JP2012033773A - 半導体素子および半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】オン抵抗が比較的低く大電流にも対応可能という特性を持ちながら、光照射強度に応じて電流を変化させることができる半導体素子および半導体デバイスを提供する。
【解決手段】電子走行層１４における電子供給層１５との界面には動作時にチャネルとなる２次元電子ガス領域１６が形成される。２次元電子ガス領域１６におけるドレイン電極１１とソース電極１２との間の一部には、空乏化部１８により空乏化された空乏領域１７が形成されている。半導体素子１は、空乏領域１７に光を照射しない状態で、２次元電子ガス領域１６の空乏領域１７が空乏化しているため、ドレイン電極１１・ソース電極１２間が非導通となる。一方、半導体素子１は、電子走行層１４のバンドギャップよりも大きなエネルギを持つ光を空乏領域１７に受けた状態で、空乏領域１７に電子２０と正孔とが生成されることでドレイン電極１１・ソース電極１２間が導通する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子および半導体デバイスに関する。

従来から、電界効果トランジスタ（Field EffectTransistor、以下、ＦＥＴと表記する）を備え、ＦＥＴのドレイン電極・ソース電極間の電流経路の導通・遮断が切り替えられることによりスイッチングを行うように構成されたスイッチ装置が種々提供されている。このスイッチ装置は、たとえば電気機器等の負荷と電源との間にＦＥＴが挿入されることにより、電源から負荷に供給される電力のスイッチングを行う。

この種のスイッチ装置に用いられる半導体素子として、近年、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）などの窒化系物系半導体材料を用いたトランジスタが注目されている。窒化物系半導体材料を用いたトランジスタの一例として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を用いたトランジスタがある（たとえば特許文献１参照）。

この種の半導体素子は、基板上に、バッファ層、電子走行層（アンドープＧａＮ層）、電子供給層（アンドープＡｌＧａＮ層）、ｐ型のコントロール層がこの順に形成されて構成される。電子供給層上には、ソース電極およびドレイン電極が形成され、コントロール層上にはゲート電極が形成されている。この構成により、半導体素子は、ドレイン電極・ソース電極間に電圧が印加された状態で、ゲート電極・ソース電極間に印加されるゲート電圧が変化すると、ドレイン電極・ソース電極間の電流経路に流れるドレイン電流が変化する。

すなわち、上記構成の半導体素子では、電子走行層と電子供給層との界面にヘテロ障壁が形成され、ヘテロ界面には動作時にチャネルとなる２次元電子ガス領域が形成される。ゲート電圧が０Ｖの状態では、ゲート電極の直下のチャネルが空乏化しているためドレイン電流は流れない。一方、ゲート電圧が上昇して所定の第１の閾値を超えると、ドレイン電流は流れ始める。さらにゲート電圧が上昇して所定の第２の閾値（＞第１の閾値）を超えると、ゲート電極からチャネルに正孔が注入されてドレイン電流は増加する。

要するに、上記半導体素子は、ゲート電圧が第１の閾値を下回る場合にドレイン電極・ソース電極間の電流経路が遮断され、ゲート電圧が第１の閾値を超える場合にドレイン電極・ソース電極間の電流経路が導通するノーマリオフ型のスイッチ素子を構成する。

上記半導体素子を用いたスイッチ装置は、ＭＯＳ（Metal OxideSemiconductor）ＦＥＴやＩＧＢＴ（Insulated GateBipolar Transistor）等を用いる場合に比べ、導通（オン）状態での電流経路に存在する電気抵抗であるオン抵抗が小さく、且つ大電流に対応可能である。

国際公開第２００７／００７５４８号

ところで、上述した構成の半導体素子は、ゲート電圧を変化させることにより２電極（ドレイン電極・ソース電極）間に流れる電流を制御するという、電気的な制御を伴う使い方にその用途が限られている。しかし、オン抵抗が比較的低く大電流にも対応可能という特性を持つ上記半導体素子は、電気的な制御を伴わなくても光照射強度に応じて電流を変化させるといった使い方もできるように、その用途の拡大が望まれている。

