(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜上に第１主電極と第２主電極とを離して形成し、該第１主電極と該第２主電極に挟まれて、前記第１主電極および前記第２主電極に近接して制御電極を前記絶縁膜上に形成し、前記第１主電極を低電位とし、前記第２主電極を高電位とし、前記制御電極を高電位としたとき、前記第１主電極から電子が放出され、該電子が前記第２主電極に達して、順方向電流を流し、前記第２主電極を低電位とし、前記第１主電極を高電位とし、前記制御電極を高電位としたとき、前記第２主電極から電子が放出され、該電子が前記第１主電極に達して、逆方向電流を流し、前記制御電極の電位を低下させると前記の電子の放出が停止し、電流が流れなくなることを特徴とする双方向スイッチング素子。
【請求項２】
前記制御電極を第１制御電極と第２制御電極に分離し、該第１制御電極を前記第１主電極に近接して前記絶縁膜上に形成し、前記第２制御電極を前記第２主電極に近接して前記絶縁膜上に形成することを特徴とする請求項１に記載の双方向スイッチング素子。
【請求項３】
前記第１、第２主電極および制御電極が１０-3Ｐａ（パスカル）より高真空の希薄空間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の双方向スイッチング素子。
【請求項４】
第１主電極と第２主電極の間に誘電体を介在させ、第１主電極を高電位とし、第２主電極を低電位とし、前記誘電体が吸収するエネルギー範囲の光を前記誘電体に照射することで、前記誘電体と第２主電極の界面に形成される電位障壁の幅をトンネル現象が生じるまで狭め、第２主電極から前記誘電体に電子が放出され、該電子が第１主電極に達して、順方向電流を流し、第２主電極を高電位とし、第１主電極を低電位とし、誘電体が吸収するエネルギー範囲の光を前記誘電体に照射することで、前記誘電体と第１主電極の界面に形成される電位障壁の幅をトンネル現象が生じるまで狭め、第１主電極から前記誘電体に電子が放出され、該電子が第２主電極に達して、逆方向電流を流し、光の照射量を低下させることで、前記の電子の放出を停止し、電流が流れなくなることを特徴とする双方向スイッチング素子。
【請求項５】
前記第１およびは第２主電極の少なくとも一方の主電極が光を透過させる導電性電極であることを特徴とする請求項４に記載の双方向スイッチング素子。
【請求項６】
前記誘電体が有機材料からなる薄膜であることを特徴とする請求項４に記載の双方向スイッチング素子。
【請求項７】
有機化合物がケトン基、シアノ基、ニトロ基、ハロゲン元素の少なくとも１つを含む芳香族炭化水素からなる電子受容体であることを特徴とする請求項６に記載の双方向スイッチング素子。
【請求項８】
有機化合物が、２，３−ジクロロ−５，６−ジシアノ−Ｐ−ベンゾキノン、テトラシアノエチレン、２，６−ジニトロ−Ｐ−ベンゾキノン、テトロシアノ−Ｐ−ベンゾキノン、テトラシアノ−Ｐ−キノジメタン、２，３−ジシアノ−Ｐ−ベンゾキノン、０−ブロマニル、０−クロラニル、Ｐ−ブロマニル、Ｐ−クロラニル、Ｐ−ヨードアニル、トリクロロ−Ｐ−ベンゾキノン、２，６−ジクロロ−Ｐ−ベンゾキノン、２，５−ジクロロ−Ｐ−ベンゾキノン、２，３−ジクロロ−Ｐ−ベンゾキノン、２，４，７−トリニトロ−９−フルオレノン、クロロ−Ｐ−ベンゾキノン、１，２−ジカルボキシ−１，２−ジシアノエチレン、ピロメリト酸無水物、Ｐ−ベンゾキノン、１，３，５−トリニトロベンゼン、２，４，６−トリニトロトルエン、無水マレイン酸、ナフタレンテトラカルボン酸無水物のうち少なくとも１つからなることを特徴とする請求項７に記載の双方向スイッチング素子。
【請求項９】
前記第１主電極および前記第２主電極が対向する箇所の両端部において前記第１主電極と前記第２主電極との間であって前記絶縁膜上に形成される絶縁体を備え、前記第１主電極、前記第２主電極および前記絶縁体で囲まれる領域上と、前記第１主電極上、前記第２主電極上および前記絶縁体上に蓋板となる蓋板用絶縁膜により気密空間を形成することを特徴とする請求項１に記載の双方向スイッチング素子。
【請求項１０】
前記蓋板用絶縁膜上に該蓋板用絶縁膜を支持する支持板を形成することを特徴とする請求項９に記載の双方向スイッチング素子。
【請求項１１】
第１主電極上の周囲に第１絶縁膜を形成し、第２主電極上の周囲に第２絶縁膜を形成し、前記第１主電極上の前記第１絶縁膜が形成されない第１箇所に、該第１絶縁膜の膜厚より小さな高さの第１突起電極を形成し、前記第２主電極上の前記第２絶縁膜が形成されない第２箇所に、前記第２絶縁膜の膜厚より小さな高さの第２突起電極を形成し、前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜を対向させ、該第１絶縁膜および該第２絶縁膜の開孔口より小さな貫通孔を有する制御電極を挟んで前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜を、気密固着し、前記第１主電極、前記第２主電極、前記第１絶縁膜、前記第２絶縁膜および前記制御電極で囲まれる空間を高真空に保ち、前記制御電極と前記第１突起電極もしくは前記第２突起電極間を放電させて、前記第１主電極と前記第２主電極間に主電流を通電することを特徴とする特徴とする双方向スイッチング素子。
