引用本文
常少辉, 刘学超, 黄维, 周天宇, 杨建华, 施尔畏. 正对电极结构型碳化硅光导开关的制备与性能研究. 无机材料学报, 2012, 27(10): 1058-1062
CHANG Shao-Hui, LIU Xue-Chao, HUANG Wei, ZHOU Tian-Yu, YANG Jian-Hua, SHI Er-Wei. Preparation and Properties of Lateral Contact Structure SiC Photoconductive Semiconductor Switches. Journal of Inorganic Materials, 2012, 27(10): 1058-1062  
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正对电极结构型碳化硅光导开关的制备与性能研究
常少辉1,2, 刘学超1, 黄维1, 周天宇1,2, 杨建华1, 施尔畏1
1. 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
2. 中国科学院 研究生院, 北京100049
刘学超, 副研究员. E-mail:xcliu@mail.sic.ac.cn

常少辉(1985-), 男, 博士研究生. E-mail:changshh@student.sic.ac.cn

基金:中国科学院知识创新工程重要方向项目(KJCX2-EW-W10);
摘要

采用钒掺杂半绝缘6H-SiC衬底, 以Ni/Au为接触电极制备了一系列正对电极结构型光导开关, 对SiC光导开关进行了不同外加电压、激发光强、激发光波长条件下的测试, 着重研究了SiC光导开关的光电吸收效应和光电响应性能. 实验结果表明, 532 nm的激光激发的脉冲信号宽度远小于1064 nm的激光激发的脉冲信号宽度, 半绝缘6H-SiC衬底对532 nm激光的吸收系数在0.601~0.692 mm-1之间; 采用532 nm的激光激发光导开关, 获得了纳秒量级的响应信号; 流经开关的瞬态电流随着外加电压和激发光能量的增加而增大, 随着衬底厚度的增加而减小.

关键词: 光导开关; 钒掺杂6H-SiC; 正对电极结构
中图分类号:TN36   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2012)10-1058-05
Preparation and Properties of Lateral Contact Structure SiC Photoconductive Semiconductor Switches
CHANG Shao-Hui1,2, LIU Xue-Chao1, HUANG Wei1, ZHOU Tian-Yu1,2, YANG Jian-Hua1, SHI Er-Wei1
1. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China
2. Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Fund:Funds of the Chinese Academy of Sciences for Key Topics in Innovation Engineering (KJCX2-EW-W10);
Abstract

A series of lateral structural photoconductive semiconductor switches (PCSS) were fabricated on V-doped semi-insulating 6H-SiC substrate with the Ni/Au contacts. These PCSS were measured with different bias voltages, excitation energies and excitation wavelengths. The photoelectric absorption effect and photoelectric response of SiC PCSS were investigated. It is found that the absorption coefficient is between 0.601 and 0.692 mm-1 for semi-insulating 6H-SiC substrate when it is excited by 532 nm laser, and the corresponding pulse signal is much smaller than that excited by 1064 nm laser. Nanosecond-pulse signal is obtained for 6H-SiC PCSS excited by 532 nm laser. The peak current flowing through the switch is increased with increasing the bias voltage and excitation energy, while it is decreased with the increase in substrate thickness.

Keyword: photoconductive semiconductor switches; V-doped 6H-SiC; lateral contact structure

