JP7595255B2

JP7595255B2 - 通電機構およびその通電方法

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Publication number: JP7595255B2
Application number: JP2020048705A
Authority: JP
Inventors: 学木口; 満沖川
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Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2024-12-06
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Description

本発明は、パワーデバイス等として有用な通電機構およびその通電方法に関する。

高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、バンドギャップの大きな酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）を用いた半導体装置が注目されており、インバータなどの電力用半導体装置への適用が期待されている。しかも、広いバンドギャップからＬＥＤやセンサー等の受発光装置としての応用も期待されている。当該酸化ガリウムはインジウムやアルミニウムをそれぞれ、あるいは組み合わせて混晶することによりバンドギャップ制御することが可能であり、ＩｎＡｌＧａＯ系半導体として極めて魅力的な材料系統を構成している。ここでＩｎＡｌＧａＯ系半導体とはＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_ＺＯ_３（０≦Ｘ≦２、０≦Ｙ≦２、０≦Ｚ≦２、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１．５～２．５）を示し、酸化ガリウムを内包する同一材料系統として俯瞰することができる。

そして、近年においては、酸化ガリウム系のｐ型半導体が検討されており、例えば、特許文献１には、β－Ｇａ_２Ｏ_３系結晶を、ＭｇＯ（ｐ型ドーパント源）を用いてＦＺ法により形成したりすると、ｐ型導電性を示す基板が得られることが記載されている。また、特許文献２には、ＭＢＥ法により形成したα－（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘ）_２Ｏ_３単結晶膜にｐ型ドーパントをイオン注入してｐ型半導体を形成することが記載されている。しかしながら、これらの方法では、ｐ型半導体の作製は実現困難であり、実際に、これらの方法でｐ型半導体の作製に成功したとの報告はなされていない。そのため、実現可能なｐ型酸化物半導体及びその製造方法が待ち望まれていた。

また、例えば、非特許文献１に記載されているように、Ｒｈ_２Ｏ_３やＺｎＲｈ_２Ｏ_４等をｐ型半導体に用いることも検討されているが、Ｒｈ_２Ｏ_３は、成膜時に特に原料濃度が薄くなってしまい、成膜に影響する問題があり、有機溶媒を用いても、Ｒｈ_２Ｏ_３単結晶が作製困難であった。また、ホール効果測定を実施してもｐ型とは判定されることがなく、測定自体もできていない問題もあり、また、測定値についても、例えばホール係数が測定限界（０．２ｃｍ^３／Ｃ）以下しかなく、実用上の問題となった。また、ＺｎＲｈ_２Ｏ_４は移動度が低く、バンドギャップも狭いため、ＬＥＤやパワーデバイスに用いることができない問題があり、これらは必ずしも満足のいくものではなかった。

ワイドバンドギャップ半導体として、Ｒｈ_２Ｏ_３やＺｎＲｈ_２Ｏ_４等以外にも、ｐ型の酸化物半導体が種々検討されている。特許文献３には、デラフォサイトやオキシカルコゲナイド等をｐ型半導体として用いることが記載されている。しかしながら、これらの半導体は、移動度が１ｃｍ^２／Ｖ・ｓ程度かまたはそれ以下であり、電気特性が悪く、α－Ｇａ_２Ｏ_３等のｎ型の次世代酸化物半導体とのｐｎ接合がうまくできない問題もあった。

なお、従来より、Ｉｒ_２Ｏ_３は知られている。例えば、特許文献４には、イリジウム触媒としてＩｒ_２Ｏ_３を用いることが記載されている。また、特許文献５には、Ｉｒ_２Ｏ_３を誘電体に用いることが記載されている。また、特許文献６には、電極にＩｒ_２Ｏ_３を用いることが記載されている。しかしながら、Ｉｒ_２Ｏ_３をｐ型半導体に用いることは知られていなかったが、最近、本出願人らにより、ｐ型半導体として、Ｉｒ_２Ｏ_３を用いることが検討され、研究開発が進められている（特許文献７、非特許文献２）。
ところで、高耐圧・大電流を可能とするパワーデバイスにおいては、ｎ－型半導体およびｐ型半導体の特性動作が安定せず、電気特性が悪くなるといった問題があった。そのため、電気特性が良好であり半導体動作の制御性に優れた、信頼性のある半導体装置が待ち望まれていた。

なお、半導体素子のＣ－Ｖ測定の際に光を照射して、半導体層と絶縁体層との間の界面特性を測定することが知られているが（特許文献８）、半導体装置（例えば、パワーデバイス等）を実際に駆動させるような電流を流した際の電気特性や半導体特性の制御性を含めた信頼性については検討が十分にされていなかった。

特開２００５－３４０３０８号公報特開２０１３－５８６３７号公報特開２０１６－２５２５６号公報特開平９－２５２５５号公報特開平８－２２７７９３号公報特開平１１－２１６８７号公報国際公開２０１８／０４３５０３号公報特開２０２０－３１１７１号公報

F.P.KOFFYBERG et al., "optical bandgaps and electron affinities of semiconducting Rh2O3(I) and Rh2O3(III)", J. Phys. Chem. Solids Vol.53, No.10, pp.1285-1288, 1992 Shin-ichi Kan et al., "Electrical properties of α-Ir2O3/α-Ga2O3 pn heterojunction diode and band alignment of the heterostructure",Appl. Phys. Lett.113, 212104(2018).

