DE69725649T2

DE69725649T2 - Elektrischer Schalter mit Photoleiter

Info

Publication number: DE69725649T2
Application number: DE69725649T
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Pocholle; Daniel Kaplan; Thibaut De Saxce; Franck Lacassie
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2017-05-24
Also published as: DE69725649D1; FR2749721B1; FR2749721A1; US5912455A; EP0812067A1; EP0812067B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schalter mit Photoleiter.
Die elektrische Durchschaltung mittels Photoleiter besteht darin, zwei Schaltungselemente über ein halbleitendes Material miteinander zu verbinden, das im Dunkeln stark isolierend wirkt, während es eine Verbindung herstellt, wenn dieses Festkörpermaterial einen dieses material leitend machenden Lichtfluß empfängt. Der Leitzustand beruht also auf der Erzeugung von elektrisch geladenen Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) mittels Licht.
Das elektrische Schalten mittels Photoleitern bietet im Vergleich zu anderen Schaltarten (mechanisch, elektrischer Lichtbogen und Gasentladungen u. s. w.) zahlreiche Vorteile:

– galvanische Isolierung des Schaltorgans,
– sehr kurze intrinsische Reaktionszeit entsprechend dem verwendeten Laserimpuls,
– keine Schwankungen im Augenblick des Durchschaltens des Stroms, wenn das Licht auftrifft.

