JPH02502954A - 電界圧縮を使用したバルクなだれ半導体スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電界圧縮を使用したバルクなだれ半導体スイッチ関連出願は、本出願と同時に提 出された一連番号０９２，７４５号、名称“メサ構造を使用したバルクなだれ半 導体スイッチ”である。

［背　景］ 本発明は、半導体材料のブロックの全体積に亘るなだれ作用による電力のスイッ チングに関する。

電流をスイッチする一方法は、半導体材料のブロックに２つの接点を設けること である。この半導体材料は、それか絶縁体として作用するようにドープされてい る。レーザからの光がこの半導体材料上に導かれると光導電か発生して半導体ブ ロックは導通せしめられる。典型的には、大量の電流を流させるのに必要な量の 光導電を発生させるためには、強力な卓上レーザが必要である。この型のスイッ チの検討は、デービスの合衆国特許４，４３８，３３１号に包含されている。デ ービスは、レーザ・ダイオードを用いてトリガできるスイッチを示した。

なだれ降伏を使用する別の方法がムールーの合衆国特許４．３４７，４３７号に 示されている。ムールーは、半導体材料にまたがって、なだれ降伏を生じさせる 電圧よりは低い高電圧を印加した。なだれ降伏は、電荷担体（すなわち電子苓よ び正孔）が印加電解によって充分な運動エネルギを持つと担体が原子と衝突して 原子を１つの電子／正孔対に分離させ、それが別の電子／正孔対な発生させ、こ のようにして指数的に増加する電流の流れを作り出すことによって発生する。ム ールーは半導体材料をなだれ降伏させるのに必要な電圧より低くバイアスする高 電圧を使用している０次てレーザを使用してなだれプロセスを開始させる“種子 ”担体を発生させる。これにより、数百ピコ秒ないし１ナノ秒以上の期間に亘る 完全なだれ導電が確立される。

ムールーはなだれ降伏の詳細を説明していないが、彼の装置は接点間の半導体材 料を通してｌあるいはそれ以上の導電の“ストリーマ”の発生と共に進行し、こ のストリーマは半導体全体が導電するまで直径が増大するものと考えられる。ス トリーマは接点間の導電の細い線であり、接点あるいは半導体材料の微視的な不 規則性において出現する。これらのストリーマの発生は、ストリーマが最初に発 生する領域に大きい応力を生じるために、スイッチの有効寿命を制限することに なろう。

ムールーの装置は、電圧が印加された時に、レーザがか付活される前に熱的に誘 起された担体が導電を開始させてしまわないように、半導体材料を極低温まで冷 却する必要がある。ムールーは、この方法を使用して３ナノ・ジュールのレーザ ・ダイオードでメガワットの電力を発生したと述べている。

［発明の概要］ 本発明は、なだれ降伏を光学的にトリガする改良された方法を使用したスイッチ に関し１本スイッチは標準のレーザ・ダイオードを使用して持続時間が１００ピ コ秒あるいはそれ以上のパルスを発生することが可能であり、また５０オームの 負荷に実質的に５０ピコ秒あるいはそれ以下の立上り時間で５キロボルトあるい はそれ以上を供給することができる。半導体ブロックには両側に接点か設けられ 、それらにまたかって瞬時なだれ降伏電圧よりは低い高電圧が印加される０次で 半導体ブロックに電磁放射を照射する。放射の波長および半導体ブロックの吸収 深度係数は、放射の大部分の吸収深度が接点間の距離以下となるように選択され る。このトリガリングによって光導電領域が発生し、この領域においては吸収が 行なわれ、また光によって正孔・電子対が発生するので、放射が吸収される領域 を越える距離にまたかって殆どの高電圧か移動する。これにより大きい電解“圧 縮”すなわち増強が得られ、半導体ブロックの残余の距離にまたがってなだれ降 伏か発生する。

本発明の光導電なたれ反動対スイッチ（ＰＡＳＳ）装置は、混合された光導電・ なだれモードで動作するように設計された光付活スイッチである。光が入射する 表面付近に実質的に１０”７ｃｍ”あるいはそれ以上の電子−正孔密度を有する 光導電領域を発生させるのに充分な光束を発生させるために、半導体ダイオード 注入レーザを使用する。この光導電領域を発生させるために使用する光の波長は 、光吸収深度か電極間間隔のある主要部分を占めるように選択される。この導電 領域の発生の直後にＰＡＳＳ装置の電解は、光が入射する側とは反対の側に配置 されている電極付近において強められる。なだれ担体発生は、もしこのなだれ領 域内の電界および背景担体レベルが充分に高ければ、はぼ１ナノ秒あるいはそれ 以下の後に生ずる。典型的には電界値は１強いなだれを発生させるためには、２ ×１０’ボルト／ｃｍ程度でなければならない。

