JP2018049895A

JP2018049895A - 半導体装置

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Publication number: JP2018049895A
Application number: JP2016183576A
Authority: JP
Inventors: 隆樹丹羽; Shigeki Niwa
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-03-29

Abstract

【課題】発光部と発光部を駆動する縦型トランジスタを備える半導体装置において、発光面積の低減を抑制する。【解決手段】半導体装置は、ｐ型半導体層と、ｐ型半導体層の上に形成されてｐ型半導体層に近い側から順番にｐ型クラッド層と多重量子井戸構造を有する発光層とｎ型クラッド層とが積層された構造を有する発光部と、発光部の上に形成され、ｎ型クラッド層よりも平均ドーピング濃度が高く発光部に接するｎ型半導体を含む電流拡散層を有し、発光部を駆動する縦型トランジスタと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、発光機能を有する半導体装置に関する。

各種照明装置の光源として、発光素子を含む発光部と、発光部を駆動するスイッチング素子とが同一の半導体基板上に形成された発光機能を有する半導体装置が用いられている。このような半導体装置において、横型のスイッチング素子を用いた場合、基板上において発光素子に割り当てられる平面視面積が小さくなるため、発光面積が小さくなる。そこで、縦型のスイッチング素子であるサイリスタの一部を発光素子としても機能するようにした半導体装置が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の半導体装置において、発光部は、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる上クラッド層とｎ型ＧａＮからなる下クラッド層とで活性層を挟んだ構造を有する。また、かかる発光部の上に積層されたゲート制御部は、発光部に近い側から順番に、ゲート・コンタクト層、ゲート・導通層、アノード・導通層、およびアノードコンタクト層を備える。

特開２００９−２６０２４６号公報

上記特許文献１の半導体装置において、ゲート・コンタクト層と活性層との間に配置される上クラッド層は、ｐ型ＧａＮから成るため、ｎ型ＧａＮ等のｎ型半導体から成るに比べてキャリア濃度（ホール濃度）が低いために抵抗が大きく、電流が拡散しにくい。このため、発光部における発光領域が狭くなり、有効な発光面積が低減するという問題がある。このため、発光部と発光部を駆動する縦型スイッチング素子を備える半導体装置において、発光面積の低減を抑制可能な技術が望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、半導体装置が提供される。この半導体装置は、ｐ型半導体層と；前記ｐ型半導体層の上に接して形成され、前記ｐ型半導体層に近い側から順番に、ｐ型クラッド層と、多重量子井戸構造を有する発光層と、ｎ型クラッド層と、が積層された構造を有する発光部と；前記発光部の上に形成され、前記ｎ型クラッド層よりも平均ドーピング濃度が高く前記発光部に接するｎ型半導体を含む電流拡散層を有し、前記発光部を駆動する縦型トランジスタと；を備える。

この形態の半導体装置によれば、縦型トランジスタにおいて、発光部に接する電流拡散層は、キャリア濃度の高いｎ型半導体を含むので、キャリア濃度の低いｐ型半導体を含む層が発光部に接する構成に比べて抵抗（ｎ型クラッド層との間のコンタクト抵抗）を小さくでき、発光部に供給される電子をより拡散して発光面積の低減を抑制できる。また、発光部においてｎ型トランジスタの電流拡散層が接するクラッド層は、ｎ型クラッド層なので、縦型トランジスタのドレイン電極が不要となり、ドレイン電極により光が遮られることを抑制できる。また、電流拡散層は、ｎ型クラッド層よりも平均ドーピング濃度が高いので、発光部における広い範囲に電子を拡散でき、発光ムラの発生を抑制できる。

（２）上記形態の半導体装置において、前記縦型トランジスタは、ｐ型半導体を有するチャネル層と；前記チャネル層の上に形成され、ｎ型半導体を有するｎ型コンタクト層と；を更に有してもよい。この形態の半導体装置によれば、チャネル層の下に、ｎ型半導体を有する層、例えば、電流拡散層やドリフト層を有する構成において、かかる層とｎ型コンタクト層との間における導通を制御することにより、発光部の発光を制御できる。

（３）上記形態の半導体装置において、前記縦型トランジスタは、前記ｎ型コンタクト層と前記チャネル層とを連続して貫くトレンチを、更に有してもよい。この形態の半導体装置によれば、かかるトレンチを利用してゲート電極およびゲート絶縁膜を形成できる。

（４）上記形態の半導体装置において、前記縦型トランジスタは、前記トレンチの表面を覆う絶縁膜と；前記絶縁膜に覆われた前記トレンチ内に配置されたゲート電極と；を更に有してもよい。この形態の半導体装置によれば、ゲート電極に印加する電圧によって、発光部の発光を制御できる。

（５）上記形態の半導体装置において、前記縦型トランジスタは、前記電流拡散層と前記チャネル層とに挟まれ、前記電流拡散層よりもドーピング濃度が低いｎ型ドリフト層を、更に有してもよい。この形態の半導体装置によれば、電流拡散層とチャネル層とに挟まれるｎ型ドリフト層を有するので、電流拡散層のドーピング濃度に関わらず、ソース−ドレイン間の耐圧を予め定められた値に制御できる。例えば、電流拡散層の平均ドーピング濃度を低くした場合、ｎ型ドリフト層の平均ドーピング濃度を高くすることにより、ソース−ドレイン間の耐圧を予め定められた値に制御できる。

