(57)【要約】      （修正有）【課題】電力設備を動作させる駆動部と、駆動部を制御する制御部とを分離し、高い絶縁性とノイズ耐性を実現しながら、小型化と高性能を可能にする光駆動半導体素子を提供する。【解決手段】制御部からの光を導波路３０ａ、３０ｂにより導き、２つのフォトダイオード列４、５に照射することにより得られた電圧を用い、電力用トランジスタのＯＮ、オフ状態を制御するとともに、光によるトランジスタの誤動作を防止する。さらに、ＩｎＧａＮ層を受光層とし、高耐圧で高出力電流を実現できる、光駆動サイリスタ、双方向サイリスタならびに光駆動のバイポーラおよび電界効果トランジスタはＧａＮ系半導体により構成する。【選択図】図２
2017152542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のフォトダイオードが直列に接続されている第１のフォトダイオード列と、前記第１のフォトダイオード列とは逆の極性の複数のフォトダイオードが直列に接続されている第２のフォトダイオード列とを備え、
前記第１のフォトダイオード列および前記第２のフォトダイオード列は、並列にトランジスタのゲート電極とソース電極間、またはトランジスタのベース電極とカソード電極間に接続されており、
前記トランジスタを構成する第１の半導体と前記第１のフォトダイオード列および前記第２のフォトダイオード列を構成する第２の半導体は、光の吸収波長が異なることを特徴とする光駆動半導体素子。
【請求項２】
前記第１のフォトダイオード列、前記第２のフォトダイオード列および前記トランジスタを覆う遮光性部材と、
前記第１のフォトダイオード列に光を導く第１の光入射口と前記第２のフォトダイオード列に光を導く第２の光入射口とを備え、
前記第１の光入射口と前記第２の光入射口とは、前記遮光性部材に囲まれている
ことを特徴とする請求項１記載の光駆動半導体素子。
【請求項３】
前記第１のフォトダイオード列および前記第２のフォトダイオード列に光を導く１本の光導波路と、
前記光導波路と前記第１のフォトダイオード列との間に第１の光学フィルターと、前記光導波路と前記第２のフォトダイオード列との間に第２の光学フィルターとを備え、
前記第１の光学フィルターと前記第２の光学フィルターとは、透過する光の波長域が異なることを特徴とする請求項１または２記載の光駆動半導体素子。
【請求項４】
前記第１のフォトダイオード列および前記第２のフォトダイオード列に光を導く１本の光導波路と、
前記光導波路と前記第１のフォトダイオード列との間に第１の偏光フィルターと、前記光導波路と前記第２のフォトダイオード列との間に第２の偏光フィルターとを備え、
前記第１の偏光フィルターと前記第２の偏光フィルターとは、透過する光の偏光方向が異なることを特徴とする請求項１または２記載の光駆動半導体素子。
【請求項５】
第１の電極と、
第１のｐ型ＧａＮ層と、
第１のｎ型ＧａＮ層と、
ｐ型ＩｎＧａＮ層と、
第２のｎ型ＧａＮ層と、
第２の電極とが積層されており、
前記第１のｎ型ＧａＮ層と前記ｐ型ＩｎＧａＮ層と前記第２のｎ型ＧａＮ層とにより第１のバイポーラトランジスタを構成し、
前記ｐ型ＩｎＧａＮ層は、前記第１のバイポーラトランジスタのベース層を構成し、
前記ｐ型ＩｎＧａＮ層の光の吸収波長は、前記第１のｎ型ＧａＮ層、前記第２のｎ型ＧａＮ層および前記第１のｐ型ＧａＮ層の光の吸収波長と異なることを特徴とする光駆動半導体素子。
【請求項６】
前記第１のｎ型ＧａＮ層と前記ｐ型ＩｎＧａＮ層と前記第２のｎ型ＧａＮ層とにより構成される前記第１のバイポーラトランジスタの直流電流増幅率ｈｆｅ１と
前記ｐ型ＩｎＧａＮ層と前記第１のｎ型ＧａＮ層と前記第１のｐ型ＧａＮ層とにより構成される第２のバイポーラトランジスタの直流電流増幅率ｈｆｅ２とが、以下の関係式
ｈｆｅ１ｈｆｅ２≧１
を満足できることを特徴とする請求項５記載の光駆動半導体素子。
【請求項７】
前記ｐ型ＩｎＧａＮ層と前記第１のｎ型ＧａＮ層との間に、Ｉｎの組成が前記ｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成以下であり、前記第１のｎ型ＧａＮ層に近づくに従いＩｎの組成が減少するＩｎ組成分布を有する第１のＩｎグレイデッド層と、
前記ｐ型ＩｎＧａＮ層と前記第２のｎ型ＧａＮ層との間に、Ｉｎの組成が前記ｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成以下であり、前記第２のｎ型ＧａＮ層に近づくに従いＩｎの組成が減少するＩｎ組成分布を有する第２のＩｎグレイデッド層とを備えたことを特徴とする請求項５または６記載の光駆動半導体素子。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項記載の半導体素子において、
全てのＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層の導電型が逆の導電型であることを特徴とする光駆動半導体素子。
【請求項９】
第３の電極と、
第１のｐ型ＧａＮ層と、
第１のｎ型ＧａＮ層と、
ｐ型ＩｎＧａＮ層と、
第２のｎ型ＧａＮ層と、
第２のｐ型ＧａＮ層と
第４の電極が積層されており、
前記第３の電極は、前記第１のｐ型ＧａＮ層および前記第１のｎ型ＧａＮ層に電気的に接続されており、
前記第４の電極は、前記第２のｐ型ＧａＮ層および前記第２のｎ型ＧａＮ層に電気的に接続されており、
前記ｐ型ＩｎＧａＮ層は、前記第１のｎ型ＧａＮ層と前記ｐ型ＩｎＧａｎ層と前記第２のｎ型ＧａＮ層とにより構成されるバイポーラトランジスタのベース層を構成し、
前記ｐ型ＩｎＧａＮ層の光の吸収波長は、前記第１のｎ型ＧａＮ層、前記第２のｎ型ＧａＮ層、前記第１のｐ型ＧａＮ層および前記第２のｐ型ＧａＮ層の光の吸収波長と異なる
ことを特徴とする光駆動半導体素子。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体素子において、全てのＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層の導電型が逆の導電型であることを特徴とする光駆動半導体素子。
【請求項１１】
第５の電極と、
第１のｎ型ＧａＮ層と、
第１のドリフト層と、
ｐ型ＩｎＧａＮ層と、
第２のドリフト層と、
第２のｎ型ＧａＮ層と、
第６の電極とが積層されており、
第５の電極は第１のｎ型ＧａＮ層と接続されており、
第６の電極は第２のｎ型ＧａＮ層と接続されており、
第１のドリフト層は、第１のｎ型ＧａＮ層より不純物濃度が低く、かつ膜厚が厚いｎ型ＧａＮ層であり、
第２のドリフト層は、第１のドリフト層と同じ導電型の不純物濃度であり、かつ同じ膜厚であることを特徴とする光駆動半導体素子。
【請求項１２】
基板上に、ＧａＮ層、アンドープのＩｎグレイデッド層、アンドープのＩｎＧａＮ層、アンドープのＧａＮ層、アンドープのＡｌＧａＮ層が積層されており、
前記アンドープのＡｌＧａＮ層上には、ゲート領域を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層を備え、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上にはゲート電極が接続されており、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の両側の前記アンドープのＡｌＧａＮ層上にはソース電極とドレイン電極が接続されていることを特徴とする光駆動半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用の光駆動半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
駆動回路（駆動部）と制御回路（制御部）から構成される電力変換システムでは、高電圧のノイズから制御回路内の半導体素子を保護するために光結合技術が用いられる場合がある。光結合技術では制御回路が電気的に絶縁されるため、耐ノイズ性能と共に高い絶縁性能を実現することができる。
【０００３】
特許文献１には、制御部から制御信号として光信号を発生し、光ファイバーにより光を駆動部に導き、駆動部に設けられた２種の受光素子において、光信号を電気信号に変換し、駆動部の導通および非導通を制御し、光ファイバーの距離を長くすることにより、必要な絶縁耐圧を得る技術が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、高耐圧で高出力を得るため、制御部と駆動部（電力処理回路）とを光ファイバーで絶縁し、炭化珪素で構成されたワイドバンドギャップサイリスタの導通および非導通を、光駆動バイポーラとフォトダイオードの出力により、制御する回路が開示されている。また、炭化珪素で構成された光駆動ワイドバンドギャップサイリスタを用いたラッチ型スイッチング回路も開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１９１９６６号公報
【特許文献２】特表２００８−５４１２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、消費電力が小さく、かつ高速で緻密な制御性を備えた小型の電力設備制御システムが、望まれている。しかし、特許文献１に開示されるシステムは、高耐圧、低ノイズを実現するものの、駆動させるスイッチング素子であるトランジスタと光電変換する受光素子とが分離されているため、小型化および高速応答性の実現には適さない構成である。また、特許文献２に開示されるシステムは、照射光がデバイス材料全体で吸収されるため、必要な駆動電流を得るためのデバイスサイズが大きくなるほか、ダーリントン接続すること、異なる種類の受光素子を組合た複雑な回路になることなどにより、小型化が困難である。
