JP4519321B2 - Photoconductive switch - Google Patents
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Description
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、第１の材料からなる第１層と、当該第１層の両側に設けられ、異なる電位に接続されることで第１層を横切る電圧を印加する２つの接触層を有し、第１層は、電荷キャリアを価電子帯から伝導帯に励起するために十分なエネルギを有する光の照射を受けたときに、接触層の間に加えられた電圧に対して導電性を示し、第１の接触層は当該第１の接触層の側からの光が通過して前記第１層に到達し、接触層間の電圧に対してスイッチを導電性にするための開口を有する。
【０００２】
この種のスイッチには多くの適用対象があり、たとえば、高電力用の高電圧（２から４００ｋＶ）かつ高電流用の、サージ分岐装置、電流リミッタのようなスイッチに使用することができる。光導電性スイッチの長所は、光制御によって、高電力装置に故障が起きた際に装置を保護するためには非常に重要である、超高速スイッチングが可能になる点である。
【０００３】
垂直スイッチと呼ばれるこの種の光導電性スイッチに共通の問題は、接触層の内の一方から照射を受けるので、照射を受ける側の接触抵抗を小さくし、同時に、照射によって第１層に自由電荷キャリアを効率的に発生させることが困難であった。第１層の前記接点で覆われている部分は陰になる、つまり、この領域には光が届かず、自由電荷キャリアが発生しない。つまり、この部分では導電性が低い。開口を非常に広くして開口によって分離している接触層の部分を小さくすることは、活性領域、つまり、スイッチが導通状態になったときに電荷キャリアが到達する面積を小さくすることになり、スイッチの接触抵抗を顕著に増大させることになるので、実質的な解決にはならない。
【０００４】
この問題は第１層の材料とは無関係であるが、ドープが困難でバンドギャップ（価電子帯と伝導帯の間のエネルギーギャップ）が大きなダイヤモンドのような材料では一層顕著である。幾つかの材料に関して、この問題を部分的に解決する手段は、第１層の、第１の接触層近傍を強度にドーピングして、照射によって第１層で発生する自由電荷キャリアが「影」の領域を通って、第１の接触層に容易に到着するようにすることである。同様に部分的解決方法は、接触層として第１層の上に透明な導電層であるＩｎドーピングしたＳｎＯ２を堆積することであるが、この方法は第１層のバンドギャップが４．２ｅＶ（ＳｎＯ２のバンドギャップ）以下の場合でなければ使用することができない。
【０００５】
上記の部分的な解決手段が適用できない材料という意味で、以下の記載では、約５．４ｅＶのバンドギャップを有し、ドーピングが困難なダイヤモンドに焦点を当てるが、本発明がダイヤモンドに限定されるという意味ではない。ダイヤモンドの第１の接触層に隣接する部分を高度にドーピングすることで接触抵抗を低減することはできず、ＳｎＯ２はダイヤモンドを導電性にするために必要な高エネルギ光の大部分を吸収する結果、光はダイヤモンドに到達しないので上述のようにＳｎＯ２をダイヤモンドに使用することもできない。
【０００６】
発明の要旨
本発明の目的は、導入の部分で定義した光導電性スイッチであって、従来知られている光導電性スイッチに比較して第１の接触層の側の接触抵抗が低いものである。
【０００７】
本発明によれば、当該目的は、第１の接触層の上に、少なくとも第１層の前記開口から露出している表面を覆い、当該開口において第１層とのインターフェースを構成するように形成し、薄膜状の第２層は第１の材料に対して良好なインターフェースを形成する材料であって、第１の材料の価電子帯と伝導帯とのエネルギーギャップに比較して同等以上のエネルギーギャップを有して、実質的に大部分を吸収することなく光を透過させる材料からなる構成によって達成される。
【０００８】
電荷キャリアが開口内の第２層を通って影の部分を通過することなく第１の接触層に到達することができるので、第１のコンタクト層の形状が同じであれば、第１の接触層の実効接触面積は増加する。このためには、電荷キャリアと光のインターフェース部分で電気および光学的なトラップによって補足されてスイッチの抵抗を増加させないように、第１層と第２層のオーダーが調整されていることが重要である。このようにして第１の接触層の幾何的な面積を小さくすること、つまり、開口を大きくし、しかもスイッチの取り扱い電流を過剰に制限しないように十分な接触面積を確保することが可能になる。結果的に、「影」の部分の面積を小さくして、照射を受けたときのスイッチの抵抗を低減する。
【０００９】
第２層を薄くし、かつ、その材料を少なくとも第１の材料と同等のバンドギャップを有する材料にすることで、当該第２層で光の大部分が吸収されるリスクは生じない。
【００１０】
本発明の好ましい実施例によれば、当該第２層は、第１の接触層の第１層とは反対側の表面においても電荷キャリアが接触層に到達することができるので、第１の接触層の実効面積を一層増大させる。したがって、第２層が第１の接触層の全表面を覆うのが、極めて好ましい態様である。
【００１１】
本発明の別の好ましい実施例に従えば、第２層の材料は第１層の材料と実質的に等しい価電子帯と伝導帯のギャップを有する。これは当該第２層によって光の内のいくらかが吸収され、スイッチの抵抗をさらに小さくすることになる。
【００１２】