（６）上記形態の半導体装置において、基板を更に備え；前記ｐ型半導体層は、前記基板の上に接して配置されるｐ型半導体を含むバッファ層を有してもよい。この形態の半導体装置によれば、バッファ層がｐ型半導体であるので、ｐ型コンタクト層全体の厚さを大きくして、ｐ型コンタクト層のシート抵抗を低減できる。

（７）上記形態の半導体装置において、前記発光層は、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）と、窒化ガリウム（ＧａＮ）とを含んでもよい。この形態の半導体装置によれば、発光部は、青色光を照射できる。

本発明は、半導体装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、半導体装置を備える光源装置や、半導体装置の製造方法等の形態で実現することができる。

本発明の半導体装置によれば、縦型トランジスタにおいて、発光部に接する電流拡散層は、ｎ型クラッド層よりも平均ドーピング濃度が高いｎ型半導体を含むので、ｐ型半導体を含む層が発光部に接する構成に比べて抵抗を小さくでき、発光部に供給される電子をより拡散して発光面積の低減を抑制できる。また、発光部においてｎ型トランジスタの電流拡散層が接するクラッド層は、ｎ型クラッド層なので、縦型トランジスタのドレイン電極が不要となり、ドレイン電極により光が遮られることを抑制できる。また、電流拡散層は、ｎ型クラッド層よりも平均ドーピング濃度が高いので、発光部における広い範囲に電子を拡散でき、発光ムラの発生を抑制できる。

本発明の一実施形態としての半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。本発明の一実施形態としての半導体装置の構成を模式的に示す平面図である。半導体装置の等価回路図である。ゲートに駆動部の閾値電圧以上の電圧を印加した場合の電子とホールの流れを模式的に示す説明図である。第２実施形態における半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。変形例の第１の態様における半導体装置の構成を模式的に示す平面図である。変形例の第２の態様における半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．装置構成：
図１は、本発明の一実施形態としての半導体装置１０の構成を模式的に示す断面図である。図２は、本発明の一実施形態としての半導体装置１０の構成を模式的に示す平面図である。図１は、図２における１−１断面を表している。図１および図２には、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が表されている。以降において、＋Ｘ方向を上方、−Ｘ方向を下方と呼ぶ。なお、上方および下方とは、便宜上そのように呼ぶに過ぎず、半導体装置１０が使用される際の半導体装置１０の向きを限定するものではない。図１，２のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、他の図のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸に対応する。

半導体装置１０は、発光機能を有し、光源装置に用いられる。光源装置は、例えば、照明機器や、液晶ディスプレイ装置のバックライトや、ヘッドランプや室内灯などの自動車に搭載される各種照明装置などに用いられる。

半導体装置１０は、基板６００と、ｐ型コンタクト層１００と、発光部２００と、駆動部３００と、トレンチ５００と、ゲート絶縁膜５１０と、ゲート電極４１０と、透明電極４２０と、パラジウム（Ｐｄ）電極４３０とを備える。

基板６００は、面方向（Ｙ−Ｚ平面に沿った方向）に広がる板状の外観形状を有し、本実施形態では、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）から主として成る。なお、基板６００は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのサファイアとは異なる材料から主として形成されてもよい。

ｐ型コンタクト層１００は、ｐ型バッファ層１１０と、ｐ型ＧａＮ層１２０と、ｐ＋型ＧａＮ層１３０とを備える。これらの各層１１０，１２０，１３０は、いずれも、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いたエピタキシャル成長により形成されている。

ｐ型バッファ層１１０は、基板６００上にｐ型ＧａＮ層１２０およびｐ＋型ＧａＮ層１３０がエピタキシャル成長により形成する際に、核として機能する層である。本実施形態では、ｐ型バッファ層１１０は、８００℃以下の温度環境下でエピタキシャル成長した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の層を含むｐ型半導体層である。なお、バッファ層は、ｐ型半導体層でなくてもよい。但し、本実施形態のように、バッファ層をｐ型半導体として形成することにより、ｐ型コンタクト層１００の厚さ（Ｘ軸方向の長さ）を大きくでき、ｐ型コンタクト層１００のシート抵抗を低減できる。

ｐ型ＧａＮ層１２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｐ型半導体層である。ｐ型ＧａＮ層１２０は、ｐ型バッファ層１１０の上に接して配置されている。ｐ型ＧａＮ層１２０には、ドーパント（アクセプタ）として、マグネシウム（Ｍｇ）が添加されている。本実施形態において、ｐ型ＧａＮ層１２０の厚さは、１００ｎｍ（ナノメートル）以上２０μｍ（マイクロメートル）以下である。

