大功率光電器件光波導(dǎo)鍵合技術(shù)研究

摘 要：光導(dǎo)開(kāi)關(guān)是一種新型半導(dǎo)體光電子器件，在光通訊、雷達(dá)、微波等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在高工作電壓的條件下會(huì)發(fā)生表面擊穿等問(wèn)題，因此需要對(duì)其進(jìn)行封裝提高側(cè)面的耐壓性能。該文選用光波導(dǎo)的方式對(duì)碳化硅晶片進(jìn)行封裝，通過(guò)玻璃漿料燒結(jié)鍵合、真空熱壓鍵合和光波導(dǎo)膠鍵合3種方法對(duì)小面積的側(cè)面異質(zhì)鍵合進(jìn)行研究。通過(guò)3種方法的工藝優(yōu)化及鍵合質(zhì)量性能測(cè)試，光波導(dǎo)膠鍵合方法對(duì)激光功率的損耗最小，實(shí)現(xiàn)器件耐壓值提升至10 kV。

關(guān)鍵詞：光導(dǎo)開(kāi)關(guān)；玻璃漿料燒結(jié)；真空熱壓；光波導(dǎo)膠；鍵合方法

中圖分類號(hào)：TN36 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）29-0072-05

Abstract： The photoconductive semiconductor switches （PCSS） is a new type of semiconductor optoelectronic device， which is widely used in optical communication， radar， microwave and other fields， but surface breakdown will occur under the condition of high working voltage， so it is necessary to package it to improve the side voltage performance. In this paper， the silicon carbide wafer is encapsulated by optical waveguide， and the small area side hetero bonding is studied by glass paste sintering bonding， vacuum hot pressing bonding and optical waveguide glue bonding. Through the process optimization and bonding quality performance test of the three methods， the optical waveguide adhesive bonding method has the lowest loss of laser power， and the voltage withstand value of the device is improved to 10 kV.

Keywords： photoconductive semiconductor switches（PCSS）; glass paste sintering; vacuum hot pressing; optical waveguide adhesive; bonding method

隨著微電子和微波技術(shù)的高速發(fā)展，迫切需要一種體積小的開(kāi)關(guān)器件[1-2]，其中光導(dǎo)開(kāi)關(guān)作為一種新型的快速電子器件，與傳統(tǒng)的脈沖功率領(lǐng)域中的其他開(kāi)關(guān)相比，具有重復(fù)頻率高、體積小、能以超高的功率容量工作的優(yōu)異特性[3-7]。然而，光導(dǎo)開(kāi)關(guān)在數(shù)千伏的高工作電壓下，會(huì)出現(xiàn)表面擊穿的問(wèn)題從而導(dǎo)致光導(dǎo)開(kāi)關(guān)無(wú)法正常工作，因此設(shè)計(jì)具備高可靠性的光導(dǎo)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)、提高光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的耐壓特性是當(dāng)下的研究重點(diǎn)[8-9]。

封裝對(duì)高壓開(kāi)關(guān)器件的性能至關(guān)重要，針對(duì)大功率光導(dǎo)開(kāi)關(guān)器件高峰值功率激光激勵(lì)、超高壓工作、高可靠長(zhǎng)壽命工作的需求，周幸葉等[10]提供了一種光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的封裝結(jié)構(gòu)，光導(dǎo)開(kāi)關(guān)兩端搭接的2個(gè)臺(tái)面相互隔離，避免沿面擊穿，向殼體的密閉空間內(nèi)部填充絕緣材料，對(duì)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)全面保護(hù)，提高器件的工作電壓。美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了采用光波導(dǎo)的方式對(duì)碳化硅進(jìn)行封裝的方法[11]，但對(duì)具體鍵合工藝沒(méi)有明確的方法介紹，值得深入探究。

碳化硅（SiC）光導(dǎo)開(kāi)關(guān)因具有傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)器件不可比擬的特性，在高技術(shù)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景[12-14]。為進(jìn)一步提高其耐壓特性同時(shí)保持體積小的特點(diǎn)，本文選擇采用光波導(dǎo)封裝的方式提高側(cè)面的耐壓性能[15-16]。碳化硅側(cè)面需激光激勵(lì)，由于空氣受激光輻照易產(chǎn)生電離，加之碳化硅受激光激勵(lì)載流子在表面聚集，可能導(dǎo)致電極之間產(chǎn)生沿邊擊穿，因此使用光波導(dǎo)進(jìn)行側(cè)面封裝，一方面可讓激光透過(guò)，另一方面起到絕緣的作用。

