孫飛翔, 何曉雄, 常潤發(fā), 奚 野

(合肥工業(yè)大學 電子科學與應(yīng)用物理學院,安徽 合肥 230009)

GaAs光導(dǎo)開關(guān)損傷機理研究

孫飛翔, 何曉雄, 常潤發(fā), 奚 野

(合肥工業(yè)大學 電子科學與應(yīng)用物理學院,安徽 合肥 230009)

光導(dǎo)開關(guān)(photoconductive semiconductor switches,PCSS)的損傷分為熱擊穿和電擊穿,2種擊穿的原因都由開關(guān)基底材料陷阱特性決定,因此對芯片擊穿機理與開關(guān)制作工藝關(guān)系的研究非常重要。文章依據(jù)開關(guān)芯片的材料特性和半導(dǎo)體工藝知識,研究和分析了光導(dǎo)開關(guān)的擊穿機理以及開關(guān)擊穿可能存在的工藝問題。

光導(dǎo)開關(guān)(PCSS);熱擊穿;電擊穿;電子俘獲效應(yīng);轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)

光導(dǎo)開關(guān)(photoconductive semiconductor switches,PCSS)具有極快的響應(yīng)速度(響應(yīng)時間為ps量級)、極小的觸發(fā)抖動(ps量級)、極大的功率容量(MW量級)、極好的同步精度(ps量級)、較高的耐壓能力(100 kV量級)、較小的器件體積以及光電隔離且不受電磁干擾,這些超快電子學領(lǐng)域的優(yōu)良特性使得PCSS在超寬帶電磁波產(chǎn)生領(lǐng)域、微波領(lǐng)域、超快電子學領(lǐng)域以及軍事技術(shù)方面有著極其廣泛的應(yīng)用[1]。

目前制約大功率光導(dǎo)開關(guān)實用化的關(guān)鍵問題之一是開關(guān)的使用壽命。開關(guān)的使用壽命是以其損傷程度為衡量標準。砷化鎵(GaAs)光導(dǎo)開關(guān)損傷的物理機制比較復(fù)雜,它與電極的接觸性質(zhì)、幾何形狀、GaAs晶體質(zhì)量、光的觸發(fā)條件、偏置電壓以及熱學條件都有關(guān)系[2]。本文依據(jù)開關(guān)芯片的材料特性和半導(dǎo)體工藝知識,研究和分析了光導(dǎo)開關(guān)的擊穿機理以及開關(guān)擊穿可能存在的工藝問題。

1 開關(guān)損傷分類

1.1 光導(dǎo)開關(guān)工作原理

光導(dǎo)開關(guān)的襯底材料一般采用本征或半絕緣的高電阻半導(dǎo)體材料,如硅(Si)、碳化硅(SiC)、GaAs 等。無光條件下,襯底半導(dǎo)體材料暗電阻很高,外加電壓時通過的電流很小,此時光導(dǎo)開關(guān)處于斷開狀態(tài)。如果把波長合適的激光作為激勵光源照射到襯底材料上時,光子將被半導(dǎo)體介質(zhì)吸收,會在半導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)出電子、空穴對,使得半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的濃度急劇增加,同時半導(dǎo)體介質(zhì)的電阻將急劇減小(其電阻相差可達數(shù)百萬倍),通過光導(dǎo)開關(guān)的電流增大,開關(guān)導(dǎo)通。

本文研究的光導(dǎo)開關(guān)如圖1所示,包括光導(dǎo)芯片材料、電極、傳輸線和絕緣封裝3個部分。

圖1 光導(dǎo)開關(guān)的結(jié)構(gòu)

1.2 光導(dǎo)開關(guān)損傷分類

開關(guān)損傷可以分為電極損傷和材料損傷。

電極損傷包括電極的溶蝕和電極的脫落。本文涉及的開關(guān)電極系統(tǒng)為Au/Ge/Ni/Au(100 nm/26 nm/26 nm/200 nm),以Au為主的合金電極的熔點為350 ℃,在非線性模式下很容易產(chǎn)生局部高熱,達到熔點溫度后其主要成分Au將發(fā)生擴散,導(dǎo)致電極溶蝕。另外,由于電極各部分受熱不均,以及電極各薄膜層熱膨脹率不同等因素[3],電極很容易脫離GaAs材料。