ＰＡＳＳ装置の設計並びに動作は、ジェラルド・ムールーの合衆国特許４，３４ ７，３４７号に記載の純なだれ装置とは全く異なる。設計上の主な差異は１選択 されたレーザ駆動波長および強度にある。ＰＡＳＳ装置は、電極間間隔よりも実 質的に短い吸収深度を与えるべく選択された波長（典型的には、ガリウム砒素に 対して０．７ないし０．９ミクロン）で駆動する。

一方前記なだれ装置は２つの電極間の装置全体に亘って完全に均一に浸透するよ うな波長（典型的には、ガリウム砒素に対して１．０６ないし１０ミクロン）が 選択される。加えて、ＰＡＳＳ装置が装置のボディ内に強い光導電領域を与える のに充分なレーザ強度およびパルス長を使用しているのに対して、なだれ装置は その逆である。ムールーの特許においては、担体は電極間のボディのバルクを通 してなだれをトリガするだけのために注入あるいは蒔種し、またレーザトリガリ ング・エネルギ・レベルはボディな通して光導電を生じさせるのに必要なレベル より遥かに低い。

動作的には、本発明のＰＡＳＳ装置は、一つの領域における光導電と、第２の領 域におけるなだれ発生とを使用して電子・正孔対を作る。２つの領域は互いに他 方に関係付けられて電気的に直列に接続されている。これに対して純なだれ装置 においては、単一の時点にボディ全体に単一のなだれ領域が作られる。

一般に、ＰＡＳＳ装置は低レベルのトリガリング光束（しかし一つの領域に集中 ）と、なだれモードのみで動作するように設計されている装置よりも低い印加バ イアス電圧を使用してスイッチできる。加えて、ＰＡＳＳ装置は、なだれモード のみで動作するように設計されたスイッチよりもより迅速に且つより少ないジッ タてスイッチすることができる。

電界圧縮効果は、なだれ領域内に高い、比較的均一な電界と、光による均一な“ 種子”担体の発生をもたらすので、ストリーマは最低化ないしは排除される。装 置は、なだれプロセスの本質のために約５０ピコ秒のターンオン立ち上かり時間 を有する。加えて、装置の寿命は従来技術の装置よりも遥かに長い、電界圧縮お よびなだれ機構は、普通の注入レーザ・ダイオードを用いて装置をオン状態にト リガ可能ならしめる。また、高固有抵抗の、すなわち半絶縁性半導体ブロックを 使用することが可能であるので極低温冷却の必要性が排除され、装置を室温で動 作させることができる。ブロック自体は半絶縁性ガリウム砒素（ＧａＡｓ）製と することが好ましい。

一実施例に３いては、半絶縁性半導体（室温動作を可能にする）を用いてより高 いなだれレートを達成するために、放射が半導体ブロック全体に吸収されるよう な第２のレーザを使用している。この第２のレーザは、電界圧縮を生じさせるた めに使用される第１のレーザとは多少無関係に、必要“種子”電荷担体を発生さ せるために使用される。この実施例においては、第１および第２のレーザは、同 一の側から或は反対側から半導体ブロック照射することができる。

別の実施例においては、半導体ブロックの各側に１つずつの２つのレーザを使用 して電界圧縮を発生させる。各レーザは、その放射が半導体ブロックの長さの半 分以下の距離内で吸収されるような波長を有する。従って、２つのレーザによる 光導電領域間にはなお低い“種子”電荷担体密度のみを有する半絶縁性領域が残 されている。電界圧縮はこの半絶縁性領域にまたがって達成され、２つの光導電 領域間になだれ降伏を生じさせる。各レーザは遠くまで浸透させる必要はないか ら、これによって低出力レーザを使用することか可能となる。変形として、一方 の側から他方の側よりも深く浸透させるように、異る波長のレーザな使用するこ とも可能である。

加えて、必要とされる個々のレーザ・ダイオードの寸法を縮小させるために、単 一のレーザではなく、単一のあるいは複数のレーザ・アレイを一方の側あるいは 両側に使用することができる。レーザからの光は、光ファイバを使用して半導体 ブロックへ輸送することが可能である。

