特開 2024-14143 光導電スイッチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024014143

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】光導電スイッチ

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/08 20060101AFI20240125BHJP

【ＦＩ】

H01L31/08 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022116759

(22)【出願日】2022-07-21

(71)【出願人】

【識別番号】515277942

【氏名又は名称】株式会社ノベルクリスタルテクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】110002583

【氏名又は名称】弁理士法人平田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 公平

【テーマコード（参考）】

5F149

5F849

【Ｆターム（参考）】

5F149AA17

5F149AB01

5F149AB16

5F149BA18

5F149BA30

5F149CB01

5F149DA16

5F149FA02

5F149FA04

5F149HA09

5F149LA01

5F149LA02

5F149LA03

5F149XB20

5F149XB32

5F849AA17

5F849AB01

5F849AB16

5F849BA18

5F849BA30

5F849CB01

5F849DA16

5F849FA02

5F849FA04

5F849HA09

5F849LA01

5F849LA02

5F849LA03

5F849XB20

5F849XB32

(57)【要約】

【課題】より効果的にコスト及び動作時の発熱を抑えることができる光導電スイッチを提供する。
【解決手段】一実施の形態として、酸化ガリウム系半導体からなり、Ｆｅを含むことにより高抵抗化された半導体層１０と、半導体層１０の上面に接続されたアノード電極１２及びカソード電極１３と、半導体層１０の中のドナー不純物を含む領域であり、アノード電極１２に接続された第１のｎ^＋領域１１ａと、半導体層１０の中のドナー不純物を含む領域であり、第１のｎ^＋領域１１ａと離隔され、カソード電極１３に接続された第２のｎ^＋領域１１ｂと、を備えた、光導電スイッチ１を提供する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化ガリウム系半導体からなり、Ｆｅを含むことにより高抵抗化された半導体層と、
前記半導体層の上面に接続されたアノード電極及びカソード電極と、
前記半導体層の中のドナー不純物を含む領域であり、前記アノード電極に接続された第１のｎ^＋領域と、
前記半導体層の中のドナー不純物を含む領域であり、前記第１のｎ^＋領域と離隔され、前記カソード電極に接続された第２のｎ^＋領域と、
を備えた、光導電スイッチ。

【請求項2】

前記半導体層の下面に光反射膜が設けられた、
請求項１に記載の光導電スイッチ。

【請求項3】

前記第１のｎ^＋領域と前記第２のｎ^＋領域の間の距離が、２μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内、又は１０μｍ以上、５００μｍ以下の範囲内にある、
請求項１又は２に記載の光導電スイッチ。

【請求項4】

ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第１のｎ^＋層と、
前記第１のｎ^＋層の上の、Ｆｅを含む酸化ガリウム系半導体からなる高抵抗層と、
前記高抵抗層の上の、ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第２のｎ^＋層と、
前記第２のｎ^＋層の上の透明電極と、
前記第２のｎ^＋層に前記透明電極を介して接続されたアノード電極と、
前記第１のｎ^＋層の下面に形成された、光反射膜を兼ねるカソード電極と、
を備えた、光導電スイッチ。

【請求項5】

前記第１のｎ^＋層が基板からなり、
前記高抵抗層及び前記第２のｎ^＋層が、前記第１のｎ^＋層を下地とするエピタキシャル膜からなる、
請求項４に記載の光導電スイッチ。

【請求項6】

前記第１のｎ^＋層と前記第２のｎ^＋層の間の距離が、２μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内、又は１０μｍ以上、５００μｍ以下の範囲内にある、
請求項４又は５に記載の光導電スイッチ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光導電スイッチに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光の照射によりオフ状態をオン状態に切り換えることができる光導電スイッチが知られている（非特許文献１を参照）。光導電スイッチは応答速度に優れ、例えばＭＯＳＦＥＴのスイッチと比較しても格段に速い。