材料損傷即電極間開關(guān)介質(zhì)的擊穿,分為可恢復(fù)性損傷和不可恢復(fù)性損傷[4]。不可恢復(fù)性損傷即通常意義上的擊穿,是指作用于介質(zhì)上的外部電場強度超過介質(zhì)本身的介電強度,從而導(dǎo)致介質(zhì)失去介電性的現(xiàn)象;可恢復(fù)性損傷是指光導(dǎo)開關(guān)在高偏置電壓下造成的損傷,暗態(tài)電阻有一定程度的下降,但仍可以繼續(xù)使用。材料損傷還可以分為介質(zhì)的熱擊穿和本征電擊穿,下文將分別進行分析。

2 擊穿機理及相關(guān)工藝研究

2.1 光導(dǎo)開關(guān)擊穿

光導(dǎo)開關(guān)介質(zhì)擊穿是指在介質(zhì)兩端施加的外部電場強度超過介質(zhì)本身的介電強度,使得介質(zhì)失去介電性的現(xiàn)象。

介質(zhì)擊穿分為熱擊穿和本征電擊穿,這2類擊穿共同決定著光導(dǎo)開關(guān)的性能[5]。光導(dǎo)開關(guān)的熱擊穿表現(xiàn)為開關(guān)表面出現(xiàn)貫穿介質(zhì)的絲狀擊穿痕跡,如圖2a所示;本征電擊穿表現(xiàn)為陽極附近出現(xiàn)嚴重損傷的擊穿痕跡,如圖2b所示;圖2b的擊穿痕跡放大100倍后如圖2c所示。由圖2c可以看出,介質(zhì)陽極附近的擊穿痕跡也是絲狀。2種擊穿均在加壓過程中瞬間擊穿,但2種擊穿類型有不同的擊穿機理。

圖2 PCSS擊穿樣品

2.1.1 熱擊穿機理分析

PCSS的2種不同性質(zhì)的擊穿是由不同的觸發(fā)光能和偏置電壓所決定的,熱擊穿主要限制著光導(dǎo)開關(guān)高壓情況下的應(yīng)用。純熱擊穿的方程[1]為:

(1)

其中,CV為開關(guān)芯片比熱;k為熱導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率;E為偏置電場。

(1)式右邊為開關(guān)所產(chǎn)生的熱量,左邊第1項為單位時間芯片溫度升高時所需的熱量,第2項為芯片向外所發(fā)射的能量?？紤]到開關(guān)擊穿是瞬間發(fā)生的,即開關(guān)熱量在擊穿瞬間無法散發(fā),于是(1)式可以簡化為:

(2)

其中,ρ為GaAs材料的密度;V為開關(guān)的體積;ΔT為PCSS因焦耳熱產(chǎn)生的溫度增量;U為導(dǎo)通狀態(tài)下開關(guān)兩端電壓;Ron為PCSS通態(tài)電阻;Δt為導(dǎo)通時間;tp為電脈沖寬度;τp為相鄰2個電脈沖間隔時間,又因為：

(3)

可以得到開關(guān)芯片升溫與時間的關(guān)系[1]為:

(4)

其中,L為開關(guān)間隙;h為普朗克常數(shù);ν為入射光頻率;Ep為入射光單脈沖能量;e為電子電量;μ為電子遷移率。

純熱擊穿理論認為:靠電場施加給固體的能量使固體溫度上升,達到臨界溫度時,發(fā)生絕緣擊穿,固體的熔點一般作為臨界點考慮。開關(guān)芯片各部分以Au為主的合金熔點最低(約350 ℃),因此開關(guān)芯片的最高耐溫值約為200 ℃。通過(4)式計算可得,從室溫升高到200 ℃所用的時間為0.33 s。與開關(guān)擊穿現(xiàn)象和擊穿程度相比,可以認為開關(guān)芯片存在不同的擊穿機理。

