摘 要：本文研究了金屬電極結(jié)構(gòu)和工藝對(duì)SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)壽命的影響。SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)采用釩摻雜的半絕緣6H-SiC基片，以Ti/Al/Ti/Au為接觸電極，以重?fù)诫sn+-GaN薄膜為次接觸層。電極結(jié)構(gòu)具有不同的參數(shù)，且所經(jīng)過(guò)的退火溫度也不同。開(kāi)關(guān)壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明：退火溫度對(duì)SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的壽命影響最大；邊緣間隙應(yīng)越小越好，但受到制備工藝限制；1mm的結(jié)合層厚度是足夠的。

關(guān)鍵詞：SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān) 脈沖功率 壽命

中圖分類號(hào)：TM836 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（a）-0092-01

自1975年光導(dǎo)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)（PCSS）[1]首次發(fā)明以來(lái)，由于上升時(shí)間短、寄生電感小、觸發(fā)抖動(dòng)低、傳輸功率高、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在大電流點(diǎn)火裝置、超快瞬態(tài)電子學(xué)、超寬帶通訊、超寬帶雷達(dá)有廣泛的應(yīng)用前景。光導(dǎo)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)自20世紀(jì)90年代以來(lái)成為研究熱點(diǎn)，其中一個(gè)主要的研究?jī)?nèi)容是提高光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的壽命，開(kāi)關(guān)壽命直接影響維護(hù)成本和系統(tǒng)的有效工作時(shí)間。

光導(dǎo)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)采用的半導(dǎo)體材料先后經(jīng)歷了Si[2]、以GaAs和InP為代表的的III-V族化合物半導(dǎo)體[3]、以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料[4]。相比前兩者，SiC具有更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和熱導(dǎo)率、更快的載流子遷移率、更高的暗電阻率、線性模式下更小的觸發(fā)激光能量，具有更好的超快特性，更適合用于制備大功率高重頻的光導(dǎo)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。因此，本文對(duì)SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)開(kāi)關(guān)壽命的影響進(jìn)行了研究。

一般來(lái)說(shuō)，工作在低偏置電壓、小導(dǎo)通電流下的光導(dǎo)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)具有較長(zhǎng)的壽命，重頻還可以達(dá)到kHz，而提高偏置電壓、增大電流則會(huì)明顯縮短壽命，重頻也會(huì)降低。為便于比較，導(dǎo)通電流設(shè)為20 A，偏置電壓32 kV，重頻20 Hz。研究了結(jié)合金屬邊緣與接觸金屬層邊緣的距離、結(jié)合金屬的厚度、退火溫度對(duì)SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)壽命的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)制備的器件采用橫向結(jié)構(gòu)，電極間隙1.25 mm，電極寬度為4 mm。采用的基片為摻釩的半絕緣6H-SiC晶片。晶面方向?yàn)椋?001），厚度為0.5 mm，晶片尺寸12 mm×12 mm?；冉?jīng)過(guò)1600 ℃的表面氫退火處理16 h，然后浸入200 ℃熔融態(tài)KOH中刻蝕3 min，然后浸入稀氫氟酸中浸泡12 h，最后依次使用丙酮、甲醇、去離子水清洗基片。

n+-GaN外延層采用OMVPE工藝沉積在基片表面，厚度為100 nm，摻雜率為3×1019。采用濕法腐蝕工藝除去多余的n+-GaN薄膜，得到次接觸層的圖案。濕法腐蝕是浸沒(méi)在90℃的80%KOH溶液中15 min。采用磁控濺射在n+-GaN次接觸層表面制備Ti/Al/Ti（30/200/30/30 nm）薄膜作為電極的接觸金屬層之后，再沉積一層Au膜作為結(jié)合金屬層，電極所需的圖案通過(guò)漏板獲得，再經(jīng)過(guò)1 min快速退火后得到歐姆接觸。為避免結(jié)合金屬層（Au膜）直接與SiC接觸，結(jié)合金屬層區(qū)域的邊緣與接觸金屬層的邊緣有一定的間隔，如圖1所示。

測(cè)試電路如圖2所示。SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的兩端分別與50 m特性阻抗的高壓電纜相連，其中一根高壓電纜的另一端接51 m的負(fù)載電阻。0.05 m的電流探測(cè)電阻（CVR）與負(fù)載電阻串聯(lián)，用于測(cè)量導(dǎo)通電流。采用Q開(kāi)關(guān)YAG倍頻激光器作為觸發(fā)激光源，波長(zhǎng)為532 nm，激光脈寬15 ns。激光光斑剛好覆蓋電極之間的間隙。采用示波器和數(shù)字計(jì)數(shù)器檢測(cè)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)輸出的電脈沖。

2 結(jié)果討論

影響光導(dǎo)開(kāi)關(guān)壽命的因素有很多，對(duì)具有不同參數(shù)的SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)進(jìn)行壽命測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表中可看出，開(kāi)關(guān)壽命的變化范圍達(dá)到三個(gè)數(shù)量級(jí)。由圖中可看出，退火溫度對(duì)開(kāi)關(guān)壽命影響最大。退火溫度影響電極在SiC基片表面的附著性，溫度越高，附著性越好，但是會(huì)造成薄膜表面的不平整，產(chǎn)生更高的場(chǎng)增強(qiáng)。邊緣間隙越小，場(chǎng)增強(qiáng)越小，開(kāi)關(guān)能承受的電流越大，但是邊緣間隙受限于加工精度。結(jié)合層厚度則應(yīng)具有一定的厚度，避免因電流過(guò)大而損壞結(jié)合層，從表1可看出，1 mm是足夠的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了金屬電極結(jié)構(gòu)對(duì)SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)壽命的影響。SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)采用釩摻雜的半絕緣6H-SiC基片，以Ti/Al/Ti/Au為接觸電極，以重?fù)诫sn+-GaN薄膜為次接觸層。電極結(jié)構(gòu)具有不同的參數(shù)，且所經(jīng)過(guò)的退火溫度也不同。開(kāi)關(guān)壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明：退火溫度對(duì)SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的壽命影響最大；邊緣間隙應(yīng)越小越好，但受到制備工藝限制；1 mm的結(jié)合層厚度事足夠的。

參考文獻(xiàn)

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