別の実施例においては、小さい値の容量（すなわち半導体ブロックの０．１６■ １２の中央活性面積に対して０．５ないし５０ｐＦ）をＰＡＳＳ装置にまたがっ て並列に付加して、装置のなだれ領域においてトリガリング後に発生するであろ うなだれ増倍率の最終レベルを増加させている。このような並列容量の効果は、 ＰＡＳＳ装置のなだれ領域にまたがる電界を、容量が欠如する場合に可能な時間 よりも長い時間に亘って維持することである。電界を長時間に亘って高レベルに 維持することによって、より多くのなだれ電離が発生しくより高い電子・正孔対 密度）、ＰＡＳＳ装置のより高い導電“オン”状態が達成される。

本発明の本質および長所をより完全に理解するために、添付図面に基づく以下の 詳細な説明を参照すべきである。

図面の簡単な説明 第１図は本発明によるスイッチの透視図；第２図は本発明によるスイッチの電界 圧縮効果および光学的に透明な第１電極を示す断面図； 第３図は本発明によるスイッチの両側からの照射による電界圧縮効果を示す断面 図； 第４図はブロック自体に吸収される光を発生する第２のレーザを有する本発明に よるスイッチの断面図：第５図は本発明によるＰＩＮ構造を示す断面図：および 第６図は第１図のスイッチを制御する回路のブロック線図。

［好ましい実施例の詳細な説明］ 第１図は本発明によるＰＡＳＳバルク・スイッチ１０の透視図である。Ｎ型Ｇ　 ａ　Ａ　ｓであることが好ましい半導体材料のブロック１２には上側金属電極１ ６および下側金属電極２２（破線で示す）を設けである。電極１６および２２は それぞれ導線１４および２０によって高電圧電源１８に接続されている。ブロッ ク１２はヒートシンクとして作用するサブストレート２１（たとえはべりリア） 上に随意的に取付けられている。光ファイバ２４が光線２６をブロック１２の頂 部に導く。

スイッチ１０の動作機構は第２図の断面図から理解できよう、高電圧は電極１６ と２２にまたがって印加され、瞬時なだれ降伏値よりも小さい電界をブロック１ ２にまたがって提示する。レーザダイオード（図示せず）からの光は光ファイバ ・ケーブル２４を通過し、図示のようにブロック１２の頂部へ光線２６として導 かれる。この光は領域３０において吸収され。

正孔・電子対と、電極１６３よび２２間の距離よりも短い光導電の領域とを作る 。ブロック１２の頂部の電極１６は酸化へあるいは酸化インジウムのような“透 明”な導体で形成され、最大数ミクロン厚である。これか半導体ブロックの活性 面積内により均一な導電を可能ならしめる。

領域３０は、光により発生した電荷担体を有し、これらの担体は電極１６と２２ にまたが９でではなく、光導電領域３０の下縁３２と電極２２とにまたがるバイ アス電圧を効果的に配置するように作用する。この短距離にこのバイアス電圧に よって与えられる電界は、なだれ降伏を生じさせるのに充分に高い値となり、光 導電領域３０の電荷担体と電極２２との間に導電プラズマ３４を導通せしめる。

ＰＡＳＳ装置は、レーザ・ダイオード駆動の必要条件を可能な限り少なく抑え得 るようにするために、″オン”状態の連続性の所望レベルを達成するのに必要な 僅かな入力光束て動作することが好ましい、約０．１６ｍ■２の“活性”面積を 有し、電極間間隔が０．５１脂であり、ｓ、ｏｏｏボルトのバイアスを有する装 置は、“オン”状態に３ける高い導電率に対して約２０ないし２００ｎｊの光束 を必要とする。必要な光束を低下させる一方法は所与の電極間間隔を有するＰＡ ＳＳ装置にまたがるバイアス電圧を増加させることである。このより高いバイア ス電圧は、装置内により高い電界をもたらす、レーザ・トリガーパルスか装置を 照射した後になだれ領域内に所与の電界レベルを達成するためにＰＡＳＳ装置の より小さい体積を光導電性とする必要があるから、大きい初期バイアス電圧は高 度に望ましい。