【請求項１２】
請求項９の双方向スイッチング素子の製造方法で、絶縁膜上に第１主電極と第２主電極とを離して形成する工程と、該第１主電極と該第２主電極に挟まれて、前記第１主電極および前記第２主電極に近接して制御電極を前記絶縁膜上に形成する工程と、前記第１主電極および前記第２主電極が対向する箇所の両端部において前記第１主電極と前記第２主電極との間であって前記絶縁膜の上に絶縁体を形成する工程と、前記第１主電極、前記第２主電極および前記絶縁体で囲まれる領域上と、前記第１主電極上、前記第２主電極上および前記絶縁体上にはんだを載せ、該はんだ上に蓋板となる蓋板用絶縁膜載と該蓋板用絶縁膜上に形成された支持板とを載せる工程と、加熱真空炉で、前記はんだを溶融、凝固させ、前記第１主電極、前記第２主電極および前記絶縁体と前記蓋板用絶縁膜を気密封止する工程を含むことを特徴とする双方向スイッチング素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１の双方向スイッチング素子の製造方法で、第１主電極上の周囲に第１絶縁膜を形成し、第２主電極上の周囲に第２絶縁膜を形成する工程と、前記第１主電極上の前記第１絶縁膜が形成されない第１箇所に、前記第１絶縁膜の膜厚より小さな高さの第１突起電極を形成し、前記第２主電極上の前記第２絶縁膜が形成されない第２箇所に、前記第２絶縁膜の膜厚より小さな高さの第２突起電極を形成する工程と、前記第１絶縁膜の開孔口より小さな貫通孔を有する第１制御電極を形成し、前記第２絶縁膜の開孔口より小さな貫通孔を有する第２制御電極を形成する工程と、該第１制御電極と該第２制御電極ではんだを挟む工程と、加熱真空炉で、該はんだを溶融、凝固させ、前記第１制御電極と前記第２制御電極を気密封止する工程を含むことを特徴とする双方向スイッチング素子の製造方法。
【請求項１４】
前記加熱真空炉の真空度が１０-3Ｐａ（パスカル）より高真空であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の双方向スイッチング素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流の負荷電流をオン・オフ制御するための双方向スイッチング素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、双方向スイッチング素子は電力用半導体素子の分野で用いられることが多く、双方向制御整流素子、双方向ダイオードＳＳＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ  Ｓｗｉｔｃｈ）などがある。以下、それらについて説明する。双方向制御整流素子は、その接合断面構造が図８に示すように、ｎｐｎｐｎの５層から成り、両方向にスイッチできるようにしたもので、Ｔ１およびＴ２は主端子でＧはゲート端子である。スイッチさせるに要するゲート入力は、正でも負電流でも両方向スイッチする。交流制御電流８０Ａ、耐圧４５０Ｖ程度のものが一般的である。双方向ダイオードＳＳＳは、その接合断面構造が図９に示すように、ｎｐｎｐｎの５層となっており、Ｔ１およびＴ２は主端子である。スイッチさせるには、ブレークオーバー電圧以上の電圧を加えるか、電圧上昇率の速い電圧を加えてスイッチさせる。従って、制御回路に直列にリアクタを入れて、トリガパルスを加えることになるので、用途が少し限られる。
また、これらの素子は一旦オン状態になると、電源電圧の極性が逆になるまで電流は流れつづけ、トランジスタなどと異なり自己消弧能力はない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の双方向スイッチング素子はシリコン半導体を用いるものが主で、ｐｎ接合を多数形成する必要がある。従って、素子製造上、高温で長時間の拡散工程が多く、投入から素子完成までに長時間を要するという課題がある。また、素子構造は電流をシリコン中を縦方向に流れる縦構造であるため、他の部品との集積化が製造上困難であるという課題がある。
本発明の目的は、前記の課題を解決して、製造プロセスが低温で、他の部品と集積化が容易な、且つ簡便な構造で、低コストの双方向スイッチング素子を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、絶縁膜上に第１主電極と第２主電極とを離して形成し、該第１主電極と該第２主電極に挟まれて、前記第１主電極および前記第２主電極に近接して制御電極を前記絶縁膜上に形成し、前記第１主電極を低電位とし、前記第２主電極を高電位とし、前記制御電極を高電位としたとき、前記第１主電極から電子が放出され、該電子が前記第２主電極に達して、順方向電流を流し、前記第２主電極を低電位とし、前記第１主電極を高電位とし、前記制御電極を高電位としたとき、前記第２主電極から電子が放出され、該電子が前記第１主電極に達して、逆方向電流を流し、前記制御電極の電位を低下させると前記の電子の放出が停止し、電流が流れなくなる構成とする。
