黨鑫,楊向紅,孫岳,劉康,朱莉,胡龍,李昕,劉衛(wèi)華,王小力

(西安交通大學(xué)電子與信息學(xué)部,710049,西安)

光導(dǎo)開關(guān)技術(shù)自20世紀70年代誕生以來,以其具有超快響應(yīng)、高功率和低抖動等優(yōu)勢成為該技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點[1-3]。目前可用作制備光導(dǎo)開關(guān)的襯底材料有:第一代半導(dǎo)體Si、第二代半導(dǎo)體GaAs和InP、第三代半導(dǎo)體SiC和GaN,其中應(yīng)用最廣泛的材料是GaAs[4-6]。

1987年,研究者發(fā)現(xiàn)GaAs光導(dǎo)開關(guān)可工作于非線性模式下,在對GaAs光導(dǎo)開關(guān)施加更高偏置電場(4～10 kV/cm)時,即使撤去激光源,GaAs光導(dǎo)開關(guān)仍可以保持導(dǎo)通狀態(tài),且其輸出特性不強烈依賴于觸發(fā)激光源。這是由于GaAs光導(dǎo)開關(guān)在非線性工作模式下,激光觸發(fā)產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下形成了強烈的雪崩電離現(xiàn)象[7-8]。GaAs光導(dǎo)開關(guān)在非線性工作模式下可降低3～5個量級的觸發(fā)能量,顯著降低了觸發(fā)系統(tǒng)的復(fù)雜度,有利于光導(dǎo)開關(guān)陣列化技術(shù)的應(yīng)用[9-10]。同時,低能量觸發(fā)GaAs光導(dǎo)開關(guān)在放電等離子體、高功率微波、氣體開關(guān)觸發(fā)等方面有重要的應(yīng)用價值[11-14]。

GaAs光導(dǎo)開關(guān)因其具有眾多的優(yōu)點而在各領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用,但其壽命限制了它的實際應(yīng)用[15-17]。對光導(dǎo)開關(guān)壽命影響的重要因素之一為歐姆接觸電極的制備技術(shù),電極的歐姆接觸質(zhì)量將直接影響光導(dǎo)開關(guān)的電學(xué)響應(yīng)特性,進而決定它的可靠性。半導(dǎo)體-金屬接觸理論研究表明:由于半導(dǎo)體和金屬材料之間存在勢壘差,一般的半導(dǎo)體-金屬接觸會形成電阻很大的肖特基接觸,這會導(dǎo)致光導(dǎo)開關(guān)的接觸電阻增大,從而降低光導(dǎo)開關(guān)的效率、性能和壽命[18-21],因此,為提高光導(dǎo)開關(guān)的可靠性,就需要電極具有良好的歐姆接觸。目前就國內(nèi)外光導(dǎo)開關(guān)的研究現(xiàn)狀對比而言[22-25],國內(nèi)制備的光導(dǎo)開關(guān)在性能方面較差,尤其是基于半絕緣襯底的相關(guān)工藝報導(dǎo)較少,因此,半絕緣GaAs光導(dǎo)開關(guān)的工藝探索就顯得至關(guān)重要,這不僅對推動工藝研究有指導(dǎo)意義,同時也可為提升GaAs光導(dǎo)開關(guān)的性能提供借鑒。

為了解決目前GaAs光導(dǎo)開關(guān)的成品率低和可靠性差、穩(wěn)定性低等問題,本論文提出了GaAs光導(dǎo)開關(guān)的關(guān)鍵電極制備工藝解決方案。首先通過半導(dǎo)體工藝制備技術(shù)在半絕緣GaAs襯底上制備歐姆接觸電極,并對其采用快速熱退火工藝得到較低的比接觸電阻率,獲得良好的光導(dǎo)開關(guān)歐姆接觸特性,然后采用外延金屬工藝得到場板電極結(jié)構(gòu)的GaAs光導(dǎo)開關(guān)器件,提高了光導(dǎo)開關(guān)的可靠性。測試結(jié)果表明:在1 kHz的工作頻率下,GaAs光導(dǎo)開關(guān)可輸出10 kV脈沖電壓,可穩(wěn)定工作上萬次,從而驗證了工藝的可靠性。