Die optische Steuerquelle wird von einem Laser gebildet. Man erzeugt heute extrem kurze Lichtimpulse (einige 10^–15 Sekunden) in solchen Quellen, sodaß sich elektrische Impulse mit sehr steilen Flanken ergeben.
Im Fall elektrischer Impulse großer Leistung, beispielsweise im Megawattbereich, unterliegt der Photoleiter hohen Strömen (im kA-Bereich). Man möchte also über einen Lichtleiter großen Querschnitts verfügen, beispielsweise von einigen mm². Außerdem erfordert die Durchschaltung hoher Spannungen (im Kilovoltbereich) die Verwendung von Schaltstrukturen einer ausreichenden Länge (einige Millimeter), um zu verhindern, daß das Durchschlagsfeld des Materials erreicht wird. Alle Abmessungen liegen also in der Größenordnung von mindestens einem Millimeter, und man möchte gerne Ladungsträger im ganzen Volumen erzeugen.
Die Lichtabsorption der Halbleitermaterialien bei einer gegebenen Wellenlänge ist im allgemeinen entweder sehr gering (die Photonenenergie liegt unterhalb der Energie des verbotenen Bands des Materials) oder sehr hoch (Absorptionskoefizient) bei mehreren hundert cm^–1, sobald die Energie des Photons größer als die ist, die dem verbotenen Band zugeordnet ist. Die Suche nach Zwischenwerten für den Absorptionskoeffizient erfordert eine relativ präzise Abstimmung zwischen der Anregungswellenlänge (Laser) und der Schwellen-Wellenlänge des Halbleiters (in Verbindung mit der Energie des verbotenen Bands. Diese Abstimmung wird im allgemeinen nicht erreicht.
Da außerdem die Absorption sehr hoch ist, erfolgt diese im allgemeinen an der Oberfläche des Materials. Die Dicke des ionisierten Materials ist also sehr gering. Der Querschnitt des Materials senkrecht zur Schaltrichtung und damit zur Flußrichtung eines durchzuschaltenden Stroms ist sehr gering. Wenn ein starker Strom geschaltet werden soll, besteht die Gefahr, daß das Material in der Absorptionszone aufgrund der Erwärmung durch den durchfließenden Strom beschädigt wird.
Bestimmte Halbleiter wie Silizium besitzen geringere Absorptionskoeffizienten bei Wellenlängen unterhalb der Absorptionsschwelle (im Vergleich zu GaAs). Sie haben aber Grenzen beim Durchschalten großer Leistungen. Außerdem sind die Eigenschaften der Ladungsträger in diesen Halbleitern ungünstig, wenn man eine wirksame Durchschaltung erzielen möchte (geringe Mobilität der Ladungsträger).
Ziel der Erfindung ist also ein elektrischer Schalter mit Photoleiter, der eine Durchschaltung großer Ströme erlaubt.
Gegenstand der Erfindung ist also ein elektrischer Schalter mit Photoleiter, der ein Element aus Photoleitermaterial mit zwei Elektroden zu beiden Seiten einer aktiven Zone und zumindest eine Lichtquelle enthält, die mindestens einen die aktive Zone beleuchtenden Lichtstrahl aussendet, dessen Wellenlänge einer unter der Energie des verbotenen Bands des Photoleiterelements liegenden Photonenenergie entspricht und dessen Intensität so gewählt ist, daß sich eine Energie-Kombination von mindestens zwei Photonen in dem Photoleiterelement ergibt.
Die verschiedenen Gegenstände und Merkmale der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt ein Beispiel für die vereinfachte Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die 2a und 2b erläutern schematisch den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die 3 bis 5 sind Arbeitskennlinien beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
6 zeigt genauer ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalters.
Anhand von 1 wird nun ein Beispiel einer vereinfachten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters beschrieben.
Ein Element 1 aus photoleitendem Material besitzt an zwei einander entgegengesetzten Enden je eine Elektrode 2, 2'. Zwischen diesen beiden Elektroden wird eine Zone 3 von einem von einer Quelle 4 ausgehenden Lichtstrahl 5 beleuchtet. Beispielsweise ist die Wellenlänge des Lichtstrahls 5 derart, daß seine Photonenenergie kleiner/gleich der Energie der Breite des verbotenen Bands des Photoleitermaterials 1 ist. Außerdem ist die Lichtstärke des Strahls derart, daß sich ein Absorptionsphänomen für zwei Photonen ergibt, oder, anders ansgedrückt, derart, daß die Summe der Energien von zwei Photonen der Energie des verbotenen Bands des Photoleitermaterials entspricht.
