JP2020534709A - 光伝導性の電荷トラップ装置 - Google Patents

Abstract

バルク伝導を実施する光伝導デバイスを実装するための手法、システム及びデバイスが開示される。例示的な一態様では、光伝導デバイスが開示される。本デバイスは、光を放出するように構成された光源と、光源からの光を受けるように位置決めされた結晶性物質であって、該結晶性物質が、該結晶性物質の再結合時間を制御するために結晶性物質のバンドギャップ内に中間ギャップ状態を形成するドーパントでドープされる、結晶性物質と、結晶性物質に結合されて結晶性物質のための第１の電気接点を提供する第１の電極と、結晶性物質に結合されて結晶性物質のための第２の電気接点を提供する第２の電極と、を備え、第１及び第２の電極は、結晶性物質にわたって電界を確立するように構成され、更に結晶性物質は、光を受けることに応答して実質的に線形の相互コンダクタンスを示すように構成される。【選択図】 図４

Description

（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載）
米国政府は、ローレンス・リバモア国立研究所の運営のための、アメリカ合衆国エネルギー省とローレンス・リバモアナショナルセキュリティＬＬＣとの間の契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４に従って、本発明において権利を有する。

本特許文献の主題は、光伝導性材料を有する回路及びデバイスを含む、回路及びデバイスに関する。

ほとんどの電子回路及びデバイスは、導体、抵抗器、コンデンサ、インダクタ及びトランジスタなどの電子回路要素のみを使用することにより構成される。しかしながら、全ての電子部品に基づくこのような電子回路及びデバイスは、特定の応用において性能及び動作が制限される場合がある。例えば、幾つかの応用において、効率的な電力スイッチング、保護及び変換のために、高速で高電圧のソリッドステート制御デバイスを有することが望ましい。

バルク伝導を実施する光伝導デバイスを実装するための手法、システム及びデバイスが開示される。

例示的な一態様では、光伝導デバイスが開示される。光伝導デバイスは、光を放出するように構成された光源と、光源からの光を受けるように位置決めされた結晶性物質であって、結晶性物質が該結晶性物質の再結合時間を制御するために結晶性物質のバンドギャップ内に中間ギャップ状態を形成するドーパントでドープされる、結晶性物質と、結晶性物質に結合されて、結晶性物質のための第１の電気接点を提供する第１の電極と、結晶性物質に結合されて結晶性物質のための第２の電気接点を提供する第２の電極と、を備え、第１及び第２の電極は、結晶性物質にわたって電界を確立するように構成され、結晶性物質は、光源からの光を受けることに応答して実質的に線形の相互コンダクタンスを示すように構成される。

幾つかの実施形態では、デバイスは、結晶性物質内に光が反射することを可能にするために、結晶性物質上に反射コーティングを更に含む。幾つかの実施形態において、結晶性物質は、第１の端部から光が結晶性物質に入射することを可能にする入力アパーチャーと、結晶性物質に入射する光の経路に対して傾斜している入力アパーチャーの反対側端部上のファセットと、を含む。

幾つかの実施形態では、結晶性物質に入射する光の波長は、結晶性物質のバンドギャップに対応する波長よりも長い。幾つかの実装では、結晶性物質は、曲面を有する。

幾つかの実施形態では、結晶性物質は、炭化ケイ素を含む。幾つかの実装形態では、ドーパントは、バナジウム、窒素、アルミニウム又はホウ素のうちの１つを含む。

幾つかの実施形態では、デバイスは、光源と結晶性物質との間の光の経路に位置決めされ、光源から結晶性物質まで光を配向する光導波路を更に含む。幾つかの実装形態では、第１の電極は、金属、金属合金又は金属マトリックスのうちの１つを含むベースプレートとして形成される。

幾つかの実施形態では、デバイスは、光によって励起されたときに結晶性物質によって生成された熱を拡散させるため、結晶性物質と第１の電極との間に位置決めされた基板を更に含む。幾つかの実施構成において、基板は、金属化ダイヤモンド、酸化アルミニウム上のダイレクトボンド銅、窒化アルミニウム、銀化学蒸着ダイヤモンド（ＣＶＤ）、アルミニウムＣＶＤ又は銅ＣＶＤのうちの１つを含む。幾つかの実施形態において、基板と結晶性物質の間又は基板とベースプレートとの間の熱膨張係数の勾配を低減するため、デバイスは、基板と結晶性物質の間又は基板と第１の電極との間に位置決めされる結合剤を更に含む。幾つかの実装では、結合剤は、９６．５％の錫、３％の銀及び０．５％の銅を含む。

幾つかの実施形態では、デバイスは、結晶性物質の周りに絶縁コーティングを更に含む。幾つかの実装形態では、絶縁コーティングは、多層ポリイミド薄膜を含む。

幾つかの実施形態において、結晶性物質は、光源を制御する電気信号の最高周波数成分の特性時間よりも少なくとも１桁小さい再結合時間を生成するようにドープされる。幾つかの実施形態において、結晶性物質は、特定の波長又は波長範囲を有する光によって励起されたときに、再結合時間に対する所定の値を達成するために、特定の量のキャリアを含むようにドープされる。幾つかの実施形態では、結晶性物質は、光源からの光を受ける構造の一部として形成され、該構造は、結晶性物質を介して伝播する光が複数の内部反射を受けるような形状にされる。

別の例示的な態様では、電荷トラップ装置が開示される。ドーパントでドープされた結晶性物質であって、ドーパントは、結晶性物質のバンドギャップ内に中間ギャップ状態を形成して、特定の波長又は波長範囲の光による結晶性物質の励起時に所定値の再結合時間を達成する、結晶性物質と、結晶性物質に結合され、結晶性物質にわたって電界が確立されるのを可能にするように構成された電極のペアと、を備える。

