本發(fā)明屬于光導(dǎo)開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)的制備方法。

背景技術(shù)：

超短激光脈沖技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛促進(jìn)了光導(dǎo)開關(guān)的發(fā)展。相比較于傳統(tǒng)開關(guān)，光導(dǎo)開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快(納秒～皮秒級(jí))、無(wú)觸發(fā)抖動(dòng)、寄生電感電容低、光電隔離好以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在開關(guān)精確性高、功率大、噪音高的環(huán)境中，如應(yīng)用于產(chǎn)生高、低壓寬帶脈沖和微波脈沖、半導(dǎo)體激光二極管的驅(qū)動(dòng)器、點(diǎn)火裝置、皮秒脈沖激光探測(cè)器及新型超寬帶雷達(dá)所需的高速高功率脈沖源等。

半導(dǎo)體砷化鎵GaAs材料電阻率高達(dá)10⁷～10⁸Ω·cm，具有優(yōu)良的電學(xué)和光學(xué)特征，是制備光導(dǎo)開關(guān)的良好材料。砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)的結(jié)構(gòu)為，在半導(dǎo)體兩端制作歐姆電極，用寬帶傳輸線與同軸電纜接頭形成開關(guān)的輸入和輸出端，然后用絕緣材料封裝保護(hù)起來(lái)。光導(dǎo)開關(guān)利用脈沖激光照射芯片兩電極之間的區(qū)域來(lái)控制光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通與斷開。光導(dǎo)材料的一端通過(guò)傳輸線與直流高壓電源或脈沖電源相連接，另一端的寬帶傳輸線與負(fù)載相連接。開關(guān)工作于直流或者脈沖電壓下，在暗態(tài)情況下，砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)處于斷開狀態(tài)；當(dāng)用一定波長(zhǎng)的光照射兩電極之間的區(qū)域時(shí)開關(guān)導(dǎo)通。當(dāng)光消失時(shí)，光導(dǎo)開關(guān)恢復(fù)高阻態(tài)，從而斷開。在脈沖器件運(yùn)用中，采用脈沖激光器觸發(fā)光導(dǎo)開關(guān)，隨著光脈沖作用在開關(guān)上時(shí)，開關(guān)相應(yīng)的輸出一個(gè)電脈沖。

從光導(dǎo)開關(guān)工作原理可以看出，在同樣條件下，光導(dǎo)開關(guān)的工作電壓越高，在開關(guān)體內(nèi)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度越高，開關(guān)導(dǎo)通前儲(chǔ)能越多，輸出電壓也越高。另外，超短脈沖放電過(guò)程中，放電電流大，光導(dǎo)開關(guān)電極如果存在缺陷，往往導(dǎo)致局部發(fā)熱而損壞光導(dǎo)開關(guān)。因此，提高光導(dǎo)開關(guān)的工作電壓和大電流放電性能具有非常重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了提高砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)的工作電壓和通大電流的能力，本發(fā)明提供了一種砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)的制備方法。

一種砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)的制備方法，包括以下步驟：

(1)清洗砷化鎵表面；

(2)在砷化鎵表面涂覆一層光刻膠；

(3)加熱固化光刻膠；

(4)冷卻后進(jìn)行曝光，接著進(jìn)行曝光后顯影前的烘烤；

(5)冷卻后進(jìn)行顯影，剝離需要鍍膜位置的光刻膠；

(6)鍍膜作為電極；

(7)進(jìn)行解膠處理，去掉掩膜位置的光刻膠；

(8)用劃片機(jī)劃取所需尺寸的晶片；

(9)清洗后進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。

所述步驟(2)中，均勻涂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℃恒溫保持1min～4min；

所述步驟(6)為，采用磁控濺射技術(shù)鍍Ti/Ni/Au膜。

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

本發(fā)明選擇光刻技術(shù)制備砷化鎵電極以及對(duì)砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行去應(yīng)力退火后處理的原理為：