光波導(dǎo)與碳化硅為異質(zhì)鍵合，鍵合界面直接影響激光的透過(guò)率。同時(shí)，由于光波導(dǎo)與碳化硅為側(cè)面鍵合，鍵合面積小、精度難控制，鍵合材料異形設(shè)備難兼容。本文針對(duì)光波導(dǎo)與碳化硅小面積異質(zhì)鍵合，選用玻璃漿料燒結(jié)鍵合、真空熱壓鍵合、光波導(dǎo)膠鍵合3種工藝方法進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 光導(dǎo)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為光波導(dǎo)側(cè)面封裝異面正對(duì)SiC電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)示意圖，異面正對(duì)的光導(dǎo)開(kāi)關(guān)耐壓高，響應(yīng)速度快，使用光波導(dǎo)封裝的方式提高電極側(cè)面的耐壓性能。其中，SiC晶片尺寸為10 mm×10 mm×1 mm，光波導(dǎo)選用的二氧化硅（SiO2）尺寸為10 mm×8 mm×0.9 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 玻璃漿料燒結(jié)鍵合

在SiC側(cè)面安裝網(wǎng)版，一端倒入適量玻璃漿料（型號(hào)：07MHS400），使用刮板將玻璃漿料從網(wǎng)版的一端刮向另一邊，保證印刷后的漿料均勻鋪展，將SiC放入對(duì)位工裝中，側(cè)面與SiO2齊平，放入烘箱中，玻璃漿料燒結(jié)形成鍵合，使用激光共聚焦顯微鏡觀察不同溫度參數(shù)下鍵合面的形貌特征。

1.2.2 真空熱壓鍵合

首先在SiC側(cè)面蒸鍍SiO2介質(zhì)層，通過(guò)SiC介質(zhì)層與SiO2完成鍵合。將SiC蒸鍍SiO2的側(cè)面與SiO2緊靠，置于對(duì)位工裝中，如圖2所示，放入真空熱壓設(shè)備的真空腔內(nèi)，設(shè)置溫度和施加壓力數(shù)值，在高溫和壓力的作用下完成鍵合。

1.2.3 光波導(dǎo)膠鍵合

將UVLED點(diǎn)光源固化機(jī)的照射頭固定在距離放置樣品19.5 mm的高度上方，如圖3所示，將SiC晶片放入對(duì)位工裝中，在其側(cè)面涂覆UV光敏膠（NOA61），與SiO2對(duì)齊。待10 min膠預(yù)固化后，放置于照射頭的正下方開(kāi)始照射。降至室溫之后，從工裝中取出鍵合后的SiC和SiO2，使用推拉力測(cè)試儀進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試選取最佳參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃漿料燒結(jié)鍵合

玻璃漿料的成分是由玻璃粉料和黏合劑經(jīng)配制形成，在預(yù)處理的過(guò)程中，漿料中的水分和有機(jī)溶劑通過(guò)揮發(fā)和分解耗盡。預(yù)處理后需要在顯微鏡下檢查，確保印刷成功，如圖4（a）所示為印刷漿料連續(xù)性的圖，圖4（b）為不連續(xù)性的圖。漿料印刷成功以后，室溫下放置10 min，讓玻璃漿料流平。經(jīng)初步干燥后，采用分段保溫的形式將燒結(jié)爐溫度逐步升高到300 ℃進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，充分揮發(fā)水分以及燃盡有機(jī)溶劑。

漿料的玻璃化溫度為450 ℃以上，由300 ℃經(jīng)30 min升高到520 ℃，維持30 min，如圖5中T1溫度曲線所示。燒結(jié)結(jié)果顯示晶體間形成黏接，但漿料玻璃化不充分，未形成透明狀態(tài)（圖6（a））。但當(dāng)溫度上升到600 ℃時(shí)，如圖5中T2溫度曲線所示，完成玻璃化轉(zhuǎn)變，但由于高溫保持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，玻璃漿料燒結(jié)至一側(cè)晶體上成顆粒狀，有大量氣泡出現(xiàn)（圖6（b））。因此在溫度上升時(shí)應(yīng)使用溫度階梯，如圖5中T3所示，先上升至520 ℃讓漿料顆粒充分?jǐn)U散黏結(jié)，形成互連，再上升至560 ℃，維持10 min后升至600 ℃，完成玻璃化轉(zhuǎn)變，SiC和SiO2兩者表面接觸良好，形成一層很薄的透明混合層，成功鍵合（圖6（c））。

