GaAs光導(dǎo)開(kāi)關(guān)損傷機(jī)理研究

孫飛翔, 何曉雄, 常潤(rùn)發(fā), 奚 野

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

GaAs光導(dǎo)開(kāi)關(guān)損傷機(jī)理研究

孫飛翔, 何曉雄, 常潤(rùn)發(fā), 奚 野

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

光導(dǎo)開(kāi)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(kāi)關(guān)基底材料陷阱特性決定,因此對(duì)芯片擊穿機(jī)理與開(kāi)關(guān)制作工藝關(guān)系的研究非常重要。文章依據(jù)開(kāi)關(guān)芯片的材料特性和半導(dǎo)體工藝知識(shí),研究和分析了光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的擊穿機(jī)理以及開(kāi)關(guān)擊穿可能存在的工藝問(wèn)題。

光導(dǎo)開(kāi)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(kāi)關(guān)(photoconductive semiconductor switches,PCSS)具有極快的響應(yīng)速度(響應(yīng)時(shí)間為ps量級(jí))、極小的觸發(fā)抖動(dòng)(ps量級(jí))、極大的功率容量(MW量級(jí))、極好的同步精度(ps量級(jí))、較高的耐壓能力(100 kV量級(jí))、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(xué)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(xué)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(kāi)關(guān)實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題之一是開(kāi)關(guān)的使用壽命。開(kāi)關(guān)的使用壽命是以其損傷程度為衡量標(biāo)準(zhǔn)。砷化鎵(GaAs)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)損傷的物理機(jī)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(xué)條件都有關(guān)系[2]。本文依據(jù)開(kāi)關(guān)芯片的材料特性和半導(dǎo)體工藝知識(shí),研究和分析了光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的擊穿機(jī)理以及開(kāi)關(guān)擊穿可能存在的工藝問(wèn)題。

1 開(kāi)關(guān)損傷分類(lèi)

1.1 光導(dǎo)開(kāi)關(guān)工作原理

光導(dǎo)開(kāi)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(wú)光條件下,襯底半導(dǎo)體材料暗電阻很高,外加電壓時(shí)通過(guò)的電流很小,此時(shí)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)。如果把波長(zhǎng)合適的激光作為激勵(lì)光源照射到襯底材料上時(shí),光子將被半導(dǎo)體介質(zhì)吸收,會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)出電子、空穴對(duì),使得半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的濃度急劇增加,同時(shí)半導(dǎo)體介質(zhì)的電阻將急劇減小(其電阻相差可達(dá)數(shù)百萬(wàn)倍),通過(guò)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的電流增大,開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。

本文研究的光導(dǎo)開(kāi)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(gè)部分。

圖1 光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)

1.2 光導(dǎo)開(kāi)關(guān)損傷分類(lèi)

開(kāi)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(kāi)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(diǎn)為350 ℃,在非線性模式下很容易產(chǎn)生局部高熱,達(dá)到熔點(diǎn)溫度后其主要成分Au將發(fā)生擴(kuò)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(kāi)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(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)介質(zhì)本身的介電強(qiáng)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(kāi)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(jìn)行分析。

2 擊穿機(jī)理及相關(guān)工藝研究

2.1 光導(dǎo)開(kāi)關(guān)擊穿

光導(dǎo)開(kāi)關(guān)介質(zhì)擊穿是指在介質(zhì)兩端施加的外部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)介質(zhì)本身的介電強(qiáng)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(lèi)擊穿共同決定著光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的性能[5]。光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的熱擊穿表現(xiàn)為開(kāi)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(yáng)極附近出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p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(yáng)極附近的擊穿痕跡也是絲狀。2種擊穿均在加壓過(guò)程中瞬間擊穿,但2種擊穿類(lèi)型有不同的擊穿機(jī)理。

圖2 PCSS擊穿樣品

2.1.1 熱擊穿機(jī)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(kāi)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(kāi)關(guān)芯片比熱;k為熱導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率;E為偏置電場(chǎng)。

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

(2)

其中,ρ為GaAs材料的密度;V為開(kāi)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(kāi)關(guān)兩端電壓;Ron為PCSS通態(tài)電阻;Δt為導(dǎo)通時(shí)間;tp為電脈沖寬度;τp為相鄰2個(gè)電脈沖間隔時(shí)間,又因?yàn)椋?/p>

(3)

可以得到開(kāi)關(guān)芯片升溫與時(shí)間的關(guān)系[1]為:

(4)