幾つかの実施形態では、結晶性物質は、炭化ケイ素を含む。幾つかの実装形態では、ドーパントは、バナジウム、窒素、アルミニウム又はホウ素のうちの１つを含む。

幾つかの実装形態では、結晶性物質は曲面を有する。幾つかの実施形態では、結晶性物質は、光のビームが第１の端部から結晶性物質に入射することを可能にする入力アパーチャーと、結晶性物質に入射する光のビームの経路に対して傾斜した入力アパーチャーの反対端上のファセットとを含む。幾つかの実施形態では、装置は、結晶性物質上に反射コーティングを更に含み、光のビームが結晶性物質内で反射することを可能にする。幾つかの実装形態では、結晶性物質は、光のビームを受けることに応答して実質的に線形の相互コンダクタンスを示すように構成される。

幾つかの実施形態では、結晶性物質は、光源を制御する電気信号の最高周波数成分の特性時間よりも少なくとも１桁小さい再結合時間を生成するようにドープされる。幾つかの実装形態では、再結合時間の所定の値を達成するために、特定の量のキャリアを含むように結晶性物質がドープされる。幾つかの実施形態では、結晶性物質は、光源からの光のビームを受ける構造の一部として形成され、構造は、結晶性物質を介して伝播する光が複数の内部反射を受けるような形状にされる。

上記及び他の特徴並びにこれらの実施形態又は実施構成は、図面、明細書及び特許請求の範囲においてより詳細に説明される。

例示的な接合トランジスタの概略図を示す。 例示的な光伝導デバイスの概略図を示す。 相互コンダクタンス特性及び線形性を示す例示的なプロットを示す。 ４Ｈバナジウムドープ炭化ケイ素における例示的なバンドギャップ構造を示す概略図を示す。 再結合時間に対するドーピングの効果を示す測定のための例示的なセットアップを示す。 ｃ軸に平行な偏光の測定から収集された例示的なデータを示す。 ｃ軸に垂直な偏光の測定から収集された例示的なデータを示す。 バナジウム濃度の関数としての例示的な再結合時間を示す。 １つの特定のドーピング濃度の注入キャリアの関数としての自由キャリア吸収の測定の例示的なプロットを示す。 他の２つの接合デバイスに対する本発明の手法による光伝導デバイスとの例示的な比較を示す図である。 例示的な照射方式の概略図を示す。 入射光の全内反射を最大化する例示的な構成の概略図を示す。 入射光の全内反射を最大化する例示的な構成の概略図を示す。 入射光の全内反射を最大化する例示的な構成の概略図を示す。 入射光の全内反射を最大化する例示的な構成の概略図を示す。 入射光の全内反射を最大化する例示的な構成の概略図を示す。 １又は２以上の集光装置を使用して実装された例示的な方式を示す図である。 例示的な吸収曲線を示す図である。 従来の研究における基板の厚さの関数としての例示的な電界データを示す。 本発明の手法による光伝導デバイスの例示的な実施形態の概略側面図及び概略端面図を示す。

本特許文献において、「例示的」という用語は、実施例、事例又は例証としての役割を果たすことを意味するのに使用される。「例示的」として本明細書で記載される何れかの実施形態又は構成は、他の実施形態又は構成よりも好ましい又は有利であると必ずしも解釈される訳ではない。むしろ、例示的という用語の使用は、概念を具体的な方式で提示することを意図している。

最新の炭化ケイ素（ＳｉＣ）制御接合デバイスは、通常、適切な高電圧ホールドオフを達成するために厚いドリフト領域を必要とする。制限されたキャリアドリフト速度（例えば、＜１０⁷−ｃｍ−ｓ^-1）、緩慢な遷移時間（例えば、約０．５−μｓ）及び／又は制限されたスイッチングレート（例えば、約１０ｋＨｚ）は、外部磁気部品の遷移損失及びヒステリシス損の増加による無駄なエネルギーによって、グリッド効率に悪影響を及ぼす可能性がある。

図１Ａは、例示的な接合トランジスタの概略図を示す。２つの対向する端子（例えば、ソース１０１とドレイン１０２）の間に電圧が印加されると、第３の介在端子（例えば、ゲート１０３）を用いて、デバイスを通過する電流Ｉを制御することができる。制御電極１０４での動作は、キャリア走行時間によってドレイン１０２にて遅延する。この遅延は、ｘ／μＥに比例し、ここでｘはドリフト長、μはキャリア移動度、Ｅは印加される電界である。印可電界は、固有の材料特性によって制限されるので、このようなデバイスは、高電圧の処理が本質的に緩慢である。

バイポーラ接合及び電界効果トランジスタなどのパワー半導体デバイスもまた、相互コンダクタンス特性を利用する。電流Ｉの挙動は、相互コンダクタンスとして定められる量に関連している。これは、以下の一般形：
をとり、ここでξ_inは、制御入力である。電界効果デバイスでは、ξ_inは、ゲートに印加される電圧である。その結果、増幅は、Ｖ_out＝Ｖ_gｇ_mＺ_oとなり、ここで、Ｖ_gは入力電圧、Ｚ_oは負荷インピーダンスである。これらの単純な関係は、電子回路の基本的な基盤としての役割を果たす。相互コンダクタンスは、Ｇｅ、Ｓｉ、ＺｎＯ、グラフェン、カーボンナノチューブ、ＩｎＡｓナノワイヤチャネル、ＧａＮ／ＩｎＡｌＮ、有機半導体及びゲル溶液ゲート構造から製造された接合デバイスにおいて観察されている。

図１Ｂは、例示的な光伝導デバイスの概略図を示す。光伝導デバイスは、材料１１１の光学伝導度、すなわち、光１１２の照射による結果としての電気伝導度の増加に基づいて動作する電気デバイスである。接合デバイスよりも高電圧を処理できるようにする光伝導デバイスの１つの重要な態様は、バルク伝導である。バルク伝導は、デバイス全体の近くで同時にオンになるプロセスである。光伝導デバイスにおける１つの例示的な取り組みは、光又は他のタイプの放射線でデバイスのバルクにおいて電荷キャリアを同時に生成することによって、キャリア走行遅延を排除することである。

