JP2008193063A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】p型半導体基板101の表面にソース拡散層であるn+領域102、ドレイン拡散層であるn+領域103、ゲート絶縁膜106および透明なゲート電極107を有するMOSFETに対して、透明なゲート電極107とゲート絶縁膜106を介して基板のチャネル領域にLED等の光源から光を照射することによって、チャネル抵抗を低減する。
【選択図】図1
Description
本実施の形態において、光源のLEDは、印加電圧2V程度で発光する。LEDを並列に接続して照射する場合には、低いゲート電圧でトランジスタをオン状態とすることが出来る。また、LEDの消費電力を見積もっても、デバイス全体の消費電力の低減できる場合がある。小型のLEDのスイッチング周波数は、GHzオーダとされ、IGBTやMOSFETに本発明を適用した場合、スイッチング周波数は、従来のデバイスよりも高くなる。
図2は、本発明の第1の実施例の構成を示す図である。図2には、縦型MOSFETに「Optical Gate」構成を備え、デバイス上部から光を照射する。ゲート絶縁膜209は透明部材の絶縁膜、ゲート電極210は透明部材の導電膜よりなり、照射光を透過する。ソース、ドレイン拡散層をなすn+領域205、206からp層(p型ウエル)203、204を通り、n−エピタキシャル層202を通して電流が流れる。光吸収に応じて電流通路が確保される。n−エピタキシャル層202にも光が導入されるので、n−エピタキシャル層202の抵抗も低減できる。これは光伝導効果の一例である。なお、図9は、縦型MOSFETの構成を示したが、IGBTにも同様に適用できる。
図3は、トレンチ型IGBTに、本発明を適用した実施例であり、「Optical Gate」構造を備え、上部から光を照射する。ゲート絶縁膜309及びゲート電極310は照射光を透過する。n+領域205、306からpベース層304を通り、n−エピタキシャル層303、n+バッファ層302、p+基板301を透過し、電流通路が確保される。n−エピタキシャル層303にも光が導入されるので、n−エピタキシャル層303の抵抗も低減できる。波長の異なった光を用いると、素子を作る材料中の吸収される距離が異なるため、それに応じて電流チャネルが制御できる。波長の異なるLED光源を利用してもよい。
図4は、比較例として、従来のMOSFET(縦型)のソース及びゲート側の電極構造の例を示す図である(非特許文献1からの引用)。ソース301には大電流が、流れるので、主面(表面)にはほぼ全面に電極が取り付けられ、抵抗を低減し、さらに放熱作用により発熱を低減している。ゲート402にはそれほど大きな電流が流れないので、ゲート電極を延ばして、端部でそれらを束ねて、素子のゲートとしている。
図4に示した構成のデバイスに本発明を適用した例を説明する。光源(LED)を取り付け、それからの光をゲート部に照射するには、2つの手法がある。
図6は、本発明の第4の実施例の構成を示す図であり、IGBTへの応用例を示している。エミッタ電極609の上方にLED610がマウントされている。光をゲート電極直下のチャネル形成領域に導くために、エミッタ電極609には開口613が設けられている。ゲート部の上にあるエミッタ電極609を、ゲート電極608が配置されている方向に切って、溝を作るようにしてもよい。この場合、数ミクロンから10ミクロン程度のゲート寸法において、光の回折は生じにくい。
図7は、非特許文献2(IEEE Photonics Technology Letters, Vol.16、No 1, p117, 2004)からそのまま引用したものである。(図7に示した非特許文献2でなされた研究に、本願発明者はいっさい関与していない。)本願明細書であえて非特許文献2の図面を引用した趣旨は、あくまでも、導波路のイメージの理解を援けるためである。マイクロ光導波路(図7(A)、図7(B))及び、それのソケット(図7(D))と光コンピュータの部分(図7(C))を示している。図7(A)は、多数の光を導くための光導波路(Wave Guide)であり、図7(B)はその一つの部分拡大図である。光導波路は円柱状であり、その直径は5um程度である。
図7に示されているような、光導波路とソケットを利用することによって、半導体デバイスの必要な部分に光を導くことができる。すなわち、光源から、光導波路、ソケットを通して、素子のゲート領域に光を照射するようにしてもよい。
「Optical Gate」構造の光源として、面発光素子を用いた場合、そのような構造は不要であり、光でスイッチングすることが出来る。ゲート電極が透明電極材料からなるIGBTやパワーMOSFETを作製し、例えば図6に示したようにエミッタ電極に開口を備えた構造にしてから、ゲート側に面発光素子を貼り付けることで素子として完成する。その後、遮光用に樹脂等で封止する。なお、ディスプレイ用の光源は周波数応答が相対的に低いことから、高速スイッチングには向いていない。
