專利名稱:新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域,更具體地說,涉及一種新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)及其制備方法。
背景技術(shù):
脈沖功率系統(tǒng),例如高功率激光器、沖擊雷達(dá)、高功率微波發(fā)生器等裝置,需要高功率高速開關(guān)產(chǎn)生高幅值窄脈沖。傳統(tǒng)的脈沖功率開關(guān)是氣體放電開關(guān),諸如氫閘管、火花隙等,盡管這些開關(guān)耐壓高、通流能力強(qiáng),但是存在尺寸大、開啟時(shí)間長、開通抖動(dòng)、電磁輻射、需要經(jīng)常維護(hù)等缺點(diǎn)。而光電導(dǎo)開關(guān)具有ps量級(jí)的觸發(fā)抖動(dòng)、ns量級(jí)的開通時(shí)間、高電流密度、高耐壓、小尺寸、低損耗、可控、光電隔離、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。光電導(dǎo)開關(guān)是通過觸發(fā)光源在半導(dǎo)體光電材料內(nèi)產(chǎn)生大量載流子來降低材料電阻率而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。自1972年S.Jayaraman等人發(fā)現(xiàn)用ps量級(jí)的光脈沖照射半導(dǎo)體光電材料時(shí)其響應(yīng)時(shí)間也為ps量級(jí)現(xiàn)象以來,人們開始關(guān)注半導(dǎo)體光電材料這種特性,并為光電導(dǎo)開關(guān)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。美國Bell實(shí)驗(yàn)室Auston在1976年利用半導(dǎo)體材料娃Si制成第一個(gè)ps光電導(dǎo)開關(guān),隨后一系列ps光電導(dǎo)開關(guān)被研制成功;在1977年C.H.Lee等人研制出砷化鎵GaAs材料光電導(dǎo)開關(guān)。由于GaAs的材料特性比Si更優(yōu)秀,GaAs比Si更適合用于光電導(dǎo)開關(guān)材料。第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅SiC,其擊穿場(chǎng)強(qiáng)比GaAs高I個(gè)數(shù)量級(jí),其暗電阻比GaAs高4個(gè)數(shù)量級(jí),其熱導(dǎo)率比GaAs高I個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,由于SiC是間接帶隙半導(dǎo)體,使得載流子復(fù)合時(shí)間比GaAs大400倍,這意味著維持導(dǎo)通電阻的光能比GaAs要小400倍。另外,以SiC材料制作的光電導(dǎo)開關(guān),能使固態(tài)電路的功率密度至少提高4個(gè)數(shù)量級(jí),并大大地提高光電導(dǎo)開關(guān)的工作溫度。SiC材料還有很強(qiáng)的抗輻射特性,可以大大增強(qiáng)軍事電子系統(tǒng)的生命力。理論上,禁帶寬度為3eV左右的SiC材料能夠承受高達(dá)4 MV/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度,而實(shí)際上,測(cè)試中的SiC光導(dǎo)開關(guān)在體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度不到300 kV/cm就失效,SiC光導(dǎo)開關(guān)的諸多優(yōu)點(diǎn)無法得到體現(xiàn),因而,近幾年來,由于SiC光導(dǎo)開關(guān)容易發(fā)生提前擊穿而導(dǎo)致研究熱情降低。SiC開關(guān)沒有形成超高耐壓的原因是多方面的,除了 SiC材料本身存在微管缺陷可能導(dǎo)致開關(guān)提前擊穿外,開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理也是一個(gè)主要因素。