(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、
前記基板上に適用された光活性半絶縁炭化ケイ素（ＳｉＣ）層であって、その中に形成されたホウ素関連Ｄ−センター欠損を有する前記ＳｉＣ層、および
電磁放射線が前記ＳｉＣ層の表面に入ることを可能とする光透過層を含む集積回路（ＩＣ）デバイスであって、前記光活性は半絶縁ＳｉＣ層のバルクがサブバンドギャップ波長照射に反応して伝導に切り替わることを特徴とする、前記ＩＣデバイス。
【請求項２】
前記基板がＮ型伝導性基板、又は、Ｐ型伝導性基板である、請求項１に記載のＩＣデバイス。
【請求項３】
電磁放射線を前記ＳｉＣ層の前記表面に向けるよう構成された電磁放射線デバイスをさらに含む、請求項１又は２に記載のＩＣデバイス。
【請求項４】
前記電磁放射線デバイスに接続されたコントローラーであって、前記電磁放射線デバイスを駆動するために構成された前記コントローラーをさらに含む、請求項３に記載のＩＣデバイス。
【請求項５】
前記電磁放射線デバイスが前記ＳｉＣ層において光伝導性を励起する第１の波長および前記ＳｉＣ層において光伝導性をクエンチングする第２の波長を少なくとも有する電磁放射線を発生する、請求項３又は４に記載のＩＣデバイス。
【請求項６】
前記ＩＣデバイスが、 
(a) 光制御バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、又は
(b) 光制御接合トランジスタ電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、又は、
(c) 光制御金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、又は、
(d)光制御サイリスタ、
として構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＣデバイス。
【請求項７】
基板、
前記基板上のドリフト層、
前記ドリフト層上のチャンネル層、
前記基板上に適用された光活性半絶縁炭化ケイ素（ＳｉＣ）層であって、その中に形成されたホウ素関連Ｄ−センター欠損を有する前記ＳｉＣ層、および
電磁放射線が前記ＳｉＣ層の表面に入ることを可能とする光透過層を含むＩＣデバイスであって、前記光活性は半絶縁ＳｉＣ層のバルクがサブバンドギャップ波長照射に反応して伝導に切り替わることを特徴とする、前記ＩＣデバイス。
【請求項８】
前記基板がＮ型伝導性基板、又は、Ｐ型伝導性基板である、請求項７に記載のＩＣデバイス。
【請求項９】
電磁放射線を前記ＳｉＣ層の前記表面に向けるよう構成された電磁放射線デバイスをさらに含む、請求項７に記載のＩＣデバイス。
【請求項１０】
前記電磁放射線デバイスに接続されたコントローラーであって、前記電磁放射線デバイスを駆動するために構成された前記コントローラーをさらに含む、請求項９に記載のＩＣデバイス。
【請求項１１】
前記電磁放射線デバイスが前記ＳｉＣ層において光伝導性を励起する第１の波長および前記ＳｉＣ層において光伝導性をクエンチングする第２の波長を少なくとも有する電磁放射線を発生する、請求項９に記載のＩＣデバイス。
【請求項１２】
前記ＩＣデバイスが、
(a) 光制御バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、又は
(b) 光制御接合トランジスタ電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、又は、
(c) 光制御金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、又は、
(d)光制御サイリスタ、
として構成される、請求項７に記載のＩＣデバイス。
【請求項１３】
基板上に光活性半絶縁ＳｉＣ層を形成すること、およびＩＣデバイスが形成されるよう、前記光活性半絶縁ＳｉＣ層上にさらなる層を形成することを含む、ＩＣデバイスを形成するための方法であって、前記光活性は半絶縁ＳｉＣ層のバルクがサブバンドギャップ波長照射に反応して伝導に切り替わることを特徴とする、前記ＩＣデバイスを形成するための方法。
【請求項１４】
前記ＳｉＣ層内にホウ素関連Ｄ−センター欠損が形成されるよう、前記光活性半絶縁ＳｉＣ層をホウ素でドーピングすることにより前記光活性半絶縁ＳｉＣ層を形成する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
形成される前記光活性ＩＣデバイスが、
(a) 光制御バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、又は
(b) 光制御接合トランジスタ電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、又は、
(c) 光制御金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、又は、
(d)光制御サイリスタ、
である、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、応用マイクロエレクトロニクス（半導体）デバイスおよびこれを二次加工する方法、および具体的には１つの波長の光の１パルスによってデバイスが閉じ、かつその後第２の波長の光の１パルスによって開くことを可能とする光活性材料の領域を含むマイクロエレクトロニクスデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に示す回路は、１つの電圧あるいは電流（通常は直流）の三相交流電圧あるいは電流への変換（あるいはその逆）を必要とする多様な用途に広範に用いられる［１］。実施例には電気自動車用モータードライブ、工場で使用される産業用モーター、および静電ボルトアンペア無効電力（ＳＶＡＲ）補償子および整流子などの通常電源調節システム、高電圧直流電源トランスミッションのために用いられるインバータが含まれ、この回路の２−スイッチおよび４−スイッチバージョン（それぞれ「半ブリッジ」および「全ブリッジ」）は国防および民生エレクトロニクス産業全般に用いられる電源用途で一般的である。
【０００３】
回路は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）、シリコン制御整流子（ＳＣＲ）型、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）型、あるいは静電誘導型サイリスタ等を含む、多くの形態で構築することのできる６つの半導体スイッチを有する［２］。上述の他の多くの変法も先行技術に認めることができる。
【０００４】
図１に認められる基本的な回路構築ブロックは２スイッチ半ブリッジ位相レッグである（図２参照）。図２はこの先行技術の２つの欠点も示す。第１は、上側のスイッチＳ１が、その共通接続が負荷であるゲートドライバーサーキットリーによって電気的に制御されるために浮動ゲートドライバーを必要とする「ハイサイドゲートドライバー」問題として一般に知られている。これによってより大きな複雑性とコストが最終システムに導入される。第２の問題は、半ブリッジの不適切な制御を引き起こす可能性があり、回路あるいは負荷のいずれかにおいて故障を発生すると思われる誤ったゲートシグナルが導入される可能性である。これらの誤ったゲートシグナルの発生源は、一般に「電磁干渉」あるいはＥＭＩと呼ばれる。ＥＭＩは多くの発生源より生じ、全ての用途に影響することがある。しかし、軍事関連システムにおいては、さらに敵の行動によって意図的に導入されるＥＭＩの脅威も存在する。ＥＭＩは、図２におけるローサイドスイッチＳ２を含む、あらゆる全ての回路のスイッチの制御に影響することがある。
【０００５】
光制御回路は、ハイサイドゲートドライバー問題に対してもＥＭＩ問題に対しても１つの対応策となる。図３は、この問題を部分的に改善する先行技術の他の実施形態を例示する。ゲートドライバーにもう１つの回路を導入することは、図３の中央プロセッサと回路のいずれかのスイッチとの光ファイバー接続を可能にする光受信機と呼ばれる。光ファイバーリンクは、ＥＭＩを完全に免れないとしても、一般的により被害を受けにくい。残念なことに、受信機およびゲートドライバーに独立した電源を供給する問題が残る。また、ゲートドライバーサーキットリーがＥＭＩの被害を受ける可能性がまだある。前述の問題は、電気機器においてしばしば問題になるように、特にコードの長いデバイスが連続的に接続してスタックの総遮断電圧を倍増させる場合は常に問題となる。
