一種基于氧化鋅透明電極的異面型光導(dǎo)開關(guān)，包括摻釩碳化硅襯底、上歐姆接觸電極、下歐姆接觸電極、上薄膜電極和下薄膜電極，上薄膜電極淀積在摻釩碳化硅襯底的正面及上歐姆接觸電極的表面，下薄膜電極淀積在摻釩碳化硅襯底的背面及下歐姆接觸電極的表面，其特征在于：

上薄膜電極和下薄膜電極均采用透明氧化鋅材料，以使器件可以在電極面光照下導(dǎo)通，增加器件的受光面積。

2.一種制作基于氧化鋅透明電極的異面型光導(dǎo)開關(guān)的方法，包括如下步驟：

(1)清洗襯底：將電阻率大于10¹⁰Ω·cm的釩補(bǔ)償?shù)奶蓟璋虢^緣襯底樣片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；

(2)淀積阻擋層：采用PECVD的方法在摻釩碳化硅襯底樣片的正面和背面分別淀積厚度為1～5μm的二氧化硅，作為襯底正面和背面離子注入的阻擋層；

(3)光刻：分別在襯底正面和背面的阻擋層上涂膠，用光刻板在涂膠后的阻擋層上刻蝕出離子注入窗口，并用濃度為5％的HF酸腐蝕掉窗口位置下的阻擋層，并去膠清洗；

(4)淀積犧牲層：采用PECVD的方法在阻擋層開窗后的樣片正面和背面分別淀積厚度為50～80nm的二氧化硅作為離子注入的犧牲層；

(5)離子注入：在淀積犧牲層后的樣片正面和背面分別進(jìn)行多次磷離子注入，使摻釩碳化硅襯底正面和背面表面的雜質(zhì)濃度均為1×10²⁰cm^-3；

(6)去除阻擋層：離子注入完成后腐蝕掉樣片正面和背面剩余的阻擋層，清洗掉樣品表面的殘留物；

(7)退火：在清洗殘留物后的樣片正面和背面涂負(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；再在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；然后在900～1100℃溫度范圍內(nèi)干氧氧化15分鐘，以去除樣片正面和背面的碳膜；

(8)淀積金屬電極：

8a：在去除碳膜的樣片正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法在樣片的正面和背面的對(duì)應(yīng)金屬電極位置淀積厚度為80～100nm的金屬Ni，并通過超聲波剝離掉光刻膠，再在Ar氣環(huán)境中升溫至900～1100℃，保存10分鐘后冷卻至室溫；

8b：在冷卻至室溫的樣片正面和背面涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出金屬圖形，通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ni膜上淀積厚度為50～100nm的金屬Ti和0.5～1.5μm的Au；通過超聲波剝離形成金屬電極，在樣片的正面和背面分別形成橫向?qū)挾萀、縱向?qū)挾萕均為6～8mm，厚度h均為0.5～2μm的上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極，再在Ar氣環(huán)境中升溫至450～600℃范圍，保持5分鐘后冷卻至室溫；

(9)淀積透明氧化鋅電極：通過磁控濺射法在冷卻至室溫的樣片正面和背面分別淀積厚度為1～2μm的氧化鋅透明薄膜，并分別在正面和背面的氧化鋅透明薄膜上涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出所需窗口圖形，再采用稀鹽酸進(jìn)行濕法刻蝕得到透明電極，完成整個(gè)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(diǎn)：

1.本發(fā)明由于采用透明的氧化鋅薄膜電極，使得垂直型光導(dǎo)開關(guān)可以在電極面光照下導(dǎo)通，增加了光照的面積，使激光到達(dá)器件導(dǎo)電通道時(shí)的衰減大幅降低，且減小了配套光路的設(shè)計(jì)難度；同時(shí)由于激光可以直接到達(dá)導(dǎo)電通道，可使電極下方的區(qū)域?qū)?，提高了激光的利用效率；此外由于上下表面均為透明電極，可使激光從上下電極面同時(shí)照射，進(jìn)一步增加導(dǎo)電通道的激光濃度，可實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻，使得器件在實(shí)際的應(yīng)用中的設(shè)計(jì)更加靈活方便。