ｐ＋型ＧａＮ層１３０は、ｐ型ＧａＮ層１２０と同様に、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｐ型半導体層である。但し、ｐ＋型ＧａＮ層１３０の平均ドーピング濃度は、ｐ型ＧａＮ層１２０の平均ドーピング濃度に比べて高い。これは、パラジウム電極４３０を合金化させたときに、パラジウム（Ｐｄ）をｐ＋型ＧａＮ層１３０まで拡散させて、発光部２００が有する後述のｐ型ＧａＮクラッド層、ｐ＋型ＧａＮ層１３０およびｐ型ＧａＮ層１２０と、パラジウム電極４３０との間の接触抵抗を低減させるためである。

発光部２００は、ｐ型コンタクト層１００の上に接して配置されている。発光部２００は、多重量子井戸構造を有する発光素子である。発光部２００は、ｐ型コンタクト層１００（ｐ＋型ＧａＮ層１３０）に近い側から順番に、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０と、発光層２２０と、ｎ型ＧａＮクラッド層２３０とが積層された構造を有する。これらの各層２１０，２２０，２３０は、いずれもＭＯＣＶＤを用いたエピタキシャル成長により形成されている。

ｐ型ＧａＮクラッド層２１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｐ型半導体層であり、ドーパント（アクセプタ）が添加されている。本実施形態では、かかるアクセプタとしてマグネシウム（Ｍｇ）が用いられている。本実施形態において、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０におけるアクセプタとしてのマグネシウム（Ｍｇ）の平均濃度は、５×１０^１７ｃｍ^−３以上２×１０^２０ｃｍ^−３以下である。マグネシウム（Ｍｇ）を用いた場合の活性化率は数％と低いため、マグネシウム（Ｍｇ）の平均濃度を、５×１０^−１７ｃｍ^−３以上としている。また、マグネシウム（Ｍｇ）の平均濃度が高すぎると、結晶欠陥が形成されて欠陥準位が生じるため、マグネシウム（Ｍｇ）の平均濃度を２×１０^２０ｃｍ^−３以下としている。ｐ型ＧａＮクラッド層２１０の上面（＋Ｘ方向の面）のうちの中央寄りの部分は、発光層２２０に接している。他方、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０の上面のうちの残りの部分、すなわち、外周側の部分は、発光層２２０に接していない。ｐ型ＧａＮクラッド層２１０の上面のうちの外周側の部分は、その中央部分にパラジウム電極４３０が接して配置されており、残りの端部は露出している。また、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０の外周側の部分の厚さ（Ｘ軸方向の長さ）は、中央寄りの部分の厚さよりも小さい。なお、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０の一部に、アルミニウム（Ａｌ）が添加された窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）が形成されていてもよい。

発光層２２０は、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０の上に接して配置されている。発光層２２０は、量子井戸としての窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）と、障壁層としての窒化ガリウム（ＧａＮ）とからなる超格子構造を含む多重量子井戸構造を有する。超格子の繰り返し数（層数）は２以上３０以下であり、厚さ（Ｘ軸方向の長さ）は５ｎｍ（ナノメートル）以上１００ｎｍ（ナノメートル）以下である。

ｎ型ＧａＮクラッド層２３０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｎ型半導体層であり、ドーパント（ドナー）が添加されている。本実施形態では、かかるドナーとして、ケイ素（Ｓｉ）が添加されている。本実施形態では、ｎ型ＧａＮクラッド層２３０におけるドナーとしてのケイ素（Ｓｉ）の平均濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下である。ｎ型ＧａＮクラッド層２３０の厚さ（Ｘ軸方向の長さ）は１０ｎｍ（ナノメートル）以上５００ｎｍ（ナノメートル）以下である。

駆動部３００は、発光部２００の上に接して配置され、発光部２００を駆動する。駆動部３００は、トレンチゲート構造を有する縦型トランジスタとして構成されている。駆動部３００は、発光部２００（ｎ型ＧａＮクラッド層２３０）に近い側から順番に、電流拡散層３１０と、ｐ型チャネル層３２０と、ｎ＋型コンタクト層３３０とを備える。これらの各層３１０，３２０，３３０は、いずれもＭＯＣＶＤを用いたエピタキシャル成長により形成されている。

電流拡散層３１０は、ｎ型ＧａＮクラッド層２３０の上に接して配置されている。電流拡散層３１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｎ型半導体層であり、ドーパント（ドナー）が添加されている。本実施形態では、かかるドナーとして、ケイ素（Ｓｉ）が添加されている。電流拡散層３１０の平均ドーピング濃度は、ｎ型ＧａＮクラッド層２３０の平均ドーピング濃度よりも高い。具体的には、１×１０^１７ｃｍ^−３以上５×１０^１９ｃｍ^−３以下である。このように、電流拡散層３１０における平均ドーピング濃度を比較的高くすることにより、電子を面方向（Ｙ−Ｚ平面に沿った方向）に拡散させ易くしている。上述のように、本実施形態では、電流拡散層３１０をｎ型半導体層として形成している。また、電流拡散層３１０と接する発光部２００における最上層であるｎ型ＧａＮクラッド層２３０もｎ型半導体層としている。このように、両層は、いずれもキャリア濃度が比較的高いｎ型半導体により構成されているため、電流拡散層３１０とｎ型ＧａＮクラッド層２３０のシート抵抗は低い。

