JP2014236017A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device.
ワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温環境用、大パワー用、あるいは高周波用半導体デバイスの材料として非常に魅力的である。代表的なワイドバンドギャップ半導体として、GaN、AlN、InN、BN、または、これらのうち2以上の混晶である窒化物系半導体がある。また、例えば、AlGaN/GaNヘテロ接合構造を有する半導体装置は、ピエゾ効果によって、ヘテロ接合界面に2次元電子ガス(2DEG)が発生している。この2DEGは、高い電子移動度とキャリア密度を有している。そのため、このようなAlGaN/GaNヘテロ接合構造を有する半導体装置、例えばショットキーバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)や電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)は、高耐圧、低いオン抵抗、および速いスイッチング速度を有し、パワースイッチング応用に非常に好適である。 Wide band gap semiconductors are very attractive as materials for semiconductor devices for high temperature environments, high power, or high frequency because they have high breakdown voltage, good electron transport properties, and good thermal conductivity. Typical wide band gap semiconductors include GaN, AlN, InN, BN, or a nitride semiconductor that is a mixed crystal of two or more of these. For example, in a semiconductor device having an AlGaN / GaN heterojunction structure, two-dimensional electron gas (2DEG) is generated at the heterojunction interface due to the piezoelectric effect. This 2DEG has high electron mobility and carrier density. Therefore, a semiconductor device having such an AlGaN / GaN heterojunction structure, such as a Schottky barrier diode (SBD) or a field effect transistor (FET), has a high breakdown voltage, a low on-resistance, and a high speed. It has switching speed and is very suitable for power switching application.
また、GaN系の半導体装置では、高電圧印加時に、オン抵抗が増大する電流コラプス現象が知られている。この電流コラプス現象は、消費電力の増加や信頼性の低下を招くため好ましくない。電流コラプス現象は、ヘテロ接合の界面準位や半導体層の深い準位等にキャリアである電子がトラップされることが原因であると考えられている。 Further, in the GaN-based semiconductor device, a current collapse phenomenon in which the on-resistance increases when a high voltage is applied is known. This current collapse phenomenon is not preferable because it causes an increase in power consumption and a decrease in reliability. The current collapse phenomenon is considered to be caused by the trapping of electrons as carriers in the interface state of the heterojunction, the deep level of the semiconductor layer, or the like.
このような電流コラプス現象による半導体装置の性能の劣化への対策として、半導体装置にLED(Light Emitting Diode)から紫外〜可視光を照射し、界面準位等にトラップされていたキャリアを解放する方法がある。これによって、電流コラプスが回復し、電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を低減することができる(例えば、特許文献1参照)。 As a countermeasure against the deterioration of the performance of the semiconductor device due to such a current collapse phenomenon, a method of irradiating the semiconductor device with ultraviolet to visible light from an LED (Light Emitting Diode) and releasing carriers trapped in the interface state or the like There is. As a result, current collapse is recovered, and an increase in on-resistance due to the current collapse phenomenon can be reduced (see, for example, Patent Document 1).
ここで、半導体装置は、半導体装置の機械的強度を向上させる目的や、半導体装置の表面における絶縁性を確保する目的で、表面にポリイミドやSiO2等からなる保護層を形成することが一般的である。しかしながら、公知の電流コラプスを回復する方法において、LEDから半導体装置に光を照射すると、光の一部が保護層に吸収され、効率的に電流コラプスを回復することができないという問題があった。 Here, a semiconductor device is generally formed with a protective layer made of polyimide, SiO 2 or the like on the surface for the purpose of improving the mechanical strength of the semiconductor device or ensuring the insulation on the surface of the semiconductor device. It is. However, in the known method for recovering current collapse, when the semiconductor device is irradiated with light from the LED, a part of the light is absorbed by the protective layer, and the current collapse cannot be recovered efficiently.