GaAs光导开关损伤机理研究

孙飞翔, 何晓雄, 常润发, 奚 野

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

GaAs光导开关损伤机理研究

孙飞翔, 何晓雄, 常润发, 奚 野

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

光导开关(photoconductive semiconductor switches,PCSS)的损伤分为热击穿和电击穿,2种击穿的原因都由开关基底材料陷阱特性决定,因此对芯片击穿机理与开关制作工艺关系的研究非常重要。文章依据开关芯片的材料特性和半导体工艺知识,研究和分析了光导开关的击穿机理以及开关击穿可能存在的工艺问题。

光导开关(PCSS);热击穿;电击穿;电子俘获效应;转移电子效应

光导开关(photoconductive semiconductor switches,PCSS)具有极快的响应速度(响应时间为ps量级)、极小的触发抖动(ps量级)、极大的功率容量(MW量级)、极好的同步精度(ps量级)、较高的耐压能力(100 kV量级)、较小的器件体积以及光电隔离且不受电磁干扰,这些超快电子学领域的优良特性使得PCSS在超宽带电磁波产生领域、微波领域、超快电子学领域以及军事技术方面有着极其广泛的应用[1]。

目前制约大功率光导开关实用化的关键问题之一是开关的使用寿命。开关的使用寿命是以其损伤程度为衡量标准。砷化镓(GaAs)光导开关损伤的物理机制比较复杂,它与电极的接触性质、几何形状、GaAs晶体质量、光的触发条件、偏置电压以及热学条件都有关系[2]。本文依据开关芯片的材料特性和半导体工艺知识,研究和分析了光导开关的击穿机理以及开关击穿可能存在的工艺问题。

1 开关损伤分类

1.1 光导开关工作原理

光导开关的衬底材料一般采用本征或半绝缘的高电阻半导体材料,如硅(Si)、碳化硅(SiC)、GaAs 等。无光条件下,衬底半导体材料暗电阻很高,外加电压时通过的电流很小,此时光导开关处于断开状态。如果把波长合适的激光作为激励光源照射到衬底材料上时,光子将被半导体介质吸收,会在半导体内部激发出电子、空穴对,使得半导体内部载流子的浓度急剧增加,同时半导体介质的电阻将急剧减小(其电阻相差可达数百万倍),通过光导开关的电流增大,开关导通。

本文研究的光导开关如图1所示,包括光导芯片材料、电极、传输线和绝缘封装3个部分。

图1 光导开关的结构

1.2 光导开关损伤分类

开关损伤可以分为电极损伤和材料损伤。

电极损伤包括电极的溶蚀和电极的脱落。本文涉及的开关电极系统为Au/Ge/Ni/Au(100 nm/26 nm/26 nm/200 nm),以Au为主的合金电极的熔点为350 ℃,在非线性模式下很容易产生局部高热,达到熔点温度后其主要成分Au将发生扩散,导致电极溶蚀。另外,由于电极各部分受热不均,以及电极各薄膜层热膨胀率不同等因素[3],电极很容易脱离GaAs材料。

材料损伤即电极间开关介质的击穿,分为可恢复性损伤和不可恢复性损伤[4]。不可恢复性损伤即通常意义上的击穿,是指作用于介质上的外部电场强度超过介质本身的介电强度,从而导致介质失去介电性的现象;可恢复性损伤是指光导开关在高偏置电压下造成的损伤,暗态电阻有一定程度的下降,但仍可以继续使用。材料损伤还可以分为介质的热击穿和本征电击穿,下文将分别进行分析。

2 击穿机理及相关工艺研究

2.1 光导开关击穿

光导开关介质击穿是指在介质两端施加的外部电场强度超过介质本身的介电强度,使得介质失去介电性的现象。

介质击穿分为热击穿和本征电击穿,这2类击穿共同决定着光导开关的性能[5]。光导开关的热击穿表现为开关表面出现贯穿介质的丝状击穿痕迹,如图2a所示;本征电击穿表现为阳极附近出现严重损伤的击穿痕迹,如图2b所示;图2b的击穿痕迹放大100倍后如图2c所示。由图2c可以看出,介质阳极附近的击穿痕迹也是丝状。2种击穿均在加压过程中瞬间击穿,但2种击穿类型有不同的击穿机理。