在強電場下,電子俘獲擊穿機理在PCSS的擊穿損壞中起主導(dǎo)作用。未摻雜半絕緣GaAs的深能級中心(EL2)是對材料電學補償和半絕緣性起決定性作用的本征缺陷。EL2能級能同時對電子進行俘獲和發(fā)射,電子俘獲擊穿主要是EL2能級對電子的俘獲遠遠超過電子發(fā)射引起的。在注入電子期間,GaAs導(dǎo)帶電子濃度較高,EL2能級發(fā)射電子數(shù)量相比于能級從導(dǎo)帶獲得的電子數(shù)量可以忽略不計。在注入電子同時,由于自由電子與晶格產(chǎn)生碰撞而形成新的陷阱,從而進一步擴大對電子的俘獲作用。陷阱在俘獲電子時會產(chǎn)生空間電荷,電子的俘獲和累積會在PCSS的局部產(chǎn)生大量的空間電荷,空間電荷與原電場發(fā)生疊加,在疊加電場作用下,電子將獲得更大能量,從而使得陷阱濃度沿電場反向進一步擴散。當陷入電子數(shù)達到某一閾值時,PCSS的2個電極將由1個陷入電子所形成的鏈連接,如圖3所示,陰極電子可以通過鏈快速向陽極移動,形成1個電子陷阱組成的導(dǎo)電路徑。該電子陷阱鏈的電阻遠小于PCSS的其他電阻,因此將導(dǎo)致開關(guān)電流突然增大,從而擊穿開關(guān)。同時由于功率過大,會在導(dǎo)電路徑上形成絲狀擊穿痕跡。

圖3 熱電子陷阱形成貫通兩極鏈的示意圖

2.1.2 電擊穿機理分析

電擊穿表現(xiàn)為開關(guān)的偏置電壓向某一值增大的過程中，開關(guān)在未觸發(fā)時突然擊穿,從擊穿痕跡看,材料損壞發(fā)生在開關(guān)陽極附近,且此時的偏置電場往往遠小于開關(guān)的本征擊穿場強[6-7]。對于間接帶隙半導(dǎo)體制作的開關(guān)芯片,電擊穿是由開關(guān)體內(nèi)陷阱填充效應(yīng)引起的,陷阱填充所產(chǎn)生的空間電荷使得陽極電場強度增強，從而導(dǎo)致陽極損壞;對于直接帶隙半導(dǎo)體制作的開關(guān),這類擊穿是由轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)產(chǎn)生的空間電荷引起的[8]。

對于非摻雜半絕緣(semi-insulationg,SI)液封直拉(liquid encapsulation czochralski,LEC) 原生GaAs單晶,其半絕緣性質(zhì)是由深施主 EL2 和過量As原子濃度(cAs)為主的剩余淺受主的補償作用所決定的[5]。在半絕緣GaAs材料中電離的EL2深能級缺陷濃度應(yīng)等于淺受主濃度。

在開關(guān)偏置電壓較小時,開關(guān)I-V特性符合歐姆特性。在所加偏壓不斷升高的過程中,開關(guān)芯片電極間隙寬度足以使得開關(guān)介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生陷阱填充電流效應(yīng)和載流子漂移速度飽和效應(yīng)。陷阱填充限制效應(yīng)的閾值電壓[1]為:

(5)

當偏置電壓低于閾值電壓VTFL時,開關(guān)處于歐姆導(dǎo)電機制,開關(guān)內(nèi)部電場為一個由偏壓和間隙寬度比值決定的常量。相反,開關(guān)則處于陷阱填充限制和空間電荷限制的導(dǎo)電模式,陷阱填充所形成的電場與原電場會形成疊加,開關(guān)內(nèi)部電場不再均勻,陰極到陽極會存在電場梯度。對于間接帶隙半導(dǎo)體制作的PCSS(如Si),開關(guān)擊穿電壓[1]表示為:

(6)

