改良された半導体構造を備える光導電性スイッチ
【課題】高周波での性能が改善された光導電性スイッチを提供する。
【解決手段】光導電性スイッチは、比較的広いエネルギーバンドギャップを有する第１及び第２の半導体、及びそれらの間に挟まれるように置かれる第３の半導体からなる光導電層を有する。第３の半導体のエネルギーバンドギャップは第１及び第２の半導体に比較して狭いものとされる。また、第１の半導体と第２の半導体とは、導電タイプ（ｐ型又はｎ型）が相違し、これによりダブルヘテロ接合構造とされる。第１の半導体の表面に離間して電極が設けられる。低挿入損及び高アイソレーションの光導電性スイッチが実現される。
【解決手段】光導電性スイッチは、比較的広いエネルギーバンドギャップを有する第１及び第２の半導体、及びそれらの間に挟まれるように置かれる第３の半導体からなる光導電層を有する。第３の半導体のエネルギーバンドギャップは第１及び第２の半導体に比較して狭いものとされる。また、第１の半導体と第２の半導体とは、導電タイプ（ｐ型又はｎ型）が相違し、これによりダブルヘテロ接合構造とされる。第１の半導体の表面に離間して電極が設けられる。低挿入損及び高アイソレーションの光導電性スイッチが実現される。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、光電子装置に関するものであり、とりわけ、低コストで製造可能な高性能光導電性スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】マイクロ波スイッチは、高周波数で機能し、ＯＮ／ＯＦＦ比が改善され、挿入損失が減少し、アイソレーションが強化されるものと期待されている。光導電性スイッチ（ＰＣＳ）は、光を利用して、その導電性を制御し、従って、それを通る電子信号を変調する。光導電性スイッチは、トランジスタのような同等の電子制御スイッチよりも漂遊電子インピーダンスが小さい。従って、光導電性スイッチは、潜在的に高周波及び高性能マイクロ波スイッチとして用いるのにより適している。
【０００３】Ａｕｓｔｏｎに対する米国特許第３，９１７，９４３号には、超短光パルスによって駆動される、半導体基板上に製造された第１のタイプのＰＣＳが開示されている。狭いギャップによって分離された２つの金のマイクロ・ストリップ伝送ラインが、吸光絶縁半導体基板の表面に配置されている。ギャップを通って基板に送り込まれる第１の光パルスが、ギャップ内における基板表面に多量の電荷を発生することによって、ＰＣＳをＯＮにする。第１の光パルスの間に生じ、ギャップに送られる第２の光パルスが、接地面まで延びる基板の大部分に多量の電荷を発生する。これによって、マイクロ・ストリップ伝送ラインとアースが短絡し、ＰＣＳがＯＦＦになる。基板を低温で成長させるか、又は、基板にイオン注入を施して、キャリヤの寿命を短縮することによって、極めて高速の応答が得られるようになる。しかし、これによって、キャリヤの移動度も低下し、ＰＣＳの挿入損失が大きくなる。
【０００４】Ｄｅｒｋｉｔｓ，Ｊｒ．による米国特許第４，７５５，６６３号には、ＡｕｓｔｏｎのＰＣＳの欠点として、光パルスによって生じる電気インパルスが、キャリヤ輸送ではなく、キャリヤ再結合によって左右される点にあることが示されている。Ｄｅｒｋｉｔｓは、ギャップを構成する基板の一部に、ある表面テクスチャを示す、漸変組成の感光半導体材料から構成される領域が含まれるＰＣＳを開示している。感光半導体材料の表面に電荷キャリヤを発生するのに十分な強度の光ビームでギャップを照射すると、ＰＣＳが導通する。
【０００５】図１には、Ｄｅｒｋｉｔｓ，Ｊｒ．によって開示されたＰＣＳ１の実施形態が示されている。この場合、シリコンが望ましい半絶縁半導体基板１０の主表面２１上には、接地面電極１１又はオーム接触が配置されている。基板の反対側の主表面２２には、比較的広いエネルギー・バンド・ギャップを有する半導体材料による層１８が配置されている。層１８の上には、漸変組成の合金半導体材料による層１９が重ねられている。ギャップ１３によって分離された電極１４及び１５が、層１９の表面に配置され、基板の主表面２２の一部の上に延びている。電極は、層１９とオーム接触領域１７を形成している。
【０００６】層１９の材料は、２つの半導体材料Ｗ及びＮの合金である。半導体材料Ｗは、広いエネルギー・バンド・ギャップを備え、半導体材料Ｎは、狭いエネルギー・バンド・ギャップを備えている。合金中における狭いエネルギー・バンド・ギャップ半導体材料Ｎの比率は、層１８からの距離が長くなるにつれて、層１８との接合におけるゼロ値から単調に増大する。グルーブ２０又は他のテクスチャが、ギャップ１３の下にある層１９の部分に形成され、電荷分離体の働きをする。
【０００７】光がギャップ１３を通って層１９に当たると、電極１４と１５の間を電気的に導通させる電荷キャリヤが生じる。光を消すと、電荷キャリヤを一掃して、層１９の狭いエネルギー・バンド・ギャップ材料が主体の領域に送り込む準電界が発生することによって、ＰＣＳがＯＦＦになる。この領域において、グルーブ２０は、電荷キャリヤを分離し、電極セグメント間におけるそれ以上の導通を阻止する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】Ｄｅｒｋｉｔｓの開示したＰＣＳによれば、性能が向上するが、今日の技術の要件を満たすには、更に性能の向上したＰＣＳが必要になる。
【０００９】従って本発明の目的は、更なる性能の向上した光導電性スイッチ（ＰＣＳ）を提供することをその目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、従来のＰＣＳに比べて挿入損失が少なく、アイソレーションに優れた光導電性スイッチ（ＰＣＳ）が得られる。挿入損失は、本発明によるＰＣＳのＯＮ抵抗Ｒonがより小さいために減少する。アイソレーションは、本発明によるＰＣＳのＯＦＦキャパシタンスＣoffがより小さいために強くなる。従って、本発明によるＰＣＳは、従来のＰＣＳよりも低い性能指数Ｆ＝Ｒon／Ｃoffを備えることになる。性能指数が低いということは、より優れた性能を有するＰＣＳであることを表している。
【００１１】本発明によるＰＣＳは、複数のヘテロ接合を含む多層半導体構造に基づくものである。各ヘテロ接合は、広いエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料（ＷＢ材料）の層と、狭いエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料（ＮＢ材料）の層との間の接合である。ヘテロ接合の１つを形成する半導体材料は、逆の導電タイプになるようにドープされる。従って、このヘテロ接合は、ｐ型ＷＢ材料の層とｎ型ＮＢ材料の層との間か、又は、ｎ型ＷＢ材料の層とｐ型ＮＢ材料の層との間に形成される。
【００１２】本発明によるＰＣＳには、上側閉じ込め層と下側閉じ込め層の間に挟まれたＮＢ材料の光導電層から構成される３層半導体構造が含まれる。両閉じ込め層とも、ＷＢ材料の層である。上側閉じ込め層及び光導電層は、逆の導電タイプである。互いにギャップによって分離された第１の電極及び第２の電極は、上側閉じ込め層の光導電層から離れた側の表面に配置されている。光導電層は、適正な波長及び強度の入射光で照射されると、電極間に導電経路を形成する。
【００１３】光導電層の導電タイプはｐ型であり、上側閉じ込め層の導電タイプはｎ型であるが、それは、この導電タイプの組み合わせによって、逆の組み合わせよりも導電率が高くなるからである。
【００１４】説明したばかりの二重ヘテロ接合ＰＣＳ構造は、電荷キャリヤが、層の平面に対して垂直な方向に拡散するのを阻止し、入射光に応答して電荷キャリヤが発生する効率を高める。この結果、ＯＮ抵抗Ｒonが小さくなり、従って、挿入損失が減少する。
【００１５】説明したばかりの二重ヘテロ接合ＰＣＳ構造は、また、ＯＦＦキャパシタンスＣoffを減少させるので、そのＯＦＦ状態において、本発明によるＰＣＳによって得られるアイソレーションが強化される。
【００１６】本発明によるＰＣＳには、更に、光導電層と上側閉じ込め層の間に配置されて、ＯＮ抵抗Ｒonを小さくする漸変組成層又は急変超格子を含むことも可能である。
【００１７】本発明によるＰＣＳには、更に、光導電層を通過する入射光を反射して、光導電層に戻し、ＯＮ抵抗Ｒonを更に小さくするように配置された、ミラー層を含むことも可能である。
【００１８】本発明によるＰＣＳの電極には、更に、ＯＮ抵抗Ｒonを更に小さくするため、半透明の導電材料を含むことも可能である。
【００１９】本発明によるＰＣＳには、更に、光導電層によって吸収される入射光の波長範囲において半透明の基板材料による基板を含むことも可能である。この基板は、少なくとも光導電層と上側閉じ込め層を支持する。入射光が、半透明の基板を通過して、光導電層を照射する。入射光の一部は、電極によって遮られないので、ＯＮ抵抗Ｒonが小さくなる。
【００２０】その代わりに、本発明によるＰＣＳには、二重ヘテロ接合ＰＣＳ構造を支持する不透明基板を含むことも可能であり、この基板に、スルーホールを形成することによって、光導電層を照射する入射光を受け入れることが可能である。入射光の一部は、電極によって遮られないので、ＯＮ抵抗Ｒonはやはり小さくなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明は、発明者が、先行技術のＰＣＳに関連した下記の４つの問題を認識し、これらの問題に対して生み出した有効な解決法に基づくものである。
【００２２】１．先行技術によるＰＣＳは、低温で成長させた材料から構成されており、従って、こうした材料の低キャリア移動度のために挿入損失が大きくなる。
【００２３】２．先行技術による構造では、入射光に応答して発生するキャリヤが、電極間の導通に有効に寄与することができない。例えば、先行技術によるＰＣＳには、入射光に応答して発生するキャリヤを特定の場所に閉じ込める構造が欠けている。代わりに、先行技術によるＰＣＳでは、キャリヤが、それが形成される場所から拡散することができるので、電極間を導通させるために利用可能なキャリヤが減少する。
【００２４】３．先行技術によるＰＣＳの場合、入射光に応答して発生するキャリヤの一部は、電極に到達し、そこで、再結合する。この再結合によって、キャリヤ密度の低い領域が生じるが、この領域は抵抗率が高くなる。この結果、ＯＮ抵抗Ｒonが大きくなる。抵抗の大きい領域は、ｎ−ｉ−ｎデバイスにも見受けられる。
【００２５】４．先行技術によるＰＣＳにおける半導体層の表面におけるダングリング・ボンドによって、入射光に応答して発生するキャリヤの再結合が可能なトラップが形成される。これによって、入射光に応答してキャリヤの発生する効率が低下する。
【００２６】図２及び図３には、本発明によるＰＣＳの第１の基本実施形態１００が示されている。ＰＣＳ１００は、ＷＢ材料、即ち、広いエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料の下側閉じ込め層１０４と、ＮＢ材料、即ち、狭いエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料の光導電層１０６と、ＷＢ材料の上側閉じ込め層１０８から構成されている。光導電層１０６が、下側閉じ込め層１０４と上側閉じ込め層１０８の間に挟まれている。上側閉じ込め層１０８の露出表面には、端子１１０及び１２０が配置されている。端子１１０は、ボンディング・パッド１１１に結合された電極１１２、１１３、及び、１１４から構成されている。端子１２０は、ボンディング・パッド１２１に結合された電極１２２、１２３、及び、１２４から構成されている。端子１１０の電極は、狭いギャップによって、端子１２０の電極から分離されている。
【００２７】図３には、下側閉じ込め層１０４は、半導体基板１０２に成長又は堆積させられたＷＢ材料の層として示されている。これによって、一般に利用可能な低コストの半導体材料を基板に用いることが可能になる。こうした材料は、通常ＷＢ材料ではない。しかし、基板の半導体材料が、ＩｎＰのようなＷＢ材料である場合、下側閉じ込め層と基板を一体化させることが可能であり、独立した下側閉じ込め層は不要になる。光導電層１０６及び上側閉じ込め層１０８は、下側閉じ込め層１０８の上に順次成長又は堆積させられる。
【００２８】上側閉じ込め層１０８のＷＢ材料の導電タイプは、光導電層１０６のＮＢ材料の導電タイプとは逆である。上側閉じ込め層１０８のＷＢ材料の導電タイプは、ｎ型であり、光導電層１０６のＮＢ材料の導電タイプは、ｐ型であるが、ＷＢ材料とＮＢ材料の導電タイプは、逆にすることも可能である。
【００２９】下側閉じ込め層１０４のＷＢ材料は、上側閉じ込め層１０８のＷＢ材料と同じにすることが可能である。或いはまた、上側閉じ込め層１０８及び下側閉じ込め層１０４に、異なるＷＢ材料を用いることも可能である。下側閉じ込め層のＷＢ材料の導電タイプは、光導電層１０６の導電タイプと同じにすることもできるし、或いは、光導電層の導電タイプと逆にすることもできるし、或いは、下側閉じ込め層のＷＢ材料は、アンドープ材料とすることも可能である。
【００３０】閉じ込め層１０８がなければ、光導電層１０６の表面に、ダングリング・ボンドが存在することになる。こうしたダングリング・ボンドは、入射光１４２に応答して発生するキャリヤを捕獲し、キャリヤの再結合を促進する表面準位を生じさせる。ＰＣＳ１００の場合、上側閉じ込め層１０８が、光導電層１０６の表面を被覆し、光導電層１０６の表面に生じるダングリング・ボンド数を大幅に減少させる。従って、上側閉じ込め層１０８は、入射光の所定の強度に応答して、光導電層に存在するキャリヤ数を増加させる。
【００３１】図３に示す部分１３２及び１３４のような、上側閉じ込め層１０８のうち端子１１０及び１２０によって被覆された部分だけが、閉じ込め層として機能する。図３には、電極１１２及び１２３によって被覆されない上側閉じ込め層の部分１０８Ａ、１０８Ｂ、及び、１０８Ｃも示されている。上側閉じ込め層の部分１０８Ａ、１０８Ｂ、及び、１０８Ｃの上部表面は、ＷＢ材料のバンド・ギャップにおける熱エネルギー（ｋＴ、ここで、ｋは、ボルツマン定数であり、Ｔは、絶対温度である）の数倍で強くピン止めされる表面エネルギ準位を備えている。結果として、これらの部分は、上側閉じ込め層の厚さ全体にわたって空乏化する。
【００３２】上側閉じ込め層１０８の部分１０８Ａ乃至１０８Ｃが層の厚さにわたって空乏化すると、端子１１０と１２０の間の上側閉じ込め層には、導電経路が存在しない。更に、入射光がなければ、上側閉じ込め層と光導電層１０６の間に存在する２つの背中合わせのｐ−ｎ接合によって、光導電層１０６を介した端子間の導通が阻止される。ＰＣＳ１００が入射光１４２によって照射され、これによって、光導電層にキャリヤが発生する場合に限って、端子間の導通が生じる。
【００３３】端子１１０を形成する電極１１２乃至１１４は、端子１２０の一部を形成する電極１２２乃至１２５と交互嵌合している。電極の形状及び位置は、ＰＣＳ１００が入射光１４２によって照射された場合に、端子１１０と１２０の間におけるＯＮ抵抗Ｒｏｎを最小限に抑えるように最適化することが望ましい。図２には、入射光１４２によって照射される、ＰＣＳ１００の上部表面における略円形の領域が１４０で示されている。入射光ビームは、領域１４０によって、電極の交互嵌合領域の大部分がカバーされるような形状にされる。
【００３４】従来の不透明な金属電極が、電極１１２乃至１１４及び１２２乃至１２５として用いられる場合、電極は、電極を照射する入射光１４２の一部を反射又は吸収する。この入射光の一部は、光導電層１０６に到達せず、キャリヤを発生させない。領域１４０の面積が制限される場合、電極によって被覆される領域１４０の一部と、それを通って入射光１４２が光導電層１０６に到達し、キャリヤを発生させることが可能になる、領域１４０の残りの部分との間で、トレード・オフを行うことが可能である。
【００３５】閉じ込め層１０４及び１０８の望ましい特性は、次の通りである：閉じ込め層１０４及び１０８のＷＢ材料のエネルギー・バンド・ギャップは、入射光１４２に応答して、光導電層に発生するキャリヤが閉じ込め層内に拡散するのを阻止するため、光導電層１０６のＮＢ材料のエネルギー・バンド・ギャップよりも２５ｍｅＶ高くすることが望ましい。２５ｍｅＶのエネルギー・バンド・ギャップ差は、室温における熱エネルギーに相当する。
【００３６】それを通って入射光が光導電層１０６に到達する閉じ込め層、例えば、図２及び３に示す実施形態における閉じ込め層１０８は、出きる限り薄いことが望ましく、閉じ込め層のＷＢ材料は、閉じ込め層を通って光導電層１０６に達する入射光の透過を最大にするため、入射光１４２の波長において透明度が高いことが望ましい。換言すれば、閉じ込め層の厚さｔｃと閉じ込め層のＷＢ材料の吸収率αｃの積は、１よりもかなり小さい、即ち、ｔcαc＜＜１であることが望ましい。トンネリング効果によって、閉じ込め層の最小厚さには実施上の制限が設定される。従って、入射光がそれを通って光導電層に到達する閉じ込め層の吸収率は、１００ｃｍ-1未満であることが望ましい。
【００３７】上側閉じ込め層１０８のＷＢ材料は、高導電率が得られるように、電子移動度が高いことが望ましい。導電率が高いと、電極１１２乃至１１４及び１２２乃至１２５から閉じ込め層１０８を経て光導電層１０６に至る導電経路の抵抗が小さくなる。
【００３８】上側閉じ込め層１０８のＷＢ材料は、上側閉じ込め層の導電率を高くするため、高ドーピング濃度であることが望ましい。しかし、ドーピング濃度が高すぎると、所定の厚さの上側閉じ込め層の十分な空乏化が阻止される。上側閉じ込め層の厚さを薄くして、層の十分な空乏化を可能にすると、トンネル効果が増大する。従って、上側閉じ込め層のＷＢ材料の最適なドーピング濃度には、これらの相反する要件間におけるトレード・オフが必要になる。略１×１０17ｃｍ-3ほどのドーピング濃度が、許容可能な妥協案である。光導電層１０６の望ましい特性は、下記の通りである：光導電層１０６は、実際に製造可能な限り厚いのが望ましく、光導電層のＮＢ材料は、入射光１４２の波長においてできる限り高い吸収率を備えることが望ましい。これらの特性によって、光導電層はできる限り多くの入射光１４２を吸収することが可能になり、従って、入射光に応答して、できる限り多くのキャリヤを発生することが可能になる。換言すれば、光導電層の厚さｄと、入射光の波長における光導電層のＮＢ材料の吸収率αpとの積は、約１を超えることが、即ち、ｄαp＞約１であることが望ましい。光導電層の最大厚さに関するプロセス制限によって、光導電層のＮＢ材料の吸収率が、入射光の波長において１０００ｃｍ-1を超えることが望ましくなる。入射光の波長は、吸収率を最大にするため、入射光の光子エネルギが、光導電層のＮＢ材料のエネルギー・バンド・ギャップよりも大きくなるように選択するのが望ましい。光導電層１０６のＮＢ材料は、光導電層１０６の導電率を高くするため、高い光キャリヤ移動度を備えることが望ましい。導電率が高いと、光導電層の抵抗が小さくなり、ＯＮ抵抗Ｒonが小さくなる。光導電層１０６のＮＢ材料におけるキャリヤは、ＰＣＳ１００を介した信号の伝送に寄与することができるように長寿命であることが望ましい。光導電層１０６のＮＢ材料は、ＯＦＦキャパシタンスＣoffを小さくするため、１×１０17ｃｍ-3のドーピング濃度を備えることが望ましい。