一実施例においては、より長い時間に亘って電界を維持することによってなだれ 増倍率の最終レベルを増加させるべく、コンデンサ２５を並列に付加している。

この容量は、幾つかの方法の−って得ることができる。第１の実施例においては 、小さいコンデンサを装置の外部に且つ離散して付加することかできる。このコ ンデンサは、たとえばセラミックあるいはマイラ製でよい、外付はコンデンサは 、コンデンサのリード内のスプリアス・インダクタンスを最小化するために、Ｐ ＡＳＳ装置に物理的に緊密に接近させて配置することが好ましい。コンデンサは 外形を環状あるいは方形とし、たとえば中心に方形孔を設け、リボンあるいは環 状座金構造でＰＡＳＳチップを取囲み該チップに接続されるように配置して浮遊 インダクタンスを最小化することができる。第２の実施例においては、コンデン サはＰＡＳＳ装置に集積可能であり、より大きい総合チップの領域に伸びた第１ および第２の電極からなる。

なたれトリガリングは、次の近似式が充分に大きい値に達すると発生する。

Ｇ＝ａ、ＮＥｅＸＰ（−８２／Ｅａ３）　　　−（１）但し、Ｇはなだれ発生レ ート、Ｅは電界の強さ、Ｎは電荷担体密度、ａｘ　ｒ　ａａ　ｒ　８３は所与の 材料に特有の定数である０次てなだれ発生は、光により発生した担体密度および 電界の強さが充分に高い時に得られる。

光エネルギｈｙＴを半導体ブロックのエネルギギャップＥ１にほぼ等しくすると 、光子吸収深度は半導体ブロックの厚さより小さく、実質的にその一部分となる 。変形として、応力を印加するかあるいはブロックの温度を変化させることによ って固定された光子エネルギに対する所望の有効吸収長を限度内て得るために、 ギャップ・エネルギＥ、を変えることができる。一般に、温度の上昇あるいは車 軸圧縮の印加はギャップ・エネルギを低下させる。ＥＩＩがｈｙＴに対して低下 すると、吸収深度も減少する。加えて、レーザ・ダイオードの波長は、レーザ・ ダイオードの温度を制御することによって変化させることかできる。

ＰＡＳＳ装置のターンオフは、第６図に示すように、たとえばパルス形成回路網 駆動線によって、ＰＡＳＳ自体の外部から遂行することが多い。若干の応用にお いては、ＰＡＳＳ装置の自己ターンオフを使用すると好都合である。急速に自己 ターンオフさせるためには、自己ターンオフ時間がラッチアップが欠如する時の 再結合時間であるから再結合時間を迅速にする必要がある。一般的に、再結合時 間を電荷担体遷移時間に対して短くすることによって、ラッチアップは避けられ る。遷移時間は、電荷担体が電極間間隔を横切るのに要する時間として定義され る。

自己ターンオフ時間中、電子・正孔対が再結合して導電に必要な電荷担体が減少 する。ＰＡＳＳ装置の急速なターンオフを促進するために、半導体半絶縁性ある いは軽くドープされたＮ領域をトラッピング・レベルでドープすることができる 。−例は半絶縁性ガリウム砒素を少なくとも１０”／ｃ■３の密度までクロムあ るいは酸素でドープすることである。

所与の深度ｄにおける単色光の強度工（あるいは光速）はＩ＝Ｉ。ｅＱ　ｄ　　 ＋＋＋　（２＞ によって与えられる。但し、 α＝半導体の吸収係数、 ｄ＝深深度 Ｉ＝ｄにおける強度、 工。＝初期強度。

式（２）から、もし光源の強度を減少させるかあるいはもし吸収係数を増加させ れば、特定深度における強度か低下し、従って導電債城３０の深度が減少するこ とか分かる。半導体材料の吸収深度は光の波長とともに減少するから、吸収深度 を小さくするためには波長を短くする必要がある。長波長光の使用を可能にする 、あるいは低強度（すなわち低出力）のレーザの使用な可能ならしめる一方法を 第３図に示す。

第３図において、２つの異るレーザ・ダイオード（図示せず）からの２本の光フ ァイバ・ケーブル３６．３８は半導体ブロック１２の両側に光を導き、それぞれ 吸収領域４０および４２を作らせる。それにより領域４０の下縁４４と領域４２ の上縁４６との間に電界圧縮か発生し、なだれ領域４８が与えられる。従って、 半導体ブロック１２の厚さが同一であれば、低出力のあるいは同一出力で短い波 長の２つのレーザ・ダイオードを使用して第２図と同一の効果を得ることができ る。この方法は、極めて高い電圧（約４０ｋＶあるいはそれ以上）をスイッチす る時およびその電圧を保持するために厚いブロックを必要とする時に有用である 。