図9は、本発明の第7の実施例の断面構成を模式的に示す図である。LED913よりなる点光源光と、光拡散層(光拡散板)916を備えている。LED913の光拡散層(光拡散板)916の対向面と反対側には、光反射板915が配設されている。光拡散層916は、点光源であるLED913からの光を拡散し、ゲート部等の光照射先に均等に光が到達する作用を有する。また、図8と同様に、接合面912の所定の箇所に、遮光膜914を設けてもよい。透明絶縁樹脂910をIGBT上に堆積してから、発光部917と接合する。LED916は、有機EL等に比べて発光効率は高く、高い周波数特性があるため、スイッチング周波数も高くできる。
本実施例において、半導体レーザはシリコン半導体レーザ(シリコンレーザ)で構成してもよい。
本実施例において、光源を、スイッチング素子と同一のシリコンウエハ上に形成されるシリコン半導体レーザで構成してもよい。
本実施例において、前記シリコン半導体レーザからの光が、前記スイッチング素子のゲート部を照射するように、前記シリコン半導体レーザは前記ゲート部の隣に配置され、前記シリコン半導体レーザからの出射光が前記ゲート部の上部を照射するように案内される構成としてもよい。本実施例において、前記シリコン半導体レーザからの出射光を反射し、前記反射光を前記ゲート部の上部を照射させるミラーを備えた構成としてもよい。
102 n+領域(ソース拡散層)
103 n+領域(ドレイン拡散層)
201 n+基板
202 n−エピタキシャル層
203、204 p層(pウエル)
205 n+領域(ソース拡散層)
206 n+領域(ドレイン拡散層)
207 ソース電極
208 ドレイン電極
209 ゲート絶縁膜
210 ゲート電極
301 p+基板
302 n+バッファ層
303 n−エピタキシャル層
304 pベース層
305 n+領域(ソース拡散層)
306 n+領域(ドレイン拡散層)
307 ソース電極
308 ドレイン電極
309 ゲート絶縁膜
310 ゲート電極
311 トレンチ
312 絶縁膜
313 導電部材(ゲート電極)
314 光反射板
315 コレクタ電極
401 ソース
402 ゲート
403 ドレイン
501 n+基板
502 n−エピタキシャル層
503、504 p層(pウエル)
505 n+領域(ソース拡散層)
506 n+領域(ドレイン拡散層)
507 ゲート絶縁膜
508 ゲート電極
509 ソース電極
510 LED
511 ドレイン電極
601 p+基板
602 n−エピタキシャル層
603、604 p層(pウエル)
605 n+領域(ソース拡散層)
606 n+領域(ドレイン拡散層)
607 ゲート絶縁膜
608 ゲート電極
609 エミッタ電極
610 LED
611 光反射板
612 コレクタ電極
801 p+基板
802 n−エピタキシャル層
803、804 p層(pウエル)
805 n+領域(ソース拡散層)
806 n+領域(ドレイン拡散層)
807 ゲート絶縁膜
808 ゲート電極
809 エミッタ電極
810 透明絶縁樹脂
811 コレクタ電極
812 接合面
813 光発光層
814 遮光膜
815 面発光素子
901 p+基板
902 n−エピタキシャル層
903、904 p層(pウエル)
905 n+領域(ソース拡散層)
906 n+領域(ドレイン拡散層)
907 ゲート絶縁膜
908 ゲート電極
909 エミッタ電極
910 透明絶縁樹脂
911 コレクタ電極
912 接合面
913 LED(点光源)
914 遮光膜
915 光反射板
916 光拡散層
917 光学素子
Claims (30)
- キャリアが走行するチャネル領域の近辺に光を照射する光源を備え、
前記光源をオンさせ、チャネル電流を流す、ことを特徴とする半導体装置。 - スイッチング素子と、
オン・オフ制御され、オン時に、光を、前記スイッチング素子のゲート部に照射する光源を備えている、ことを特徴とする半導体装置。 - 前記スイッチング素子のオン時には、前記ゲート部への光の照射と、ゲート電極への電圧の印加とが行われる、ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- 請求項1又は2記載の前記半導体装置は横型MOSFETを含む、ことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1又は2記載の前記半導体装置は縦型MOSFETを含む、ことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1又は2記載の前記半導体装置は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、JFET(Junction gate Field Effect Transistor)、MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)の少なくとも一つを含む、ことを特徴とする半導体装置。
- トレンチゲート電極のトレンチ底部に光反射板を備えている、ことを特徴とする請求項6記載の半導体装置。
