JP2010073744A - トランジスタ及びその駆動方法、双方向スイッチ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧下でも使用でき、動作の制御性を向上させた半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、基板１０１と、基板１０１の上方に設けられた半導体からなる発光部１５０と、基板１０１の上方に設けられ、発光部１５０から放射される光を受け、半導体からなる電気伝導層と、電気伝導層に接続された第１の電極１１０及び第２の電極１１１とを備えている。発光部１５０から放射された光を電気伝導層１０８が受光することにより、電気伝導層１０８を構成する第１の窒化物半導体層１０８と第２の窒化物半導体層１０９の界面を介して第１の電極と第２の電極との間を流れる電流が、オンまたはオフの状態をとる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば民生機器の電源回路等で用いられる、高電圧下で双方向スイッチとして機能する半導体装置に関するものである。

ＧａＮ（窒化ガリウム）に代表される窒化物半導体は、ＧａＮ及びＡｌＮ（窒化アルミニウム）の禁止帯幅が室温においてそれぞれ、３.４ｅＶ、６.２ｅＶであるなど、バンドギャップエネルギーが大きいワイドギャップ半導体である。そのため、窒化物半導体は絶縁破壊電界が大きく、電子飽和速度がＧａＡｓ（ガリウム砒素）などの化合物半導体やＳｉ（シリコン）などに比べて大きいという特徴を有しており、ＧａＮ系の化合物半導体材料を用いた電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor : FET)など、高周波用途や高出力の電子デバイスの研究開発が活発に行われている。

ＧａＮ等の窒化物半導体材料はＡｌＮやＩｎＮ（窒化インジウム）と様々な混晶を形成することができるため、従来のＧａＡｓ等の砒素系半導体材料と同様にヘテロ接合を形成することが可能である。窒化物半導体によるヘテロ接合、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造では、自発分極及びピエゾ分極により、高濃度のキャリアが不純物をドーピングしない状態でもヘテロ界面に発生するという特徴を有するため、低オン抵抗のパワートランジスタが実現可能である。

現在、コンバーターなどに用いられる双方向スイッチはＳｉ−ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とＳｉダイオードとの組み合わせにより作製されている。この場合、Ｓｉ−ＩＧＢＴとＳｉダイオードとを組み合わせるため、素子数が多くなってしまったり、Ｓｉ−ＩＧＢＴとダイオードがオン時にオフセット電圧を有するため、伝導損失の低減に限界が存在する。

また、特許文献１で挙げられているような、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を用いた双方向スイッチでは一つの素子で双方向スイッチング動作を実現可能であり、オン時のオフセット電圧が存在せず、低伝導損失動作が可能となる。
特開２００５−３５２８３９号公報 特開２００６−２８６７４６号公報

ＡｌＧａＮ/ＧａＮヘテロ接合を用いた従来の双方向スイッチでは、例えば半導体層上に第１のソース／ドレイン電極及び第２のソース／ドレイン電極と、両電極の間に配置されたゲート電極とが設けられている。従来の双方向スイッチでは、ゲート電極に電圧を印加するためのフローティング電源が必要となり、駆動回路が複雑で大型になってしまう場合がある。

また、ゲート電極に印加される電圧がソース／ドレイン電極間に印加される電圧に影響され、スイッチング動作の制御性が低下する場合がある。

本発明の目的は、高電圧下でも使用でき、動作の制御性を向上させた半導体装置（トランジスタ）を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、基板と、前記基板の上方に設けられた窒化物半導体からなる発光部と、前記基板の上方に設けられた電気伝導層と、前記電気伝導層に電気的に接続された第１の電極及び第２の電極とを備え、前記発光部と前記電気伝導層はエピタキシャル成長により連続的に形成されており、前記電気伝導層は第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に設けられ、且つバンドギャップエネルギーが前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーより大きい第２の窒化物半導体層とから構成され、前記発光部から放射された光を前記電気伝導層が受光することにより、前記第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の界面を介して前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が、オンまたはオフの状態をとる。

この構成によれば、発光部から放射された光が電気伝導層に吸収されて電子−正孔対が発生するため、発光部で生成する光の強度により、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との界面を介して第１の電極と第２の電極との間に流れる電流量を制御することができる。また、オン状態の際に電気伝導層を流れる電流量を光によって増加させることができるし、電流をオフにすることもできる。さらに、電気伝導層において生成した電子・正孔対が移動する際に電位差（光起電力）が発生し、その光起電力が電気伝導層内の電子または正孔の増加に寄与するため、電気伝導層を流れる電流を増加させることができる。また、電気伝導層と発光部とは電気的に分離されているので、電気伝導層に印加される電圧によって電気伝導構造の動作制御性が影響を受けることがない。

また、第２の窒化物半導体層の一部に凹部を形成すること等によってノーマリ・オフ型にすることができる。この場合、電気伝導層を流れる電流のオン／オフを光によって制御できるので、双方向スイッチとして機能させることができる。