ｐ型チャネル層３２０は、電流拡散層３１０の上に接して配置されている。ｐ型チャネル層３２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｐ型半導体層であり、ドーパント（アクセプタ）が添加されている。本実施形態では、かかるアクセプタとして、マグネシウム（Ｍｇ）が添加されている。ｐ型チャネル層３２０の平均ドーピング濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上２×１０^２０ｃｍ^−３以下である。なお、ｐ型チャネル層３２０の平均ドーピング濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下とした場合には、駆動部３００（縦型トランジスタ）の閾値電圧が負になることがある。この場合、ゲート電圧が０Ｖのとき、駆動部３００（縦型トランジスタ）はオン状態となり、発光部２００は発光状態となる。他方、ゲート電圧が負のとき、駆動部３００（縦型トランジスタ）はオフ状態となり、発光部２００は非発光状態となる。これに対して、ｐ型チャネル層３２０の平均ドーピング濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３よりも大きくした場合には、閾値電圧は正となり、ゲート電圧が０Ｖのときに発光部２００は非発光状態となり、ゲート電圧が閾値電圧以上のときに発光部２００は発光状態となる。ｐ型チャネル層３２０の厚さは、ｐ型チャネル層３２０のマイノリティキャリアである電子の拡散長よりも大きく（厚く）する。このようにすることで、駆動部３００がオフ状態のときに、ｎ＋型コンタクト層３３０から電流拡散層３１０に電子が流れてしまうことを抑制できる。具体的には、本実施形態において、ｐ型チャネル層３２０の厚さ（Ｘ軸方向の長さ）は、１００ｎｍ（ナノメートル）以上１μｍ（マイクロメートル）以下である。

ｎ＋型コンタクト層３３０は、ｐ型チャネル層３２０の上に接して配置されている。ｎ＋型コンタクト層３３０は、自身の上に接して形成される透明電極４２０との間でｎ型のオーミック接触を実現するために用いられる。ｎ＋型コンタクト層３３０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｎ型半導体層であり、ドーパント（ドナー）が添加されている。本実施形態では、かかるドナーとして、ケイ素（Ｓｉ）が添加されている。ｎ＋型コンタクト層３３０の平均ドーピング濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^−３以上２×１０²⁰ｃｍ^−３以下である。透明電極４２０をオーミック接触させるために、ｎ＋型コンタクト層３３０の平均ドーピング濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^−３以上としている。また、平均ドーピング濃度が高過ぎると、結晶欠陥により電子移動度が低下して抵抗成分が増加してしまうため、ｎ＋型コンタクト層３３０の平均ドーピング濃度を２×１０²⁰ｃｍ^−３以下としている。ｎ＋型コンタクト層３３０の厚さ（Ｘ軸方向の長さ）は、１０ｎｍ（ナノメートル）以上５００ｎｍ（ナノメートル）以下である。

トレンチ５００は、ｎ＋型コンタクト層３３０とｐ型チャネル層３２０とを連続して貫通して電流拡散層３１０の上部まで達する溝部として形成されている。なお、トレンチ５００は、電流拡散層３１０の中央または下部まで達する溝部として形成されてもよい。トレンチ５００は、各半導体層に対する−Ｘ方向のドライエッチングによって形成されている。トレンチ５００は、ｐ型チャネル層３２０を完全に貫いているため、ｐ型チャネル層３２０に形成された反転層が十分に電流拡散層３１０に接することができる。したがって、ｐ型チャネル層３２０を完全に貫いていない構成に比べてオン抵抗を低減できる。

ゲート絶縁膜５１０は、電気絶縁性を有する膜である。ゲート絶縁膜５１０は、トレンチ５００の表面を覆う。本実施形態では、ゲート絶縁膜５１０は、トレンチ５００の内側（底部および側面）から外側（ｎ＋型コンタクト層３３０の上面）にわたって形成されている。本実施形態では、ゲート絶縁膜５１０は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る。なお、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）に代えて、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）などから主として形成されてもよい。また、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）等から選択される材料により形成される薄膜を複数積層して形成してもよい。例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の薄膜と酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の薄膜とを積層して形成する、或いは、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の薄膜と窒化ケイ素（ＳｉＮ）の薄膜とを積層して形成してもよい。ゲート絶縁膜５１０の厚さは十分に薄く形成されている。具体的には、本実施形態において、ゲート絶縁膜５１０の厚さは、１ｎｍ（ナノメートル）以上１００ｎｍ（ナノメートル）以下である。このようにゲート絶縁膜５１０の厚さを十分に薄く形成することにより、ドレインコンダクタンスを向上でき、ゲート電圧を閾値電圧以上にしたときに、急峻にソース−ドレイン間に電流が流れるようになり、発光部２００における非発光状態から発光状態への状態遷移を急峻にできる。

ゲート電極４１０は、ゲート絶縁膜５１０に覆われたトレンチ５００内に埋め込まれるように配置されている。本実施形態において、ゲート電極４１０は、熱安定性の高い窒化チタン（ＴｉＮ）膜と、かかるＴｉＮ膜の上に接して形成されたアルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）からなる電極とを備える。ＴｉＮ膜の厚さは、１ｎｍ（ナノメートル）以上１０ｎｍ（ナノメートル）以下である。なお、ゲート電極４１０の材料として、透明電極４２０と同様に、後述の酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いてもよい。