【００３９】光導電層１０６のＮＢ材料の特性によって、入射光１４２に応答して発生するキャリヤの寿命が決まる。上述のように、一般には、キャリヤの寿命を延長することが望ましい。しかし、キャリヤの寿命が長すぎると、ＰＣＳのスイッチング速度が損なわれる。従って、キャリヤの寿命は、ＰＣＳ１００の所望のスイッチング時間より短いことが望ましい。さもなければ、入射光に応答して発生するキャリヤは、入射光１４２がＰＣＳ１００の照射をやめてから、かなりの時間存在し続けることになる。残りのキャリヤによって、そのＯＦＦ状態にあるＰＣＳのコンダクタンスが増大し、その結果、そのＯＦＦ状態にあるＰＣＳによって得られるアイソレーションが弱くなる。多くの用途では、約１ｍｓのスイッチング時間が許容可能である。極めてキャリヤ寿命の長いシリコンのようなＮＢ材料でさえ、こうしたスイッチング速度を容易にもたらすことが可能である。より速いスイッチング速度が必要な場合には、ＧａＡｓのようなＮＢ材料を利用することが可能である。
【００４０】入射光１４２によってＰＣＳ１００を照射すると、ＰＣＳはＯＮ状態になる。ＰＣＳ１００は、ＲＦ及びマイクロ波システムにおいて最も一般的に用いられるものであり、一般に、５０Ωの特性インピーダンスを備えている。５０Ωの特性インピーダンスを備えるシステムに用いられるＰＣＳのＯＮ抵抗Ｒonは、５０Ωに比較して小さければ、即ち、Ｒon＜＜５０Ωであれば、許容可能に小さい。従って、こうしたＰＣＳに対する入射光１４２が所定の強度の場合、ＯＮ抵抗を５０Ωに比べて小さいレベルに低減する手段によって、ＰＣＳの性能が有効に改善される。しかし、同じ強度の入射光の場合に、ＯＮ抵抗を５０Ωに比べて小さいレベル未満にまで低減する手段がＰＣＳの性能に及ぼす効果は、ないに等しい。それにもかかわらず、こうした手段は、より低い入射光の強度で、ＯＮ抵抗を５０Ωに比べて小さくすることができるので、実施する価値がある。これによって、熱の発生がより少ない、より単純で、より低コストの光源を利用して、入射光を発生することが可能になる。こうした光源は、一般に、寿命及び信頼性が改善され、電力消費が減少する。従って、以下に述べるＰＣＳ１００のＯＮ抵抗Ｒonを低減させるための手段を、追加で、又は、代わりに用いることによって、ＯＮ抵抗が５０Ωに比べて小さくなる、入射光の強度を低下させることが可能である。
【００４１】図３に示すＰＣＳ１００のＯＮ状態において、ＰＣＳのＯＮ抵抗Ｒonは、下記の式によって求められる：Ｒon＝Ｒs(on)＋Ｒcここで：
【００４２】
【数１】
【００４３】ここで：Ｒonは、端子１１０と１２０間において測定されるＰＣＳのＯＮ抵抗であり、Ｒs(on)は、半導体経路のＯＮ抵抗、即ち、上側閉じ込め層１０８及び光導電層１０６を通る導電経路の抵抗であり、Ｒcは、端子１１０及び１２０と上側閉じ込め層１０８の間の接触抵抗であり、ｑは、単位電荷であり、μは、キャリヤ移動度であり、ｎは、入射光１４２に応答して発生するキャリヤ密度であり、ｗは、電極の幅であり、ｖは、電極間の距離であり、ｌは、図２の破線によって表示される、入射光によって照射される電極の周囲長であり、ｄは、光導電層１０６の厚さであり、ｈは、プランク定数であり、νは、入射光の周波数であり、τは、キャリヤの寿命であり、Ｄは、キャリヤの拡散定数であり、Ｐは、入射光の強度であり、αpは、光導電層の光吸収率であり、Ａ及びＢは、定数である。
【００４４】上記式から明らかなように、入射光の強度であるＰを増し、キャリヤ移動度μ、キャリヤ寿命τ、及び、光吸収率αpの値が高い半導体材料を選択すると、ＯＮ抵抗Ｒonが小さくなる。光吸収率αpは、入射光の周波数νが上昇するにつれて高くなるので、波長の短い入射光を用いることが望ましい。レンズを用いて、入射光を体積の小さい光導電層１０６に集束させ、強度Ｐを増すことが望ましい。これは、ＰＣＳの寸法が小さいことが望ましい、より高い周波数で用いられるＰＣＳの実施形態において特に有効である。
【００４５】ＯＮ抵抗Ｒonを低減させるため、入射光は、高い全変換効率で、キャリヤに変換されることが望ましい。全変換効率ηは、下記によって得られる：η（％）＝ηc×ηs×ηr×ηa×ηiここで、ηcは、ＰＣＳ１００の受光領域１４０が実際に受ける入射光１４２の比率を決定する結合効率である（この実施形態の場合、９５％）。ηsは、電極の透過率、即ち、電極１１２乃至１１４及び１２２乃至１２５によって吸収又は反射されない入射光の比率である。ＰＣＳ１００の場合、電極の透過率は、電極によって被覆されない受光領域１４０の比率に略等しい。ηrは、閉じ込め層を光導電層１０６まで透過する入射光の比率である。ηaは、光導電層１０６の吸光度である。ηiは、光導電層が光をキャリヤに変換する内部量子効率である。
【００４６】図４には、入射光１４２のない、ＯＦＦ状態のＰＣＳ１００が示されている。そのＯＦＦ状態にあるＰＣＳのインピーダンスは、そのＯＦＦ状態にあるＰＣＳのオーム抵抗とＯＦＦキャパシタンスＣoffのリアクタンス１／２πｆ・Ｃoffの並列組み合わせのインピーダンスであり、ここで、ｆは、ＰＣＳによってスイッチされる信号の周波数である。上述のように、本発明によるＰＣＳは、ＲＦ及びマイクロ波システムにおいて最も一般的に用いられるものであり、一般に、５０Ωの特性インピーダンスを備えている。ＲＦ及びマイクロ波周波数において、並列組み合わせのインピーダンスを決定する上で支配的な要素は、ＯＦＦキャパシタンスＣoffのリアクタンスである。特性インピーダンスが５０Ωのシステムに用いられるＰＣＳのＯＦＦキャパシタンスＣoffは、そのリアクタンスが５０Ωに比較して大きければ、即ち、１／２πｆ・Ｃoff＞＞５０Ωであれば、許容可能に小さいことになる。
【００４７】特性インピーダンスが５０Ωの用途に用いられるＰＣＳの場合、ＯＦＦキャパシタンスＣoffを低減させ、そのリアクタンスが所定の周波数で５０Ωに比べて大きくなるようにする手段によって、ＰＣＳの性能が有効に改善される。しかし、ＯＦＦキャパシタンスを更に低減させる手段がＰＣＳの性能に及ぼす効果は、ないに等しい。それにもかかわらず、こうした手段は、更に高い周波数において、ＯＦＦキャパシタンスのリアクタンスが、５０Ωに比べて大きくなるようにすることができるので、追求する価値がある。これによって、本発明によるＰＣＳを用いることが可能な適用範囲が拡大される。従って、以下に述べるＯＦＦキャパシタンスＣoffを低減するための手段を、追加で、又は、代わりに用いることによって、より高い動作周波数において、そのリアクタンスが５０Ωに比べて大きいＯＦＦキャパシタンスを得ることが可能になる。
【００４８】ＯＦＦキャパシタンスＣoffに主として影響するのは、（１）光伝導層１０６と上側閉じ込め層１０８との間における空乏層のキャパシタンス、（２）上側閉じ込め層１０８のダングリング・ボンドによって生じる空乏層のキャパシタンス、及び、（３）光導電層１０６と下側閉じ込め層１０４との間における空乏層のキャパシタンスである。もちろん、光導電層１０６と上側閉じ込め層１０８の間における空乏層のキャパシタンスが、支配的であり、ＯＦＦキャパシタンスＣoffは、略、下記の式を用いて求めることが可能である：
【００４９】
【数２】
【００５０】ここで：
【００５１】
【数３】
【００５２】ここで：ｔは、空乏層の厚さであり、εnは、閉じ込め層の誘電率であり、εpは、光導電層の誘電率であり、ｌは、図２に破線１５０で示された電極の周囲長であり、ｗは、電極の幅であり、ｎ及びｐは、それぞれ、上側閉じ込め層１０８及び光導電層１０６のドーパント濃度であり、Φiは、ビルトイン・ポテンシャル（組み込み電位）であり、Ｖは、印加電圧である（この例では、Ｖ＝０）。
【００５３】光導電層１０６のドーパント濃度ｐが低下すると、ＯＦＦキャパシタンスＣoffが低減するのは明らかである。しかし、最低ドーパント濃度は、後述するように、実施上の制限を受ける。
【００５４】上記式によって、小さい性能指数Ｒon×Ｃoffが得られるように、ＰＣＳ１００の設計を最適化することが可能になる。この性能指数は、高性能のＰＣＳにとって１つの重要な測度である。
【００５５】本開示において開示されているＰＣＳの基板、閉じ込め層、及び、光導電層に利用可能な材料の組み合わせ例が、表１に示されている。光導電層１０６及び少なくとも上側閉じ込め層１０８の材料は、その導電タイプを決めるため、適正なドーパントがドープされている。
【００５６】上述のように、下側閉じ込め層１０４及び上側閉じ込め層１０８は、材料の異なる層とすることが可能である。こうした場合の上側閉じ込め層の材料が、表１にリストアップされている。
【００５７】表１にリストアップされた材料の組み合わせの利点の１つは、隣接層間における格子不整合が最小限に抑えられ、従って、格子不整合がもっと大きい組み合わせよりもキャリヤの寿命が長くなるという点にある。
【００５８】
【表１】
【００５９】上記組み合わせのうちでは、電子移動度が高くて、キャリヤの寿命が長く、利用可能な十分なエピタキシャル成長及びプロセス技術を用いて製造することができるので、組み合わせ１乃至４及び７が好ましい。
【００６０】組み合わせ４及び５の基板材料は、ＩｎＰであり、これは、ＷＢ材料である。組み合わせ４又は組み合わせ５を利用して製造されるＰＣＳの場合、下側閉じ込め層１０４は、基板１０２と一体化することが可能であり、光導電層１０６は、基板表面に直接堆積させることが可能である。また、組み合わせ７の基板材料は、シリコンであり、これは、ＷＢ材料である。シリコン基板を備えたＰＣＳの場合、下側閉じ込め層は、基板と一体化することが可能であり、光導電層は、基板表面に直接堆積させることが可能である。
【００６１】入射光１４２は、任意の適合する光源を利用して発生させることが可能である。半導体発光素子のような小型光源が望ましい。半導体レーザは、マイクロ秒範囲のスイッチング速度でマイクロ波信号をスイッチするＰＣＳに用いるのが最も望ましい。半導体レーザは、サイズが小さく、所望のスイッチング速度を実現するのに十分な速さで動作し、低コストである。０．４０乃至１．５５μｍの波長範囲で発光することが可能な半導体レーザが利用可能である。上記組み合わせの大部分が、この波長範囲の光を発生するレーザに応答して、動作する。所定の組み合わせの材料の場合、入射光の波長は、光がそれを通って光導電層に達する閉じ込め層の材料によって透過され、光導電層の材料によって吸収される波長範囲内になければならない。
【００６２】説明したばかりのＰＣＳ１００のＯＮ抵抗は、上側閉じ込め層１０８と光導電層１０６の間のヘテロ接合に漸変組成層又は急変超格子多層薄膜を配置することによって更に低減させることが可能である。漸変組成層のエネルギー・バンド・ギャップは、層の厚さわたって漸次変化するが、急変超格子多層薄膜のエネルギー・バンド・ギャップは、薄膜の厚さにわたって段差をつけて変化し、それにより連続した漸変組成の効果を擬似したものとなる。
【００６３】次に、図５に関連して、本発明によるＰＣＳの第２の実施形態２００について述べることにする。
【００６４】ＰＣＳ２００は、アンドープの７０ｎｍ厚のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下側閉じ込め層２０４、ｐ型ＧａＡｓ光導電層２０６（１．７０μｍ厚で、ドーピング濃度がｐ＝２×１０16ｃｍ-3）、及び、ｎ型Ａｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ上側閉じ込め層２０８（７０ｎｍ厚で、ドーピング濃度がｎ＝３×１０17ｃｍ-3）から構成されている。これらの層は、分子ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）又は別の適合するエピタキシャル成長技法を用いて、半絶縁ＧａＡｓ基板２０２上に順次成長させられる。閉じ込め層は、説明したばかりのものとは異なる組成比を備えることが可能である。しかし、上側閉じ込め層２０８におけるアルミニウムの比率は、０．２５未満が望ましい。上側閉じ込め層のアルミニウムの比率が０．２５を超えると、２３ ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．，１９５４（１９８４）においてＭ．Ｔａｃｈｉｋａｗａ他が解説しているように、上側閉じ込め層における深い準位又はＤＸセンタが急激に増大する。ＤＸセンタは、上側閉じ込め層における自由電子濃度を急激に低下させ、このため、ＯＮ抵抗Ｒonが大幅に小さくなる。
【００６５】ドーピング濃度がｎ＝３×１０17ｃｍ-3の、即ち、上側閉じ込め層２０８と同じドーピング濃度のｎ型半導体材料から形成される漸変組成層２０７及び２５０が、それぞれ、上側閉じ込め層２０８の成長前後に、エピタキシャル成長させられる。
【００６６】漸変組成層２０７は、厚さ３０ｎｍで、ｎ型のＡｌxＧａ1-xＡｓから構成されており、アルミニウムの比率値ｘは、光導電層２０６におけるゼロから上側閉じ込め層２０８における０．２３まで漸増する。
【００６７】同様に、漸変組成層２５０は、厚さ３０ｎｍで、ｎ型のＡｌxＧａ1-xＡｓから構成されており、アルミニウムの比率値ｘは、上側閉じ込め層２０８における０．２３からＧａＡｓキャップ層２５２におけるゼロまで漸減する。
【００６８】厚さ２００ｎｍで、ドーピング濃度がｎ＝５×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓキャップ層２５２は、漸変組成層２５０上に成長させられる。厚さが２０ｎｍで、ｎ＝２×１０19ｃｍ-3と多量ドープされた、ｎ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓ接触層２５４が、キャップ層２５２上に成長させられる。接触層は、接触層との非合金接触を形成する金属電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５を支持している。電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５のうち、図５には、電極２１２、２１３、及び、２２３だけが示されている。電極は、全厚が３００ｎｍのチタン、プラチナ、及び、金の層から構成することが可能である。当該技術において、他の多くの電極材料が既知であり、Ｔｉ／Ｗ、Ｗ／Ｓｉ、Ｍｏ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、及び、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕが含まれる。キャップ層２５２及び接触層２５４は、漸減組成層２５０と電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５の間の接触抵抗を低減させる。この接触抵抗の低減は、アニーリングのような熱処理を施さずに実現される。接触抵抗を低減させるためのこの方法及び構造は、２８ ＥＬＥＣＴＲＯＮ．ＬＥＴＴ．，１１５０（１９９２）においてＦ．Ｒｅｎ他によって解説されたヘテロ接合トランジスタ（ＨＢＴ）の製造方法に基づくものである。
【００６９】ＰＣＳ２００は、層２０４、２０６、２０７、２０８、２５０、２５２、及び、２５４を順次成長させ、次に、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５が形成されるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を堆積させることによって製造される。次に、電極層にパターン形成を施して、個別電極が形成される。次に、漸変組成層２５０、キャップ層２５２、及び、接触層２５４の半導体材料にエッチングが施される。エッチングは、上側閉じ込め層２０８において阻止される。電極は、層２５０、２５２、及び、２５４のエッチングで除去されない部分を形成するエッチング用マスクとして利用することが可能である。
【００７０】最後に、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）及び反射防止コーティング２５６が、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５と上側閉じ込め層２０８の露出表面を含むＰＣＳ１００の上部表面に堆積させられる。反射防止コーティングの厚さは、１００ｎｍである。反射防止コーティングは、別様であれば、上側閉じ込め層２０８のＡｌＧａＡｓと空気のような周囲との屈折率の差が大きいために生じるであろう入射光の反射を防止するか、又は、低減させる。
【００７１】ＰＣＳ２００は、半導体レーザによって発生する入射光で照射することによってＯＮになる。入射光の波長は、閉じ込め層による吸収を最小限に抑えるため、光子当たりのエネルギーが、入射光がそれを通って、光導電層２０６に達する閉じ込め層、即ち、この例の場合、上側閉じ込め層２０８のＷＢ材料のバンド・エッジ未満になる波長が選択される。入射光の波長は、また、光導電層による入射光の吸収を最大にするため、光子当たりのエネルギが、光導電層２０６のＮＢ材料のバンド・エッジを超えることになる波長が選択される。説明したばかりの例の場合、入射光の波長は約０．７８μｍであった。入射光のビームは、直径約３０μｍの略円形の断面を備えている。市販の半導体レーザを用いて、入射光１４２を発生することができるので、小型ＰＣＳ２００は低コストで製造可能である。
【００７２】入射光１４２のビーム特性、ＧａＡｓの物理的特性、及び、光導電層２０６の光吸収率αp＝９，０００ｃｍ-1、キャリヤ寿命τ＝１０ｎｓ、キャリヤ移動度μ＝６，３００ｃｍ2／Ｖｓ、電極幅ｗ＝３μｍ、及び、電極間の間隔ｖ＝２μｍといったデバイス・パラメータを利用して、ＰＣＳ２００の半導体経路ＯＮ抵抗Ｒs(on)が計算される。半導体経路ＯＮ抵抗は、ＰＣＳ２００が入射光によって照射された場合の、上側閉じ込め層２０８及び光導電層２０６を通る導電路の抵抗である。図６は、入射光を発生するレーザ・パワーに対する半導体経路ＯＮ抵抗の変動を示すグラフである。この実施形態の場合、光導電層２０６の厚さｄは、少なくとも１．７μｍであり、これは、吸光長αｐ-1＝１．１μｍより長い。
【００７３】説明したばかりの特性を備えるテスト・サンプルが製造された。テスト・サンプルは、５ｍＷレーザによって生じる入射光で照射され、そのＯＮ抵抗が測定された。端子１１０及び１２０間で測定されたＯＮ抵抗Ｒonは、３乃至５オームの範囲内であった。しかし、端子１１０及び１２０と上側閉じ込め層２０８の間の異常に大きい接触抵抗Ｒcが、ＯＮ抵抗の大部分を占めることが明らかになった。追加測定によって、半導体経路のＯＮ抵抗Ｒs(on)は約１オームであることが分かった。現在製造中の追加サンプルの接触抵抗Ｒcは、半導体経路ＯＮ抵抗Ｒs(on)未満になることが予測される。こうしたサンプルは、マイクロ波スイッチとして用いるのに許容し得るＯＮ抵抗を備えることになる。
【００７４】ＰＣＳ２００の全変換効率は、η＝ηc×ηs×ηr×ηa×ηi＝９５％×６０％×９９％×７５％×９５％＝４０％であり、ここで、ηc＝９５％、ηs＝６０％、ηr＝９９％、ηa＝７５％、及び、ηi＝９５％である。変換効率ηを低下させる２つの主要素は、電極透過率ηsと光導電層１０６の吸光度ηaである。電極透過率ηsの低い値は、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５によって、入射光のかなりの部分が光導電層２０６に到達するのを阻止されることを表している。光導電層２０６の吸光度ηaの値が低いのは、光導電層に達する入射光の大部分が、吸収されずに、光導電層を通過することを表している。
