JP2008166639A - 整流素子およびそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オン電圧が低くかつ逆方向リーク電流が小さな整流素子と、その整流素子を用いることによって低損失かつ高効率で動作することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】整流素子は、第１の窒化物半導体層３を備えている。第１の窒化物半導体層３上には第１の窒化物半導体層３よりも禁制帯幅が広い第２の窒化物半導体層４が形成されている。第２の窒化物半導体層４上には第１のアノード電極６が形成されている。さらに、第１のアノード電極６の下方の位置の第１窒化物半導体層３および第２窒化物半導体層４にフッ素導入領域９が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、整流素子およびそれを用いた電力変換装置に関し、特に、オン電圧が低くかつ耐圧の高い大電力用途に好適な窒化物半導体を用いた整流素子およびそれを用いた電力変換装置に関するものである。

窒化物半導体材料を用いた半導体素子は、その本質的な特性のため、高耐圧でかつ大電流で動作することが可能な電力用素子として注目されている。そのなかでもショットキー接合を利用した整流素子は低いオン電圧および高い耐圧の双方を実現できるため、電力変換装置用の素子として有望視されている。

図５は、窒化物半導体を用いた従来の整流素子の主要部分を説明するための断面図である。図５に示されるように、従来の整流素子は、基板１０１、バッファ層１０２、第１の窒化物半導体層１０３、第１の窒化物半導体層１０３よりも大きな禁制帯幅を有する第２の窒化物半導体層１０４、コンタクト層１０５、第１のアノード電極１０６、第２のアノード電極１０７、およびカソード電極１０８を備えている。

第１の窒化物半導体層１０３と第２の窒化物半導体層１０４とのヘテロ接合界面の第１の窒化物半導体層１０３側には、２次元電子ガスが存在し、チャネル層（図示せず）が形成されている。第１のアノード電極１０６と第２のアノード電極１０７とは、互いに電気的に接続されており、共同して複合アノード電極を形成している。第１のアノード電極１０６および第２のアノード電極１０７のそれぞれと第２の窒化物半導体層１０４とはショットキー接合を形成しており、第１のアノード電極１０６のショットキー障壁は、第２のアノード電極１０７のショットキー障壁よりも高い。一方、カソード電極１０８はコンタクト層１０５を媒介として第１の窒化物半導体層１０３内のチャネル層にオーム性接触している。

この構成において、複合アノード電極に順方向の電圧が印加されると、まず、電流はショットキー障壁が低い第２のアノード電極１０７を経由して流れる。その後、さらに順方向の電圧が増加されると、電流はショットキー障壁が高い第１のアノード電極１０６および第２のアノード電極１０７の双方を経由して流れる。このように、従来の整流素子によれば、第２のアノード電極１０７の存在のために、ショットキー障壁が高い第１のアノード電極１０６のみで構成される整流素子と比較して、順方向動作時の立ち上がり電圧が低くなるため、オン電圧を低くすることができる。

一方、電圧が逆方向に印加されると、ショットキー障壁が低い第２のアノード電極１０７の直下の第２の窒化物半導体層１０４において空乏層が広がる前に、ショットキー障壁が高い第１のアノード電極１０６の直下の第２窒化物半導体層１０４において空乏層が広がる。そのため、電流経路がピンチオフされて、電流が遮断される。

このように、従来の整流素子によれば、第１のアノード電極１０６の存在のために、ショットキー障壁が低い第２のアノード電極１０７のみで構成される整流素子と比較して、逆方向リーク電流を小さくすることができ、耐圧を高めることができる。

したがって、上記従来の整流素子によれば、オン電圧が低くかつ耐圧の高い整流素子が実現される。このような窒化物半導体を備えた整流素子に関する技術が、たとえば、以下に示される特許文献１および非特許文献１に開示されている。
特開２００５−３１７８４３号公報 Seikoh Yoshida et al.， 「A New GaN Based Field Effect Schottky Barrier Diode with a Very Low On-Voltage Operation」， Proceedings of 2004 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs， Kitakyushu， pp. 323-326. 池田成明 他，「薄層ＡｌＧａＮ構造を用いた電源用ＧａＮパワーデバイスの開発」，古河電工時報，第１１７号，平成１８年１月，pp.1-5.

