JP5376951B2 - 光学的に開始されるシリコンカーバイド高電圧スイッチ - Google Patents

Description

米国政府は、ローレンスリバーモア国立研究所の業務に関する米国エネルギ省とカリフォルニア大学との間の規約Ｗ−７４０５−ＥＮＧ−４８にしたがって本発明の権利を有する。

この出願は、２００５年１０月２４日に出願された米国仮出願第６０／７３０，１６１号および２００６年５月４日に出願された米国仮出願第６０／７９８，０１６号の利益を主張し、前記出願のすべては参照することにより本願に組み入れられる。

本発明は、光伝導スイッチに関し、特に、光学的に開始されるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）高電圧スイッチに関する。

例えば誘電体壁加速器（ＤＷＡ）などの粒子加速器は、高電圧スイッチ、高電流スイッチ、および、ナノ秒精度で作動され得る高速閉鎖スイッチに大きく依存する。このような高電圧と高電流を、最小のインダクタンス、急速な閉鎖、正確な時間的制御、長寿命の可能性をもって扱うことに関して、光伝導スイッチがもっとも高い使用可能性を有する。光伝導スイッチングは、光エネルギが半導体素材に対して印加され、光エネルギが半導体内にキャリアを形成し、それにより、半導体素材が伝導状態にされるような技術である。

光伝導スイッチ用途においてこれまで使用されてきた素材としては、シリコンやガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）が挙げられる。これらの素材に伴う困難性は、様々な故障メカニズムが、控えめなパラメータにおいてさえも生じるという点である。また、これらの素材における光吸収深さは低く、したがって、キャリアは表面直下の素材バルクの非常に薄い領域に流れるしかない。そのため、光伝導スイッチングに伴う主な問題は、超過ストレスを与える電流および電圧状態に起因する短い寿命であった。

また、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）は、長い間、光伝導スイッチ素材として用いるための有望な他の候補であった。しかしながら、この特定の素材が種々のサイズで、かつ、高純度で市販されるようになったのはつい最近のことであり、これは、高電圧スイッチとしての適用する利点となる。ＳｉＣ素材は、殆どの固体素材の絶縁破壊強度（〜４ＭＶ／ｃｍ）よりも高い絶縁破壊強度を有するとともに、高い熱伝導率（銅の熱伝導率に匹敵する）および低い光吸収度を有している。したがって、単結晶シリコンカーバイドを利用できれば、新たなクラスのスイッチが可能である。

ＳｉＣは、有望であるが、電極が光伝導基板との接点から離れる場所で局所的に形成される高い電界に起因して故障しやすい。図１は、ＳｉＣ光伝導基板１０と２つの対向する電極１１，１２とを有する、当該技術分野において知られている光伝導スイッチを示している。図２は、電極と基板表面との間の金属接点に形成されるメニスカスを示す図１のボックスＡの拡大図を示している。図３は、接触面上の電界の大きさを示しており。三重点でのスパイクの大きさを描いている。そのような「三重点」でこれらの電界を減少させて最小にするために様々な方法が使用されてきており、そのような方法としては、例えば電極と基板との間の空間を高誘電率素材で満たすことが挙げられる。これが図４〜６に示されている。図１と同様、図４は、ＳｉＣ基板１５および２つの電極１６，１７を示している。また、基板から電極が離れる部分と、基板との間の空間には高誘電率絶縁体１８が満たされる。図５には三重点におけるメニスカス１９が示されている。ここでは、三重点は絶縁素材１８を含んでいる。しかしながら、図６は、電極−基板分離の三重点に、大きさは小さいが、依然としてスパイクが存在することを示している。

したがって、必要とされるのは、電極−基板分離点において、大きさの大きい電界を最小にし或いは少なくとも減少させる、好ましくはＳｉＣ素材またはＧａＡｓなどの他の光伝導素材と共に実施される、高電圧用途のための、例えば粒子加速器用の光伝導スイッチである。