本発明の別の好ましい実施例に拠れば、第２層の材料は少なくとも第１層とのインターフェースの部分においては第１の材料と同じであり、この場合には、結晶格子を整合させることが通常容易になるので、第１層と第２層との間のインターフェースのオーダーを良好にする。従って、第１層の材料と第２層の材料とが同一であることが好ましい。同じ材料を使用することは、さらに、エネルギーバンドギャップに関する要請が自動的に満足されることを意味する。
【００１３】
本発明の別の好ましい実施例に拠れば、第１の材料の価電子帯と伝導帯のエネルギギャップは４．５ｅＶより大きく、本発明は、上述のように透明なＳｎＯ２層を使用する必要が無いので、当該実施例はこのような材料を使用したスイッチに好適に使用される。
【００１４】
本発明の別の極めて好ましい実施例によれば、第１の材料はダイヤモンドである。ダイヤモンドは、すでに述べたように、ドーピングが困難でＳｎＯ２の４．２ｅＶに比較して、５．４ｅＶときわめて高いバンドギャップを有し、ダイヤモンドの物理特性は光導電性スイッチの材料として極めて良好である。ダイヤモンドは、特に極めて高い絶縁破断電界強度を有し、このことは、ダイヤモンドを使用した光導電性スイッチは遮断状態、つまりオフの状態、では極めて高い電圧を保持できることを意味する。さらに、ダイヤモンドは比較的電荷キャリアの移動性が高いので、導電性が高い。従って、ダイヤモンドはこの種のスイッチに使用するには非常に好適な材料であるが、上述のような接触抵抗の問題があるので、今までは、「垂直」スイッチに使用することは困難であった。ダイヤモンドは、真性な形態で使用するのが好ましい。「真性なダイヤモンド」とは、ダイヤモンドがドープされていないか、補償ドープされているか、対象温度範囲ではドーパントが熱的に活性でないものを意味する。前記の第１層もまたダイヤモンドに使用することが、第１層と第２層との良好なインターフェースを得るために望ましく、実際にはＣＶＤを使用して第１層の上に第２層をインターフェースを作らずに堆積することが可能であり、この場合その「インターフェース」においてもモビリティはダイヤモンドのバルクモビリティと同じになる。
【００１５】
本発明の他の好ましい実施例に拠れば、前記の接触層は、第２層がダイヤモンドの場合には、第２層のＣＶＤ成長に必要な高温（摂氏８００−９００度)に耐えることのできる、タンタル、チタンおよびタングステンから選択されるのが望ましい。
【００１６】
本発明の上記以外の利点と好ましい特性は以下の記載と従属請求項を通じて明らかにする。
【００１７】
発明の好ましい実施例の詳細な説明
本発明の好ましい実施例に基づく光導電スイッチの概念を図１に示すが、スイッチは、真性なダイヤモンドからなり約２００ミクロンの厚さを有する第１層１と、第１層の両側に設けられ、異なる電位に接続することによって第１層１を横切る電圧を印加することができる、２つの接触層、つまり、第１の接触層２と第２の接触層３を具備する。従って、２つの接触層はそれぞれ、たとえば、電力回路の制御装置の電気回路に設けられたスイッチの電極に接続される（図示しない）ように構成されている。
【００１８】
第１の接触層２には、第１の接触層の側からスイッチに与えられた光５が第１層に到達して印加された電圧に対して、電圧の向きにかかわらず、導電性を発揮するように開口４を有する。第１層の真性なダイヤモンドの価電子帯と伝導帯のギャップは約５．４ｅＶであり、このことは、前記の光５は、ダイヤモンド内の電荷キャリアを価電子帯から伝導帯まで励起するには少なくともそれだけのエネルギが必要であることを意味する。第１の接触層の下側にどのように「影」６、つまりそこではダイヤモンドで自由電荷キャリアが発生せずスイッチの導電性が非常に低い部分、が形成されるかを図示した。
【００１９】
同様に真性なダイヤモンドである第２層７が、第１層の前記開口部分と第１の接触層とを覆うように形成されている。この層は、典型的な場合は、約１０ミクロンの厚さを有する。ここではダイヤモンドである、同じ材料を使用することによって、第１層と第２層との間にきわめて良好なオーダーのインターフェースを形成することができ、ダイヤモンドの場合には実際にインターフェースは存在していないが、図面では線８によって表した。この第２層は、照射によって第１層で発生した電荷キャリアが開口から第２層を通り第１の接触層の側面と上面から流入するので、矢印９と１０とで示したように、第１の接触層の活性面積を飛躍的に増大させる。このことは、第１の接触層の実行面積を減少させることなく開口４の面積を、第２層が無い場合に比較して、はるかに拡大したことになり、第１の接触層は、第１層の全表面積の数パーセントを覆うだけになる。つまり、第１層が光５の照射をはるかに多く受け、オンの状態でのスイッチの導電性が増大する。
【００２０】
第２層７を設けることの別の利点は、第２層によって第１の接触層が電気絶縁材料に埋設され、スイッチの光を受けない絶縁状態での接触層の絶縁が行われることである。層７は、スイッチの保護層、つまり、ダイヤモンドのように電気的に活性な第１層を環境の影響から保護するための層として機能する。
【００２１】