2.本發(fā)明的器件由于采用具有臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)高的異面結(jié)構(gòu)，故可以通過控制襯底的厚度，得到不同耐壓范圍的器件。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的俯視示意圖；

圖3是本發(fā)明制作方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1，本發(fā)明的光導(dǎo)開關(guān)，其主要由長方體的摻釩碳化硅襯底1、上歐姆接觸電極2、下歐姆接觸電極3、上薄膜電極4和下薄膜電極5組成。碳化硅襯底1是在碳化硅材料中摻入釩原子形成的，摻入的釩原子在碳化硅襯底1中既可作為施主原子也可以作為受主原子。上歐姆接觸電極2和下歐姆接觸電極3分別淀積在摻釩碳化硅襯底1的正面和背面，其邊緣均為設(shè)有1/4的圓弧倒角，上薄膜電極4淀積在摻釩碳化硅襯底1的正面及上歐姆接觸電極2表面，下薄膜電極5淀積在摻釩碳化硅襯底1的背面及下歐姆接觸電極3表面，上薄膜電極4及下薄膜電極5均采用透明氧化鋅材料。

參照?qǐng)D2，上歐姆接觸電極2和下歐姆接觸電極3的橫向?qū)挾萀、縱向?qū)挾萕均為6～8mm，厚度h均為0.5～2μm。上薄膜電極4和下薄膜電極5的底面直徑d均為6～7mm，厚度n均為1～2μm。

當(dāng)入射光垂直于上歐姆接觸電極2和下歐姆接觸電極3照射到碳化硅透明電極異面型光導(dǎo)開關(guān)上時(shí)，在摻釩碳化硅襯底1內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的光生載流子，摻釩碳化硅襯底正面的上歐姆接觸電極2和背面的下歐姆接觸電極3會(huì)將產(chǎn)生的光生載流子大量的收集起來，在上歐姆接觸電極2與下歐姆接觸電極3之間形成電流，使開關(guān)在幾十個(gè)ps時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。

參照?qǐng)D3，本發(fā)明的制作方法給出如下三種實(shí)例：

實(shí)施例1，制作透明電極異面型光導(dǎo)開關(guān)。其上薄膜電極和下薄膜電極底面直徑d均為6mm，厚度均為1μm，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極厚度均為0.63μm，橫向?qū)挾?、縱向?qū)挾染鶠?mm。

步驟1：對(duì)摻釩碳化硅襯底樣片正面和背面分別淀積阻擋層。

采用PECVD的方法在長方體碳化硅襯底樣片的正面和背面分別淀積厚度為2μm的二氧化硅，作為襯底正面和背面離子注入的阻擋層；如圖3a。

步驟2：對(duì)樣片正面和背面分別進(jìn)行離子注入。

(2a)分別在樣片正面和背面的阻擋層上涂膠，用光刻板在涂膠后的阻擋層上刻蝕出離子注入窗口，并用濃度為5％的HF酸腐蝕掉窗口位置下的阻擋層，并去膠清洗；

(2b)采用PECVD的方法在阻擋層開窗后的樣片正面和背面分別淀積厚度為60nm的二氧化硅作為離子注入的犧牲層；

(2c)將淀積犧牲層后的樣片正面置于500℃溫度環(huán)境下進(jìn)行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實(shí)現(xiàn)摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3；

(2d)將已淀積犧牲層后的樣片背面置于500℃溫度環(huán)境下進(jìn)行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實(shí)現(xiàn)摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3，如圖3b；

(2e)去除完成離子注入后樣片正面和背面剩余的阻擋層，并進(jìn)行清洗；

(2f)在1600℃退火10分鐘，以在樣片正面和背面分別形成150nm的良好歐姆接觸，退火后再在900℃干氧氧化15分鐘，去除樣片正面和背面的碳膜；

步驟3：在樣片濺射金屬Ni膜。

(3a)在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法在樣片的正面和背面的對(duì)應(yīng)金屬電極位置淀積厚度為80nm的金屬Ni，通過超聲波剝離清洗掉光刻膠，如圖3c；