本発明は上記事由に鑑みて為されており、オン抵抗が比較的低く大電流にも対応可能という特性を持ちながら、光照射強度に応じて電流を変化させることができる半導体素子および半導体デバイスを提供することを目的とする。

本発明の半導体素子は、半導体層からなる電子走行層と、バンドギャップが電子走行層よりも大きい半導体層からなり電子走行層の上に設けられる電子供給層と、電子供給層の上に互いに離間して形成される第１の電極および第２の電極とを備え、電子走行層における電子供給層との界面には、キャリアとしての電子が存在する２次元電子ガス領域が形成され、２次元電子ガス領域における第１の電極と第２の電極との間の一部を空乏化することにより空乏領域を形成する空乏化部が設けられており、２次元電子ガス領域は、空乏領域に光を受けていない状態では、空乏領域にて第１の電極と第２の電極との間を非導通とし、電子走行層のバンドギャップよりも大きなエネルギを持つ光である励起光を空乏領域に受けた状態では、空乏領域に電子および正孔が生成されることにより第１の電極と第２の電極との間を導通させることを特徴とする。

この半導体素子において、空乏化部は、電子供給層の上における空乏領域に対応する領域に形成され、電子走行層よりもバンドギャップが大きいｐ型の半導体層からなることが望ましい。

この半導体素子において、空乏化部は、電子供給層のうち空乏領域に対応する部位であって、厚みが電子供給層の他の部位に比べて薄く形成されている薄肉部からなることがより望ましい。

この半導体素子において、電子供給層は電子走行層を挟むように複数層設けられており、２次元電子ガス領域は、電子走行層における電子供給層の各層との界面にそれぞれ形成されることがより望ましい。

この半導体素子において、電子供給層の上における空乏領域に対応する領域には、励起光を透過させる材料からなるゲート電極が形成されていることがより望ましい。

この半導体素子において、ゲート電極と電子供給層との間には絶縁材料からなる絶縁膜が設けられていることがより望ましい。

本発明の半導体デバイスは、半導体素子と、空乏領域に向けて励起光を照射する発光ダイオードとを備えることを特徴とする。

この半導体デバイスにおいて、半導体素子と発光ダイオードとは、いずれもワイドバンドギャップの半導体材料を用いて構成されていることがより望ましい。

本発明は、オン抵抗が比較的低く大電流にも対応可能という特性を持ちながら、光照射強度に応じて電流を変化させることができるという利点がある。

実施形態１に係る半導体素子の概略構成図である。 同上の動作状態を示すエネルギバンド図である。 同上の具体例を示す説明図である。 同上の他の具体例を示す説明図である 同上の半導体素子を用いた半導体デバイスの概略構成図である。 実施形態２に係る半導体素子の概略構成図である。 同上の動作状態を示すエネルギバンド図である。 実施形態３に係る半導体素子の概略構成図である。

（実施形態１）
本実施形態の半導体素子１は、図１に示すように、第１の電極としてのドレイン電極１１と、第２の電極としてのソース電極１２とを有している。詳しい構成については後述するが、半導体素子１は、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）などの窒化系物系半導体材料を用いた素子であって、本実施形態ではＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を用いている。

本実施形態では、半導体素子１は、ドレイン電極１１・ソース電極１２間にドレイン電極１１側を正極とする直流電圧が印加された状態で使用され、光（励起光）の照射強度に応じて２電極（ドレイン電極１１・ソース電極１２）間に流れる電流を変化させる。つまり、半導体素子１は、受光強度に応じて電気量（電流）を変化させる受光素子を構成している。この半導体素子１は、２電極間の電流経路の導通・遮断を切り替えることにより、たとえば負荷に供給される電力のスイッチングなどに用いられる。

