(57)【要約】      （修正有）【課題】電流コラプスを抑制すると共に、素子の放熱機構を簡素化することができる窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】Ｃｅ（または、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、これらの混合物）が添加された熱光変換層２０を備える。Ｃｅの分子内電子遷移により発生した光によって、窒化物半導体素子の欠陥準位に捕獲された電子を開放することができるため電流コラプス現象を抑制することができる。また、Ｃｅの分子内電子遷移に伴い、窒化物半導体素子周囲の熱を吸収するため、放熱機構を簡素化することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた窒化物半導体と、
前記窒化物半導体上に形成された電極と、
前記窒化物半導体周囲の熱を光に直接変換させる熱光変換機構と、
を備えた、窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記熱光変換機構は、希土類元素の分子内電子遷移を利用している、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記熱光変換機構は、前記希土類元素を含み、前記窒化物半導体周囲の熱を光に直接変換する熱光変換層とした、請求項２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記希土類元素は、前記窒化物半導体内にドープされた元素である、請求項２または請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記希土類元素が、化合物として前記基板裏面に配置された、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記希土類元素が、化合物として前記窒化物半導体上に配置された、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記希土類元素が、化合物として前記窒化物半導体にショットキー接続された電極上に配置された、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記希土類元素が、ホウ素、ガリウム、及びアルミニウムのうち少なくとも１つの元素との化合物を形成している、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記希土類元素が、セリウム、ガドリニウム、ランタン、及びルテチウムのうちの少なくとも１つである、請求項２から請求項８のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記窒化物半導体が、ＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層を含む、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記窒化物半導体上にソース電極と、ゲート電極と、ドレイン電極と、を備えた電界効果トランジスタである、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記窒化物半導体上にアノード電極と、カソード電極と、を備えたダイオードである、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化物系化合物半導体はシリコン系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きく絶縁破壊電圧が大きいため、高温環境下においても動作するオン抵抗の低い半導体素子を作製することが可能である。このためＧａＮ系半導体はシリコン系材料に代わるインバーターやコンバーター等のパワーデバイスの材料として期待されている。
【０００３】
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）では、スイッチングの際に、ゲート・ドレイン間に高い電界がかかるが、ＧａＮ系ＦＥＴではこのとき電流コラプスや電流スランプといったオン抵抗を悪化させる現象が生じる。また、ショットキーバリアダイオードにおいても、アノード・カソード間に逆方向電圧を印加した場合、電流コラプス現象が生じる。
【０００４】
これらの電流コラプス現象は、素子歩留まりの低下だけでなく、素子寿命の短命化などを引き起こす要因となっている。
【０００５】