しかしながら、従来の整流素子のオン電圧および耐圧は、次世代の整流素子に求められている整流素子の条件を満足させることができないおそれがある。つまり、今後においては、さらにオン電圧が低くかつさらに耐圧が高い整流素子が求められることが予想される。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、さらにオン電圧が低くかつさらに耐圧が高い整流素子およびそれを用いた電力変換装置を提供することである。

本発明の整流素子は、チャネル層を有する第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に設けられ、その禁制帯の幅が第１の窒化物半導体層の禁制帯の幅よりも大きいために第１の窒化物半導体層の障壁層として機能する層を有し、１または２以上の層からなる第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層上に設けられたアノード電極とを備えている。第１の窒化物半導体および第２の窒化物半導体層の少なくともいずれか一方は、アノード層の下方の位置にフッ素導入領域を含んでいる。

上記の構成によれば、フッ素導入領域の存在のために、オン電圧が低くなりかつ耐圧が高くなる。

また、アノード電極の少なくとも一部が、第２の窒化物半導体層にショットキー接合され、カソード電極がチャネル層とオーム性接触していてもよい。

また、アノード電極は、第１のアノード電極と、第１のアノード電極とは異なる材料からなりかつ第１のアノード電極に電気的に接続された第２のアノード電極とを含んでいてもよい。また、第１のアノード電極および第２のアノード電極は第２の窒化物半導体層にショットキー接合されていてもよい。この場合、第１のアノード電極と第２の窒化物半導体層におけるショットキー障壁の高さは、第２のアノード電極と第２の窒化物半導体層におけるショットキー障壁の高さよりも高いことが望ましい。

この構成によれば、ショットキー接合を形成する２種類のアノード電極を用いた場合に、オン電圧を低くしながら逆方向リーク電流をより小さくすることができる整流素子を得ることができる。

また、アノード電極は、第１のアノード電極と、第１のアノード電極とは異なる材料からなり第１のアノード電極に電気的に接続された第２のアノード電極とを含んでいてもよい。この場合、第１のアノード電極は第２の窒化物半導体層にショットキー接合され、第２のアノード電極はチャネル層にオーム性接触していてもよい。

この構成によれば、ショットキー接合およびオーム性接触を形成する２種類のアノード電極を用いることによって、逆方向リーク電流を小さくしながらオン電圧をさらに小さくすることができる整流素子を得ることができる。

また、アノード電極のうち第２の窒化物半導体層とショットキー接合を形成している部分の下方に位置する第２の窒化物半導体層の膜厚が５ｎｍ以上であることが望ましい。これによれば、整流素子に逆方向に電圧を印加した場合に生じるリーク電流を低減することができる。

本発明の電力変換装置は、前述のような整流素子を用いている。そのため、整流素子を順方向動作させた時の整流素子での電位降下を小さくすることができるので、低損失でかつ高効率で動作することが可能な電力変換装置が得られる。

本発明によれば、さらにオン電圧が低くかつさらに耐圧が高い整流素子およびそれを用いた電力変換装置が得られる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の整流素子および電力変換装置が詳細に説明される。なお、各図において同一または対応する機能を有する部分には同一の参照符号が付され、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、図１を用いて、本発明の実施の形態の整流素子が説明される。図１に示されるように、本実施の形態の整流素子は、基板１と基板１上に形成されたバッファ層２とを備えている。バッファ層２上には第１の窒化物半導体層３が形成されている。第１の窒化物半導体層３上には第１の窒化物半導体層３よりも禁制帯幅が広い第２の窒化物半導体層４が形成されている。第２の窒化物半導体層４上には第１のアノード電極６および保護膜１０が形成されている。

また、第１の窒化物半導体層３および第２の窒化物半導体層４の双方に接触するようにカソード電極８が形成されている。また、第１のアノード電極６の下方において、第１のアノード電極６の下面から第２の窒化物半導体層４を貫通し第１の窒化物半導体層３の所定の深さの位置まで延びるようにフッ素導入領域９が形成されている。なお、フッ素導入領域９が第１のアノード電極６に接触していることは本発明にとって必須の構成ではない。

本実施の形態において、基板１はＳｉからなり、バッファ層２はＡｌＮからなり、第１の窒化物半導体層３はアンドープＧａＮからなり、第２の窒化物半導体層４は膜厚が２５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮからなり、第１のアノード電極６およびカソード電極８のそれぞれはＴｉ／Ａｌからなり、保護膜１０はＳｉＮからなる。

