JP7651502B2 - 光スイッチ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、光照射により電気回路を開閉制御する光スイッチに関する。

電気回路を光照射により開閉制御する光スイッチは、高速応答、ノイズ対策、電気的アイソレーション等の観点において、電気信号による開閉制御よりも有利な点がある。このため光スイッチは、様々な用途が検討されている。なかでも、高速なパルスレーザーを使用する光スイッチは、電気信号による一般的なスイッチング素子よりも開閉制御の高速化が期待されている。

このような光スイッチは、バンドギャップより高エネルギーの光が半絶縁性半導体に入射すると、光伝導効果により、価電子帯の電子が伝導帯に励起してキャリアを生成し電気抵抗が低下する原理を応用している。なお従来の光スイッチは、一光子吸収を利用するものであり、半絶縁性半導体に形成した一対の電極で挟まれる基板面の領域に、レーザー光を垂直方向から照射していた。

特開２００３－２０９２６９号公報

光スイッチにおいて高電圧の耐久性を高めるには、電極間距離を広げて絶縁性を向上させる必要がある。ところで、一光子吸収を利用する光スイッチは、レーザー光が基板表面で集中的に吸収される性質を持つ。このために、パルスレーザーを基板面の垂直方向から照射する従来方式では、光スイッチに生成するキャリアは、基板の表面領域に制限されてしまう。このため、従来の光スイッチにおいて電極間距離を広げると、電気回路を閉じた際の電気抵抗を十分に下げられず、高圧の大電流を安定的に開閉制御することが困難な課題があった。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、電極間距離を広げても、光照射すると基板の体積領域の広範にキャリアを生成し、高電圧の大電流を安定的に開閉制御する光スイッチを提供することを目的とする。

実施形態に係る光スイッチにおいて、光線が吸収されると電気抵抗が低下する半導体基板と、前記半導体基板に電場を基板面に沿う方向へ印加する一対の電極と、前記半導体基板の縁端に前記光線を前記基板面に沿う方向へ照射する光源と、を備える。

実施形態に係る光スイッチにおいて、光線が吸収されると電気抵抗が低下する半導体基板と、前記半導体基板に電場を基板面に沿う方向へ印加する一対の電極と、前記半導体基板の縁端に前記光線を前記基板面に沿う方向へ照射する光源と、前記半導体基板の対向する前記縁端に配置され前記光線を相互に反射させ、前記半導体基板の内部において共振させる一対のミラーと、を備える。
また、実施形態に係る光スイッチにおいて、光線が吸収されると電気抵抗が低下する半導体基板と、前記半導体基板に電場を基板面に沿う方向へ印加する一対の電極と、前記半導体基板の縁端に前記光線を前記基板面に沿う方向へ照射する光源と、前記半導体基板の対向する前記縁端に配置され前記光線を相互に反射させ、前記半導体基板の内部において複数回往復させる一対のミラーと、を備える。

（Ａ）本発明の第１実施形態においてＯＦＦ状態を示す光スイッチの上面図、（Ｂ）同・縦断面図。 （Ａ）第１実施形態においてＯＮ状態を示す光スイッチの上面図、（Ｂ）同・縦断面図。 （Ａ）第２実施形態においてＯＦＦ状態を示す光スイッチの上面図、（Ｂ）同・縦断面図。 （Ａ）第２実施形態においてＯＮ状態を示す光スイッチの上面図、（Ｂ）同・縦断面図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１（Ａ）は本発明の第１実施形態においてＯＦＦ状態を示す光スイッチ１０Ａ（１０）の上面図であり、図１（Ｂ）はその縦断面図である。図２（Ａ）は第１実施形態においてＯＮ状態を示す光スイッチ１０Ａ（１０）の上面図であり、図２（Ｂ）はその縦断面図である。

図１及び図２に示すように光スイッチ１０Ａは、光線１７が吸収されると電気抵抗が低下して絶縁領域１３（図１）が導通領域１４（図２）に変化する半導体基板２０と、この半導体基板２０に電場を基板面２１（２１ａ，２１ｂ）に沿う方向へ印加する一対の電極１６（１６ａ，１６ｂ）と、半導体基板２０の縁端２２ａから縁端２２ｂに光線１７を基板面２１に沿う方向へ照射する光源１１と、を備えている。

