一种二维电子气型光电导纵向开关及其制作方法与流程

1.本发明属于半导体技术领域，涉及一种二维电子气型光电导纵向开关，本发明还涉及上述开关的制作方法。


背景技术：

2.光电导开关(pcss)在脉冲功率领域的各种应用中很受关注，在微波和毫米波的产生、脉冲和超宽带雷达、粒子加速器以及定向能系统等应用广泛。
3.基于gaas材料在较低的电压下就开始出现负微分迁移率，所以其制作的光电导开关不可能同时满足高压和高重复频率，研究者逐渐开始寄希望于第三代半导体氮化镓(gan)材料。与gaas和sic光电导开关相比，gan光电导开关应具备耐高压(禁带宽)、高重复频率(载流子迁移率高)、大功率的潜力，但是，当前受工艺水平所限，半绝缘gan是非故意掺杂n型gan晶体高度掺fe、c等深受主补偿而得到的高阻态，因此用半绝缘gan衬底直接制作光电导开关存在严重的暗态漏电流问题，没有体现出gan宽禁带优势，无法满足超高压大功率需求。引起gan光电导开关漏电流的主要因素是欧姆漏电流，次要因素是高低结造成的正向漂移漏电流，特别是垂直型器件大尺寸加重了欧姆漏电流，这是由半绝缘宽禁带半导体材料的特点和传统光电导开关结构缺点共同造成的，是宽禁带大功率光电导开关发展面临的共性问题。解决方法：基于algan/gan高电子迁移率晶体管(hemt)器件的高电子迁移率自身优势，将其与传统的gan光电导开关整合，引入反偏pn结抑制这种暗态漏电流。
4.传统光电导开关使用半绝缘或者本征光电材料制作衬底，在衬底材料表面制作电极。根据电极位置分布不同可将光电导开关分为横向型和纵向型。横向传统型开关又包括电极同面横向和异面横向，对于这种结构激光通常从与电场垂直的方向入射；传统纵向型光电导开关的异面电极使用的是可以透光的材料制作的，一般使用氧化铟锡(ito)来作这种透明电极，激光从透明电极一侧入射；对于使用第三代宽禁带半导体材料制作的pcss，为提高激光利用率，大多采用从激光从器件侧面入射的非本征触发方案。新型栅控光电导开关结构上相对传统结构较为复杂一些，是引入pn结抑制漏电流，并由栅极来控制器件的二维电子气层的通断实现预开通。
5.研究者发现gan/algan/gan两层材料之间会产生极化效应，从而在界面处形成迁移率高达2000cm2·
v
‑1·
s
‑1且面密度高达10
13
cm
‑2量级二维电子气(two
‑
dimensional electron gas,2deg)，并在源漏电压的驱动下运动产生电流。以2deg工作的高电子迁移率晶体管相比于金属
‑
半导体场效应晶体管(mesfet)和绝缘栅场效应晶体管(misfet)能够较好地避免引入能降低gan沟道层迁移率的c和o等杂质，并且gan基hemt是通过栅极控制具有高迁移率的2deg通断来开启器件的，所以其通流能力比通过反型层开启器件的mesfet或misfet好。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种二维电子气型光电导纵向开关，该开关能够改善漏电流
问题，并提高开关的重复工作频率。
7.本发明的目的是还提供一种二维电子气型光电导纵向开关的制作方法。
8.本发明所采用的第一种技术方案是，一种二维电子气型光电导纵向开关，包括半绝缘衬底层，半绝缘衬底层的下方依次制作有重n型掺杂区和阳极，半绝缘衬底层的上方设有外延层。
9.本发明第一种技术方案的特点还在于：
10.外延层包括设置在半绝缘衬底层上表面的n型掺杂均流层，n型掺杂均流层的上方设有n型掺杂缓冲层，n型掺杂缓冲层的上方中部设有n型掺杂孔径区，n型掺杂孔径区的相对两侧分别设有p型掺杂阻挡区，n型掺杂孔径区和两个p型掺杂阻挡区的上方设有n型掺杂沟道层，n型掺杂沟道层的上方依次设有n型algan势垒层、重p型掺杂帽层及栅极，n型掺杂沟道层的相对两端分别设有阴极，重p型掺杂帽层和栅极的两端分别设有si3n4绝缘层。
11.n型掺杂沟道层、n型algan势垒层以及重p型掺杂帽层构成hemt结构，p型掺杂阻挡区和n型掺杂孔径区构成n沟道jfet结构。
12.半绝缘衬底为半绝缘gan:fe晶体。