なお、この半導体素子１は、ドレイン電極１１・ソース電極１２を入れ替えて使用することもでき、双方向で駆動することができる。つまり、半導体素子１は、ドレイン電極１１を負極側、ソース電極１２を正極側としても使用でき、交流電力のスイッチングにも使用することができる。

次に、本実施形態における半導体素子１の具体的な構成について、図１を参照して説明する。

半導体素子１は、基板１３上に、バッファ層（図示せず）を介して形成された半導体層からなる電子走行層１４と、バンドギャップが電子走行層１４よりも大きい半導体層からなり電子走行層１４上に形成された電子供給層１５とを有している。本実施形態では、電子走行層１４はアンドープ（ｉ型）のＧａＮ層からなり、電子供給層１５はアンドープ（ｉ型）のＡｌＧａＮ層からなる。ただし、電子供給層１５はｎ型のＡｌＧａＮ層、あるいはＡｌＮ／ＡｌＧａＮ（ＧａＮ）を主成分とした多層膜構造や、ＡｌＮ／ＧａＮの多層（超格子）構造であってもよい。

なお、一例として、電子走行層１４の厚み寸法は１．５〜２．５μｍ、電子供給層１５の厚み寸法は２５ｎｍとする。

基板１３は、シリコン（Ｓｉ）、あるいは窒化物系半導体が成長可能なサファイアや炭化珪素（ＳｉＣ）からなる。ドレイン電極１１およびソース電極１２は、電子供給層１５上に互いに離間して形成されている。図１の例では、電気供給層１５上の左端部にドレイン電極１１が形成され、右端部にソース電極１２が形成されている。

ここで、電子走行層１４と電子供給層１５との界面にはヘテロ障壁が形成されている。電子走行層１４における電子供給層１５との界面領域には、自発分極とピエゾ分極との影響によって、動作時にチャネルとなる高濃度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ：2 Dimensional ElectronGas）領域１６が形成される。つまり、電子走行層１４には不純物がドープされていないにもかかわらず、電子走行層１４における電子供給層１５とのヘテロ接合の界面には当該界面に沿って電子２０が移動する２次元電子ガス領域１６が形成される。

ドレイン電極１１およびソース電極１２は、いずれも２次元電子ガス領域１６とオーミック接合されている。

ところで、本実施形態では、２次元電子ガス領域１６の一部を空乏化することにより空乏領域１７を形成する空乏化部１８が、半導体素子１に設けられている。この空乏化部１８は、２次元電子ガス領域１６のうちドレイン電極１１とソース電極１２との間の一部を空乏化して、空乏領域１７を形成する。

つまり、２次元電子ガス領域１６には、全体的にはキャリアとしての電子が比較的高濃度で存在しているが、２次元電子ガス領域１６の一部にはキャリアとしての電子が殆ど存在しない空乏領域１７が形成される。図１の例では、空乏領域１７はドレイン電極１１とソース電極１２との中間位置に形成されている。なお、２次元電子ガス領域１６を部分的に空乏化して空乏領域１７を形成する空乏化部１８の具体的な構成については後述する。

上述した構成によれば、半導体素子１は、ドレイン電極１１・ソース電極１２間に電圧が印加された状態で、空乏領域１７への光照射強度が変化すると、以下に説明する原理でドレイン電極１１・ソース電極１２間の電流経路に流れるドレイン電流が変化する。

すなわち、半導体素子１は、空乏領域１７に光を照射していない状態では、図１に示すように２次元電子ガス領域１６の一部（空乏領域１７）が空乏化しているため、ドレイン電極１１・ソース電極１２間の電流経路が遮断され、ドレイン電流が流れない。つまり、半導体素子１は、空乏領域１７に光を受けていないときには、ドレイン電極１１とソース電極１２との間を非導通とするオフ状態になる。