1 GaAs光導(dǎo)開關(guān)電極工藝

GaAs光導(dǎo)開關(guān)的常規(guī)結(jié)構(gòu)有3種類型:體結(jié)構(gòu)、同面結(jié)構(gòu)和異面結(jié)構(gòu)。本文將以異面、半絕緣襯底的GaAs光導(dǎo)開關(guān)作為研究對象,半絕緣襯底具有較高的電阻率(大于107Ω·m)和電子遷移率(大于6 000 cm2/(V·s)),可用于制備性能良好的光導(dǎo)開關(guān)。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖

(b)剖面結(jié)構(gòu)圖圖1 GaAs光導(dǎo)開關(guān)基本結(jié)構(gòu)示意圖及其剖面圖Fig.1 Schematic diagram and section of the basic structure of the GaAs photoconductive semiconductor switch

GaAs光導(dǎo)開關(guān)的歐姆接觸電極形狀一般為矩形,其結(jié)構(gòu)簡單,但耐壓能力差,在高功率工作條件下,電極邊緣直角處容易擊穿空氣,降低光導(dǎo)開關(guān)的可靠性。矩形電極由于電極邊緣處曲率半徑過小會導(dǎo)致電場過于集中,光導(dǎo)開關(guān)承受電場能力變?nèi)?而適當增大電極邊緣處的曲率半徑可以均勻電場,提高光導(dǎo)開關(guān)的耐壓能力,因此本文設(shè)計的光導(dǎo)開關(guān)電極形狀為圓弧形電極,GaAs光導(dǎo)開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)示意圖和剖面圖如圖1所示。異面結(jié)構(gòu)GaAs光導(dǎo)開關(guān)的電極位于襯底兩側(cè),電極之間有一定的距離,該設(shè)計是由于光導(dǎo)開關(guān)可通過控制電極的間距來調(diào)整其工作電壓,因此,異面結(jié)構(gòu)光導(dǎo)開關(guān)在性能提升方面更具優(yōu)勢,本文制備的GaAs光導(dǎo)開關(guān)電極間距為4 mm。

圖2為GaAs光導(dǎo)開關(guān)的主要制備流程圖,其關(guān)鍵制備工藝為歐姆接觸電極和場板。

圖2 GaAs光導(dǎo)開關(guān)的主要制備流程 Fig.2 Flow chart of main preparation of GaAs photoconductive semiconductor switch

1.1 Ni/Ge/Au/Ni/Au歐姆接觸電極體系

歐姆接觸技術(shù)是研制GaAs光導(dǎo)開關(guān)的關(guān)鍵之一,對光導(dǎo)開關(guān)性能影響較大。目前國內(nèi)研制的光導(dǎo)開關(guān)普遍采用的是Ge/Ni/Au標準歐姆電極體系,該電極在高功率工作條件下,容易發(fā)生橫向和縱向擴散形成尖峰,導(dǎo)致歐姆接觸電極形貌平整度差、穩(wěn)定性低,從而使電極退化,影響光導(dǎo)開關(guān)正常工作。通常情況下,光導(dǎo)開關(guān)的歐姆接觸電極體系應(yīng)包括歐姆接觸金屬層、摻雜金屬層、黏附金屬層、阻擋金屬層和導(dǎo)電金屬層這5個部分,每一金屬層各自發(fā)揮作用又相輔相成。

圖3 GaAs光導(dǎo)開關(guān)歐姆接觸體系示意圖Fig.3 Schematic diagram of ohmic contact system of GaAs photoconductive semiconductor switch

Ni/Ge/Au/Ni/Au為歐姆接觸電極沉積金屬體系,其各金屬層的厚度依次為1.5 nm、35 nm、104 nm、 26 nm、 130 nm,GaAs光導(dǎo)開關(guān)歐姆接觸體系示意圖如圖3所示。其中,最底層Ni作為黏合層金屬,對改善合金的形貌和平坦接觸起重要作用,同時對其他金屬層具有催化和媒介的作用,黏附層厚度相對較薄,過厚會阻擋上層金屬對GaAs的摻雜反應(yīng)作用;Ni的上層金屬Ge和Au均作為摻雜層金屬,Ge進入GaAs中填補Ga空位并起施主作用,Au作為反應(yīng)活性金屬,擴散進入GaAs中起著受主的作用,從而使光導(dǎo)開關(guān)具有良好的歐姆接觸,這是由于金屬層和半導(dǎo)體之間的電荷轉(zhuǎn)移可以形成具有線性電流-電壓關(guān)系的低接觸電阻率的歐姆接觸。Ge/Au摻雜金屬層的厚度要控制在合適的范圍內(nèi),以保證最低的接觸電阻率;第4層Ni作為阻擋層金屬,其熔點高、擴散能力較低,穩(wěn)定性高,可以阻止上下接觸金屬層之間各元素原子之間的相互擴散,提高了歐姆接觸電極體系的可靠性和穩(wěn)定性。Ni厚度相對較厚,既要阻擋下層金屬向外擴散反應(yīng),同時也要隔絕上層金屬向內(nèi)擴散反應(yīng),該層對歐姆接觸電極體系穩(wěn)定工作至關(guān)重要;最外層Au作為導(dǎo)電層金屬,厚度為歐姆接觸體系中最厚的部分,可以使歐姆接觸體系保持具有穩(wěn)定低阻的外接觸,防止下層金屬氧化,同時作為導(dǎo)電層,與外電路連接。