【0003】

非特許文献１に記載の光導電スイッチは、Ｖ（バナジウム）の添加により高抵抗化されたＳｉＣが半導体層として用いられている。光導電スイッチにおいては、耐圧を確保するため、半導体層の抵抗率に応じて耐圧維持領域（アノード電極が接続されるｎ^＋領域とカソード電極が接続されるｎ^＋領域との間の領域）の長さや断面積が設定される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Qilin Wu et al., “The Test of a High-Power, Semi-Insulating, Linear-Mode, Vertical 6H-SiC PCSS”, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, APRIL 2019, VOL. 66, NO. 4, p.p. 1837-1842.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非特許文献１に記載のＳｉＣを用いた光導電スイッチも含め、従来知られた光導電スイッチは、その耐圧維持領域の体積から、非常に強度の大きな高価なレーザーを用いなければ十分なキャリアを有するチャネルを発生させることができず、導通損失が大きくなって発熱が大きくなるという問題がある。すなわち、従来の光導電スイッチは、コスト又は発熱の観点から実用化が困難であった。

【0006】

本発明の目的は、より効果的にコスト及び動作時の発熱を抑えることができる光導電スイッチを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記の光導電スイッチを提供する。

【0008】

［１］酸化ガリウム系半導体からなり、Ｆｅを含むことにより高抵抗化された半導体層と、前記半導体層の上面に接続されたアノード電極及びカソード電極と、前記半導体層の中のドナー不純物を含む領域であり、前記アノード電極に接続された第１のｎ^＋領域と、前記半導体層の中のドナー不純物を含む領域であり、前記第１のｎ^＋領域と離隔され、前記カソード電極に接続された第２のｎ^＋領域と、を備えた、光導電スイッチ。
［２］前記半導体層の下面に光反射膜が設けられた、上記［１］に記載の光導電スイッチ。
［３］前記第１のｎ^＋領域と前記第２のｎ^＋領域の間の距離が、２μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内、又は１０μｍ以上、５００μｍ以下の範囲内にある、上記［１］又は［２］に記載の光導電スイッチ。
［４］ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第１のｎ^＋層と、前記第１のｎ^＋層の上の、Ｆｅを含む酸化ガリウム系半導体からなる高抵抗層と、前記高抵抗層の上の、ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第２のｎ^＋層と、前記第２のｎ^＋層の上の透明電極と、前記第２のｎ^＋層に前記透明電極を介して接続されたアノード電極と、前記第１のｎ^＋層の下面に形成された、光反射膜を兼ねるカソード電極と、を備えた、光導電スイッチ。
［５］前記第１のｎ^＋層が基板からなり、前記高抵抗層及び前記第２のｎ^＋層が、前記第１のｎ^＋層を下地とするエピタキシャル膜からなる、上記［４］に記載の光導電スイッチ。
［６］前記第１のｎ^＋層と前記第２のｎ^＋層の間の距離が、２μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内、又は１０μｍ以上、５００μｍ以下の範囲内にある、上記［４］又は［５］に記載の光導電スイッチ。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、より効果的にコスト及び動作時の発熱を抑えることができる光導電スイッチを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光導電スイッチの垂直断面図である。

【図2】図２は、Ｇａ_２Ｏ_３、６Ｈ－ＳｉＣ、ＧａＡｓ、又はＳｉからなる半導体層を有する、耐圧維持領域の断面積が１ｃｍ^２であり、リーク電流が１０μＡに達したときの電圧を耐圧と定義した光導電スイッチにおける、耐圧維持領域長と耐圧値との関係を示すグラフである。

【図3】図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る光導電スイッチの垂直断面図である。

【図4】図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態に係る光導電スイッチの垂直断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

〔第１の実施の形態〕
（光導電スイッチの構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光導電スイッチ１の垂直断面図である。光導電スイッチ１は、酸化ガリウム系半導体からなる半導体層を備えた横型の光導電スイッチである。図１（ａ）は、光導電スイッチ１に光が照射されていないオフ状態を示しており、図１（ｂ）は、光導電スイッチ１に光Ｌが照射されているオン状態を示している。