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、効率的に電流コラプスを回復することができる半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of efficiently recovering current collapse.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、基板と、前記基板上に形成され、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体層が接合され、前記半導体層のうち、バンドギャップエネルギーが低い方の半導体層の接合された界面近傍に2次元キャリアガスを発生させるヘテロ接合部と、前記基板上に形成され、前記ヘテロ接合部に発光した光を照射する発光部と、を備える窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層上の一部に形成され、前記ヘテロ接合部と前記発光部とに電圧を印加する複数の電極と、前記窒化物半導体層および前記電極上に形成された保護層と、を備え、前記保護層は、前記発光部が発光した光を吸収し、該吸収した光よりも波長が長い光を放出する波長変換材料を含有し、前記保護層を構成する材料は、前記発光部が発光した光の波長よりも、前記波長変換材料が放出した光の波長に対して、吸収率が低いことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to the present invention includes a substrate and a semiconductor layer formed on the substrate and having different band gap energies. A heterojunction that generates a two-dimensional carrier gas in the vicinity of the interface where the semiconductor layers with lower band gap energy are joined; and a light emitting part that is formed on the substrate and that emits light emitted to the heterojunction A plurality of electrodes formed on a part of the nitride semiconductor layer and applying a voltage to the heterojunction portion and the light emitting portion, and the nitride semiconductor layer and the electrode The protective layer includes a wavelength conversion material that absorbs light emitted by the light emitting portion and emits light having a longer wavelength than the absorbed light, and the protective layer. The material constituting the layers, than the wavelength of light which the light emitting unit emits light, the wavelength converting material to the wavelength of light emitted, characterized in that a low absorption rate.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明において、前記波長変換材料が放出した光によって、電流コラプス現象によるオン抵抗の増大が低減されることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, an increase in on-resistance due to a current collapse phenomenon is reduced by light emitted from the wavelength conversion material.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明において、前記発光部は、p型半導体とn型半導体とのpn接合部であることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the light emitting portion is a pn junction between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明において、前記発光部は、ヘテロ接合部であることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the light emitting portion is a heterojunction portion.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明において、前記発光部は、量子井戸構造を含むことを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the light emitting portion includes a quantum well structure.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明において、前記ヘテロ接合部と、前記発光部とが、同一である、または、半導体積層方向に積層して形成されていることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the heterojunction portion and the light emitting portion are the same or are stacked in the semiconductor stacking direction.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明において、前記電極は、前記ヘテロ接合部と前記発光部とに電気的に離間して形成されていることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the electrode is formed electrically separated from the heterojunction portion and the light emitting portion.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明において、前記保護層は、前記発光部が発光した光と、前記波長変換材料が放出した光とのうち、少なくとも一方に対して、略透明であることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the protective layer is substantially transparent to at least one of light emitted from the light emitting unit and light emitted from the wavelength conversion material. It is characterized by that.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明において、前記保護層は、ポリイミド、SiO2、SiNxのいずれか1つからなることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the protective layer is made of any one of polyimide, SiO 2 , and SiN x .
