(57)【要約】【課題】小型化された構造として実装することが可能で、ＧａＮ系の大電力かつ高速動作可能な光スイッチを提供する。【解決手段】ＧａＮもしくはその一部がＩｎ、Ａｌ、Ａｓのうち少なくとも1つ以上の元素で置換されたＧａＮからなる光伝導半導体で受光部を形成し、当該受光部上に電極を設けることで、ＧａＮ系半導体の高い絶縁耐力による大電力の遮断開放性能と、高効率の光吸収、および高速動作を兼ね備えた光スイッチを提供することができた。【選択図】  図１
2018085458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系半導体及び／又は一部が、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｓのうち少なくとも1つ以上の元素で置換されたＧａＮ系半導体からなる光伝導半導体で形成した受光部上に、電極を設けた光スイッチ。  
【請求項２】
光源としてレーザーダイオードを用いた請求項１記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記光伝導半導体にＮ型のドーパントと補償ドーパントとを併せて注入し、室温における抵抗率を１００Ωｃｍ以上とした請求項１記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光の照射によって光導電効果を生じさせ、電流の導通および遮断を行う光スイッチに関するものである。
【０００２】
近年、半導体を用いるスイッチに求められるスイッチング速度への要求は、上昇の一途をたどっている。その要因は、データ処理目的でのデータ処理速度向上、電磁波を利用した通信目的でのキャリア周波数及び伝送レート上昇及び、スイッチング電源を対象としたスイッチング周波数の向上に伴う効率向上といったものである。また、電力変換を目的とする半導体素子の一つとして、特公昭５０−００８３１５（以下特許文献１として記載）のような光ゲートサイリスタが、出願後に登録されている。光ゲートサイリスタを利用することで、制御側と被制御側を電磁的な結合から分離することができ、制御側を被制御側の電流サージなどから保護し、制御回路の簡素化を実現している。また、特許文献１記載のサイリスタでは、受光用のＮ型エミッタ層を主電流用のエミッタ上に独立して設けることによって順方向阻止電圧の低下を防ぎ、大電流容量下での順電圧降下を小さくするという効果を得ている。また、当該半導体スイッチング媒体の構造としては、特許４０４７９７８（以下特許文献２として記載）が、出願後に登録されており、ＧａＡｓを用いた構造を提示して同デバイスに於ける電流−電圧特性の線形性向上という効果を付与している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭５０−００８３１５
【特許文献２】特許４０４７９７８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した効果を有している一方で現在、上記光スイッチに関してさらなる大電力スイッチング動作の高速化が要求されているが、通常の光ゲートサイリスタでは、高速動作は不可能であり、一方で高速で駆動可能なＧａＡｓ系材料ではバンドギャップが小さく、スイッチング容量の向上に不向きである為、当該要求に対応することができないという課題を生じている。尚、当該高速化に関しては、スイッチのトリガ光源であるレーザーのパルス幅を短くすることで対応可能となる一方、当該高速化が可能となる短パルスのレーザーを発生できる光源は、チタンサファイヤレーザーやＹＡＧレーザー等といった電力制御素子の光源としては極めて大型の筐体を必要とし、かつ高価なものになってしまう為、電力制御素子の光源として、これを用いることは現実的ではない。
【０００５】
上記課題に対し、本願記載の発明では、光源を含めた素子の体積が実用に十分なほどに小さくなるように実装することが可能であり、なおかつ上記ＧａＡｓ系の材料を用いた従来の構造よりも前記容量を向上し、大電力かつ高速でスイッチング動作させることが可能な光スイッチの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的のために本願記載の発明は、ＧａＮ系半導体及び／又はＧａＮ系半導体の一部が、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｓのうち少なくとも1つ以上の元素で置換された光伝導半導体からなる受光部を備えた光スイッチであることをその特徴としている。より具体的には、サファイア基材上に形成した前記光伝導半導体上に電極を設けたことをその技術的特徴としている。