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明は、受光部とスイッチング素子としてのトランジスタとを融合させることで、高耐圧が求められる電力設備において使用可能な、かつ小型で高性能な光駆動の半導体素子を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明に係る光駆動半導体素子は、
複数のフォトダイオードが直列に接続されている第１のフォトダイオード列と、前記第１のフォトダイオード列とは逆の極性の複数のフォトダイオードが直列に接続されている第２のフォトダイオード列とを備え、
前記第１のフォトダイオード列および前記第２のフォトダイオード列は、並列にトランジスタのゲート電極とソース電極間、またはトランジスタのベース電極とカソード電極間に接続されており、
前記トランジスタを構成する第１の半導体と前記第１のフォトダイオード列および前記第２のフォトダイオード列を構成する第２の半導体は、光の吸収波長が異なることを特徴とする。
【０００９】
このような半導体素子の構成とすることにより、照射された光により直接的に、電力設備用の高耐圧、高出力トランジスタを駆動させ、誤動作なく高速動作が可能な光駆動半導体素子を得ることができる。
【００１０】
本発明に係る光駆動半導体素子は、
第１のフォトダイオード列、第２のフォトダイオード列およびトランジスタを覆う遮光性部材と、
第１のフォトダイオード列に光を導く第１の光入射口と第２のフォトダイオード列に光を導く第２の光入射口とを備え、
前記第１の光入射口と前記第２の光入射口とは、遮光性部材に囲まれている
ことを特徴とする。
【００１１】
このような構成とすることにより、受光部である第１のフォトダイオード列および第２のフォトダイオード列と、電力用スイッチングデバイスとして機能するトランジスタとが、１つのパッケージ内に実装でき、小型化を実現することができる。
【００１２】
本発明に係る光駆動半導体素子は、
第１のフォトダイオード列および第２のフォトダイオード列に光を導く１本の光導波路と、
光導波路と第１のフォトダイオード列との間に第１の光学フィルターと、光導波路と第２のフォトダイオード列との間に第２の光学フィルターとを備え、
第１の光学フィルターと第２の光学フィルターとは、透過する光の波長域が異なることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る光駆動半導体素子は、
第１のフォトダイオード列および第２のフォトダイオード列に光を導く１本の光導波路と、
光導波路と前記第１のフォトダイオード列との間に第１の偏光フィルターと、光導波路と第２のフォトダイオード列との間に第２の偏光フィルターとを備え、
第１の偏光フィルターと第２の偏光フィルターとは、透過する光の偏光方向が異なることを特徴とする。
【００１４】
このような構成とすることにより、光ファイバーの本数を減少させ、光ファイバーの設置の自由度を増し、光結合を用いて電力設備を制御するシステムを小型化することができる。
【００１５】
本発明に係る光駆動半導体素子は、
第１の電極と、
第１のｐ型ＧａＮ層と、
第１のｎ型ＧａＮ層と、
ｐ型ＩｎＧａＮ層と、
第２のｎ型ＧａＮ層と、
第２の電極とが積層されており、
第１のｎ型ＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層と第２のｎ型ＧａＮ層とにより第１のバイポーラトランジスタを構成し、
ｐ型ＩｎＧａＮ層は、第１のバイポーラトランジスタのベース層を構成し、
ｐ型ＩｎＧａＮ層の光の吸収波長は、第１のｎ型ＧａＮ層、第２のｎ型ＧａＮ層および第１のｐ型ＧａＮ層の光の吸収波長とは異なり、
各ＧａＮ層で吸収されず、ｐ型ＩｎＧａＮ層で吸収される波長の光を、その波長で透明である基板側から照射することで、ベース層へ電流注入が生じさせることができる。
【００１６】
また、本発明に係る光駆動半導体素子は、
第１のｎ型ＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層と第２のｎ型ＧａＮ層とにより構成される第１のバイポーラトランジスタの電流注入条件で測定される直流電流増幅率ｈＦＥ１と
ｐ型ＩｎＧａＮ層と第１のｎ型ＧａＮ層と第１のｐ型ＧａＮ層とにより構成される第２のバイポーラトランジスタの直流電流増幅率ｈＦＥ２とは非線型であり、印加される電圧や電流などの動作条件によって異なるが、ｈＦＥ１とｈＦＥ２の積が、以下の関係式、
オフ状態において、ｈＦＥ１ｈＦＥ２＜１
オフ状態からオン状態の遷移状態において、ｈＦＥ１ｈＦＥ２＞＝１が存在し、
オン状態において、ｈＦＥ１ｈＦＥ２＝１
を満足することができる。
【００１７】
このような構成であるため、ＩｎＧａＮ層は受光層として機能するとともに、第１のバイポーラトランジスタとしてｎｐｎヘテロ接合トランジスタのベース層としても機能するため、高感度で電流利得が大きくなるため、大電流を制御でき、第２のｐｎｐトランジスタによる正帰還の働きによりオン状態（通電状態）を維持することができる小型の光駆動サイリスタを得ることができる。
【００１８】
本発明に係る光駆動半導体素子は、
前記ｐ型ＩｎＧａＮ層と前記第１のｎ型ＧａＮ層との間に、Ｉｎの組成が前記ｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成以下であり、前記第１のｎ型ＧａＮ層に近づくに従いＩｎの組成が減少するＩｎ組成分布を有する第１のＩｎグレイデッド層と、
前記ｐ型ＩｎＧａＮ層と前記第２のｎ型ＧａＮ層との間に、Ｉｎの組成が前記ｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成以下であり、前記第２のｎ型ＧａＮ層に近づくに従いＩｎの組成が減少するＩｎ組成分布を有する第２のＩｎグレイデッド層とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
このような構成とすることにより、エネルギーバンドのポテンシャルスパイクの無いヘテロ接合を実現できるので、オン状態の残留電圧が低くできる利点がある。また、ｐ型ＩｎＧａＮ層と第１のｎ型ＧａＮ層間の内蔵されているバイポーラトランジスタ間の第１のＩｎグレイディッド層を解消した場合には、ｐ型ＩｎＧａＮ層に注入される電子の初速度を大きくすることができるため、よりｈＦＥ１が大きくなるので、より低い光量でサイリスタ動作を生じしせめる有利な効果を有する。
【００２０】
また、上記光駆動サイリスタにおいて、全てのＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層の導電型を逆の導電型とすることにより、極性の異なるサイリスタを提供し、電力設備の駆動回路の設計の自由度を増すことが可能となる。
【００２１】
本発明に係る光駆動半導体素子は、
第３の電極と、
第１のｐ型ＧａＮ層と、
第１のｎ型ＧａＮ層と、
ｐ型ＩｎＧａＮ層と、
第２のｎ型ＧａＮ層と、
第２のｐ型ＧａＮ層と
第４の電極が積層されており、
第３の電極は、第１のｐ型ＧａＮ層および第１のｎ型ＧａＮ層に電気的に接続されており、
第４の電極は、第２のｐ型ＧａＮ層および第２のｎ型ＧａＮ層に電気的に接続されており、
ｐ型ＩｎＧａＮ層は、  第１のｎ型ＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層と第２のｎ型ＧａＮ層とにより構成されるバイポーラトランジスタのベース層を構成し、
ｐ型ＩｎＧａＮ層の光の吸収波長は、第１のｎ型ＧａＮ層、第２のｎ型ＧａＮ層、第１のｐ型ＧａＮ層および第２のｐ型ＧａＮ層の光の吸収波長と異なり、
各ＧａＮ層で吸収されず、ｐ型ＩｎＧａＮ層で吸収される波長の光を、その波長で透明である基板側から照射することで、ベース層へ電流注入が生じさせることができる。
【００２２】
各層が上から順にｐｎｐｎｐと上下対称な層を構成し、最上層の一部を除去してｎｐｎｐ構成とし、最下層の一部を除去してｐｎｐｎ構成とすることによって、（例えば、表出したｐ層を正極とすることを想定すると）、正極が最上層と最下層の何れであっても、上下対称性が確保されているため、双方向に電流を流すことが可能な光駆動の双方向サイリスタを得ることができる。
【００２３】
また、上記双方向サイリスタにおいて、全てのＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層の導電型を逆の導電型とすることにより、極性の異なる双方向サイリスタを提供でき、電力設備の駆動回路の設計の自由度を増すことが可能となる。
【００２４】
本発明に係る光駆動半導体素子は、
第５の電極と、
第１のｎ型ＧａＮ層と、
第１のドリフト層と、
ｐ型ＩｎＧａＮ層と、
第２のドリフト層と、
第２のｎ型ＧａＮ層と、
第６の電極とが積層されており、
第５の電極は第１のｎ型ＧａＮ層と接続されており、
第６の電極は第２のｎ型ＧａＮ層と接続されており、
第１のドリフト層は、第１のｎ型ＧａＮ層より不純物濃度が低く、かつ膜厚が厚いｎ型ＧａＮ層であり、
第２のドリフト層は、第１のドリフト層と同じ導電型の不純物濃度であり、かつ同じ膜厚であり、
各ＧａＮ層で吸収されず、ｐ型ＩｎＧａＮ層で吸収される波長の光を、その波長で透明である基板側から照射することで、ベース層へ電流注入が生じさせることができる。
【００２５】
光照射が無い場合には、第５の電極と第６の電極に交流的な電圧が印加されても、ｐ型ＩｎＧａＮ層に対して上下対称に設けられたドリフト領域により印加電圧が支えられるため、非導通を維持することができ、光照射下では、ｐ型ＩｎＧａＮ層のポテンシャルが下げられるため、導通状態となる。このような構成とすることにより、前述の双方向光サイリスタと比較して、正帰還による通電状態の維持が行われないため、光照射時のみに双方向に電流を流すことができる、光駆動バイポーラトランジスタを得ることができる。
