(57)【要約】  比較的低いインピーダンス及び比較的低い光学的スイッチングフラックスで、オン状態で大きな電流を維持することができる高電圧ダイヤモンド系スイッチング装置。この装置は、スイッチされる高電圧の存在下でスイッチをオフにすることもできる。この装置は、本質的に固有のダイヤモンド層又はダイヤモンド体中の一部分への、スイッチされる印加電圧により逆バイアスに保持されるショットキー障壁接点及び第二金属接点を有するダイヤモンド体からなる。それは、光源又は他の照明又は照射手段も含み、固有ダイヤモンド層へのショットキー接点により形成された空乏領域がその放射線に露出された時、帯電キャリヤーが発生するようになっている。その時、帯電キャリヤーの全数の利得は、それらの帯電キャリヤーが固有ダイヤモンド層内の電界で加速されること及び補助電子なだれ降伏の仕方で更にキャリヤーを発生する結果として起きる。
2008512865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング装置であって、
ダイヤモンド体と；
前記ダイヤモンド体への少なくとも一つの第一金属接点で、スイッチされる印加電圧により逆バイアスに維持された場合の前記ダイヤモンド体の隣接領域中の空乏領域を形成するように構成されたショットキー接点である第一金属接点と；
前記スイッチング装置からの電流を運ぶように構成された前記ダイヤモンド体への少なくとも一つの第二金属接点と；
ショットキー接点に隣接した、ダイヤモンド体中の空乏領域を照明又は照射し、それにより電流を運ぶことができるキャリヤーの発生を開始させるように構成された照明又は照射手段と；
を含み、前記ダイヤモンド体が、前記少なくとも一つの第一金属接点と接触した固有ダイヤモンドの一部分を含み、その固有ダイヤモンドが、電子特性が固有のキャリヤーによって支配され、それらキャリヤーが大きなキャリヤー易動度及び寿命を有するように充分低い不純物レベルを有することを特徴とする、上記スイッチング装置。
【請求項２】
少なくとも一つの第二金属接点が、オーム接点であるか、又はその一部である、請求項１に記載のスイッチング装置。
【請求項３】
オーム接点が、高度にドープされたダイヤモンド層を、第二金属接点と組合せて含む、請求項２に記載のスイッチング装置。
【請求項４】
固有ダイヤモンド部分が、ダイヤモンド体中の固有ダイヤモンド層を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
【請求項５】
固有ダイヤモンド層が、使用中、印加電圧で固有ダイヤモンド中に自然的電子なだれ降伏を防止するのに充分な厚さを有する、請求項４に記載のスイッチング装置。
【請求項６】
ダイヤモンド体がＣＶＤダイヤモンド体である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
【請求項７】
ショットキー接点が照明又は照射に対し半透明である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
【請求項８】
ショットキー接点が、有孔金属層を含む、請求項７に記載のスイッチング装置。
【請求項９】
少なくとも一つの第一金属接点と接触した固有ダイヤモンド部分中の全不純物レベルが５ｐｐｍより低い、請求項１〜８のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
【請求項１０】
固有ダイヤモンド部分中の全不純物濃度が１ｐｐｍより低い、請求項９に記載のスイッチング装置。
【請求項１１】
固有ダイヤモンド部分中の全不純物濃度が０．３ｐｐｍより低い、請求項１０に記載のスイッチング装置。
【請求項１２】
固有ダイヤモンド部分中の全不純物濃度が０．１ｐｐｍより低い、請求項１１に記載のスイッチング装置。
【請求項１３】
固有ダイヤモンド部分中の全不純物濃度が０．０３ｐｐｍより低い、請求項１２に記載のスイッチング装置。
【請求項１４】
固有ダイヤモンド部分中の全不純物濃度が０．０１ｐｐｍより低い、請求項１３に記載のスイッチング装置。
【請求項１５】
少なくとも一つの第一金属接点と接触した固有ダイヤモンド部分中の不純物が、硼素、燐、及び硫黄から選択されたドーピング不純物を含み、そのドーピング不純物のレベルが０．１ｐｐｍより小さい、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
【請求項１６】
ドーピング不純物のレベルが０．０３ｐｐｍより小さい、請求項１５に記載のスイッチング装置。
【請求項１７】
ドーピング不純物のレベルが０．０１ｐｐｍより小さい、請求項１６に記載のスイッチング装置。
【請求項１８】
ドーピング不純物のレベルが０．００３ｐｐｍより小さい、請求項１７に記載のスイッチング装置。
【請求項１９】
ドーピング不純物のレベルが０．００１ｐｐｍより小さい、請求項１８に記載のスイッチング装置。
【請求項２０】
照射手段が、電磁気放射線源を含む、請求項１〜１９のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
