(57)【要約】【課題】光により消弧可能な光スイッチング素子又はその光スイッチング素子を備える半導体装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置(100)は、窒化物半導体を含む素子構造を有する光スイッチング素子(10)と、前記光スイッチング素子に第１の波長の光を照射する第１の光源(20)と、を遮光部材(40)内に備え、前記光スイッチング素子(10)は、前記第１の波長の光を照射されることにより、該光を照射される前に比べて、立ち上がり電圧が上昇することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体を含む素子構造を有する光スイッチング素子と、前記光スイッチング素子に第１の波長の光を照射する第１の光源と、を遮光部材内に備え、
前記光スイッチング素子は、前記第１の波長の光を照射されることにより、該光を照射される前に比べて、立ち上がり電圧が上昇することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記光スイッチング素子は、照射される光の波長により立ち上がり電圧の上昇率が変わる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記光スイッチング素子に前記第１の波長より長い第２の波長の光を照射する第２の光源を前記遮光部材内に備える請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の波長は、４７０ｎｍより長い請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記光スイッチング素子に前記第１の波長より短い第３の波長の光を照射する第３の光源を前記遮光部材内に備え、
前記光スイッチング素子は、前記第３の波長の光を照射されることにより、該光を照射される前に比べて、立ち上がり電圧が降下する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第３の波長は、４７０ｎｍ以下である請求項５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、半導体装置に関し、より詳細には光スイッチング素子を含む半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光により点弧する光サイリスタ（例えば特許文献１，２参照）は、耐雑音性や電気的絶縁性に優れ、高電圧の電力変換装置などに利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３１６４５５号公報
【特許文献２】特開平７−０１５００４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、上記従来の光サイリスタは、速やかな消弧が困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、光により消弧可能な光スイッチング素子又はその光スイッチング素子を備え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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、窒化物半導体を含む素子構造を有する光スイッチング素子と、前記光スイッチング素子に第１の波長の光を照射する第１の光源と、を遮光部材内に備え、前記光スイッチング素子は、前記第１の波長の光を照射されることにより、該光を照射される前に比べて、立ち上がり電圧が上昇することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光スイッチング素子の点弧と消弧を光により制御でき、高速応答のスイッチングを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る光スイッチング素子の照射光波長による立ち上がり電圧の変化を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施の形態に係る半導体装置の構成を示す概略図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る光スイッチング素子の概略上面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面における概略断面図（ｂ）である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る光スイッチング素子の動作原理を示す概念図（ａ）及び（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。但し、以下に説明する半導体装置は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