【０００６】
典型的な対応は、可能であればゲートドライバー回路を全て同時に取り外すことである。光活性スイッチの使用は１つの解決策である。図４は、スイッチを入れるかあるいは「閉じる」ためのゲートドライバーを必要としないことから、光トリガーサイリスタであることの多い光活性デバイスが使用される、もう１つの先行技術を明らかにする。一般的に、レーザーによって発生する（しかし、他の光エネルギー源を用いてもよい）特異的波長の光線照射が、スイッチに適した手段（通常は光ファイバーケーブル）によって実施される。スイッチの照射された部分には電子−正孔の対が形成され、デバイスが導電にスイッチされる［３］。主な限界は、通常は光によってスイッチをオフに切り替えることができないことであり、大多数のサイリスタは一般に外部回路によって転流として知られるプロセスを通じてオフに切り替えられることできることから、それらに影響する。回路の転流が可能な用途に対して、圧倒的に最も多く用いられ電源で用いられる光活性スイッチである光トリガーサイリスタは、これにより限定されるものの、多くの用途において転流は光活性スイッチにおける先行技術の用途を厳しく限定する選択肢ではない。
【０００７】
光活性ＢＪＴはフォトトランジスタとも呼ばれ、マイクロエレクトロニクス産業において「光学アイソレーター」（あるいは短縮して「オプトアイソレーター」）などのデバイスおよび多様な種類および用途の光検出器に一般的に用いられる。フォトトランジスタが図１のような回路に使用されることはまれであるが、原理的には可能である。先行技術のフォトトランジスタは、トランジスタに用いられる半導体のバンドギャップエネルギーを超える光子エネルギーを有する光源より電子−正孔対が生成する光トリガーサイリスタの変形である。ＢＪＴのベースは光活性媒体となるよう選択することが多い。光活性ＢＪＴの利点は、光がＢＪＴのベース上で輝く間のみトランジスタを経る伝導が続くことである。光を取り除くと、ＢＪＴは電流の伝導を停止し、やがてスイッチが切断あるいは「開く」。問題点は、スイッチオフの前の遅れが、一般にＢＪＴのベースの少数キャリア蓄積の物理学によって決定され、これが良好な光学ゲインを有するＢＪＴにとって遅いことである［４］。フォトトランジスタは短い少数キャリア寿命（ＭＣＬ）の原因となる不純物を導入することによって高速化することができるが、このことは光学ゲインに好ましくない影響を与える。大半の用途において、伝導を開始および維持するのに必要とされる光エネルギーは重要な効果尺度であり、少なければ少ないほどよい。
【０００８】
パルス発電機として知られる大量の一過性電源を制御することを意図した半導体スイッチの開発において、同様の問題が発生する。これらのシステムは一般的に国防および医療用途に認められる。このような用途によって非常に迅速なスイッチングが求められ［５］、これはパルス電源技術業界による半導体デバイス開発を、従来の電源エレクトロニクス業界における用途のために開発されたものといくぶん異なるものとしている。パルス電源業界において、材料に固有の時定数でレーザー光を照射されると閉じ、レーザー光を消すと開くスイッチは「線形モード」で操作されるといわれる［６］。線形モードスイッチは、「光によって持続する」バルク光伝導開閉スイッチとして特徴付けることができる。このようなスイッチは、構造がより単純であり、スイッチと外部回路を接続するためのオーミックコンタクトを形成するためにいずれかの末端上に金属コンタクトを有する、シリコンあるいはヒ化ガリウムなどの半導体ブロックよりわずかに多いものより構成され、かつ典型的にはそのサイズがその完全に異なる用途を反映してより大きいことを除き、この点でフォトトランジスタと同様である［７］。しかし、スイッチングスピードにとって不利なレーザーエネルギーのトレードオフはそのままである［８］。
【０００９】
「光によって持続する」光伝導スイッチの代替品は、米国特許第４，８２５，０６１号においてＳｃｈｏｅｎｂａｃｈらにより教示され［９］、これにより１つの波長の１レーザーパルスが、ナノ秒持続するレーザーパルスが終了しても何マイクロ秒も持続する持続的光伝導性を励起し［１０］、且つより波長の長い第２の「クエンチング」レーザーパルスの適用によってオンデマンドで終了することのできるバルク光伝導デバイスが明らかとされる［１１］。Ｓｃｈｏｅｎｂａｃｈらは、第’０６１号において、銅をドーピングしたヒ化ガリウムにおいて特に強いことが１９６０年までに判明した光クエンチング効果［１２］を利用する。第’０６１号の基本的根拠である、銅ドーピングＧａＡｓおよびＣｄＳなどの光感受性半導体における赤外線光クエンチングの物理学は、１９６５年までに適切に理解された［１３］。第’０６１号におけるＳｃｈｏｅｎｂａｃｈらの教示は、その実施形態が全般的に［７］から［９］に記載され、且つ図５に例示されているバルク光伝導性スイッチにおけるこれらの効果の使用に限定される。たとえば［１４］および［１５］などの信頼できる文献により、教示は図６に示すような回路について意図された光伝導スイッチによって実践的に認識することができ、またたとえばＳｔｏｕｄｔらが米国特許第５，８６４，１６６号において教示するようなパルス電源用途において一般に利用される［１６］ことが明らかとされる。実際に作動するデバイスの全ての証明は、第’０６１号においてＳｃｈｏｅｎｂａｃｈらによって教示され、バルク半絶縁材料を製造するためにシリコン−ドーピングＧａＡｓ（を熱拡散により銅で補償するＧａＡｓ：Ｓｉ：Ｃｕ）同じ核心的プロセスによって二次加工されるバルク光伝導性スイッチに限定されている［１７］。実際、第’０６１号には他の実践的な教示は含まれていない。
【００１０】
パルス電源スイッチの先行技術と比較したＧａＡｓ：Ｓｉ：Ｃｕ光伝導性スイッチの利点は、短い少数キャリア寿命を有する材料において高い光伝導性ゲインを有し、それゆえ迅速な上昇および降下時間および長いおよび／あるいは連続した可変デューティー比を伴う電流パルスを必要とする用途に対してより低いレーザー出力消費をもたらすことである。しかし［１４］で報告されるように、ＧａＡｓ：Ｓｉ：Ｃｕバルク光伝導スイッチにおいては、電流のフィラメント化に至る［１８］基本的な不安定性のため、３ｋＶ／ｃｍオーダーの比較的低い平均電界のみを制御することができ、このため大きな電圧を遮断し且つ大きな電流を伝導するには、電力業界で使用される従来の半導体デバイスに対して非常に大きな活動面積を必要とする。したがって、スイッチを電源エレクトロニクス用途に適用するには法外に大きなレーザーエネルギーを必要とする。さらなる欠点は、とりわけその低い熱伝導性により、ＧａＡｓが一般に電源エレクトロニクスのための選択肢として劣っていることである。Ｓｃｈｏｅｎｂａｃｈらは、炭化シリコンなどの電源エレクトロニクスのためのよりすぐれた半導体の選択肢に実践的に適用できる実施形態を教示しない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Philip Krein, "Chapter 1: Introduction," Power Electronics Handbook, ed. M. H. Rashid. Academic Press, San Diego, CA, 2001, pp. 7-8.
【非特許文献２】Philip Krein, "Chapter 1: Introduction," Power Electronics Handbook, ed. M. FL Rashid. Academic Press, San Diego, CA, 2001, p. 10.
【非特許文献３】Jerry Hudgins, Enrico Santi, Antonio Caiafa, Katherine Lengel, and Patrick R. Palmer, "Chapter 3: Thyristors," Power Electronics Handbook, ed. M. H. Rashid. Academic Press, San Diego, CA, 2001, p. 44.