【００２６】
本発明に係る光駆動半導体素子は、
基板上に、ＧａＮ層、アンドープのＩｎグレイデッド層、アンドープのＩｎＧａＮ層、アンドープのＧａＮ層、アンドープのＡｌＧａＮ層が積層されており、
前記アンドープのＡｌＧａＮ層上には、ゲート領域を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層を備え、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上にはゲート電極が接続されており、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の両側の前記アンドープのＡｌＧａＮ層上にはソース電極とドレイン電極が接続されていることを特徴とする。
【００２７】
上記ソース電極とドレイン電極はアンドープＧａＮ層とアンドープＡｌＧａＮ層の界面に生じる二次元電子ガスに電気的な接続を行うものであり、アンドープＡｌＧａＮ層を介したトンネル効果による電気的接続であっても、エッチングにより界面を露出させた側面に直接に電気接続を行なっても良いし、エッチングの後に高濃度ＧａＮを再成長させたものに電気接続を行なっても良い。
【００２８】
このようにＧａＮ層、アンドープのＩｎグレイデッド層、アンドープのＩｎＧａＮ層、アンドープのＧａＮ層、アンドープのＡｌＧａＮ層の積層構造体上に、ゲート領域を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層を備えた構成のノーマリーオフ型の電界効果トランジスタとすることにより、ゲート領域に正電圧を印加した場合、Ｐ型ＡｌＧａＮ層からアンドープＧａＮ層へホールが注入され、そのホールはアンドープＧａＮ層の内部電界によって移動させられ、アンドープＩｎＧａＮ層側のポテンシャルの窪みに溜まる。このようなホールは再結合するまで滞留することで、静電誘導によって前記の二次元電子ガスの濃度を増大させるため、動作電流を増大させることができる。
【００２９】
またホールを滞留させる効果を、各ＧａＮで吸収されず、アンドープのＩｎＧａＮ層でのみ吸収される波長の光を、その波長で透明となる基板側から照射することで、アンドープＩｎＧａＮ層側のポテンシャルの窪みに滞留させることが出来る。この場合のホールが消滅するまでの再結合時間は電子とホールが空間的に分離されているため、分布の重なりが小さくなり、長くなる。従って、上記波長の光照射時にはＩｎＧａＮ層で生成された正孔が、ＧａＮ側に引き寄せられ、ＧａＮ層に電子を誘起し、ソース電極とドレイン電極間が導通し、電界効果トランジスタがオン状態となり、光の照射を停止することによりオフ状態（非導通状態）となる光駆動電界効果トランジスタを得ることができる。
【００３０】
なお、本発明においてＩｎＧａＮとは、その組成が一般式ＩｎｘＧａ１ーｘＮ（０＜ｘ＜１）で表されるＩｎとＧａとＮとの化合物を言い、Ｉｎの組成とは上記一般式のｘに相当し、ｘの範囲は結晶成長中に欠陥を生じない範囲で選択され、通常のＭＯＣＶＤ法を用いた結晶成長の場合は３０％を超えないものである。
また、ＡｌＧａＮとは、その組成が一般式ＡｌｙＧａ１ーｙＮ（０＜ｙ＜１）で表されるＡｌとＧａとＮとの化合物を言い、Ａｌの組成とは上記一般式のｙに相当し、ノーマリーオフの条件を維持する範囲として、ｙの範囲は３０％を超えないものである。 
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る第１の実施形態における光駆動半導体素子の構成を示す回路図。
【図２】本発明に係る第１の実施形態における光駆動半導体素子の実装状態を示す断面図。
【図３】本発明に係る第２の実施形態における光駆動半導体素子の構成を示す回路図。
【図４】本発明に係る第３の実施形態における光駆動半導体素子の構成を示す回路図。
【図５】本発明に係る第４の実施形態における光駆動のサイリスタの断面図。
【図６】本発明に係る第５の実施形態における光駆動のサイリスタの断面図。
【図７】本発明に係る第６の実施形態における光駆動の双方向サイリスタの断面図。
【図８】本発明に係る第７の実施形態における光駆動の双方向サイリスタの断面図。
【図９】本発明に係る第８の実施形態における光駆動のバイポーラトランジスタの断面図。
【図１０】本発明に係る第９の実施形態における光駆動の電界効果トランジスタの断面図。
【図１１】本発明に係る第９の実施形態における光駆動の電界効果トランジスタの動作原理を説明するバンド図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における光駆動の半導体素子の構成を示している。トランジスタ１のゲート電極２とソース電極３には、互いに極性の異なる第１のフォトダイオード列４と第２のフォトダイオード列５とが並列に接続されている。各フォトダイオード列は、複数個のフォトダイオードの直列接続から構成される。
【００３３】
図示しない制御部の発光素子からは、駆動部を制御するため、第１の光および第２の光が放射されるが、制御する目的に応じて、第１または第２の光のいずれか一方の光が、二者択一的に選択されて放射される。
【００３４】
光ファイバー等の光導波路の先端が第１および第２のフォトダイオード列４、５の図面上方に設置されている。第１のフォトダイオード列４には、第１の光入射口６を介して第１の光が照射され、第２のフォトダイオード列５には、第２の光入射口７を介して第２の光が照射される。第１の光入射口６と第２の光入射口７とは遮光材８により囲まれ、第１の光が第２のフォトダイオード列５に照射されることを防止し、第２の光が第１のフォトダイオード列４に照射されることを防止する。
【００３５】
第１または第２の光が、それぞれ受光素子である第１または第２のフォトダイオード列４、５に照射されると、光電効果により、第１または第２のフォトダイオード列４、５のフォトダイオードの個数に比例した電圧が発生する。例えば、制御部から第１の光が照射されると、ゲート電極２にはソース電極３に対してプラスの電圧が印加される。トランジスタ１のしきい値電圧より高い電圧が発生するように、ダイオードの個数を設定しておくことにより、トランジスタ１はＯＮ（通電）状態とすることができる。例えば、１個のフォトダイオードから得られる電圧は、Ｓｉ系フォトダイオードの場合０．５［Ｖ］、ＧａＮ系フォトダイオードの場合２［Ｖ］であり、それぞれ５個で２．５［Ｖ］または１０［Ｖ］の電圧を生成することができる。またＧａＮ系フォトダイオードの場合、さらに組成としてＩｎを添加することによって、得られる電圧が変化する。トランジスタのしきい値電圧およびフォトダイオードの特性（構成する半導体の特性）に合わせて、フォトダイオードの個数を設定すれば良い。
【００３６】
このように、トランジスタ１を動作させる電源を必要とせず、第１の光から直接、トランジスタ１を駆動する電圧を発生させるため、トランジスタ１の駆動速度を高速化することができる。
【００３７】
次に、このオン状態から、第１の光の照射を止めると、ゲート電極２には電圧が印加されず、抵抗９を介して電流が流れ、ゲート電極２の電位が下がりオフ状態（非通電）となる。オン状態からオフ状態への移行は、ゲート電極２等の寄生容量と抵抗９との積である時定数に依存する。
【００３８】
一方、第２の光を照射することにより、ゲート電極２はソース電極３に対しマイナスの電圧が印加されるため、トランジスタ１はオフ状態となる。また、第２の光を照射する前の状態が、トランジスタ１のオン状態であった場合、強制的にトランジスタ１はオン状態からオフ状態へ以降する。そのため、第２の光が照射されない場合と比較し、トランジスタ１の応答速度は、高くなる。
【００３９】
なお、一旦トランジスタ１がオフ状態に推移すると、第２の光の照射を停止してもオフ状態が継続するため、第２の光の照射を停止することができる。それにより、制御部での不要な電力消費を防止する。
【００４０】
このように、制御部から発生する光により駆動部を制御するため、両者は電気的に分離されており、駆動部のノイズが制御部に影響することが無い。
【００４１】
図２は、図１に示された回路を実現するデバイスの主要部分の断面図である。それぞれ個別に形成されたフォトダイオード列を構成する部分（以下、受光部と称す）とＩＧＢＴやパワーＭＯＳトランジスタ等の電気回路を構成する部分（以下、トランジスタ部と称す）とを貼り合わせて実装し、一体化された光駆動の半導体素子（デバイス）を示す。
【００４２】
図２のように第１および第２のフォトダイオード列４、５とトランジスタ１とを最短距離で接続することにより、不要な寄生抵抗、寄生容量の発生を防止し、応答速度の高速化を図れる。さらに、トランジスタ１と第１および第２のフォトダイオード列４、５とを積層構造とすることにより、本デバイスの小型化、高集積化を実現することができる。
【００４３】
以下では図２を参照し、まず、受光部について説明し、次に、トランジスタ部について説明する。
【００４４】
第１および第２のフォトダイオード列４、５には、サファイア基板１０上に形成されたノンドープのＩｎＧａＮ層１１、例えばＩｎの組成が１〜２５［％］、膜厚１００［ｎｍ］に、イオン注入等により不純物をドーピングすることにより、ｎ型ＩｎＧａＮ層１２とｐ型ＩｎＧａＮ層１３とが交互に形成されている。そして、ｐ型ＩｎＧａＮ層とｎ型ＩｎＧａＮ層とを、１つ置きに配線１４により電気的に接続することにより、ＰＮ接合を有するダイオードが直列に複数個整列した、第１および第２のフォトダイオード列４、５が形成されている。なお、サファイア基板１０の代わりにノンドープのＧａＮ基板を用いても良い。
【００４５】