【００１０】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す概略図である。図１に示す例の半導体装置１００は、遮光部材４０内に、光スイッチング素子１０と、第１の光源２０と、を備えている。第１の光源２０は、第１の波長λ２０の光を発光するものであり、該光を光スイッチング素子１０に照射可能なように配置されている。なお、以下、光源の発光波長は、ピーク波長にて規定されるものとする。
【００１１】
この半導体装置１００は、光スイッチング素子１０が電源装置５０に接続されて駆動される。特に、光スイッチング素子１０への入力は、該光スイッチング素子を制御性良く駆動するために、パルス電圧であることが好ましい。また、第１の光源２０は、電源装置５０に接続されていてもよいが、光スイッチング素子１０とは別系統で駆動されることが好ましい。
【００１２】
図２は、実施の形態１に係る光スイッチング素子の照射光波長による立ち上がり電圧の変化を示すグラフである。なお、図２は、後述の実施の形態２に係る光スイッチング素子についても適用される。図２中の破線は、光スイッチング素子１０に光が照射される前、好ましくは暗所、における電流−電圧特性曲線（以下、Ｉ−Ｖ曲線）である。また、図２中の二点鎖線は、光スイッチング素子１０に第１の波長λ２０の光が照射されているときのＩ−Ｖ曲線である。本図を見ればわかるように、光スイッチング素子１０は、第１の波長λ２０の光を照射されることにより、該光を照射される前に比べて、立ち上がり電圧が上昇する特性を有している。
【００１３】
このように、光スイッチング素子１０の立ち上がり電圧を光照射により上昇させることができるため、その上昇した立ち上がり電圧より低い入力電圧に対しては、光スイッチング素子１０を非導通状態（オフ状態）とすることができる。したがって、この光スイッチング素子１０は、光照射により消弧することができる。
【００１４】
また、図１に示す例の半導体装置１００は、遮光部材４０内に、第３の光源３０をさらに備えている。第３の光源３０は、第１の波長λ２０より短い第３の波長λ３０の光を発光するものであり、該光をサイリスタ１０に照射可能なように配置されている。また、第３の光源３０もまた、電源装置５０に接続されていてもよいが、光スイッチング素子１０とは別系統で駆動されることが好ましい。
【００１５】
図２中の点線は、光スイッチング素子１０に第３の波長λ３０の光が照射されているときのＩ−Ｖ曲線である。本図を見ればわかるように、光スイッチング素子１０は、第３の波長λ３０の光を照射されることにより、該光を照射される前に比べて、立ち上がり電圧が降下する特性を有している。
【００１６】
このように、光スイッチング素子１０の立ち上がり電圧を光照射により降下させることもでき、その降下した立ち上がり電圧より高い入力電圧に対しては、光スイッチング素子１０を導通状態（オン状態）とすることができる。したがって、この光スイッチング素子１０は、光照射により点弧することもできる。
【００１７】
以上のように、本例の光スイッチング素子１０は、点弧と消弧を光により制御することができる。
【００１８】
＜実施の形態２＞
図３は、実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す概略図である。図３に示す例の半導体装置２００は、遮光部材４０内に、光スイッチング素子１０と、第１の光源２０と、第２の光源２５と、第３の光源３０と、を備えている。すなわち、この半導体装置２００は、図１に示す例の半導体装置１００の遮光部材４０内に、第２の光源２５が追加されたものである。第２の光源２５は、第１の波長λ２０より長い第２の波長λ２５の光を発光するものであり、該光を光スイッチング素子１０に照射可能なように配置されている。また、第２の光源２５もまた、電源装置５０に接続されていてもよいが、光スイッチング素子１０とは別系統で駆動されることが好ましい。
【００１９】
図２中の実線は、光スイッチング素子１０に第２の波長λ２５の光が照射されているときのＩ−Ｖ曲線である。本図を見ればわかるように、光スイッチング素子１０は、照射される光の波長により立ち上がり電圧の上昇率が変わる特性を有している。特に、この光スイッチング素子１０は、照射光の波長が長いほど、立ち上がり電圧が上昇しやすい傾向がある。したがって、第２の光源２５を備えることにより、立ち上がり電圧を容易に変えることができる。なお、光スイッチング素子１０の立ち上がり電圧を上昇させる波長の光を発光する光源は、１つや２つに限られず、３つ以上あってもよい。
【００２０】
このように、光スイッチング素子１０は、照射光の波長を選択することによって、立ち上がり電圧の値を選択することができ、点弧又は消弧する入力電圧の値を選択することができる。特に、発光波長の異なる複数の光源を備え、発光させる光源を切り替えることで、光スイッチング素子１０の立ち上がり電圧を速やかに変えやすく、光スイッチング素子１０の点弧と消弧を速やかに切り替えやすい。
【００２１】