第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４とのヘテロ接合界面の第１の窒化物半導体層３側には、２次元電子ガスが存在し、チャネル層（図示せず）が形成されている。第１のアノード電極６と第２の窒化物半導体層４とはショットキー接合を形成している。一方、カソード電極８は第２の窒化物半導体層４および第１の窒化物半導体層３の一部が除去された領域に設けられ、第１の窒化物半導体層３の側方において第１の窒化物半導体層３内に形成されたチャネル層にオーム性接触している。

第１のアノード電極６の下方の領域のうち、カソード電極８に近い側の一部の第１の窒化物半導体層３および第２の窒化物半導体層４にはフッ素が導入され、それにより、フッ素導入領域９が形成されている。フッ素は、電気陰性度が大きいため、負の電荷として作用する。そのため、フッ素導入領域９では、チャネル層内の２次元電子ガスの濃度がフッ素の導入されていない領域に比べて低い。

そのため、アノード電極６の下方の位置にフッ素導入領域９を有する部分におけるショットキー障壁は、アノード電極６の下方の位置にフッ素導入領域９を有しない部分におけるショットキー障壁よりも高くなる。その結果、一種類のアノード電極６内において、互いに異なる電流−電圧特性を示す２種類のショットキー接合が形成される。

前述の構成において、アノード電極６と第２の窒化物半導体層４とのショットキーバリアに順方向の電圧が印加される。それにより、電流は、アノード電極６の下方の位置にフッ素導入領域９が存在するためにショットキー障壁の高い部分よりも前に、アノード電極６の下方の位置にフッ素導入領域９が存在しなためにショットキー障壁の低い部分に流れる。したがって、整流素子のオン電圧が低くなる。

一方、アノード電極６と第２の窒化物半導体層４とのショットキーバリアに逆方向に電圧が印加される場合には、アノード電極６の下方の位置にフッ素導入領域が存在するためにショットキー障壁が高い部分の下方の位置における窒化物半導体層において空乏層がより大きく広がる。そのため、電流が遮断される。その結果、逆方向に生じるリーク電流が低減される。つまり、整流素子の耐圧が高められる。

このように、本実施の形態による整流素子によれば、１種類の材料からなるアノード電極は、順方向動作時にはショットキー障壁が低い整流素子として機能し、逆方向動作時にはショットキー障壁が高い整流素子として機能する。その結果、アノード電極が１種類の材料からなる場合において、整流素子のオン電圧を低くしながら逆方向リーク電流を小さくすることができる。

なお、本実施の形態においては、アノード電極６の下面から第１の窒化物半導体層３の上面から所定の深さの位置までフッ素導入領域９が設けられている例が示されているが、第１の窒化物半導体層３および第２の窒化物半導体層４の少なくともいずれか一方が、アノード層の下方の位置にフッ素導入領域９を含んでいればよい。

より具体的には、フッ素導入領域９は、第１の窒化物半導体層３および第２の窒化物半導体層４の少なくともいずれかに存在すれば、オン電圧を低くしながら逆方向リーク電流を小さくすることができるという効果を得ることができる。なお、フッ素導入領域９は、第１の窒化物半導体層３内および／または第２の窒化物半導体層４内のいずれかの位置に偏って存在しても、オン電圧を低くしながら逆方向リーク電流を小さくすることができるという効果を得ることができる。要するに、フッ素導入領域９は、アノード電極６の下方の位置であってかつ第１の窒化物半導体層３および第２の窒化物半導体層４内のいずれかの位置に存在するのであれば、いかなる態様で、かつ、いかなる位置に存在していてもよい。たとえば、フッ素導入領域９は、複数の領域に分かれて存在してもよく、また、層同士の界面を跨ぐように存在してもよく、さらに、層同士の界面に全く接触せずに存在してもよい。

なお、前述した従来の窒化物半導体による整流素子において、第２の窒化物半導体層１０４の膜厚を５ｎｍ程度まで薄くすることによって、逆方向リーク電流をさらに低減させる技術が、たとえば、Seikoh Yoshida et al.， 「A New GaN Based Field Effect Schottky Barrier Diode with a Very Low On-Voltage Operation」， Proceedings of 2004 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs， Kitakyushu， pp. 323-326.（非特許文献１）池田成明 他，「薄層ＡｌＧａＮ構造を用いた電源用ＧａＮパワーデバイスの開発」，古河電工時報，第１１７号，平成１８年１月，pp.1-5.（非特許文献２）に開示されている。