【０００７】
また、本発明第２の態様記載の発明は、前記光スイッチの受光部に対応する光源として、レーザーダイオードを設けたことをその特徴としている。より具体的には、半導体レーザーから出射した光を、前記スイッチの受光部に照射することが可能な構造を有する半導体光源を設けたことを技術的特徴としている。
【０００８】
また、本発明第３の態様記載の発明は、前記光伝導半導体に対してＮ型ドーパントと補償ドーパントとを併せて注入し、その室温における抵抗率を１００Ωｃｍ以上としたことを技術的特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
上述した技術的特徴によって本願記載の発明は、従来よりも大電力を高速で切り換え動作させることが可能な光スイッチを提供することができる。即ち、本発明では光伝導半導体としてＧａＮを用いることで、従来用いられてきたＧａＡｓ半導体よりもバンドギャップを拡大し、より大きい絶縁耐力を実現している。これに伴い、本願記載の光スイッチを用いることで、端子部分へ入力する電圧の上限を向上させ、その受光部に入射する紫外光の点滅による大電力の切り換え動作が可能となる。また、当該切り換えに関して本発明では、吸収する波長を短波長側にシフトさせるためにＡｌ１−ｘＧａxＮ（０＜ｘ＜０．２）といったＧａをＡｌで置換した光伝導半導体を、長波長側にシフトさせるためにＩｎ１−ｙＧａｙＮ（０＜ｙ＜０．２）といったＧａをＩｎで置換した光伝導半導体及び、ＧａＡｓｚＮ１−ｚ（０＜ｚ＜０．２）といったＮをＡｓで置換した光伝導半導体等を、それぞれ受光部として用いることができる。加えて、当該光伝導半導体に０．００２〜０．０１原子％のＦｅをドープすることにより光吸収の帯域幅を長波長側に拡大し、受光部に入射する光の波長の選択肢を拡大することもまた、可能となっている。
【００１０】
尚、本発明では前記光伝導半導体の厚みを５ｎｍ〜１０μｍとすることにより、キャリアの発生量を増やし、低抵抗かつ高速での電力切換動作を可能にしている。より詳しくは、光スイッチの主要部となる半導体部分を当該厚みに形成することで、前記受光部への光照射時、照射された半導体部分全体において発現した光伝導効果により、照射された半導体部分全体を低抵抗の導体として機能させることが出来る。
【００１１】
上記効果に加えて、本願第２の態様記載の発明を用いることで、前記光スイッチ全体の構造を小型化することが出来る。また、半導体レーザーから出射した光を、前記スイッチの受光部に集光して照射することが可能な構造を有する半導体光源を設けることで、前記光照射時に於いて発生するキャリアを増加させ、導通時の更なる低抵抗化を実現することができる。
即ち、前述した集光構造を用いたことで本態様記載の発明は、小型化に際して光源となるＵＶレーザーダイオード等の半導体レーザーでも前記キャリアの放出を十分に行うことができ、導通時に於いて、更なる低抵抗化を図る事ができる。
【００１２】
更に、本発明第３の態様記載の発明は、前記光伝導半導体に対して、ＳｉやＯといったＮ型ドーパントと、ＦｅもしくはＥｒといった補償ドーパントとを併用して注入することで、その室温における抵抗率を１００Ωｃｍ以上とし、当該Ｎ型ドーパントと補償ドーパントとを注入した光スイッチの遮断性能を向上し、より高速での切り替え動作を実現することができる。また、当該Ｆｅのドープにより、前述した光吸収の帯域幅及び、入射光波長の選択肢を拡大という効果をも付与することができる。
【００１３】
以上述べたように、本願請求項記載の発明を用いることにより、小型化された構造として実装された、ＧａＮ系の大電力光スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の最良の実施形態に於いて用いる光スイッチの全体斜視図
【図２】図１に於いて示した光スイッチの分解斜視図
【図３】図１に於いて示した光スイッチのＡ−Ａ’断面図
【図４】図１に於いて示した光スイッチの原理説明図