本発明の１つの態様は、１．６ｅＶ超の、バンドギャップの大きい素材から成る光伝導基板であって、２つの対向する凹部と、光エネルギを光源から受けるために当該光源に対して光学的に接続可能な切子面とを有する光伝導基板と、２つの凹部内に載置されて接触する凸状面を有し、基板の両端間に電位をかけるための２つの電極とを備える光伝導スイッチを含んでいる。

本発明の他の態様は、１．６ｅＶ超の、バンドギャップの大きい素材から成る光伝導基板であって、対向する電極接触面と、光エネルギを光源から受けるために当該光源に対して光学的に接続可能な切子面とを有する光伝導基板と、基板の両端間に電位を印加するために、基板の電極接触面に対して電気的に接続される２つの電極と、電界変化ライナであって、電界をそれに沿って段階的に変化させるために、電極接触面を取り囲んで基板上に形成される２つの電界変化ライナとを備える光伝導スイッチを含んでいる。

開示内容に組み込まれ且つ開示内容の一部を形成する添付図面は以下の通りである。

本発明の光伝導スイッチは、図７に示される基本的な光伝導スイッチの構造および動作を、最小のインダクタンス、素早い閉鎖動作、正確な時間的制御、長寿命で、スイッチが高電圧および高電流を扱うことができるよう改良することによって向上させる。したがって、本発明の光伝導スイッチは、一般に２つの電極２２，２３間に光伝導素材２１を有する図７に示される基本的な光伝導スイッチと殆ど同じ構造である。光エネルギが注入されなければ、すなわち、暗闇においては、光伝導素材は大きな抵抗値（回路インピーダンスよりもかなり大きい）を有する絶縁体であり、したがって、スイッチは基本的に電流の流れを遮断する。光エネルギが注入されて光伝導素材に吸収されると、スイッチ抵抗が小さい値（回路インピーダンスよりもかなり低い）まで下がり、スイッチが電流を伝導する。したがって、基本的な光伝導スイッチは、本質的には、光学的に制御される抵抗である。比較的小さいパルスレーザまたは他の光源を利用できれば、短いパルスで光エネルギを注入することができ、それにより、大きい遮断抵抗と小さい伝導抵抗との間の切換時間を容易に数ナノ秒にすることができる。

光伝導スイッチには幾つかの物理的な実施形態または構造があり、そのうちの１つが図７に示されている。ここでは、半導体素材に関連して接点または電極が配置される。スイッチの構造（電極および半導体素材）は、光エネルギがスイッチに対して印加されるような方法で、また、スイッチ動作で使用される光伝導性のモードによって決定される。光伝導性のモードが真性であるか外因性であるかは、半導体におけるバンドギャップエネルギに対する光子エネルギの比率に依存する。真性な光伝導体では、光子エネルギが半導体バンドギャップエネルギよりも大きい。真性の場合には、光吸収深さすなわち光エネルギが侵入できる深さが非常に小さく、数十ミクロン程度である。外因性のモードでは、光子エネルギは半導体のバンドギャップエネルギよりも小さいので、半導体内の活性ドーパントおよび欠陥密度に依存するが、かなり大きな深さまで光エネルギが侵入できる。

光伝導性のこれらの２つのモードは、線形および非線形のスイッチシステムにおいて更に操作される。線形光伝導スイッチにおいて、吸収された光子はそれぞれ、１つの電子および１つの電子空孔すなわち正孔を形成し、これは電子正孔対と称される。電子および正孔密度は、十分な光エネルギを注入することによって、スイッチ抵抗を所望の伝導値まで減少させるのに十分に設定される。また、スイッチの閉鎖時間が光パルス幅とほぼ等しくなるように、スイッチが閉じる速度は、光エネルギがスイッチボリューム内に注入される速度に依存する。線形光スイッチにおける電流密度は、スイッチボリューム内における光エネルギの分布によって決定される。