半導体基板２０は、光線１７を吸収すると、電子を価電子帯から伝導帯に励起し、キャリアの生成により電気抵抗が低下する。そして、光源１１から入射され半導体基板２０の内部を通過する光線１７は、キャリアの移動経路（導通領域１４）を形成する。このように形成されたキャリアの移動経路は、その界面（半導体基板２０の絶縁領域１３や大気との界面）において光線１７が反射又は全反射するために、光線１７の導波路としての役目を果たす。

一対の電極１６（１６ａ，１６ｂ）には、電源（図示略）と電力供給の対象物（図示略）とが直列接続されている。この電源（図示略）から電極１６（１６ａ，１６ｂ）に電力が供給されることで、半導体基板２０の基板面２１に沿う方向へ電場が印加される。電極１６は、金やアルミニウム等の金属で形成され、また、複数の金属を積層して形成される場合もある。

そして、光源１１から光線１７が照射されると、一対の電極１６（１６ａ，１６ｂ）が互いに導通し、光スイッチ１０を構成に含む電気回路が閉状態になる。そして、光源１１からの光線１７が停止されると、一対の電極１６（１６ａ，１６ｂ）は絶縁され、光スイッチ１０を構成に含む電気回路が開状態になる。図示において一対の電極１６（１６ａ，１６ｂ）の各々は、片側の基板面２１ａに配置されているものが例示されているが、両側の基板面２１ａ，２１ｂにそれぞれ配置してもよい。

光源１１は、複数の照射ポート１２が設けられ、それぞれから複数の光線１７が出力されるように構成されているが、一つの照射ポート１２から一本の光線１７が出力されるように構成されてもよい。光源１１としては、具体的に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂファイバーレーザー、フラッシュランプ、半導体レーザー及び発光ダイオードが好適に採用される。

光源１１の照射ポート１２は、半導体基板２０の縁端２２ａから縁端２２ｂに向かって開口し、基板面２１に沿う方向へ光線１７を照射する。なお図示において、光線１７の照射方向は、一対の電極１６（１６ａ，１６ｂ）で形成される電場方向に沿っている例を示しているが、この電場方向と交差するように設定してもよい。また、光線１７の照射方向は、電場の極性方向に対して順方向及び逆方向のいずも取り得る。

半導体基板２０は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮ及びダイヤモンドが好適に採用される。ここでＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドのバンドギャップと等価エネルギーを持つ電磁波の波長（以下、「等価波長」という）は、それぞれ１１１７ｎｍ、８６７ｎｍ、３８４ｎｍ、３６４ｎｍ、２２６ｎｍである。

光線１７の波長が、半導体基板２０のバンドギャップの等価波長より長く二倍以下となるように設定されることで、二光子吸収を実現する。ここで二光子吸収とは、光線１７として二個の光子が同時に半導体基板２０に吸収され、価電子帯と伝導帯のバンドギャップを超えた電子が励起することである。

Ｓｉ、ＧａＡｓの半導体基板２０で二光子吸収される光線１７としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂファイバーレーザーが例示される。ＳｉＣ、ＧａＮの半導体基板２０で二光子吸収される光線１７としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂファイバーレーザーの第二高調波が例示される。ダイヤモンドの半導体基板２０で二光子吸収される光線１７としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂファイバーレーザーの第三高調波が例示される。フラッシュランプ、半導体レーザーや発光ダイオード等の光源１１からは、二光子吸収される波長をもつ光線１７を任意に出力させることができる。

光線１７の波長が、半導体基板２０のバンドギャップの等価波長の二倍より長く三倍以下となるように設定されることで、三光子吸収を実現する。ここで三光子吸収とは、光線１７として三個の光子が同時に半導体基板２０に吸収され、価電子帯と伝導帯のバンドギャップを超えた電子が励起することである。

ＳｉＣ、ＧａＮの半導体基板２０で三光子吸収される光線１７としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂファイバーレーザーが例示される。ダイヤモンドの半導体基板２０で三光子吸収される光線１７としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂファイバーレーザーの第二高調波が例示される。フラッシュランプ、半導体レーザーや発光ダイオード等の光源１１からは、三光子吸収される波長をもつ光線１７を任意に出力させることができる。

一光子吸収では吸収長が短いために図のように半導体を透過できないため正面から電極間に直接レーザーを照射するしかなく、キャリアの生成する導電領域１４が面となってしまう。その一方で、二光子吸収や三光子吸収といった多光子吸収では、吸収長が長くなるため、光線１７が半導体基板２０の奥深くまで浸透し、キャリアが生成する導電領域１４が面ではなく体積となり、光スイッチ１０の電気抵抗を低下させる。