この方法のスイッチング感度（スイッチ電流にスイッチ電圧を乗じ、受けた放射 エネルギによって除した値）を改善する一方法を第４図に示す、第１の光ファイ バ・ケーブル５０はレーザ・ビームをメサ５２の上面に導いて光によって発生す る担体の吸収領域５４を発生させる。第２の光ファイバ・ケーブル５６は半導体 ブロック１２の巾全体に吸収されるのに充分な波長を有する光を導いて光によっ て発生する担体の領域５６を与える。領域５６は、第１の光ファイバ・ケーブル ５０に関連するレーザ・ビームから、この方法以外で可能であるよりも低い光束 でなだれ降伏を開始させるのに充分な“種子”電子・正孔対を供給する。

ブロック１２は、熱暴走を生じさせる熱担体を発生させることなく室温動作を可 能ならしめるために、１０６オーム・ａｍより大きい固有抵抗を有するＮ型ある いはＰ型あるいは半絶縁性ＧａＡｓであることか好ましい、５ｋＶのバイアスと ｌ■■直径の面積を用いると、この固有抵抗における漏洩は４００ｍＷ以下であ る。０．５腸腸巾のブロックの電極にまたがって印加できる電圧は５ｋＶあるい はそれ以上までである。これは一実施例であるが、波長、ドーピング、濃度、電 圧等をある範囲で選択しても動作する。

上側および下側の各電極はオーム接触であり、２つの電極間にはＥ＝２０，００ ０〜２００，０ＯＯｋＶ／ｃｍ程度の静的なあるいは時間的に変化する電界が印 加される。所定の時点に、ブロック１２に向かって伝播する波長λＴ＝ｃ／νＴ 〜８６０−９１０ｎ■（ナノメートル）の電磁放射のトリガ・パルスｈνＴか部 分的にブロック内へ伝送されブロックを通って、ブロックのバルクすなわち体積 内になだれによって電気的降伏を開始させる０次で２つの電極間に電流か流れる 。

ｍ−■あるいは■−ｖ半導体材料の場合には、関連トリガ・パルス・エネルギｈ ν丁を、ある電子のｍ原紙価・導通遷移に伴う最低バンドギャップエネルギＥ１ にほぼ等しく選択することが好ましい、この選択により、レーザから最も効率的 に光子を吸収しつつ、より多数の利用可能な導通バント遷移サイトを提供する充 分なエネルギ差を可能ならしめるべきである。

もしエネルギｈνＴを実際のエネルギ・バンドギャップに近付は過ぎるように選 択すると、パウリの排他原理によって利用可能な遷移状態の数は重大な制限を受 ける。トラピング・レベルからのエネルギ・レベルのような他のエネルギ・レベ ルが光電子・正孔発生プロセスを援助し、吸収深度係数を、従って波長の選択を 変化させよう。

ＧａＡｓ材料は、１０６オーム／Ｃ■あるいはそれより高い固有抵抗を有するこ とが好ましい、たとえば、このような材料は、Ｍ／Ａ−ＣＯＭ、ガリウム砒素プ ロダクツ社あるいはスペクトラム・テクノロジ社からツオクラスキ成長半絶縁性 ブロックとして入手できる。ＧａＡｓ結晶の配向も重要である。何故ならば、（ Ｚｏｏ）面に垂直の電子電離レートは（１１１）面に垂直よりも遥かに高いから である。高い電子電離レートは。

