JP2008098576A - Photoconductive switch - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光導電スイッチに関する。 The present invention relates to a photoconductive switch.
従来、入射光量に依存して抵抗値が変化する光導電素子を用いて、光の入射により電気信号のスイッチングを行う光導電スイッチが実施されている(例えば、特許文献1、2参照)。光導電スイッチは、光が照射されると電極間の光導電素子の抵抗値が低くなりオンし、光が照射されていないと電極間の光導電素子の抵抗値が高くなりオフする。 2. Description of the Related Art Conventionally, a photoconductive switch that switches an electric signal by the incidence of light using a photoconductive element whose resistance value changes depending on the amount of incident light has been implemented (see, for example, Patent Documents 1 and 2). When the photoconductive switch is irradiated with light, the resistance value of the photoconductive element between the electrodes is lowered and turned on. When the light is not irradiated, the resistance value of the photoconductive element between the electrodes is increased and turned off.
図8を参照して、従来の光導電スイッチ700を説明する。図8(a)に、従来の光導電スイッチ700の上面を示す。図8(b)に、図8(a)における光導電スイッチ700のB7−B7’部の断面を示す。
A conventional
図8に示すように、光導電スイッチ700は、半絶縁性の半導体基板702と、広いエネルギー・バンド・ギャップ(以下、WBという)を備えn型にドープされた半導体材料の下側閉じ込め層704と、狭いエネルギー・バンド・ギャップ(以下、NBという)を備えp―型にドープされた半導体材料の光導電層706と、n型にドープされたWB材料の上側閉じ込め層708と、ボンディング・パッド730,740に結合された端子電極713,723と、から構成されている。
As shown in FIG. 8, a
光導電層706が、下側閉じ込め層704と上側閉じ込め層708との間に挟まれている。上側閉じ込め層708の露出表面には、狭いギャップによって分離された端子電極713及び723が配置されている。下側閉じ込め層704は、半絶縁性半導体基板702に成長又は堆積させられたWB材料の層として示されている。下側閉じ込め層704と上側閉じ込め層708との厚みは光導電層706に比べ薄く、入射光L7が存在しない時、完全に空乏化するように厚みを選択する。
A
上側閉じ込め層708のWB材料は、光導電層706に達する入射光L7の透過を最大にするため、入射光L7の波長において透明度が高いものとする。光導電層706のNB材料は、入射光L7の波長においてできる限り高い吸収率を備えるものとする。これらの特性によって、入射光L7の存在時、光導電層706は入射光L7のエネルギーを吸収し電子と正孔キャリアを多数発生しp―型半導体材料から導電体的な性質となる。
The WB material of the
ここで、光導電層706のバンド・ギャップは上下の閉じ込め層708、704より狭いため、正孔キャリアは光導電層706の領域に閉じ込められ、それに対応した電子キャリア数も維持された状態となる。したがって、走行速度の速い電子キャリアが均一に、ドーピング小でかつ表面順位の影響も少なく散乱の少ない光導電層706に存在することとなり、端子電極713と723とは低抵抗状態即ちオンとなる。
Here, since the band gap of the
一方、入射光L7が存在しない時、n型上側閉じ込め層708の全体と、p―型の光導電層706との接合部を含む上側または全体で空乏化がおきているため、端子電極713と723とは高抵抗状態即ちオフとなる。
On the other hand, when there is no incident light L7, depletion occurs on the upper side or the whole including the junction between the entire n-type
このように入射光L7の有無により、端子電極713と723とのオン、オフを制御する。かつオン状態の抵抗は低い値を実現できる。結果として、光導電スイッチ700については、小型にできるためオフ時の寄生容量を小さくでき、DCから高周波に至るスイッチ特性を実現できる。
しかし、従来の光導電スイッチ700において、端子電極713及び723の両方が、上側閉じ込め層708の露出表面にあるため、端子電極713及び723の存在部分の入射光L7は反射され、入射光L7の利用効率が良くない。したがって、入射光L7に大きい光出力が求められ、結果として、発光部の消費電力が大きくなること、発光部で発生する熱によりその寿命が制限されること、また発光部に高効率の発光素子を要すためスイッチとしては高価になってしまうことなどの問題点がある。端子電極713及び723の幅は、電極の導体損失と上側閉じ込め層708とのオーミック接合抵抗とも関連しており、過度に細くはできない。
However, in the conventional
また、引用文献1には端子電極713及び723に導電性半透明材料、例えば、酸化インジウム・スズ(ITO)及び銀の薄層、を用いて入射光の利用効率を改善することについても言及されているが、電極の導体損失、オーミック接合抵抗の劣化があり、必ずしも特性が改善する訳ではなかった。
Reference 1 also mentions that the
また、引用文献1には裏面より入射光を照射し、入射光の利用効率を100%程度まであげる方法が開示されているが、この場合裏側に発光素子を具備するための配線加工や、基板加工が必要になるため製造工程が極めて困難になっていた。 Reference 1 discloses a method of irradiating incident light from the back surface to increase the utilization efficiency of incident light to about 100%. In this case, wiring processing for providing a light emitting element on the back side, a substrate, Since processing is required, the manufacturing process has become extremely difficult.
また、光導電層706が横方向(図8(b)で水平方向)に広がるのと、現実的な発光素子の発光出力で実用的な導通抵抗とを実現するため、光導電スイッチ700は図8(a)に示すように、いくつかを並列に配置接続する必要がある。この結果、当該光導電スイッチ面積およびそれに対応した発光素子の発光部面積が大きいことも問題となっていた。
In addition, the
本発明の課題は、入射光の利用効率を上げ性能を向上し且つ小型化した光導電スイッチを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a photoconductive switch that increases the utilization efficiency of incident light, improves the performance, and is miniaturized.
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明の光導電スイッチは、
第1の端子電極と、
第2の端子電極と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極の間に、当該第1の端子電極側から順に、
入射光が入射及び通過される広いバンドギャップ材料の第1の閉じ込め層と、
前記通過された入射光によりキャリアが励起される狭いバンドギャップ材料の光導電層と、
広いバンドギャップ材料の第2の閉じ込め層と、
半導体基板と、を備えることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, a photoconductive switch according to claim 1 is provided.
A first terminal electrode;
A second terminal electrode,
Between the first terminal electrode and the second terminal electrode, in order from the first terminal electrode side,
A first confinement layer of wide bandgap material through which incident light is incident and passed;
A photoconductive layer of a narrow bandgap material in which carriers are excited by the transmitted incident light;
A second confinement layer of wide bandgap material;
And a semiconductor substrate.
請求項2に記載の発明の光導電スイッチは、
第1の端子電極と、
第2の端子電極と、
前記第2の端子電極に接続された電流拡散層と、
半導体基板と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記電流拡散層の間に、当該第1の端子電極側から順に、
入射光が通過される広いバンドギャップ材料の第1の閉じ込め層と、
前記通過された入射光によりキャリアが励起される狭いバンドギャップ材料の光導電層と、
広いバンドギャップ材料の第2の閉じ込め層と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極は、前記入射光の入射側の表面上に設けられることを特徴とする。
The photoconductive switch of the invention according to claim 2 is
A first terminal electrode;
A second terminal electrode;
A current spreading layer connected to the second terminal electrode;
A semiconductor substrate,
Between the first terminal electrode and the current diffusion layer, in order from the first terminal electrode side,
A first confinement layer of wide bandgap material through which incident light is passed;
A photoconductive layer of a narrow bandgap material in which carriers are excited by the transmitted incident light;
A second confinement layer of wide bandgap material;
The first terminal electrode and the second terminal electrode are provided on a surface on the incident side of the incident light.
請求項3に記載の発明の光導電スイッチは、
第1の端子電極と、
第2の端子電極と、
入射光が入射及び通過される半導体層と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記半導体層の間に、当該第1の端子電極側から順に、
広いバンドギャップ材料の第1の閉じ込め層と、
前記入射光によりキャリアが励起される狭いバンドギャップ材料の光導電層と、
前記入射光が通過される広いバンドギャップ材料の第2の閉じ込め層と、
前記入射光が通過され、前記第2の端子電極に接続された電流拡散層と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極は、前記入射光の入射側と反対側の表面上に設けられることを特徴とする。
The photoconductive switch according to claim 3 is provided.
A first terminal electrode;
A second terminal electrode;
A semiconductor layer through which incident light is incident and passed,
Between the first terminal electrode and the semiconductor layer, in order from the first terminal electrode side,
A first confinement layer of wide bandgap material;
A photoconductive layer of a narrow bandgap material in which carriers are excited by the incident light;
A second confinement layer of wide bandgap material through which the incident light passes;
A current diffusion layer through which the incident light passes and connected to the second terminal electrode,
The first terminal electrode and the second terminal electrode are provided on a surface opposite to the incident side of the incident light.