13.本发明第二种技术方案为，一种二维电子气型光电导纵向开关的制作方法，具体包括如下步骤：
14.步骤1，在进行抛光过后的半绝缘衬底的ga面上，用hvpe法依次生长n型掺杂均流层、n型掺杂缓冲层和n型掺杂层；
15.步骤2，在器件上表面两侧进行光刻开窗，离子注入mg杂质，形成p型掺杂阻挡区，p型掺杂阻挡区之间未被mg掺杂的区域，即为n型掺杂孔径区；
16.步骤3，在p型掺杂阻挡区和n型掺杂孔径区上方，用hvpe法依次外延n型掺杂沟道层、n型algan势垒层以及重p型层；
17.步骤4，在器件上表面两侧进行光刻开窗，每侧的窗口宽度为器件宽度的十分之一到三分之一，对重p型层进行刻蚀，从而在器件正上方中心位置处形成重p型掺杂帽层，然后在p型掺杂阻挡区上方进行光刻开窗，用电感耦合增强等离子体法刻蚀槽，槽深为n型掺杂沟道层与n型algan势垒层的厚度之和，槽宽为器件宽度的三十分之一到五分之一，使得阴极金属能直接接触到p型掺杂阻挡区上；
18.步骤5，在步骤4深槽的上表面制作阴极；
19.步骤6，在半绝缘衬底层的反面，通过离子注入si杂质形成重n型掺杂区，在重n型掺杂区表面上制作阳极；
20.步骤7，用高温热退火法，使得阴极和阳极的金半接触性质从天然的肖特基接触改造为欧姆接触，然后在重p型掺杂帽层的上表面制作栅极；
21.步骤8，在器件外表面，生长一层si3n4绝缘层，用于钝化保护器件。
22.本发明的有益效果是，本发明提供的光电导电开关改善了传统纵向型光电导开关暗态漏电流大的问题，因此其直流耐压更高。本发明的光电导开关在激光触发之前通过给p栅algan/gan
‑
pcss栅极施加正电压触发信号且大于等于阈值开启电压时，重p型掺杂帽层与下方的n型掺杂沟道层异质结形成的空间电荷区消失，重p型掺杂帽层下方的2deg沟道导通。与此同时，p型掺杂阻挡区与n型掺杂孔径区构成的增强型n沟道jfet随着栅压的增大并达到n沟道的开启电压时，两个pn结的空间电荷区逐步收缩将原先夹断的n型沟道打开；这
样外延层上方的algan/ganhemt和增强型n沟道jfet都完全处于开通状态，同时外延层所承担的电压动态转移给衬底层，短时间内衬底可以承受高于自身耐压能力几倍的瞬态电压，称这时p栅algan/gan
‑
pcss处于“预开通”状态，对应的对外输出的漏电流大小称为“预开通漏电流”；随后在一定时间内用脉宽为纳秒或皮秒量级的激光脉冲照射衬底层产生大量的光生电子空穴对，这可视为激光脉冲对衬底层的“载流子大注入”，衬底层由于电导调制效应电阻率急剧下降形成导通态，在电场的作用下光生电子、光生空穴对分别向阳极和阴极方向运动，对外输出光电流脉冲。
附图说明
23.图1是脉冲功率激光从本发明一种二维电子气光电导纵向开关的结构示意图；
24.图2是本发明一种二维电子气型光电导纵向开关的器件内部等效电路图；
25.图3是本发明一种二维电子气型光电导纵向开关器件的实施例在10kv偏压条件下器件正中央位置纵向方向的电场强度分布图；
26.图4是本发明一种二维电子气型光电导纵向开关器件的实施例栅极电压和激光光强时序关系图；
27.图5是本发明一种二维电子气型光电导纵向开关器件的实施例栅极电压变化和电压动态转移特性关系图；
28.图6是本发明一种二维电子气型光电导开关器件的实施例对外输出的光电流脉冲波形图。
29.图中，1.重p型掺杂帽层，2.n型掺杂algan势垒层，3.n型掺杂沟道层，4.p型掺杂阻挡区，5.n型掺杂孔径区，6.n型掺杂缓冲层，7.n型掺杂均流层，8.半绝缘衬底，9.重n型掺杂区，21.阴极，22.栅极，23.阳极，24.si3n4绝缘层，25.激光脉冲。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
31.本发明一种二维电子气型光电导开关，如图1所示，整个器件分为外延层和衬底层。衬底层为半绝缘衬底8，半绝缘衬底8为半绝缘gan:fe晶体，在半绝缘衬底8的下表面上依次制作有重n型掺杂区9和阳极23；在半绝缘衬底8的上方为外延。即在衬底层上方制作的外延层包括：n型掺杂均流层7和n型掺杂缓冲层6，p型掺杂阻挡区4和n型掺杂孔径区5，在algan/ganhemt上方为重p型掺杂帽层1的上表面制作有栅极22，在n沟道层和nalgan的两端分别制作有阴极21。
