DE60027642T2

DE60027642T2 - Photoleitfähiger Schalter mit verbesserter Halbleiterstruktur

Info

Publication number: DE60027642T2
Application number: DE60027642T
Authority: DE
Inventors: Thomas S. Sebastopol Low; Yasuhisa Kaneko; Mitsuchika Kawasaki-shi Saito
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: EP1063708A3; EP1063708A2; DE60027642D1; JP2001036101A; EP1063708B1; US6252221B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft im allgemeinen photoelektronische Vorrichtungen und insbesondere einen photoleitfähigen Hochleistungs-Schalter, der kostengünstig hergestellt werden kann.
Hintergrund der Erfindung
Mikrowellenschaltern sollen bei höheren Frequenzen mit einem verbesserten AN/AUS-Verhältnis, einem verringerten Einbringungsverlust (insertion loss) und erhöhter Isolation arbeiten. Ein photoleitfähiger Schalter (photo-conductive switch, PCS) verwendet Licht, um seine elektronische Leitfähigkeit zu steuern, und um so durch ihn laufende elektronische Signale zu modulieren. Ein photoleitfähiger Schalter hat eine geringere elektronische Streuverlustimpedanz als äquivalente elektronisch gesteuerte Schalter wie Transistoren. Daher sind photoleitfähige Schalter potentiell besser für die Verwendung als Hochfrequenz- und Hochleistungsmikrowellenschalter geeignet.
Das Patent US 3,917,943 von Auston offenbart einen ersten Typ eines photoleitfähigen Schalters (photo-conductive switch, PCS), der mit einem ultrakurzen optischen Impuls angesteuert wird, und der auf einem Halbleitersubstrat hergestellt ist. Zwei Mikrostreifen-Übertragungsleitungen aus Gold, die durch eine schmale Lücke getrennt sind, sind auf der Oberfläche eines lichtabsorbierenden isolierenden Halbleitersubstrats angeordnet. Ein erster optischer Impuls wird durch die Lücke auf das Substrat gelenkt und schaltet den PCS in den AN-Zustand, indem eine große Menge elektrischer Ladung auf der Substratoberfläche in der Lücke erzeugt wird. Ein zweiter optischer Impuls, der während des ersten optischen Impulses beginnt, wird auf die Lücke gelenkt und erzeugt eine große Menge elektrischer Ladungen in dem Bulk bzw. Volumen des Substrats, welches sich bis zu der Erdungsebene hinunter erstreckt. Dadurch werden die Mikrostreifen-Übertragungsleitungen zur Erdung kurzgeschlossen, wodurch der PCS in den AUS-Zustand geschaltet wird. Das Substrat wächst bei einer niedrigen Temperatur oder wird ionenimplantiert, um die Ladungsträger-Lebenszeit zu ver kürzen und so eine sehr schnelle Reaktion vorzusehen. Jedoch wird hierdurch auch die Ladungsträgermobilität verringert, wodurch der PCS einen hohen Einbringungsverlust erleidet.
Das Patent US 4,755,663 von Derkits, Jr. gibt an, daß ein Nachteil des PCS von Auston darin liegt, daß der von dem optischen Impuls erzeugte elektrische Impuls von der Ladungsträger-Rekombination dominiert wird, und nicht von dem Ladungsträger-Transport. Das Patent von Derkits offenbart einen PCS, in dem der Abschnitt des Substrats, welche die Lücke bildet, einen Bereich umfaßt, der von einem photoempfindlichen Halbleitermaterial mit texturierter Oberfläche und mit Gradienten-Zusammensetzung gebildet wird. Das Beleuchten der Lücke mit einem Lichtstrahl der eine ausreichende Intensität hat, um Ladungsträger an der Oberfläche des photoempfindlichen Halbleitermaterials zu erzeugen, führt dazu, daß der PCS leitet.
Die 1 zeigt eine Ausführung des von Derkits, Jr. offenbarten PCS 1. Hierbei weist das semi-isolierende Halbleitersubstrat 10, vorzugsweise aus Silizium, eine Erdungsebenenelektrode 11 oder einen ohmschen Kontakt auf, der auf seiner Hauptoberfläche 21 angeordnet ist. Auf der entgegengesetzten Hauptoberfläche 22 des Substrats ist die Schicht 18 eines Halbleitermaterials mit großer Bandlückenenergie angeordnet. Über der Schicht 18 liegt die Schicht 19 einer Legierung- bzw. Verbund-Halbleitermaterials mit Gradienten-Zusammensetzung. Auf der Oberfläche der Schicht 19 sind die Elektroden 14 und 15 vorgesehen, die von der Lücke 13 getrennt sind, und die sich über Teile der Hauptoberfläche 22 des Substrats erstrecken. Die Elektroden bilden die ohmschen Kontaktbereiche 17 zu der Schicht 19.
Das Material der Schicht 19 ist ein Verbund aus zwei Halbleitermaterialien W und N. Das Halbleitermaterial W hat eine große Bandlückenenergie und das Halbleitermaterial N hat eine geringe Bandlückenenergie. Der Anteil des Halbleitermaterials N mit geringer Bandenergie in der Legierung steigt monoton mit zunehmender Entfernung von der Schicht 18 an, beginnend mit einem Wert von Null an der Verbindungsstelle mit der Schicht 18. Die Rinnen 20 oder andere Texturierungen sind in dem Teil der Schicht 19 ausgebildet, die unter der Lücke 13 liegt, um als Ladungstrenner zu dienen.
Licht, das durch die Lücke 13 auf die Schicht 19 fällt, erzeugt Ladungsträger, die eine elektrische Leitung zwischen Elektroden 14 und 15 vorsehen. Beim Löschen des Lichts geht der PCS in den AUS-Zustand, indem ein quasi-elektrisches Feld erzeugt wird, welches die Ladungsträger in den Bereich der Schicht 19 zieht, in dem das Material mit der geringen Bandenergie vorherrscht. In diesem Bereich trennen die Rinnen 20 die Ladungsträger und verhindern eine weitere Leitung zwischen den Elektrodenabschnitten.
Während der von Derkits offenbarte PCS eine verbesserte Leistungsfähigkeit vorsieht, sind weitere Steigerungen der Leistungsfähigkeit erforderlich, um die Anforderungen der aktuellen Technik zu erfüllen.
Das Patent US 5,767,560 offenbart eine photoelektrische Umwandlungsvorrichtung, die auf einer Lawineneffekt-Photodiode basiert. Die Vorrichtung umfaßt einen photoelektrischen Umwandlungsabschnitt mit einer lichtabsorbierenden Schicht, die zwischen einer oberen und unteren Ladungsinjektions-Unterbindungsschicht angeordnet ist. Zwischen der lichtabsorbierenden Schicht und der oberen bzw. unteren Ladungsinjektions-Unterbindungsschicht sind Schichten mit geneigtem Energieband vorgesehen. Die obere Ladungsinjektions-Unterbindungsschicht ist von einer durchgehenden oberen Elektrode bedeckt.
Abriß der Erfindung
Die Erfindung sieht einen photoleitfähigen Schalter (photo-conductive switch, PCS) vor, der einen geringeren Einbringungsverlust bzw. Einfügeverlust hat und eine größere Isolation als übliche PCS vorsieht. Der Einbringungsverlust ist aufgrund des erfindungsgemäßen PCS mit einem kleineren AN-Widerstand R_on verringert. Die Isolation ist aufgrund des erfindungsgemäßen PCS mit einer kleineren AUS-Kapazität C_offerhöht. Daher weist der PCS gemäß der Erfindung eine kleineren Gütefaktor F = R_on × C_offals übliche PCS auf. Ein kleinerer Gütefaktor bedeutet, daß ein PCS eine bessere Leistungsfähigkeit hat.
Der erfindungsgemäßen PCS basiert auf einer Mehrschicht-Halbleiterstruktur, welche mehrere Hetero-Verbindungsstellen umfaßt. Jede der Hetero-Verbindungsstellen ist eine Verbindungsstelle zwischen einer Schicht aus einem Halbleitermaterial mit einer größeren Bandlückenenergie (WB-Material) und einer Schicht aus einem Halbleitermaterial mit einer kleineren Bandlückenenergie (NB-Material). Die Halbleitermaterialien, die eine der Hetero-Verbindungsstellen ausbilden, sind derart dotiert, daß diese entgegengesetzte Leitungstypen aufweisen. Daher ist diese Hetero-Verbindungsstelle zwischen einer p-Typ-WB-Materialschicht und einer n-Typ-NB-Materialschicht oder zwischen einer n-Typ-WB-Materialschicht und einer p-Typ-NB-Materialschicht ausgebildet.
Der erfindungsgemäßen PCS umfaßt eine dreischichtige Halbleiterstruktur, die sich aus einer photoleitfähigen Schicht aus NB-Material zusammensetzt, die zwischen einer oberen Grenzschicht bzw. Einschließungsschicht (confinement layer) und einer unteren Grenzschicht bzw. Einschlußschicht zwischengelegt ist. Beide Grenzschichten sind Schichten aus WB-Material. Die obere Grenzschicht und die photoleitfähig Schicht haben entgegengesetzte Leitungstypen. Eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die durch eine Lücke voneinander getrennt sind, sind auf der Oberfläche der oberen Grenzschicht entfernt von der photoleitfähigen Schicht angeordnet. Die photoleitfähige Schicht sieht einen Leitungsweg zwischen den Elektroden vor, wenn die photoleitfähige Schicht mit einfallendem Licht einer geeigneten Wellenlänge und Intensität beleuchtet wird.
Vorzugsweise ist der Leitungstyp der photoleitfähigen Schicht p-Typ, und derjenige der oberen Grenzschicht ist n-Typ, da diese Kombination der Leitungstypen eine höhere Leitfähigkeit bietet als die umgekehrte Kombination.
Die oben beschriebene doppelte Hetero-Verbindungsstelle-PCS-Struktur verhindert, daß Ladungsträger in eine Richtung senkrecht zu der Ebene der Schichten diffundieren, und verbessert den Wirkungsgrad mit dem die Ladungsträger in Reaktion auf einfallendes Licht erzeugt werden. Dadurch ergibt sich ein geringerer AN-Widerstand R_on und daher ein geringerer Einbringungsverlust.
Die oben beschriebene doppelte Hetero-Verbindungsstellen-PCS-Struktur sieht ferner einen geringeren AUS-Widerstand C_offvor, wodurch die Isolation erhöht wird, die von dem PCS gemäß der Erfindung in seinem AUS-Zustand vorgesehen wird.
Der erfindungsgemäße PCS kann ferner eine Schicht mit Gradientenaufbau (gradedcomposition) oder ein Chirped-Supergitter (chiped superlattice) umfassen, das zwischen der photoleitfähigen Schicht und der oberen Grenzschicht angeordnet ist, um den AN-Widerstand R_on zu verringern.
Der erfindungsgemäße PCS kann ferner eine Spiegelschicht umfassen, die angeordnet ist, um einfallendes Licht, das durch die photoleitfähige Schicht läuft, in die photoleitfähige Schicht zurück zu reflektieren, um den AN-Widerstand R_on weitergehend zu verringern.
Die erfindungsgemäßen Elektroden des PCS können zusätzlich ein transparentes leitendes Material umfassen, um den AN-Widerstand R_on weitergehend zu verringern.
Der erfindungsgemäße PCS kann ferner ein Substrat aus einem Substratmaterial umfassen, das für den Bereich derjenigen Wellenlängen des einfallenden Lichts transparent ist, das von der photoleitfähigen Schicht absorbiert wird. Das Substrat trägt zumindest die photoleitfähige Schicht und die obere Grenzschicht. Das einfallende Licht läuft durch das transparente Substrat, um die photoleitfähige Schicht zu beleuchten. Da das einfallende Licht nicht teilweise von den Elektroden blockiert wird, wird der AN-Widerstand R_on verringert.
Der PCS gemäß der Erfindung kann alternativ ein opakes Substrat umfassen, das die doppelte Hetero-Verbindungsstellen-PCS-Struktur trägt, und das Substrat kann ein Durchgangsloch definieren, das es dem einfallenden Licht ermöglicht, die photoleitfähige Schicht zu beleuchten. Da das einfallende Licht nicht teilweise von den Elektroden blockiert wird, ergibt sich ein ebenfalls verringerter AN-Widerstand R_on.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die 1 ist eine Querschnittsansicht eines photoleitfähigen Schalters (photo-conductive switch, PCS) gemäß dem Stand der Technik.
Die 2 ist eine Aufsicht einer ersten Ausführung eines PCS gemäß der Erfindung in seinem leitenden Zustand.
Die 3 ist eine Querschnittsansicht des PCS gemäß der Erfindung entlang der in der 2 dargestellten Linie 3-3.
Die 4 ist eine Teil-Querschnittsansicht der ersten Ausführung des PCS gemäß der Erfindung in seinem nichtleitenden Zustand.
Die 5 ist eine Teil-Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines PCS gemäß der Erfindung in seinem leitenden Zustand.
Die 6 ist eine graphische Darstellung, die die Veränderung des AN-Widerstands R_s(on) des Halbleiterwegs in Abhängigkeit von der Leistung des Lasers darstellt, der in der Ausführung des in 5 dargestellten PCS das einfallende Licht erzeugt. Der AN-Widerstand R_s(on) des Halbleiterwegs ist der AN-Widerstand des Leitungswegs durch die obere Grenzschicht und durch die photoleitfähige Schicht der Doppel-Hetero-Verbindungsstellen-PCS-Struktur.
Die 7 ist eine graphische Darstellung, die die Änderung der AUS-Kapazität C_off abhängig von der Dotierungskonzentration in der photoleitfähigen Schicht der Ausführung des in 5 dargestellten PCS darstellt.
Die 8 ist eine Teil-Querschnittsansicht einer dritten Ausführung eines PCS gemäß der Erfindung in seinem leitenden Zustand.
Die 9 ist eine Teil-Querschnittsansicht einer vierten Ausführungs eines PCS gemäß der Erfindung in seinem leitenden Zustand.
Die 10 ist eine Teil-Querschnittsansicht einer fünften Ausführung eines PCS gemäß der Erfindung in seinem leitenden Zustand.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung basiert auf den folgenden vier Problemen, die mit dem PCS (photo-conductive switch, PCS) gemäß dem Stand der Technik verknüpft sind, die von den Erfindern erkannt wurden und die wirksame Lösungen für diese Probleme angeben.