請求項4に記載の発明の光導電スイッチは、
第1の端子電極と、
第2の端子電極と、
半導体基板と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記半導体基板の間に、当該第1の端子電極側から順に、
入射光を反射する広いバンドギャップ材料の第1のミラー層と、
前記入射光によりキャリアが励起される狭いバンドギャップ材料の光導電層と、
前記入射光が通過され、前記第2の端子電極に接続された広いバンドギャップ材料の電流拡散層と、
前記入射光を出力する活性層と、
前記入射光を反射する第2のミラー層と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極は、前記入射光の入射側と反対側の表面上に設けられることを特徴とする。
The photoconductive switch of the invention according to claim 4 is,
A first terminal electrode;
A second terminal electrode;
A semiconductor substrate,
Between the first terminal electrode and the semiconductor substrate, in order from the first terminal electrode side,
A first mirror layer of a wide bandgap material that reflects incident light;
A photoconductive layer of a narrow bandgap material in which carriers are excited by the incident light;
A current spreading layer of a wide bandgap material through which the incident light is passed and connected to the second terminal electrode;
An active layer for outputting the incident light;
A second mirror layer that reflects the incident light,
The first terminal electrode and the second terminal electrode are provided on a surface opposite to the incident side of the incident light.
請求項5に記載の発明の光導電スイッチは、
入射光が通過される広いバンドギャップ材料の第1の閉じ込め層と、
前記通過された入射光によりキャリアが励起される狭いバンドギャップ材料の光導電層と、
広いバンドギャップ材料の第2の閉じ込め層と、を備える光導電部と、
電流拡散層と、
第1の端子電極と、
第2の端子電極と、
半導体基板と、を備え、
前記光導電部は、溝により分割され、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極は、前記入射光の入射側と反対側の表面上に設けられ、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極の間に、前記分割された複数の光導電部が直列に接続されることを特徴とする。
The photoconductive switch of the invention according to claim 5 is:
A first confinement layer of wide bandgap material through which incident light is passed;
A photoconductive layer of a narrow bandgap material in which carriers are excited by the transmitted incident light;
A photoconductive portion comprising a second confinement layer of wide bandgap material;
A current spreading layer;
A first terminal electrode;
A second terminal electrode;
A semiconductor substrate,
The photoconductive portion is divided by a groove,
The first terminal electrode and the second terminal electrode are provided on a surface opposite to the incident side of the incident light,
The plurality of divided photoconductive portions are connected in series between the first terminal electrode and the second terminal electrode.
請求項6に記載の発明の光導電スイッチは、請求項5に記載の光導電スイッチにおいて、
前記光導電スイッチ部は、複数の溝により分割されることを特徴とする。
The photoconductive switch according to claim 6 is the photoconductive switch according to claim 5,
The photoconductive switch unit is divided by a plurality of grooves.
請求項7に記載の発明は、請求項1、2、3、5又は6のいずれか一項に記載の光導電スイッチにおいて、
前記第1の閉じ込め層又は前記第2の閉じ込め層は、前記光導電層を通過した入射光を反射する副層を有することを特徴とする。
The invention according to claim 7 is the photoconductive switch according to any one of claims 1, 2, 3, 5 or 6.
The first confinement layer or the second confinement layer has a sub-layer that reflects incident light that has passed through the photoconductive layer.
請求項1に記載の発明によれば、電流経路を縦方向にする縦構造とし、入射光の入射表面に第1の端子電極を設けるので、入射光の利用効率を上げ光導電スイッチとしての性能を向上し且つ小型化できる。 According to the first aspect of the present invention, since the current path has a vertical structure and the first terminal electrode is provided on the incident surface of the incident light, the efficiency of incident light is increased and the performance as a photoconductive switch is achieved. And can be downsized.
請求項2に記載の発明によれば、電流経路を縦方向にする縦構造とし、第1の端子電極及び第2の端子電極を同一表面上に設けるので、入射光の利用効率を上げ光導電スイッチとしての性能を向上し且つ小型化できるとともに、外部との電気接続を行い易くできる。 According to the second aspect of the present invention, the current path is formed in a vertical structure, and the first terminal electrode and the second terminal electrode are provided on the same surface. The performance as a switch can be improved and the size can be reduced, and electrical connection with the outside can be easily performed.
請求項3に記載の発明によれば、電流経路を縦方向にする縦構造とし、第1の端子電極及び第2の端子電極を入射光の入射側と反対側の同一表面上に設けるので、入射光の利用効率を上げ光導電スイッチとしての性能を向上し且つ小型化できるとともに、外部との電気接続を行い易くできる。 According to the third aspect of the present invention, since the current path is a vertical structure having a vertical direction, the first terminal electrode and the second terminal electrode are provided on the same surface opposite to the incident light incident side. Increasing the efficiency of use of incident light, improving the performance as a photoconductive switch and reducing the size, and facilitating electrical connection with the outside.
請求項4に記載の発明によれば、電流経路を縦方向にする縦構造とし、第1の端子電極及び第2の端子電極を入射光の入射表面と反対側の同一表面上に設け、活性層により出力された入射光が光導電層に入射される経路に第1の端子電極及び第2の端子電極を設けないので、入射光の利用効率を上げ光導電スイッチとしての性能を向上し且つ小型化できるとともに、外部との電気接続を行い易くできる。 According to invention of Claim 4, it is set as the vertical structure which makes an electric current path the vertical direction, the 1st terminal electrode and the 2nd terminal electrode are provided on the same surface on the opposite side to the incident surface of incident light, and active Since the first terminal electrode and the second terminal electrode are not provided in the path through which the incident light output from the layer is incident on the photoconductive layer, the utilization efficiency of incident light is increased and the performance as a photoconductive switch is improved. It is possible to reduce the size and facilitate electrical connection with the outside.
請求項5に記載の発明によれば、電流経路を縦方向にする縦構造とし、第1の端子電極及び第2の端子電極を同一表面上に設け、複数の光導電部を直列に接続するので、入射光の利用効率を上げ光導電スイッチとしての性能を向上し且つ小型化でき、外部との電気接続を行い易くできるとともに、光導電スイッチの耐圧を向上できる。 According to the fifth aspect of the present invention, the current path is formed in a vertical structure, the first terminal electrode and the second terminal electrode are provided on the same surface, and a plurality of photoconductive portions are connected in series. Therefore, the utilization efficiency of incident light can be increased, the performance as a photoconductive switch can be improved and the size can be reduced, electrical connection with the outside can be facilitated, and the withstand voltage of the photoconductive switch can be improved.
請求項6に記載の発明によれば、複数の溝で分割された光導電部を直列に接続するので、光導電スイッチの耐圧をさらに向上できる。 According to the sixth aspect of the present invention, since the photoconductive portions divided by the plurality of grooves are connected in series, the breakdown voltage of the photoconductive switch can be further improved.
請求項7に記載の発明によれば、光導電層を通過する入射光を光導電層へ反射でき、入射光の利用効率をさらに上げることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, the incident light passing through the photoconductive layer can be reflected to the photoconductive layer, and the utilization efficiency of the incident light can be further increased.
以下、図面を参照して、本発明の第1〜第6の実施の形態について順に説明する。但し、発明の範囲は図示例に限定されない。 Hereinafter, first to sixth embodiments of the present invention will be described in order with reference to the drawings. However, the scope of the invention is not limited to the illustrated examples.
各実施の形態で説明する光導電スイッチは、光の照射・非照射でDC(直流)からマイクロ波に至る広帯域信号線路のオン・オフが制御される光導電スイッチである。特に超高速ディジタル信号のオン・オフ制御、経路切り替えの部分に適用される。応用製品としては、システムLSI(Large Scale Integration)やメモリなどの集積回路の計測器、テスター、移動体通信の基地局のアンテナ切り替えやバンド切り替え、ディジタル放送機器の回線切り替え器などがある。 The photoconductive switch described in each embodiment is a photoconductive switch in which on / off of a broadband signal line from DC (direct current) to microwave is controlled by light irradiation / non-irradiation. In particular, the present invention is applied to on / off control and path switching of ultrahigh-speed digital signals. Application products include measuring instruments for integrated circuits such as system LSI (Large Scale Integration) and memory, testers, antenna switching and band switching for mobile communication base stations, and line switching equipment for digital broadcasting equipment.