【０００５】
前記制御電極を第１制御電極と第２制御電極に分離し、該第１制御電極を前記第１主電極に近接して前記絶縁膜上に形成し、前記第２制御電極を前記第２主電極に近接して前記絶縁膜上に形成するとよい。
前記第１、第２主電極および制御電極が１０−３Ｐａより高真空の希薄空間に配置されると効果的である。
【０００６】
前記のように、希薄空間内に２つの主電極および制御電極を設置し、制御電極と主電極の間に高電界を印加することで、主電極から電子を電界放出させ、主電極の極性を変えることで、双方向に電流をオン・オフさせることができる。
【０００７】
第１主電極と第２主電極の間に誘電体を介在させ、第１主電極を高電位とし、第２主電極を低電位とし、前記誘電体が吸収するエネルギー範囲の光を前記誘電体に照射することで、前記誘電体と第２主電極の界面に形成される電位障壁の幅をトンネル現象が生じるまで狭め、第２主電極から前記誘電体に電子が放出され、該電子が第１主電極に達して、順方向電流を流し、第２主電極を高電位とし、第１主電極を低電位とし、誘電体が吸収するエネルギー範囲の光を前記誘電体に照射することで、前記誘電体と第１主電極の界面に形成される電位障壁の幅をトンネル現象が生じるまで狭め、第１主電極から前記誘電体に電子が放出され、該電子が第２主電極に達して、逆方向電流を流し、光の照射量を低下させることで、前記の電子の放出を停止し、電流が流れなくなる構成とする。
【０００８】
前記第１およびは第２主電極の少なくとも一方の主電極が光を透過させる導電性電極であるとよい。
前記誘電体が有機材料からなる薄膜であるとよい。
前記有機化合物がケトン基、シアノ基、ニトロ基、ハロゲン元素の少なくとも１つを含む芳香族炭化水素からなる電子受容体であると好ましい。
【０００９】
前記有機化合物が、２，３−ジクロロ−５，６−ジシアノ−Ｐ−ベンゾキノン、テトラシアノエチレン、２，６−ジニトロ−Ｐ−ベンゾキノン、テトロシアノ−Ｐ−ベンゾキノン、テトラシアノ−Ｐ−キノジメタン、２，３−ジシアノ−Ｐ−ベンゾキノン、０−ブロマニル、０−クロラニル、Ｐ−ブロマニル、Ｐ−クロラニル、Ｐ−ヨードアニル、トリクロロ−Ｐ−ベンゾキノン、２，６−ジクロロ−Ｐ−ベンゾキノン、２，５−ジクロロ−Ｐ−ベンゾキノン、２，３−ジクロロ−Ｐ−ベンゾキノン、２，４，７−トリニトロ−９−フルオレノン、クロロ−Ｐ−ベンゾキノン、１，２−ジカルボキシ−１，２−ジシアノエチレン、ピロメリト酸無水物、Ｐ−ベンゾキノン、１，３，５−トリニトロベンゼン、２，４，６−トリニトロトルエン、無水マレイン酸、ナフタレンテトラカルボン酸無水物のうち少なくとも１つからなるとよい。
【００１０】
前記第１主電極および前記第２主電極が対向する箇所の両端部において前記第１主電極と前記第２主電極との間であって前記絶縁膜上に形成される絶縁体を備え、前記第１主電極、前記第２主電極および前記絶縁体で囲まれる領域上と、前記第１主電極上、前記第２主電極上および前記絶縁体上に蓋板となる蓋板用絶縁膜により気密空間を形成する構成とするとよい。前記蓋板用絶縁膜上に該蓋板用絶縁膜を支持する支持板を形成するとよい。
【００１１】
第１主電極上の周囲に第１絶縁膜を形成し、第２主電極上の周囲に第２絶縁膜を形成し、前記第１主電極上の前記第１絶縁膜が形成されない第１箇所に、該第１絶縁膜の膜厚より小さな高さの第１突起電極を形成し、前記第２主電極上の前記第２絶縁膜が形成されない第２箇所に、前記第２絶縁膜の膜厚より小さな高さの第２突起電極を形成し、前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜を対向させ、該第１絶縁膜および該第２絶縁膜の開孔口より小さな貫通孔を有する制御電極を挟んで前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜を、気密固着し、前記第１主電極、前記第２主電極、前記第１絶縁膜、前記第２絶縁膜および前記制御電極で囲まれる空間を高真空に保ち、前記制御電極と前記第１突起電極もしくは前記第２突起電極間を放電させて、前記第１主電極と前記第２主電極間に主電流を通電するようにするとよい。
【００１２】