本発明は、パワーデバイス等として有用な半導体特性に優れた半導体素子を用いた通電機構を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、電極および導電層を少なくとも備える半導体素子を用いて通電する通電機構であって、前記通電の際に前記電極と前記導電層との界面における前記導電層の少なくとも一部に光を照射する手段を備える通電機構を実現する半導体素子等が、電気特性および半導体動作の光制御性が良好であり、信頼性に優れていることを知見し、このような通電機構が、上記した従来の問題を一挙に解決できるものであることを見出した。
また、本発明者らは、上記知見を得た後、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、以下の発明に関する。
［１］電極および導電層を少なくとも備える半導体素子を用いて通電する通電機構であって、前記通電の際に前記電極と前記導電層との界面における前記導電層の少なくとも一部に光を照射する手段を備えることを特徴とする通電機構。
［２］前記電極である第１の電極と電気的に接続される第２の電極をさらに備え、前記第１の電極のバリアハイトが前記第２の電極のバリアハイトよりも大きい前記［１］記載の通電機構。
［３］前記導電層が、結晶性酸化物半導体を主成分として含む前記［１］または［２］に記載の通電機構。
［４］前記結晶性酸化物半導体がガリウムおよび／またはイリジウムを含む、前記［３］記載の通電機構。
［５］前記結晶性酸化物半導体が少なくともガリウムを含む、前記［３］または［４］に記載の通電機構。
［６］前記結晶性酸化物半導体がコランダム構造を有する前記［３］～［５］のいずれかに記載の通電機構。
［７］前記半導体素子が、ダイオードまたはトランジスタである前記［１］～［６］のいずれかに記載の通電機構。
［８］前記半導体素子が、ジャンクションバリアショットキーダイオードまたはＰｉＮダイオードである前記［１］～［７］のいずれかに記載の通電機構。
［９］前記半導体素子がパワーデバイスである、前記［１］～［８］のいずれかに記載の通電機構。
［１０］前記半導体素子がノーマリーオフである前記［１］～［９］のいずれかに記載の通電機構。
［１１］電極および導電層を少なくとも備える半導体素子を用いて通電する方法であって、前記通電を、前記電極と前記導電層との界面における前記導電層の少なくとも一部に光を照射しながら行うことを特徴とする方法。

本発明の通電機構によれば、パワーデバイス等として有用であり、半導体特性に優れている半導体素子等を提供できる。

本発明において好適に用いられる成膜装置（ミストＣＶＤ装置）の概略構成図である。本発明の好適な半導体装置の一例を模式的に示す上方斜視図である。電源システムの好適な一例を模式的に示す図である。システム装置の好適な一例を模式的に示す図である。電源装置の電源回路図の好適な一例を模式的に示す図である。実施例における光をｏｎ／ｏｆｆした際の電流変化を示す図である。本発明の好適な半導体装置の一例を模式的に示す上方斜視図である。本発明の好適な半導体装置の一例を模式的に示す断面図である。試験例で用いた本発明の好適な半導体装置を模式的に示す断面図である。試験例で用いた本発明の好適な半導体装置を模式的に示す断面図である。試験例におけるＩ－Ｖ測定の結果を示す図である。試験例におけるＩ－Ｖ測定の結果を示す図である。

本発明の通電機構は、電極および導電層を少なくとも備える半導体素子を用いて通電する通電機構であって、前記通電の際に前記電極と前記導電層との界面における前記導電層の少なくとも一部に光を照射する手段を備えることを特長とする。前記通電機構によれば、３ｅＶ以上のバンドギャップを有する導電層を備える半導体素子を含む半導体装置であって、前記半導体素子に電流を流す際に、前記導電層の少なくとも一部への光の照射を制御する手段を有する半導体装置を提供することができる。ここで、「通電する」とは、例えば前記半導体素子に少なくとも１μＡ以上の定常電流が流れるように電圧を印加することをいい、好ましくは１０μＡ以上の定常電流が流れるように電圧を印加することをいう。前記光は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、可視光であってもよいし、紫外光であってもよいし、深紫外光であってもよいが、本発明の実施態様においては、前記光が前記導電層のバンドギャップよりもエネルギーの小さい光であるのが好ましい。前記光の波長は、通常、例えば３００ｎｍ～１３００ｎｍである。また、前記光の光源も特に限定されず、公知の光源であってよい。本発明においては、前記光源として、発光素子が好適に用いられる。前記発光素子としては、特に限定されず、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の公知の発光素子であってよい。前記制御手段は、前記光の照射を制御できれば、特に限定されず、公知の制御手段であってよい。

前記半導体素子は、３ｅＶ以上の導電層を備える半導体素子であれば特に限定されないが、本発明においては、第１の電極、第２の電極、ｎ－型半導体層および低導電層を少なくとも備える半導体素子であって、前記第１の電極と前記ｎ－型半導体層との間に前記低導電層が設けられており、前記第１の電極のバリアハイトが前記第２の電極のバリアハイトよりも大きく、前記低導電層の電気抵抗率が前記ｎ－型半導体層の電気抵抗率の１０００倍以上であり、前記低導電層の少なくとも一部に外部からの光が照射可能に構成されている半導体素子であるのが好ましい。

前記第１の電極は、バリアハイトが前記第２の電極のバリアハイトよりも大きい電極であれば、特に限定されず、公知の電極であってよい。前記第２の電極は、バリアハイトが前記第１の電極のバリアハイトよりも小さい電極であれば、特に限定されず、公知の電極であってよい。