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明において、前記波長変換材料は、色素であることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the wavelength conversion material is a dye.
また、本発明に係る半導体装置は、上記発明において、前記保護層の上側と、前記発光部の下側とのうち、少なくとも一方の面に、前記波長変換材料が放出した光を反射する反射膜を備えることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the reflective film that reflects the light emitted from the wavelength conversion material on at least one of the upper side of the protective layer and the lower side of the light emitting unit. It is characterized by providing.
本発明によれば、効率的に電流コラプスを回復することができる半導体装置を実現することができる。 According to the present invention, a semiconductor device that can efficiently recover current collapse can be realized.
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体装置の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。 Embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In the description of the drawings, the same or corresponding elements are appropriately denoted by the same reference numerals. It should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the dimensions of each element, the ratio of each element, and the like may differ from the actual situation. Even between the drawings, there are cases in which portions having different dimensional relationships and ratios are included.
(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態1に係る半導体装置について説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の模式的な断面図である。図1に示すように、半導体装置100は、基板101上に、バッファ層102、u−GaN層103、n−AlGaN層104が順に積層されている。さらに、n−AlGaN層104上の一部に、p−GaN層105が積層され、n−AlGaN層104とp−GaN層105との上にまたがるようにアノード電極106aが形成され、n−AlGaN層104上にp−GaN層105およびアノード電極106aと離間してカソード電極106cが形成されている。そして、その上に一様に波長変換材料107aを含有する保護層107が形成され、最上部には反射膜108が形成されている。
(Embodiment 1)
First, the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, in the
ここで、u−GaN層103とn−AlGaN層104との界面は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体層が接合されたヘテロ接合部である。また、n−AlGaN層104とp−GaN層105との界面は、p型半導体とn型半導体とのpn接合部であり、発光部である。この半導体装置100は、u−GaN層103のn−AlGaN層104との界面に形成された2DEG層103aを電流経路としたSBDとして機能する。
Here, the interface between the
基板101は、GaN系の半導体装置において、GaNの発光波長である365nmに対して略透明な材料であることが好ましく、例えば、サファイアからなる。また、基板101は、シリコン、SiC、ZnO、AlN、GaN等であってもよいが、発光部が発光する波長に対して、吸収が小さく、さらには透明であるとより好適である。バッファ層102は、例えば、厚さ100nm程度のAlN層であるが、AlN層とGaN層とが交互に複数層積層された構成であってもよい。
In the GaN-based semiconductor device, the
次に、u−GaN層103とn−AlGaN層104との界面は、ヘテロ接合を構成するヘテロ接合部である。まず、u−GaN層103は、アンドープのGaNからなり電子走行層として機能する。n−AlGaN層104は、n型のAlGaNからなる層であって、電子供給層として機能する。AlGaNは、AlNとGaNの混晶であり、u−GaN層103のGaNよりバンドギャップエネルギーが大きく、その構成比によってバンドギャップや自発分極、ピエゾ分極の特性が変化する。n−AlGaN層104は、例えばAl0.25Ga0.75Nの単層である。ただし、n−AlGaN層104は、AlGaN単層に限らず、AlN層とGaN層とを複数層交互に積層させた疑似混晶層であってもよい。その場合は、疑似混晶層を厚さ方向で平均した時のバンドギャップエネルギーが、u−GaN層103より大きければよい。また、疑似混晶層中に2DEG層が発生しない程度にAlN層とGaN層との厚さを調整してもよい。
Next, the interface between the
そして、n−AlGaN層104よりバンドギャップエネルギーが低いu−GaN層103のn−AlGaN層104との界面近傍には、n−AlGaN層104のAl組成比と厚さとを制御することによって、その濃度が制御された2次元キャリアガスである2DEG層103aが形成されている。この2DEG層103aが、電子を流す電流経路となる。この2DEG層103aは、電子の不純物散乱が小さいため、高移動度で低抵抗の電気伝導層となり、n−AlGaN層104上に形成された電極間に電流経路を提供する。
Then, in the vicinity of the interface between the n-
p−GaN層105は、n−AlGaN層104上の一部に形成され、n−AlGaN層104よりもバンドギャップエネルギーが小さい、例えば、p型のGaNからなり電界集中を緩和するフィールドプレート層として機能する。ただし、p−GaN層105は、n−AlGaN層104よりもバンドギャップエネルギーが小さい、Al組成比の低いAlGaN等からなる層に置き換えてもよい。
The p-