光スイッチ１０において、高電圧の電流を開閉制御する場合、絶縁耐圧を考慮して電極間距離を離す必要がある。このように吸収長が長い多光子吸収を利用することで、縁端２２から基板面２１に沿う方向へ光線１７を照射して、半導体基板２０の体積領域の広範にキャリアを生成させることができる。これにより、光スイッチ１０における電極１６（１６ａ，１６ｂ）の間隔を広げても、高電圧の大電流を安定的に開閉制御できる。

図１に示すように光源１１が未照射状態では、半導体基板２０には絶縁領域１３が形成されているため光スイッチ１０は開状態である。そして図２に示すように、電源（図示略）から一対の電極１６（１６ａ，１６ｂ）に電圧を印加する。光源１１から光線１７が、縁端２２から半導体基板２０の基板面２１に沿う方向に照射されると、光線１７の波長がバンドギャップの等価波長より長い場合は、光線１７は一光子吸収されず、半導体基板２０を浸透していく。そして半導体基板２０において多光子吸収が発生すると、価電子帯の電子が伝導帯に励起され、キャリアが生成し導電領域１４が形成される。

光線１７が連続光であると、その照射期間中は導電領域１４が維持され光スイッチ１０は電気回路を閉状態にし、照射停止すると絶縁領域１３が維持され光スイッチ１０は電気回路を開状態にする。他方において光線１７がパルス光であると、その照射期間中は、パルス光の立ち上がりの応答周波数で、光スイッチ１０は電気回路を開閉制御する。光スイッチ１０は、電極１６（１６ａ，１６ｂ）の間隔を広げることができるため高電圧で高電流を流すことができ、高速応答性が優れるため電気回路を立ち上がりの応答周波数で開閉しても制御が安定している。

（第２実施形態）
次に図３及び図４を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図３（Ａ）は第２実施形態においてＯＦＦ状態を示す光スイッチ１０Ｂ（１０）の上面図であり、図３（Ｂ）はその縦断面図である。図４（Ａ）は第２実施形態においてＯＮ状態を示す光スイッチ１０Ｂ（１０）の上面図であり、図４（Ｂ）はその縦断面図である。

第２実施形態の光スイッチ１０Ｂは、第１実施形態の光スイッチ１０Ａと構成が共通する半導体基板２０、一対の電極１６（１６ａ，１６ｂ）及び光源１１に加えて、さらに一対のミラー１９（１９ａ，１９ｂ）を備えている。図３及び図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

一対のミラー１９（１９ａ，１９ｂ）は、半導体基板２０の対向する縁端２２（２２ａ，２２ｂ）に配置されている。そして一対のミラー１９（１９ａ，１９ｂ）は、光線１７を相互に反射させ半導体基板２０の内部において何度もミラー１９（１９ａ，１９ｂ）間を往復させ、または共振させる。そして、何度もミラー１９（１９ａ，１９ｂ）間を往復させる場合は１００％反射ミラーを使用し、光線１７をビーム直径だけずらすように反射ミラー１９を設置する。また、共振させる場合には部分反射（９０～９９％）ミラー１９を平行に光を垂直に反射させるように設置する。

一対のミラー１９（１９ａ，１９ｂ）は、複数回の往復または共振状態が維持されるように、その間隔が光線１７の波長の整数倍となるように設定されている。この一対のミラー１９（１９ａ，１９ｂ）は、半導体基板２０の対向する縁端の各々にコーティングして形成することができる。この場合、間隔の調整器（図示略）は、半導体基板２０の温度を変更する温調機構であったり、その長さを加圧により変更する加圧機構であったりする。

また、この一対のミラー１９（１９ａ，１９ｂ）は、半導体基板２０の縁端から物理的に離して配置することもできる。この場合、間隔の調整器（図示略）は、一対のミラー１９（１９ａ，１９ｂ）を微小距離で高精度に移動させるステージ機構であったりする。

図３に示すように光源１１が未照射状態では、半導体基板２０には絶縁領域１３が形成されているため光スイッチ１０は開状態である。そして図４に示すように、電源（図示略）から一対の電極１６（１６ａ，１６ｂ）に電圧を印加すると、光源１１から光線１７が、一方のミラー１９ａから基板面２１に沿う方向に照射される。