【請求項２１】
電磁気放射線源が、１８０ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲中に入る放射線を生ずる、請求項２０に記載のスイッチング装置。
【請求項２２】
照明又は照射手段が、ダイヤモンド中にキャリヤーを発生する一つ以上の選択された波長の光を与える光源を含む、請求項１〜１９のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
【請求項２３】
照射手段が、Ｘ線、電子、又はα粒子を生ずる源を含む、請求項１〜１９のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
【請求項２４】
更に、ダイヤモンド体に一つ以上のキャリヤー発生層を含み、それらが適当な照射で帯電キャリヤーの発生を増大するか又は変更するように構成されている、請求項１〜２３のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
【請求項２５】
一つ以上のキャリヤー発生層が、水素、硼素、窒素、及び燐から選択された不純物により形成されている、請求項２４に記載のスイッチング装置。
【請求項２６】
ダイヤモンド体の一つ以上の表面が、キャリヤーを発生することができる光源と、ショットキー接点の空乏層との相互作用を増大するように角度がつけられているか、又はプロファイルされている、請求項２２に記載のスイッチング装置。
【請求項２７】
ダイヤモンド体の一つ以上の表面が、キャリヤーを発生することができる光源と、キャリヤー発生層との相互作用を増大するように角度がつけられているか、又はプロファイルされている、請求項２２に従属した請求項２４又は２５に記載のスイッチング装置。
【請求項２８】
ショットキー接点が、光源とダイヤモンド空乏領域との相互作用を改良するようなやり方で孔が開けられている、請求項２２又は２６に記載のスイッチング装置。
【請求項２９】
ショットキー接点の孔の特徴的大きさが、ダイヤモンド空乏領域での放射線吸収深度と同じである、請求項２８に記載のスイッチング装置。
【請求項３０】
電界増加構造が、光学的手段により電子なだれ降伏閾値電圧を制御できるようにショットキー接点中に設計されている、請求項２２、請求項２２に従属した請求項２４及び２５、並びに請求項２６〜２９のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
【請求項３１】
２以上の非零レベルの光学的強度を用いて操作され、それらのレベルの光学的強度が同じか又は異なる波長のところにある、請求項２２、請求項２２に従属した請求項２４及び２５、並びに請求項２６〜２９のいずれか１項に記載のスイッチング装置。
【請求項３２】
２以上のレベルの光学的強度が同じ波長のところにある、請求項３１に記載のスイッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング装置に関し、特にダイヤモンドから作られた光伝導性又は他の照射活性化スイッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
理想的高電圧スイッチは、「オフ」状態で完全な電流遮断を与え、ブレークダウンを起こすことなく適用された高電圧に耐えることができ、「オン」状態ではその電流が大きい場合でも、スイッチされる電流に対するインピーダンスが０である。実際的スイッチング材料及び装置は、全てこの理想には不充分であり、特に困難な分野は、「オフ」状態で高電圧、「オン」状態で高電流の両方に耐えることが要求されるスイッチにある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高電圧スイッチを組込んだシステムの定格電圧が上昇するにつれて、用いられるスイッチは、オフ状態で一層高い電圧に耐える必要があり、そのためスイッチの逆阻止可能電圧が出来るだけ高くなる必要がある。そのようなスイッチのために珪素を用いることは、極度に大きな電圧遮断層を含むことになり、そのことは大きなオン抵抗を与える結果になるので、現実的には（特に、１０ｋＶを超える逆電圧が含まれているならば）不可能であろう。高いブロッキング電圧は、適当な高品質ダイヤモンドでは維持することができるが、そのような材料を用いる問題は、オン状態で可能な電流出力が限定され、比較的大きなインピーダンスを与える点についての問題であり、これら二つの問題は関連している。
【０００４】