より高いスイッチング感度（スイッチ電流×スイッチ電圧÷受けた放射エネルギ ）を生む。

Ｇ　ａ　Ａ　ｓてはなく、他の半導体も使用可能であり、この選択は照射に使用 される照射波長λＴに影響する。高易動度半導体の若干の魅力ある選択を表工に 示す。

表工：半導体材料および易動度 ＧａＡＳｔ−ｘＰｘ ＣｄＴｅ　　　　　　　　１，０５０ ＧａＡｓ　　　　　　　　８，５００ ＩｎＰ　　　　　　　　　４，６００ Ｓｉ　　　　　　　　　　１，５００ ＧａＳｂ　　　　　　　　５，０００ Ｇｅ　　　　　　　　　　３，６００ ＩｎＡｓ　　　　　　　３０，０００ ＩｍＰ、Ａｓ、−、ｃ ＩｎＳｂ　　　　　　　８０，０００ ＰｂＴｅ　　　　　　　　６，０００ ＰｂＳｅ　　　　　　　　１，０００ 迅速にパルス化され、反復的な動作あるいは長いパルス長にたいしては１本発明 のいずれの実施例においても半導体ブロックに連続するヒートシンク材料を設け て、ブロック内のエネルギの消散によって発生する熱を効果的に取り去ることが できる。ヒートシンク材料は、ベリリア、銅、アルミニウムタングステン、チタ ン、モリブデンあるいはダイヤモンドのような光熱伝導度材料の実質的に充実し たブロクつてあっても、あるいは半導体ブロックの１あるいはそれ以上の表面に 接触し該長面を通って流れるフルオロカーボンのような液体であってもよ照射源 として、たとえばレーザ・ダイオードから入手できるモデル３９１のような５０ ０ワツトのレーザ・ダイオード・アレイを使用してもよいし、単一の１５ワツト のレーザ・ダイオードとしてレーザ・ダイオードのモデルＭＨ６７を使用しても よく、出力を光ファイバあるいはロッドあるいは他の手段によってＧａＡｓブロ ックに供給する。ＧａＡｓと空気との誘電不整合のために、反・反射被膜を施し てない場合にはＧａＡｓ表面に入射する放射の約７０パーセントだけ伝送され、 残りの３０パーセントは反射される。従って、照射される単一のあるいは複数の ＧａＡｓに接して反・反射被膜を使用することは。

起動用照射の吸収を増大させるために適切であろう。

第５図はＰＩＮ構造を使用したスイッチの変形実施例を示す、絶縁性材料のＧａ Ａｓブロック６０は上面をＰ十材料の層６２で、また下面をＮ十材料の層６４で 覆われている。これらの暦自体はそれぞれ電極６６および６８によって覆われて いる。光ファイバ・ケーブル７０からの光は、先行実施例に示す態様で供給され る。Ｎ十層６４は、同時出願の一連番号０９２．７４５号に記載されているよう に、接点６８からブロック６０内への金属移動を阻止する。第５図の実施例はＮ 中領域ではなくｐ＋ｍ域６２を使用し、電圧源７２から電圧を供給している。す なわち、電圧の止端は電極６８に、また負端は電極６６に接続されている。正電 圧をＮ中領域に印加することによつて、そのようにしなければ低くトープされた すなわち１領域内へ拡散する電子が正電圧の吸引によってこのようになるのを妨 げられる０反対に、電極６６に印加される負電圧は、ブロック６０内へ移動する Ｐ中領域６２からの正孔を吸引する。もしＰ中領域６２の代りにＮ中領域を使用 すれば、負にバイアスされたＮ中領域から拡散する電子を停止させることはでき ないであろう。

第５図のＰ　＋／　Ｉ　／Ｎ十実施例は、この構造でなければＮ＋領領域１つか らＩ領域内へ注入される電子の勾配を排除することによって、より高い電圧の印 加を可能ならしめる。この勾配の効果は、注入された電子が“種子”として作用 するために、そうでない場合よりも若干低い電界でなだれ領域になだれを発生せ しめよう、なだれ発生は、はぼ２Ｘ　１０’　ｋＶ／ａｍを超える電界によって もたらされ、背景すなわち電子あるいは電子・正孔対の“種子”担体密度によっ て強められる。より高い電圧は、トリガされた後のなだれ領域内の電子・正孔対 の発生レートを高め、従ってより高いオン状態導電率をもたらすために望ましい 。

第６図は本発明のスイッチ７４を制御する回路の図である。

負荷がスイッチと接地との間に接続されて示されている。コンデンサ７８は、第 １図において説明したようにスイッチにまたがって結合されている。充電ライン ８０およびインダクタ８２いる。充電ラインはスイッチの高速ターンオフを可能 ならしめ、インダクタは高周波数に対して高インピーダンスを呈してスイッチを 通るパルスに高速立ち上がり時間を与える。

光ファイバ・ケーブル８６から供給される光によって付活される。レーザ・ダイ オード８８はレーザ駆動装置９０によって駆動される。制御装Ｍ９２はパルス発 生器９４にパルスを発生させ、このパルスは可変増幅器９６内で増幅することが できる。