そして、n−AlGaN層104とp−GaN層105との界面は、pn接合を構成している。このため、正方向の電圧が印加されると、n側から電子が供給され、p側からホールが供給され、電子とホールとが結合することによって発光する。これによって、このpn接合は、発光部として機能する。この発光部が発光する光の波長は、例えば、GaNの発光波長である365nmであるが、n−AlGaN層104のAl組成比を増やすことで、より波長の短い光とすることができる。
The interface between the n-
さらに、SBDを構成するため、半導体層の上に、n−AlGaN層104およびp−GaN層105とショットキー接触するアノード電極106aと、n−AlGaN層104とオーミック接触するカソード電極106cとが形成されている。アノード電極106aは、例えば、Ni/Auからなり、カソード電極106cは、例えば、Ti/Alからなる。
Furthermore, in order to form the SBD, an
保護層107は、保護層107の下部の半導体層および電極を、外力や外部からの熱、電圧、水濡れ等から保護する。したがって、保護層107は、機械的強度や絶縁性の優れた、ポリイミドからなるが、その半導体装置の用途によって、適宜材料を選択することができる。この保護層107には、発光部が発光した光を吸収し、該吸収した光よりも波長が長い光を放出する波長変換材料107aが含まれている。また、保護層107を構成する材料は、発光部が発光した光の波長よりも、波長変換材料107aが放出した光の波長に対して、吸収率が低い材料である。
The
反射膜108は、各種金属からなる鏡であってよいが、誘電体多層膜からなる誘電体多層膜ミラーであってよい。さらに、半導体の各層の屈折率差を用いて反射する構成であってもよい。
The
次に、この半導体装置100の動作を説明する。半導体装置100のアノード電極106aとカソード電極106cとに電圧をかけると、アノード電極106aからカソード電極106cに向かう正方向の電圧に対しては電流が流れる。一方、逆方向の電圧に対して、SBDである半導体装置100は、アノード電極106aのショットキー障壁により、電流が流れない。
Next, the operation of the
このようなGaN系のSBDに対して、高電圧を印加すると、電流コラプス現象によって、キャリアである電子が界面準位や半導体中の深い準位にトラップされ、トラップされた電子の負電荷によって、2DEG層103aの電子濃度が減少すると考えられている。この電流コラプスが発生した状態で、半導体装置100に正方向の電圧を印加すると、SBDの電流経路である2DEG層103aの電子濃度が減少しているため、オン抵抗が増大してしまう。
When a high voltage is applied to such a GaN-based SBD, electrons as carriers are trapped in the interface states or deep levels in the semiconductor due to the current collapse phenomenon, and due to the negative charges of the trapped electrons, It is considered that the electron concentration of the
ここで、図2は、図1に示す半導体装置において電流コラプスが回復する様子を説明するための図である。図2に示すように、半導体装置100のn−AlGaN層104とp−GaN層105との界面は、pn接合であって、正方向の電圧を印加すると電子とホールが結合することにより、例えば、波長が365nmの光l1を発光し、発光部として機能する。この光l1が、トラップされた電子に照射されると、電子はトラップから解放され、電流コラプスが回復する。
Here, FIG. 2 is a diagram for explaining how current collapse is recovered in the semiconductor device shown in FIG. As shown in FIG. 2, the interface between the n-
しかしながら、一般的なポリイミドは、紫外〜可視光を吸収する。図3は、ポリイミドの透過率の一例を表す図である。図3に示すように、365nm以下の波長の光は、ポリイミドに吸収され、ほとんど透過しない。そのため、光l1の一部は保護層107に吸収され、電流コラプスの回復に寄与することができない。このように、保護層107を形成すると、電流コラプスを回復する効率が悪くなってしまう。
However, general polyimide absorbs ultraviolet to visible light. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the transmittance of polyimide. As shown in FIG. 3, light having a wavelength of 365 nm or less is absorbed by the polyimide and hardly transmitted. Therefore, a part of the light 11 is absorbed by the
ここで、半導体装置100の保護層107は、波長変換材料107aを含有する。そして、図2のように、光l1が波長変換材料107aに照射されると、光l1は波長変換材料107aに吸収され、波長変換材料107aからより波長の長い光l2として放出される。これによって、発光部が発光した光のうち、保護層107に吸収される光の割合を低減し、発光部が発光した光が効率的に電流コラプスの回復に活用されるようにすることができる。
Here, the
次に、図4は、波長変換材料によって波長が変換される様子を表す説明図である。図4に示すように、例えば、発光部によって、365nmの光l1が発光され、例えば、クマリン系化合物からなる波長変換材料107aに照射されると、480nm程度の波長を有する光l2が放出されることとなる。このとき、ポリイミドは光l2に対して、十分大きい透過率を有する。このため、光l2を保護層107に吸収させずに、効率的に電流コラプスの回復に使うことができる。
Next, FIG. 4 is explanatory drawing showing a mode that a wavelength is converted with the wavelength conversion material. As shown in FIG. 4, for example, 365 nm of
なお、電流コラプス現象において、キャリアである電子をトラップする準位は、主に伝導体から1.9〜2.6eVの位置にある。これらの準位が電子をトラップすることで負に帯電し、2DEG層103aの電子濃度が低下し、オン抵抗が増大する。したがって、1.9〜2.6eVに対応する、波長が475〜655nm程度の光を照射することによって、電子がトラップから解放され、電流コラプスが回復する。
In the current collapse phenomenon, the level for trapping electrons as carriers is mainly at a position of 1.9 to 2.6 eV from the conductor. These levels are negatively charged by trapping electrons, the electron concentration of the
このような、波長が475〜655nm程度の光を放出する波長変換材料107aとして、例えば、クマリン系化合物やローダミン系色素を用いることができる。それ以外にも、無機化合物であってよく、有機化合物であってもよいが、発光部が発光した光を吸収し、該吸収した光よりも波長が長い光を放出し、放出される光の波長が475〜655nm程度である材料であれば、これに限られない。