一方、半導体素子１は、電子走行層１４のバンドギャップよりも大きなエネルギを持つ光（以下、「励起光」という）を空乏領域１７に受けている状態では、空乏領域１７にキャリアとなる電子が供給されて、電流経路が導通しドレイン電流が流れる。つまり、空乏領域１７に励起光を照射すると、空乏領域１７の価電子帯の電子が伝導帯に励起され、図２に示すように、空乏領域（電子走行層１４における電子供給層１５との界面領域）１７に電子２０と正孔（ホール）２１とのペアが生成される。なお、図２に示すエネルギバンド図では、価電子帯を「２２」、禁止帯を「２３」、伝導帯を「２４」、フェルミ準位を「Ｅ_Ｆ」で表している。

要するに、２次元電子ガス領域１６は、空乏化していた空乏領域１７に、励起光によってキャリアとしての電子２０が発生するため、ドレイン電極１１とソース電極１２との間にチャネルを形成し、両電極間を電気的に導通する。その結果、半導体素子１は、空乏領域１７に励起光を受けているときには、ドレイン電極１１とソース電極１２との間を電気的に導通させるオン状態になる。

半導体素子１は、上述した構成を採用していることにより、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等に比べ、オン状態での電流経路に存在する電気抵抗であるオン抵抗を小さく抑えることができる。

ここで、正孔２１の移動度は１０ｃｍ^２／Ｖｓ未満であって、電子２０の移動度は１０００ｃｍ^２／Ｖｓ程度である。さらに、ＧａＮとＡｌＧａＮとのヘテロ接合の界面で電子が流れる場合、電子の移動度は２０００ｃｍ^２／Ｖｓ程度まで上昇する。このように正孔２１の移動度は電子２０の移動度に比べて極めて小さいので、電子２０はドレイン電極１１に高速で移動するのに対して、正孔２１はソース電極１２に移動するまでに多くの電子を誘発する。このように、電子２０と正孔２１との移動度の差に起因して電子濃度が増加することにより、オン状態でのオン抵抗が一層小さくなる。

また、半導体素子１は、空乏領域１７に対する励起光の照射強度に応じてドレイン電極１１・ソース電極１２間に流す電流を制御しており、ドレイン電流は、励起光の照射強度が大きくなるに従って大きくなる。

ここにおいて、半導体素子１は、電子供給層１５におけるドレイン電極１１・ソース電極１２が形成されている面側（図１の上方）から励起光を受光する。そのため、励起光は電子供給層１５を透過して電子走行層１４の空乏領域１７にまで達する必要があり、電子供給層１５では殆ど吸収されずに電子走行層１４では吸収されるような光であることが望ましい。そこで、励起光は、電子走行層１４のバンドギャップよりも大きく、且つ電子供給層１５のバンドギャップよりも小さなエネルギを持つ波長の光とする。本実施形態では、電子走行層１４はアンドープ（ｉ型）のＧａＮ層からなりバンドギャップが３．４ｅＶであるため、励起光は波長が３６４ｎｍ以下の紫外線光である。

以上説明した本実施形態の半導体素子１によれば、空乏領域１７に光を照射していない状態では、２次元電子ガス領域１６の一部（空乏領域１７）が空乏化しているため、ドレイン電極１１・ソース電極１２間が非導通となる。一方で、半導体素子１は、電子走行層１４のバンドギャップよりも大きなエネルギを持つ光を空乏領域１７に受けると、空乏領域１７に電子２０と正孔２１とのペアが生成されることによりドレイン電極１１・ソース電極１２間が導通する。したがって、半導体素子１は、オン抵抗が比較的低く且つ大電流にも対応可能という特性を持ちながら、電気的な制御を伴わなくても光照射強度に応じて電流を変化させるといった、従来の同様の特性を持つ半導体素子では実現できなかった使い方が可能になる。

なお、半導体素子１はゲート電極がなくても動作可能であるため、ドレイン電極１１・ソース電極１２・ゲート電極を備える半導体素子に比べて、電極の数を少なくでき、構造の簡略化、小型化を図ることができる。