光線１７は、一方のミラー１９ａを通過して半導体基板２０の縁端２２ａに入射すると、対向する他方のミラー１９ｂで反射され、この反射波はさらに一方のミラー１９ａで反射され、このような反射が繰返される。一対のミラー１９（１９ａ，１９ｂ）の間隔は、光線１７の波長の整数倍に設定されているため、繰り返される反射波は、半導体基板２０の内部で何度もミラー１９（１９ａ，１９ｂ）間を往復または共振し強度を増幅していく。

これにより、半導体基板２０の内部全体に亘って多光子吸収の発生頻度が高まり、キャリアが生成する導電領域１４の体積も増え、光スイッチ１０の電気抵抗を大幅に低下させる。ここで、半透過のミラー１９（１９ａ，１９ｂ）の反射率が９９％であれば、半導体基板２０に吸収されないと仮定して、何度もミラー１９（１９ａ，１９ｂ）間を往復または共振による光線１７の強度は入射前の１００倍となる。

なお一対のミラー１９（１９ａ，１９ｂ）のうち光源１１の反対側に位置するミラー１９ｂを全反射ミラーにすることで、さらに、何度もミラー１９（１９ａ，１９ｂ）間を往復または共振による光線１７の強度を増幅させることができる。これにより、第２実施形態では、第１実施形態と対比して、光線１７の照射強度を小さくしても、半導体基板２０の体積領域の広範にキャリアを十分に生成させることができる。これにより、光スイッチ１０における電極１６（１６ａ，１６ｂ）の間隔を広げても、高電圧の大電流を安定的に開閉制御できる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の光スイッチによれば、半導体基板の縁端に光線を基板面に沿う方向へ照射することにより、電極間距離を広げても、光照射すると基板の体積領域の広範にキャリアが生成され、高圧の大電流を安定的に開閉制御することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０（１０Ａ，１０Ｂ）…光スイッチ、１１…光源、１２…照射ポート、１３…絶縁領域、１４…導通領域、１６（１６ａ，１６ｂ）…電極、１７…光線、１９（１９ａ，１９ｂ）…ミラー、２０…半導体基板、２１（２１ａ，２１ｂ）…基板面、２２（２２ａ，２２ｂ）…縁端。

Claims (12)

1. 光線が吸収されると電気抵抗が低下する半導体基板と、
   前記半導体基板に電場を基板面に沿う方向へ印加する一対の電極と、
   前記半導体基板の縁端に前記光線を前記基板面に沿う方向へ照射する光源と、
   前記半導体基板の対向する前記縁端に配置され前記光線を相互に反射させ、前記半導体基板の内部において共振させる一対のミラーと、を備える光スイッチ。
2. 光線が吸収されると電気抵抗が低下する半導体基板と、
   前記半導体基板に電場を基板面に沿う方向へ印加する一対の電極と、
   前記半導体基板の縁端に前記光線を前記基板面に沿う方向へ照射する光源と、
   前記半導体基板の対向する前記縁端に配置され前記光線を相互に反射させ、前記半導体基板の内部において複数回往復させる一対のミラーと、を備える光スイッチ。
3. 請求項１又は２に記載の光スイッチにおいて、
   前記半導体基板のバンドギャップと等価エネルギーを持つ電磁波の波長より長く二倍以下となるように、前記光線の波長が設定される光スイッチ。
4. 請求項１又は２に記載の光スイッチにおいて、
   前記半導体基板のバンドギャップと等価エネルギーを持つ電磁波の波長の二倍より長く三倍以下となるように、前記光線の波長が設定される光スイッチ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
   前記光線は、連続光又はパルス光である光スイッチ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
   前記一対のミラーのうち前記光源の反対側に位置するミラーは全反射ミラーである光スイッチ。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
   前記一対のミラーには間隔を調整する調整器が設けられている光スイッチ。
8. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
   前記一対のミラーは前記半導体基板の対向する前記縁端の各々にコーティングされている光スイッチ。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
   前記電場の印加方向と前記光線の照射方向とは、相互に、順方向、逆方向、及び交差方向のいずれかをとる光スイッチ。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
    前記一対の電極の各々は、片側の前記基板面又は両側の前記基板面にそれぞれ設けられている光スイッチ。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
    前記半導体基板は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮ及びダイヤモンドの中から選択される光スイッチ。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の光スイッチにおいて、
    前記光源は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー、Ｙｂファイバーレーザー、フラッシュランプ、半導体レーザー及び発光ダイオードの中から選択される光スイッチ。
    

Images