1. PCS nach dem Stand der Technik sind aus Materialien aufgebaut, die bei einer geringen Temperatur wachsen, und haben daher durch die geringe Ladungsträgermobilität solcher Materialien einen hohen Einfigungsverlust.
2. Die Struktur von PCS nach dem Stand der Technik läßt nicht zu, daß die in Reaktion auf einfallendes Licht erzeugten Ladungsträger wirksam zu der Leitung zwischen den Elektroden beitragen. Beispielsweise fehlt bei PCS gemäß dem Stand der Technik eine Struktur, die die in Reaktion auf einfallendes Licht erzeugten Ladungsträger auf einen bestimmten Ort begrenzen. Statt dessen läßt es die Struktur der PCS gemäß dem Stand der Technik zu, daß die Ladungsträger von der Stelle wegdiffundieren, wo diese ausgebildet wurden, so daß weniger Ladungsträger zur Verfügung stehen, um eine Leitung zwischen den Elektroden vorzusehen.
3. In PCS gemäß dem Stand der Technik erreicht ein Teil der Ladungsträger, die in Reaktion auf einfallendes Licht erzeugt werden, die Elektroden, wo die Rekombination stattfindet. Diese Rekombination führt zu Bereichen mit einer geringen Ladungsträgerdichte, in denen der spezifische Widerstand höher ist. Dadurch ergibt sich ein höherer AN-Widerstand R_on. Bereiche mit hohem spezifischen Widerstand finden sich auch in n-i-n-Vorrichtungen.
4. An der Oberfläche von Halbleiterschichten in PCS nach dem Stand der Technik auftretende ungebundene, freie Valenzen (dangling bonds) bilden Fallen, in denen die Ladungsträger, welche in Reaktion auf einfallendes Licht erzeugt wurden, rekombinieren können. Dadurch wird die Effizienz verringert, mit den Ladungsträger in Reaktion auf einfallendes Licht erzeugt werden.