図４（ａ）は、実施の形態１に係る光スイッチング素子の概略上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面における概略断面図である。
【００２２】
（光スイッチング素子１０）
図４に示すように、光スイッチング素子１０は、素子構造１５内に、窒化物半導体を各々含む、好ましくは窒化物半導体により各々構成される、第１のｎ型半導体層１１、第１のｐ型半導体層１２、第２のｎ型半導体層１３、第２のｐ型半導体層１４、をこの順に含む。なお、この各半導体層は、単層に限られず、複数の層で構成されていてもよく、全体としてその導電型を有していればよい。また、窒化物半導体は、主として、一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される。なお、III族元素の一部がＢで置換されてもよく、Ｎの一部がＰ、Ａｓなどで置換されてもよい。
【００２３】
各半導体層は、不純物を適宜ドープすることで、その導電型を制御することができる。ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｄなどを用いることができ、特にＳｉ又はＯが好ましい。ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｃ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒなどを用いることができ、特にＭｇ又はＣが好ましい。これら不純物の濃度は、例えば１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下とすることができる。なお、本明細書における「ドープ」とは、半導体層に不純物を意図的に添加することを意味し、隣接する層からの不純物の拡散や、汚染等による意図しない不純物の混入などは含まないものとする。したがって、「アンドープ」とは、半導体層に不純物を意図的にドープしないことを意味する。具体的には、その不純物の濃度が例えば１×１０１７／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１６／ｃｍ３未満の場合は、アンドープである。
【００２４】
窒化物半導体の成長方法は、成長速度や膜厚の制御がしやすい有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が好ましい。ＭＯＣＶＤでは、原料ガスに、窒素源ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）と、III族源ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）などを用いる。
【００２５】
光スイッチング素子１０の素子構造１５のより具体的な構成としては、以下のようなものが挙げられる。特に、第１のｐ型半導体層１２は、ｎ型不純物とｐ型不純物の両方がドープされていることが好ましい。このとき、第１のｐ型半導体層１２は、ｎ型不純物とｐ型不純物の両方がドープされているが、多数キャリアが正孔となっている状態を有する。これにより、第１のｐ型半導体層１２内に不純物準位が他の層より比較的多く設けられ、本発明の光スイッチング素子の特性が得られやすいと考えられる。更には、第１及び第２のｎ型半導体層１１，１３は、ｎ型不純物がドープされｐ型不純物がアンドープであって、また第２のｐ型半導体層１４は、ｐ型不純物がドープされｎ型不純物がアンドープであることが好ましい。例えば、第１及び第２のｎ型半導体層１１，１３にはＳｉ、第１のｐ型半導体層１２にはＳｉとＣ、第２のｐ型半導体層１４にはＭｇ、が各々ドープされるとよい。第１のｐ型半導体層１２の不純物濃度は、例えば１×１０１７／ｃｍ３以上２×１０１９／ｃｍ３以下の範囲で、ｎ型不純物よりｐ型不純物の濃度を大きくするとよい。より具体的には、ｎ型不純物の濃度を１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１７／ｃｍ３未満とし、ｐ型不純物の濃度を５×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１８／ｃｍ３以下とする。
【００２６】
第１のｐ型半導体層１２の膜厚は、例えば１ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする。その他の半導体層の膜厚は、特に限定されないが、第１のｎ型半導体層１１の膜厚は例えば１ｎｍ以上１０μｍ以下とし、第２のｎ型半導体層１３及び第２のｐ型半導体層１４の膜厚は例えば１ｎｍ以上１μｍ以下とする。また、第１及び第２のｎ型半導体層１１，１３、第１及び第２のｐ型半導体層１２，１４は、ＧａＮを主成分として形成されることで、その結晶性を高めやすい。
【００２７】