為了提高SiC光導(dǎo)開關(guān)的擊穿電壓,國外的研究人員采取了多種方法。Nunnally等人通過弧形電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使SiC晶片內(nèi)的電場(chǎng)均勻化,并且在電極和SiC晶片之間的空隙填充聚合物之類的高介電常數(shù)絕緣物來降低邊緣效應(yīng)而產(chǎn)生的高電場(chǎng),避免晶片表面和電極之間空氣被擊穿(W.C.Nunnally, D.Cooperstock.Methods and configurationsfor improving photo-conductive switch performance.Conference Record ofthe Twenty-Fifth International Power Modulator Symposium, 2002,Page (s):183-186.)0 Kelkar等人在陰極和SiC晶片之間插入一層數(shù)微米厚的P+層,來提高體區(qū)內(nèi)電場(chǎng)的均勻度,抑制了沿面閃絡(luò)和絲狀電流的形成,單只器件的耐壓可以超過900 kV/cm (K.S.Kelkarj N.E.1slam, C.M.Fesslerj et al.Design and characterization ofsilicon carbide photoconductive switches for high field applications.Journalof Applied Physics, 2006,100: 124905.)。Hettler 等人釆用臺(tái)面結(jié)構(gòu),將比重為 15%的BaTiO3粉末添加到環(huán)氧樹脂中作為封裝材料,并在0.5 torr的壓力下抽取材料中的氣泡,在35°C的烤箱中固化24小時(shí),不僅提高了封裝材料的機(jī)械強(qiáng)度,而且提高開關(guān)的暗態(tài)電阻的同時(shí)將SiC開關(guān)的擊穿電壓提高40% (C.Hettler, C.James, J.Dickens.Highelectric field packaging of silicon carbide photoconductive switches.2009 IEEEPulsed Power Conference, 2009: 631-634.)。Zhu 等人在高阻 SiC 晶片和金屬電極之間插入一層n+ GaN來改善電流集中效應(yīng),以此提高開關(guān)的擊穿電壓(K.Zhu, S.Dogan,Y.T.Moon, et al.Effect of n+_GaN subcontact layer on 4H - SiC high-powerphotoconductive switch.Applied Physics Letters, 2005,86,261108-261108-3.)。Fessler等人采用一種IEP技術(shù),在晶片有效厚度不變的情況下,從SiC晶片兩側(cè)的表面分別向晶片內(nèi)刻蝕一定深度的U型槽,然后將電極安裝在槽內(nèi),他們發(fā)現(xiàn),開關(guān)的耐壓和槽深有關(guān),當(dāng)槽深從1.5 mm減小到10 mm,開關(guān)的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)從300 kV/cm提高到827kV/cm (C.M.Fessler, K.Kelkar, ff.C.Nunnally, et al.1nvestigation of highelectric fields at the electrode—SiC interface in photo-switches.16th IEEEInternational Pulsed Power Conference, 2007, 1:114-119.)。以上這些方法在一定程度解決了 SiC光導(dǎo)開關(guān)的過早擊穿問題,提高了 SiC光導(dǎo)開關(guān)的耐壓,然而,距離SiC材料的4 MV/cm擊穿場(chǎng)強(qiáng)還相差較遠(yuǎn),無法體現(xiàn)SiC相對(duì)其它材料的優(yōu)勢(shì)。