電流コラプス現象は、素子表面に存在する欠陥準位や、窒化物半導体内部に存在する深い準位に電子が捕獲されることが原因であるとされている。したがって、捕獲された電子に光を照射するなどして欠陥準位から電子を開放することで電流コラプス現象を抑制することが可能である（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
このように光を照射することで電流コラプス現象を抑制することができるが、特許文献１に開示された方法では、ＦＥＴに外部から光を照射するため、パッケージに光透過窓を設けて、さらにその光透過窓に対向して光源を配置する必要があり、パッケージが複雑化・大型化するという問題がある。
【０００７】
この問題に対しては、ＦＥＴとＬＥＤを集積化するという解決方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−７５１５９号公報
【特許文献２】特開２００８−０４７７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般に、パワーデバイスは駆動時に大量の熱を発生するため、素子の高温化により特性が劣化する可能性があり、放熱特性の向上が望まれている。したがって、素子駆動時の発熱量を抑制することができれば、放熱機構を簡素化することが可能となり、素子の製造コストを低減することができる。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献２に記載の技術のように、ＦＥＴにＬＥＤを集積化すれば、素子が大型化し、さらにＬＥＤを駆動するため消費電力が増大するという問題がある。
【００１１】
消費電量の増大は、発熱量が増加することを意味しており、放熱機構が複雑になるという欠点を持つ。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電流コラプスを抑制すると共に、素子の放熱機構を簡素化することができる窒化物半導体素子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】
【００１３】
請求項１に記載の窒化物半導体素子は、基板と、前記基板上に設けられた窒化物半導体と、前記窒化物半導体上に形成された電極と、前記窒化物半導体周囲の熱を光に直接変換させる熱光変換機構と、を備えている。
【００１４】
請求項２に記載の窒化物半導体素子は、請求項１に記載の窒化物半導体素子において、前記熱光変換機構が、希土類元素の分子内電子遷移を利用したものである。
【００１５】
請求項３に記載の窒化物半導体素子は、請求項２に記載の窒化物半導体素子において、前記熱光変換機構を、前記希土類元素を含み、前記窒化物半導体周囲の熱を光に直接変換する熱光変換層としたものである。
【００１６】
請求項４に記載の窒化物半導体素子は、請求項２または請求項３に記載の窒化物半導体素子において、前記希土類元素を、前記窒化物半導体内にドープされた元素としたものである。
【００１７】
請求項５に記載の窒化物半導体素子は、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子において、前記希土類元素が、化合物として前記基板裏面に配置されたものである。
【００１８】
請求項６に記載の窒化物半導体素子は、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子において、前記希土類元素が、化合物として前記窒化物半導体上に配置されたものである。
【００１９】
請求項７に記載の窒化物半導体素子は、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子において、前記希土類元素が、化合物として前記窒化物半導体にショットキー接続された電極上に配置されたものである。
【００２０】
請求項８に記載の窒化物半導体素子は、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子において、前記希土類元素が、ホウ素、ガリウム、及びアルミニウムのうち少なくとも１つの元素との化合物を形成している。
【００２１】
請求項９に記載の窒化物半導体素子は、請求項２から請求項８のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子において、前記希土類元素を、セリウム、ガドリニウム、ランタン、及びルテチウムのうちの少なくとも１つとしたものである。
【００２２】
請求項１０に記載の窒化物半導体素子は、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体が、ＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層を含むようにしたものである。
【００２３】