As such a
さらに、半導体装置100は、最上面に反射膜108を備え、反射膜108が光l1または光l2を反射する。これによって、半導体装置100の上面から半導体装置100の外へ放出されてしまう光をなくし、効率的に電流コラプスの回復を行う構成としている。
Furthermore, the
このように、反射膜108は、波長変換材料107aが放出した光を反射し、より好ましくは発光部によって発光した光も反射する。これによって、反射膜は、波長変換材料107aが放出した光、および、発光部が発光した光を、半導体装置内に留めることができ、より効率的な電流コラプスの回復に寄与する。そのため、反射膜は、半導体装置100の最上面だけでなく、基板101の底面に形成されていてもよい。また、発光部と保護層とを挟む任意の位置に形成されていてもよい。さらに、これらの反射膜が、一定の間隔とされることで、特定の波長に対して共振器となる構成であってもよい。
Thus, the
また、公知の電流コラプスを回復させる方法においては、ヘテロ接合部による2DEG層を備えた半導体装置と、該半導体装置に光を照射するLEDとが、モノリシックに形成されている。一方、本実施の形態1に係る半導体装置100において、ヘテロ接合部と、発光部とが、半導体積層方向に積層して形成されている。このため、LED等の発光部を構成するために、あらたに半導体層を形成する必要がなく、工数を増やさない簡便な方法で効率的に電流コラプスを回復することができる半導体装置を実現することができるという効果がある。
In a known method of recovering current collapse, a semiconductor device having a 2DEG layer formed by a heterojunction portion and an LED that irradiates light to the semiconductor device are formed monolithically. On the other hand, in the
(変形例)
また、半導体装置100の変形例として、保護層107は、波長変換材料が2種類添加されていてもよい。これによって、図5に示すように、発光部が発光した光l1が一方の波長変換材料に救出され、より波長の長い光l2として放出され、さらに、光l2が他方の波長変換材料に吸収され、より波長の長い光l3として放出されるという2段階の波長変換を行う構成となる。このとき、2段階の波長変換を受けた光l3は、よりポリイミドに対して透過率が高くなり、さらに効率的に電流コラプスを回復することができる。また、波長変換材料が2種類添加され、光l1が該2種類の波長変換材料によって、互いに異なる2つの波長に波長変換される構成であってもよい。さらに、波長変換材料は2種類以上であってもよい。
(Modification)
As a modification of the
以上説明したように、半導体装置100は、保護層107に波長変換材料が添加されているため、発光部が発光した光の保護層107への吸収を抑制し、効率的に電流コラプスを回復することができる。したがって、本実施の形態1に係る半導体装置100は、効率的に電流コラプスを回復することができる半導体装置である。
As described above, since the wavelength conversion material is added to the
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2に係る半導体装置について説明する。図6は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の模式的な断面図である。図6に示すように、本実施の形態2に係る半導体装置200は、基板201上に、バッファ層202、u−GaN層203、u−AlGaN層211が順に積層されている。さらに、u−AlGaN層211の一部にp−AlGaN層212が積層され、その上に、ゲート電極213gが形成されている。また、u−AlGaN層211の上には、p−AlGaN層212を挟むように、ソース電極213sと、ドレイン電極213dとが、互いに離間して形成されている。そして、その上に一様に波長変換材料207aを含有する保護層207が形成され、最上部には反射膜208が形成されている。ここで、u−GaN層203とu−AlGaN層211との界面は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体層が接合されたヘテロ接合部である。この半導体装置200は、u−AlGaN層211よりバンドギャップエネルギーが低いu−GaN層203のu−AlGaN層211との界面近傍に形成された2次元キャリアガスである2DEG層203aを電流経路としたGIT(Gate Injection Transistor)として機能する。
(Embodiment 2)
Next, a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention. As illustrated in FIG. 6, in the
次に、この半導体装置200の動作を説明する。まず、ゲート電極213gに電圧が印加されていないゲート電圧がオフの状態において、p−AlGaN層212が形成されていることによって、その下の2DEG層203aが、図6のように空乏化している。これによって、ゲート電圧がオフの状態では、ソース電極213sと、ドレイン電極213dとが導通していない。したがって、半導体装置200は、ノーマリオフのデバイスである。一方で、ゲート電圧がオンの状態になり、ゲート電極213gに正のゲート電圧が印加されると、p−AlGaN層212によって生じた2DEG層203aの空乏化が解消され、ソース電極213sと、ドレイン電極213dとが導通する。さらに、高い正のゲート電圧を印加すると、ゲート電極213gから、2DEG層203aにホールが注入される。これにより、注入されたホールと略同数の電子が、ソース電極213sからホールへと流入し、さらに、ドレイン電圧によってドレイン電極213dへと流れる。これによって、半導体装置200は、ノーマリオフであって、低オン抵抗なGITとして動作する。
Next, the operation of the
このようなGITとして動作する半導体装置200に対して、高電圧を印加すると、電流コラプス現象によって、キャリアである電子が界面準位や半導体中の深い準位にトラップされ、トラップされた電子の負電荷によって、2DEG層203aの電子濃度が減少すると考えられる。この電流コラプスが発生した状態で、半導体装置200に正方向のドレイン電圧を印加すると、GITの電流経路である2DEG層203aの電子の濃度が減少しているため、オン抵抗が増大してしまう。
When a high voltage is applied to the
ここで、図7は、図6に示す半導体装置において電流コラプスが回復する様子を説明するための図である。図7に示すように、半導体装置200のu−GaN層203とu−AlGaN層211との界面は、ヘテロ接合部であるが、上述のようにゲート電極213gに正の高いゲート電圧を印加すると、ゲート電極213gから2DEG層203aにホールhが注入される。このホールhは移動度が電子に比べて2桁程度小さいため、ゲート電極213gの略直下に留まる。そこに、ソース電極213sから電子eが流入してくると、一部の電子eとホールhとが結合し、光l1を発光する。つまり、このヘテロ接合部が発光部としての機能も兼ね備えていることとなる。この光l1が、トラップされた電子に照射されると、電子はトラップから解放され、電流コラプスが回復する。
