一种降低导通电阻的光导开关及其制备方法与流程

本发明涉及一种降低导通电阻的光导开关及其制备方法，在砷化镓光导开关表面通过蒸镀高介质增透膜和高反膜减小砷化镓光导开关的导通电阻的方法，属于高频高功率领域。

背景技术：

光导开关(pcss)是一种通过光控制载流子的产生与复合的超快开关器件。当前脉冲功率技术中研究具有耐受高电压强电流、电极烧损少、电感和电阻小、以及能在重复脉冲下稳定工作的各种开关组件得到很高的重视，在脉冲形成的过程中会利用到各种短路和断路开关，通常它们应该满足：高重复频率、抖动时间小、大功率、响应速率快、耐压能力强、使用寿命长等特点，传统的脉冲功率开关很难满足要求，例如火花隙开关虽然速度快，能够进行高压大电流的导通和管段，但是他们存在寿命短、工作频率低和制冷困难等一系列缺点；闸流管虽然响应速度快，但易被击穿；触发真空开关的缺点是电极表面的放气及烧蚀极为严重。还有一些如半导体断路开关、场效应管、绝缘栅双极型晶体管等传统脉冲开关也很难同时兼顾耐压高、大电流、超快、高频导通和关断的性能要求。与传统脉冲开关相比，光导开关具有很好的电学和光学性质，如响应速度快、触发抖动小、功率容量大、耐压能力强、器件体积小等优点越来越被人们所关注，并且其近乎完美的光电隔离和不受电磁波干扰的特点使其越来越多的应用到军事、医疗、通信等领域。例如大电流点火装置、超宽带脉冲器、重复运行的直线感应加速器、电感储能装置以及在高速摄影等方面的应用

一般的光导开关的结构分为横向结构和垂直结构，其制作材料一般为硅、砷化镓、碳化硅等，例如cn101132030a提供一种高耐压碳化硅光导开关。对于线性光导开关器件，半导体材料通过本征或者非本征吸收产生光生载流子，其穿透深度有所不同。对于非本征光学吸收来说，材料的吸收系数相对较低，结果导致材料的穿透深度相对较深，由于受限于光导开关制作衬底表面和厚度的原因，大部分的光会被材料反射或者透射损耗掉，降低了光的吸收效率，影响器件性能。对于高功率高频的砷化镓光导开关，器件的耐压能力和导通电阻是非常重要的参数指标，更低的导通电阻可以避免开关工作在高频应用下的能量损失，因此降低开关工作时的导通电阻是至关重要的。载流子寿命、迁移率和光吸收效率等都是影响光导开关导通电阻的重要因素，许多研究者主要集中在研究载流子寿命和迁移率对光导开关导通电阻的影响，忽视了通过改变光导开关的光吸收效率来降低开关的导通电阻。

中国专利cn102945887a公开了光导开关的电极的顶端设置有第二层碳化硅薄膜，该薄膜覆盖于电极之间的间隙及电极的顶端的部分区域。目的增加碳化硅薄膜与电极的接触面 积，从而使得导通电流可以从电极的两个表面流通，同时实现光导开关的击穿电压和导通电流的提高。该专利文件的技术方案只是考虑到处在高压下器件的耐压能力的情况，没有关注器件处于导通阶段的能量利用问题。由于砷化镓材料电子迁移率相对较高，因此砷化镓光导开关被广泛的应用到高频领域，导通电阻是影响器件的重要参数，更低的导通电阻可以减小器件在工作时的能量损耗，增加器件寿命。

技术实现要素：

针对现有的砷化镓光导开关导通电阻相对较大的技术难题，本发明还提供一种降低导通电阻的光导开关及其制备方法。

本发明还提供一种减小砷化镓光导开关的导通电阻的方法。通过在光导开关表面蒸镀高介质光学薄膜的方法，提高器件的耐压能力的同时降低了光导开关的导通电阻。

术语说明：

高介质(耐压)光学薄膜：是指击穿场强相对较高的薄膜材料。无论增透膜还是高反膜，其膜材料都需要具有一定的耐压能力。

movpe：是金属有机物汽相外延的通用简称，与mocvd同义。

本发明的技术方案如下：

一种降低导通电阻的光导开关，包括砷化镓衬底，所述衬底的一面设置有增透膜，另一面的两侧分别设置有电极，所述两电极之间设置有高反膜。

优选的，以上所述增透膜和高反膜采用真空镀膜技术制成。

根据本发明优选的，所述增透膜是对触发开关的光的反射率小于1％的光学增透膜。进一步优选，对所述光的反射率小于0.5％的光学增透膜。

根据本发明优选的，所述高反膜是对触发开关的光的反射率大于90％的薄膜层。进一步优选，对所述光的反射率大于95％的薄膜层。

根据本发明优选的，所述触发开关的光是激光，进一步优选的波长为1064nm的脉冲激光。

根据本发明进一步优选，所述增透膜材料为al2o3与zro2交替组合的1-6层膜。或者其他光学薄膜材料。特别优选所述增透膜材料依次为al2o3或者al2o3、zro2、al2o3；或者al2o3、zro2、al2o3、zro2、al2o3。