【００７５】ＰＣＳ２００のＯＦＦキャパシタンスＣoffの主要素は、光導電層２０６と上側閉じ込め層２０８との間の空乏層のキャパシタンスであり、光導電層におけるドーピング濃度によって決まる。図７には、光導電層のドーピング濃度と対照して作図されたＯＦＦキャパシタンスが示されている。ＯＦＦキャパシタンスＣoffは、ドーピング濃度が増すにつれて増大するので、ドーピング濃度が低くなると、ＯＦＦキャパシタンスＣoffは低減する。
【００７６】しかし、ドーピング濃度が過剰に低下すると、空乏層の厚さが過剰に増大する。この結果、ＰＣＳ２００のパンチスルー電圧（突き抜け電圧）が低下する。ＰＣＳによってスイッチされる信号の振幅が突き抜け電圧を超えると、ＰＣＳのインピーダンスは、小さい値まで降下し、そのＯＦＦ状態において、もはやＰＣＳによるアイソレーションが得られない。更に、現在の結晶成長技術では、低ドーピング・レベルにおけるドーピング濃度の制御は困難である。従って、光導電層のドーピング濃度は、１×１０15ｃｍ-3乃至１×１０17ｃｍ-3の範囲内であることが望ましい。ドーピング濃度がこの範囲内であれば、ＯＦＦキャパシタンスＣoffと突き抜け電圧の間における許容可能なトレード・オフが可能である。また、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５の面積を縮小すると、やはり、ＯＦＦキャパシタンスＣoffが低減する。上述のように、特性インピーダンスが５０Ωのシステムに用いられるＰＣＳの実施形態の場合、ＯＦＦキャパシタンスＣoffは、スイッチされる信号の周波数ｆにおけるそのリアクタンスが、５０Ωに比べて大きい、即ち、１／２πｆ・Ｃoff＞＞５０ΩであるＯＦＦキャパシタンスＣoffと同程度である必要がある。
【００７７】図５に示すＰＣＳ２００は、ＯＦＦキャパシタンスＣoffが６０ｆＦで、性能指数Ｒon×Ｃoffが０．０６ΩｐＦである。これは、従来の高周波スイッチよりも小さく、従って、優れている。
【００７８】図８には、変換効率が更に向上する、本発明によるＰＣＳの第３の実施形態が示されている。ＰＣＳ３００の構造は、図５に示すＰＣＳの構造と同様である。ＰＣＳ２００の構成要素に対応するＰＣＳ３００の構成要素は、同じ参照番号で示されており、ここでは説明を繰り返さないことにする。上述のように、ＰＣＳ２００の全変換効率ηを低下させる主要因は、電極の透過率ηs及び光導電層１０６の吸光度ηaである。ＰＣＳ３００の場合、下側閉じ込め層は、ミラー層３０４としての構造が付与されている。ミラー層は、吸収によって光導電層に戻されずに、光導電層２０６を通過する入射光の一部を反射することによって、光導電層の吸光度ηaを有効に高める。
【００７９】図示の例の場合、ミラー３０４は、半導体材料の複数の副層対から構成される分布ブラッグ反射器である。副層対３６０は、６４ｎｍ厚のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ副層３６２と７３ｎｍ厚のＡｌＡｓ副層３６４から構成されている。各副層の厚さｔmは、副層の材料における入射光１４２の波長λの１／４の奇整数倍に等しい、即ち、ｔm＝ｍλ／４ｎであるが、ここで：ｍは、奇整数であり、λは、自由空間における入射光１４２の波長であり、ｎは、波長μにおける副層の材料の屈折率である。
【００８０】ＰＣＳ３００の実際の実施形態の１つでは、ミラー層３０４を構成する副層の材料は、ｎ型ドーピングが施され、ミラー層は、１０対の副層から構成され、ミラー層の反射率は、約９０％であった。ＰＣＳ２００の下側閉じ込め層２０４の反射率は、約０．０８％である。
【００８１】ＰＣＳ３００では、ミラー層３０４によって、光導電層２０６の吸光度ηaが、ＰＣＳ２００における６０％に比べると、９８％まで有効に高められる。この結果、全変換効率ηが６６％にまで向上し、半導体経路のＯＮ抵抗Ｒs(on)がＰＣＳ２００の２／３まで低減する。
【００８２】上述のように、ＰＣＳ２００の全変換効率ηを低下させる主要因は、電極透過率ηs及び光導電層２０６の吸光度である。電極は、通常、不透明又は反射性であるため、電極透過率は、通常、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５によって被覆されない受光領域１４０（図２）比率に等しい。電極は、それを照射する入射光の一部を吸収又は反射するので、入射光のこの部分が、上側閉じ込め層２０８を通って、導電層２０６に達するのが阻止される。電極によって、光導電層に到達するのを阻止される入射光が、たとえあるとしても、ほとんどないように、本発明によるＰＣＳを構成することによって、電極透過率は、１００近くまで高めることが可能であり、ＰＣＳの変換効率は、更に高めることが可能である。
【００８３】例えば、図８に示すＰＣＳ３００は、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５（そのうちの２１２、２２３、及び、２１３だけが示されている）を半透明材料で製造することによって、電極によって、入射光１４２のわずかな部分だけしか光導電層２０６への到達が阻止されないように構成することが可能である。当該技術において、いくつかの適合する導電性半透明材料が既知のところであり、例えば、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）及び銀の薄層が含まれている。
【００８４】他の案として、ＰＣＳは、その電極によって、入射光が透過して、光導電層に達するのが全く阻止されないように構成することも可能である。これは、入射光が、入射光を吸収又は反射する電極が存在しない下側閉じ込め層を通って、光導電層に到達するようにＰＣＳを構成することによって実施される。
【００８５】図９には、変換効率が更に向上する、本発明によるＰＣＳの第４の実施形態が示されている。ＰＣＳ４００の構造は、図５に示すＰＣＳ２００の構造と同様である。ＰＣＳ２００の構成要素に対応するＰＣＳ４００の構成要素は、同じ参照番号で表示されており、ここでは説明を繰り返さない。ＰＣＳ４００の全変換効率ηは、電極透過率ηsを高め、光導電層の吸光度ηaを有効に高めることによって、向上する。
【００８６】ＰＣＳ４００の場合、基板４０２は、光導電層４０６によって吸収される入射光１４２の波長範囲内において半透明である材料によるウェーハである。これによって、ＰＣＳ４００は、入射光の一部を吸収又は反射する電極の存在しない基板を介して入射光を受光することが可能になる。これによって、電極透過率ηsが１００％近くまで向上する。また、ＰＣＳ４００には、ＰＣＳの基板から離れた側の表面上に重ねられたミラー層４５６も含まれている。ミラー層４５６は、吸収によって光導電層に戻されずに、光導電層を通過する入射光を反射することによって、光導電層４０６の吸光度ηaを有効に高める。
【００８７】図示の例の場合、基板４０２は、ＩｎＰのウェーハであり、光導電層４０６は、ＩｎＧａＡｓの層であり、上側閉じ込め層４０８は、（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ａｓの層である。基板材料は、ＷＢ材料であり、従って、下側閉じ込め層４０４は、図示の例のように基板と一体化される。更に、上述のように、基板材料は、光導電層４０６によって吸収される入射光１４２の波長範囲内において半透明である。基板４０２、光導電層４０６、及び、上側閉じ込め層４０８として、他の材料を利用することも可能である。更に、下側閉じ込め層４０４は、基板と一体化せずに、基板４０２の上に堆積又は成長させられたＷＢ材料の独立した層とすることも可能である。
【００８８】電極２１２、２１３、及び、２２３だけしか示されていない、電極から離れた側の基板表面４８０には、基板表面４８０による入射光１４２の反射を減少させるため、１００ｎｍ厚の窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）の層である、反射防止コーティング４６２が施されている。
【００８９】ＰＣＳ４００は、入射光が基板４０２の表面４８０を照射できるように取り付けられる。例えば、フリップ・フロップ・ボンディング技法を利用して、入射光を発生するレーザ又はＬＥＤから入射光１４２を受光するように基板の配向を施して、適合するヘッダ（図示せず）にＰＣＳを取り付けることが可能である。入射光は、基板を通過して、光導電層４０６に達する。入射光の光路内には電極が配置されていないので、電極透過率ηsは、１００％に近くなる。
【００９０】ＰＣＳ４００は、まず、ＰＣＳ２００と略同じ構造を形成することによって製造される。しかし、上述のように、基板４０２、閉じ込め層４０４及び４０８、及び、光導電層４０６には、異なる材料が用いられる。また、Ｓｉ3Ｎ4反射防止コーティング２５６が、省略され、代わりに、ミラー層４５６は、ＰＣＳの基板４０２から離れた側の表面に配置されている。この例の場合、ミラー層４５６は、誘電体材料による複数の副層対から構成された分布ブラッグ反射器である。例証となる副層対が４６０で示されている。副層対４６０は、１４７ｎｍ厚のＳｉＯ2層及び９９ｎｍ厚のＴｉＯ2層から構成されている。これらの厚さは、上述のように、それぞれの材料における入射光１４２の波長の１／４に相当する。副層のＳｉＯ2とＴｉＯ2との屈折率の差が大きいので（ＳｉＯ2が１．４５で、ＴｉＯ2が２．１５）、約９０％の反射率を得るのに必要な副層は３対だけである。こうした反射率によって、光導電層４０６の有効吸光度ηaは、約９８％まで高められる。ミラー層を堆積させた後、ボンディング・パッド１１１及び１２１（図２）上に重なるミラー層４５６の部分は、エッチングで除去される。最後に、１００ｎｍ厚の窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）層である、反射防止コーティング４６２が、基板表面４８０上に堆積させられる。
【００９１】ＰＣＳ４００の全変換効率は、η＝ηc×ηs×ηr×ηa×ηi＝９５％×１００％×９９％×９８％×９５％＝８８％である。この全変換効率の向上によって、半導体経路ＯＮ抵抗Ｒs(on)は、ＰＣＳ２００の約１／２になる。電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５が、従来の不透明な電極材料ではなく、半透明な電極材料である、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）から製造されている、図８に示すＰＣＳ３００に基づく実施形態ついても、同様の結果が予測される。
【００９２】図１０には、全変換効率ηが説明したばかりのＰＣＳ４００の全変換効率とされる、本発明によるＰＣＳの第５の実施形態が示されている。上述のＰＣＳ２００及び４００の構成要素に対応するＰＣＳ５００の構成要素は、同じ参照番号で表示されており、ここでは説明を繰り返さない。ＰＣＳ４００と同様、ＰＣＳ５００の全変換効率ηは、電極透過率ηsを高め、且つ、光導電層の吸光度ηaを有効に高めることによって、向上する。ＰＣＳ５００には、入射光が下側閉じ込め層２０４を照射し、下側閉じ込め層を通過して、光導電層２０６に到達することができるように、基板５０２の厚さにわたってエッチングされたスルー・ホール５６０が含まれている。入射光の光路内に電極が配置されていないので、この結果、電極透過率ηaは１００％近くまで高められ、基板材料は、光導電層によって吸収される入射光の波長範囲内において不透明とすることが可能になる。ＰＣＳ５００には、上述のように、光導電層２０６の吸光度を有効に高める、基板５０２から離れた側のＰＣＳ表面上におけるミラー層４５６も含まれている。
【００９３】図示の例の場合、基板５０２は、ＧａＡｓのウェーハであり、光導電層２０６は、ＡｌxＧａ1-xＡｓの１層であり、閉じ込め層２０４及び２０８は、ＡｌyＧａ1-yＡｓの層である（ここで、ｘ＜ｙ）。基板材料は、光導電層によって吸収される入射光１４２の波長範囲内において吸収性である。基板材料は、ＰＣＳを製造することが可能な材料の他の組み合わせによる光導電層によって吸収される入射光の波長範囲内においても吸収性である。基板材料が、光導電層によって吸収される入射光の波長範囲内において公称では半透明であるＰＣＳの実施形態の場合であっても、基板の厚さにわたるスルー・ホール５６０のエッチングを施すことは、そのスルー・ホールによって、別様であれば、入射光が基板の厚さを通過する結果として生じるであろう、入射光の吸収が低減するので、やはり有効である。
【００９４】スルー・ホール５６０のエッチングによって、スルー・ホールが、基板５０２の全厚にわたって貫通するが、下側閉じ込め層２０４の全部又は一部を除去することがないように、エッチング・プロセスに制御を加える問題が生じる。これは、下側閉じ込め層の厚さが基板の厚さに比べて極めて薄いので（１００μｍに比べて０．１μｍ未満）、とりわけ困難である。発明者は、所定のエッチング液によってエッチングを施される速度が、基板材料よりもかなり遅い下側閉じ込め層用の材料を用いることによって、この問題を解決した。これによって、下側閉じ込め層がエッチング・プロセスに対するエッチング・ストップの働きをすることが可能になる。例えば、基板材料がＧａＡｓの場合、下側閉じ込め層２０４は、ＧａＡｓのエッチング時に、有効なエッチング・ストップの働きをするＡｌＧａＡｓ層とすることが可能である。このスルー・ホール５６０の形成方法は、３１ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．，１５９７（１９９２）においてＨ．Ｔａｎｏｂｅ他によって解説された面発光レーザの製造方法に基づくものであり、ここでは、これ以上の詳述は控えることにする。
【００９５】ＰＣＳ５００は、基板５０２、光導電層２０６、及び上側閉じ込め層２０８の材料が異なる点を除けば、ＰＣＳ４００の製造に関して上述の方法に基づく方法によって製造される。また、図示の例の場合、基板上にＷＢ材料の独立した層を堆積させて、ＰＣＳ２００の場合のように、下側閉じ込め層２０４が形成される。ミラー層４５６の堆積が済み、ボンディング・パッド１１１及び１２１（図２）の上に重なるミラー層の部分がエッチングで除去されると、ミラー層４５６から離れた側の基板５０２の表面５８０が、スルー・ホール５６０を配置すべき領域を除いて、フォトレジスト層によってマスキングされる。次に、ＡｌＧａＡｓよりかなり速い速度で、ＧａＡｓにエッチングを施す化学エッチング液を用いて、ＰＣＳのエッチングが実施される。１０：１を超えるエッチング速度比をもたらすアンモニウム系のエッチング液が、当該技術において既知のところである。こうしたエッチング液の一例が、過酸化水素と水酸化アンモニウムの混合物である。こうしたエッチング液を用いることによって、下側閉じ込め層２０４は、スルー・ホールのエッチング時におけるエッチング・ストップの働きをすることが可能になる。
【００９６】基板５０２におけるスルー・ホール５６０のエッチングが済むと、基板表面５８０、スルー・ホールの側壁、及び、下側閉じ込め層２０４の露出表面上に、１００ｎｍ厚の窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）層である、反射防止コーティング５６２が堆積させられる。
【００９７】ＰＣＳ５００の全変換効率は、η＝ηc×ηs×ηr×ηa×ηi＝９５％×１００％×９９％×９８％×９５％＝８８％である。この全変換効率ηの向上によって、半導体経路のＯＮ抵抗Ｒs(on)は、ＰＣＳ２００の約１／２になる。
【００９８】この開示では、本発明の例証となる実施形態について詳述されたが、もちろん、本発明は、解説された実施形態によって制限されるものではなく、付属の請求項に定義された本発明の範囲内において、さまざまな修正を加えることが可能である。
【００９９】本発明を上述の実施形態に即して説明すると、本発明は、第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、第２のエネルギー・バンド・ギャップを備えた第２の半導体材料による第２の閉じ込め層と、前記第１及び第２のエネルギー・バンド・ギャップより狭い第３のエネルギー・バンド・ギャップ、及び前記第１の導電タイプとは相違する第２の導電タイプを備える第３の半導体材料からなり、前記第１の閉じ込め層と前記第２の閉じ込め層の間に挟まれている光導電層と、互いに独立している、前記光導電層から離れた側の前記第１の閉じ込め層の表面上に配置された第１の電極及び第２の電極が設けられており、入射光によって前記光導電層の一部が照射されるとき、前記第１の電極と前記第２の電極の間における前記光導電層の導電性が高められることを特徴とする光導電性スイッチを提供する。
【０１００】好ましくは、前記第１のエネルギー・バンド・ギャップと前記第２のエネルギー・バンド・ギャップとが、前記第３のエネルギー・バンド・ギャップより少なくとも２５ｍｅＶ広くされる。
【０１０１】好ましくは、更に、（ａ）漸変組成、及び（ｂ）急変超格子多層フィルムの一方を含む層が含まれており、該層が、前記光導電層と前記第１の閉じ込め層の間に挟まれる。
【０１０２】好ましくは、第１の半導体材料が、ＡｌyＧａ1-yＡｓであり、ここで、０．０２＜ｙ＜１．０であり、第３の半導体材料が、ＡｌxＧａ1-xＡｓであり、ここで、ｘ＜ｙである。
【０１０３】好ましくは、前記光導電性スイッチに、更に、前記入射光によって前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれ、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれｔc及びｄの厚さを備えており、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαpの吸収率を備え、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備え、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備える。
【０１０４】好ましくは、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料の組み合わせは、（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ここで、０．０≦ｙ≦１．０）及びＡｌxＧａ1-xＡｓ（ここで、０．０≦ｘ＜０．５）と；（ＡｌyＧａ1-y）Ａｓ（ここで、０．０＜ｙ＜１．０）及びＩｎxＧａ1-xＡｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜０．３）と；（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ａｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＩｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓと；（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ａｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＡｓ0.5Ｓｂ0.5と；ＡｌxＧａ1-xＮ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＮと；Ｓｉ及びＧｅxＳｉ1-x（ここで、０．０５＜ｘ＜１．０）と；Ｓｉ及びＳｉＣと；ＺｎyＭｇ1-yＳzＳｅ1-z（ここで、０＜ｙ＜１．０及び０＜ｚ＜１．０）及びＺｎＳxＳｅ1-x（ここで、０＜ｘ＜１）と；ＡｌxＧａ1-xＳｂ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＳｂと；ＰｂxＣｄ1-xＴｅ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＰｂＴｅとから構成されるグループから選択される。