Die 2 und 3 zeigen eine erste grundlegende Ausführung 100 eines photoleitfähigen Schalters gemäß der Erfindung. Der PCS 100 setzt sich aus der unteren Grenzschicht 104 aus WB-Material, d.h. ein Halbleitermaterial mit einer großen Bandlückenenergie; der photoleitfähigen Schicht 106 aus NB-Material, d.h. einem Halbleitermaterial mit einer geringen Bandlückenenergie; und der oberen Grenzschicht 108 aus WB-Material zusammen. Die photoleitfähige Schicht liegt zwischen der unteren Grenzschicht und der oberen Grenzschicht. Auf der exponierten Oberfläche der oberen Grenzschicht 108 sind Anschlüsse 110 und 120 angeordnet. Der Anschluß 110 wird von den Elektroden 112, 113 und 114 vorgesehen, die mit der Bonding-Kontaktfläche bzw. Bonding-Pad 111 verbunden sind. Der Anschluß 120 wird von den Elektroden 122, 123, 124 und 125 vorgesehen, die mit der Bonding-Kontaktfläche 121 verbunden sind. Die Elektroden des Anschlusses 110 sind von den Elektroden des Anschlusses 120 durch eine schmale Lücke getrennt.
Die untere Grenzschicht 104 ist in der 3 als eine Schicht aus WB-Material dargestellt, welches auf dem Halbleitersubstrat 102 gewachsen ist oder dort aufgebracht worden ist. Dadurch können für das Substrat allgemein verfügbare preiswerte Halbleitermaterialien verwendet werden. Solche Substrate sind nicht üblicherweise WB-Materialien. Wenn jedoch das Halbleitermaterial des Substrats ein WB-Material ist, beispielsweise InP, kann die untere Grenzschicht einteilig mit dem Substrat ausgebildet sein, wobei keine getrennte untere Grenzschicht notwendig ist. Die photoleitfähige Schicht 106 und die obere Grenzschicht 108 wachsen nacheinander auf der unteren Grenzschicht oder werden dort nacheinander aufgebracht.
Der Leitungstyp des WB-Materials der oberen Grenzschicht 108 ist dem des NB-Materials der photoleitfähigen Schicht 106 entgegengesetzt. Vorzugsweise der Leitungstyp des WB-Materials der oberen Grenzschicht der n-Typ, und der des NB-Materials der photoleitfähigen Schicht 106 ist der p-Typ, obwohl die Leitungstypen der WB- und NB-Materialien umgekehrt sein können.
Das WB-Material der unteren Grenzschicht 104 kann das gleiche wie das WB-Material der oberen Grenzschicht 108 sein. Alternativ können verschiedene WB-Materialien für die obere und die untere Grenzschicht verwendet werden. Der Leitungstyp des WB-Materials der unteren Grenzschicht kann der gleiche wie der der photoleitfähigen Schicht 106 sein, oder kann der entgegengesetzte Leitungstyp wie derjenige der photoleitfähigen Schicht sein, oder das WB-Material der unteren Grenzschicht kann undotiert sein.
Beim Fehlen der oberen Grenzschicht 108 würden ungebundene, freie Valenzen (dangling bonds) an der Oberfläche der photoleitfähigen Schicht 106 bestehen. Solche ungebundene, freie Valenzen erzeugen Oberflächenzustände, die die in Reaktion auf das einfallende Licht 142 erzeugten Ladungsträger fangen und die Rekombination der Ladungsträger unterstützen. In dem PCS 100 überdeckt die obere Grenzschicht 108 die Oberfläche der photoleitfähigen Schicht und verringert die Anzahl ungebundener Valenzen wesentlich, die an der Oberfläche der photoleitenden Schicht vorliegen. Dadurch erhöht die obere Grenzschicht die Anzahl an Ladungsträgern, die in der photoleitfähigen Schicht aufgrund einer vorgegebenen Intensität des einfallenden Lichts noch vorhanden sind.
Nur diejenigen Abschnitte der oberen Grenzschicht 108, beispielsweise die in der 3 dargestellten Abschnitte 132 und 134, welche von den Anschlüssen 110 und 120 überdeckt werden, arbeiten als Grenzschicht. Die 3 zeigt ferner die Abschnitte 108A, 108B und 108C der oberen Grenzschicht, die nicht von den Elektroden 112 und 123 bedeckt sind. Die obere Oberfläche der Abschnitte 108A, 108B und 108C der oberen Grenzschicht hat eine Oberflächenzustandsenergie, die in der Bandlücke des WB-Materials an einem Mehrfachen der thermalen Energie (kT, wobei k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur ist) in starkem Maße fixiert ist. Daher sind diese Abschnitte über die gesamte Dicke der oberen Grenzschicht verarmt.
Wenn die Abschnitte 108A–108C der oberen Grenzschicht 108 über die Dicke der Schicht verarmt sind, besteht in der oberen Grenzschicht kein Leitungsweg zwischen den Anschlüssen 110 und 120. Ferner blockieren in Abwesenheit von einfallendem Licht die zwei Rücken an Rücken verbundenen p-n-Verbindungsstellen, die zwischen der oberen Grenzschicht und der photoleitfähigen Schicht 106 bestehen, die Leitung zwischen den Anschlüssen über die photoleitende Schicht 106. Die Leitung zwischen den Anschlüssen tritt nur auf, wenn der PCS 100 mit einfallendem Licht 142 beleuchtet wird, wodurch Ladungsträger in der photoleitfähigen Schicht erzeugt werden.
Die Elektroden 112–114, die Teil des Anschlusses 110 bilden, sind fingerartig abwechselnd bzw. in Interdigitation mit den Elektroden 122–125 vorgesehen, welche einen Teil des Anschlusses 120 bilden. Die Form und die Stelle der Elektroden sind vorzugsweise optimiert, um den AN-Widerstand R_on zwischen den Anschlüssen 110 und 120 zu minimieren, wenn der PCS 100 mit dem einfallenden Licht 142 beleuchtet wird. Die 2 zeigt mit dem Bezugszeichen 140 den im wesentlichen kreisförmigen Bereich auf der oberen Oberfläche des PCS 100, der von dem einfallenden Licht 142 beleuchtet wird. Der Strahl des einfallenden Lichts ist derart geformt, daß der Bereich 140 das meiste der Zone überdeckt, in der die Elektroden fingerartig abwechselnd vorgesehen sind.
Wenn für die Elektroden 112–114 und 122–125 übliche opake Metallelektroden verwendet werden, reflektieren oder absorbieren die Elektroden den Anteil des einfallenden Lichts 142, der die Elektroden beleuchtet. Dieser Anteil des einfallenden Lichts erreicht weder die photoleitfähige Schicht 106 noch erzeugt dieses Ladungsträger. In Fällen, in denen der Flächeninhalt der Fläche 140 beschränkt ist, muß ein Kompromiß zwischen dem Anteil der Fläche 140, die mit Elektroden bedeckt ist, und der verbleibenden Fläche 140 getroffen werden, durch den das einfallende Licht 142 die photoleitfähige Schicht 106 erreichen und Ladungsträger erzeugen kann.
Die bevorzugten Eigenschaften der Grenzschichten 104 und 108 sind die folgenden: Die Bandlückenenergien der WB-Materialien der Grenzflächen 104 und 108 sollten vorzugsweise um mehr als 25 meV größer als die Bandlückenenergie des NB-Materials der photoleitfähigen Schicht 106 sein, um zu verhindern, daß die in Reaktion auf einfallendes Licht 142 in der photoleitfähigen Schicht erzeugten Ladungsträger in die Grenzschichten hinein diffundieren. Die Bandlücken-Energiedifferenz von 25 meV entspricht der thermischen Energie bei Raumtemperatur.
Die Grenzschicht, durch die einfallendes Licht die photoleitende Schicht 106 erreicht, beispielsweise die obere Grenzschicht 108 in der Ausführung, die in den 2 und 3 dargestellt ist, sollte so dünn wie möglich sein, und das WB-Material der Grenzschicht sollte bei der Wellenlänge des einfallenden Lichts 142 hochgradig transparent sein, um die Übertragung des einfallenden Lichts durch die Grenzschicht hindurch zu der photoleitfähigen Schicht 106 zu maximieren. In anderen Worten sollte das Produkt der Dicke t_c der Grenzschicht und der Absorptionskoeffizient α_c des WB-Materials der Grenzschicht wesentlich kleiner als 1 sein, das heißt t_cα_c << 1. Eine praktische Grenze für die minimale Dicke der Grenzschicht ist durch Tunneleffekte gegeben. Daher ist der Absorptionskoeffizient der Grenzschicht, durch die einfallendes Licht die photoleitfähige Schicht erreicht, geringer als 100 cm^–1.
Das WB-Material der oberen Grenzschicht 108 sollte eine hohe Elektrodenmobilität haben, um eine hohe Leitfähigkeit vorzusehen. Eine hohe Leitfähigkeit verringert den Widerstand der ausgehend von den Elektroden 112–114 und 122–125 durch die obere Grenzschicht 108 und zu der photoleitfähigen Schicht 106 führenden Leitungswege.
Das WB-Material der oberen Grenzschicht 108 sollte eine hohe Dotierungskonzentration aufweisen, um die obere Grenzschicht mit einer hohen Leitfähigkeit auszustatten. Jedoch würde eine zu hohe Dotierungskonzentration verhindern, daß die obere Grenzschicht einer vorgegebenen Dicke vollständig verarmt ist. Eine Verringerung der Dicke der oberen Grenzschicht, um die vollständige Verarmung der Schicht zu ermöglichen, verstärkt Tunneleffekte.
Daher ist mit der optimalen Dotierungskonzentration des WB-Materials der oberen Grenzschicht ein Kompromiß zwischen diesen sich entgegenstehenden Anforderungen verbunden. Eine Dotierungskonzentration in der Größenordnung von 1 × 10¹⁷ cm^–3 ist ein geeigneter Kompromiß.
Die bevorzugten Eigenschaften der photoleitfähigen Schicht 106 sind die folgenden:
Die photoleitende Schicht 106 sollte so dick sein, wie es tatsächlich herstellbar ist, und das NB-Material der photoleitfähigen Schicht sollte bei der Wellenlänge des einfallenden Lichts 142 einen Absorptionskoeffizienten aufweisen, der so hoch wie möglich ist. Diese Eigenschaften ermöglichen es der photoleitfähigen Schicht, so viel einfallendes Licht 142 wie möglich zu absorbieren und somit in Reaktion auf einfallendes Licht so viel Ladungsträger wie möglich zu erzeugen. Mit anderen Worten sollte das Produkt der Dicke d der photoleitfähigen Schicht und des Absorptionskoeffizienten α_p des NB-Materials der photoleitfähigen Schicht bei der Wellenlänge des einfallenden Lichts größer als ungefähr 1 sein, das heißt dα_p > ~ 1. Aufgrund von Prozeßbeschränkungen hinsichtlich der maximalen Dicke der photoleitfähigen Schicht ist es wünschenswert, daß der Absorptionskoeffizient des NB-Materials der photoleitfähigen Schicht bei der Wellenlänge des einfallenden Lichts größer als 1000 cm^–1 ist. Die Wellenlänge des einfallenden Lichts sollte derart gewählt sein, daß die Photonenergie des einfallenden Lichts größer als die Bandkantenenergie des NB-Materials der photoleitfähigen Schicht ist, um den Absorptionskoeffizienten zu maximieren.
Das NB-Material der photoleitfähigen Schicht 106 sollte eine hohe Ladungsträgermobilität aufweisen, um die photoleitfähige Schicht 106 mit einer hohen Leitfähigkeit auszustatten. Eine hohe Leitfähigkeit verringert den Widerstand der photoleitfähigen Schicht und verringert so den AN-Widerstand R_on.
Die Lebensdauer der Ladungsträger in dem NB-Material der photoleitfähigen Schicht 106 sollte so lang sein, daß die Ladungsträger zu der Übertragung des Signals durch den PCS 100 hindurch beitragen können.
Das NB-Material der photoleitfähigen Schicht 106 sollte eine Dotierungskonzentration von weniger von 1 × 10¹⁷ cm^–3 aufweisen, um die AUS-Kapazität C_off zu verringern.
Die Eigenschaften des NB-Materials der photoleitfähigen Schicht 106 bestimmen die Lebensdauer der Ladungsträger, die in Reaktion auf einfallende Licht 142 erzeugt werden. Wie oben bemerkt, ist es im allgemeinen wünschenswert, die Lebenszeit dieser Ladungsträger zu erhöhen. Jedoch beeinträchtigt eine zu lange Lebensdauer die Schaltgeschwindigkeit des PCS. Daher sollte die Ladungsträger-Lebensdauer kürzer als die gewünschte Schaltzeit des PCS 100 sein. Anderenfalls bestehen die in Reaktion auf das einfallende Licht erzeugten Ladungsträger weiterhin für einen wesentlichen Zeitraum nach Beenden der Lichteinstrahlung 142 zur Beleuchtung des PCS 100. Die verbleibenden Träger erhöhen die Leitfähigkeit des PCS in seinem AUS-Zustand, wodurch die Isolation verringert wird, die von dem PCS in seinem AUS-Zustand vorgesehen wird. In vielen Anwendungen ist eine Schaltzeit von 1 ms annehmbar. Auch NB-Materialien, beispielsweise Silizium, die eine extrem lange Ladungsträger-Lebensdauer aufweisen, können eine solche Schaltgeschwindigkeit leicht vorsehen. Es können NB-Materialien wie GaAs verwendet werden, wenn höhere Schaltgeschwindigkeiten erforderlich sind.
Das Beleuchten des PCS 100 mit einfallendem Licht 142 versetzt den PCS in seinen AN-Zustand. Der PCS 100 wird am häufigsten in Hochfrequenz- und Mikrowellensystemen verwendet, die typischerweise eine Nennimpedanz von 50 Ω aufweisen. Der AN-Widerstand R_on für einen PCS zur Verwendung im System mit einer Nennimpedanz von 50 Ω ist ausreichend klein, wenn dieser im Vergleich zu 50 Ω klein ist, das heißt R_on << 50 Ω. Daher werden für eine vorbestimmte Intensität des einfallenden Lichts 142 auf solche PCS durch Maßnahmen, die den AN-Widerstand auf eine Höhe verringern, die im Vergleich zu 50 Ω klein ist, eine nützliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit des PCS vorgesehen. Jedoch haben Maßnahmen, die für die gleiche Intensität des einfallenden Lichtes den AN-Widerstand unter die Höhe verringern, die im Vergleich zu 50 Ω klein ist, einen vernachlässigbaren Effekt auf die Leistungsfähigkeit des PCS. Trotzdem ist es vorteilhaft, solche Maßnahmen umzusetzen, da diese ermöglichen, daß bei einer geringeren Intensität des einfallenden Lichtes der AN-Widerstand im Vergleich zu 50 Ω klein ist. Dadurch kann einfallendes Licht mittels einer einfacheren, preiswerteren Lichtquelle erzeugt werden, die weniger Wärme erzeugt. Eine solche Lichtquelle hat im allgemeinen eine erhöhte Lebensdauer und Verläßlichkeit sowie einen geringeren Leistungsverbrauch. Dadurch können die oben beschriebenen Maßnahmen zur Verringerung des AN-Widerstands R_on des PCS 100 zusätzlich oder alternativ verwendet werden, um die Intensität des einfallenden Lichts zu verringern, bei der der AN-Widerstand im Vergleich zu 50 Ω klein ist.
Im AN-Zustand des PCS 100, wie in der 3 dargestellt ist, ergibt sich der AN-Widerstand R_on des PCS durch die folgenden Gleichungen: Ron = Rs(on) + Rc, mit:

R_on: ist der AN-Widerstand des PCS, gemessen zwischen den Anschlüssen 110 und 120,
R_s(on): ist der AN-Widerstand des Halbleiterwegs, das heißt der Widerstand des Leitungswegs, der durch die obere Grenzschicht 108 und durch die photoleitfähige Schicht 106 führt,
R_c: ist der Widerstand der Kontakte zwischen den Anschlüssen 110 und 120 und der oberen Grenzschicht 108,
q: ist die Einheitsladung,
μ: ist die Ladungsträgermobilität,
n: ist die Menge der Ladungsträger, die in Reaktion auf das einfallende Licht 142 erzeugt wird,
w: ist die Breite der Elektroden,
ν: ist der Abstand zwischen den Elektroden,
l: ist die Länge des Umfangs der Elektroden, der mit Strahlung durch einfallendes Licht beaufschlagt wird, wie es durch die gestrichelte Linie 150 in der 2 dargestellt ist,
d: ist die Dicke der photoleitfähigen Schicht 106,
h: ist die Planck'sche Konstante,
ν: ist die Frequenz des einfallenden Lichts,
τ: ist die Ladungsträger-Lebensdauer,
D: ist die Diffusionskonstante der Ladungsträger,
P: ist die Intensität des einfallenden Lichts,
α_p: ist der optische Absorptionskoeffizient der photoleitfähigen Schicht und
A und B: sind Konstanten.

Ausgehend von den oben genannten Gleichungen ist ersichtlich, daß durch das Erhöhen von P, der Intensität des einfallenden Lichts, und durch Auswahl von Halbleitermaterialien, die für die Ladungsträgermobilität μ, die Ladungsträger-Lebensdauer τ und den optischen Absorptionskoeffizienten α_p höhere Werte aufweisen, der AN-Widerstand R_on verringert wird. Der optische Absorptionskoeffizient α_p steigt mit steigender Frequenz ν des einfallenden Lichtes, so daß es vorteilhaft ist, einfallendes Licht mit einer kurzen Wellenlänge zu verwenden. Zur Fokussierung des einfallenden Lichts auf ein kleines Volumen der photoleitfähigen Schicht 106 zur Erhöhung der Intensität P wird vorzugsweise eine Linse verwendet. Dies ist insbesondere bei Ausführungen des PCS nützlich, die für hohe Frequenzen verwendet werden, bei denen die Abmessungen des PCS klein sein sollten.
Um den AN-Widerstand R_on zu verringern, sollte das einfallende Licht 142 in Ladungsträger mit einer hohen Gesamt-Umwandlungseffizienz umgewandelt werden. Die Gesamt-Umwandlungseffizienz η ergibt sich durch: η(%) = ηc × ηs × ηr × ηα × ηi, wobei folgendes gilt:

η_c: ist die Kopplungseffizienz, die den Bruchteil des einfallenden Lichtes 142 bestimmt, der tatsächlich von der Lichtempfangsfläche 140 des PCS empfangen wird (in dieser Ausführung 95 %);
η_s: ist der Elektrodendurchlässigkeitsfaktor, das heißt der Bruchteil der Lichtempfangsfläche 140, der nicht von den Elektroden abgedeckt ist;
η_r: ist der Bruchteil des einfallenden Lichts, der durch die Grenzschicht zu der photoleitfähigen Schicht 106 übertragen wird;
η_α: ist der Absorptionsgrad der photoleitfähigen Schicht 106; und
η_i: ist die interne Quanteneffizienz, mit der die photoleitfähige Schicht Licht in Ladungsträger umwandelt.

Die 4 zeigt den PCS 100 in seinem AUS-Zustand in Abwesenheit von einfallendem Licht 142. Die Impedanz des PCS in seinem AUS-Zustand ist die Impedanz der parallelen Kombination des ohmschen Widerstands des PCS in seinem AUS-Zustand und dem Blindwiderstand 1/2πf·C_off der AUS-Kapazität C_off wobei f die Frequenz des Signals ist, mit dem der PCS geschaltet wird. Wie bereits bemerkt wird der PCS gemäß der Erfindung am häufigsten in Hochfrequenz- und Mikrowellensystemen verwendet, die typischerweise eine Nennimpedanz von 50 Ω haben. Bei Hochfrequenz- und Mikrowellenfrequenz-Systemen ist das dominante Element bei der Ermittlung der Impedanz der parallelen Kombination der Blindwiderstand der AUS-Kapazität C_off. Die AUS-Kapazität C_off eines PCS, der zur Verwendung in einem System mit einer Nennimpedanz von 50 Ω vorgesehen ist, ist ausreichend klein, wenn der Blindwiderstand groß im Vergleich zu 50 Ω ist, das heißt 1/2πf·C_off << 50 Ω.
Bei PCS' zur Verwendung in Anwendungen mit Nennimpedanzen von 50 Ω sehen Maßnahmen, die die AUS-Kapazität C_off auf eine Kapazität verringern, die bei einer bestimmten Frequenz einen Blindwiderstand aufweisen, der im Vergleich zu 50 Ω groß ist, eine nützliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit des PCS vor. Jedoch haben Maßnahmen, die die AUS-Kapazität weiter verringern, einen nachteiligen Effekt auf die Leistungsfähigkeit des PCS. Trotzdem sollten solche Maßnahmen in Betracht gezogen werden, da diese ermöglichen, daß die AUS-Kapazität einen Bindwiderstand aufweist, der bei noch höheren Frequenzen groß im Vergleich zu 50 Ω ist. Dadurch wird der Anwendungsbereich erweitert, indem der erfindungsgemäße PCS verwendet werden kann. Daher können die im weiteren beschriebenen Maßnahmen zur Verringerung des AUS-Widerstands C_off zusätzlich oder alternativ verwendet werden, um eine AUS-Kapazität vorzusehen, die einen Blindwiderstand aufweist, der bei höheren Betriebsfrequenzen im Vergleich zu 50 Ω groß ist.
Die hauptsächlich beitragenden Anteile der AUS-Kapazität C_off sind (1) die Kapazität der Verarmungsschicht zwischen der photoleitfähigen Schicht 106 und der oberen Grenzschicht 108, (2) die Kapazität der Verarmungsschicht, die von ungebundenen freien Valenzen (dangling bonds) in der oberen Grenzschicht 108 erzeugt wird, und (3) die Kapazität der Verarmungsschicht zwischen der photoleitfähigen Schicht 106 und der unteren Grenzschicht 104. Von diesen dominiert die Kapazität der Verarmungsschicht zwischen der photoleitfähigen Schicht 106 und der oberen Grenzschicht 108, und die AUS-Kapazität C_off kann mittels der folgenden Gleichung angenähert ermittelt werden:
Hierbei gilt:

t: ist die Dicke der Verarmungsschicht,
ε_n: ist die Permitivität der Grenzschicht,
ε_p: ist die Permitivität der photoleitfähigen Schicht,
l: ist die Länge des Umfangs der Elektroden, wie es durch die gestrichelte Linie 150 in der 2 dargestellt ist,
w: ist die Breite der Elektrode,
n: und p sind Dotierungskonzentrationen der oberen Grenzschicht 108 bzw. der photoleitfähigen Schicht 106,
Φ_i: ist das inhärente (built-in) Potential, und
V: ist eine angelegte Spannung (in diesem Beispiel V = 0).

