基于3C—SiC薄膜的光導開關的研究

摘要：該文報道了一種可承受33 kV偏置電壓的光導開關結構。該結構從兩方面提高光導開關的耐壓特性：兩層厚度為20 μm的3C-SiC薄膜采用HFCVD工藝制備在6H-SiC基片表面，用于輸出電脈沖傳輸，可消除了6H-SiC基片的微管缺陷對光導開關耐壓特性的影響；電極位于兩層薄膜之間，增加了接觸面積，因此降低了電極表面的電流密度。

關鍵詞：光導開關 3C?SiC薄膜 偏置電壓

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

光導半導體開關（PCSS）是利用超快脈沖激光器與光電半導體材料（如Si，GaAs，InP等）相結合形成的一種新型開關器件[1]，其工作原理是利用光電效應，通過激光能量激勵半導體材料，使其電導率發(fā)生變化，改變開關的通斷狀態(tài)，從而產(chǎn)生電脈沖。與傳統(tǒng)開關技術相比，光導開關具有上升時間短、傳輸功率高、體積小等優(yōu)點，可應用于超快瞬態(tài)電子學、超寬帶通訊等領域。

光導開關自1975年誕生以來，大致經(jīng)歷了三代：（1）以Si為代表[2]，Si存在暗電流較大，載流子壽命長的問題；（2）采用GaAs、InP為代表的III-V族化合物半導體[3]，與Si相比，載流子更短壽命；（3）使用以SiC為代表的寬禁帶半導體材料[4]，由于適合高壓大功率光導開關，近年來逐漸成為研究熱點。

但是SiC光導開關的擊穿電壓遠低于SiC的理論值，原因是使用的SiC基片多為α-SiC（包括6H-SiC和4-SiC），晶格結構為立方與六方混合結構，具有“微管”缺陷。β-SiC（例如3C-SiC）則沒有微管缺陷，但是基片難以獲得，只有薄膜材料。微管的密度直接決定了器件的耐壓性。因此，該文采用熱絲化學氣相沉積（HFCVD）工藝在α-SiC基片表面制備基于3C-SiC薄膜的SiC光導開關，并對其耐壓特性進行研究。

1 實驗

6H-SiC基片由補償工藝生長得到。基于淺施主深受主補償機制，用深能級受主釩（V）對氮（N）補償而使得SiC基片具有半絕緣特性。基片的晶面方向（0001），厚度0.5 mm。基片先經(jīng)過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。

3C-SiC薄膜采用HFCVD工藝制備。采用CH4和SiH4分別作為C源和Si源，H2作為稀釋保護氣體。鎢絲到基片的距離為6 mm，基片溫度為850 ℃，H2流量為100 mL/min，CH4和SiH4流量比8：1。所制備的3C-SiC薄膜厚度大約為20μm。

該文制備的SiC光導開關為橫向結構，電極圖案為帶圓弧的矩形，如圖1所示，電極間距1 mm。為提高器件的擊穿電壓，制備兩層3C-SiC薄膜，將電極夾在兩層薄膜之間。使用磁控濺射工藝先后在3C-SiC薄膜表面制備一層100 nm厚的Ni，經(jīng)過5 min的高溫快速退火后形成歐姆接觸，使用高壓直流電源與萬用表測量暗態(tài)伏安特性，以表征電極與SiC薄膜的接觸性能。

SiC光導開關的測試電路如圖2所示，電源通過RC電路給SiC光導開關施加偏置電壓，光導開關的輸出電脈沖經(jīng)過衰減器衰減后，由示波器讀取其峰值電壓。觸發(fā)源為波長248 nm、能量0.4～1.0 mJ、脈沖寬度20 ns的氟化氪激光器。

2 結果討論

將所制備的SiC光導開關置于暗盒內(nèi)測試，得到暗態(tài)伏安特性，結果如圖1所示。可看出伏安特性曲線的線性度較好，斜率不隨偏置電壓而出現(xiàn)明顯變化，表明SiC光導開關的歐姆接觸良好。暗電流的幅度較小，這與SiC材料本身的暗電阻率高有關。即使SiC材料的擊穿電壓很高，但如果將電極暴露在空氣中，則光導開關可施加的最高電壓則取決于擊穿空氣的電壓。空氣的擊穿電壓為30 kV/cm，電極間距1 mm，可計算出施加在SiC光導開關上的最高電壓為3 kV，而圖1中施加的最高偏置電壓達到了20 kV，因此該文提出的結構顯著提升了耐壓性能。

圖4給出了入射光強5 mJ時輸出電脈沖的峰值與偏置電壓的關系。由圖中可看出，輸出電脈沖的峰值與偏置電壓之間具有較好的線性度。圖5則給出了當偏置電壓為5 kV時輸出電脈沖的峰值與入射光強的關系，兩者也具有較好的線性度。

3 結語

該文通過改進SiC光導開關的結構以提高其耐壓性能。在6H-SiC基片表面采用HFCVD工藝制備兩層厚度為20 μm的3C-SiC薄膜用于輸出電脈沖傳輸，而電極位于兩層薄膜

之間。

采用該結構可消除6H-SiC基片的微管缺陷的影響，并不受空氣擊穿電壓的限制，從而提高光導開關的擊穿電壓。實驗結果表明，具有該結構的開關電壓最高可承受33 kV的偏置

電壓。

參考文獻

[1]袁建強，劉宏偉，劉金鋒，等.50kV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(wèi)，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(zhàn)，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.