上記のように形成された第１および第２のフォトダイオード列４、５を覆うように、絶縁膜１５、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜、が形成されている。絶縁膜１５のコンタクトホールに形成された導電性ヴィアプラグ１６を介して、電極１７と第１および第２のフォトダイオード列４、５とが電気的に接続されている。光電効果により発生した電圧は、電極１７から外部に引き出すことができる。
【００４６】
なお、図２において、配線１４は直接ｐ型ＩｎＧａＮ層とｎ型ＩｎＧａＮ層とを接続する構成となっているが、ｐ型ＩｎＧａＮ層とｎ型ＩｎＧａＮ層上にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを介して接続しても良い。また、ヴィアプラグ１６と電極１７とは同一であってもよい。即ち、コンタクトホールを形成後、金属膜、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ等を形成し、パターニングすることで、ヴィアプラグ１６と電極１７とを同時に形成することができる。また、ｐ型ＩｎＧａＮ層とオーミックコンタクトするための電極としては、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕを、ｎ型ＩｎＧａＮ層とオーミックコンタクトするための電極としてはＴｉ／Ａｌを使用することができる。
【００４７】
次に、スイッチング動作するトランジスタ部について、説明する。
【００４８】
図面下方よりｐ＋ＧａＮ層とｎ＋ＧａＮ層との積層構造のＧａＮ基板１８上に、ゲート絶縁膜１９、例えばシリコン酸化膜、を介してゲート電極２０、例えばＭｏ、が形成されている。ゲート電極２０の両側のＧａＮ基板１８には、イオン注入等により不純物が導入され、それぞれｎ型拡散層２１ａ、ｐ型拡散層２２ａとｎ型拡散層２１ｂ、ｐ型拡散層２２ｂとが形成されており、ＩＧＢＴを構成する。なお、ＧａＮ基板は、サファイア基板とその上に形成されたＧａＮ層であっても良い。
【００４９】
ゲート電極２０およびＧａＮ基板１８を覆うように絶縁膜２３、例えばシリコン酸化膜、が形成されている。ｎ型拡散層２１ａとｐ型拡散層２２ａ、ｎ型拡散層２１ｂとｐ型拡散層２２ｂ上に形成されたコンタクトホ−ルには、それぞれ導電性ヴィアプラグ２４ａ、２４ｂが形成されている。これらの導電性ヴィアプラグ２４ａ、２４ｂにより、ｎ型拡散層２１ａとｐ型拡散層２２ａ、ｎ型拡散層２１ｂとｐ型拡散層２２ｂが、電気的に接続されている。このように絶縁破壊電圧および飽和電子速度が高いＧａＮによりトランジスタを構成することで、高耐圧かつ高出力なトランジスタを得ることができる。
【００５０】
また、上記トランジスタは高耐圧であるため、トランジスタがオフ状態でのリーク電流が小さく、第１の光照射後にオフ状態に移行する時定数が大きくなる。そのため、第２の光の照射によるトランジスタのオフ状態への強制的移行が、高速動作に対して特に効果を奏する。
【００５１】
絶縁膜２３上には、配線（電極）２５が形成されており、導電性ヴィアプラグ２４ａおよび２４ｂを介して、ｎ型拡散層２１ａ、ｐ型拡散層２２ａおよびｎ型拡散層２１ｂ、ｐ型拡散層２２ｂに、電気的に接続されている。
【００５２】
また、配線２５は、ゲート電極２０上に形成された導電性ヴィアプラグ２４ｃを介して、ゲート電極２０に電気的に接続されている。
なお、上記と同様に、ヴィアプラグ２４ａ、２４ｂ、２４ｃと配線２５とは同一であってもよい。即ち、コンタクトホールを形成後、金属膜、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ等を形成し、パターニングすることで、ヴィアプラグ２４ａ、２４ｂ、２４ｃと配線２５とを同時に形成することができる。
【００５３】
なお、上記においては、ＩＧＢＴについて説明したが、ＧＴＯ、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタであっても良く、例えば特開２００７−２０１０９３等に開示されているＧＩＴであっても良い。また、配線２５のパターン形状は、電気回路により、適宜確定する。
【００５４】
図２において受光部と、トランジスタ部とは、電極１７と配線２５とが電気的に接続している。上記説明においては、簡単のため、電極１７と配線２５とが直接接する構造について説明した。しかし、電極１７、配線２５上に、それぞれ、絶縁膜を形成し、電気的接続を行う箇所を開口し、金属のパッド、例えばアルミニウム、を形成し、さらに金や半田等のバンプを形成し、それぞれ形成されたバンプを接続しても良い。
【００５５】
電気的接続は、半田等の導電性接着剤等を利用することができるが、半田溶融による金属接合以外でも、樹脂の硬化圧縮力による圧接でも良い。
【００５６】
接続された受光部とトランジスタ部は、遮光性樹脂２６（遮光性部材）により封止される。第１および第２のフォトダイオード列４、５に光を導入するため、受光部のサファイア基板側の遮光性樹脂２６の一部を開口し、第１および第２の透光性樹脂２７ａ、２７ｂが封止されている。第１および第２の透光性樹脂２７ａ、２７ｂは、図１における第１の光入射口６および第２の光入射口７に相当し、遮光性樹脂２６は、図１における遮光材８に相当する。
【００５７】
なお、遮光性樹脂および透光性樹脂は、光結合型半導体リレーで使用されている、市販の樹脂を利用することができる。また、遮光性樹脂２６は光を遮る部材（物質）であればよく、セラミックであっても良く、第１および第２の透光性樹脂２７ａ、２７ｂは、光を透過する部材（物質）であればよく、石英ガラスであっても良い。
【００５８】
制御部においては、駆動部のトランジスタの動作を制御するための発光素子である第１および第２のＬＥＤ２８ａ、２８ｂと、上記第１および第２のＬＥＤ２８ａ、２８ｂを発光させるのに必要な電圧を印加する第１および第２のＬＥＤ制御回路２９ａ、２９ｂを備える。第１および第２のＬＥＤ２８ａ、２８ｂから放射された第１および第２の光は、第１および第２の光ファイバー（光導波路）３０ａ、３０ｂにより導かれ、上記第１および第２の透光性樹脂２７ａ、２７ｂを経由し、第１および第２のフォトダイオード列４、５に照射されることになる。
【００５９】
図２に示す構造において、受光部とトランジスタ部とは、積層構造であるため、受光部に入射した第１および第２の光の一部は、トランジスタ部にも入射することになる。しかし、本発明における半導体素子においては、例えば光の波長をＩｎＧａＮにおいては吸収されるがＧａＮにおいては吸収されない波長とすることにより、トランジスタ部の動作は、第１および第２の光の影響を受けることを防止し、フォトダイオード列の受光層をＩｎＧａＮで形成することにより、フォトダイオード列において電圧を発生させることができる。具体的には、第１および第２の光の波長を例えば３９０［ｎｍ］および５００［ｎｍ］とすれば良い。
【００６０】
トランジスタ部には、回路上必要な素子、例えば抵抗、キャパシタ、ダイオード、その他のトランジスタも形成できる。上記の通り、入射光は、トランジスタを構成する半導体（ＧａＮ）に吸収されず、その動作特性への影響が無いため、第１および第２のフォトダイオード列４、５により駆動するトランジスタを形成するＧａＮ基板と同一のＧａＮ基板に、集積回路を形成することにより、マイコン等の集積回路と光駆動のトランジスタ部と一体化して形成することができ、さらに小型の光駆動半導体素子を得ることができる。
【００６１】
また、図２に示すように、第１のフォトダイオード列４と第２のフォトダイオード列５とは隣接している。そのため、本来は第１のフォトダイオード列４のみに照射される第１の光が、多重反射等により、第１の光の一部が第２のフォトダイオード列５に入射することがある。逆に第２の光の一部が、第１のフォトダイオード列４に入射することがある。以下では、このように本来の照射対象と異なるフォトダイオード列へ入射する光を”二次的入射光”と称し、本来の照射対象のフォトダイオード列へ入射する光は、単に”入射光”と称す。
【００６２】
二次的入射光の強度は、入射光の強度と比較し１桁もしくはそれ以上小さいため、その影響は少ない。また、第１および第２のフォトダイオード列４、５においては、光により誘起される電流が再結合電流（リーク電流）よりも小さい場合には電圧が生じないため、実際には電圧が出力される照射光の強度にはしきい値がある。そのため、二次的入射光の強度が、しきい値と同等以下であれば、なんら影響を与えることは無い。
【００６３】
上記例では第１および第２のフォトダイオード列４、５をＩｎＧａＮにより形成したが、Ｓｉで形成しても良い。光の波長を、第１および第２のフォトダイオード列４、５では吸収し、ＧａＮでは透過する波長、例えば青色発光ＬＥＤを用いて制御部から光信号を送信すると、フォトダイオード列では光電効果により、電圧を生じるが、ＧａＮで構成したトランジスタは青色の光を透過し、光により誤動作することは無い。すなわちトランジスタを構成する半導体と第１および第２のフォトダイオード列４、５を構成する半導体とは、光吸収波長の異なる材質であるため、入射する第１および第２の光がトランジスタの動作に影響を与えること無く、第１および第２のフォトダイオード列４、５において光起電力を発生させることができる。
【００６４】
このようにトランジスタをＧａＮで構成（形成）することにより、高耐圧、高出力が得られるだけでなく、ＧａＮを透過する光により、受光素子を駆動し、受光とトランジスタの誤動作の防止をも可能となる。
【００６５】
なお、上記例では、小型化のために上下（垂直方向）に受光部とトランジスタ部とをならべたが、左右（水平方向）に受光部とトランジスタ部とをならべ、ワイヤーボンディングにより電気的に両者を接続しても良い。この場合、受光部の上下を逆転し、光を基板側からでなく、絶縁膜１５側から照射しても良い。また、受光部の基板は、Ｓｉ基板を用いても良い。さらに、同一のサファイア基板に、受光部とトランジスタ部とを形成し、多層配線技術を用い接続しても良い。