其中,L為開(kāi)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(rèn)為:靠電場(chǎng)施加給固體的能量使固體溫度上升,達(dá)到臨界溫度時(shí),發(fā)生絕緣擊穿,固體的熔點(diǎn)一般作為臨界點(diǎn)考慮。開(kāi)關(guān)芯片各部分以Au為主的合金熔點(diǎn)最低(約350 ℃),因此開(kāi)關(guān)芯片的最高耐溫值約為200 ℃。通過(guò)(4)式計(jì)算可得,從室溫升高到200 ℃所用的時(shí)間為0.33 s。與開(kāi)關(guān)擊穿現(xiàn)象和擊穿程度相比,可以認(rèn)為開(kāi)關(guān)芯片存在不同的擊穿機(jī)理。

在強(qiáng)電場(chǎng)下,電子俘獲擊穿機(jī)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(jí)中心(EL2)是對(duì)材料電學(xué)補(bǔ)償和半絕緣性起決定性作用的本征缺陷。EL2能級(jí)能同時(shí)對(duì)電子進(jìn)行俘獲和發(fā)射,電子俘獲擊穿主要是EL2能級(jí)對(duì)電子的俘獲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(jí)發(fā)射電子數(shù)量相比于能級(jí)從導(dǎo)帶獲得的電子數(shù)量可以忽略不計(jì)。在注入電子同時(shí),由于自由電子與晶格產(chǎn)生碰撞而形成新的陷阱,從而進(jìn)一步擴(kuò)大對(duì)電子的俘獲作用。陷阱在俘獲電子時(shí)會(huì)產(chǎn)生空間電荷,電子的俘獲和累積會(huì)在PCSS的局部產(chǎn)生大量的空間電荷,空間電荷與原電場(chǎng)發(fā)生疊加,在疊加電場(chǎng)作用下,電子將獲得更大能量,從而使得陷阱濃度沿電場(chǎng)反向進(jìn)一步擴(kuò)散。當(dāng)陷入電子數(shù)達(dá)到某一閾值時(shí),PCSS的2個(gè)電極將由1個(gè)陷入電子所形成的鏈連接,如圖3所示,陰極電子可以通過(guò)鏈快速向陽(yáng)極移動(dòng),形成1個(gè)電子陷阱組成的導(dǎo)電路徑。該電子陷阱鏈的電阻遠(yuǎn)小于PCSS的其他電阻,因此將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電流突然增大,從而擊穿開(kāi)關(guān)。同時(shí)由于功率過(guò)大,會(huì)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(jī)理分析

電擊穿表現(xiàn)為開(kāi)關(guān)的偏置電壓向某一值增大的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)在未觸發(fā)時(shí)突然擊穿,從擊穿痕跡看,材料損壞發(fā)生在開(kāi)關(guān)陽(yáng)極附近,且此時(shí)的偏置電場(chǎng)往往遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)[6-7]。對(duì)于間接帶隙半導(dǎo)體制作的開(kāi)關(guān)芯片,電擊穿是由開(kāi)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(yáng)極電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，從而導(dǎo)致陽(yáng)極損壞;對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體制作的開(kāi)關(guān),這類(lèi)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(duì)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(guò)量As原子濃度(cAs)為主的剩余淺受主的補(bǔ)償作用所決定的[5]。在半絕緣GaAs材料中電離的EL2深能級(jí)缺陷濃度應(yīng)等于淺受主濃度。

在開(kāi)關(guān)偏置電壓較小時(shí),開(kāi)關(guān)I-V特性符合歐姆特性。在所加偏壓不斷升高的過(guò)程中,開(kāi)關(guān)芯片電極間隙寬度足以使得開(kāi)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(dāng)偏置電壓低于閾值電壓VTFL時(shí),開(kāi)關(guān)處于歐姆導(dǎo)電機(jī)制,開(kāi)關(guān)內(nèi)部電場(chǎng)為一個(gè)由偏壓和間隙寬度比值決定的常量。相反,開(kāi)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(chǎng)與原電場(chǎng)會(huì)形成疊加,開(kāi)關(guān)內(nèi)部電場(chǎng)不再均勻,陰極到陽(yáng)極會(huì)存在電場(chǎng)梯度。對(duì)于間接帶隙半導(dǎo)體制作的PCSS(如Si),開(kāi)關(guān)擊穿電壓[1]表示為:

(6)

其中,Eb為PCSS的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

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(diǎn)，x表示陰極與陽(yáng)極之間點(diǎn)到原點(diǎn)的距離；E為陽(yáng)極附近電場(chǎng)的平均值；Et為閥值電場(chǎng)。