介质壁加速器(Dielectric Wall Accelerator, DWA)是在新型的开关技术、绝缘技术和传输线技术的基础上发展而来的一种新型的强流高效加速器[ 1]. 与传统的直线加速器相比, 它具有体积小、加速梯度高、速度快等优点, 在医疗设备、闪光照相等领域有着广泛的应用前景. DWA的关键技术包括高沿面强度绝缘、非对称脉冲形成线和快速低抖动光导开关等. 光导开关(Photoconductive Semiconductor Switches, PCSS)具有体积小、抖动低、响应速度快等优点, 是DWA用的理想开关[ 2, 3, 4]. 6H-SiC半导体具有禁带宽度大(3.02 eV), 击穿电场强度大 (2.5 MV/cm), 电子饱和漂移速度高(2.0×107 cm/s), 热导率高(4.9 W/(cm·K))等特点[ 5], 使其成为制备光导开关的理想材料之一[ 6, 7]. 黄维[ 8]、严成锋等[ 9]对同面电极结构的SiC光导开关进行了系统研究, 并获得了性能良好的SiC光导开关. 同面电极结构的SiC光导开关需要使用能量大于等于禁带宽度的激光进行激发, 这会导致开关的导通发生在材料表面几十个微米的厚度内, 受表面闪络和电流密度高等限制, 开关很容易发生沿面击穿, 而且这种结构的光导开关受尺寸、结构的限制, 不适合用在DWA系统上[ 8, 9, 10, 11]. 正对电极结构是指将电极制作在衬底的两个相对的面上, 这两个电极大小和形状相同, 位置正对. 使用这种结构可以将开关由面导通变为体导通, 充分发挥6H-SiC优良的材料特性. 这种结构的开关可以使用亚能带光激发禁带中杂质能级上的载流子, 杂质能级的位置和数量对开关性能有着直接的影响. 开关的性能也可以间接地通过晶体生长过程的掺杂进行调控. Sullivan等[ 12]报道了第一个正对电极结构的SiC光导开关. 虽然张玉明课题组等[ 13]展开了SiC光导开关的模拟研究, 但是与国外相比, 国内对SiC单晶的研究较为滞后, 尚未见到国内其它研究机构有关SiC光导开关实验研究方面的报道.

本工作使用(11 0)面的半绝缘6H-SiC为衬底, 制备了不同厚度的光导开关, 研究了衬底的吸收系数和开关的暗电流特性. 采用532 nm激光对开关进行了触发, 研究了不同衬底厚度、电压和光强对开关性能的影响. 并使用1064 nm的激光对衬底厚度为0.40 mm SiC光导开关进行了触发, 且与532 nm激光触发的结果进行了比较.

1 实验

实验采用的半绝缘6H-SiC衬底由中国科学院上海硅酸盐研究所碳化硅晶体项目部研制. 采用物理气相输运(PVT)法和双室结构型SiC晶体生长炉制备了高质量的2英寸V掺杂半绝缘6H-SiC晶体[ 14], 将生长的晶锭沿着(11 0)面切割, 然后对晶片进行双面研磨、单面研磨、机械抛光、化学机械抛光, 最后获得了表面粗糙度(RMS)为0.5 nm的衬底. 衬底为12 mm×12 mm的正方形晶片, 其厚度分别选0.40、1.12、1.81、2.58 mm. 晶片的微管密度为 8个/cm2, 电阻率为1.1×106Ω/cm3. 采用标准的RCA工艺对加工晶片进行清洗. 首先, 测试了6H-SiC单晶材料对532 nm激光的吸收系数, 测试时在衬底的正反面使用能量探测器测量入射光和透射光的能量, 然后对测试后的晶片进行清洗, 再采用光刻和磁控溅射方法在衬底正反面的中心沉积直径为8 mm Ni(50 nm)/Au(50 nm)金属薄膜, 随后在1000℃的Ar2气氛下快速退火2 min以获得接触质量良好的电极[ 15]. 将设计好的电极铜柱使用焊锡焊接到金属薄膜上, 并在正对的电极柱之间使用透明绝缘胶进行了绝缘封装保护.

开关示意图和开关的测试电路如图1(a,b)所示. 开关所需的外加电压由直流高压电源提供. 电源通过阻值为1.68 MΩ的限流电阻给电容为22 nF的高压无感电容充电. 采用Q开关YAG倍频激光器作为激发光源, 激发波长为532和1064 nm, 激光脉宽为7 ns. 光导开关在激发光的触发下产生大量的光生载流子而变为低阻态, 此时电容通过53.5 Ω的负载电阻放电. 使用阻值为0.05 Ω的电流探测电阻(Current Viewing Resistors, CVR) 对放电回路的电流进行测量. 开关的电压、电流信号以及激光的波形信号在示波器上显示. 采用532 nm的激光对衬底厚度为0.40、1.12、1.81、2.58 mm的开关, 在外加电压分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 kV的条件下进行了性能测试, 然后固定外加电压, 使用单脉冲能量分别为5.5、15.6、32.4 mJ的激光对开关进行了测试. 此外, 在外加电压2.5 kV条件下对衬底厚度为0.40 mm的开关使用单脉冲能量为32.4 mJ的 1064 nm激光进行了测试.