ここで意味するオン／オフとは、例えば、前記発光部から放射された光を前記電気伝導層が受光し、前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流の変化量が急激に増加するときの電流値を基準電流とし、前記電極間に流れる電流が基準電流より小さい場合はオフ状態、大きい場合はオン状態にあると定義する。

前記発光部から放射される光のエネルギーが、前記電気伝導層のバンドギャップエネルギーよりも大きければ、効果的に電気伝導層にキャリアが発生するので特に好ましい。なお、ここで「光のエネルギー」とは、光子１個分のエネルギーのことを意味している。

なお、本発明のトランジスタと電源回路とで双方向スイッチを構成することもできる。

また、本発明のトランジスタの駆動方法では、前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加された電圧の極性により、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流の向きを反転させ、反転した電流の双方（すなわち、両方向の電流）をオンまたはオフの状態にすることができる。

また、本発明の双方向スイッチの駆動方法は、トランジスタと、電源回路とからなる双方向スイッチの駆動方法であって、前記トランジスタは、基板と、前記基板の上方に設けられた窒化物半導体からなる発光部と、前記基板の上方に設けられた電気伝導層と、前記電気伝導層に電気的に接続された第１の電極及び第２の電極を備え、前記発光部と前記電気伝導層はエピタキシャル成長により連続的に形成されており、前記電気伝導層は第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に設けられ、且つバンドギャップエネルギーが前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーより大きい第２の窒化物半導体層から構成され、前記発光部から放射された光を前記電気伝導層が受光することにより、前記第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の界面を介して前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が、オンまたはオフの状態をとり、前記電源回路は、前記第１の電極と第２の電極に接続され、前記電源回路が、前記第１の電極の電位を基準電位として前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加することにより、前記電流の向きを反転させ、反転した前記電流の双方を、オンまたはオフ状態にする。

以上、説明したように、本発明の半導体装置によれば、発光部において発光した光が電気伝導層に吸収された際に生成する電子−正孔対と、その電子−正孔対によって発生する光起電力によって、電気伝導層を流れる電流を制御可能である。また、電気伝導層と発光部が電気的に分離されているため、従来の双方向スイッチと比較して駆動回路の簡素化が可能である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、図２は、本実施形態の半導体装置を上方から見た場合の平面図である。図１は、図２に示すI-I線における半導体装置の断面を示している。

図１に示すように、本実施形態の半導体装置では、基板１０１の上方にｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、及びｐ型クラッド層１０５を有する発光部１５０が形成され、発光部１５０の上方に電気伝導層であるアンドープＩｎＧａＮ層１０８、第１のソース／ドレイン電極（第１の電極）１１０、及び第２のソース／ドレイン電極（第２の電極）１１１を有するトランジスタ（電気伝導構造）が形成されている。

すなわち、図１に示す本実施形態の半導体装置は、サファイアからなる基板１０１と、基板１０１の（０００１）面（上面）上に順次エピタキシャル成長された、膜厚が１００ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層１０２、膜厚が１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、及び膜厚が１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型クラッド層１０５とを備えている。活性層１０４は、例えばＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有している。図１に示す例では発光部１５０は発光ダイオード構造を有しているが、面発光レーザーなど、光を発生することができる構造を有していればよい。

また、本実施形態の半導体装置は、ｐ型クラッド層１０５の上に順次エピタキシャル成長された、膜厚が２μｍのアンドープＧａＮ層１０７、膜厚が５ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ層（第１の窒化物半導体層）１０８、及び膜厚が２０ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層（第２の窒化物半導体層）１０９とを備えている。アンドープＧａＮ層１０７、アンドープＩｎＧａＮ層１０８及びアンドープＡｌＧａＮ層１０９は、アンドープＩｎＧａＮ層１０８の少なくとも一部にキャリア（電子）を走行させるための電気伝導構造を構成している。本実施形態の半導体装置では、アンドープＩｎＧａＮ層１０８は例えばＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ、アンドープＡｌＧａＮ層１０９はＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎで構成されているが、これ以外の組成であってもよい。

また、本実施形態の半導体装置は、共にアンドープＡｌＧａＮ層１０９上に接触し、Ｔｉ層及びＡｌ層で構成された第１のソース／ドレイン電極（第１の電極）１１０及び第２のソース／ドレイン電極（第２の電極）１１１と、アンドープＡｌＧａＮ層１０９上に形成され、素子表面を保護するためのＳｉＮからなる保護膜１１４と、基板１０１の裏面上に形成されたＡｌ反射鏡１１２とを備えている。

アンドープＡｌＧａＮ層１０９は、発光部１５０の直上方であって、平面的に見て第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１との間に位置する領域に凹部（リセス）１１３を有している。凹部１１３ではアンドープＡｌＧａＮ層１０９の厚みは他の部分に比べて薄くなっている。