Here, FIG. 7 is a diagram for explaining how current collapse is recovered in the semiconductor device shown in FIG. 6. As shown in FIG. 7, the interface between the
ここで、半導体装置200の保護層207には、波長変換材料207aが添加されている。光l1が波長変換材料207aに照射されると、光l1は波長変換材料207aに吸収され、波長変換材料207aからより波長の長い光l2が放出される。これによって、発光部が発光した光の保護層207への吸収が抑制され、効率的に電流コラプスを回復することができる。したがって、本実施の形態2に係る半導体装置200は、効率的に電流コラプスを回復することができる半導体装置である。
Here, the
なお、本実施の形態2に係る半導体装置200において、ヘテロ接合部と、発光部とが、同一である構成である。このため、LED等の発光部を構成するために、あらたに半導体層を形成する必要がなく、工数を増やさない簡便な方法で効率的に電流コラプスを回復することができる半導体装置を実現することができるという効果がある。
Note that, in the
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3に係る半導体装置について説明する。図8は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の模式的な断面図である。図8に示すように、本実施の形態3に係る半導体装置300は、基板301上に、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体層が接合されたヘテロ接合部を含むHFET300aと、電圧印加時に電子とホールとが結合して発光する量子井戸構造である発光部を含むLED300bとが、モノリシックに形成されているが、HFET300aの各電極と、LED300bの各電極は電気的に離間して形成されている。
(Embodiment 3)
Next, a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 8, a
半導体装置300は、基板301上に、バッファ層302、n−GaN層321が順に積層されている。まず、HFET(Hetero−FET)300aにおいて、n−GaN層321上に、u−GaN層303、u−AlGaN層311が順に積層されている。ここで、u−GaN層303とu−AlGaN層311との界面は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体層が接合されたヘテロ接合部である。このHFET300aは、u−AlGaN層311よりバンドギャップエネルギーが低いu−GaN層303のu−AlGaN層311との界面近傍に形成された2次元キャリアガスである2DEG層303aを電流経路としたHFETとして機能する。次に、LED300bにおいて、n−GaN層321上に、n−クラッド層322、発光層323、p−クラッド層324、コンタクト層325が順に積層されている。さらに、それらの上に保護絶縁膜としてSiO2膜326を形成し、SiO2膜326の開口部に、電気的にそれぞれ離間してHFET300aのソース電極313sと、ドレイン電極313dと、ゲート電極313gと、LED300bのp型電極327pと、n型電極327nとが、形成されている。そして、その上に一様に波長変換材料307aを含有する保護層307が形成され、最上部には反射膜308が形成されている。さらに、反射膜308は、基板301の底面にも形成されている。
In the
LED300bの発光層323は、例えば、InGaN/GaNの量子井戸構造であってよく、さらに、多重量子井戸構造であってよい。また、分離閉じ込めヘテロ(SCH:Separated Confinement Heterostructure)構造を備えていてもよい。さらに、発光層323は、これに限らず、材料および発光波長を適宜選択することができる。
The
次に、この半導体装置300の動作を説明する。まず、HFET300aは、u−GaN層303とu−AlGaN層311との界面がヘテロ接合部であり、ゲート電極313gに電圧が印加されていない状態において、u−GaN層303のu−AlGaN層311との界面に2DEG層303aが形成されている。したがって、このHFET300aは、ノーマリオンのデバイスである。一方で、ゲート電極313gに負のゲート電圧が印加されると、ゲート電極313g直下の2DEG層303aが空乏化し、ソース電極313sと、ドレイン電極313dとが導通していない状態となる。
Next, the operation of the
次に、LED300bは、p型電極327pと、n型電極327nとに電圧を印加すると、p型電極327pからホールが、n型電極327nから電子が、それぞれ発光部である発光層323に供給され、ホールと電子とが結合し発光する。
Next, in the
このような半導体装置300のHFET300aに高電圧を印加すると、電流コラプス現象によって、キャリアである電子が界面準位や半導体中の深い準位にトラップされ、トラップされた電子の負電荷によって、2DEG層303aの電子濃度が減少すると考えられる。この電流コラプスが発生した状態で、HFET300aに正方向のドレイン電圧を印加すると、HFET300aの電流経路である2DEG層303aの電子濃度が減少しているため、オン抵抗が増大してしまう。
When a high voltage is applied to the
ここで、図9は、図8に示す半導体装置において電流コラプスが回復する様子を説明するための図である。図9に示すように、発光部であるLED300bに電圧を印加すると、発光により光l1が放出される。この光l1が、トラップされた電子に照射されると、電子はトラップから解放され、電流コラプスが回復するが、例えばポリイミドからなる保護層307は、光l1を吸収してしまう。
Here, FIG. 9 is a diagram for explaining how current collapse is recovered in the semiconductor device shown in FIG. As shown in FIG. 9, when a voltage is applied to the
ここで、半導体装置300の保護層307には、波長変換材料307aが添加されている。光l1が波長変換材料307aに照射されると、光l1は波長変換材料307aに吸収され、波長変換材料307aからより波長の長い光l2が放出される。これによって、発光部が発光した光の保護層307への吸収が抑制され、効率的に電流コラプスを回復することができる。したがって、本実施の形態3に係る半導体装置300は、効率的に電流コラプスを回復することができる半導体装置である。
Here, a
次に、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。図10〜15は、図8に示す半導体装置の製造方法の一例を表す図である。以下において、各半導体層の成長は、MOCVD法であってよく、HVPE法やMBE法であってもよい。そして、各電極の形成は、リフトオフ法を用いてよい。 Next, an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described. 10 to 15 are diagrams illustrating an example of a manufacturing method of the semiconductor device illustrated in FIG. In the following, the growth of each semiconductor layer may be an MOCVD method, or an HVPE method or an MBE method. Each electrode may be formed using a lift-off method.