第１の波長λ２０及び第３の波長λ３０は、光スイッチング素子１０の素子構造１５の構成に依存して変わると考えられるが、後述の実施例など代表的な例としては、以下のように定義することができる。第１の波長λ２０は、４７０ｎｍより長い波長とすることができる。その上限は、特に限定されないが、例えば７８０ｎｍ以下である。また、第３の波長λ３０は、４７０ｎｍ以下とすることができる。その下限は、特に限定されないが、例えば３８０ｎｍ以上である。
【００２８】
図示する例の光スイッチング素子１０は、基板１６を備え、その基板１６上に素子構造１５が設けられている。基板１６は、素子構造１５を構成する半導体の成長用基板であってもよいし、その成長用基板を除去した後、素子構造１５に接合される接合基板であってもよい。なお、基板１６が接合基板の場合は通常、基板側からの半導体層の順序が図示しているものと逆になる。成長用基板は、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓなどを用いることができる。接合基板は、銅合金（Ｃｕ−Ｗなど）、Ｓｉ、ガラスなどを用いることができる。また、基板１６は省略することもでき、光スイッチング素子１０を薄膜状の素子としてもよい。
【００２９】
図示する例の光スイッチング素子１０では、ｎ側電極（カソード）１７が、第１のｎ型半導体層１１に設けられている。さらに、ｐ側電極（アノード）１９が、透光性導電膜１８を介して、第２のｐ型半導体層１４に設けられている。ｐｎ両電極には、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉのいずれかの金属又はこれらの合金やそれらの組み合わせを用いることができる。透光性導電膜１８は、ＩＴＯやＩＺＯ、Ｎｉ／Ａｕなどを用いることができ、省略してもよい。基板１６が絶縁性の場合はｐｎ両電極が同一面側に設けられる構造を、基板１６が導電性の場合はｎ側／ｐ側電極が互いに反対の面に各々設けられる構造を、採用することができる。
【００３０】
なお、光スイッチング素子１０は、光により点弧／消弧が可能であり、点弧時に発光する光スイッチング素子とすることもできる。この場合、光スイッチング素子１０の発光波長は、第３の波長λ３０以下であることが好ましい。これにより、光スイッチング素子１０自身が発光する光による光スイッチング素子１０の点弧／消弧への影響を軽減することができる。また、このように光スイッチング素子１０を発光させる場合には、素子構造１５内、より詳細には第２のｎ型半導体層１３と第２のｐ型半導体層１４の間、に活性層を備えることが好ましい。また、第３の光源３０として、このような発光する光スイッチング素子を用いることもできる。
【００３１】
図５（ａ），（ｂ）は、実施の形態１に係る光スイッチング素子の動作原理を示す概念図である。まず、図５（ａ）に示すように、光スイッチング素子１０に第１の波長λ２０の光が照射されているとき、第１のｐ型半導体層１２において、価電子帯の電子が、その光を吸収して、不純物や結晶欠陥による深い準位に捕捉され、価電子帯の正孔が増加する。これにより、第１のｐ型半導体層１２の電位障壁が高くなり、立ち上がり電圧が上昇する。また、照射光の波長が長いほど立ち上がり電圧が上昇しやすい傾向は、不純物や結晶欠陥による深い準位が低エネルギー側に多く設けられているためであると考えられる。次に、図５（ｂ）に示すように、光スイッチング素子１０に第３の波長λ３０の光が照射されているとき、第１のｐ型半導体層１２において、深い準位に捕捉されていた電子が、その光を吸収して、伝導帯に励起される。これにより、第１のｐ型半導体層１２の電位障壁が低くなり、立ち上がり電圧が降下する。以上のように、光スイッチング素子１０は、照射光の波長に依存して立ち上がり電圧が変わると考えられる。
【００３２】
以下、本発明の半導体装置における光スイッチング素子以外の各構成要素について説明する。
【００３３】
（光源２０，２５，３０）
光源は、発光ダイオード素子や半導体レーザ素子等の半導体発光素子を好適に用いることができる。また、有機ＥＬ素子などでもよい。特に、発光ダイオード素子は、比較的安価で且つ小型な光源とすることができる。半導体レーザ素子は、発光スペクトルの線幅が比較的小さく、光スイッチング素子の点弧／消弧を精度良く切り替えることができる。また、光ファイバを利用して光スイッチング素子に効率良く光を照射することもできる。光源は、これらの発光素子そのもの、つまりチップの状態であってもよいし、発光素子が配線基板、リードフレーム、樹脂パッケージ、ステムなどの基体に実装されたものであってもよい。また、これらの発光素子と、蛍光体や非線形光学結晶などと、の組み合わせを切り替え可能な、波長可変の光源としてもよい。
【００３４】
（遮光部材４０）