1.2 場板體系

目前大多數(shù)光導(dǎo)開關(guān)的制備工藝是以歐姆接觸電極作為光導(dǎo)開關(guān)與外電路連接的電極,這樣的制備工藝有兩個缺點:一是歐姆接觸層厚度較薄,不易于焊接測試;二是光導(dǎo)開關(guān)的耐壓能力差,致使光導(dǎo)開關(guān)工作的穩(wěn)定性大大降低。對于歐姆接觸電極而言,每部分承受的電場不同,尤其是當GaAs光導(dǎo)開關(guān)在非線性工作模式下時,產(chǎn)生電流絲一側(cè)的電極會出現(xiàn)明顯脫落、燒蝕現(xiàn)象,原因就在于該電極邊緣區(qū)域承受過高電場,因此光導(dǎo)開關(guān)在電極邊緣某些地方容易發(fā)生擊穿,而為了提高擊穿電壓,可以通過改變光導(dǎo)開關(guān)電極邊緣形貌或微調(diào)電極結(jié)構(gòu),從而調(diào)節(jié)和控制光導(dǎo)開關(guān)在表面或者界面的電場分布。

本文在制備工藝流程中新增加了一項工藝步驟——場板制備,即在歐姆接觸電極上沉積金屬外延層,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。場板電極形狀和歐姆接觸電極形狀一致,增加長寬尺寸,采用這種結(jié)構(gòu)可以通過增大電極的曲率半徑來均勻電場,以此來達到增大光導(dǎo)開關(guān)耐壓,同時,增加場板層也有利于光導(dǎo)開關(guān)焊接測試,可整體提高光導(dǎo)開關(guān)工作的可靠性和穩(wěn)定性。

圖4 GaAs光導(dǎo)開關(guān)場板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of field plate of GaAs photoconductive semiconductor switch

2 GaAs光導(dǎo)開關(guān)工藝討論

2.1 歐姆接觸電極工藝

本文采用電子束蒸鍍機制備歐姆接觸電極,該方法制備出的接觸電極形貌良好,接觸質(zhì)量高。蒸鍍完成后,由于蒸發(fā)沉積的金屬與半導(dǎo)體襯底之間的界面沒有形成牢固的結(jié)合,且金屬和半導(dǎo)體之間沒有相互擴散形成歐姆接觸,因此需要進行快速退火工藝,即對歐姆接觸金屬體系進行合金化,同時對各層金屬元素進行激活并使其相互作用?？焖偻嘶鸸に囀沟媒饘倥c半導(dǎo)體的界面結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和牢固,同時可以降低接觸電阻,形成良好的歐姆接觸。

合金化后的歐姆接觸電極質(zhì)量可以通過電極的伏安特性或者接觸電阻率加以評價,本文選擇接觸電阻率進行測量?？焖偻嘶鹗墙档凸鈱?dǎo)開關(guān)電極接觸電阻率的重要工藝之一,其關(guān)鍵變量為退火溫度。本文選擇5組重復(fù)實驗來探究電極的最佳退火溫度,在采用相同電極制備工藝的條件下,制備5組試樣,然后測量不同退火溫度下樣品電極的接觸電阻率,退火溫度選擇為380 ℃、400 ℃以及425 ℃。同時為了表明退火工藝的必要性,增加未退火的樣品進行對比。其測試結(jié)果如圖5所示,由該圖可以確定電極的最佳退火溫度為400 ℃,其接觸電阻率最小可達0.019 5 Ω·cm2。