本発明の第２の好ましい実施例に基づくスイッチを図２に示すが、この実施例は図１に示した実施例に比べると、第１層が、たとえばＳｉＣ，Ｓｉ、ＧａＮ，ＡｌＮまたはＢＮを反対の導電特性ｎとｐでドーピングして、ｐｎ接合１３に正方向のバイアス電圧が印加されたときは常に電流を流し、逆電圧が印加されたときは、第１層に光５が照射されていなければ電流を遮断し、第１層に光が照射されていれば電気を導通する半導体材料から構成される積層したサブレイヤ１１，１２によって構成されている点が異なる。ダイヤモンドに比較してドーピングがはるかに容易なこれらの半導体材料からなるスイッチは、前記「影」の影響を相殺するために当該材料を高度にドーピングすることが可能で、バンドギャップが４．２ｅＶと小さな材料については、ＩｎドープしたＳｎＯ２のような透明な導電性材料を使用することが可能なので、第２層を使用することの利益は前述の例に比較すれば小さいが、上述の構成は極めて好ましいものである。第１層の材料としてダイヤモンドをドーピングすることも本発明の範囲に含まれることは当然である。
【００２２】
本発明の上述の実施例に限定されるものではないことは当然であり、当業者であれば、本発明の技術思想の範囲において多くの変形を考えることができる。
【００２３】
第１層と第２層の材料は光導電性スイッチに好適な材料であればなんでも良く、上述の例には限定されない。
【００２４】
第１層を照射するために比較的照射スペクトル幅の広い通常の白色光を使用する場合は、第２層には第１層とは別の材料を使用して、光を有効に使用して第１の材料のバンドギャップに対して大きなエネルギーが第２の材料によって吸収されないようにすることが望ましい。
【００２５】
請求項に定義された「結晶質材料」は、単結晶と多結晶体を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の好ましい実施例に基づく光導電性スイッチの断面を示す概念図である。
【図２】 本発明の第２の好ましい実施例に基づく、第１図と同様な図である。[0001]
The present invention relates to a first layer made of a first material and two contacts that are provided on both sides of the first layer and apply a voltage across the first layer by being connected to different potentials. The first layer has a resistance to a voltage applied between the contact layers when irradiated with light having sufficient energy to excite charge carriers from the valence band to the conduction band . The first contact layer has an opening for passing light from the first contact layer side to reach the first layer and making the switch conductive with respect to the voltage between the contact layers. Have
[0002]
This type of switch has many applications, and can be used, for example, in a switch such as a surge branching device and a current limiter for high voltage (2 to 400 kV) and high current for high power. The advantage of a photoconductive switch is that optical control allows for ultra-fast switching, which is very important for protecting a device when a high power device fails.
[0003]
A common problem with this type of photoconductive switch, called a vertical switch, is that it is irradiated from one of the contact layers, so that the contact resistance on the receiving side is reduced and at the same time free charge is applied to the first layer by irradiation. It has been difficult to generate carriers efficiently. The portion of the first layer covered with the contact is shaded, that is, light does not reach this region and free charge carriers are not generated. That is, the conductivity is low in this portion. The opening of the very wide to reduce the portion of the contact layer which are separated by an opening, the active region, i.e., will be to reduce the area in which the charge carriers to reach when the switch is in a conducting state, This significantly increases the contact resistance of the switch and is not a substantial solution.