【0012】

光導電スイッチ１は、酸化ガリウム系半導体からなり、不純物を含むことにより高抵抗化された半導体層１０と、半導体層１０の上面に接続されたアノード電極１２及びカソード電極１３と、半導体層１０の中のドナー不純物を含む領域であり、アノード電極１２に接続された第１のｎ^＋領域１１ａと、半導体層１０の中のドナー不純物を含む領域であり、第１のｎ^＋領域１１ａと離隔され、カソード電極１３に接続された第２のｎ^＋領域１１ｂと、を備える。

【0013】

酸化ガリウム系半導体とは、Ｇａ_２Ｏ_３、又は、Ａｌ、Ｉｎなどの元素が添加されたＧａ_２Ｏ_３をいう。例えば、酸化ガリウム系半導体は、（Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１－ｘ－ｙ）}）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される組成を有する。Ｇａ_２Ｏ_３にＡｌを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Ｉｎを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。

【0014】

酸化ガリウム系半導体からなる半導体層１０を高抵抗化することのできる不純物として、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｈ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖが挙げられる。中でも、高抵抗酸化ガリウムの製造に多くの実績がある不純物としてＦｅ、Ｍｇ、Ｚｎがある。特に、Ｆｅは酸化ガリウム系半導体に高い抵抗率を付与することが実証されており、半導体層１０がＦｅを含む場合、Ｆｅの濃度により半導体層１０の抵抗率を１×１０^１１～５×１０^１２Ωｃｍの範囲内で制御することができる。

【0015】

酸化ガリウム系半導体に添加されたＦｅは、酸化ガリウム系半導体の伝導帯と価電子帯の間の伝導帯に近い位置に不純物準位を形成し、電子をトラップするため、酸化ガリウム系半導体を高抵抗化する。このため、半導体層１０の第１のｎ^＋領域１１ａと第２のｎ^＋領域１１ｂが設けられていない部分は高抵抗であり、光Ｌが照射されていない状態では、第１のｎ^＋領域１１ａと第２のｎ^＋領域１１ｂの間に電流は流れない。

【0016】

ここで、光導電スイッチのオフ性能は、耐圧維持領域（アノード電極が接続されるｎ^＋領域とカソード電極が接続されるｎ^＋領域との間の領域）の長さと断面積、半導体層の抵抗率で決まる。光導電スイッチ１においては、半導体層１０を構成する酸化ガリウム系半導体が高い抵抗率、例えばＳｉＣよりも高い抵抗率を有するため、耐圧維持領域の長さ、すなわち第１のｎ^＋領域１１ａと第２のｎ^＋領域１１ｂの間の距離ｄ１を著しく短くすることができる。

【0017】

耐圧維持領域の長さを短くすることにより、光導電スイッチ１においては、光Ｌの光源として強度の大きな高価なレーザー発信器などを用いずとも、耐圧維持領域に十分なキャリアを発生させることができ、オン状態における導通損失、すなわちチャネル１５を流れる電流の損失を大きく低減して、発熱を抑えることができる。また、耐圧維持領域の長さを短くすることにより、光導電スイッチ１の面積を小さくすることができる。

【0018】

以下に、光導電スイッチ１において所定の耐圧を得るための距離ｄ１の設定方法を述べる。まず、オームの法則により次の式（１）が成り立つ。ここで、Ｖは第１のｎ^＋領域１１ａと第２のｎ^＋領域１１ｂの間（アノード電極１２とカソード電極１３の間）に印加される電圧であり、Ｉは第１のｎ^＋領域１１ａと第２のｎ^＋領域１１ｂの間に流れる電流であり、ρはチャネル１５が形成される半導体層１０の抵抗率であり、Ｌは耐圧維持領域の長さすなわち第１のｎ^＋領域１１ａと第２のｎ^＋領域１１ｂの間の距離ｄ１であり、Ｓは耐圧維持領域の電圧印加方向に垂直な断面積である。