發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題
針對(duì)傳統(tǒng)的碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)擊穿電壓不高或者導(dǎo)通電流較小等不足,本發(fā)明提供了一種新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)及其制備方法,它從器件工藝、器件造型等方面著手,通過解決絲狀電流的抑制、載流子集中、歐姆接觸等問題,極大提高了 SiC光導(dǎo)開關(guān)的耐壓性能,發(fā)揮了 SiC材料能在聞?lì)l、聞溫、電磁福射等惡劣環(huán)境下的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),且在提聞開關(guān)擊穿電壓的同時(shí)并沒有降低開關(guān)的導(dǎo)通特性。技術(shù)方案
發(fā)明原理:本發(fā)明是基于現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝,通過在半絕緣碳化硅襯底兩側(cè)增加多個(gè)高濃度、不同雜質(zhì)類型和厚度的摻雜層來抑制開關(guān)體內(nèi)電場(chǎng)、提高碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)的歐姆接觸特性而達(dá)到提高碳化硅光導(dǎo)開關(guān)耐壓的目的。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān),它包括襯底,所述的襯底由釩摻雜形成的半絕緣碳化硅晶片或本征碳化硅晶片構(gòu)成,在所述襯底的硅面上有一層導(dǎo)電類型的第一摻雜層,摻雜類型為N型;所述襯底的碳面上有兩層導(dǎo)電類型的摻雜層,從內(nèi)到外依次為:第二摻雜層和第三摻雜層,所述的第二摻雜層摻雜類型為P型,所述第三摻雜層摻雜類型為N型;所述硅面一側(cè)設(shè)置有開關(guān)的陽極,所述的碳面的一側(cè)設(shè)置有開關(guān)的陰極。優(yōu)選地,所述第一摻雜層和第三摻雜層的離子濃度為2-5 X IO18個(gè)/cm3,摻雜層的厚度為10-20 mm ;所述第二摻雜層的離子濃度為1_3X IO18個(gè)/cm3,離子注入的深度為
0.8-1.2 mm。本發(fā)明的新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)的制備方法,其步驟為:
1)選擇襯底
選用由釩摻雜形成的半絕緣碳化硅晶片或本征碳化硅晶片作為襯底;
2)在襯底的硅面上進(jìn)行外延生長
采用高溫化學(xué)氣相沉積工藝在所述的襯底硅面的0001面上偏軸4-8°外延生長摻入氮(N),形成第一摻雜層,摻雜濃度控制在2-5X IO18個(gè)/cm3,生長溫度為1500-1600 °C、生長氣壓為50-200 mbar,反應(yīng)氣體由娃燒、丙燒和氮?dú)饨M成,由氫氣稀釋并作為載氣,形成的第一摻雜層的厚度為10-20 mm ;
3)在襯底的碳面上注入離子并進(jìn)行外延生長
a)采用離子注入工藝,注入能量為450-550KeV、劑量為1_5 X IO15 cnT2,在所述的襯底的碳面上形成離子濃度為1-3 X IO18個(gè)/cm3的P型第二摻雜層,控制第二摻雜層的離子注入深度為0.8-1.2 mm ;離子注入后采用1600-1700 1:高溫退火20_50min,并采用碳膜保護(hù),退火后在1050-1100 °C的氧氣氣氛下氧化;
b)采用高溫化學(xué)氣相沉積工藝在步驟a)制得的第二摻雜層上外延生長濃度為
2-5X IO18個(gè)/cm3的N型第三摻雜層,生長溫度為1500-1600 °C、生長氣壓為50-200 mbar,反應(yīng)氣體由硅烷、丙烷和氮?dú)饨M成,由氫氣稀釋并作為載氣,控制生長厚度為10-20 _,至此,得碳化硅光導(dǎo)開關(guān)晶片;