(第1の実施の形態)
図1を参照して、本発明に係る第1の実施の形態を説明する。図1(a)に、本実施の形態の光導電スイッチ100の上面を示す。図1(b)に、図1(a)における光導電スイッチ100のB1−B1’部の断面を示す。
(First embodiment)
A first embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A shows the top surface of the
図1に示すように、光導電スイッチ100は、第2の端子電極としての端子電極101と、n型の半導体基板102と、n型のWB半導体材料による第2の閉じ込め層としての下側閉じ込め層104と、p型もしくはi型のNB半導体材料による光導電層106と、n型のWB半導体材料の第1の閉じ込め層としての上側閉じ込め層108と、上側閉じ込め層108の露出表面の一部として、光導電スイッチ100の上面且つ左上端に配置された第2の端子電極としての端子電極113と、で構成される。端子電極101は、半導体基板102の裏面に配置される。
As shown in FIG. 1, the
光導電層106での入射光L1の吸収量は厚み方向に対し底をeとした指数関数的に減少するので、光導電層106の厚みは入射光L1の吸光長に比べ薄いものとし、光導電層106全てで入射光L1によるキャリアが発生するようにする。ただし、入射光L1の回折限界を超えて薄くはしない。
Since the absorption amount of the incident light L1 in the
上側閉じ込め層108は、電流拡散層としても動作させるため、面抵抗はできるだけ小さくなるよう、厚みが0.5μmから1μm程度で高ドーピング濃度とする。
Since the
下側閉じ込め層104、上側閉じ込め層108のWB半導体材料と、光導電層106のNB半導体材料との選択については、格子定数の整合とともに、入射光L1の波長に対し、WB半導体材料は透明度の高いものを、NB半導体材料については吸収率の高いものを選択する。可能性のある材料の組み合わせについては次表1に示す。
例えば、下側閉じ込め層104は、ドーピング濃度がn=1×1017〜3×1018cm-3程度、厚みが50nm〜100nmくらいのAl0.23Ga0.77Asとする。光導電層106は、ドーピング濃度がp=1×1016〜3×1016cm-3程度、厚みが50nm〜200nmのGaAsとする。上側閉じ込め層108は、ドーピング濃度がn=1×1017〜3×1019cm-3程度、厚みが500nm〜1μmのAl0.23Ga0.77Asとする。半導体基板102は、ドーピング濃度がn=1×1018〜3×1018cm-3程度のAl0.23Ga0.77Asとする。
For example, the
下側閉じ込め層104と上側閉じ込め層108とにおけるアルミニウムの比率は、0.25未満が望ましい。アルミニウムの比率が0.25を超えると、 JPN.J.APPL.PHYS.,1954(1984)においてM.Tachikawa他が解説しているように、深い準位又はDXセンターが急激に増大する。DXセンターとは、ドナー(電子供与体)不純物を添加した化合物半導体で検出されるものであり、禁制体中に深い順位を生成するため、n型半導体であるのにもかかわらず、ドナーによる電子が禁制体中でトラップされ、絶縁体的ないしはドーピング量から推定される自由電子量より実際の自由電子量が少ない振る舞いを示す。このDXセンターは、上側閉じ込め層108における自由電子濃度を急激に低下させ、このため、ON抵抗Ron が大幅に大きくなる。
The aluminum ratio in the
次いで、入射光L1のオンオフでの光導電スイッチ100の動作を説明する。入射光L1が存在する場合のキャリア発生のメカニズムは、入射光L1がWB半導体材料で入射光L1の波長に対し透明度の高い材料とされた上側閉じ込め層108を透過し、光導電層106で入射光L1の光エネルギーを吸収され電子キャリアと正孔キャリアとを多数発生する。ここで、光導電層106のバンド・ギャップが上下の上側閉じ込め層108、下側閉じ込め層104より狭いため、正孔キャリアは光導電層106の領域に閉じ込められ、それに対応した電子キャリアも他層への拡散が阻止され同光導電層106に維持された状態となる。この結果、光導電層106は、p型もしくはi型の半導体材料から導電体的な性質となる。光導電層106層の上下の下側閉じ込め層104と上側閉じ込め層108とはドーピング濃度が高いので、この状態で、端子電極101と端子電極113との間でON抵抗Ron が小さくなり光導電スイッチ100がオンとなる。
Next, the operation of the
入射光L1が存在しないときは、光導電層106が完全に空乏化され、且つ下側閉じ込め層104と、上側閉じ込め層108との一部が空乏化され、高い抵抗状態となる。即ち、光導電スイッチ100において、端子電極101と端子電極113との間はオフとなる。
When the incident light L1 is not present, the
以上、本実施の形態の光導電スイッチ100によれば、電流経路を縦方向にする縦構造とし、入射光L1の入射表面上に端子電極113のみを設けるので、入射光L1の利用効率を上げ光導電スイッチとしての性能を向上し且つ小型化できる。
As described above, according to the
なお、本実施の形態において、上側閉じ込め層108の入射光L1入射側表面に反射防止コーティングを有する構成としてもよい。
In the present embodiment, an antireflection coating may be provided on the incident light L1 incident side surface of the
(第2の実施の形態)
図2及び図3を参照して、本発明に係る第2の実施の形態を説明する。図2(a)に、本実施の形態の光導電スイッチ200の上面を示す。図2(b)に、図2(a)における光導電スイッチ200のB2−B2’部の断面を示す。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2A shows the top surface of the
図2に示すように、光導電スイッチ200は、第2の端子電極としての端子電極201と、半導体基板202と、漸変組成層203と、第2の閉じ込め層としての下側閉じ込め層204と、漸変組成層205と、光導電層206と、漸変組成層207と、第1の閉じ込め層としての上側閉じ込め層208と、電流拡散層209と、電流拡散層209の露出表面の一部として、光導電スイッチ100の上面且つ左上端に配置された漸変組成層210と、キャップ層211と、オーミック接触層212と、第1の端子電極としての端子電極213と、反射防止コーティング250と、で構成される。
As shown in FIG. 2, the
下側閉じ込め層204は、入射光L2に対しミラー層としての構造が付与されている。ミラー層は、光導電層206を通過する入射光L2を反射することによって、光導電層206の吸光度を高める。
The
本実施の形態において、下側閉じ込め層204は、半導体材料の複数の副層対から構成される分布ブラッグ反射器である。この副層対は、64nm厚でドーピング濃度がn=2×1018cm-3のAl0.23Ga0.77As副層と、73nm厚でドーピング濃度がn=1×1018cm-3のAlAs副層と、から構成されている。各副層の厚さtmは、副層の材料における入射光L2の波長λの1/4の奇整数倍に等しい、即ち、厚さtm =mλ/4nである。ここで、mは、奇整数であり、λは、自由空間における入射光L2の波長であり、nは、波長μにおける副層の材料の屈折率である。このミラー層は、10対の副層から構成され、ミラー層の反射率が約90%である。
In the present embodiment, the
光導電層206は、ドーピング濃度がp=2×1016cm-3、厚みが100nmのGaAsとする。上側閉じ込め層208は、ドーピング濃度がn=1×1018cm-3、厚みが70nmのAl0.23Ga0.77Asとする。上側閉じ込め層208の上方の電流拡散層209は、ドーピング濃度がn=3×1018cm-3、厚みが1μmのAl0.23Ga0.77Asとして設置され、電流の均一化を図る。
The
漸変組成層207は、x=0〜0.23漸増し、ドーピング濃度が上側閉じ込め層208と同じn=3×1017cm-3、厚みが30nmのAlxGa1-xAsとする。漸変組成層210は、y=0.23〜0漸減し、ドーピング濃度が上側閉じ込め層208と同じn=3×1017cm-3、厚みが30nmのAlyGa1-yAsとする。同様に、漸変組成層203は、x=0〜0.23漸増し、ドーピング濃度が下側閉じ込め層204と同じn=3×1017cm-3、厚みが30nmのAlxGa1-xAsとする。漸変組成層205は、y=0.23〜0漸減し、ドーピング濃度が下側閉じ込め層204と同じn=3×1017cm-3、厚みが30nmのAlyGa1-yAsとする。漸変組成層207、210、203、205によりヘテロ接合間の抵抗を下げることができる。
The
キャップ層211は、ドーピング濃度がn=5×1018cm-3、厚みが200nmのGaAsとする。オーミック接触層212は、ドーピング濃度がn=2×1019cm-3、厚みが20nmのIn0.5Ga0.5Asとする。端子電極213は、厚みが2μmのTi/Pt/Auとする。
The
オーミック接触層212と端子電極213とは、ノンアロイで低抵抗のオーミック接合を実現する。接触抵抗を低減させるためのこの方法及び構造は、28 ELECTRON.LETT.,1150(1992)においてF.Ren他によって解説されたヘテロ接合トランジスタ(HBT)の製造方法に基づくものである。半導体層203〜212は、分子ビーム・エピタキシ(MBE)又は別の適合するエピタキシャル成長技法を用いて、ドーピング濃度をn=5×1018cm-3としたn型GaAs半導体基板202上に順次成長させられる。
The
端子電極201は、Ti/Pt/Auがn型GaAsの半導体基板202にアロイされて作成され、オーミック接合が作成される。
The
また、窒化珪素(Si3N4)による反射防止コーティング250は、半導体層203〜212の露出表面に堆積させられる。反射防止コーティング250の厚さは、例えば100nmである。反射防止コーティング250は、上側閉じ込め層208のAlGaAsと空気のような周囲との屈折率の差が大きいために生じる入射光L2の反射を防止、又は、低減させる。
Further, an
次いで、入射光L2のオンオフでの光導電スイッチ200の動作を説明する。入射光L2の波長は、閉じ込め層による吸収を最小限に抑えるため、光子当たりのエネルギーが、入射光L2がそれを通って、光導電層206に達する閉じ込め層、即ち、この例の場合、上側閉じ込め層208のWB材料のバンド・エッジ未満になる波長が選択される。入射光L2の波長は、また、光導電層206による入射光L2の吸収を最大にするため、光子当たりのエネルギーが、光導電層206のNB材料のバンド・エッジを超えることになる波長が選択される。本実施の形態の場合、出力光の波長が850nmの市販の半導体レーザを用いて、入射光L2のビームを作成する。
Next, the operation of the
入射光L2のビーム特性、GaAsの物理的特性、光導電層206の光吸収率αp =7000cm-1 、キャリア寿命τ=10ns、キャリア移動度μ=7000cm2 /Vs、入射光を受光する面積S=4×10-9m2、及び、光導電層206の厚みといったデバイス・パラメータを利用して、半導体経路ON抵抗Rs(on) が計算される。半導体経路ON抵抗は、入射光L2によって照射された場合の、上側閉じ込め層208及び光導電層206を通る導電路の抵抗である。