上記の従来の整流素子によれば、ショットキー接合を形成する２種類のアノード電極を用いる必要があるため、その製造コストが増大する等の問題がある。

また、上記従来の整流素子によれば、整流素子に逆方向に電圧を印加した場合に生じるリーク電流を低減するために、第２の窒化物半導体層１０４の膜厚を５ｎｍ程度に薄くする必要がある。そのため、膜厚が５ｎｍという薄い窒化物半導体層では、膜厚のわずかなばらつきによって整流素子の特性が大きく変動する。したがって、基板上の面内方向において均一な動作特性を有する整流素子を得ることが困難である。

さらに、上記従来の整流素子によれば、第２の窒化物半導体層１０４の膜厚が薄い場合には、整流素子の保護ために絶縁膜などの保護膜を形成する必要がある。そのため、保護膜の形成プロセスに起因したダメージ等の悪影響が第１の窒化物半導体層１０３まで及ぼされることがある。それにより、２次元電子ガスの濃度が低下して、チャネル層の抵抗が増加し、整流素子を順方向動作させた時の整流素子での電位降下が大きくなるという問題が生じる。

前述のような本実施の形態の整流素子は、膜厚を５ｎｍまで薄くしなくても、フッ素導入領域９が存在するために、上記のような従来の整流素子における問題点を生じさせることなく、オン電圧を低くかつ逆方向リーク電流を小さくすることができる。また、本実施の形態の整流素子によれば、１種類のアノード電極６を用いて、オン電圧を低くかつ逆方向リーク電流を小さくすることができるため、整流素子の製造工程が簡略化される。

（実施の形態２）
次に、図２を用いて、本発明の実施の形態２の整流素子が説明される。本実施の形態の整流素子は、実施の形態１の整流素子との比較において、コンタクト層５および第２のアノード電極７がさらに設けられている点において異なっている。本実施形態の整流素子のうちの前述の構成以外の構成は、実施の形態１の整流素子の構成とほぼ同様である。以下、本実施の形態の整流素子と実施の形態１の整流素子との相違点が説明される。

本実施の形態の整流素子においては、基板１はＳｉからなり、バッファ層２はＡｌＮからなり、第１の窒化物半導体層３はアンドープＧａＮからなり、第２の窒化物半導体層４は膜厚が３０ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮの多層膜からなり、コンタクト層５はイオン注入等によって高濃度にドーピングされたｎ⁺ＡｌＧａＮ／ｎ⁺ＧａＮ層からなり、第１のアノード電極６はＮｉ／Ａｕからなり、第２のアノード電極７およびカソード電極８のそれぞれはＴｉ／Ａｌからなり、保護膜１０はＳｉＮからなる。

第１のアノード電極６は第２のアノード電極７の上面を覆うように形成されている。それにより、第１のアノード電極６と第２のアノード電極７とは、互いに電気的に接続されており、共同して複合アノード電極を形成している。なお、第１のアノード電極６と第２のアノード電極７との間に他の物質が存在しても、第１のアノード電極６と第２のアノード電極７とが互いに電気的に接続されていれば、本実施の形態の整流素子によって得られる効果を得ることができる。第１のアノード電極６および第２のアノード電極７のそれぞれと第２の窒化物半導体層４とはショットキー接合を形成しており、そのショットキー障壁の高さにおいて、第１のアノード電極６のほうが第２のアノード電極７よりも高い。一方、カソード電極８は、コンタクト層５を媒介として、第１の窒化物半導体層３内に形成されたチャネル層にオーム性接触している。

第１のアノード電極６の下方における第１の窒化物半導体層３および第２の窒化物半導体層４には、フッ素導入領域９が形成されている。フッ素導入領域９は、第１のアノード電極６の下方において、第１のアノード電極６の下面から第２の窒化物半導体層４を貫通し、第２の窒化物半導体層４の所定の深さの位置までの延びるように形成されている。

これにより、第１のアノード電極６における２次元電子ガスの濃度が低下する。そのため、窒化物半導体層にフッ素が導入されていない従来の整流素子と比較して、ショットキー接合の障壁が高く、かつ、空乏層が広がった構造が形成される。その結果、本実施の形態による整流素子によれば、第２の窒化物半導体層４に３０ｎｍという厚い層が用いられても、オン電圧を低く維持しながら、逆方向におけるリーク電流を小さくすることができる。