[0004]
This problem is not related to the material of the first layer, but is more remarkable in a material such as diamond that is difficult to dope and has a large band gap (energy gap between the valence band and the conduction band ). For some materials, a means to partially solve this problem is that the first layer, in the vicinity of the first contact layer, is heavily doped so that free charge carriers generated in the first layer upon irradiation are “shadowed”. To reach the first contact layer easily through this area. Similarly, a partial solution is to deposit In doped SnO 2 , which is a transparent conductive layer, on the first layer as a contact layer, but this method has a band gap of 4.2 eV ( (SnO 2 band gap) can be used only in the following cases.
[0005]
In the sense that the above partial solution is not applicable, the following description will focus on diamonds that have a band gap of about 5.4 eV and are difficult to do, but the invention is limited to diamonds. It does not mean that. The contact resistance cannot be reduced by highly doping the portion of the diamond adjacent to the first contact layer, and SnO 2 absorbs most of the high energy light needed to make the diamond conductive. As a result, since light does not reach the diamond, SnO 2 cannot be used for the diamond as described above.
[0006]
Summary of the invention An object of the present invention is a photoconductive switch as defined in the introduction section, which is a contact resistance on the side of a first contact layer compared to a conventionally known photoconductive switch. Is low.
[0007]
According to the present invention, the object is formed on the first contact layer so as to cover at least the surface exposed from the opening of the first layer and to form an interface with the first layer in the opening. The thin film-like second layer is a material that forms a good interface with the first material, and has an energy equal to or higher than the energy gap between the valence band and the conduction band of the first material. This is achieved by a construction made of a material having a gap and transmitting light without substantially absorbing most of it.