【0019】

【数1】

【0020】

上述のように、半導体層１０がＦｅを含む場合、Ｆｅの濃度により半導体層１０の抵抗率ρを１×１０^１１～５×１０^１２Ωｃｍの範囲内で制御することができる。そのため、式（１）によれば、例えば、１０μＡ／ｃｍ^２のリーク電流Ｊ（＝Ｉ／Ｓ）が流れるときの印加電圧Ｖを耐圧と定義したときに、１０ｋＶの耐圧を得るための距離ｄ１は、抵抗率ρが１×１０^１１～５×１０^１２Ωｃｍの範囲内であれば、２～１００μｍとなる。また、１０μＡ／ｃｍ^２のリーク電流Ｊ（＝Ｉ／Ｓ）が流れるときの印加電圧Ｖを耐圧と定義したときに、５０ｋＶの耐圧を得るための距離ｄ１は、抵抗率ρが１×１０^１１～５×１０^１２Ωｃｍの範囲内であれば、１０～５００μｍとなる。

【0021】

図２は、Ｇａ_２Ｏ_３、６Ｈ－ＳｉＣ、ＧａＡｓ、又はＳｉからなる半導体層を有する、耐圧維持領域の断面積が１ｃｍ^２であり、リーク電流が１０μＡに達したときの電圧を耐圧と定義した光導電スイッチにおける、耐圧維持領域長と耐圧値との関係を示すグラフである。Ｇａ_２Ｏ_３、６Ｈ－ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉはいずれも不純物の添加により高抵抗化されたものを想定しており、それぞれの抵抗率を３．０×１０^１２Ωｃｍ、１．０×１０^１１Ωｃｍ、１．０×１０^８Ωｃｍ、１．０×１０^７Ωｃｍとしている。

【0022】

ここで、１０μＡのリーク電流が流れるときの印加電圧を「耐圧」とし、その耐圧を維持するために必要な耐圧維持領域の長さ（光導電スイッチ１における第１のｎ^＋領域１１ａと第２のｎ^＋領域１１ｂの間の距離ｄ１に相当）を「耐圧維持領域長」としている。

【0023】

図２は、Ｇａ_２Ｏ_３からなる半導体層を有する光導電スイッチにおける所定の耐圧を得るための耐圧維持領域の長さが、６Ｈ－ＳｉＣ、ＧａＡｓ、又はＳｉからなる半導体層を有する光導電スイッチにおけるそれと比較して、格段に小さいことを示している。

【0024】

半導体層１０は、典型的には、酸化ガリウム系半導体からなる基板である。半導体層１０に含まれるＦｅなどの不純物は、半導体層１０の全体に分布している。半導体層１０中のＦｅの濃度は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^－３以上、１×１０^２０ｃｍ^－３以下である。

【0025】

また、光導電スイッチ１においては、図１（ｂ）に示されるように、半導体層１０の第１のｎ^＋領域１１ａと第２のｎ^＋領域１１ｂとの間の領域にレーザー光などの光Ｌを上方から照射することにより、半導体層１０の表面の第１のｎ^＋領域１１ａと第２のｎ^＋領域１１ｂとの間の領域の電子が励起されてチャネル１５が形成される。これによって、チャネル１５を介して第１のｎ^＋領域１１ａと第２のｎ^＋領域１１ｂとの間に電流が流れるようになる。

【0026】

ここで、光導電スイッチ１に照射される光Ｌは、半導体層１０を構成する酸化ガリウム系半導体のバンドギャップよりもエネルギーの大きい光、例えば、半導体層１０がＧａ_２Ｏ_３からなる場合は波長が２５０ｎｍ以下の光である。この場合、照射された光Ｌは半導体層１０に吸収されるため、その表面近傍にのみチャネル１５が形成される。

【0027】

上述のように、光導電スイッチ１においては、耐圧維持領域の長さを著しく短くすることができる。耐圧維持領域の長さが短くなるとチャネル１５の形成のために光Ｌを照射すべき領域の体積が小さくなるため、照射する光Ｌのエネルギーを桁違いに低減することができる。

【0028】

第１のｎ^＋領域１１ａ及び第２のｎ^＋領域１１ｂは、例えば、Ｓｉ、Ｓｎなどのドナー不純物を半導体層１０に注入することにより形成される。第１のｎ^＋領域１１ａ及び第２のｎ^＋領域１１ｂのドナー濃度は、例えば、５×１０^１８ｃｍ^－３以上である。

