JP2024014143A - Optical conduction switch - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical conduction switch which can suppress the cost and heat generation at the time of the operation more effectively.
SOLUTION: According to an embodiment, an optical conduction switch 1 includes: a semiconductor layer 10 made of an oxide gallium-based semiconductor, the semiconductor layer including Fe and thus having a higher resistance; an anode electrode 12 and a cathode electrode 13 connected to the upper surface of the semiconductor layer 10; a first n+ region 11a as a region including a doner impurity in the semiconductor layer 10, the first n+ region 11a being connected to an anode electrode 12; and a second n+ region 11b as the region including the doner impurity in the semiconductor layer 10, the second n+ region 11b connected to the cathode electrode 13 and being separate from the first n+ region 11a.
SELECTED DRAWING: Figure 1
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Description

本発明は、光導電スイッチに関する。 The present invention relates to photoconductive switches.

従来、光の照射によりオフ状態をオン状態に切り換えることができる光導電スイッチが知られている(非特許文献1を参照)。光導電スイッチは応答速度に優れ、例えばMOSFETのスイッチと比較しても格段に速い。 Conventionally, photoconductive switches that can be switched from an off state to an on state by irradiation with light are known (see Non-Patent Document 1). A photoconductive switch has an excellent response speed, which is much faster than, for example, a MOSFET switch.

非特許文献1に記載の光導電スイッチは、V(バナジウム)の添加により高抵抗化されたSiCが半導体層として用いられている。光導電スイッチにおいては、耐圧を確保するため、半導体層の抵抗率に応じて耐圧維持領域(アノード電極が接続されるn領域とカソード電極が接続されるn領域との間の領域)の長さや断面積が設定される。 In the photoconductive switch described in Non-Patent Document 1, SiC whose resistance has been increased by adding V (vanadium) is used as a semiconductor layer. In a photoconductive switch, in order to ensure breakdown voltage, the breakdown voltage maintenance region (the region between the n + region to which the anode electrode is connected and the n + region to which the cathode electrode is connected) is adjusted according to the resistivity of the semiconductor layer. The length and cross-sectional area are set.

Qilin Wu et al., “The Test of a High-Power, Semi-Insulating, Linear-Mode, Vertical 6H-SiC PCSS”, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, APRIL 2019, VOL. 66, NO. 4, p.p. 1837-1842.Qilin Wu et al., “The Test of a High-Power, Semi-Insulating, Linear-Mode, Vertical 6H-SiC PCSS”, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, APRIL 2019, VOL. 66, NO. 4, p.p. 1837- 1842.

非特許文献1に記載のSiCを用いた光導電スイッチも含め、従来知られた光導電スイッチは、その耐圧維持領域の体積から、非常に強度の大きな高価なレーザーを用いなければ十分なキャリアを有するチャネルを発生させることができず、導通損失が大きくなって発熱が大きくなるという問題がある。すなわち、従来の光導電スイッチは、コスト又は発熱の観点から実用化が困難であった。 Conventionally known photoconductive switches, including the photoconductive switch using SiC described in Non-Patent Document 1, cannot generate enough carriers without using a very powerful and expensive laser due to the volume of their breakdown voltage maintenance area. However, there is a problem in that the channel cannot be generated, resulting in increased conduction loss and increased heat generation. That is, it has been difficult to put the conventional photoconductive switch into practical use from the viewpoint of cost or heat generation.

本発明の目的は、より効果的にコスト及び動作時の発熱を抑えることができる光導電スイッチを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a photoconductive switch that can more effectively suppress costs and heat generation during operation.

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記の光導電スイッチを提供する。 One aspect of the present invention provides the following photoconductive switch in order to achieve the above object.

[1]酸化ガリウム系半導体からなり、Feを含むことにより高抵抗化された半導体層と、前記半導体層の上面に接続されたアノード電極及びカソード電極と、前記半導体層の中のドナー不純物を含む領域であり、前記アノード電極に接続された第1のn領域と、前記半導体層の中のドナー不純物を含む領域であり、前記第1のn領域と離隔され、前記カソード電極に接続された第2のn領域と、を備えた、光導電スイッチ。
[2]前記半導体層の下面に光反射膜が設けられた、上記[1]に記載の光導電スイッチ。
[3]前記第1のn領域と前記第2のn領域の間の距離が、2μm以上、100μm以下の範囲内、又は10μm以上、500μm以下の範囲内にある、上記[1]又は[2]に記載の光導電スイッチ。
[4]ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第1のn層と、前記第1のn層の上の、Feを含む酸化ガリウム系半導体からなる高抵抗層と、前記高抵抗層の上の、ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第2のn層と、前記第2のn層の上の透明電極と、前記第2のn層に前記透明電極を介して接続されたアノード電極と、前記第1のn層の下面に形成された、光反射膜を兼ねるカソード電極と、を備えた、光導電スイッチ。
[5]前記第1のn層が基板からなり、前記高抵抗層及び前記第2のn層が、前記第1のn層を下地とするエピタキシャル膜からなる、上記[4]に記載の光導電スイッチ。
[6]前記第1のn層と前記第2のn層の間の距離が、2μm以上、100μm以下の範囲内、又は10μm以上、500μm以下の範囲内にある、上記[4]又は[5]に記載の光導電スイッチ。
[1] A semiconductor layer made of a gallium oxide-based semiconductor and made highly resistive by containing Fe, an anode electrode and a cathode electrode connected to the upper surface of the semiconductor layer, and a donor impurity in the semiconductor layer. a first n + region connected to the anode electrode; and a region containing donor impurities in the semiconductor layer, separated from the first n + region and connected to the cathode electrode. a second n + region.
[2] The photoconductive switch according to [1] above, wherein a light reflective film is provided on the lower surface of the semiconductor layer.
[3] The above [1] or the distance between the first n + region and the second n + region is within the range of 2 μm or more and 100 μm or less, or within the range of 10 μm or more and 500 μm or less; The photoconductive switch according to [2].
[4] A first n + layer made of a gallium oxide semiconductor containing donor impurities, a high resistance layer made of a gallium oxide semiconductor containing Fe on the first n + layer, and the high resistance layer a second n + layer made of a gallium oxide semiconductor containing donor impurities, a transparent electrode on the second n+ layer, and a second n + layer connected to the second n + layer through the transparent electrode. A photoconductive switch comprising a connected anode electrode and a cathode electrode formed on the lower surface of the first n + layer and serving as a light reflection film.
[5] In the above [4], the first n + layer is made of a substrate, and the high resistance layer and the second n + layer are made of an epitaxial film with the first n + layer as a base. Photoconductive switch as described.
[6] The above [4] or the distance between the first n + layer and the second n + layer is within the range of 2 μm or more and 100 μm or less, or within the range of 10 μm or more and 500 μm or less; The photoconductive switch according to [5].