Es ist ersichtlich, daß durch Verringern der Dotierungskonzentration p der photoleitfähigen Schicht 106 die AUS-Kapazität C_off verringert wird. Jedoch unterliegt die minimale Dotierungskonzentration praktischen Beschränkungen, wie im folgenden betrachtet wird.
Die oben genannten Gleichungen ermöglichen die Optimierung der Ausgestaltung des PCS 100, um einen kleinen Gütefaktor R_on × C_off zu erreichen. Dieser Gütefaktor ist ein wichtiges Maß für einen PCS mit hoher Leistungsfähigkeit.
In der Tabelle 1 sind Beispiele von Materialkombinationen dargestellt, die für das Substrat, die Grenzschichten und die photoleitfähige Schicht in dem hier offenbarten PCS verwendet werden können. Die Materialien der photoleitfähigen Schicht 106 und zumindest der oberen Grenzschicht 108 sind mit geeigneten Dotierungsmitteln dotiert, um ihre Leitungstypen zu definieren.
Tabelle 1
Wie oben bemerkt, können die untere Grenzschicht 104 und die obere Grenzschicht 108 Schichten aus verschiedenen Materialien sein. In diesem Fall ist das Material der oberen Grenzschicht in der Tabelle 1 aufgelistet.
Ein Vorteil der Kombinationen der in der Tabelle 1 aufgelisteten Materialien liegt darin, daß diese die Gitterfehlstellung zwischen benachbarten Schichten minimieren und damit eine längere Lebensdauer der Ladungsträger aufweisen als Kombinationen mit einer stärkeren Gitterfehlstellung.
Von den oben genannten Kombinationen werden die Kombinationen 1-4 und 7 bevorzugt, da diese eine hohe Elektrodenmobilität und lange Lebensdauern der Ladungsträger vorsehen, und unter Verwendung von ausgereiften Epitaxialwachstum- und Prozeßtechnologien hergestellt werden können.
Das Substrat in den Kombinationen 4 und 5 ist InP, welches ein WB-Material ist. In den PCS, die unter Verwendung der Kombination 4 oder Kombination 5 hergestellt werden, kann die untere Grenzschicht 104 einteilig mit dem Substrat 102 ausgebildet sein, und die photoleitfähige Schicht 106 kann direkt auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht werden. Ferner ist das Substratmaterial in der Kombination 7 Silizium, welches ein WB-Material ist. In einem PCS mit einem Siliziumsubstrat kann die untere Grenzschicht einteilig mit dem Substrat ausgebildet sein, und die photoleitfähige Schicht kann direkt auf der Oberfläche des Substrats aufgebracht sein.
Das einfallende Licht 142 kann unter Verwendung jeder geeigneten Lichtquelle erzeugt werden. Vorzugsweise werden Miniatur-Lichtquellen wie lichtemittierende Halbleitervorrichtungen verwendet. Ein Halbleiterlaser wird zur Verwendung in PCS zum Schalten von Mikrowellensignalen mit Schaltgeschwindigkeiten im Mikrosekundenbereich am stärksten bevorzugt. Halbleiterlaser haben geringe Abmessungen, arbeiten bei einer Geschwindigkeit, die hoch genug ist, um gewünschte Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen, und sind kostengünstig. Es stehen Halbleiterlaser zur Verfügung, die Licht in dem Wellenlängenbereich von 0,40 bis 1,55 μm emittieren können. Die meisten der oben genannten Kombinationen arbeiten in Reaktion auf einen Laser, der Licht in diesem Wellenlängenbereich erzeugt. Für eine vorgegebene Kombination von Materialien muß die Wellenlänge des einfallenden Lichts in dem Bereich der Wellenlängen liegen, die von dem Material der Grenzschicht übertragen werden, durch das das Licht zu der photoleitfähigen Schicht läuft, welches von dem Material der photoleitfähigen Schicht absorbiert wird.
Der AN-Widerstand des gerade beschriebenen PCS kann ferner verringert werden, indem eine Schicht mit einem Gradientenaufbau oder ein Chirped-Supergitter-Mehrschichtfilm an der Hetero-Verbindungsstelle zwischen der oberen Grenzschicht 108 und der photoleitfähigen Schicht 106 angeordnet wird. Die Bandlückenenergie der Schicht mit Gradientenaufbau (graded composition) ändert sich progressiv entlang der Dicke der Schicht, während sich die des Chirped-Supergitter-Mehrschichtfilms schrittweise entlang der Dicke des Films verändert, um den Effekt einer Schicht mit kontinuierlichem Gradientenaufbau zu simulieren.
Eine zweite Ausführung 200 eines PCS gemäß der Erfindung ist im folgenden bezugnehmend unter 5 beschrieben.
Der PCS 200 umfaßt die undotierte, 70 nm dicke untere Al_0,3Ga_0,7As-Grenzschicht 204, die photoleitfähige p-Typ-GaAs-Schicht 206 (1,70 μm dick und mit p = 2 × 10¹⁶ cm^–3 dotiert) und die obere n-Typ Al_0,23Ga_0,77As-Grenzschicht 208 (70 nm dick und mit n = 3 × 10¹⁷ cm^–3 dotiert). Diese Schichten wachsen nacheinander auf dem halbisolierenden GaAs-Substrat 202 unter Verwendung von Molekularstrahl-Epitaxie (molecular-beam epitaxy, MBE) oder einer anderen geeigneten Technik zum epitaxialen Wachstum. Die Grenzschichten können Zusammensetzungsverhältnisse aufweisen, die sich von den gerade beschriebenen unterscheiden. Jedoch sollte der Aluminiumanteil der oberen Grenzschicht 208 vorzugsweise kleiner als 0,25 sein. Wenn der Aluminiumanteil der oberen Grenzschicht 0,25 überschreitet, erhöht sich die Dichte von DX-Zentren oder Zentren mit tiefen Niveaus in der oberen Grenzschicht drastisch, wie von M. Tachikawa et al., in dem Japan Journal of Applied Physics, Bd. 23, Seite 1594 (1984) beschrieben ist. Die DX-Zentren verringern die Konzentration freier Elektronen in der oberen Grenzschicht dramatisch, wodurch der AN-Widerstand R_on deutlich erhöht wird.
Die Schichten 207 und 250 mit Gradientenaufbau, die aus n-Typ-Halbleitermaterial ausgebildet und mit n = 3 × 10¹⁷ cm^–3 dotiert, das heißt mit der gleichen Dotierungskonzentration wie die obere Grenzschicht 208, und wachsen epitaxial vor bzw. nach dem Wachstum der oberen Grenzschicht 208.
Die Schicht 207 mit Gradientenaufbau ist 30 nm dick und aus n-Typ-Al_xGa_1-xAs ausgebildet, wobei sich der Wert des Aluminiumanteils x von 0,23 an der oberen Grenzschicht 208 auf Null an der oberen Grenzschicht 208 progressiv verringert.
Die Schicht 250 mit Gradientenaufbau ist ebenfalls 30 nm dick und aus n-Typ Al_xGa_1-xAs ausgebildet, in dem sich der Wert des Aluminiumanteils x von 0,23 an der oberen Grenzschicht 208 auf Null an der GaAs-Deckschicht 252 progressiv verringert.
Die n-Typ-GaAs-Deckschicht 252, die eine Dicke von 200 nm aufweist und mit n = 5 × 10¹⁸ cm^–3 dotiert ist, wächst auf der Schicht 250 mit Gradientenaufbau. Die n-Typ-In_0,5Ga_0,5As-Kontaktschicht 254, die 20 nm dick und mit n = 2 × 10¹⁹ cm^–3 stark dotiert ist, wächst auf der Deckschicht 252. Die Kontaktschicht trägt die Metallelektroden 212–214 und 222–225, die einen nicht-legierungsbasierten Kontakt mit der Kontaktschicht haben. Von den Elektroden 212–214 und 222–225 sind in der 5 nur die Elektroden 212, 213 und 223 dargestellt. Die Elektroden können aus Schichten aus Titan, Platin und Gold mit einer Ge samtdicke von 300 nm ausgebildet sein. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche alternative Elektrodenmaterialien bekannt und umfassen Ti/W, W/Si, Mo/Au, Pd/Au und Ti/Pd/Au. Die Deckschicht 252 und die Kontaktschicht 254 verringern den Kontaktwiderstand zwischen der Schicht mit Gradientenaufbau 250 und den Elektroden 212–214 und 222–225. Diese Verringerung des Kontaktwiderstands wird erreicht, ohne eine Hitzebehandlung, beispielsweise Glühen, durchzuführen. Dieses Verfahren und diese Struktur zur Verringerung des Kontaktwiderstands basieren auf dem Verfahren zur Herstellung von Heterojunktion-Transistoren (HBT), die es in den Electronical Letters, Bd. 28, Seite 1150 (1992) von F. Ren beschrieben ist.
Der PCS 200 wird hergestellt, indem die Schichten 204, 206, 207, 208, 250, 252 und 254 wachsen, woraufhin eine Ti/Pt/Au-Elektrodenschicht aufgebracht wird, in der die Elektroden 212–214 und 222–225 definiert werden. Die Elektrodenschicht wird daraufhin mit einem Muster versehen, um die einzelnen Elektroden zu definieren. Die Halbleitermaterialien der Schicht mit Gradientenaufbau, die Deckschicht 252 und die Kontaktschicht 254 zwischen den Elektroden werden daraufhin weggeätzt. Das Ätzen endet an der oberen Grenzschicht 208. Die Elektroden können als eine Ätzmaske verwendet werden, die die Abschnitte der Schicht 250, 252 und 254 definieren, die nicht weggeätzt werden.
