JP2018142664A - 窒化物半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命かつ高信頼性の窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】窒化物半導体装置１００ｃは、積層構造部１０５と、第１の方向に延びる第１の主電極１１０ｃ及び第２の主電極１２０と、第２の主電極１２０に接続される引き出し配線であって、第２の主電極１２０上から、第１の方向における一方側に延びる引き出し配線とを備え、第１の主電極１１０ｃは、引き出し配線が延びる側の端部に第１の先端１１１ｃを有し、第２の主電極１２０は、引き出し配線が延びる側の端部に第２の先端１２１を有し、かつ、第１の方向における第２の先端１２１側に、第２の先端１２１に近づくにしたがって第２の方向における幅が減少する傾斜部１２３を有し、引き出し配線は、傾斜部１２３から第２の方向に突出する領域１６５を有し、傾斜部１２３の第２の主電極１２０の中央側の端は、第１の先端１１１ｃより、第１の方向において第２の先端１２１側に配置される。
【選択図】図１Ｇ

Description

本開示は、窒化物半導体装置に関し、特に、インバータ、パワーコンディショナーや電源回路等に用いられるトランジスタやダイオード等の窒化物半導体装置に関する。

近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の窒化物半導体を用いた高周波大電力デバイスとしての電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）開発が活発に行われている。

ＧａＮと、同じ窒化物半導体である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び窒化インジウム（ＩｎＮ）とを用いることで、種々の混晶を作ることができる。これら窒化物半導体のヘテロ接合には、不純物ドーピングなしの状態においても自発分極又はピエゾ分極によって、高移動度で高濃度の２次元電子ガス（２−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ、２ＤＥＧ）層が接合界面に発生するという特徴がある。この２ＤＥＧ層をキャリアとして用いたＦＥＴやショットキーバリアダイオード（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＳＢＤ）が、高周波用及び大電力用のデバイスとして注目を集めている。

２ＤＥＧ層を用いるＧａＮ−ＦＥＴは、半導体基板に対して水平方向に電流が流れる横型デバイスである。一方、現在、広く実用化されているＳｉ半導体を用いたパワーＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、半導体基板に対して垂直方向に電流が流れる縦型デバイスである。横型デバイスにおいては縦型デバイスと異なり、接地電極であるソース電極と高電圧が印加されるドレイン電極とが同じ表面側に存在するため、短い距離の間に高電圧が印加される。従って、縦型デバイス以上にデバイスの耐圧設計に注意が必要となる。さらに、２ＤＥＧ層を用いたＧａＮ−ＦＥＴの場合、この２ＤＥＧ層は一般的に、不純物ドーピングなしのＧａＮチャネル層と、その上に形成される不純物ドーピングなしの厚さ１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度のＡｌＧａＮ層との界面に形成される。従って、当該ＧａＮ−ＦＥＴにおいては、半導体表面から極めて浅い１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度の領域に大電流が流れる。このため、当該ＧａＮ−ＦＥＴにおいてゲート幅が大きいパワートランジスタ（ＧａＮパワートランジスタ）は、放熱設計や均一に電流を流す設計、電界集中が起きない設計等の信頼性を確保するためのデバイス設計が重要となってくる。

当該ＧａＮ−ＦＥＴにおける信頼性に関わる大きな問題の一つとして、半導体表面にトラップされた電子が、チャネルの電子数を減らしてオン抵抗を上昇させる電流コラプスという現象がある。これまでに、この電流コラプスを抑制する方法としては、ドレイン電極周辺部に正孔注入電極を配置して、トラップされる電子を消滅させる構造を形成する方法が開示されている（特許文献１）。

また、ＧａＮ−ＦＥＴにおける他の信頼性に関わる問題として、静的なオフ耐圧に比べて、ゲートにオンパルスを１パルス与えた時の動的な耐圧が大きく低下することが報告されている（特許文献２）。特許文献２においては、動的な耐圧の低下の原因をドレイン電極の先端部における電流集中と考えて、ドレイン電極の先端に電流が集中しない構造が開示されている。

国際公開第２０１４／１７４８１０号 特開２０１３−０２１３６１号公報

発明者らは、ＧａＮ−ＦＥＴの長時間の実使用状態を想定した信頼性を調べるために、連続ハードスイッチング動作させる試験を行った。当該試験について図面を用いて説明する。図７は、ＧａＮ−ＦＥＴの連続ハードスイッチング試験で用いた回路の構成を示す回路図である。図８は、連続ハードスイッチング試験においてＧａＮ−ＦＥＴに印加される電圧及び電流の軌跡（ローカス）を示すグラフである。図８には、ＧａＮ−ＦＥＴのスイッチング動作におけるドレイン電流と、ドレイン電圧の軌跡（ローカス）が示されている。図９は、本試験に用いた従来のＧａＮ−ＦＥＴのレイアウトを示す平面図である。

図７に示すように、回路における負荷としてインダクタンスＬを用いているため、スイッチング時にはＧａＮ−ＦＥＴに高電圧及び高電流が同時に印加される状態となる。このため、図８の点線で囲まれた領域に示すとおり、ターンオン時及びターンオフ時に高電圧及び高電流が同時にＧａＮ−ＦＥＴに印加される。

図９に示すように、本ＧａＮ−ＦＥＴにおいては、ソース電極１０１１及びドレイン電極１００５が交互に配列されている。ソース電極１０１１上及びドレイン電極１００５は、それぞれ、ソース電極配線１０１２及びドレイン電極配線１００６に接続されている。また、ソース電極１０１１上とドレイン電極１００５との間に、ゲート電極１０１０が配置されている。さらに、ドレイン電極１００５の周囲にｐ−ＧａＮ及び電極から構成される正孔注入部１００７が配置されている。高電圧及び高電流が同時に印加されるスイッチング時には、正孔注入部１００７から正孔が注入され、ドレイン電極１００５周辺部にトラップされる電子を消滅させ、電流コラプスを抑制している。

本ＧａＮ−ＦＥＴを用いて連続ハードスイッチングを実施したところ、試験開始後の２０分程度でＧａＮ−ＦＥＴの破壊が発生した。破壊したＧａＮ−ＦＥＴを調べたところ、図９に示すドレイン電極配線１００６がドレイン電極１００５の先端からはみだした（突出した）部分の近傍に位置する電極近傍領域１０３０の中の、特にドレイン電極１００５寄りの箇所（図９のＸ印部）で破壊が発生していることが確認できた。ドレイン電極１００５の先端は電界集中を緩和するために電極幅（図９における横方向の幅）が連続的に細くなる略半円形状を有するが、この先端の近傍で破壊が発生していた。このため、従来のＧａＮ−ＦＥＴでは、寿命が短く、信頼性が十分ではない。

そこで、本開示は、長寿命かつ高信頼性の窒化物半導体装置を提供する。

上記課題を解決するために、本開示に係る窒化物半導体装置の一態様は、基板と、前記基板の上方に配置される第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上方に積層され、かつ、前記第１の窒化物半導体層よりバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層とを備え、前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との界面に誘起される２次元電子ガスが存在する活性領域を有する積層構造部と、前記活性領域の上方に配置され、前記基板に対する平面視で第１の方向に延びる第１の主電極と、前記基板に対する平面視で前記第１の方向に垂直な第２の方向において前記第１の主電極から離間した前記活性領域の上方の位置に配置され、前記第１の方向に延びる第２の主電極と、前記第２の主電極の上方に配置され、前記第２の主電極に電気的に接続される引き出し配線であって、前記第２の主電極上から、前記第１の方向における一方側に延びる引き出し配線とを備え、前記第１の主電極は、前記第１の方向における両端部のうち、前記引き出し配線が延びる側の端部に第１の先端を有し、前記第２の主電極は、前記第１の方向における両端部のうち、前記引き出し配線が延びる側の端部に第２の先端を有し、かつ、前記第１の方向における前記第２の先端側に、前記第２の先端に近づくにしたがって前記第２の方向における幅が減少する傾斜部を有し、前記引き出し配線は、前記基板に対する平面視で前記傾斜部から第２の方向に突出し、かつ、下方が前記活性領域に含まれる領域を有し、前記傾斜部の前記第１の方向における前記第２の主電極の中央側の端は、前記第１の先端より、前記第１の方向において前記第２の先端側に配置される。

