JPH06350120A - 光伝導素子 - Google Patents
光伝導素子Info
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- JPH06350120A JPH06350120A JP5138067A JP13806793A JPH06350120A JP H06350120 A JPH06350120 A JP H06350120A JP 5138067 A JP5138067 A JP 5138067A JP 13806793 A JP13806793 A JP 13806793A JP H06350120 A JPH06350120 A JP H06350120A
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- diamond
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ダイヤモンド膜を用いた高速高耐圧の光伝導
素子を作製する。 【構成】 誘電率が低く、絶縁特性にも優れたダイヤモ
ンド膜２２上に２つの白金電極２３をギャップを介して
対向させて配置し、さらにギャップ間をダイヤモンド膜
で覆ったストリップライン型をとることにより、表面絶
縁破壊をさけることができ、高速高耐圧化が実現され
た。
素子を作製する。 【構成】 誘電率が低く、絶縁特性にも優れたダイヤモ
ンド膜２２上に２つの白金電極２３をギャップを介して
対向させて配置し、さらにギャップ間をダイヤモンド膜
で覆ったストリップライン型をとることにより、表面絶
縁破壊をさけることができ、高速高耐圧化が実現され
た。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンド膜を用い
た高耐圧の構造をもつ光伝導素子に関する。
た高耐圧の構造をもつ光伝導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイヤモンドは機械的強度，絶縁性に優
れており、さらに広い波長範囲にわたり透光性が高く、
エレクトロニクス材料や光学材料としても期待されてい
る。
れており、さらに広い波長範囲にわたり透光性が高く、
エレクトロニクス材料や光学材料としても期待されてい
る。
【０００３】光伝導素子に関しては、導電層／半導体層
／導電層構造を有する光電素子が従来より知られてい
る。半導体層としてはＳｉ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ等が用い
られており、たとえば図４のようなグランド面１３上の
半導体層１１上に２本の導体層１２を数μｍ以上のギャ
ップを介して対向させる、いわゆるストリップライン型
の構造が提案されている。このギャップにトリガーパル
スレーザーを照射することによりギャップ間にキャリア
を発生させ、ピコ秒レベルの電気的パルスを得ている。
／導電層構造を有する光電素子が従来より知られてい
る。半導体層としてはＳｉ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ等が用い
られており、たとえば図４のようなグランド面１３上の
半導体層１１上に２本の導体層１２を数μｍ以上のギャ
ップを介して対向させる、いわゆるストリップライン型
の構造が提案されている。このギャップにトリガーパル
スレーザーを照射することによりギャップ間にキャリア
を発生させ、ピコ秒レベルの電気的パルスを得ている。
【０００４】一般に、超高速パルスを定義する量として
は、立ち上がり時間ｔr ，立ち下がり時間ｔf ，電流増
加率，出力電圧・出力パワーがある。立ち上がり時間は
入射レーザー光の立ち上がり、スイッチインピーダンス
Ｚs で決定され、図４のようなストリップラインの場
合、 ｔr ＝１．５ε1/2 Ｖ／Ｅｃ ε：誘電率，Ｖ：印加バイアス電圧，Ｅ：電界強度，
ｃ：光速度 となる。ここでεは、Ｓｉ：１１．８、ＧａＡｓ：１
０．９，ＩｎＰ：１４であるが、ダイヤモンドは５．５
と低誘電率であるため、早い立ち上がり時間が得られる