Schließlich wird die Siliziumnitrid (Si₃N₄)-Antireflektionsbeschichtung 256 auf die obere Oberfläche des PCS 100 aufgebracht, einschließlich der Elektroden 212–214 und 222–225, sowie die exponierte Oberfläche der oberen Grenzschicht 208. Die Dicke der Antireflektionsbeschichtung beträgt 100 nm. Die Antireflektionsbeschichtung verhindert oder verringert die Reflektion des einfallenden Lichts, die anderenfalls durch den starken Unterschied der Brechungsindizes zwischen dem AlGaAs auf der oberen Grenzschicht 208 und der Umgebung, beispielsweise Luft, auftreten würde.
Der PCS 200 wird in den AN-Zustand geschaltet, indem dieser mit einem Strahl einfallenden Lichts beleuchtet wird, der von einem Halbleiterlaser erzeugt wird. Die Wellenlänge des einfallenden Lichts wird so gewählt, daß die Energie pro Photon unterhalb der Bandkante des WB-Materials der Grenzschicht liegt, durch die das einfallende Licht die photoleitfähige Schicht 206 erreicht, das heißt in diesem Beispiel die obere Grenzschicht 208, um die durch die Grenzschicht hervorgerufene Absorption zu minimieren. Die Wellenlänge des einfallenden Lichts wird ferner derart gewählt, daß die Energie pro Photon oberhalb der Bandkante des NB-Materials der photoleitfähigen Schicht 206 ist, um die Absorption des einfallenden Lichts durch die photoleitfähige Schicht zu maximieren. In dem gerade beschriebenen Beispiel hat das einfallende Licht eine Wellenlänge von ungefähr 0,78 μm. Der Strahl einfallenden Lichts hat einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 30 μm. Es kann ein kommerziell erhältlicher Halbleiterlaser verwendet werden, um das einfallende Licht 142 zu erzeugen, so daß der Miniatur-PCS 200 mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
Es wurden die Eigenschaften des Strahls einfallenden Lichts 142, die physikalischen Eigenschaften von GaAs, sowie Vorrichtungsparameter wie der optische Absorptionskoeffizient der photoleitfähigen Schicht 206, das heißt α_p = 9000 cm^–1, die Ladungsträgerlebensdauer τ = 10 ns, die Ladungsträgermobilität μ = 6300 cm²/Vs, die Elektrodenbreite w = 3 μm und die Zwischenelektrodenbeabstandung ν = 2 μm verwendet, um den AN-Widerstand R_s(on) des PCS 200 zu berechnen. Der AN-Widerstand des Halbleiterwegs ist der Widerstand des leitenden Wegs, der durch die obere Grenzschicht 208 und die photoleitfähige Schicht 206 führt, wenn der PCS 200 mit einfallendem Licht beleuchtet wird. Die 6 ist eine Darstellung, die die Änderung des AN-Widerstands des Halbleiterwegs gegenüber der Leistung des Lasers darstellt, der das einfallende Licht erzeugt. In dieser beispielhaften Ausführung beträgt die Dicke d der photoleitenden Schicht 206 zumindest 1,7 μm, die größer als die Absorptionslänge α_p ^–1 = 1,1 μm ist.
Es wurden Probestücke hergestellt, die die gerade beschriebenen Eigenschaften aufweisen. Die Probestücke wurden mit einfallendem Licht beleuchtet, das von einem 5 mW-Laser erzeugt wurde, und es wurden Messungen des AN-Widerstands durchgeführt. Der zwischen den Anschlüssen 110 und 120 gemessene AN-Widerstand R_on lag im Bereich zwischen 3 Ω und 5 Ω. Jedoch wurde ermittelt, daß der größte Anteil des AN-Widerstands in einem abnormal hoher Kontaktwiderstand R_c zwischen den Anschlüssen 110 und 120 und der oberen Grenzschicht 208 bestand. Weitere Messungen haben gezeigt, daß der AN-Widerstand des Halbleiterwegs R_s(on) ungefähr 1 Ω betragen hat. Es wurde angenommen, daß der Kontaktwiderstand R_c weiterer Proben, die momentan hergestellt werden, kleiner als der AN-Widerstand des Halbleiterwegs R_s(on) ist. Solche Proben werden mit einem AN-Widerstand vorgesehen, der zur Verwendung als Mikrowellenschalter geeignet ist.
Die Gesamt-Umwandlungseffizienz des PCS 200 beträgt η = η_c × η_s × η_r × η_α × η_i = 95 % × 60 % × 99 % × 75 % × 95 % = 40 %, mit η_c = 95 %, η_s = 60 %, η_r = 99 %, η_α = 75 % und ηi = 95 %. Die zwei Hauptelemente, die die Umwandlungseffizienz η verringern, sind η_s, der Elektrodendurchlässigkeitsfaktor, und η_α, der Absorptionsgrad der photoleitfähigen Schicht 106. Der geringe Wert des Elektrodendurchlässigkeitsfaktors η_s gibt an, daß die Elektroden 212–214 und 222–225 einen wesentlichen Anteil des einfallenden Lichts daran hindern, die photoleitfähige Schicht 206 zu erreichen. Der geringe Wert des Absorptionsgrads η_α der photoleitfähigen Schicht 206 gibt an, daß ein wesentlicher Anteil des einfallenden Lichts, der die photoleitfähige Schicht erreicht, durch die photoleitfähige Schicht läuft, ohne absorbiert zu werden.
Die Hauptelemente der AUS-Kapazität C_off des PCS 200 ist die Kapazität der Verarmungsschicht zwischen der photoleitfähigen Schicht 206 und der oberen Grenzschicht 208 und hängt von der Dotierungskonzentration in der photoleitfähigen Schicht ab. Die 7 zeigt die AUS-Kapazität, die gegenüber der Dotierungskonzentration der photoleitfähigen Schicht aufgetragen ist. Die AUS-Kapazität C_off steigt mit der Erhöhung der Dotierungskonzentration, so daß eine geringere Dotierungskonzentration die AUS-Kapazität C_off verringert.
Jedoch verursacht eine übermäßige Verringerung der Dotierungskonzentration eine außerordentliche Erhöhung der Dicke der Verarmungsschichten. Dadurch wird die Durchschlagspannung des PCS 200 verringert. Wenn die Amplitude des Signals, welches von dem PCS geschaltet wird, über die Durchschlagspannung steigt, fällt die Impedanz des PCS auf einen kleinen Wert, und der PCS sieht in seinem AUS-Zustand keine Isolation mehr vor. Ferner ist es mit der aktuellen Kristallwachstumstechnik schwierig, Dotierungskonzentrationen bei geringen Dotierungsniveaus zu steuern. Daher wird bevorzugt, daß die Dotierungskonzentration der photoleitfähigen Schicht im Bereich zwischen 1 × 10¹⁵ cm^–3 bis 1 × 10¹⁷ cm^–3 liegt. Dotierungskonzentrationen in diesem Bereich sehen einen annehmbaren Kompromiß zwischen der AUS-Kapazität C_off und der Durchschlagspannung vor. Das Verringern der Fläche der Elektroden 212–214 und 222–225 verringert ebenfalls die AUS-Kapazität C_off. Wie oben bemerkt, darf bei Ausführungen des PCS zur Verwendung in Systemen mit einer Nennimpedanz von 50 Ω die AUS-Kapazität C_off nicht kleiner als die sein, welche ein Blindwiderstand bei der Frequenz f des zu schaltenden Signals hat, der im Vergleich zu 50 Ω groß ist, das heißt 1/2πf·C_off >> 50 Ω.
Der in 5 dargestellte PCS 200 hat eine AUS-Kapazität C_off von 60 fF und einen Gütefaktor R_on × C_off von 0,06 ΩpF. Dieser ist kleiner und somit besser als der Gütefaktor üblicher Hochfrequenzschalter.
Die 8 zeigt eine dritte Ausführung 300 eines PCS gemäß der Erfindung, in dem die Umwandlungseffizienz weiter erhöht ist. Die Struktur des PCS 300 gleicht derjenigen des in 5 dargestellten PCS 200. Die Elemente des PCS 300, die den Elementen des PCS 200 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden hier nicht weitergehend beschrieben. Wie oben bemerkt, sind die Hauptfaktoren, die die Gesamt-Umwandlungseffizienz η des PCS 200 verringern, η_s, der Elektrodendurchlässigkeitsfaktor, und η_α, der Absorptionsgrad der photoleitfähigen Schicht 106. In dem PCS 300 ist die untere Grenzschicht als Spiegelschicht 304 strukturiert. Die Spiegelschicht erhöht den Absorptionsgrad η_α der photoleitfähigen Schicht effektiv, indem der Anteil des einfallenden Lichts, der durch die photoleitfähige Schicht 206 läuft, ohne in der photoleitfähigen Schicht absorbiert zu werden, zurück in die photoleitfähig Schicht reflektiert wird.
In dem dargestellten Beispiel ist die Spiegelschicht 304 ein verteilter Bragg-Reflektor, der aus mehreren Paaren von Teilschichten aus Halbleitermaterial zusammengesetzt. Ein beispielhaftes Paar von Teilschichten ist mit dem Bezugszeichen 360 dargestellt. Das Teilschichten-Paar 360 setzt sich aus der 64 nm dicken Al_0,3Ga_0,7As-Teilschicht 362 und der 73 nm dicken AlAs-Teilschicht 364 zusammen. Die Dicke t_m jeder Teilschicht ist gleich einem ungeradzahligen ganzen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts 142 in dem Material der Teilschicht, das heißt t_m = mλ/4n, wobei:

m: eine ungeradzahlige ganze Zahl ist,
λ: die Wellenlänge des einfallenden Lichts 142 im freien Raum ist, und
n: der Brechungsindex des Materials der Teilschicht bei der Wellenlänge λ ist.

In einer praktischen Ausführung des PCS 300 sind die Materialien der Teilschichten, welche die Spiegelschichten 304 bilden, n-Typ-dotiert, die Spiegelschicht ist aus 10 Teilschicht-Paaren gebildet, und der Reflektionsgrad der Spiegelschicht beträgt ungefähr 90 %. Der Reflektionsgrad der unteren Grenzschicht 204 des PCS 200 beträgt ungefähr 0,08 %.
Die Spiegelschicht 304 erhöht in dem PCS 300 den Absorptionsgrad η_α der photoleitfähigen Schicht 206 auf ungefähr 98 %, im Vergleich zu 60 % in dem PCS 200. Dadurch wird die Gesamt-Umwandlungseffizienz η auf 66 % erhöht, und der AN-Widerstand R_s(on) des Halbleiterwegs wird auf zwei Drittel des AN-Widerstands des PCS 200 verringert.
Wie oben bemerkt sind die Hauptfaktoren, die die Gesamt-Umwandlungseffizienz η des PCS 200 verringern η_s, der Elektrodendurchlässigkeitsfaktor, und η_α, der Absorptionsgrad der photoleitfähigen Schicht 206. Der Elektrodendurchlässigkeitsfaktor ist üblicherweise gleich dem Anteil der Lichtempfangsschicht 140 (2), die nicht von den Elektroden 212–214 und 222–225 bedeckt ist, da die Elektroden üblicherweise opak sind und reflektieren. Die Elektroden absorbieren oder reflektieren den Anteil des einfallenden Lichts 142, der auf diese fällt, wodurch dieser Anteil des einfallenden Lichts daran gehindert wird, durch die obere Grenzschicht 208 zu der photoleitfähige Schicht 206 zu laufen. Der Elektrodendurchlässigkeitsfaktor kann auf nahezu 100 % erhöht werden, und die Umwandlungseffizienz des PCS kann noch weiter erhöht werden, indem der PCS gemäß der Erfindung so vorgesehen wird, daß das einfallende Licht durch die Elektroden nur wenig, wenn überhaupt, daran gehindert wird, die photoleitfähige Schicht zu erreichen.
Beispielsweise der in 8 dargestellte PCS 300 kann so eingerichtet werden, daß die Elektroden 212–214 und 222–225 (von denen nur die Elektroden 212, 223 und 213 dargestellt sind) nur einen kleinen Anteil des einfallenden Lichts 142 daran hindern, die photoleitfähige Schicht 206 zu erreichen, indem die Elektroden aus einem transparenten Material hergestellt werden. Eine Anzahl geeigneter leitfähiger transparenter Materialien sind aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO) und eine dünne Silberschicht.
Alternativ kann der PCS eingerichtet sein, so daß seine Elektroden kein einfallendes Licht daran hindern, zu der photoleitfähigen Schicht durchzudringen. Dies wird vorgesehen, indem der PCS derart eingerichtet ist, daß das einfallende Licht die photoleitfähige Schicht durch die untere Grenzschicht erreicht, in der keine Elektroden vorgesehen sind, die einfallendes Licht absorbieren oder reflektieren.
Die 9 zeigt eine vierte Ausführung 400 eines erfindungsgemäßen PCS mit einer Umwandlungseffizienz, die noch höher liegt. Die Struktur des PCS 400 gleicht der des PCS 200, der in 5 dargestellt ist. Die Elemente des PCS 400, die Elementen des PCS 200 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden hier nicht weitergehend beschrieben. Die Gesamt-Umwandlungseffizienz η des PCS wird erhöht, indem sowohl der Elektrodendurchlässigkeitsfaktor η_s erhöht wird, und indem der Absorptionsgrad η_α der photoleitfähigen Schicht deutlich erhöht wird.
In dem PCS 400 ist das Substrat 402 ein Wafer aus einem Material, das in dem Bereich der Wellenlängen des einfallenden Lichtes 142, welches von der photoleitfähigen Schicht 406 absorbiert wird, transparent ist. Dadurch kann der PCS 400 einfallendes Licht durch das Substrat hindurch empfangen, wobei dort keine Elektroden vorgesehen sind, die Anteile des einfallenden Lichtes absorbieren oder reflektieren. Dadurch erhöht sich der Elektrodendurchlässigkeitsfaktor η_s auf nahezu 100 %. Ferner umfaßt der PCS 400 die Spiegelschicht 456, die auf der Oberfläche des PCS entfernt von dem Substrat gelegen angeordnet ist. Die Spiegelschicht erhöht den Absorptionsgrad η_α der photoleitfähigen Schicht 406 deutlich, indem einfallendes Licht, welches durch die photoleitfähige Schicht läuft, ohne absorbiert zu werden, zurück in die photoleitfähige Schicht reflektiert wird.
In dem dargestellten Beispiel ist das Substrat 402 ein Wafer aus InP, die photoleitfähige Schicht 406 ist eine Schicht aus InGaAs und die obere Grenzschicht 408 ist eine Schicht aus (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5As. Das Substratmaterial ist in WB-Material, so daß die untere Grenzschicht 404 in dem dargestellten Beispiel einteilig mit dem Substrat ausgebildet ist. Ferner ist, wie oben bemerkt, das Substratmaterial in den Wellenlängenbereichen des einfallenden Lichtes 142, das von der photoleitfähigen Schicht 406 absorbiert wird, transparent. Für das Substrat 402, die photoleitfähige Schicht 406 und die obere Grenzschicht 408 können andere Materialien verwendet werden. Ferner kann die untere Grenzschicht 404 eine getrennte Schicht aus WB-Material sein, die auf dem Substrat 402 aufgebracht ist oder dort gewachsen ist, anstatt einteilig mit dem Substrat ausgebildet zu sein.
Die Oberfläche 480 des Substrats, welches entfernt von den Elektroden liegt, von denen nur die Elektroden 212, 213 und 223 dargestellt sind, ist mit der Antireflektionsbeschichtung 462 beschichtet, welche eine 100 nm dicke Schicht aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) ist, um den Reflektionsgrad der Oberfläche 480 des Substrats für das einfallende Lichts 142 zu verringern.
Der PCS 400 ist in einer Weise befestigt, die es ermöglicht, daß das einfallende Licht die Oberfläche 480 des Substrats 402 beleuchtet. Beispielsweise können Flip-Chip-Bonding-Techniken verwendet werden, um den PCS auf einen geeigneten Sockel bzw. Header (nicht dargestellt) zu befestigen, wobei das Substrat orientiert ist, um das einfallende Licht 142 von dem Laser oder von der LED, die das einfallende Licht erzeugt, zu empfangen. Das einfallende Licht läuft durch das Substrat, um die photoleitfähige Schicht 406 zu erreichen. Da keine Elektroden in dem Weg des einfallenden Lichtes angeordnet sind, ist der Elektrodendurchlässigkeitsfaktor η_s nahezu 100 %.
Der PCS 400 wird hergestellt, indem zunächst eine Struktur ausgebildet wird, die im wesentlichen der von PCS 200 gleicht. Jedoch werden andere Materialien für das Substrat 402, die Grenzschichten 404 und 408 und die photoleitende Schicht 406, wie sie oben beschrieben sind, verwendet. Ferner wird die Si₃N₄-Antireflektionsbeschichtung 256 weggelassen, und die Spiegelschicht 456 wird statt dessen auf der Oberfläche des PCS entfernt von dem Substrat 402 angeordnet. In diesem Beispiel ist die Spiegelschicht 456 ein verteilter Bragg-Reflektor, der aus mehreren Paaren von Teilschichten (sub-layers) dielektrischen Materials zusammengesetzt ist. Ein beispielhaftes Teilschichtenpaar ist mit dem Bezugszeichen 460 dargestellt. Das Teilschichtenpaar 460 ist aus einer 147 nm dicken Schicht aus SiO₂ und einer 99 nm dicken Schicht aus TiO₂ ausgebildet. Diese Dicke entspricht einem Viertel der Wellenlänge des einfallenden Lichts 142 in den jeweiligen Materialien, wie oben beschrieben ist. Durch den starken Unterschied des Brechungsindex zwischen SiO₂ und TiO₂ der Teilschichten (1,45 für SiO₂ und 2,15 für TiO₂), sind nur drei Teilschichtenpaare notwendig, um einen Reflektionsgrad von ungefähr 90 % vorzusehen. Ein solcher Reflektionsgrad erhöht den effektiven Absorptionsgrad η_α der photoleitfähigen Schicht 406 auf ungefähr 98 %. Nachdem die Spiegelschicht aufgebracht wurde, wird der Teil der Spiegelschicht 456, der über den Bonding-Kontaktflächen 111 und 121 (2) liegt, weggeätzt. Schließlich wird die Antireflektionsschicht 462, d.h. eine 100 nm dicke Schicht aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), auf die Oberfläche 480 des Substrats aufgebracht.
Die Gesamt-Umwandlungseffizienz des PCS 400 wird bestimmt als: η = η_c × η_s × n_r × η_α × η_i = 95 % × 100 % × 99 % × 98 % × 95 % = 88 %. Die Verbesserung der Gesamt-Umwandlungseffizienz η entspricht zu einem AN-Widerstand R_s(on) des Halbleiterwegs, der ungefähr die Hälfte des AN-Widerstands des PCS 200 beträgt. Gleiche Ergebnisse werden für eine Ausführung vorhergesagt, die auf dem in 8 dargestellten PCS 300 basiert, in der die Elektroden 212–214 und 222–225 aus einem transparenten Elektrodenmaterial Indiumzinnoxid (ITO) hergestellt werden, anstatt aus einem üblichen opaken Elektrodenmaterial.
Die 10 zeigt eine fünfte Ausführung 500 eines PCS gemäß der Erfindung, in dem die Gesamt-Umwandlungseffizienz η derjenigen des gerade beschriebenen PCS 400 entspricht. Die Elemente des PCS 500, die Elementen der oben beschriebenen PCS 200 und 400 entsprechen, werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und werden hier nicht wiederholt beschrieben. Wie in dem PCS 400 wird die Umwandlungseffizienz η des PCS 500 erhöht, indem sowohl der Elektrodendurchlässigkeitsfaktor η_s erhöht wird, und indem der Absorptionsgrad η_α der photoleitfähigen Schicht wirksam erhöht wird. Der PCS 500 umfaßt das Durchgangsloch 560, das durch die Dicke des Substrats 502 hindurch geätzt wurde, um es einfallendem Licht zu erlauben, die untere Grenzschicht 204 zu beleuchten und die untere Grenzschicht zu durchlaufen, um die photoleitfähige Schicht 206 zu erreichen. Da keine Elektroden in dem Weg des einfallenden Lichts angeordnet sind, wird dadurch der Elektrodendurchlässigkeitsfaktor η_s auf nahezu 100 % erhöht, wobei das Material des Substrats in dem Wellenlängenbereich des einfallenden Lichts, das von der photoleitfähigen Schicht absorbiert wird, opak sein kann. Der PCS 500 umfaßt ferner die Spiegelschicht 456 über der Oberfläche des PCS, entfernt gelegen von dem Substrat 502, wodurch der Absorptionsgrad η_α der photoleitfähigen Schicht 206 wie oben beschrieben effektiv erhöht ist.
In dem dargestellten Beispiel ist das Substrat 502 ein Wafer aus GaAs, die photoleitfähige Schicht 206 ist eine Schicht aus Al_xG_1-xAs und die Grenzschichten 204 und 208 sind Schichten aus Al_yGa_1-yAs, wobei x < y gilt. Das Substratmaterial ist für den Wellenlängenbereich des einfallenden Lichts 142, das von der photoleitfähigen Schicht absorbiert wird, absorbierend. Das Substratmaterial absorbiert ferner in den Wellenlängenbereichen des einfallenden Lichts, die von der photoleitfähigen Schicht in anderen Materialkombinationen, aus denen der PCS hergestellt werden kann, absorbiert werden. Es ist ferner vorteilhaft, das Durchgangsloch 560 durch die Dicke des Substrats auch in Ausführungen des PCS hindurch zu ätzen, in denen das Substratmaterial in dem Bereich der Wellenlängen des einfallenden Lichts, die von der photoleitfähigen Schicht absorbiert werden, nominell transparent sind, da das Durchgangsloch die Absorption des einfallenden Lichts verringert, die anderenfalls durch das Durchlaufen des einfallenden Lichts durch die Dicke des Substrats hindurch auftreten würde.
Das Ätzen des Durchgangslochs 560 führt zu dem Problem des Steuerns des Ätzprozesses, wobei das Steuern darauf abzielt, daß sich das Durchgangsloch durch die gesamte Dicke des Substrats 502 erstreckt, jedoch nicht die gesamte oder Teile der unteren Grenzschicht 204 entfernt wird. Dies ist insbesondere schwierig, da die Dicke der unteren Grenzschicht sehr schmal im Vergleich zu der Dicke des Substrats ist (weniger als 0,1 μm im Vergleich zu mehr als 100 μm). Dieses Problem wurde von den Erfindern gelöst, indem Material für die untere Grenzschicht verwendet wird, das mit einem vorgegebenen Ätzmittel bei einer wesentlich langsameren Rate als das Material des Substrats geätzt wird. Dadurch kann die untere Grenzschicht als Ätzstopper für den Ätzprozeß dienen. Wenn beispielsweise das Material des Substrats GaAs ist, kann die untere Grenzschicht 204 eine Schicht aus AlGaAs sein, wobei dies als effektiver Ätzstopper dient, wenn GaAs geätzt wird. Dieses Verfahren zum Ausbilden des Durchgangslochs 560 basiert auf dem Verfahren, daß von H. Tanobe et al. in den Japanese Journal of Applied Physics, (1992) Bd. 42, S. 1597 beschrieben ist, das zum Herstellen eines oberflächenemittierenden Lasers dient, und wird hier nicht weitergehend beschrieben.
Der PCS 500 wird mit einem Verfahren hergestellt, das auf dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen des PCS 400 basiert, bis auf die Tatsache, daß für das Substrat 502, die photoleitfähige Schicht 206 und die obere Grenzschicht 208 andere Materielien verwendet werden. Ferner wird in dem dargestellten Beispiel eine getrennte Schicht aus WB-Material auf dem Substrat aufgebracht, um die untere Grenzschicht 204 zu bilden, wie es in dem PCS 200 der Fall ist. Nachdem die Spiegelschicht 456 aufgebracht wurde und der Anteil der Spiegelschicht, der über den Bonding-Kontaktflächen 111 und 121 (2) liegt, weggeätzt wurde, wird die Oberfläche 580 des Substrats 502, welches entfernt von der Spiegelschicht 456 liegt, mittels einer Schicht aus Photoresist-Material maskiert, bis auf die Fläche, in der das Durchgangsloch 560 liegen soll. Daraufhin wird der PCS mittels eines chemischen Ätzmittels geätzt, das GaAs mit einer deutlich höheren Rate als AlGaAs ätzt. Ätzmittel des Ammonium-Systems sind aus dem Stand der Technik bekannt und sehen ein Ätzratenverhältnis von mehr als 10:1 vor. Ein Beispiel für ein solches Ätzmittel ist eine Mischung aus Wasserstoffperoxid und Ammoniumhydroxid. Die Verwendung eines solchen Ätzmittels ermöglicht es, daß die untere Grenzschicht 204 als Ätzstopper wirkt, wenn das Durchgangsloch geätzt wird.
Nach dem Ätzen des Durchgangslochs 506 in das Substrat 502 wird die Antireflektionsbeschichtung 562, eine 100 nm dicke Schicht aus Siliciumnitrid (Si₃N₄), auf die Oberflä che 580 des Substrats, auf die Seitenwände des Durchgangslochs und auf die exponierte Oberfläche der oberen Grenzschicht 204 aufgebracht.
Die Gesamt-Umwandlungseffizienz des PCS 500 ist: η = η_c × η_s × η_r × η_α × η_i = 95 % × 100 % × 99 % × 98 % × 95 % = 88 %. Die Verbesserung der Gesamt-Umwandlungseffizienz η führt zu einem AN-Widerstand R_s(on) des Halbleiterwegs von ungefähr der Hälfte des AN-Widerstands des PCS 200.
Es ist ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen exakten Ausführungen beschränkt ist, und daß zahlreiche Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung ausgeführt werden können, der von den angefügten Ansprüchen definiert wird, obwohl diese Offenbarung der Darstellung dienende Ausführungen der Erfindung im Detail beschreibt.