2.2 真空熱壓鍵合

SiC與SiO2的直接鍵合實(shí)現(xiàn)難度大，多為晶圓級(jí)的高溫高壓鍵合，鍵合溫度高達(dá)800～1 100 ℃，對(duì)于真空環(huán)境實(shí)現(xiàn)難度更大。針對(duì)SiC與SiO2的側(cè)面小面積鍵合，需采用中間介質(zhì)層來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣鍵合。由于SiC與SiO2為異質(zhì)材料，在SiC表面蒸鍍SiO2介質(zhì)層，通過(guò)SiC介質(zhì)層與SiO2完成鍵合。為探索最優(yōu)異的參數(shù)條件，選擇不同的加熱溫度、壓力進(jìn)行真空熱壓鍵合，見(jiàn)表1。

從表1中得知，在溫度較低或者壓力較小的情況下，SiO2與SiC之間的作用力為靜電力相互吸引，沒(méi)有鍵合成功，由此可知溫度和壓力2個(gè)參數(shù)對(duì)于真空熱壓鍵合極其重要。上下溫度設(shè)置為750 ℃、施加300 kg壓力的實(shí)驗(yàn)條件能熱壓成功，如圖7所示為SiO2與SiC鍵合界面處的掃描電鏡圖，觀察到兩者緊密地鍵合在一起。但在熱壓鍵合的過(guò)程中，工藝難控制，樣品在壓后易碎。

2.3 光波導(dǎo)膠鍵合

UV光敏膠是一種透明、不含溶劑的單組分黏合劑，在紫外光的照射下能迅速固化，是一種堅(jiān)韌、有彈性的黏合劑，光透過(guò)率高，能用于光波導(dǎo)互聯(lián)工藝中。

為探索最優(yōu)異的參數(shù)條件，先使用SiO2與SiO2通過(guò)UV光敏膠進(jìn)行鍵合，分別制備固化時(shí)間為10、50、100、200、300、600、900和1 200 s的樣品，將其放在推拉力測(cè)試儀下進(jìn)行剪切力測(cè)試，以探求最優(yōu)異的固化時(shí)間。如圖8（a）所示為固化時(shí)間隨應(yīng)力的變化，隨著紫外光照固化時(shí)間的延長(zhǎng)，應(yīng)力不斷上升，在600 s時(shí)剪切力達(dá)到最大值，為70 600.51 gf，而隨著時(shí)間的再次延長(zhǎng)，剪切力反而出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，因此通過(guò)前期的參數(shù)探究，選擇最佳的固化時(shí)間為600 s。將SiO2與SiC放入對(duì)位工裝中，選定固化時(shí)間為600 s，進(jìn)行側(cè)面鍵合，紫外光照后膠呈透明狀態(tài)，光透過(guò)率高，如圖8（b）所示為SiO2與SiC鍵合界面處的掃描電鏡圖，觀察到光波導(dǎo)膠的寬度約為80 μm。

2.4 鍵合質(zhì)量性能比較

將以上使用3種不同工藝方法側(cè)面鍵合的SiO2與SiC樣品進(jìn)行鍵合質(zhì)量性能比較，傳統(tǒng)的SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)空氣條件下在5 kV發(fā)生擊穿，而采用光波導(dǎo)封裝的SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)則在10 kV的條件下仍能正常工作，表明3種工藝方法均能提升光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的側(cè)面耐壓強(qiáng)度。

為進(jìn)一步研究3種工藝方法形成的異質(zhì)鍵合界面對(duì)激光透過(guò)率的影響，進(jìn)行光插損實(shí)驗(yàn)（圖9（a）），使用連續(xù)激光器測(cè)量側(cè)面鍵合后的樣品對(duì)532 nm激光的吸收損耗。將激光功率的輸出值設(shè)定為2.7 W，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9（b）所示，玻璃漿料鍵合的樣品輸出功率為1.01 W，相較于其他2種方法光插損值略大，但其通過(guò)燒結(jié)形成的玻璃混合層具有密封效果好、鍵合強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可應(yīng)用于半導(dǎo)體或玻璃器件的腔體封裝。真空熱壓過(guò)程中是通過(guò)本體SiO2和SiC原子間的鍵合形成，由于兩者中間沒(méi)有添加外界的連接劑，剪切強(qiáng)度一般，工藝難控制。光波導(dǎo)膠鍵合的樣品具有最高的激光透過(guò)率，為1.89 W，同時(shí)光波導(dǎo)膠具有增透膜的作用，有助于提高激光透過(guò)率，且工藝操作便捷。

