一種砷化鎵光導開關的製備方法與流程

2023-05-13 08:14:01

本發明屬於光導開關技術領域，特別涉及一種砷化鎵光導開關的製備方法。

背景技術：

超短雷射脈衝技術的應用日益廣泛促進了光導開關的發展。相比較於傳統開關，光導開關具有結構簡單、響應速度快(納秒～皮秒級)、無觸發抖動、寄生電感電容低、光電隔離好以及結構緊湊等優點，可以應用在開關精確性高、功率大、噪音高的環境中，如應用於產生高、低壓寬帶脈衝和微波脈衝、半導體雷射二極體的驅動器、點火裝置、皮秒脈衝雷射探測器及新型超寬帶雷達所需的高速高功率脈衝源等。

半導體砷化鎵GaAs材料電阻率高達107～108Ω·cm，具有優良的電學和光學特徵，是製備光導開關的良好材料。砷化鎵光導開關的結構為，在半導體兩端製作歐姆電極，用寬帶傳輸線與同軸電纜接頭形成開關的輸入和輸出端，然後用絕緣材料封裝保護起來。光導開關利用脈衝雷射照射晶片兩電極之間的區域來控制光導開關的導通與斷開。光導材料的一端通過傳輸線與直流高壓電源或脈衝電源相連接，另一端的寬帶傳輸線與負載相連接。開關工作於直流或者脈衝電壓下，在暗態情況下，砷化鎵光導開關處於斷開狀態；當用一定波長的光照射兩電極之間的區域時開關導通。當光消失時，光導開關恢復高阻態，從而斷開。在脈衝器件運用中，採用脈衝雷射器觸發光導開關，隨著光脈衝作用在開關上時，開關相應的輸出一個電脈衝。

從光導開關工作原理可以看出，在同樣條件下，光導開關的工作電壓越高，在開關體內形成的電場強度越高，開關導通前儲能越多，輸出電壓也越高。另外，超短脈衝放電過程中，放電電流大，光導開關電極如果存在缺陷，往往導致局部發熱而損壞光導開關。因此，提高光導開關的工作電壓和大電流放電性能具有非常重要意義。

技術實現要素：

為了提高砷化鎵光導開關的工作電壓和通大電流的能力，本發明提供了一種砷化鎵光導開關的製備方法。

一種砷化鎵光導開關的製備方法，包括以下步驟：

(1)清洗砷化鎵表面；

(2)在砷化鎵表面塗覆一層光刻膠；

(3)加熱固化光刻膠；

(4)冷卻後進行曝光，接著進行曝光後顯影前的烘烤；

(5)冷卻後進行顯影，剝離需要鍍膜位置的光刻膠；

(6)鍍膜作為電極；

(7)進行解膠處理，去掉掩膜位置的光刻膠；

(8)用劃片機劃取所需尺寸的晶片；

(9)清洗後進行去應力退火處理。

所述步驟(2)中，均勻塗覆光刻膠層的厚度為1μm～5μm；

步驟(3)和步驟(4)中所述的烘烤分別為，將砷化鎵放入接觸式加熱板，70℃～100℃恆溫保持1min～4min；

所述步驟(6)為，採用磁控濺射技術鍍Ti/Ni/Au膜。

所述步驟(9)中，去應力退火處理在快速退火爐中進行，去應力退火的溫度為200～450℃，保溫時間為60s～300s。

本發明選擇光刻技術製備砷化鎵電極以及對砷化鎵光導開關進行去應力退火後處理的原理為：

(1)光刻技術對半導體進行加工，需要一個部分透光部分不透光的掩膜板，先在處理過後的半導體上塗覆一層光刻膠，固化冷卻後蓋上掩膜板，通過曝光、顯影、刻蝕等技術獲得和掩膜板一樣的圖形。其中對應掩膜板透光部分的光刻膠化學成分在曝光過程中發生了變化；之後進行顯影，將發生化學變化的光刻膠腐蝕掉，裸露出半導體；之後對裸露出的半導體進行刻蝕，最後把光刻膠去掉就得到了想要的圖形。本發明採用光刻技術製備電極，能有效減少砷化鎵電極邊緣的毛刺，降低電場畸變效應，從而提高砷化鎵光導開關工作電壓。

(2)快速退火在半導體生產中已被廣泛採用，如用於氧化、摻雜、焊接等工藝中，該工藝與一般退火工藝相比的不同之處在於，達到退火溫度所用的時間和退火時間都非常短，由於電極薄膜的厚度薄，砷化鎵襯底材料有一定的厚度，熱容量較大，退火可以在極短時間內優化電極薄膜材料質量，消除缺陷及應力，同時避免了摻雜擴散、界面反應或分解、揮發等效應，經過退火的電極薄膜材料將更加緻密，性能也得到優化。因此本發明利用快速退火工藝，改善電極薄膜質量，提高砷化鎵光導開關大電流導流能力。

本發明的有益效果為：

1、本發明通過半導體光刻技術製備電極，減少電極邊緣陰影和毛刺，緩解電場增強效應，在不改變原料和其它工藝條件下提高砷化鎵光導開關工作耐壓性能。

2、本發明通過快速退火工藝，提高電極與砷化鎵結合力，消除異質界面缺陷，從而提高電極載流能力，保證砷化鎵光導開關在大電流下正常工作。

3、本發明有利於減小光導開關體積，為光導開關的小型化、集成化創造條件。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明做進一步說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。

製備方法：先採用標準清洗工藝清洗砷化鎵表面，然後採用半導體光刻技術「勻膠-烘烤-曝光-烘烤-顯影-鍍膜」技術，在砷化鎵表面製備Ti/Ni/Au電極，然後在快速退火爐中進行去應力退火處理。