图2 PCSS击穿样品

2.1.1 热击穿机理分析

PCSS的2种不同性质的击穿是由不同的触发光能和偏置电压所决定的,热击穿主要限制着光导开关高压情况下的应用。纯热击穿的方程[1]为:

(1)

其中,CV为开关芯片比热;k为热导率;σ为电导率;E为偏置电场。

(1)式右边为开关所产生的热量,左边第1项为单位时间芯片温度升高时所需的热量,第2项为芯片向外所发射的能量。考虑到开关击穿是瞬间发生的,即开关热量在击穿瞬间无法散发,于是(1)式可以简化为:

(2)

其中,ρ为GaAs材料的密度;V为开关的体积;ΔT为PCSS因焦耳热产生的温度增量;U为导通状态下开关两端电压;Ron为PCSS通态电阻;Δt为导通时间;tp为电脉冲宽度;τp为相邻2个电脉冲间隔时间,又因为：

(3)

可以得到开关芯片升温与时间的关系[1]为:

(4)

其中,L为开关间隙;h为普朗克常数;ν为入射光频率;Ep为入射光单脉冲能量;e为电子电量;μ为电子迁移率。

纯热击穿理论认为:靠电场施加给固体的能量使固体温度上升,达到临界温度时,发生绝缘击穿,固体的熔点一般作为临界点考虑。开关芯片各部分以Au为主的合金熔点最低(约350 ℃),因此开关芯片的最高耐温值约为200 ℃。通过(4)式计算可得,从室温升高到200 ℃所用的时间为0.33 s。与开关击穿现象和击穿程度相比,可以认为开关芯片存在不同的击穿机理。

在强电场下,电子俘获击穿机理在PCSS的击穿损坏中起主导作用。未掺杂半绝缘GaAs的深能级中心(EL2)是对材料电学补偿和半绝缘性起决定性作用的本征缺陷。EL2能级能同时对电子进行俘获和发射,电子俘获击穿主要是EL2能级对电子的俘获远远超过电子发射引起的。在注入电子期间,GaAs导带电子浓度较高,EL2能级发射电子数量相比于能级从导带获得的电子数量可以忽略不计。在注入电子同时,由于自由电子与晶格产生碰撞而形成新的陷阱,从而进一步扩大对电子的俘获作用。陷阱在俘获电子时会产生空间电荷,电子的俘获和累积会在PCSS的局部产生大量的空间电荷,空间电荷与原电场发生叠加,在叠加电场作用下,电子将获得更大能量,从而使得陷阱浓度沿电场反向进一步扩散。当陷入电子数达到某一阈值时,PCSS的2个电极将由1个陷入电子所形成的链连接,如图3所示,阴极电子可以通过链快速向阳极移动,形成1个电子陷阱组成的导电路径。该电子陷阱链的电阻远小于PCSS的其他电阻,因此将导致开关电流突然增大,从而击穿开关。同时由于功率过大,会在导电路径上形成丝状击穿痕迹。

图3 热电子陷阱形成贯通两极链的示意图

2.1.2 电击穿机理分析

电击穿表现为开关的偏置电压向某一值增大的过程中，开关在未触发时突然击穿,从击穿痕迹看,材料损坏发生在开关阳极附近,且此时的偏置电场往往远小于开关的本征击穿场强[6-7]。对于间接带隙半导体制作的开关芯片,电击穿是由开关体内陷阱填充效应引起的,陷阱填充所产生的空间电荷使得阳极电场强度增强，从而导致阳极损坏;对于直接带隙半导体制作的开关,这类击穿是由转移电子效应产生的空间电荷引起的[8]。