次に、２次元電子ガス領域１６を部分的に空乏化して空乏領域１７を形成する空乏化部１８の具体例について説明する。

すなわち、空乏化部１８は、たとえば図３に示すように、電子供給層１５上における空乏領域１７に対応する領域に形成され、電子走行層１４に比べてバンドギャップが大きいｐ型の半導体層である空乏化層１８０からなる。ここでは、空乏化層１８０は不純物がドープされたｐ型のＡｌＧａＮ層からなり、空乏領域１７の直上、つまり電子供給層１５上においてドレイン電極１１とソース電極１２とに挟まれる位置に設けられている。空乏化部１８である空乏化層１８０が２次元電子ガス領域１６のポテンシャルを持ち上げることにより、２次元電子ガス領域１６のうち空乏化層１８０の直下となる範囲に空乏領域１７が形成される。この構成によれば、空乏化部（空乏化層１８０）１８が結晶構造であるため、空乏化部１８の欠陥を防止できるという利点がある。

ここで、空乏化層１８０は電子走行層１４に比べてバンドギャップが大きいので、光が高効率で空乏化層１８０を透過して電子走行層１４に到達するように、励起光の波長を設定することが可能である。要するに、電子走行層１４のバンドギャップよりも大きく、且つ空乏化層１８０および電子供給層１５のバンドギャップよりも小さなエネルギを持つ波長の光を励起光とすることにより、空乏化層１８０での励起光の吸収を抑えることができる。

また、空乏化層１８０はｐ型のＡｌＧａＮを主成分とするので、アンドープ（ｉ型）のＡｌＧａＮを主成分とする電子供給層１５と格子不整合のない良好な接合となり、半導体素子１の性能の安定性、信頼性の向上を図ることができる。

他の例として、空乏化部１８は、図４に示すように、電子供給層１５のうち空乏領域１７に対応する部位であって、厚みが電子供給層１５の他の部位に比べて薄く形成されている薄肉部１５０からなる構成であってもよい。図４の例では、電子供給層１５の上面における空乏領域１７の直上の範囲の凹所が形成されることにより、空乏領域１７の直上に薄肉部１５０が形成されている。２次元電子ガス領域１６のキャリアとしての電子の濃度は、電子走行層１４における薄肉部１５０との界面領域において極端に低くなるため、薄肉部１５０の直下に空乏領域１７が形成される。

この構成によれば、電子供給層１５の厚みを調節するだけで空乏領域１７を形成することができ、空乏領域１７の形成が容易になるという利点がある。つまり、薄肉部１５０を空乏化部１８とした構成では、空乏領域１７を形成するために他部材を付加する場合に比べると、単純な構造で空乏領域１７を形成することが可能である。

ところで、上述した構成の半導体素子１は、たとえば図５に示すように発光ダイオード（ＬＥＤ：Light EmittingDiode）３と組み合わされて、フォトカプラとして機能する半導体デバイス１０を構成する。この発光ダイオード３は、半導体素子１の励起光を出射光とするように出射光の波長が選択されている。

発光ダイオード３は、図５に示すように、基板３０上に、バッファ層３１と、ｎ型半導体層３２と、発光層３３と、ｐ型半導体層３４と、透明電極３５とがこの順に形成されて構成される。ここで、発光層３３はｎ型半導体層３２の一部に対して積層されており、ｎ型半導体層３２上の露出した部分にはｎ側電極３６が形成され、透明電極３５上にはｐ側電極３７が形成されている。発光ダイオード３は、ｐ側電極３７・ｎ側電極３６間に電流が流れることにより発光層３３で発生する光を、透明電極３５側から外部に出射する。

半導体デバイス１０は、周囲からの光を遮断するパッケージ４０内に、透明電極３５と電子供給層１５とが互いに向き合うように半導体素子１と発光ダイオード３とを収納している。パッケージ４０の内部では、発光ダイオード３は第１のリードフレーム４１に実装され、半導体素子１は第２のリードフレーム４２に実装されている。第１および第２の各リードフレーム４１，４２の一端部はパッケージ４０の外側まで延長されており、半導体デバイス１０の外部回路との接続端子を構成する。