このように、本実施の形態による整流素子によれば、互いに異なるショットキー接合を形成する２種類のアノード電極が用いられる場合においても、オン電圧を低くしながら、逆方向におけるリーク電流をより小さくすることができる。

（実施の形態３）
次に、図３を用いて、本発明の実施の形態３の整流素子が説明される。本実施の形態の整流素子は、第２のアノード電極７およびカソード電極８の形状において実施の形態１の整流素子と異なっている。本実施形態の整流素子のうちの前述の構成以外の構成は、実施の形態１の整流素子の構成とほぼ同様である。以下、本実施の形態の整流素子と実施の形態１の整流素子との相違点が説明される。

本実施の形態において、基板１はＳｉからなり、バッファ層２はＡｌＮからなり、第１の窒化物半導体層３はアンドープＧａＮからなり、第２の窒化物半導体層４は膜厚が１５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮからなり、第１のアノード電極６はＮｉ／Ａｕからなり、第２のアノード電極７およびカソード電極８のそれぞれはＴｉ／Ａｌからなり、保護膜１０はＳｉＮからなる。

第１のアノード電極６は第２のアノード電極７の上を覆うように形成されている。第１のアノード電極６と第２のアノード電極７とは、互いに電気的に接続されており、共同して複合アノード電極を形成している。第１のアノード電極６と第２の窒化物半導体層４とはショットキー接合を形成している。一方、第２のアノード電極７およびカソード電極８のそれぞれは、第２の窒化物半導体層４を媒介として、トンネル電流を生じさせるように、第１の窒化物半導体層３内のチャネル層にオーム性接触している。

また、本実施の形態の整流素子と本実施の形態２の整流素子との相違点は、第２のアノード電極７が窒化物半導体層４にショットキー接合されているか、または、チャネル層にオーム性接触しているかということである。

本実施の形態の整流素子においては、第２のアノード電極７がチャネル層にオーム性接触しているが、アノード電極の電圧が０Ｖである場合には、第１のアノード電極６の下方のフッ素導入領域９によって第１のアノード電極６の下方のチャネル層が空乏化する。それにより、電流経路がピンチオフされて、電流が遮断される。アノード電極に順方向の電圧が印加されると、第１のアノード電極６の下方におけるチャネル層に２次元電子ガスが発生し、電流が流れる。このため、本実施の形態の整流素子によれば、前述の実施の形態２の整流素子との比較において、順方向動作時の立ち上がり電圧を０Ｖに近づけることができるとともに、整流素子のオン電圧を低くすることができる。

このように、本実施の形態の整流素子によれば、ショットキー接合およびオーム性接触を形成する２種類のアノード電極を用いることによって、逆方向リーク電流を低減しながらオン電圧をさらに小さくすることができる。

（実施の形態４）
図４を用いて、本発明の実施の形態４の電力変換装置が説明される。本実施の形態においては、力率改善用の回路の主要部の構成が説明される。図４に示されるように、交流電源２１、整流素子であるダイオード２２〜２６、インダクタ２７、電界効果トランジスタ２８、キャパシタ２９、および負荷抵抗器３０であり、整流素子２２、２３、２４、２５、および２６として、実施の形態１〜３のいずれかにおいて説明された整流素子が用いられている。

電力変換装置である力率改善用の回路に用いられるダイオードに上記実施の形態１〜３のいずれかの整流素子が適用されると、ダイオードが順方向に動作する際にダイオードの両端で発生する電位降下を低減することができる。そのため、回路内部における損失が低減される。したがって、電力変換装置の効率が改善される。

このように、本実施の形態の電力変換装置によれば、その構成部品であるダイオードに本発明の整流素子が適用されるため、ダイオードが順方向動作する際にダイオードの両端で発生する電位降下を低減することができる。したがって、低損失でかつ高効率で動作することができる電力変換装置が得られる。

以上、本発明の整流素子および電力変換装置が、前述の実施の形態の整流素子および電力変換装置に基づいて具体的に説明されたが、本発明の整流素子および電力変換装置は、前述の実施の形態の整流素子および電力変換装置に限定されるものではなく、本発明の範囲内において以下のような変更が許容される。