【００６６】
（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、光ファイバーを２本使用し、制御部から駆動部を制御する光を導いている。本実施形態では、光ファイバーを１本に減ずることができる。その結果、特に多数の駆動部を制御する場合において、光ファイバーの本数の縮減を図ることができ、光ファイバーを配置する自由度を増やすことができる。以下、第２の実施形態について、図３を用い、詳細に説明する。
【００６７】
まず、制御部から発せられ、駆動部のスイッチング動作するトランジスタをオン状態またはオフ状態にする２つの制御用の光を、それぞれ異なる波長の光とする。例えば、図２において第１および第２のＬＥＤ（発光ダイオード）２８ａ、２８ｂを異なる特性を有するＬＥＤとし、それぞれ異なる波長の光を発光するＬＥＤとする。例えば第１のＬＥＤ２８ａからは、相対的に波長の短い波長４００ｎｍの第１の光が、第２のＬＥＤ２８ｂからは相対的に波長の長い波長４５０ｎｍの第２の光が放射されるとする。これらのＬＥＤは市販のものを利用すれば良い。
【００６８】
図３に示すように、制御部から照射光として第１または第２の光が選択的（二者択一的）に放射され、照射光を１本の光ファイバー３１により、第１および第２のフォトダイオード列４、５上に照射するように導く。そして、光ファイバー３１と第１および第２のフォトダイオード列４、５との間には、第１および第２の光学フィルタ３２、３３がそれぞれ設置されている。
【００６９】
第１および第２の光学フィルタ３２、３３は、例えば、第１および第２の光の波長の間の波長よりも短波長側の光を透過するショートパスフィルタ、および長波長側の光を透過するロングパスフィルタをそれぞれ使用できる。あるいは、第１の波長および第２の波長の光のみを透過するバンドパスフィルターであっても良い。すなわち、第１および第２の光学フィルタ３２、３３は、透過する光の波長域が異なり、これらの光学フィルターにより制御部から発せられる異なる波長の第１および第２の光を分離できれば良い。したがって、第１および第２の光学フィルタ３２、３３が透過する光の波長域は、一部重なっていても良い。なおこれらの光学フィルターは、市販のフィルターを使用できる。
【００７０】
第１および第２の光学フィルタ３２、３３は、例えば図１の第１の光入射口および第２の光入射口に設置でき、具体的には、例えば図２において第１および第２の透光性樹脂２７ａ、２７ｂと置き換えて、一体型として構成できる。あるいは第１および第２の光学フィルタ３２、３３を、第１および第２の透光性樹脂２７ａ、２７ｂの表面に接着しても良いし、近接して設置しても良い。
【００７１】
また、受光部とトランジスタ部とを上下（垂直方向）に積載するのではなく、左右（水平方向）に設置する場合、受光部を上下逆転し、第１のフォトダイオード列４および第２のフォトダイオード列５上の絶縁膜１５に、設置しても良い。すなわち、１本の共通の光ファイバー３１（光導波路）と、第１および第２のフォトダイオード列４、５との間に第１および第２の光学フィルタ３２、３３をそれぞれ設置すれば良い。
【００７２】
（第３の実施形態）
第２の実施形態においては、２つの異なる波長の光を１本の光ファイバーで導き、第１および第２のフォトダイオード列４、５に照射されるよう構成している。
本実施形態においては、２つの光の波長は同じであるが、２つの異なる偏光、例えば電界成分の方向が互いに垂直なＴＥ波とＴＭ波を、１本の光ファイバーで導き、第１および第２のフォトダイオード列４、５に照射されるよう構成するものである。以下、図４を用い詳細に説明する。
【００７３】
まず、１本の光ファイバーによって、偏光方向の異なる光、例えばＴＥ波およびＴＭ波に偏光した光を導く。そして、図４に示す通り、第１および第２のフォトダイオード列４、５と光ファイバーとの間に、それぞれＴＥ波、ＴＭ波を透過する第１および第２の偏光フィルター３４、３５を設置する。あるいは、偏光方向の異なる光に合わせて、第１および第２の偏光フィルター３４、３５の角度を調整する。そして、１本の光ファイバーにより、ＴＥ波もしくはＴＭ波に偏光した光を、第１若しくは第２のフォトダイオード列４、５に照射する。
【００７４】
なお、制御側からＴＥ波、ＴＭ波に偏光した光を導くには、例えば、第１および第２のＬＥＤ２８ａ、２８ｂと光ファイバーとの間に、それぞれＴＥ波、ＴＭ波を透過する偏光フィルタを設置すれば良い。
【００７５】
その結果、第２の実施形態同様に、１本の光ファイバーにより、異なる特性の光を導くことができるため、光ファイバーの設置の自由度が増え、装置の設置面積を小さくできる効果がある。
【００７６】
（第４の実施形態）
以下では、本発明の実施形態におけるラッチ型の光駆動半導体素子であり、光を受光し、かつ光によりスイッチング動作（駆動）するＧａＮ系窒化物半導体を用いた光駆動サイリスタについて説明する。ワイドバンドギャップのＧａＮ系半導体を活用することで、高耐圧と高出力電流を両立することができる。
【００７７】
図５に、本実施形態の光駆動のサイリスタの断面構造を示す。図面下層から順に、ｐ型オーミック電極（例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）である第１の電極４１（アノード）、ｐ型ＧａＮ層４０、ｎ型ＧａＮ層３９、ｐ型ＩｎＧａＮ層３８、ｎ型ＧａＮ層３７、透明伝導体（例えばＩＴＯ膜）からなる透明電極である第２の電極３６（カソード）の４層構造をなす。なお、第２の電極は必ずしも透明伝導体により形成する必要はなく、遮光性の金属を用いても良い。この場合、第２の電極に光を透過する開口部を設ければ良い。開口部は透明材料で覆えば良く、この場合透明材料は絶縁性材料であっても良い。
【００７８】
ｎ型ＧａＮ層３７の不純物濃度は、例えばＳｉまたはＧｅ、１×１０１８〜５×１０１９［／ｃｍ３］、膜厚は２０〜１００［ｎｍ］であり、ｐ型ＩｎＧａＮ層３８の不純物濃度は、例えばＭｇ、５×１０１６〜２×１０１９［／ｃｍ３］、膜厚は１００［ｎｍ］であり、ｎ型ＧａＮ層３９の不純物濃度は、例えばＳｉまたはＧｅ、１×１０１５〜５×１０１７［／ｃｍ３］、膜厚は１０００〜１５００［ｎｍ］であり、ｐ型ＧａＮ層４０の不純物濃度は、例えばＭｇ、１×１０１７〜２×１０１９［／ｃｍ３］、膜厚は５［μｍ］である。
【００７９】
これらの窒化物半導体層は、既知のＭＯＣＶＤ法により、順にエピタキシャル成長させることができる。使用する基板は、ＧａＮ基板のほかサファイア、ＳｉＣ、Ｇａ２Ｏ３（酸化ガリウム）基板を用いることができる。
【００８０】
Ｉｎの組成は、ＭＯＣＶＤ法の成膜条件により調整可能である。例えば、Ｇａ（ガリウム）ソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）等、Ｎ（窒素）ソースとしてはアンモニア、ヒドラジン等、Ｉｎ（インジウム）ソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）等のガスを用い、これらのガスの流量比（分圧）を調整すれば良い
【００８１】
また、上記の通り、ｎ型不純物としてはＳｉまたはＧｅ、ｐ型不純物としてはＭｇを用いることができ、不純物濃度は、例えばｎ型不純物のＳｉを用いる場合はＳｉＨ４（シラン）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、Ｇｅを用いる場合はＧｅＨ４（ゲルマン）、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）またはテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ２Ｈ５）４Ｇｅ）、ｐ型不純物のＭｇを用いる場合はＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）等のガスをＭＯＣＶＤ法の材料ガスとして添加し、ガス流量により調整することができる。
【００８２】
図５において、ｎ型ＧａＮ層３７とｐ型ＩｎＧａＮ層３８とｎ型ＧａＮ層３９とで、第１のバイポーラトランジスタ（ｎｐｎバイポーラトランジスタ）を構成し、ｐ型ＧａＮ層４０とｎ型ＧａＮ層３９とｐ型ＩｎＧａＮ層３８とで第２のバイポーラトランジスタ（ｐｎｐバイポーラトランジスタ）を構成する。第１のバイポーラトランジスタにおいては、エミッタ層、ベース層、コレクタ層は、それぞれｎ型ＧａＮ層３７、ｐ型ＩｎＧａＮ層３８、ｎ型ＧａＮ層３９であり、第２のバイポーラトランジスタにおいては、エミッタ層、ベース層、コレクタ層は、それぞれｐ型ＧａＮ層４０、ｎ型ＧａＮ層３９、ｐ型ＩｎＧａＮ層３８である。
【００８３】
本実施形態の光駆動サイリスタの耐圧は、ｎ型ＧａＮ層３９の不純物濃度と膜厚で決まり、上記例では、１００［Ｖ］程度の高耐圧を得られるが、ＧａＮの臨界電界強度は２００〜３００［Ｖ／μｍ］であるため、不純物濃度が同程度でも、膜厚を１０［μｍ］程度とすることにより、１０００［Ｖ］以上の耐圧をも実現できる。
【００８４】
第１のバイポーラトランジスタのベース層がｐ型ＩｎＧａＮ層３８により構成されているため、例えば青色発光ダイオードより放射される光を、透明電極からなる第２の電極３６側から入射すると、入射光はＧａＮ層では吸収されず、ベース層のｐ型ＩｎＧａＮ層３８で吸収され、電子・正孔対が生成される。生成された電子と正孔はエミッタとコレクタの両方に拡散するが、ＩｎＧａＮ層３８内の正孔はヘテロ接合のために拡散が抑制され、ＩｎＧａＮ層３８内に蓄積される。その結果第１のバイポーラトランジスタのベース層を正方向バイアスすることになり、第１のバイポーラトランジスタはオン状態（導通状態）になる。これはヘテロ構造を有効に働かせることができる１つの特徴である。
【００８５】