Beam characteristics of incident light L2, physical characteristics of GaAs, light absorptance αp = 7000 cm −1 of photoconductive layer 206, carrier lifetime τ = 10 ns, carrier mobility μ = 7000 cm 2 / Vs, area S for receiving incident light S The semiconductor path ON resistance Rs (on) is calculated using device parameters such as = 4 × 10 −9 m 2 and the thickness of the
図3に、入射光L2を発生するレーザ・パワーに対するON抵抗の変動を示す。本実施の形態の場合、光導電層206の厚さは、100nmであり、吸光長αp=1.1μmより十分短い。よって、図3に示すように、入射光L2照射時の光導電層206は、全層に渡りキャリアが励起され、光導電スイッチ200がオンされる。
FIG. 3 shows the variation of the ON resistance with respect to the laser power that generates the incident light L2. In the case of this embodiment, the thickness of the
一方、光導電層206は、入射光L2がない時、漸変組成層205および下側閉じ込め層204と、また、漸変組成層207および上側閉じ込め層208と、PN接合を形成し、少なくとも光導電層206が全層にわたり空乏化するドーピング濃度が選ばれる。このため、入射光L2がない時、端子電極201と端子電極213との間は、高抵抗になり、光導電スイッチ200がオフ状態となる。
On the other hand, when there is no incident light L2, the
このときの寄生容量は、光導電層206の厚み、入射光L2を受光する面積S=4×10-9m2、光導電層206の材料の誘電率といったデバイス・パラメータを利用して計算される。およそ、オフ時の寄生容量は0.5pFである。従って、光導電スイッチ200において、スイッチ性能のパラメータとしてよく用いられるCR積を、0.05ΩpF以下にすることが可能となる。このCR積は、従来例より20%ほど改善されることが見込まれる。
The parasitic capacitance at this time is calculated using device parameters such as the thickness of the
以上、本実施の形態の光導電スイッチ200によれば、第1の実施の形態と同様の効果を有するとともに、下側閉じ込め層204により、光導電層206を通過する入射光L2を光導電層206へ反射でき、入射光L2の利用効率をさらに上げることができる。また、CR積を低減してスイッチ性能を向上できる。
As described above, according to the
また、反射防止コーティング250により、入射光L2の反射による損失を防ぐことができる。また、漸変組成層207、210、203、205によりヘテロ接合間の抵抗を下げることができる。また、電流拡散層209により、抵抗を低減でき、電流を均一化できる。
Further, the
(第3の実施の形態)
図4を参照して、本発明に係る第3の実施の形態を説明する。図4(a)に、本実施の形態の光導電スイッチ300の上面を示す。図4(b)に、図4(a)における光導電スイッチ300のB3−B3’部の断面を示す。
(Third embodiment)
A third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4A shows the top surface of the
本実施の形態の光導電スイッチ300と第2の実施の形態の光導電スイッチ200との大きな違いは、光導電スイッチ300に半絶縁性の基板を用い、かつ、ダイ上面にスイッチ両端の電極があるため、外部の高周波集積回路と電気的接続が行い易くなることである。
The major difference between the
図4に示すように、光導電スイッチ300は、半導体基板301と、下側電流拡散層302と、漸変組成層303と、第2の閉じ込め層としての下側閉じ込め層304と、漸変組成層305と、光導電層306と、漸変組成層307と、第1の閉じ込め層としての上側閉じ込め層308と、漸変組成層309と、上側電流拡散層310と、第1の端子電極としての端子電極313と、第2の端子電極としての端子電極323と、反射防止コーティング350と、から構成される。
As shown in FIG. 4, the
半導体基板301は、半絶縁性GaAsとする。半導体基板301上には、下側電流拡散層302が設けられる。下側電流拡散層302は、ドーピング濃度がn=1×1019cm-3、厚みが1μmのGaAsとし、抵抗の低減、電流の均一化を図る。
The
下側電流拡散層302上には、漸変組成層303が設けられる。漸変組成層303は、x=0〜0.23漸増し、ドーピング濃度がn=2×1018cm-3、厚みが30nmのAlxGa1-xAsとする。
A
漸変組成層303上には、下側閉じ込め層304が設けられる。下側閉じ込め層304は、ミラー層としての構造も付与され、第2の実施の形態の下側閉じ込め層204と同様、半導体材料の複数の副層対から構成される分布ブラッグ反射器である。入射光L3を波長が850nmの半導体レーザ光とした場合、ドーピング濃度がn=2×1018cm-3の64nm厚のAl0.3Ga0.7As副層と、ドーピング濃度がn=1×1018cm-3の73nm厚のAlAs副層を対として、10対の副層対から構成される。各副層の厚さは、第2の実施の形態と同等の原理で求められる。当該ミラー層は、光導電層306を吸収されずに通過した入射光L3を反射し、再び、光導電層306に戻すことで入射光L3の利用効率を高める。
A
下側閉じ込め層304の上には、漸変組成層305が設けられる。漸変組成層305は、y=0.23〜0漸減し、ドーピング濃度がn=3×1017cm-3、厚みが30nmのAlyGa1-yAsとする。漸変組成層305の上には、光導電層306が設けられる。光導電層306は、ドーピング濃度がp=2×1016cm-3、厚みが100nmのGaAsにより構成される。
A graded
光導電層306の上には、漸変組成層307が設けられる。漸変組成層307は、x=0〜0.23漸増し、ドーピング濃度がn=3×1017cm-3、厚みが30nmのAlxGa1-xAsとする。漸変組成層307の上には、上側閉じ込め層308が設けられる。上側閉じ込め層308は、ドーピング濃度がn=3×1017cm-3で厚みが70nmのAl0.23Ga0.77Asにより構成される。
A
上側閉じ込め層308の上には、漸変組成層309が設けられる。漸変組成層309は、y=0.23〜0漸減し、ドーピング濃度がn=2×1018cm-3、厚みが30nmのAlyGa1-yAsとする。漸変組成層303、305、307、309により、ヘテロ接合間の抵抗を下げることができる。漸変組成層309の上には、上側電流拡散層310が設けられる。上側電流拡散層310は、ドーピング濃度がn=1×1019cm-3、厚みが1μmのGaAsとし、抵抗の低減、電流の均一化を図る。
On the
上側電流拡散層310の一部の上には、端子電極313が設けられる。端子電極313は、Ti/Au/Ge/Ni/AuまたはIn/Au等の、上側電流拡散層310に対しオーミック接合形成のアロイ温度が低い材料が選択される。端子電極313の厚みは2μm程とする。また、下側電流拡散層302の一部の上には、端子電極323が設けられる。端子電極323は、Ti/Au/Ge/Ni/AuまたはIn/Au等の、下側電流拡散層302に対しオーミック接合形成のアロイ温度が低い材料が選択される。端子電極323の厚みは2μm程とする。
A
半導体層302〜310は、分子ビーム・エピタキシ(MBE)又は別の適合するエピタキシャル成長技法を用いて、半絶縁性GaAsの半導体基板301上に順次成長させられる。端子電極313,323は、同一工程で作成され、オーミック接合形成のアロイ温度が低い材料が選択され、アロイ時の熱による層構造、ドーピング材料の拡散を極力抑える。
The semiconductor layers 302-310 are sequentially grown on a semi-insulating
また、窒化珪素(Si3N4)による反射防止コーティング350は、半導体層302〜310までの露出表面に堆積させられる。反射防止コーティング350膜の厚さは、例えば100nmである。入射光L3の波長は、閉じ込め層での透過率を上げかつ、光導電層306での吸収を上げるため、閉じ込め層308および304のWB材料のバンド・エッジ未満になりかつ、光導電層306のNB材料のバンド・エッジを超えることになる波長が選択される。図4の例の場合、出力光の波長が850nmの市販の半導体レーザを用いて、入射光L3のビームを作成する。
Further, an
次いで、入射光L3のオンオフでの光導電スイッチ300の動作を説明する。入射光L3がある時、第2の実施の形態の光導電スイッチ200と同じ図3のオン抵抗特性が期待でき、光導電スイッチ300がオンされる。
Next, the operation of the
入射光L3がない時、第2の実施の形態の光導電スイッチ200と同じく、光導電スイッチ300がオフされ、オフ時の寄生容量は0.5pFである。従って、光導電スイッチ300において、スイッチ性能のパラメータとしてよく用いられるCR積を、0.05ΩpF以下にすることが可能となる。このCR積は、従来例より20%ほど改善されることが見込まれる。
When there is no incident light L3, the
以上、本実施の形態の光導電スイッチ300によれば、電流経路を縦方向にする縦構造とし、端子電極313及び端子電極323を同一表面としての入射光L3の入射表面上に設けるので、入射光L3の利用効率を上げ光導電スイッチとしての性能を向上し且つ小型化できるとともに、外部との電気接続を行い易くできる。
As described above, according to the
また、反射防止コーティング350により、入射光L3の反射による損失を防ぐことができる。また、漸変組成層307、309、303、305によりヘテロ接合間の抵抗を下げることができる。また、下側電流拡散層302、上側電流拡散層310により、抵抗を低減でき、電流を均一化できる。
Further, the
なお、本実施の形態において、半導体基板のドーピング濃度が1×1017cm-3 未満であり、下側電流拡散層と上側電流拡散層との両方を備え、下側電流拡散層の露出表面の一部に一方の端子電極を備え、上側電流拡散層の表面の一部に他方の端子電極を備えることとしてもよい。 In this embodiment, the doping concentration of the semiconductor substrate is less than 1 × 10 17 cm −3 , and both the lower current diffusion layer and the upper current diffusion layer are provided, and the exposed surface of the lower current diffusion layer is exposed. One terminal electrode may be provided in part, and the other terminal electrode may be provided on a part of the surface of the upper current diffusion layer.