【０１０５】好ましくは、第１の導電タイプはｎ型である。
【０１０６】好ましくは、前記第１の半導体材料は、前記第３の半導体材料よりも多量にドープされている。
【０１０７】好ましくは、前記第３の半導体材料のドーピング濃度は、１×１０17ｃｍ-3未満である。
【０１０８】好ましくは、更に、前記閉じ込め層の１つの表面に施された反射防止コーティングが含まれる。
【０１０９】好ましくは、前記第２の閉じ込め層に、ミラー層が含まれる。
【０１１０】好ましくは、前記ミラー層に、屈折率の異なる１対の材料層が含まれる。
【０１１１】好ましくは、前記光導電性スイッチに、更に、前記第２の閉じ込め層を支持する基板が含まれ、前記基板に、前記第２の閉じ込め層の一部を露出させるスルーホールが形成されている。
【０１１２】好ましくは、更に、前記スルーホールによって露出する、前記第２の閉じ込め層の表面に施された反射防止コーティングが含まれる。
【０１１３】好ましくは、更に、前記第１の閉じ込め層の表面上におけるミラー層が含まれる。
【０１１４】好ましくは、前記電極に半透明の導電材料が含まれる。
【０１１５】好ましくは、前記光導電性スイッチに、更に、前記光導電層によって吸収される前記入射光の波長範囲内において半透明な材料による基板が含まれていることと、該基板によって、前記光導電層と前記第１の閉じ込め層が支持される。
【０１１６】好ましくは、前記光導電性スイッチに、更に、基板が含まれることと、前記第２の閉じ込め層が前記基板と一体である。
【０１１７】好ましくは、前記基板に、前記光導電層によって吸収される前記入射光の波長範囲内において半透明な材料が含まれる。
【０１１８】更に本発明は、第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、異なる屈折率及びそれぞれのエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料による１対の副層を含むミラー層と、前記第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び前記ミラー層の前記半導体材料の前記エネルギー・バンド・ギャップより狭い第３のエネルギー・バンド・ギャップと、前記第１の導電タイプとは逆の第２の導電タイプを備え、前記第１の閉じ込め層と前記ミラー層の間に挟まれた、第３の半導体材料による光導電層と、互いに独立している、前記第１の閉じ込め層の前記光導電層から離れた側の表面に配置された第１の電極及び第２の電極と、前記第１の閉じ込め層の少なくとも一部に隣接した反射防止コーティングが含まれていることを特徴とする光導電性スイッチを提供する。
【０１１９】好ましくは、更に、前記入射光によって前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれており、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれ、ｔc及びｄの厚さを備え、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαpの吸収率を備え、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備え、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備える。
【０１２０】更に本発明は、スルーホールが形成された基板と、第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、前記基板に隣接し、前記スルーホールを略被覆する、第２のエネルギー・バンド・ギャップを備えた第２の半導体材料による第２の閉じ込め層と、前記第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び前記第２のエネルギー・バンド・ギャップより狭い第３のエネルギー・バンド・ギャップ、及び、前記第１の導電タイプとは逆の第２の導電タイプを備え、前記第１の閉じ込め層と前記第２の閉じ込め層の間に挟まれた、第３の半導体材料による光導電層と、互いに独立している、前記第１の閉じ込め層の前記光導電層から離れた側の表面に配置された第１の電極及び第２の電極と、前記第１の閉じ込め層に隣接したミラー層とが含まれていることを特徴とする光導電性スイッチを提供する。
【０１２１】前記光導電性スイッチに、更に、入射光で前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれ、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれ、ｔｃ及びｄの厚さを備え、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαｐの吸収率を備え、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備え、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備える。
【０１２２】好ましくは、前記ミラー層に、屈折率の異なる誘電体材料による１対の副層が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術による光導電性スイッチ（ＰＣＳ）の断面図である。
【図２】その導通状態における本発明によるＰＣＳの第１の実施形態に関する平面図である。
【図３】図２の線３−３に沿って描かれた本発明によるＰＣＳの断面図である。
【図４】その非導通状態における本発明によるＰＣＳの第１の実施形態の一部に関する断面図である。
【図５】その導通状態における本発明によるＰＣＳの第２の実施形態の一部に関する断面図である。
【図６】図５に示すＰＣＳの実施形態における、入射光を発生するレーザ・パワーに対する半導体経路ＯＮ抵抗Ｒs(on)の変動を示すグラフである。半導体経路ＯＮ抵抗は、二重ヘテロ接合ＰＣＳ構造の上側閉じ込め層及び光導電層を通る導電経路のＯＮ抵抗である。
【図７】図５に示すＰＣＳの実施形態における光導電層のドーパント濃度に対するＯＦＦキャパシタンスＣoffの変動を示すグラフである。
【図８】その導通状態における本発明によるＰＣＳの第３の実施形態の一部に関する断面図である。
【図９】その導通状態における本発明によるＰＣＳの第４の実施形態の一部に関する断面図である。
【図１０】その導通状態における本発明によるＰＣＳの第５の実施形態の一部に関する断面図である。
【符号の説明】
１００；２００；３００；４００；５００ 光導電性スイッチ
１０８；２０８；４０８ 第１の閉じ込め層
１０４；２０４；４０４ 第２の閉じ込め層
１０６；２０６；４０６ 光導電層
１１２，１１３，１１４，１２３，１２４、１２５；２１２、２１３、２２２、２２３ 電極
２５６、４６２，５６２ 反射防止コーティング
３０４、４５６ ミラー層
１０２、２０２、４０２、５０２ 基板
５６０ スルーホール
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、光電子装置に関するものであり、とりわけ、低コストで製造可能な高性能光導電性スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】マイクロ波スイッチは、高周波数で機能し、ＯＮ／ＯＦＦ比が改善され、挿入損失が減少し、アイソレーションが強化されるものと期待されている。光導電性スイッチ（ＰＣＳ）は、光を利用して、その導電性を制御し、従って、それを通る電子信号を変調する。光導電性スイッチは、トランジスタのような同等の電子制御スイッチよりも漂遊電子インピーダンスが小さい。従って、光導電性スイッチは、潜在的に高周波及び高性能マイクロ波スイッチとして用いるのにより適している。
【０００３】Ａｕｓｔｏｎに対する米国特許第３，９１７，９４３号には、超短光パルスによって駆動される、半導体基板上に製造された第１のタイプのＰＣＳが開示されている。狭いギャップによって分離された２つの金のマイクロ・ストリップ伝送ラインが、吸光絶縁半導体基板の表面に配置されている。ギャップを通って基板に送り込まれる第１の光パルスが、ギャップ内における基板表面に多量の電荷を発生することによって、ＰＣＳをＯＮにする。第１の光パルスの間に生じ、ギャップに送られる第２の光パルスが、接地面まで延びる基板の大部分に多量の電荷を発生する。これによって、マイクロ・ストリップ伝送ラインとアースが短絡し、ＰＣＳがＯＦＦになる。基板を低温で成長させるか、又は、基板にイオン注入を施して、キャリヤの寿命を短縮することによって、極めて高速の応答が得られるようになる。しかし、これによって、キャリヤの移動度も低下し、ＰＣＳの挿入損失が大きくなる。
【０００４】Ｄｅｒｋｉｔｓ，Ｊｒ．による米国特許第４，７５５，６６３号には、ＡｕｓｔｏｎのＰＣＳの欠点として、光パルスによって生じる電気インパルスが、キャリヤ輸送ではなく、キャリヤ再結合によって左右される点にあることが示されている。Ｄｅｒｋｉｔｓは、ギャップを構成する基板の一部に、ある表面テクスチャを示す、漸変組成の感光半導体材料から構成される領域が含まれるＰＣＳを開示している。感光半導体材料の表面に電荷キャリヤを発生するのに十分な強度の光ビームでギャップを照射すると、ＰＣＳが導通する。
【０００５】図１には、Ｄｅｒｋｉｔｓ，Ｊｒ．によって開示されたＰＣＳ１の実施形態が示されている。この場合、シリコンが望ましい半絶縁半導体基板１０の主表面２１上には、接地面電極１１又はオーム接触が配置されている。基板の反対側の主表面２２には、比較的広いエネルギー・バンド・ギャップを有する半導体材料による層１８が配置されている。層１８の上には、漸変組成の合金半導体材料による層１９が重ねられている。ギャップ１３によって分離された電極１４及び１５が、層１９の表面に配置され、基板の主表面２２の一部の上に延びている。電極は、層１９とオーム接触領域１７を形成している。
【０００６】層１９の材料は、２つの半導体材料Ｗ及びＮの合金である。半導体材料Ｗは、広いエネルギー・バンド・ギャップを備え、半導体材料Ｎは、狭いエネルギー・バンド・ギャップを備えている。合金中における狭いエネルギー・バンド・ギャップ半導体材料Ｎの比率は、層１８からの距離が長くなるにつれて、層１８との接合におけるゼロ値から単調に増大する。グルーブ２０又は他のテクスチャが、ギャップ１３の下にある層１９の部分に形成され、電荷分離体の働きをする。
【０００７】光がギャップ１３を通って層１９に当たると、電極１４と１５の間を電気的に導通させる電荷キャリヤが生じる。光を消すと、電荷キャリヤを一掃して、層１９の狭いエネルギー・バンド・ギャップ材料が主体の領域に送り込む準電界が発生することによって、ＰＣＳがＯＦＦになる。この領域において、グルーブ２０は、電荷キャリヤを分離し、電極セグメント間におけるそれ以上の導通を阻止する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】Ｄｅｒｋｉｔｓの開示したＰＣＳによれば、性能が向上するが、今日の技術の要件を満たすには、更に性能の向上したＰＣＳが必要になる。
【０００９】従って本発明の目的は、更なる性能の向上した光導電性スイッチ（ＰＣＳ）を提供することをその目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、従来のＰＣＳに比べて挿入損失が少なく、アイソレーションに優れた光導電性スイッチ（ＰＣＳ）が得られる。挿入損失は、本発明によるＰＣＳのＯＮ抵抗Ｒonがより小さいために減少する。アイソレーションは、本発明によるＰＣＳのＯＦＦキャパシタンスＣoffがより小さいために強くなる。従って、本発明によるＰＣＳは、従来のＰＣＳよりも低い性能指数Ｆ＝Ｒon／Ｃoffを備えることになる。性能指数が低いということは、より優れた性能を有するＰＣＳであることを表している。
【００１１】本発明によるＰＣＳは、複数のヘテロ接合を含む多層半導体構造に基づくものである。各ヘテロ接合は、広いエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料（ＷＢ材料）の層と、狭いエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料（ＮＢ材料）の層との間の接合である。ヘテロ接合の１つを形成する半導体材料は、逆の導電タイプになるようにドープされる。従って、このヘテロ接合は、ｐ型ＷＢ材料の層とｎ型ＮＢ材料の層との間か、又は、ｎ型ＷＢ材料の層とｐ型ＮＢ材料の層との間に形成される。
【００１２】本発明によるＰＣＳには、上側閉じ込め層と下側閉じ込め層の間に挟まれたＮＢ材料の光導電層から構成される３層半導体構造が含まれる。両閉じ込め層とも、ＷＢ材料の層である。上側閉じ込め層及び光導電層は、逆の導電タイプである。互いにギャップによって分離された第１の電極及び第２の電極は、上側閉じ込め層の光導電層から離れた側の表面に配置されている。光導電層は、適正な波長及び強度の入射光で照射されると、電極間に導電経路を形成する。
【００１３】光導電層の導電タイプはｐ型であり、上側閉じ込め層の導電タイプはｎ型であるが、それは、この導電タイプの組み合わせによって、逆の組み合わせよりも導電率が高くなるからである。
【００１４】説明したばかりの二重ヘテロ接合ＰＣＳ構造は、電荷キャリヤが、層の平面に対して垂直な方向に拡散するのを阻止し、入射光に応答して電荷キャリヤが発生する効率を高める。この結果、ＯＮ抵抗Ｒonが小さくなり、従って、挿入損失が減少する。
【００１５】説明したばかりの二重ヘテロ接合ＰＣＳ構造は、また、ＯＦＦキャパシタンスＣoffを減少させるので、そのＯＦＦ状態において、本発明によるＰＣＳによって得られるアイソレーションが強化される。
【００１６】本発明によるＰＣＳには、更に、光導電層と上側閉じ込め層の間に配置されて、ＯＮ抵抗Ｒonを小さくする漸変組成層又は急変超格子を含むことも可能である。
【００１７】本発明によるＰＣＳには、更に、光導電層を通過する入射光を反射して、光導電層に戻し、ＯＮ抵抗Ｒonを更に小さくするように配置された、ミラー層を含むことも可能である。
【００１８】本発明によるＰＣＳの電極には、更に、ＯＮ抵抗Ｒonを更に小さくするため、半透明の導電材料を含むことも可能である。
【００１９】本発明によるＰＣＳには、更に、光導電層によって吸収される入射光の波長範囲において半透明の基板材料による基板を含むことも可能である。この基板は、少なくとも光導電層と上側閉じ込め層を支持する。入射光が、半透明の基板を通過して、光導電層を照射する。入射光の一部は、電極によって遮られないので、ＯＮ抵抗Ｒonが小さくなる。
【００２０】その代わりに、本発明によるＰＣＳには、二重ヘテロ接合ＰＣＳ構造を支持する不透明基板を含むことも可能であり、この基板に、スルーホールを形成することによって、光導電層を照射する入射光を受け入れることが可能である。入射光の一部は、電極によって遮られないので、ＯＮ抵抗Ｒonはやはり小さくなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明は、発明者が、先行技術のＰＣＳに関連した下記の４つの問題を認識し、これらの問題に対して生み出した有効な解決法に基づくものである。
【００２２】１．先行技術によるＰＣＳは、低温で成長させた材料から構成されており、従って、こうした材料の低キャリア移動度のために挿入損失が大きくなる。
【００２３】２．先行技術による構造では、入射光に応答して発生するキャリヤが、電極間の導通に有効に寄与することができない。例えば、先行技術によるＰＣＳには、入射光に応答して発生するキャリヤを特定の場所に閉じ込める構造が欠けている。代わりに、先行技術によるＰＣＳでは、キャリヤが、それが形成される場所から拡散することができるので、電極間を導通させるために利用可能なキャリヤが減少する。
【００２４】３．先行技術によるＰＣＳの場合、入射光に応答して発生するキャリヤの一部は、電極に到達し、そこで、再結合する。この再結合によって、キャリヤ密度の低い領域が生じるが、この領域は抵抗率が高くなる。この結果、ＯＮ抵抗Ｒonが大きくなる。抵抗の大きい領域は、ｎ−ｉ−ｎデバイスにも見受けられる。
【００２５】４．先行技術によるＰＣＳにおける半導体層の表面におけるダングリング・ボンドによって、入射光に応答して発生するキャリヤの再結合が可能なトラップが形成される。これによって、入射光に応答してキャリヤの発生する効率が低下する。
【００２６】図２及び図３には、本発明によるＰＣＳの第１の基本実施形態１００が示されている。ＰＣＳ１００は、ＷＢ材料、即ち、広いエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料の下側閉じ込め層１０４と、ＮＢ材料、即ち、狭いエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料の光導電層１０６と、ＷＢ材料の上側閉じ込め層１０８から構成されている。光導電層１０６が、下側閉じ込め層１０４と上側閉じ込め層１０８の間に挟まれている。上側閉じ込め層１０８の露出表面には、端子１１０及び１２０が配置されている。端子１１０は、ボンディング・パッド１１１に結合された電極１１２、１１３、及び、１１４から構成されている。端子１２０は、ボンディング・パッド１２１に結合された電極１２２、１２３、及び、１２４から構成されている。端子１１０の電極は、狭いギャップによって、端子１２０の電極から分離されている。
【００２７】図３には、下側閉じ込め層１０４は、半導体基板１０２に成長又は堆積させられたＷＢ材料の層として示されている。これによって、一般に利用可能な低コストの半導体材料を基板に用いることが可能になる。こうした材料は、通常ＷＢ材料ではない。しかし、基板の半導体材料が、ＩｎＰのようなＷＢ材料である場合、下側閉じ込め層と基板を一体化させることが可能であり、独立した下側閉じ込め層は不要になる。光導電層１０６及び上側閉じ込め層１０８は、下側閉じ込め層１０８の上に順次成長又は堆積させられる。
【００２８】上側閉じ込め層１０８のＷＢ材料の導電タイプは、光導電層１０６のＮＢ材料の導電タイプとは逆である。上側閉じ込め層１０８のＷＢ材料の導電タイプは、ｎ型であり、光導電層１０６のＮＢ材料の導電タイプは、ｐ型であるが、ＷＢ材料とＮＢ材料の導電タイプは、逆にすることも可能である。