そのようなスイッチの用途は、或る従来法の文献でも考えられている。例えば、ＵＳ６，２３９，５１４では、機械的スイッチと並列に光学的又は放射線活性化スイッチを用いる一般的概念が論じられており、その光学的又は放射線活性化スイッチは、機械的スイッチが開いた時、その機械的スイッチが誘導アーク発生を起こさないようにしている。ＵＳ６，１４０，７１５には、放射線活性化スイッチがＰＩＮダイオード構造体に基づいている場合の構造が記載されている。他の従来法の文献は、一層詳細に放射線活性化スイッチを考慮している。例えば、ＵＳ６，１９４，６９９は、それ自身シャドーイングの問題に関連しており、この場合、放射線ビームが衝突する装置の側の接点構造体は、それが接触する接点の重要な領域を固有の半導体材料で覆っている。それは、キャリヤーの易動性を可能にし、接点を埋めることがある付加的層をこの表面に与える解決法を提案している。ＵＳ６，２２２，１４１は、この問題に対する別の解決法を提案しており、両側の主要表面上で電極構造体を横にずらし、両方の主要表面を照射し、両側から陰になる領域が存在しないようにしている。
【０００５】
従来法で取り上げている問題の第三の分野は、伝導状態と遮断状態の両方について印加電圧が同じ方向に留まり、キャリヤー注入が簡単化された装置を与えることである。例えば、ＵＳ６，２０４，５２２は、接点の間にＳｉＣのような中間層及びダイヤモンドのような固有の広い禁止帯幅材料を使用することを包含している。そのようなＳｉＣ層は低エネルギー照射でキャリヤーを発生し、キャリヤーの注入を制御することにより、放射線源を除いたまま高い印加電圧で装置のスイッチを切ることができる。しかし、そのような装置は製造が困難で高価であり、ダイヤモンドとＳｉＣとの間の高品質ヘテロ・エピタキシャル界面に依存している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の要約
ダイヤモンド体と；
前記ダイヤモンド体への少なくとも一つの第一金属接点で、ショットキー接点(Shottky contact)であり、スイッチされる印加電圧により逆バイアスに維持された時の前記ダイヤモンド体に隣接した領域中に空乏領域を形成する前記第一金属接点と；
前記スイッチング装置からの電流を運ぶように構成されたダイヤモンド体への少なくとも一つの第二金属接点で、一般にオーム接点である第二金属接点；及び
ショットキー接点に隣接した、ダイヤモンド体中の空乏領域を照明又は照射し、それにより電流を運ぶことができるキャリヤーの発生を開始させるように構成した照明又は照射手段と；
を含み、前記ダイヤモンド体が、前記少なくとも一つの第一金属接点と接触した固有ダイヤモンドの一部分を含み、その固有ダイヤモンドが、硼素のようなドーパント原子を含めた充分低いレベルの不純物を有し、そのため電子特性が固有のキャリヤーによって支配され、そのようなキャリヤーについて大きなキャリヤー易動度及び寿命を有することを特徴とする、
スイッチング装置。
【０００７】
本発明を、次に例としてのみ添付の図面を参照して一層詳細に記述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
好ましい態様についての詳細な記述
本発明の装置は、比較的低いインピーダンス及び比較的低い光学的スイッチングフラックスをもってオン状態で大きな電流を維持することができ、好ましくはスイッチされる高電圧の存在下でスイッチ切ることもできる高電圧ダイヤモンド系スイッチング装置である。
【０００９】
このスイッチング装置は、ダイヤモンド体、本質的に固有のダイヤモンド層又はダイヤモンド体中の一部分、好ましくは化学蒸着（ＣＶＤ）により合成されたそれらに、スイッチされる印加電圧により逆バイアスに維持されたショットキーキャリヤー接点である少なくとも一つの第一金属接点、前記ダイヤモンド体への少なくとも一つの第二金属接点、及び典型的には、光源である、照明又は照射手段を含む。固有ダイヤモンド層へのショットキー接点により形成された空乏領域を照明手段からの放射線に露出し、それにより帯電キャリヤーを発生する。その場合、帯電キャリヤーの全数の獲得（ゲイン）は、固有ダイヤモンド層内の電界でそれらの帯電キャリヤーが加速され、補助電子なだれ降伏の仕方で更にキャリヤーを発生する結果として起きる。
【００１０】
本発明の好ましい態様として、スイッチング装置は、下に記載するような四つの重要な部品を含む：
ｉ）  二つの主要表面を与える本質的に固有の又は高純度のダイヤモンド層で、それらの表面の間の厚さが、装置の適用で印加電圧が、ダイヤモンドの自然的電子なだれ降伏のための電圧より確実に低くなるように設計されているダイヤモンド層。
ii）  前記固有ダイヤモンド層の一つの主要表面上のショットキー障壁接点で、好ましくは装置をスイッチング又は制御するために用いられる放射線に対し半透明にされた有孔金属層又は他の手段により形成されたショットキー障壁接点であり、スイッチすべき高電圧によりそのスイッチのオフ状態で逆バイアスに維持されるショットキー障壁接点。
iii)  固有ダイヤモンド層の第二主要表面上の第二接点で、好ましくはオーム接点であり、一層好ましくは金属接点と組合せた多量にドープしたダイヤモンド層を使用することにより形成した第二接点。
iv）  前記ダイヤモンド中にキャリヤーを発生することができ、装置をスイッチするのに用いられる一つ以上の選択された波長の光を与える光源。この光源は、ショットキー接点により形成された空乏層の少なくとも一部分を照明するように構成されている。照明は、ショットキー接点を形成する有孔金属層を通過するのが好ましい。