前記ｎ－型半導体層は、通常、前記半導体素子がｎ型半導体層またはｎ＋型半導体層を含む場合には、ｎ型半導体層またはｎ＋型半導体層のキャリア濃度よりも一桁以上低いキャリア濃度でｎ型ドーパントを含む半導体層をいい、より具体的には、例えば、約１×１０^１７／ｃｍ^３以下の濃度でｎ型ドーパントを含む半導体層をいう。本発明の実施態様においては、前記ｎ－型半導体層が、結晶性酸化物半導体を主成分として含むのが好ましい。前記結晶性酸化物半導体はガリウムおよび／またはイリジウムを含むのが好ましく、少なくともガリウムを含むのがより好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記結晶性酸化物半導体がコランダム構造またはβ－ガリア構造を有するのが好ましく、コランダム構造を有するのがより好ましい。なお、「主成分」とは、例えば結晶性酸化物半導体がα－Ｇａ_２Ｏ_３である場合、前記ｎ－型半導体層の全ての金属元素中のガリウムの原子比が５０％以上の割合でα－Ｇａ_２Ｏ_３が含まれていればそれでよい。本発明の実施態様においては、前記ｎ－型半導体層の全ての金属元素中のガリウムの原子比が７０％以上であることが好ましく、８０％以上であるのがより好ましい。前記ｎ－型半導体層は、多結晶層であってもよいし、単結晶層であってもよいが、本発明の実施態様においては、単結晶層であるのが好ましい。なお、前記ｎ型ドーパントは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知のものであってもよい。前記ｎ型ドーパントとしては、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムおよびニオブ等から選択される一種または二種以上のｎ型ドーパントが挙げられる。

前記導電層は、半導体層であってもよいし、低導電層であってもよいが、本発明においては、低導電層であるのが好ましい。前記低導電層は、電気抵抗率が前記ｎ－型半導体層の電気抵抗率の１０００倍以上であれば、特に限定されないが、本発明の実施態様においては、３ｅＶ以上のバンドギャップを有するのが好ましく、４ｅＶ以上のバンドギャップを有するのがより好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記低導電層が、結晶性酸化物半導体を主成分として含むのが好ましい。前記結晶性酸化物半導体はガリウムおよび／またはイリジウムを含むのが好ましく、少なくともガリウムを含むのがより好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記結晶性酸化物半導体がコランダム構造またはβ－ガリア構造を有するのが好ましく、コランダム構造を有するのがより好ましい。なお、「主成分」とは、例えば結晶性酸化物半導体がα－Ｇａ_２Ｏ_３である場合、前記低導電層の全ての金属元素中のガリウムの原子比が５０％以上の割合でα－Ｇａ_２Ｏ_３が含まれていればそれでよい。本発明の実施態様においては、前記低導電層の全ての金属元素中のガリウムの原子比が７０％以上であることが好ましく、８０％以上であるのがより好ましい。前記低導電層は、多結晶層であってもよいし、単結晶層であってもよい。また、本発明の実施態様においては、前記低導電層がｐ型ドーパントを含むのが、前記光の照射によって、ｐ型半導体の動作特性をより優れたものとすることができるので、好ましい。すなわち、前記導電層は、ｎ型半導体層であってもよいし、ｐ型半導体層であってもよいし、ｐ＋型半導体層であってもよい。また、本発明の実施態様においては、前記半導体素子が、さらに、チャネル形成領域を含んでおり、前記チャネル形成領域の少なくとも一部に前記光を照射可能に構成されているのも好ましい。また、本発明の実施態様においては、前記通電機構が、前記電極である第１の電極と電気的に接続される第２の電極をさらに備え、前記第１の電極のバリアハイトが前記第２の電極のバリアハイトよりも大きいものであるのが好ましい。

また、前記低導電層の厚みは、特に限定されず、１μｍ以下であってもよいし、１μｍ以上であってもよいが、本発明の実施態様においては、１μｍ以上であるのが好ましく、１μｍ～４０μｍであるのがより好ましく、１μｍ～２５μｍであるのが最も好ましい。前記低導電層の表面積は特に限定されないが、１ｍｍ^２以上であってもよいし、１ｍｍ^２以下であってもよい。なお、前記低導電層は、単層膜から構成されていてもよいし、多層膜から構成されていてもよい。

前記低導電層は、ドーパントが含まれているのが好ましい。前記ドーパントは、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、公知のものであってよい。前記ドーパントとしては、ｎ型ドーパント、ｐ型ドーパント等が挙げられる。本発明の実施態様においては、前記ドーパントがｐ型ドーパントであるのが好ましい。ドーパントの含有量は、前記低導電層の組成中、０．００００１原子％以上であるのが好ましく、０．００００１原子％～２０原子％であるのがより好ましく、０．０００１原子％～２０原子％であるのが最も好ましい。

なお、前記ｎ型ドーパントは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知のものであってもよい。前記ｎ型ドーパントとしては、例えば、スズ、ゲルマニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、バナジウムおよびニオブ等から選択される一種または二種以上のｎ型ドーパントが挙げられる。前記ｐ型ドーパントは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知のものであってよい。前記ｐ型ドーパントとしては、例えば、Ｍｇ、Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｎ、Ｐ等及びこれらの２種以上の元素などが挙げられるが、本発明の実施態様においては、前記ｐ型ドーパントが、Ｍｇ、ＺｎまたはＣａであるのが好ましい。

前記低導電層は、エピタキシャル結晶成長方法を用いて成膜することにより得ることが可能であるが、形成方法等は特に限定されない。前記エピタキシャル結晶成長方法は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知の方法であってよい。前記エピタキシャル結晶成長方法としては、例えば、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法、ミストＣＶＤ法、ミスト・エピタキシー法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法またはパルス成長法などが挙げられる。本発明の実施態様においては、前記エピタキシャル結晶成長方法が、ミストＣＶＤ法またはミスト・エピタキシー法であるのが好ましい。