スイッチ７４を通るパルスの振巾は第６図の回路によって変化あるいは変調する ことができる。可変増幅器９６を制御することによって、スイッチ７４上に投射 されるレーザ光の強度が変化し、従ってもし変化すれば吸収深度が変化する。吸 収深度を変化させることによって、スイッチの抵抗を制御することができ、従っ て固定された直流電圧に対して電流を変化させることが回旋となる。変形として 異なる波長の一連のレーザを使用し、各波長が異なる距離まて浸透して異なる吸 収深度を得るようにすることによって、この変調を行なうことが可能である。

次て、変調は光ファイバ・ケーブル８６に所望される変調値に対して適切なレー ザな結合することによって達成できる。

当業者には理解できるように２本発明はその思想あるいは木質的な特徴から逸脱 することなく他の特定形状に実現することが可能である。たとえば、電極をブロ ック１２の両側に結合し、光を中央に導いて各電極に接して２つの狭く圧縮され た電界を発生させることができる。変形として、電極をブロックの一方の側の両 側に離間させて取付けることもできる。従って、本発明の好ましい実施例の説明 は例示を企図するものであり、以下の請求の範囲に記載の本発明の範囲を限定す るものではない。

１６−ｉ ＦＩＧ、　　２゜ ＦＩＣ；、　　３゜ ＦＩＧ　　４ ＦＩＧ、５゜ ＦＩＧ　　６゜ 手続補正書 平成２年３月２７日唾（

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．所定の距離だけ離間させて半導体ブロックに結合されている導電用接点を有 する半導体ブロックを準備し、前記接点にまたがって高電圧を印加し、前記ブロ ックを所定の波長を有する放射の源から電磁放射で照射し、前記放射の大部分を 前記ブロックの前記接点間の部分へ前記距離よりも短く浸透させて電荷担体を発 生させ、前記ブロックの一部分に亘ってなだれ導電を与える前記電圧の充分な電 界圧縮を生じさせめる 諸段階を備えた電流をスイッチする方法。 ２．前記接点が前記ブロックの対向表面上に設けられている請求項１記載の方法 。 ３．前記放射が単色性であり、前記半導体が前記単色性放射の波長に対してある 吸収定数を有し前記放射の大部分を前記接点間の前記距離以下で吸収する材料か らなる請求項１記載の方法。 ４．前記ブロックを第２の波長を有する電磁放射で照射して前記放射の大部分を 前記距離全体に吸収させる段階をも備えた請求項３記載の方法。 ５．実質的に前記放射の全てを前記距離以下に吸収させる請求項１記載の方法。 ６．前記半導体ブロックを前記第１の源とは反対の側上の電磁放射の第２の源で 照射し、前記第１および第２の源からの実質的に全ての放射の合計浸透深度を前 記距離以下とする段階をも備えた請求項１記載の方法。 ７．前記高電圧が前記距離にまたがる前記半導体ブロックの直流なだれ降伏電圧 の十分の一より高く、前記なだれ降伏電圧の３倍より低い請求項１記載の方法。 ８．高電圧を印加する前記段階が、前記照射段階の直前に始まって少なくとも前 記照射段階の時点の一部の間連続する高電圧パルスを印加することからなる請求 項１記載の方法。 ９．コンデンサを前記半導体ブロックに並列に設ける段階をも備えだ請求項１記 載の方法。 １０．前記電磁放射の強度および波長の一方を変調する段階をも備えた請求項１ 記載の方法。 １１．前記半導体ブロックにトラッピング・レベルを設ける段階をも備えた請求 項１記載の方法。 １２．所定の距離だけ分離した半導体ブロックの上面および下面に結合されてい る導電用接点を有し、所定の波長の電磁放射に対して所定の吸収係数を有する半 導体ブロックを準備し、前記距離にまたがる前記半導体の直流なだれ降伏電圧の ３倍より低く、前記なだれ降伏電圧の十分の一より高い高電圧を前記接点にまた がって印加し、 前記半導体ブロックの上面を前記波長を有する単色性電磁放射で照射し、実質的 に全ての前記放射を前記半導体ブロック内の前記距離以下に吸収させて電荷担体 を発生させ、なだれ導電のために十分な電界圧縮を生ぜしめる 諸段階を備えた電流をスイッチする方法。 １３．