根据本发明进一步优选，所述高反膜材料为一层al2o3与sio2、tio2交替组合的多层膜。特别优选，sio2、tio2交替周期n为2-7。最优选n＝6。

在本发明提供最优选的方案中，所述增透膜依次为：第一层为厚度100-200埃的al2o3，第二层为厚度1000-1500埃的zro2，第三层为厚度800-900埃的al2o3。

在本发明提供最优选的方案中，所述高反膜是，第一层是厚度为100-200埃的al2o3，第二层-第十三层为sio2、tio2交替组合层，第二、四、六、八、十、十二层为厚度2000-2800 埃的sio2，第三、五、七、九、十一层为厚度1000-1500埃的tio2。

根据本发明优选的，所述电极为ti/pt/au复合金属层，或者ti/al/ti/au复合金属层。

根据本发明优选的，光导开关通过环氧树脂封装在氮化铝陶瓷片上。在氮化铝陶瓷片与电极之间设有铜箔。铜箔作为电极引出，连接到电路中。

本发明还提供一种降低导通电阻的光导开关的制备方法，也是一种基于砷化镓光导开关蒸镀高介质光学薄膜的方法，包括如下步骤：

-在砷化镓衬底上利用movpe技术生长p型砷化镓，并利用光刻工艺在该生长有p型砷化镓衬底上做好光导开关电极图形；

-利用电子束蒸发ti/pt/au复合金属层或者ti/al/ti/au复合金属层，并通过丙酮去胶剥离得到带有光导开关电极结构的整片砷化镓晶片；腐蚀去掉多余的p-gaas；并在氮气气氛中对所述晶片进行退火；

-利用真空镀膜技术，在晶片上无电极的一面蒸镀增透膜；增透膜蒸镀完成后，用耐温胶条将电极区域覆盖保护，在有电极的一面继续蒸镀高反膜；

-利用锯片机按照图形进行切割，封装。

根据本发明上述的方法，所述砷化镓衬底选择厚度为500-700μm的半绝缘砷化镓；优选半绝缘砷化镓的暗态电阻率不低于1×10⁸ωcm,电子迁移率不低于4000cm²/vs。

根据本发明上述的方法，在砷化镓衬底上生长的p型砷化镓的厚度200-350nm。

根据本发明上述的方法，优选的，所述p型砷化镓是高掺锌或者碳的p型砷化镓，掺杂元素的浓度大于1×10¹⁹cm^-3。

根据本发明上述的方法，所述电极图形的电极间距为8-15mm，电极尺寸为：(8-12)cm(长)×(4-6)cm(宽)。进一步优选，所述电极图形的电极间距为10mm，电极尺寸为：9cm(长)×4.5cm(宽)。

根据本发明上述的方法，所述腐蚀去掉多余的p-gaas是利用h3po4:h2o2:h2o＝1:1:5质量比的溶液重，于在0℃左右进行腐蚀1-3min。

根据本发明上述的方法，所述在氮气气氛中对晶片进行退火的条件是：350-420℃快速退火3-8min。优选的，所述晶片退火条件为400℃快速退火5min。

根据本发明上述的方法，所述封装是将切割好的光导开关利用环氧树脂封装在氮化铝陶瓷片上。光导开关器件制作完毕。

本发明还提供一种减小砷化镓光导开关的导通电阻的方法，该方法是：在砷化镓衬底上有电极的一面上，于两电极之间蒸镀高反膜，在另一面砷化镓衬底上蒸镀增透膜。

所述蒸镀采用真空蒸镀技术。所述增透膜是对触发开关的光的反射率小于1％的光学增透膜。进一步优选，对所述光的反射率小于0.5％的光学增透膜。所述高反膜是对触发开关的光的反射率大于90％的薄膜层。进一步优选，对所述光的反射率大于95％的薄膜层。

所述增透膜和高反膜的膜材，如本发明前述的降低导通电阻的光导开关中所述。

本发明的技术特点及有益效果：

本发明提供一种降低导通电阻的光导开关及其制备方法。通过在光导开关电极面和无电极面分别蒸镀不同的高介质光学薄膜技术，提高了激光在光导开关的传播距离，增强了光的吸收效率，降低了光导开关的导通电阻。较低导通电阻可以降低开关器件工作在高功率、高频的情况下的能量损耗，提高开关工作寿命和稳定性。