本発明によれば、より効果的にコスト及び動作時の発熱を抑えることができる光導電スイッチを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a photoconductive switch that can more effectively suppress costs and heat generation during operation.

図1(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る光導電スイッチの垂直断面図である。FIGS. 1A and 1B are vertical cross-sectional views of a photoconductive switch according to a first embodiment of the present invention. 図2は、Ga、6H-SiC、GaAs、又はSiからなる半導体層を有する、耐圧維持領域の断面積が1cmであり、リーク電流が10μAに達したときの電圧を耐圧と定義した光導電スイッチにおける、耐圧維持領域長と耐圧値との関係を示すグラフである。In FIG. 2, the cross-sectional area of the breakdown voltage maintaining region is 1 cm 2 and has a semiconductor layer made of Ga 2 O 3 , 6H-SiC, GaAs, or Si, and the breakdown voltage is defined as the voltage when the leakage current reaches 10 μA. 2 is a graph showing the relationship between the breakdown voltage maintenance region length and the breakdown voltage value in the photoconductive switch. 図3(a)、(b)は、本発明の第2の実施の形態に係る光導電スイッチの垂直断面図である。FIGS. 3A and 3B are vertical cross-sectional views of a photoconductive switch according to a second embodiment of the present invention. 図4(a)、(b)は、本発明の第3の実施の形態に係る光導電スイッチの垂直断面図である。FIGS. 4(a) and 4(b) are vertical sectional views of a photoconductive switch according to a third embodiment of the present invention.

〔第1の実施の形態〕
(光導電スイッチの構成)
図1(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る光導電スイッチ1の垂直断面図である。光導電スイッチ1は、酸化ガリウム系半導体からなる半導体層を備えた横型の光導電スイッチである。図1(a)は、光導電スイッチ1に光が照射されていないオフ状態を示しており、図1(b)は、光導電スイッチ1に光Lが照射されているオン状態を示している。
[First embodiment]
(Configuration of photoconductive switch)
FIGS. 1A and 1B are vertical sectional views of a photoconductive switch 1 according to a first embodiment of the present invention. The photoconductive switch 1 is a horizontal photoconductive switch including a semiconductor layer made of a gallium oxide semiconductor. FIG. 1(a) shows an off state in which the photoconductive switch 1 is not irradiated with light, and FIG. 1(b) shows an on state in which the photoconductive switch 1 is irradiated with light L. .

光導電スイッチ1は、酸化ガリウム系半導体からなり、不純物を含むことにより高抵抗化された半導体層10と、半導体層10の上面に接続されたアノード電極12及びカソード電極13と、半導体層10の中のドナー不純物を含む領域であり、アノード電極12に接続された第1のn領域11aと、半導体層10の中のドナー不純物を含む領域であり、第1のn領域11aと離隔され、カソード電極13に接続された第2のn領域11bと、を備える。 The photoconductive switch 1 includes a semiconductor layer 10 made of a gallium oxide-based semiconductor, which has a high resistance due to the inclusion of impurities, an anode electrode 12 and a cathode electrode 13 connected to the upper surface of the semiconductor layer 10, and A region containing donor impurities in the semiconductor layer 10, which is separated from the first n + region 11a and connected to the anode electrode 12, and a region containing donor impurities in the semiconductor layer 10, which is separated from the first n + region 11a. , and a second n + region 11b connected to the cathode electrode 13.

酸化ガリウム系半導体とは、Ga、又は、Al、Inなどの元素が添加されたGaをいう。例えば、酸化ガリウム系半導体は、(GaAlIn(1-x-y)(0<x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)で表される組成を有する。GaにAlを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Inを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。 The gallium oxide semiconductor refers to Ga 2 O 3 or Ga 2 O 3 to which elements such as Al and In are added. For example, a gallium oxide semiconductor has a composition expressed as (Ga x Al y In (1-x-y) ) 2 O 3 (0<x≦1, 0≦y≦1, 0<x+y≦1). have When Al is added to Ga 2 O 3 , the band gap is widened, and when In is added, the band gap is narrowed.

酸化ガリウム系半導体からなる半導体層10を高抵抗化することのできる不純物として、Fe、Mg、Zn、H、Li、Be、Na、K、Ca、Rb、Sr、Ba、Cu、Ni、Mn、Cr、Vが挙げられる。中でも、高抵抗酸化ガリウムの製造に多くの実績がある不純物としてFe、Mg、Znがある。特に、Feは酸化ガリウム系半導体に高い抵抗率を付与することが実証されており、半導体層10がFeを含む場合、Feの濃度により半導体層10の抵抗率を1×1011~5×1012Ωcmの範囲内で制御することができる。 Impurities that can increase the resistance of the semiconductor layer 10 made of a gallium oxide semiconductor include Fe, Mg, Zn, H, Li, Be, Na, K, Ca, Rb, Sr, Ba, Cu, Ni, Mn, Examples include Cr and V. Among them, Fe, Mg, and Zn are impurities that have been widely used in the production of high-resistance gallium oxide. In particular, it has been demonstrated that Fe imparts high resistivity to gallium oxide semiconductors, and when the semiconductor layer 10 contains Fe, the resistivity of the semiconductor layer 10 can be increased from 1×10 11 to 5×10 depending on the Fe concentration. It can be controlled within a range of 12 Ωcm.