請求項１１に記載の窒化物半導体素子は、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子が、前記窒化物半導体上にソース電極と、ゲート電極と、ドレイン電極と、を備えた電界効果トランジスタである。
【００２４】
請求項１２に記載の窒化物半導体素子は、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子が、前記窒化物半導体上にアノード電極と、カソード電極と、を備えたダイオードである。
【発明の効果】
【００２５】
電流コラプスを抑制すると共に、素子の放熱機構を簡素化することができる窒化物半導体素子を提供することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明における電流コラプスの抑制の原理について説明するための説明図であり、ＣｅとＩＩＩ族元素のエネルギー準位の関係を示した説明図である。
【図２】室温よりも温度が高い状態にあるＣｅＢ６結晶のエネルギー準位を模式的に表した模式図である。
【図３】第１の実施の形態に係る電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）の概略構成の一例を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態に係るサファイア基板を用いたショットキーバリアダイオードの概略構成の一例を示す断面図である。
【図５】第３の実施の形態に係るサファイア基板上に形成されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴ素子の概略構成の一例を示す断面図である。
【図６】第４の実施の形態に係るショットキー電極の概略構成の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
まず、本発明における電流コラプスの抑制原理について説明する。
【００２８】
本発明では、窒化物半導体中に添加した希土類元素の分子内電子遷移を利用して、可視から紫外に至る波長を持つ光を得ている。なお、ここで分子内遷移とは、希土類元素の５ｄ軌道にある電子が４ｆ軌道に移る（遷移する）ことを意味している。
【００２９】
希土類元素、例えば、Ｃｅの近傍にＩＩＩ族の元素が存在する場合、Ｃｅの５ｄ軌道のエネルギー準位と、周囲のＩＩＩ族元素のｐ軌道のエネルギー準位が近いため、室温よりも温度が上昇すると、ｐ軌道の電子は５ｄ軌道に供給される。５ｄ軌道に供給された電子が、４ｆ軌道に遷移する際、可視から紫外に至る波長を持つ光を放出するとともに、Ｃｅ原子の温度を下げる。
【００３０】
図１は、第一原理計算（シミュレーション）で求めた孤立したＣｅの５ｄ軌道、４ｆ軌道、及びＩＩＩ族元素のｐ軌道のエネルギー準位を示した説明図である。計算は、局所密度近似（ＬＤＡ）及び一般化勾配近似（ＧＧＡ）の範囲で行った。なお、図１中、「ｊ」は全角運動量量子数を表している。
【００３１】
図１に示す通り、Ｂの２ｐ軌道、Ａｌの３ｐ軌道、及びＧａの４ｐ軌道のエネルギーは、Ｃｅの５ｄ軌道のエネルギーに近いため、電子の移動が可能である。なお、実際の結晶内では、希土類元素の５ｄ軌道、４ｆ軌道とも縮退が解けているので、エネルギーの絶対値は上下し、ｐ軌道との関係も複雑化する。
【００３２】
ここでは、希土類元素化合物の一例として、ＣｅＢ６をもとに、熱光変換の原理を説明する。
【００３３】
図２は、室温よりも温度が高い状態にあるＣｅＢ６結晶のエネルギー準位を模式的に表した模式図である。
【００３４】
温度が上昇すると、Ｂの２ｐ軌道にあった電子がＣｅの５ｄ（ｊ＝３／２）軌道に遷移した後、同じΓ８の対称性を持つＣｅの５ｄ（ｊ＝５／２）Γ８に移動する。このとき、５ｄ（ｊ＝５／２）Γ８軌道は全て占有されるため、これまで安定であった４ｆ（ｊ＝５／２）Γ８軌道が不安定になり、４ｆ（ｊ＝５／２）Γ７軌道と、エネルギー準位の逆転が起こる。この後、電子が５ｄ−Γ８軌道から数ｅＶエネルギーの低い４ｆ−Γ８軌道へ遷移すれば、そのエネルギー差を光として取り出すことができる。
【００３５】
なお、発生する光として、２．４３ｅＶ及び２．６ｅＶの可視光と、３．６４ｅＶ及び３．９ｅＶの紫外光とが知られている。
【００３６】
光を放出した希土類元素化合物はエネルギーを失い、温度が低下する。温度が低下すると、Ｃｅの４ｆ軌道にある電子が、再度、Ｂの２ｐ軌道に供給されため、温度の上昇、下降に伴って、光の発生と熱の吸収を繰り返すことになる。
【００３７】
なお、希土類元素としては、Ｃｅに限らない。４ｆ軌道よりも５ｄ軌道が安定になれば準位間遷移が起きるため、Ｃｅの他、５ｄ軌道を占有するＬａ、Ｇｄ、及びＬｕならば同様の効果が得られる。
【００３８】