通过对有无高介质光学薄膜的砷化镓光导开关器件进行测试，测试电路工作中电压和电流变化，测试结果表明，蒸镀增透膜及高反膜的光导开关，其导通电阻为0.49ω，没有蒸镀增透膜及高反膜的光导开关其导通电阻为3.3ω，本发明的光导开关的导通电阻降低了一个数量级；很好地实现了本发明目的。

附图说明

图1为光导开关结构示意图，其中，1，增透膜，2半绝缘砷化镓衬底，3金属电极，4铜箔，5高反膜，6环氧树脂，7氮化铝绝缘陶瓷片。

图2为本发明光导开关立体示意图，图中箭头表示触发开关的光入射方向(脉冲激光)。

图3是没有蒸镀增透膜、高反膜的砷化镓光导开关测试结果，输入电压、输出电压和负载电流的波形曲线，纵坐标为电压和电流，横坐标为时间。

图4为实施例1蒸镀增透膜、高反膜的砷化镓光导开关测试结果，输入电压、输出电压和负载电流的波形曲线，纵坐标为电压和电流，横坐标为时间。

图5为光导开关测试电路图，r为限流电阻，rload为高频无感电阻，c为储能电容，pcss代表光导开关。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种降低导通电阻的光导开关，结构如图1、2所示，包括半绝缘砷化镓衬底2，在衬底2的一面设置有增透膜1，另一面的两侧分别设置有电极3，所述两电极之间设置有高反膜5。

所述砷化镓衬底厚度为600μm，暗态电阻率5*10⁸ωcm,电子迁移率4500cm²/vs。

所述增透膜是对于波长1064nm反射率小于0.5％的光学增透膜，所述增透膜依次为：第一层为厚度100-200埃的al2o3，第二层为厚度1000-1500埃的zro2，第三层为厚度800-900埃的al2o3。

所述高反膜是对于波长为1064nm反射率大于95％的薄膜层。进一步优选，所述增透膜材料为al2o3与sio2、tio2的n层组合，n＝13；其中第一层是厚度为180-200埃的al2o3，第二层-第十三层为sio2、tio2交替组合层，依次厚度为2100-2400埃sio2，1000-1100埃tio2，2100-2200埃sio2，1000-1100埃tio2，2200-2500埃sio2，1000-1300埃tio2，2100-2300 埃sio2，1000-1300埃tio2，2100-2300埃sio2，1000-1300埃tio2，2300-2600埃sio2，1000-1300埃tio2。

所述电极为ti/pt/au复合金属层。

上述光导开关通过环氧树脂6封装在氮化铝陶瓷片7上，在氮化铝陶瓷片与电极之间设有铜箔4。

制备方法，步骤如下：

(1)选择半绝缘的砷化镓衬底，厚度为600um，暗态电阻率大于1*10⁸ωcm,电子迁移率大于4000cm²/vs。

在所述砷化镓衬底上利用movpe技术生长300nm厚的高掺杂锌的p型砷化镓(p-gaas)。掺杂锌或者碳元素的浓度为5×10¹⁹cm^-3。

(2)利用光刻工艺在衬底上做好光导开关电极图形，电极间距为10mm，电极尺寸为：9cm(长)×4.5cm(宽)。

(3)将带有电极图形的光导开关利用电子束蒸发ti/pt/au金属层，并通过丙酮去胶剥离得到带有光导开关电极结构的整片砷化镓晶片。

(4)利用h3po4:h2o2:h2o＝1:1:5的溶液在0摄氏度腐蚀1min去掉多余的掺锌p-gaas。

(5)利用快速退火炉在氮气的气氛中对晶片进行400℃快速退火5min。

(6)利用真空镀膜技术在无电极图形的一面蒸镀增透膜，蒸镀完成后，利用耐温胶条将电极区域保护起来，再利用真空镀膜技术蒸镀高反膜。

(7)将做好的带有光学膜的砷化镓衬底利用disco锯片机按照图形要求进行切割。

(8)将切割好的光导开关利用环氧树脂封装在氮化铝陶瓷片上，器件制作完毕。

实施例2：光导开关导通电阻测试实验

光导开关导通电阻测试实验采用的测试电路图如图5所示，r为限流电阻100mω，rload为高频无感电阻50ω，c为储能电容1nf，pcss代表光导开关。通过高压探头测试电压值，通过电流环测试电流值。

对实施例2制作的结构如实施例1所述的光导开关进行测试，所得结果输入电压、输出电压和负载电流的波形曲线如图4所示。

对没有蒸镀增透膜、高反膜其他结构与实施例1相同的砷化镓光导开关进行测试，所得结果输入电压、输出电压和负载电流的波形曲线如图5所示。

本发明的砷化镓光导开关导通电阻为0.49ω，没有蒸镀增透膜及高反膜的光导开关其导通电阻为3.3ω。