4)將制備的碳化硅光導(dǎo)開關(guān)晶片,采用磁控濺射工藝或者電子束蒸發(fā)法從內(nèi)到外在晶片的兩側(cè)分別制備Ni/Pt/Cu或者Ti/Al/Cu金屬電極接觸層,該金屬電極接觸層中,金屬層N1、Pt、T1、Al的厚度均為200 nm,金屬層Cu厚度為500 nm,濺射或蒸發(fā)時(shí)腔室真空度為
3-5X IO-5 Pa ;
5)在所述襯底的硅面一側(cè)設(shè)置開關(guān)的陽極,碳面一側(cè)設(shè)置開關(guān)的陰極。有益效果
相比于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
(1)采用本發(fā)明的碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在陰極采用高濃度的P/N復(fù)合結(jié)構(gòu),當(dāng)光導(dǎo)開關(guān)處于高壓偏置作用下,一方面能將陰極電場(chǎng)均勻化,另一方面能夠抑制開關(guān)體內(nèi)空穴向陰極的注入,同已有的陰極采用P型或者N型單層結(jié)構(gòu)相比,本發(fā)明能夠成倍提高碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)的擊穿電壓;
(2)本發(fā)明的碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)兩側(cè)外延層的生長屬于同質(zhì)外延,相比以往的異質(zhì)外延,能將材料的失配率降低到最小,因而兩側(cè)的厚外延層不會(huì)因開關(guān)工作在高頻、高溫情況下而出現(xiàn)開裂、脫落等情況,因而本發(fā)明的碳化硅光導(dǎo)開關(guān)更適合工作在極端環(huán)境情況下、最大限度地發(fā)揮碳化硅材料的性能優(yōu)點(diǎn);
(3)本發(fā)明的碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)兩側(cè)的同質(zhì)外延,能消除異質(zhì)外延時(shí)因材料失配而產(chǎn)生的體內(nèi)電流絲現(xiàn)象,因而能進(jìn)一步提聞碳化娃光導(dǎo)開關(guān)的耐壓;
(4)采用本發(fā)明的新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān),兩側(cè)采用外延工藝制備高濃度的摻雜層,能形成良好的歐姆接觸而并沒有降低開關(guān)的導(dǎo)通電流;
(5)本發(fā)明的碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)的制備方法,所采用的離子注入、高溫外延、干氧氧化、真空鍍膜等工藝都是比較成熟的半導(dǎo)體工藝,所以操作性強(qiáng)。
圖1為本發(fā)明的碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu) 圖2為本發(fā)明的方法的工藝流程圖。圖中:1、襯底;2、第一摻雜層;3、第二摻雜層;4、第三摻雜層;5、陽極;6、陰極。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合說明書附圖和具體的實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。實(shí)施例1
結(jié)合圖1、圖2,本實(shí)施例的新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)的制備方法,其步驟如下:
1)選擇襯底
選用研究級(jí)釩摻雜碳化硅晶片作為襯底1,碳化硅晶片的厚度為300 mm ;
2)在襯底的硅面上進(jìn)行外延生長
采用高溫化學(xué)氣相沉積工藝(HTCVD)在襯底I硅面的0001面上偏軸4°外延生長摻入電子級(jí)純度的氮(N),形成第一摻雜層2,摻雜濃度為5X1018 cm_3,生長溫度為1580 V,反應(yīng)氣體流量娃燒20 mL/min、丙燒10 mL/min、氮?dú)?0 mL/min,載氣氫氣80 L/min,氣壓保持為50 mbar ;形成的第一摻雜層2的厚度為10 mm ;