对于非掺杂半绝缘(semi-insulationg,SI)液封直拉(liquid encapsulation czochralski,LEC) 原生GaAs单晶,其半绝缘性质是由深施主 EL2 和过量As原子浓度(cAs)为主的剩余浅受主的补偿作用所决定的[5]。在半绝缘GaAs材料中电离的EL2深能级缺陷浓度应等于浅受主浓度。

在开关偏置电压较小时,开关I-V特性符合欧姆特性。在所加偏压不断升高的过程中,开关芯片电极间隙宽度足以使得开关介质内部发生陷阱填充电流效应和载流子漂移速度饱和效应。陷阱填充限制效应的阈值电压[1]为:

(5)

当偏置电压低于阈值电压VTFL时,开关处于欧姆导电机制,开关内部电场为一个由偏压和间隙宽度比值决定的常量。相反,开关则处于陷阱填充限制和空间电荷限制的导电模式,陷阱填充所形成的电场与原电场会形成叠加,开关内部电场不再均匀,阴极到阳极会存在电场梯度。对于间接带隙半导体制作的PCSS(如Si),开关击穿电压[1]表示为:

(6)

其中,Eb为PCSS的本征击穿场强。

直流偏压下PCSS芯片内闻电压分布如图4所示。其中横轴以阴极为原点，x表示阴极与阳极之间点到原点的距离；E为阳极附近电场的平均值；Et为阀值电场。

对于直接带隙半导体制作的PCSS(如GaAs),其材料内存在转移电子效应,因此在开关偏置电场高于Et时,由于转移电子效应所产生的负阻效应,将使得进入阳极负阻区域的电子漂移速度降低。而在阳极负阻区域外的电子将不受影响,继续保持较高的漂移速度,但为了保持开关内部电流的连续性,负阻区域载流子浓度会增加,形成高浓度的空间电荷层,自由电子浓度的增加,会进一步填充该区域的陷阱,在阳极附近形成负空间电荷的积累区,该积累区电场与原电场相加将会形成高电场区(见图4),阳极附近电场急剧增强,使得开关击穿电压显著小于(6)式的计算值。在这种情况下,阳极附近电场强度主要有电子陷阱浓度决定,对于EL2掺杂的GaAs,电子陷阱浓度应等于浅受主浓度Na。此时,阳极附近高场区的峰值电场应等于阳极负阻区(高场畴)内的最大电场,其值[2]可以表示为:

Em=[2qNa(V-EL)]1/2ε1/2

(7)

其中,V为开关的偏置电压。

图4 直流偏压下PCSS芯片内部电压分布

当高场区最大电场强度Em增大到材料的本征击穿电场Eb(250～300kV/cm)时,开关被击穿,由(7)式可以推导出开关电击穿电压[2]的表达式为:

(8)

从(8)式可以看出,如果陷阱浓度较高时(大于1014cm-3),开关的击穿电压主要由耿氏阈值电场与开关电极间隙的乘积决定;而当陷阱浓度较低时,开关的击穿电压主要由陷阱浓度决定。若开关本征击穿电场Eb=280kV/cm,介电常数ε=1.16×10-10F/m,电子电量q=1.6×10-19C,浅受主浓度为Na=1×1013cm-3,耿氏阈值电场Et=4.2kV/cm,开关间隙L=14mm,则由(8)式可得Vb=34.3kV。该结果很好地验证了电击穿理论。