圖5 退火后GaAs光導(dǎo)開關(guān)的歐姆接觸電阻率Fig.5 Ohmic contact resistivity of GaAs photoconductive semiconductor switch after rapid thermal annealing

歐姆電極經(jīng)退火合金化后,各層金屬進行不同程度的反應(yīng),這會造成電極表面局部粗糙度(用符號Ra表示)增加。本文用H表示表面形貌的起伏粗糙高度,圖6為歐姆接觸電極退火后的原子力顯微鏡(AFM)形貌表征圖,其表面平均粗糙度Ra為12.7 nm、均方根粗糙度Rq為17.7nm,同時光鏡下未發(fā)現(xiàn)電極表面損傷,由此認為退火后的電極表面形貌良好。

圖6 退火后GaAs光導(dǎo)開關(guān)的歐姆接觸AFM形貌圖 Fig.6 AFM morphology of ohmic contact of GaAs photoconductive semiconductor switch after rapid thermal annealing

2.2 場板工藝研究

Ti/Ag/Au為場板層沉積金屬,其各金屬的厚度依次為10 nm、500 nm、100 nm,其中Ag/Au為場板金屬材料,Ti為黏附層金屬。由于歐姆接觸和場板層連接的界面經(jīng)刻蝕鈍化層的工藝步驟后,殘存的鈍化材料會影響歐姆接觸和場板的界面黏附特性,降低光導(dǎo)開關(guān)電極的可靠性,因此需要沉積黏附層來保證場板的附著力,提高光導(dǎo)開關(guān)的電極質(zhì)量,確保其工作的可靠性和穩(wěn)定性。

圖7為局部場板的光鏡圖,由圖7可明顯看到場板與歐姆接觸層的接觸形貌。

圖7 場板光鏡圖Fig.7 Field plate in optical microscope

圖8為制備完成的10.16 cm(4英寸)GaAs光導(dǎo)開關(guān)陣列器件,劃片后用于測試,其中紅色圈內(nèi)為具有完整結(jié)構(gòu)的GaAs光導(dǎo)開關(guān),成品率約為98%。評價成品的標準為:在顯微鏡觀察下,光導(dǎo)開關(guān)電極以及鈍化層表面形貌良好,同時要確保劃片后不會造成光導(dǎo)開關(guān)形狀及大小損失。異面的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)開關(guān)金屬電極位于襯底兩側(cè),圖8所示為單面10.16 cm(4英寸)GaAs光導(dǎo)開關(guān)陣列器件,器件需確保兩面均達到成品要求。由8圖可以看出:少部分電極表面存在輕微劃痕,這是實驗過程中難以避免的情況,但對電極性能并無過大影響,后續(xù)將通過改進工藝細節(jié)來避免出現(xiàn)可控的人為影響因素。

圖8 制備完成的10.16 cm(4英寸)光導(dǎo)開關(guān)陣列器件 Fig.8 Array device of a prepared 10.16 cm (4-inch) photoconductive semiconductor switch

3 GaAs光導(dǎo)開關(guān)性能測試

GaAs光導(dǎo)開關(guān)的工藝水平可以通過光導(dǎo)開關(guān)在脈沖功率電路中的電學(xué)響應(yīng)特性來表征,其基本參數(shù)為輸出脈沖上升沿時間以及光導(dǎo)開關(guān)耐壓值。

GaAs光導(dǎo)開關(guān)測試電路如圖9所示,高壓直流電源通過充電電阻向電容C充電,待電容C充電完成后,開關(guān)Sm導(dǎo)通,電容C通過變壓器PT向50 Ω脈沖形成線充電,同時為光導(dǎo)開關(guān)提供電壓偏置。待形成線充電至光導(dǎo)開關(guān)的工作電壓后,激光二極管模塊輸出光脈沖觸發(fā)光導(dǎo)開關(guān),在光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通后,產(chǎn)生的脈沖通過同軸高壓脈沖衰減器輸入至示波器。

圖9 GaAs光導(dǎo)開關(guān)測試電路Fig.9 Test circuit for GaAs photoconductive semiconductor switch

本文采用功率為90 W的激光二極管模塊,輸出為高斯光束,波長范圍為905～915 nm,激光脈沖能量約為2 μJ,脈沖半高寬為20 ns,如圖10中紅色脈沖輸入曲線所示。