また、ｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、及びｐ型クラッド層１０５のうち、凹部１１３の直下領域以外の領域に設けられた部分は、Ａｒなどの非導電型不純物をイオン注入することによって高抵抗なイオン注入領域（非導電性層）１０６に変化している。すなわち、イオン注入領域１０６は、発光部１５０の両側方を含む領域に形成されている。

本実施形態の半導体装置では、トランジスタの電気伝導層として機能するアンドープＩｎＧａＮ層１０８のバンドギャップエネルギーが、活性層１０４で発生した光が有するエネルギーよりも小さくなっている。このため、後に説明するように、アンドープＩｎＧａＮ層１０８が活性層１０４から照射される光を効率良く受けることができ、光電効果を利用してアンドープＩｎＧａＮ層１０８を流れる電流を制御することが可能になっている。なお、発光部１５０と電気伝導層（アンドープＩｎＧａＮ層１０８）との間に設けられた層（ここではアンドープＧａＮ層１０７）のバンドギャップエネルギーは活性層１０４で発生した光が有するエネルギーよりも大きいので、光はアンドープＧａＮ層１０７を透過してアンドープＩｎＧａＮ層１０８に照射される。

また、基板１０１の裏面にはＡｌ反射鏡１１２が形成されている。Ａｌ反射鏡１１２が設けられていることにより、活性層１０４から基板１０１側に出射された光をアンドープＩｎＧａＮ層１０８に向けて反射することができるので、効率良くアンドープＩｎＧａＮ層１０８に光を照射することが可能となる。

また、図２に示すように、平面的に見て凹部１１３の縦方向の両側にはｎ型クラッド層１０３の一部、及びｐ型クラッド層１０５の一部がそれぞれ露出している。このｎ型クラッド層１０３の露出部分の直上にはＴｉ／Ａｌ電極１１７が設けられ、ｐ型クラッド層１０５の露出部分の直上にはＮｉ電極１１６が形成されている。

Ｎｉ電極１１６とＴｉ／Ａｌ電極１１７の間に電圧を印加することにより、発光部１５０の活性層１０４において発光させることが可能となっている。

また、ｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、及びｐ型クラッド層１０５のうち、凹部１１３の下方領域、Ｎｉ電極１１６の下方領域、及びＴｉ／Ａｌ電極１１７の下方領域以外の領域に設けられた部分にも上述のようにＡｒなどが注入され、高抵抗なイオン注入領域１０６が形成されている。イオン注入領域１０６を形成することにより、発光部１５０の形成領域を凹部１１３の下方のみに絞ることができるので、イオン注入領域１０６を形成しない場合に比べて発光面積を縮小することが可能となり、消費電力の低減を図ることが可能となる。第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１との間に流れる電流のオン／オフを制御するためには少なくともアンドープＩｎＧａＮ層１０８のうち凹部１１３の下方に位置する部分に光が照射できればよい。このため、イオン注入領域１０６を形成することにより、消費電力の低減を図りつつ、トランジスタのオン／オフ動作を制御することができる。

図３は、光が照射されていない時のアンドープＡｌＧａＮ層１０９、アンドープＩｎＧａＮ層１０８、及びアンドープＧａＮ層１０７のエネルギーバンドを示す図である。同図では、凹部１１３を通る縦断面における各層のエネルギーバンドを示している。

本実施形態の半導体装置では、バンドギャップエネルギーの小さいアンドープＩｎＧａＮ層１０８がバンドギャップエネルギーの大きいアンドープＧａＮ層１０７とアンドープＡｌＧａＮ層１０９との間に挟まれているため、アンドープＩｎＧａＮ層１０８にキャリアが閉じこめられ、アンドープＩｎＧａＮ層１０８はトランジスタのチャネル層として機能する。また、アンドープＩｎＧａＮ層１０８とアンドープＡｌＧａＮ層１０９との接合部にはピエゾ分極及び自発分極が生じるため、アンドープＩｎＧａＮ層１０８とアンドープＡｌＧａＮ層１０９との界面には、凹部１１３の下方領域を除いて常時電子（２次元電子ガス）が生じている。これに対し、図３に示すように、凹部１１３の下方では、アンドープＡｌＧａＮ層１０９が薄膜化されることによりピエゾ効果が低減され、アンドープＩｎＧａＮ層１０８の伝導帯の下端がフェルミエネルギーより上に位置する。このため、凹部１１３の下方においては、アンドープＩｎＧａＮ層１０８に二次元電子ガスが形成されず、第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１との間に電流は流れない。すなわち、凹部１１３が形成されることにより、本実施形態の半導体装置はノーマリ・オフ型のトランジスタとなっている。