2.2 开关制作工艺对缺陷EL2的影响

2.2.1EL2浓度及分布

深能级中心EL2在GaAs晶锭中的分布是不均匀的。通过红外吸收法对垂直晶锭(100)晶片进行测量,得到EL2浓度径向分布为W型,EL2浓度分布示意图如图5所示。

图5 EL2浓度分布示意图

影响EL2浓度分布的因素比较复杂,EL2的浓度受到GaAs材料中过量As原子的影响,与GaAs中As原子的百分比正相关。但也有研究者认为,材料的化学配比是决定EL2浓度分布的重要因素,但应该还存在其他因素。一般认为EL2是晶体生长后冷却过程中生成的,晶锭不同部位在有利于EL2生成的温度区经历的时间不同,从而导致EL2浓度分布不均匀。同样,不同的热处理温度对材料内EL2浓度的分布也会产生影响。GaAs晶体经1 100 ℃高温淬火,EL2发生分解,EL2浓度急剧下降。经淬火的GaAs晶体在适当温度热处理后,EL2浓度将恢复淬火前状态。

2.2.2 热处理对EL2的影响

在PCSS的所有制作工艺中,热处理工艺是次数最多的,热处理能改善GaAs晶体特性,降低欧姆接触电阻[6],大大地提高器件性能。热处理分为退火和淬火。退火是指在持续高温后让样品在炉体内自然冷却,淬火是指高温过程后快速将石英管从炉体内拉出并用冷水直接冷却。

不同的处理温度对于As沉淀的密度和EL2浓度影响效果不同。在500 ℃时的热处理对于样品中As和EL2浓度无明显影响；在800 ℃或950 ℃时进行退火或淬火后,EL2浓度增加,As沉淀密度无明显变化；样品在1 170 ℃恒温2h后,As沉淀全部消失,EL2浓度大幅度下降。对1 170 ℃淬火的样品再进行热处理,当温度为500 ℃时,EL2浓度未发生变化；当温度为800 ℃或950 ℃时，EL2浓度上升,恢复到与原生情况类似的状态。

不同的热处理温度及热处理次序对于EL2分布均匀性有很大的影响。在500 ℃以下进行热处理时,EL2分布均匀性无明显变化;800 ℃以上的热处理会较好地改善EL分布的均匀性;样品在1 170 ℃淬火后再经950 ℃热处理，EL2分布均匀性明显改善。样品经1 170 ℃淬火及950 ℃热处理前后，EL2浓度径向分布的变化情况如图6所示。

图6 样品经两步热处理后EL2浓度分布变化

3 结 论

(1) 热击穿产生的主要机制是深能级中心EL2的电子俘获效应,EL2的电子俘获效应形成一个连接开关阴极和阳极的电子陷阱链,电子从阴极通过该链到达阳极,当流过链的电流过大时,该导电路径将会因为温度过高而发生热击穿。

(2) 转移电子效应电击穿是间接带隙材料，导致的,击穿电压主要由陷阱浓度决定。

(3) 原生的半绝缘GaAs晶体中EL2浓度是沿径向呈W分布,开关电击穿的主要机制如下：当陷阱浓度较高时(大于1 014cm-3)，开关的击穿电压主要由耿氏阈值电场与开关电极间隙的乘积决定;而当陷阱浓度较低时,开关的不同的热处理温度对于EL2的浓度和分布有很大影响,温度高于800 ℃的热处理对于EL2浓度及其分布有很明显影响,在1 170 ℃淬火后再进行950 ℃热处理可以明显改善GaAs晶体特性。

[1] 施卫,田立强.半绝缘GaAs光电导开关的击穿特性[J].半导体学报,2004,25(6):691-696.

[2] 施卫,田立强,王馨梅,等.高压超大电流光电导开关及其击穿特性研究[J].物理学报,2009,58(2),1219-1223.

[3] 牛燕雄,谭季春.GaAs光导开关的热击穿实验研究[J].光电子·激光,1994,5(5):305-307.

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[6] 蒋荣华,肖顺珍.GaAs单晶生长工艺的发展状况[J].光机电信息,2003(7):11-17.

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(责任编辑 胡亚敏)

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

合肥工业大学产学研校企合作资助项目(W2014JSF0299)

孙飞翔(1989-),男,湖北监利人,合肥工业大学硕士生; 何晓雄(1956-),男,安徽宿松人,合肥工业大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.013

TN305.8

A

1003-5060(2017)04-0497-05