前記の双方向スイッチング素子の製造方法で、絶縁膜上に第１主電極と第２主電極とを離して形成する工程と、該第１主電極と該第２主電極に挟まれて、前記第１主電極および前記第２主電極に近接して制御電極を前記絶縁膜上に形成する工程と、前記第１主電極および前記第２主電極が対向する箇所の両端部において前記第１主電極と前記第２主電極との間であって前記絶縁膜の上に絶縁体を形成する工程と、前記第１主電極、前記第２主電極および前記絶縁体で囲まれる領域上と、前記第１主電極上、前記第２主電極上および前記絶縁体上にはんだを載せ、該はんだ上に蓋板となる蓋板用絶縁膜載と該蓋板用絶縁膜上に形成された支持板とを載せる工程と、加熱真空炉で、前記はんだを溶融、凝固させ、前記第１主電極、前記第２主電極および前記絶縁体と前記蓋板用絶縁膜を気密封止する工程を含む製造方法とする。
【００１３】
前記の双方向スイッチング素子の製造方法で、第１主電極上の周囲に第１絶縁膜を形成し、第２主電極上の周囲に第２絶縁膜を形成する工程と、前記第１主電極上の前記第１絶縁膜が形成されない第１箇所に、前記第１絶縁膜の膜厚より小さな高さの第１突起電極を形成し、前記第２主電極上の前記第２絶縁膜が形成されない第２箇所に、前記第２絶縁膜の膜厚より小さな高さの第２突起電極を形成する工程と、前記第１絶縁膜の開孔口より小さな貫通孔を有する第１制御電極を形成し、前記第２絶縁膜の開孔口より小さな貫通孔を有する第２制御電極を形成する工程と、該第１制御電極と該第２制御電極ではんだを挟む工程と、加熱真空炉で、該はんだを溶融、凝固させ、前記第１制御電極と前記第２制御電極を気密封止する工程を含む製造方法とする。前記加熱真空炉の真空度が１０-3Ｐａ（パスカル）より高真空であることが望ましい。
【００１４】
前記のようにすることで、従来のシリコン半導体を用い、且つ双方向スイッチの信号として駆動電流を用いる代わりに、誘電体を対称に２つの電極でサンドイッチした構造とし、この誘電体の中で光や電圧などの外部信号によりトンネル電流が誘起される機構（Ｆ−Ｎトンネリングといわれる機構：Ｆ−Ｎとはファウラーノルドハイムのこと）を設けることとした。この構造では極性がないため、双方向素子として動作する可能性があり、スイッチは光吸収によりキャリア発生できる波長の光信号や電圧信号である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例の双方向スイッチング素子で、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
図１において、シリコン基板１００上に、シリコン基板１００から酸化膜１ｂで電気的に絶縁されて形成されたＭｏ膜６、１６とＴｉ膜７、１７からなる第１ゲート電極５および第２ゲート電極１５が互いに電気的に接続して設けられており、この第１ゲート電極５および第２ゲート電極１５を挟んで対称に２つの櫛歯型の第１主電極２および第２主電極１２が対向している。この第１主電極２と第２主電極１２の電極材料は電子の放出率を揃えるために、同一のものがよい。この実施例では電極はＭｏ膜３とＴｉ膜４で構成され、櫛の歯の幅Ｗと間隔ｄはそれぞれ１μｍで、歯の数は２６０本である。また、この素子は点線で示す真空パッケージ２０内に収納されている。この真空パッケージ２０内の真空度は１０−３Ｐａ（パスカル）より高真空になっている。通常、この真空度は１０−４Ｐａ程度以下の高真空がよい。この双方向スイッチング素子はシリコン基板１００上に酸化膜１ａ、１ｂを介して形成できるため、他の半導体素子との集積化が容易であり、また、簡便な構造でであるために、製造コストが安価である。前記のＴｉ膜４、７、１４、１７は酸化膜１ａ、１ｂとの密着性を確保するために必要である。
【００１６】
尚、この実施例では主電極の形状を櫛の歯としたが、ノコギリ歯（三角突起）や多数の突起を設けてもよい。櫛の歯の場合は、歯の先端のコーナー部で電界集中が起こり、また、ノコギリ歯や突起の場合はその先端の尖った部分で電界集中が起こる。この電界強度が強くなった箇所で電子の電界放出が起こる。そのため、対向する側の主電極の形状は、電界集中が起き易い形状とすればよい。
【００１７】
また、この双方向スイッチング素子の諸元を説明する。主電極の幅Ｌ１  は１０μｍ、Ｍｏの厚みｔ１  が０．５μｍ、Ｔｉの厚みｔ２  が０．１μｍ、主電極が形成されている酸化膜の厚みｔ３  は３μｍ、ゲート電極が形成されている酸化膜の厚みｔ４  は１μｍ、ゲート電極の幅Ｌ２  は３μｍ、Ｍｏの厚みｔ５  が０．５μｍ、Ｔｉの厚みｔ６  が０．１μｍ、主電極間の距離Ｌは１００μｍ、主電極とゲート電極の隙間Ａは２μｍである。
【００１８】
つぎに、この双方向スイッチング素子の動作を説明する。第１主電極２をマイナスに第２主電極１２をプラスに１００Ｖ程度の電圧を印加する。第１主電極２に対して、第１ゲート電極５の電圧が３０Ｖ程度のプラスの電圧を印加すると、第１主電極２から電子が電界放出され、一部は第１ゲート電極５に流れ込むが、殆どの放出された電子は第２主電極１２に流れ込む。このようにして、第２主電極１２から第１主電極２に順方向電流が流れる。第１ゲート電極５の電圧を低下させるか零にすると、第１主電極２からの電子の放出が停止すると、順方向電流は流れなくなる。つぎに、第１主電極２と第２主電極１２の印加電圧の極性を逆にして、第２主電極１２に対して、第２ゲート電極１５の電圧を高くすると、第１主電極２から第２主電極１２へ逆方向電流が流れる。また、第２ゲート電極１５の電圧を低下させるか零にすると、逆方向電流は停止する。このように、ゲート電極の電圧をオン・オフすることで、順方向電流および逆方向電流をオン・オフさせることができる双方向スイッチング素子となる。