この半導体デバイス１０は、半導体素子１の２電極（ドレイン電極１１・ソース電極１２）に電圧が印加された状態で、発光ダイオード３の出射光を励起光として半導体素子１に照射することにより、半導体素子１の２電極間に流れる電流を変化させる動作をする。つまり、発光ダイオード３へ通電されていない状態では半導体素子１に電流は流れないのに対し、発光ダイオード３への通電時には、発光ダイオード３で発生した光が励起光として半導体素子１の空乏領域１７に照射して半導体素子１に電流が流れる。

したがって、上記半導体デバイス１０は、第１のリードフレーム４１を入力端、第２のリードフレーム４２を出力端として、入力端・出力端間を電気的に絶縁しながらも、入力端から出力端に信号を伝達するフォトカプラとして機能する。この構成によれば、励起光の照射に発光ダイオード３が用いられるので、比較的小型でありながらも、オン抵抗が比較的低く且つ大電流にも対応可能な半導体デバイス１０を実現できる。しかも、発光ダイオード３と半導体素子１とが同一のパッケージ４０に収納されているから、発光ダイオード３と半導体素子１との相対的な位置のばらつきを低減でき、且つ、ノイズや汚れの影響を受けにくい高信頼性の半導体デバイス１０を実現できる。

また、半導体デバイス１０は、半導体素子１と発光ダイオード３とのいずれもが、たとえば窒化物系半導体などのワイドバンドギャップの半導体材料を用いて構成されていることが望ましい。ワイドバンドギャップとは、たとえばシリコン（Ｓｉ）のバンドギャップ（１．１ｅＶ）の２倍以上のバンドギャップ（２．２ｅＶ以上）をいう。

つまり、半導体素子１の電子走行層１４および電子供給層１５と、発光ダイオード３のｎ型半導体層３２、発光層３３、ｐ型半導体層３４とは、ワイドバンドギャップ半導体から構成されることが望ましい。これにより、半導体デバイス１０は、オン抵抗が比較的低く且つ大電流にも対応可能であって高耐圧のパワーデバイスを実現することが可能になる。ここでいうワイドバンドギャップ半導体とは、たとえば周期律表第２周期の軽元素を構成要素とする半導体と定義されており、窒化物系半導体のほか、炭化珪素（ＳｉＣ）なども含んでいる。

なお、本実施形態の半導体素子１は、窒化物系半導体以外の化合物半導体を用いても実現でき、たとえばＧａＮに代えてＧａＡｓが用いられ、ＡｌＧａＮに代えてＡｌＧａＡｓが用いられていてもよい。あるいは、ＧａＮ／ＡｌＧａＮのヘテロ接合に代えて、Ｓｉ／ＳｉＧｅのヘテロ接合を用いて同様の構成が実現されていてもよい。つまり、半導体素子１は、電子走行層１４と電子供給層１５とのヘテロ接合により２次元電子ガスを形成することができれば、他の材料構成であっても差し支えない。たとえば、他には電子供給層１５／電子走行層１４の組み合わせとして、ｎ型のＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ｎ型のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮなども選択可能である。

（実施形態２）
本実施形態の半導体素子１は、電子供給層が電子走行層を挟むように複数層設けられている点が実施形態１の半導体素子１と相違する。

本実施形態では、半導体素子１は、図６に示すように第１の電子供給層１５１と第２の電子供給層１５２とを電子走行層１４の厚み方向の両側に有している。２次元電子ガス領域は電子走行層１４における第１および第２の各電子供給層１５１，１５２との界面にそれぞれ形成される。つまり、電子走行層１４における第１の電子供給層１５１との界面に第１の２次元電子ガス領域１６１が形成され、電子走行層１４における第２の電子供給層１５２との界面に第２の２次元電子ガス領域１６２が形成されている。