はじめに、図10に示すように、サファイアからなる基板301上に、厚さ約100nmのAlNからなるバッファ層302と、厚さ2〜4μm程度のn−GaN層321とを順に積層し、さらに、厚さ約1μmのSiO2からなる誘電体膜331を積層する。そして、その上にフォトレジストRを塗布し、露光、現像によって、HFET300aを形成すべき領域以外にフォトレジストRを形成する。
First, as shown in FIG. 10, a
次に、図11に示すように、フォトレジストRをマスクとして、HFET300aを形成すべき領域の誘電体膜331を除去し、さらに、フォトレジストRを除去する。ここで、誘電体膜331が除去されたことによって露出したn−GaN層321上に、u−GaN層303と、u−AlGaN層311とを順に積層する。
Next, as shown in FIG. 11, using the photoresist R as a mask, the
次に、図12に示すように、上述のフォトレジストを用いた方法と同様に、LED300bを形成すべき領域以外に誘電体膜331を形成する。ここで、図13に示すように、誘電体膜331が形成されていない領域のn−GaN層321上に、n−クラッド層322と、発光層323と、p−クラッド層324と、コンタクト層325とを順に積層する。
Next, as shown in FIG. 12, a
次に、図14に示すように、再度フォトレジストを用いて、各電極を形成すべき領域以外を覆うようにSiO2膜326を形成する。そして、図15に示すように、SiO2膜326の開口部に、電気的にそれぞれ離間して、HFET300aのソース電極313sと、ドレイン電極313dと、ゲート電極313gと、LED300bのp型電極327pと、n型電極327nとを、形成する。その後、その上に一様に保護層307を形成し、最上部および基板301の底面に反射膜308を形成し、半導体装置300が製造される。
Next, as shown in FIG. 14, an SiO 2 film 326 is formed using a photoresist again so as to cover areas other than the regions where the respective electrodes are to be formed. Then, as shown in FIG. 15, the
なお、本実施の形態3に係る半導体装置300において、HFET300aにゲート電圧を印加するタイミング、または、ドレイン電圧を印加するタイミングと、LED300bに電圧を印加するタイミングとを同期してもよいが、それぞれ独立のタイミングで電圧を印加してもよい。さらに、HFET300aのオン抵抗を計測し、オン抵抗が定められた閾値を超えた場合に、LED300bに電圧を印加するよう制御してもよい。
In the
また、発光部はLEDに限らず、放射性同位元素と、発光物質とを有する自己発光体であってもよい。自己発光体は、放射性同位元素の核壊変に伴う放射線が、発光物質を励起状態とし、発光物質が励起状態から基底状態に戻る際に、発光することによって発光部として機能する。自己発光体は、例えば、放射性同位元素として、3H、14C、147Pm、及び、63Niのいずれかを含み、発光物質として、ZnS、ZnTe、ZnSe、GaN、及び、Siのいずれかを含む。 Further, the light emitting unit is not limited to the LED, and may be a self-luminous body having a radioisotope and a light emitting substance. The self-luminous substance functions as a light emitting unit by emitting light when radiation accompanying nuclear decay of a radioisotope brings the luminescent substance into an excited state and the luminescent substance returns from the excited state to the ground state. The self-luminous material includes, for example, any one of 3 H, 14 C, 147 Pm, and 63 Ni as a radioisotope, and any one of ZnS, ZnTe, ZnSe, GaN, and Si as a light-emitting substance. Including.
以上、説明したように、上記実施の形態によれば、効率的に電流コラプスを回復することができる半導体装置を提供することができる。 As described above, according to the above embodiment, a semiconductor device that can efficiently recover current collapse can be provided.
なお、上記実施の形態において、保護層はポリイミドとしたが、半導体装置の用途に合わせて、必要な物理的特性を備えた材料を適宜選択することができる。SiO2やSiNxは、機械的強度や絶縁性に優れ、保護層として好適である。 In the above embodiment, the protective layer is polyimide, but a material having necessary physical characteristics can be appropriately selected in accordance with the use of the semiconductor device. SiO 2 and SiN x are excellent in mechanical strength and insulation and are suitable as a protective layer.
また、上記実施の形態において、保護層は、発光部が発光する光l1、または、波長変換材料が放出する光l2に対して、吸収が少なく、さらには略透明な材料であってもよい。例えば、波長が365nmの光に対して、透過率が80%を超えるようなポリイミド系の材料も報告されている。このような材料を保護層に用いた場合、保護層よる光の吸収が少なく、効率的に電流コラプスを回復させことができる。このような場合において、ポリイミド等の材料は、図3のように波長が長くなるほど透過率が高いため、波長変換材料によって、光l1がより波長の長い光l2に波長変換されると、さらに、保護層による光の吸収を低減でき、効率的に電流コラプスを回復させることができる。 In the above embodiment, the protective layer may be a material that has little absorption and is substantially transparent to the light 11 emitted from the light emitting unit or the light 12 emitted from the wavelength conversion material. For example, a polyimide material having a transmittance exceeding 80% for light having a wavelength of 365 nm has been reported. When such a material is used for the protective layer, light absorption by the protective layer is small, and current collapse can be efficiently recovered. In such a case, since the material such as polyimide has a higher transmittance as the wavelength becomes longer as shown in FIG. 3, when the wavelength of the light l1 is converted into the light l2 having a longer wavelength by the wavelength conversion material, Light absorption by the protective layer can be reduced, and current collapse can be efficiently recovered.
また、特に、保護層が、発光部の発光する光l1に対して、略透明な材料である場合、発光部から保護層側に放出された光l1は、反射膜がないと半導体装置100の上面から半導体装置の外に放出されてしまう。このとき、保護層に波長変換材料が添加されていると、波長変換材料から放出される光l2は、当方的に放出される。これにより、保護層に波長変換材料が添加されていると、光が半導体装置の外へ放出される割合を低減させ、効率的に電流コラプスを回復できるという効果がある。 In particular, when the protective layer is made of a material that is substantially transparent to the light l1 emitted from the light emitting unit, the light l1 emitted from the light emitting unit to the protective layer side has no reflective film. It is discharged from the upper surface to the outside of the semiconductor device. At this time, when the wavelength conversion material is added to the protective layer, the light l2 emitted from the wavelength conversion material is emitted in a direction of us. As a result, when the wavelength conversion material is added to the protective layer, there is an effect that the ratio of the light emitted to the outside of the semiconductor device can be reduced and the current collapse can be efficiently recovered.