【００１１】
装置のために用いられるダイヤモンドは、化学蒸着法（ＣＶＤ）法又は高圧高温（ＨＰＨＴ）技術により製造された合成単結晶ダイヤモンド、天然ダイヤモンド、ヘテロエピタキシャルダイヤモンド、又はＣＶＤ法を用いて製造された任意の形態の多結晶質ダイヤモンドにすることができ、但しキャリヤー易動度及びキャリヤー寿命は、装置を機能させるのに充分大きいものとする。好ましい態様として、単結晶ＣＶＤダイヤモンドが用いられる。なぜなら、この形態のダイヤモンドは、一般に一貫した大きなキャリヤー易動度及び寿命にわたって最大の制御を与えるからである。
【００１２】
ダイヤモンド電子装置の効率的で信頼性のある操作は、電極が製造される表面の状態に大きく依存する。表面は結晶欠陥及び不純物密度が確実に非常に低くなるように調製されることが必要である。なぜなら、これらはトラップを生ずることがあり、それが接触特性を悪くする結果になるからである。好ましい態様として、それらの表面は最初次第に細かくなる砂を用いた宝石細工技術により調製し、樹脂結合砥石車を用いて研磨し、次に最後にプラズマエッチングして残留していた機械的に損傷した薄層を除去する。その材料は、高温酸化性酸混合物中で完全に清浄にし、非ダイヤモンド炭素質材料を全てそれら表面から確実に除去するようにする。
【００１３】
界面での表面粗さの制御も重要になることがあり、このことは特にショットキー接点の場合に当てはまる。粗さの小さい表面が望まれる好ましい態様の場合、そのＲａによって特徴付けられ、原子力顕微鏡のような非接触プローブで測定される表面粗さは、１．０ｎｍより小さいのが典型的であり、０．３ｎｍ位に小さくすることができる。しかし、或る用途では、一層大きな粗さ、精密に制御したレベルの粗ささえ有する界面も使用されることがある。しかし、粗いが、結晶欠陥を含まない界面を生成させるのは実質的に困難である。
【００１４】
第一のショットキー障壁接点は、スパッタリング又は蒸着のような技術を用いてダイヤモンドの表面に直接適当な金属を堆積することにより製造されるが、薄い金属層を堆積するための当分野におけるで既知の他の技術を排除するものではない。ショットキー接点のために適した金属には、Ａｌ及びＡｕが含まれるが、他の非炭化物形成性金属も適している。ショットキー接点の堆積のためにスパッタリング技術を用いることにより、ダイヤモンド表面上で終わるどのような層でも、金属堆積前に除去し、改良された性能、接着性、及び信頼性を確実に与えるようにする。
【００１５】
Ｔｉ、Ｗ、又はＣｒのような炭化物形成性金属の薄い（５ｎｍ未満）層を堆積し、次に５μｍまでの厚さを有するＡｕのキャッピング層を上に被覆することにより、第二オーム接点を形成する。場合により、Ｐｔの薄い（約１０ｎｍの厚さまでの）拡散障壁層を、炭化物形成性金属層の露出表面上に堆積してもよい。接点金属（単数又は複数）の堆積は、特に酸素で界面が汚染されていないように一連のスパッタリング操作により達成されるのが好ましい。そのような技術は当分野で公知である。
【００１６】
図１に例示したような電極の開口は、当分野で既知のリトグラフ法により形成する。それら装置の大きさ及び形状は、「リフト・オフ(lift-off)」及び「エッチ・バック(etch-back)」技術の両方を適用できるようなものである。しかし、リフト・オフが好ましい。なぜなら、それは、金属化とは両立できない極めて激しい化学的又はプラズマ処理を用いることなく除去することができない、ダイヤモンドに接着した金属炭化物フイルムに伴われる問題が回避されるからである。
【００１７】
装置の横幅の大きさにより全電力取扱い能力が調節されるが、厚さは、ブレークダウンが起きるまでに適用することができる最大電圧を限定する。図１に例示した装置の典型的な大きさは、直径が２ｍｍより大きく、２０ｍｍより小さく、全厚さが０．２ｍｍ〜２ｍｍである。図３及び４に例示した装置は、典型的には２ｍｍ×２ｍｍ〜２０ｍｍ×２０ｍｍの横幅の大きさを有するであろう。これらの大きさは典型的ではあるが、それらに限定されるものではない。
【００１８】
別の態様では、放射線源は光学的ではないが、ダイヤモンドと相互作用した時にキャリヤーの発生を与えることができる他の照射源、例えば、Ｘ線、電子、α粒子等である。そのような透過性放射線を用いることにより、図１の金属化で開口の必要性が軽減されるが、その放射線源は一層取扱いにくいことがあるので、装置の実際的操作を一層複雑にする。電磁気放射線を用いるのが好ましく、一層好ましくは１８０ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲内にある放射線である。
【００１９】
本発明のスイッチング装置は、一般に次のやり方で操作されるが、その記述はスイッチングのために光源を用いた好ましい態様に基づいている。
【００２０】
オフ状態では、固有ダイヤモンドにはキャリヤーは存在せず、逆バイアスに維持されたショットキー接点の接合部では、そこでも発生したキャリヤーは存在しない。印加電界で電子なだれ降伏より低くなるようにダイヤモンド層の厚さを選択すると、その装置は本質的に電流が流れることなく、印加電圧をオフに保持する。