と考えられる。また立ち下がり時間は、入射レーザー光
の立ち下がり，キャリア寿命，電極等によるキャリア消
滅および移動度の時間変化からなる。キャリア寿命は、
Ｓｉ：１μｓ，ＧａＡｓ：２００ｐｓ，ＩｎＰ：２００
ｐｓ，ダイヤモンド：２００ｐｓとなっている。しか
し、ダイヤモンドは基本的に他の材料に比べ表面絶縁破
壊強度が大きいため、ギャップ長を十分短くすることが
でき、移動度が飽和する程度を印加してやればキャリア
寿命に影響されないスイッチも構成できると考えられ
る。出力電圧・出力パワーに関しては、 ＶOUT ＝ＶS ／２ ＰOUT ＝ＶS ／ＺS で与えられる。ダイヤモンドを用いることができれば、
絶縁抵抗性の高さからＶS を高く設定できるという利点
があるため、ハイパワーのデバイスが実現される。例え
ば１９９１年発行のアプライド・フィジックス・レター
ズ第１２巻５９号１４５５ページに記載されるように、
Ｇ．ＭｏｕｒｏｕらによればＧａＡｓで７００Ｖ印加，
ギャップ長６００μｍとしたとき、立ち上がり時間は１
ｐｓであり、立ち下がり時間に対しては使ったＧａＡｓ
のキャリア寿命２ｐｓで決定される高速高耐圧スイッチ
が実現されている。ダイヤモンド薄膜を用いて同様なス
イッチを構成するとすると、印加バイアス電圧をより大
きくでき、ギャップ長をより短くできるため、立ち上が
り，立ち下がり時間のより短いスイッチの実現が期待さ
れる。
は、立ち上がり時間ｔr ，立ち下がり時間ｔf ，電流増
加率，出力電圧・出力パワーがある。立ち上がり時間は
入射レーザー光の立ち上がり、スイッチインピーダンス
Ｚs で決定され、図４のようなストリップラインの場
合、 ｔr ＝１．５ε1/2 Ｖ／Ｅｃ ε：誘電率，Ｖ：印加バイアス電圧，Ｅ：電界強度，
ｃ：光速度 となる。ここでεは、Ｓｉ：１１．８、ＧａＡｓ：１
０．９，ＩｎＰ：１４であるが、ダイヤモンドは５．５
と低誘電率であるため、早い立ち上がり時間が得られる
と考えられる。また立ち下がり時間は、入射レーザー光
の立ち下がり，キャリア寿命，電極等によるキャリア消
滅および移動度の時間変化からなる。キャリア寿命は、
Ｓｉ：１μｓ，ＧａＡｓ：２００ｐｓ，ＩｎＰ：２００
ｐｓ，ダイヤモンド：２００ｐｓとなっている。しか
し、ダイヤモンドは基本的に他の材料に比べ表面絶縁破
壊強度が大きいため、ギャップ長を十分短くすることが
でき、移動度が飽和する程度を印加してやればキャリア
寿命に影響されないスイッチも構成できると考えられ
る。出力電圧・出力パワーに関しては、 ＶOUT ＝ＶS ／２ ＰOUT ＝ＶS ／ＺS で与えられる。ダイヤモンドを用いることができれば、
絶縁抵抗性の高さからＶS を高く設定できるという利点
があるため、ハイパワーのデバイスが実現される。例え
ば１９９１年発行のアプライド・フィジックス・レター
ズ第１２巻５９号１４５５ページに記載されるように、
Ｇ．ＭｏｕｒｏｕらによればＧａＡｓで７００Ｖ印加，
ギャップ長６００μｍとしたとき、立ち上がり時間は１
ｐｓであり、立ち下がり時間に対しては使ったＧａＡｓ
のキャリア寿命２ｐｓで決定される高速高耐圧スイッチ
が実現されている。ダイヤモンド薄膜を用いて同様なス
イッチを構成するとすると、印加バイアス電圧をより大
きくでき、ギャップ長をより短くできるため、立ち上が
り，立ち下がり時間のより短いスイッチの実現が期待さ
れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】光伝導素子へもダイヤ
モンドの応用に対しては、天然のものは得難く、高価
である、高圧合成ダイヤモンドは大きいものが得にく
く、さらに不純物が多く、十分な絶縁耐圧が得られず、
スイッチ特性がよくない、等の理由であまり行われてこ
なかった。ダイヤモンドは、基本的にはその比抵抗性，
絶縁特性の高さから、高耐圧高速スイッチに有用である
と考えられ、その優位性を確認できるような気相合成ダ
イヤモンド膜を用いた光伝導素子の開発が期待されてい
る。そのためには狭ギャップ化した場合にも、絶縁破壊
が起こりにくい構造を実現することが課題であると考え
られる。
モンドの応用に対しては、天然のものは得難く、高価