對(duì)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(kāi)關(guān)偏置電場(chǎng)高于Et時(shí),由于轉(zhuǎn)移電子效應(yīng)所產(chǎn)生的負(fù)阻效應(yīng),將使得進(jìn)入陽(yáng)極負(fù)阻區(qū)域的電子漂移速度降低。而在陽(yáng)極負(fù)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(kāi)關(guān)內(nèi)部電流的連續(xù)性,負(fù)阻區(qū)域載流子濃度會(huì)增加,形成高濃度的空間電荷層,自由電子濃度的增加,會(huì)進(jìn)一步填充該區(qū)域的陷阱,在陽(yáng)極附近形成負(fù)空間電荷的積累區(qū),該積累區(qū)電場(chǎng)與原電場(chǎng)相加將會(huì)形成高電場(chǎng)區(qū)(見(jiàn)圖4),陽(yáng)極附近電場(chǎng)急劇增強(qiáng),使得開(kāi)關(guān)擊穿電壓顯著小于(6)式的計(jì)算值。在這種情況下,陽(yáng)極附近電場(chǎng)強(qiáng)度主要有電子陷阱濃度決定,對(duì)于EL2摻雜的GaAs,電子陷阱濃度應(yīng)等于淺受主濃度Na。此時(shí),陽(yáng)極附近高場(chǎng)區(qū)的峰值電場(chǎng)應(yīng)等于陽(yáng)極負(fù)阻區(qū)(高場(chǎng)疇)內(nèi)的最大電場(chǎng),其值[2]可以表示為:

Em=[2qNa(V-EL)]1/2ε1/2

(7)

其中,V為開(kāi)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(dāng)高場(chǎng)區(qū)最大電場(chǎng)強(qiáng)度Em增大到材料的本征擊穿電場(chǎng)Eb(250～300kV/cm)時(shí),開(kāi)關(guān)被擊穿,由(7)式可以推導(dǎo)出開(kāi)關(guān)電擊穿電壓[2]的表達(dá)式為:

(8)

從(8)式可以看出,如果陷阱濃度較高時(shí)(大于1014cm-3),開(kāi)關(guān)的擊穿電壓主要由耿氏閾值電場(chǎng)與開(kāi)關(guān)電極間隙的乘積決定;而當(dāng)陷阱濃度較低時(shí),開(kāi)關(guān)的擊穿電壓主要由陷阱濃度決定。若開(kāi)關(guān)本征擊穿電場(chǎng)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(chǎng)Et=4.2kV/cm,開(kāi)關(guān)間隙L=14mm,則由(8)式可得Vb=34.3kV。該結(jié)果很好地驗(yàn)證了電擊穿理論。

2.2 開(kāi)關(guān)制作工藝對(duì)缺陷EL2的影響

2.2.1EL2濃度及分布

深能級(jí)中心EL2在GaAs晶錠中的分布是不均勻的。通過(guò)紅外吸收法對(duì)垂直晶錠(100)晶片進(jìn)行測(cè)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(guò)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(rèn)為,材料的化學(xué)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(rèn)為EL2是晶體生長(zhǎng)后冷卻過(guò)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(shí)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(duì)材料內(nèi)EL2濃度的分布也會(huì)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(dāng)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(duì)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(guò)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(duì)于As沉淀的密度和EL2濃度影響效果不同。在500 ℃時(shí)的熱處理對(duì)于樣品中As和EL2濃度無(wú)明顯影響；在800 ℃或950 ℃時(shí)進(jìn)行退火或淬火后,EL2濃度增加,As沉淀密度無(wú)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(duì)1 170 ℃淬火的樣品再進(jìn)行熱處理,當(dāng)溫度為500 ℃時(shí),EL2濃度未發(fā)生變化；當(dāng)溫度為800 ℃或950 ℃時(shí)，EL2濃度上升,恢復(fù)到與原生情況類(lèi)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(jìn)行熱處理時(shí),EL2分布均勻性無(wú)明顯變化;800 ℃以上的熱處理會(huì)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(jī)制是深能級(jí)中心EL2的電子俘獲效應(yīng),EL2的電子俘獲效應(yīng)形成一個(gè)連接開(kāi)關(guān)陰極和陽(yáng)極的電子陷阱鏈,電子從陰極通過(guò)該鏈到達(dá)陽(yáng)極,當(dāng)流過(guò)鏈的電流過(guò)大時(shí),該導(dǎo)電路徑將會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)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(kāi)關(guān)電擊穿的主要機(jī)制如下：當(dāng)陷阱濃度較高時(shí)(大于1 014cm-3)，開(kāi)關(guān)的擊穿電壓主要由耿氏閾值電場(chǎng)與開(kāi)關(guān)電極間隙的乘積決定;而當(dāng)陷阱濃度較低時(shí),開(kāi)關(guān)的不同的熱處理溫度對(duì)于EL2的濃度和分布有很大影響,溫度高于800 ℃的熱處理對(duì)于EL2濃度及其分布有很明顯影響,在1 170 ℃淬火后再進(jìn)行950 ℃熱處理可以明顯改善GaAs晶體特性。

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(責(zé)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(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目(W2014JSF0299)

孫飛翔(1989-),男,湖北監(jiān)利人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 何曉雄(1956-),男,安徽宿松人,合肥工業(yè)大學(xué)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