ドレイン電極１１およびソース電極１２は第１の電子供給層１５１上に互いに離間して形成されている。これらドレイン電極１１およびソース電極１２は、各々が第１および第２の両２次元電子ガス領域１６１，１６２とオーミック接合されている。

ここで、空乏領域を形成する空乏化部（空乏化層１８０や薄肉部１５０）１８は、第１の２次元電子ガス領域１６１と第２の２次元電子ガス領域１６２とのそれぞれについて設けられていてもよいし、一方についてのみ設けられていてもよい。図６の例では、空乏化部１８は、各２次元電子ガス領域１６１，１６２にそれぞれ設けられ、第１の２次元電子ガス領域１６１には第１の空乏領域１７１を形成し、第２の２次元電子ガス領域１６２には第２の空乏領域１７２を形成している。

この構成により、本実施形態の半導体素子１は、励起光が照射されていない状態では、各２次元電子ガス領域１６１，１６２の一部（空乏領域１７１，１７２）が空乏化しているため、ドレイン電極１１・ソース電極１２間が非導通（オフ状態）になる。一方、半導体素子１は、励起光が照射された状態では、図７に示すように、各空乏領域（電子走行層１４における各電子供給層１５１，１５２との界面領域）１７１，１７２に電子２０と正孔（ホール）２１とのペアがそれぞれ生成される。これにより、半導体素子１は、ドレイン電極１１・ソース電極１２間が導通しオン状態になる。なお、図７に示すエネルギバンド図では、価電子帯を「２２」、禁止帯を「２３」、伝導帯を「２４」、フェルミ準位を「Ｅ_Ｆ」で表している。

以上説明した本実施形態の構成によれば、半導体素子１は、電子供給層が１層のみの場合に比べて、キャリアとしての電子の濃度を高くでき、オン抵抗をより一層小さく抑えることが可能である。

その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本実施形態の半導体素子１は、図８に示すように電子供給層１５上における空乏領域１７に対応する領域にゲート電極１９が形成されている点が実施形態１の半導体素子１と相違する。ここでは、ゲート電極１９は電子供給層１５上におけるドレイン電極１１とソース電極１２との間に形成されている。

ゲート電極１９は、励起光を透過させる材料から形成されている。したがって、図８に示すようにゲート電極１９が電子供給層１５上における空乏領域１７の直上の領域に形成されていても、空乏領域１７に対して光を照射することが可能である。ここで、空乏化領域１７を形成する空乏化部１８として空乏化層１８０（図３参照）が用いられている場合、ゲート電極１９は空乏化層１８０上に形成され、空乏化層１８０とオーミック接合される。

上記構成の半導体素子１は、ゲート電極１９・ソース電極１２間にゲート電圧を印加する駆動回路（図示せず）に接続される。これにより、駆動回路がゲート電圧を制御することにより、ドレイン電極１１・ソース電極１２間を流れるドレイン電流を電気的に制御することが可能になる。

すなわち、半導体素子１は、ゲート電圧が０Ｖであれば、ゲート電極１９の直下の空乏領域１７が空乏化しているため、ドレイン電極１１・ソース電極１２間の電流経路が遮断され、オフ状態になる。一方、半導体素子１は、ゲート電圧が所定の閾値より大きければ、ゲート電極１９の直下の空乏領域１７のポテンシャルが下がり、ドレイン電極１１・ソース電極１２間にチャネルが形成されてオン状態になる。

また、本実施形態の半導体素子１は、駆動回路から印加されるゲート電圧の制御と、空乏領域１７に対する励起光の照射強度の制御とを組み合わせることにより、ドレイン電極１１・ソース電極１２間を流れるドレイン電流を電気的に制御することも可能である。この場合、半導体素子１は、励起光の照射強度のみで制御される場合に比べ、空乏領域１７の電位が安定する。しかも、半導体素子１は、励起光により空乏領域１７で発生する電子により２次元電子ガス領域１６の電子濃度が向上するため、ゲート電圧のみで制御される場合に比べて、オン抵抗が一層小さくなる。