光が遮断した状態では、電子と正孔は再結合により消失し、オフ状態（非導通状態）になる。ＧａＮは直接遷移型の半導体材料であるため、この再結合に必要な時間は極めて短く、ナノ秒オーダーである。ただし、後述する条件においては、本実施形態の光駆動サイリスタが、光照射により一旦オン状態（通電状態）になれば、第２のバイポーラトランジスタから第１のバイポーラトランジスタのベース電流が供給され続け、通電状態が維持される。それ以外の条件では、光照射が停止した場合、即座に本実施形態の光駆動サイリスタはオフ状態（非通電状態）となる。
【００８６】
なお、第１のバイポーラトランジスタにおいて、ベース内で再結合をなるべく小さくなるようにするため、Ｐ型ＩｎＧａＮ層の濃度は１×１０１９［／ｃｍ３］以下で厚さは３００ｎｍ以下である。この条件は、他の実施形態である光駆動双方向サイリスタや双方向バイポーラにおいても同様である。
【００８７】
本実施形態の光駆動サイリスタに、ＧａＮ層では吸収されずＩｎＧａＮ層で吸収される波長の光を照射した場合、ＧａＮ層において、光が吸収されないため、ｐ型ＩｎＧａＮ層３８への光の入射量が減少することもなく、ＧａＮ層において不要な電流が生じ、第１および第２のトランジスタの増幅率を劣化させることもない。また、特許文献２の炭化ケイ素の光駆動サイリスタと比べ、本発明は受光部を直接遷移のＩｎＧａＮ半導体で構成するため、受光感度を高めることができる。
【００８８】
以下では、光照射により第１のバイポーラトランジスタに電流が生じた後に、本構造の光駆動サイリスタが、電流を保持する条件について説明する。
【００８９】
第１のバイポーラトランジスタのベース電流、コレクタ電流をそれぞれＩｂ１、Ｉｃ１、第２のトランジスタのベース電流、コレクタ電流をそれぞれＩｂ２１、Ｉｃ２、第１のバイポーラトランジスタの直流電流増幅率をｈＦＥ１、第２のバイポーラトランジスタの直流電流増幅率をｈＦＥ２とする。光の照射により、第１のバイポーラトランジスタにベース電流Ｉｂ１が誘起されると、第１のバイポーラトランジスタのコレクタ電流は、
Ｉｃ１＝ｈＦＥ１Ｉｂ１                            ・・・・・・（式１）
となる。第１のバイポーラトランジスタのコレクタ電流は、第２のバイポーラトランジスタのベース電流Ｉｂ２となるため、第２のバイポーラトランジスタのコレクタ電流は、
Ｉｃ２＝ｈＦＥ２Ｉｂ２＝ｈＦＥ２ｈＦＥ１Ｉｂ１      ・・・・・・（式２）
となる。さらに、第２のバイポーラトランジスタのコレクタ電流は、第１のバイポーラトランジスタのベース電流となるため、ｈＦＥ２とｈＦＥ１との積についての以下の条件（式３）を満たす場合、正帰還が働き、通電状態が維持される。
ｈＦＥ２ｈＦＥ１≧１                              ・・・・・・（式３）
【００９０】
すなわち、第１のバイポーラトランジスタと第２のバイポーラトランジスタの其々のｈＦＥ１とｈＦＥ２との積が１以上となると、等価回路上で正帰還が維持されるため、光照射を停止して（非照射時）も通電状態（オン状態）は維持される。また、ｈＦＥ１とｈＦＥ２との積が１より小さければ、光の照射を停止すると、即時に光駆動サイリスタは非通電状態（オフ状態）となる。
【００９１】
このように上記式３を満足することにより、光照射により第１のバイポーラトランジスタにおいて、一旦エミッタ層からコレクタ層へ電流が流れると、光照射が停止した後も、本サイリスタに供給される電力により、電流を流し続けることができる。そのため、照射する光のエネルギーによらずに電流を発生することが可能であり、例えば１００［Ａ／ｃｍ２］以上の大電流を取り出すことができ、電力素子用サイリスタとして好適に利用することができる。
【００９２】
本実施形態のサイリスタにおいては、ｐ型ＩｎＧａＮ層３８は受光層として機能するだけでなく、第１のトランジスタのベース層として機能する。ＩｎＧａＮはＧａＮと比較しバンドギャップが小さいため、第１のバイポーラトランジスタはヘテロ接合バイポーラトランジスタの構成となる。このような構成により、エミッター層とベース層間の正孔のバリア障壁を大きくすることができ、第１のトランジスタの直流電流増幅率ｈＦＥ１は、例えば１０００程度と、非常に大きな増幅率を実現することができる。
【００９３】
上述の通り、第１のバイポーラトランジスタのｐ型ＩｎＧａＮ層３８が、受光層と、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース層との両方の機能を果たすためには、Ｉｎの組成が重要となる。ｐ型ＩｎＧａＮ層３８のＩｎの組成が少なすぎると、ＩｎＧａＮ層の光の吸収域とＧａＮ層の光の吸収域とが重なりＧａＮ層においても光が吸収されてしまい、逆にＩｎの組成を増加させることにより、ＩｎＧａＮ層の歪み量が大きくなり、圧電電界が増大して受光感度が向上する。一方、Ｉｎの組成が多くなると、結晶欠陥が増大し、再結合が増え、電流利得の向上効果が低下する。そのため、両者の関係はトレードオフの関係にある。
【００９４】
受光層とベース層としての特性を両立できるｐ型ＩｎＧａＮ層３８のＩｎの組成は、１〜２５［％］、さらに好適には１０〜１５［％］である。なお、ＩｎＧａＮの組成は上記の通りＩｎｘＧａ１−ｘＮで表すことができ、例えばＩｎの組成１５［％］は、ｘ＝０．１５に相当する。
【００９５】
本発明にかかる光駆動のサイリスタは、受光層がヘテロ接合トランジスタのベース層でもあるため、受光層の電流が通常のバイポーラトランジスタより高い比率で増幅され、その結果、実質的に受光感度を高める効果がある。そのため、図５に示すようにＧａＮ系窒化物半導体の４層構造という単純な膜構成でありながら、１つの素子に受光素子とスイッチングトランジスタとを融合した小型で高出力の光駆動半導体素子を実現できる。従って、複数のトランジスタを用い、これらを寄生抵抗、寄生容量の原因となる配線によりダーリントン接続する必要もなく、受光感度を高めるために受光層に量子井戸のような複雑な構造を採用する必要もない。
【００９６】
このように、１つの光駆動サイリスタを用いるため、小型化による高集積化によって製造コストの低減が可能となり、さらにＧａＮ層とＩｎＧａＮ層の単純な膜構成であることにより、ＧａＮ系半導体の結晶成長にともなう製造コストを低くすることができる。
【００９７】
また、ベース層であるｐ型ＩｎＧａＮ層３８を受光層とすることにより、ｐ型ＩｎＧａＮ層３８へのオーミック電極が不要となるため、電極とベース層間の高いコンタクト抵抗による増幅率低下の問題も発生しないという効果もある。
【００９８】
なお、上記実施形態において、全てのＧａＮ層とＩｎＧａＮ層の導電型を逆の導電型にすることにより、サイリスタを構成しても良い。それにより、通電する電流方向が逆のサイリスタを得ることができ、電力駆動設備に使用する電気回路の設計の自由度を増すことができる。図５において、導電型を逆の導電型、例えばｐ型をｎ型、ｎ型をｐ型に置き換えた構成であるため、図面は省略するが、後述の図８の第３のサイリスタ５７部分に相当する。
【００９９】
導電型の制御は、上記の通り、ＭＯＣＶＤ法において、導電型に合わせてドーピングする不純物のソースガスを選択すれば良い。
【０１００】
（第５の実施形態）
ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とが接する場合、格子定数の不連続によるポテンシャルのスパイクが発生することがある。スパイクの存在は再結合を増大させ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの増幅率を低下させてしまうことがある。そのため、ＩｎＧａＮ層（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）とＧａＮ層との間に、段階的にＩｎの組成が変化するＩｎｙＧａ１−ｙＮ層（０≦ｙ≦ｘ）であるＩｎグレイデッド層を設けても良い。なお、ｙはｘとは異なり上記範囲（０≦ｙ≦ｘ）で、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層内で組成分布が変化することを表す。
【０１０１】
すなわち、図６に示すとおり、ｎ型ＧａＮ層３７とｐ型ＩｎＧａＮ層３８との間、ｎ型ＧａＮ層３９とｐ型ＩｎＧａＮ層３８との間にそれぞれノンドープのＩｎグレイデッド層４２、４３を、例えば膜厚３０ｎｍ形成することにより、ポテンシャルのスパイク発生を防止し、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの性能劣化を防止することができる。
【０１０２】
Ｉｎグレイデッド層は、ｐ型ＩｎＧａＮ層３８からｎ型ＧａＮ層３７またはｎ型ＧａＮ層３９に向けて、段階的にＩｎの組成を減少させたＩｎＧａＮ層（ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層、０≦ｙ≦ｘ）である。すなわち、Ｉｎグレイデッド層のＩｎの組成はｐ型ＩｎＧａＮ層３８のＩｎの組成以下、０以上の範囲で単調に減少する。例えばｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎの組成が１５［％］の場合、Ｉｎグレイデッド層の膜厚に対して、ｐ型ＩｎＧａＮ層からｎ型ＧａＮ層３７またはｎ型ＧａＮ層３９に向けてＩｎの組成を１５［％］から０［％］へと線形に減少させれば良い。Ｉｎの組成は、ＭＯＣＶＤ法によりＩｎＧａＮを成膜する際に、原料ガスの流量（分圧）を制御することにより、設定できる。
【０１０３】
ｐ型ＩｎＧａＮ層３８とｎ型ＧａＮ層３９との間のＩｎグレイデッド層４３を省略した場合には、ｐ型ＩｎＧａＮ層３８に注入される電子の初速度を大きくすることができ、ｈＦＥ１が大きくなるので、より低い光量でサイリスタ動作が生じしせめることができるという効果がある。
【０１０４】
（第６の実施形態）