图1 (a) SiC光导开关结构示意图, (b)开关测试电路示意图Fig. 1 Schematic structure of SiC PCSS and (a) PCSS test circuit (b)

2 实验结果与讨论
2.1 V掺杂6H-SiC单晶对532 nm激光的吸收特性

首先采用532 nm激光对本实验使用的V掺杂6H-SiC单晶进行了吸收特性测试, 采用公式(1)对6H-SiC晶体的吸收系数进行了计算:

(1)

其中 I为透射光能量, I0为入射光能量, α为吸收系数, x为晶片厚度. 对厚度为1.12 mm的晶片进行了测试, 测试结果和计算所得的吸收系数如表1所示. 由于SiC半导体中缺陷和杂质密度的影响, 不同的V掺杂6H-SiC晶体对532 nm激光的吸收系数略有不同. 由测试结果可知, 实验所用的晶片对532 nm激光的吸收系数在0.601~0.692 mm-1范围, 这保证了532 nm激光能够贯穿本实验所用的12 mm×12 mm的正方形晶片, 使晶片中的深能级得到有效激发.

表1 V掺杂 6H-SiC晶体对532 nm激光的吸收系数 Table 1 Absorption coefficient of V-doped 6H-SiC excited by 532 nm laser
2.2 衬底厚度对光导开关性能的影响

图2为不同衬底厚度的SiC光导开关的电流-时间波形图, 从图中可以看出, 随着衬底厚度的减小, 流经开关的峰值电流随之增大. 这是因为随着衬底厚度的增加, 光激发载流子在两个电极之间的输运长度也相应的增加, 从而增加了载流子之间以及载流子与声子、缺陷之间的碰撞几率, 使得衬底的电阻增大, 流经开关的峰值电流减小.

图2 不同衬底厚度的SiC光导开关电流-时间波形图Fig. 2 Effect of substrate thickness on the current-time properties of PCSS(with the excited wavelength of 532 nm, bias voltage of 2.5 kV and the single-pulse energy of 32.4 mJ)

2.3 激发光强度对光导开关性能的影响

图3给出了衬底厚度为0.40 mm的光导开关在不同的单脉冲能量激发下的电流-时间波形图, 从图中可以看出, 随着激发光强的增大, 流经开关的瞬态电流增加. 这是因为随着激发光强增大, 激光能够激发6H-SiC禁带中更多杂质能级上的载流子, 这些载流子在外加电压的作用下会形成更大的电流. 这也说明可以通过控制激发光的能量来控制流经光导开关的电流, 进而控制光导开关的导通电阻. 另外, 在测试范围内, 未发生激发电流的饱和现象, 这表明V掺杂6H-SiC晶体禁带中有尚未被激发的载流子, 随着激发光能量的增加, 流经开关的电流将继续变大.

图3 衬底厚度为0.40 mm的光导开关在不同的单脉冲能量激发下的电流-时间波形图Fig. 3 Effect of excited energy on the current-time properties of PCSS with the substrate thickness of 0.40 mm(with the excited wavelength of 532 nm and the bias voltage of 2.5 kV)

2.4 外加电压对光导开关性能的影响

图4为衬底厚度0.40 mm的光导开关在不同外加电压下的电流-时间波形图, 从图中可以看出, 随着外加电压的增大, 流经开关的瞬态电流也随之增大, 这是因为在相同的光照条件下, 被激发的载流子在高电场作用下可以克服载流子之间以及载流子与声子、缺陷之间的碰撞的影响, 从而形成大的电流.

图4 衬底厚度为0.40 mm的光导开关在不同外加电压下的电流-时间波形图Fig. 4 Effect of bias voltage on the current-time properties of PCSS with the substrate thickness of 0.40 mm(with the excited wavelength of 532 nm and the single-pulse energy of 32.4 mJ)