相互コンダクタンスもまた、光伝導デバイスにて観測されてきた。例えば、デバイス電流の間接的な光伝導性制御は、電力システム用のこれらのタイプのデバイスに統合されてきた。その一方で、光子によるキャリアの直接制御は、明白な利点を有する。例えば、照射が電流を横切る場合、バルク制御は、基本的に、光走行時間の速度によってのみ制限される。従って、遷移損失は、標準接合デバイスと比較して著しく低下する。しかしながら、現在線形の光伝導性制御は、デバイスのスルー端子間に介在する制御接合を必要とする。

この特許文献は、光伝導デバイスが、光伝導材料の再結合時間によってのみ制限される、線形相互コンダクタンスのような特性を示すことを可能にするバルク伝導手法を記載している。幾つかの実施形態では、線形相互コンダクタンスのような特性は、バンドギャップ下の光学的励起と組み合わされたドープ結晶性物質を使用して達成される。幾つかの実施形態では、光学的ドライブは、結晶性物質のバルク全体にわたってキャリアを直接励起するが、ドーパントは、非放射性再結合（ＮＲＲ）の中心を提供する。

光伝導デバイスに関する詳細は、以下のセクションで更に検討する。

（材料特性）
光伝導デバイスで使用される材料は、適切に設計されている場合、標準的接合トランジスタの相互コンダクタンス特性に似た能力を有する。上記で検討したように、相互コンダクタンスｇｍは、デバイスの出力を制御入力に関連付ける特性である。半導体接合において、この特性は、接合での物理的力学がもたらす外部から加えられた電界の影響下での電荷キャリアの挙動の直接的な結果である。

従来の光伝導デバイスは、短パルス（＜１００ｎｓ）メガワットピーク電力レベル、ラッチオン・バイモーダル・オン・オフスイッチングに焦点をあわせていた、又はキャリアの開始とその後のクエンチをするために二重光学的エネルギーの使用が必要であった。過去のワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）の光伝導性の研究は、効率を高めるためにこれらの再結合中心を排除することに焦点を合わせてきた。その一方で、本特許文献では、ＮＲＲ密度を制御及び利用して、順方向電力利得に対する忠実度及び速度をトレードする手法について検討している。

光伝導デバイスが接合デバイスと異なる１つの方法は、光伝導デバイスの相互コンダクタンス特性が単に近似である点である。電荷キャリアは、制御入力と同等のξ_in’に同様に応答するが、キャリアは、物理的力学に基づいて減衰し、意図的に材料の結晶格子に設計することができる。ほとんどの材料に関して、休止状態において伝導性が極めて低くなる（例えば、１０⁸オーム前後の高抵抗）。しかしながら、正しく設計された材料では、光学的ポンピングは、電荷キャリアを伝導帯に励起し、材料を伝導性にすることができる。その結果、制御されたキャリア減衰は、材料の設計された材料結晶格子に基づく物理的再結合又は「トラッピング」をもたらす。

光伝導材料の相互コンダクタンスは、以下のようにして得ることができる。最初に、伝導性ｇ（ｔ）に比例する電荷キャリア密度の挙動に関する一般式は、連続式を使用して記述することができる。
式（１）
ここで、τは再結合時間、ｇ₀は最大伝導率、Ｓ（ｔ）は正規化された光強度である。式（１）は、関数Ｓ（ｔ）による電荷キャリアの励起と、それに続く時定数τを有するトラッピングを記述している。

ｔ＝０から式（１）の一般解は、
式（２）
従って、光ポンプ下の光伝導材料内のキャリアは、上記の積分方程式により記述することができる。一例として、迅速な励起インパルス「スパイク」δ（ｔ）に関して、ｇ（ｔ）の積分は、指数関数的減衰である。しかし、τと比較して緩慢に変化するＳ（ｔ）を別にすると、ｇ（ｔ）の積分は、Ｓ（ｔ）に比例して減少する。従って、ξ_in’は、
に反比例する制御入力であり：
言い換えれば、再結合時間τが光源を制御する電気信号の最高周波数成分の特性時間（例えば、電力工学での約１０ｎｓ）と比較して小さい場合（例えば、１ｎｓ近く又はそれ未満）、光伝導材料は、光励起により線形相互コンダクタンスのような特性を示す。所与のξ_in’及び再結合時間τに対するｇ（ｔ）の再現におけるエラーは、実際の積分を実行して、ξ_in’とｇ（ｔ）を比較することによって決定することができる。

図２は、相互コンダクタンス特性及び線形性を示す例示的なプロットを示す。この特定のデータセットに関する再結合時間τは約１ｎｓであり、印加信号の等価時間は、１０ｎｓを超えていた。ｘ軸上の光度をξ_in’として変化させると、デバイスにわたって所与の電圧に対するｙ軸上の電流変化につながる。入力信号の強度と結果として生じる電流との間で線形対応を示す材料及び材料領域は、放射線に応答する電荷トラップ量と呼ばれる。

（ドーピング機構）
上記の近似は、キャリアの単純な指数関数的減衰の仮定を行う。しかしながら、多くの材料では、減衰はより複雑である。バナジウムなどのドーパントを使用して材料をドープすることは、材料の再結合時間に作用する１つの手法である。

幾つかの実施形態では、４Ｈ−ＳｉＣ又は６Ｈ−ＳｉＣなどの結晶性物質は、深い準位の不純物（例えば、バナジウム）で制御されたドーピングによって調製される。バルク結晶性物質は、１又は２以上の選択されたドーパント（例えば、バナジウム）を導入する、修正レーリープロセスを使用して成長させることができる。例えば、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶は、最初にＳｉＣ種結晶上にＳｉ及び炭素蒸気種を蒸着させることにより、物理気相輸送（ＰＶＴ）法で成長させることができる。蒸気は、高純度ＳｉＣ源の昇華によって供給される。ドーパントは、ＰＶＴプロセスにおいて添加されて、６Ｈ−ＳｉＣの制御されたドーピングを実現することができる。成長の際の意図的でないドーパントを最小限に抑えることに狙いを定めた、従来のレーリー様プロセスとは対照的に、本プロセスは、様々なドーパント（例えば、バナジウム、窒素、アルミニウム、ホウ素など）を制御された方法で導入して、最終結晶性物質内に存在するキャリアの量を増大させることができる。