本開示の一態様によれば、長寿命かつ高信頼性の窒化物半導体装置を提供することが可能となる。

図１Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体装置のレイアウトを示す平面図である。 図１Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体装置の図１Ａ中の１Ｂ−１Ｂ断面を示す断面図である。 図１Ｃは、実施の形態１に係る窒化物半導体装置の図１Ａ中の１Ｃ−１Ｃ断面を示す断面図である。 図１Ｄは、実施の形態１に係る制御電極と異なる構成を有する制御電極を備える窒化物半導体装置のレイアウトを示す平面図である。 図１Ｅは、実施の形態１に係る窒化物半導体装置及び比較例に係る窒化物半導体装置の連続ハードスイッチング動作寿命を示すグラフである。 図１Ｆは、実施の形態１に係る第１の主電極の他の構成例を示す平面図である。 図１Ｇは、実施の形態１に係る第１の主電極のさらに他の構成例を示す平面図である。 図１Ｈは、実施の形態１の変形例に係る窒化物半導体装置のレイアウトを示す平面図である。 図１Ｉは、実施の形態１の変形例に係る窒化物半導体装置の図１Ｈ中の１Ｉ−１Ｉ断面を示す断面図である。 図１Ｊは、実施の形態１の変形例に係る窒化物半導体装置の図１Ｈ中の１Ｊ−１Ｊ断面を示す断面図である。 図２Ａは、実施の形態２に係る窒化物半導体装置のレイアウトを示す平面図である。 図２Ｂは、実施の形態２に係る窒化物半導体装置の図２Ａ中の２Ｂ−２Ｂ断面を示す断面図である。 図２Ｃは、実施の形態２に係る窒化物半導体装置の図２Ａ中の２Ｃ−２Ｃ断面を示す断面図である。 図２Ｄは、実施の形態２に係る正孔注入部及びと第２の引き出し配線との適正な位置関係を調べるために用いた窒化物半導体装置の第１の方向に垂直な断面図である。 図２Ｅは、ＸＹ間距離と電流コラプス現象が起こる電圧との関係を示すグラフである。 図３Ａは、実施の形態３に係る窒化物半導体装置のレイアウトを示す平面図である。 図３Ｂは、実施の形態３に係る窒化物半導体装置の図３Ａ中の３Ｂ−３Ｂ断面を示す断面図である。 図３Ｃは、実施の形態３に係る窒化物半導体装置の図３Ａ中の３Ｃ−３Ｃ断面を示す断面図である。 図４Ａは、実施の形態４に係る窒化物半導体装置のレイアウトを示す平面図である。 図４Ｂは、実施の形態４に係る窒化物半導体装置の図４Ａ中の４Ｂ−４Ｂ断面を示す断面図である。 図４Ｃは、実施の形態４に係る窒化物半導体装置の図４Ａ中の４Ｃ−４Ｃ断面を示す断面図である。 図４Ｄは、比較実験において用いたリセス部を有する電極構造体の断面図である。 図４Ｅは、比較実験において用いたリセス部を有さない電極構造体の断面図である。 図４Ｆは、リセス部の有無による正孔注入効果の比較実験の結果を示すグラフである。 図５Ａは、実施の形態５に係る窒化物半導体装置のレイアウトを示す平面図である。 図５Ｂは、実施の形態５に係る窒化物半導体装置の図５Ａ中の５Ｂ−５Ｂ断面を示す断面図である。 図５Ｃは、実施の形態５に係る窒化物半導体装置の図５Ａ中の５Ｃ−５Ｃ断面を示す断面図である。 図６Ａは、実施の形態６に係る窒化物半導体装置のレイアウトを示す平面図である。 図６Ｂは、実施の形態６に係る窒化物半導体装置の図６Ａ中の６Ｂ−６Ｂ断面を示す断面図である。 図６Ｃは、実施の形態６の変形例に係る窒化物半導体装置の断面図である。 図７は、ＧａＮ−ＦＥＴの連続ハードスイッチング試験で用いた回路の構成を示す回路図である。 図８は、連続ハードスイッチング試験においてＧａＮ−ＦＥＴに印加される電圧及び電流の軌跡を示すグラフである。 図９は、連続ハードスイッチング試験で用いた従来のＧａＮ−ＦＥＴのレイアウトを示す平面図である。 図１０は、図９に示す従来のＧａＮ−ＦＥＴの１０−１０断面を示す断面図である。

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、ＧａＮ−ＦＥＴの連続ハードスイッチング試験において、ドレイン電極の先端付近で発生する破壊に関して鋭意検討を行った。まず、連続ハードスイッチング試験を行っているＧａＮ−ＦＥＴの温度及びオン抵抗を試験中に観測した結果、破壊直前での温度及びオン抵抗の急激な上昇は観測されなかった。つまり、ＧａＮ−ＦＥＴにおいて特許文献１に示されているような電流コラプスが発生しているわけではないことがわかった。さらに、破壊の発生する瞬間はターンオン、又はターンオフの瞬間のスイッチング時であり、ＧａＮ−ＦＥＴがオンしている期間又はオフしている期間では無いことがわかった。つまり、破壊の発生は、図８の点線で囲まれた領域に示される高電圧及び高電流が同時にＧａＮ−ＦＥＴに印加される時に発生する現象であることがわかった。

これらのことから、電子がソース電極からドレイン電極に向かって流れる際に、その途中で上部のドレイン電極配線から高電圧が印加されると、流れる電子の一部が、高電圧が印加されたドレイン電極配線に引き寄せられ、本来流れ込むドレイン電極ではなく、半導体表面に存在するトラップ準位に飛び込む現象が発生していると考察した。

このメカニズムによりドレイン電極の先端部において破壊が発生する現象を図９と図１０を用いて説明する。図１０は、図９に示す従来のＧａＮ−ＦＥＴの１０−１０断面を示す断面図である。

図１０に示すように、従来のＧａＮ−ＦＥＴでは、ＧａＮ層１００４と、ＡｌＧａＮ層１００３とを含む積層構造上に、ドレイン電極１００５及び正孔注入部１００７が形成されている。ソース電極１０１１（図９参照）からドレイン電極１００５に流れる電子流１０６０は、ＡｌＧａＮ層１００３及びＧａＮ層１００４の接合界面に存在する。

また、ドレイン電極１００５上には、ドレイン電極配線１００６が形成されている。ここで、ドレイン電極配線１００６は、ドレイン電極１００５から正孔注入部１００７側に突出して、電極近傍領域１０３０を覆っている。

図９に示すように、ソース電極１０１１からドレイン電極１００５に向かう電子流１０６０の密度は、ソース電極１０１１とドレイン電極１００５が対向する対向領域ではほぼ一様である。それに対し、ドレイン電極１００５よりソース電極１０１１が長い場合は、ドレイン電極１００５の先端において電子流１０６０が収束するため、ドレイン電極１００５の先端近傍で電子流１０６０の密度が上記対向領域よりも高くなる。さらに、ドレイン電極１００５の電極近傍領域１０３０であって、ドレイン電極配線１００６の直下にあるＡｌＧａＮ層１００３の表面は、ドレイン電極配線１００６の電位の影響を直接に受ける。その結果、図８の点線で囲まれた領域に示される高電圧及び高電流が同時に印加される時に、多くの電子１０６１が高電位となったＡｌＧａＮ層１００３の表面に引き寄せられて、図１０に示すようにトラップされる。

つまり、連続ハードスイッチング動作時にドレイン電極１００５の電極近傍領域１０３０でドレイン電極配線１００６の直下のＡｌＧａＮ層１００３の表面においてトラップされる電子１０６１が徐々に蓄積されていく。このトラップされた電子１０６１によって形成されるＡｌＧａＮ層１００３の表面の電位と、ドレイン電極１００５、ドレイン電極配線１００６、又はドレイン電極１００５の近傍の２ＤＥＧ層の電位とが、スイッチング時に乖離して、ＡｌＧａＮ層１００３又はＡｌＧａＮ層１００３上に形成される絶縁膜（図示せず）において絶縁破壊が発生していると推定できる。このようなドレイン電極１００５の先端近傍で、かつ、ドレイン電極配線１００６の直下における電子トラップによる破壊の対策は、特許文献１に開示されているような正孔注入部１００７を配置するだけでは不十分であった。

また、特許文献２に開示されているようなドレイン電極の先端における電流集中を抑制するレイアウト設計だけでも、電子トラップによる破壊の対策としては不十分である。すなわち、ソース電極、ドレイン電極、ドレイン電極配線、及び、２ＤＥＧが存在する活性領域も含めたＧａＮ−ＦＥＴのレイアウト設計が重要である。

以上のような知見及び考察に基づき、フィンガー状（長尺状）のドレイン電極先端においてトラップされる電子を低減することで、連続ハードスイッチング動作の寿命を向上させる本開示に係る窒化物半導体装置に想到した。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

