(57)【要約】【課題】ドレイン電流ドリフト現象を抑制すること。【解決手段】本発明は、窒化物半導体からなるチャネル層を含む半導体層と、前記半導体層上に形成されたソース電極、ゲート電極およびドレイン電極と、を備えるＦＥＴ４１と、前記ＦＥＴ４１のゲート電極とドレイン電極との間の前記半導体層に光を照射する光源４３と、前記ＦＥＴ４１および前記光源４３とを収容するパッケージ４５と、を具備する半導体装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなるチャネル層を含む半導体層と、前記半導体層上に形成されたソース電極、ゲート電極およびドレイン電極と、を備えるＦＥＴと、
前記ＦＥＴのゲート電極とドレイン電極との間の前記半導体層に光を照射する光源と、
前記ＦＥＴおよび前記光源とを収容するパッケージと、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記チャネル層はＧａＮからなり、
前記光の波長は４００ｎｍ〜７００ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ＦＥＴは、前記半導体層上に形成された絶縁膜と、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記絶縁膜上に形成されたフィールドプレートと、を備え、
前記光源は、前記ＦＥＴの前記フィールドプレートと前記ドレイン電極との間の前記半導体層に前記光を照射することを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ＦＥＴの動作が待機状態の場合に、前記光源が発光することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記光源は常時発光することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項６】
前記パッケージの内壁に前記光を反射する金属膜が設けられてなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項７】
前記光源は、ＬＥＤからなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に窒化物半導体をチャネル層として有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等のＦＥＴ（Field Effect Transistor）は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子として用いられている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２８６１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、窒化物半導体をチャネル層として有するＦＥＴにおいては、高周波（ＲＦ）電力を投入すると、ドレイン電流が減少し、その後回復していく現象（以下、ドレイン電流ドリフト現象という）が生じる。本発明は、ドレイン電流ドリフト現象を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、窒化物半導体からなるチャネル層を含む半導体層と、前記半導体層上に形成されたソース電極、ゲート電極およびドレイン電極と、を備えるＦＥＴと、前記ＦＥＴのゲート電極とドレイン電極との間の前記半導体層に光を照射する光源と、前記ＦＥＴおよび前記光源とを収容するパッケージと、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、ドレイン電流ドリフト現象を抑制することができる。
【０００６】
上記構成において、前記チャネル層はＧａＮからなり、前記光の波長は４００ｎｍ〜７００ｎｍである構成とすることができる。
【０００７】
上記構成において、前記ＦＥＴは、前記半導体層上に形成された絶縁膜と、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記絶縁膜上に形成されたフィールドプレートと、を備え、前記光源は、前記ＦＥＴの前記フィールドプレートと前記ドレイン電極との間の前記半導体層に前記光を照射する構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記ＦＥＴの動作が待機状態の場合に、前記光源が発光する構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記光源は常時発光する構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記パッケージの内壁に前記光を反射する金属膜が設けられてなる構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記光源は、ＬＥＤからなる構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ドレイン電流ドリフト現象を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１（ａ）および図１（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置を示す図である。