(1)光刻技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行加工，需要一個(gè)部分透光部分不透光的掩膜板，先在處理過(guò)后的半導(dǎo)體上涂覆一層光刻膠，固化冷卻后蓋上掩膜板，通過(guò)曝光、顯影、刻蝕等技術(shù)獲得和掩膜板一樣的圖形。其中對(duì)應(yīng)掩膜板透光部分的光刻膠化學(xué)成分在曝光過(guò)程中發(fā)生了變化；之后進(jìn)行顯影，將發(fā)生化學(xué)變化的光刻膠腐蝕掉，裸露出半導(dǎo)體；之后對(duì)裸露出的半導(dǎo)體進(jìn)行刻蝕，最后把光刻膠去掉就得到了想要的圖形。本發(fā)明采用光刻技術(shù)制備電極，能有效減少砷化鎵電極邊緣的毛刺，降低電場(chǎng)畸變效應(yīng)，從而提高砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)工作電壓。

(2)快速退火在半導(dǎo)體生產(chǎn)中已被廣泛采用，如用于氧化、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于，達(dá)到退火溫度所用的時(shí)間和退火時(shí)間都非常短，由于電極薄膜的厚度薄，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(shí)間內(nèi)優(yōu)化電極薄膜材料質(zhì)量，消除缺陷及應(yīng)力，同時(shí)避免了摻雜擴(kuò)散、界面反應(yīng)或分解、揮發(fā)等效應(yīng)，經(jīng)過(guò)退火的電極薄膜材料將更加致密，性能也得到優(yōu)化。因此本發(fā)明利用快速退火工藝，改善電極薄膜質(zhì)量，提高砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)大電流導(dǎo)流能力。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明通過(guò)半導(dǎo)體光刻技術(shù)制備電極，減少電極邊緣陰影和毛刺，緩解電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，在不改變?cè)虾推渌に嚄l件下提高砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)工作耐壓性能。

2、本發(fā)明通過(guò)快速退火工藝，提高電極與砷化鎵結(jié)合力，消除異質(zhì)界面缺陷，從而提高電極載流能力，保證砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)在大電流下正常工作。

3、本發(fā)明有利于減小光導(dǎo)開關(guān)體積，為光導(dǎo)開關(guān)的小型化、集成化創(chuàng)造條件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

制備方法：先采用標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝清洗砷化鎵表面，然后采用半導(dǎo)體光刻技術(shù)“勻膠-烘烤-曝光-烘烤-顯影-鍍膜”技術(shù)，在砷化鎵表面制備Ti/Ni/Au電極，然后在快速退火爐中進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。

對(duì)比例1

選擇晶向<100>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(zhì)。選擇鋼板模具作為掩膜版，采用磁控濺射技術(shù)鍍Ti/Ni/Au膜作為電極。最后用劃片機(jī)劃取外觀尺寸為13mm×10mm的小晶片，電極間隙為1mm。擊穿試驗(yàn)前光導(dǎo)開關(guān)暗態(tài)電阻為1.8×10⁸Ω。

最后用氟化氫準(zhǔn)分子激光器作為觸發(fā)源，對(duì)電極間隙的光導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，開關(guān)的耐壓性能達(dá)到3.2kV/mm。

實(shí)施例1

選擇晶向<100>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(zhì)。選擇紫外正膠AR-P4340光刻膠，在砷化鎵表面涂覆一層透明均勻的1μm厚的光刻膠，然后在70℃對(duì)其進(jìn)行烘烤加熱4min，固化光刻膠。冷卻至室溫后選擇合適的曝光模具對(duì)其進(jìn)行曝光，接著在70℃再次對(duì)其烘烤4min，冷卻至室溫，然后顯影，將需要鍍膜位置的光刻膠剝離。然后進(jìn)行磁控濺射鍍Ti/Ni/Au膜作為電極。最后進(jìn)行解膠處理，去掉掩膜位置的光刻膠。最后用劃片機(jī)劃取外觀尺寸為13mm×10mm的小晶片，電極間隙為1mm。清洗后將其放入快速退火爐中去應(yīng)力退火，200℃保溫90s，然后隨爐冷卻。擊穿試驗(yàn)前光導(dǎo)開關(guān)暗態(tài)電阻為1.7×10⁸Ω。

最后用氟化氫準(zhǔn)分子激光器作為觸發(fā)源，對(duì)電極間隙的光導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，開關(guān)的耐壓性能達(dá)到5.5kV/mm。