【非特許文献４】J. Wilson and J. F. B. Hawkes, Optoelectronics: An Introduction. Prentice-Hall international, London, 1983, pp. 323-324.
【非特許文献５】M. Buttram, "Chapter 1: Introduction," High-Power Optically Activated Solid- State Switches, eds. A. Rosen and F. Zutavern. Artech House, Norwood, Massachusetts, 1994, p. 2.
【非特許文献６】M. D. Pocha and W. W. Hofer, "Chapter 3: High-Speed Switching in Photoconductors, " High-Power Optically Activated Solid-State Switches, eds. A. Rosen and F. Zutavern. Artech House, Norwood, Massachusetts, 1994, p. 48.
【非特許文献７】Fred J. Zutavern and Guillermo M. Loubriel, "Chapter 11 : High- Voltage Lateral Switches From Silicon or Gallium Arsenide," High-Power Optically Activated Solid- State Switches, eds. A. Rosen and F. Zutavern. Artech House, Norwood, Massachusetts, 1994, pp. 247-251.
【非特許文献８】K. H. Schoenbach, "Chapter 6: Optically Activated Opening of Copper-Doped Gallium Arsenide Switches,"High-Power Optically Activated Solid-State Switches, eds. A. Rosen and F. Zutavern. Artech House, Norwood, Massachusetts, 1994, p. 95.
【非特許文献９】Karl H. Schoenbach, Rudolf K. F. Germer, Vishnukumar K. Lakdawala, Sacharia Albin, "Optically Controlled Bulk Semiconductor Switch Not Requiring Radiation to Sustain Conduction," U.S. Patent Document 4,825,061, April 1989.
【非特許文献１０】M. S. Mazzola, K. H. Schoenbach, V. K. Lakdawala, R. Germer, G. M. Loubriel, and F. J. Zutavern, "GaAs Photoconductive Closing Switches with High Dark Resistance and Microsecond Conductivity Decay," Appl. Phys. Lett.., vol. 54, pp. 742- 744, 1989.
【非特許文献１１】M. S. Mazzola, K. H. Schoenbach, V. K. Lakdawala, and S. T. Ko, "Nanosecond Optical Quenching of Photoconductivity in a Bulk GaAs Switch," Appl. Phys. Lett.., vol. 55, pp. 2102-2104, 1989.
【非特許文献１２】Joseph Blanc, Richard H. Bube, and Harold E. MacDonald, "Properties of High- Resistivity Gallium Arsenide Compensated with Diffused Copper, J. Appl. Phys., vol. 32, pp. 1666-1679, 1961.
【非特許文献１３】Jose Saura and Richard H. Bube, "Laser-Quenching of Photoconductivity and Recombination Processes in Sensitive Photoconductors," J. Appl. Phys., vol. 36, pp. 3660-3662, 1965.
【非特許文献１４】Michael S. Mazzola, Karl H. Schoenbach, Vishnu K. Lakdawala, and Randy Roush, "Infrared Quenching of Conductivity at High Electric Fields in a Bulk Copper- Compensated, Optically Activated GaAs Switch," IEEE Trans. Electron Dev., vol. 37, pp. 2499-2505, 1990.
【非特許文献１５】David C. Stoudt, Randy A. Roush, Michael S. Mazzola, and Scott F. Griffiths, "Investigation of a Laser-Controlled, Copper-Doped GaAs Closing and Opening Switch," Proc. IEEE Pulsed Power Conf., pp. 41-44, 1991.
【非特許文献１６】David C. Stoudt and Michael A. Richardson, "Bistable Photoconductive Switches Particularly Suited For Frequency-Agile, Radio-Frequency Sources," U.S. Patent Document 5,864,166, January 1999.
【非特許文献１７】Randy A. Roush, David C. Stoudt, and Michael S. Mazzola, "Compensation of Shallow Silicon Donors by Deep Copper Acceptors in Gallium Arsenide," Appl. Phys.Lett.., vol. 62, pp. 2670-2672, 1993.
【非特許文献１８】Michael S. Mazzola, Randy A. Roush, David C. Stoudt; and Scott F. Griffiths,"Analysis of Nonohmic Current- Voltage Characteristics in a Cu-Compensated GaAsPhotoconductor," Appl. Phys. Lett.., vol. 59, pp. 1182-1184, 1991.
【非特許文献１９】Stephen E. Saddow, C. Wesley Tipton, and Michael S. Mazzola, "Hole Capture by D-center Defects in 6H-Silicon Carbide," J. Appl. Phys., vol. 77, pp. 318-322,1995.
【非特許文献２０】W. Suttrop, G. Pensl, and P. Lanig, "Boron-Related Deep Centers in 6H-SiC,"Appl. Phys. A, vol. 51, pp. 231-237,1990.
【非特許文献２１】Hrishikesh Das, "The Creation of Boron Deep Levels by High Temperature Annealing of 4H-SiC," Thesis, Master of Science in Electrical Engineering,  Mississippi State University, pp. 45-46, 2004.
【非特許文献２２】Michael S. Mazzola, Stephen E. Saddow, Philip G. Neudeck, V. K. Lakdawala, and Susan We, "Observation of the D-Center in 6H-SiC p-n Diodes Grown byChemical Vapor Deposition," Appl Phys. Lett., vol. 64, pp. 2370-2372, 1994.
【非特許文献２３】Jeffrey B. Casady and Michael S. Mazzola, U.S. Patent Application Publication  2002/0149021 AL October 2002.
【非特許文献２４】J. R. Jenny, M. Skowronski, W. C. Mitchel, H. M. Hobgood, R. C. Glass, G.Augustine, and R. H. Hopkins, "Optical and Electrical Characterization of Boron  Impurities in Silicon Carbide Grown by Physical Vapor Transport," J. Appl. Phys., vol. 79, pp. 2326-2331, 1996.
【非特許文献２５】Jeffrey B. Casady, Geoffrey E. Carter, Yaroslav Koshka, Michael S. Mazzola,Igor Sankin, "Self-Aligned Transistor and Diode Toplogies in Silicon Carbide  Through The Use of Selective Epitaxy or Selective Implantation," U.S. Patent Document 6,767,783, July 2004.
【非特許文献２６】Lin Cheng and Michael S. Mazzola, "Vertical-Trench Junction Field-Effect  Transistor Having Epitaxially Grown Drift, Buried Gate and Guard Rings, SeIf-Planarized Channel and Source Regions in Silicon Carbide," Merchant & Gould docket number 70034.01 OUSOl.
【非特許文献２７】Lin Cheng, Janna Casady, Michael Mazzola, Igor Sankin, Joseph Merrett,  Volodymyr Bondarenko, Robin Kelley, Jeffery Casady, "Fast Switching (41 MHz)5  2.5 mω-cm2, High Current 4H-SiC VJFETs for High Power and High TemperatureApplications,"presented at Inter. Conf. Silicon Carbide and Related Mat. (ICSCRM),Pittsburgh, Pennsylvania, 2005.