図４は、光が照射された時のアンドープＡｌＧａＮ層１０９、アンドープＩｎＧａＮ層１０８、及びアンドープＧａＮ層１０７のエネルギーバンドを示す図である。

同図に示すように、発光部１５０の活性層１０４から放射された光がアンドープＩｎＧａＮ層１０８で吸収されることにより、アンドープＩｎＧａＮ層１０８内で電子−正孔対が生成され、アンドープＩｎＧａＮ層１０８中のキャリアが増加する。また、生成した電子−正孔対によって光起電力が発生し、この光起電力によってアンドープＩｎＧａＮ層１０８のポテンシャルエネルギーが引き下げられ、アンドープＩｎＧａＮ層１０８の伝導帯の下端はフェルミエネルギーより下に位置するようになる。そのため、アンドープＩｎＧａＮ層１０８のうちアンドープＡｌＧａＮ層１０９との界面近傍の部分には二次元電子ガスが形成され、第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１との間に電流が流れる。

図５（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体装置において、電気伝導層（アンドープＩｎＧａＮ層１０８）に流れる電流と発光部１５０への印加電圧との関係を示す図であり、（ｂ）は、電気伝導層に流れる電流と電気伝導層への印加電圧との関係を示す図である。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、発光ダイオード構造を有する発光部１５０（図１参照）の両端にＮｉ電極１１６及びＴｉ／Ａｌ電極１１７を介して印加された電圧が大きくなるほど、アンドープＩｎＧａＮ層１０８に照射される光パワーが増大し、アンドープＩｎＧａＮ層１０８における電子−正孔対の発生量が増加すると同時に光起電力も増大する。この結果、本実施形態の半導体装置では、第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１との間に流れる電流を大きく増加させることに成功している。また、発光部１５０の両端にＮｉ電極１１６とＴｉ／Ａｌ電極１１７を介して印加された電圧が０〜２Ｖのときは、活性層１０４で光が生じず、アンドープＩｎＧａＮ層１０８で電子−正孔対は生成されないため、第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１との間に電流は流れない。なお、本実施形態の半導体装置では、電気伝導層を流れる電流の制御を目的としているので、電流コラプスの発生を抑えるために光を照射する場合に比べて発光部１５０で生成される光の強度は著しく大きくなっている。

以上のように、本実施形態の半導体装置においては、動作時に発光部１５０から放射された光によりアンドープＩｎＧａＮ層１０８に流れる電流量を制御できるとともに、アンドープＩｎＧａＮ層１０８に流れる電流のオン／オフの制御も可能になっている。このため、本実施形態の半導体装置においてはゲート電極を設けることなくトランジスタ動作の制御を行うことが可能となっている。

本実施形態の半導体装置は、例えば高耐圧の双方向スイッチとして機能させることができる。双方向スイッチとして機能させる場合、第１のソース／ドレイン電極１１０−第２のソース／ドレイン電極１１１間に電圧を印加する回路と、Ｎｉ電極１１６−Ｔｉ／Ａｌ電極１１７間に電圧を印加する回路とは互いに分離されているので、第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１との間に流れる電流量を、第１のソース／ドレイン電極１１０及び第２のソース／ドレイン電極１１１に印加する電圧の影響を受けることなく制御することができる。また、電気伝導層と発光部１５０が電気的に分離されているため、従来の双方向スイッチと比較して駆動回路の簡素化が可能である。

なお、図２に示す例ではＮｉ電極１１６とＴｉ／Ａｌ電極１１７とは共に凹部１１３の両側に設けられているが、Ｎｉ電極１１６とＴｉ／Ａｌ電極１１７とが１つのみ設けられ、且つＮｉ電極１１６とＴｉ／Ａｌ電極１１７とが間に凹部１１３を挟むように配置してもよい。この場合でも、凹部１１３の下方に位置する活性層１０４全体（凹部１１３の下方に位置する部分）に正孔及び電子を供給することができるので、発光効率は低下しない。

また、本実施形態の半導体装置では、発光部１５０の周囲にイオン注入領域１０６が形成されているが、イオン注入領域１０６は必ずしも設けられていなくてもよい。イオン注入領域１０６を形成しない場合、アンドープＩｎＧａＮ層１０８の全体に光が照射されるため、トランジスタのオン時の電流を大きくすることができる。また、イオン注入領域１０６を形成するための工程を省略できるため、イオン注入領域１０６を設ける場合に比べて製造コストの低減を図ることができる。

また、本実施形態の半導体装置では、電気伝導層の構成材料としてＩｎＧａＮを用いたが、発光部１５０から放射される光を受けることができる物質であればこれ以外の半導体を用いてもよい。例えば、ｐ型クラッド層１０５の上方にＳｉからなる電気伝導層を設けてもよい。ただし、窒化物半導体を電気伝導層の材料として用いる場合、耐圧性を高め、且つオン時に第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１との間に大電流を流すことができるので好ましい。