【0029】

アノード電極１２及びカソード電極１３は、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｕからなる。また、アノード電極１２とカソード電極１３の間に高電圧をかけることによる界面リーク電流の発生や半導体層１０の損傷を防ぐため、半導体層１０の表面を覆うパッシベーション膜１４を設けることが好ましい。パッシベーション膜１４は、ＳｉＯ_２などの絶縁体からなる。

【0030】

〔第２の実施の形態〕
本発明の第２の実施の形態に係る光導電スイッチ２は、主に、半導体層１０の下面に光反射膜２０が設けられている点において、第１の実施の形態に係る光導電スイッチ１と異なる。第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。

【0031】

（光導電スイッチの構成）
図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る光導電スイッチ２の垂直断面図である。光導電スイッチ２は、酸化ガリウム系半導体からなる半導体層を備えた横型の光導電スイッチである。図３（ａ）は、光導電スイッチ２に光が照射されていないオフ状態を示しており、図３（ｂ）は、光導電スイッチ２に光Ｌが照射されているオン状態を示している。

【0032】

光導電スイッチ２においては、半導体層の下面に光反射膜２０が設けられている。光反射膜２０は、半導体層１０中を下面に向かって進む光Ｌを反射するための膜である。光反射膜２０は、例えば、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕなどの金属からなる。

【0033】

光導電スイッチ２に照射される光Ｌは、半導体層１０を構成する酸化ガリウム系半導体のバンドギャップよりもエネルギーが小さく、かつ酸化ガリウム系半導体の伝導帯の下端と半導体層１０に含まれる不純物の不純物準位（トラップ準位）とのエネルギー差よりもエネルギーが大きい光である。例えば、半導体層１０がＧａ_２Ｏ_３からなり、Ｆｅを含む場合の光Ｌは、波長が３００ｎｍ以上、１５５０ｎｍ以下の光である。

【0034】

このため、光Ｌは、酸化ガリウム系半導体の価電子帯から伝導帯へ電子を励起させることはないが、酸化ガリウム系半導体のバンドギャップ中の不純物準位から酸化ガリウム系半導体の伝導帯に電子を励起させてチャネル１５を形成する。この場合、照射された光Ｌは半導体層１０中を徐々に吸収されながら進む。そして、半導体層１０の下面で光反射膜２０に反射されることにより、光Ｌは半導体層１０の広範囲に広がり、半導体層１０の広範囲にチャネル１５を形成する。

【0035】

光Ｌの波長が長いほど、光Ｌを発するレーザー発振器の製造コストをさげることができる。特に、０．８５～１．５５μｍ（０．８～１．４６ｅＶ）程度の波長が光通信等に広く使われており、この波長域の高強度のレーザー発振器の入手が容易である。このため、酸化ガリウム系半導体の伝導体の下端からの不純物準位の深さは１．４６ｅＶより浅い方が好ましい。上述のように、酸化ガリウム系半導体に添加されたＦｅは、酸化ガリウム系半導体の伝導帯と価電子帯の間の伝導帯に近い位置に不純物準位を形成する。例えば、Ｇａ_２Ｏ_３に含まれるＦｅは、Ｇａ_２Ｏ_３の伝導帯の下端から０．７～０．９ｅＶ程度の位置に不純物準位を形成する。このため、半導体層１０がＦｅを含むことが好ましい。

【0036】

光導電スイッチ２においては、半導体層１０の広範囲、例えば全体にチャネル１５が形成されるため、オン状態における導通抵抗をより効果的に低減することができる。

【0037】

〔第３の実施の形態〕
本発明の第３の実施の形態に係る光導電スイッチ３は、主に、縦型の光導電スイッチである点において、第１の実施の形態に係る光導電スイッチ１と異なる。第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。

【0038】

（光導電スイッチの構成）
図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態に係る光導電スイッチ３の垂直断面図である。光導電スイッチ３は、酸化ガリウム系半導体からなる半導体層を備えた縦型の光導電スイッチである。図４（ａ）は、光導電スイッチ３に光が照射されていないオフ状態を示しており、図４（ｂ）は、光導電スイッチ３に光Ｌが照射されているオン状態を示している。