酸化ガリウム系半導体に添加されたFeは、酸化ガリウム系半導体の伝導帯と価電子帯の間の伝導帯に近い位置に不純物準位を形成し、電子をトラップするため、酸化ガリウム系半導体を高抵抗化する。このため、半導体層10の第1のn領域11aと第2のn領域11bが設けられていない部分は高抵抗であり、光Lが照射されていない状態では、第1のn領域11aと第2のn領域11bの間に電流は流れない。 Fe added to a gallium oxide semiconductor forms an impurity level near the conduction band between the conduction band and the valence band of the gallium oxide semiconductor and traps electrons. Become a resistance. Therefore, the portion of the semiconductor layer 10 where the first n + region 11a and the second n + region 11b are not provided has a high resistance, and when the light L is not irradiated, the first n + region No current flows between 11a and second n + region 11b.

ここで、光導電スイッチのオフ性能は、耐圧維持領域(アノード電極が接続されるn領域とカソード電極が接続されるn領域との間の領域)の長さと断面積、半導体層の抵抗率で決まる。光導電スイッチ1においては、半導体層10を構成する酸化ガリウム系半導体が高い抵抗率、例えばSiCよりも高い抵抗率を有するため、耐圧維持領域の長さ、すなわち第1のn領域11aと第2のn領域11bの間の距離d1を著しく短くすることができる。 Here, the off-performance of a photoconductive switch is determined by the length and cross-sectional area of the breakdown voltage maintenance region (the region between the n + region to which the anode electrode is connected and the n + region to which the cathode electrode is connected), and the resistance of the semiconductor layer. determined by the rate. In the photoconductive switch 1, since the gallium oxide semiconductor constituting the semiconductor layer 10 has a high resistivity, for example, higher resistivity than SiC, the length of the breakdown voltage maintenance region, that is, the first n + region 11a and the The distance d1 between the two n + regions 11b can be significantly shortened.

耐圧維持領域の長さを短くすることにより、光導電スイッチ1においては、光Lの光源として強度の大きな高価なレーザー発信器などを用いずとも、耐圧維持領域に十分なキャリアを発生させることができ、オン状態における導通損失、すなわちチャネル15を流れる電流の損失を大きく低減して、発熱を抑えることができる。また、耐圧維持領域の長さを短くすることにより、光導電スイッチ1の面積を小さくすることができる。 By shortening the length of the breakdown voltage maintenance region, in the photoconductive switch 1, sufficient carriers can be generated in the breakdown voltage maintenance region without using a high-intensity, expensive laser transmitter or the like as a light source for the light L. Therefore, the conduction loss in the on state, that is, the loss of the current flowing through the channel 15, can be greatly reduced, and heat generation can be suppressed. Moreover, by shortening the length of the breakdown voltage maintenance region, the area of the photoconductive switch 1 can be reduced.

以下に、光導電スイッチ1において所定の耐圧を得るための距離d1の設定方法を述べる。まず、オームの法則により次の式(1)が成り立つ。ここで、Vは第1のn領域11aと第2のn領域11bの間(アノード電極12とカソード電極13の間)に印加される電圧であり、Iは第1のn領域11aと第2のn領域11bの間に流れる電流であり、ρはチャネル15が形成される半導体層10の抵抗率であり、Lは耐圧維持領域の長さすなわち第1のn領域11aと第2のn領域11bの間の距離d1であり、Sは耐圧維持領域の電圧印加方向に垂直な断面積である。 A method of setting the distance d1 in order to obtain a predetermined breakdown voltage in the photoconductive switch 1 will be described below. First, the following equation (1) holds true according to Ohm's law. Here, V is the voltage applied between the first n + region 11a and the second n + region 11b (between the anode electrode 12 and the cathode electrode 13), and I is the voltage applied between the first n + region 11a and the second n + region 11b. and the second n + region 11b, ρ is the resistivity of the semiconductor layer 10 in which the channel 15 is formed, and L is the length of the breakdown voltage maintenance region, that is, the length of the first n+ region 11a and the second n + region 11a. The distance d1 is between the second n + regions 11b, and S is the cross-sectional area of the breakdown voltage maintenance region perpendicular to the voltage application direction.

Figure 2024014143000002
Figure 2024014143000002

上述のように、半導体層10がFeを含む場合、Feの濃度により半導体層10の抵抗率ρを1×1011~5×1012Ωcmの範囲内で制御することができる。そのため、式(1)によれば、例えば、10μA/cmのリーク電流J(=I/S)が流れるときの印加電圧Vを耐圧と定義したときに、10kVの耐圧を得るための距離d1は、抵抗率ρが1×1011~5×1012Ωcmの範囲内であれば、2~100μmとなる。また、10μA/cmのリーク電流J(=I/S)が流れるときの印加電圧Vを耐圧と定義したときに、50kVの耐圧を得るための距離d1は、抵抗率ρが1×1011~5×1012Ωcmの範囲内であれば、10~500μmとなる。 As described above, when the semiconductor layer 10 contains Fe, the resistivity ρ of the semiconductor layer 10 can be controlled within the range of 1×10 11 to 5×10 12 Ωcm depending on the concentration of Fe. Therefore, according to equation (1), for example, when the applied voltage V when a leakage current J (=I/S) of 10 μA/cm 2 flows is defined as the withstand voltage, the distance d1 to obtain a withstand voltage of 10 kV is is 2 to 100 μm if the resistivity ρ is within the range of 1×10 11 to 5×10 12 Ωcm. Furthermore, when the applied voltage V when a leakage current J (=I/S) of 10 μA/cm 2 flows is defined as the withstand voltage, the distance d1 to obtain a withstand voltage of 50 kV is the resistivity ρ of 1×10 11 If it is within the range of ~5×10 12 Ωcm, it will be 10 to 500 μm.