實(shí)施例2

選擇晶向<100>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(zhì)。選擇紫外正膠AR-P4340光刻膠，在砷化鎵表面涂覆一層透明均勻的2μm厚的光刻膠，然后在80℃對(duì)其進(jìn)行烘烤加熱3min，固化光刻膠。冷卻至室溫后選擇合適的曝光模具對(duì)其進(jìn)行曝光，接著在80℃再次對(duì)其烘烤3min，冷卻至室溫，然后顯影，將需要鍍膜位置的光刻膠剝離。然后進(jìn)行磁控濺射鍍Ti/Ni/Au膜作為電極。鍍完膜的砷化鎵進(jìn)行解膠處理，去掉掩膜位置的光刻膠。最后用劃片機(jī)劃取外觀尺寸為13mm×10mm的小晶片，電極間隙為1mm。清洗后將其放入快速退火爐中去應(yīng)力退火，300℃保溫90s，然后隨爐冷卻。擊穿試驗(yàn)前光導(dǎo)開關(guān)暗態(tài)電阻為1.8×10⁸Ω。

最后用氟化氫準(zhǔn)分子激光器作為觸發(fā)源，對(duì)電極間隙的光導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，開關(guān)的耐壓性能達(dá)到5.3kV/mm。

實(shí)施例3

選擇晶向<100>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(zhì)。選擇紫外正膠AR-P4340光刻膠，在砷化鎵表面涂覆一層透明均勻的4μm厚的光刻膠，，然后在90℃對(duì)其進(jìn)行烘烤加熱2min，固化光刻膠。冷卻至室溫后選擇合適的曝光模具對(duì)其進(jìn)行曝光，接著在90℃再次對(duì)其烘烤2min，冷卻至室溫，然后顯影，將需要鍍膜位置的光刻膠剝離。然后進(jìn)行磁控濺射鍍Ti/Ni/Au膜作為電極。鍍完膜的砷化鎵進(jìn)行解膠處理，去掉掩膜位置的光刻膠。最后用劃片機(jī)劃取外觀尺寸為13mm×10mm的小晶片，電極間隙為1mm。清洗后將其放入快速退火爐中去應(yīng)力退火，350℃保溫90s，然后隨爐冷卻。擊穿試驗(yàn)前光導(dǎo)開關(guān)暗態(tài)電阻為2.0×10⁸Ω。

最后用氟化氫準(zhǔn)分子激光器作為觸發(fā)源，對(duì)電極間隙的光導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，開關(guān)的耐壓性能達(dá)到6.5kV/mm。

實(shí)施例4

選擇晶向<100>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(zhì)。選擇紫外正膠AR-P4340光刻膠，在砷化鎵表面涂覆一層透明均勻的5μm厚的光刻膠，然后在100℃對(duì)其進(jìn)行烘烤加熱1min，固化光刻膠。冷卻至室溫后選擇合適的曝光模具對(duì)其進(jìn)行曝光，接著在100℃再次對(duì)其烘烤1min，冷卻至室溫，然后顯影，將需要鍍膜位置的光刻膠剝離。然后進(jìn)行磁控濺射鍍Ti/Ni/Au膜作為電極。鍍完膜的砷化鎵進(jìn)行解膠處理，去掉掩膜位置的光刻膠。最后用劃片機(jī)劃取外觀尺寸為13mm×10mm的小晶片，電極間隙為1mm。清洗后將其放入快速退火爐中去應(yīng)力退火，450℃保溫90s，然后隨爐冷卻。擊穿試驗(yàn)前光導(dǎo)開關(guān)暗態(tài)電阻為1.9×10⁸Ω。

最后用氟化氫準(zhǔn)分子激光器作為觸發(fā)源，對(duì)電極間隙的光導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，開關(guān)的耐壓性能達(dá)到5.9kV/mm。

從實(shí)施例中可以看出，本發(fā)明通過(guò)新型電極技術(shù)和電極后處理工藝，在不改變光導(dǎo)開關(guān)原料和其它工藝條件下提高砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)工作電壓，提高電極耐壓性能，從而促進(jìn)脈沖功率小型化微型化發(fā)展。