置換型Ｓｉサイトでのバナジウムなどのドーパントは、両性挙動（すなわち、フェルミ準位に応じてアクセプタ及びドナー状態を示す）への変態を備えたＳｉＣ内の深部中間ギャップ準位を形成する。成長中、バナジウムは、意図しない浅い不純物を補償して、半絶縁性（ＳＩ）材料を生成する。図３は、４Ｈバナジウムドープ炭化ケイ素における例示的なバンドギャップ構造を示した概略図を示す。図３は、伝導帯（ＣＢ）３０１及び価電子帯（ＶＢ）３０３を描いている。バンドギャップ３０５及び３０７内に２つの中間ギャップ状態（すなわち、バナジウムサイト）が観測される。励起中、バナジウムサイト３０５及び３０７は、効果的な再結合中心となる。エネルギー及び電荷保存の条件を課すことにより、電荷キャリアとしての電子（３１１）及び電荷キャリアとしての空孔（３１３）の許容可能な遷移が示される。この図に基づいて、伝導帯に注入されて材料を伝導性にする励起キャリアは、ドーパント（例えば、バナジウム）によって生成されたバンドギャップでの中間状態の測定断面積に従って最終的には減衰すると合理的に結論付けることができる。これらの中間状態が満たされると、他の唯一の減衰経路は、価電子帯まで続くため、事実上、中間帯の断面積の大きさが小さくなるように見え、そのため電荷捕捉プロセスにより多くの時間が必要とされる。

再結合時間に関するドーピング効果を示すために、高度に特殊な測定が行われてきた。図４は、このような測定の例示的なセットアップを示す。このセットアップでは、３５５ｎｍ（４０１）の１００ｆｓ未満の極めて短いレーザポンプパルスが材料（４０３）を励起するために使用された。次に、様々な時に、白色光プローブパルス（４０５）を用いて、アクティブなキャリア密度を決定した。データは、主軸又は「ｃ軸」（４１１）に対して、垂直（４０７）と平行（４０９）の２つの向きで光偏光が得られた。

表１は、測定のために開発されたエピタキシャルＳ１ ４Ｈ−ＳｉＣサンプルの例示的なセットを示す。

図５Ａ〜Ｂは、測定から収集された例示的なデータを示す。キャリア密度は、１００ ｆｓパルスが終了した後、減少する。また、バナジウム濃度を増大させることは、減衰曲線の初期部部分の間に再結合時間を減少させる。濃度が増大し続けると、後期プラトーが発現し始める。この効果は、ｃ軸に平行な偏光（Ｅ││ｃ）に関しては、あまり顕著ではなく、ｃ軸に垂直な偏光（Ｅ┴ｃ）に関しては、より顕著である。ここで、Ｅは、入射光の電場である。

ｃに平行なＥ（Ｅ││ｃ）偏光及び約７×１０¹⁵ｃｍ^-3のバナジウム濃度では、キャリア減衰は、片対数プロット上で２桁を超えて実質的に線形である。この深い減衰は、単一の時定数がキャリアの再結合プロセスを支配していることを示している。プラトーなしで深いキャリア減衰を実現することは、このデバイスの相互コンダクタンスのような特性の近似を可能にする積分上の前述の条件に起因して、極めて望ましいことである。

図５Ａ〜Ｂにおけるプロットは正規化されているので、増大するバナジウム濃度の影響が、明らかではない。すなわち、一定の光強度に対する光伝導材料の正味伝導率は、バナジウム濃度の関数として示されていない。しかしながら、増加したバナジウム濃度は、電荷キャリアが占有するより多くのサイトを提供し、従って、励起中に伝導帯内に放出されるので、光伝導材料の正味のオン抵抗は、濃度の増加に伴って減少する。従って、抵抗に対する光伝導材料とキャリア減衰の深さとの間にトレードオフが存在する。

図５Ｃは、バナジウム濃度の関数としての例示的な再結合時間を示す。ショックリーリードホール（ＳＲＨ）では、再結合時間は、断面積に反比例する。
ここで、σ_TR及びＮ_TRは、それぞれトラップ断面積と濃度である。グローバル及び目標分析（ＧＴＡ）フィットは、測定された再結合時間と、電子のバナジウムアクセプタに関する分光学断面結果との一致を示す。これらの２つの観測結果は、実際に高速再結合チャネルが標準的なＳＲＨモデルと一致しているという結論をもたらす。

更に、励起後の自由キャリアは、様々なキャリア注入密度に対してこれらの中間バンドギャップサイトで飽和プロセスを示すことが観測されている。図６は、１つの特定のドーピング濃度（１．９×１０¹⁷ｃｍ^-3）での注入キャリアの関数としての自由キャリア吸収の測定結果の例示プロットを示す。極めて早い時間（Δｔ＝１ｐｓ）で、材料内の自由キャリアは、注入キャリアに対して簡潔な関数依存性を示す。しかしながら、遅い時間（Δｔ＝７ｎｓ）では、サイトは、バナジウムドーパントのほぼ同じ注入密度で飽和しているように見える。この結果は、迅速な減衰が中間バンドギャップサイトの直ぐ次にあることを示している。飽和すると、伝導帯からの唯一の許容経路は、価電子帯までとなる。この減衰は、特徴的により長くなり、図５Ａ〜図Ｂにおいて観測されるプラトーを生成する。

図７は、他の２つの接合デバイスに対する本発明の手法による光伝導デバイスとの間の例示的な比較を示す。この比較は、バルク伝導（７０１）を実施する光伝導デバイスが、どの程度、等価電圧ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ（７０３）よりも有意に高速で、低電圧Ｓｉ ＩＧＢＴ（７０５）よりも遙かに高速であるかを示している。また、図７は、バルク伝導デバイス７０１の周波数応答が、レーザダイオードドライバー電子装置によって占められていることを示す。従来の接合デバイスでは、印加された高電圧に耐えるのに必要な厚さに起因して、厚い基板が必要とされる。電流制御メカニズムは、接合部及びひいては集電電極へのキャリアのドリフトを利用しており、従って、走行時間がデバイスの速度を決定付ける。その結果、厚い基板は、デバイスのバルクにおける伝導帯内のキャリアの数及びひいては電流フローを制御するバンドギャップ下の光で励起することによって除去することができる。キャリアが同時に励起されるので、基板を通過するドリフト速度は、伝導特性における役割を果たさない。従って、遙かに高いスイッチングレート及びひいてはスイッチング効率を実現することができる。ここで示された電流増加は、より高いレーザ強度で実現することができるため、安価なレーザダイオード光源の出現で、コスト競争力のあるバルク条件スイッチが、高電圧パワーエレクトロニクスにおける従来の接合デバイスに置き換わることができる。