- ゲート電極が前記光を透過する導電部材よりなり、ゲート絶縁膜が前記光を透過する絶縁部材よりなる、ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- ゲート電極と前記光源間には、前記光を透過する絶縁樹脂が充填されている、ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- 前記縦型MOSFETのソース電極のゲート電極と対向する側と、前記ゲート電極との間の空間内に前記光源を備えている、ことを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
- 前記縦型MOSFETのソース電極に開口を備え、開口の一端はゲート電極と対向し、開口の他端には前記光源を備えている、ことを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
- ゲート電極と前記光源間には、前記光を透過する絶縁樹脂が充填されている、ことを特徴とする請求項10記載の半導体装置。
- ソース電極の表面に、コーティング処理又は鍍金処理された光反射部材を備えることを特徴とする請求項10記載の半導体装置。
- 前記IGBTのエミッタ電極に開口部を備え、前記開口部の一端側は、ゲート電極に対向し、前記開口部の他端は前記光源に対向し、
前記光源の前記開口部の他端と反対側には光反射板が設けられている、ことを特徴とする請求項6記載の半導体装置。 - 前記光源からの光を導波する光導波路を備えていることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置。
- 前記光源として、前記半導体装置のゲート電極が配設される面と対向して面発光素子が配設されている、ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一に記載の半導体装置。
- 前記光源からの光を導波する光導波路に光拡散層を備え、前記光源からの光を拡散することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一に記載の半導体装置。
- 前記光源として前記半導体装置のゲート電極が配設される面と対向して光源が配設され、前記光源と前記半導体装置との間に光拡散層が配設され、前記光源の前記光拡散層に対向する側と反対側に光反射板を備えた発光素子を備えている、ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一に記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極を覆う絶縁樹脂が前記光源の光を透過することを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。
- ゲート電極が前記光を透過する導電部材よりなり、ゲート絶縁膜が前記光を透過する絶縁部材よりなり、
前記ゲート電極と前記ゲート絶縁膜の境界面に面粗度を相対的に下げた領域を備え、光を拡散する、ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 - ゲート電極とゲート絶縁膜の境界面に、無反射コーティング被膜を備える、ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記光源がLED(Light Emitting Diode)を含むことを特徴とする請求項1乃至15、18、19のいずれか一に記載の半導体装置。
- 前記光源がLED(Light Emitting Diode)を含み、1つ又は複数のLEDが前記ソース電極と前記ゲート電極の間に接続されている、ことを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
- 前記半導体装置と前記発光素子の接合面において、所定の部位に遮光部材を備えていることを特徴とする請求項16又は18に記載の半導体装置。
- 前記面発光素子は有機EL(Electro Luminescence)素子を含む、ことを特徴とする請求項16記載の半導体装置。
- 前記光源が半導体レーザを含むことを特徴とする請求項1乃至15、18、19のいずれか一に記載の半導体装置。
- 前記半導体レーザはシリコン半導体レーザである、ことを特徴とする請求項26記載の半導体装置。
- 前記光源が、前記スイッチング素子と同一チップ上に実装されるシリコン半導体レーザである、ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- 前記シリコン半導体レーザからの光が前記スイッチング素子のゲート部を照射するように、前記シリコン半導体レーザが前記ゲートの隣に配置され、前記シリコン半導体レーザからの出射光が前記ゲート部の上部を照射するように案内される、ことを特徴とする請求項28記載の半導体装置。
- 前記シリコン半導体レーザからの出射光を反射し、前記反射光を前記ゲート部の上部を照射させるミラーが設けられることを特徴とする請求項29記載の半導体装置。
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