透明電極４２０は、駆動部３００（縦型トランジスタ）におけるソース電極に相当する。透明電極４２０は、ｎ＋型コンタクト層３３０の上に接して（オーミック接触して）配置されている。また、透明電極４２０は、トレンチ５００およびゲート絶縁膜５１０を挟むように配置されている。トレンチ５００およびゲート絶縁膜５１０を挟んで配置された２つの透明電極４２０は、互いに電気的に接続されている。本実施形態において、透明電極４２０は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）により形成されている。なお、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）に代えて、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や酸化スズ（ＳｎＯ）など、透光性を有する任意の材料を用いてもよい。なお、ｐ型チャネル層３２０と直接接する図示しない電極（ｐ型オーミック電極等）を形成し、かかる電極を透明電極４２０と電気的に接続させてもよい。このようにすることで、ｐ型チャネル層３２０の電位を固定させて閾値電圧がずれることを抑制できる。また、サージ等に起因してｐ型チャネル層３２０に蓄積されたホールを引き抜くことができ、サージ等による駆動部３００の静電破壊を抑制できる。

パラジウム電極４３０は、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０において後述するメサ構造２０が形成されていない部分の上面に接して配置されている。パラジウム電極４３０は、駆動部３００における発光部２００を介したドレイン電極に相当する。なお、パラジウム電極４３０に対して電気的に接続されるダイオード電極パッドを用いてもよい。同様に、上述のゲート電極４１０に電気的に接続されるゲート電極パッド、および上述の透明電極４２０に電気的に接続されるソース電極パッドを、それぞれ用いてもよい。

図１に示すように、駆動部３００および発光部２００は、上面（＋Ｘ側の端面）と側面（外周方向側に露となった面）を有する台地状のメサ構造２０を備える。本実施形態では、メサ構造２０は、ｎ＋型コンタクト層３３０の＋Ｘ方向の端部から、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０の一部（Ｘ軸方向の一部）に達するまで形成されている。したがって、メサ構造２０の外周側には、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０が露出している。そして、上述のように、かかる露出部分にパラジウム電極４３０が配置されている。メサ構造２０は、発光部２００の上に駆動部３００が形成された状態において、−Ｘ方向のドライエッチングを行うことにより形成されている。

図２に示すように、半導体装置１０全体の平面視形状は、四隅がＲ形状に面取りされた矩形形状である。また、半導体装置１０を構成する各層の平面視形状も、全体の平面視形状と同様に、四隅がＲ形状に面取りされた矩形形状である。そして、各層の中心位置はほぼ一致している。図２において、半導体装置１０の中央部分、およびかかる中央部分からゲート絶縁膜５１０とゲート電極４１０とを介した外周側には、透明電極４２０が配置されている。したがって、発光部２００が発光状態である場合に、これら透明電極４２０の配置領域を通して、光が上方に照射されることとなる。特に中央部分の透明電極４２０の平面視面積は大きいので、発光面積を大きい。

上述のｐ型コンタクト層１００は、請求項におけるｐ型半導体層の下位概念に相当する。また、ｐ型バッファ層１１０は請求項におけるバッファ層の下位概念に、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０は請求項におけるｐ型クラッド層の下位概念に、ｎ型ＧａＮクラッド層２３０は請求項におけるｎ型クラッド層の下位概念に、ｐ型チャネル層３２０は請求項におけるチャネル層の下位概念に、ｎ＋型コンタクト層３３０は請求項におけるｎ型コンタクト層の下位概念に、それぞれ相当する。

Ａ２．半導体装置１０の動作：
図３は、半導体装置１０の等価回路図である。図３に示すように、駆動部３００はトランジスタとして、また、発光部２００はダイオードとして表される。ゲートＧに閾値電圧以上の電圧が印加されると、トランジスタ（駆動部３００）がオン状態となり、ソースＳとドレインＤとの間（ダイオード）に電流が流れる。このため、発光部２００は発光状態となる。他方、ゲートＧに閾値電圧未満の電圧が印加された場合、トランジスタ（駆動部３００）がオフ状態となり、ソースＳとドレインＤとの間（ダイオード）に電流が流れない。このため、発光部２００は非発光状態となる。

図４は、ゲートＧに駆動部３００の閾値電圧以上の電圧を印加した場合の電子とホールの流れを模式的に示す説明図である。図４では、図１に示す半導体装置１０の模式断面図に対し、実線の矢印により電子の流れを追記し、また、破線の矢印によりホール（正孔）の流れを模式的に追記している。

ゲートＧに駆動部３００（縦型トランジスタ）の閾値電圧以上の電圧が印加されると、ゲート絶縁膜５１０に接するｐ型チャネル層３２０に反転層が形成され、ｎ型領域が形成される。このため、ｐ型チャネル層３２０を介して、ｎ＋型コンタクト層３３０と電流拡散層３１０との間に電子が流れることとなる。ｐ型チャネル層３２０を通過して電流拡散層３１０に到達した電子は、電流拡散層３１０により横方向（Ｙ−Ｚ平面に沿った方向）に拡散し、発光部２００のｎ型ＧａＮクラッド層２３０に、全面にわたってほぼ均一に供給されることとなる。このため、発光部２００は、ほぼ均一に発光し、発光ムラの発生が抑制される。