また、Ｂの２ｐ軌道に限らず、図１に示したようにＧａの４ｐ軌道及びＡｌの３ｐ軌道もＣｅの５ｐ軌道に近いため、Ｃｅの５ｄ軌道に電子を供給することができるので、これらを利用することができる。
【００３９】
次に、図面を参照して本実施の形態の窒化物半導体素子について詳細に説明する。なお、本実施の形態は本発明の窒化物半導体素子の一例であり、本実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００４０】
［第１の実施の形態：シリコン基板上の電界効果トランジスタ］
本実施の形態の窒化物半導体素子である電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）の概略構成の一例を示す断面図を図３に示す。図３に示した電界効果トランジスタは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴ(ヘテロ構造電界効果トランジスタ）である。
【００４１】
図３に示した本実施の形態の電界効果トランジスタ１０は、シリコン基板１２、ＳｉＮ層１４、シード層１６、積層構造を有するバッファ層１８、熱光変換層２０、電子走行層２２、電子供給層２４、ソース電極２６、ゲート電極２８、及びドレイン電極３０を備えている。
【００４２】
電子走行層２２は、窒化物系化合物より成り、本実施の形態では、アンドープのＧａＮを用いている。電子供給層２４は、電子走行層２２とはバンドギャップエネルギーが異なる窒化物系化合物より成り、本実施の形態では、ＡｌＧａＮから成る。なお、電子走行層と電子供給層の組み合わせとしては、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの組み合わせに限定されず、窒化物系化合物から成る窒化物半導体層であり、電子供給層が電子走行層よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料の組み合わせであればよい。
【００４３】
図３に示した、本実施の形態の電界効果トランジスタ１０の製造方法について説明する。
【００４４】
まず、ＣＺ（チョコラルスキー）法で成長された４インチ径、厚さ１ｍｍのシリコン基板１２（Ｓｉ（１１１）面）を設置したＭＯＣＶＤ装置内に、１０００℃の温度でアンモニア（ＮＨ３）を３５Ｌ／ｍｉｎの流量で０．３分間導入し、シリコン基板１２上にＳｉＮ（窒化珪素）層１４を形成する。
【００４５】
次に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を流量１７５μｍｏｌ／ｍｉｎ、またＮＨ３を流量３５Ｌ／ｍｉｎで導入し、成長温度１０００℃で、層厚４０ｎｍのＡｌＮからなるシード層１６をＳｉＮ層１４上にエピタキシャル成長させる。
【００４６】
続いて、ＧａＮ層１８−ｎａ（ｎ＝１〜６）とＡｌＮ層１８−ｎｂ（ｎ＝１〜６）とを交互に６周期、積層し、バッファ層１８をシード層１６上に形成する。ＧａＮ層１８−ｎａ及びＡｌＮ層１８−ｎｂの膜厚は、シード層１６側から順に、ＧａＮ層１８−１ａが３９０ｎｍ、ＡｌＮ層１８−１ｂが５０ｎｍ、ＧａＮ層１８−２ａが３３０ｎｍ、ＡｌＮ層１８−２ｂが５０ｎｍ、ＧａＮ層１８−３ａが３９０ｎｍ、ＡｌＮ層１８−３ｂが５０ｎｍ、ＧａＮ層１８−４ａが４５０ｎｍ、ＡｌＮ層１８−４ｂが５０ｎｍ、ＧａＮ層１８−５ａが５６０ｎｍ、ＡｌＮ層１８−５ｂが５０ｎｍ、ＧａＮ層１８−６ａが７２０ｎｍ、ＡｌＮ層１８−６ｂが５０ｎｍである。
【００４７】
本実施の形態のようにバッファ層１８を積層構造とすることで、エピタキシャル膜に発生するクラックを抑制し、そり量も制御可能となる。また、シード層１６側から徐々に、ＧａＮ層１８−ｎａの膜厚を厚くすることで、クラックの抑制効果とそり量の抑制効果が増大し、エピタキシャル膜をより厚く積層することが可能となる。
【００４８】
なお、ＡｌＮ層１８−ｎｂ及びＧａＮ層１８−ｎａ成長時のＴＭＡｌの流量は、１９５μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の流量は、５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びＮＨ３の流量は、１２Ｌ／ｍｉｎである。
【００４９】
次に、熱光変換層２０となるＣｅを添加したＢＧａＮ層２０を、成長温度１０５０℃、成長圧力５０Ｔｏｒｒの条件でバッファ層１８上に、２００ｎｍ積層する。
【００５０】
熱光変換層２０を形成する際のＴＭＧａの流量は、５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びＮＨ３の流量は、１２Ｌ／ｍｉｎである。また、ＴＭＧａとＮＨ３に加え、トリメチルホウ素（ＴＭＢ）を１５μｍｏｌ／ｍｉｎを同時に流す。当該条件では、Ｂ０．０１Ｇａ０．９９Ｎが形成される。
