GaN次接觸層對SiC光導開關歐姆接觸的改進研究

摘 要：大功率SiC光導開關存在接觸電阻過高、接觸退化的問題。為此，在接觸金屬與SiC基片之間增加一層n+-GaN次接觸層，光導開關的導通電阻隨之下降兩個數量級，而光電流效率增加兩個數量級。

關鍵詞：SiC光導開關 GaN 歐姆接觸

中圖分類號：TM836 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-00-02

光導半導體開關（PCSS）是利用超快脈沖激光器照射光電半導體材料（Si，GaAs，InP等），形成導通的一種開關器件[1]，其工作原理是，激光能量激勵半導體材料，產生電子-空穴對，使其電導率發生變化，改變開關的通斷狀態，產生電脈沖。光導開關因為上升時間短、寄生電感小、傳輸功率高、重量輕、體積小等優點，廣泛應用于超快瞬態電子學、超寬帶通訊、超寬帶雷達等領域。光導開關的半導體材料有三種：1、Si[2]的暗電流較大，載流子壽命長，所以電脈沖寬度在ns級以上，且容易熱擊穿；2、GaAs、InP為代表的III-V族化合物半導體[3]，載流子壽命短，電脈沖寬度縮短至ps級，GaAs擊穿電壓高、電壓轉換效率高，而InP的觸發抖動更小，輸出電脈沖波形更平穩；3、SiC為代表的寬禁帶半導體材料[4]，是非常理想的材料，近年來成為研究熱點。光導開關金屬電極與半導體之間的接觸電阻關系輸出功率和開關壽命，而高溫大功率工作環境會造成接觸退化。該文使用有機金屬氣相外延（OMVPE）在SiC基片表面制備一層重摻雜的n+-GaN次接觸層，以改善歐姆接觸。

1 實驗

制備的器件為橫向結構，電極寬度為4 mm，設置不同電極間隙0.5、0.75、1.25和1.75 mm。基片為摻釩的半絕緣6H-SiC晶片，晶面方向（0001），厚度0.5 mm。基片先經過1600 ℃的表面氫退火處理16 h，再浸入200 ℃熔融態KOH中刻蝕3 min，然后浸入稀氫氟酸中浸泡12 h，最后使用丙酮、甲醇、去離子水清洗。

n+-GaN外延層采用OMVPE工藝沉積在基片表面，厚度100 nm，摻雜率6×1019。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，工藝參數為浸沒在90 ℃的80%KOH溶液中15 min。

制備不含n+-GaN次接觸層的SiC光導開關以供比較。金屬電極Ni/Ti/Au（50/30/75 nm）和Ti/Al/Ti/Au（30/200/30/30 nm）分別采用磁控濺射工藝沉積在SiC和GaN表面，再經過快速退火后得到歐姆接觸，前者950 ℃，1.5 min；后者900℃，1 min。

6H-SiC的禁帶寬度Eg為3e V，對應的光波長為380 nm。采用波長248 nm，脈沖寬度20 ns的氟化氪激光器作為觸發源。測試電路如圖1所示。

2 結果討論

不同的電極間隙下的暗電阻如圖2所示。有GaN的暗電阻明顯小于沒有GaN的暗電阻。當間隙為0.5 mm時，沒有GaN的暗電阻為1201 M?，而有GaN的則降為101 M?。間隙為1.75 mm時，沒有GaN的暗電阻為20137 M?，而有GaN的則降為3023 M?。這是因為GaN的引入減小了接觸電阻。有GaN的暗電阻隨間隙的擴大呈增加的趨勢，而沒有GaN的暗電阻則沒有一個明顯的規律。

兩種SiC光導開關的擊穿電壓均可承受3 kV的電壓和220 A的電流。沒有GaN的開關若電流過高會產生焦耳熱，造成負電極的接觸退化。接觸退化后，相同偏置電壓下通過的電流明顯下降。接觸退化的原因是：正電極吸引電子，而負電極吸引空穴。由于空穴的遷移率比電子小得多，相比正極，負極產生更多的焦耳熱，造成接觸退化。有GaN的開關則未發現接觸退化的問題。這是因為GaN能夠富集大量空穴，降低了接觸電阻，焦耳熱也隨之下降。

表1和表2給出了兩種光導開關在不同偏置電壓下的導通電流峰值，觸發激光的能量6 μJ。由表1可知，有GaN的開關的光電流效率為1.38×10-1A/μJ V（偏置電壓90 V），導通電阻為1.21 ?；而沒有GaN的開關在接觸退化后，光電流效率僅為1.66×10-3A/μJ V（偏置電壓2500 V），比前者小兩個數量級，相應的導通電阻為1.00×102 ?，比前者大兩個數量級。

3 結語

在電極與SiC基片之間增加一層n+-GaN次接觸層以降低接觸電阻，消除負極的接觸退化。

空穴的遷移率小是造成接觸退化的原因，n+-GaN可有效富集空穴，從而解決該問題。

導通電阻下降兩個數量級而導通電流增加兩個數量級。

參考文獻

[1]袁建強，劉宏偉，劉金鋒，等.50 kV半絕緣GaAs光導開關[J].強激光與粒子束，2009（21）：783-786.

[2]常少輝，劉學超，黃維，等.正對電極結構型碳化硅光導開關的制備與性能研究[J].無機材料學報，2012（27）：1058-1062.

[3]阮馳，趙衛，陳國夫，等.GaAs與InP半導體光導開關特性實驗研究[J].光子學報，2007（36）：405-411.

[4]嚴成峰，施爾畏，陳之戰，等.超快大功率SiC光導開關的研究[J].無機材料學報，2008（23）：425-428.