(第4の実施の形態)
図5を参照して、本発明に係る第4の実施の形態を説明する。図5(a)に、本実施の形態の光導電スイッチ400の上面を示す。図5(b)に、図5(a)における光導電スイッチ400のB4−B4’部の断面を示す。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5A shows the top surface of the
本実施の形態の光導電スイッチ400と、第3の実施の形態の光導電スイッチ300との大きな違いは、光導電スイッチ400にWB半導体材料による半絶縁性の基板を用いるとともに、ミラー層を上側閉じ込め層の上に設けることで、基板裏面から入射光L4がある場合に対応することである。また、光導電スイッチ400を電流拡散層をWB半導体材料で構成し、漸変組成層の数を減らすことで、全体の構成を簡素化している。入射光L4は、出力光の波長が850nmの市販の半導体レーザを用いて発生される。
A significant difference between the
図5に示すように、光導電スイッチ400は、半導体層401と、下側電流拡散層402と、第2の閉じ込め層としての下側閉じ込め層404と、漸変組成層405と、光導電層406と、漸変組成層407と、第1の閉じ込め層としての上側閉じ込め層408と、上側電流拡散層410と、第1の端子電極としての端子電極413と、第2の端子電極としての端子電極423と、保護膜450と、反射防止コーティング451と、から構成される。
As shown in FIG. 5, the
半導体層401は、ノンドープのAl0.23Ga0.77As層である。半導体層401は、半導体基板が入射光L4の波長範囲内において半透明となる。半導体層401上には、下側電流拡散層402が設けられる。下側電流拡散層402は、ドーピング濃度がn=3×1018cm-3、厚みが1μmのAl0.23Ga0.77Asとし、抵抗の低減、電流の均一化を図る。
The
下側電流拡散層402上には、下側閉じ込め層404が設けられる。下側閉じ込め層404は、ドーピング濃度がn=3×1017cm-3で厚みが70nmのAl0.23Ga0.77Asとする。下側閉じ込め層404上には、漸変組成層405が設けられる。漸変組成層405は、y=0.23〜0漸減し、ドーピング濃度が下側閉じ込め層404と同じn=3×1017cm-3、厚みが30nmのAlyGa1-yAsとする。
A
漸変組成層405の上には、光導電層406が設けられる。光導電層406は、ドーピング濃度がp=2×1016cm-3、厚みが100nmのGaAsにより構成される。光導電層406の上には、漸変組成層407が設けられる。漸変組成層407は、x=0〜0.23漸増し、ドーピング濃度がn=3×1017cm-3、厚みが30nmのAlxGa1-xAsとする。漸変組成層405、407によりヘテロ接合間の抵抗を下げることができる。
A
漸変組成層407上には、上側閉じ込め層408が設けられる。上側閉じ込め層408は、ミラー層としての構造も付与され、第2の実施の形態の下側閉じ込め層204と同様、半導体材料の複数の副層対から構成される分布ブラッグ反射器である。入射光L4を波長が850nmの半導体レーザ光とした場合、当該副層対は、ドーピング濃度がn=2×1018cm-3の64nm厚のAl0.3Ga0.7As副層と、ドーピング濃度がn=1×1018cm-3の73nm厚のAlAs副層と、を対として10対の副層対から構成される。各副層の厚さは、第2の実施の形態と同等の原理で求められる。当該ミラー層は、光導電層406を吸収されずに通過した入射光L4を反射し、再び、光導電層306に戻すことで入射光L4の利用効率を高める。
An
上側閉じ込め層408の上には、上側電流拡散層410が設けられる。上側電流拡散層410は、ドーピング濃度がn=1×1019cm-3、厚みが1μmのAl0.23Ga0.77Asとし、抵抗の低減、電流の均一化を図る。
An upper current spreading
上側電流拡散層410の一部の上には、端子電極413が設けられる。端子電極413は、Au/Sn、Au/Ge/Ni/Au等の、上側電流拡散層410に対しオーミック接合形成のアロイ温度が低い材料が選択される。端子電極413の厚みは2μm程とする。また、下側電流拡散層402の一部の上には、端子電極423が設けられる。端子電極423はAu/Sn、Au/Ge/Ni/Au等の、下側電流拡散層402に対しオーミック接合形成のアロイ温度が低い材料が選択される。端子電極413の厚みは2μm程とする。
A
半導体層401は、半絶縁性GaAs半導体基板上に液相成長法(LPE)又は別の適合するエピタキシャル成長技法を用いて成長させられる。半導体層402、404から408及び410は、分子ビーム・エピタキシ(MBE)又は別の適合するエピタキシャル成長技法を用いて、順次成長させられる。
端子電極413および423は、同一工程で作成され、オーミック接合形成のアロイ温度が低い材料が選択され、アロイ時の熱による層構造、ドーピング材料の拡散を極力抑える。また、窒化珪素(Si3N4)による保護膜450は、半導体層402、404〜408及び410の露出部分に設けられる。
The
基板表面の加工が完了した時点で半絶縁性GaAs半導体基板を裏面より削り、ノンドープの半導体層401を露出させ、さらに裏面に、窒化珪素(Si3N4)による反射防止コーティング451を設ける。
When the processing of the substrate surface is completed, the semi-insulating GaAs semiconductor substrate is shaved from the back surface to expose the
次いで、入射光L4のオンオフでの光導電スイッチ400の動作を説明する。入射光L4の波長は、閉じ込め層での透過率を上げかつ、光導電層での吸収を上げるため、閉じ込め層408および404のWB材料のバンド・エッジ未満になりかつ、光導電層406のNB材料のバンド・エッジを超えることになる波長が選択される。
Next, the operation of the
入射光L4がある時、第2の実施の形態の光導電スイッチ200と同じく図3のオン抵抗特性が期待でき、光導電スイッチ400がオンされる。
When the incident light L4 is present, the on-resistance characteristic of FIG. 3 can be expected as in the
入射光L4がない時、第2の実施の形態の光導電スイッチ200と同じく光導電スイッチ400がオフされ、オフ時の寄生容量は0.5pFである。従って、光導電スイッチ400において、スイッチ性能のパラメータとしてよく用いられるCR積を、0.05ΩpF以下にすることが可能となる。このCR積は、従来例より20%ほど改善されることが見込まれる。
When there is no incident light L4, the
以上、本実施の形態の光導電スイッチ400によれば、電流経路を縦方向にする縦構造とし、端子電極413及び端子電極423を入射光L4の入射側と反対側の同一表面上に設け、入射光L4が光導電層406に入射される経路に端子電極413及び端子電極423を設けないので、入射光L4の利用効率を上げ光導電スイッチとしての性能を向上し且つ小型化できるとともに、外部との電気接続を行い易くできる。
As described above, according to the
また、反射防止コーティング451により、入射光L4の反射による損失を防ぐことができる。また、漸変組成層407、405によりヘテロ接合間の抵抗を下げることができ、漸変組成層を少なくして構成を簡単にできる。また、下側電流拡散層402、上側電流拡散層410により、抵抗を低減でき、電流を均一化できる。
Further, the
(第5の実施の形態)
図6を参照して、本発明に係る第5の実施の形態を説明する。図6(a)に、本実施の形態の光導電スイッチ500の上面を示す。図6(b)に、図6(a)における光導電スイッチ500のB5−B5’部の断面を示す。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6A shows the top surface of the
本実施の形態の光導電スイッチ500は、概略としては、面発光レーザ内に、第4の実施の形態の光導電素子(光導電層等)を一体として固体素子化したものである。光導電スイッチ500は、面発光レーザのミラー層間に光導電層を挟みこんでいる。尚、第4の実施の形態の光導電スイッチ400と同様、光導電スイッチ500の電流拡散層にミラー層の構造を付与している。
In general, the
図6に示すように、光導電スイッチ500は、半導体基板501と、第2のミラー層としての下側ミラー層561と、活性層562と、上側クラッド層563と、第1の電流拡散層565と、n層566と、p層567と、n層568と、第2の電流拡散層504と、漸変組成層505と、光導電層506と、漸変組成層507と、第1のミラー層としての上側ミラー層508と、上側電流拡散層510と、第1の端子電極としての端子電極513と、第2の端子電極としての端子電極523と、端子電極533と、端子電極534と、保護膜550と、から構成される。半導体基板501は、絶縁領域564を有する。
As shown in FIG. 6, the
図6(a)に示すように、光導電スイッチ500は、レーザ発光を前提としており、円形に構成するのが好ましい。半導体基板501は、ドーピング濃度をn=5×1018cm-3としたn型GaAsである。半導体基板501上には、面発光レーザ下側クラッド層となる下側ミラー層561が設けられる。下側ミラー層561は、半導体材料の複数の副層対から構成される分布ブラッグ反射器である。下側ミラー層561は、ドーピング濃度がn=2×1018cm-3の64nm厚のAl0.23Ga0.77As副層と、ドーピング濃度がn=1×1018cm-3の73nm厚のAlAs副層と、を対として30対の副層対から構成される。また、漸変組成層を設けて各ヘテロ接合間の接合抵抗を下げても良い。この場合、各層の厚みは、漸変組成層を加味し、第2の実施の形態にあるミラー層構成の原理に合致するように選択される。
As shown in FIG. 6A, the