【００１９】
尚、この双方向スイッチング素子を製造する処理温度は４００℃程度で、シリコンで製作される双方向スイッチング素子の処理温度である１０００℃から１２００℃に比べて製造プロセス温度は低温である。また、従来のシリコン半導体のｐｎ接合を用いず、他の部品との集積化が容易であり、且つ簡便な構造でプロセスコストが安価である。
【００２０】
図２は第１実施例の双方向スイッチング素子の動作波形で、同図（ａ）は主電極間に印加される電圧波形、同図（ｂ）はゲートパルス波形、同図（ｃ）は主電極間に流れる電流波形である。素子に電力を供給する電源は矩形波の交流電源で、周波数ｆは１００ｋＨｚで、電圧Ｖｐ−ｐ  は１００Ｖ、ゲートパルス電圧Ｖｇ  は３０Ｖで、印加期間が１０μｓ、無印加期間が１５μｓである。また、負荷は１００ｋΩの抵抗である。図に示すように、ゲートパルスが印加されている期間で、±１×１０−３Ａの交流電流が流れることが確認できた。
【００２１】
図３は第１実施例の双方向スイッチング素子の動作波形で、同図（ａ）は主電極間に印加される電圧波形、同図（ｂ）はゲートパルス波形、同図（ｃ）は主電極間に流れる電流波形である。ゲート電圧の印加期間が２．５μｓで無印加期間が１２．５μｓであり、それ以外の条件は図２の条件と同じである。ゲートパルスが印加されている期間に、１×１０−３Ａの順方向電流と逆方向電流が交互に流れることが確認された。
【００２２】
図４は本発明の第２実施例の双方向スイッチング素子の要部断面図である。第１主電極である酸化インジュウム錫ガラス基板（ＩＴＯ３２）上に、有機化合物であるナフタレンテトラカルボン酸無水物３１（Ｃ１４Ｈ４  Ｏ６  ）を、１×１０−３Ｐａの真空槽内で加熱蒸着して、５００ｎｍ厚の薄膜を形成する。その上に、第２主電極である２９ｎｍ厚の半透明のＡｕ薄膜３３を蒸着して、１ｃｍ角のチップとする。
【００２３】
図５は本発明の第３実施例の双方向スイッチング素子の要部断面図である。図４とはＩＴＯ３２上にＡｕ膜３４を形成し、その上にナフタレンテトラカルボン酸無水物３１を形成した点が異なる。Ａｕ薄膜３４の厚みはＡｕ薄膜３３の厚みと同じで、２０ｎｍである。
【００２４】
図６は第２実施例および第３実施例の双方向スイッチング素子の光電流量子効率と印加電圧の関係を示す図である。図中の（１）は第２実施例の場合で、（２）は第３実施例の場合である。第１実施例および第２実施例の双方向スイッチング素子（１）、（２）に４００ｎｍの単色光（４０μＷｃｍ−２）を照射する。ここで、印加電圧が正方向では、正極がＩＴＯ３２で、負極がＡｕ薄膜３３であり、負方向はその逆の場合に相当する。また、光はＡｕ薄膜３３側から照射される。ここで、光電流量子効率はナフタレンテトラカルボン酸無水物３１が吸収したフォトン数に対する光電流キャリア数で定義した。この結果から明らかなように、ある一定の電圧（この場合、５Ｖで光電流量子効率が急激に上昇）以上になると、極性によらず光電流量子効率が高まり、光照射による双方向スイッチング素子とすることができる。しかし、（１）の場合、印加電圧に対する光電流量子効率が極性に対して非対称となり、双方向性としては好ましくない。これは、有機薄膜（この場合、ナフタレンテトラカルボン酸無水物３１）と主電極の界面のバリア高さが同一でないためである。その点、（２）の場合は、両主電極の界面は共にＡｕ薄膜３３、３４とナフタレンテトラカルボン酸無水物３１との接触となり、バリヤ高さが同じになるため、印加電圧に対する光電流量子効率が極性に対してほぼ対称となり、光による双方向スイッチング素子として、良好な双方向性が得られる。
尚、双方向性とは順方向電流と逆方向電流の大きさの比較をいい、同一ならば良好であり、アンバランスならば好ましくないということになる。
【００２５】
図７は第３実施例の双方向スイッチング素子の動作を説明する図で、同図（ａ）は回路図、同図（ｂ）は電源電圧波形、同図（ｃ）は一定の光を照射し続けた状態での素子に流れる電流波形、同図（ｄ）は光のパルス波形、同図（ｅ）は同図（ｄ）の光を照射した場合の素子に流れる電流波形である。
図７において、双方向スイッチング素子を±１５Ｖの三角波発生させる電源（ｆ＝５０ｋＨｚ）に接続し、素子に光を照射し、電流をオシロスコープで測定する。
【００２６】