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
１つの実施形態においては、電磁波スペクトルの黄色あるいは緑色部分における光放射によって誘発される持続的な光伝導性、および電磁波スペクトルの近赤外線から赤色部分におけるより長波長の光放射によるこの持続的光伝導性の光クエンチングを示すことのできる光活性材料を製造するために、ホウ素関連Ｄ−センターを用いて炭化シリコンにおける浅いドナーを補償する。ＳｉＣの全ての重要なポリタイプは、３Ｃ、４Ｈ、および６Ｈを含むがこれに限定されないホウ素関連Ｄ−センターで浅いドナーを補償することによって、本質的に同一の特性を有するものとされる。尚、「光活性」とは半絶縁ＳｉＣ層のバルクがサブバンドギャップ波長照射に反応して伝導に切り替わることを意味する。
【００１３】
多様な実施形態において、Ｄ−センター補償ＳｉＣによって形成された光活性材料は、電源エレクトロニクス用途において選択的な手段により使用される多様なマイクロエレクトロニクスデバイスの適切な活動領域に組み込まれる。これらの手段は炭化ケイ素基板材料および／あるいはエピタキシャル材料にホウ素を注入した後、高温処理あるいは連続的エピタキシャル成長を経た一次元、二次元および三次元デバイス構造におけるＤセンターの生成をもたらすホウ素の拡散を含む。
【００１４】
１つの実施形態においては、Ｄ−センター補償ＳｉＣによって形成された光活性材料は光制御可能なバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）のベースに組み込まれる。
【００１５】
他の実施形態においては、Ｄ−センター補償ＳｉＣによって形成された光活性材料は光制御可能な垂直および水平チャンネル接合電界効果トランジスタ（ＪＥＥＴ）のチャンネルに組み込まれる。
【００１６】
他の実施形態においては、Ｄ−センター補償ＳｉＣによって形成された光活性材料は光制御可能な金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のチャンネルに組み込まれる。
【００１７】
他の実施形態においては、Ｄ−センター補償ＳｉＣによって形成された光活性材料は光制御可能なサイリスタのｐベースに組み込まれる。
【００１８】
他の実施形態においては、Ｄ−センター補償ＳｉＣによって形成された光活性材料は光制御可能な静電誘導サイリスタ（電界制御サイリスタしても知られる）のｐベースにおいて形成されるチャンネルに組み込まれる。
【発明の効果】
【００１９】
上で論じたマイクロエレクトロニクスデバイスは、これらの教示を検討するとき他の当業者にとって明らかである構造と同様に、閉鎖光パルスの標準配列がデバイスの活性領域を照射して持続的な光伝導性を補充するのであれば、単回閉鎖光パルスの数ミリ秒からより長時間に至る閉鎖期および開放期のデューティー比のほぼ無限の組合せによってスイッチの閉鎖および開放転換の純粋な光制御を可能とするという利点を有する電源エレクトロニクスシステムに組み込むことができる。  
【００２０】
さらなる利点および特性は次の「発明を実施するための形態」の項で一部説明し、また一部は以下の項を検討することによりあるいは発明の実践を習得することによって当業者により明確となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】三相モータードライブにおける先行技術の一般的な例示である。
【図２】電動制御ゲートドライバーおよび電動制御スイッチを採用する従来型半ブリッジ回路における先行技術の例示である。
【図３】光制御ゲートドライバーおよび電動制御スイッチを採用する従来型半ブリッジ回路における先行技術の例示である。
【図４】光刺激あるいは維持スイッチを採用する光制御半ブリッジ回路における先行技術の例示である。
【図５】ＧａＡｓ：Ｃｕ：Ｓｉ光伝導スイッチにおける先行技術の例示である（参照文献［１５］の後）。
【図６】パルス電源回路におけるＧａＡｓ：Ｃｕ：Ｓｉ光伝導スイッチにおける先行技術の使用の応用および結果の例示である（参照文献［１５］の後）。
【図７】半ブリッジ回路における本発明の１つあるいはそれ以上の実施形態の応用の例示である。
【図８】浅い窒素ドナーでドーピングされ且つホウ素アクセプターおよびホウ素関連Ｄ−センター（６Ｈ−ＳｉＣ：Ｂ：Ｎ）で補償される炭化ケイ素半導体の６Ｈポリタイプより構成され、且つ本発明の１つあるいはそれ以上の実施形態に含まれる光活性材料のバンドギャップの例示である。
【図９】異なる２つの波長の電磁放射線のパルスが本発明の１つあるいはそれ以上の実施形態の光活性領域を連続的に照射するとき、Ｄ−センターで補償されたＳｉＣ：Ｂ：Ｎより製造された光活性材料において可能な光伝導性のサイクルの例示である。
【図１０】本発明の実施形態にしたがって末端より照射されるＳｉＣ：Ｂ：Ｎの光活性領域を含む垂直平面バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）の断面図である。
【図１１】異なる２つの波長のレーザーパルスが図１０において例示されるバイポーラ接合トランジスタの光活性領域を連続的に照射するとき、Ｄ−センターで補償されたＳｉＣ：Ｂ：Ｎより製造される光活性材料において可能な電荷制御のサイクルの例示である。
【図１２】本発明の実施形態に従いトレンチ内で二次加工される損失性の導波管を経て末端より照射されるＳｉＣ：Ｂ：Ｎの光活性領域を含む垂直トレンチバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）の断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に従い、トレンチ内で二次加工される損失性の導波管内に上端より照射されるＳｉＣ：Ｂ：Ｎの光活性領域を含む垂直トレンチバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）の断面図である。
【図１４】本発明の実施形態にしたがって上端より直接照射されるＳｉＣ：Ｂ：Ｎの光活性領域を含む垂直チャンネル接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）の断面図である。
【図１５】本発明の実施形態にしたがって上端より直接照明されるＳｉＣ：Ｂ：Ｎの光活性領域を含む水平チャンネル金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の断面図である。
【図１６】図１４に示す光活性デバイスを用いて従来型伝導ゲーティング電源デバイスのゲートを駆動する、本発明の１つの実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、純粋な光ゲーティングによる制御を必要とするかあるいはこれにより利益を得る回路において大きな利点を有する、全種類の電源デバイスおよび集積回路を作成するために用いられる炭化ケイ素光活性材料を提供する。そのような用途の１例は図７に示される回路１である。回路は、一方が「ハイサイド」ポジションにありもう一方が「ローサイド」ポジションにある２つのトランジスタスイッチ２を含む半ブリッジ電源回路である。コントローラー３は、一方の波長５が第２の波長６より短くなるような、第１の波長および第２の波長の電磁放射線のビームを発生することのできる電磁放射線源４を駆動する。ハイサイドおよびローサイドスイッチのいずれも、コントローラーが決定する任意の順番でいずれかのビームによって照射することができる。このような半ブリッジ回路は、集積回路において多様な電源供給において、あるいは出力段階としてそれ自体で用途を有するであろう。あるいは、それらの２つを接続して全ブリッジ回路を形成することも可能である（示さず）。あるいは、図１に例示するようにそれらの３つを接続して三相回路を形成することも可能である。あるいは、これらの回路の他の相互接続は、以下の項を検討、あるいは本発明の実践を習得すれば当業者に明らかとなるであろう。