【００２１】
ショットキー接点の空乏層に光源を適用すると、好ましくは、孔の開いた、従って、半透明性ショットキーカソード接点を有する装置の主要表面を照明することにより、照明ビームの光学的エネルギーにより固有ダイヤモンド層中にキャリヤーを発生する。生成した電子帯電キャリヤーは、印加電界により加速されて固有ダイヤモンド層の体積内に入り、その固有ダイヤモンド層の補助電子なだれ降伏を与える結果になる。この効果は、電流を運ぶのに有効な全キャリヤー（電子及びホール）数の獲得を与える。キャリヤー及びそれらが運ぶ電流の存在下で、補助電子なだれ降伏が、必要なキャリヤーを与えるのに丁度充分になる点まで印加電界を低下させる。ショットキー接点の空乏層でキャリヤーを発生する光源の存在下で充分なレベルの電子なだれ降伏を維持するのに必要な電界は、自然的電子なだれ降伏のための電界よりも遥かに小さく、そのため装置を通って小さな自己調節電圧が残留しているが、装置の効率は許容できる充分な高さになっている。
【００２２】
光源を除去すると、ショットキー接点空乏層の領域中のキャリヤー発生は終わり、ショットキー領域近傍で発生した電子は、固有ダイヤモンドからキャリヤーが無くなり、それにより装置のスイッチが切れるまで、第二金属接点又はアノードの方へカスケード状に流れて移動する。
【００２３】
この装置は、従来法の装置よりも多くの利点を有する。キャリヤーの大部分が補助電子なだれ降伏により発生するので、比較的低いレベルの光学的ポンピングによりオン状態が達成され、維持される。しかし、ショットキー・ブロッキング接点を用いると、光学的ポンピングが存在しないと付加的電子帯電キャリヤーの発生又は注入が除外され、それにより装置が切れる。その結果、依然として可能な高い電流出力及び低い電圧を与えながら、他のスイッチ設計の場合よりも、遥かに低いレベルの光学的駆動強度を用いて完全に光学的に制御されるスイッチが形成される。更に、ダイヤモンドの固有キャリヤー特性のために、この装置は非常に速く、その装置の損失を低くすることができ、他のバイポーラ装置に存在する電子・ホール再結合問題を回避することができる。更に、この装置は簡単で信頼性をもって製造することができ、ｐ及びｎ−型の両方のドーピングを必要とすることなく、ＳｉＣのようなヘテロエピタキシャル層が不必要である。
【００２４】
用いられる光学的波長のエネルギーは禁止帯幅より大きくすることができ（即ち、約２３０ｎｍより小さい波長を伴う禁止帯幅を通って電子を励起するのに充分なエネルギーを有する）、その場合、ダイヤモンド中での吸収が強く、光学的ビームに曝されたダイヤモンドの最初の数μｍ以内でキャリヤーが発生する。そのようなビームは、照明が有孔又は他の手段による半透明のショットキー接点を通して行われる場合、特に適用することができ、空乏層領域内に高いレベルの光学的励起を与える。
【００２５】
別法として、光学的波長は禁止帯幅未満にしてもよく、その場合、ビームは一般にダイヤモンド中に伝達され、主に特定のキャリヤー発生層中に位置する欠陥で吸収が起き、それは下で一層詳細に記載する本発明の別の態様を構成する。
【００２６】
更に別の態様は、用いる光学的波長が禁止帯幅近くにあってもよい場合であり、その挙動は用いた正確な波長に敏感であるが、上述の他の別法の利点の幾つかの組合せを示すことができる。例えば、それは、固有ダイヤモンド又はキャリヤー発生層中でのキャリヤー発生の浸透深さ及びプロファイルに適合させる手段を与えることができる。
【００２７】
更に別の態様は、二つ以上の光学的波長を組合せて用いることであり、その場合、異なった波長強度の比自体が装置の制御で潜在的に変動可能である。
【００２８】
上で述べたように、装置の別の態様は、光学的ビームとの相互作用及びキャリヤーの発生を増大するように選択された欠陥又は不純物を含む、別の固有のダイヤモンド層内の一つ以上の層をもつ付加的構造を含み、特に、キャリヤー発生のために与えられる照明エネルギーが禁止帯幅より低い場合に適用することができる。そのようなキャリヤー発生層で用いられる欠陥又は不純物は、用いられる光学的波長に対し適切な吸収を与え、装置がオン状態になっている場合に残存する少なくとも印加電界の下で、そのような波長により、伝導帯中でキャリヤーを発生することができ、それらキャリヤーの寿命及び易動度に対する有害な効果を最小限にするように選択する必要がある。キャリヤー発生層は、ショットキー接点の直ぐ近くに、例えば、空乏層内に配置し、その領域内でのキャリヤー発生を修正し、増大することができる。別法として、又は付加的に、キャリヤー発生層は、別の固有のダイヤモンド層の主要部中に配置してもよく、好ましい形態は、その固有ダイヤモンド層の体積全体にわたってキャリヤーの発生を増大する規則的に間隔を開けた一連の層である。そのような装置の特別な利点は、ダイヤモンド禁止帯幅のエネルギーよりも実質的に低いエネルギーを有する光で装置を効果的にオン状態にすることができることである。キャリヤー発生層中で欠陥を形成するのに適切な不純物には、Ｈ、Ｂ、Ｎ、及びＰが含まれる。特別な例は、ＣＶＤダイヤモンド成長過程で窒素を添加することであり、それにより２２０ｎｍで始まって３２５ｎｍで終わり、２７０ｎｍに最大値を有する広いピークを含む広い吸収帯及び次の式に従って一層短い波長の所で立ち上がるバックグラウンド吸収を禁止帯端近くに生ずる：吸収係数（ｃｍ−１）＝Ｃ×λ−３（Ｃは定数、λはμｍ単位）。