【００２９】下側閉じ込め層１０４のＷＢ材料は、上側閉じ込め層１０８のＷＢ材料と同じにすることが可能である。或いはまた、上側閉じ込め層１０８及び下側閉じ込め層１０４に、異なるＷＢ材料を用いることも可能である。下側閉じ込め層のＷＢ材料の導電タイプは、光導電層１０６の導電タイプと同じにすることもできるし、或いは、光導電層の導電タイプと逆にすることもできるし、或いは、下側閉じ込め層のＷＢ材料は、アンドープ材料とすることも可能である。
【００３０】閉じ込め層１０８がなければ、光導電層１０６の表面に、ダングリング・ボンドが存在することになる。こうしたダングリング・ボンドは、入射光１４２に応答して発生するキャリヤを捕獲し、キャリヤの再結合を促進する表面準位を生じさせる。ＰＣＳ１００の場合、上側閉じ込め層１０８が、光導電層１０６の表面を被覆し、光導電層１０６の表面に生じるダングリング・ボンド数を大幅に減少させる。従って、上側閉じ込め層１０８は、入射光の所定の強度に応答して、光導電層に存在するキャリヤ数を増加させる。
【００３１】図３に示す部分１３２及び１３４のような、上側閉じ込め層１０８のうち端子１１０及び１２０によって被覆された部分だけが、閉じ込め層として機能する。図３には、電極１１２及び１２３によって被覆されない上側閉じ込め層の部分１０８Ａ、１０８Ｂ、及び、１０８Ｃも示されている。上側閉じ込め層の部分１０８Ａ、１０８Ｂ、及び、１０８Ｃの上部表面は、ＷＢ材料のバンド・ギャップにおける熱エネルギー（ｋＴ、ここで、ｋは、ボルツマン定数であり、Ｔは、絶対温度である）の数倍で強くピン止めされる表面エネルギ準位を備えている。結果として、これらの部分は、上側閉じ込め層の厚さ全体にわたって空乏化する。
【００３２】上側閉じ込め層１０８の部分１０８Ａ乃至１０８Ｃが層の厚さにわたって空乏化すると、端子１１０と１２０の間の上側閉じ込め層には、導電経路が存在しない。更に、入射光がなければ、上側閉じ込め層と光導電層１０６の間に存在する２つの背中合わせのｐ−ｎ接合によって、光導電層１０６を介した端子間の導通が阻止される。ＰＣＳ１００が入射光１４２によって照射され、これによって、光導電層にキャリヤが発生する場合に限って、端子間の導通が生じる。
【００３３】端子１１０を形成する電極１１２乃至１１４は、端子１２０の一部を形成する電極１２２乃至１２５と交互嵌合している。電極の形状及び位置は、ＰＣＳ１００が入射光１４２によって照射された場合に、端子１１０と１２０の間におけるＯＮ抵抗Ｒｏｎを最小限に抑えるように最適化することが望ましい。図２には、入射光１４２によって照射される、ＰＣＳ１００の上部表面における略円形の領域が１４０で示されている。入射光ビームは、領域１４０によって、電極の交互嵌合領域の大部分がカバーされるような形状にされる。
【００３４】従来の不透明な金属電極が、電極１１２乃至１１４及び１２２乃至１２５として用いられる場合、電極は、電極を照射する入射光１４２の一部を反射又は吸収する。この入射光の一部は、光導電層１０６に到達せず、キャリヤを発生させない。領域１４０の面積が制限される場合、電極によって被覆される領域１４０の一部と、それを通って入射光１４２が光導電層１０６に到達し、キャリヤを発生させることが可能になる、領域１４０の残りの部分との間で、トレード・オフを行うことが可能である。
【００３５】閉じ込め層１０４及び１０８の望ましい特性は、次の通りである：閉じ込め層１０４及び１０８のＷＢ材料のエネルギー・バンド・ギャップは、入射光１４２に応答して、光導電層に発生するキャリヤが閉じ込め層内に拡散するのを阻止するため、光導電層１０６のＮＢ材料のエネルギー・バンド・ギャップよりも２５ｍｅＶ高くすることが望ましい。２５ｍｅＶのエネルギー・バンド・ギャップ差は、室温における熱エネルギーに相当する。
【００３６】それを通って入射光が光導電層１０６に到達する閉じ込め層、例えば、図２及び３に示す実施形態における閉じ込め層１０８は、出きる限り薄いことが望ましく、閉じ込め層のＷＢ材料は、閉じ込め層を通って光導電層１０６に達する入射光の透過を最大にするため、入射光１４２の波長において透明度が高いことが望ましい。換言すれば、閉じ込め層の厚さｔｃと閉じ込め層のＷＢ材料の吸収率αｃの積は、１よりもかなり小さい、即ち、ｔcαc＜＜１であることが望ましい。トンネリング効果によって、閉じ込め層の最小厚さには実施上の制限が設定される。従って、入射光がそれを通って光導電層に到達する閉じ込め層の吸収率は、１００ｃｍ-1未満であることが望ましい。
【００３７】上側閉じ込め層１０８のＷＢ材料は、高導電率が得られるように、電子移動度が高いことが望ましい。導電率が高いと、電極１１２乃至１１４及び１２２乃至１２５から閉じ込め層１０８を経て光導電層１０６に至る導電経路の抵抗が小さくなる。
【００３８】上側閉じ込め層１０８のＷＢ材料は、上側閉じ込め層の導電率を高くするため、高ドーピング濃度であることが望ましい。しかし、ドーピング濃度が高すぎると、所定の厚さの上側閉じ込め層の十分な空乏化が阻止される。上側閉じ込め層の厚さを薄くして、層の十分な空乏化を可能にすると、トンネル効果が増大する。従って、上側閉じ込め層のＷＢ材料の最適なドーピング濃度には、これらの相反する要件間におけるトレード・オフが必要になる。略１×１０17ｃｍ-3ほどのドーピング濃度が、許容可能な妥協案である。光導電層１０６の望ましい特性は、下記の通りである：光導電層１０６は、実際に製造可能な限り厚いのが望ましく、光導電層のＮＢ材料は、入射光１４２の波長においてできる限り高い吸収率を備えることが望ましい。これらの特性によって、光導電層はできる限り多くの入射光１４２を吸収することが可能になり、従って、入射光に応答して、できる限り多くのキャリヤを発生することが可能になる。換言すれば、光導電層の厚さｄと、入射光の波長における光導電層のＮＢ材料の吸収率αpとの積は、約１を超えることが、即ち、ｄαp＞約１であることが望ましい。光導電層の最大厚さに関するプロセス制限によって、光導電層のＮＢ材料の吸収率が、入射光の波長において１０００ｃｍ-1を超えることが望ましくなる。入射光の波長は、吸収率を最大にするため、入射光の光子エネルギが、光導電層のＮＢ材料のエネルギー・バンド・ギャップよりも大きくなるように選択するのが望ましい。光導電層１０６のＮＢ材料は、光導電層１０６の導電率を高くするため、高い光キャリヤ移動度を備えることが望ましい。導電率が高いと、光導電層の抵抗が小さくなり、ＯＮ抵抗Ｒonが小さくなる。光導電層１０６のＮＢ材料におけるキャリヤは、ＰＣＳ１００を介した信号の伝送に寄与することができるように長寿命であることが望ましい。光導電層１０６のＮＢ材料は、ＯＦＦキャパシタンスＣoffを小さくするため、１×１０17ｃｍ-3のドーピング濃度を備えることが望ましい。
【００３９】光導電層１０６のＮＢ材料の特性によって、入射光１４２に応答して発生するキャリヤの寿命が決まる。上述のように、一般には、キャリヤの寿命を延長することが望ましい。しかし、キャリヤの寿命が長すぎると、ＰＣＳのスイッチング速度が損なわれる。従って、キャリヤの寿命は、ＰＣＳ１００の所望のスイッチング時間より短いことが望ましい。さもなければ、入射光に応答して発生するキャリヤは、入射光１４２がＰＣＳ１００の照射をやめてから、かなりの時間存在し続けることになる。残りのキャリヤによって、そのＯＦＦ状態にあるＰＣＳのコンダクタンスが増大し、その結果、そのＯＦＦ状態にあるＰＣＳによって得られるアイソレーションが弱くなる。多くの用途では、約１ｍｓのスイッチング時間が許容可能である。極めてキャリヤ寿命の長いシリコンのようなＮＢ材料でさえ、こうしたスイッチング速度を容易にもたらすことが可能である。より速いスイッチング速度が必要な場合には、ＧａＡｓのようなＮＢ材料を利用することが可能である。
【００４０】入射光１４２によってＰＣＳ１００を照射すると、ＰＣＳはＯＮ状態になる。ＰＣＳ１００は、ＲＦ及びマイクロ波システムにおいて最も一般的に用いられるものであり、一般に、５０Ωの特性インピーダンスを備えている。５０Ωの特性インピーダンスを備えるシステムに用いられるＰＣＳのＯＮ抵抗Ｒonは、５０Ωに比較して小さければ、即ち、Ｒon＜＜５０Ωであれば、許容可能に小さい。従って、こうしたＰＣＳに対する入射光１４２が所定の強度の場合、ＯＮ抵抗を５０Ωに比べて小さいレベルに低減する手段によって、ＰＣＳの性能が有効に改善される。しかし、同じ強度の入射光の場合に、ＯＮ抵抗を５０Ωに比べて小さいレベル未満にまで低減する手段がＰＣＳの性能に及ぼす効果は、ないに等しい。それにもかかわらず、こうした手段は、より低い入射光の強度で、ＯＮ抵抗を５０Ωに比べて小さくすることができるので、実施する価値がある。これによって、熱の発生がより少ない、より単純で、より低コストの光源を利用して、入射光を発生することが可能になる。こうした光源は、一般に、寿命及び信頼性が改善され、電力消費が減少する。従って、以下に述べるＰＣＳ１００のＯＮ抵抗Ｒonを低減させるための手段を、追加で、又は、代わりに用いることによって、ＯＮ抵抗が５０Ωに比べて小さくなる、入射光の強度を低下させることが可能である。
【００４１】図３に示すＰＣＳ１００のＯＮ状態において、ＰＣＳのＯＮ抵抗Ｒonは、下記の式によって求められる：Ｒon＝Ｒs(on)＋Ｒcここで：
【００４２】
【数１】
【００４３】ここで：Ｒonは、端子１１０と１２０間において測定されるＰＣＳのＯＮ抵抗であり、Ｒs(on)は、半導体経路のＯＮ抵抗、即ち、上側閉じ込め層１０８及び光導電層１０６を通る導電経路の抵抗であり、Ｒcは、端子１１０及び１２０と上側閉じ込め層１０８の間の接触抵抗であり、ｑは、単位電荷であり、μは、キャリヤ移動度であり、ｎは、入射光１４２に応答して発生するキャリヤ密度であり、ｗは、電極の幅であり、ｖは、電極間の距離であり、ｌは、図２の破線によって表示される、入射光によって照射される電極の周囲長であり、ｄは、光導電層１０６の厚さであり、ｈは、プランク定数であり、νは、入射光の周波数であり、τは、キャリヤの寿命であり、Ｄは、キャリヤの拡散定数であり、Ｐは、入射光の強度であり、αpは、光導電層の光吸収率であり、Ａ及びＢは、定数である。
【００４４】上記式から明らかなように、入射光の強度であるＰを増し、キャリヤ移動度μ、キャリヤ寿命τ、及び、光吸収率αpの値が高い半導体材料を選択すると、ＯＮ抵抗Ｒonが小さくなる。光吸収率αpは、入射光の周波数νが上昇するにつれて高くなるので、波長の短い入射光を用いることが望ましい。レンズを用いて、入射光を体積の小さい光導電層１０６に集束させ、強度Ｐを増すことが望ましい。これは、ＰＣＳの寸法が小さいことが望ましい、より高い周波数で用いられるＰＣＳの実施形態において特に有効である。
【００４５】ＯＮ抵抗Ｒonを低減させるため、入射光は、高い全変換効率で、キャリヤに変換されることが望ましい。全変換効率ηは、下記によって得られる：η（％）＝ηc×ηs×ηr×ηa×ηiここで、ηcは、ＰＣＳ１００の受光領域１４０が実際に受ける入射光１４２の比率を決定する結合効率である（この実施形態の場合、９５％）。ηsは、電極の透過率、即ち、電極１１２乃至１１４及び１２２乃至１２５によって吸収又は反射されない入射光の比率である。ＰＣＳ１００の場合、電極の透過率は、電極によって被覆されない受光領域１４０の比率に略等しい。ηrは、閉じ込め層を光導電層１０６まで透過する入射光の比率である。ηaは、光導電層１０６の吸光度である。ηiは、光導電層が光をキャリヤに変換する内部量子効率である。
【００４６】図４には、入射光１４２のない、ＯＦＦ状態のＰＣＳ１００が示されている。そのＯＦＦ状態にあるＰＣＳのインピーダンスは、そのＯＦＦ状態にあるＰＣＳのオーム抵抗とＯＦＦキャパシタンスＣoffのリアクタンス１／２πｆ・Ｃoffの並列組み合わせのインピーダンスであり、ここで、ｆは、ＰＣＳによってスイッチされる信号の周波数である。上述のように、本発明によるＰＣＳは、ＲＦ及びマイクロ波システムにおいて最も一般的に用いられるものであり、一般に、５０Ωの特性インピーダンスを備えている。ＲＦ及びマイクロ波周波数において、並列組み合わせのインピーダンスを決定する上で支配的な要素は、ＯＦＦキャパシタンスＣoffのリアクタンスである。特性インピーダンスが５０Ωのシステムに用いられるＰＣＳのＯＦＦキャパシタンスＣoffは、そのリアクタンスが５０Ωに比較して大きければ、即ち、１／２πｆ・Ｃoff＞＞５０Ωであれば、許容可能に小さいことになる。
【００４７】特性インピーダンスが５０Ωの用途に用いられるＰＣＳの場合、ＯＦＦキャパシタンスＣoffを低減させ、そのリアクタンスが所定の周波数で５０Ωに比べて大きくなるようにする手段によって、ＰＣＳの性能が有効に改善される。しかし、ＯＦＦキャパシタンスを更に低減させる手段がＰＣＳの性能に及ぼす効果は、ないに等しい。それにもかかわらず、こうした手段は、更に高い周波数において、ＯＦＦキャパシタンスのリアクタンスが、５０Ωに比べて大きくなるようにすることができるので、追求する価値がある。これによって、本発明によるＰＣＳを用いることが可能な適用範囲が拡大される。従って、以下に述べるＯＦＦキャパシタンスＣoffを低減するための手段を、追加で、又は、代わりに用いることによって、より高い動作周波数において、そのリアクタンスが５０Ωに比べて大きいＯＦＦキャパシタンスを得ることが可能になる。
【００４８】ＯＦＦキャパシタンスＣoffに主として影響するのは、（１）光伝導層１０６と上側閉じ込め層１０８との間における空乏層のキャパシタンス、（２）上側閉じ込め層１０８のダングリング・ボンドによって生じる空乏層のキャパシタンス、及び、（３）光導電層１０６と下側閉じ込め層１０４との間における空乏層のキャパシタンスである。もちろん、光導電層１０６と上側閉じ込め層１０８の間における空乏層のキャパシタンスが、支配的であり、ＯＦＦキャパシタンスＣoffは、略、下記の式を用いて求めることが可能である：
【００４９】
【数２】
【００５０】ここで：
【００５１】
【数３】
【００５２】ここで：ｔは、空乏層の厚さであり、εnは、閉じ込め層の誘電率であり、εpは、光導電層の誘電率であり、ｌは、図２に破線１５０で示された電極の周囲長であり、ｗは、電極の幅であり、ｎ及びｐは、それぞれ、上側閉じ込め層１０８及び光導電層１０６のドーパント濃度であり、Φiは、ビルトイン・ポテンシャル（組み込み電位）であり、Ｖは、印加電圧である（この例では、Ｖ＝０）。
【００５３】光導電層１０６のドーパント濃度ｐが低下すると、ＯＦＦキャパシタンスＣoffが低減するのは明らかである。しかし、最低ドーパント濃度は、後述するように、実施上の制限を受ける。
【００５４】上記式によって、小さい性能指数Ｒon×Ｃoffが得られるように、ＰＣＳ１００の設計を最適化することが可能になる。この性能指数は、高性能のＰＣＳにとって１つの重要な測度である。
【００５５】本開示において開示されているＰＣＳの基板、閉じ込め層、及び、光導電層に利用可能な材料の組み合わせ例が、表１に示されている。光導電層１０６及び少なくとも上側閉じ込め層１０８の材料は、その導電タイプを決めるため、適正なドーパントがドープされている。
【００５６】上述のように、下側閉じ込め層１０４及び上側閉じ込め層１０８は、材料の異なる層とすることが可能である。こうした場合の上側閉じ込め層の材料が、表１にリストアップされている。
【００５７】表１にリストアップされた材料の組み合わせの利点の１つは、隣接層間における格子不整合が最小限に抑えられ、従って、格子不整合がもっと大きい組み合わせよりもキャリヤの寿命が長くなるという点にある。
【００５８】
【表１】
【００５９】上記組み合わせのうちでは、電子移動度が高くて、キャリヤの寿命が長く、利用可能な十分なエピタキシャル成長及びプロセス技術を用いて製造することができるので、組み合わせ１乃至４及び７が好ましい。
【００６０】組み合わせ４及び５の基板材料は、ＩｎＰであり、これは、ＷＢ材料である。組み合わせ４又は組み合わせ５を利用して製造されるＰＣＳの場合、下側閉じ込め層１０４は、基板１０２と一体化することが可能であり、光導電層１０６は、基板表面に直接堆積させることが可能である。また、組み合わせ７の基板材料は、シリコンであり、これは、ＷＢ材料である。シリコン基板を備えたＰＣＳの場合、下側閉じ込め層は、基板と一体化することが可能であり、光導電層は、基板表面に直接堆積させることが可能である。
【００６１】入射光１４２は、任意の適合する光源を利用して発生させることが可能である。半導体発光素子のような小型光源が望ましい。半導体レーザは、マイクロ秒範囲のスイッチング速度でマイクロ波信号をスイッチするＰＣＳに用いるのが最も望ましい。半導体レーザは、サイズが小さく、所望のスイッチング速度を実現するのに十分な速さで動作し、低コストである。０．４０乃至１．５５μｍの波長範囲で発光することが可能な半導体レーザが利用可能である。上記組み合わせの大部分が、この波長範囲の光を発生するレーザに応答して、動作する。所定の組み合わせの材料の場合、入射光の波長は、光がそれを通って光導電層に達する閉じ込め層の材料によって透過され、光導電層の材料によって吸収される波長範囲内になければならない。
【００６２】説明したばかりのＰＣＳ１００のＯＮ抵抗は、上側閉じ込め層１０８と光導電層１０６の間のヘテロ接合に漸変組成層又は急変超格子多層薄膜を配置することによって更に低減させることが可能である。漸変組成層のエネルギー・バンド・ギャップは、層の厚さわたって漸次変化するが、急変超格子多層薄膜のエネルギー・バンド・ギャップは、薄膜の厚さにわたって段差をつけて変化し、それにより連続した漸変組成の効果を擬似したものとなる。
【００６３】次に、図５に関連して、本発明によるＰＣＳの第２の実施形態２００について述べることにする。
【００６４】ＰＣＳ２００は、アンドープの７０ｎｍ厚のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下側閉じ込め層２０４、ｐ型ＧａＡｓ光導電層２０６（１．７０μｍ厚で、ドーピング濃度がｐ＝２×１０16ｃｍ-3）、及び、ｎ型Ａｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ上側閉じ込め層２０８（７０ｎｍ厚で、ドーピング濃度がｎ＝３×１０17ｃｍ-3）から構成されている。これらの層は、分子ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）又は別の適合するエピタキシャル成長技法を用いて、半絶縁ＧａＡｓ基板２０２上に順次成長させられる。閉じ込め層は、説明したばかりのものとは異なる組成比を備えることが可能である。しかし、上側閉じ込め層２０８におけるアルミニウムの比率は、０．２５未満が望ましい。上側閉じ込め層のアルミニウムの比率が０．２５を超えると、２３ ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．，１９５４（１９８４）においてＭ．Ｔａｃｈｉｋａｗａ他が解説しているように、上側閉じ込め層における深い準位又はＤＸセンタが急激に増大する。ＤＸセンタは、上側閉じ込め層における自由電子濃度を急激に低下させ、このため、ＯＮ抵抗Ｒonが大幅に小さくなる。
【００６５】ドーピング濃度がｎ＝３×１０17ｃｍ-3の、即ち、上側閉じ込め層２０８と同じドーピング濃度のｎ型半導体材料から形成される漸変組成層２０７及び２５０が、それぞれ、上側閉じ込め層２０８の成長前後に、エピタキシャル成長させられる。