32.本发明还提供一种二维电子气光电导开关的制作方法，工艺流程如下：
33.步骤1，在半绝缘gan:fe衬底8的ga面上，进行外延级抛光，用氢化物气相外延法依次生长厚度为50nm且浓度为8
×
10
16
cm
‑3的n型掺杂均流层7、厚度为0.5μm且浓度为1
×
10
16
cm
‑3的n型掺杂区缓冲层6以及厚度为1μm且浓度为3
×
10
16
cm
‑3的n型掺杂层。
34.步骤2，在器件上表面两侧进行光刻开窗，使得器件上表面的正中心位置处由光刻胶(优选的，az5214型光刻胶)构成宽度为4μm的离子注入掩膜层，离子注入mg杂质(优选的，离子注入剂量为1
×
10
19
cm
‑3、能量为90ev、倾角为7
°
)，用快速热退火法激活mg杂质(优选的，在700
‑
1050℃的n2气氛下退火10
‑
120s)，形成厚度为1μm且空穴浓度为1
×
10
17
cm
‑3的p型
掺杂阻挡区4，对光刻胶掩膜进行去胶，两个p型掺杂阻挡区4之间未被mg掺杂的区域，即为n型掺杂孔径区5；
35.步骤3，在p型掺杂阻挡区4和n型掺杂孔径区5上方，用hvpe法依次外延厚度为0.1μm且浓度为1
×
10
16
cm
‑3的n型掺杂沟道区3、厚度为25nm且浓度为1
×
10
15
cm
‑3的n型algan势垒层2以及厚度为0.2μm且浓度为1
×
10
18
cm
‑3的重p型层。
36.步骤4，在器件上表面两侧进行光刻开窗，每侧的窗口宽度为器件宽度的十分之一到三分之一，用icp法刻蚀除去窗位置处的重p型层，从而在器件正上方中心位置处形成重p型掺杂帽层1，然后在p型掺杂阻挡区4的上方进行光刻开窗，用icp法刻槽，槽深为n型掺杂沟道层3与n型algan势垒层2的厚度之和，槽宽为器件宽度的三十分之一到五分之一，使得在步骤7时所淀积的阴极金属能直接覆盖到p型掺杂阻挡区4上；
37.步骤5，用磁控溅射法在步骤4深槽的上表面制作金属阴极21，阴极21由四层金属构成，分别为ti/al/ni/au；
38.步骤6，半绝缘衬底层8的反面，通过离子注入si杂质形成重n型掺杂区9，在重n型掺杂区9表面上，用磁控溅射法制作金属阳极23，阳极23由四层金属构成，分别为ti/al/ni/au；
39.步骤7，在500℃下退火1min，使得阴极21和阳极23的金半接触性质从天然的肖特基接触属性改造为欧姆接触属性，然后用磁控溅射法在重p型掺杂帽层1的上表面制作栅极22，栅极22由三层金属构成，分别为ni/au/ni，因为栅极22未经退火，所以一直保持着天然的肖特基接触属性。
40.步骤8，在器件外表面，采用等离子体增强化学气相淀积法生长一层致密的si3n4绝缘层24，用于钝化保护器件。
41.对外等效电路模型如图2所示：
42.(1)重p型掺杂帽层1、n型algan势垒层2以及n型掺杂区沟道层3共同形成高迁移率二维电气型hemt结构，如图2所示。
43.(2)p型掺杂阻挡区4和n型掺杂孔径区5共同形成n沟道jfet(结型场效应晶体管)结构，在实践中，通过合理设计各掺杂区(重p型掺杂帽层1、n型algan势垒层2、n型掺杂沟道层3、p型掺杂阻挡区4和n型掺杂孔径区5)的浓度和厚度等参数，以确保p型掺杂阻挡区4和n型掺杂孔径区5之间形成的jfet结构的空间电荷区随偏置电压的增大而先扩展到半绝缘衬底层8。如图2所示，该反向pn结的空间电荷区作用对外等效为一个反向击穿二极管理想元件。从零开始增加外加偏置电压，当空间电荷区的边缘扩展到半绝缘衬底8的上表面时，定义此时的外加偏置电压值为穿通电压v
th
。
44.(3)半绝缘衬底8，如图2所示，对外等效为一个压敏且光敏的非线性电阻元件photoresistor。在本发明开关静态时(即施加了外加偏置电压u
s
，而栅压触发信号和激光触发信号没有到达器件之前)，情况之一是：当外加偏置电压u
s
小于等于v
th
时，则半绝缘衬底8的分压为零，其电阻阻值(r)是个常数，主要由衬底材料电阻率决定，但是因为衬底上没有分压，所以此时漏电流为零；情况之二是：当外加偏置电压u