本発明では、線形の外因性の動作モードが好ましい。これは、バンド間ドーパントの密度を制御することにより、光吸収深さを調整でき、したがって、伝導断面の寸法を調整することができるからである。しかしながら、本発明はそのようなものだけに限定されない。バンド間ドーパントの密度が、電流キャリア（電子および正孔）の最大密度を決定し、したがって、伝導を可能となる電流密度を決定することができる（線形の動作モードの場合には電流密度が自らを制限する）。線形の動作モードは、各電流キャリア対が光子によって形成され、且つ接点およびバルク素材を損傷させる極めて密度が高い電流フィラメントを形成することが分かっている内部のなだれ（ａｖａｌａｎｃｈｅ）プロセスによって各電流キャリア対が形成されたのではないことを要する。

好ましくは、本発明の光伝導スイッチは、補償型半絶縁シリコンカーバイド（ＣＳＩ−ＳｉＣ）を光伝導基板として使用する。これは、補償型半絶縁シリコンカーバイドが高出力光伝導スイッチ用途において適用するのに最も良好な素材であると考えられるからである。これは以下の理由による。第１に、ＣＳＩ−ＳｉＣは、非常に薄い層で大きな電圧に対応できる（ＧａＡｓは〜２５０ｋＶ／ｃｍにしか対応できない）ようにする、非常に大きな絶縁耐力（３ＭＶ／ｍ）を有している。必要とされる光閉鎖エネルギの大きさはＣＳＩ−ＳｉＣ素材の厚さで定まる、ＣＳＩ−ＳｉＣスイッチは低いレベルの光閉鎖エネルギを必要とする。ＣＳＩ−ＳｉＣは、低い速度の電圧印加または帯電（最大ＧａＡｓ抵抗率〜１０^１９Ｏｈｍ−ｃｍ）を許容する大きな暗抵抗（１０^１１−１０^１５Ｏｈｍ−ｃｍ）を有している。ＣＳＩ−ＳｉＣは、熱的に誘導される伝導なしに高い平均出力動作を可能にする大きな熱伝導率を有している（ＧａＡｓの熱伝導率はＳｉＣのたった１０％である）。また、ＣＳＩ−ＳｉＣの補償性は、再結合時間、光吸収深さの設計を可能にし、したがって、電流密度の設計を可能にする。

基板は、４ｈ ＳｉＣ，６ｈ ＳｉＣ，ＧａＮから成るグループから選択される補償型半絶縁素材である。好ましくは、基板は、結晶構造を有し、Ａ−平面，Ｃ−平面およびＭ−平面から成るグループから選択される平面で切断される。また、マイクロパイプの長さを減少させるため、複数に重ねられた層を用いる。半絶縁ＳｉＣには、以下のドーパント、すなわち、ボロン、バナジウム、窒素、アルミニウム、リン、酸素、タングステンおよび亜鉛のうちの少なくとも１つがドープされることが好ましい。また、全内部反射を生み出すために、基板の、電極がない面の少なくとも１つに誘電体がコーティングされることが好ましい。

図８は、光ファイバ３８を介してレーザなどの光源３７に接続された本発明の光伝導スイッチ３０の概略図および典型的な実施形態を示している。この光伝導スイッチは、２つの電極３２，３３（好ましくは対向するが、そうである必要はない）が電気的に接続されて成る光伝導基板３１を含んでいる。また、電界の勾配を緩くするために基板上に形成された電界変化ライナ３４，３５が示されている。

図９〜１３は、電極と基板の電極接触面（例えば、図１１の６３）との間の電気的な接続の様々な実施形態を示している。図９は、平面である電極接触面と、基板の下側凹状ライナ４２とを示している。また、ライナ４２は基板と電極外周との間にある。図１０は、基板外周／端部に隣接するライナ５５，５６を示している。図１１は、凸状の電極６２を載置するための２つの対向する凹部を有する電極接触面を示している。したがって、電極接触面６３も凹状を成している。図１２は、電極外周と基板との間にライナ７５を更に含む、図１１と同様のスイッチ構造を示している。また、図１３は、図１２と同様の構造であるが、基板外周に隣接するライナを有するものを示している。