3)在襯底的碳面上注入離子并進(jìn)行外延生長
a)采用離子注入工藝,注入能量為550 KeV、劑量為IXlO15 cm_2,注入元素為鋁(Al),在襯底I的碳面上形成離子濃度為I X IO18個(gè)/ cm3的第二摻雜層3 ;控制第二摻雜層3的離子注入深度為1.2 mm ;
在碳化硅專用退火爐內(nèi)實(shí)施離子注入后的高溫退火工藝。退火溫度為1650°C、時(shí)間為30分鐘。退火之前,在碳化硅襯底I雙面甩膠、堅(jiān)膜,在兩側(cè)表面形成厚度約為3 _的碳膜保護(hù)層,一方面保證被注入的離子絕大部分被激活,另一方面保護(hù)被注入的離子不被高溫?fù)p傷;同時(shí),襯底I另一面的碳膜保護(hù)襯底I的碳面不被高溫侵蝕。在管式爐內(nèi)通干氧,爐內(nèi)溫度為1050°C,保持時(shí)間3小時(shí),將退火后襯底I兩面的剩余碳I吳去除掉。b)退火后的襯底1,采用高溫化學(xué)氣相沉積(HTCVD)工藝在步驟a)制得的第二摻雜層3上摻入電子級(jí)純度的氮(N)形成第三摻雜層4,摻雜濃度為5X1018 cm_3,生長溫度為1500 °C、生長氣壓為50 mbar,反應(yīng)氣體由娃燒、丙燒和氮?dú)饨M成,由氫氣稀釋并作為載氣;控制生長厚度為10 _,至此,得碳化硅光導(dǎo)開關(guān)晶片;
4)將制備的碳化硅光導(dǎo)開關(guān)晶片,采用電子束蒸發(fā)工藝,本底真空度為3X10_5Pa,在制作好的碳化娃晶片兩側(cè)分別從內(nèi)到外依次形成Ni (200nm) /Pt (200nm) /Cu (500nm)多層金屬膜;隨后在1050 °C、時(shí)間為5分鐘、氮?dú)獗Wo(hù)的條件下快速退火。5)在襯底I的娃面一側(cè)設(shè)置開關(guān)的陽極5,碳面一側(cè)設(shè)置開關(guān)的陰極6。(本實(shí)施例制得的碳化硅光導(dǎo)電開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1。)
實(shí)施例2
結(jié)合圖2,本實(shí)施例的新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)的制備方法,其步驟為:1)選擇襯底
選用研究級(jí)本征碳化娃晶片作為襯底I,碳化娃晶片的厚度為330 mm;
2)在襯底的硅面上進(jìn)行外延生長
采用高溫化學(xué)氣相沉積(HTCVD),在襯底I硅面的0001面上偏軸8°外延生長摻入電子級(jí)純度的氮(N)形成第一摻雜層2,摻雜濃度為3 X IO18 cm_3,生長溫度為1500 V,反應(yīng)氣體為娃燒、丙燒和氮?dú)饨M成,氣體流量均為0.5 sccm,碳娃比(C/Si)為2,載氣氫氣流量為3000 sccm,反應(yīng)室壓力為100 mbar,形成的第一摻雜層2的厚度為15 mm ;
3)在襯底的碳面上注入離子并進(jìn)行外延生長
a)在襯底I的碳面,采用離子注入工藝,能量為500 KeV、劑量為3X1015 cm_2,注入元素為鋁(Al),在襯底I的碳面上形成離子濃度為2 XlO18A/ cm3、深度為1.0 mm的P型第二慘雜層3。在碳化硅專用退火爐內(nèi)實(shí)施離子注入后的高溫退火工藝,以免SiC襯底I在退火過程中引入新的雜質(zhì)而受污染。退火溫度為1600°C、時(shí)間為20分鐘。退火之前,在碳化硅襯底I雙面甩膠、堅(jiān)膜,在兩側(cè)表面形成厚度約為3 mm的AlN保護(hù)層,一方面保證被注入的離子絕大部分被激活,另一方面保護(hù)被注入的離子、以免因高溫而損傷。在管式爐內(nèi)通干氧,爐內(nèi)溫度為1070 °C,保持時(shí)間3小時(shí),將退火后襯底I兩面的剩余AlN膜去除掉。b)退火后的襯底I,采用高溫 化學(xué)氣相沉積在步驟a)制得的第二摻雜層3上外延生成厚度為15 mm、摻雜濃度為2 X IO18 cm_3的N型第三摻雜層4,生長溫度為1590 °C、生長氣壓為100 mbar,反應(yīng)氣體由硅烷、丙烷和氮?dú)饨M成,由氫氣稀釋并作為載氣,至此,得碳化娃光導(dǎo)開關(guān)晶片;