図2は、Ga、6H-SiC、GaAs、又はSiからなる半導体層を有する、耐圧維持領域の断面積が1cmであり、リーク電流が10μAに達したときの電圧を耐圧と定義した光導電スイッチにおける、耐圧維持領域長と耐圧値との関係を示すグラフである。Ga、6H-SiC、GaAs、Siはいずれも不純物の添加により高抵抗化されたものを想定しており、それぞれの抵抗率を3.0×1012Ωcm、1.0×1011Ωcm、1.0×10Ωcm、1.0×10Ωcmとしている。 In FIG. 2, the cross-sectional area of the breakdown voltage maintaining region is 1 cm 2 and has a semiconductor layer made of Ga 2 O 3 , 6H-SiC, GaAs, or Si, and the breakdown voltage is defined as the voltage when the leakage current reaches 10 μA. 2 is a graph showing the relationship between the breakdown voltage maintenance region length and the breakdown voltage value in the photoconductive switch. Ga 2 O 3 , 6H-SiC, GaAs, and Si are all assumed to have high resistance by adding impurities, and their respective resistivities are set to 3.0×10 12 Ωcm and 1.0×10 11 Ωcm, 1.0×10 8 Ωcm, and 1.0×10 7 Ωcm.

ここで、10μAのリーク電流が流れるときの印加電圧を「耐圧」とし、その耐圧を維持するために必要な耐圧維持領域の長さ(光導電スイッチ1における第1のn領域11aと第2のn領域11bの間の距離d1に相当)を「耐圧維持領域長」としている。 Here, the applied voltage when a leakage current of 10 μA flows is defined as the "breakdown voltage", and the length of the breakdown voltage maintenance region necessary to maintain the breakdown voltage (the first n + region 11a and the second (corresponding to the distance d1 between the n + regions 11b) is defined as the "withstand voltage maintenance region length".

図2は、Gaからなる半導体層を有する光導電スイッチにおける所定の耐圧を得るための耐圧維持領域の長さが、6H-SiC、GaAs、又はSiからなる半導体層を有する光導電スイッチにおけるそれと比較して、格段に小さいことを示している。 FIG. 2 shows that the length of the breakdown voltage maintenance region for obtaining a predetermined breakdown voltage in a photoconductive switch having a semiconductor layer made of Ga 2 O 3 is the same as that of a photoconductive switch having a semiconductor layer made of 6H-SiC, GaAs, or Si. This shows that it is much smaller than that in .

半導体層10は、典型的には、酸化ガリウム系半導体からなる基板である。半導体層10に含まれるFeなどの不純物は、半導体層10の全体に分布している。半導体層10中のFeの濃度は、例えば、1×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下である。 The semiconductor layer 10 is typically a substrate made of a gallium oxide semiconductor. Impurities such as Fe contained in the semiconductor layer 10 are distributed throughout the semiconductor layer 10. The concentration of Fe in the semiconductor layer 10 is, for example, 1×10 18 cm −3 or more and 1×10 20 cm −3 or less.

また、光導電スイッチ1においては、図1(b)に示されるように、半導体層10の第1のn領域11aと第2のn領域11bとの間の領域にレーザー光などの光Lを上方から照射することにより、半導体層10の表面の第1のn領域11aと第2のn領域11bとの間の領域の電子が励起されてチャネル15が形成される。これによって、チャネル15を介して第1のn領域11aと第2のn領域11bとの間に電流が流れるようになる。 In addition , in the photoconductive switch 1, as shown in FIG. By irradiating L from above, electrons in a region between the first n + region 11a and the second n + region 11b on the surface of the semiconductor layer 10 are excited, and a channel 15 is formed. This allows current to flow between the first n + region 11a and the second n + region 11b via the channel 15.

ここで、光導電スイッチ1に照射される光Lは、半導体層10を構成する酸化ガリウム系半導体のバンドギャップよりもエネルギーの大きい光、例えば、半導体層10がGaからなる場合は波長が250nm以下の光である。この場合、照射された光Lは半導体層10に吸収されるため、その表面近傍にのみチャネル15が形成される。 Here, the light L irradiated to the photoconductive switch 1 is light with energy larger than the bandgap of the gallium oxide semiconductor constituting the semiconductor layer 10, for example, when the semiconductor layer 10 is made of Ga 2 O 3 , the wavelength is is light with a wavelength of 250 nm or less. In this case, since the irradiated light L is absorbed by the semiconductor layer 10, the channel 15 is formed only near the surface thereof.

上述のように、光導電スイッチ1においては、耐圧維持領域の長さを著しく短くすることができる。耐圧維持領域の長さが短くなるとチャネル15の形成のために光Lを照射すべき領域の体積が小さくなるため、照射する光Lのエネルギーを桁違いに低減することができる。 As described above, in the photoconductive switch 1, the length of the breakdown voltage maintenance region can be significantly shortened. As the length of the breakdown voltage maintenance region becomes shorter, the volume of the region to which the light L is irradiated to form the channel 15 becomes smaller, so that the energy of the irradiated light L can be reduced by an order of magnitude.

第1のn領域11a及び第2のn領域11bは、例えば、Si、Snなどのドナー不純物を半導体層10に注入することにより形成される。第1のn領域11a及び第2のn領域11bのドナー濃度は、例えば、5×1018cm-3以上である。 The first n + region 11a and the second n + region 11b are formed by, for example, implanting donor impurities such as Si or Sn into the semiconductor layer 10. The donor concentration of the first n + region 11a and the second n + region 11b is, for example, 5×10 18 cm −3 or more.

アノード電極12及びカソード電極13は、例えば、Ti、Al、Ti/Al、Ti/Auからなる。また、アノード電極12とカソード電極13の間に高電圧をかけることによる界面リーク電流の発生や半導体層10の損傷を防ぐため、半導体層10の表面を覆うパッシベーション膜14を設けることが好ましい。パッシベーション膜14は、SiOなどの絶縁体からなる。 The anode electrode 12 and the cathode electrode 13 are made of, for example, Ti, Al, Ti/Al, or Ti/Au. Further, in order to prevent the occurrence of interface leakage current and damage to the semiconductor layer 10 due to application of a high voltage between the anode electrode 12 and the cathode electrode 13, it is preferable to provide a passivation film 14 covering the surface of the semiconductor layer 10. The passivation film 14 is made of an insulator such as SiO 2 .