(3b)在高純Ar氣環(huán)境中升溫至1100℃，保持10分鐘冷卻至室溫。

步驟4：在Ni膜上濺射Ti金屬合金。

在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ni膜上淀積厚度為50nm的Ti金屬合金，如圖3d；

步驟5：在Ti膜上濺射Au。

(5a)在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ti膜上淀積厚度為0.5μm的Au；通過超聲波剝離分別形成厚度為0.63μm，橫向?qū)挾取⒖v向?qū)挾染鶠?mm的Ni/Ti/Au金屬合金上歐姆接觸電極和厚度為0.63μm，橫向?qū)挾取⒖v向?qū)挾染鶠?mm的Ni/Ti/Au金屬合金下歐姆接觸電極，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極的電極邊緣均為設(shè)有1/4的圓弧倒角，如圖3e；

(5b)在Ar氣環(huán)境中升溫至550℃，保持5分鐘冷卻至室溫。

步驟6：濺射透明氧化鋅電極。

通過磁控濺射法在冷卻至室溫的樣片正面和背面分別淀積厚度為1μm，底面直徑為6mm的氧化鋅透明薄膜，并分別在正面和背面的氧化鋅透明薄膜上涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出所需窗口圖形，再采用稀鹽酸進(jìn)行濕法刻蝕得到透明電極，如圖3f，完成整個(gè)器件的制作。

實(shí)施例2，制作透明電極異面型光導(dǎo)開關(guān)。其上薄膜電極和下薄膜電極底面直徑d均為6.5mm，厚度均為1.5μm，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極厚度均為1.165μm，橫向?qū)挾取⒖v向?qū)挾染鶠?mm。

步驟一：對(duì)摻釩碳化硅襯底樣片正面和背面分別淀積阻擋層。

采用PECVD的方法在長方體碳化硅襯底樣片的正面和背面分別淀積厚度為2.5μm的二氧化硅，作為襯底正面和背面離子注入的阻擋層；如圖3a。

步驟二：對(duì)樣片正面和背面分別進(jìn)行離子注入。

首先，分別在樣片正面和背面的阻擋層上涂膠，用光刻板在涂膠后的阻擋層上刻蝕出離子注入窗口，并用濃度為5％的HF酸腐蝕掉窗口位置下的阻擋層，并去膠清洗；

接著，采用PECVD的方法在阻擋層開窗后的樣片正面和背面分別淀積厚度為65nm的二氧化硅作為離子注入的犧牲層；

接著，將淀積犧牲層后的樣片正面置于500℃溫度環(huán)境下進(jìn)行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實(shí)現(xiàn)摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3；

接著，將已淀積犧牲層后的樣片背面置于500℃溫度環(huán)境下進(jìn)行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實(shí)現(xiàn)摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3，如圖3b；

接著，去除完成離子注入后樣片正面和背面剩余的阻擋層，并進(jìn)行清洗；

然后，在1700℃退火10分鐘，以在樣片正面和背面分別形成150nm的良好歐姆接觸，退火后再在950℃干氧氧化15分鐘，去除樣片正面和背面的碳膜；

步驟三：在樣片濺射金屬Ni膜。

首先，在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法在樣片的正面和背面的對(duì)應(yīng)位置淀積厚度為90nm的金屬Ni，通過超聲波剝離清洗掉光刻膠，如圖3c；

然后，在高純Ar氣環(huán)境中升溫至1000℃，保持10分鐘冷卻至室溫。

步驟四：在Ni膜上濺射Ti金屬合金。

在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ni膜上淀積厚度為75nm的Ti金屬合金，如圖3d；

步驟五：在Ti膜上濺射Au。

首先，在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ti膜上淀積厚度為1μm的Au；通過超聲波剝離分別形成厚度為1.165μm，橫向?qū)挾?、縱向?qū)挾染鶠?mm的Ni/Ti/Au金屬合金上歐姆接觸電極和厚度為1.165μm，橫向?qū)挾?、縱向?qū)挾染鶠?mm的Ni/Ti/Au金屬合金下歐姆接觸電極，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極的電極邊緣均為設(shè)有1/4的圓弧倒角，如圖3e；