s
大于v
th
时，则半绝缘衬底8的分压为u
s
‑
v
th
。由于衬底导电类型为极弱的n型，所以u
s
略大于v
th
即可使得半绝缘衬底8内的全部正离子耗尽从而空间电荷区展宽到重n型掺杂区9，并截止于重n型掺杂区9，由于此时整个半绝缘衬底层8都成为空间电荷区，所以此时漏电流为空间电荷区反向饱和漏电流，远
远小于传统光电导开关基于欧姆定律的漏电流(等于偏置电压除以传统光电流开关的半绝缘衬底电阻)。综上所述，只要本发明二维电子气光电导纵向开关的偏置电压尚未达到击穿电压，则本发明二维电子气光电导开关的漏电流远小于传统光电导开关。
45.本发明一种二维电子气型光电导纵向开关的触发过程包括以下步骤：
46.1)给栅极22加一个正向电压，当正向电压大于或等于二维电子气的沟道开启电压时，在异质结界面产生高浓度的电子，这些电子在施加的外加偏压下，向下移动到p型掺杂阻挡区4与n型掺杂孔径区5构成的增强型n沟道jfet内，随着栅压的增大达到n沟道的开启电压时，两个pn结空间电荷区逐步收缩将原先夹断的n型沟道打开，并且顺着沟道流向n型掺杂缓冲层6和n型掺杂均流层7，即整个外延层被开通。随后原来由外延层上承受的电压被转移给半绝缘衬底8，使半绝缘衬底8在沟道开通时间内承受全部外加偏置电压；
47.2)用纳秒或皮秒脉宽的脉冲激光照射半绝缘衬底8产生光生电子
‑
空穴对，这些电子
‑
空穴对在电场作用下分离，分别向阳极和阴极方向运动，半绝缘衬底8被开通。至此光电导开关器件被完全开通，对外输出光电流脉冲。
48.3)将激光脉冲撤离之后，一部分电子和空穴会以复合的形式消失，另一部分会分别被阳极和阴极抽取，使得半绝缘衬底层8恢复之前的高阻状态。之后，截断栅压为零或负栅压，可加速电极对载流子的吸收。2deg的导通沟道也因开启电压不足再次夹断，两个p型掺杂阻挡区4和n型掺杂孔径区5之间的空间电荷区也恢复展宽，阻断电子经过n沟道，由两个p型掺杂区阻挡层4和n型掺杂区缓冲层6构成反偏pn结的空间电荷区恢复展宽并截止于重n型掺杂区9。至此，该器件开关一个周期的工作结束。
49.本发明一种二维电子气型光电导开关的信号时序，要求确保导电沟道开通时刻早于或等于激光脉冲开始时刻，且导电沟道关闭时刻晚于或等于激光脉冲结束时刻。
50.实施例
51.下面通过具体实例来进一步描述本发明。
52.用hvpe法生长的、暗态电阻率为1
×
107ω
·
cm的半绝缘gan:fe晶圆作为衬底制作本发明结构，各项设计参数如表1所示。
53.表1实施例的设计参数值
[0054][0055]
栅压和触发光强均为零时，称器件处于静态，本发明静态特性检验结果为：当器件外加10kv直流偏压时，暗态漏电流密度小于1
×
10
‑
12
a/μm，比基于相同gan:fe衬底制作的传统纵向型光电导功率开关的暗态漏电流密度小2个数量级以上；在孔径区正中线位置处，有局部最强电场，其分布如图3所示；由图3知器件内部最大电场为0.68mv/cm，小于gan临界击穿场强3mv/cm。综上可知，与传统纵向型光电导功率开关相比，本发明具有明显的高压漏电流抑制能力。
[0056]
有触发信号时，称器件处于动态，其中，栅压为正但触发光强尚且为零时，称器件处于预开通状态。当光电触发信号如图4所示时，本发明器件动态特性检验结果如图5和图6所示。
[0057]
由图5可知外延层的瞬态分压情况是：外加10kv偏压时，静态下外延层承担65v电压；在时间t＝7ns时刻开始施加栅压，栅压以3v/ns的上升率增大至6v；当栅压上升到1.5v时，外延层的静态分压被动态转移至衬底层承担，说明algan/ganhemt和n沟道jfet的沟道已被打开，证明栅压对2deg和孔径区的开通调控作用是快速有效的。激光入射后，基于内光电效应产生大量光生电子
‑
空穴对参与导电，器件输出光电流波形。如图6所示，当栅压降为零时，整个器件的光电流也被迅速降为零，无传统光电导开关的光电流拖尾现象。证明栅压对整个器件的关断调控作用是快速有效的。综上可知，栅极能快速地开通和关断器件，因此证明本发明器件能够实现高重复工作频率。