[0008]
Since the charge carriers can reach the first contact layer through the second layer in the opening without passing through the shaded portion, the first contact is the same if the shape of the first contact layer is the same. The effective contact area of the layer is increased. For this purpose, it is important that the order of the first layer and the second layer is adjusted so that the resistance of the switch is not increased by being supplemented by electric and optical traps at the interface between the charge carrier and the light. is there. In this way, it is possible to reduce the geometric area of the first contact layer, that is, to increase the opening and to secure a sufficient contact area so as not to excessively limit the switch handling current. . As a result, the area of the “shadow” is reduced to reduce the resistance of the switch when irradiated.
[0009]
By making the second layer thin and using a material having a band gap equivalent to at least the first material, there is no risk that the second layer will absorb most of the light.
[0010]
According to a preferred embodiment of the present invention, the second layer has the first contact layer because the charge carriers can reach the contact layer even on the surface of the first contact layer opposite to the first layer. Further increase the effective area of the layer. Therefore, it is a highly preferred aspect that the second layer covers the entire surface of the first contact layer.
[0011]
According to another preferred embodiment of the present invention, the second layer material has a valence band and conduction band gap substantially equal to the first layer material. This is because some of the light is absorbed by the second layer, further reducing the resistance of the switch.
[0012]
According to another preferred embodiment of the invention, the material of the second layer is the same as that of the first material at least at the interface with the first layer, in which case the crystal lattice can be matched. Since it usually becomes easier, the order of the interface between the first layer and the second layer is improved. Therefore, it is preferable that the material of the first layer and the material of the second layer are the same. Using the same material further means that the requirements regarding the energy band gap are automatically satisfied.
[0013]
According to another preferred embodiment of the present invention, the energy gap between the valence band and the conduction band of the first material is greater than 4.5 eV, and the present invention requires the use of a transparent SnO 2 layer as described above. Therefore, this embodiment is preferably used for a switch using such a material.
[0014]
According to another highly preferred embodiment of the invention, the first material is diamond. As described above, diamond is difficult to be doped and has a very high band gap of 5.4 eV compared to 4.2 eV of SnO 2 , and the physical properties of diamond are very good as a material for a photoconductive switch. It is. Diamond has a particularly high breakdown field strength, which means that a photoconductive switch using diamond can hold a very high voltage in the cut-off state, i.e. in the off state. Further, since diamond has relatively high charge carrier mobility, it has high conductivity. Therefore, diamond is a very suitable material to use for this type of switch, but until now it has been difficult to use for "vertical" switches due to the above mentioned contact resistance problem. It was. The diamond is preferably used in an intrinsic form. By “ intrinsic diamond” is meant that the diamond is undoped, compensated doped, or that the dopant is not thermally active in the temperature range of interest. The use of the first layer also for diamond is desirable to obtain a good interface between the first layer and the second layer, and in practice the second layer is deposited on the first layer using CVD. It is possible to deposit without creating an interface, in which case the mobility is also the same as the diamond's bulk mobility at the “interface”.
[0015]
In accordance with another preferred embodiment of the present invention, the contact layer can withstand the high temperatures (800-900 degrees Celsius) required for CVD growth of the second layer when the second layer is diamond. Desirably, tantalum , titanium and tungsten are selected.
[0016]
Other advantages and preferred properties of the invention will become apparent through the following description and the dependent claims.
[0017]
Detailed Description of the Preferred Embodiment of the Invention The concept of a photoconductive switch according to a preferred embodiment of the present invention is shown in FIG. 1, which comprises a first layer 1 made of intrinsic diamond and having a thickness of about 200 microns. , Two contact layers provided on both sides of the first layer and capable of applying a voltage across the first layer 1 by being connected to different potentials, namely the first contact layer 2 and the
[0018]
The first contact layer 2 has conductivity regardless of the direction of the voltage with respect to the voltage applied by the light 5 applied to the switch from the first contact layer side reaching the first layer. An opening 4 is provided so as to exert the effect. The gap between the valence band and the conduction band of the intrinsic diamond of the first layer is about 5.4 eV, which means that the light 5 excites charge carriers in the diamond from the valence band to the conduction band. Means at least that much energy is required. It illustrates how a “shadow” 6 is formed under the first contact layer, that is, where the diamond does not generate free charge carriers and the conductivity of the switch is very low.