他方、ホールは、パラジウム電極４３０からｐ型コンタクト層１００に向かって移動し、その後、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０を介して発光層２２０に到達する。そして、発光層２２０において、電流拡散層３１０を介して供給される電子と再結合して発光する。ここで、上述のように、バッファ層（ｐ型バッファ層１１０）をｐ型半導体により形成することで、ｐ型コンタクト層１００の厚さを大きくしているために、ｐ型コンタクト層１００のシート抵抗は低減されている。このため、ｐ型コンタクト層１００におけるホールの移動が妨げられることが抑制され、大きな電流が流れる。窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物半導体は、アクセプタのドーピング濃度を高くしてもホール濃度は高くならないことに加えてホールの移動度が小さいため、ｐ型半導体層の抵抗は、ｎ型半導体層と比較して高い。本実施形態では、抵抗が高くなるｐ型半導体であるｐ型コンタクト層１００のシート抵抗を下げることができ、半導体装置１０全体でのオン抵抗を大幅に低減できる。

以上説明した第１実施形態の半導体装置１０によれば、駆動部３００において、発光部２００に接する電流拡散層３１０は、キャリア濃度の高いｎ＋型半導体（ｎ＋ＧａＮ）を含むので、キャリア濃度の低いｐ型半導体を含む層が発光部２００に接する構成に比べて抵抗（電流拡散層３１０とｎ型ＧａＮクラッド層２３０との間のコンタクト抵抗）を小さくでき、発光部に供給される電子をより拡散して発光面積の低減を抑制できる。また、発光部２００において駆動部３００の電流拡散層３１０が接するクラッド層（ｎ型ＧａＮクラッド層２３０）は、ｎ型クラッド層なので、縦型トランジスタのドレイン電極が不要となり、ドレイン電極により光が遮られることを抑制できる。また、電流拡散層３１０は、ｎ型ＧａＮクラッド層２３０よりも平均ドーピング濃度が高いので、発光部２００における広い範囲に電子を拡散でき、発光ムラの発生を抑制できる。

また、バッファ層（ｐ型バッファ層１１０）をｐ型半導体層として形成することにより、ｐ型コンタクト層１００の厚さ（Ｘ軸方向の長さ）を大きくして、ｐ型コンタクト層１００のシート抵抗を低減できる。このため、ｐ型コンタクト層１００におけるホールの移動が妨げられることを抑制して、大きな電流を流すことができる。

また、駆動部３００（縦型トランジスタ）は、ｐ型チャネル層３２０の下に接してｎ型半導体（ｎ＋ＧａＮ）を有する層である電流拡散層３１０を備え、ｐ型チャネル層３２０の上に接してｎ型半導体（ｎ＋ＧａＮ）を有する層であるｎ＋型コンタクト層３３０を備えている。このため、ゲートＧに閾値電圧以上の電圧を印加することによって駆動部３００から発光部２００への電子の移動を制御し、発光部２００の発光を制御できる。

また、駆動部３００を縦型トランジスタとして発光部２００の上に配置しているので、半導体装置１０全体の平面視面積における発光面積の割合を大きくし、半導体装置１０の小型化および発光面積の増大を実現できる。

また、発光層２２０は、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）と、窒化ガリウム（ＧａＮ）とからなる超格子構造を含む多重量子井戸構造を有するので、青色光を照射できる。

また、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０およびｎ型ＧａＮクラッド層２３０は、いずれも窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むので、高温動作が可能になる、高速スイッチングが可能になる等の効果を奏する。同様に、電流拡散層３１０も窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むので、オン抵抗を低減できる、高温動作が可能になる、高速スイッチングが可能になる等の効果を奏する。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態における半導体装置１０ａの構成を模式的に示す断面図である。第２実施形態の半導体装置１０ａは、駆動部３００に代えて駆動部３００ａを備えている点において、第１実施形態の半導体装置１０と異なる。半導体装置１０ａにおけるその他の構成は、半導体装置１０と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。駆動部３００ａは、ｎ型ドリフト層３１５を追加して備える点において、第１実施形態の駆動部３００と異なる。駆動部３００ａにおけるその他の構成は、駆動部３００と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

ｎ型ドリフト層３１５は、電流拡散層３１０とｐ型チャネル層３２０との間においてそれぞれの層３１０，３２０に接して配置されている。ｎ型ドリフト層３１５は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｎ型半導体層であり、ドーパント（ドナー）が添加されている。本実施形態では、かかるドナーとして、ケイ素（Ｓｉ）が添加されている。ｎ型ドリフト層３１５の平均ドーピング濃度は、電流拡散層３１０の平均ドーピング濃度よりも低い。具体的には、５×１０^１５ｃｍ^−３以上１×１０^１８ｃｍ^−３以下である。このようなｎ型ドリフト層３１５を電流拡散層３１０に接して配置することにより、電流拡散層３１０の平均ドーピング濃度の高低に関わらず、ソースＳ−ドレインＤ間の耐圧を予め定められた値に制御できる。例えば、電流拡散層３１０の平均ドーピング濃度を低くした場合、ｎ型ドリフト層３１５の平均ドーピング濃度を高くすることにより、ソース−ドレイン間の耐圧を予め定められた値に制御できる。