測定結果は、バナジウムドーパントに基づいて行われたが、上記で検討したように、異なるドーパント（窒素、アルミニウム、ホウ素など）を結晶性物質の成長に加えて、結晶性物質内に存在するキャリア数を増加させることができる点に留意されたい。

（バルク伝導の照射制御）

更に、バルク伝導の目的を達成するために、電流密度が比較的一定になるように、適用される光が材料の量の大部分をできるだけ効率的で均一に照射することが望ましい。

一定の電流密度は、最小限の局部応力及び加熱を確実にする。少なくとも３つの態様を考慮することができる。第１は、複数の光の跳ね返りが発生するように構造を設計することである。複数の跳ね返りは、個々の光線をランダム化する。第２に、複数の跳ね返りが発生できるように、十分に長い吸収長（つまり、光に必要な距離が、強度をｅ^-1に減少させ、ここで、ｅは自然対数の底）が必要である。吸収は、光の波長の関数であるので、光源のスペクトル成分を正しく選択することが必要である。第３は、光が入ることが許容されると、デバイスからの最小量の光漏れが存在することを確実になることである。何らかの特殊な光学素子がない限り、反射面の面積と入射面の比は可能な限り大きくすることができる。

図８は、例示的な照射方式の概略図を示す。図８の上部セクション（８０１）では、光８１１は、単一レーザなどの比較的小さな低発散光源から発生する。狭い照射セクションのみが伝導性になる（サンプル平面でのビーム画像は右端に示される）。これに較べ、下部セクション（８０３）において、ピンポイント光源８１３を受け入れるため極めて小さなファセット８２１がコーナに生成される。残りの表面は、完全に反射性のコーティング（例えば、電界がファセット及び集電面上の伝導性コーティングと平行である誘電体コーティング）を有する。全反射は、光が入る箇所を除いて発生する。この特定の手法を使用すると、同様の光源強度に対して約１０分の１の抵抗を達成することができる。

光源からの光を受け入れる材料のアパーチャーは、入射光が特定の入射角及び偏光で入射できるように透明でなくてはならない。同時に、出射光の量を最小限にすることが望ましい。アパーチャーから出射する光の量を最小限に抑える１つの方法は、アパーチャーに到達する前に、多重反射及び十分な吸収が発生していることを要求することである。この目標を達成するために、材料の反対面のファセットは、光の入射角に垂直ではない場合がある。このように、入射光は、十分な内部反射と延長経路長を生じて、出射前の吸収を確実にすることができる。

図９は、入射光の全内反射を最大化するための例示的な構成の概略図を示す。多くの場合、ファセットの強度を妥当なレベル以内に保つために、薄く幅広い光源が必要とされる。構成（ａ）〜（ｄ）は、この目的に好適である。それでも尚、ペンシルタイプのビームに使用できる別の構成が構成（ｅ）に示される。これらの図から、光が広い面から平行から僅かにずれた角度で入射することができるので、電極からの跳ね返りが生じ、従って、デバイス軸に沿って光が均一にランダム化することができる点は理解される。

図９の構成（ａ）〜（ｃ）に示される幾何形状は、ファセットの交点に鋭いコーナを有する。これらのコーナは、低電界の維持には有害となることがある。その結果、デバイスの電圧能力が制限される場合がある。従って、幾何形状（ｄ）〜（ｅ）に示されるような滑らかな曲線に近づくように、ファセットの数を最大化することが望ましい。幾何形状（ｄ）は、導波路及び／又は集光構造を平坦面に当接させることを可能にできる特殊なタイプのものである。図１０は、導波路１００４を備えた１又は２以上の集光装置（１００１、１００２）を使用して実装された例示的な方式を示す。集光装置（１００１、１００２）の主な目的は、放射線ファセットに応答する電荷トラップ量に対して５００〜１０００強度ゲインを達成することである。この特定の手法では、一次集光装置１００１（例えば、小型レンズ）を使用して、広いビーム光源アレイ１００３は、光導波路１００４の反対側上の複数のスポットに焦点を合わせている。光導波路１００４は、必要ならば、二次光集光装置１００２の近くに位置決めされる。次に、導波路１００４は、例えば、図９Ａ〜図９Ｄに示されるような様々な構成内の材料１００５に光を配向する。このように、広い光源１００３は、遙かに狭い寸法で導波路１００４に限定され得る。例えば、長方形のレンズで光を集中させて視準を合わせることにより、図９Ｅの構成は、役立つこともできる。

良好な吸収長を確保するために、光源は、バンドギャップに対応する波長よりも長い波長を有する光を放出することが望ましく、
（例えば、６Ｈ−ＳｉＣについて約３．０ｅＶ又は４１３ｎｍに相当）、ここでｈは、プランク定数、ｃは光速、更にＥはバンドギャップエネルギーである。この基準はまた、内部反射の数が光線をランダム化するのに十分であると同時に、ファセットでの各反射から生じる総損失を最小限に抑えることも確実にする。その結果、放射線に応答して電荷トラップ量全体での効率的なバルク伝導が、制御光源強度と同期して均一に発生することができる。

図１１は、例示的な吸収曲線を示す。上記の基準に従った理想的な波長は、約２．７９ｅＶ又は４４５ｎｍである。例えば、可能な光源の１つである４４５ｎｍで放出する深い青色レーザダイオードは、商業的に容易に入手可能であり、この目的に有用である。この波長では、吸収深度は、約１．５ｅＶ（又は８２６ｎｍ）と２．５ｅＶ（又は４９６ｎｍ）の間のプラトー領域の約１０分の１である。１．５ｅＶよりも長い波長でデバイスを動作させることは可能であるが、特殊な光学系によりデバイスをより複雑にする場合がある。

