一种高输出功率的金刚石光导开关及其制备方法

本发明涉及半导体器件，具体涉及一种高输出功率的金刚石光导开关及其制备方法。

背景技术：

1、脉冲功率技术是一种将储能元件的能量通过高速开关在极短的时间内释放到负载，从而得到极高的瞬时输出功率的技术，可应用于大功率脉冲电源、直流感应加速器、冲击雷达、高能点火装置以及电磁驱动等领域。传统的气体、半导体电控开关由于功率容量和开关速度有限、容易受到电磁干扰、随机抖动严重、低重频等问题限制了该领域的进一步发展。

2、光导开关是一种利用脉冲激光光源在半导体内部激发非平衡载流子，从而瞬间改变半导体导电特性，实现控制开关闭合的器件。与传统开光相比，其结构简单、导通速度快、不受电磁干扰、抖动小、可实现高重频高功率输出等优点，成为了发展下一代脉冲功率技术的关键器件。

3、为了使光导开关获得更大的瞬间输出功率，光导开关的击穿电压和导通特性是器件研制的重点。根据电功率公式，负载上得到的瞬间输出功率由其导通电压和电流决定，这意味着光导开光的关态击穿电压越高，开态导通电阻越小、导通电流越大、速度越快则负载获得的功率就越大。目前si、gaas等材料制备的光导开关由于击穿电压较低、载流子迁移率较低、存在持久光电导和热奔等现象难以胜任超高功率、高重频应用领域，而sic与gan材料制备的光导开关虽然具备了较好的开关特性，但依然具有电流丝等影响开关可靠性的问题，其输出功率依然不满足高功率、高重频应用的要求。随着技术的不断发展和对更高性能光导开关的需求愈发强烈，催使人们对更高性能光导开关的研究开发。

4、金刚石具有极高的理论击穿场强(10mv/cm)，高的载流子迁移率(电子4500cm2/vs，空穴3800cm2/vs)和饱和漂移速度(3×107cm/s)，较小的介电常数(5.7)、极高的热导率(2200w/mk)以及极强的恶劣环境生存能力(抗辐照能力强、化学惰性)，这使得金刚石制备的光导开关具有更高的击穿电压和输出电流，响应速度也将更快，其极高的热导率也大大缓解了器件的热失效问题，相比于上述材料具有更强的性能优势。然而根据目前的研究结果，在提升金刚石光导开关的输出功率方面还面临着以下问题：

5、一方面，金刚石光导开关的关态击穿电压还远低于其理论值，这是由于器件的电场峰值主要集中在电极边缘，远大于器件内部电场，从而造成了器件在电极处提前击穿，从而降低了开关峰值电压，开发器件击穿电压提升技术仍是关键要素。

6、另一方面，如何降低导通电阻、提高导通时的输出电流也是另一关键要素。从器件工作机制来讲，可以利用高工作电压触发雪崩倍增效应、增强器件的光敏面积增加光生载流子数目、以及改善载流子输运特性达到上述目的。当前制备金刚石电子器件通常采用金刚石板，其为长和宽各为几mm，厚度为μm级的块体，因此当前传统器件结构大多采用插指状共面电极或者对面的三明治结构电极。对于传统插指状共面电极结构，入射光从正面入射(如图1所示)，其电极制备于材料面积最大处，从而获得最大的受光面积并激发更多的非平衡载流子，但是由于插指电极间距较小，导致表面电场强度很高，难以获得绝对的高击穿电压，表面闪络现象也容易发生，容易造成器件失效，如果增大电极间距，又增加了导通电阻，另外由于电场线呈弧形分布，并不利于非平衡载流子的输运。对于传统对面三明治结构电极结构(如图2所示)，由于入射光无法穿透正面金属电极区，通常采用侧面入射方式，而侧面面积较小，因此该结构器件的受光面积小，激发的载流子数量低，导通电阻较高，而且由于光的入射深度有限，整个开关的导通区利用率受限，又进一步限制了输出电流。