下側ミラー層561の上には、発光部となる活性層562が設けられる。活性層562は、厚みが100nmのノンドープGaAsとする。もしくは、活性層562は、ノンドープ半導体材料の複数の副層対から構成される量子井戸構造で構成しても良い。例えば、19nm厚のAl0.36Ga0.64As-8nm厚のAl0.12Ga0.88As-7nm厚のAl0.36Ga0.64As-8nm厚のAl0.12Ga0.88As-7nm厚のAl0.36Ga0.64As-19nm厚のAl0.36Ga0.64Asなどで構成しても良い。
An
活性層562の上には、上側クラッド層563が設けられる。上側クラッド層563は、ドーピング濃度がp=2×1018cm-3で256nm厚のAl0.23Ga0.77Asにより構成される。また、漸変組成層を設けて各ヘテロ接合間の接合抵抗を下げても良い。
An
上側クラッド層563の上には、第1の電流拡散層565が設けられる。第1の電流拡散層565は、ドーピング濃度がp=3×1018cm-3、厚みが1.28μmのAl0.23Ga0.77Asとし、端子電極534と上側クラッド層563との間の抵抗の低減、上側クラッド層563への電流の均一化を図る。
A first
第1の電流拡散層565の上には、下から、n層566、p層567、n層568が積層される。n層566は、ドーピング濃度がn=3×1016cm-3で厚みが256nmのAl0.23Ga0.77As層とする。p層567は、ドーピング濃度がp=1×1016cm-3で厚みが512nmのAl0.23Ga0.77As層とする。n層568は、ドーピング濃度がn=3×1016cm-3で厚みが256nmのAl0.23Ga0.77As層とする。n層566、p層567、n層568は、空乏化したPN接合により、第1の電流拡散層565と第2の電流拡散層504とを電気的に絶縁する。なお、n層566、p層567、n層568に代えて、p層、n層及びp層を順に設け、そのPN接合により第1の電流拡散層565と第2の電流拡散層504とを電気的に絶縁する構成としてもよい。
On the first current spreading
n層568の上には、第2の電流拡散層504が設けられる。第2の電流拡散層504は、ドーピング濃度がn=3×1018cm-3、厚みが1.15μmのAl0.23Ga0.77Asとし、抵抗の低減、電流の均一化を図る。第2の電流拡散層504の上には、漸変組成層505が設けられる。漸変組成層505は、y=0.23〜0漸減し、ドーピング濃度がn=3×1017cm-3、厚みが30nm のAlyGa1-yAsとする。
A second current spreading
漸変組成層505の上には、光導電層506が設けられる。光導電層506は、ドーピング濃度がp=2×1016cm-3、厚みが120nmのGaAsにより構成される。光導電層506の上には、漸変組成層507が設けられる。漸変組成層507は、x=0〜0.23漸増し、ドーピング濃度がn=3×1017cm-3、厚みが30nm のAlxGa1-xAsとする。
A
漸変組成層507の上には、面発光レーザの上側ミラー層508が設けられる。上側ミラー層508は、半導体材料の複数の副層対から構成される分布ブラッグ反射器である。上側ミラー層508は、ドーピング濃度がn=2×108cm-3の64nm厚のAl0.23Ga0.77As副層と、ドーピング濃度がn=1×1018cm-3の73nm厚のAlAs副層と、を対として30対の副層対から構成される。漸変組成層を設けて各ヘテロ接合間の接合抵抗を下げても良い。この場合、各層の厚みは、漸変組成層を加味し、第2の実施の形態にあるミラー層構成の原理に合致するように選択される。
On the gradually changing
上側ミラー層508の上には、上側電流拡散層510が設けられる。上側電流拡散層510は、ドーピング濃度がn=1×1019cm-3、厚みが1μmのAl0.23Ga0.77Asとし、抵抗の低減、電流の均一化を図る。
An upper
上側ミラー層508と下側ミラー層561との間の距離Aは、発振するレーザ光L5の共振長になるため、波長の整数倍(各層の屈折率できまる各層内にある波長数を上側ミラー層508と下側ミラー層561との間で和した値が真空中での波長の整数倍)である必要がある。この条件を満足するように層厚みを調整する必要がある。活性層562以外は発光の必要がないため、また端子電極の寄生容量を減らすため、n型GaAs半導体基板501にプロトンイオン注入などで絶縁領域564が作成される。
Since the distance A between the
上側電流拡散層510の全体もしくは一部の上には、端子電極513が設けられる。端子電極513は、Au/Sn、Au/Ge/Ni/Au等の、上側電流拡散層510に対しオーミック接合形成のアロイ温度が低い材料が選択される。端子電極513の厚みは2μm程とする。また、第2の電流拡散層504の一部の上には、端子電極523が設けられる。端子電極523は、Au/Sn、Au/Ge/Ni/Au等の、第2の電流拡散層504に対しオーミック接合形成のアロイ温度が低い材料を選択する。端子電極523の厚みは2μm程とする。
A
また、第1の電流拡散層565の一部の上には、端子電極533が設けられる。端子電極533は、Au/Sn、Au/Ge/Ni/Au等の、第1の電流拡散層565に対しオーミック接合形成のアロイ温度が低い材料が選択される。端子電極533の厚みは2μm程とする。端子電極513、523、533を同一工程で作成しても良い。
A
窒化珪素(Si3N4)による保護膜550は、半導体層561〜568、504〜508、510の露出部分に設けられる。基板表面の加工が完了した時点で、n型GaAsの半導体基板501の裏面に端子電極534が設けられる。端子電極534は、Ti/Pt/Auをn型GaAs半導体基板501にアロイして作成されオーミック接合が作成される。端子電極534の厚みは2μm程とする。
A
次いで、電源のオンオフでの光導電スイッチ500の動作を説明する。端子電極533に正電位になるように、端子電極533と端子電極534との間に電位を加え10mAほど電流を流したとき、半導体層561〜563と共振器長Aとで、光出力3mW程度の発振波長780nmのレーザ発振が起こり、レーザ光L5が出力される。この時、光導電層506は、これまで述べてきた第1〜第4の実施の形態の入射光がある時と同様に、レーザ光L5が入射され、0.1Ω以下の低抵抗となり、光導電スイッチ500を端子電極513と523との間でオンとできる。
Next, the operation of the
端子電極533と端子電極534との間に電位がない時、第2の実施の形態と同じく、光導電スイッチ500を端子電極513と523との間でオフとでき、端子電極513と523との間のオフ時の寄生容量が0.5pFである。従って、光導電スイッチ500において、スイッチ性能のパラメータとしてよく用いられるCR積を、0.05ΩpF以下にすることが可能となる。このCR積は、従来例より20%ほど改善されることが見込まれる。
When there is no potential between the
以上、本実施の形態の光導電スイッチ500によれば、電流経路を縦方向にする縦構造とし、端子電極513及び端子電極523をレーザ光L5の入射表面と反対側の同一表面上に設け、活性層により出力されたレーザ光L5が光導電層506に入射される経路に端子電極513及び端子電極523を設けないので、入射光L5の利用効率を上げ光導電スイッチとしての性能を向上し且つ小型化できるとともに、外部との電気接続を行い易くできる。
As described above, according to the
また、上側ミラー層508及び下側ミラー層561の間の距離Aをレーザ光L5の共振器長とし、レーザ光L5を発生させることができる。また、漸変組成層507、505によりヘテロ接合間の抵抗を下げることができ、漸変組成層を少なくして構成を簡単にできる。また、第2の電流拡散層504、上側電流拡散層510により、抵抗を低減でき、電流を均一化できる。また、n層566、p層567、n層568により、第1の電流拡散層565と第2の電流拡散層504とを絶縁できる。
Further, the distance A between the
(第6の実施の形態)
図7を参照して、本発明に係る第6の実施の形態を説明する。図7(a)に、本実施の形態の光導電スイッチ600の上面を示す。図7(b)に、図7(a)における光導電スイッチ600のB6−B6’部の断面を示す。
(Sixth embodiment)
A sixth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7A shows the top surface of the
本実施の形態の光導電スイッチ600は、一つの素子ダイの中で第3の実施の形態の光導電スイッチ300を直列に接続し、耐圧を大きくした構成例である。
The
図7に示すように、光導電スイッチ600は、半導体基板601と、下側電流拡散層602と、漸変組成層603aと、第2の閉じ込め層としての下側閉じ込め層604aと、漸変組成層605aと、光導電層606aと、漸変組成層607aと、第1の閉じ込め層としての上側閉じ込め層608aと、漸変組成層609aと、上側電流拡散層610aと、第1の端子電極としての端子電極613と、漸変組成層603bと、第2の閉じ込め層としての下側閉じ込め層604bと、漸変組成層605bと、光導電層606bと、漸変組成層607bと、第1の閉じ込め層としての上側閉じ込め層608bと、漸変組成層609bと、上側電流拡散層610bと、第2の端子電極としての端子電極623と、反射防止コーティング650と、から構成される。
As shown in FIG. 7, the
光導電部としての、半導体基板601、下側電流拡散層602、漸変組成層603a、下側閉じ込め層604a、漸変組成層605a、光導電層606a、漸変組成層607a、上側閉じ込め層608a、漸変組成層609a、上側電流拡散層610aは、順に、第3の実施の形態の半導体基板301、下側電流拡散層302、漸変組成層303、下側閉じ込め層304、漸変組成層305、光導電層306、漸変組成層307、上側閉じ込め層308、漸変組成層309、上側電流拡散層310と同様の構成である。また、光導電部としての、漸変組成層603b、下側閉じ込め層604b、漸変組成層605b、光導電層606b、漸変組成層607b、上側閉じ込め層608b、漸変組成層609b、上側電流拡散層610b、反射防止コーティング650は、第3の実施の形態の漸変組成層303、下側閉じ込め層304、漸変組成層305、光導電層306、漸変組成層307、上側閉じ込め層308、漸変組成層309、上側電流拡散層310、反射防止コーティング350と同様の構成である。このため、第3の実施の形態と異なる部分を主として説明する。
