(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料からなる第１層（１）と、第１層の両面に設けられ、異なる電位に接続されて、第１層に電圧を印加することのできる２つの接触層（２，３）とを具備し、
当該第１層は、第１の材料の電荷キャリアを価電子帯から伝導帯まで励起するために十分なエネルギを有する光（５）の照射を受けたときに、前記接触層間に加えられた電圧に対して導電性を有し、
前記第１層の前記第１接触層（２）側には開口（４）が設けられて、当該第１接触層側から照射された光が、前記開口を通って前記第１層に到達し、印加された電圧を導通する光導電スイッチであって、
前記第１層の第１接触層の側に、少なくとも第１層の前記開口部を覆って、当該開口部で第１層と接触する第２層（７）が設けられ、
当該第２層の材料の、価電子帯と伝導帯との間のエネルギーギャップが、前記第１層の第１の材料のエネルギーギャップと実質的に等しいことを特徴とする光導電スイッチ。
【請求項２】
前記第２層（７）は、第１の接触層（２）も覆うことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
【請求項３】
第２層（７）の、少なくとも第１層とのインターフェース部分近傍の材料は第１の材料と同じであることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項４】
第２層（７）の材料は第１層（１）の材料と同じであることを特徴とする、請求項３に記載のスイッチ。
【請求項５】
第１層（１）と第２層（７）は結晶質材料からなることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項６】
第１の材料の価電子帯と伝導帯との間のエネルギギャップが４．５ｅＶよりも大きいことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項７】
前記第１層（１）は真性な材料からなり、第１層が照射を受け、接触層（２，３）の間に電圧が印加されると、電圧の向きにかかわらず、電圧に対してスイッチが導電性であり、第１層に照射がされなければ遮断状態であることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項８】
前記第１の材料はダイヤモンドであることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項９】
ダイヤモンドはドーピングされていることを特徴とする、請求項８に記載のスイッチ。
【請求項１０】
前記第２層（７）の材料の、価電子帯と伝導帯のエネルギギャップは、少なくとも５．４ｅＶであることを特徴とする、請求項８または９のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１１】
前記接触層（２，３）はタンタル、チタンおよびタングステンから選ばれた材料からなることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１２】
前記第１層が、反対の導電タイプｎとｐとでドーピングされた半導体材料からなる、整流ダイオードを構成する、少なくとも２層の積層（１１，１２）を有し、ｐｎ接合に正方向の電圧が印加されたときは常に導電性を示し、ｐｎ接合に逆方向の電圧が印加されたときは、第１層が照射を受けていなければ遮断、第１層が照射を受けていれば導電性を示すことを特徴とする、請求項１ないし６、１０または１１のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１３】
前記第１の材料はＳｉＣであることを特徴とする、請求項１ないし６、または、１０ないし１２のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１４】
前記第１の材料はＳｉであることを特徴とする、請求項１ないし６、または、１０ないし１２のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１５】
前記第１の材料はＧａＮ、ＡｌＮまたはＢＮのいずれかであることを特徴とする、請求項１ないし６、または、１０ないし１２のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１６】
第２層の材料は電気的に絶縁性であり、前記開口（４）によって分離した第１の接触層の部分を絶縁することを特徴とする、請求項１ないし１５のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１７】