本発明の実施態様においては、前記成膜を、金属を含む原料溶液を霧化し（霧化工程）、得られた霧化液滴をキャリアガスでもって前記基体近傍まで搬送し（搬送工程）、ついで、前記霧化液滴を熱反応させること（成膜工程）により行うのが好ましい。

（原料溶液）
原料溶液は、成膜原料として金属を含んでおり、霧化可能であれば特に限定されず、無機材料を含んでいてもよいし、有機材料を含んでいてもよい。前記金属は、金属単体であっても、金属化合物であってもよく、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されないが、ガリウム（Ｇａ）、イリジウム（Ｉｒ）、インジウム（Ｉｎ）、ロジウム（Ｒｈ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、レニウム（Ｒｅ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）およびジルコニウム（Ｚｒ）から選ばれる１種または２種以上の金属などが挙げられるが、本発明の実施態様においては、前記金属が、少なくとも周期律表第４周期～第６周期の１種または２種以上の金属を含むのが好ましく、少なくともガリウム、インジウム、アルミニウム、ロジウムまたはイリジウムを含むのがより好ましく、少なくともガリウムを含むのが最も好ましい。このような好ましい金属を用いることにより、半導体装置等により好適に用いることができるエピタキシャル膜を成膜することができる。

本発明の実施態様においては、前記原料溶液として、前記金属を錯体または塩の形態で有機溶媒または水に溶解または分散させたものを好適に用いることができる。錯体の形態としては、例えば、アセチルアセトナート錯体、カルボニル錯体、アンミン錯体、ヒドリド錯体などが挙げられる。塩の形態としては、例えば、有機金属塩（例えば金属酢酸塩、金属シュウ酸塩、金属クエン酸塩等）、硫化金属塩、硝化金属塩、リン酸化金属塩、ハロゲン化金属塩（例えば塩化金属塩、臭化金属塩、ヨウ化金属塩等）などが挙げられる。

前記原料溶液の溶媒は、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、水等の無機溶媒であってもよいし、アルコール等の有機溶媒であってもよいし、無機溶媒と有機溶媒との混合溶媒であってもよい。本発明の実施態様においては、前記溶媒が水を含むのが好ましい。

また、前記原料溶液には、ハロゲン化水素酸や酸化剤等の添加剤を混合してもよい。前記ハロゲン化水素酸としては、例えば、臭化水素酸、塩酸、ヨウ化水素酸などが挙げられる。前記酸化剤としては、例えば、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、過酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ_２）、過酸化バリウム（ＢａＯ_２）、過酸化ベンゾイル（Ｃ_６Ｈ_５ＣＯ）_２Ｏ_２等の過酸化物、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）、過塩素酸、硝酸、オゾン水、過酢酸やニトロベンゼン等の有機過酸化物などが挙げられる。前記添加剤の配合割合は、特に限定されないが、好ましくは、原料溶液に対し、０．００１体積％～５０体積％であり、より好ましくは、０．０１体積％～３０体積％である。

前記原料溶液には、ドーパントが含まれているのが好ましい。前記ドーパントは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されない。前記ドーパントとしては、例えば、上記したｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントなどが挙げられる。ドーパントの濃度は、前記低導電層の電気抵抗率が前記ｎ－型半導体層の電気抵抗率の１０００倍以上となるように適宜設定される。

（霧化工程）
前記霧化工程は、金属を含む原料溶液を調整し、前記原料溶液を霧化し、霧化液滴を発生させる。前記金属の配合割合は、特に限定されないが、原料溶液全体に対して、０．０００１ｍｏｌ／Ｌ～２０ｍｏｌ／Ｌが好ましい。霧化方法は、前記原料溶液を霧化できさえすれば特に限定されず、公知の霧化方法であってよいが、本発明の実施態様においては、超音波振動を用いる霧化方法であるのが好ましい。本発明で用いられる霧化液滴（例えばミスト等）は、空中に浮遊するものであり、例えば、スプレーのように吹き付けるのではなく、初速度がゼロで、空間に浮遊して搬送することが可能な霧化液滴であるのがより好ましい。霧化液滴の液滴サイズは、特に限定されず、数ｍｍ程度の液滴であってもよいが、好ましくは５０μｍ以下であり、より好ましくは１～１０μｍである。

（搬送工程）
前記搬送工程では、前記キャリアガスによって前記霧化液滴を前記基体へ搬送する。キャリアガスの種類としては、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、不活性ガス（例えば窒素やアルゴン等）、または還元ガス（水素ガスやフォーミングガス等）などが好適な例として挙げられる。また、キャリアガスの種類は１種類であってよいが、２種類以上であってもよく、キャリアガス濃度を変化させた希釈ガス（例えば１０倍希釈ガス等）などを、第２のキャリアガスとしてさらに用いてもよい。また、キャリアガスの供給箇所も１箇所だけでなく、２箇所以上あってもよい。キャリアガスの流量は、特に限定されないが、好ましくは０．０１～２０ＬＰＭであり、より好ましくは０．１～１０ＬＰＭである。