同図（ｂ）は、Ｖｐ−ｐ  ＝３０Ｖの三角波の電源電圧波形である。この波形が素子に印加される。同図（ｃ）は、素子に一定の４００ｎｍの単色光（４０μＷｃｍ−２）を照射した場合で素子には１０×１０−３Ａの交流電流が流れることが確認された。同図（ｄ）は素子に４００ｎｍの単色光（４０μＷｃｍ−２）を、照射時間４．５μｓｅｃ  で、非照射時間６．８μｓｅｃ  のパルスに照射した場合の素子に流れる電流波形である。５×１０−３Ａのパルス的な電流が順方向、逆方向に交互に流れることが確認された。これらの結果から、本発明の双方向スイッチング素子は光信号でオン・オフできる双方向スイッチング素子の機能を有することが分かる。
【００２７】
前記のことをまとめると、絶縁膜上にゲート電極と２つの主電極を形成し、これらの電極を希薄空間に配置し、主電極間に電圧を印加し、ゲート電極に正の電圧を印加することで、主電極から電子を電界放出させることで電流を流し、主電極の極性を変えることで交流の電流が制御できる双方向スイッチング素子が実現できる。また、２つの主電極間に誘電体（有機化合物など）を介在させ、その誘電体中に光のトリガーパルスを与えることにより、２つの電極間に流れる電流を双方向的に制御できる双方向スイッチング素子が実現できる。
【００２８】
図１０は、この発明の第４実施例の双方向スイッチング素子で、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｙ面で切断した要部断面図である。
図１０において、第１主電極基板となるｎ＋  シリコン基板６１ａ上に、円錐状の突起電極６２ａを形成し、この突起電極６２ａを取り巻くように、ｎ＋  シリコン基板６１ａ上に絶縁層となる酸化膜６３ａが形成され、この酸化膜６３ａ上に、制御電極となる金属膜６４ａが形成されている。これと全く同様に、第２主電極基板となるｎ＋  シリコン基板６１ｂ上に、円錐状の突起電極６２ｂを形成し、この突起電極６２ｂを取り巻くように、ｎ＋  シリコン基板６１ｂ上に絶縁層となる酸化膜６３ｂが形成され、この酸化膜６３ｂ上に、制御電極となる金属膜６４ｂが形成され、金属膜６４ａ、６４ｂ同士がはんだ膜６５で真空封止され、密閉空間８５は１０−３Ｐａより高真空に保たれている。また、ｎ＋  シリコン基板６１ａ、６１ｂ上には金属電極７１ａ、７１ｂが形成されている。
【００２９】
この双方向スイッチング素子の動作は図１と同様であり、制御電極である多層金属膜６４ａ（６４ｂ）と突起電極６２ａ、６２ｂとの間で放電させることで、突起電極６２ａと突起電極６２ｂ間に交流電流を通電する。
【００３０】
図１１から図１８は、第４実施例の製造方法で、工程順に示した要部製造工程断面図である。
図１１において、０．０３Ω・ｃｍ程度の低比抵抗のｎ＋  シリコン基板６１の表面に厚さ２μｍ程度のＳｉＯ２  膜６３を化学気相成長法（ＣＶＤ）で形成し、その上に電子ビーム蒸着法によりＴｉ，Ｃｕ，Ｎｉをそれぞれ０．３μｍ程度、０．３μｍ程度、０．２μｍ程度の厚さで連続蒸着する。さらに、その上に引き続き同じ方法でＰｂ／Ｓｎ（９０％／１０％）のはんだを１０μｍ蒸着し、このはんだと多層金属膜が周辺部に残り、中央部に、Ｔｉ層のみ残るように、フォトレジストをマスクにして、はんだを電界エッチングし、塩酸：硫酸：過酸化水素水＝１：２：３：４の混合液で、Ｎｉ、Ｃｕをエッチングする。図１１の６４は金属膜を示し、はんだ膜６５の直下はＴｉ，Ｃｕ，Ｎｉの３層の多層膜となりその他の箇所はＴｉ膜のみとなっている。これらを合わせて便宜的に金属膜６４とよぶこととする。この金属膜６４が制御電極となる。また、はんだ膜６５は、後述の図１７（ｂ）に示すはんだボールが挟み込まれる箇所のみに形成しても構わない。
【００３１】
図１２において、フォトレジストを塗布、露光、現像して５μｍφ程度の円形の孔抜きをして、レジストマスク６８を形成し、このレジストマスク６８でマスクして、ｎ＋  シリコン基板６１が露出するまで、金属膜６４と酸化膜６３をフッ酸で除去する。このフッ酸による酸化膜６３のエッチングでは、サイドエッチング（横方向へのエッチング）が進行し、金属膜６４が庇（ひさし）のように飛び出した形状となる。
【００３２】
図１３において、Ｘ軸を回転軸として、このＸ軸を中心として、全体を回転させながら、全体を一定の角度θだけ傾斜させて、Ａｌをレジストマスク６８の上面と開口部側面に蒸着して、Ａｌ膜６９を形成する。
【００３３】
図１４において、ｎ＋  シリコン基板６１に対して垂直にＭｏを電子ビームで蒸着する。このＭｏは、Ａｌ膜６９の上面およびｎ＋  シリコン基板６１の上面ばかりでなく開口部のＡｌ膜６９の側面にも堆積し、開口部の直径はＭｏの堆積が進行するのに伴って小さくなる。従って、開口部直下のｎ＋  シリコン基板６１の表面には、Ｍｏが円錐形状に堆積する。Ａｌ膜６９の上面および側面に堆積してＭｏ膜７０を形成し、ｎ＋  シリコン基板６１の上面に堆積して、円錐形状の突起電極６２を形成する。この円錐形状の突起電極６２の突起部先端の曲率半径は数ｎｍと極めて小さく、鋭利な形状となる。そのため、この箇所で放電が起こり安くなる。
【００３４】
図１５において、リフトオフ法（レジスト膜上の被膜を除去する方法）により、レジストマスク６８上のＡｌ膜６９を除去した後、レジストマスク６８を除去する。