Die tatsächliche Distanz, über die die Ladungsträger erzeugt werden, liegt im Millimeterbereich, sodaß man ein Plasmavolumen erzeugen kann, das in erster Linie flächig ist. Erfindungsgemäß wird das Absorptionsphänomen mit zwei Photonen (A2P) in dieser Perspektive verwendet.
Der Absorptionsmechanismus mit zwei Photonen führt zur Anregung eines Halbleitermaterials im transparenten Bereich dieses Materials. Der Einfluß der Wellenlänge ist schematisch in 2a und 2b dargestellt.
Dieses nichtlineare Phänomen tritt für eine hohe Dichte der Lichtanregung auf. Seine Funktion beruht auf der Existenz eines virtuellen Pegels einer sehr kurzen Lebensdauer. Dieser Mechanismus ist besonders wirkungsvoll, wenn die optische Steuerintensität auf das Halbleitermaterial in Form sehr kurzer Impulse einwirkt.
Es sei das Material GaAs betrachtet, das eine Energie des verbotenen Bands in der Nähe von 1,424 eV besitzt. Ein Photon aus einem Nd:YAG-Laser (oder einer anderen Matrix) besitzt eine Energie von 1,165 eV, und die Absorption zweier Photonen entspricht 2,33 eV (2a).
Die Verwendung einer bei etwa 1,55 μm arbeitenden Lichtquelle (die Photonenenergie beträgt 0,8 eV) erlaubt es, 1,6 eV gemäß dem nichtlinearen Absorptionsprozeß (2b) zu erreichen. Diese Quelle kann von einem Gaslaser gebildet werden, der mit Er³⁺ dotiert ist, oder von einer Laser-Lichtleitfaser (mit einem Faser-Verstärker).
Vernachlässigt man die Absorption durch die Ladungsträger, dann ergibt sich für die optische Intensität in dem Milieu folgendes Gesetz:
Hierbei ist α der lineare Intensitäts-Absorptionskoeffizient und β der Absorptionskoeffizient mit zwei Photonen. Diese Gleichung hat folgende Lösung:
I₀ ist die optische Intensität, die an das Halbleitermaterial gekoppelt ist, also:
E₀ ist die im Laserimpuls enthaltene Energie, während τ_L und w₀ die Impulsbreite beziehungsweise die Abmessung des Radius des Laserstrahls bei 1/e repräsentieren (Fall einer Gauss'schen Verteilung).
Beispielsweise betrachtet man das undotierte, sehr reine massive Halbleitermaterial GaAs. Der Absorptionskoeffizient bei der Wellenlänge λ = 1,06 μm liegt typisch zwischen α = 0,6 cm^–1 und α = 1,2 cm^–1. Der Absorptionskoeffizient β_exp, der mit zwei Photonen im Versuch erhalten wird, liegt bei etwa 20 cm/GW.
Dieser so beschriebene Betriebsmodus kann ausgehend von Halbleitermaterialien und Halbleiterlegierungen unterschiedlicher Art realisiert werden, was eine Realisierung in einem weiten Spektralbereich erlaubt. Das angeregte Volumen ist definiert durch den effektiven Querschnitt des Laserstrahls und den Kehrwert des Absorptionskoeffizienten (cm^–1).
Es sei nun die Lichtübertragung eines Plättchens aus GaAs mit einer Dicke von 500 μm betrachtet. Berücksichtigt man die Absorption bei zwei Photonen, dann läßt sich die Entwicklung des Lichtdurchgangs abhängig von der im Steuer-Lichtimpuls enthaltenen Energie berechnen. Bei der Wellenlänge von 1,064 μm erhält man abhängig von der Impulsbreite Durchlaßkennlinien, die in 3 dargestellt sind. Der Fokussierradius liegt bei 50 μm und der Koeffizient der linearen Restverluste liegt bei 1 cm^–1. Man erkennt, daß 90% der Energie durch den Absorptionsprozeß mit zwei Photonen für eine Laserenergie von 10 μJ absorbiert wird, die in einem Impuls einer Dauer von 10 ps enthalten ist, welcher mit dem Halbleitermaterial zusammenwirkt. Diese Wirksamkeit zeigt, daß der Absorptionsmechanismus mit zwei Photonen verwertet werden kann, um im Photoleiter Elektronen-Löcher-Paare zu erzeugen, die zur Bildung eines leitenden Volumenplasmas beitragen. Dagegen braucht man eine Energie von 100 μJ, um den Absorptionsgrad von 90% mit einem Impuls einer Dauer von 100 ps zu erreichen.
Eine andere Darstellung des Effekts besteht darin, die Lichttransmission abhängig von der Tiefe des Eindringens der Lichtstrahlen in das Halbleitermaterial (zum Beispiel GaAs) zu bewerten. Hierzu betrachtet man verschiedene Anregungsfälle:
Fall 1: Laserquelle Nd:YAG