である、高圧合成ダイヤモンドは大きいものが得にく
く、さらに不純物が多く、十分な絶縁耐圧が得られず、
スイッチ特性がよくない、等の理由であまり行われてこ
なかった。ダイヤモンドは、基本的にはその比抵抗性，
絶縁特性の高さから、高耐圧高速スイッチに有用である
と考えられ、その優位性を確認できるような気相合成ダ
イヤモンド膜を用いた光伝導素子の開発が期待されてい
る。そのためには狭ギャップ化した場合にも、絶縁破壊
が起こりにくい構造を実現することが課題であると考え
られる。
【０００６】本発明の目的は、上述のような課題を解決
した、ダイヤモンド膜を用いた高速高耐圧性の光伝導素
子を提供することにある。
した、ダイヤモンド膜を用いた高速高耐圧性の光伝導素
子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のストリップライ
ン型の光伝導素子は、基体上のダイヤモンド膜上にギャ
ップを介して２つの電極を設け、ギャップ内およびギャ
ップ上がダイヤモンドにより覆われている。この場合、
電極間隔は０．３μｍ〜１ｍｍとするのが好適である。
ン型の光伝導素子は、基体上のダイヤモンド膜上にギャ
ップを介して２つの電極を設け、ギャップ内およびギャ
ップ上がダイヤモンドにより覆われている。この場合、
電極間隔は０．３μｍ〜１ｍｍとするのが好適である。
【０００８】また同軸型の光伝導素子では、ダイヤモン
ド膜の表面に金属製の円筒形の光導入路を設け、ダイヤ
モンド膜の裏面には導入路と同軸方向に金属線を配置す
る。この場合、光導入路の内径は１μｍ〜５ｍｍとする
のが好適である。さらにこの同軸型の光伝導素子では、
前記ダイヤモンド膜の径を内径とする円筒導体をバイパ
ス電極として設けるようにしてもよい。
ド膜の表面に金属製の円筒形の光導入路を設け、ダイヤ
モンド膜の裏面には導入路と同軸方向に金属線を配置す
る。この場合、光導入路の内径は１μｍ〜５ｍｍとする
のが好適である。さらにこの同軸型の光伝導素子では、
前記ダイヤモンド膜の径を内径とする円筒導体をバイパ
ス電極として設けるようにしてもよい。
【０００９】
【作用】低誘電率で、絶縁特性の優れたダイヤモンド膜
を用いることにより、高速高耐圧の光伝導素子が実現さ
れる。さらに本発明によれば、ギャップを完全にダイヤ
モンドで覆ったような表面絶縁破壊を避けるような構造
が得られ、狭ギャップ化しても印加電圧を高く設定でき
るという利点が得られる。狭ギャップ化，高印加電圧
は、ともにスイッチ特性における立ち上がり時間を短縮
する効果があり、高速スイッチングが実現される。
を用いることにより、高速高耐圧の光伝導素子が実現さ
れる。さらに本発明によれば、ギャップを完全にダイヤ
モンドで覆ったような表面絶縁破壊を避けるような構造
が得られ、狭ギャップ化しても印加電圧を高く設定でき
るという利点が得られる。狭ギャップ化，高印加電圧
は、ともにスイッチ特性における立ち上がり時間を短縮
する効果があり、高速スイッチングが実現される。
【００１０】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。 実施例１ 図１は、ストリップライン型のダイヤモンド膜を用いた
光伝導スイッチの断面図である。
光伝導スイッチの断面図である。
【００１１】ダイヤモンド膜２２は熱フィラメント法に
より合成した。基板２１としては２インチのＳｉウェハ
を０．１μｍ以下の粒径のダイヤモンドパウダで研磨処
理したものを用いた。真空チャンバーを１．０×１０-6
Ｔｏｒｒまで排気後、水素を３００ＳＣＣＭ、炭素化合
物ガスとしてメタンを３ＳＣＣＭの流量で導入し、真空
チャンバー内の圧力を２０〜３００Ｔｏｒｒの範囲で保
持した。基板温度は基板加熱用ヒータと２０００℃に保
ったフィラメントからの輻射熱を利用して８５０℃とし
た。フィラメントと基板との距離を１０ｍｍで固定し、
この状態で１０時間成膜を行った。
より合成した。基板２１としては２インチのＳｉウェハ
を０．１μｍ以下の粒径のダイヤモンドパウダで研磨処
理したものを用いた。真空チャンバーを１．０×１０-6
Ｔｏｒｒまで排気後、水素を３００ＳＣＣＭ、炭素化合