【００３５】
図１６において、ｎ＋  シリコン基板６１の裏面にＴｉ、Ｃｕ、Ｎｉをそれぞれ０．１μｍ程度、０．３μｍ程度、０．２μｍ程度の厚さで連続蒸着して、金属電極７１を形成する。これで双方向スイッチング素子を構成する素子チップが完成する。ここで、素子チップの大きさは５ｍｍ□程度である。次の工程以降は、この素子チップ２個を用いて双方向スイッチング素子を製造する工程である。
【００３６】
図１７において、素子チップ８０ａ、８０ｂの開口部７４ａ、７４ｂが合うように重ね合わせ、はんだ膜６５ａ、６５ｂの間に、１ｍｍφ程度のはんだボールを例えば８個（６６ａ〜６６ｈ）挟み込む。これを、真空加熱炉８３に入れ、真空加熱炉８３を１０−３Ｐａより高真空にし、この状態を１時間保持する。その後、５℃／分の割合で加熱し、３００℃で１０分保持した後、加熱を停止し、真空加熱炉８３内にＮ２  ガスを導入し、冷却して室温に戻す。この操作により、はんだボール６６ａ・・６６ｄは溶融し、凝固して、はんだ層６５を介して金属膜６４ａ、６４ｂ同士は気密密着する。真空加熱炉８３はヒーター付き真空チャンバーなどである。ここで、素子チップ８０ａ、８０ｂの各部の符号は図１６の番号にａ、ｂを付して表した。
【００３７】
図１８において、室温に戻された素子チップ８０ａ、８０ｂを真空加熱炉から取り出して、双方向スイッチング素子チップ９０が完成する。この双方向スイッチング素子９０の突起電極６２ａ、６２ｂが配置されている密閉空間８５は１０−３Ｐａより高真空に保たれる。
【００３８】
図１９は、はんだボールを介して合わされた素子チップ８０ａ、８０ｂを多数個、同時に処理できる製造治具例を示す。台８６に４本の支柱８７が設けられ、その支柱８７に棚のように素子チップ８０ａ、８０ｂが収納されている。この状態で図１７の真空加熱炉８３に入れて、図１７の方法で、はんだボール６６ａ・・６６ｄを溶融、凝固させ、素子チップ８０ａ、８０ｂ同士を密着させる。
【００３９】
図２０は、図１８の双方向スイッチング素子チップを組み立てた例である。絶縁基板９１に第１金属パッド９２、第２金属パッド９３および制御電極パッド９４を形成し、双方向スイッチング素子チップ９０の制御電極６４ａ、６４ｂと金属製のスペーサ９７をはんだで固着する。双方向スイッチング素子チップ９０の金属電極７１ａと第１金属パッドをはんだで固着する。また金属電極７１ｂと第２金属パッド９３をＡｕワイヤ９５で接続し、スペーサ９７と制御電極パッド９４をＡｕワイヤ９６で接続する。全体を樹脂モールド９８により封止して、双方向スイッチング素子が完成する。
【００４０】
図２１は、この発明の第５実施例の双方向スイッチング素子の要部断面図で、同図（ａ）は、図１（ｂ）に相当する断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の奥手方向の端面部の断面図である。
【００４１】
図２１において、シリコン板２４の表面（ここでは下面）に酸化膜２３を形成し、この酸化膜２３上に金属膜２２を選択的に形成する。この金属膜２２は、第１主電極２と、第２主電極１２に向かい合うように配置される。この金属膜２２と、第１主電極２および第２主電極１２とを、はんだ２１を介して密着させる。このときの方法は、図１７で説明したやり方と同じである。同図（ａ）の奥手方向（紙面に垂直方向）の断面において、酸化膜１ａの上に酸化膜１ｃを側壁のように形成し、この酸化膜１ｃ上に金属膜２５を形成し、この金属膜２５と酸化膜２３上に形成された金属膜２２と、はんだ２１を介して密着することで、同図（ａ）の第１ゲート電極５と第２ゲート電極１５が配置されている空間を１０−３Ｐａより高真空の密閉空間とすることができる。
【００４２】
第４実施例および第５実施例は、突起電極が配置されている空間を高真空の密閉空間にできるために、パッケージが容易で、且つ、双方向スイッチング素子の小型化が可能となる。また、低コスト化も期待できる。
【００４３】
【発明の効果】
この発明によれば、これら双方向スイッチング素子は、素子構造が簡単であり、他の部品との集積化が容易で、低温の製造プロセスで製造できるために、コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の双方向スイッチング素子で、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。
【図２】第１実施例の双方向スイッチング素子の動作波形で、同図（ａ）は主電極間に印加される電圧波形図、同図（ｂ）はゲートパルス波形図、同図（ｃ）は主電極間に流れる電流波形図
【図３】第１実施例の双方向スイッチング素子の動作波形で、同図（ａ）は主電極間に印加される電圧波形図、同図（ｂ）はゲートパルス波形図、同図（ｃ）は主電極間に流れる電流波形図
【図４】本発明の第２実施例の双方向スイッチング素子の要部断面図