（成膜工程）
成膜工程では、前記霧化液滴を反応させて、前記基体上に成膜する。前記反応は、前記霧化液滴から膜が形成される反応であれば特に限定されないが、本発明の実施態様においては、熱反応が好ましい。前記熱反応は、熱でもって前記霧化液滴が反応すればそれでよく、反応条件等も本発明の目的を阻害しない限り特に限定されない。本工程においては、前記熱反応を、通常、原料溶液の溶媒の蒸発温度以上の温度で行うが、高すぎない温度（例えば、１０００℃）以下が好ましく、８５０℃以下がより好ましく、６５０℃以下が最も好ましい。また、熱反応は、本発明の目的を阻害しない限り、真空下、非酸素雰囲気下、還元ガス雰囲気下および酸素雰囲気下のいずれの雰囲気下で行われてもよく、また、大気圧下、加圧下および減圧下のいずれの条件下で行われてもよいが、本発明の実施態様においては、大気圧下で行われるのが蒸発温度の計算がより簡単になり、設備等も簡素化できる等の点で好ましい。また、膜厚は成膜時間を調整することにより、設定することができる。

（基体）
前記基体は、前記膜を支持できるものであれば特に限定されない。前記基体の材料も、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、公知の基体であってよく、有機化合物であってもよいし、無機化合物であってもよい。前記基体の形状としては、どのような形状のものであってもよく、あらゆる形状に対して有効であり、例えば、平板や円板等の板状、繊維状、棒状、円柱状、角柱状、筒状、螺旋状、球状、リング状などが挙げられるが、本発明の実施態様においては、基板が好ましい。基板の厚さは、本発明の実施態様においては特に限定されない。

前記基板は、板状であって、前記膜の支持体となるものであれば特に限定されない。絶縁体基板であってもよいし、半導体基板であってもよいし、金属基板や導電性基板であってもよいが、前記基板が、絶縁体基板であるのが好ましく、また、表面に金属膜を有する基板であるのも好ましい。前記基板としては、例えば、コランダム構造を有する基板材料を主成分として含む下地基板、またはβ－ガリア構造を有する基板材料を主成分として含む下地基板、六方晶構造を有する基板材料を主成分として含む下地基板などが挙げられる。ここで、「主成分」とは、前記特定の結晶構造を有する基板材料が、原子比で、基板材料の全成分に対し、好ましくは５０％以上、より好ましくは７０％以上、更に好ましくは９０％以上含まれることを意味し、１００％であってもよい。

基板材料は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定されず、公知のものであってよい。前記のコランダム構造を有する基板材料としては、例えば、α－Ａｌ_２Ｏ_３（サファイア基板）またはα－Ｇａ_２Ｏ_３が好適に挙げられ、ａ面サファイア基板、ｍ面サファイア基板、ｒ面サファイア基板、ｃ面サファイア基板や、α型酸化ガリウム基板（ａ面、ｍ面またはｒ面）などがより好適な例として挙げられる。β－ガリア構造を有する基板材料を主成分とする下地基板としては、例えばβ－Ｇａ_２Ｏ_３基板、又はＧａ_２Ｏ_３とＡｌ_２Ｏ_３とを含みＡｌ_２Ｏ_３が０ｗｔ％より多くかつ６０ｗｔ％以下である混晶体基板などが挙げられる。また、六方晶構造を有する基板材料を主成分とする下地基板としては、例えば、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＮ基板などが挙げられる。

本発明の実施態様においては、前記成膜工程の後、アニール処理を行ってもよい。アニールの処理温度は、本発明の目的を阻害しない限り特に限定されず、通常、３００℃～６５０℃であり、好ましくは３５０℃～５５０℃である。また、アニールの処理時間は、通常、１分間～４８時間であり、好ましくは１０分間～２４時間であり、より好ましくは３０分間～１２時間である。なお、アニール処理は、本発明の目的を阻害しない限り、どのような雰囲気下で行われてもよく、非酸素雰囲気下で行われてもよく、酸素含有雰囲気下で行われてもよい。

また、本発明の実施態様においては、前記基体上に、直接、前記膜を設けてもよいし、バッファ層（緩衝層）や応力緩和層等の他の層を介して前記膜を設けてもよい。各層の形成方法は、特に限定されず、公知の方法であってよいが、本発明の実施態様においては、ミストＣＶＤ法またはミスト・エピタキシー法が好ましい。

以下、図面を用いて、前記ミストＣＶＤ法またはミスト・エピタキシー法に好適に用いられる成膜装置１９を説明する。図１の成膜装置１９は、キャリアガスを供給するキャリアガス源２２ａと、キャリアガス源２２ａから送り出されるキャリアガスの流量を調節するための流量調節弁２３ａと、キャリアガス（希釈）を供給するキャリアガス（希釈）源２２ｂと、キャリアガス（希釈）源２２ｂから送り出されるキャリアガス（希釈）の流量を調節するための流量調節弁２３ｂと、原料溶液２４ａが収容されるミスト発生源２４と、水２５ａが入れられる容器２５と、容器２５の底面に取り付けられた超音波振動子２６と、成膜室３０と、ミスト発生源２４から成膜室３０までをつなぐ石英製の供給管２７と、成膜室３０内に設置されたホットプレート（ヒーター）２８とを備えている。ホットプレート２８上には、基板２０が設置されている。

そして、図１に示すとおり、原料溶液２４ａをミスト発生源２４内に収容する。次に、基板２０を用いて、ホットプレート２８上に設置し、ホットプレート２８を作動させて基板２０の温度を昇温させる。次に、流量調節弁２３（２３ａ、２３ｂ）を開いてキャリアガス源２２（２２ａ、２２ｂ）からキャリアガスを成膜室３０内に供給し、成膜室３０の雰囲気をキャリアガスで十分に置換した後、キャリアガスの流量と、キャリアガス（希釈）の流量とをそれぞれ調節する。次に、超音波振動子２６を振動させ、その振動を、水２５ａを通じて原料溶液２４ａに伝播させることによって、原料溶液２４ａを微粒子化させて霧化液滴２４ｂを生成する。この霧化液滴２４ｂが、キャリアガスによって成膜室３０内に導入され、基板２０まで搬送され、そして、大気圧下、成膜室３０内で霧化液滴２４ｂが熱反応して、基板２０上に膜が形成する。