物ガスとしてメタンを３ＳＣＣＭの流量で導入し、真空
チャンバー内の圧力を２０〜３００Ｔｏｒｒの範囲で保
持した。基板温度は基板加熱用ヒータと２０００℃に保
ったフィラメントからの輻射熱を利用して８５０℃とし
た。フィラメントと基板との距離を１０ｍｍで固定し、
この状態で１０時間成膜を行った。
【００１２】このようにして得られたダイヤモンド膜に
ついてラマン分光やＸＲＤ，ＳＥＭ，ＡＦＭ観察等の評
価を行った。ラマン分光の結果から１３２２ｃｍ-1のダ
イヤモンドのラマンピークのみが認められ、その他のア
モルファスカーボン，グラファイトによるピークはほと
んど検出されなかった。エリプソメトリにより膜厚を測
定したところ、約３μｍであった。
ついてラマン分光やＸＲＤ，ＳＥＭ，ＡＦＭ観察等の評
価を行った。ラマン分光の結果から１３２２ｃｍ-1のダ
イヤモンドのラマンピークのみが認められ、その他のア
モルファスカーボン，グラファイトによるピークはほと
んど検出されなかった。エリプソメトリにより膜厚を測
定したところ、約３μｍであった。
【００１３】得られたダイヤモンド膜２２の上にスパッ
タにより白金層を５０００オングストローム形成し、ギ
ャップ間隔１０μｍになるように短冊型の電極２３を２
つ、パターニングにより形成した。白金のエッチングは
４０℃の王水により行った。その後、ギャップ間および
ギャップ上へ２回目のダイヤモンド膜成長を行うことに
より、図１のような完全にギャップが１ｍｍ幅のダイヤ
モンド膜で覆われた構造を得ることができた。
タにより白金層を５０００オングストローム形成し、ギ
ャップ間隔１０μｍになるように短冊型の電極２３を２
つ、パターニングにより形成した。白金のエッチングは
４０℃の王水により行った。その後、ギャップ間および
ギャップ上へ２回目のダイヤモンド膜成長を行うことに
より、図１のような完全にギャップが１ｍｍ幅のダイヤ
モンド膜で覆われた構造を得ることができた。
【００１４】この構造により、ギャップ中での表面絶縁
破壊を防ぎ、表面再結合状態を避けることができ、高速
高耐圧のスイッチングが可能になった。ダイヤモンド膜
の表面絶縁破壊強度は１００ｋＶ／ｃｍであるから、１
μｍのギャップでは印加電圧１０Ｖで表面絶縁破壊がお
こる。しかし１ｍｍ幅のダイヤモンド被膜でギャップを
覆うことにより、安全率を考慮しても印加電圧を２〜３
ｋＶまで上げることができるようになった。また多結晶
ダイヤモンド膜を用いることにより、単結晶ダイヤモン
ドを用いた場合よりも立ち下がり時間を短縮できスイッ
チング時間は数ｐｓとなった。本実施例により、これま
でのＧａＡｓによる光伝導素子よりも多結晶ダイヤモン
ドを用いたより高速高耐圧のスイッチングが実現でき
た。 実施例２ 図２は同軸型のダイヤモンド膜を用いた光伝導スイッチ
の断面図である。
破壊を防ぎ、表面再結合状態を避けることができ、高速
高耐圧のスイッチングが可能になった。ダイヤモンド膜
の表面絶縁破壊強度は１００ｋＶ／ｃｍであるから、１
μｍのギャップでは印加電圧１０Ｖで表面絶縁破壊がお
こる。しかし１ｍｍ幅のダイヤモンド被膜でギャップを
覆うことにより、安全率を考慮しても印加電圧を２〜３
ｋＶまで上げることができるようになった。また多結晶
ダイヤモンド膜を用いることにより、単結晶ダイヤモン
ドを用いた場合よりも立ち下がり時間を短縮できスイッ
チング時間は数ｐｓとなった。本実施例により、これま
でのＧａＡｓによる光伝導素子よりも多結晶ダイヤモン
ドを用いたより高速高耐圧のスイッチングが実現でき
た。 実施例２ 図２は同軸型のダイヤモンド膜を用いた光伝導スイッチ
の断面図である。
【００１５】実施例１と同様にしてダイヤモンド膜を作
製し、１０ｍｍφの円板状ダイヤモンド膜３１を得た。
そのダイヤモンド膜３１をはさんで同軸方向に中空で内
径３ｍｍφの金属線（光導入路）３２と、３ｍｍφの金
属線３３を接合することによりギャップ間がダイヤモン
ドで覆われた同軸型の光伝導素子の構造を得た。
製し、１０ｍｍφの円板状ダイヤモンド膜３１を得た。
そのダイヤモンド膜３１をはさんで同軸方向に中空で内
径３ｍｍφの金属線（光導入路）３２と、３ｍｍφの金