また、本明細書において、「上方」（又は「上」）及び「下方」（又は「下」）という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔を空けて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されている場合にも適用される。

（実施の形態１）
以下に、実施の形態１に係る窒化物半導体装置について、図面を参照しながら説明する。

図１Ａは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１００のレイアウトを示す平面図である。図１Ｂは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１００の図１Ａ中の１Ｂ−１Ｂ断面を示す断面図である。図１Ｃは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１００の図１Ａ中の１Ｃ−１Ｃ断面を示す断面図である。

以下、窒化物半導体装置１００の構成を、図１Ａ〜図１Ｃを用いて説明する。

窒化物半導体装置１００は、窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置であり、図１Ｃに示すように基板１０１と、バッファ層１０２と、積層構造部１０５と、第１の主電極１１０と、第２の主電極１２０と、制御電極１３０と、絶縁膜１４０と、第１の引き出し配線１５０と、第２の引き出し配線１６０とを備える。また、図１Ａに示すように、窒化物半導体装置１００は、さらに、第１の集約配線１７０と、第２の集約配線１８０とを備える。

なお、本実施の形態及び以下の各実施の形態に係る窒化物半導体装置について、各図においては、一対の第１の主電極１１０及び第２の主電極１２０のみが示されているが、各実施の形態に係る窒化物半導体装置は、いずれも複数の第１の主電極１１０及び複数の第２の主電極１２０が交互に配置された繰り返し構造を有する。

基板１０１は、窒化物半導体装置１００の基体であり、基板１０１の上方に窒化物半導体装置１００の他の構成要素が形成される。基板１０１を形成する材料は特に限定されない。本実施の形態では、基板１０１を形成する材料はシリコンである。

バッファ層１０２は、基板１０１と第１の窒化物半導体層１０３との間に配置される層であり、基板１０１と第１の窒化物半導体層１０３との間の格子不整合に伴う第１の窒化物半導体層１０３の格子歪みを低減する。バッファ層１０２の構成は、第１の窒化物半導体層１０３の格子歪みを低減できれば、特に限定されない。本実施の形態では、バッファ層１０２は、ＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層からなる多層構造を有する。バッファ層１０２は、超格子構造を有していてもよい。バッファ層１０２は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成される。

積層構造部１０５は、第１の窒化物半導体層１０３と、第１の窒化物半導体層１０３の上方に積層され、かつ、第１の窒化物半導体層１０３よりバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層１０４とを備える。

第１の窒化物半導体層１０３は、基板１０１の上方に配置される窒化物半導体層である。本実施の形態では、第１の窒化物半導体層１０３は、バッファ層１０２を介して基板１０１の上方に積層される。第１の窒化物半導体層１０３の構成は、第２の窒化物半導体層１０４よりバンドギャップが小さい窒化物半導体層であれば、特に限定されない。本実施の形態では、第１の窒化物半導体層１０３は、厚さが２μｍ程度のＧａＮ層からなる。

第２の窒化物半導体層１０４は、第１の窒化物半導体層１０３の上方に配置され、かつ、第１の窒化物半導体層１０３よりバンドギャップが大きい窒化物半導体層である。第２の窒化物半導体層１０４の構成は、第１の窒化物半導体層１０３よりバンドギャップが大きい窒化物半導体層であれば、特に限定されない。本実施の形態では、第２の窒化物半導体層１０４は、厚さが５０ｎｍ程度のＡｌＧａＮ層からなる。

第１の窒化物半導体層１０３及び第２の窒化物半導体層１０４は、例えば、ＭＯＣＶＤによって形成される。

以上のように、積層構造部１０５においては、第１の窒化物半導体層１０３及び第２の窒化物半導体層１０４が順次形成された、つまり、ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層で構成された積層構造が形成されている。第１の窒化物半導体層１０３における第２の窒化物半導体層１０４寄りの界面には、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とで発生する分極効果及びバンドギャップ差によって２次元電子ガス（２ＤＥＧ）１０６が形成されている。本実施の形態では、図１Ａに示すように、積層構造部１０５は、第１の窒化物半導体層１０３と第２の窒化物半導体層１０４との界面に誘起される２次元電子ガス１０６が存在する活性領域１０７と、２次元電子ガス１０６が存在しない素子分離領域１０８とを有する。素子分離領域１０８は、例えばＨｅ、Ｂ、Ａｒ等のイオン注入で２次元電子ガスを高抵抗化することによって形成される。また、素子分離領域１０８は、ＡｌＧａＮ層からなる第２の窒化物半導体層１０４をエッチング除去することにより形成されてもよい。

第１の主電極１１０は、図１Ａに示すように、活性領域１０７の上方に配置され、基板１０１に対する平面視で第１の方向に延在する電極である。第１の主電極１１０は、例えばＴｉ、Ａｌ等を含む積層体で構成されたフィンガー状の電極である。

第１の主電極１１０は、第１の方向における両端部のうち、第２の引き出し配線１６０が延びる側（つまり、第１の引き出し配線１５０が延びる側の反対側）の端部に第１の先端１１１を有し、第１の引き出し配線１５０が延びる側の端部に第１の反対側先端１１２を有する。

第２の主電極１２０は、オフ状態で第１の主電極１１０よりも高電圧が印加され、例えばＴｉ、Ａｌ等を含む積層体で構成されたフィンガー状の電極である。第２の主電極１２０は、図１Ａに示すように、基板１０１に対する平面視で第１の方向に垂直な第２の方向において第１の主電極１１０から離間した活性領域１０７の上方の位置に配置され、第１の方向に延在する。

第２の主電極１２０は、第１の方向における両端部のうち、第２の引き出し配線１６０が延びる側の端部に第２の先端１２１を有する。さらに、第２の主電極１２０は、第１の方向における第２の先端１２１側に、第２の先端１２１に近づくにしたがって第２の方向における幅が減少する傾斜部１２３を有する。また、第２の主電極１２０は、第１の方向における両端部のうち、第２の引き出し配線１６０が延びる側の反対側の端部に第２の反対側先端１２２を有する。さらに、第２の主電極１２０は、第１の方向における第２の反対側先端１２２側に、第２の反対側先端１２２に近づくにしたがって第２の方向における幅が減少する傾斜部１２４を有する。傾斜部１２３及び１２４について、言い換えると、第２の主電極１２０は、第１の方向における両端部において、基板１０１に対する平面視でその電極幅（第２の方向における幅）が連続的に細くなる形状を有する傾斜部１２３及び１２４を有する。また、第２の主電極１２０は、第１の方向における両端部の間に第２の方向における幅が等しい等幅部１２６を有する。

第１の主電極１１０及び第２の主電極１２０は、例えば、スパッタ法などによって成膜され、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いてパターニングされる。

絶縁膜１４０は、積層構造部１０５の上方に形成される電気絶縁性の膜である。絶縁膜１４０は、第１の主電極１１０及び第２の主電極１２０よりも厚く、基板１０１に対する平面視で第１の主電極１１０の周縁よりも内側の概全面に開口を有している。この開口を介して、第１の主電極１１０及び絶縁膜１４０上に形成された第１の引き出し配線１５０が電気的に接続される。同様に、絶縁膜１４０は基板１０１に対する平面視で第２の主電極１２０の周縁よりも内側の概全面に開口を有している。この開口を介して、第２の主電極１２０と、絶縁膜１４０上に形成された第２の引き出し配線１６０とが電気的に接続される。絶縁膜１４０を形成する材料は、電気絶縁性であれば特に限定されないが、例えば、ＳｉＮである。絶縁膜１４０は、例えば、化学気相堆積法（Ｃｈａｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によって成膜される。絶縁膜１４０の各開口は、例えば、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いてパターニングされる。

第１の引き出し配線１５０は、第１の主電極１１０の上方に配置され、第１の主電極１１０に電気的に接続される引き出し配線であって、第１の主電極１１０上から、第１の方向における一方側（図１Ａの下側）に延びる。第１の引き出し配線１５０は、活性領域１０７から一方（図１Ａの下側）の素子分離領域１０８まで延在している。第１の引き出し配線１５０は、素子分離領域１０８に形成されている第１の集約配線１７０と電気的に接続されている。

第２の引き出し配線１６０は、第２の主電極１２０の上方に配置され、第２の主電極１２０に電気的に接続される引き出し配線であって、第２の主電極１２０上から、第１の方向における一方側（図１Ａの上側）に延びる。第２の引き出し配線１６０は活性領域１０７から一方（図１Ａの上側）の素子分離領域１０８まで延在している。第２の引き出し配線１６０は、素子分離領域１０８に形成されている第２の集約配線１８０と電気的に接続されている。