然后，在Ar氣環(huán)境中升溫至500℃，保持5分鐘冷卻至室溫。

步驟六：濺射透明氧化鋅電極。

通過磁控濺射法在冷卻至室溫的樣片正面和背面分別淀積厚度為1.5μm，底面直徑為6.5mm的氧化鋅透明薄膜，分別在正面和背面涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出所需窗口圖形，采用稀鹽酸進(jìn)行濕法刻蝕，得到所需的透明電極，如圖3f，完成整個(gè)器件的制作。

實(shí)施例3，制作透明電極異面型光導(dǎo)開關(guān)。其上薄膜電極和下薄膜電極底面直徑d均為7mm，厚度均為2μm，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極厚度均為1.7μm，橫向?qū)挾?、縱向?qū)挾染鶠?mm。

步驟A：對(duì)摻釩碳化硅襯底片正面和背面分別淀積。

采用PECVD的方法在長方體碳化硅襯底樣片的正面和背面分別淀積厚度為3μm的二氧化硅，作為襯底正面和背面離子注入的阻擋層；如圖3a

步驟B：對(duì)樣片正面和背面分別進(jìn)行離子注入。

(Ba)分別在樣片正面和背面的阻擋層上涂膠，用光刻板在涂膠后的阻擋層上刻蝕出離子注入窗口，并用濃度為5％的HF酸腐蝕掉窗口位置下的阻擋層，并去膠清洗；

(Bb)采用PECVD的方法在阻擋層開窗后的樣片正面和背面分別淀積厚度為70nm的二氧化硅作為離子注入的犧牲層；

(Bc)將淀積犧牲層后的樣片正面置于500℃溫度環(huán)境下進(jìn)行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實(shí)現(xiàn)摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3；

(Bd)將已淀積犧牲層后的樣片背面置于500℃溫度環(huán)境下進(jìn)行四次磷離子注入，第一次注入能量為180KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為9.5×10¹⁴cm^-2，第二次注入能量為125KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為5.8×10¹⁴cm^-2，第三次注入能量為80KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為3.0×10¹⁴cm^-2，第四次注入能量為60KeV，對(duì)應(yīng)的注入劑量為2.6×10¹⁴cm^-2，以實(shí)現(xiàn)摻釩碳化硅襯底正面的摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3，如圖3b；

(Be)去除完成離子注入后樣片正面和背面剩余的阻擋層，并進(jìn)行清洗；

(Bf)在1550℃退火10分鐘，以在樣片正面和背面分別形成150nm的良好歐姆接觸，退火后再在1000℃干氧氧化15分鐘，去除樣片正面和背面的碳膜；

步驟C：在樣片濺射金屬Ni膜。

(Ca)在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法在樣片的正面和背面的對(duì)應(yīng)位置淀積厚度為100nm的金屬Ni，通過超聲波剝離清洗掉光刻膠，如圖3c；

(Cb)在高純Ar氣環(huán)境中升溫至1040℃，保持10分鐘冷卻至室溫。

步驟D：在Ni膜上濺射Ti金屬合金。

在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ni膜上淀積厚度為100nm的Ti金屬合金，如圖3d；

步驟E：在Ti膜上濺射Au。

(Ea)在樣片的正面和背面旋涂光刻膠，利用金屬層的掩膜版光刻出金屬圖形；通過磁控濺射法分別在正面和背面的Ti膜上淀積厚度為1.5μm的Au；通過超聲波剝離分別形成厚度為1.7μm，橫向?qū)挾?、縱向?qū)挾染鶠?mm的Ni/Ti/Au金屬合金上歐姆接觸電極和厚度為1.7μm，橫向?qū)挾取⒖v向?qū)挾染鶠?mm的Ni/Ti/Au金屬合金下歐姆接觸電極，上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極的電極邊緣均為設(shè)有1/4的圓弧倒角，如圖3e；

(Eb)在Ar氣環(huán)境中升溫至460℃，保持5分鐘冷卻至室溫。

步驟F：濺射透明氧化鋅電極。

通過磁控濺射法在冷卻至室溫的樣片正面和背面分別淀積厚度為2μm，底面直徑為7mm的氧化鋅透明薄膜，分別在正面和背面涂膠，使用金屬層掩膜版光刻出所需窗口圖形，采用稀鹽酸進(jìn)行濕法刻蝕，得到所需的透明電極，如圖3f，完成整個(gè)器件的制作。