【００６６】漸変組成層２０７は、厚さ３０ｎｍで、ｎ型のＡｌxＧａ1-xＡｓから構成されており、アルミニウムの比率値ｘは、光導電層２０６におけるゼロから上側閉じ込め層２０８における０．２３まで漸増する。
【００６７】同様に、漸変組成層２５０は、厚さ３０ｎｍで、ｎ型のＡｌxＧａ1-xＡｓから構成されており、アルミニウムの比率値ｘは、上側閉じ込め層２０８における０．２３からＧａＡｓキャップ層２５２におけるゼロまで漸減する。
【００６８】厚さ２００ｎｍで、ドーピング濃度がｎ＝５×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓキャップ層２５２は、漸変組成層２５０上に成長させられる。厚さが２０ｎｍで、ｎ＝２×１０19ｃｍ-3と多量ドープされた、ｎ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓ接触層２５４が、キャップ層２５２上に成長させられる。接触層は、接触層との非合金接触を形成する金属電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５を支持している。電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５のうち、図５には、電極２１２、２１３、及び、２２３だけが示されている。電極は、全厚が３００ｎｍのチタン、プラチナ、及び、金の層から構成することが可能である。当該技術において、他の多くの電極材料が既知であり、Ｔｉ／Ｗ、Ｗ／Ｓｉ、Ｍｏ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、及び、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕが含まれる。キャップ層２５２及び接触層２５４は、漸減組成層２５０と電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５の間の接触抵抗を低減させる。この接触抵抗の低減は、アニーリングのような熱処理を施さずに実現される。接触抵抗を低減させるためのこの方法及び構造は、２８ ＥＬＥＣＴＲＯＮ．ＬＥＴＴ．，１１５０（１９９２）においてＦ．Ｒｅｎ他によって解説されたヘテロ接合トランジスタ（ＨＢＴ）の製造方法に基づくものである。
【００６９】ＰＣＳ２００は、層２０４、２０６、２０７、２０８、２５０、２５２、及び、２５４を順次成長させ、次に、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５が形成されるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を堆積させることによって製造される。次に、電極層にパターン形成を施して、個別電極が形成される。次に、漸変組成層２５０、キャップ層２５２、及び、接触層２５４の半導体材料にエッチングが施される。エッチングは、上側閉じ込め層２０８において阻止される。電極は、層２５０、２５２、及び、２５４のエッチングで除去されない部分を形成するエッチング用マスクとして利用することが可能である。
【００７０】最後に、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）及び反射防止コーティング２５６が、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５と上側閉じ込め層２０８の露出表面を含むＰＣＳ１００の上部表面に堆積させられる。反射防止コーティングの厚さは、１００ｎｍである。反射防止コーティングは、別様であれば、上側閉じ込め層２０８のＡｌＧａＡｓと空気のような周囲との屈折率の差が大きいために生じるであろう入射光の反射を防止するか、又は、低減させる。
【００７１】ＰＣＳ２００は、半導体レーザによって発生する入射光で照射することによってＯＮになる。入射光の波長は、閉じ込め層による吸収を最小限に抑えるため、光子当たりのエネルギーが、入射光がそれを通って、光導電層２０６に達する閉じ込め層、即ち、この例の場合、上側閉じ込め層２０８のＷＢ材料のバンド・エッジ未満になる波長が選択される。入射光の波長は、また、光導電層による入射光の吸収を最大にするため、光子当たりのエネルギが、光導電層２０６のＮＢ材料のバンド・エッジを超えることになる波長が選択される。説明したばかりの例の場合、入射光の波長は約０．７８μｍであった。入射光のビームは、直径約３０μｍの略円形の断面を備えている。市販の半導体レーザを用いて、入射光１４２を発生することができるので、小型ＰＣＳ２００は低コストで製造可能である。
【００７２】入射光１４２のビーム特性、ＧａＡｓの物理的特性、及び、光導電層２０６の光吸収率αp＝９，０００ｃｍ-1、キャリヤ寿命τ＝１０ｎｓ、キャリヤ移動度μ＝６，３００ｃｍ2／Ｖｓ、電極幅ｗ＝３μｍ、及び、電極間の間隔ｖ＝２μｍといったデバイス・パラメータを利用して、ＰＣＳ２００の半導体経路ＯＮ抵抗Ｒs(on)が計算される。半導体経路ＯＮ抵抗は、ＰＣＳ２００が入射光によって照射された場合の、上側閉じ込め層２０８及び光導電層２０６を通る導電路の抵抗である。図６は、入射光を発生するレーザ・パワーに対する半導体経路ＯＮ抵抗の変動を示すグラフである。この実施形態の場合、光導電層２０６の厚さｄは、少なくとも１．７μｍであり、これは、吸光長αｐ-1＝１．１μｍより長い。
【００７３】説明したばかりの特性を備えるテスト・サンプルが製造された。テスト・サンプルは、５ｍＷレーザによって生じる入射光で照射され、そのＯＮ抵抗が測定された。端子１１０及び１２０間で測定されたＯＮ抵抗Ｒonは、３乃至５オームの範囲内であった。しかし、端子１１０及び１２０と上側閉じ込め層２０８の間の異常に大きい接触抵抗Ｒcが、ＯＮ抵抗の大部分を占めることが明らかになった。追加測定によって、半導体経路のＯＮ抵抗Ｒs(on)は約１オームであることが分かった。現在製造中の追加サンプルの接触抵抗Ｒcは、半導体経路ＯＮ抵抗Ｒs(on)未満になることが予測される。こうしたサンプルは、マイクロ波スイッチとして用いるのに許容し得るＯＮ抵抗を備えることになる。
【００７４】ＰＣＳ２００の全変換効率は、η＝ηc×ηs×ηr×ηa×ηi＝９５％×６０％×９９％×７５％×９５％＝４０％であり、ここで、ηc＝９５％、ηs＝６０％、ηr＝９９％、ηa＝７５％、及び、ηi＝９５％である。変換効率ηを低下させる２つの主要素は、電極透過率ηsと光導電層１０６の吸光度ηaである。電極透過率ηsの低い値は、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５によって、入射光のかなりの部分が光導電層２０６に到達するのを阻止されることを表している。光導電層２０６の吸光度ηaの値が低いのは、光導電層に達する入射光の大部分が、吸収されずに、光導電層を通過することを表している。
【００７５】ＰＣＳ２００のＯＦＦキャパシタンスＣoffの主要素は、光導電層２０６と上側閉じ込め層２０８との間の空乏層のキャパシタンスであり、光導電層におけるドーピング濃度によって決まる。図７には、光導電層のドーピング濃度と対照して作図されたＯＦＦキャパシタンスが示されている。ＯＦＦキャパシタンスＣoffは、ドーピング濃度が増すにつれて増大するので、ドーピング濃度が低くなると、ＯＦＦキャパシタンスＣoffは低減する。
【００７６】しかし、ドーピング濃度が過剰に低下すると、空乏層の厚さが過剰に増大する。この結果、ＰＣＳ２００のパンチスルー電圧（突き抜け電圧）が低下する。ＰＣＳによってスイッチされる信号の振幅が突き抜け電圧を超えると、ＰＣＳのインピーダンスは、小さい値まで降下し、そのＯＦＦ状態において、もはやＰＣＳによるアイソレーションが得られない。更に、現在の結晶成長技術では、低ドーピング・レベルにおけるドーピング濃度の制御は困難である。従って、光導電層のドーピング濃度は、１×１０15ｃｍ-3乃至１×１０17ｃｍ-3の範囲内であることが望ましい。ドーピング濃度がこの範囲内であれば、ＯＦＦキャパシタンスＣoffと突き抜け電圧の間における許容可能なトレード・オフが可能である。また、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５の面積を縮小すると、やはり、ＯＦＦキャパシタンスＣoffが低減する。上述のように、特性インピーダンスが５０Ωのシステムに用いられるＰＣＳの実施形態の場合、ＯＦＦキャパシタンスＣoffは、スイッチされる信号の周波数ｆにおけるそのリアクタンスが、５０Ωに比べて大きい、即ち、１／２πｆ・Ｃoff＞＞５０ΩであるＯＦＦキャパシタンスＣoffと同程度である必要がある。
【００７７】図５に示すＰＣＳ２００は、ＯＦＦキャパシタンスＣoffが６０ｆＦで、性能指数Ｒon×Ｃoffが０．０６ΩｐＦである。これは、従来の高周波スイッチよりも小さく、従って、優れている。
【００７８】図８には、変換効率が更に向上する、本発明によるＰＣＳの第３の実施形態が示されている。ＰＣＳ３００の構造は、図５に示すＰＣＳの構造と同様である。ＰＣＳ２００の構成要素に対応するＰＣＳ３００の構成要素は、同じ参照番号で示されており、ここでは説明を繰り返さないことにする。上述のように、ＰＣＳ２００の全変換効率ηを低下させる主要因は、電極の透過率ηs及び光導電層１０６の吸光度ηaである。ＰＣＳ３００の場合、下側閉じ込め層は、ミラー層３０４としての構造が付与されている。ミラー層は、吸収によって光導電層に戻されずに、光導電層２０６を通過する入射光の一部を反射することによって、光導電層の吸光度ηaを有効に高める。
【００７９】図示の例の場合、ミラー３０４は、半導体材料の複数の副層対から構成される分布ブラッグ反射器である。副層対３６０は、６４ｎｍ厚のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ副層３６２と７３ｎｍ厚のＡｌＡｓ副層３６４から構成されている。各副層の厚さｔmは、副層の材料における入射光１４２の波長λの１／４の奇整数倍に等しい、即ち、ｔm＝ｍλ／４ｎであるが、ここで：ｍは、奇整数であり、λは、自由空間における入射光１４２の波長であり、ｎは、波長μにおける副層の材料の屈折率である。
【００８０】ＰＣＳ３００の実際の実施形態の１つでは、ミラー層３０４を構成する副層の材料は、ｎ型ドーピングが施され、ミラー層は、１０対の副層から構成され、ミラー層の反射率は、約９０％であった。ＰＣＳ２００の下側閉じ込め層２０４の反射率は、約０．０８％である。
【００８１】ＰＣＳ３００では、ミラー層３０４によって、光導電層２０６の吸光度ηaが、ＰＣＳ２００における６０％に比べると、９８％まで有効に高められる。この結果、全変換効率ηが６６％にまで向上し、半導体経路のＯＮ抵抗Ｒs(on)がＰＣＳ２００の２／３まで低減する。
【００８２】上述のように、ＰＣＳ２００の全変換効率ηを低下させる主要因は、電極透過率ηs及び光導電層２０６の吸光度である。電極は、通常、不透明又は反射性であるため、電極透過率は、通常、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５によって被覆されない受光領域１４０（図２）比率に等しい。電極は、それを照射する入射光の一部を吸収又は反射するので、入射光のこの部分が、上側閉じ込め層２０８を通って、導電層２０６に達するのが阻止される。電極によって、光導電層に到達するのを阻止される入射光が、たとえあるとしても、ほとんどないように、本発明によるＰＣＳを構成することによって、電極透過率は、１００近くまで高めることが可能であり、ＰＣＳの変換効率は、更に高めることが可能である。
【００８３】例えば、図８に示すＰＣＳ３００は、電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５（そのうちの２１２、２２３、及び、２１３だけが示されている）を半透明材料で製造することによって、電極によって、入射光１４２のわずかな部分だけしか光導電層２０６への到達が阻止されないように構成することが可能である。当該技術において、いくつかの適合する導電性半透明材料が既知のところであり、例えば、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）及び銀の薄層が含まれている。
【００８４】他の案として、ＰＣＳは、その電極によって、入射光が透過して、光導電層に達するのが全く阻止されないように構成することも可能である。これは、入射光が、入射光を吸収又は反射する電極が存在しない下側閉じ込め層を通って、光導電層に到達するようにＰＣＳを構成することによって実施される。
【００８５】図９には、変換効率が更に向上する、本発明によるＰＣＳの第４の実施形態が示されている。ＰＣＳ４００の構造は、図５に示すＰＣＳ２００の構造と同様である。ＰＣＳ２００の構成要素に対応するＰＣＳ４００の構成要素は、同じ参照番号で表示されており、ここでは説明を繰り返さない。ＰＣＳ４００の全変換効率ηは、電極透過率ηsを高め、光導電層の吸光度ηaを有効に高めることによって、向上する。
【００８６】ＰＣＳ４００の場合、基板４０２は、光導電層４０６によって吸収される入射光１４２の波長範囲内において半透明である材料によるウェーハである。これによって、ＰＣＳ４００は、入射光の一部を吸収又は反射する電極の存在しない基板を介して入射光を受光することが可能になる。これによって、電極透過率ηsが１００％近くまで向上する。また、ＰＣＳ４００には、ＰＣＳの基板から離れた側の表面上に重ねられたミラー層４５６も含まれている。ミラー層４５６は、吸収によって光導電層に戻されずに、光導電層を通過する入射光を反射することによって、光導電層４０６の吸光度ηaを有効に高める。
【００８７】図示の例の場合、基板４０２は、ＩｎＰのウェーハであり、光導電層４０６は、ＩｎＧａＡｓの層であり、上側閉じ込め層４０８は、（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ａｓの層である。基板材料は、ＷＢ材料であり、従って、下側閉じ込め層４０４は、図示の例のように基板と一体化される。更に、上述のように、基板材料は、光導電層４０６によって吸収される入射光１４２の波長範囲内において半透明である。基板４０２、光導電層４０６、及び、上側閉じ込め層４０８として、他の材料を利用することも可能である。更に、下側閉じ込め層４０４は、基板と一体化せずに、基板４０２の上に堆積又は成長させられたＷＢ材料の独立した層とすることも可能である。
【００８８】電極２１２、２１３、及び、２２３だけしか示されていない、電極から離れた側の基板表面４８０には、基板表面４８０による入射光１４２の反射を減少させるため、１００ｎｍ厚の窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）の層である、反射防止コーティング４６２が施されている。
【００８９】ＰＣＳ４００は、入射光が基板４０２の表面４８０を照射できるように取り付けられる。例えば、フリップ・フロップ・ボンディング技法を利用して、入射光を発生するレーザ又はＬＥＤから入射光１４２を受光するように基板の配向を施して、適合するヘッダ（図示せず）にＰＣＳを取り付けることが可能である。入射光は、基板を通過して、光導電層４０６に達する。入射光の光路内には電極が配置されていないので、電極透過率ηsは、１００％に近くなる。
【００９０】ＰＣＳ４００は、まず、ＰＣＳ２００と略同じ構造を形成することによって製造される。しかし、上述のように、基板４０２、閉じ込め層４０４及び４０８、及び、光導電層４０６には、異なる材料が用いられる。また、Ｓｉ3Ｎ4反射防止コーティング２５６が、省略され、代わりに、ミラー層４５６は、ＰＣＳの基板４０２から離れた側の表面に配置されている。この例の場合、ミラー層４５６は、誘電体材料による複数の副層対から構成された分布ブラッグ反射器である。例証となる副層対が４６０で示されている。副層対４６０は、１４７ｎｍ厚のＳｉＯ2層及び９９ｎｍ厚のＴｉＯ2層から構成されている。これらの厚さは、上述のように、それぞれの材料における入射光１４２の波長の１／４に相当する。副層のＳｉＯ2とＴｉＯ2との屈折率の差が大きいので（ＳｉＯ2が１．４５で、ＴｉＯ2が２．１５）、約９０％の反射率を得るのに必要な副層は３対だけである。こうした反射率によって、光導電層４０６の有効吸光度ηaは、約９８％まで高められる。ミラー層を堆積させた後、ボンディング・パッド１１１及び１２１（図２）上に重なるミラー層４５６の部分は、エッチングで除去される。最後に、１００ｎｍ厚の窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）層である、反射防止コーティング４６２が、基板表面４８０上に堆積させられる。
【００９１】ＰＣＳ４００の全変換効率は、η＝ηc×ηs×ηr×ηa×ηi＝９５％×１００％×９９％×９８％×９５％＝８８％である。この全変換効率の向上によって、半導体経路ＯＮ抵抗Ｒs(on)は、ＰＣＳ２００の約１／２になる。電極２１２乃至２１４及び２２２乃至２２５が、従来の不透明な電極材料ではなく、半透明な電極材料である、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）から製造されている、図８に示すＰＣＳ３００に基づく実施形態ついても、同様の結果が予測される。
【００９２】図１０には、全変換効率ηが説明したばかりのＰＣＳ４００の全変換効率とされる、本発明によるＰＣＳの第５の実施形態が示されている。上述のＰＣＳ２００及び４００の構成要素に対応するＰＣＳ５００の構成要素は、同じ参照番号で表示されており、ここでは説明を繰り返さない。ＰＣＳ４００と同様、ＰＣＳ５００の全変換効率ηは、電極透過率ηsを高め、且つ、光導電層の吸光度ηaを有効に高めることによって、向上する。ＰＣＳ５００には、入射光が下側閉じ込め層２０４を照射し、下側閉じ込め層を通過して、光導電層２０６に到達することができるように、基板５０２の厚さにわたってエッチングされたスルー・ホール５６０が含まれている。入射光の光路内に電極が配置されていないので、この結果、電極透過率ηaは１００％近くまで高められ、基板材料は、光導電層によって吸収される入射光の波長範囲内において不透明とすることが可能になる。ＰＣＳ５００には、上述のように、光導電層２０６の吸光度を有効に高める、基板５０２から離れた側のＰＣＳ表面上におけるミラー層４５６も含まれている。
【００９３】図示の例の場合、基板５０２は、ＧａＡｓのウェーハであり、光導電層２０６は、ＡｌxＧａ1-xＡｓの１層であり、閉じ込め層２０４及び２０８は、ＡｌyＧａ1-yＡｓの層である（ここで、ｘ＜ｙ）。基板材料は、光導電層によって吸収される入射光１４２の波長範囲内において吸収性である。基板材料は、ＰＣＳを製造することが可能な材料の他の組み合わせによる光導電層によって吸収される入射光の波長範囲内においても吸収性である。基板材料が、光導電層によって吸収される入射光の波長範囲内において公称では半透明であるＰＣＳの実施形態の場合であっても、基板の厚さにわたるスルー・ホール５６０のエッチングを施すことは、そのスルー・ホールによって、別様であれば、入射光が基板の厚さを通過する結果として生じるであろう、入射光の吸収が低減するので、やはり有効である。