第１の引き出し配線１５０及び第２の引き出し配線１６０を形成する材料は、導電性部材であれば特に限定されない。第１の引き出し配線１５０及び第２の引き出し配線１６０は、例えば、Ｃｕを用いて、スパッタ法などによって成膜される。また、第１の引き出し配線１５０及び第２の引き出し配線１６０は、例えば、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いてパターニングされる。あるいは、第１の引き出し配線１５０及び第２の引き出し配線１６０は、フォトリソグラフィと電解メッキを用いてＡｕから構成されても良い。

第１の集約配線１７０及び第２の集約配線１８０は、それぞれ、複数の第１の引き出し配線１５０及び複数の第２の引き出し配線１６０と電気的に接続される配線であり、素子分離領域１０８において、第２の方向に延在する。第１の集約配線１７０及び第２の集約配線１８０は、それぞれ、複数の第１の引き出し配線１５０及び複数の第２の引き出し配線１６０を介して、複数の第１の主電極１１０及び複数の第２の主電極１２０に電圧を印加する。

第１の集約配線１７０及び第２の集約配線１８０を形成する材料は、導電性部材であれば特に限定されない。第１の集約配線１７０及び第２の集約配線１８０は、例えば、Ｃｕを用いて、スパッタ法などによって成膜される。また、第１の集約配線１７０及び第２の集約配線１８０は、例えば、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いてパターニングされる。なお、第１の集約配線１７０及び第２の集約配線１８０は、第１の引き出し配線１５０及び第２の引き出し配線１６０と同時に形成されても良い。

制御電極１３０は、第１の主電極１１０と第２の主電極１２０との間に流れる電流量を制御する電極である。制御電極１３０は、活性領域１０７の上方であって、第１の主電極１１０と第２の主電極１２０との間に配置される。本実施の形態では、図１Ａ及び図１Ｃに示すように、制御電極１３０は、第１の主電極１１０と第２の主電極１２０との間であって、第１の主電極１１０と第２の主電極１２０との中間よりも第１の主電極１１０側の位置において第１の方向に延在する。図１Ａに示すように、制御電極１３０は、基板１０１の上面視において、活性領域１０７を第１の方向へ横断するように形成されている。制御電極１３０は、例えばＮｉ、Ｐｄ等を含む積層体で構成される。制御電極１３０は、例えば、スパッタ法などによって成膜され、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いてパターニングされる。また、制御電極１３０は、電子ビーム蒸着とリフトオフ法により形成されても良い。

なお、本実施の形態に係る制御電極の構成は、図１Ａに示す構成に限定されず、他の構成であってもよい。図１Ｄは、本実施の形態に係る制御電極１３０と異なる構成を有する制御電極１３０ａを備える窒化物半導体装置１００ａのレイアウトを示す平面図である。図１Ｄに示すように制御電極１３０ａは、第１の主電極１１０を囲むように形成されてもよい。

また、本実施の形態では制御電極１３０または１３０ａにバイアス電圧を与えないときも導電するノーマリオン型トランジスタを想定しているが、窒化物半導体装置１００は、制御電極１３０または１３０ａにバイアス電圧を与えないときには導電しないノーマリオフ型トランジスタでもよい。

なお、制御電極１３０または１３０ａはｐ型ＧａＮ層とその上のＮｉ、Ｐｄ等の金属層とを含む積層体で構成される電極であってもよい。ｐ型ＧａＮを用いれば、２ＤＥＧを空乏化する効果が大きいため、ノーマリオフ型トランジスタを得やすい。

第１の主電極１１０は、上述したように、第１の方向における第１の主電極１１０の両端部のうち、第２の引き出し配線１６０が延びる側の端部に第１の先端１１１を有する。第２の主電極１２０は、第１の方向における第２の主電極１２０の両端部のうち、第２の引き出し配線１６０が延びる側の端部に第２の先端１２１を有する。このとき、本実施の形態では、第１の先端１１１が第２の先端１２１より第１の方向において突出していない。

以上のような構成を有する本実施の形態に係る窒化物半導体装置１００の効果について、以下に図面を用いて説明する。図１Ｅは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１００及び比較例に係る窒化物半導体装置の連続ハードスイッチング動作寿命を示すグラフである。図１Ｅに示す連続ハードスイッチング試験において、比較例として用いた窒化物半導体装置は、第１の先端１１１が、第２の先端１２１より第１の方向に突出する点以外は、窒化物半導体装置１００と同じ構成を有する。

比較例と本実施の形態とで連続ハードスイッチング試験結果を比較したところ、図１Ｅに示すように、比較例では寿命が２０分（０．３３時間）であったのに対して、本実施の形態では５００時間となった。つまり、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１００において、第１の先端１１１が第２の先端１２１より第１の方向に突出しない構成を適用することで寿命が約１５００倍向上することを確認できた。本連続ハードスイッチング試験は、電流値及び電圧値を通常の使用条件よりも高くする加速条件で行っている。この試験で得られた５００時間の寿命は通常使用条件においては１００年以上の寿命に相当し、一般的な寿命目標値を達成している。

そして、比較例の窒化物半導体装置の破壊箇所は第２の主電極１２０の先端部であったのに対し、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１００の破壊箇所は、第２の主電極１２０の等幅部１２６のランダムな位置であった。つまり、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１００の構成を適用することにより、図９及び図１０を用いて上述したような第２の主電極１２０の先端部における電子トラップによる破壊の発生が抑制された。この結果は、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１００において、第２の主電極１２０の先端部における電子トラップを抑制することにより、連続ハードスイッチングの寿命が大幅に改善されることを実証している。

図１Ａに示すように、第１の方向における第１の主電極１１０において、第１の先端１１１が第２の先端１２１より第１の方向において突出しない本実施の形態に係る窒化物半導体装置１００では、第１の主電極１１０を始点とする電子流は第２の方向に対向する第２の主電極１２０へ、等幅部１２６においては一様の電子流密度で、傾斜部１２３においては等幅部１２６の電子流密度と同等以下の密度で流れる。その結果、図８の点線で囲まれた領域に示される高電圧及び高電流が同時に印加される時に、第２の引き出し配線１６０の直下において、等幅部１２６の電子流密度より高い密度の電子流が流れることが無くなり、第２の窒化物半導体層１０４における電子トラップを抑制することができていると考えられる。その結果、第２の先端１２１近傍で破壊が発生しなくなったと考えられる。

本実施の形態に係る窒化物半導体装置１００の各主電極の構成は、図１Ａ〜図１Ｃに示す構成に限定されない。以下、本実施の形態に係る各主電極の他の構成例について図面を用いて説明する。

図１Ｆは、本実施の形態に係る第１の主電極の他の構成例を示す平面図である。図１Ｇは、本実施の形態に係る第１の主電極のさらに他の構成例を示す平面図である。

図１Ｆに示す第１の主電極１１０ｂを備える窒化物半導体装置１００ｂのように、第２の先端１２１は第１の先端１１１ｂよりも第１の方向において突出し、かつ、第２の反対側先端１２２は第１の反対側先端１１２ｂよりも第１の方向において突出するように形成してもよい。この場合、第２の主電極１２０の傾斜部１２３から第２の方向に延びている第２の引き出し配線１６０の領域１６５の直下において流れる電子流が、図１Ａで示すような、第１の先端１１１が第２の先端１２１より第１の方向において突出しないように形成した場合よりも小さくなる。このため、窒化物半導体装置１００ｂでは、窒化物半導体装置１００より電子トラップを抑制することができる。

また、図１Ｇに示す第１の主電極１１０ｃを備える窒化物半導体装置１００ｃのように、第１の主電極１１０ｃの第１の先端１１１ｃは第２の先端１２１側の傾斜部１２３の第１の方向における第２の主電極１２０の中央側の端より第１の方向において突出せず、かつ、第１の反対側先端１１２ｃは第２の反対側先端１２２側の傾斜部１２４の第１の方向における第２の主電極１２０の中央側の端より第１の方向において突出しないように形成してもよい。さらに、傾斜部１２３の第１の方向における第２の主電極１２０の中央側の端は、第１の先端１１１ｃより、第１の方向において第２の先端１２１側に配置されてもよい。また、傾斜部１２４の第１の方向における第２の主電極１２０の中央側の端は、第１の反対側先端１１２ｃより、第１の方向において第２の反対側先端１２２側に配置されてもよい。この場合、第２の主電極１２０の傾斜部から第２の方向に延びている第２の引き出し配線１６０の領域１６５に流れる電子流が、図１Ｆで示すような、第２の先端１２１は第１の先端１１１ｂよりも突出し、かつ第２の反対側先端１２２は第１の反対側先端１１２ｂよりも突出するように形成した場合よりも小さくなる。このため、窒化物半導体装置１００ｃでは、窒化物半導体装置１００ｂより電子トラップを抑制することができる。

