综合报告

本文为一篇发表在《西安交通大学学报》（*Journal of Xi’an Jiaotong University*）上的科研论文，发表时间为2022年2月，主要作者为党鑫、杨向红、孙岳、刘康、朱莉、胡龙（通信作者）、李昕、刘卫华和王小力，作者单位为西安交通大学电子与信息学部。本研究的标题为“Gaas 光导开关电极制备工艺及性能测试”（Preparation technology and performance test of GaAs photoconductive semiconductor switch electrodes）。

学术背景

研究领域为光导开关技术，该技术自20世纪70年代以来，以其超快响应、高功率、低抖动的特性成为学术研究热点。光导开关的核心材料选择通常包括第一代半导体（如Si），第二代半导体（如GaAs和InP），以及第三代半导体（如SiC和GaN），其中GaAs材料因其良好的电子迁移率和高电阻率广泛应用于该领域。然而，现有GaAs光导开关存在成品率低、稳定性差、可靠性低的问题，其关键因素在于欧姆接触电极的制备技术。如果制备的欧姆接触质量不佳，会直接影响光导开关的电学响应特性，从而降低其性能和寿命。

研究动机与目标

本研究旨在提出一种改进的GaAs光导开关关键电极制备工艺，以提高其成品率和工作可靠性，同时改善稳定性。新的工艺重点在于开发欧姆接触电极体系，并结合场板结构以提升电极的耐压能力和稳定性。此外，本研究希望通过实验验证电极制备工艺和性能测试的效果，为后续研究提供借鉴。

研究方法与流程

本研究的整体流程可以分为以下三个主要阶段：欧姆接触电极制备、场板结构开发与集成、光导开关的性能测试。这些阶段的具体细节如下：

1. 欧姆接触电极制备 采用Ni/Ge/Au/Ni/Au的金属复合材料体系（对应金属厚度分别为1.5 nm、35 nm、104 nm、26 nm和130 nm）。底层的Ni作为粘附金属层，改善合金形貌，使金属层与GaAs衬底更加牢固结合。Ge和Au层分别作为掺杂金属层，其中Ge填补GaAs空位，Au提供受主作用，从而实现优良的欧姆接触。这种接触具有线性电流-电压特性，接触电阻率低。外层Ni用作阻挡层，减少原子扩散，Au层则是导电金属层，与外部电路连接并减缓氧化。

为确保最佳欧姆接触性能，采用电子束蒸镀工艺沉积金属层，并辅助快速退火（Rapid Thermal Annealing, RTA）以降低接触电阻率。实验分别研究了380℃、400℃与425℃退火温度下电极性能的差异，最终确定400℃为最佳退火温度，其接触电阻率降至0.0195 Ω·cm²。此外，通过原子力显微镜（AFM）对退火后电极表面形貌进行表征，结果表明电极平均粗糙度为12.7 nm，表面无明显损伤。

2. 场板工艺研究 为进一步增强电极稳定性，研究添加了场板（金属外延层）结构。场板由Ti/Ag/Au金属体系组成，厚度分别为10 nm、500 nm、100 nm。Ti作为粘附层，在电极与场板间形成稳定粘附；Ag/Au则作为主要导电部分。通过场板的设计，可以增大电极边缘曲率半径，从而均匀电场，显著提升光导开关耐压能力。

最终制得的光导开关阵列器件为10.16 cm直径（4英寸），成品率高达约98%。实验观测显示电极表面仅有轻微划痕，不影响性能。

3. 性能测试 性能测试采用脉冲功率电路进行，电路包含高压电源、电容、变压器及脉冲形成线等组件。输入激光脉冲源为功率90 W、波长范围905-915 nm的激光二极管模块，其输出特性为脉冲能量约2 μJ，半高宽20 ns。光导开关以偏置电压22 kV，工作频率1 kHz运行。

结果显示测试中的GaAs光导开关能够输出10 kV的电压脉冲，脉冲上升时间为亚纳秒量级，工作寿命超过数万次。同时观察到光导开关在高功率条件下的电极损伤模式：少量电极边缘烧蚀或脱落，但场板结构显著降低了此类损伤的严重程度。

研究结果与重要发现

本研究通过实验验证了提出的欧姆接触电极与场板工艺的可靠性和优越性。关键结果如下：

1. 欧姆接触特性
   400℃退火条件下电极接触电阻率最低，为0.0195 Ω·cm²。表面形貌表征表明电极结构稳定，粗糙度较低，适合高功率应用环境。

2. 场板提升作用
   新增的场板层有效提高了电场均匀性，减少电极烧蚀现象，从而增强了光导开关的稳定性和耐久性。

3. 整体性能表现
   成品光导开关阵列在性能测试中表现出高成品率（约98%），高可靠性和优良的电学响应特性。在1 kHz工作条件下，光导开关可持续工作超过数万次，具备亚纳秒级脉冲上升沿；耐压能力达到30 kV。

研究意义与应用价值

本研究成功开发出一种针对GaAs光导开关的高效电极制备工艺，解决了传统工艺中存在的低成品率和不稳定性问题。具体而言:

1. 科学价值
   该研究为光导开关领域带来了更成熟的工艺路线，成果可作为后续研究的关键参考。

2. 应用价值
   新型GaAs光导开关的优化性能使其能够在高功率微波、放电等离子体及其他高能物理实验中得到更广泛的应用。

研究亮点

1. 采用多层欧姆接触金属体系，结合快速退火技术，显著降低光导开关电极接触电阻率。
2. 引入场板结构设计，通过优化电场分布有效提高耐压能力。
3. 制备出的光导开关成品率达到98%，远高于传统制备方法，具有较强的可重复性。

未来工作方向

尽管新工艺提升了光导开关的性能，但仍存在部分问题，如高功率条件下局部电极烧蚀、电流丝效应引起的热积累等。这些问题预示着改进钝化层质量和热管理技术将是未来的重要研究方向。此外，研究成果的工程化应用也需要进一步探索。

总结而言，本研究对GaAs光导开关的前沿工艺和性能优化作出了较大贡献，为该领域的技术发展奠定了基础。