【００２３】
一部の実施形態における光活性材料は、いずれかの既知のポリタイプに由来する炭化ケイ素半導体を元にし、そのうち最も一般的なものは４Ｈ−ＳｉＣおよび６Ｈ−ＳｉＣである。しかし、３Ｃ−ＳｉＣ、１５Ｒ−ＳｉＣさらには他のものも同等に良好に作動する。炭化ケイ素はバンドギャップの広い半導体の１クラスである。たとえば、４Ｈ−ＳｉＣはＴ＝３００Ｋで約３．２ｅＶのバンドギャップを有するのに対し、６Ｈ−ＳｉＣはＴ＝３００Ｋで約２．９ｅＶのバンドギャップを有する。ＳｉＣも間接バンドギャップ半導体である。広いバンドギャップにより、シリコンあるいはヒ化ガリウムなどの狭いバンドギャップの半導体と比較して、特徴的に低特異性であるオン抵抗において高電圧および高温操作が可能となる。また、いかなるポリタイプのＳｉＣも有利に大きな熱伝導性を有する（少なくともＧａＡｓの６倍）。したがって、ＳｉＣデバイスの使用は、重要な電源エレクトロニクス業界などの電源半導体デバイスを必要とする用途において増大しつつある。 
【００２４】
具体的には、光活性材料は、窒素あるいはリンなどの浅いドナーによってドーピングされ、ホウ素アクセプターおよびホウ素関連Ｄ−センターで補償されたＳｉＣである。６Ｈ−ＳｉＣにおけるこの材料の実施例のバンドギャップ１０の図を図８に示す。６Ｈ−ＳｉＣは価電子帯１２よりエネルギーが２．９ｅV離れた伝導帯１１を有する。６Ｈ−ＳｉＣ材料は成長時に窒素によってドーピングされ、伝導体を平均０．１ｅV下回る浅いドナーレベル１３を形成する。成長中、あるいはより可能性が高い成長後のいずれかの期間に、ホウ素が６Ｈ−１−ＳｉＣに導入される。ホウ素はＳｉＣの中に２つの異なる種類の不純物センターを形成する。第１は、ホウ素不純物原子がケイ素空隙部位を置換する際に形成される、価電子帯を０．３ｅV上回るホウ素アクセプター１４である。第２は、ホウ素原子が、いわゆる炭素空隙Ｖｃなどの天然点欠陥のより大きな複合体の一部であるシリコン空隙部位を置換する際に形成される、Ｄ−センターである。Ｄ−センターはホウ素アクセプターよりもバンドギャップにおいて明らかに深く、あらゆる個別のＳｉＣポリタイプは高濃度のホウ素アクセプターおよびＤ−センターを含むことができる。Ｄ−センターは光波分光学的手段によっても熱分光学的手段によっても十分に研究されている。その結果は、価電子帯を０．７３ｅＶ上回る光活性化エネルギーおよび価電子帯より０．５８から０．６３ｅＶの範囲で上回る範囲の熱活性化エネルギーとして報告されている［１９］。図８は、Ｄ−センターの基底状態１５が価電子帯より０．７３ｅＶ上に位置する一方で、Ｄ−センターの第２の励起状態１６が価電子帯の約０．５８ｅＶ上に位置する、参照文献［１９］に認められた２つのレベルのモデルを用いることによるこの矛盾の一つの解決策を例示する。Ｄ−センターにおける電子および正孔補足と関係する、光活性化エネルギーと熱活性化エネルギーの間に観察された差は、このモデルによって予測される。ホウ素およびＤ−センターアクセプター状態の和より浅いドナー状態の方が数で勝る場合（熱平衡時に材料がｎ型材料となる）、あるいはその逆が当てはまる場合（熱平衡時に材料がｐ型となる）のいずれかの場合、材料は光活性となることができる。
【００２５】
図９は光活性ＳｉＣ：Ｂ：Ｎ材料によって励起することのできる光伝導性のサイクルを例示する。図９（ａ）はほとんど伝導性が認められないその高抵抗状態における平衡ｐ型材料を示す。ほとんど全ての窒素ドナー状態は正電荷を帯びるので、捕捉正孔２０を含む。ほとんど全てのホウ素アクセプター状態およびＤ−センター状態は負電荷を帯びるので、捕捉電子２１を含む。残りの中性Ｄ−センター状態は捕捉正孔２０を含む。
【００２６】
図９（ｂ）は波長５８０ｎｍ未満の電磁エネルギーを照射された時の材料を示す。このエネルギー（＞２．１４ｅＶ）の光子は、Ｄ−センター基底状態１５から電子が光イオン化するプロセス３０を励起して、自由電子２２および中性Ｄ−センターに捕捉された正孔を残す。波長が５００ｎｍを上回る限り、ホウ素アクセプターの電子の光イオン化は見られない。このエネルギーの光子は、自由正孔２３および負に荷電したＤ−センターに捕捉された電子を残し、捕捉正孔がＤ−センター基底状態から光イオン化するプロセス３１も励起する。Ｂ−アクセプターもＤ−センターも０．１〜１×１０−１４ｃｍ２と比較的大きな正孔捕捉断面を有するので［２０］、もう１つの光子吸収プロセス３１によって励起して価電子帯に戻ることのできるこれらのセンターの両方に自由正孔が捕捉される可能性が高い（プロセス３２）。Ｄ−センターは、低温でのＤ−センターフォトルミネセンス増大時間が１分間であることによって明らかであるように、さらにより小さな電子捕捉断面を有する［１９］。したがって、光イオン化電子が再捕捉される可能性は低い。その結果は，図９（Ｃ）に例示するような持続的光伝導性（ＰＰＣ）である。電磁放射線源を取り除くと、光活性材料中に残った正孔はＤ−センターおよびＢ−アクセプターによってプロセス３２で捕捉される。非平衡自由電子は、６Ｈにおいて約２．１３ｅＶ［２０］（あるいは４Ｈにおける２．３４ｅＶ［２１］）に集中した光子の広帯域の特徴的放出を通じてＤ−センターによって捕捉されるか（プロセスは示さず）、あるいはＤ−センターから熱放出される正孔と再結合する（プロセス３３の後プロセス３４）まで伝導帯に残る。プロセス３３と３４の組合せが発生することが知られ、熱クエンチングと呼ばれる［１９］。しかし、プロセスの時定数は、Ｄ−センターからの正孔の比較的遅い熱放出によって支配され、これは３００Ｋで約１０ｍ秒の時間スケールで発生することが数多くの報告で認められている（例：［２０および［２２］］。この持続時間の持続的光伝導はＧａＡｓ：Ｃｕ：Ｓｉで認められるものよりも１０００倍大きいので［１０］、先行技術に対して大きな改善を示す。
【００２７】
持続的光伝導は、１．７７μｍ未満であるが０．５８μｍを上回る波長の電磁放射線を光活性材料に照射するとき、図９（ｄ）に示すように光学的にクエンチングすることができる。このエネルギー範囲（０．７＜ｈｖ＜２．１３ｅＶ）の光子はプロセス３５を励起するがプロセス３０は励起しない。これは、プロセス３３により非常に低速で熱放出される正孔が、今度はプロセス３５のより高い速度によって決定される速度で放出されることを意味する。再結合プロセス３４がプロセス３２による正孔捕捉のそれに匹敵する速度であると仮定すると、次にＰＰＣのクエンチングが発生するであろう。再結合プロセスの速度が正孔捕捉の速度を大きく下回るのであれば、光クエンチングは認められないであろう。したがって、本発明は正孔捕捉プロセス３２のそれに匹敵するかこれよりも高速な電子−正孔再結合速度を有する光活性材料を含む。その場合、材料は図９（ａ）に示す初期状態とほぼ同様である図９（ｅ）に示す状態に戻るであろう。
【００２８】