【００５１】
さらに、トリス・メチルシクペンタジエニール・セリウム（Ｃｅ（ＭｅＣｐ）３）を原料ガスとして、濃度が１０１８〜１０１９ｃｍ−３になるように流量を調整し、Ｃｅを添加（ドープ）する。なお、Ｃｅ原料は、トリス・エチルシクペンタジエニール・セリウム（Ｃｅ（ＥｔＣｐ）３）やテトラ・キスジメチルアミド・セリウム（Ｃｅ（Ｎ（ＣＨ３）２）４）を用いてもよい。なお、Ｃｅを添加する濃度は熱光変換層２０の厚さが２００ｎｍのとき、１０１８ｃｍ−３以下では電流コラプス現象の十分な抑制効果が得られない。Ｃｅ濃度は高いほど発光量が増加するので電流コラプス現象抑制の観点からは、１０１８ｃｍ−３以上であれば、高ければ高いほど望ましい。しかしながら、１０２０ｃｍ−３以上では結晶中の転位密度が増大し、素子の特性が低下する。従って、Ｃｅ濃度は、１０１８〜１０２０ｃｍ−３の範囲が望ましい。
【００５２】
なお、本実施の形態では熱光変換層２０に添加する希土類元素としてＣｅを用いているがＣｅの他、上述したように基底状態で５ｄ電子を持つＬａ、Ｇｄ、または、Ｌｕを用いてもよい。また、これらの混合物を用いてもよい。
【００５３】
このようにして形成された熱光変換層２０上に、電子走行層２２として機能するＧａＮ層２２を、ＴＭＧａを流量１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びＮＨ３を流量１２Ｌ／ｍｉｎで導入し、５００ｎｍ以上の厚さで成長させる。ここで電子走行層２２を５００ｎｍ以上としたのは、それ以下の厚さでは熱光変換層２０中のＣｅの電子走行層２２への拡散が生じ、散乱源となり電子移動度が低下するからである。成長温度は１０５０℃、成長圧力は２００Ｔｏｒｒである。
【００５４】
次に、電子供給層２４として機能するＡｌＧａＮ層２４（アルミニウム組成０．２２、Ｘ線回折から評価）を、ＴＭＡｌを流量１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧａを流量１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びＮＨ３を流量１２Ｌ／ｍｉｎで導入し、成長温度１０５０℃で、３０ｎｍの厚さで電子層走行層２２上にエピタキシャル成長させる。
【００５５】
さらに、電子供給層２４上に、Ｔｉ（２５ｎｍ）及びＡｌ（３００ｎｍ）をこの順に蒸着して、オーミック電極としてソース電極２６、及びドレイン電極３０を形成する。また、ソース電極２６とドレイン電極３０との間にＮｉ（１００ｎｍ）及びＡｕ（２００ｎｍ）を、この順に蒸着して、ショットキー電極としてゲート電極２８を形成する。なお、オーミック電極蒸着後、７００℃で３０分の熱処理を行うことで良好なオーミック特性が得られる。
【００５６】
なお、本実施の形態の電界効果トランジスタ１０の形状は特に限定されず、例えば、ゲート長２μｍ、ゲート幅０．２ｍｍ、ソース・ドレイン間距離１５μｍの形状で作製すればよい。
【００５７】
このようにして作成された本実施の形態の窒化物半導体素子である電界効果トランジスタ１０は、１０００Ｖ以上の耐圧を有する。
【００５８】
また、素子駆動時に発生する熱によって、熱光変換層２０中のＣｅの分子内電子遷移により、上述したように可視光から紫外光に至る発光が生じ、電子供給層２４表面及びバッファ層１８の欠陥準位に捕獲された電子を開放させることができる。この結果、本実施の形態の電界効果トランジスタ１０では、熱光変換層２０を備えていない窒化物半導体素子に比べて電流コラプス現象が抑制される。また、素子間のコラプス量のばらつきも低減され、素子歩留まりが向上する。
【００５９】
さらに、熱光変換層２０中のＣｅの分子内電子遷移により、上述したように素子周囲で発生した熱が吸収されるため、ジャンクション温度も熱光変換層２０を備えていない窒化物半導体素子よりも低下し、放熱機構の簡素化が可能となる。
【００６０】
なお、本実施の形態では、基板としてシリコン基板１２を用いたが、特に限定されるものではなく、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、サファイア基板、及びＺｎＯ基板等の窒化物半導体を結晶成長させることが可能な基板であればよい。
【００６１】
また、本実施の形態では、Ｃｅ原子をＢ−２ｐ軌道が存在する熱光変換層２０（ＢＧａＮ層）にのみ添加したが、図１で示した通り、Ａｌ−３ｐ軌道やＧａ−４ｐ軌道であってもＣｅの５ｄ軌道に電子を供給することが可能であるため、バッファ層１８の一部分あるいは全ての領域にＣｅを添加しても、同様の効果が得られる。なお、バッファ層１８のみにＣｅを添加しても同様の効果が得られるが、別途、熱光変換層２０として設けることにより、より効果が高くなる。