前記照射段階がレーザ・ダイオードを使用し、更に前記レーザ・ダイオー ドの温度を変化させて前記波長を与える段階をも備えた請求項１２記載の方法。 １４．半導体材料のブロック、 前記ブロックに結合されている第１の導体、前記第１の導体から所定の距離だけ 離間して前記ブロックに結合されている第２の導体、 前記両導体にまたがって高電圧を供給する電源手段、および前記ブロックを所定 の波長を有する電磁放射で照射して前記放射の大部分を前記導体間の前記ブロッ ク内に前記距離以下に亘って浸透せしめろ手段 を具備する半導体スイッチ。 １５．前記第１の導体が前記ブロックの上面に結合され、前記第２の導体が前記 ブロックの下面に結合されている請求項１４記載のスイッチ。 １６．前記照射手段が少なくとも１つのレーザ・ダイオードである請求項１４記 載のスイッチ。 １７．前記レーザ・ダイオードを前記ブロックに結合する光ファイバ・ケーブル をも備えた請求項１６記載のスイッチ・１８．前記放射が単色性である請求項１ ４記載のスイッチ。 １９．ある波長を有する単色性放射の第２の源をも備え、前記第２の源からの放 射が前記距離全体に亘って浸透する請求項１８記載のスイッチ。 ２０．前記第１の照射手段が前記ブロックの上面に放射を導き、更に前記ブロッ クの下面に放射を導く電磁放射の第２の源をも備え、前記第１および第２の濠か らの実質的に全ての放射が前記距離以下の合計深度に亘って吸収される。請求項 １４記載のスイッチ。 ２１．前記導体に連続するヒートシンク材料のブロックをも備えた請求項１４記 載のスイッチ。 ２２．前記ヒートシンク材料が、ベリリア、錫、アルミニウム、タングステン、 チタン、モリブデンおよびダイヤモンドからなる類から選択される請求項２１記 載のスイッチ。 ２３．前記ヒートシンク材料がフルオロカーボンのようなヒートシンク液体であ る請求項２１記載のスイッチ。 ２４．前記電源手段がパルス電圧波形を発生するように選択されている請求項１ ４記載のスイッチ。 ２５．前記照射手段が１あるいはそれ以上の照射パルスを発生する請求項１４記 載のスイッチ。 ２６．前記第１の導体と前記ブロックとの間にＰ＋半導体材料の層を、また前記 第２の導体と前記ブロックとの間にＮ＋半導体材料の層をも備えた請求項１４記 載のスイッチ。 ２７．前記電源手段の正端子が前記第２の導体に結合され、前記電源手段の負端 子が前記第１の導体に結合されている請求項２６記載のスイッチ。 ２８．前記ブロックに並列に結合されているコンデンサをも備えた請求項１４記 載のスイッチ。 ２９．前記電磁放射の強度および波長の一方を変化させるように前記照射手段を 変調する手段をも備えた請求項１４記載のスイッチ。 ３０．前記ブロックがガリウム砒素である請求項１４記載のスイッチ。 ３１．前記ブロックが１０６オーム／ｃｍより大きい固有抵抗を有するＮ型ある いはＰ型となるようにドープされている請求項３０記載のスイッチ。 ３２．前記ブロックと前記電源手段との間に結合されている充電ラインをも備え た請求項１４記載のスイッチ。 ３３．前記ブロックがトラッピング・レベルでドープされている請求項１４記載 のスイッチ。 ３４．前記トラッピング・レベルが少なくと１０１５／ｃｍ３の密度を有するク ロムあるいは酸素の一方である請求項３３記載のスイッチ。 ３５．前記第１および第２の導体の少なくとも一方が実質的に透明である請求項 １４記載のスイッチ。 ３６．前記透明な導体が酸化錫および酸化インジウムの一方である請求項３５記 載のスイッチ。 ３７．半導体材料のブロック、 前記ブロックに結合されている第１の導体、前記第１の導体と前記ブロックとの 間のＰ＋半導体材料の層、 前記第１の導体から所定の距離だけ離間して前記ブロックに結合されている第２ の導体、 前記第２の導体と前記ブロックとの間のＮ＋半導体材料の層、 正端子が前記第２の導体に結合され、また負端子が前記第１の導体に結合されて いて、前記両電極にまたがって高電圧を供給する電源手段、および 前記ブロックを所定の波長を有する電磁放射で照射して前記放射の大部分を前記 導体間の前記ブロック内に前記距離以下に亘って浸透せしめる手段 を具備する半導体スイッチ。 ３８．前記距離が少なくとも５マイクロメートルである請求項３７記載のスイッ チ。