ｎ型ドリフト層３１５の厚さ（Ｘ軸方向の長さ）は、１００ｎｍ（ナノメートル）以上５μｍ（マイクロメートル）以下である。なお、ｎ型ドリフト層３１５の厚さが大き過ぎると、駆動部３００すなわち縦型トランジスタのオン抵抗が増大する。そこで、縦型トランジスタのオン抵抗の増大を抑制するため、ｎ型ドリフト層３１５の厚さを、０．１μｍ（マイクロメートル）以下としてもよい。このようにオン抵抗の増大を抑制することにより、縦型トランジスタがオン状態となったときの寄生抵抗を低減させることができる。このため、発光部２００に印加される電圧の減少を抑制して、発光量の減少を抑制できる。

以上説明した第２実施形態の半導体装置１０ａは、第１実施形態の半導体装置１０と同様な効果を有する。加えて、電流拡散層３１０よりも平均ドーピング濃度の低いｎ型ドリフト層３１５を電流拡散層３１０に接して配置しているので、電流拡散層３１０の平均ドーピング濃度の高低に関わらず、ソースＳ−ドレインＤ間の耐圧を予め定められた値に制御できる。

Ｃ．変形例：
Ｃ１．変形例１：
各実施形態において、半導体装置１０，１０ａを構成する各層の平面視形状は、四隅がＲ形状に面取りされた矩形形状であったが、本発明はこれに限定されない。

図６は、変形例の第１の態様における半導体装置１０ｂの構成を模式的に示す平面図である。半導体装置１０ｂは、トレンチ５００に代えてトレンチ５００ａを備える点、ゲート絶縁膜５１０に代えてゲート絶縁膜５１０ａを備える点、ゲート電極４１０に代えてゲート電極４１０ａを備える点、および透明電極４２０に代えて４つの透明電極４２１ａ，４２２ａ，４２３ａ，４２４ａを備える点において、図２に示す第１実施形態の半導体装置１０と異なる。半導体装置１０ｂにおけるその他の構成は、図２に示す半導体装置１０と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

トレンチ５００ａは、平面視形状が所定の厚さを有する十字形状である点を除き、第１実施形態のトレンチ５００と同じ構成を有する。トレンチ５００ａは、互いに中心部で直交する直線状の溝から成るともいえる。トレンチ５００ａの中心は、半導体装置１０ｂの中心とほぼ一致する。トレンチ５００ａを構成する一方の直線状の溝は、半導体装置１０ｂの長手方向（Ｙ軸方向）と平行である。また、他方の直線状の溝は、半導体装置１０ｂの短手方向（Ｚ軸方向）と平行である。

ゲート絶縁膜５１０ａは、トレンチ５００ａの表面を覆う。このため、ゲート絶縁膜５１０ａの平面視形状は、中央に平面視形状が十字状の溝を有する十字形状である。ゲート絶縁膜５１０ａのその他の構成は、第１実施形態のゲート絶縁膜５１０と同じである。

ゲート電極４１０ａは、平面視形状が十字形状である点を除き、第１実施形態のゲート電極４１０と同じ構成を有する。ゲート電極４１０ａは、トレンチ５００ａと同様に、互いに中心部で直交する直線状の電極からなるともいえる。ゲート電極４１０ａの中心は、半導体装置１０ｂの中心とほぼ一致する。ゲート電極４１０ａは、ゲート絶縁膜５１０ａで覆われたトレンチ５００ａ内に埋め込まれている。

４つの透明電極４２１ａ〜４２４ａは、メサ構造２０においてトレンチ５００ａで区画された４つの領域に配置されている。これら４つの透明電極４２１ａ〜４２４ａは、互いに電気的に接続されている。

以上の構成を有する変形例の第１の態様における半導体装置１０ｂは、第１実施形態の半導体装置１０と同様な効果を有する。加えて、ゲート電極４１０ａは、十字形状の平面視形状を有し、自身の中心が半導体装置１０ｂの中心とほぼ一致している。このため、発光部２００の上方、特に発光部２００の中心部分（Ｙ−Ｚ平面と平行な面における中心部分）の上方にゲート電極４１０ａが位置するので、発光部２００に印加される電圧の面方向（Ｙ−Ｚ平面と平行な方向）におけるムラを抑制して、発光ムラをより抑制できる。なお、半導体装置１０ｂの構成を、第２実施形態の半導体装置１０ａに適用してもよい。

Ｃ２．変形例２：
各実施形態では、パラジウム電極４３０は、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０に接して配置されていたが、本発明はこれに限定されない。