図１０は、光活性化領域を有するバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を含む本発明の１つの実施形態の断面図である。デバイスはｎ型伝導基板４０上で二次加工される。基板がエピタキシャル成長して十分な厚さのｎ型コレクター４１となり且つ必要とされる電圧を遮断するためにドーピングする一方で、デバイスはオフ状態にある。この上に、コレクターが二次加工されてＢＪＴのベースとして作動する半導体の光活性領域４２となる。このような光活性材料を二次加工するための方法は、米国特許明細書第２００２／０１４９０２１  Ａｌ号［２３］に開示される、Ｄ−センターを形成する方法でホウ素を導入することにより、一定濃度の浅いドナーを含むエピタキシャル層を補償することによって二次加工されることができる。層４２はホウ素アクセプターおよびＤ−センターで十分に補償されて高抵抗となり、伝導性においてはｐ型となる。エピタキシャル法あるいはイオン注入のいずれかにより、層４２の上にｎ型エミッタ層４３を追加する。この実施形態は、適切な金属層の配列および熱処理で形成されてエミッタコンタクトとして金属スタック４４を残す、側壁不動態化誘電材料４６を適用したエミッタ層とのオーミックコンタクトを有する、図１０に示すディープメサエッジ終端技術と特に互換性がある。同様のプロセスは基板４０の底面に適用され、コレクターコンタクトとして金属スタック４５を残す。一方あるいはもう一方の波長の光がデバイスの末端に導入される。光がデバイスの１つあるいはそれ以上の側から伝播するにつれ、デバイスのスイッチ状態を変えるようこの材料の伝導性を変えることのできる光活性領域４２において、プロセス３０あるいは３５が発生する。プロセス３０を引き起こす波長の電磁放射線の場合、デバイスの状態は非伝導（「遮断」）から伝導（「オン」）に変化する。プロセス３５のみを引き起こす波長の電磁放射線の場合、デバイス状態は伝導（「オン」）から非伝導（「遮断」）に変化する。
【００２９】
相当大きなサイズの電源デバイスにおいて光活性材料の全体積を活性化する能力は、本発明の重要な利点である。図９における光伝導性サイクルの物理学的記述において開示された電磁放射線の波長は、放射線の光子エネルギーが半導体のバンドギャップ未満であることから、サブバンドギャップ波長として知られる。したがって、放射線は上述のバンドギャップ波長の場合よりもさらに弱く吸収される。電磁波の材料への特徴的透過の式を以下の式（１）に示す。
【００３０】
Ｉ（ｘ）＝Ｉ０ｅｘｐ（−αx）    式（１）
【００３１】
ただし、Ｉ（ｘ）はＷ／ｃｍ２単位で表す光活性材料４２の内側のx点における放射線強度、Ｉ０は放射線がデバイス内に導入されるＢＪＴの表面における放射線の初期強度（x＝０）、またαは−１単位で表す特定波長における放射線の吸収係数である。サブバンドギャップ放射線については、吸収係数はＤ−センターのように深いレベルの光イオン化によって決定される。吸収係数の近似を式（２）に示す。
【００３２】
α＝σＮＤ    式（２）
【００３３】
ただしσはｃｍ２単位で表す光イオン化の断面であり、またＮＤはｃｍ−３単位で表すＤ−センターの数密度である。Ｄ−センターである、閾値光子エネルギー０．７ｅＶ［２４］を有するホウ素関連吸収帯についてはα＝４．１７×１０−１７ｃｍ２と報告されている。サブバンドギャップ電磁放射線の特徴的吸収深度は以下の通りである。
【００３４】
ｄ＝1/α    式（３）
【００３５】
電磁放射線がデバイスの長さに沿って伝播する図１０の実施形態は、光子が光活性材料全体で効率よく且つ一様に吸収されるよう、ｄがデバイスの側面サイズと匹敵することを必要とする。そのような長い距離は、ＳｉＣがサブバンドギャップ波長に対してほとんど透明であることを意味する。典型的には、ＮＤ＜１０１７ｃｍ−３を意味するｄ＞１ｍｍであることが好ましい。
【００３６】
本開示の教示するところを理解するには、図９に示す光伝導サイクルおよびＳｃｈｏｅｎｂａｃｈが’０６１で提示した教示を単純に考察する以上のことを必要とする。光活性材料の図１０に示すタイプの実用的半導体デバイスへの組み込みは、先行技術では教示されず、且つ明白でない改善である。
【００３７】
図１１（ａ）は図１０に示す実施形態のＢＪＴの半分を例示する。ＢＪＴは、コレクターコンタクトに印加された電圧ＶＣおよびエミッタコンタクトに印加された電圧ＶＥと共に示され、ＶＣ＞ＶＥである。光活性材料は図９（ａ）に例示される準平衡状態にあるので自由正孔が部分的に空乏し、負の空間電荷の領域６０が残るであろう。同様に、２つの材料間に形成された金属接合において光活性材料とコンタクトするｎ型材料は、自由電子が部分的に空乏しており、正の空間電荷の領域６１が残る。この状態にあるＢＪＴでは、デバイスの誘電降伏強度までの差動電圧ＶＣＥ＝ＶＣ−ＶＥを印加したとき流れることができるのは少量の漏れ電流に過ぎない。
【００３８】
図１１（ｂ）は光イオン化プロセス３０および３１を励起するのに十分短い波長の電磁放射線による照射が引き起すデバイスにおける変化を例示する。正味の結果は、光活性材料における相当高い密度の自由電子および自由正孔の形成である。これらの自由キャリアは、ドリフトおよび拡散によって電界中で分かれ、電流６２を発生させる。コレクターおよびエミッタコンタクトにそれぞれドリフトする電子および正孔は、光活性材料における新たな光イオン化事象によって置換される。これにより、デバイスが図１１（ａ）に示す遮断状態にあった間に存在していたものよりも大きな電流がコレクターからエミッタまで発生する。光吸収のプロセスは現代物理学で知られているうち最も速度の速いものに含まれるので、ＢＪＴの遮断状態から伝導状態への切替えは電磁放射線パルスのタイムスケールに渡って発生することができ、これは容易にｎ秒の持続時間に過ぎなくなることができる。
【００３９】
最終的に、電磁放射線のパルスは弱まり、残った自由正孔はホウ素アクセプターおよびＤ−センターに捕捉される（図９（ｂ）のプロセス３２）。その結果、光活性材料は平衡ｐ型材料から図１１（Ｃ）に例示する非平衡ｎ型材料に光学的に変換される。今や光学活性材料は、正孔が動かないために（実際には正孔トラップに捕捉されているためである）、エミッタに注入されず、エミッタ６３より注入された電子と再結合することもできないＢＪＴのｐベースのように作動する。注入された電子の損失は、図９（Ｃ）における正孔放出プロセス３３の速度によって決定される。Ｄ−センターについてのこの速度は非常に低いため、デバイスはＴ＝３００Ｋで数十ｍ秒の間図１１（Ｃ）の非平衡状態に留まり、この状態にある間は現在ＳｉＣにおいて従来型の同等物のない非常に高ゲインのＢＪＴとして作動する。１０m秒よりも長い電流を伝導するために、プロセス３０および３１を誘発するのに十分短い波長の第２の電磁放射線パルスを、所望の伝導時間を満足するのに必要な頻度で印加することができる。
【００４０】
図１１（Ｃ）に示す非平衡伝導状態の持続は、図１１（ｄ）に示すように、光活性材料において、プロセス３５を誘発するのに十分な波長の電磁放射線でデバイスを照射することにより、いかなる時でもコマンドによって停止することができる。このプロセスにより正孔のみが発生し、その大半は価電子帯にある間に３つのプロセスのうちのいずれかに加わる。プロセスの１つは、図９（ｂ）のプロセス３２において再捕捉されることである。第２は、光イオン化正孔がエミッタ層にドリフトおよび／あるいは拡散し、一定量の負の空間電荷が後に残るプロセス６４である。第３は、光イオン化正孔が自由電子と自然にあるいはＳｉＣのバンドギャップにおける再結合センターの助けにより再結合するプロセス６５である。後者はＳｉＣのような間接的半導体においては速度がより速いことが多いので、支配的となると予測できる。このようにして、電子の形態での少数キャリア電荷は、負の空間電荷領域６０を残して光活性材料より迅速に空乏する。同様に、光活性材料より置換されないｎ型材料における自由電子のコレクターコンタクトへのドリフトおよび／あるいは拡散（プロセス６６）は、一定量の正電荷を後に残し、このようにして接合に隣接するｎ型材料は同時にかつ迅速に自由電子が空乏して後に正の空間電荷領域６１を残す。したがって、デバイスは図１１（ｅ）に示す遮断状態に戻る。