なお、本実施形態の半導体装置では、電気伝導層が光を受けるアンドープＩｎＧａＮ層１０８のみで構成されていたが、電気伝導層が複数の層で構成されていてもよい。例えば、電気伝導層は、電子が走行する電子走行層と、電子走行層よりも発光部１５０に近い位置に設けられた電子供給層とで構成されていてもよい。この場合、（発光部１５０で生成される光のエネルギー）＞（電子供給層のバンドギャップエネルギー）＞（電子走行層のバンドギャップエネルギー）となっていればよい。この構成により、電子供給層において発光部１５０から放射された光を受けて電子−正孔対が発生し、発生した電子が電子走行層に流入し、電子走行層がトランジスタのチャネルとして機能する。

次に、図１を参照しながら、本実施形態の半導体装置の製造方法を簡単に説明する。

まず、例えばサファイアからなる基板１０１の（０００１）面上にＣＶＤ法等を用いてＡｌＮからなるバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層１０３、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層を交互に積層させてなる活性層１０４、ｐ型ＧａＮからなるｐ型クラッド層１０５を順次エピタキシャル成長させる。次いで、ｐ型クラッド層１０５上面の一部を覆う帯状のマスクを形成し、このマスクを用いてＡｒ等の非導電性不純物を注入し、ｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、及びｐ型クラッド層１０５の一部を高抵抗なイオン注入領域１０６に変化させる。

次いで、マスクを除去した後、ｐ型クラッド層１０５及びイオン注入領域１０６の上に、ＣＶＤ法等を用いてアンドープＧａＮ層１０７、アンドープＩｎＧａＮ層１０８、及びアンドープＡｌＧａＮ層１０９を順次エピタキシャル成長させる。なお、イオン注入領域１０６を形成しない場合には、ｐ型クラッド層１０５を形成した後、連続的にアンドープＧａＮ層１０７のエピタキシャル成長を行えるため、工程数が少なくなり、製造コストを低減することができる。

続いて、アンドープＡｌＧａＮ層１０９のうち、ｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、及びｐ型クラッド層１０５で構成された発光部１５０の上方に位置する部分をエッチングにより薄膜化することで、アンドープＡｌＧａＮ層１０９に凹部１１３を形成する。次いで、アンドープＡｌＧａＮ層１０９上にＳｉＮからなる保護膜１１４を形成した後、凹部１１３の両側方領域において保護膜１１４の一部を除去する。次いで、露出したアンドープＡｌＧａＮ層１０９上に、共にＴｉ層及びＡｌ層からなる第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１とをそれぞれ形成する。

次に、保護膜１１４からアンドープＧａＮ層１０７までを一部領域において除去し、露出したｐ型クラッド層１０５上にＮｉ電極１１６を形成する。次に、エッチング等によりｎ型クラッド層１０３の一部を露出させ、ｐ型クラッド層１０５の露出部分上にＴｉ／Ａｌ電極１１７を形成する。次いで、基板１０１の裏面の全体上にＡｌ反射鏡１１２を形成する。以上のようにして、本実施形態の半導体装置を製造することができる。

−第１の実施形態の第１の変形例−
図６は、第１の実施形態の第１の変形例に係る半導体装置の断面図である。

同図に示す本実施形態の変形例に係る半導体装置は、ｐ型クラッド層（及びイオン注入領域１０６）とアンドープＧａＮ層１０７との間にアンドープＡｌＮ層（絶縁層）１１５が形成されている点のみが図１に示す第１の実施形態に係る半導体装置と異なる。このアンドープＡｌＮ層１１５は、ｐ型クラッド層１０５上にエピタキシャル成長されている。

アンドープＡｌＮ層１１５は高い絶縁性を有するため、発光部１５０と電気伝導構造（トランジスタ部分）とが電気的に絶縁される。また、アンドープＡｌＮ層１１５は発光部１５０において発光した光に対して透明であるため、光はアンドープＡｌＮ層１１５で吸収されることなく電気伝導層に到達する。また、絶縁層の材料としては、アンドープＡｌＮの代わりに、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、 ＭｇＯなどの酸化物や、ＳｉＣ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ダイヤモンド等を用いることができる。

−第１の実施形態の第２の変形例−
図７は、第１の実施形態に係る半導体装置において、双方向スイッチ動作を行った場合の電気伝導層（アンドープＩｎＧａＮ層１０８）に流れる電流と電気伝導層への印加電圧との関係を示す図である。図７に示すように、発光ダイオード構造を有する発光部２５０の両端にＮｉ電極１１６及びＴｉ／Ａｌ電極１１７を介して印加された電圧が大きくなるほど、アンドープＩｎＧａＮ層１０８に照射される光パワーが増大し、アンドープＩｎＧａＮ層１０８における電子−正孔対の発生量が増加すると同時に光起電力も増大する。この結果、本実施形態の半導体装置では、第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１との間に流れる電流を大きく増加させることに成功している。さらに、半導体装置には、第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１に印加されている電圧の極性を反転させる電源回路が接続されており、印加電圧の反転により電流の向きを反転させ、電流を双方向に流すことに成功している。印加電圧は第１のソース／ドレイン電極１１０を基準にしており、正の電圧と負の電圧はそれぞれ第２のソース／ドレイン電極１１１の電位が第１のソース／ドレイン電極１１０よりも高いこと及び低いことを示している。ここで、電流の向きは第２のソース／ドレイン電極１１１から第１のソース／ドレイン電極１１０に流れる電流の向きを正と定義する。発光部１５０の両端にＮｉ電極１１６とＴｉ／Ａｌ電極１１７を介して印加された電圧が０〜２Ｖのときは、活性層２０９で光が生じず、アンドープＩｎＧａＮ層１０８で電子−正孔対は生成されないため、第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１に印加されている電圧の極性を反転させても、第１のソース／ドレイン電極１１０と第２のソース／ドレイン電極１１１の間において電流は双方向に流れない。以上のようにして、本実施形態では双方向スイッチング動作に成功している。

