(57)【要約】【課題】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。【解決手段】基板と、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、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、基板上に形成され、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、窒化物半導体層上の一部に形成され、ヘテロ接合部と発光部とに電圧を印加する複数の電極と、窒化物半導体層および電極上に形成された保護層と、を備え、保護層は、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を含有し、保護層を構成する材料は、発光部が発光した光の波長よりも、波長変換材料が放出した光の波長に対して、吸収率が低い半導体装置。【選択図】図１
2014236017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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半導体装置。
【請求項２】
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請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
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請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記発光部は、ヘテロ接合部であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記発光部は、量子井戸構造を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項６】
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請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
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請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項８】
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請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項９】
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請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記波長変換材料は、色素であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１１】
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請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９８７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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２】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３】図３は、ポリイミドの透過率の一例を表す図である。
【図４】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５】図５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６】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７】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８】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９】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１０】図１０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。
【図１１】図１１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。
【図１２】図１２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。
【図１３】図１３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。
【図１４】図１４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。
【図１５】図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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
（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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
（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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
（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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【符号の説明】
【００７３】
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
【図１】
2014236017.tif 000003
【図２】
2014236017.tif 000004
【図３】
2014236017.tif 000005
【図４】
2014236017.tif 000006
【図５】
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【図６】
2014236017.tif 000008
【図７】
2014236017.tif 000009
【図８】
2014236017.tif 000010
【図９】
2014236017.tif 000011
【図１０】
2014236017.tif 000012
【図１１】
2014236017.tif 000013
【図１２】
2014236017.tif 000014
【図１３】
2014236017.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2014236017.tif 000017