前記第２層（７）はスイッチの保護層として機能し、第１層を環境の影響から保護することを特徴とする、請求項１ないし１６のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１８】
第１層の厚さは２００μｍであることを特徴とする、請求項１ないし１７のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項１９】
第２層（７）の厚さは１０μｍであることを特徴とする、請求項１ないし１７のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項２０】
第２層（７）の厚さが第１層（１）の厚さより小さいことを特徴とする、請求項１ないし１７のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項２１】
高電力および／または高電圧および／または高電流スイッチングのために使用する、請求項１ないし２０のいずれかに記載のスイッチ。
【請求項２２】
高電力配電プラントの装置を保護するためのサージ分岐器または電流リミッタに使用する、請求項２１に記載のスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、第１の材料からなる第１層と、当該第１層の両側に設けられ、異なる電位に接続されることで第１層を横切る電圧を印加する２つの接触層を有し、第１層は、電荷キャリアを価電子帯から伝導帯に励起するために十分なエネルギを有する光の照射を受けたときに、接触層の間に加えられた電圧に対して導電性を示し、第１の接触層は当該第１の接触層の側からの光が通過して前記第１層に到達し、接触層間の電圧に対してスイッチを導電性にするための開口を有する。
【０００２】
この種のスイッチには多くの適用対象があり、たとえば、高電力用の高電圧（２から４００ｋＶ）かつ高電流用の、サージ分岐装置、電流リミッタのようなスイッチに使用することができる。光導電性スイッチの長所は、光制御によって、高電力装置に故障が起きた際に装置を保護するためには非常に重要である、超高速スイッチングが可能になる点である。
【０００３】
垂直スイッチと呼ばれるこの種の光導電性スイッチに共通の問題は、接触層の内の一方から照射を受けるので、照射を受ける側の接触抵抗を小さくし、同時に、照射によって第１層に自由電荷キャリアを効率的に発生させることが困難であった。第１層の前記接点で覆われている部分は陰になる、つまり、この領域には光が届かず、自由電荷キャリアが発生しない。つまり、この部分では導電性が低い。開口を非常に広くして開口によって分離している接触層の部分を小さくすることは、活性領域、つまり、スイッチが導通状態になったときに電荷キャリアが到達する面積を小さくすることになり、スイッチの接触抵抗を顕著に増大させることになるので、実質的な解決にはならない。
【０００４】
この問題は第１層の材料とは無関係であるが、ドープが困難でバンドギャップ（価電子帯と伝導帯の間のエネルギーギャップ）が大きなダイヤモンドのような材料では一層顕著である。幾つかの材料に関して、この問題を部分的に解決する手段は、第１層の、第１の接触層近傍を強度にドーピングして、照射によって第１層で発生する自由電荷キャリアが「影」の領域を通って、第１の接触層に容易に到着するようにすることである。同様に部分的解決方法は、接触層として第１層の上に透明な導電層であるＩｎドーピングしたＳｎＯ２を堆積することであるが、この方法は第１層のバンドギャップが４．２ｅＶ（ＳｎＯ２のバンドギャップ）以下の場合でなければ使用することができない。
【０００５】
上記の部分的な解決手段が適用できない材料という意味で、以下の記載では、約５．４ｅＶのバンドギャップを有し、ドーピングが困難なダイヤモンドに焦点を当てるが、本発明がダイヤモンドに限定されるという意味ではない。ダイヤモンドの第１の接触層に隣接する部分を高度にドーピングすることで接触抵抗を低減することはできず、ＳｎＯ２はダイヤモンドを導電性にするために必要な高エネルギ光の大部分を吸収する結果、光はダイヤモンドに到達しないので上述のようにＳｎＯ２をダイヤモンドに使用することもできない。
【０００６】
発明の要旨
本発明の目的は、導入の部分で定義した光導電性スイッチであって、従来知られている光導電性スイッチに比較して第１の接触層の側の接触抵抗が低いものである。
【０００７】