光伝導スイッチは、１．６ｅＶ超の、バンドギャップの大きい素材から成る光伝導基板であって、２つの対向する凹部と、光エネルギを光源から受けるために当該光源に対して光学的に接続可能な切子面とを有する前記基板と、基板の両端間に電位を印加するために２つの凹部内に載置されて接触する凸状面を有する２つの電極とを備えることが好ましい。

また、少なくとも１つの電界変化ライナが、電界をそれに沿って段階的に変化させるために、電極接触面のうちの対応する１つを取り囲んで基板上に形成されている。２つの電界変化ライナが電極の外周に隣接している。また、ここで、２つの電界変化ライナは、電極の基板からの境界部分において、電界を段階的に変化させるための、２つの凹部の縁部を形成する。好ましくは、電界変化ライナは基板上に一体的に形成される。

電界変化ライナとして好ましい素材は、高誘電率素材または導体または半導体素材である。当該素材は窒化ケイ素であることが好ましい。導体素材または半導体素材は、約１ミクロンの深さで基板内に延びる基板のドープサブ表面層として形成されてもよい。基板は、任意に、導電素材および半導体素材から成る分割層によって分離される少なくとも２つの光伝導層を有する多層体であってもよい。

また、光伝導基板は１．６ｅＶ超の、バンドギャップの大きい素材から成り、前記基板は、対向する電極接触面と、光エネルギを光源から受けるために当該光源に対して光学的に接続可能な切子面とを有し、２つの電極は、基板の両端間に電位をかけるために、基板の電極接触面に対して電気的に接続され、また、２つの電界変化ライナが、電界をそれに沿って段階的に変化させるために、電極接触面を取り囲んで基板上に形成される。電界変化ライナが電極の外周に隣接する場合には、電界変化ライナが基板と電極外周との間に形成されることが好ましい。また、２つの電極緩和ライナは、電極接触面の高さよりも下のレベルに形成される。この場合、電界変化ライナの外面は、電極接触面の延長部分を形成するように、電極接触面と同一平面上にある。この場合、電界変化ライナは基板外周に隣接している。

殆どの基板では、図１４に示されるような欠陥が構造中に存在する。これらの欠陥９２としては、空隙（ｖｏｉｄ）や割れ目（ｆｒａｃｔｕｒｅ）などを挙げることができる。９０で示されるような特定のＳｉＣの面内において、これらの空隙は、９１で示されるような「マイクロパイプ」を含む可能性もある。それは、基板の全長を貫く長くて狭い管状の空隙である。基板に対して高電圧が印加されると、空隙を介した接続により或いはマイクロパイプを完全に貫く接続により、デバイスの全長にわたってアーク破壊が起こる可能性がある。イオン化によって空隙内に形成される荷電粒子の加速および衝突によって空隙で破壊が起こることは当業者に良く知られている。衝突は、完全ななだれ（ｆｕｌｌ ａｖａｌａｎｃｈｅ）すなわちアークが起こるまでのプロセスに更に寄与するイオン電子対を形成する。また、荷電粒子が移動できる距離が短くなればなるほど、それらが受けるエネルギが少なくなり、そのため、なだれがより起こりにくくなることも良く知られている。したがって、小さい空隙はのほうが、大きい空隙よりも影響を小さくできる。すべての空隙を排除することは、困難で、コストのかかる処理である。

したがって、空隙を分離させて空隙のスケールサイズを小さくする改良が本発明の図１５に示されている。この構造では、基板は、例えば３層１００〜１０２積層構造体で形成される。マイクロパイプは、もはや、基板の厚さ全体を貫く完全な接続を形成し得ない。また、空隙のほとんどはより小さく形成することができる。