【００４１】
図１０に示す実施形態には、半導体デバイスの製造の簡便さおよびデバイスの物理領域に対する活動領域の高い比率を含めて、多くの利点がある。１つの欠点は、デバイスの末端から光活性領域の体積を経た効率がよく且つ均一な光の伝播の問題である。
【００４２】
図１２に示す実施形態は、この点における改善を提案する。このデバイスもＢＪＴであるが、平面断面の代わりにトレンチ断面を有する。デバイスは伝導性ｎ型基板４０の上にｎ型ドリフト層４１をエピタキシャル成長させることにより形成される。ｎ型チャンネル層４７をドリフト層４１の上で成長させた後、チャンネル層の上あるいは中にエミッタ層４３をそれぞれ成長あるいは注入する。その深さがエミッタ層４３の厚さを超えるようトレンチを形成する。適切なマスキング材料によってホウ素がエミッタ層に注入されないようにし、自己配列プロセスとなるようにしながら、トレンチにホウ素を注入する。このような実施形態は米国特許第６，７６７，７８３号の明細書および請求項に認められる教示も援用する［２５］。ホウ素注入領域４８はトレンチ構造内に選択的に置かれた固形ホウ素源となる。もう１つの十分な温度の熱プロセス操作により、チャンネル層へのホウ素の拡散が発生し、且つホウ素アクセプターおよびＤ−センターが導入されることにより、ｐ型光活性材料４２の領域が選択的に生成されるであろう。トレンチは２つの目的を果たす誘電材料４９の組合せにより満たされる。誘電材料は、始めにエミッタ層とｐ型光学活性材料の間に形成されたエミッタベース接合の表面不動態化および電気的絶縁をもたらす。誘電スタックも、赤外線帯および可視光線帯を含む光の周波数において電磁放射線の損失性の導波管を形成する。デバイスを完成するには、例示された誘電不動態化構造４６を有するディープメサなどのエッジ終端構造を形成する。オーミック金属コンタクトを追加してエミッタコンタクト４４およびコレクターコンタクト４５を形成する。
【００４３】
図１２に示すように、電磁放射線のビーム３６をトレンチの一端あるいは両端からデバイスに発射すると、放射線の一部はトレンチのいずれかの側の光活性材料内に散乱し、放射線の波長に応じてプロセス３０および３１あるいはプロセス３５を引き起こす。ＢＪＴは、図１１に示すものと本質的に同一の順序で、非伝導状態から伝導状態に切り替えられ、非伝導状態に戻る。チャンネルフィンガーの幅は、チャンネルドーピングおよび電磁放射線の吸収波長に応じて、当業者によって１μｍから数μｍの範囲内となるよう最適に選択される。
【００４４】
図１０および図１２に示す実施形態のいずれも、まだデバイスの末端より電磁放射線を導入する必要があり、これによってデバイスと電磁放射線源とのインターフェースの複雑さが増大する。図１３は、電磁放射線をデバイスの上端より導波管４９内へ発射できるようエミッタコンタクト４４の開口部がファンを有する点を除き、図１２に示す実施形態と相当類似したＢＪＴである本発明の他の実施形態である。放射線は、図１２に示す実施形態のように、やはり光活性材料４２内で散乱する。上端からの電磁放射線によって励起するこのおよび全ての実施形態は、その多くの形態において突出および埋没したガードリングおよび接合終端拡張（ＪＴＥ）を含む（しかしこれに限定されない）、図１３に示すディープメサ技術だけでなく、異なる多くのエッジ終端技術と高い互換性を示す。
【００４５】
他の実施形態では、図１４に示すように、ＢＪＴデバイス構造を変更して接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）構造を付け加える。デバイスは、先のデバイスにおけると同様、伝導性基板４０およびｎ型ドリフト層４１より形成される。アルミニウムなどホウ素以外のドーパントを用いて強いｐ型の材料５０の層を追加する。層はエピタキシャル法あるいは注入のいずれかにより形成することができる。打ち込みホウ素４８をｐ型層５０の表面に追加する。ｐ型層内にトレンチを形成し、エピタキシャル法を用いてチャンネルを再成長させてトレンチを充填し、さらに相当な平坦面を残す方法を用いてｐ型層および打ち込みホウ素を被覆する。チャンネルの上端には高度にドーピングしたｎ型層４３も成長させる。このような実施形態は［２６］の明細書および請求項に認められる教示も援用する。この再成長の際、ホウ素は成長するチャンネル内に拡散してホウ素アクセプターおよびＤ−センターを形成し、チャンネルをｐ型光学活性材料４２内に変換する。ソース層４３の上端および基板４０の底部にオーミック金属を追加して、ソースコンタクト４４およびドレインコンタクト４５をそれぞれ形成する。ソースコンタクトはフォトリソグラフィ法によってパターン形成して窓を開け、電磁放射線がソース層４３を通過し、放射線の波長に応じて光活性材料４２内でプロセス３０および３１あるいはプロセス３５を促進できるようにする。これにより、図１１に示すのと同様にデバイスは非伝導状態から伝導状態に切替えられ、非伝導状態に戻る。ソースコンタクト４４はｐ型層５０と電気コンタクトを形成して、ソースとこのｐ型層の間の電位が確実に０になるようにする。
【００４６】
一部の用途においては、ドリフト領域と光活性材料の境界にある半導体デバイスの空乏した部分が電磁放射線によって強く照射されないことが望ましいこともある。図１５においては、ＪＦＥＴチャンネル領域が高度にｎ型の材料５１によって短絡している他の実施形態がさらに例示されている。したがって、デバイス内の電流の伝導はデバイス表面の光活性材料４２の伝導状態によってのみ制御される。この実施形態においては、ソースコンタクト４４およびソース層４３のいずれにも窓を開く。ソース材料４３とチャンネル層５１の間のチャンネルの表面は誘電不動態化材料４６とコンタクトしている。この実施形態は非ゲート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）と類似している。ソースコンタクトおよびソース材料に開いた窓により、上端からの電磁放射線によって光活性材料が刺激されるため、デバイスが図１４に示す実施形態と同様に作動することを可能とする。
【００４７】
本発明が実用的用途を有するか判定するための重要な考察は、デバイスに伝導状態の変更を引き起こすのに必要な電磁放射線の各パルスのエネルギー量である。力学的手法をとって、必要な電流１アンペアあたりの光エネルギーである効果尺度を概算する。
【００４８】
面積あたりのエネルギーを式（４）に示す。
【００４９】
Ｅ／Ａ＝ηｑｈｖＮＤ      式（４）
【００５０】
ただし、Ｅ／ＡはＪ／ｃｍ２単位で表す電磁放射線の各パルスにおける単位面積あたりのエネルギー、ηは光励起の様々な効率低下を取り扱うのに必要な無次元積算係数、ｑは電気素量１．６０×１０−１９Ｃ、ｈｖはｅＶ単位で表す光子１個あたりのエネルギーで４Ｈ−ＳｉＣでは２．４ｅＶと概算され、またＮＤはｃｍ−３単位で表される励起されて持続的光伝導性となることのできる有効最大電子数密度であり、光活性材料において浅いドナーの密度により概算される。