（放熱）
放射線に応答して電荷トラップ領域を形成する光伝導デバイスのための多くの基材は、僅かにドープされた炭化ケイ素などのワイドバンドギャップ材料とすることができる。炭化ケイ素などの材料は、大幅な電力を減少して伝導できるため有利である。それの場合でも、放熱の要件は、かなりのものになる可能性がある（例えば、１０ｋＷ−ｃｍ^-2より大きい）。最新の冷却技術は、概して約２７ｋＷ−ｃｍ^-2の容量を有するので、デバイスから熱を除去するために幾つかの追加の冷却技術が必要になる場合がある。伝導手段と対流手段の両方を利用することができるが、従来の手段が実装できるように、熱流束をより低い値にまで低減することが望ましい。

幾つかの実施形態では、冷却技術は、次のように実装することができる。最初に、放射線に応答する電荷トラップ量が、界面接合を介して金属化基板に接続される。金属化基板は、ヒートスプレッダとして作用する。次に、金属化された基板は、別の界面接合を介してベースプレートに接続される。この構成は、放射線に応答して、材料から、電荷トラップ量の外部のより大きな領域への熱の流れを可能にする。幾つかの実施形態では、熱流束がヒートスプレッダによって低減されるとき、第２のプレートを使用して、より従来の冷却方式にインターフェースすることができる。

機械的応力及び潜在的な欠陥の形成を最小限に抑えるために、材料間の熱膨張係数（ＣＴＥ）が適合していることが重要である。例えば、炭化ケイ素を使って、妥当な適合は、約４ｐｐｍ／^oＫのＣＴＥを有する材料を含む。しかしながら、幾つかの実施構成では、ＣＴＥ及び熱伝導率などの他の望ましい特性の正確な適合が達成されない可能性がある。従って、より弾性のある界面接合を使用すること、及び／又は層間のＣＴＥを等級分けすることが望ましい。或いは、１又は２以上の高伝導性層は、光伝導材料、金属化基板、及びベースプレートの間に挿入して、完全なスタックアップに沿った中間ＣＴＥ勾配を低下させることができる。

幾つかの実施形態では、金属化基板は、金属化ダイヤモンド、酸化アルミニウム上の直接結合銅、窒化アルミニウム、銀化学蒸着ダイヤモンド（ＣＶＤ）、アルミニウム−ＣＶＤ又は銅−ＣＶＤを含むことができる。或いは、金属化基板は、複合アルミニウム炭化ケイ素に埋め込まれたヒートパイプの組み合わせを含むことができる。

ベースプレートの組成は、（ａ）金属、金属合金又は金属マトリックス、（ｂ）ヒートパイプ（例えば、相変化冷却液及びウィックを含む真空密封管）、（ｃ）金属、金属合金又はヒートパイプが埋め込まれた金属マトリックス、（ｄ）蒸気チャンバー（例えば、相変化冷却液とウィックを有する均一の真空密閉チャンバー）、（ｅ）金属、金属合金又は相変化なしの冷却液流にわたる統合チャネルを備えた金属マトリックス、及び／又は（ｆ）金属、金属合金、金属マトリックス又は相変化を伴う冷却液流にわたる統合チャネルを備えたセラミックを含むことができる。

比較的高い熱伝導率を維持しながら熱膨張を最小限に抑えるのに役立つ比較的弾性のある界面接合材料は、９６．５％の錫、３％の銀及び０．５％の銅のような合金を含むことができる。幾つかの実施形態では、接合材料は、ＳＡＣ３０５合金を含む。焼結銀、カーボンナノチューブホイル、熱可塑性接着剤又は繊維を埋め込んだ熱可塑性物質などの他の材料も、妥当な機能を提供することができる。

最後に、効率的な順方向の移動特性は、所与の総オン抵抗に対する光パワー要件を最小化することが必要とされる。従って、材料の厚さを最小限に抑えることが望ましい。材料の厚さを最小限に抑えると、電界要件が増大する。幸運なことに、放射線に応答する電荷トラップ量に適した材料の破壊に関するかなりの量のデータが存在する。例えば、ＳｉＣは、薄い材料に対する２．４〜５．０ＭＶ／ｃｍの極限破壊強度を有することが示されていた。図１２は、以前の研究での基板の厚さの関数としての例示的な電界データを示す。

幾つかの実施形態では、横方向ポンピング手法が結晶性物質に使用される。この手法は、トラップされた電荷の蓄積を防ぐために、電極が材料のエッジまで延びることを必要とする。この手法は、光学的に遙かに効率的であるが、印加されたスイッチ電圧全体が薄いエッジに印加されているため、表面のフラッシュオーバーに対して弱くなる。結果として、この手法は、表面のフラッシュオーバーが発生する前に、通常、油中で１６０ｋＶ／ｃｍしか達成できない。このレベルは、保守的に設計されたデバイスでの動作電界の約２０％にすぎない。基板の厚さが通常、約３７５μｍに対して、この手法は、油で絶縁された６ｋＶのデバイスのみ可能にすることができる。従って、デバイスを絶縁する別の手段が必要である。

強い接着特性を有するポリイミド薄膜などの材料は、表面に対して極めて共形である。一部の材料は、４００°Ｃと同じ高さの温度に定格化される。また、このような材料は、電圧がＤＣ、パルス状又は段階的である場合、極めて高い破壊強度（例えば、１２５μｍポリイミド薄膜に関して１．５〜２．２ＭＶ／ｃｍ）を有することができる。この破壊強度は、ＳｉＣの破壊強度に相当する。更に、ポリイミドはまた、ＳｉＣを使って４０，０００時間までの接着試験を含んだ加速試験での優れた長期にわたる堅牢性を示した。ポリイミドはまた、光入力で界面接合として作用するために十分に透明であり、且つ高ピークパワーレーザ強度の下で堅牢である。