多くの基板は、図１６に示されるように、それらを非伝導状態から伝導状態へと移行させるために使用される光エネルギを非常に良く透過する。光吸収深さは、約１ミクロン光においては１ｃｍのオーダーである。その結果、光学的に短いスイッチでは、入力された光エネルギの大部分が無駄になる。基板はコスト高となり得るものであり、したがって、光学的に長いスイッチは効率化に費用がかかる。その結果、加速器内でよくおこなわれるように、これらのスイッチの大きな配列を作動させることは、コストのせいでできなくなる可能性がある。図１７に示されるように、本発明の典型的な実施形態は、スイッチをすべての入射された光エネルギを封じ込めるキャビティに形成する。これは、図１７に示されるように、誘電体コーティングなどによって達成され、これにより、基板スケールを小さくすることができるとともに、デバイスサイズの最適化は、スイッチを通る電流密度などの電気的な要件に焦点を合わせて行なうことができる。

例えば６Ｈ−Ｓｉｃ基板に電界変化ライナを一体形成するための製造プロセスの一例は以下の通りである。最初に、ＲＣＡが６Ｈ−Ｓｉｃ基板を洗浄する。その後、プラズマ化学気相成長、すなわち、ＰＥＣＶＤが３５０℃で６Ｈ−Ｓｉｃ基板の表面上にわたって０．５μｍ窒化ケイ素層を成長させる。窒化物層の表面上にわたって１μｍ厚の熱酸化物（ＳｉＯ２）が高温（１２００℃）成長する。ＳｉＯ２層およびＳｉ３Ｎ４層を通じて６Ｈ−ＳｉＣ基板表面内へ約１〜２μｍの反応性イオンエッチングを行なう。ＳＦ６−Ｏ２ガスを使用する反応性イオンエッチングは、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４を通じてＳｉＣ中へエッチングされたパターンのエッジに放射状の外形をもたらす。次に、メタライゼーションのエッジでの高い電界が熱ＳｉＯ２層中へ押し込まれるように、接触金属層がエッチングパターン上に直接に堆積される。熱酸化物層は、６Ｈ−ＳｉＣよりも３倍高い臨界電界強度を有している。

言うまでも無く、ＲＣＡ洗浄は、ウエハから汚染物を除去するための業界基準である。高性能で且つ高信頼性の半導体デバイスを得るため、また、プロセス機器、特に高温酸化チューブ、拡散チューブ、堆積チューブの汚染を防止するため、処理の開始時にシリコンウエハの表面上に存在する或いは処理中に蓄積される汚染物は、特定の処理ステップで除去されなければならない。ＲＣＡ洗浄処理は、順番に使用される３つの主要なステップを有している。すなわち、まず、５：１：１ Ｈ_２Ｏ：Ｈ２Ｏ２：ＮＨ４ＯＨ溶液を使用して不溶性有機汚染物の除去を行なう有機洗浄がある。次に、希釈されたＨ_２Ｏ：ＨＦ溶液を使用して、（Ｉ）の結果として金属汚染物が蓄積する場合がある薄い二酸化ケイ素層の除去を行なう酸化物剥離がある。そして、最後に、６：１：１ Ｈ_２Ｏ：Ｈ２Ｏ２：ＨＣｌの溶液を使用して、イオン重金属原子汚染物の除去を行なうイオン洗浄がある。

特定の動作シーケンス、素材、温度、パラメータ、および、特定の実施形態について説明し或いは図示してきたが、そのようなものは限定を意図したものではない。改良および変更が当業者にとって明らかとなり得るものであり、本発明は添付の請求項の範囲によってのみ限定されるべきものである。