【００９４】スルー・ホール５６０のエッチングによって、スルー・ホールが、基板５０２の全厚にわたって貫通するが、下側閉じ込め層２０４の全部又は一部を除去することがないように、エッチング・プロセスに制御を加える問題が生じる。これは、下側閉じ込め層の厚さが基板の厚さに比べて極めて薄いので（１００μｍに比べて０．１μｍ未満）、とりわけ困難である。発明者は、所定のエッチング液によってエッチングを施される速度が、基板材料よりもかなり遅い下側閉じ込め層用の材料を用いることによって、この問題を解決した。これによって、下側閉じ込め層がエッチング・プロセスに対するエッチング・ストップの働きをすることが可能になる。例えば、基板材料がＧａＡｓの場合、下側閉じ込め層２０４は、ＧａＡｓのエッチング時に、有効なエッチング・ストップの働きをするＡｌＧａＡｓ層とすることが可能である。このスルー・ホール５６０の形成方法は、３１ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．，１５９７（１９９２）においてＨ．Ｔａｎｏｂｅ他によって解説された面発光レーザの製造方法に基づくものであり、ここでは、これ以上の詳述は控えることにする。
【００９５】ＰＣＳ５００は、基板５０２、光導電層２０６、及び上側閉じ込め層２０８の材料が異なる点を除けば、ＰＣＳ４００の製造に関して上述の方法に基づく方法によって製造される。また、図示の例の場合、基板上にＷＢ材料の独立した層を堆積させて、ＰＣＳ２００の場合のように、下側閉じ込め層２０４が形成される。ミラー層４５６の堆積が済み、ボンディング・パッド１１１及び１２１（図２）の上に重なるミラー層の部分がエッチングで除去されると、ミラー層４５６から離れた側の基板５０２の表面５８０が、スルー・ホール５６０を配置すべき領域を除いて、フォトレジスト層によってマスキングされる。次に、ＡｌＧａＡｓよりかなり速い速度で、ＧａＡｓにエッチングを施す化学エッチング液を用いて、ＰＣＳのエッチングが実施される。１０：１を超えるエッチング速度比をもたらすアンモニウム系のエッチング液が、当該技術において既知のところである。こうしたエッチング液の一例が、過酸化水素と水酸化アンモニウムの混合物である。こうしたエッチング液を用いることによって、下側閉じ込め層２０４は、スルー・ホールのエッチング時におけるエッチング・ストップの働きをすることが可能になる。
【００９６】基板５０２におけるスルー・ホール５６０のエッチングが済むと、基板表面５８０、スルー・ホールの側壁、及び、下側閉じ込め層２０４の露出表面上に、１００ｎｍ厚の窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）層である、反射防止コーティング５６２が堆積させられる。
【００９７】ＰＣＳ５００の全変換効率は、η＝ηc×ηs×ηr×ηa×ηi＝９５％×１００％×９９％×９８％×９５％＝８８％である。この全変換効率ηの向上によって、半導体経路のＯＮ抵抗Ｒs(on)は、ＰＣＳ２００の約１／２になる。
【００９８】この開示では、本発明の例証となる実施形態について詳述されたが、もちろん、本発明は、解説された実施形態によって制限されるものではなく、付属の請求項に定義された本発明の範囲内において、さまざまな修正を加えることが可能である。
【００９９】本発明を上述の実施形態に即して説明すると、本発明は、第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、第２のエネルギー・バンド・ギャップを備えた第２の半導体材料による第２の閉じ込め層と、前記第１及び第２のエネルギー・バンド・ギャップより狭い第３のエネルギー・バンド・ギャップ、及び前記第１の導電タイプとは相違する第２の導電タイプを備える第３の半導体材料からなり、前記第１の閉じ込め層と前記第２の閉じ込め層の間に挟まれている光導電層と、互いに独立している、前記光導電層から離れた側の前記第１の閉じ込め層の表面上に配置された第１の電極及び第２の電極が設けられており、入射光によって前記光導電層の一部が照射されるとき、前記第１の電極と前記第２の電極の間における前記光導電層の導電性が高められることを特徴とする光導電性スイッチを提供する。
【０１００】好ましくは、前記第１のエネルギー・バンド・ギャップと前記第２のエネルギー・バンド・ギャップとが、前記第３のエネルギー・バンド・ギャップより少なくとも２５ｍｅＶ広くされる。
【０１０１】好ましくは、更に、（ａ）漸変組成、及び（ｂ）急変超格子多層フィルムの一方を含む層が含まれており、該層が、前記光導電層と前記第１の閉じ込め層の間に挟まれる。
【０１０２】好ましくは、第１の半導体材料が、ＡｌyＧａ1-yＡｓであり、ここで、０．０２＜ｙ＜１．０であり、第３の半導体材料が、ＡｌxＧａ1-xＡｓであり、ここで、ｘ＜ｙである。
【０１０３】好ましくは、前記光導電性スイッチに、更に、前記入射光によって前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれ、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれｔc及びｄの厚さを備えており、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαpの吸収率を備え、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備え、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備える。
【０１０４】好ましくは、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料の組み合わせは、（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ここで、０．０≦ｙ≦１．０）及びＡｌxＧａ1-xＡｓ（ここで、０．０≦ｘ＜０．５）と；（ＡｌyＧａ1-y）Ａｓ（ここで、０．０＜ｙ＜１．０）及びＩｎxＧａ1-xＡｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜０．３）と；（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ａｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＩｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓと；（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ａｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＡｓ0.5Ｓｂ0.5と；ＡｌxＧａ1-xＮ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＮと；Ｓｉ及びＧｅxＳｉ1-x（ここで、０．０５＜ｘ＜１．０）と；Ｓｉ及びＳｉＣと；ＺｎyＭｇ1-yＳzＳｅ1-z（ここで、０＜ｙ＜１．０及び０＜ｚ＜１．０）及びＺｎＳxＳｅ1-x（ここで、０＜ｘ＜１）と；ＡｌxＧａ1-xＳｂ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＳｂと；ＰｂxＣｄ1-xＴｅ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＰｂＴｅとから構成されるグループから選択される。
【０１０５】好ましくは、第１の導電タイプはｎ型である。
【０１０６】好ましくは、前記第１の半導体材料は、前記第３の半導体材料よりも多量にドープされている。
【０１０７】好ましくは、前記第３の半導体材料のドーピング濃度は、１×１０17ｃｍ-3未満である。
【０１０８】好ましくは、更に、前記閉じ込め層の１つの表面に施された反射防止コーティングが含まれる。
【０１０９】好ましくは、前記第２の閉じ込め層に、ミラー層が含まれる。
【０１１０】好ましくは、前記ミラー層に、屈折率の異なる１対の材料層が含まれる。
【０１１１】好ましくは、前記光導電性スイッチに、更に、前記第２の閉じ込め層を支持する基板が含まれ、前記基板に、前記第２の閉じ込め層の一部を露出させるスルーホールが形成されている。
【０１１２】好ましくは、更に、前記スルーホールによって露出する、前記第２の閉じ込め層の表面に施された反射防止コーティングが含まれる。
【０１１３】好ましくは、更に、前記第１の閉じ込め層の表面上におけるミラー層が含まれる。
【０１１４】好ましくは、前記電極に半透明の導電材料が含まれる。
【０１１５】好ましくは、前記光導電性スイッチに、更に、前記光導電層によって吸収される前記入射光の波長範囲内において半透明な材料による基板が含まれていることと、該基板によって、前記光導電層と前記第１の閉じ込め層が支持される。
【０１１６】好ましくは、前記光導電性スイッチに、更に、基板が含まれることと、前記第２の閉じ込め層が前記基板と一体である。
【０１１７】好ましくは、前記基板に、前記光導電層によって吸収される前記入射光の波長範囲内において半透明な材料が含まれる。
【０１１８】更に本発明は、第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、異なる屈折率及びそれぞれのエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料による１対の副層を含むミラー層と、前記第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び前記ミラー層の前記半導体材料の前記エネルギー・バンド・ギャップより狭い第３のエネルギー・バンド・ギャップと、前記第１の導電タイプとは逆の第２の導電タイプを備え、前記第１の閉じ込め層と前記ミラー層の間に挟まれた、第３の半導体材料による光導電層と、互いに独立している、前記第１の閉じ込め層の前記光導電層から離れた側の表面に配置された第１の電極及び第２の電極と、前記第１の閉じ込め層の少なくとも一部に隣接した反射防止コーティングが含まれていることを特徴とする光導電性スイッチを提供する。
【０１１９】好ましくは、更に、前記入射光によって前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれており、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれ、ｔc及びｄの厚さを備え、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαpの吸収率を備え、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備え、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備える。
【０１２０】更に本発明は、スルーホールが形成された基板と、第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、前記基板に隣接し、前記スルーホールを略被覆する、第２のエネルギー・バンド・ギャップを備えた第２の半導体材料による第２の閉じ込め層と、前記第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び前記第２のエネルギー・バンド・ギャップより狭い第３のエネルギー・バンド・ギャップ、及び、前記第１の導電タイプとは逆の第２の導電タイプを備え、前記第１の閉じ込め層と前記第２の閉じ込め層の間に挟まれた、第３の半導体材料による光導電層と、互いに独立している、前記第１の閉じ込め層の前記光導電層から離れた側の表面に配置された第１の電極及び第２の電極と、前記第１の閉じ込め層に隣接したミラー層とが含まれていることを特徴とする光導電性スイッチを提供する。
【０１２１】前記光導電性スイッチに、更に、入射光で前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれ、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれ、ｔｃ及びｄの厚さを備え、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαｐの吸収率を備え、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備え、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備える。
【０１２２】好ましくは、前記ミラー層に、屈折率の異なる誘電体材料による１対の副層が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術による光導電性スイッチ（ＰＣＳ）の断面図である。
【図２】その導通状態における本発明によるＰＣＳの第１の実施形態に関する平面図である。
【図３】図２の線３−３に沿って描かれた本発明によるＰＣＳの断面図である。
【図４】その非導通状態における本発明によるＰＣＳの第１の実施形態の一部に関する断面図である。
【図５】その導通状態における本発明によるＰＣＳの第２の実施形態の一部に関する断面図である。
【図６】図５に示すＰＣＳの実施形態における、入射光を発生するレーザ・パワーに対する半導体経路ＯＮ抵抗Ｒs(on)の変動を示すグラフである。半導体経路ＯＮ抵抗は、二重ヘテロ接合ＰＣＳ構造の上側閉じ込め層及び光導電層を通る導電経路のＯＮ抵抗である。
【図７】図５に示すＰＣＳの実施形態における光導電層のドーパント濃度に対するＯＦＦキャパシタンスＣoffの変動を示すグラフである。
【図８】その導通状態における本発明によるＰＣＳの第３の実施形態の一部に関する断面図である。
【図９】その導通状態における本発明によるＰＣＳの第４の実施形態の一部に関する断面図である。
【図１０】その導通状態における本発明によるＰＣＳの第５の実施形態の一部に関する断面図である。
【符号の説明】
１００；２００；３００；４００；５００ 光導電性スイッチ
１０８；２０８；４０８ 第１の閉じ込め層
１０４；２０４；４０４ 第２の閉じ込め層
１０６；２０６；４０６ 光導電層
１１２，１１３，１１４，１２３，１２４、１２５；２１２、２１３、２２２、２２３ 電極
２５６、４６２，５６２ 反射防止コーティング
３０４、４５６ ミラー層
１０２、２０２、４０２、５０２ 基板
５６０ スルーホール
【特許請求の範囲】
【請求項１】第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、第２のエネルギー・バンド・ギャップを備えた第２の半導体材料による第２の閉じ込め層と、前記第１及び第２のエネルギー・バンド・ギャップより狭い第３のエネルギー・バンド・ギャップ、及び前記第１の導電タイプとは相違する第２の導電タイプを備える第３の半導体材料からなり、前記第１の閉じ込め層と前記第２の閉じ込め層との間に挟まれている光導電層と、互いに独立している、前記光導電層から離れた側の前記第１の閉じ込め層の表面上に配置された第１の電極及び第２の電極が設けられており、入射光によって前記光導電層の一部が照射されるとき、前記第１の電極と前記第２の電極の間における前記光導電層の導電性が高められることを特徴とする光導電性スイッチ。
【請求項２】前記第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び前記第２のエネルギー・バンド・ギャップは、前記第３のエネルギー・バンド・ギャップよりも少なくとも２５ｍｅＶ広いことを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項３】更に、（ａ）漸変組成、及び（ｂ）急変超格子多層フィルムの一方を含む層が含まれており、該層が、前記光導電層と前記第１の閉じ込め層との間に挟まれていることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項４】第１の半導体材料が、ＡｌyＧａ1-yＡｓであり、ここで、０．０２＜ｙ＜１．０であることと、第３の半導体材料が、ＡｌxＧａ1-xＡｓであり、ここで、ｘ＜ｙであることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項５】前記光導電性スイッチに、更に、前記入射光によって前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれていることと、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれｔc及びｄの厚さを備えていることと、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαpの吸収率を備えることと、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備えることと、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備えることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項６】（ａ）前記第１の半導体材料と（ｂ）前記第３の半導体材料の組み合わせが、（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ここで、０．０≦ｙ≦１．０）及びＡｌxＧａ1-xＡｓ（ここで、０．０≦ｘ＜０．５）と；（ＡｌyＧａ1-y）Ａｓ（ここで、０．０＜ｙ＜１．０）及びＩｎxＧａ1-xＡｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜０．３）と；（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ａｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＩｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓと；（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ａｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＡｓ0.5Ｓｂ0.5と；ＡｌxＧａ1-xＮ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＮと；Ｓｉ及びＧｅxＳｉ1-x（ここで、０．０５＜ｘ＜１．０）と；Ｓｉ及びＳｉＣと；ＺｎyＭｇ1-yＳzＳｅ1-z（ここで、０＜ｙ＜１．０及び０＜ｚ＜１．０）及びＺｎＳxＳｅ1-x（ここで、０＜ｘ＜１）と；ＡｌxＧａ1-xＳｂ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＳｂと；ＰｂxＣｄ1-xＴｅ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＰｂＴｅとから構成されるグループから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項７】第１の導電タイプがｎ型であることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項８】前記第１の半導体材料は、前記第３の半導体材料よりも多量にドープされていることを特徴とする、請求項７に記載の光導電性スイッチ。