– Die Energie jedes an den Halbleiter gekoppelten Impulses beträgt 1 μJ.
– Die Impulsdauer beträgt 1 ns.
– Die Fokussierdimension beträgt 250 μm.

Dies entspricht einer Intensität von 0,287 GW/cm² (Fluenz = 0,287 J/cm²).
Fall 2: Laserquelle Nd:YAG im Subnanosekundenbereich

– Die Energie jedes an den Halbleiter gekoppelten Impulses beträgt 10 μJ.
– Die Impulsdauer beträgt 100 ps.
– Die Fokussierdimension beträgt 100 μm.

Dies entspricht einer Intensität von 0,179 GW/cm² (Fluenz = 17,95 mJ/cm²).
Fall 3: Laserquelle Nd:YAG im Pikosekundenbereich

– Die Energie jedes an den Halbleiter gekoppelten Impulses beträgt 10 μJ.
– Die Impulsdauer beträgt 10 Pikosekunden.
– Die Fokussierdimension beträgt 100 μm.

Dies entspricht einer Intensität von 1,796 GW/cm² (Fluenz = 17,95 mJ/cm²).
Fall 4: Laserquelle Nd:YAG im Pikosekundenbereich

– Die Energie jedes an den Halbleiter gekoppelten Impulses beträgt 10 μJ.
– Die Impulsdauer beträgt 10 ps.
– Die Fokussierdimension beträgt 250 μm.

Dies entspricht einer Intensität von 0,287 GW/cm² (Fluenz = 2,87 mJ/cm²).
Die 4 und 5 zeigen die Entwicklung der Lichtdurchlässigkeit abhängig von der Eindringtiefe des Laserimpulses in das Halbleitermaterial. 4 entspricht dem Fall 1. 5 entspricht den Fällen 2, 3 und 4. Die zugeordnete Absorption beschreibt die Erzeugung von Ladungsträgern und somit die Einimpfung von Ladungsträgern in das Volumen ausgehend von einem Laserstrahl, dessen Wellenlänge im transparenten Bereich des Halbleitermaterials liegt. Man erkennt, daß die Lichtdurchlässigkeit abnimmt und damit die Absorption mit zwei Photonen zunimmt, wenn die Energie des Lichtimpulses steigt (Fall 1). Aber insbesondere stellt man fest, daß für eine bestimmte Lichtenergie (Fälle 1 bis 3) die Absorption besser bei einem Impuls kurzer Dauer und einer größeren Energiedichte je Flächeneinheit ist (Fall 3).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet folgende Vorteile:

– Minimierung der Erwärmungseffekte an der Oberfläche und im Volumen, was zur Verringerung mechanischer Belastungen führt und die mechanische Haltbarkeit und die Beschädigung der Zwischenschicht beeinflußt;
– das angeregte Volumen ist größer, was die Wirkungen der Fadenbildung und den Auger-Effekt verringert, sodaß ein größerer Strom durchgeschaltet werden kann, und die Verringerung des Gewichts der Schnittstelleneffekte (Rekombinationszentren) bewirkt;
– die optische Anregungswellenlänge muß nicht genau auf die des Absorptionsfensters (Rand des Bands) des Halbleiters abgestimmt werden;
– man kann die volumenmäßige Verteilung der Ladungsträger einstellen, indem man auf die Fokussierung innerhalb des Halbleitermaterials einwirkt.

Der Energiepegel und die Intensitäten, die für die Realisierung dieses Mechanismus mit Photoleitern erforderlich sind, werden heute ausgehend von Miniatur-Lichtquellen erreichbar, die extrem kurze Laserimpulse liefern. Außerdem ist es möglich, den Absorptionskoeffizient durch Beeinflussung der Fokussierung des Lichtstrahls oder der Dauer des Laserimpulses einzustellen.
Die Dauer eines Impulses liegt zwischen einer Subpikosekunde und einer Subnanosekunde. Beispielsweise liegt sie zwischen einigen 10^–15 oder 10^–14 Sekunden und einigen 10^–10 Sekunden.
Beispielsweise ergibt die Verwendung eines Lasers, der bei 1,06 μm eine Energie von 10 μJ in einem Impuls einer Dauer von 1 ps liefert, einen Absorptionskoeffizient äquivalent zu 10 cm^–1 für einen Lichtfleck in der Größenordnung von 1 mm². Die Belichtung kann entweder direkt im Zwischenelektrodenbereich oder von der Rückseite aus erfolgen. Die Grenze wird in diesem Fall von der Breite des Impulses gebildet, der einen Abstand von etwa 100 μm während einer Belichtungsdauer von 1 ps in GaAs besetzt.
Dagegen zeigt sich bei der Schwelle der optischen Schädigung, daß die kritische Fluenz (in J/cm²) gemäß einem Gesetz mit Δτ^1/2 für eine Impulsdauer um einige 100 ps und mehr variiert, während sie mit Δτ^–1 für eine Impulsdauer von 1 ps und weniger variiert. Der Vergleich der Fälle 2 und 4 zeigt, daß es nützlich ist, mit kurzen Impulsen hinsichtlich der Fluenz für einen Absorptionseffekt mit zwei Photonen zu arbeiten.
Der Mechanismus wurde unter Betrachtung der üblichen Strukturen von Festkörper-Entladungsstrecken beschrieben. Es ist auch möglich, diese Wechselwirkung zu nutzen, indem man eine Konfiguration benutzt, die als Photoleiter im Quer-Multimodus bezeichnet werden kann. Diese Konfiguration ist in 6 gezeigt. Die Schicht oder die Schichten des Photoleiter-Materials befinden sich zwischen zwei Elektroden oder zwischen einem Substrat S und einer Elektrode E1. Der Lichtstrahl F fällt auf die Vorrichtung in einer Ebene der Schicht oder Schichten aus Photoleitermaterial.
Die Eigenschaften einer solchen Struktur werden bestimmt durch:

– die Möglichkeit der Verwendung der "lift-off"-Technik, die das Aufbringen eines aktiven Materials auf ein thermisch geeignetes Material erlaubt, nämlich Silizium oder Saphir (der bei 1,06 μm transparent ist);
– die Steuerung hängt von der Polarisierung des anregenden Strahls ab (Auswahlregel: Kopplung der elektromagnetischen Wellen an die Übergänge zwischen schweren und leichten Elektronen-Lochpaaren);
– der optische Einschluß ist günstig für den Absorptionsbetrieb mit zwei Photonen;
– die Länge der Wechselwirkung kann erheblich sein und die Verwendung von ausgeweiteten Strukturen in Höhe des Lichtleiters erlaubt es, die Dichte der photoinduzierten Ladungsträger zu verteilen;
– schließlich erlaubt diese Geometrie eine Stapelung ("stacking") von Mehrfachschaltern mit nur einer optischen Steuerung.

Claims

Elektrischer Schalter mit Photoleiter, der ein Element (1) aus Photoleitermaterial mit zwei Elektroden (2, 2') zu beiden Seiten einer aktiven Zone (3) und zumindest eine Lichtquelle (4) enthält, die mindestens einen die aktive Zone (3) beleuchtenden Lichtstrahl (5) aussendet, dessen Wellenlänge einer unter der Energie des verbotenen Bands des Photoleiterelements (1) liegenden Photonenenergie entspricht und dessen Intensität so gewählt ist, daß sich eine Energie-Kombination von mindestens zwei Photonen in dem Photoleiterelement ergibt derart, daß ein Absorptionsmechanismus mit zwei Photonen in dem Photoleiterelement zur Erzeugung von Ladungsträgern beiträgt, die das Photoleitermaterial leitend machen können.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl eine Wellenlänge besitzt, deren Wert der Photonenenergie zwischen der Hälfte der Energie des verbotenen Bands des Photoleiterelements und der Energie dieses verbotenen Bands liegt.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Lichtstrahls (5) einen Wert hat, bei dem eine Photonenabsorption mit zwei Photonen in dem Photoleiterelement möglich ist.
Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (5) in Form von Lichtimpulsen übertragen wird, deren Dauer im Bereich einer Sub-Pikosekunde bis zu einer Sub-Nanosekunde liegt.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung des Lichtstrahls auf das Photoleiterelement einstellbar ist.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (4) eine mit Neodym dotierte Laserquelle ist, die einen Lichtstrahl einer Wellenlänge von 1,064 oder 1,32 μm aussenden kann.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoleiterelement aus GaAs ist.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoleiterelement (1) eine ebene Form besitzt und daß die vom Lichtstrahl beleuchtete aktive Zone auf einer ebenen Hauptseite des Elements liegt.
Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoleiterelement (1) eine flache Form besitzt und vom Lichtstrahl (5) über eine ihrer Schnittflächen beleuchtet wird.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoleitermaterial GaAs ist und die Laserquelle ein mit Neodym dotierter YAG-Laser ist.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Lichtimpulses bei etwa 10 ps oder weniger liegt und daß die einfallende optische Fluenz größer als 1,5 mJ/cm² ist.