Claims

Photoleitfähiger Schalter (100, 200, 300, 400, 500), umfassend: eine erste Grenzschicht (108, 208) aus einem ersten Halbleitermaterial mit einer ersten Bandlückenenergie und einem ersten Leitungstyp; einer zweiten Grenzschicht (104, 204, 304, 404) aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einer zweiten Bandlückenenergie; eine photoleitfähige Schicht (106, 206, 406) aus einem dritten Halbleitermaterial mit einer dritten Bandlückenenergie und einem zweiten Leitungstyp, der entgegengesetzt zu dem ersten Leitungstyp ist, wobei die photoleitfähige Schicht (106, 206, 406) zwischen der ersten Grenzschicht (108, 208) und der zweiten Grenzschicht (104, 204, 304, 404) liegt, wobei die dritte Bandlückenenergie kleiner als die erste und zweite Bandlückenenergie ist, und eine erste Elektrode (112–114, 212–214) und eine zweite Elektrode (122–125, 222–225), die voneinander getrennt sind und auf einer Oberfläche der ersten Grenzschicht (108, 208), entfernt von der photoleitfähigen Schicht (106, 206, 406) angeordnet sind, wobei: das Beleuchten eines Teils der photoleitfähigen Schicht (104, 204, 304,404) mit darauffallendem Licht (142) die Leitung durch die photoleitfähige Schicht (104, 204, 304, 404) zwischen der ersten Elektrode (112–114, 212–214) und die zweite Elektrode (122–125, 222–225) erhöht.
Photoleitfähiger Schalter (300) nach Anspruch 1, in dem die zweite Grenzschicht eine Spiegelschicht (304) umfaßt.
Photoleitfähiger Schalter (500) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der photoleitfähige Schalter ferner ein Substrat (502) umfaßt, das die zweite Grenzschicht (204) trägt; und das Substrat (502) ein Durchgangsloch (560) definiert, welches Teile der zweiten Grenzschicht (204) freigibt.
Photoleitfähiger Schalter (400, 500) nach einem der vorangehenden Ansprüche, der ferner eine Spiegelschicht (456) an der Oberfläche der ersten Grenzschicht (208) umfaßt.
Photoleitfähiger Schalter (400) nach Anspruch 3 oder 4, in dem: das Substrat (402) aus einem Material zusammengesetzt ist, das in einem Wellenlängenbereich transparent ist, der von der photoleitfähigen Schicht absorbiert wird; und das Substrat (402) die photoleitfähige Schicht (406) und die ersten Grenzschicht (208) trägt.
Photoleitfähiger Schalter (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: der photoleitfähige Schalter ferner ein Substrat (402) umfaßt,; und die zweite Grenzschicht (404) einheitlich mit dem Substrat (402) ausgebildet ist.
Photoleitfähiger Schalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Bandlückenenergie und die zweite Bandlückenenergie mindestens 25 meV größer als die dritte Bandlückenenergie ist.
Photoleitfähiger Schalter (200) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der ferner eine Schicht mit (a) einem Gradientenaufbau oder (b) einem Chirped-Supergitter-Mehrschicht-Film umfaßt, wobei die Schicht zwischen der photoleitfähigen Schicht (206) und der ersten Grenzschicht (208) liegt.
Photoleitfähiger Schalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste Halbleitermaterial Al_yGa_1-yAs ist, mit 0,02 < y < 1,0, und das dritte Halbleitermaterial Al_xGa_1-xAs ist, wobei gilt: x < y.
Photoleitfähiger Schalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei: der photoleitfähige Schalter ferner eine Lichtquelle umfaßt, die angeordnet ist, um die photoleitfähige Schicht (106, 206) mit dem einfallenden Licht (142) zu beleuchten; die Grenzschicht, durch die das einfallende Licht auf die lichtleitende Schicht trifft, eine transparente Grenzschicht ist, die eine Dicke t_c hat, und die lichtleitende Schicht (106, 206) eine Dicke d aufweist; das Halbleitermaterial der transparenten Grenzschicht einen Absorptionskoeffizienten von α_c und das dritte Halbleitermaterial einen Absorptionskoeffizienten α_p hinsichtlich des einfallenden Lichts aufweist; das Produkt t_cα_c der Dicke der transparenten Grenzschicht und des Absorptionskoeffizienten des Halbleitermaterials der durchlässigen Grenzschicht einen Wert hat, der im Vergleich zu eins klein ist; und das Produkt dα_p der Dicke der photoleitfähigen Schicht (106, 206) und des Absorptionskoeffizienten des dritten Halbleitermaterials einen Wert aufweist, der größer als eins ist.
Photoleitfähiger Schalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in dem das erste Halbleitermaterial stärker dotiert ist als das dritte Halbleitermaterial.