なお、第２の主電極１２０の等幅部１２６のうち第１の先端１１１ｃより第１の方向において突出する部分の上方に位置する第２の引き出し配線１６０の部分が等幅部１２６の第１の主電極１１０ｃに対向する端部より第２の方向に突出していないことが好ましい。同様に、第２の主電極１２０の等幅部１２６のうち第１の反対側先端１１２ｃより第１の方向において突出する部分の上方に位置する第２の引き出し配線１６０の部分が等幅部１２６の第１の主電極１１０ｃに対向する端部より第２の方向に突出していないことが好ましい。これらの場合は、２ＤＥＧ直上の領域のうち、第２の主電極１２０の等幅部１２６よりも第１の主電極１１０ｃ側の部分において、高電圧による電子トラップを回避できる。

また、第２の引き出し配線１６０のうち、第１の方向における位置が傾斜部１２３及び１２４と一致する部分は、第２の方向において、等幅部１２６よりも第１の主電極１１０側に突出しないように形成してもよい。この場合は、２ＤＥＧ直上の領域のうち、第１の方向における位置が傾斜部１２３及び１２４と一致し、かつ、第２の方向における位置が等幅部１２６よりも第１の主電極１１０ｃ側の部分において高電圧による電子トラップを回避できる。

また、第２の引き出し配線１６０のうち、活性領域１０７上に位置する部分は、第２の先端１２１より第２の集約電極１８０側の部分が第２の方向において等幅部１２６よりも第１の主電極１１０側に突出せずに形成されていてもよい。この場合は、第２の引き出し配線１６０のうち、第１の方向において第２の先端１２１より第２の集約電極１８０側であって、第２の方向における位置が等幅部１２６と等しい部分において、電子トラップを回避できる。また、第２の引き出し配線１６０のうち、活性領域１０７上に位置する部分は、第２の反対側先端１２２より第１の方向に突出せずに形成されていてもよい。

（実施の形態１の変形例）
以下に、実施の形態１の変形例に係る窒化物半導体装置について、図面を参照しながら説明する。

図１Ｈは、本変形例に係る窒化物半導体装置１００ｄのレイアウトを示す平面図である。図１Ｉは、本変形例に係る窒化物半導体装置１００ｄの図１Ｈ中の１Ｉ−１Ｉ断面を示す断面図である。図１Ｊは、本変形例に係る窒化物半導体装置１００ｄの図１Ｈ中の１Ｊ−１Ｊ断面を示す断面図である。

本変形例に係る窒化物半導体装置１００ｄにおける絶縁膜１４０ｄ及び第２の引き出し配線１６０ｄ以外の構成は、図１Ｇを用いて上述した窒化物半導体装置１００ｃと同様の構成であるため、説明を省略する。また、本変形例では、絶縁膜１４０ｄの厚さを、第２の引き出し配線１６０ｄの電位が第２の窒化物半導体層１０４の表面で電子トラップを発生させないように厚くする必要ある。発明者らの検討結果では、絶縁膜１４０ｄがＳｉＮ（比誘電率７．５）の場合は厚さが２μｍ以上必要であった。必要な絶縁膜の厚さは絶縁膜の比誘電率に比例すると考えられるため、例えば絶縁膜１４０ｄがＳｉＯ_２（比誘電率３．９）の場合は厚さが１μｍ以上、ポリイミド（比誘電率３．５）の場合は厚さが０．９μｍ以上必要である。このような場合、絶縁膜１４０ｄが十分な厚さを持っているため、２ＤＥＧ直上の高電圧の影響を無視できる。

図１Ｈに示すように、第２の引き出し配線１６０ｄのうち、第１の方向において等幅部１２６より突出せず、かつ、第１の主電極１１０より突出する領域１６６ａ及び１６６ｂの少なくとも一部は、第２の方向において第１の主電極１１０側に突出してもよい。言い換えると、第２の引き出し配線１６０ｄのうち、等幅部１２６のうち第１の先端１１１ｃより第１の方向において突出する部分の上方に位置する部分（領域１６６ａ）が等幅部１２６より第２の方向に突出していてもよい。また、第２の引き出し配線１６０ｄのうち、等幅部１２６のうち第１の反対側先端１１２ｃより第１の方向において突出する部分の上方に位置する部分（領域１６６ｂ）が等幅部１２６より第２の方向に突出していてもよい。この場合は、第２の引き出し配線１６０ｄがドレインフィールドプレートとして機能する。つまり、第２の主電極１２０と同電位である第２の引き出し配線１６０ｄが第２の方向において第１の主電極１１０側に突出することによって、第１の主電極１１０側から第２の主電極１２０側に向かう電気力線の一部が第２の引き出し配線１６０ｄに向かうため、第２の主電極１２０の第１の主電極１１０側の端部における電界集中を緩和させることができる。これにより、第２の主電極１２０端部の破壊を抑制することができる。

なお、図１Ｈに示すように、第２の引き出し配線１６０ｄのうち、第１の方向における位置が傾斜部１２３及び１２４と一致する領域１６７ａ及び１６７ｂが、第２の方向において等幅部１２６よりも第１の主電極１１０側に突出していてもよい。この場合は、第２の引き出し配線１６０ｄが突出した部分がドレインフィールドプレートとして機能するため、第２の主電極１２０の第１の主電極１１０側の端部における電界緩和効果を得ることができる。これにより、第２の主電極１２０の端部の破壊を抑制することができる。

また、図１Ｈに示すように、実施の形態１において、第２の引き出し配線１６０ｄのうち、活性領域１０７上に位置する部分において、第２の主電極１２０から遠ざかる向き（図１Ｈの上向き）に第２の先端１２１から延びる領域１６８ａが第２の方向において等幅部１２６よりも第１の主電極１１０側に突出するように形成されてもよい。また、図１Ｈ及び図１Ｉに示すように、第２の引き出し配線１６０ｄのうち、活性領域１０７上に位置する部分において、第２の主電極１２０から遠ざかる向き（図１Ｈの下向き）に第２の反対側先端１２２から延びる領域１６８ｂが形成されていてもよく、領域１６８ｂが第２の方向において、等幅部１２６よりも第１の主電極１１０側に突出するように形成されていてもよい。このような構造をとることにより、第２の引き出し配線１６０ｄが第２の主電極１２０より突出した各領域が、ドレインフィールドプレートとして機能するため、第２の主電極１２０の第１の主電極１１０側の端部における電界緩和効果を得ることができる。これにより、第２の主電極１２０の端部の破壊を防ぐことができる。

（実施の形態２）
以下に、実施の形態２に係る窒化物半導体装置について説明する。本実施の形態に係る窒化物半導体装置は、積層構造部１０５の表面にトラップされた電子を低減するための正孔注入部を備える点において、実施の形態１に係る窒化物半導体装置１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体装置について、実施の形態１に係る窒化物半導体装置１００との相違点を中心に図面を参照しながら説明する。

図２Ａは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置２００のレイアウトを示す平面図である。また、図２Ｂは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置２００の図２Ａ中の２Ｂ−２Ｂ断面を示す断面図である。図２Ｃは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置２００の図２Ａ中の２Ｃ−２Ｃ断面を示す断面図である。

本実施の形態に係る窒化物半導体装置２００は、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、窒化物半導体装置１００と同様に、基板１０１と、バッファ層１０２と、積層構造部１０５と、第１の主電極１１０と、第２の主電極１２０と、制御電極１３０と、絶縁膜１４０と、第１の引き出し配線１５０と、第２の引き出し配線１６２と、第１の集約配線１７０と、第２の集約配線１８０とを備える。窒化物半導体装置２００は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、さらに、活性領域１０７の上方であって、第２の主電極１２０の近傍に、積層構造部１０５に正孔を注入する正孔注入部２０１及び２１１を備える。

正孔注入部２０１及び２１１は、第１の主電極１１０と第２の主電極１２０との間の、第２の主電極１２０の近傍に配置されている。ここで、第２の主電極１２０の近傍とは、後述するように、第２の主電極１２０から正孔注入部２０１及び２１１の第２の主電極１２０に近い端縁までの距離が１μｍ以内であることを意味する。正孔注入部２０１及び２１１は、図２Ｂに示すように、それぞれ第２の窒化物半導体層１０４の上の所定の位置に形成されたｐ型の第３の窒化物半導体層２０２及び２１２と、その上に形成された正孔注入電極２０３及び２１３の両方で構成される。なお、正孔注入部２０１及び２１１は、それぞれ第２の窒化物半導体層１０４の上の所定の位置に形成されたｐ型の第３の窒化物半導体層２０２及び２１２のみで構成されてもよい。