図７は、変形例の第２の態様における半導体装置１０ｃの構成を模式的に示す断面図である。半導体装置１０ｃは、発光部２００に代えて発光部２００ａを備える点において、図１に示す第１実施形態の半導体装置１０と異なる。半導体装置１０ｃにおけるその他の構成は、図１に示す半導体装置１０と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。発光部２００ａは、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０に代えてｐ型ＧａＮクラッド層２１０ａを備える点において、図１に示す第１実施形態の発光部２００と異なる。発光部２００ａにおけるその他の構成は、図１に示す発光部２００と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

ｐ型ＧａＮクラッド層２１０ａのすべては、メサ構造２０内に存在する。したがって、ｐ＋型ＧａＮ層１３０の上面のうち、外周側の部分は、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０ａに接していない。そして、このｐ＋型ＧａＮ層１３０の上面のうちの外周側の部分にパラジウム電極４３０が配置されている。すなわち、変形例の第２の態様における半導体装置１０ｃでは、パラジウム電極４３０は、ｐ型ＧａＮクラッド層２１０に接して配置されておらず、ｐ＋型ＧａＮ層１３０に接して配置されている。

以上の構成を有する変形例の第２の態様の半導体装置１０ｃは、第１実施形態の半導体装置１０と同様な効果を有する。

Ｃ３．変形例３：
各実施形態の半導体装置１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃを構成する各層のうち、ＧａＮから主に成る半導体層は、ＧａＮに代えて、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化鉛ガリウム（ＺｎＧａＮ）、窒化アルミニウム鉛ガリウム（ＡｌＺｎＧａＮ）から主と成る構成としてもよい。すなわち、一般には、これらの層を、ＧａＮを含む層として構成してもよい。

Ｃ４．変形例４：
各実施形態の駆動部３００，３００ａは、トレンチゲート構造を有する縦型トランジスタであったが、プレーナ型の縦型トランジスタであってもよい。このような構成であっても、各実施形態と同様な効果を奏する。

Ｃ５．変形例５：
各実施形態の発光層２２０は、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）とを含む多重量子井戸構造を有していたが、他の材料を含む多重量子井戸構造を用いてもよい。例えば、ガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＡｓ）とアルミニウムインジウムヒ素（ＡｌＩｎＡｓ）とを含む多重量子井戸構造を有してもよい。

Ｃ６．変形例６：
各実施形態において、ドナーとしてケイ素（Ｓｉ）が用いられ、アクセプタとしてマグネシウム（Ｍｇ）が用いられていたが、本発明はこれに限定されない。ドナーとして、ゲルマニウム（Ｇｅ）や酸素（Ｏ）などを用いてもよい。また、アクセプタとして、亜鉛（Ｚｎ）や炭素（Ｃ）などを用いてもよい。

本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する本実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…半導体装置
２０…メサ構造
１００…ｐ型コンタクト層
１１０…ｐ型バッファ層
１２０…ｐ型ＧａＮ層
１３０…ｐ＋型ＧａＮ層
１６０…絶縁膜
２００，２００ａ…発光部
２１０，２１０ａ…ｐ型ＧａＮクラッド層
２２０…発光層
２３０…ｎ型ＧａＮクラッド層
３００…駆動部
３００ａ…駆動部
３１０…電流拡散層
３１５…ｎ型ドリフト層
３２０…ｐ型チャネル層
３３０…ｎ＋型コンタクト層
４１０，４１０ａ…ゲート電極
４２０，４２１ａ，４２２ａ，４２３ａ，４２４ａ…透明電極
４３０…パラジウム電極
５００，５００ａ…トレンチ
５１０，５１０ａ…ゲート絶縁膜
６００…基板
Ｄ…ドレイン
Ｇ…ゲート
Ｓ…ソース

Claims

半導体装置であって、
ｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層の上に接して形成され、前記ｐ型半導体層に近い側から順番に、ｐ型クラッド層と、多重量子井戸構造を有する発光層と、ｎ型クラッド層と、が積層された構造を有する発光部と、
前記発光部の上に形成され、前記ｎ型クラッド層よりも平均ドーピング濃度が高く前記発光部に接するｎ型半導体を含む電流拡散層を有し、前記発光部を駆動する縦型トランジスタと、
を備える、半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置において、
前記縦型トランジスタは、
ｐ型半導体を有するチャネル層と、
前記チャネル層の上に形成され、ｎ型半導体を有するｎ型コンタクト層と、
を更に有する、半導体装置。
請求項２に記載の半導体装置において、
前記縦型トランジスタは、前記ｎ型コンタクト層と前記チャネル層とを連続して貫くトレンチを、更に有する、半導体装置。
請求項３に記載の半導体装置において、
前記縦型トランジスタは、
前記トレンチの表面を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜に覆われた前記トレンチ内に配置されたゲート電極と、
を更に有する、半導体装置。
請求項２から請求項４までのいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記縦型トランジスタは、前記電流拡散層と前記チャネル層とに挟まれ、前記電流拡散層よりもドーピング濃度が低いｎ型ドリフト層を、更に有する、半導体装置。
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の半導体装置において、
基板を更に備え、
前記ｐ型半導体層は、前記基板の上に接して配置されるｐ型半導体を含むバッファ層を有する、半導体装置。
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記発光層は、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）と、窒化ガリウム（ＧａＮ）と、を含む、半導体装置。