本発明の実施態様においては、前記成膜工程にて得られた膜を低導電層としてそのまま半導体素子に用いてもよいし、前記基体等から剥離する等の公知の方法を用いた後に低導電層として半導体素子に用いてもよい。
本発明の一態様において、前記半導体素子は絶縁性基板を備えていてもよく、横型の半導体素子であってもよいが、本発明の別の実施態様においては、縦型の半導体素子であってもよい。また、前記縦型の半導体素子は導電性基板を備えていてもよい。

前記半導体素子は、とりわけ、パワーデバイスに有用である。前記半導体素子としては、例えば、ダイオードまたはトランジスタなどが挙げられる。前記ダイオードとしては、例えば、ジャンクションバリアショットキーダイオード（ＪＢＳ）またはＰｉＮダイオード等が挙げられる。また、前記トランジスタとしては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等が挙げられる。また、前記半導体素子はノーマリーオフであるのが好ましい。

本発明の半導体装置は、前記半導体素子の他に、前記低導電層のバンドギャップよりもエネルギーが小さい光を発光する発光素子を備え、前記発光素子が、前記低導電層の少なくとも一部に前記光を照射可能に構成されているのが好ましい。前記発光素子は、公知の発光素子であってよく、前記低導電層の少なくとも一部に前記光を照射可能に構成されていれば、特に限定されない。前記発光素子としては、例えば、ＬＥＤ等が挙げられ、より具体的には、例えば、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極との間に配置されている発光体とを有する公知の発光素子等が挙げられる。本発明の半導体装置においては、通常、前記発光素子と前記半導体素子との間に光路が設けられている。なお、前記光路は、透光性の材料を介して設けられていてもよい。前記光路の光路長は、特に限定されないが、１０ｍｍ以下であるのが好ましい。

以下、本発明において好ましい実施態様を、図面を用いてより具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。

（ＭＯＳＦＥＴ）
本発明の実施態様における半導体装置の具体的な一例としては、例えば図２に示すＭＯＳＦＥＴ（半導体素子１０）と発光素子（光源１１）とを備える半導体装置などが挙げられる。図２のＭＯＳＦＥＴは、縦型のＭＯＳＦＥＴであり、ｎ＋型半導体層（半導体層）１、ｐ＋型半導体層（低導電層）２、ｎ－型半導体層（半導体層）３、ｐ型半導体層（低導電層）６、ｎ＋型半導体層９、ゲート絶縁膜４、ゲート電極５ａ、ソース電極（第１の電極）５ｂ、およびドレイン電極（第２の電極）５ｃを備えている。ゲート電極５ａは、ｐ型半導体層６およびｎ－型半導体層３内に少なくとも一部が埋設されていてもよく、図示するように全体が埋設されていてもよい。ゲート電極５ａ近傍には、ｎ＋型半導体層１およびｐ＋型半導体層２がそれぞれｐ型半導体層６内に埋設されており、ｎ型半導体層１およびｐ＋型半導体層２の上にはソース電極５ｂが配置されている。また、図２の半導体装置はＭＯＳＦＥＴの他に発光素子（光源）１１を備えており、図２の矢印に示される方向に光が照射されるように構成されている。発光素子（光源）１１は、光の照射をオンオフ可能な制御手段（図示せず）を備えている。前記制御手段は、通電時において光の照射をオンまたはオフする機能または任意の時間に光の照射をオンまたはオフする機能等を備えており、光照射による半導体特性の制御をも行っている。

図２のＭＯＳＦＥＴのオン状態では、発光素子（光源）１１から光が矢印の方向に照射され、ｐ＋型半導体層２およびｐ型半導体層６に光が照射されることにより、ホールの発生が活性化され、ｐ＋型半導体層２およびｐ型半導体層６の電気特性を向上させるとともに、前記ソース電極５ｂと前記ドレイン電極５ｃとの間に電圧を印加し、前記ゲート電極５ａに前記ソース電極５ｂに対して正の電圧を与えると、チャネル層が形成され、ターンオンする。オフ状態では、光の照射が止められてホールの発生が抑制されるとともに、前記ゲート電極５ａの電圧を０Ｖにすることにより、チャネル層ができなくなり、ターンオフとなる。

図７のＭＯＳＦＥＴは、図２のＭＯＳＦＥＴとは、透明電極８を具備する点で異なっており、このように透明電極８を用いることによって、より効果的にホール等を発生させて、半導体特性をより優れたものにすることができる。なお、透明電極８は、導電性および透光性を有する透光性電極からなるものであれば特に限定されず、公知の透明電極であってよい。前記透明性電極の透光性の程度も本発明の目的を阻害しない限り特に限定されない。前記透光性電極の材料としては、インジウム（Ｉｎ）またはチタン（Ｔｉ）を含む酸化物の導電性材料などが挙げられる。より具体的には、例えば、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、Ｇａ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＣｅＯ_２またはこれらの２以上の混晶またはこれらにドーピングされたものなどが挙げられる。これらの材料を、スパッタリング等の公知の手段で設けることによって、透光性電極を形成できる。また、透光性電極を形成した後に、透光性電極の透明化を目的とした熱アニールを施してもよい。上記のようにして透明電極８を用いることにより、前記半導体素子の半導体特性を損なうことなく、例えば、縦型デバイスであっても、前記光が前記半導体素子内で反射した反射光を、前記低導電層の少なくとも一部に照射しやすくすることができる。