第３の窒化物半導体層２０２及び２１２は、例えばＭｇがドープされたＧａＮ層である。Ｍｇの濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３程度であり、キャリア濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３程度である。第３の窒化物半導体層２０２及び２１２は、例えば、ＭＯＣＶＤによって成膜され、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いてパターニングされる。

正孔注入電極２０３及び２１３は、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ａｌ等を含む積層体からなり、それぞれ第３の窒化物半導体層２０２及び２１２とオーミック接触している。正孔注入電極２０３及び２１３は、絶縁膜１４０よりも下層に形成されている。絶縁膜１４０は形成された正孔注入電極２０３及び２１３上の、少なくとも一部に開口（図示せず）を有しており、この開口を介して各正孔注入電極２０３及び２１３の上面（図２Ｂの上側面）の少なくとも一部が第２の引き出し配線１６０と接続されている。正孔注入電極２０３及び２１３は、例えば、スパッタ法などによって成膜され、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いてパターニングされる。

第２の反対側先端１２２側にある正孔注入部２１１は、第２の引き出し配線１６２の第１の方向における端部よりも第２の主電極１２０側に位置するように形成されている。

以上のような構成を有する窒化物半導体装置２００において、第２の引き出し配線１６２、すなわち、第２の主電極１２０及び正孔注入部２０１及び２１１に高電圧が印加されると、正孔注入部２０１及び２１１から正孔が積層構造部１０５に注入され、積層構造部１０５の表面準位等にトラップされた電子が、正孔と再結合することで消滅する。このように、正孔注入部２０１及び２１１を形成することで、トラップされた電子を低減させることが可能となる。その結果、実施の形態１よりもさらに連続ハードスイッチング動作の寿命を向上させることが可能となる。

上述した正孔注入部２０１及び２１１と第２の引き出し配線１６２との位置関係について、図面を用いて説明する。

図２Ｄは、本実施の形態に係る正孔注入部２０１及び２１１と第２の引き出し配線１６２との適正な位置関係を調べるために用いた窒化物半導体装置２００ａの第１の方向に垂直な断面図を示す。図２ＤにおけるＸＹ間距離は、第２の引き出し配線１６２ａの第１の引き出し配線１５０側の端縁と正孔注入部２０１（第３の窒化物半導体層２０２）の第２の主電極１２０から遠い側の端縁との第２の方向における距離を表している。図２Ｅは、ＸＹ間距離と電流コラプス現象が起こる電圧との関係を示すグラフである。なお、図２Ｅにおいて、第３の窒化物半導体層２０２の第２の主電極１２０から遠い側の端縁が、第２の引き出し配線１６２ａの端縁より、第２の主電極１２０から遠い場合におけるＸＹ間距離は、負の値で示されている。

図２Ｅからわかるように、ＸＹ間距離が１μｍ以下である場合において９００Ｖ以上のコラプス電圧が得られている。それに対し、ＸＹ間距離が３μｍを超えると電流コラプス現象が起こる電圧が急激に低下する。この結果より、正孔注入部２０１及び２１１によって、トラップされた電子を低減するには、第２の引き出し配線１６２の端縁と正孔注入部２０１及び２１１の第２の主電極１２０から遠い側の端縁との距離を１μｍ以内とする必要があることが実証されている。この結果から、正孔は正孔注入部２０１及び２１１から水平方向（第１の方向及び第２の方向）に約１μｍ程度まで拡散していると推定できる。

この結果を本実施の形態に適用すると、正孔注入部２０１及び２１１は、それぞれ第２の主電極１２０に近い側の端縁が傾斜部１２３及び１２４から１μｍ以内となるように形成されていることが好ましい。

（実施の形態３）
以下に、実施の形態３に係る窒化物半導体装置について説明する。本実施の形態に係る窒化物半導体装置は、正孔注入部が第２の主電極１２０を囲む点において実施の形態２に係る窒化物半導体装置２００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体装置について、実施の形態に２に係る窒化物半導体装置２００との相違点を中心に図面を参照しながら説明する。

図３Ａは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置３００のレイアウトを示す平面図である。図３Ｂは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置３００の図３Ａ中の３Ｂ−３Ｂ断面を示す断面図である。図３Ｃは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置３００の図３Ａ中の３Ｃ−３Ｃ断面を示す断面図である。

本実施の形態に係る窒化物半導体装置３００は、実施の形態２に係る窒化物半導体装置２００と同様に、正孔注入部３０１を備える。

正孔注入部３０１は、第１の主電極１１０と第２の主電極１２０との間の、第２の主電極１２０近傍に配置されている。正孔注入部３０１は、第２の窒化物半導体層１０４の上の所定の位置に形成されたｐ型の第３の窒化物半導体層３０２と、その上に形成された正孔注入電極３０３との両方で構成される。なお、正孔注入部３０１は、第２の窒化物半導体層１０４の上の所定の位置に形成されたｐ型の第３の窒化物半導体層３０２のみで構成されてもよい。第３の窒化物半導体層３０２及び正孔注入電極３０３は、それぞれ実施の形態２における第３の窒化物半導体層２０２及び正孔注入電極２０３と同様の構成とする。

本実施の形態では、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、正孔注入部３０１は、第２の主電極１２０を囲む。より詳しくは、図３Ａに示すように、基板１０１の平面視において、正孔注入部３０１は、第２の主電極１２０の近傍において、第２の主電極１２０の全体を囲む。また、第２の引き出し配線１６３と、正孔注入部３０１との接続構成は、特に限定されないが、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように本実施の形態では、第２の引き出し配線１６３は、正孔注入部３０１と一箇所のみで接続される。以上のような構成を有する窒化物半導体装置３００においては、正孔注入部３０１と積層構造部１０５との接触面積が大きくなり、かつ、正孔注入を第２の主電極１２０全体に亘って行えるため、実施の形態２に係る窒化物半導体装置２００に比べ、トラップされた電子をより一層低減できる。

さらに、前述したように、コラプス電圧を低下させることなく、第２の引き出し配線１６３の第２の方向の幅を、正孔注入部３０１の第２の主電極１２０から遠い側の端縁より１μｍまで広げることができる。このため、第２の引き出し配線１６３の抵抗を低くすることができるという効果もある。

（実施の形態４）
以下に、実施の形態４に係る窒化物半導体装置について説明する。本実施の形態に係る窒化物半導体装置は、正孔注入部の構成において、実施の形態３に係る窒化物半導体装置３００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体装置について、実施の形態３に係る窒化物半導体装置３００との相違点を中心に図面を参照しながら説明する。

図４Ａは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置４００のレイアウトを示す平面図である。図４Ｂは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置４００の図４Ａ中の４Ｂ−４Ｂ断面を示す断面図である。図４Ｃは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置４００の図４Ａ中の４Ｃ−４Ｃ断面を示す断面図である。

本実施の形態に係る窒化物半導体装置４００は、実施の形態３に係る窒化物半導体装置３００と同様に第２の主電極１２０を囲む正孔注入部４０１を備える。

正孔注入部４０１は、第１の主電極１１０と第２の主電極１２０との間の、第２の主電極１２０近傍に配置されている。正孔注入部４０１は、第２の窒化物半導体層１０４の上の所定の位置に形成されたｐ型の第３の窒化物半導体層４０２とその上に形成された正孔注入電極４０３の両方で構成される。なお、正孔注入部４０１は、第２の窒化物半導体層１０４の上の所定の位置に形成されたｐ型の第３の窒化物半導体層４０２のみで構成されてもよい。第３の窒化物半導体層４０２及び正孔注入電極４０３は、それぞれ実施の形態３における第３の窒化物半導体層３０２及び正孔注入電極３０３と同様の構成とする。

本実施の形態では、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、正孔注入部４０１の直下に位置する第２の窒化物半導体層１０４の少なくとも一部には、凹状のリセス部１０４ａ及び１０４ｂが形成されており、リセス部１０４ａ及び１０４ｂに正孔注入部４０１の一部が配置されている。図４Ａに示すように、リセス部１０４ａ及び１０４ｂは、それぞれ傾斜部１２３及び１２４を囲むように形成されている。言い換えると、第３の窒化物半導体層４０２のうち、傾斜部１２３の第２の主電極１２０の中央側の端における第１の方向の位置より、第２の主電極１２０の等幅部１２６から遠ざかる側（図４Ａの上側）の部分は、第２の窒化物半導体層１０４に形成されたリセス部１０４ａ上に形成されている。リセス部１０４ａには、第３の窒化物半導体層４０２のリセス内配置部４０４が配置されている。同様に、第３の窒化物半導体層４０２のうち、傾斜部１２４の第２の主電極１２０の中央側の端における第１の方向の位置より、第２の主電極１２０の等幅部１２６から遠ざかる側（図４Ａの下側）の部分は、第２の窒化物半導体層１０４に形成されたリセス部１０４ｂ上に形成されている。リセス部１０４ｂには、第３の窒化物半導体層４０２のリセス内配置部４０５が配置されている。