光導電スイッチ600の製造において、第3の実施の形態の光導電スイッチ300半導体層構造(半導体層602〜610)を形成した後に、エッチングにより間隙660が作成される。間隙660は、半導体層603〜610までを概2分割し、それぞれ半導体層603a〜610aと、半導体層603b〜610bとを作成する。
In the manufacture of the
上側電流拡散層610a、610bの一部の上には、それぞれ端子電極613、623が設けられる。端子電極613、623は、Ti/Au/Ge/Ni/AuまたはIn/Au等の、オーミック接合形成のアロイ温度が低い材料が選択される。端子電極613、623の厚みは2μm程とする。反射防止コーティング650は、半導体層602〜610までの露出表面に堆積させられる。
次いで、電源のオンオフでの光導電スイッチ500の動作を説明する。入射光L6がある時、光導電層606a、606bが低抵抗となり、下側電流拡散層602を介し、端子電極613と623との間がオン抵抗特性となり、光導電スイッチ600がオンされる。この場合、第3の実施の形態の光導電スイッチ300、入射光L3と比較して、光導電スイッチ600のサイズや入射光L6の光出力が同じであれば、光導電スイッチ600のオン抵抗は、4倍になる。
Next, the operation of the
入射光L4がない場合、第3の実施の形態と同様にして、光導電スイッチ600がオフされる。光導電スイッチ600では、オン抵抗が4倍になるが、入射光L4がない時のオフ容量が4分の一になるため、光導電スイッチ600のCR積を、第3の実施の形態と同じ0.05ΩpF以下にすることが可能となる。またオフ時の耐圧を2倍にすることができる。
When there is no incident light L4, the
以上、本実施の形態の光導電スイッチ600によれば、第3の実施の形態と同様の効果を有するとともに、光導電部としての複数の半導体層603a〜610a、603b〜610bを直列に接続するので、光導電スイッチの耐圧を2倍にできる。
As described above, according to the
なお、本実施の形態では、光導電スイッチ600が、光導電部の半導体層構成を2直列する構成としたが、これに限定されるものではない。第6の実施の形態の要領に従い、さらに4直列、6直列等にして耐圧を4倍、6倍等にあげることができる。また、光導電部の複数が、使用する信号帯域の最高周波数の1/4管内波長の伝送線路をそれぞれの間に介する形で直列に接続されている構成としてもよい。
In the present embodiment, the
なお、上記各実施の形態における記述は、本発明に係る光導電スイッチの一例であり、これに限定されるものではない。 The description in each of the above embodiments is an example of the photoconductive switch according to the present invention, and the present invention is not limited to this.
上記第2〜第6の実施の形態において、下側閉じ込め層および上側閉じ込め層(第5の実施の形態では、第2の電流拡散層及び上側ミラー層)を他のn型のWB材料とし、光導電層を他のp型又はi型のNB材料とし、半導体基板を他の材料としてもよく、上記表1に示す組み合わせのいずれか一つとしてもよい。 In the second to sixth embodiments, the lower confinement layer and the upper confinement layer (in the fifth embodiment, the second current diffusion layer and the upper mirror layer) are other n-type WB materials, The photoconductive layer may be another p-type or i-type NB material, and the semiconductor substrate may be another material, or any one of the combinations shown in Table 1 above.
また、上記第2〜第4、第6の実施の形態では、光の入射側に対し反対側の閉じ込め層をミラー構造とする構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、光の入射側に対し反対側の閉じ込め層と電流拡散層との間に入射光に対し分布ブラッグ反射器を成すミラー層を備える構成としてもよい。 In the second to fourth and sixth embodiments, the confinement layer on the side opposite to the light incident side has a mirror structure. However, the present invention is not limited to this. For example, a mirror layer that forms a distributed Bragg reflector for incident light may be provided between the confinement layer and the current diffusion layer opposite to the light incident side.
また、上記各実施の形態において、下側閉じ込め層および上側閉じ込め層(第5の実施の形態では、第2の電流拡散層及び上側ミラー層)のWB材料がAlxGa1-xAsでxが0.02<x<1であり、光導電層のNB材料がAlyGa1-yAsでx>yであることとしてもよい。 In each of the above embodiments, the WB material of the lower confinement layer and the upper confinement layer (the second current diffusion layer and the upper mirror layer in the fifth embodiment) is Al x Ga 1-x As and x 0.02 <x <1, and the NB material of the photoconductive layer may be Al y Ga 1-y As and x> y.
また、上記各実施の形態において、下側閉じ込め層および上側閉じ込め層(第5の実施の形態では、第2の電流拡散層及び上側ミラー層)のWB材料と光導電層のNB材料の組み合わせが、(AlyGa1-y)0.5 In0.5 P(ここで、0.0≦y≦1.0)及びAlxGa1-xAs(ここで、0.0≦x<0.5)と;(AlyGa1-y)As(ここで、0.0<y<1.0)及びInx Ga1-xAs(ここで、0.01<x<0.3)と;(AlxGa1-x)0.5 In0.5 As(ここで、0.01<x<1.0)及びIn0.5Ga0.5Asと;(AlxGa1-x )0.5In0.5As(ここで、0.01<x<1.0)及びGaAs0.5 Sb0.5 と;AlxGa1-xN(ここで、0.01<x<1.0)及びGaNと;Si及びGexSi1-x(ここで、0.05<x<1.0)と;Si及びSiCと;ZnyMg1-ySzSe1-z(ここで、0<y<1.0及び0<z<1.0)及びZnSxSe1-x(ここで、0<x<1)と;AlxGa1-xSb(ここで、0.01<x<1.0)及びGaSbと;PbxCd1-xTe(ここで、0.01<x<1.0)及びPbTeとから構成されるグループから選択されることとしてもよい。 In each of the above embodiments, the combination of the WB material of the lower confinement layer and the upper confinement layer (in the fifth embodiment, the second current diffusion layer and the upper mirror layer) and the NB material of the photoconductive layer is combined. , (Al y Ga 1-y ) 0.5 In 0.5 P (where 0.0 ≦ y ≦ 1.0) and Al x Ga 1-x As (where 0.0 ≦ x <0.5) (Al y Ga 1-y ) As (where 0.0 <y <1.0) and In x Ga 1-x As (where 0.01 <x <0.3); x Ga 1-x ) 0.5 In 0.5 As (where 0.01 <x <1.0) and In 0.5 Ga 0.5 As; (Al x Ga 1-x ) 0.5 In 0.5 As (where 0. 01 <x <1.0) and GaAs 0.5 Sb 0.5 ; Al x Ga 1-x N (where 0.01 <x <1.0) and GaN; Si and Ge x Si 1-x (where in, 0.05 <x <1.0) and; Si and SiC and; Zn y Mg 1-y S z Se 1-z ( where, 0 <y <1.0 and 0 <z <1 0) and ZnS x Se 1-x (where, 0 <x <1) and; Al x Ga 1-x Sb ( where, 0.01 <x <1.0) and GaSb and; Pb x Cd 1 It may be selected from the group consisting of -x Te (where 0.01 <x <1.0) and PbTe.