たとえば、本実施の形態の整流素子においては、基板の組成としてＳｉが用いられているが、ＳｉＣ、サファイア、ＧａＮ、またはＧａＡｓ等の組成からなる基板が用いられてもよい。

また、上記実施の形態の整流素子においては、バッファ層の組成としてＧａＮが用いられているが、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＮ／ＧａＮ等の他の材料からなるバッファ層が用いられてもよい。

また、上記の実施の形態の整流素子においては、第１の窒化物半導体層３として１層のアンドープＧａＮが用いられているが、ｎ−ＧａＮまたはｐ−ＧａＮなどがドーピングされた窒化物半導体層が用いられてもよい。また、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮ／ＧａＮ等のＧａＮ以外の１層または複層のアンドープまたはドーピングされた層からなる他の窒化物半導体層が用いられてもよい。

また、上記実施の形態の整流素子においては、アノード電極の下方の第２の窒化物半導体層４の膜厚は、１５ｎｍ〜３０ｎｍであるが、５ｎｍ以上であればいかなる値であってもよい。

また、第２の窒化物半導体層の構成として、アンドープＡｌＧａＮからなる単層膜またはアンドープＡｌＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮからなる多層膜が用いられているが、ドーピングされたＡｌＧａＮ、Ａｌの組成またはドーピング濃度が異なる複数のＡｌＧａＮ層を含んでいる複層ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ／ＡｌＧａＮもしくはＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ等のＡｌＧａＮ層以外の窒化物半導体層を含んでいる多層窒化物半導体層、または、１層または複層のアンドープもしくはドーピングされた窒化物半導体層が用いられてもよい。

また、上記実施の形態１においては、アノード電極およびカソード電極の組成としてＴｉ／Ａｌが用いられているが、アノード電極とカソード電極とが同一組成の材料によって構成される必要はない。したがって、アノード電極およびカソード電極の組成として、Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｗ、ＷＮ_ｘ、またはＷＳｉ_ｘ等の他の材料が用いられてもよい。

また、上記の実施の形態２および３においては、アノード電極の組成としてＮｉ／Ａｕが用いられているが、Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｗ、ＷＮ_ｘ、またはＷＳｉ_ｘ等の他の材料が用いられてもよい。

また、上記の実施の形態２および３においては、第１のアノード電極６と第２のアノード電極７とは、第１のアノード電極６が第２のアノード電極７の上面を覆うことによって互いに電気的に接続されている。しかしながら、第２のアノード電極７が第１のアノード電極６の上面を覆うことによって、第１のアノード電極６と第２のアノード電極７とが互いに電気的に接続されてもよい。第１のアノード電極６と第２のアノード電極７とは、第２の窒化物半導体層４上において直接に接触されず、それらの上に形成される配線電極等の他の導電層を媒介として互いに電気的に接続されてもよい。つまり、第１のアノード電極６と第２のアノード電極７とが電気的に接続される形態はいかなるものであってもよい。

また、上記の各実施の形態においては、カソード電極とチャネル層との間のオーム性接触を形成するために、第１の窒化物半導体層３の側面にオーム性接触を形成する構成、第２の窒化物半導体層４および第１の窒化物半導体層３にイオン注入等によって高濃度にドーピングされたコンタクト層を形成しかつコンタクト層上にカソード電極を形成することによってオーム性接触を形成する構成、および、第２の窒化物半導体層４を媒介としてトンネル電流を利用してオーム性接触を形成する構成が用いられている。

しかしながら、第２の窒化物半導体層４および第１の窒化物半導体層３の一部を除去し、その除去によって形成された露出面上に高濃度にドーピングされたＧａＮまたはＩｎＧａＮ等が、再成長等によってコンタクト層として形成され、コンタクト層上にカソード電極が形成されてもよい。これによっても、オーム性接触が実現される。

また、第２の窒化物半導体層４の一部が除去され、その除去によって形成された露出面上にカソード電極が形成され、第２の窒化物半導体層４を媒介としてトンネル電流を利用してオーム性接触が形成されてもよい。また、第２の窒化物半導体層４および第１の窒化物半導体層３が除去されることなく、第２の窒化物半導体層上にカソード電極が形成され、熱処理によって、カソード電極と第２の窒化物半導体層とが合金化されてもよい。これによっても、オーム性接触が実現される。つまり、オーム性接触が実現されるのであれば、カソード電極と第２の窒化物半導体層との接続方法はいかなるものであってもよい。