【００６２】
［第２の実施の形態：サファイア基板上のショットキーバリアダイオード］
サファイア基板のように可視光に対して透明な基板を用いる場合、基板裏面にＣｅＢ６を蒸着することで熱光変換層を構成することが可能であり、電流コラプスの抑制と、放熱機構の簡素化を実現することができる。
【００６３】
本実施の形態のサファイア基板を用いたショットキーバリアダイオードの概略構成の一例を図４に示す。なお、図４（Ａ）は、ショットキーバリアダイオードの断面図であり、（Ｂ）は、上面（アノード電極及びカソード電極が形成されている面）側からみた平面図である。
【００６４】
図４に示した本実施の形態のショットキーバリアダイオード４０は、サファイア基板４２、バッファ層４４、電子走行層４６、電子供給層４８、第１保護膜５０、カソード電極５２、アノード電極５４、第２保護膜５６、及び熱光変換層５８を備えている。
【００６５】
本実施の形態のショットキーバリアダイオード４０では、裏面側に熱光変換層５８が配置されているが、サファイア基板４２は可視光を透過させるため、熱変換層５８で発生した光は、サファイア基板４２を透過することができる。サファイア基板４２を透過した光は、バッファ層４４、電子走行層４６及び電子供給層４８に到達し、欠陥準位に捕獲されていた電子を開放させることができる。
【００６６】
図４に示した、ショットキーバリアダイオード４０の製造方法について説明する。
【００６７】
まず、厚さが５００μｍの２インチ径のサファイア基板４２を設置したＭＯＣＶＤ装置内に、ＴＭＧａを流量１４μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３を流量１２Ｌ／ｍｉｎで導入し、成長温度５５０℃で、層厚３０ｎｍのＧａＮからなるバッファ層４４をエピタキシャル成長させた。
【００６８】
次に、電子走行層４６として機能するＧａＮ層４６をＴＭＧａを流量１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３を流量１２Ｌ／ｍｉｎで導入し、３μｍの厚さでサファイア基板４２上に成長させた。成長温度は１０５０℃、成長圧力は１００Ｔｏｒｒである。
【００６９】
次に、電子供給層４８として機能するＡｌＧａＮ層４８（アルミニウム組成０．２４、Ｘ線回折から評価）を、ＴＭＡｌを流量１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧａを流量１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びＮＨ３を流量１２Ｌ／ｍｉｎで導入し、成長温度１０５０℃で、３２ｎｍの厚さで電子走行層４６上にエピタキシャル成長させる。なお、エピタキシャル基板は、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相エピタキシャル成長法）やＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長法）で作製してもよい。
【００７０】
次に電子供給層４８上に表面保護膜（第１保護膜）５０として、プラズマＣＶＤにより、ＳｉＯ２を１００ｎｍ積層する。なお、第１保護膜５０はＳｉ３Ｎ４でもよい。
【００７１】
次に、第１保護膜５０上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ工程を用いてパターンニングを行い、弗化水素酸系溶液を用いて電極を形成すべき位置に開口部を形成する。
【００７２】
電子供給層４８上に、Ｔｉ（２５ｎｍ）及びＡｌ（３００ｎｍ）をこの順に蒸着して、カソード電極５２を形成した。また、Ｎｉ（１００ｎｍ）及びＡｕ（２００ｎｍ）をこの順に蒸着して、アノード電極５４を形成した。なお、本実施の形態のショットキーバリアダイオード４０では、アノード電極５４は直径が１６０μｍの丸型電極であり、アノード電極５４とカソード電極５２の間隔は１０μｍとしている（図４（Ｂ）参照）。
【００７３】
カソード電極５２及びアノード電極５４の形成後、素子上部にＳｉＯ２（第２保護膜）５６を常圧ＣＶＤにより、１μｍ積層する。
【００７４】
次に、サファイア基板４２裏面に、熱光変換層５８であるＣｅＢ６をスパッタにより、５００ｎｍ蒸着する。
【００７５】
最後に、第２保護膜５６上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ工程を用いてパターンニングを行い、電極パッド部を開口する。
【００７６】
このように作製した本実施の形態のショットキーバリアダイオード４０は、上述したように熱光変換層５８により発生した光により欠陥準位に捕獲されていた電子が開放されるため、熱光変換層５８を備えていない従来のショットキーバリアダイオードに対して電流コラプス現象を抑制することができる。