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。図９は、本実施形態の半導体装置を上方から見た場合の平面図である。

図８に示すように、本実施形態の半導体装置では、基板１０１の上にＡｌＮからなるバッファ層２０２を挟んで、アンドープＧａＮ層２０３、電気伝導層であるアンドープＩｎＧａＮ層２０４、アンドープＡｌＧａＮ層２０５、第１のソース／ドレイン電極２１１、及び第２のソース／ドレイン電極２１２を有するトランジスタ（電気伝導構造）が形成されている。そして、このトランジスタの上方に、アンドープＡｌＮ層２０６を挟んで、ｐ型クラッド層２０８と、活性層２０９と、ｎ型クラッド層２１０とを有する発光部２５０が形成されている。

すなわち、本実施形態の半導体装置は、サファイアからなる基板２０１と、基板２０１の（０００１）面上（上面）に順次エピタキシャル成長された、膜厚が１００ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層２０２、膜厚が２μｍのアンドープＧａＮ層２０３、膜厚が５ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ層２０４、膜厚が２０ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層２０５を備えている。本実施形態の半導体装置では、アンドープＩｎＧａＮ層２０４は例えばＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ、アンドープＡｌＧａＮ層２０５はＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎで構成されている。アンドープＡｌＧａＮ層２０５の一部が選択的に薄膜化されることで、アンドープＡｌＧａＮ層２０５の上面には凹部２０７が形成されている。

また、本実施形態の半導体装置は、アンドープＡｌＧａＮ層２０５の上に順次エピタキシャル成長された、アンドープＡｌＮ層２０６、ｐ型ＧａＮからなるｐ型クラッド層２０８、ＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層で構成された多重量子井戸構造を有する活性層２０９、ｎ型ＧａＮからなるｎ型クラッド層２１０を備えている。図８に示す例では、発光部２５０は発光ダイオード構造を有している。また、アンドープＡｌＮ層２０６の上面から発光部２５０の側面及び上面に亘ってＳｉＮからなる保護膜２１３が形成されており、保護膜２１３上にはＡｌ反射鏡２１４が形成されている。

図９に示すように、本実施形態の半導体装置では、ｐ型クラッド層２０８に接してＮｉ電極２１５が形成され、ｎ型クラッド層２１０に接してＴｉ／Ａｌ電極２１６が形成されている。Ｎｉ電極２１５とＴｉ／Ａｌ電極２１６との間に電圧を印加することにより、活性層２０９で光を発生させることが可能となっている。

本実施形態の半導体装置では、トランジスタの電気伝導層として機能するアンドープＩｎＧａＮ層２０４のバンドギャップエネルギーが、活性層２０９で発生した光が有するエネルギーよりも小さくなっている。このため、アンドープＩｎＧａＮ層２０４が活性層２０９から照射される光を効率良く受けることができ、光電効果を利用してアンドープＩｎＧａＮ層２０４を流れる電流を制御することが可能になっている。

また、凹部２０７が形成されているため、トランジスタ（電気伝導構造）はノーマリ・オフとなっており、発光部２５０から放射された光がアンドープＩｎＧａＮ層２０４のうち凹部２０７の下方に位置する部分に照射されることでアンドープＩｎＧａＮ層２０４を流れる電流量の制御、あるいは電気伝導構造のオン／オフの制御がなされる。

また、Ａｌ反射鏡２１４が保護膜２１３上に設けられているので、活性層２０９から上方に向かって放射された光をアンドープＩｎＧａＮ層２０４に向かって反射させることが可能となっている。このため、発光部２５０を電気伝導構造の上方に設けた場合でも効率良くアンドープＩｎＧａＮ層２０４に光を照射することができる。

また、アンドープＡｌＧａＮ層２０５に形成された凹部２０７の端部には、第１のソース／ドレイン電極２１１と第２のソース／ドレイン電極２１２の間に高電圧が印加された場合に電界集中が生じる場合がある。これに対し、本実施形態の半導体装置では、Ａｌ反射鏡２１４と第１のソース／ドレイン電極２１１とが電気的に接続されていることにより、凹部２０７の端のおける電界集中を緩和することが可能となり、耐圧性をさらに向上させることができる。