其中,Eb為PCSS的本征擊穿場強。

直流偏壓下PCSS芯片內(nèi)聞電壓分布如圖4所示。其中橫軸以陰極為原點，x表示陰極與陽極之間點到原點的距離；E為陽極附近電場的平均值；Et為閥值電場。

對于直接帶隙半導(dǎo)體制作的PCSS(如GaAs),其材料內(nèi)存在轉(zhuǎn)移電子效應(yīng),因此在開關(guān)偏置電場高于Et時,由于轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)所產(chǎn)生的負阻效應(yīng),將使得進入陽極負阻區(qū)域的電子漂移速度降低。而在陽極負阻區(qū)域外的電子將不受影響,繼續(xù)保持較高的漂移速度,但為了保持開關(guān)內(nèi)部電流的連續(xù)性,負阻區(qū)域載流子濃度會增加,形成高濃度的空間電荷層,自由電子濃度的增加,會進一步填充該區(qū)域的陷阱,在陽極附近形成負空間電荷的積累區(qū),該積累區(qū)電場與原電場相加將會形成高電場區(qū)(見圖4),陽極附近電場急劇增強,使得開關(guān)擊穿電壓顯著小于(6)式的計算值。在這種情況下,陽極附近電場強度主要有電子陷阱濃度決定,對于EL2摻雜的GaAs,電子陷阱濃度應(yīng)等于淺受主濃度Na。此時,陽極附近高場區(qū)的峰值電場應(yīng)等于陽極負阻區(qū)(高場疇)內(nèi)的最大電場,其值[2]可以表示為:

Em=[2qNa(V-EL)]1/2ε1/2

(7)

其中,V為開關(guān)的偏置電壓。

圖4 直流偏壓下PCSS芯片內(nèi)部電壓分布

當高場區(qū)最大電場強度Em增大到材料的本征擊穿電場Eb(250～300kV/cm)時,開關(guān)被擊穿,由(7)式可以推導(dǎo)出開關(guān)電擊穿電壓[2]的表達式為:

(8)

從(8)式可以看出,如果陷阱濃度較高時(大于1014cm-3),開關(guān)的擊穿電壓主要由耿氏閾值電場與開關(guān)電極間隙的乘積決定;而當陷阱濃度較低時,開關(guān)的擊穿電壓主要由陷阱濃度決定。若開關(guān)本征擊穿電場Eb=280kV/cm,介電常數(shù)ε=1.16×10-10F/m,電子電量q=1.6×10-19C,淺受主濃度為Na=1×1013cm-3,耿氏閾值電場Et=4.2kV/cm,開關(guān)間隙L=14mm,則由(8)式可得Vb=34.3kV。該結(jié)果很好地驗證了電擊穿理論。

2.2 開關(guān)制作工藝對缺陷EL2的影響

2.2.1EL2濃度及分布

深能級中心EL2在GaAs晶錠中的分布是不均勻的。通過紅外吸收法對垂直晶錠(100)晶片進行測量,得到EL2濃度徑向分布為W型,EL2濃度分布示意圖如圖5所示。

圖5 EL2濃度分布示意圖

影響EL2濃度分布的因素比較復(fù)雜,EL2的濃度受到GaAs材料中過量As原子的影響,與GaAs中As原子的百分比正相關(guān)。但也有研究者認為,材料的化學配比是決定EL2濃度分布的重要因素,但應(yīng)該還存在其他因素。一般認為EL2是晶體生長后冷卻過程中生成的,晶錠不同部位在有利于EL2生成的溫度區(qū)經(jīng)歷的時間不同,從而導(dǎo)致EL2濃度分布不均勻。同樣,不同的熱處理溫度對材料內(nèi)EL2濃度的分布也會產(chǎn)生影響。GaAs晶體經(jīng)1 100 ℃高溫淬火,EL2發(fā)生分解,EL2濃度急劇下降。經(jīng)淬火的GaAs晶體在適當溫度熱處理后,EL2濃度將恢復(fù)淬火前狀態(tài)。

2.2.2 熱處理對EL2的影響

在PCSS的所有制作工藝中,熱處理工藝是次數(shù)最多的,熱處理能改善GaAs晶體特性,降低歐姆接觸電阻[6],大大地提高器件性能。熱處理分為退火和淬火。退火是指在持續(xù)高溫后讓樣品在爐體內(nèi)自然冷卻,淬火是指高溫過程后快速將石英管從爐體內(nèi)拉出并用冷水直接冷卻。

不同的處理溫度對于As沉淀的密度和EL2濃度影響效果不同。在500 ℃時的熱處理對于樣品中As和EL2濃度無明顯影響；在800 ℃或950 ℃時進行退火或淬火后,EL2濃度增加,As沉淀密度無明顯變化；樣品在1 170 ℃恒溫2h后,As沉淀全部消失,EL2濃度大幅度下降。對1 170 ℃淬火的樣品再進行熱處理,當溫度為500 ℃時,EL2濃度未發(fā)生變化；當溫度為800 ℃或950 ℃時，EL2濃度上升,恢復(fù)到與原生情況類似的狀態(tài)。