7、以上这些问题，限制了目前金刚石光导开关的性能，阻碍了其在脉冲功率技术中的进一步应用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高输出功率的金刚石光导开关及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明的一个实施例提供了一种高输出功率的金刚石光导开关，所述金刚石光导开关包括：

3、金刚石层；

4、介质层，所述介质层包括多个介质子层，所有所述介质子层阵列排布在所述金刚石层上，相邻两个所述介质子层之间的间距大于零；

5、第一欧姆接触电极，所述第一欧姆接触电极位于未被所述介质层覆盖的所述金刚石层上，且每个所述介质子层部分上表面覆盖有所述第一欧姆接触电极形成场板结构，其中，覆盖在所述介质子层上的所述第一欧姆接触电极与该介质子层同端设置于所述金刚石层上的所述第一欧姆接触电极连续排布；

6、第二欧姆接触电极，所述第二欧姆接触电极位于所述金刚石层的下表面。

7、在本发明的一个实施例中，所述金刚石层和所述介质子层为方形，在所述金刚石层的四个角分别设置有所述介质子层，且处于最外侧的所述介质子层的边缘与所述金刚石层的边缘平齐，除位于所述金刚石层的四个角外的其余所述介质子层的四周表面均覆盖有所述第一欧姆接触电极、且暴露所述介质子层的中间区域，位于所述金刚石层的四个角的所述介质子层中除与所述金刚石层的边缘平齐外的另外两端的端部表面均覆盖有所述第一欧姆接触电极。

8、在本发明的一个实施例中，所述第一欧姆接触电极的上部分电极条宽度d2和两个所述第一欧姆接触电极的上部分电极条之间的间距d3之比为1：4～1：5；所述第一欧姆接触电极的下部分电极条宽度d1和所述第一欧姆接触电极的上部分电极条宽度d2之比为1:4～1:5。

9、在本发明的一个实施例中，所述介质层的禁带宽度大于所述金刚石层。

10、在本发明的一个实施例中，所述介质层的材料包括sio2或者al2o3。

11、在本发明的一个实施例中，所述介质层的厚度为100～300nm。

12、在本发明的一个实施例中，所述金刚石包括单晶金刚石或多晶金刚石。

13、在本发明的一个实施例中，所述第一欧姆接触电极和所述第二欧姆接触电极的结构包括多层金属结构或者氢终端/金属电极调控结构。

14、在本发明的一个实施例中，所述多层金属结构包括ti/pt/au多层金属结构。

15、本发明一个实施例还提供一种高输出功率的金刚石光导开关的制备方法，所述制备方法用于制备上述任一项实施例所述的金刚石光导开关，所述制备方法包括：

16、步骤1、选取金刚石层，对金刚石层表面进行清洗。

17、步骤2、在所述金刚石层上表面淀积介质层材料；

18、步骤3、在所述介质层材料表面进行一次光刻，制备出欧姆接触电极区域图形，刻蚀掉所述欧姆接触电极区域图形中的介质层材料，露出金刚石层表面，形成包括多个阵列排布的介质子层的介质层；

19、步骤4、在所述金刚石层的上表面、部分所述介质层的上表面和所述金刚石层的下表面淀积电极材料，在所述金刚石层的下表面形成第二欧姆接触电极；

20、步骤5、对所述金刚石层的上表面、所述介质层的上表面的电极材料进行光刻，刻蚀掉透光区域内的电极材料，保留与金刚石表面接触的电极材料以及部分所述介质层上方的电极材料，以形成第一欧姆接触电极，完成金刚石光导开关的制备。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

22、本发明提供的带有网状电极以及场板结构的金刚石光导开关，器件电极采用三明治结构，其中上表面电极(即第一欧姆接触电极)为带有场板结构的网状电极，可获得较大的受光面积从而降低器件导通电阻，提升输出电流；同时由于降低了电极边缘处的峰值电场，从而提高器件击穿电压并降低了器件关态漏电，最终提升金刚石光导开关的输出功率。

23、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。