第４の実施形態のサイリスタは、一方向に電流を流すことが可能なスイッチング素子であるが、双方向に電流を流すことが可能な、光駆動のスイッチング素子を実現することも可能である。
【０１０５】
図７は、第１および第２のサイリスタ４４、４５を並列に並べた双方向サイリスタの断面構造を示す。第１のサイリスタ４４は、図７の上方からｎ型ＧａＮ層４６、ｐ型ＩｎＧａＮ層４７、ｎ型ＧａＮ層４８、ｐ型ＧａＮ層４９の順に構成されている。一方、第２のサイリスタ４５は、第１のサイリスタ４４の上下を逆転した構造である。図７の下方から、ｎ型ＧａＮ層４８、ｐ型ＩｎＧａＮ層４７、ｎ型ＧａＮ層４６、ｐ型ＧａＮ層５０の順に構成されている。各層はＭＯＣＶＤ法により形成し、ｐ型ＧａＮ層４９およびｐ型ＧａＮ層５０を、それぞれｎ型ＧａＮ層４８およびｎ型ＧａＮ層４６上でパターニングすることにより形成することができる。
【０１０６】
第１のサイリスタ４４のｎ型ＧａＮ層４６には、ｎ型オーミック電極５１、例えばＴｉ／Ａｌ（１０／５００［ｎｍ］）が、ｐ型ＧａＮ層４９には、ｐ型オーミック電極５２、例えばＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ（１０／５０／３００［ｎｍ］）が形成されており、第２のサイリスタ４５のｎ型ＧａＮ層４８には、ｎ型オーミック電極５４、例えばＴｉ／Ａｌが、ｐ型ＧａＮ層５０にはｐ型オーミック電極５３、例えばＮｉ／Ｐｔ／Ａｕが形成されている。
ｎ型オーミック電極５１とｐ型オーミック電極５３との間隔、ｐ型オーミック電極５２とｎ型オーミック電極５４との間隔は、例えば５［μｍ］である。また、各々の金属層を形成した後、適切な温度（４００〜１０００℃）でオーミック接触となるようアニールを行った。
【０１０７】
これらの電極は、真空蒸着法等により成膜し、エッチング（リフトオフ）により、パターン形成することができる。
【０１０８】
ｎ型オーミック電極５１とｐ型オーミック電極５３とは透明電極５５、例えばＩＴＯ膜により、ｐ型オーミック電極５２とｎ型オーミック電極５４とは接続電極５６により、電気的に連結されている。すなわち、ｎ型オーミック電極５１とｐ型オーミック電極５３と透明電極５５とで１つの電極（第３の電極）を構成し、ｐ型オーミック電極５２とｎ型オーミック電極５４と接続電極５６とでもう１つの電極（第４の電極）を構成する。従って、第３の電極と第４の電極は、ｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層との両方にオーミック接続が可能なオーミック電極を構成する。
【０１０９】
なお、接続電極５６は、ｐ型オーミック電極５２若しくはｎ型オーミック電極５４と同じであっても良く、または、例えばＮｉ、Ａｕ等の他の金属を別途真空蒸着法等により形成してもよい。
【０１１０】
図７に示すとおり、第１および第２のサイリスタ４４、４５は、その向きが逆方向に並んだ構成である。いずれのサイリスタも第４の実施形態記載のサイリスタを構成し、ｐ型ＩｎＧａＮ層４７は、受光層であり、さらにヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース層である。ｐ型ＩｎＧａＮ層４７の機能は、第４の実施形態記載の通りである。
【０１１１】
本実施形態においては、向きが逆方向に並んだ構成であるため、透明電極５５を透過する光により（光をトリガーとして）、電流を透明電極５５と接続電極５６の間において、双方向に流すことが可能であり、例えば交流電力の制御が可能となる。
【０１１２】
なお、本実施形態に対して、第５の実施形態に記載の通り、Ｉｎグレイデッド層を形成しても良い。
【０１１３】
（第７の実施形態）
第６の実施形態においては、２つのサイリスタを用いて双方向サイリスタを形成したが、第６の実施形態と極性の異なる２つのサイリスタ、すなわち全ての窒化物半導体（ＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層）の導電型を逆の導電型とした窒化物半導体（ＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層）を用いて双方向サイリスタを形成しても良い。それにより、電力駆動設備に使用する電気回路の設計の自由度を増すことができる。
【０１１４】
図８は、第３および第４のサイリスタ５７、５８を逆方向に並べた双方向サイリスタの断面構造を示す。第３のサイリスタ５７は、図８の上方からｐ型ＧａＮ層５９、ｎ型ＩｎＧａＮ層６０、ｐ型ＧａＮ層６１、ｎ型ＧａＮ層６２の順に構成されている。一方、第４のサイリスタ５８は、図８の下方から、ｐ型ＧａＮ層６１、ｎ型ＩｎＧａＮ層６０、ｐ型ＧａＮ層５９、ｎ型ＧａＮ層６３の順に構成されている。ｐ型ＧａＮ層５９にはｐ型オーミック電極６４、ｎ型ＧａＮ層６２にはｎ型オーミック電極６５、ｐ型ＧａＮ層６１にはｐ型オーミック電極６６、ｎ型ＧａＮ層６３にはｎ型オーミック電極６７が形成されている。ｐ型オーミック電極６４とｎ型オーミック電極６７には透明電極５５が接し、ｎ型オーミック電極６５とｐ型オーミック電極６６には接続電極５６が接している。
【０１１５】
ｎ型オーミック電極６７とｐ型オーミック電極６４と透明電極５５とで１つの電極（第３の電極）を構成し、ｐ型オーミック電極６６とｎ型オーミック電極６５と接続電極５６とでもう１つの電極（第４の電極）を構成する。なお、各電極の材料は上述のとおりである。
【０１１６】
第３および第４のサイリスタ５７、５８において、ｎ型ＩｎＧａＮ層６０が、受光層およびヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース層となる。図７とは極性は反対であるが、第４の実施形態のサイリスタと動作原理は同様であり、透明電極５５を透過する光により第３および第４のサイリスタ５７、５８が駆動し、第３の電極と第４の電極の間において双方向に電流を流すことができる。
【０１１７】
なお、導電型は、ＭＯＣＶＤ法において、不純物のソースガスの材料と流量の設定により、決定することができる。
【０１１８】
また、本実施形態に対して、第５の実施形態に記載のように、Ｉｎグレイデッド層を形成しても良い。
【０１１９】
なお、透明電極５５は、開口部を有する遮光性の金属等の導電性膜から形成されても良い。
【０１２０】
（第８の実施形態）
第６および第７の実施形態においては、２つのサイリスタを逆方向に並列することにより、双方向に電流を流す構成であった。第８の実施形態では、図９に示す単純な構造によって、光駆動で双方向のスイッチング特性を有する半導体素子（バイポーラトランジスタ）を実現する。本実施形態の半導体素子は、光照射時のみ、双方向に電流を流すことができる点において、第６および第７の実施形態の光駆動半導体素子と動作が異なる。
【０１２１】
図９に示すように、図中上方より順に、透明伝導材、例えばＩＴＯ膜からなる第５の電極６８、ｎ型ＧａＮ層６９、例えば、ＳｉまたはＧｅの不純物濃度１×１０１８〜５×１０１９［／ｃｍ３］、膜厚５０［ｎｍ］、相対的に低不純物濃度であり膜厚が厚い第１のドリフト層７０、例えばＳｉまたはＧｅの不純物濃度１×１０１５〜５×１０１７［／ｃｍ３］、膜厚１０００［ｎｍ］、ｐ型ＩｎＧａＮ層７１、例えばＭｇの不純物濃度５×１０１６〜２×１０１９［／ｃｍ３］、膜厚１００［ｎｍ］、上記第１のドリフト層７０と同じ構成である第２のドリフト層７２、例えばＳｉまたはＧｅの不純物濃度１×１０１５〜５×１０１７［／ｃｍ３］、膜厚１０００［ｎｍ］、ｎ型ＧａＮ層７３、例えば、ＳｉまたはＧｅの不純物濃度１×１０１８〜５×１０１９［／ｃｍ３］、膜厚５０［ｎｍ］、第６の電極７４が形成されている。ｐ型ＩｎＧａＮ層７１は、受光層でもありヘテロ接合バイポーラのベース層でもあり、Ｉｎの組成についても第４の実施形態に記載の通りである。
【０１２２】
なお、第５の電極６８は、その一部に光を導入する開口部を形成することにより、遮光性の導電性膜で形成しても良い。
【０１２３】
ＧａＮはエネルギーギャップが大きいため、光を照射しない場合、第５の電極６８と第６の電極７４間において、どちら方向にも電流は流れない。また、ｐ型ＩｎＧａＮ層７１の両側にドリフト層を形成しているため、電圧印加時の電界はドリフト層側の空乏層で緩和されるため、高耐圧を実現することができる。具体的には、ＧａＮの臨界電界強度（Ｅｃ）は２００〜３００［Ｖ／μｍ］であるため、不純物濃度が低いドリフト層の膜厚をＴとすると耐圧はＥｃＴ／２により得られる。ドリフト層の膜厚Ｔを１０［μｍ］程度とすると、１０００Ｖもの高耐圧を実現できる。
【０１２４】
本実施形態の光駆動半導体素子に、ＧａＮ層では吸収されずＩｎＧａＮ層で吸収される波長の光を照射した場合には、受光層であるｐ型ＩｎＧａＮ層７１において光が吸収され、ベース層の伝導帯の障壁が下がり、膜構成の対称性により、第５の電極６８と第６の電極７４間のどちら方向についても電流が流れる。
【０１２５】
第６の実施形態の双方向のサイリスタと比較し、出力電流は低くなるものの、単純な構造で、光により第５の電極６８と第６の電極７４間の電流をＯＮ（通電）、ＯＦＦ（非通電）できる光駆動半導体素子を低コストに提供することができる。
【０１２６】
なお、ｐ型ＩｎＧａＮ層７１と第１のドリフト層７０との間、ｐ型ＩｎＧａＮ層７１と第２のドリフト層７２との間に、さらに第５の実施形態記載のようにＩｎの組成が段階的に変化するＩｎグレイデッド層を設けても良い。
【０１２７】
（第９の実施形態）
第８の実施形態においては、バイポーラトランジスタを用いて、光の照射、非照射により、トランジスタのオン状態、オフ状態の制御を行う光駆動半導体素子を実現していた。以下では、電界効果トランジスタを用いて、光の照射、非照射により、トランジスタのオン状態、オフ状態の制御を行う光駆動半導体素子について説明する。縦型のバイポーラによるトランジスタ構成に対し、水平方向に各電極を形成することが容易な電界効果トランジスタの構成とすることにより、高集積化、低コスト化が可能となる。