不同的熱處理溫度及熱處理次序?qū)τ贓L2分布均勻性有很大的影響。在500 ℃以下進行熱處理時,EL2分布均勻性無明顯變化;800 ℃以上的熱處理會較好地改善EL分布的均勻性;樣品在1 170 ℃淬火后再經(jīng)950 ℃熱處理，EL2分布均勻性明顯改善。樣品經(jīng)1 170 ℃淬火及950 ℃熱處理前后，EL2濃度徑向分布的變化情況如圖6所示。

圖6 樣品經(jīng)兩步熱處理后EL2濃度分布變化

3 結(jié) 論

(1) 熱擊穿產(chǎn)生的主要機制是深能級中心EL2的電子俘獲效應(yīng),EL2的電子俘獲效應(yīng)形成一個連接開關(guān)陰極和陽極的電子陷阱鏈,電子從陰極通過該鏈到達陽極,當流過鏈的電流過大時,該導(dǎo)電路徑將會因為溫度過高而發(fā)生熱擊穿。

(2) 轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)電擊穿是間接帶隙材料，導(dǎo)致的,擊穿電壓主要由陷阱濃度決定。

(3) 原生的半絕緣GaAs晶體中EL2濃度是沿徑向呈W分布,開關(guān)電擊穿的主要機制如下：當陷阱濃度較高時(大于1 014cm-3)，開關(guān)的擊穿電壓主要由耿氏閾值電場與開關(guān)電極間隙的乘積決定;而當陷阱濃度較低時,開關(guān)的不同的熱處理溫度對于EL2的濃度和分布有很大影響,溫度高于800 ℃的熱處理對于EL2濃度及其分布有很明顯影響,在1 170 ℃淬火后再進行950 ℃熱處理可以明顯改善GaAs晶體特性。

[1] 施衛(wèi),田立強.半絕緣GaAs光電導(dǎo)開關(guān)的擊穿特性[J].半導(dǎo)體學報,2004,25(6):691-696.

[2] 施衛(wèi),田立強,王馨梅,等.高壓超大電流光電導(dǎo)開關(guān)及其擊穿特性研究[J].物理學報,2009,58(2),1219-1223.

[3] 牛燕雄,譚季春.GaAs光導(dǎo)開關(guān)的熱擊穿實驗研究[J].光電子·激光,1994,5(5):305-307.

[4] 楊宏春,崔海娟,孫云卿,等.高功率、長壽命GaAs光電導(dǎo)開關(guān)[J].科學通報,2010,55(16):1618-1625.

[5] 向珊,戴慧瑩,施衛(wèi).重頻光脈沖對半絕緣GaAs光導(dǎo)開關(guān)損傷分析[J].半導(dǎo)體技術(shù),2012,37(1),74-78.

[6] 蔣榮華,肖順珍.GaAs單晶生長工藝的發(fā)展狀況[J].光機電信息,2003(7):11-17.

[7] 吳濤,江先鋒,周旻超,等.退火參數(shù)對P 型 GaAs 歐姆接觸性能的影響[J].電子元件與材料,2013,32(4):24-28.

[8] SHI W,MA C,LI M X.Research on the failure mechanism of high-power GaAs PCSS[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(5):2427-2434.

(責任編輯 胡亞敏)

GaAs PCSS’s injuring mechanism

SUN Feixiang, HE Xiaoxiong, CHANG Runfa, XI Ye

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The injuring mechanism of photoconductive semiconductor switches(PCSS) is divided into thermal breakdown and electric breakdown. The reason of two kinds of breakdown is determined by the characteristics of the deep level trap of the switch materials. Therefore, the research on the relationship between the chip breakdown mechanism and the production process of the switch is very important. According to the material characteristics of the switch chip and the knowledge of semiconductor technology, the breakdown mechanism of PCSS and the possible problems in the process of switching breakdown are analyzed in this paper.

photoconductive semiconductor switches(PCSS); thermal breakdown; electric breakdown; electron trapping effect; electron transport effect

2015-11-15；

2016-01-11

合肥工業(yè)大學產(chǎn)學研校企合作資助項目(W2014JSF0299)

孫飛翔(1989-),男,湖北監(jiān)利人,合肥工業(yè)大學碩士生; 何曉雄(1956-),男,安徽宿松人,合肥工業(yè)大學教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.013

TN305.8

A

1003-5060(2017)04-0497-05