金属电极结构及工艺对SiC光导开关寿命的影响

摘 要：本文研究了金属电极结构和工艺对SiC光导开关寿命的影响。SiC光导开关采用钒掺杂的半绝缘6H-SiC基片，以Ti/Al/Ti/Au为接触电极，以重掺杂n+-GaN薄膜为次接触层。电极结构具有不同的参数，且所经过的退火温度也不同。开关寿命测试实验表明：退火温度对SiC光导开关的寿命影响最大；边缘间隙应越小越好，但受到制备工艺限制；1mm的结合层厚度是足够的。

关键词：SiC光导开关 脉冲功率 寿命

中图分类号：TM836 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（a）-0092-01

自1975年光导半导体开关（PCSS）[1]首次发明以来，由于上升时间短、寄生电感小、触发抖动低、传输功率高、重量轻、体积小等优点，在大电流点火装置、超快瞬态电子学、超宽带通讯、超宽带雷达有广泛的应用前景。光导半导体开关自20世纪90年代以来成为研究热点，其中一个主要的研究内容是提高光导开关的寿命，开关寿命直接影响维护成本和系统的有效工作时间。

光导半导体开关采用的半导体材料先后经历了Si[2]、以GaAs和InP为代表的的III-V族化合物半导体[3]、以SiC为代表的宽禁带半导体材料[4]。相比前两者，SiC具有更高的击穿场强和热导率、更快的载流子迁移率、更高的暗电阻率、线性模式下更小的触发激光能量，具有更好的超快特性，更适合用于制备大功率高重频的光导半导体开关。因此，本文对SiC光导开关结构对开关寿命的影响进行了研究。

一般来说，工作在低偏置电压、小导通电流下的光导半导体开关具有较长的寿命，重频还可以达到kHz，而提高偏置电压、增大电流则会明显缩短寿命，重频也会降低。为便于比较，导通电流设为20 A，偏置电压32 kV，重频20 Hz。研究了结合金属边缘与接触金属层边缘的距离、结合金属的厚度、退火温度对SiC光导开关寿命的影响。

1 实验

实验制备的器件采用横向结构，电极间隙1.25 mm，电极宽度为4 mm。采用的基片为掺钒的半绝缘6H-SiC晶片。晶面方向为（0001），厚度为0.5 mm，晶片尺寸12 mm×12 mm。基片先经过1600 ℃的表面氢退火处理16 h，然后浸入200 ℃熔融态KOH中刻蚀3 min，然后浸入稀氢氟酸中浸泡12 h，最后依次使用丙酮、甲醇、去离子水清洗基片。

n+-GaN外延层采用OMVPE工艺沉积在基片表面，厚度为100 nm，掺杂率为3×1019。采用湿法腐蚀工艺除去多余的n+-GaN薄膜，得到次接触层的图案。湿法腐蚀是浸没在90℃的80%KOH溶液中15 min。采用磁控溅射在n+-GaN次接触层表面制备Ti/Al/Ti（30/200/30/30 nm）薄膜作为电极的接触金属层之后，再沉积一层Au膜作为结合金属层，电极所需的图案通过漏板获得，再经过1 min快速退火后得到欧姆接触。为避免结合金属层（Au膜）直接与SiC接触，结合金属层区域的边缘与接触金属层的边缘有一定的间隔，如图1所示。

测试电路如图2所示。SiC光导开关的两端分别与50 m特性阻抗的高压电缆相连，其中一根高压电缆的另一端接51 m的负载电阻。0.05 m的电流探测电阻（CVR）与负载电阻串联，用于测量导通电流。采用Q开关YAG倍频激光器作为触发激光源，波长为532 nm，激光脉宽15 ns。激光光斑刚好覆盖电极之间的间隙。采用示波器和数字计数器检测光导开关输出的电脉冲。

2 结果讨论

影响光导开关寿命的因素有很多，对具有不同参数的SiC光导开关进行寿命测试，实验结果如表1所示。从表中可看出，开关寿命的变化范围达到三个数量级。由图中可看出，退火温度对开关寿命影响最大。退火温度影响电极在SiC基片表面的附着性，温度越高，附着性越好，但是会造成薄膜表面的不平整，产生更高的场增强。边缘间隙越小，场增强越小，开关能承受的电流越大，但是边缘间隙受限于加工精度。结合层厚度则应具有一定的厚度，避免因电流过大而损坏结合层，从表1可看出，1 mm是足够的。

3 结语

本文研究了金属电极结构对SiC光导开关寿命的影响。SiC光导开关采用钒掺杂的半绝缘6H-SiC基片，以Ti/Al/Ti/Au为接触电极，以重掺杂n+-GaN薄膜为次接触层。电极结构具有不同的参数，且所经过的退火温度也不同。开关寿命测试实验表明：退火温度对SiC光导开关的寿命影响最大；边缘间隙应越小越好，但受到制备工艺限制；1 mm的结合层厚度事足够的。

参考文献

[1] 袁建强，刘宏伟，刘金锋，等.50 kV半绝缘GaAs光导开关[J].强激光与粒子束，2009（21）：783-786.

[2] 常少辉，刘学超，黄维，等.正对电极结构型碳化硅光导开关的制备与性能研究[J].无机材料学报，2012（27）：1058-1062.

[3] 阮驰，赵卫，陈国夫，等.GaAs与InP半导体光导开关特性实验研究[J].光子学报，2007（36）：405-411.

[4] 严成峰，施尔畏，陈之战，等.超快大功率SiC光导开关的研究[J].无机材料学报，2008（23）：425-428.