また、上記実施の形態では、カソード電極とチャネル層とはオーム性接触を形成するが、カソード電極とチャネル層とは障壁の高さが低いショットキー接合を形成してもよい。しかしながら、整流素子を順方向動作させた時の整流素子での電位降下が小さいことが望ましいため、カソード電極とチャネル層とはオーム性接触を実現することが望ましい。

また、上記実施の形態におていは、保護膜としてＳｉＮを用いたが、その代わりに、ＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＴｉＯ₂、ＴａＯ_ｘ、ＭｇＯ、Ｇａ₂Ｏ₃、または、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂重ね膜等の他の保護膜が用いられてもよい。

また、本実施の形態においては、本発明の整流素子は、力率改善用の回路に適用されているが、インバータまたはコンバータ等の他の電力変換装置に適用されてもよい。

また、実施の形態１のみならず、他の実施の形態においても、また、フッ素導入領域９は、第１の窒化物半導体層３および第２の窒化物半導体層４の少なくともいずれかに存在すれば、オン電圧を低くしながら逆方向リーク電流を小さくすることができるという効果を得ることができる。つまり、フッ素導入領域９は、アノード電極６の下方の位置であってかつ第１の窒化物半導体層３および第２の窒化物半導体層４内のいずれかの位置に存在するのであれば、いかなる態様で、かつ、いかなる位置に存在していてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の整流素子を示す図である。 実施の形態２の整流素子を示す図である。 実施の形態３の整流素子を示す図である。 実施の形態４の電力変換装置の主要部の構成を示す回路図である。 従来の整流素子を示す図である。

符号の説明

１，１０１ 基板、２，１０２ バッファ層、３，１０３ 第１の窒化物半導体層、４，１０４ 第２の窒化物半導体層、５，１０５ コンタクト層、６，１０６ 第１のアノード電極、７，１０７ 第２のアノード電極、８，１０８ カソード電極、９ フッ素導入領域、１０ 保護膜、２１ 交流電源、２２，２３，２４，２５，２６ 整流素子、２７ インダクタ、２８ 電界効果トランジスタ、２９ キャパシタ、３０ 負荷抵抗器。

Claims (6)

1. チャネル層を有する第１の窒化物半導体層と、
   前記第１の窒化物半導体層上に設けられ、その禁制帯の幅が前記第１の窒化物半導体層の禁制帯の幅よりも大きいために前記第１の窒化物半導体層の障壁層として機能する層を有し、１または２以上の層からなる第２の窒化物半導体層と、
   前記第２の窒化物半導体層上に設けられたアノード電極とを備え、
   前記第１の窒化物半導体および前記第２の窒化物半導体層の少なくともいずれか一方は、前記アノード層の下方の位置にフッ素導入領域を含んでいる、整流素子。
2. 前記アノード電極の少なくとも一部が、前記第２の窒化物半導体層にショットキー接合され、
   当該整流素子は、前記チャネル層とオーム性接触しているカソード電極をさらに備えた、請求項１に記載の整流素子。
3. 前記アノード電極は、第１のアノード電極と、該第１のアノード電極とは異なる材料からなりかつ前記第１のアノード電極に電気的に接続された第２のアノード電極とを含み、
   前記第１のアノード電極および前記第２のアノード電極は前記第２の窒化物半導体層にショットキー接合され、
   前記第１のアノード電極と前記第２の窒化物半導体層におけるショットキー障壁の高さは、前記第２のアノード電極と前記第２の窒化物半導体層におけるショットキー障壁の高さよりも高い、請求項１または２に記載の整流素子。
4. 前記アノード電極は、第１のアノード電極と、該第１のアノード電極とは異なる材料からなり前記第１のアノード電極に電気的に接続された第２のアノード電極とを含み、
   前記第１のアノード電極は前記第２の窒化物半導体層にショットキー接合され、
   前記第２のアノード電極は前記チャネル層にオーム性接触している、請求項１または２に記載の整流素子。
5. 前記アノード電極のうち前記第２の窒化物半導体層とショットキー接合を形成している部分の直下に位置する前記第２の窒化物半導体層の膜厚が５ｎｍ以上である、請求項１〜４のいずれかに記載の整流素子。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の整流素子を用いて形成された、電力変換装置。

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