残念ながら、ポリイミドの破壊は、厚さに比例して変化しない。例えば、３７５μｍのポリイミド薄膜は、１２５μｍの薄膜と同じ破壊電界の能力がない。しかしながら、誘電体を個々に積層することにより、ほぼ理論上の破壊強度が達成できることが知られている。この現象の物理的な説明は、積層が破壊的なアーク放電の優先方向を変更し、印加された電界に平行というよりはむしろ、層と平行になることである。従って、幾つかの実施形態では、絶縁材料は、３７５μｍの厚さの縁に結合され、全ての面上の基板に結合された多層ポリイミドスタックである。

多層ポリイミド薄膜は、複数の方法によって堆積させることができる。例えば、スピン塗布技術は、膜厚が部品の回転速度とポリイミド溶液の粘度によって定められる場合に使用することができる。薄い縁に垂直な多層化は、各コーティング後に薄膜を部分的に乾燥させることで行われ、その結果、基板と層間によく結合された電気的に強い薄膜が生じる。幾つかの実施形態では、多層ポリイミド薄膜を堆積させるために、３Ｄ印刷技術も使用することができる。

ポリイミドは、ここで述べられているが、マイクロ回路レベル及びナノスケール技術での共形被膜として良く開発され、且つ広く使用されている他のポリマーが存在することに留意されたい。

図１３は、本発明の手法による光伝導デバイス１３００の例示的な実施形態の側面図及び端面図の概略図を示す。デバイスは、光を光伝導材料１３０３に発する光源１３０１を含む。幾つかの実施形態では、デバイス１３００は、光を光伝導材料１３０３に導く光導波路１３０２を含む。光伝導材料１３０３は、出力電極１３０４に結合される。入射光に応答して、光伝導材料１３０３は、線形相互コンダクタンスのような特性を示す。

幾つかの実施形態では、光伝導材料１３０３の２つの大きな面は、酸化を防ぐために、不活性金層の最上層を上に乗せた高反射金属化多層コーティングで表面を覆われる。光伝導材料１３０３全体は、極めて限られた量の意図的なシリサイド形成を伴うショットキー接触として機能する。１つの例示的なコーティングプロセスは、マルチマグネトロンガンスパッタシステムを使った高周波スパッタリングである。光伝導材料１３０３は、不活性金層が最終コーティングとして塗布されるまで、保護低圧ガスバリアの下にとどまる。金属コーティングが完了した後、光伝導材料１３０３は、共にワックスブロックされて、半長方形又は円筒形のバーを形成する。幾つかの実装形態では、ダミー基板は、バーの各端上に使用され、金属化端面を保護する。次に、バーの各面は、ラッピングして余分な金属を除去し、薄い面を研磨する。研磨後、光伝導材料１３０３は、多層の高反射率の、誘電体コーティングで表面を覆われる。

幾つかの実施形態では、光伝導材料１３０３は、「端面図」に示したような、ヒートスプレッダとして機能するために、下面上の金属化基板１３０５（例えば、ＡｌＮ−ＤＢＣ）に結合される。追加のヒートスプレッダは、光伝導材料１３０３と金属化基板１３０５又は金属化基板１３０５とベースプレート１３０６（例えば、金属装着プレート）の間に置くことができる。追加のヒートスプレッダは、一部はヒートスプレッダとして作動し、一部はＣＴＥマッチングインターフェイスとして作動する。ベースプレート１３０６は、既存のＩＧＢＴ又は高電圧パワーＭＯＳＦＥＴモジュールとの直接の互換性を提供することができる。幾つかの実施形態では、金属化基板１３０５（例えば、ＡｌＮ−ＤＢＣ層）はまた、光源パッケージ１３０１及び光導波路１３０２を有する。

幾つかの実施形態では、光伝導材料１３０３は、絶縁層１３０７によって取り囲むこともできる。幾つかの実施形態では、絶縁層１３０７（例えば、ポリイミド薄膜）の塗布は、スピンコーターで行われ、上記のように、多層化は、明確な境界が形成されるように、各被膜を十分に乾燥するのを可能にすることによって行われる。

幾つかの実装形態では、出力電極１３０４は、絶縁層１３０７と互換性のあるはんだ溶融点でくっつけられている。このような無鉛はんだは、３９５℃にまで及ぶ溶融点を有する錫、銀及びアンチモンの合金を含む。これらのはんだは、電極１３０４のダイアタッチにも使用することができる。これらの全てのプロセスが完了した後、デバイス全体は、高電気強度エポキシ又は同様の材料での絶縁樹脂に埋め込まれた、ポリブチレンテレフタレート容器に収納することができる。

従って、本明細書に開示されるバルク伝導手法が、改善された光伝導デバイスを可能にすることは、明らかである。改善されたデバイスは、主に光伝導材料の再結合時間によって制限される、線形の相互コンダクタンスのような特性を示す。この改善されたデバイスは、標準の接合デバイスと比較してかなり低い遷移損失を招き、抵抗、コンデンサ、インダクタ又はその他の回路要素に接続して、接合半導体デバイスの機能を置き換えるために特定の機能のための回路を形成することができる。

この特許文献は、多くの詳細を含むが、これらは、いかなる発明の範囲又は請求することができるものの限定として解釈すべきではなく、むしろ特定の発明の特定の実施形態に特有であり得る特徴の説明として解釈すべきである。別個の実施形態の文脈で、この特許文献内に説明されている特定の特徴は、単一の実施形態での組み合わせにより実現することもできる。逆に、単一の実施形態の文脈内で説明されている様々な特徴は、多数の実施形態により別々に又は任意の適切なサブコンビネーションにより実現することもできる。更に、機能は、特定の組み合わせで作動するものとして上述することができ、たとえ最初にそのように主張されている場合でも、主張された組み合わせからの１又は２以上の機能は、場合によっては、組み合わせから削除することができ、主張された組み合わせは、サブコンビネーション又はサブコンビネーションの変化に向けることができる。