【図２】図２は、実施例１に係る半導体装置が有するＦＥＴの断面図である。
【図３】図３は、ＦＥＴに光を照射することによる効果を説明する図である。
【図４】図４は、ＦＥＴの別の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１（ａ）および図１（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置を示す図である。図１（ａ）は、実施例１に係る半導体装置の平面図である（蓋は図示していない）。図１（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）のように、パッケージ４５は、キャビティ内に、ＦＥＴ４１が形成されたチップ４０およびＬＥＤ（Light Emitting Device）４３が形成されたチップ４２を収容している。パッケージ４５は、例えばＣｕとＭｏを材料とするベース４４と、例えばセラミックまたはＣｕを材料とするキャップ４６と、を有する。ベース４４上にキャップ４６が固着されている。これにより、チップ４０およびチップ４２はキャビティ内に封止される。キャップ４６の内面には光３０を反射するためのＡｌ等の金属膜４９が形成されていてもよい。パッケージ４５の外にはリード４８が引き出されている。リード４８はそれぞれ、ＦＥＴ４１のゲート電極、ドレイン電極、ＬＥＤ４３のｐ型電極、ｎ型電極に電気的に接続されている。ＬＥＤ４３のｐ型電極およびｎ型電極に電流を印加することにより、ＬＥＤ４３が発光する。発光した光３０は金属膜４９で反射し、ＦＥＴチップ４０の上面に照射される。金属膜４９は、パッケージ４５の内壁に設けられていればよい。
【００１６】
図２は、実施例１に係る半導体装置が有するＦＥＴ４１の断面図である。基板１０上に、半導体層１９として、バッファ層１２、チャネル層１４、電子供給層１６およびキャップ層１８が順次形成されている。基板１０は、例えばＳｉＣ、サファイアまたはＳｉ等である。バッファ層１２は例えば膜厚が３００ｎｍのＡｌＮ層である。チャネル層１４は例えば膜厚が１０００ｎｍのＧａＮ層である。電子供給層１６は、例えば膜厚が２０ｎｍ、Ａｌ組成比が０．２のｎ型ＡｌＧａＮ層である。キャップ層１８は、例えば膜厚が５ｎｍのｎ型ＧａＮ層である。なお、図２において、半導体層１９に基板１０を含めているが、基板１０がＳｉＣまたはサファイアのように絶縁体の場合は、半導体層はバッファ層１２からキャップ層１８である。
【００１７】
半導体層１９上にソース電極２０、ゲート電極２２およびドレイン電極２４が形成されている。ゲート電極２２を覆うように、半導体層１９上に絶縁膜２６が形成されている。ソース電極２０およびドレイン電極２４として、半導体層１９側から例えばＴａ層およびＡｌ層が形成されている。ゲート電極２２として、半導体層１９側から例えばＮｉ層およびＡｕ層が形成されている。絶縁膜２６は、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）膜である。チャネル層１４の電子供給層１６との界面には２ＤＥＧ（２次元電子ガス）１５が形成される。ソース電極２０から２ＤＥＧ１５を通りドレイン電極２４に至る電子の流れをゲート電極２２を用い制御することにより、ＦＥＴとして機能する。ＬＥＤ４３から出射された光３０は、少なくともゲート電極２２とドレイン電極２４との間の半導体層１９に照射される。
【００１８】
図３は、図２に示したＦＥＴに光を照射することによる効果を説明する図である。測定したＦＥＴは、ゲート幅が１ｍｍ、ゲート長が０．５μｍである。ＦＥＴの構造は、図２の説明において例示した構造である。測定は、以下のように行なった。ＦＥＴの初期ドレイン電流Ｉｄｓｑを測定する。このときのドレイン電圧は５０Ｖ、ゲート電圧は０Ｖである。その後、ゲート電極２２に高周波（ＲＦ）電力を入力する。高周波電力が入力されている状態が高周波動作状態である。高周波動作時は、ドレイン電圧が５０Ｖ、ＤＣ（直流）ゲート電圧はドレイン電流が１４ｍＡとなる値、高周波電力がＰ３ｄＢとなる値とした。高周波電力を３０秒印加した後、ドレイン電圧が５０Ｖ、ゲート電圧が０Ｖで、再びドレイン電流Ｉｄｑを測定した。高周波動作をオフした状態が待機状態である。
【００１９】
図３の横軸は、回復時間として高周波電力をオフした時点からの時間を示している。光を照射する場合は、高周波電力をオフした時点から光を照射している。縦軸は、Ｉｄｑ回復量として、Ｉｄｑ／Ｉｄｓｑ×１００（％）を示している。
【００２０】
図３の「無」と表示した線は、光を照射しない場合のＩｄｑ回復量である。高周波電力をオフすると、Ｉｄｑが初期値Ｉｄｓｑの３０％となる。その後、Ｉｄｑの回復は遅い。この現象をドレイン電流ドリフト現象とよぶ。「白色」と表示した線は、白色光をＦＥＴの表面に照射した場合のＩｄｑ回復量である。白色光を照射すると、Ｉｄｑの回復が早い。「４３０ｎｍ」、「５５０ｎｍ」および「７１０ｎｍ」と表示した線は、それぞれ、４３０ｎｍ，５５０ｎｍおよび７１０ｎｍの短波長カットフィルタを通した光をＦＥＴ表面に照射した場合のＩｄｑ回復量である。図３の例では、４３０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有する光を照射することにより、Ｉｄｑの回復に効果がある。発明者らの別の実験では、６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長を有する光の照射がＩｄｑの回復に効果がある場合もある。