對比例1

選擇晶向的砷化鎵雙拋光片，電阻率≥10Ω·cm，厚度為0.6mm，直徑為100mm。用丙酮清洗砷化鎵表面，去除表面雜質。選擇鋼板模具作為掩膜版，採用磁控濺射技術鍍Ti/Ni/Au膜作為電極。最後用劃片機劃取外觀尺寸為13mm×10mm的小晶片，電極間隙為1mm。擊穿試驗前光導開關暗態電阻為1.8×108Ω。

最後用氟化氫準分子雷射器作為觸發源，對電極間隙的光導開關進行實驗。實驗表明，開關的耐壓性能達到3.2kV/mm。

實施例1

選擇晶向的砷化鎵雙拋光片，電阻率≥10Ω·cm，厚度為0.6mm，直徑為100mm。用丙酮清洗砷化鎵表面，去除表面雜質。選擇紫外正膠AR-P4340光刻膠，在砷化鎵表面塗覆一層透明均勻的1μm厚的光刻膠，然後在70℃對其進行烘烤加熱4min，固化光刻膠。冷卻至室溫後選擇合適的曝光模具對其進行曝光，接著在70℃再次對其烘烤4min，冷卻至室溫，然後顯影，將需要鍍膜位置的光刻膠剝離。然後進行磁控濺射鍍Ti/Ni/Au膜作為電極。最後進行解膠處理，去掉掩膜位置的光刻膠。最後用劃片機劃取外觀尺寸為13mm×10mm的小晶片，電極間隙為1mm。清洗後將其放入快速退火爐中去應力退火，200℃保溫90s，然後隨爐冷卻。擊穿試驗前光導開關暗態電阻為1.7×108Ω。

最後用氟化氫準分子雷射器作為觸發源，對電極間隙的光導開關進行實驗。實驗表明，開關的耐壓性能達到5.5kV/mm。

實施例2

選擇晶向的砷化鎵雙拋光片，電阻率≥10Ω·cm，厚度為1mm，直徑為100mm。用丙酮清洗砷化鎵表面，去除表面雜質。選擇紫外正膠AR-P4340光刻膠，在砷化鎵表面塗覆一層透明均勻的2μm厚的光刻膠，然後在80℃對其進行烘烤加熱3min，固化光刻膠。冷卻至室溫後選擇合適的曝光模具對其進行曝光，接著在80℃再次對其烘烤3min，冷卻至室溫，然後顯影，將需要鍍膜位置的光刻膠剝離。然後進行磁控濺射鍍Ti/Ni/Au膜作為電極。鍍完膜的砷化鎵進行解膠處理，去掉掩膜位置的光刻膠。最後用劃片機劃取外觀尺寸為13mm×10mm的小晶片，電極間隙為1mm。清洗後將其放入快速退火爐中去應力退火，300℃保溫90s，然後隨爐冷卻。擊穿試驗前光導開關暗態電阻為1.8×108Ω。

最後用氟化氫準分子雷射器作為觸發源，對電極間隙的光導開關進行實驗。實驗表明，開關的耐壓性能達到5.3kV/mm。

實施例3

選擇晶向的砷化鎵雙拋光片，電阻率≥10Ω·cm，厚度為1mm，直徑為100mm。用丙酮清洗砷化鎵表面，去除表面雜質。選擇紫外正膠AR-P4340光刻膠，在砷化鎵表面塗覆一層透明均勻的4μm厚的光刻膠，，然後在90℃對其進行烘烤加熱2min，固化光刻膠。冷卻至室溫後選擇合適的曝光模具對其進行曝光，接著在90℃再次對其烘烤2min，冷卻至室溫，然後顯影，將需要鍍膜位置的光刻膠剝離。然後進行磁控濺射鍍Ti/Ni/Au膜作為電極。鍍完膜的砷化鎵進行解膠處理，去掉掩膜位置的光刻膠。最後用劃片機劃取外觀尺寸為13mm×10mm的小晶片，電極間隙為1mm。清洗後將其放入快速退火爐中去應力退火，350℃保溫90s，然後隨爐冷卻。擊穿試驗前光導開關暗態電阻為2.0×108Ω。

最後用氟化氫準分子雷射器作為觸發源，對電極間隙的光導開關進行實驗。實驗表明，開關的耐壓性能達到6.5kV/mm。

實施例4

選擇晶向的砷化鎵雙拋光片，電阻率≥10Ω·cm，厚度為1mm，直徑為100mm。用丙酮清洗砷化鎵表面，去除表面雜質。選擇紫外正膠AR-P4340光刻膠，在砷化鎵表面塗覆一層透明均勻的5μm厚的光刻膠，然後在100℃對其進行烘烤加熱1min，固化光刻膠。冷卻至室溫後選擇合適的曝光模具對其進行曝光，接著在100℃再次對其烘烤1min，冷卻至室溫，然後顯影，將需要鍍膜位置的光刻膠剝離。然後進行磁控濺射鍍Ti/Ni/Au膜作為電極。鍍完膜的砷化鎵進行解膠處理，去掉掩膜位置的光刻膠。最後用劃片機劃取外觀尺寸為13mm×10mm的小晶片，電極間隙為1mm。清洗後將其放入快速退火爐中去應力退火，450℃保溫90s，然後隨爐冷卻。擊穿試驗前光導開關暗態電阻為1.9×108Ω。

最後用氟化氫準分子雷射器作為觸發源，對電極間隙的光導開關進行實驗。實驗表明，開關的耐壓性能達到5.9kV/mm。

從實施例中可以看出，本發明通過新型電極技術和電極後處理工藝，在不改變光導開關原料和其它工藝條件下提高砷化鎵光導開關工作電壓，提高電極耐壓性能，從而促進脈衝功率小型化微型化發展。