同様に、動作は、特定の順序で図面に示されているが、望ましい結果を実現するために、このような動作が示された特定の順序で又は順番に実行され又は全ての図示された動作が実行されることを必要とするものとして理解するべきではない。更に、この特許文献に説明された実施形態での様々なシステム構成部品の分離は、全ての実施形態でのこのような分離を必要とするものとして理解すべきではない。

幾つかの実施構成及び実施例のみを説明してきたが、他の実施構成、増強及び変形形態は、本特許文献において記載及び例示されたものに基づいて行うことができる。

４０１ ポンプ（３５５ｎｍ）
４０３ 用具
４０５ 白色光プローブ
４０７ ＥとＣは垂直
４０９ ＥとＣは平行
４１１ ｃ軸

Claims (28)

1. 光伝導デバイスであって、
   光を放出するように構成された光源と、
   前記光源から前記光を受けるように位置決めされた結晶性物質であって、前記結晶性物質が、該結晶性物質の再結合時間を制御するために前記結晶性物質のバンドギャップ内に中間ギャップ状態を形成するドーパントでドープされる、結晶性物質と、
   前記結晶性物質に結合されて、前記結晶性物質のための第１の電気接点を提供する第１の電極と、
   前記結晶性物質に結合されて、前記結晶性物質のための第２の電気接点を提供する第２の電極と、
   を含み、
   前記第１及び第２の電極は、前記結晶性物質にわたって電界を確立するように構成され、前記結晶性物質は、前記光源から前記光を受けることに応答して実質的に線形の相互コンダクタンスを示すように構成される、光伝導デバイス。
2. 前記光が前記結晶性物質内で反射することを可能にするために、前記結晶性物質上に反射コーティングを更に含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記結晶性物質が、前記光が第１の端部から前記結晶性物質に入射するのを可能にする入力アパーチャーと、前記結晶性物質に入射する前記光の経路に対して傾斜した前記入力アパーチャーの反対側端部上のファセットと、を含む、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記結晶性物質に入射する前記光の波長は、前記結晶性物質のバンドギャップに対応する波長よりも長い、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記結晶性物質は曲面を有する、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記結晶性物質は炭化ケイ素を含む、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記ドーパントが、バナジウム、窒素、アルミニウム又はホウ素のうちの１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記光源と前記結晶性物質との間の前記光の経路内に位置決めされて、前記光源から前記結晶性物質に前記光を配向する光導波路を更に備える、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記第１の電極は、金属、金属合金又は金属マトリックスのうちの１つを含むベースプレートとして形成される、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記光によって励起されたときに前記結晶性物質によって生成された熱を拡散させるために、前記結晶性物質と前記第１の電極との間に位置決めされた基板を更に備える、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記基板が、金属化ダイヤモンド、酸化アルミニウム上のダイレクトボンド銅、窒化アルミニウム、銀化学蒸着ダイヤモンド（ＣＶＤ）、アルミニウムＣＶＤ又は銅ＣＶＤのうちの１つを含む、請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記基板と前記結晶性物質の間又は前記基板とベースプレートの間の熱膨張係数の勾配を低減するために、前記基板と前記結晶性物質の間又は前記基板と前記第１の電極の間に位置決めされる結合剤を更に含む、請求項１０に記載のデバイス。
13. 前記結合剤は、９６．５％の錫、３％の銀及び０．５％の銅を含む、請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記結晶性物質の周りに絶縁コーティングを更に含む、請求項１に記載のデバイス。
15. 前記絶縁コーティングが、多層ポリイミド薄膜を含む、請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記結晶性物質は、前記光源を制御する電気信号の最高周波数成分の特性時間よりも少なくとも１桁小さい再結合時間を生成するようにドープされる、請求項１に記載のデバイス。
17. 前記結晶性物質は、特定の波長又は波長範囲を有する前記光によって励起されたときに、前記再結合時間に対する所定の値を達成するために、特定の量のキャリアを含むようにドープされる、請求項１に記載のデバイス。
18. 前記結晶性物質は、前記光源からの前記光を受ける構造の一部として形成され、前記構造が、前記結晶性物質を介して伝播する前記光が複数の内部反射を受けるような形状にされる、請求項１に記載のデバイス。
19. 電荷トラップ装置であって、
    ドーパントでドープされた結晶性物質であって、前記ドーパントが、前記結晶性物質のバンドギャップ内に中間ギャップ状態を形成して、特定の波長又は波長範囲の光による前記結晶性物質の励起時に所定の値の再結合時間を達成する、結晶性物質と、
    前記結晶性物質に結合され、前記結晶性物質にわたって電場を確立可能にするように構成された電極のペアと、
    を備える、電荷トラップ装置。
20. 前記結晶性物質が炭化ケイ素を含む、請求項１９に記載の装置。
21. 前記ドーパントが、バナジウム、窒素、アルミニウム又はホウ素のうちの１つを含む、請求項１９に記載の装置。
22. 前記結晶性物質が曲面を有する、請求項１９に記載の装置。
23. 前記結晶性物質は、光のビームが第１の端部から前記結晶性物質に入射することを可能にする入力アパーチャーと、前記結晶性物質に入射する前記光のビームの経路に対して傾斜した前記入力アパーチャーの反対端部上のファセットと、を含む、請求項１９に記載の装置。
24. 前記光のビームが前記結晶性物質内で反射することを可能にするため前記結晶性物質上に反射コーティングを更に含む、請求項２３に記載の装置。
25. 前記結晶性物質は、前記光のビームを受けることに応答して実質的に線形の相互コンダクタンスを示すように構成される、請求項２３に記載の装置。
26. 前記結晶性物質は、前記光源を制御する電気信号の最高周波数成分の特性時間よりも少なくとも１桁小さい再結合時間を生成するようにドープされる、請求項１９に記載の装置。
27. 前記結晶性物質は、前記再結合時間のための所定の値を達成するために特定の量のキャリアを含むようにドープされる、請求項１９に記載の装置。
28. 前記結晶性物質は、光源からの光のビームを受ける構造の一部として形成され、前記構造は、前記結晶性物質を介して伝播する光が複数の内部反射を受けるような形状にされる、請求項１９に記載の装置。