このように、本実施形態の半導体装置によっても、第１の実施形態に係る半導体装置と同様に、電気伝導構造と発光部とが電気的に分離されているので、ソース／ドレイン電極間に印加される電圧に影響されず、アンドープＩｎＧａＮ層２０４を流れる電流量の制御、あるいは電気伝導構造のオン／オフの制御を制御性良く行うことができる。

なお、本実施形態の半導体装置を作製する際には、基板２０１上にバッファ層２０２からアンドープＡｌＧａＮ層２０５までを順次エピタキシャル成長させた後、アンドープＡｌＧａＮ層２０５に凹部２０７を形成する。次いで、アンドープＡｌＮ層２０６上に、ｐ型クラッド層２０８からｎ型クラッド層２１０までを順次エピタキシャル成長させる。次いで、アンドープＡｌＮ層２０６の上面と、発光部２５０の側面及び上面とをＳｉＮからなる保護膜２１３で覆った後、エッチング等によりアンドープＡｌＮ層２０６の一部を露出させ、その露出部分に第１のソース／ドレイン電極２１１及び第２のソース／ドレイン電極２１２を形成する。また、ｎ型クラッド層２１０を露出させてからｎ型クラッド層２１０に接するＴｉ／Ａｌ電極２１６を形成し、ｐ型クラッド層を露出させてからｐ型クラッド層２０８に接するＮｉ電極２１５を形成する。次いで、保護膜２１３上にＡｌ反射鏡２１４を形成する。以上のようにして、本実施形態の半導体装置を作製することができる。

−第２の実施形態の変形例−
図１０は、第２の実施形態に係る半導体装置において、双方向スイッチ動作を行った場合の電気伝導層（アンドープＩｎＧａＮ層２０４）に流れる電流と電気伝導層への印加電圧との関係を示す図である。図１０に示すように、発光ダイオード構造を有する発光部２５０の両端にＮｉ電極２１５及びＴｉ／Ａｌ電極２１６を介して印加された電圧が大きくなるほど、アンドープＩｎＧａＮ層２０４に照射される光パワーが増大し、アンドープＩｎＧａＮ層２０４における電子−正孔対の発生量が増加すると同時に光起電力も増大する。この結果、本実施形態の半導体装置では、第１のソース／ドレイン電極２１１と第２のソース／ドレイン電極２１２との間に流れる電流を大きく増加させることに成功している。また、第１のソース／ドレイン電極２１１と第２のソース／ドレイン電極２１２に印加されている電圧の極性を反転させる電源回路が設けられていることにより、両電極に印加される電圧の反転により電流の向きを反転させ、電流を双方向に流すことに成功している。印加電圧は第１のソース／ドレイン電極２１１を基準にしており、正の電圧と負の電圧はそれぞれ第２のソース／ドレイン電極２１２の電位が第１のソース／ドレイン電極２１１よりも高いこと及び低いことを示している。ここで、電流の向きは第２のソース／ドレイン電極２１２から第１のソース／ドレイン電極２１１に流れる電流の向きを正と定義する。発光部２５０の両端にＮｉ電極２１５とＴｉ／Ａｌ電極２１６を介して印加された電圧が０〜２Ｖのときは、活性層２０９で光が生じず、アンドープＩｎＧａＮ層２０４で電子−正孔対は生成されないため、第１のソース／ドレイン電極２１１と第２のソース／ドレイン電極２１２に印加されている電圧の極性を反転させても、第１のソース／ドレイン電極２１１と第２のソース／ドレイン電極２１２の間において電流は双方向に流れない。以上のようにして、本実施形態では双方向スイッチング動作に成功している。

本発明の半導体装置は種々のトランジスタに応用可能であり、民生機器の電源回路で用いられるパワートランジスタの代替装置等として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置を上方から見た場合の平面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置において、光が照射されていない時のアンドープＡｌＧａＮ層、アンドープＩｎＧａＮ層、及びアンドープＧａＮ層のエネルギーバンドを示す図である。 第１の実施形態に係る半導体装置において、光が照射された時のアンドープＡｌＧａＮ層、アンドープＩｎＧａＮ層、及びアンドープＧａＮ層のエネルギーバンドを示す図である。 （ａ）は、第１の実施形態に係る半導体装置において、電気伝導層に流れる電流と発光部への印加電圧との関係を示す図であり、（ｂ）は、電気伝導層に流れる電流と電気伝導層への印加電圧との関係を示す図である。 第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の断面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置において、双方向スイッチ動作を行った場合の電気伝導層に流れる電流と電気伝導層への印加電圧との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 第２の実施形態に係る半導体装置を上方から見た場合の平面図である。 第２の実施形態に係る半導体装置において、双方向スイッチ動作を行った場合の電気伝導層に流れる電流と電気伝導層への印加電圧との関係を示す図である。