属線３３を接合することによりギャップ間がダイヤモン
ドで覆われた同軸型の光伝導素子の構造を得た。
【００１６】さらに図３に示すように、ダイヤモンド膜
を取り囲むようにバイパス電極４２を設け、このバイパ
ス電極を同軸ケーブルの外側導体４４に接続し電流路を
確保する。これにより表皮厚みを流れる電流路が確保さ
れ、表面絶縁破壊を避けることができるような構造にな
り、安全率を考慮しても印加電圧を１０ｋＶにまで上げ
ることができるようになった。このように印加電圧を上
げることができ、さらに多結晶を用いたことにより単結
晶ダイヤモンドを用いた場合よりも立ち下がり時間を短
縮でき、スイッチング時間は数ｐｓとなった。
を取り囲むようにバイパス電極４２を設け、このバイパ
ス電極を同軸ケーブルの外側導体４４に接続し電流路を
確保する。これにより表皮厚みを流れる電流路が確保さ
れ、表面絶縁破壊を避けることができるような構造にな
り、安全率を考慮しても印加電圧を１０ｋＶにまで上げ
ることができるようになった。このように印加電圧を上
げることができ、さらに多結晶を用いたことにより単結
晶ダイヤモンドを用いた場合よりも立ち下がり時間を短
縮でき、スイッチング時間は数ｐｓとなった。
【００１７】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、一般に光
伝導素子において高抵抗半導体を用いる伝送線路にダイ
ヤモンド膜を用い、さらにギャップ間およびギャップ上
もダイヤモンド膜で覆うことにより、従来よりも高速高
耐圧の光伝導素子を実現できた。構造としてはダイヤモ
ンド膜表面に電極を形成し、膜に水平にバイアス電圧を
印加するストリップライン型と、ダイヤモンド膜の膜厚
方向にバイアス電圧を印加する同軸型の２つのタイプ
で、ピコ秒レベルのスイッチングが可能となった。
伝導素子において高抵抗半導体を用いる伝送線路にダイ
ヤモンド膜を用い、さらにギャップ間およびギャップ上
もダイヤモンド膜で覆うことにより、従来よりも高速高
耐圧の光伝導素子を実現できた。構造としてはダイヤモ
ンド膜表面に電極を形成し、膜に水平にバイアス電圧を
印加するストリップライン型と、ダイヤモンド膜の膜厚
方向にバイアス電圧を印加する同軸型の２つのタイプ
で、ピコ秒レベルのスイッチングが可能となった。
【図１】本発明によるストリップライン型のダイヤモン
ド膜を用いた光伝導スイッチの断面図である。
ド膜を用いた光伝導スイッチの断面図である。
【図２】本発明による同軸型のダイヤモンド膜を用いた
光伝導スイッチの断面図である。
光伝導スイッチの断面図である。
【図３】本発明によるバイアス電極を設けた同軸型のダ
イヤモンド膜を用いた光伝導スイッチの断面図である。
イヤモンド膜を用いた光伝導スイッチの断面図である。
【図４】従来のストリップライン型の半導体光伝導スイ
ッチの構造の一例である。
ッチの構造の一例である。
２１ シリコン基板 ２２ ダイヤモンド膜 ２３ 白金電極 ３２，４３ 光導入路 ３３，４５ 金属線 ４４ 同軸ケーブルの外側導体
Claims (4)
- 【請求項１】基体上のダイヤモンド膜上にギャップを介
して２つの電極を設け、ギャップ内およびギャップ上が
ダイヤモンドにより覆われていることを特徴とする光伝
導素子。 - 【請求項２】ダイヤモンド膜の表面に金属製の円筒形の
光導入路を設け、ダイヤモンド膜の裏面には導入路と同
軸方向に金属線を配置したことを特徴とする同軸型光伝
導素子。 - 【請求項３】前記ダイヤモンド膜の径を内径とする円筒
導体をバイパス電極として設けたことを特徴とする請求
項２記載の光伝導素子。 - 【請求項４】前記ダイヤモンド膜は、高純度の気相合成
ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１，２また