当該技術分野において知られているＳｉＣ光伝導スイッチの側面図である。 三重点に形成されるメニスカスを示す図１のボックスＡの拡大側面図である。 ＳｉＣ基板と金属コーティングとの界面に沿った電界の大きさを示すグラフである。 当該技術分野において知られている図１に類似するＳｉＣ光伝導スイッチであって、高誘電率絶縁体が電極の外周にある空間を満たしているＳｉＣ光伝導スイッチの側面図である。 ここでは絶縁体を含む、三重点に形成されるメニスカスを示す図４のボックスＢの拡大側面図である。 ＳｉＣ基板、金属コーティング、高誘電率絶縁体の界面に沿った電界の大きさを示すグラフである。 基本的な光伝導スイッチの斜視図である。 スイッチングシステムで使用される本発明の光伝導スイッチの例示的な実施形態の概略図である。 上側電極と光伝導基板との間の電気的な接続を示す、本発明の光伝導スイッチの第１の典型的な実施形態の上半分の断面図である。 本発明の光伝導スイッチの第２の典型的な実施形態の上半分の断面図である。 本発明の光伝導スイッチの第３の典型的な実施形態の上半分の断面図である。 本発明の光伝導スイッチの第４の典型的な実施形態の上半分の断面図である。 本発明の光伝導スイッチの第５の典型的な実施形態の上半分の断面図である。 本発明の光伝導スイッチのＳｉＣ基板の断面図である。

Claims (10)

1. １．６ｅＶ超の、バンドギャップの大きい素材から構成される光伝導基板であって、少なくとも１つの凹部と、光エネルギを光源から受けるために、前記光源に対して光学的に接続可能な切子面とを有する光伝導基板と、
   前記基板に対して電気的に接続された２つの電極であって、その少なくとも一方が、前記少なくとも１つの凹部のうちの対応する凹部内に、接触した状態で載置される凸状面を有し、前記基板の両端間に電位をかけるための２つの電極と、
   ２つの電界変化ライナであって、電界をそれらに沿って段階的に変化させるために、電極接触面を取り囲んで、前記基板上に形成される少なくとも１つの電界変化ライナと、を備え、
   前記２つの電界変化ライナは、対向する面である複数の電極接触面のうちの対応する１つを取り囲んで、前記基板上に一体的に形成される２つの電界変化ライナから構成され、
   前記２つの電界変化ライナは、前記電極の外周に隣接し、
   前記２つの電界変化ライナは、前記電極の前記基板からの境界部分において、電界を段階的に変化させるための、前記少なくとも１つの凹部の縁部を形成し、
   前記２つの電界変化ライナは、高誘電率素材である光伝導スイッチ。
2. 前記電界変化ライナは、窒化ケイ素を含む請求項１に記載の光伝導スイッチ。
3. 前記電界変化ライナは、約１ミクロンの深さで前記基板内に延びる、前記基板のドープサブ表面層として形成される、請求項２に記載の光伝導スイッチ。
4. 前記基板は、導体素材および半導体素材から成るグループから選択される分割層によって分離される少なくとも２つの光伝導層を有する多層体である、請求項１に記載の光伝導スイッチ。
5. 前記基板は、４ｈ ＳｉＣ，６ｈ ＳｉＣおよびＧａＮから構成されるグループから選択される補償型半絶縁素材である、請求項１に記載の光伝導スイッチ。
6. 前記基板は、結晶構造を有し、そして、Ａ−平面，Ｃ−平面およびＭ−平面から構成されるグループから選択される平面内で切断された半絶縁ＳｉＣである、請求項５に記載の光伝導スイッチ。
7. 前記基板は、前記Ｃ−平面で切断され、そして、相互にずらされている少なくとも２つの層を備える、請求項６に記載の光伝導スイッチ。
8. 前記半絶縁素材であるＳｉＣは、以下のドーパント、すなわち、ボロン、バナジウム、窒素、アルミニウム、リン、酸素、タングステンおよび亜鉛のうちの少なくとも１つでドープされている、請求項５に記載の光伝導スイッチ。
9. 全内部反射を生み出すために、前記基板の少なくとも１つの切子面に、誘電体がコーティングされる、請求項１に記載の光伝導スイッチ。
10. 前記２つの電界変化ライナは、前記基板の電極接触面の高さよりも下のレベルに形成されている、請求項１に記載の光伝導スイッチ。

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