符号の説明

１０１、２０１ 基板
１０２、２０２ バッファ層
１０３、２１０ ｎ型クラッド層
１０４、２０９ 活性層
１０５、２０８ ｐ型クラッド層
１０６ イオン注入領域
１０７、２０３ アンドープＧａＮ層
１０８、２０４ アンドープＩｎＧａＮ層
１０９、２０５ アンドープＡｌＧａＮ層
１１０、２１１ 第１のソース／ドレイン電極
１１１、２１２ 第２のソース／ドレイン電極
１１２、２１４ Ａｌ反射鏡
１１３、２０７ 凹部
１１４、２１３ 保護膜
１１５、２０６ アンドープＡｌＮ層
１１６、２１５ Ｎｉ電極
１１７、２１６ Ｔｉ／Ａｌ電極
１５０、２５０ 発光部

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板の上方に設けられた窒化物半導体からなる発光部と、
   前記基板の上方に設けられた電気伝導層と、
   前記電気伝導層に電気的に接続された第１の電極及び第２の電極とを備え、
   前記発光部と前記電気伝導層はエピタキシャル成長により連続的に形成されており、
   前記電気伝導層は第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に設けられ、且つバンドギャップエネルギーが前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーより大きい第２の窒化物半導体層とから構成され、
   前記発光部から放射された光を前記電気伝導層が受光することにより、前記第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の界面を介して前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が、オンまたはオフの状態をとることを特徴とするトランジスタ。
2. 前記発光部と前記第１の窒化物半導体層との間にエピタキシャル成長により連続的に設けられ、且つ前記発光部から放射される光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する絶縁層をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ。
3. 前記電流の向きが、前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加された電圧の極性によって反転し、
   反転した前記電流の双方が、オンまたはオフの状態をとることを特徴とする請求項１または２に記載のトランジスタ。
4. 平面的に見て前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する前記第２の窒化物半導体層の一部に形成された凹部をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のトランジスタ。
5. 前記基板の上方であって、前記発光部の両側方に位置する領域に設けられた非導電性不純物を含む非導電性層をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載のトランジスタ。
6. 前記発光部は発光ダイオードまたは半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１つに記載のトランジスタ。
7. トランジスタと、電源回路とからなる双方向スイッチであって、
   前記トランジスタは、
   基板と、
   前記基板の上方に設けられた窒化物半導体からなる発光部と、
   前記基板の上方に設けられた電気伝導層と、
   前記電気伝導層に電気的に接続された第１の電極及び第２の電極とを備え、
   前記発光部と前記電気伝導層はエピタキシャル成長により連続的に形成されており、
   前記電気伝導層は第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に設けられ、且つバンドギャップエネルギーが前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーより大きい第２の窒化物半導体層とから構成され、
   前記発光部から放射された光を前記電気伝導層が受光することにより、前記第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の界面を介して前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が、オンまたはオフの状態をとり、
   前記電源回路は、前記第１の電極と第２の電極に接続され、
   前記電源回路が、前記第１の電極の電位を基準電位として前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加することにより、前記電流の向きが反転し、
   反転した前記電流の双方が、オンまたはオフ状態をとることを特徴とする双方向スイッチ。
8. トランジスタの駆動方法であって、
   前記トランジスタは、
   基板と、
   前記基板の上方に設けられた窒化物半導体からなる発光部と、
   前記基板の上方に設けられた電気伝導層と、
   前記電気伝導層に電気的に接続された第１の電極及び第２の電極とを備え、
   前記発光部と前記電気伝導層はエピタキシャル成長により連続的に形成されており、
   前記電気伝導層は第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に設けられ、且つバンドギャップエネルギーが前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーより大きい第２の窒化物半導体層から構成され、
   前記発光部から放射された光を前記電気伝導層が受光することにより、前記第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の界面を介して前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が、オンまたはオフの状態をとり、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加された電圧の極性により、前記電流の向きを反転させ、
   反転した前記電流の双方をオンまたはオフの状態にすることを特徴とするトランジスタの駆動方法。
9. トランジスタと、電源回路とからなる双方向スイッチの駆動方法であって、
   前記トランジスタは、
   基板と、
   前記基板の上方に設けられた窒化物半導体からなる発光部と、
   前記基板の上方に設けられた電気伝導層と、
   前記電気伝導層に電気的に接続された第１の電極及び第２の電極を備え、
   前記発光部と前記電気伝導層はエピタキシャル成長により連続的に形成されており、
   前記電気伝導層は第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に設けられ、且つバンドギャップエネルギーが前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーより大きい第２の窒化物半導体層から構成され、
   前記発光部から放射された光を前記電気伝導層が受光することにより、前記第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の界面を介して前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が、オンまたはオフの状態をとり、
   前記電源回路は、前記第１の電極と第２の電極に接続され、
   前記電源回路が、前記第１の電極の電位を基準電位として前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加することにより、前記電流の向きを反転させ、
   反転した前記電流の双方を、オンまたはオフ状態にすることを特徴とする双方向スイッチの駆動方法。

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