この第２の窒化物半導体層１０４に形成されたリセス部１０４ａ及び１０４ｂの深さは、０より大きく、第２の窒化物半導体層１０４の厚さよりも小さく形成されている。リセス部１０４ａ及び１０４ｂ上の正孔注入部４０１における第３の窒化物半導体層４０２は、それぞれリセス内配置部４０４及び４０５を有する。リセス部１０４ａ及び１０４ｂ上の正孔注入部４０１は、それ以外の正孔注入部４０１に比べ、正孔注入効果が高く、実施の形態３に比べ、正孔注入をより強化できるため、トラップされた電子をより一層低減できる。

リセス構造有無による正孔注入効果の比較実験の結果を以下に示す。

図４Ｄは、比較実験において用いたリセス部を有する電極構造体の断面図である。図４Ｅは、比較実験において用いたリセス部を有さない電極構造体の断面図である。

図４Ｄに示す電極構造体は、積層構造部と、積層構造部のリセス部上に形成された正孔注入部と、その近傍に形成された低電位電極とを備える。図４Ｅに示す電極構造体は、積層構造部にリセス部が形成されていない点において、図４Ｄに示す電極構造体と相違し、その他の点において一致する。

図４Ｄ及び図４Ｅに示す各電極構造体の正孔注入部に電圧を印加し、一定電流が流れるときの印加電圧を比較した結果について図面を用いて説明する。図４Ｆは、リセス部の有無による正孔注入効果の比較実験の結果を示すグラフである。図４Ｆに示すように、図４Ｄに示す電極構造体の方が図４Ｅに示す電極構造体より小さい値となった。このように、正孔注入部直下にリセス部を形成した場合、より小さい印加電圧でより大きい電流を流すことができる。つまり、所定の印加電圧に対しリセス部が有る場合の方が、リセス部がない場合より多くの正孔を注入できることが分かる。

このようなリセス部の効果は、正孔注入部と第２の窒化物半導体層との接触面積が増えることに起因すると考えられる。つまり、当該接触面積における単位面積あたりの電流量（正孔注入量）が一定であれば、当該接触面積が増加するにしたがって、電流量も増加すると考えられる。

（実施の形態５）
以下に、実施の形態５に係る窒化物半導体装置について説明する。本実施の形態に係る窒化物半導体装置は、リセス部の構成において、実施の形態４に係る窒化物半導体装置４００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体装置について、実施の形態４に係る窒化物半導体装置４００との相違点を中心に図面を参照しながら説明する。

図５Ａは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置５００のレイアウトを示す平面図である。図５Ｂは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置５００の図５Ａ中の５Ｂ−５Ｂ断面を示す断面図である。図５Ｃは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置５００の図５Ａ中の５Ｃ−５Ｃ断面を示す断面図である。

本実施の形態に係る窒化物半導体装置５００は、実施の形態４に係る窒化物半導体装置４００と同様に第２の主電極１２０を囲む正孔注入部５０１を備える。

正孔注入部５０１は、第１の主電極１１０と第２の主電極１２０との間の、第２の主電極１２０近傍に配置されている。正孔注入部５０１は、第２の窒化物半導体層１０４の上の所定の位置に形成されたｐ型の第３の窒化物半導体層５０２と、その上に形成された正孔注入電極５０３の両方で構成される。なお、正孔注入部５０１は、第２の窒化物半導体層１０４の上の所定の位置に形成されたｐ型の第３の窒化物半導体層５０２のみで構成されてもよい。第３の窒化物半導体層５０２及び正孔注入電極５０３は、実施の形態２における第３の窒化物半導体層２０２、正孔注入電極２０３と同様の構成とする。

本実施の形態では、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、正孔注入部５０１の直下に位置する第２の窒化物半導体層１０４の少なくとも一部には、第２の窒化物半導体層１０４を貫通する貫通リセス部１０４ｃ及び１０４ｄが形成されており、貫通リセス部１０４ｃ及び１０４ｄに正孔注入部５０１の一部が配置されている。図５Ａに示すように、貫通リセス部１０４ｃ及び１０４ｄは、それぞれ傾斜部１２３及び１２４を囲むように形成されている。言い換えると、第３の窒化物半導体層５０２のうち、傾斜部１２３の第２の主電極１２０の中央側の端における第１の方向の位置より、第２の主電極１２０の等幅部１２６から遠ざかる側（図５Ａの上側）の部分は、第２の窒化物半導体層１０４に形成された貫通リセス部１０４ｃ上に形成されている。貫通リセス部１０４ｃには、第３の窒化物半導体層５０２のリセス内配置部５０４が配置されている。同様に、第３の窒化物半導体層５０２のうち、傾斜部１２４の第２の主電極１２０の中央側の端における第１の方向の位置より、第２の主電極１２０の等幅部１２６から遠ざかる側（図５Ａの下側）の部分は、第２の窒化物半導体層１０４に形成された貫通リセス部１０４ｄ上に形成されている。貫通リセス部１０４ｄには、第３の窒化物半導体層５０２のリセス内配置部５０５が配置されている。貫通リセス部１０４ｃ及び１０４ｄは、例えば、第２の窒化物半導体層１０４を完全にエッチング除去して形成される。このような貫通リセス部１０４ｃ及び１０４ｄに正孔注入部５０１を形成することで、本実施の形態では、実施の形態４に比べ、第２の窒化物半導体層１０４と第３の窒化物半導体層５０２との接触面積がより広くなり、正孔注入をより強化できるため、トラップされた電子をより一層低減できる。

また、貫通リセス領域においては無バイアス状態では２ＤＥＧが消えるため、電子流は流れなくなり、図８の点線で示すスイッチング時においても電子流は大幅に低減すると考えられる。従って、第２の主電極１２０の先端部近傍での破壊は、さらに発生しにくくなる。

（実施の形態６）
以下に、実施の形態６に係る窒化物半導体装置について説明する。本実施の形態に係る窒化物半導体装置は、制御電極を有さずダイオードとして動作させることができる点において、実施の形態１に係る窒化物半導体装置１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物半導体装置について図面を参照しながら説明する。

図６Ａは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置６００のレイアウトを示す平面図である。図６Ｂは、本実施の形態に係る窒化物半導体装置６００の図６Ａ中の６Ｂ−６Ｂ断面を示す断面図である。

図６Ａに示すように、本実施の形態に係る窒化物半導体装置６００は、主に制御電極１３０を備えない点において、実施の形態１に係る窒化物半導体装置１００と相違する。

基板１０１から第２の反対側先端１２２までは、実施の形態１と同様の構成であるため、説明を省略する。

本実施の形態では、実施の形態１における第１の主電極１１０を、例えばＴｉ、Ａｌ等を含む積層体で構成する代わりに、例えば第２の窒化物半導体とショットキー接合を成す金属であるＮｉ、ＴｉＮ、Ｗ等を含む積層体で構成している。

このような構成を有することにより、窒化物半導体装置６００は、第１の主電極１１０をアノード、第２の主電極１２０をカソードとするショットキーバリアダイオードとして動作し得る。

また、実施の形態６において、ｐｎ接合ダイオードとしての機能を実現するために、第１の主電極１１０の電極材料を変更する代わりに、第２の窒化物半導体層１０４と第１の主電極１１０との間にｐ型半導体層６０１を形成してもよい。このような実施の形態６の変形例に係る窒化物半導体装置６００ａの断面図を図６Ｃに示す。図６Ｃにおいては、窒化物半導体装置６００ａの図６Ａ中の６Ｂ−６Ｂ断面に相当する断面が示されている。

このような構成を有することにより、窒化物半導体装置６００ａは、第１の主電極１１０をアノード、第２の主電極１２０をカソードとするｐｎ接合ダイオードとして動作し得る。