は３記載の光伝導素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5138067A JP2500606B2 (ja) | 1993-06-10 | 1993-06-10 | 光伝導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5138067A JP2500606B2 (ja) | 1993-06-10 | 1993-06-10 | 光伝導素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06350120A true JPH06350120A (ja) | 1994-12-22 |
| JP2500606B2 JP2500606B2 (ja) | 1996-05-29 |
Family
ID=15213204
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5138067A Expired - Fee Related JP2500606B2 (ja) | 1993-06-10 | 1993-06-10 | 光伝導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2500606B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001015794A (ja) * | 1999-06-18 | 2001-01-19 | Agilent Technol Inc | 光導電リレー、組立体および光導電リレーの組立方法 |
| US8426503B2 (en) | 2010-05-31 | 2013-04-23 | Arisawa Mfg. Co., Ltd. | Composition for polyimide resin, and polyimide resin made of the composition for polyimide resin |
| JP2015532556A (ja) * | 2012-10-11 | 2015-11-09 | タレス | マイクロ波周波数信号の電気光学的サンプリング用デバイス |
| JP2016526261A (ja) * | 2013-05-17 | 2016-09-01 | スチュアート，マーティン，エー． | ダイヤモンドまたはダイヤモンド様炭素を利用する誘電体壁加速器 |
-
1993
- 1993-06-10 JP JP5138067A patent/JP2500606B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001015794A (ja) * | 1999-06-18 | 2001-01-19 | Agilent Technol Inc | 光導電リレー、組立体および光導電リレーの組立方法 |
| US8426503B2 (en) | 2010-05-31 | 2013-04-23 | Arisawa Mfg. Co., Ltd. | Composition for polyimide resin, and polyimide resin made of the composition for polyimide resin |
| JP2015532556A (ja) * | 2012-10-11 | 2015-11-09 | タレス | マイクロ波周波数信号の電気光学的サンプリング用デバイス |
| JP2016526261A (ja) * | 2013-05-17 | 2016-09-01 | スチュアート，マーティン，エー． | ダイヤモンドまたはダイヤモンド様炭素を利用する誘電体壁加速器 |
| US10490310B2 (en) | 2013-05-17 | 2019-11-26 | Martin A. Stuart | Dielectric wall accelerator utilizing diamond or diamond like carbon |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2500606B2 (ja) | 1996-05-29 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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