また、上記各実施の形態において、下側閉じ込め層および上側閉じ込め層(第5の実施の形態では、第2の電流拡散層及び上側ミラー層)のWB材料が、光導電層のNB材料よりも多量にドーピングされていることとしてもよい。 In each of the above embodiments, the WB material of the lower confinement layer and the upper confinement layer (in the fifth embodiment, the second current diffusion layer and the upper mirror layer) is more than the NB material of the photoconductive layer. It may be doped in a large amount.
また、上記各実施の形態において、光導電層のNB材料のドーピング濃度は、1×1017 cm-3 未満であることとしてもよい。 In each of the above embodiments, the doping concentration of the NB material of the photoconductive layer may be less than 1 × 10 17 cm −3 .
また、上記第1、第2の実施の形態において、半導体基板のドーピング濃度が1×1018cm-3 以上であり、半導体基板裏面の一部もしくは全面に一方の端子電極を備え、上側電流拡散層の表面の一部に他方の端子電極を備えることとしてもよい。 Further, in the first and second embodiments, the doping concentration of the semiconductor substrate is 1 × 10 18 cm −3 or more, one terminal electrode is provided on a part or the whole of the back surface of the semiconductor substrate, and the upper side current diffusion is provided. It is good also as providing the other terminal electrode in a part of surface of a layer.
また、上記第1、第3、第6の実施の形態において、入射光の入射表面の一部もしくは全面に形成された端子電極が透明電極よりなることとしてもよい。 In the first, third, and sixth embodiments, the terminal electrode formed on a part or the entire surface of the incident light incident surface may be a transparent electrode.
また、上記各実施の形態において、半導体基板と下側閉じ込め層の間に、もしくは上側閉じ込め層の上層、または、その両方において、ドーピング濃度を1×1018cm-3 以上としたWB材料を用いる電流拡散層を備える構成としてもよい。 In each of the above embodiments, a WB material having a doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more is used between the semiconductor substrate and the lower confinement layer, or the upper layer of the upper confinement layer, or both. It is good also as a structure provided with a current spreading layer.
また、上記各実施の形態の少なくとも2つを組み合わせることとしてもよい。例えば、第4の実施の形態の構成に、第6の実施の形態のような導電部を複数に分割する構成を組み合わせてもよい。 Moreover, it is good also as combining at least 2 of said each embodiment. For example, you may combine the structure which divides | segments the electroconductive part into 6th Embodiment with the structure of 4th Embodiment.
また、上記各実施の形態の光導電スイッチの構成を、フォトカプラー(光アイソレータ)へ応用する構成としてもよい。 Further, the configuration of the photoconductive switch of each of the above embodiments may be applied to a photocoupler (optical isolator).
その他、上記各実施の形態における光導電スイッチの細部構成及び詳細動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 In addition, the detailed configuration and detailed operation of the photoconductive switch in each of the above embodiments can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
100,200,300,400,500,600,700 光導電スイッチ
101,201,213,313,323,413,423,513,523,533,534,613,623,713,723 端子電極
102,202,301,401,501,601,702 半導体基板
203,205,207,210,303,305,307,309,405,407,505,507,603a,605a,607a,609a,603b,605b,607b,609b 漸変組成層
104,204,304,404,604a,604b,704 下側閉じ込め層
106,206,306,406,506,606a,606b,706 光導電層
108,208,308,408,608a,608b,708 上側閉じ込め層
113,213 端子電極
209 電流拡散層
211 キャップ層
212 オーミック接触層
250,350,451,650 反射防止コーティング
302,402,602 下側電流拡散層
310,410,510,610a,610b 上側電流拡散層
450,550 保護膜
561 下側ミラー層
562 活性層
563 上側クラッド層
564 絶縁領域
565 第1の電流拡散層
566,568 n層
567 p層
504 第2の電流拡散層
508 上側ミラー層
730,740 ボンディング・パッド
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 Photoconductive switches 101, 201, 213, 313, 323, 413, 423, 513, 523, 533, 534, 613, 623, 713, 723
Claims (7)
第2の端子電極と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極の間に、当該第1の端子電極側から順に、
入射光が入射及び通過される広いバンドギャップ材料の第1の閉じ込め層と、
前記通過された入射光によりキャリアが励起される狭いバンドギャップ材料の光導電層と、
広いバンドギャップ材料の第2の閉じ込め層と、
半導体基板と、を備えることを特徴とする光導電スイッチ。 A first terminal electrode;
A second terminal electrode,
Between the first terminal electrode and the second terminal electrode, in order from the first terminal electrode side,
A first confinement layer of wide bandgap material through which incident light is incident and passed;
A photoconductive layer of a narrow bandgap material in which carriers are excited by the transmitted incident light;
A second confinement layer of wide bandgap material;
A photoconductive switch comprising a semiconductor substrate.
第2の端子電極と、
前記第2の端子電極に接続された電流拡散層と、
半導体基板と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記電流拡散層の間に、当該第1の端子電極側から順に、
入射光が通過される広いバンドギャップ材料の第1の閉じ込め層と、
前記通過された入射光によりキャリアが励起される狭いバンドギャップ材料の光導電層と、
広いバンドギャップ材料の第2の閉じ込め層と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極は、前記入射光の入射側の表面上に設けられることを特徴とする光導電スイッチ。 A first terminal electrode;
A second terminal electrode;
A current spreading layer connected to the second terminal electrode;
A semiconductor substrate,
Between the first terminal electrode and the current diffusion layer, in order from the first terminal electrode side,
A first confinement layer of wide bandgap material through which incident light is passed;
A photoconductive layer of a narrow bandgap material in which carriers are excited by the transmitted incident light;
A second confinement layer of wide bandgap material;
The photoconductive switch, wherein the first terminal electrode and the second terminal electrode are provided on a surface on an incident side of the incident light.
第2の端子電極と、
入射光が入射及び通過される半導体層と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記半導体層の間に、当該第1の端子電極側から順に、
広いバンドギャップ材料の第1の閉じ込め層と、
前記入射光によりキャリアが励起される狭いバンドギャップ材料の光導電層と、
前記入射光が通過される広いバンドギャップ材料の第2の閉じ込め層と、
前記入射光が通過され、前記第2の端子電極に接続された電流拡散層と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極は、前記入射光の入射側と反対側の表面上に設けられることを特徴とする光導電スイッチ。 A first terminal electrode;
A second terminal electrode;
A semiconductor layer through which incident light is incident and passed,
Between the first terminal electrode and the semiconductor layer, in order from the first terminal electrode side,
A first confinement layer of wide bandgap material;
A photoconductive layer of a narrow bandgap material in which carriers are excited by the incident light;
A second confinement layer of wide bandgap material through which the incident light passes;
A current diffusion layer through which the incident light passes and connected to the second terminal electrode,
The photoconductive switch, wherein the first terminal electrode and the second terminal electrode are provided on a surface opposite to the incident light incident side.
第2の端子電極と、
半導体基板と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記半導体基板の間に、当該第1の端子電極側から順に、
入射光を反射する広いバンドギャップ材料の第1のミラー層と、
前記入射光によりキャリアが励起される狭いバンドギャップ材料の光導電層と、
前記入射光が通過され、前記第2の端子電極に接続された広いバンドギャップ材料の電流拡散層と、
前記入射光を出力する活性層と、
前記入射光を反射する第2のミラー層と、を備え、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極は、前記入射光の入射側と反対側の表面上に設けられることを特徴とする光導電スイッチ。 A first terminal electrode;
A second terminal electrode;
A semiconductor substrate,
Between the first terminal electrode and the semiconductor substrate, in order from the first terminal electrode side,
A first mirror layer of a wide bandgap material that reflects incident light;
A photoconductive layer of a narrow bandgap material in which carriers are excited by the incident light;
A current spreading layer of a wide bandgap material through which the incident light is passed and connected to the second terminal electrode;
An active layer for outputting the incident light;
A second mirror layer that reflects the incident light,
The photoconductive switch, wherein the first terminal electrode and the second terminal electrode are provided on a surface opposite to the incident light incident side.
前記通過された入射光によりキャリアが励起される狭いバンドギャップ材料の光導電層と、
広いバンドギャップ材料の第2の閉じ込め層と、を備える光導電部と、
電流拡散層と、
第1の端子電極と、
第2の端子電極と、
半導体基板と、を備え、
前記光導電部は、溝により分割され、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極は、前記入射光の入射側と反対側の表面上に設けられ、
前記第1の端子電極及び前記第2の端子電極の間に、前記分割された複数の光導電部が直列に接続されることを特徴とする光導電スイッチ。 A first confinement layer of wide bandgap material through which incident light is passed;
A photoconductive layer of a narrow bandgap material in which carriers are excited by the transmitted incident light;
A photoconductive portion comprising a second confinement layer of wide bandgap material;
A current spreading layer;
A first terminal electrode;
A second terminal electrode;
A semiconductor substrate,
The photoconductive portion is divided by a groove,
The first terminal electrode and the second terminal electrode are provided on a surface opposite to the incident side of the incident light,
The photoconductive switch, wherein the plurality of divided photoconductive portions are connected in series between the first terminal electrode and the second terminal electrode.
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