なお、図７のＭＯＳＦＥＴは、縦型のＭＯＳＦＥＴであり、ｎ＋型半導体層（半導体層）１、ｐ＋型半導体層（低導電層）２、ｎ－型半導体層（半導体層）３、ｐ型半導体層（低導電層）６、ｎ＋型半導体層９、ゲート絶縁膜４、ゲート電極５ａ、ソース電極５ｂ、ドレイン電極５ｃおよび透明電極８を備えている。ゲート電極５ａは、ｐ型半導体層６およびｎ型半導体層３内に少なくとも一部が埋設されていてもよく、図示するように全体が埋設されていてもよい。ゲート電極５ａ近傍には、ｎ＋型半導体層１およびｐ＋型半導体層２がそれぞれｐ型半導体層６内に埋設されており、ｎ型半導体層１およびｐ＋型半導体層２の上にはソース電極５ｂが配置されている。また、ソース電極５ｂの隣には透明電極８が配置されており、図７の半導体装置の備えられている発光素子（光源）１１から、図７の矢印に示される方向に光が照射され、ついで、ドレイン電極５ｃで反射するように構成されている。図７のＭＯＳＦＥＴのオン状態では、発光素子（光源）１１から光が矢印の方向に照射され、透明電極８を介してドレイン電極５ｃで反射し、ついで低導電層（ｐ＋型半導体層２およびｐ型半導体層６）に光が照射されることにより、低導電層の電気特性が向上する。また、オフ状態では、光の照射が止められて、前記ゲート電極５ａの電圧を０Ｖにすることにより、チャネル層ができなくなり、ターンオフとなるように構成されている。本発明においては、前記光が、前記半導体素子内で反射した反射光であってもよい。ここで、「反射」とは、前記光の正反射および拡散反射等のいずれであってもよく、前記光の一方向への跳ね返りを指すのみならず、光が様々な方向に進路を変える「散乱」も含む。前記光が反射する反射対象物は、前記半導体素子内にあるものであれば特に限定されないが、本発明においては、電極または誘電体膜（ゲート絶縁膜）であるのが好ましい。

図８のＭＯＳＦＥＴは、横型のＭＯＳＦＥＴの一例であり、基板１２、ｎ＋型半導体層（半導体層）１、ｐ＋型半導体層（低導電層）２、ｎ－型半導体層（半導体層）３、ｐ型半導体層（低導電層）６、ゲート絶縁膜４、ゲート電極５ａ、ソース電極５ｂおよびドレイン電極５ｃを備えている。前記基板１２は、通常透明基板（例えば、サファイア基板等）であり、基板１２を介して低導電層２に外部からの光が照射可能に構成されている。なお、図８の半導体装置はＭＯＳＦＥＴの他に発光素子（光源）１１を備えており、図８の矢印に示される方向に光が照射されるように構成されている。図８のＭＯＳＦＥＴのオン状態では、発光素子（光源）１１から光が矢印の方向に照射され、ｐ＋型半導体層２に光が照射されることにより、ホールの発生が活性化され、ｐ＋型半導体層２の電気特性を向上させるとともに、前記ソース電極５ｂと前記ドレイン電極５ｃとの間に電圧を印加し、前記ゲート電極５ａに前記ソース電極５ｂに対して正の電圧を与えると、チャネル層６ａが形成され、ターンオンする。オフ状態では、光の照射が止められてホールの発生が抑制されるとともに、前記ゲート電極５ａの電圧を０Ｖにすることにより、チャネル層ができなくなり、ターンオフとなる。

本発明の半導体装置は、上記した事項に加え、さらに公知の方法を用いて、パワーモジュール、インバータまたはコンバータとして好適に用いられ、さらには、例えば電源装置を用いた半導体システム等に好適に用いられる。前記電源装置は、公知の方法を用いて、配線パターン等に接続するなどすることにより、前記半導体装置からまたは前記半導体装置として作製することができる。図３に電源システムの例を示す。図３は、複数の前記電源装置１７１、１７２と制御回路１７３を用いて構成されている電源システム１７０を示す。前記電源システム１７０は、図４に示すように、電子回路１８１と電源システム１８２（すなわち図１０の電源システム１７０）とを組み合わせてシステム装置１８０に用いることができる。なお、電源装置の電源回路図の一例を図５に示す。図５は、パワー回路と制御回路からなる電源装置の電源回路を示しており、インバータ１９２（ＭＯＳＦＥＴ：Ａ～Ｄで構成）によりＤＣ電圧を高周波でスイッチングしＡＣへ変換後、トランス１９３で絶縁及び変圧を実施し、整流ＭＯＳＦＥＴ１９４で整流後、ＤＣＬ１９５（平滑用コイルＬ１，Ｌ２）とコンデンサにて平滑し、直流電圧を出力する。この時に電圧比較器１９７で出力電圧を基準電圧と比較し、所望の出力電圧となるようＰＷＭ制御回路１９６でインバータ１９２及び整流ＭＯＳＦＥＴ１９４を制御する。

図２に示される半導体素子（ＭＯＳＦＥＴ）に準じて簡易な試作品を作製し、次の条件で試験評価を行った。低導電層として、Ｍｇをドーピングしたα－Ｇａ_２Ｏ_３を用いた。電極にはいずれもＴｉを用いた。発光素子（光源）として、レーザー光源を用いた。なお、照射する光の波長は６３８ｎｍ、強度１００ｍＷとした。また、ソース電極とドレイン電極との間の距離は１ｍｍとした。ドレイン電極を遮蔽して光照射を行った結果を図６に示す。図６から明らかなとおり、光の照射によって電気抵抗率が下がり、特に、ホールの発生が活性化されていた。また、上記では電極材料としてＴｉを用いたが、Ｒｕ、Ｐｔでも同様の結果が得られた。なお、照射する光の波長を３００ｎｍ～１３００ｎｍ、強度を１ｍＷ～２００ｍＷまで適宜調整して上記と同様に光照射による電気特性を評価したところ、それぞれ光照射による電気抵抗率の低下およびホール発生の活性化については上記と同様であった。