【請求項９】前記第３の半導体材料のドーピング濃度は、１×１０17ｃｍ-3未満であることを特徴とする、請求項８に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１０】更に、前記閉じ込め層の１つの表面に施された反射防止コーティングが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１１】前記第２の閉じ込め層に、ミラー層が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１２】前記ミラー層に、屈折率の異なる１対の材料層が含まれることを特徴とする、請求項１１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１３】前記光導電性スイッチに、更に、前記第２の閉じ込め層を支持する基板が含まれることと、前記基板に、前記第２の閉じ込め層の一部を露出させるスルーホールが形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１４】更に、前記スルーホールによって露出する、前記第２の閉じ込め層の表面に施された反射防止コーティングが含まれることを特徴とする、請求項１３に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１５】更に、前記第１の閉じ込め層の表面上におけるミラー層が含まれることを特徴とする、請求項１３に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１６】前記電極に半透明の導電材料が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１７】前記光導電性スイッチに、更に、前記光導電層によって吸収される前記入射光の波長範囲内において半透明な材料による基板が含まれていることと、該基板によって、前記光導電層と前記第１の閉じ込め層が支持されることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１８】前記光導電性スイッチに、更に、基板が含まれることと、前記第２の閉じ込め層が前記基板と一体であることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１９】前記基板に、前記光導電層によって吸収される前記入射光の波長範囲内において半透明な材料が含まれることを特徴とする、請求項１８に記載の光導電性スイッチ。
【請求項２０】第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、異なる屈折率及びそれぞれのエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料による１対の副層を含むミラー層と、前記第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び前記ミラー層の前記半導体材料の前記エネルギー・バンド・ギャップより弱い第３のエネルギー・バンド・ギャップと、前記第１の導電タイプとは逆の第２の導電タイプを備え、前記第１の閉じ込め層と前記ミラー層の間に挟まれた、第３の半導体材料による光導電層と、互いに独立している、前記第１の閉じ込め層の前記光導電層から離れた側の表面に配置された第１の電極及び第２の電極と、前記第１の閉じ込め層の少なくとも一部に隣接した反射防止コーティングが含まれていることを特徴とする光導電性スイッチ。
【請求項２１】光導電性スイッチに、更に、前記入射光によって前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれていることと、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれ、ｔc及びｄの厚さを備えていることと、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαpの吸収率を備えることと、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備えることと、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備えることを特徴とする、請求項２０に記載の光導電性スイッチ。
【請求項２２】スルーホールが形成された基板と、第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、前記基板に隣接し、前記スルーホールを略被覆する、第２のエネルギー・バンド・ギャップを備えた第２の半導体材料による第２の閉じ込め層と、前記第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び前記第２のエネルギー・バンド・ギャップより狭い第３のエネルギー・バンド・ギャップ、及び、前記第１の導電タイプとは逆の第２の導電タイプを備え、前記第１の閉じ込め層と前記第２の閉じ込め層の間に挟まれた、第３の半導体材料による光導電層と、互いに独立している、前記第１の閉じ込め層の前記光導電層から離れた側の表面に配置された第１の電極及び第２の電極と、前記第１の閉じ込め層に隣接したミラー層とが含まれていることを特徴とする光導電性スイッチ。
【請求項２３】前記光導電性スイッチに、更に、入射光で前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれることと、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれ、ｔｃ及びｄの厚さを備えていることと、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαｐの吸収率を備えることと、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備えることと、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備えることを特徴とする、請求項２２に記載の光導電性スイッチ。
【請求項２４】前記ミラー層に、屈折率の異なる誘電体材料による１対の副層が含まれることを特徴とする、請求項２２に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１】第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、第２のエネルギー・バンド・ギャップを備えた第２の半導体材料による第２の閉じ込め層と、前記第１及び第２のエネルギー・バンド・ギャップより狭い第３のエネルギー・バンド・ギャップ、及び前記第１の導電タイプとは相違する第２の導電タイプを備える第３の半導体材料からなり、前記第１の閉じ込め層と前記第２の閉じ込め層との間に挟まれている光導電層と、互いに独立している、前記光導電層から離れた側の前記第１の閉じ込め層の表面上に配置された第１の電極及び第２の電極が設けられており、入射光によって前記光導電層の一部が照射されるとき、前記第１の電極と前記第２の電極の間における前記光導電層の導電性が高められることを特徴とする光導電性スイッチ。
【請求項２】前記第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び前記第２のエネルギー・バンド・ギャップは、前記第３のエネルギー・バンド・ギャップよりも少なくとも２５ｍｅＶ広いことを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項３】更に、（ａ）漸変組成、及び（ｂ）急変超格子多層フィルムの一方を含む層が含まれており、該層が、前記光導電層と前記第１の閉じ込め層との間に挟まれていることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項４】第１の半導体材料が、ＡｌyＧａ1-yＡｓであり、ここで、０．０２＜ｙ＜１．０であることと、第３の半導体材料が、ＡｌxＧａ1-xＡｓであり、ここで、ｘ＜ｙであることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項５】前記光導電性スイッチに、更に、前記入射光によって前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれていることと、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれｔc及びｄの厚さを備えていることと、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαpの吸収率を備えることと、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備えることと、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備えることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項６】（ａ）前記第１の半導体材料と（ｂ）前記第３の半導体材料の組み合わせが、（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ここで、０．０≦ｙ≦１．０）及びＡｌxＧａ1-xＡｓ（ここで、０．０≦ｘ＜０．５）と；（ＡｌyＧａ1-y）Ａｓ（ここで、０．０＜ｙ＜１．０）及びＩｎxＧａ1-xＡｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜０．３）と；（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ａｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＩｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓと；（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ａｓ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＡｓ0.5Ｓｂ0.5と；ＡｌxＧａ1-xＮ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＮと；Ｓｉ及びＧｅxＳｉ1-x（ここで、０．０５＜ｘ＜１．０）と；Ｓｉ及びＳｉＣと；ＺｎyＭｇ1-yＳzＳｅ1-z（ここで、０＜ｙ＜１．０及び０＜ｚ＜１．０）及びＺｎＳxＳｅ1-x（ここで、０＜ｘ＜１）と；ＡｌxＧａ1-xＳｂ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＧａＳｂと；ＰｂxＣｄ1-xＴｅ（ここで、０．０１＜ｘ＜１．０）及びＰｂＴｅとから構成されるグループから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項７】第１の導電タイプがｎ型であることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項８】前記第１の半導体材料は、前記第３の半導体材料よりも多量にドープされていることを特徴とする、請求項７に記載の光導電性スイッチ。
【請求項９】前記第３の半導体材料のドーピング濃度は、１×１０17ｃｍ-3未満であることを特徴とする、請求項８に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１０】更に、前記閉じ込め層の１つの表面に施された反射防止コーティングが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１１】前記第２の閉じ込め層に、ミラー層が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１２】前記ミラー層に、屈折率の異なる１対の材料層が含まれることを特徴とする、請求項１１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１３】前記光導電性スイッチに、更に、前記第２の閉じ込め層を支持する基板が含まれることと、前記基板に、前記第２の閉じ込め層の一部を露出させるスルーホールが形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１４】更に、前記スルーホールによって露出する、前記第２の閉じ込め層の表面に施された反射防止コーティングが含まれることを特徴とする、請求項１３に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１５】更に、前記第１の閉じ込め層の表面上におけるミラー層が含まれることを特徴とする、請求項１３に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１６】前記電極に半透明の導電材料が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１７】前記光導電性スイッチに、更に、前記光導電層によって吸収される前記入射光の波長範囲内において半透明な材料による基板が含まれていることと、該基板によって、前記光導電層と前記第１の閉じ込め層が支持されることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１８】前記光導電性スイッチに、更に、基板が含まれることと、前記第２の閉じ込め層が前記基板と一体であることを特徴とする、請求項１に記載の光導電性スイッチ。
【請求項１９】前記基板に、前記光導電層によって吸収される前記入射光の波長範囲内において半透明な材料が含まれることを特徴とする、請求項１８に記載の光導電性スイッチ。
【請求項２０】第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、異なる屈折率及びそれぞれのエネルギー・バンド・ギャップを備えた半導体材料による１対の副層を含むミラー層と、前記第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び前記ミラー層の前記半導体材料の前記エネルギー・バンド・ギャップより弱い第３のエネルギー・バンド・ギャップと、前記第１の導電タイプとは逆の第２の導電タイプを備え、前記第１の閉じ込め層と前記ミラー層の間に挟まれた、第３の半導体材料による光導電層と、互いに独立している、前記第１の閉じ込め層の前記光導電層から離れた側の表面に配置された第１の電極及び第２の電極と、前記第１の閉じ込め層の少なくとも一部に隣接した反射防止コーティングが含まれていることを特徴とする光導電性スイッチ。
【請求項２１】光導電性スイッチに、更に、前記入射光によって前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれていることと、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれ、ｔc及びｄの厚さを備えていることと、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαpの吸収率を備えることと、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備えることと、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備えることを特徴とする、請求項２０に記載の光導電性スイッチ。
【請求項２２】スルーホールが形成された基板と、第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び第１の導電タイプを備えた第１の半導体材料による第１の閉じ込め層と、前記基板に隣接し、前記スルーホールを略被覆する、第２のエネルギー・バンド・ギャップを備えた第２の半導体材料による第２の閉じ込め層と、前記第１のエネルギー・バンド・ギャップ及び前記第２のエネルギー・バンド・ギャップより狭い第３のエネルギー・バンド・ギャップ、及び、前記第１の導電タイプとは逆の第２の導電タイプを備え、前記第１の閉じ込め層と前記第２の閉じ込め層の間に挟まれた、第３の半導体材料による光導電層と、互いに独立している、前記第１の閉じ込め層の前記光導電層から離れた側の表面に配置された第１の電極及び第２の電極と、前記第１の閉じ込め層に隣接したミラー層とが含まれていることを特徴とする光導電性スイッチ。
【請求項２３】前記光導電性スイッチに、更に、入射光で前記光導電層を照射するように配置された光源が含まれることと、前記第１の閉じ込め層及び前記光導電層が、それぞれ、ｔｃ及びｄの厚さを備えていることと、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料が、それぞれ、前記入射光に対してαc及びαｐの吸収率を備えることと、前記第１の閉じ込め層の前記厚さと前記第１の半導体材料の前記吸収率の積ｔcαcが、１に比較して小さい値を備えることと、前記光導電層の前記厚さと前記第３の半導体材料の前記吸収率の積ｄαpが、約１を超える値を備えることを特徴とする、請求項２２に記載の光導電性スイッチ。
【請求項２４】前記ミラー層に、屈折率の異なる誘電体材料による１対の副層が含まれることを特徴とする、請求項２２に記載の光導電性スイッチ。
【図４】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図９】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図９】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【公開番号】特開２００１−３６１０１（Ｐ２００１−３６１０１Ａ）
【公開日】平成１３年２月９日（２００１．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−１７８９１０（Ｐ２０００−１７８９１０）
【出願日】平成１２年６月１４日（２０００．６．１４）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】３９５ Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【公開日】平成１３年２月９日（２００１．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１２年６月１４日（２０００．６．１４）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】３９５ Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ．
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