【００２９】
本発明の別の幾何学的形態は、ショットキー接点が、それらの間に電圧を維持する間隔をあけてダイヤモンドウエーハの表面上に配置されている場合の平面的幾何学的形態を用いて実現することができる。その場合、中間的ダイヤモンド表面領域に光が入射すると、電流の増大及び電圧の低下を起こす。この態様では、表面接点の間に維持される電圧は、それらの間の物理的間隔に関係する。入射光の条件で電流を伝導する場合に可能な電圧の相対的低下を最大にするために、製造条件の限界内でその間隔を減少させることが必要である。そのような場合、一対の間隔を開けたショットキー接点により維持することができる電圧には限界がある。しかし、複数の対のショットキー接点を直列に接続することにより、複合ショットキー障壁構造体により維持される末端電圧の、それに比例した増大を達成することができる。
【００３０】
次に図１に関し、本発明の光学的にアドレスすることができるスイッチ１０は、ショットキー障壁ダイオード（ＳＢＤ）１２から本質的に形成されている。光学的ＳＢＤ１２は、慣用的ＳＢＤと同様であり、第一金属接点又はカソード接点１６中にエッチングされた一つ以上の窓１４を含む。カソード１６で用いられるショットキー金属は、典型的には金であり（Ａｌのような他の非炭化物形成性金属が用途により適切になることもあるが）、約４．９ｅＶの仕事関数を有し、ダイヤモンド層１８（窓１４を通して見ることができる）上に配置されており、そのドーピングレベルは、挙動が本質的に固有になるように充分低くなっている。
【００３１】
固有層１８中の不純物（水素を除外し、存在する個々のキャリヤー発生層を全て除外する）の全レベルは、５ｐｐｍより低く、好ましくは１ｐｐｍより低く、一層好ましくは０．３ｐｐｍより低く、一層好ましくは０．１ｐｐｍより低く、一層好ましくは０．０３ｐｐｍより低く、最も好ましくは０．０１ｐｐｍより低い。一層重要なことは、固有層１８中の特定の三つのドーピング不純物、硼素、燐、及び硫黄の各々のレベルが、０．１ｐｐｍより小さく、一層好ましくは０．０３ｐｐｍより小さく、一層好ましくは０．０１ｐｐｍより小さく、一層好ましくは０．００３ｐｐｍより小さく、最も好ましくは０．００１ｐｐｍより小さい。固有層として用いるのに特に適切な材料は、ＷＯ  ０１９６６３３に記載されており、それが含む不純物は少なく、大きな易動度及び寿命を示している。
【００３２】
図２に示したように、アノード２０は、高度にドープされたダイヤモンド層２２、好ましくは高度に硼素がドープされたダイヤモンド層により一部形成されている。ドーパントレベルは１０ｐｐｍを超えているのが好ましく、一層好ましくは３０ｐｐｍを超え、一層好ましくは１００ｐｐｍを超え、一層好ましくは２００ｐｐｍを超え、最も好ましくは５００ｐｐｍを超えているが、２０，０００ｐｐｍを超えないのが好ましく、一層好ましくは１０，０００ｐｐｍを超えず、一層好ましくは５，０００ｐｐｍを超えず、一層好ましくは２，０００ｐｐｍを超えず、最も好ましくは１０００ｐｐｍを超えない。アノード２０は、更に金属接点２４を含み、それに回路結合（図示されていない）を、例えば、配線結合により行うことができる。
【００３３】
光源（図示されていない）からの光学的照明２６が、例えば、カソード接点１６中のパターン化された窓１４を通して照らすことにより、ダイオード中のブレークダウンで起きる電子なだれ増幅現象を開始し、制御する。ＳＢＤ１２をブレークダウン電圧に近い逆バイアスに維持すると、入射フォトンフラックスにより空乏領域２８中に生じた小さな濃度の電子ホール対が、系を電子なだれモードへ駆動するのに充分になる。現在ダイヤモンドで可能な大きな易動度及び寿命、例えば、それぞれ４５００及び３８００ｃｍ２／Ｖ・ｓの電子及びホールの易動度、及び約１００ｎｓの寿命により、低い印加電界で、一度び確立された電子なだれ効果及び維持された光学的励起を持続させることができる。ショットキー障壁接合の空乏領域２８中に光学的励起が存在しないと、維持することができる電界は、自然的電子なだれ降伏の直ぐ下になる。高純度ダイヤモンドは、２０ＭＶ／ｃｍを超える値を有する半導体の自然的電子なだれ降伏について最も高い既知の閾値を有する。これは、高い電圧をオフ状態に維持するように設計された光学的装置に特に適している。
【００３４】