4)采用磁控濺射工藝,本底真空度為4X10_5Pa,在制作好的碳化硅晶片兩側(cè)分別從內(nèi)到外依次形成Ti/Al/Cu、厚度分別為200nm/200nm/500nm的多層金屬膜;隨后在950°C、時(shí)間為5分鐘、氮?dú)獗Wo(hù)的條件下快速退火。5)在襯底I的娃面一側(cè)設(shè)置開關(guān)的陽極5,碳面一側(cè)設(shè)置開關(guān)的陰極6。如圖1。實(shí)施例3
結(jié)合圖2,本實(shí)施例的新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)的制備方法,其步驟為:
1)選擇襯底
選用研究級(jí)釩摻雜碳化硅晶片作為襯底1,碳化硅晶片的厚度為350 mm ;
2)在襯底的硅面上進(jìn)行外延生長
在襯底I的硅面,采用高溫化學(xué)氣相沉積(HTCVD)工藝在襯底I硅面的0001面上偏軸
8。外延摻入電子級(jí)純度的氮(N)形成厚度為20 mm、摻雜濃度為2X1018 cm_3的N型第一摻雜層2,生長溫度為1600 °C,反應(yīng)氣體流量硅烷22 mL/min、丙烷13 mL/min、氮?dú)?2 mL/min,載氣氫氣83 L/min,氣壓保持為200 mbar ;
3)在襯底的碳面上注入離子并進(jìn)行外延生長
a)在襯底I的碳面,采用離子注入工藝,注入能量為450 KeV、劑量為5X1015 cm_2,注入元素為鋁(Al),形成離子濃度為3X1018個(gè)/ cm3、深度為0.8 mm的P型第二摻雜層3。在碳化硅專用退火爐內(nèi)實(shí)施離子注入后的高溫退火工藝。退火溫度為1700°C、時(shí)間為50分鐘。退火之前,在碳化硅襯底I雙面甩膠、堅(jiān)膜,在兩側(cè)表面形成厚度約為3 mm的碳膜保護(hù)層,一方面保證被注入的離子絕大部分被激活,另一方面保護(hù)被注入的離子、以免被高溫?fù)p傷;同時(shí),襯底I另一面的碳膜保護(hù)襯底I的碳面以免被高溫侵蝕。在管式爐內(nèi)通干氧,爐內(nèi)溫度為1100°C,保持時(shí)間3小時(shí),將退火后襯底I兩面的剩余碳I吳去除掉。b)退火后的襯底I,采用高溫化學(xué)氣相沉積在碳面生成厚度為20 mm、摻雜濃度為3 X IO18 cnT3的N型第三摻雜層4,生長溫度為1600 °C、生長氣壓為200 mbar,反應(yīng)氣體由硅烷、丙烷和氮?dú)饨M成,由氫氣稀釋并作為載氣,至此,得碳化硅光導(dǎo)開關(guān)晶片;
4)采用電子束蒸發(fā)工藝,本底真空度為5' IO-5 Pa,在制作好的碳化硅晶片兩側(cè)分別從內(nèi)到外依次形成Ti/Pt/Cu、厚度分別為200nm/200nm/500nm的多層金屬膜;隨后在1000°C、時(shí)間為5分鐘、氮?dú)獗Wo(hù)的條件下快速退火。5)在襯底I的硅面一側(cè)設(shè)置開關(guān)的陽極5,碳面一側(cè)設(shè)置開關(guān)的陰極6。根據(jù)上述方法制得高擊穿電壓、高通態(tài)電流、長壽命的碳化硅光電開關(guān)。以上示意性地對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述,該描述沒有限制性,附圖中所示的也只是本發(fā)明創(chuàng)造的實(shí)施方式之一,實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以,如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示,在不脫離本創(chuàng)造宗旨的情況下,不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例,均應(yīng)屬于本專利的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān),它包括襯底(1),所述的襯底(I)由釩摻雜形成的半絕緣碳化硅晶片或本征碳化硅晶片構(gòu)成,其特征在于:在所述襯底(I)的硅面上有一層導(dǎo)電類型的第一摻雜層(2),摻雜類型為N型;所述襯底(I)的碳面上有兩層導(dǎo)電類型的摻雜層,從內(nèi)到外依次為:第二摻雜層(3)和第三摻雜層(4),所述的第二摻雜層(3)摻雜類型為P型,所述的第三摻雜層(4)摻雜類型為N型;所述硅面一側(cè)設(shè)置有開關(guān)的陽極(5),所述的碳面的一側(cè)設(shè)置有開關(guān)的陰極(6 