【００７７】
また、素子周囲で発生した熱が吸収（放熱）されるため、熱光変換層５８を備えていない従来のショットキーバリアダイオードよりもジャンクション温度が低下する。さらに、サファイア基板４２の裏面に熱光変換層５８を設けているため、より放熱機構の簡素化が可能となる。
【００７８】
［第３の実施の形態：電界効果トランジスタ］
熱光変換層は窒化物半導体層上に配置されていてもよい。
【００７９】
本実施の形態の、サファイア基板上に形成されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴの素子断面図を図５に示す。本実施の形態の電界効果トランジスタ６０は、サファイア基板６２、バッファ層６４、電子走行層６６、電子供給層６８、ソース電極７０、ゲート電極７２、ドレイン電極７４、保護膜７６、及び熱光変換層７８を備えている。
【００８０】
熱光変換層７８はゲート電極７２・ドレイン電極間７４の窒化物半導体層（電子走行層６６）上に形成されている。本実施の形態では、例えば、ＳｉＯ２からなる保護膜７６上、または保護膜７６中に配置されている。当該配置では、熱光変換層７８で発生した光を、ゲート電極７２・ドレイン電極７４間に効率的に照射することが可能であり、電流コラプス現象の抑制に効果的である。
【００８１】
［第４の実施の形態：ショットキー電極］
電流コラプス現象は、ゲート電極あるいはアノード電極といったショットキー電極に逆方向電圧を印加したとき、電極から注入される電子の表面準位への捕獲が原因であるとされている。したがって、ショットキー電極近傍から素子表面に光を照射することで、電流コラプス現象の抑制がより効果的になる。
【００８２】
図６に、本実施の形態にかかる熱光変換層を備えたショットキー電極の概略構造を示す。本実施の形態のショットキー電極８０は、ショットキー層８２、熱光変換層８４、及び配線用コンタクト層８６を備える。
【００８３】
窒化物半導体（図示省略）とショットキー接続するショットキー層８２（Ｎｉ；１００ｎｍ）、熱光変換層８４（ＣｅＢ６；１００ｎｍ）、及び配線と接続する配線用コンタクト層８６（Ａｕ；２００ｎｍ）を窒化物半導体層上に、この順に蒸着して、ショットキー電極８０を形成する。
【００８４】
窒化物半導体に接触するショットキー層８２であるＮｉ層の厚さは光の波長よりも短いため、熱光変換層８４のＣｅＢ６で発生する光を透過することが可能であり、電流コラプス現象の抑制効果がある。また、電極部分の発熱を抑制することができる。
【００８５】
なお、ショットキー層８２は、Ｎｉに限らず、ＰｔやＰｄに置き換えてもよい。
【００８６】
以上、上述の各実施の形態で説明したように、本発明の窒化物半導体素子は、Ｃｅ（または、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、これらの混合物）が添加された熱光変換層（熱光変換層２０、５８、７８、８４）を備えているため、Ｃｅの分子内電子遷移により発生した光によって、窒化物半導体素子内の欠陥準位に捕獲された電子を開放することができるため電流コラプス現象を抑制することができる。
【００８７】
このように、本発明では、熱を光に直接変換する機構を窒化物半導体素子に内蔵させることができるため、外部電源を必要としない、消費電力の増大がない構成において電流コラプス現象を抑制することができる。
【００８８】
なお、上述の各実施の形態で説明した窒化物半導体素子や熱光変換層等の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更可能であることはいうまでもない。
【００８９】
また、上述の各実施の形態では、熱光変換層を１層備えた例について説明したがこれに限らず、複数層（例えば、基板裏面及び窒化物半導体層上）備えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９０】
１０、６０  電界効果トランジスタ
１２  シリコン基板
１８、４４、６４  バッファ層
２０、５８、７８、８４  熱光変換層
２２、４６、６６  電子走行層
２４、４８、６８  電子供給層
２６、７０  ソース電極
２８、７２  ゲート電極
３０、７４  ドレイン電極
４０  ショットキーバリアダイオード
４２、６２  サファイア基板
５２  カソード電極
５４  アノード電極
８０  ショットキー電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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