〔第2の実施の形態〕
本発明の第2の実施の形態に係る光導電スイッチ2は、主に、半導体層10の下面に光反射膜20が設けられている点において、第1の実施の形態に係る光導電スイッチ1と異なる。第1の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
[Second embodiment]
The photoconductive switch 2 according to the second embodiment of the present invention differs from the photoconductive switch 1 according to the first embodiment mainly in that a light reflecting film 20 is provided on the lower surface of the semiconductor layer 10. different from. Descriptions of the same points as in the first embodiment will be omitted or simplified.

(光導電スイッチの構成)
図3(a)、(b)は、本発明の第2の実施の形態に係る光導電スイッチ2の垂直断面図である。光導電スイッチ2は、酸化ガリウム系半導体からなる半導体層を備えた横型の光導電スイッチである。図3(a)は、光導電スイッチ2に光が照射されていないオフ状態を示しており、図3(b)は、光導電スイッチ2に光Lが照射されているオン状態を示している。
(Configuration of photoconductive switch)
FIGS. 3A and 3B are vertical cross-sectional views of a photoconductive switch 2 according to a second embodiment of the invention. The photoconductive switch 2 is a horizontal photoconductive switch including a semiconductor layer made of a gallium oxide semiconductor. 3(a) shows an off state in which the photoconductive switch 2 is not irradiated with light, and FIG. 3(b) shows an on state in which the photoconductive switch 2 is irradiated with light L. .

光導電スイッチ2においては、半導体層の下面に光反射膜20が設けられている。光反射膜20は、半導体層10中を下面に向かって進む光Lを反射するための膜である。光反射膜20は、例えば、Ag、Pd、Cu、Auなどの金属からなる。 In the photoconductive switch 2, a light reflecting film 20 is provided on the lower surface of the semiconductor layer. The light reflecting film 20 is a film for reflecting the light L traveling through the semiconductor layer 10 toward the lower surface. The light reflecting film 20 is made of a metal such as Ag, Pd, Cu, or Au, for example.

光導電スイッチ2に照射される光Lは、半導体層10を構成する酸化ガリウム系半導体のバンドギャップよりもエネルギーが小さく、かつ酸化ガリウム系半導体の伝導帯の下端と半導体層10に含まれる不純物の不純物準位(トラップ準位)とのエネルギー差よりもエネルギーが大きい光である。例えば、半導体層10がGaからなり、Feを含む場合の光Lは、波長が300nm以上、1550nm以下の光である。 The light L irradiated to the photoconductive switch 2 has an energy smaller than the bandgap of the gallium oxide semiconductor constituting the semiconductor layer 10, and has an energy that is smaller than the bandgap of the gallium oxide semiconductor constituting the semiconductor layer 10, and is located between the lower end of the conduction band of the gallium oxide semiconductor and the impurity contained in the semiconductor layer 10. This is light whose energy is greater than the energy difference with the impurity level (trap level). For example, when the semiconductor layer 10 is made of Ga 2 O 3 and contains Fe, the light L has a wavelength of 300 nm or more and 1550 nm or less.

このため、光Lは、酸化ガリウム系半導体の価電子帯から伝導帯へ電子を励起させることはないが、酸化ガリウム系半導体のバンドギャップ中の不純物準位から酸化ガリウム系半導体の伝導帯に電子を励起させてチャネル15を形成する。この場合、照射された光Lは半導体層10中を徐々に吸収されながら進む。そして、半導体層10の下面で光反射膜20に反射されることにより、光Lは半導体層10の広範囲に広がり、半導体層10の広範囲にチャネル15を形成する。 Therefore, the light L does not excite electrons from the valence band to the conduction band of the gallium oxide semiconductor, but it moves electrons from the impurity level in the band gap of the gallium oxide semiconductor to the conduction band of the gallium oxide semiconductor. is excited to form a channel 15. In this case, the irradiated light L travels through the semiconductor layer 10 while being gradually absorbed. Then, by being reflected by the light reflection film 20 on the lower surface of the semiconductor layer 10, the light L spreads over a wide range of the semiconductor layer 10, and forms a channel 15 over a wide range of the semiconductor layer 10.

光Lの波長が長いほど、光Lを発するレーザー発振器の製造コストをさげることができる。特に、0.85~1.55μm(0.8~1.46eV)程度の波長が光通信等に広く使われており、この波長域の高強度のレーザー発振器の入手が容易である。このため、酸化ガリウム系半導体の伝導体の下端からの不純物準位の深さは1.46eVより浅い方が好ましい。上述のように、酸化ガリウム系半導体に添加されたFeは、酸化ガリウム系半導体の伝導帯と価電子帯の間の伝導帯に近い位置に不純物準位を形成する。例えば、Gaに含まれるFeは、Gaの伝導帯の下端から0.7~0.9eV程度の位置に不純物準位を形成する。このため、半導体層10がFeを含むことが好ましい。 The longer the wavelength of the light L, the lower the manufacturing cost of the laser oscillator that emits the light L. In particular, wavelengths of about 0.85 to 1.55 μm (0.8 to 1.46 eV) are widely used in optical communications and the like, and high-intensity laser oscillators in this wavelength range are easily available. Therefore, the depth of the impurity level from the lower end of the gallium oxide semiconductor conductor is preferably shallower than 1.46 eV. As described above, Fe added to the gallium oxide based semiconductor forms an impurity level at a position close to the conduction band between the conduction band and the valence band of the gallium oxide based semiconductor. For example, Fe contained in Ga 2 O 3 forms an impurity level at a position approximately 0.7 to 0.9 eV from the lower end of the conduction band of Ga 2 O 3 . For this reason, it is preferable that the semiconductor layer 10 contains Fe.

光導電スイッチ2においては、半導体層10の広範囲、例えば全体にチャネル15が形成されるため、オン状態における導通抵抗をより効果的に低減することができる。 In the photoconductive switch 2, since the channel 15 is formed over a wide range, for example, the entire semiconductor layer 10, the conduction resistance in the on state can be more effectively reduced.

〔第3の実施の形態〕
本発明の第3の実施の形態に係る光導電スイッチ3は、主に、縦型の光導電スイッチである点において、第1の実施の形態に係る光導電スイッチ1と異なる。第1の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
[Third embodiment]
The photoconductive switch 3 according to the third embodiment of the present invention differs from the photoconductive switch 1 according to the first embodiment mainly in that it is a vertical photoconductive switch. Descriptions of the same points as in the first embodiment will be omitted or simplified.