【００２１】
以上のように、ＦＥＴに光を照射することとによりＩｄｑ回復に効果がある理由は以下のように考えられる。高周波電力印加により、ゲート電極２２とドレイン電極２４との間で高エネルギーとなった電子等のキャリアが半導体層１９や絶縁膜２６中の不純物準位に捕獲される。このため、空乏層が広がる。高周波電力を遮断すると、準位からキャリアが放出され空乏層が回復する。しかし、キャリアの放出時間は非常に長い。このため、ドレイン電流ドリフト現象が生じると考えられる。そこで、ゲート電極２２とドレイン電極２４との間に光３０を照射することにより、不純物準位に捕獲されたキャリアを早く放出させ、Ｉｄｑを回復させることができる。実施例１によれば、ＦＥＴのゲート電極２２とドレイン電極２４との間に光３０が照射されるため、ドレイン電流ドリフト現象を抑制することができる。また、ＦＥＴ４１とＬＥＤ４３とが１つのパッケージ４５に収容されているため、半導体装置を小型化できる。
【００２２】
高周波動作時において、電子は、ゲート電極２２とドレイン電極２４との間で最も電界強度の強い領域に位置する準位に捕獲される。よって、光３０は、ゲート電極２２とドレイン電極２４との間で最も電界強度の強い領域に照射されることが好ましい。図２の例では、ゲート電極２２の近くに光３０が照射されることが好ましい。
【００２３】
チャネル層１４がＧａＮからなる場合、バンドギャップ端の波長は３３０ｎｍ〜３４０ｎｍである。よって、ＧａＮ層での光の吸収を抑制するため。照射する可視光の波長は４００ｎｍ以上が好ましい。また、ＧａＮ層にはイエローバンドとよばれる発光中心を形成する準位が存在することが知られている。イエローバンドは、５００ｎｍ〜７００ｎｍで発光する準位である。よって、この準位に捕獲されたキャリアを放出するためには、光３０の波長は５００ｎｍ〜７００ｎｍであることが好ましい。以上より、光３０の波長は４００ｎｍ〜７００ｎｍであることが好ましい。図３のように、光３０の波長は４３０ｎｍ〜５５０ｎｍであることがより好ましい。または、光３０の波長は５００ｎｍ〜７００ｎｍであることがより好ましい。光３０は可視光が好ましい。
【００２４】
ＦＥＴ４１の動作が待機状態（例えば、高周波動作を行わない状態）の場合に、ＬＥＤ４３が発光することが好ましい。例えば、図１（ａ）および図１（ｂ）のパッケージ４５の外に制御部を設ける。制御部が、ＦＥＴ４１の高周波動作を検知するとＬＥＤ４３に印加する電流を遮断する。制御部が、ＦＥＴ４１の高周波動作の待機を検知するとＬＥＤ４３に電流を印加する。これにより、ドレイン電流ドリフト現象が生じる高周波動作が待機状態の場合に可視光をＦＥＴ４１に照射することができる。さらに、ＬＥＤ４３を常時発光させることもできる。これにより、制御部が不要となる。
【００２５】
図４は、ＦＥＴの別の例である。図２と比較し、ゲート電極２２とドレイン電極２４との間の絶縁膜２６上にフィールドプレート２８が形成されている。フィールドプレート２８は、ゲート電極２２からソース電極２０まで形成されており、ソース電極２０と電気的に接続されている。フィールドプレート２８により、ゲート電極２２とドレイン電極２４との間の電界強度を均一化することができる。その他の構成は、図２と同じであり説明を省略する。
【００２６】
図２のように、フィールドプレート２８が形成されている場合、ＬＥＤは光３０をフィールドプレート２８とドレイン電極２４との間に照射することが好ましい。特に、電界強度の強いフィールドプレート２８の近くに光３０が照射されることが好ましい。
【００２７】
図２および図４において、光３０は、絶縁膜２６を透過し、半導体層１９中に照射されればよい。これにより、半導体層１９中の準位に捕獲されたキャリアを放出することができる。特に、光３０は、チャネル層１４に照射されることが好ましい。これにより、ＧａＮ層内のイエローバンドに捕獲されたキャリアを放出することができる。
【００２８】
実施例１においては、チャネル層１４として、ＧａＮ層を例に説明したが、チャネル層１４は窒化物半導体からなればよい。窒化物半導体とは、窒素を含む半導体であり、例えばＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮまたはＡｌＩｎＧａＮ等である。
【００２９】
また、光源としてＬＥＤを例に説明したがＬＥＤ以外でもよい。消費電力を抑制するためには、光源としてＬＥＤを用いることが好ましい。ＬＥＤとしては、例えば、ＧａＡｓＰ／ＡｌＧａＰ系材料を有するＬＥＤ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を有するＬＥＤ、ＺｅＳｅ系材料を有するＬＥＤを用いることができる。ＬＥＤの出力はＦＥＴの特性に影響しない程度が好ましく、例えば１０ｍＷ以下とすることが好ましい。
【００３０】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１５        チャネル層
１９        半導体層
２０        ソース電極
２２        ゲート電極
２４        ドレイン電極
３０        光
４１        ＦＥＴ
４３        ＬＥＤ
４５        パッケージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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