【0039】

光導電スイッチ３は、ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第１のｎ^＋層３１ａと、第１のｎ^＋層３１ａの上の、不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる高抵抗層３０と、高抵抗層３０の上の、ドナー不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる第２のｎ^＋層３１ｂと、第２のｎ^＋層３１ｂの上の透明電極３４と、第２のｎ^＋層３１ｂに透明電極３４を介して接続されたアノード電極３２と、第１のｎ^＋層３１ａの下面に形成された、光反射膜を兼ねるカソード電極３３と、を備える。

【0040】

第１の実施の形態に係る光導電スイッチ１の半導体層１０と同様に、高抵抗化のための不純物を含む酸化ガリウム系半導体からなる高抵抗層３０は高抵抗であり、光Ｌが照射されていない状態では、第１のｎ^＋層３１ａと第２のｎ^＋層３１ｂの間に電流は流れない。高抵抗層３０の抵抗率は、例えば、高抵抗層３０がＦｅを含む場合、１×１０^１１～５×１０^１２Ωｃｍである。

【0041】

光導電スイッチ３においては、光導電スイッチ１と同様に、高抵抗層３０を構成する酸化ガリウム系半導体が高い電気抵抗を有するため、耐圧維持領域の長さ、すなわち第１のｎ^＋層３１ａと第２のｎ^＋層３１ｂの間の距離ｄ２を著しく短くすることができる。

【0042】

耐圧維持領域の長さを短くすることにより、光導電スイッチ３においては、光Ｌの光源として強度の大きな高価なレーザー発信器などを用いずとも、十分なキャリアを有するチャネル３５を発生させることができ、オン状態における導通損失、すなわちチャネル３５を流れる電流の損失を大きく低減して、発熱を抑えることができる。また、耐圧維持領域の長さを短くすることにより、光導電スイッチ３の厚さを小さくすることができる。

【0043】

光導電スイッチ３において所定の耐圧を得るための距離ｄ２は、第１の実施の形態に係る光導電スイッチ１の距離ｄ１と同様に設定することができる。すなわち、耐圧維持領域の長さＬを距離ｄ２として、式（１）から算出することができる。

【0044】

高抵抗層３０がＦｅを含む場合、Ｆｅの濃度により高抵抗層３０の抵抗率ρを１×１０^１１～５×１０^１２Ωｃｍの範囲内で制御することができる。そのため、式（１）によれば、例えば、１０μＡ／ｃｍ^２のリーク電流Ｊ（＝Ｉ／Ｓ）が流れるときの印加電圧Ｖを耐圧と定義したときに、１０ｋＶの耐圧を得るための距離ｄ２は、抵抗率ρが１×１０^１１～５×１０^１２Ωｃｍの範囲内であれば、２～１００μｍとなる。また、１０μＡ／ｃｍ^２のリーク電流Ｊ（＝Ｉ／Ｓ）が流れるときの印加電圧Ｖを耐圧と定義したときに、５０ｋＶの耐圧を得るための距離ｄ２は、抵抗率ρが１×１０^１１～５×１０^１２Ωｃｍの範囲内であれば、１０～５００μｍとなる。

【0045】

また、図２に示される耐圧維持領域長と耐圧値との関係は、光導電スイッチ３のような縦型の光導電スイッチにおいても成り立つ。すなわち、Ｇａ_２Ｏ_３からなる半導体層を有する光導電スイッチにおける所定の耐圧を得るための耐圧維持領域の長さが、６Ｈ－ＳｉＣ、ＧａＡｓ、又はＳｉからなる半導体層を有する光導電スイッチにおけるそれと比較して、格段に小さい。なお、この場合の耐圧維持領域の長さは、光導電スイッチ３における第１のｎ^＋層３１ａと第２のｎ^＋層３１ｂの間の距離ｄ２に相当する。

【0046】

高抵抗層３０に含まれるＦｅなどの不純物は、高抵抗層３０の全体に分布している。高抵抗層３０中のＦｅの濃度は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^－３以上、１×１０^２０ｃｍ^－３以下である。