2.5 激发波长对光导开关性能的影响

图5给出了衬底厚度为0.40 mm的光导开关在532和1064 nm激光波长激发下的电流-时间波形图, 从图中可以看出, 激光波长为532 nm时流经开关的瞬态峰值电流大于1064 nm激光波长为532 nm时流经开关的瞬态峰值电流. 本实验所用的半绝缘6H-SiC是通过掺杂V来实现的. V在SiC晶体中是两性杂质, 它通过补偿SiC晶体中的自由载流子来实现材料的半绝缘特性, V在禁带中引入的施主能级位置在导带底下方1.34 eV处[ 7]. 在6H-SiC单晶生长过程中还会引入非故意掺杂杂质, 如N、B等, 它们也会在禁带中形成杂质能级. N形成的能级位于导带底下方0.081、0.138和0.142 eV处, B形成的能级位于价带顶上方0.27、0.31、和0.38 eV处[ 16, 17]. 与1064 nm激光相比, 532 nm激光不仅能激发禁带中的浅杂质能级, 也能激发禁带中包括钒在内的深杂质能级[ 18, 19, 20], 所以能激发更大的电流. 当激光波长为532 nm时, 瞬态电流波形的宽度远小于激光波长为1064 nm时瞬态电流波形的宽度, 这说明当激光波长为1064 nm时, 载流子之间、载流子与声子、杂质之间的散射作用更强. 由此可见, 532 nm的激光更适合用来激发6H-SiC光导开关.

图5 衬底厚度为0.40 mm的光导开关在532 nm和1064 nm激光波长激发下的电流-时间波形图Fig. 5 Effect of excited wavelength on current-time properties of PCSS with the substrate thickness of 0.40 mm(with the bias voltage of 2.5 kV and the single-pulse energy of 32.4 mJ)

2.6 衬底厚度为0.40 mm的光导开关的暗电流特性

图6给出了衬底厚度为0.40 mm的开关在不同外加电压下的暗电流特性. 通过对不同测试点的线性拟合, 得到开关的暗电阻为3.16 MΩ. 该开关的最小导通电阻为12.29 Ω(激发条件: 外压电压为 2.5 kV, 激发波长为532 nm, 单脉冲能量为32.4 mJ), 暗电阻和最小导通电阻之比为2.57×105. 通过激发6H-SiC晶体中的非本征能级的载流子, 可以使开关的电阻减小5个数量级, 说明开关具有良好的开关性能.

图6 衬底厚度为0.40 mm的光导开关的暗电流特性Fig. 6 Dependence of dark current on the bias voltage of SiC PCSS with the substrate thickness of 0.4 nm

另外, 实验还对开关的耐压性能进行了测试. 衬底厚度为0.40 mm的开关在5 kV时发生击穿, 对应的击穿电场强度为0.125 MV/cm. 由此可以看出, 开关尚未完全发挥出6H-SiC单晶应具有的理论击穿电场强度大(2.5 MV/cm)的优点. 这可能是由以下两点原因造成的: 一是6H-SiC单晶的结晶质量没有达到完美的水平, 晶体中有很多微管道、位错、小角晶界等缺陷, 开关在这些缺陷处的电场较大, 易于发生击穿; 二是开关的耐压封装有待改进, 特别是激光入射面的绝缘保护.

3 结论

使用(11 0)面的V掺杂半绝缘6H-SiC为衬底, 制备了不同衬底厚度的光导开关. 测试结果表明V掺杂6H-SiC对532 nm激光的吸收系数在0.601~0.692 mm-1之间; 对开关进行不同外加电压、激发光强、激发光波长测试时获得了纳秒量级的脉冲信号. 研究结果表明, 在532 nm激光的激发下, 流经开关的瞬态电流随着外加电压和激发光能量的增加而增大, 随衬底厚度的增加而减小; 1064 nm激光激发所得的脉冲信号的宽度远大于532 nm激光激发所得的脉冲信号的宽度. 对衬底厚度为0.40 mm的SiC光导开关进行了暗电流测试, 发现暗电阻和最小导通电阻之比为2.57×105.