(光導電スイッチの構成)
図4(a)、(b)は、本発明の第3の実施の形態に係る光導電スイッチ3の垂直断面図である。光導電スイッチ3は、酸化ガリウム系半導体からなる半導体層を備えた縦型の光導電スイッチである。図4(a)は、光導電スイッチ3に光が照射されていないオフ状態を示しており、図4(b)は、光導電スイッチ3に光Lが照射されているオン状態を示している。
(Configuration of photoconductive switch)
FIGS. 4A and 4B are vertical cross-sectional views of a photoconductive switch 3 according to a third embodiment of the present invention. The photoconductive switch 3 is a vertical photoconductive switch including a semiconductor layer made of a gallium oxide semiconductor. 4(a) shows an off state in which the photoconductive switch 3 is not irradiated with light, and FIG. 4(b) shows an on state in which the photoconductive switch 3 is irradiated with light L. .

光導電スイッチ3は、ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第1のn層31aと、第1のn層31aの上の、不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる高抵抗層30と、高抵抗層30の上の、ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第2のn層31bと、第2のn層31bの上の透明電極34と、第2のn層31bに透明電極34を介して接続されたアノード電極32と、第1のn層31aの下面に形成された、光反射膜を兼ねるカソード電極33と、を備える。 The photoconductive switch 3 includes a first n + layer 31a made of a gallium oxide semiconductor containing donor impurities, and a high resistance layer 30 made of a gallium oxide semiconductor containing impurities on the first n + layer 31a. , a second n + layer 31b made of a gallium oxide semiconductor containing donor impurities on the high resistance layer 30, a transparent electrode 34 on the second n + layer 31b, and a second n + layer 31b. The anode electrode 32 is connected to the substrate via a transparent electrode 34, and the cathode electrode 33 is formed on the lower surface of the first n + layer 31a and serves as a light reflecting film.

第1の実施の形態に係る光導電スイッチ1の半導体層10と同様に、高抵抗化のための不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる高抵抗層30は高抵抗であり、光Lが照射されていない状態では、第1のn層31aと第2のn層31bの間に電流は流れない。高抵抗層30の抵抗率は、例えば、高抵抗層30がFeを含む場合、1×1011~5×1012Ωcmである。 Similar to the semiconductor layer 10 of the photoconductive switch 1 according to the first embodiment, the high resistance layer 30 made of a gallium oxide semiconductor containing impurities for high resistance has high resistance and is not irradiated with light L. In this state, no current flows between the first n + layer 31a and the second n + layer 31b. The resistivity of the high resistance layer 30 is, for example, 1×10 11 to 5×10 12 Ωcm when the high resistance layer 30 contains Fe.

光導電スイッチ3においては、光導電スイッチ1と同様に、高抵抗層30を構成する酸化ガリウム系半導体が高い電気抵抗を有するため、耐圧維持領域の長さ、すなわち第1のn層31aと第2のn層31bの間の距離d2を著しく短くすることができる。 In the photoconductive switch 3, as in the photoconductive switch 1, the gallium oxide semiconductor constituting the high resistance layer 30 has high electrical resistance. The distance d2 between the second n + layers 31b can be significantly shortened.

耐圧維持領域の長さを短くすることにより、光導電スイッチ3においては、光Lの光源として強度の大きな高価なレーザー発信器などを用いずとも、十分なキャリアを有するチャネル35を発生させることができ、オン状態における導通損失、すなわちチャネル35を流れる電流の損失を大きく低減して、発熱を抑えることができる。また、耐圧維持領域の長さを短くすることにより、光導電スイッチ3の厚さを小さくすることができる。 By shortening the length of the breakdown voltage maintenance region, the photoconductive switch 3 can generate a channel 35 with sufficient carriers without using a high-intensity, expensive laser oscillator or the like as a light source for the light L. Therefore, the conduction loss in the on state, that is, the loss of the current flowing through the channel 35, can be greatly reduced, and heat generation can be suppressed. Moreover, by shortening the length of the breakdown voltage maintenance region, the thickness of the photoconductive switch 3 can be reduced.

光導電スイッチ3において所定の耐圧を得るための距離d2は、第1の実施の形態に係る光導電スイッチ1の距離d1と同様に設定することができる。すなわち、耐圧維持領域の長さLを距離d2として、式(1)から算出することができる。 The distance d2 for obtaining a predetermined breakdown voltage in the photoconductive switch 3 can be set similarly to the distance d1 of the photoconductive switch 1 according to the first embodiment. That is, it can be calculated from equation (1) by setting the length L of the breakdown voltage maintenance region to the distance d2.

高抵抗層30がFeを含む場合、Feの濃度により高抵抗層30の抵抗率ρを1×1011~5×1012Ωcmの範囲内で制御することができる。そのため、式(1)によれば、例えば、10μA/cmのリーク電流J(=I/S)が流れるときの印加電圧Vを耐圧と定義したときに、10kVの耐圧を得るための距離d2は、抵抗率ρが1×1011~5×1012Ωcmの範囲内であれば、2~100μmとなる。また、10μA/cmのリーク電流J(=I/S)が流れるときの印加電圧Vを耐圧と定義したときに、50kVの耐圧を得るための距離d2は、抵抗率ρが1×1011~5×1012Ωcmの範囲内であれば、10~500μmとなる。 When the high resistance layer 30 contains Fe, the resistivity ρ of the high resistance layer 30 can be controlled within the range of 1×10 11 to 5×10 12 Ωcm depending on the Fe concentration. Therefore, according to formula (1), for example, when the applied voltage V when a leakage current J (=I/S) of 10 μA/cm 2 flows is defined as the withstand voltage, the distance d2 required to obtain a withstand voltage of 10 kV is is 2 to 100 μm if the resistivity ρ is within the range of 1×10 11 to 5×10 12 Ωcm. Furthermore, when the applied voltage V when a leakage current J (=I/S) of 10 μA/cm 2 flows is defined as the withstand voltage, the distance d2 to obtain a withstand voltage of 50 kV has a resistivity ρ of 1×10 11 If it is within the range of ~5×10 12 Ωcm, it will be 10 to 500 μm.