【図５】本発明の第３実施例の双方向スイッチング素子の要部断面図
【図６】第２実施例および第３実施例の双方向スイッチング素子の光電流量子効率と印加電圧の関係を示す図
【図７】第３実施例の双方向スイッチング素子の動作を説明する図で、同図（ａ）は回路図、同図（ｂ）は電源電圧波形図、同図（ｃ）は一定の光を照射し続けた状態での素子に流れる電流波形図、同図（ｄ）は光のパルス波形図、同図（ｅ）は同図（ｄ）の光を照射した場合の素子に流れる電流波形図
【図８】従来の双方向制御整流素子の要部断面図
【図９】従来の双方向ダイオードの要部断面図
【図１０】この発明の第４実施例の双方向スイッチング素子で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ面で切断した要部断面図
【図１１】第４実施例の双方向スイッチング素子の要部製造工程断面図
【図１２】図１１に続く、双方向スイッチング素子の要部製造工程断面図
【図１３】図１２に続く、双方向スイッチング素子の要部製造工程断面図
【図１４】図１３に続く、双方向スイッチング素子の要部製造工程断面図
【図１５】図１４に続く、双方向スイッチング素子の要部製造工程断面図
【図１６】図１５に続く、双方向スイッチング素子の要部製造工程断面図
【図１７】図１６に続く、双方向スイッチング素子の要部製造工程断面図
【図１８】図１７に続く、双方向スイッチング素子の要部製造工程断面図
【図１９】はんだ付け治具の例を示す図
【図２０】図１８の双方向スイッチング素子チップを組み立てた図
【図２１】この発明の第５実施例の双方向スイッチング素子の要部断面図で、（ａ）は、図１（ｂ）に相当する断面図、（ｂ）は（ａ）の奥手方向の端面部の断面図
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃ  酸化膜
２    第１主電極
３    Ｍｏ膜
４    Ｔｉ膜
５    第１ゲート電極
６    Ｍｏ膜
７    Ｔｉ膜
１２    第２主電極
１３    Ｍｏ膜
１４    Ｔｉ膜
１５    第２ゲート電極
１６    Ｍｏ膜
１７    Ｔｉ膜
２０    真空パッケージ
２１    はんだ
２２、２５    金属膜
２３    酸化膜
２４    シリコン板
３１    ナフタレンテトラカルボン酸無水物
３２    ＩＴＯ
３３、３４    Ａｕ薄膜
６１、６１ａ、６１ｂ    ｎ＋  シリコン基板
６２、６２ａ、６２ｂ    突起電極
６３、６３ａ、６３ｂ    酸化膜
６４、６４ａ、６４ｂ    金属膜
６５、６５ａ、６５ｂ    はんだ膜
６６ａ〜６６ｈ    はんだボール
６８    レジストマスク
６９    Ａｌ膜
７０    Ｍｏ膜
７１、７１ａ、７１ｂ    金属電極
７３ａ    頂点
７４ａ、７４ｂ    開口部
８０ａ、８０ｂ    素子チップ
８３    真空加熱炉
８５    密閉空間
８６    台
８７    支柱
９０    双方向スイッチング素子チップ
９１    絶縁基板
９２    第１金属パッド
９３    第２金属パッド
９４    制御電極パッド
９５、９６    Ａｕワイヤ
９７    スペーサ
９８    樹脂モールド
１００    シリコン基板
Ｌ    主電極の間隔
Ｌ１    主電極の幅
Ｌ２    ゲート電極の幅
ｔ１    Ｍｏ膜の厚さ（主電極部）
ｔ２    Ｔｉ膜の厚さ（主電極部）
ｔ３  、ｔ４    酸化膜の厚さ
ｔ５    Ｍｏ膜の厚さ（ゲート電極部）
ｔ６    Ｔｉ膜の厚さ（ゲート電極部）
Ａ    隙間
Ｗ    櫛の歯の幅
ｄ    櫛の歯の間隔
【図１】
0003606115.tif 000002
【図２】
0003606115.tif 000003
【図３】
0003606115.tif 000004
【図４】
0003606115.tif 000005
【図５】
0003606115.tif 000006
【図６】
0003606115.tif 000007
【図７】
0003606115.tif 000008
【図８】
0003606115.tif 000009
【図９】
0003606115.tif 000010
【図１０】
0003606115.tif 000011
【図１１】
0003606115.tif 000012
【図１２】
0003606115.tif 000013
【図１３】
0003606115.tif 000014
【図１４】
0003606115.tif 000015
【図１５】
0003606115.tif 000016
【図１６】
0003606115.tif 000017
【図１７】
0003606115.tif 000018
【図１８】
0003606115.tif 000019
【図１９】
0003606115.tif 000020
【図２０】
0003606115.tif 000021
【図２１】
0003606115.tif 000022