参考文献
[1] Caporaso G J, Sampayan S, Chen Y J, et al. High Gradient Induction Accelerator. IEEE Particle Accelerator Conference, Albuquerque, NM, 2007: 3645-3649. [本文引用:1]
[2] Saddow S E, Cho P S, Goldhar J, et al. Subnanosecond photovoltaic response in 6H-SiC. Appl. Phys. Lett. , 1994, 65(26): 3359-3361. [本文引用:1] [JCR: 3.794]
[3] SHI Wei, MA Xiang-Rong, XUE Hong. Transient thermal effect of semi-insulating GaAs photoconductive switch. Acta Phys. Sin. , 2010, 59(8): 5700-5705. [本文引用:1] [JCR: 1.016] [CJCR: 1.691]
[4] SHI Wei, ZHAO Wei, ZHANG Xian-Bin, et al. Investigation of high-power sub-nanosecond GaAs photoconductive switches. Acta Phys. Sin. , 2002, 51(4): 867-872. [本文引用:1] [JCR: 1.016] [CJCR: 1.691]
[5] Casady J B, Johnson R W. Status of silicon carbide (SiC) as a wide-band gap semiconductor for high-temperature applications: a review. Solid State Electron, 1996, 39(10): 1409-1422. [本文引用:1] [JCR: 1.482]
[6] Hao J M, Wang L J, Feng B, et al. Growth of 2-inch V-doped bulk 6H-SiC with high semi-insulating yield. J. Electron. Mater. , 2010, 39(5): 530-533. [本文引用:1] [JCR: 1.635]
[7] Jenny J R, Skowronski M, Mitchel W C, et al. On the compensation mechanism in high-resistivity 6H-SiC doped with vanadium. J. Appl. Phys. 1995, 78(5): 3839-3842. [本文引用:2] [JCR: 0.71]
[8] 黄 维. 碳化硅基平面型光导开关的制备与性能研究. 上海: 中国科学院上海硅酸盐研究所博士论文, 2011. [本文引用:2]
[9] YAN Cheng-Feng, SHI Er-Wei, CHEN Zhi-Zhan, et al. Super fast and high power SiC photoconductive semiconductor switches. Journal of Inorganic Materials, 2008, 23(3): 425-428. [本文引用:2] [JCR: 0.531] [CJCR: 1.106]
[10] Zhu K, Dogan S, Moon Y T, et al. Effect of n(+)-GaN subcontact layer on 4H-SiC high-power photoconductive switch. Appl. Phys. Lett. , 2005, 86(26): 261108-1-3. [本文引用:1] [JCR: 3.794]
[11] Dogan S, Teke A, Huang D, et al. 4H-SiC photoconductive switching devices for use in high-power applications. Appl. Phys. Lett. , 2003, 82(18): 3107-3109. [本文引用:1] [JCR: 3.794]
[12] Sullivan J S, Stanley J R. 6H-SiC photoconductive switches triggered at below band gap wavelengths. IEEE T. Dielect. El. In. , 2007, 14(4): 980-985. [本文引用:1] [JCR: 1.36]
[13] Na N, Hui G, Zhang Y M, et al. The Simulation Study of 6H-SiC Photoconductive Semiconductor Switch. 2009 IEEE International Conference of Electron Devices and Solid-State Circuits, Xi'an, 2009: 330-333. [本文引用:1]
[14] 陈之战, 施尔畏, 严成峰, 等. 晶体生长炉, 中国, C30B23/00, CN201433250. 2010. 03. 31. [本文引用:1]
[15] HUANG Wei, CHEN Zhi-Zhan, CHEN Yi, et al. Effect of Ni thickness on the contact properties of Ni/6H-SiC analyzed by combinatorial method. Acta Phys. Sin. , 2010, 59(5): 3466-3472. [本文引用:1] [JCR: 1.016] [CJCR: 1.691]
[16] Suttrop W, Pensl G, Choyke W J, et al. Hall-effect and infrared-absorption measurements on nitrogen donors in 6H-silicon carbide. J. Appl. Phys. , 1992, 72(8): 3708-3713. [本文引用:1] [JCR: 0.71]
[17] Smith S R, Evwaraye A O, Mitchel W C, et al. Shallow acceptor levels in 4H- and 6H-SiC. J. Electron. Mater. , 1999, 28(3): 190-195. [本文引用:1] [JCR: 1.635]
[18] Bickermann M, Hofmann D, Straubinger T L, et al. Preparation of Semi-insulating Silicon Carbide by Vanadium Doping During PVT Bulk Crystal Growth. 4th Euopean Conference on Silicon Carbide and Related Materials, Linkoping, Sweden, 2002: 51-54. [本文引用:1]
[19] Cho P S, Goldhar J, Lee C H, et al. Photoconductive and photovoltaic response of high-dark-resistivity 6H-SiC devices. J. Appl. Phys. , 1995, 77(4): 1591-1599. [本文引用:1] [JCR: 0.71]
[20] Dalibor T, Pensl G, Matsunami H, et al. Deep defect centers in silicon carbide monitored with deep level transient spectroscopy. Phys. Status Solidi A, 1997, 162(1): 199-225. [本文引用:1] [JCR: 1.463]