また、図2に示される耐圧維持領域長と耐圧値との関係は、光導電スイッチ3のような縦型の光導電スイッチにおいても成り立つ。すなわち、Gaからなる半導体層を有する光導電スイッチにおける所定の耐圧を得るための耐圧維持領域の長さが、6H-SiC、GaAs、又はSiからなる半導体層を有する光導電スイッチにおけるそれと比較して、格段に小さい。なお、この場合の耐圧維持領域の長さは、光導電スイッチ3における第1のn層31aと第2のn層31bの間の距離d2に相当する。 Further, the relationship between the breakdown voltage maintenance region length and the breakdown voltage value shown in FIG. 2 also holds true in a vertical photoconductive switch such as the photoconductive switch 3. That is, the length of the breakdown voltage maintenance region for obtaining a predetermined breakdown voltage in a photoconductive switch having a semiconductor layer made of Ga 2 O 3 is different from that in a photoconductive switch having a semiconductor layer made of 6H-SiC, GaAs, or Si. It's much smaller in comparison. Note that the length of the breakdown voltage maintenance region in this case corresponds to the distance d2 between the first n + layer 31a and the second n + layer 31b in the photoconductive switch 3.

高抵抗層30に含まれるFeなどの不純物は、高抵抗層30の全体に分布している。高抵抗層30中のFeの濃度は、例えば、1×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下である。 Impurities such as Fe contained in the high resistance layer 30 are distributed throughout the high resistance layer 30. The concentration of Fe in the high resistance layer 30 is, for example, 1×10 18 cm −3 or more and 1×10 20 cm −3 or less.

また、光導電スイッチ3においては、図4(b)に示されるように、レーザー光などの光Lを上方から透明電極34、第2のn層31bを通して高抵抗層30に照射することにより、高抵抗層30中の電子が励起されてチャネル35が形成される。これによって、チャネル35を介して第2のn層31bと第1のn層31aとの間に電流が流れるようになる。このとき、アノード電極32から流れ出る電流は、透明電極34を介して平面方向に広がり、第1のn層31aの全面に流れ込む。透明電極34は、ITO(Indium Tin Oxide)膜、IZO(Indium Zinc Oxide)膜、IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)膜などの透明導電膜からなる。 In addition, in the photoconductive switch 3, as shown in FIG. 4(b), the high resistance layer 30 is irradiated with light L such as a laser beam from above through the transparent electrode 34 and the second n + layer 31b. , electrons in the high resistance layer 30 are excited and a channel 35 is formed. This allows current to flow between the second n + layer 31b and the first n + layer 31a via the channel 35. At this time, the current flowing out from the anode electrode 32 spreads in the plane direction via the transparent electrode 34 and flows into the entire surface of the first n + layer 31a. The transparent electrode 34 is made of a transparent conductive film such as an ITO (Indium Tin Oxide) film, an IZO (Indium Zinc Oxide) film, or an IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide) film.

ここで、光導電スイッチ3に照射される光Lは、高抵抗層30を構成する酸化ガリウム系半導体のバンドギャップよりもエネルギーが小さく、かつ酸化ガリウム系半導体の伝導帯の下端と高抵抗層30に含まれる不純物の不純物準位とのエネルギー差よりもエネルギーが大きい光である。例えば、高抵抗層30がGaからなり、Feを含む場合の光Lは、波長が300nm以上、1550nm以下の光である。 Here, the light L irradiated to the photoconductive switch 3 has an energy smaller than the bandgap of the gallium oxide-based semiconductor constituting the high-resistance layer 30, and the lower end of the conduction band of the gallium oxide-based semiconductor and the high-resistance layer 30 This is light whose energy is greater than the energy difference between the impurity level and the impurity level of the impurities contained in the . For example, when the high resistance layer 30 is made of Ga 2 O 3 and contains Fe, the light L has a wavelength of 300 nm or more and 1550 nm or less.

このため、光Lは、酸化ガリウム系半導体の価電子帯から伝導帯へ電子を励起させることはないが、酸化ガリウム系半導体のバンドギャップ中のFeの不純物準位から酸化ガリウム系半導体の伝導帯に電子を励起させてチャネル35を形成する。この場合、照射された光Lは高抵抗層30中を徐々に吸収されながら進む。そして、第1のn層31aの下面で光反射膜を兼ねるカソード電極33に反射されることにより、光Lは高抵抗層30の広範囲に広がり、高抵抗層30の広範囲、例えば全体にチャネル35を形成する。 Therefore, the light L does not excite electrons from the valence band to the conduction band of the gallium oxide semiconductor, but it moves from the Fe impurity level in the band gap of the gallium oxide semiconductor to the conduction band of the gallium oxide semiconductor. The channel 35 is formed by exciting electrons. In this case, the irradiated light L travels through the high resistance layer 30 while being gradually absorbed. Then, by being reflected by the cathode electrode 33 which also serves as a light reflection film on the lower surface of the first n + layer 31a, the light L spreads over a wide range of the high resistance layer 30, and forms a channel across a wide range of the high resistance layer 30, for example, the entire high resistance layer 30. form 35.

上述のように、光導電スイッチ3においては、耐圧維持領域の長さを著しく短くすることができる。耐圧維持領域の長さが短くなるとチャネル35の形成のために光Lを照射すべき領域の体積が小さくなるため、照射する光Lのエネルギーを桁違いに低減することができる。 As described above, in the photoconductive switch 3, the length of the breakdown voltage maintenance region can be significantly shortened. As the length of the breakdown voltage maintenance region becomes shorter, the volume of the region to which the light L is irradiated to form the channel 35 becomes smaller, so that the energy of the irradiated light L can be reduced by an order of magnitude.