【図５】本発明の最良の実施形態に於いて用いる光スイッチ素子の斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図１、図２、図３、図４及び図５を用いて、本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。
【００１６】
図１に本発明の最良の実施形態に於いて用いる光スイッチの全体斜視図を、図２に当該光スイッチの分解斜視図を、図３に当該光スイッチのＡ−Ａ’断面図を、図４に当該光スイッチの原理説明図を、そして図５に同光スイッチで用いる光スイッチ素子及びその変更例の斜視図を、それぞれ示す。尚、当該光スイッチを構成する各部品の固定部材及び光源となる半導体レーザーダイオード（以下ＬＤとして記載）の駆動回路等については、図中での記載を省略している。
【００１７】
図１、図２及び図３に示すように、本実施形態では、ＬＤ７と光スイッチ素子６との間にレンズホルダ３で固定したレンズ２を設けることでＬＤ７の出射光を集光し、マウント５に固定した光スイッチ素子６へと照射している。この為、本実施形態記載の光スイッチ１は、照射された光スイッチ素子６の光伝導半導体部分全体において発現する光伝導効果により、照射された光伝導半導体部分全体を低抵抗の導体として機能させることが可能となっている。また、図５に示すように、当該光スイッチ素子６について、サファイア単結晶からなる基板Ｃ上に０．００２〜０．０１原子％のＦｅがドープされたＧａＮからなる受光部Ｂを厚み５ｎｍ〜１０μｍで形成した後、櫛歯状の端子部Ｄを設け、光源となるＬＤ７に対して対向配置した構造を用いており、当該受光部Ｂへの光照射時、照射された光伝導半導体部分全体で光伝導効果を発現させ、当該照射に際し、印加電圧５０〜５ｋＶに対して０．１〜１００Ａの電流を通電可能な、低抵抗の導体として動作させることができた。加えて、レーザーダイオードの出射光をレンズによって集光し、受光部へと照射することで、本実施形態に於いて用いられるような半導体レーザーでもキャリアの放出を十分に行うことが可能になると共に、導通に際して更なる低抵抗化という効果をも得ることができた。尚、本実施形態では図１下部に示すように、電極部を櫛歯構造とすることによっても、前記照射時の低抵抗化を可能にしている。尚、当該櫛歯状の端子部Ｄは、ＣＡＰ層として受光部Ｂ上にＮ＋型のＧａＮ膜を厚さ７０〜１００ｎｍで形成した後、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕの順に成膜することで形成しており、各櫛歯間の間隔を１０〜５０μｍとなるように構成した。また、使用するＬＤ７として日亜化学製ＮＤＶ７３７５を用いており、当該ＬＤ７をトリマティス社製ドライバＬＤＤ−ＰＵ−０１１に接続後、ピーク出力１０Ｗ、パルス幅１０ｎｓｅｃ、繰り返し周波数1ＭＨｚの光パルスを受光部に照射して光スイッチ１を動作させている。
【００１８】
ここで、図３及び図４を用いて本実施形態に於ける光スイッチの基本原理を説明する。図３に示すように、本実施形態ではＬＤ７から出射したレーザー光Ｌを、レンズ２を介して光スイッチ素子６の裏面へと照射した構造を用いている。より具体的には、図４に示す透明なサファイア基板Ｃ上にＦｅドープＧａＮからなる受光部Ｂ１を積層し、レーザー光Ｌを照射することで、サファイア基板Ｃを透過したレーザー光Ｌを受光部Ｂ１に照射する構造を有している。この為、本実施形態では、当該照射により受光部Ｂ１にキャリア放出を生じさせ、当該Ｂ１を低抵抗の導体とすることで、レーザー光Ｌを照射している間、受光部Ｂ１の両端に設けた端子部Ｄを通電させることが可能となった。
【００１９】