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān),其特征在于:所述第一摻雜層(2)和第三摻雜層(4)的離子濃度為2-5X1018個(gè)/cm3,摻雜層的厚度為10-20 mm ;所述第二摻雜層(3)的離子濃度為1-3X IO18個(gè)/cm3,離子注入的深度為0.8-1.2 mm。
3.新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)的制備方法,其步驟為: 1)選擇襯底 選用由釩摻雜形成的半絕緣碳化硅晶片或本征碳化硅晶片作為襯底(I); 2)在襯底的硅面上進(jìn)行外延生長 采用高溫化學(xué)氣相沉積工藝在所述的襯底(I)硅面的0001面上偏軸4-8°外延生長摻入N,形成第一摻雜層(2),摻雜濃度控制在2-5 X IO18個(gè)/cm3,生長溫度為1500-1600 V、生長氣壓為50-200 mbar,反應(yīng)氣體由娃燒、丙燒和氮?dú)饨M成,由氫氣稀釋并作為載氣,形成的第一摻雜層(2)的厚度為10-20 mm ; 3)在襯底的碳面上注入離子并進(jìn)行外延生長 a)采用離子注入工藝,注入能量為450-550KeV、劑量為1_5 X IO15 cnT2,在所述襯底(I)的碳面上形成離子濃度為1-3 X IO18個(gè)/cm3的P型第二摻雜層(3),控制第二摻雜層(3)的離子注入深度為0.8-1.2 mm ;離子注入后采用1600-1700 1:高溫退火20_50min,并采用碳膜保護(hù),退火后在1050-1100 °C的氧氣氣氛下氧化; b)采用高溫化學(xué)氣相沉積工藝在步驟a)制得的第二摻雜層(3)上外延生長濃度為2-5X IO18個(gè)/cm3的N型第三摻雜層(4),生長溫度為1500-1600 °C、生長氣壓為50-200mbar,反應(yīng)氣體由硅烷、丙烷和氮?dú)饨M成,由氫氣稀釋并作為載氣,控制生長厚度為10-20_,至此,得碳化硅光導(dǎo)開關(guān)晶片; 4)將制備的碳化硅光導(dǎo)開關(guān)晶片,采用磁控濺射工藝或者電子束蒸發(fā)法從內(nèi)到外在晶片的兩側(cè)分別制備Ni/Pt/Cu或者Ti/Al/Cu金屬電極接觸層,該金屬電極接觸層中,金屬層N1、Pt、T1、Al的厚度均為200 nm,金屬層Cu厚度為500 nm,濺射或蒸發(fā)時(shí)腔室真空度為3-5X KT5 Pa ; 5)在所述襯底(I)的硅面一側(cè)設(shè)置開關(guān)的陽極(5),碳面一側(cè)設(shè)置開關(guān)的陰極(6)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種新型多層結(jié)構(gòu)碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)及其制備方法,屬于寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。它包括襯底,所述的襯底由釩摻雜形成的半絕緣碳化硅晶片或本征碳化硅晶片構(gòu)成,在所述襯底的硅面上有一層導(dǎo)電類型的第一摻雜層,摻雜類型為N型;所述襯底的碳面上有兩層導(dǎo)電類型的摻雜層,從內(nèi)到外依次為第二摻雜層和第三摻雜層,所述的第二摻雜層摻雜類型為P型,所述第三摻雜層摻雜類型為N型;所述硅面一側(cè)設(shè)置有開關(guān)的陽極,所述的碳面的一側(cè)設(shè)置有開關(guān)的陰極。本發(fā)明的碳化硅光電導(dǎo)開關(guān)在提高開關(guān)擊穿電壓的同時(shí)并沒有降低開關(guān)的導(dǎo)通特性。
文檔編號(hào)H01L31/18GK103137772SQ20131003826
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者周郁明, 姜浩楠 申請(qǐng)人:安徽工業(yè)大學(xué)