[0019]
Similarly, a second layer 7 made of true diamond is formed so as to cover the opening portion of the first layer and the first contact layer. This layer typically has a thickness of about 10 microns. By using the same material, here diamond, a very good order interface can be formed between the first and second layers, and in the case of diamond there is actually an interface. Although not shown, it is represented by line 8 in the drawing. In this second layer, charge carriers generated in the first layer by irradiation flow from the opening through the second layer and flow from the side surface and the upper surface of the first contact layer. The active area of one contact layer is dramatically increased. This means that the area of the opening 4 is greatly expanded as compared with the case without the second layer without reducing the effective area of the first contact layer. It will only cover a few percent of the total surface area of a layer. That is, the first layer receives much more light 5 and the conductivity of the switch in the on state increases.
[0020]
Another advantage of providing the second layer 7 is that the second layer embeds the first contact layer in an electrically insulating material and provides insulation of the contact layer in an insulated state that does not receive the light of the switch. . The layer 7 functions as a protective layer of the switch, that is, a layer for protecting the electrically active first layer such as diamond from the influence of the environment.
[0021]
A switch according to the second preferred embodiment of the present invention is shown in FIG. 2, which, compared to the embodiment shown in FIG. 1, has a first layer of, for example, SiC, Si, GaN, AlN or BN. Doping with opposite conductivity characteristics n and p, when a forward bias voltage is applied to the
[0022]
Of course, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and those skilled in the art can consider many modifications within the scope of the technical idea of the present invention.
[0023]
The material for the first layer and the second layer may be any material suitable for the photoconductive switch, and is not limited to the above example.
[0024]
When normal white light with a relatively wide irradiation spectrum width is used to irradiate the first layer, a material different from the first layer is used for the second layer, and light is effectively used. It is desirable to prevent large energy from being absorbed by the second material relative to the band gap of the first material.
[0025]
“Crystalline material” as defined in the claims includes single crystals and polycrystals.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cross section of a photoconductive switch according to a first preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view similar to FIG. 1 according to a second preferred embodiment of the present invention.
Claims (22)
当該第１層は、第１の材料の電荷キャリアを価電子帯から伝導帯まで励起するために十分なエネルギを有する光（５）の照射を受けたときに、前記接触層間に加えられた電圧に対して導電性を有し、
前記第１層の前記第１接触層（２）側には開口（４）が設けられて、当該第１接触層側から照射された光が、前記開口を通って前記第１層に到達し、印加された電圧を導通する光導電スイッチであって、
前記第１層の第１接触層の側に、少なくとも第１層の前記開口部を覆って、当該開口部で第１層と接触する第２層（７）が設けられ、
当該第２層の材料の、価電子帯と伝導帯との間のエネルギーギャップが、前記第１層の第１の材料のエネルギーギャップと実質的に等しいことを特徴とする光導電スイッチ。A first layer (1) made of a first material and two contact layers (2, 3) provided on both sides of the first layer, connected to different potentials and capable of applying a voltage to the first layer And
When the first layer is irradiated with light (5) having sufficient energy to excite the charge carriers of the first material from the valence band to the conduction band , the voltage applied between the contact layers Have conductivity against
An opening (4) is provided on the first contact layer (2) side of the first layer, and light irradiated from the first contact layer side reaches the first layer through the opening. A photoconductive switch for conducting an applied voltage,
On the side of the first contact layer of the first layer, a second layer (7) that covers at least the opening of the first layer and contacts the first layer at the opening is provided.
The photoconductive switch, wherein an energy gap between a valence band and a conduction band of the material of the second layer is substantially equal to an energy gap of the first material of the first layer.
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