為探究光波導(dǎo)膠鍵合的應(yīng)用場(chǎng)景，使用脈沖激光器對(duì)鍵合后的SiO2與SiC樣品進(jìn)行測(cè)試，觀察到樣品能耐峰值功率為1.5 MW的脈沖激光，且光波導(dǎo)膠沒(méi)有損壞。綜上所述，通過(guò)光波導(dǎo)膠封裝之后SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)正常工作條件下具有良好的耐高壓性能，且激光透過(guò)率高，是一種優(yōu)異的能應(yīng)用于大功率光電器件封裝的方法。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上玻璃漿料燒結(jié)鍵合、真空熱壓鍵合和光波導(dǎo)膠鍵合3種方法的研究，我們得出以下結(jié)論：

1）玻璃漿料燒結(jié)過(guò)程中晶體互連實(shí)現(xiàn)鍵合，晶相和晶體界面難以控制，光透過(guò)率相較于其他2種方法較低，可應(yīng)用于半導(dǎo)體或玻璃器件的腔體封裝。

2）真空熱壓鍵合實(shí)現(xiàn)難度較大，工藝難控制，樣品在熱壓后容易碎，光插損較小。

3）光波導(dǎo)膠鍵合工藝操作十分便捷，3種方法中激光透過(guò)率最高，且光波導(dǎo)膠具有增透膜的作用，能耐峰值功率為1.5 MW的脈沖激光。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳永宇，張小平，單欣巖，等.一種硅基二氧化硅結(jié)構(gòu)的超快全光開(kāi)關(guān)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2018，55（4）：248-253.

[2] SINGH K， KAUR G. All-optical half-adder and half-subtracter based on semi-conductor optical amplifier[J]. Open Journal of Communications & Software， 2014，1（1）：42-51.

[3] 董妍.高功率光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2018：1-11.

[4] 羅燕，丁蕾，趙毅，等.SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)襯底與電極界面場(chǎng)強(qiáng)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].強(qiáng)激光與粒子束，2022，34（6）：45-50.

[5] CUI H J， YANG H C， XU J， et al. Sublinear current-voltage characteristics of linear photoconductive semiconductor switch[J].IEEE Electron Device Letters，2016，37（12）：1590-1593.

[6] 張永平.碳化硅光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的制備與性能研究[D].上海：上海師范大學(xué)，2014：10-40.

[7] JAMES C， HETTLER C， DICKENS J. Design and Evaluation of a Compact Silicon Carbide Photoconductive Semiconductor Switch[J]. IEEE Transactions on Electron Devices， 2011，58（2）：508-511.

[8] DANIEL M， WILLIAM S， ALAN B， et al. High power lateral silicon carbide photoconductive semiconductor switches and investigation of degradation mechanisms[J]. IEEE Transactions on Plasma Science， 2015，43（6）：2021-2031.

[9] SAMPAYAN S E， BORA M， BROOKSBY C， et al. High voltage wide bandgap photoconductive switching[J].Materials Science Forum，2015（821-823）：871-874.

[10] 周幸葉，譚鑫，呂元杰，等.一種光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的封裝結(jié)構(gòu)：CN112614900B[P].2022-08-30.

[11] GEORGE J C. Photoconductive switch package： US9171988B2 [P].2015-10-27.

[12] 劉強(qiáng).新型SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)特性研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011：9-38.

[13] AGARWAL A K. An overview of SiC power devices [C]// 2010 International Conference on Power，Control and Embedded Systems， November 29-December 1， Allahabad， India. New York： IEEE，2010.

[14] 李國(guó)鑫.碳化硅功率器件的發(fā)展與數(shù)值建模[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2021，11（13）：67-71.

[15] 杜澤晨，張一杰，張文婷，等.碳化硅器件封裝進(jìn)展綜述及展望[J].電子與封裝，2022，22（5）：10-16.

[16] 李江，姜楠，葛琳，等.光波導(dǎo)激光陶瓷的研究進(jìn)展與展望[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2018，55（3）：7-27.