空乏層領域を覆うショットキー電極構造体により遮蔽効果を減少させるのに役立たせるため、本文中前に記載したもの及び当分野で報告されている他のもを含めた種々の手段を用いることができる。光学的励起が、ショットキー接点の空乏領域と相互作用するように意図され、有孔ショットキー接点を通して照射された場合、相互作用度は、一つには接点の孔の正確な設計により制御される。ダイヤモンドは非常に大きな屈折率を有するので、ダイヤモンド内部の全反射角度は２２．４°である。従って、ダイヤモンドに対し外部の媒体が空気である場合、ダイヤモンドへの外部からの照明角度がどのようであっても、ダイヤモンド内部の光は半角２２．４°の円錐角に限定される。問題の波長、典型的には２００〜５００ｎｍでは、屈折効果は一般に小さい。その場合、入射光と空乏領域との相互作用は、吸収深さが、ショットキー接点の空乏領域の深さと同様か又はそれより僅かに大きいスケールになる波長を選択し、次に照明の吸収深さと同様な横の大きさを有する孔又は開口をショットキー接点中に形成することにより最もよく促進される。
【００３５】
別法として、ショットキー接点を作るダイヤモンド表面は平面状である必要はないが、トレンチ、四角錐のような非平面状形態、又は照射源に役立つように設計された他の幾何学的形態、特に空乏層の多く又は全てを露出する光源を含むことができるであろう。この態様では、好ましい構造は、ショットキー接点自身が同一平面の表面上に横たわり、それらの間の幾何学的特徴が、光ビームの屈折が空乏領域を照射するのに役立つように与えることであり、従って、ダイヤモンドの大きな屈折率が有利である。別の構造は、ショットキー接点自身が全表面と同一平面上にない構造体上に横たわる場合であり、その構造単独又は励起ビームを反射するように与えられた構造と組合せて空乏領域の露出を改良する。
【００３６】
慎重な設計により、ダイヤモンド界面での分散挙動を利用してダイヤモンド中での種々の波長の分布を修正することができる。更に、光が入射する時に通る装置の表面の幾つか又は全てに反射防止被覆のような被覆を使用することも有利であり、表面での反射を減少したり、又は、屈折挙動を修正する。用いられる特定の表面設計構造は、ダイヤモンド表面の複数の領域又は全体を覆って回折格子構造体を製造することであり、その場合ショットキー接点はその回折格子により照射される空乏層に隣接した領域上に配置させるか、又は回折格子設計内の周期的構造面上に構成する。特に非光学的形態の照射ビームを用いた場合、一つ以上の方向で斜めの照射が空乏領域の増大した励起を与えるであろう。
【００３７】
更に別の励起手段は、特に禁止帯幅未満の光学的励起をキャリヤー発生層に関連して用いる場合、装置の横から照明することである。これは種々のやり方で行うことができ、一方の側から与えられた衝突ビームを用いるか、又は一つの主要表面に入る垂直に衝突するビームを用いるか、問題の領域中にビームを内部反射するようにダイヤモンドの反対の主要面に配置した４５°に近いファセット(facet)を用いる。ダイヤモンドの大きな屈折率を使用して一層大きな利点を与えることができる。なぜなら、ダイヤモンド板の主要表面及び直交面のいずれかの方向から２２．４°より大きな、その板上のファセットを通して光学的放射線を注入することにより、吸収されるか又は入射面から再放出されるまで、全内部反射により光が内部にトラップされるようになるからである。そのような手段は、種々の用途に対し、ダイヤモンドでの光学的ポンピングを増大する優れた方法である。
【００３８】
更に別の態様は、ダイヤモンドの臨界角に近いショットキー接合面で衝突し、その光がダイヤモンドの表面に対し平行に内部に誘導されるように、装置のダイヤモンド中へ光を入れることである。この構成も、光学的励起が禁止帯幅より低く、ショットキー接合の空乏層内又はそれに近い所にあるキャリヤー発生層と組合されている場合に最もよい機能を果たす。
【００３９】
装置の一層の最適化は、その中の孔によって形成されたショットキー接点近くの電界の増大を考慮することにより達成することができる。ショットキー接点中の構造面の間隔及び鋭さを増大することにより発生した局部的大きな電界は、電子なだれ降伏が起きる印加電圧閾値を低下することができる。それとは逆に、低い適用レベルの光学的照明は、降伏に必要な臨界的レベルより少ないが、そのような局部的に高い電界を部分的に分別するのに充分なキャリヤーを発生することができ、それによって電子なだれ降伏が起きる印加電圧閾値を、電界の不均一性が全く存在しない場合に達成することができる値近くまで戻すことができる。
【００４０】
これらの効果は、本発明の装置の更に別の操作方式を与えるものであり、それは、電子なだれ降伏のための電圧閾値を光学的手段により制御した装置である。二つの操作方式を一緒にすることにより、装置をスイッチするのに用いられる光学的強度は、オフ状態では０になることはないが、電子なだれ閾値より一層低い値までスイッチし、恐らく更に一層低い値まで進行させるか又はオン状態からオフ状態へ装置を移行させるように完全にオフにすることができるであろう。この種の効果は、複数の個々のスイッチが用いられた場合の高電圧スイッチングモジュールでこの装置の適合性を増大し、異なった光学的制御パラメーターを適用することにより、それぞれのスイッチから異なった挙動を得ることができる。
【００４１】