次に、図３及び図５（ｉ）を用いて、図１に記載した光スイッチ素子７の構造を説明する。図３及び図５（ｉ）から解るように、本実施形態では、前述した光伝導半導体として０．００２〜０．０１原子％のＦｅがドープされたＧａＮ半導体Ｂ１を、サファイア単結晶からなる基板Ｃ上に直接形成して受光部Ｂとしている。この為、当該受光部ＢではＬＤ７からの光照射時、ＦｅがドープされたＧａＮ半導体による高効率の光吸収によってキャリアの発生量を増やし、前記低抵抗を実現すると共に、高速でのスイッチング動作を行うことができた。また、材料としてＧａＮ半導体を用いたことで得られた前記バンドギャップに起因する大きな絶縁耐力により、端子部分へ入力する電圧の高電圧化及び、それに伴う大電力下でのスイッチング動作をも可能としている。また、本実施形態では、ＦｅがドープされたＧａＮ半導体を形成する基板として、サファイア単結晶を用いている。この為、当該大電力下での高速スイッチング動作に際して、導通部となる受光部周辺の排熱性を向上し、高い耐久性と共に当該動作を行うことができた。尚、当該ドープについて、本実施形態では、ＧａＮ半導体に０．００２〜０．０１％のＦｅをドープすることで、前記絶縁耐力と高効率の光吸収とを両立した光伝導半導体を構成している。従って、当該図１記載の構造に関わらず、当該光伝導半導体を受光部に用いることで、半導体レーザーを光源としつつ、高い設計自由と共に前記大電力下での高速切り替えができる光スイッチを構成することが可能となっている。
【００２０】
また、当該変更例について、前記光伝導半導体からなる受光部Ｂは、ＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｌｘＡｓｚＮ１−ｚ  で（０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．２）表される式で構成することができ、当該受光部の吸収帯域を使用する半導体レーザーの波長に適した範囲へと、調整することが可能となっている。この場合、Ｎ型ドーパントとしてＳｉやＯを、補償ドーパントとしてＦｅもしくはＥｒを、併せて注入することにより、その室温（２０〜３０℃）における抵抗率を１００Ωｃｍ以上とし、当該光スイッチの遮断、開放性能を向上させ、しかも高効率で光吸収する光スイッチを実現することができる。
【００２１】
更に、上述した光スイッチと同じ技術的見地から、図５（ｉｉ）に前記光スイッチの変更例に於ける、櫛歯状端子部先端の斜視図を示す。図５（ｉｉ）から解るように、本変更例記載の光スイッチは底面にＩｎＧａＮ半導体を設け、当該ＩｎＧａＮ半導体上にＮ型ドーパントと共にＦｅがドープされたＧａＮ半導体及び端子部Ｄをそれぞれ櫛歯状に形成することで、Ｎ型ドーパントと共にＦｅがドープされたＧａＮ半導体によって、ＩｎＧａＮ半導体を挟んだ受光部を構成している。より具体的には、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．２）上にＮ型ドーパントと共に、ＦｅがドープされたＧａＮ半導体を積層し、当該ＧａＮ半導体に接点端子Ｄを設けることで、Ｎ型ドーパントと共にＦｅがドープされたＧａＮ半導体とＩｎＧａＮ半導体の両方を受光部として機能させている。この為、当該構造では前記Ｎ型ドーパントと共に、ＦｅがドープされたＧａＮ半導体を用いた事による光スイッチの遮断性能向上に加えて、部分的にＧａと置き換わったＩｎ原子による長波長帯域での光吸収によるキャリア放出という効果をも付与することができ、光源として使用することが可能な波長領域を拡大させることも併せ、より高い汎用性を備えた前記光スイッチを提供することが可能となる。尚、当該光スイッチを用いるにあたり、本変更例では、Ｎ型ドーパントと共にＦｅがドープされたＧａＮ半導体及びＩｎＧａＮ半導体の厚みを共に５ｎｍ〜１０μｍとすることで、各半導体への光照射時、照射部分全体を前記光伝導効果による低抵抗の導体として機能させている。従って、本変更例を用いることによっても、前記図１記載の構造と同様の設計自由度を、光スイッチに対して付与することができる。
【００２２】
以上述べたように、本実施形態記載の内容を用いることで、小型化された構造として実装された、ＧａＮ系の大電力光スイッチを提供することができた。
【符号の説明】
【００２３】
１    光スイッチ
２    レンズ
３    レンズホルダ
４    ケース
５    マウント
６    光スイッチ素子
７    半導体レーザーダイオード（ＬＤ）
Ｂ    受光部
Ｂ１  Ｆｅ；ＧａＮ受光部
Ｂ２  ＩｎＧａＮ受光部
Ｃ    サファイア基板
Ｄ    端子部
Ｌ    レーザー光
【図１】
2018085458.tif 000003
【図２】
2018085458.tif 000004
【図３】
2018085458.tif 000005
【図４】
2018085458.tif 000006
【図５】
2018085458.tif 000007