遮光部材は、光スイッチング素子を覆って、光スイッチング素子への余計な外来光の入射を抑制するものである。遮光部材は、光スイッチング素子や光源を収容する筐体でもよいし、光スイッチング素子に直接形成されたものでもよい。具体的には、例えば、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）樹脂、フェノール樹脂、ＢＴレジン（bismaleimide triazine resin）、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、液晶ポリマーなどの樹脂材料を用いることができる。また、これらの透光性樹脂に、カーボンブラックなどの顔料を配合することで、暗色の樹脂とすることが好ましい。なお、遮光部材を光スイッチング素子に直接形成する場合は、光源の光を光スイッチング素子に照射可能なように、これらの透光性樹脂により光スイッチング素子や光源を被覆し、更にその上を上記暗色の樹脂で被覆するとよい。
【００３５】
（電源装置５０）
電源装置は、光スイッチング素子に所望の信号を入力可能な電源を備えるものであればよい。電源装置は、電流源でもよいが、光スイッチング素子への印加電圧を制御しやすい電圧源が好ましく、パルス電圧源がより好ましい。なお、電源装置は、配線基板や回路基板を備えていてもよく、光スイッチング素子や光源はそのような基板上に設けられていてもよい。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
【００３７】
実施例１の光スイッチング素子は、光により点弧及び消弧が可能であり、点弧時に発光する光スイッチング素子である。この光スイッチング素子は、サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法により成長された、以下の表１に示すような窒化物半導体の素子構造を備える。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
そして、反応性イオンエッチングで半導体の積層体の一部を除去して、第１のｎ型半導体層のＳｉドープＧａＮ層が露出され、その露出面にｎ側電極が設けられている。ｎ側電極は、スパッタ法で形成された、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ（膜厚２０ｎｍ／２００ｎｍ／４００ｎｍ）である。ｐ側電極は、最上層のＭｇ高ドープＧａＮ層上に、蒸着法で形成された膜厚４００ｎｍのＩＴＯの透光性導電膜を介して、スパッタ法で形成された、Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕ（膜厚１００ｎｍ／２００ｎｍ／４００ｎｍ）である。なお、半導体の積層体は、ｐｎ両電極を露出させて、スパッタ法で形成された膜厚２００ｎｍのＳｉＯ２の保護膜に被覆されている。
【００４０】
実施例１の半導体装置は、黒色のシリコーン樹脂製の筐体である遮光部材内に、上記のような光スイッチング素子と、３種類の光源と、を収容したものである。第１、第２、第３の光源はそれぞれ、緑色発光（発光波長５５０ｎｍ）、赤色発光（発光波長６３０ｎｍ）、青色発光（発光波長４６０ｎｍ）の発光ダイオード素子である。なお、この光スイッチング素子に、第１、第２、第３の光源の光をそれぞれ照射したとき、立ち上がり電圧は、４．０Ｖ、５．７Ｖ、２．５Ｖになる。
【００４１】
＜駆動例１＞
この半導体装置をパルス電圧源に接続し、入力信号として、振幅３．５Ｖのパルス電圧を光スイッチング素子に印加する。そして、光スイッチング素子に第２の光源の赤色光を照射すると、光スイッチング素子をオフ状態とし、入力信号を遮断することができる。また、光スイッチング素子に第３の光源の青色光を照射すると、光スイッチング素子をオン状態とし、入力信号を通過させることができる。再度オフ状態に戻すには、光スイッチング素子に第２の光源の赤色光を照射すればよい。
【００４２】
＜駆動例２＞
また、この半導体装置をパルス電圧源に接続し、入力信号として、振幅３．０Ｖと４．５Ｖのパルス電圧を光スイッチング素子に各々印加する。そして、光スイッチング素子に第１の光源の緑色光を照射すると、振幅３．０Ｖの入力信号を遮断し、振幅４．５Ｖの入力信号を通過させることができる。また、光スイッチング素子に第２の光源の赤色光を照射すると、両振幅の入力信号を遮断することができる。また、光スイッチング素子に第３の光源の青色光を照射すると、両振幅の入力信号を通過させることができる。このように、発光させる光源に応じて、特定の入力信号を選択的に通過させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る半導体装置は、電力変換装置におけるスイッチング電源などに利用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０…光スイッチング素子（１１…第１のｎ型半導体層、１２…第１のｐ型半導体層、１３…第２のｎ型半導体層、１４…第２のｐ型半導体層、１５…素子構造、１６…基板、１７…ｎ側電極、１８…透光性導電膜、１９…ｐ側電極）
２０…第１の光源、２５…第２の光源、３０…第３の光源
４０…遮光部材
５０…電源装置
１００，２００…半導体装置
【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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