本発明の更に別の態様は、二つ以上の波長の光を用いることを含み、例えば、局部的に増大した電界を制御し、それにより自然的ブレークダウン（降伏）電圧を制御するため一つの波長を低強度で用い、別の波長をオン状態へ装置を切り替えるために用いる。
【００４２】
図３及び４に関し、本発明の別のスイッチング装置３０、５０が平面図として示されている。図３のスイッチング装置３０は、互いに距離ｘだけ間隔を開けた一対の接点３６、３８と接触した上表面３４を有し、電圧を支える領域４０を定めるダイヤモンド体３２からなる単一表面ショットキー障壁スイッチである。領域４０中へ光が入射すると、電流の増大及び電圧の低下を起こす。この装置についての名目上の電界は、Ｅ＝Ｖ１／ｘである。
【００４３】
図４のスイッチング装置５０は、直列に接続された接点５６、５８の幾つかの対と接触した上表面６５を有するダイヤモンド体５２からなる多重表面ショットキー障壁スイッチであり、それら接点は距離ｘだけ互いに離れており、電圧を支える幾つかの領域６０を定めている。一度び領域６０中に光が入射すると、この場合も電流の増大及び電圧の低下を起こす。この装置の名目上の電界はＥ＝Ｖ１／ｘであり、式中、末端電圧はｎＶ１であり、（ｎ＋１）個のショットキー障壁を有する。
【００４４】
本発明を、更に次の例により例示するが、それらの例に限定されるものではない。
【実施例】
【００４５】
例１
本発明の装置は、ＩＳＥ−ＴＣＡＤシミュレーションを用いてモデム化され、以上の条件を使用した。
【００４６】
３００Ｋでの吸収係数１２ｃｍ−１及び０．８８×１０−３Ｗ／ｃｍ２〜０．８８×１０２Ｗ／ｃｍ２のビーム強度を用い、０．２２５μｍの光による光学的励起を行った。ショットキーカソード接点は金接点で構成され、横の形状特性は２．５μｍで、間隔は２．５μｍであった。ショットキー障壁高さは、１．８７ｅＶであった。ドリフト層と呼ばれる固有ダイヤモンド層の上に、結合されたこの接点は、１×１０１３ｃｍ−３活性化Ｂ原子を含むものとしてモデルが作られた。なぜなら、外因的キャリヤーが０のモデルにした層は非現実的であるからであり、その場合、１×１０１９ｃｍ-３活性化Ｂ原子を有する硼素ドープ層を有し、オームアノード接点を形成するために金属接点を用いた。ドリフト層の厚さは、０．２μｍ〜１８μｍで変動していた。
【００４７】
光の大部分はダイヤモンドの最初の２μｍで吸収されたが、吸収末尾は５μｍを超えて伸びている。これは、吸収係数が低いためであり、ダイヤモンドが間接的禁止帯幅材料であるという事実による。
【００４８】
オフ状態では、カソード及びアノードに印加された正電圧は０Ｖに維持され、４μｍのドリフト長さについて維持された最大電界は、局部的電界の不均一性によりダイヤモンドの限界値から約４．６ＭＶ／ｃｍ減少していた。２μｍのドリフト長さでは、光学的励起がない場合、カソード電流密度は約１．３×１０−９Ａ／ｃｍ２である。これは、０．８８Ｗ／ｃｍ２の電力密度で光学的ビームを適用した場合、約７×１０−１Ａ／ｃｍ２に対し７桁以上上昇している。
【００４９】
与えられたドリフト長さについて光学的ビーム強度を変化させることにより、ブレークダウン電圧の変動を観察することができる。表１には、二種類のドリフト長さについてのブレークダウン電圧の値が与えられており、光電力密度と共に僅かなＢＶの増大を認めることができる。このことは、ドリフト領域のキャリヤー濃度を増大することにより、ポテンシャル線が一層均一な分布を有する事実による。このことは、電界を僅かに一層均一にし、その結果ブレークダウン電圧の僅かな増大を誘発している。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
ドリフト長さを減少することにより、この効果は顕著ではなくなってきて、０．２μｍ〜０．３μｍのドリフト長さでは、逆の現象を観察することができる（表２）。ビーム電力密度を増大した場合にブレークダウン電圧が減少することは、光起動ショットキーダイオードが、暗い場合に比較して照明されると、一層小さなカソード電圧で電子なだれを起こすことを意味している。そのような状況下でその装置は、照明すると一層容易にオンにすることができる。
【００５２】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、本発明のスイッチング装置の一つの態様の平面図である。
【図２】図２は、図１の線２−２に沿った断面図である。
【図３】図３は、本発明のスイッチング装置の更に別の態様の平面図である。
【図４】図４は、本発明のスイッチング装置の更に別の態様の平面図である。
【図３】
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【図４】
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【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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