圖10 GaAs光導(dǎo)開關(guān)的觸發(fā)功率脈沖與輸出電壓脈沖曲線Fig.10 Curves of trigger power pulse and output voltage pulse of GaAs photoconductive semiconductor switch

施加22 kV的偏置電壓使得GaAs光導(dǎo)開關(guān)工作在非線性工作模式下,在1 kHz的工作頻率下,光導(dǎo)開關(guān)的電壓脈沖曲線如圖10中黑色曲線所示。測試結(jié)果表明:GaAs光導(dǎo)開關(guān)可持續(xù)、穩(wěn)定工作10 s以上,同時可在負載端產(chǎn)生幅值約10 kV的電壓脈沖,脈沖上升沿低于1 ns,最高耐壓可達30 kV。

圖11為GaAs光導(dǎo)開關(guān)電極局部損傷對比圖,在光鏡下觀察,光導(dǎo)開關(guān)表面均有不同程度的損傷。圖11a為光導(dǎo)開關(guān)工作上萬次后仍可維持正常穩(wěn)定工作的局部損傷圖,損傷現(xiàn)象為電極邊緣區(qū)域燒蝕,圖11b為光導(dǎo)開關(guān)完全損傷圖,損傷為電極大面積燒蝕脫落致使光導(dǎo)開關(guān)無法工作。

(a)電極局部燒蝕

GaAs光導(dǎo)開關(guān)非線性工作模式具有明顯優(yōu)于其他襯底材料光導(dǎo)開關(guān)的突出性能,但GaAs光導(dǎo)開關(guān)損傷也非常明顯。GaAs材料由于其熱導(dǎo)率低,散熱效果差,在高功率工作條件下,光導(dǎo)開關(guān)的電極區(qū)域會產(chǎn)生大量的熱量,通常在電極的邊緣會發(fā)生電極燒蝕、脫落等現(xiàn)象,這種情況會影響光導(dǎo)開關(guān)的可靠性和穩(wěn)定性,而本文提出的場板電極結(jié)構(gòu)能夠有效地改善此類損傷,實驗結(jié)果表明:電極處的損傷明顯減少,光導(dǎo)開關(guān)具有更好的穩(wěn)定性和可靠性。

實測結(jié)果表明,光導(dǎo)開關(guān)工作上萬次后,仍有金屬電極局部脫落、鈍化層開裂等損傷現(xiàn)象。主要產(chǎn)生原因為GaAs光導(dǎo)開關(guān)在非線性工作模式下產(chǎn)生了電流絲,高電流密度導(dǎo)致大量熱量聚集于光導(dǎo)開關(guān)電極邊緣,致使光導(dǎo)開關(guān)損傷至失效,后續(xù)工作將針對光導(dǎo)開關(guān)的損傷進行分析,同時改進光導(dǎo)開關(guān)鈍化層的設(shè)計,提高鈍化層質(zhì)量和散熱效果,以改善光導(dǎo)開關(guān)的可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合理論分析和實驗探究提出了GaAs光導(dǎo)開關(guān)的關(guān)鍵電極工藝解決方案,制備出電極間距為4 mm的GaAs光導(dǎo)開關(guān),成品率約為98%,其中重點在歐姆接觸電極和外延場板兩步關(guān)鍵工藝。首先,對歐姆接觸電極進行不同溫度的快速熱退火處理,結(jié)果表明:400 ℃退火條件下,歐姆接觸電阻率為0.019 5 Ω·cm2,界面質(zhì)量良好。其次,提出的場板電極結(jié)構(gòu)明顯提高了光導(dǎo)開關(guān)的可靠性和穩(wěn)定性,降低了光導(dǎo)開關(guān)的損傷率。最后,進行光導(dǎo)開關(guān)性能測試,結(jié)果表明:采用單脈沖形成線,工作頻率為1 kHz的條件下,光導(dǎo)開關(guān)在偏置電壓為22 kV時可輸出10 kV的電壓脈沖,脈沖上升沿達亞ns量級,工作壽命數(shù)萬次以上,表明光導(dǎo)開關(guān)可在一定工作條件范圍內(nèi)穩(wěn)定有效地工作。該光導(dǎo)開關(guān)的成功制備不僅解決了制備光導(dǎo)開關(guān)的難點技術(shù)問題,也對光導(dǎo)開關(guān)投入實際應(yīng)用提供了性能測試參數(shù),為其應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本文的工作也可為后續(xù)研究提供借鑒經(jīng)驗。