ダイオードにおいては、オフ時にアノードからカソードに流れる電子流によって、カソード電極の先端近傍で電子がトラップされ、破壊を引き起こし得る。本実施の形態を用いることで、カソード電極の先端近傍での破壊が抑制され、長寿命のダイオードを実現できる。特に、ダイオードのアノードからカソードに流れる電子流の密度は、一般にＦＥＴにおいてソース電極からドレイン電極へ流れる電子流の密度より大きいため、本実施の形態に係る窒化物半導体装置６００においては、ＦＥＴの場合よりトラップ電子による破壊を抑制する効果がより顕著となる。

（変形例など）
以上、本開示に係る窒化物半導体装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。

例えば、実施の形態１の変形例に係る窒化物半導体装置１００ｄ、又は、実施の形態６に記載の窒化物半導体装置６００において、実施の形態２〜５に係る正孔注入部を適用してもよい。

実施の形態１〜５に係る各窒化物半導体装置においては、制御電極１３０にバイアス電圧を与えないときも導電するノーマリオン型トランジスタを想定しているが、制御電極１３０にバイアス電圧を与えないときには導電しないノーマリオフ型トランジスタとしてもよい。なお、ノーマリオン型トランジスタにおいては、ノーマリオフ型トランジスタの場合より、第１の主電極から第２の主電極への電子流の密度が高い。このため、各実施の形態に係る窒化物半導体装置をノーマリオン型トランジスタに適用する場合に、トラップ電子による破壊を抑制する効果がより顕著となる。

また、実施の形態３〜５に係る発明においては、正孔注入部は、第２の主電極１２０の全体を連続的に囲んでいるが、正孔注入部が一部途切れていてもよい。正孔が拡散する距離である１μｍ程度途切れていてもよい。また、第２の主電極１２０に対して第１の方向に位置する部分において、正孔注入部が形成されていなくてもよい。また、リセス部及び貫通リセス部が形成される位置も特に限定されない。例えば、第３の窒化物半導体層の、正孔注入部全体に対応する位置にリセス部及び貫通リセス部が形成されていてもよい。

また、各図では、第１の主電極の平面視における形状を長円状としているが、第１の主電極の形状は特に限定されず、例えば矩形であってもよい。また、各図においては、第２の主電極は、一方の端部に傾斜部１２４を備えるが、必ずしも傾斜部１２４を備えなくてもよい。例えば、第２の主電極は、傾斜部１２４に代えて、矩形の端部を備えてもよい。

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

本開示に係る窒化物半導体装置は、インバータ、パワーコンディショナーや電源回路等に用いられるトランジスタやダイオードとして有用である。

１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、２００、２００ａ、３００、４００、５００、６００、６００ａ 窒化物半導体装置
１０１ 基板
１０２ バッファ層
１０３ 第１の窒化物半導体層
１０４ 第２の窒化物半導体層
１０４ａ、１０４ｂ リセス部
１０４ｃ、１０４ｄ 貫通リセス部
１０５ 積層構造部
１０６ ２次元電子ガス
１０７ 活性領域
１０８ 素子分離領域
１１０、１１０ｂ、１１０ｃ 第１の主電極
１１１、１１１ｂ、１１１ｃ 第１の先端
１１２、１１２ｂ、１１２ｃ 第１の反対側先端
１２０ 第２の主電極
１２１ 第２の先端
１２２ 第２の反対側先端
１２３、１２４ 傾斜部
１２６ 等幅部
１３０、１３０ａ 制御電極
１４０、１４０ｄ 絶縁膜
１５０ 第１の引き出し配線
１６０、１６０ｄ、１６２、１６２ａ、１６３ 第２の引き出し配線
１６５、１６６ａ、１６６ｂ、１６７ａ、１６７ｂ、１６８ａ、１６８ｂ 領域
１７０ 第１の集約配線
１８０ 第２の集約配線
２０１、２１１、３０１、４０１、５０１、１００７ 正孔注入部
２０２、２１２、３０２、４０２、５０２ 第３の窒化物半導体層
２０３、２１３、３０３、４０３、５０３ 正孔注入電極
４０４、４０５、５０４、５０５ リセス内配置部
６０１ ｐ型半導体層
１００３ ＡｌＧａＮ層
１００４ ＧａＮ層
１００５ ドレイン電極
１００６ ドレイン電極配線
１０１０ ゲート電極
１０１１ ソース電極
１０１２ ソース電極配線
１０３０ 電極近傍領域
１０６０ 電子流
１０６１ 電子

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板の上方に配置される第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上方に積層され、かつ、前記第１の窒化物半導体層よりバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層とを備え、前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との界面に誘起される２次元電子ガスが存在する活性領域を有する積層構造部と、
   前記活性領域の上方に配置され、前記基板に対する平面視で第１の方向に延びる第１の主電極と、
   前記基板に対する平面視で前記第１の方向に垂直な第２の方向において前記第１の主電極から離間した前記活性領域の上方の位置に配置され、前記第１の方向に延びる第２の主電極と、
   前記第２の主電極の上方に配置され、前記第２の主電極に電気的に接続される引き出し配線であって、前記第２の主電極上から、前記第１の方向における一方側に延びる引き出し配線とを備え、
   前記第１の主電極は、前記第１の方向における両端部のうち、前記引き出し配線が延びる側の端部に第１の先端を有し、
   前記第２の主電極は、前記第１の方向における両端部のうち、前記引き出し配線が延びる側の端部に第２の先端を有し、かつ、前記第１の方向における前記第２の先端側に、前記第２の先端に近づくにしたがって前記第２の方向における幅が減少する傾斜部を有し、
   前記引き出し配線は、前記基板に対する平面視で前記傾斜部から第２の方向に突出し、かつ、下方が前記活性領域に含まれる領域を有し、
   前記傾斜部の前記第１の方向における前記第２の主電極の中央側の端は、前記第１の先端より、前記第１の方向において前記第２の先端側に配置される
   窒化物半導体装置。
2. 前記第２の主電極は、前記第１の方向における両端部の間に前記第２の方向における幅が等しい等幅部を有し、
   前記引き出し配線のうち、前記等幅部の上方に位置する部分は、前記第２の方向において、前記等幅部より前記第１の主電極側に突出しない
   請求項１に記載の窒化物半導体装置。
3. 前記第２の主電極は、前記第１の方向における両端部の間に前記第２の方向における幅が等しい等幅部を有し、
   前記引き出し配線のうち、前記第１の方向における位置が前記傾斜部と一致する部分は、前記第２の方向において、前記等幅部より前記第１の主電極側に突出しない
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置。
4. 前記第２の主電極は、前記第１の方向における両端部の間に前記第２の方向における幅が等しい等幅部を有し、
   前記引き出し配線のうち、前記第２の先端より前記第２の主電極から遠ざかる向きに延びる部分であって、前記活性領域を覆う部分は、前記第２の方向において前記等幅部より前記第１の主電極側に突出せず、
   前記引き出し配線は、前記第２の主電極の前記第１の先端と反対側の先端より、前記第１の方向に突出しない
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
5. 前記第２の主電極は、前記第１の方向における両端部の間に前記第２の方向における幅が等しい等幅部を有し、
   前記引き出し配線のうち、前記第１の方向において前記等幅部より突出せず、かつ、前記第１の主電極より突出する部分の少なくとも一部は、前記第２の方向において前記第１の主電極側に突出する
   請求項１に記載の窒化物半導体装置。
6. 前記第２の主電極は、前記第１の方向における両端部の間に前記第２の方向における幅が等しい等幅部を有し、
   前記引き出し配線のうち、前記第１の方向において、前記等幅部より突出し、かつ、前記第２の主電極より突出しない部分の少なくとも一部は、前記第２の方向において前記第１の主電極側に突出する
   請求項１又は５に記載の窒化物半導体装置。
7. 前記引き出し配線のうち、前記活性領域の上方であって、かつ、前記第１の方向において前記第２の主電極より突出する部分の少なくとも一部は、前記第２の方向において前記第１の主電極側に突出する
   請求項１、５、６のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
8. さらに、
   前記活性領域の上方であって、前記第２の主電極の近傍に前記積層構造部に正孔を注入する正孔注入部を備える
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
9. 前記正孔注入部は、前記基板の平面視において、前記第２の主電極を囲む
   請求項８に記載の窒化物半導体装置。
10. 前記正孔注入部の直下に位置する前記第２の窒化物半導体層の少なくとも一部には、凹状のリセス部が形成されており、
    前記リセス部に前記正孔注入部の一部が配置されている
    請求項８又は９に記載の窒化物半導体装置。
11. 前記正孔注入部の直下に位置する前記第２の窒化物半導体層の少なくとも一部には、前記第２の窒化物半導体層を貫通する貫通リセス部が形成されており、
    前記貫通リセス部に前記正孔注入部の一部が配置されている
    請求項８〜１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。

Images