本発明によれば、当該目的は、第１の接触層の上に、少なくとも第１層の前記開口から露出している表面を覆い、当該開口において第１層とのインターフェースを構成するように形成し、薄膜状の第２層は第１の材料に対して良好なインターフェースを形成する材料であって、第１の材料の価電子帯と伝導帯とのエネルギーギャップに比較して同等以上のエネルギーギャップを有して、実質的に大部分を吸収することなく光を透過させる材料からなる構成によって達成される。
【０００８】
電荷キャリアが開口内の第２層を通って影の部分を通過することなく第１の接触層に到達することができるので、第１のコンタクト層の形状が同じであれば、第１の接触層の実効接触面積は増加する。このためには、電荷キャリアと光のインターフェース部分で電気および光学的なトラップによって補足されてスイッチの抵抗を増加させないように、第１層と第２層のオーダーが調整されていることが重要である。このようにして第１の接触層の幾何的な面積を小さくすること、つまり、開口を大きくし、しかもスイッチの取り扱い電流を過剰に制限しないように十分な接触面積を確保することが可能になる。結果的に、「影」の部分の面積を小さくして、照射を受けたときのスイッチの抵抗を低減する。
【０００９】
第２層を薄くし、かつ、その材料を少なくとも第１の材料と同等のバンドギャップを有する材料にすることで、当該第２層で光の大部分が吸収されるリスクは生じない。
【００１０】
本発明の好ましい実施例によれば、当該第２層は、第１の接触層の第１層とは反対側の表面においても電荷キャリアが接触層に到達することができるので、第１の接触層の実効面積を一層増大させる。したがって、第２層が第１の接触層の全表面を覆うのが、極めて好ましい態様である。
【００１１】
本発明の別の好ましい実施例に従えば、第２層の材料は第１層の材料と実質的に等しい価電子帯と伝導帯のギャップを有する。これは当該第２層によって光の内のいくらかが吸収され、スイッチの抵抗をさらに小さくすることになる。
【００１２】
本発明の別の好ましい実施例に拠れば、第２層の材料は少なくとも第１層とのインターフェースの部分においては第１の材料と同じであり、この場合には、結晶格子を整合させることが通常容易になるので、第１層と第２層との間のインターフェースのオーダーを良好にする。従って、第１層の材料と第２層の材料とが同一であることが好ましい。同じ材料を使用することは、さらに、エネルギーバンドギャップに関する要請が自動的に満足されることを意味する。
【００１３】
本発明の別の好ましい実施例に拠れば、第１の材料の価電子帯と伝導帯のエネルギギャップは４．５ｅＶより大きく、本発明は、上述のように透明なＳｎＯ２層を使用する必要が無いので、当該実施例はこのような材料を使用したスイッチに好適に使用される。
【００１４】
本発明の別の極めて好ましい実施例によれば、第１の材料はダイヤモンドである。ダイヤモンドは、すでに述べたように、ドーピングが困難でＳｎＯ２の４．２ｅＶに比較して、５．４ｅＶときわめて高いバンドギャップを有し、ダイヤモンドの物理特性は光導電性スイッチの材料として極めて良好である。ダイヤモンドは、特に極めて高い絶縁破断電界強度を有し、このことは、ダイヤモンドを使用した光導電性スイッチは遮断状態、つまりオフの状態、では極めて高い電圧を保持できることを意味する。さらに、ダイヤモンドは比較的電荷キャリアの移動性が高いので、導電性が高い。従って、ダイヤモンドはこの種のスイッチに使用するには非常に好適な材料であるが、上述のような接触抵抗の問題があるので、今までは、「垂直」スイッチに使用することは困難であった。ダイヤモンドは、真性な形態で使用するのが好ましい。「真性なダイヤモンド」とは、ダイヤモンドがドープされていないか、補償ドープされているか、対象温度範囲ではドーパントが熱的に活性でないものを意味する。前記の第１層もまたダイヤモンドに使用することが、第１層と第２層との良好なインターフェースを得るために望ましく、実際にはＣＶＤを使用して第１層の上に第２層をインターフェースを作らずに堆積することが可能であり、この場合その「インターフェース」においてもモビリティはダイヤモンドのバルクモビリティと同じになる。
【００１５】
本発明の他の好ましい実施例に拠れば、前記の接触層は、第２層がダイヤモンドの場合には、第２層のＣＶＤ成長に必要な高温（摂氏８００−９００度)に耐えることのできる、タンタル、チタンおよびタングステンから選択されるのが望ましい。
【００１６】
本発明の上記以外の利点と好ましい特性は以下の記載と従属請求項を通じて明らかにする。
【００１７】
発明の好ましい実施例の詳細な説明