また、電流コラプス現象は、ヘテロ接合の界面準位や半導体層の深い準位等にキャリアである電子がトラップされることが原因であると考えられている。このため、電流コラプスに寄与する準位の深さによって、そのエネルギーに対応した波長の光を照射することで、より効率よく電流コラプスを回復することが出来る。したがって、本発明において、色素を適切に選ぶことにより、さらに効率的に電流コラプスを回復することができる半導体装置を実現することができる。 The current collapse phenomenon is considered to be caused by trapping of electrons as carriers at the interface level of the heterojunction or the deep level of the semiconductor layer. Therefore, the current collapse can be recovered more efficiently by irradiating light having a wavelength corresponding to the energy depending on the depth of the level contributing to the current collapse. Therefore, in the present invention, a semiconductor device capable of more efficiently recovering current collapse can be realized by appropriately selecting a dye.
また、上記実施の形態において、さらに、蓄光部を備える構成であってもよい。蓄光部が発光している間は、常に電流コラプスが回復され続ける状態のため、長時間にわたってオン抵抗の増大を抑制できる。また、発光部が発光した光を蓄光部が蓄光するので、電流コラプスによるオン抵抗の増大を抑制しつつ、発光部に電圧を印加する時間を短くするよう制御することができ、より効率的に電流コラプスを回復することができる。蓄光部は、硫化亜鉛やアルミン酸ストロンチウム等の夜光塗料に用いられる材料であってよい。 Moreover, in the said embodiment, the structure further provided with a light storage part may be sufficient. While the phosphorescent portion is emitting light, the current collapse is always recovered, so that an increase in on-resistance can be suppressed for a long time. In addition, since the light storage unit stores the light emitted by the light emitting unit, it is possible to control the time for applying the voltage to the light emitting unit to be shortened while suppressing an increase in on-resistance due to current collapse, and more efficiently. The current collapse can be recovered. The phosphorescent part may be a material used for a luminous paint such as zinc sulfide or strontium aluminate.
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。 Further, the present invention is not limited by the above embodiment. What was comprised combining each component mentioned above suitably is also contained in this invention. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
100、200、300 半導体装置
101、201、301 基板
102、202、302 バッファ層
103、203、303 u−GaN層
103a、203a、303a 2DEG層
104 n−AlGaN層
105 p−GaN層
106a アノード電極
106c カソード電極
107、207、307 保護層
107a、207a、307a 波長変換材料
108、208、308 反射膜
211、311 u−AlGaN層
212 p−AlGaN層
213d、313d ドレイン電極
213g、313g ゲート電極
213s、313s ソース電極
300a HFET
300b LED
321 n−GaN層
322 n−クラッド層
323 発光層
324 p−クラッド層
325 コンタクト層
326 SiO2膜
327n n型電極
327p p型電極
331 誘電体膜
e 電子
h ホール
l1、l2、l3 光
R フォトレジスト
100, 200, 300
300b LED
321 n-GaN layer 322 n-
Claims (11)
前記基板上に形成され、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体層が接合され、前記半導体層のうち、バンドギャップエネルギーが低い方の半導体層の接合された界面近傍に2次元キャリアガスを発生させるヘテロ接合部と、
前記基板上に形成され、前記ヘテロ接合部に発光した光を照射する発光部と、
を備える窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層上の一部に形成され、前記ヘテロ接合部と前記発光部とに電圧を印加する複数の電極と、
前記窒化物半導体層および前記電極上に形成された保護層と、
を備え、
前記保護層は、前記発光部が発光した光を吸収し、該吸収した光よりも波長が長い光を放出する波長変換材料を含有し、前記保護層を構成する材料は、前記発光部が発光した光の波長よりも、前記波長変換材料が放出した光の波長に対して、吸収率が低いことを特徴とする半導体装置。 A substrate,
A semiconductor layer formed on the substrate and having different band gap energies is bonded, and a heterogeneity that generates a two-dimensional carrier gas in the vicinity of the bonded interface of the semiconductor layers having the lower band gap energy among the semiconductor layers. A junction,
A light emitting unit formed on the substrate and irradiating the heterojunction with emitted light;
A nitride semiconductor layer comprising:
A plurality of electrodes formed on a portion of the nitride semiconductor layer and applying a voltage to the heterojunction portion and the light emitting portion;
A protective layer formed on the nitride semiconductor layer and the electrode;
With
The protective layer includes a wavelength conversion material that absorbs light emitted from the light emitting unit and emits light having a longer wavelength than the absorbed light, and the material constituting the protective layer is a light emitting unit that emits light. A semiconductor device characterized in that the absorptance is lower than the wavelength of light emitted by the wavelength conversion material.
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