さらにまた、半導体素子１は、ゲート電極１９と電子供給層１５との間に、絶縁材料からなる絶縁膜（図示せず）が設けられていてもよい。これにより、電子供給層１５の保護を図ることができ、また、ゲート電極１９でのリーク電流の発生を抑制できるという利点がある。

また、ここではゲート電圧が０Ｖのときにオフ状態になるノーマリオフ型の半導体素子１を例示したが、ゲート電極１９を備えることにより、半導体素子１はゲート電圧が０Ｖのときにオン状態になるノーマリオン型の素子であっても制御可能となる。したがって、本実施形態の構成では、半導体素子１として使用できる範囲を拡大することが可能になる。

なお、本実施形態の構成は、実施形態２の構成と組み合わされてもよい。この場合、ゲート電極１９は第１の電子供給層１５１と第２の電子供給層１５２とのそれぞれに対して形成されてもよいし、いずれか一方に対してのみ形成されてもよい。

その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

１ 半導体素子
１１ ドレイン電極（第１の電極）
１２ ソース電極（第２の電極）
１４ 電子走行層
１５ 電子供給層
１６ ２次元電子ガス領域
１７ 空乏領域
１８ 空乏化部
１９ ゲート電極
２０ 電子
２１ 正孔
１５０ 薄肉部（空乏化部）
１５１ 第１の電子供給層
１５２ 第２の電子供給層
１６１ 第１の２次元電子ガス領域
１６２ 第２の２次元電子ガス領域
１７１ 第１の空乏領域
１７２ 第２の空乏領域
１８０ 空乏化層（空乏化部）

Claims (8)

1. 半導体層からなる電子走行層と、バンドギャップが前記電子走行層よりも大きい半導体層からなり前記電子走行層の上に設けられる電子供給層と、前記電子供給層の上に互いに離間して形成される第１の電極および第２の電極とを備え、
   前記電子走行層における前記電子供給層との界面には、キャリアとしての電子が存在する２次元電子ガス領域が形成され、
   前記２次元電子ガス領域における前記第１の電極と前記第２の電極との間の一部を空乏化することにより空乏領域を形成する空乏化部が設けられており、
   前記２次元電子ガス領域は、前記空乏領域に光を受けていない状態では、前記空乏領域にて前記第１の電極と前記第２の電極との間を非導通とし、前記電子走行層のバンドギャップよりも大きなエネルギを持つ光である励起光を前記空乏領域に受けた状態では、前記空乏領域に電子および正孔が生成されることにより前記第１の電極と前記第２の電極との間を導通させることを特徴とする半導体素子。
2. 前記空乏化部は、前記電子供給層の上における前記空乏領域に対応する領域に形成され、前記電子走行層よりもバンドギャップが大きいｐ型の半導体層からなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
3. 前記空乏化部は、前記電子供給層のうち前記空乏領域に対応する部位であって、厚みが前記電子供給層の他の部位に比べて薄く形成されている薄肉部からなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
4. 前記電子供給層は前記電子走行層を挟むように複数層設けられており、前記２次元電子ガス領域は、前記電子走行層における前記電子供給層の各層との界面にそれぞれ形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体素子。
5. 前記電子供給層の上における前記空乏領域に対応する領域には、前記励起光を透過させる材料からなるゲート電極が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子。
6. 前記ゲート電極と前記電子供給層との間には絶縁材料からなる絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項５記載の半導体素子。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の半導体素子と、前記空乏領域に向けて前記励起光を照射する発光ダイオードとを備えることを特徴とする半導体デバイス。
8. 前記半導体素子と前記発光ダイオードとは、いずれもワイドバンドギャップの半導体材料を用いて構成されていることを特徴とする請求項７記載の半導体デバイス。
   

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