本発明の好ましい実施例に基づく光導電スイッチの概念を図１に示すが、スイッチは、真性なダイヤモンドからなり約２００ミクロンの厚さを有する第１層１と、第１層の両側に設けられ、異なる電位に接続することによって第１層１を横切る電圧を印加することができる、２つの接触層、つまり、第１の接触層２と第２の接触層３を具備する。従って、２つの接触層はそれぞれ、たとえば、電力回路の制御装置の電気回路に設けられたスイッチの電極に接続される（図示しない）ように構成されている。
【００１８】
第１の接触層２には、第１の接触層の側からスイッチに与えられた光５が第１層に到達して印加された電圧に対して、電圧の向きにかかわらず、導電性を発揮するように開口４を有する。第１層の真性なダイヤモンドの価電子帯と伝導帯のギャップは約５．４ｅＶであり、このことは、前記の光５は、ダイヤモンド内の電荷キャリアを価電子帯から伝導帯まで励起するには少なくともそれだけのエネルギが必要であることを意味する。第１の接触層の下側にどのように「影」６、つまりそこではダイヤモンドで自由電荷キャリアが発生せずスイッチの導電性が非常に低い部分、が形成されるかを図示した。
【００１９】
同様に真性なダイヤモンドである第２層７が、第１層の前記開口部分と第１の接触層とを覆うように形成されている。この層は、典型的な場合は、約１０ミクロンの厚さを有する。ここではダイヤモンドである、同じ材料を使用することによって、第１層と第２層との間にきわめて良好なオーダーのインターフェースを形成することができ、ダイヤモンドの場合には実際にインターフェースは存在していないが、図面では線８によって表した。この第２層は、照射によって第１層で発生した電荷キャリアが開口から第２層を通り第１の接触層の側面と上面から流入するので、矢印９と１０とで示したように、第１の接触層の活性面積を飛躍的に増大させる。このことは、第１の接触層の実行面積を減少させることなく開口４の面積を、第２層が無い場合に比較して、はるかに拡大したことになり、第１の接触層は、第１層の全表面積の数パーセントを覆うだけになる。つまり、第１層が光５の照射をはるかに多く受け、オンの状態でのスイッチの導電性が増大する。
【００２０】
第２層７を設けることの別の利点は、第２層によって第１の接触層が電気絶縁材料に埋設され、スイッチの光を受けない絶縁状態での接触層の絶縁が行われることである。層７は、スイッチの保護層、つまり、ダイヤモンドのように電気的に活性な第１層を環境の影響から保護するための層として機能する。
【００２１】
本発明の第２の好ましい実施例に基づくスイッチを図２に示すが、この実施例は図１に示した実施例に比べると、第１層が、たとえばＳｉＣ，Ｓｉ、ＧａＮ，ＡｌＮまたはＢＮを反対の導電特性ｎとｐでドーピングして、ｐｎ接合１３に正方向のバイアス電圧が印加されたときは常に電流を流し、逆電圧が印加されたときは、第１層に光５が照射されていなければ電流を遮断し、第１層に光が照射されていれば電気を導通する半導体材料から構成される積層したサブレイヤ１１，１２によって構成されている点が異なる。ダイヤモンドに比較してドーピングがはるかに容易なこれらの半導体材料からなるスイッチは、前記「影」の影響を相殺するために当該材料を高度にドーピングすることが可能で、バンドギャップが４．２ｅＶと小さな材料については、ＩｎドープしたＳｎＯ２のような透明な導電性材料を使用することが可能なので、第２層を使用することの利益は前述の例に比較すれば小さいが、上述の構成は極めて好ましいものである。第１層の材料としてダイヤモンドをドーピングすることも本発明の範囲に含まれることは当然である。
【００２２】
本発明の上述の実施例に限定されるものではないことは当然であり、当業者であれば、本発明の技術思想の範囲において多くの変形を考えることができる。
【００２３】
第１層と第２層の材料は光導電性スイッチに好適な材料であればなんでも良く、上述の例には限定されない。
【００２４】
第１層を照射するために比較的照射スペクトル幅の広い通常の白色光を使用する場合は、第２層には第１層とは別の材料を使用して、光を有効に使用して第１の材料のバンドギャップに対して大きなエネルギーが第２の材料によって吸収されないようにすることが望ましい。
【００２５】
請求項に定義された「結晶質材料」は、単結晶と多結晶体を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の好ましい実施例に基づく光導電性スイッチの断面を示す概念図である。
【図２】  本発明の第２の好ましい実施例に基づく、第１図と同様な図である。
【図１】
0004519321.tif 000002
【図２】
0004519321.tif 000003