第1のn層31a及び第2のn層31bは、例えば、Si、Snなどのドナー不純物を含む。第1のn層31a及び第2のn層31bのドナー濃度は、例えば、5×1018cm-3以上である。アノード電極32及びカソード電極33は、例えば、Ti、Al、Ti/Al、Ti/Auからなる。また、カソード電極33は、光Lの反射効率を高めるために、上記の材料にAgやPd、Cuを組み合わせて形成されることが好ましい。 The first n + layer 31a and the second n + layer 31b contain donor impurities such as Si and Sn, for example. The donor concentration of the first n + layer 31a and the second n + layer 31b is, for example, 5×10 18 cm −3 or more. The anode electrode 32 and the cathode electrode 33 are made of, for example, Ti, Al, Ti/Al, or Ti/Au. Moreover, in order to improve the reflection efficiency of the light L, the cathode electrode 33 is preferably formed by combining the above-mentioned materials with Ag, Pd, and Cu.

第1のn層31aと第2のn層31bの間の距離d2を小さくするためには、高抵抗層30を薄くする必要がある。この場合、高抵抗層30をエピタキシャル成長により形成することにより、容易に薄い高抵抗層30を得ることができる。このため、第1のn層31aが基板からなり、高抵抗層30及び第2のn層31bが、第1のn層31aを下地とするエピタキシャル膜からなることが好ましい。 In order to reduce the distance d2 between the first n + layer 31a and the second n + layer 31b, it is necessary to make the high resistance layer 30 thin. In this case, by forming the high resistance layer 30 by epitaxial growth, the thin high resistance layer 30 can be easily obtained. For this reason, it is preferable that the first n + layer 31a is made of a substrate, and the high resistance layer 30 and the second n + layer 31b are made of an epitaxial film with the first n + layer 31a as a base.

(実施の形態の効果)
上記第1~3の実施の形態に係る光導電スイッチ1~3によれば、耐圧維持領域の長さを短くして、効果的にコスト及び動作時の発熱を抑えることができる。また、耐圧維持領域の長さを短くすることにより、素子のサイズを小さくすることができる。
(Effects of embodiment)
According to the photoconductive switches 1 to 3 according to the first to third embodiments described above, the length of the breakdown voltage maintenance region can be shortened to effectively suppress cost and heat generation during operation. Furthermore, by shortening the length of the breakdown voltage maintaining region, the size of the element can be reduced.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention. Moreover, the constituent elements of the embodiments described above can be arbitrarily combined without departing from the spirit of the invention. Furthermore, the embodiments described above do not limit the claimed invention. Furthermore, it should be noted that not all combinations of features described in the embodiments are essential for solving the problems of the invention.

1~3…光導電スイッチ、 10…半導体層、 11a…第1のn領域、 11b…第2のn領域、 12、32…アノード電極、 13、33…カソード電極、 14…パッシベーション膜、 15…チャネル、 20…光反射膜、 30…高抵抗層、 31a…第1のn層、 31b…第2のn層、 34…透明電極 1-3... Photoconductive switch, 10... Semiconductor layer, 11a... First n + region, 11b... Second n + region, 12, 32... Anode electrode, 13, 33... Cathode electrode, 14... Passivation film, 15... Channel, 20... Light reflective film, 30... High resistance layer, 31a... First n + layer, 31b... Second n + layer, 34... Transparent electrode

Claims (6)

酸化ガリウム系半導体からなり、Feを含むことにより高抵抗化された半導体層と、
前記半導体層の上面に接続されたアノード電極及びカソード電極と、
前記半導体層の中のドナー不純物を含む領域であり、前記アノード電極に接続された第1のn領域と、
前記半導体層の中のドナー不純物を含む領域であり、前記第1のn領域と離隔され、前記カソード電極に接続された第2のn領域と、
を備えた、光導電スイッチ。
a semiconductor layer made of a gallium oxide-based semiconductor and made highly resistant by containing Fe;
an anode electrode and a cathode electrode connected to the upper surface of the semiconductor layer;
a first n + region that is a region containing donor impurities in the semiconductor layer and connected to the anode electrode;
a second n + region that is a region containing donor impurities in the semiconductor layer, separated from the first n + region and connected to the cathode electrode;
A photoconductive switch with
前記半導体層の下面に光反射膜が設けられた、
請求項1に記載の光導電スイッチ。
a light reflecting film is provided on the lower surface of the semiconductor layer;
A photoconductive switch according to claim 1.
前記第1のn領域と前記第2のn領域の間の距離が、2μm以上、100μm以下の範囲内、又は10μm以上、500μm以下の範囲内にある、
請求項1又は2に記載の光導電スイッチ。
The distance between the first n + region and the second n + region is within the range of 2 μm or more and 100 μm or less, or within the range of 10 μm or more and 500 μm or less,
The photoconductive switch according to claim 1 or 2.
ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第1のn層と、
前記第1のn層の上の、Feを含む酸化ガリウム系半導体からなる高抵抗層と、
前記高抵抗層の上の、ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第2のn層と、
前記第2のn層の上の透明電極と、
前記第2のn層に前記透明電極を介して接続されたアノード電極と、
前記第1のn層の下面に形成された、光反射膜を兼ねるカソード電極と、
を備えた、光導電スイッチ。
a first n + layer made of a gallium oxide semiconductor containing donor impurities;
a high resistance layer made of a gallium oxide semiconductor containing Fe on the first n + layer;
a second n + layer made of a gallium oxide-based semiconductor containing donor impurities on the high-resistance layer;
a transparent electrode on the second n + layer;
an anode electrode connected to the second n + layer via the transparent electrode;
a cathode electrode that also serves as a light reflecting film, formed on the lower surface of the first n + layer;
A photoconductive switch with
前記第1のn層が基板からなり、
前記高抵抗層及び前記第2のn層が、前記第1のn層を下地とするエピタキシャル膜からなる、
請求項4に記載の光導電スイッチ。
the first n + layer comprises a substrate;
The high resistance layer and the second n + layer are made of an epitaxial film with the first n + layer as a base.
A photoconductive switch according to claim 4.
前記第1のn層と前記第2のn層の間の距離が、2μm以上、100μm以下の範囲内、又は10μm以上、500μm以下の範囲内にある、
請求項4又は5に記載の光導電スイッチ。
The distance between the first n + layer and the second n + layer is within the range of 2 μm or more and 100 μm or less, or within the range of 10 μm or more and 500 μm or less,
The photoconductive switch according to claim 4 or 5.
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