【０１２８】
このような構成においては、ドレインに高電圧を印加する場合は、ドレイン領域をゲート領域から距離を離すことで、高耐圧を実現できる。また、ソース領域とドレイン領域をゲートから対称に距離を離せば、ソース・ドレインを入れ替えても（正電圧側をどちらに印加しても）、ゲート電極は電気的に接続されない状態であっても、光照射によってチャネルに二次元電子ガスが形成されるので、双方向動作が可能になる。
【０１２９】
さらに、バイポーラトランジスタやサイリスタと異なり、電子の大部分がＡｌＧａＮとＧａＮの界面におけるエネルギーポテンシャルに閉じ込められた二次元電子ガスとして移動できるため、散乱が少なく、電子の速度が大きくできるため、スイッチング速度が高くできるなどの利点がある。 
【０１３０】
以下図１０を参照し、第９の実施形態について説明する。
【０１３１】
図１０に示すように、基板７５、例えばサファイア基板上に、アンドープのＧａＮ層７６、アンドープのＩｎグレイデッド層７７、アンドープのＩｎＧａＮ層７８、アンドープのＧａＮ層７９、アンドープのＡｌＧａＮ層８０が順に形成されている。上記ＧａＮ層７６、アンドープのＩｎグレイデッド層７７、アンドープのＩｎＧａＮ層７８、アンドープのＧａＮ層７９、アンドープのＡｌＧａＮ層８０の積層構造体上に、さらに、パターニングされたｐ型ＡｌＧａＮ層８１が形成されている。ＡｌＧａＮ層は、上記Ｇａソースガス、ＮソースガスおよびＡｌソースガス、例えばトリメチルアルミニウム、を原材料として含むＭＯＣＶＤ法により形成することができ、さらにｐ型ＡｌＧａＮは、例えばＭｇソースガスを添加することによりＭＯＣＶＤ法により形成することができる。
【０１３２】
ｐ型ＡｌＧａＮ層８１は、例えばＡｌ組成は１５％、ｐ型不純物濃度は、１×１０１８［／ｃｍ３］、膜厚は１００［ｎｍ］であり、ＡｌＧａＮ層８０は、例えばＡｌ組成は１５％、膜厚は１５［ｎｍ］、ＧａＮ層７９は、例えば膜厚は２０［ｎｍ］、ＩｎＧａＮ層７８は、例えば膜厚は１００［ｎｍ］である。ＩｎＧａＮ層７８は、格子定数の異なるＧａＮ層に挟まれた構造であり、格子定数の差に基づく応力が加えられている。
【０１３３】
ｐ型ＡｌＧａＮ層８１はバンドダイアグラム上でコンダクションバンドのポテンシャルを持ち上げる効果があるので、ゲート電極のバイアス電圧がゼロの状態では二次元電子ガスが生起されていない状態にする働きを持つ。即ち、ノーマリーオフ化の働きをする。また、アンドープのＡｌＧａＮ層８０は、その下に生起される二次元電子ガスが近くにあるｐ型不純物による散乱などの影響を少なくする効果を有する。
【０１３４】
ここでＩｎグレイデッド層７７は、ＩｎＧａＮのＩｎ組成が、ＩｎＧａＮ層７８からＧａＮ層７６に向かって減少するＩｎＧａＮ層であり、具体的構成は第５の実施形態と同様である。なお、Ｉｎグレイデッド層７７は、例えば膜厚は５０［ｎｍ］である。
【０１３５】
Ｉｎグレイデッド層７７は、光照射で生成された電子を速やかに基板側に流す効果があるが、ＩｎＧａＮ層の厚みが１００ｎｍ程度と厚ければ、Ｉｎグレイデッド層７７は、省略することも可能である。
【０１３６】
ゲート領域を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層８１上には、例えばＩＴＯ膜によりゲート電極８２が形成され、オーミック接触している。ｐ型ＡｌＧａＮ層８１の両側のＡｌＧａＮ層８０上には、例えばＴｉ／Ａｌオーミック電極により、ソース電極８２およびドレイン電極８３が形成されている。それぞれの電極は、その下部にある各ＡｌＧａＮ層と電気的に接続されており、ノーマリーオフの電界効果トランジスタが構成される。
ゲート電極側から光照射する場合、ゲート電極８２は、光透過性のあるＩＴＯ膜とする必要があるが、基板下部から光照射する場合は金属膜を使用してもよい。
【０１３７】
上記電界効果トランジスタに、基板７５側からＩｎＧａＮ層に光を照射する。このとき、照射する光の波長は、ＩｎＧａＮ層のみで吸収される波長を選択する。
バンドギャップエネルギーは、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮの順に小さくなるため、このような光の波長の選択は容易である。ＡｌＧａＮ、ＧａＮで吸収されず、ＩｎＧａＮで吸収される光の波長を選択することが可能である。
【０１３８】
図１１に示すように、光を照射されたＩｎＧａＮ層７８内で生成された正孔は、ＩｎＧａＮ層７８の自発分極および圧電分極によって、ＧａＮ層７９側へ、引き寄せられる。引き寄せられた正孔の電荷によって、チャネル層であるＧａＮ層７９に電子が誘起される。その結果、電界効果トランジスタがオン状態（導通状態）になる。分極作用により、光照射時のオン状態時の抵抗も低減できる。
【０１３９】
ゲート電極に追加的に正バイアスすることで、二次元電子ガスの濃度を高めることでオン状態を強くしたり、逆に負バイアスすることで高速にオフ状態を得ることもできる。
【０１４０】
光照射を停止すると、再結合により正孔が消滅し、その結果電界効果トランジスタはオフ状態に戻る。
【０１４１】
なお、基板７５の材質は、サファイアの他ＳｉＣ、酸化ガリウムを用いることができる。
【０１４２】
また、ゲート電極８２には、透明電極であるＩＴＯ膜を使用することにより、ＩｎＧａＮ層７８への光の照射方向は、基板７５側からでもゲート電極８２側からでもどちら側からでも可能である。
【０１４３】
以上のように、アンドープのＩｎＧａＮ層で吸収され、ＧａＮ層、前記アンドープのＧａＮ層、アンドープのＡｌＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層で吸収されない光の照射、非照射により、電界効果トランジスタのオン状態（導通状態）、オフ状態（非導通状態）を制御でき、非照射時の高耐圧と、照射時の低抵抗とを両立する光駆動半導体素子を小型に提供することができる。
【０１４４】
なお、上記本発明の実施形態に係る光駆動のサイリスタ、双方向サイリスタ、バイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタを形成した同一のＧａＮ半導体基板に、ＧａＮ半導体を用いて構成したトランジスタ（例えば特開２００７−２０１０９３記載のトランジスタ）等を用いた電子回路（マイコン等の集積回路）を形成し、上記光駆動のサイリスタ等と電気的に接続しても良い。ＧａＮ層において、吸収されずＩｎＧａＮ層において吸収される光を入射することにより、接続する電子回路部の特性に影響を与えないため、光駆動サイリスタ、双方向サイリスタ、バイポーラトランジスタと電子回路の集積化（一体化）が実現でき、さらに電力用駆動回路デバイスの小型化が可能である。
【符号の説明】
【０１４５】
１  トランジスタ
２  ゲート電極
３  ソース電極
４  第１のフォトダイオード列
５  第２のフォトダイオード列
６  第１の光入射口
７  第２の光入射口
８  遮光材
９  抵抗
１０  サファイア基板
１１  ＩｎＧａＮ層
１２  ｎ型ＩｎＧａＮ層
１３  ｐ型ＩｎＧａＮ層
１４  配線
１５  絶縁膜
１６  ヴィアプラグ
１７  電極
１８  ＧａＮ基板
１９  ゲート絶縁膜
２０  ゲート電極
２１ａ、２１ｂ  ｎ型拡散層
２２ａ、２２ｂ  ｐ型拡散層
２３  絶縁膜
２４ａ、２４ｂ  ヴィアプラグ
２５  配線
２６  遮光性樹脂
２７ａ  第１の透光性樹脂
２７ｂ  第２の透光性樹脂
２８ａ  第１のＬＥＤ
２８ｂ  第２のＬＥＤ
２９ａ  第１のＬＥＤ制御回路
２９ｂ  第２のＬＥＤ制御回路
３０ａ  第１の光ファイバー
３０ｂ  第２の光ファイバー
３１  光ファイバー
３２  第１の光学フィルタ
３３  第２の光学フィルタ
３４  第１の偏光フィルター
３５  第２の偏光フィルター
３６  第２の電極
３７  ｎ型ＧａＮ層
３８  ｐ型ＩｎＧａＮ層
３９  ｎ型ＧａＮ層
４０  ｐ型ＧａＮ層
４１  第１の電極
４２、４３  Ｉｎグレイデッド層
４４  第１のサイリスタ
４５  第２のサイリスタ
４６  ｎ型ＧａＮ層
４７  ｐ型ＩｎＧａＮ層
４８  ｎ型ＧａＮ層
４９  ｐ型ＧａＮ層
５０  ｐ型ＧａＮ層
５１  ｎ型オーミック電極
５２  ｐ型オーミック電極
５３  ｐ型オーミック電極
５４  ｎ型オーミック電極
５５  透明電極
５６  接続電極
５７  第３のサイリスタ
５８  第４のサイリスタ
５９  ｐ型ＧａＮ層
６０  ｎ型ＩｎＧａＮ層
６１  ｐ型ＧａＮ層
６２  ｎ型ＧａＮ層
６３  ｎ型ＧａＮ層
６４  ｐ型オーミック電極
６５  ｎ型オーミック電極
６６  ｐ型オーミック電極
６７  ｎ型オーミック電極
６８  第５の電極
６９  ｎ型ＧａＮ層
７０  第１のドリフト層
７１  ｐ型ＩｎＧａＮ層
７２  第２のドリフト層
７３  ｎ型ＧａＮ層
７４  第６の電極
７５  基板
７６  ＧａＮ層
７７  アンドープのＩｎグレイデッド層
７８  アンドープのＩｎＧａＮ層
７９  アンドープのＧａＮ層
８０  アンドープのＡｌＧａＮ層
【図１】
2017152542.tif 000003
【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】
2017152542.tif 000008
【図７】
2017152542.tif 000009
【図８】
2017152542.tif 000010
【図９】
2017152542.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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