【0047】

また、光導電スイッチ３においては、図４（ｂ）に示されるように、レーザー光などの光Ｌを上方から透明電極３４、第２のｎ^＋層３１ｂを通して高抵抗層３０に照射することにより、高抵抗層３０中の電子が励起されてチャネル３５が形成される。これによって、チャネル３５を介して第２のｎ^＋層３１ｂと第１のｎ^＋層３１ａとの間に電流が流れるようになる。このとき、アノード電極３２から流れ出る電流は、透明電極３４を介して平面方向に広がり、第１のｎ^＋層３１ａの全面に流れ込む。透明電極３４は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）膜、ＩＧＺＯ（Indium Gallium Zinc Oxide）膜などの透明導電膜からなる。

【0048】

ここで、光導電スイッチ３に照射される光Ｌは、高抵抗層３０を構成する酸化ガリウム系半導体のバンドギャップよりもエネルギーが小さく、かつ酸化ガリウム系半導体の伝導帯の下端と高抵抗層３０に含まれる不純物の不純物準位とのエネルギー差よりもエネルギーが大きい光である。例えば、高抵抗層３０がＧａ_２Ｏ_３からなり、Ｆｅを含む場合の光Ｌは、波長が３００ｎｍ以上、１５５０ｎｍ以下の光である。

【0049】

このため、光Ｌは、酸化ガリウム系半導体の価電子帯から伝導帯へ電子を励起させることはないが、酸化ガリウム系半導体のバンドギャップ中のＦｅの不純物準位から酸化ガリウム系半導体の伝導帯に電子を励起させてチャネル３５を形成する。この場合、照射された光Ｌは高抵抗層３０中を徐々に吸収されながら進む。そして、第１のｎ^＋層３１ａの下面で光反射膜を兼ねるカソード電極３３に反射されることにより、光Ｌは高抵抗層３０の広範囲に広がり、高抵抗層３０の広範囲、例えば全体にチャネル３５を形成する。

【0050】

上述のように、光導電スイッチ３においては、耐圧維持領域の長さを著しく短くすることができる。耐圧維持領域の長さが短くなるとチャネル３５の形成のために光Ｌを照射すべき領域の体積が小さくなるため、照射する光Ｌのエネルギーを桁違いに低減することができる。

【0051】

第１のｎ^＋層３１ａ及び第２のｎ^＋層３１ｂは、例えば、Ｓｉ、Ｓｎなどのドナー不純物を含む。第１のｎ^＋層３１ａ及び第２のｎ^＋層３１ｂのドナー濃度は、例えば、５×１０^１８ｃｍ^－３以上である。アノード電極３２及びカソード電極３３は、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｕからなる。また、カソード電極３３は、光Ｌの反射効率を高めるために、上記の材料にＡｇやＰｄ、Ｃｕを組み合わせて形成されることが好ましい。

【0052】

第１のｎ^＋層３１ａと第２のｎ^＋層３１ｂの間の距離ｄ２を小さくするためには、高抵抗層３０を薄くする必要がある。この場合、高抵抗層３０をエピタキシャル成長により形成することにより、容易に薄い高抵抗層３０を得ることができる。このため、第１のｎ^＋層３１ａが基板からなり、高抵抗層３０及び第２のｎ^＋層３１ｂが、第１のｎ^＋層３１ａを下地とするエピタキシャル膜からなることが好ましい。

【0053】

（実施の形態の効果）
上記第１～３の実施の形態に係る光導電スイッチ１～３によれば、耐圧維持領域の長さを短くして、効果的にコスト及び動作時の発熱を抑えることができる。また、耐圧維持領域の長さを短くすることにより、素子のサイズを小さくすることができる。

【0054】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

【符号の説明】

【0055】

１～３…光導電スイッチ、 １０…半導体層、 １１ａ…第１のｎ^＋領域、 １１ｂ…第２のｎ^＋領域、 １２、３２…アノード電極、 １３、３３…カソード電極、 １４…パッシベーション膜、 １５…チャネル、 ２０…光反射膜、 ３０…高抵抗層、 ３１ａ…第１のｎ^＋層、 ３１ｂ…第２のｎ^＋層、 ３４…透明電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】