【００５１】
効果尺度は、持続的光伝導性にある時間に伝導する電流密度でデバイス毎に式（４）を正規化して算出する。典型的な電源デバイスの定格電流は順電圧２Ｖで規定される。デバイスの個別のオン抵抗がほぼ４Ｈ−ＳｉＣ電源ＪＦＥＴの技術水準にある場合、ρ（ｏｎ）＝２．５ｍΩ−ｃｍ２である［２７］。この技術についての予測定格電流密度は以下の通りである。
【００５２】
Ｊ＝Ｖ（ｏｎ）/ρ（ｏｎ）＝２Ｖ/２．５ｍΩ−ｃｍ２＝８００Ａ/ｃｍ２      式（５）
【００５３】
式（４）を式（５）で正規化することにより、効果尺度は以下の通りとなる。
【００５４】
（Ｅ／Ａ）／Ｊ＝ηｑｈｖＮＤ  ρ（ｏｎ）/Ｖ（ｏｎ）        式（６）
【００５５】
ρ（ｏｎ）＝２．５ｍΩ−ｃｍ２を有する６００Ｖデバイスについての正確な値に関してＮＤ＝１×１０１６ｃｍ−３で一時的にηを無視すると、（Ｅ／Ａ）／Ｊ＝２ｎＪ／Ａとなる。スイッチオンにのみ最適化した材料では積算計数ηは２を下回ることができず、また効率が良好なスイッチオフ性能と同様にバランスを取る場合、積算計数は１０と大きくなる。伝導を維持するために印加しなければならない電磁波パルスの周波数は、室温では１００ｓ−１と非常に低い熱正孔放出率に依存する［２０］。しかし接合温度が上昇すると、正孔放出率も上昇する。Ｔ＝２００℃では、正孔放出率は約１０，０００倍上昇し、固有正孔放出時間は約１μ秒である。典型的な電源エレクトロニクス用途の反復頻度は１ＭＨｚ未満であるので、実際の用途においては、操作温度における電磁放射線パルス間の時間間隔は正孔放出率に支配されると仮定できる。パルス反復頻度（ＰＲＦ）１ＭＨｚに効果尺度（効率係数１０を含む）を乗じたものは、必要とされる電磁放射線源の平均出力が約２ｎＪ／Ａ×１０×１０６Ｈｚ＝２０ｍＷ／Ａであることを意味する。したがって、たとえば１００Ａ  ４Ｈ−ＳｉＣ  ＢＪＴデバイスは、２００℃で伝導を維持するために２Ｗの光出力を必要とする。これは非常に実践的であるが、小さくはない。
【００５６】
図７に示すものと同じ機能を有するある用途に挿入を達成するための他の手法は、本発明の実施形態を有するデバイスの小スケール版と従来構造のフルスケール電源デバイスを対とすることである。このようなフルスケールの従来型デバイスは炭化ケイ素より製造することもあれば、シリコンから製造することもあれば、さらには多くの半導体に含まれる他の材料より製造することもあるかもしれない。そのような従来型デバイスが通常はオフ状態にあるデバイス（いわゆる「エンハンスメントモード」デバイス）であるならば、図１６に明らかにされるコンポーネントが共に組み込まれる場合、デバイスは図１０、１２、１３、１４および１５に明らかにされるような本発明のモノリシックな実施形態と本質的に識別不可能となるので、図１６に示す回路は本発明の他の実施形態を示す。
【００５７】
図１６においては、従来型構造の電源デバイス２はＢＪＴ、エンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴ、通常はオフ状態のＪＦＥＴあるいはゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタ、あるいは他の同様な電源デバイスとすることができる。電磁放射線のパルス５が図１４に示すのと同様の構造の光制御ＪＦＥＴ７を照射するとき、電源デバイス２の正のゲートバイアスを、電荷を蓄積するエレメント、およびダイオードのように電流が一方向にのみ流れることができるようにするエレメントより構成されるエネルギー蓄積ネットワーク８から切り替える。ダイオードは、電源デバイス２によって切り替えられた電圧源によって蓄電デバイスを荷電させることはできるが、電源デバイスによって放電させることはできない。ゲートと電源デバイスの共通終端の間に接続されたネットワーク９は２つの機能を果たす。第１は、共通終端について安全な数値までゲートに印加することのできる電圧を制限する。この機能においては、ネットワーク８における電荷蓄積エレメントにまたがる電圧が電源デバイス２の定格遮断電圧と同じ大きさであっても、ネットワーク９に向かう電流を自己制限することのできる光制御ＪＦＥＴ７によって支援される。第２は、電源デバイスに蓄積された電荷をゲートから電源デバイスの共通終端まで放電する経路を維持することである。ネットワーク９の１つの実施例は、抵抗子と並列に接続されたツェナーダイオードとして知られる電圧制限ダイオードによって形成されるものである。これに替えて、短絡したゲートおよびソース終端を有するＪＦＥＴなどの電流源として作動するデバイスで抵抗子を置換することができる。各波長のパルス６が光制御ＪＦＥＴ７を照射すると、ＪＦＥＴはオフとなり、電源デバイス２のゲートはネットワーク９によって放電され電源デバイスがオフとなる。図１６に示すように、コントローラー３は図７に示すのと同じ方法で光トランスミッタ４により従来の電源デバイスを制御することができるものの、必要とされる光エネルギーの有利な低下を伴う。
【００５８】
図１６に示す実施形態からのゲインは、フルスケール電源デバイスのサイズに対する光制御デバイスのサイズの減少を考慮することにより概算することができる。電源スイッチデバイスの電力取扱い能力を説明する効果尺度は、デバイスのオン抵抗Ｒ（ｏｎ）とデバイスを切り替えて伝導率をＲ（ｏｎ）に低下させるのに必要なゲート電荷ＱＧの積である。最良のＳｉＣ電源ＪＦＥＴデバイスは、２００℃で約５×１０−９ΩＣに等しいＲ（ｏｎ）ＱＧの積を有する。電源デバイスの定格ドレーン電流はＩＤ＝Ｖ（ｏｎ）／Ｒ（ｏｎ）である。光制御デバイスによって供給されなければならない平均ゲート電流はＩＧ＝ＰＲＦ×ＱＧである。したがって、次のようになる。
【００５９】
Ｒ（ｏｎ）ＱＧ＝（Ｖ（ｏｎ）／ＰＲＦ）x (ＩＧ／ＩＤ）   式（７）
【００６０】
ただし、光学的ゲインは、ＩＧ／ＩＤの比率に等しい、従来の電源デバイスと等しいサイズの同等の光学制御デバイスのそれに対する光学制御デバイスの面積の比率の逆数に等しい。式（７）をＩＧ／ＩＤについて解き、Ｖ（ｏｎ）＝２ＶおよびＰＲＦ＝１ＭＨｚと仮定すると、ＩＧ／ＩＤ＝０．００２５である。光学ゲインはこの比率の逆数の４００となる。先の例において図１６に示す実施形態を用いると、これを切り替えるのに２００℃で１００Ａの必要光出力が４００の比率で５ｍＷまで低下する。この強度の平均電力を供給する能力のある適切なパルス電磁放射線源は容易に入手することができ、比較的安価である。
【００６１】
本発明の実施形態例は、これまで上記の長所にしたがって記載してきた。これらの実施例は本発明の単なる例示であることが認識されるであろう。当業者には多くの変法および変更が明らかとなるであろう。
【００６２】
さらに、要約の目的は、一般に米国特許庁および公衆、および特に特許あるいは法律の用語あるいは文体に精通していない科学者、技術者および当技術分野の実践者が、本明細書の技術的開示の性質および本質のおおざっぱな検証から迅速に判断できるようにすることである。要約は、いかなる意味においても本発明の範囲について限定することを意図していない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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