（試験例１）
図９に示される半導体素子（ＪＢＳ）に準じて簡易な試作品を作製し、次の条件で試験評価を行った。基板として、サファイア基板を用いた。低導電層として、Ｍｇをドーピングしたα－Ｇａ_２Ｏ_３を用いた。ｎ＋型半導体層として、Ｓｎをドーピングしたα－Ｇａ_２Ｏ_３を用いた。ｎ－型半導体層として、Ｓｎをドーピングしたα－Ｇａ_２Ｏ_３を用いた。オーミック電極にＴｉ、ショットキー電極にＣｏを用いた。発光素子（光源）として、ランプ光源を用いた。なお、照射する光の波長は３００ｎｍ、強度１ｍＷとした。光照射前後のＩ－Ｖ測定の結果を図１１に示す。図１１から明らかなとおり、光の照射によって電気抵抗率が下がり、電気伝導度が増加した。

（試験例２）
図１０に示される半導体素子（ＰｉＮダイオード）に準じて簡易な試作品を作製し、次の条件で試験評価を行った。基板として、サファイア基板を用いた。低導電層として、Ｍｇをドーピングしたα－Ｇａ_２Ｏ_３を用いた。ｎ＋型半導体層として、Ｓｎをドーピングしたα－Ｇａ_２Ｏ_３を用いた。ｎ－型半導体層として、Ｓｎをドーピングしたα－Ｇａ_２Ｏ_３を用いた。オーミック電極にＴｉ、ショットキー電極にＣｏを用いた。発光素子（光源）として、ランプ光源を用いた。なお、照射する光の波長は３００ｎｍ、強度１ｍＷとした。光照射前後のＩ－Ｖ測定の結果を図１２に示す。図１２から明らかなとおり、光の照射によって、閾値電圧が低下した。

本発明の通電機構は、半導体（例えば化合物半導体電子デバイス等）、電子部品・電気機器部品、光学・電子写真関連装置、工業部材などあらゆる分野に用いることができるが、とりわけ、パワーデバイスに有用である。

１ｎ＋型半導体層（半導体層）
２ｐ＋型半導体層（低導電層）
３ｎ－型半導体層（半導体層）
４ゲート絶縁膜
５ａゲート電極
５ｂソース電極（第１の電極）
５ｃドレイン電極（第２の電極）
６ｐ型半導体層（低導電層）
６ａチャネル層
７ａ第２の電極
７ｂ第１の電極
８透明電極
９ｎ＋型半導体層
１０半導体素子
１１発光素子（光源）
１２基板
１３半導体装置
１９ミストＣＶＤ装置
２０基板
２１サセプタ
２２ａキャリアガス供給源
２２ｂキャリアガス（希釈）供給源
２３ａ流量調節弁
２３ｂ流量調節弁
２４ミスト発生源
２４ａ原料溶液
２５容器
２５ａ水
２６超音波振動子
２７供給管
２８ヒーター
２９排気口
３０成膜室
１７０電源システム
１７１電源装置
１７２電源装置
１７３制御回路
１８０システム装置
１８１電子回路
１８２電源システム
１９２インバータ
１９３トランス
１９４整流ＭＯＳＦＥＴ
１９５ＤＣＬ
１９６ＰＷＭ制御回路
１９７電圧比較器

Claims

ゲート電極および導電層を少なくとも備える半導体素子における前記ゲート電極に電圧を印可することによって通電する通電機構であって、前記通電の際に前記ゲート電極と前記導電層との界面における前記導電層の少なくとも一部に光を照射する手段を前記電圧を印可する手段とは別に備え、前記導電層が、結晶性酸化物半導体を主成分として含むことを特徴とする通電機構。
前記ゲート電極である第１の電極と前記導電層を介して電気的に接続される第２の電極をさらに備え、前記第１の電極のバリアハイトが前記第２の電極のバリアハイトよりも大きい請求項１記載の通電機構。
前記結晶性酸化物半導体がガリウムおよび／またはイリジウムを含む、請求項１または２に記載の通電機構。
前記結晶性酸化物半導体が少なくともガリウムを含む、請求項１～３のいずれかに記載の通電機構。
前記結晶性酸化物半導体がコランダム構造を有する請求項１～４のいずれかに記載の通電機構。
前記半導体素子が、ダイオードまたはトランジスタである請求項１～５のいずれかに記載の通電機構。
前記半導体素子が、ジャンクションバリアショットキーダイオードまたはＰｉＮダイオードである請求項１～６のいずれかに記載の通電機構。
前記半導体素子がパワーデバイスである、請求項１～７のいずれかに記載の通電機構。
前記半導体素子がノーマリーオフである請求項１～８のいずれかに記載の通電機構。
ゲート電極および導電層を少なくとも備える半導体素子における前記ゲート電極に電圧を印可することによって通電する方法であって、前記導電層は、結晶性酸化物半導体を主成分として含み、前記通電の際に、前記電圧を印可する手段とは別の手段により、前記ゲート電極と前記導電層との界面における前記導電層の少なくとも一部に光を照射することを特徴とする方法。