(57)【要約】【課題】シングルゲート型の双方向スイッチ素子において、閾値電圧を低く抑え、低オン抵抗を実現すると共に、形状の制約を緩和する。【解決手段】交流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、少なくともその一部分が基板２の表面２ｄ上に形成され、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓと、少なくともその一部分が中間電位部Ｓに接続され、中間電位部Ｓに対して制御を行うための制御電極Ｇを備えた横型のトランジスタ構造を有し、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇが、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第１電極及び第２電極と、
少なくともその一部分が前記基板表面上に形成され、前記第１電極の電位及び前記第２電極の電位に対して中間電位となる中間電位部と、
少なくともその一部分が前記中間電位部上に接続され、前記中間電位部に対して制御を行うための制御電極を備えた横型のトランジスタ構造を有し、
前記中間電位部及び前記制御電極が、前記第１電極及び前記第２電極に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されていることを特徴とする双方向スイッチ素子。
【請求項２】
前記第１電極及び前記第２電極は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列され、
前記中間電位部及び前記制御電極は、前記第１電極及び前記第２電極の配列に対して平行に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の双方向スイッチ素子。
【請求項３】
前記第１電極及び前記第２電極は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された前記電極部同士が互いに対向するように配置され、
前記中間電位部及び前記制御電極は、櫛歯状に配列された前記電極部の間にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項２に記載の双方向スイッチ素子。
【請求項４】
前記中間電位部及び前記制御電極は、基板の表面上に積層されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の双方向スイッチ素子。
【請求項５】
前記中間電位部は、基板をその表面に対して垂直な方向に貫通し、基板の裏面まで接続され、前記基板の裏面全体を中間電位部と同電位にしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の双方向スイッチ素子。
【請求項６】
前記制御電極は、前記中間電位部のうち前記基板の表面上に形成された部分を覆うように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の双方向スイッチ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源に接続される照明装置などの負荷を制御するための双方向スイッチ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電源に接続される負荷の制御用に用いられる双方向スイッチ素子としては、トライアック（双方向サイリスタ）、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの素子を逆方向に２つ直列接続したものなどが知られている。これらの双方向スイッチ素子は、一般的に電流が素子の表面と裏面の間に流れる縦型素子であるが、特許文献１に示すような横型素子であるＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor)も提案されている。さらに、近年、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型素子として、例えば非特許文献１に示すように、交流の高電位側が接続される２つの電極に対して、中間に設けられたゲート部を制御することにより交流の電流を制御する双方向スイッチ素子が提案されている。図５（ａ）に示すように、２つの電極Ｄ１及びＤ２間にゲートＧが１つだけ設けられているものはシングルゲート型、図５（ｂ）に示すように、２つの電極Ｄ１及びＤ２間に２つのゲートＧ１及びＧ２が設けられているものはデュアルゲート型と称されている。
【０００３】
シングルゲート型双方向スイッチ素子では、素子の最低電位部を基準にして１つのゲートを制御するため比較的制御方法は簡単であるが、双方向に対してそれぞれ耐電圧を維持するためにゲート部と電極の間に一定の距離を必要とするため、デュアルゲート型双方向スイッチ素子に比べて比抵抗が高くなるといった特徴を有している。一方、デュアルゲート型双方向スイッチ素子では、２つのゲートを制御する必要があり、且つ、その制御信号の基準が異なるため、制御性が悪いという欠点を有しているが、一方向に対してだけ耐電圧を維持するために一定の距離を確保すればよく、シングルゲート型双方向スイッチ素子に比べて比抵抗が低くなり、同じ抵抗値を実現するに当たってチップサイズを小さくすることができるという利点を有する。
【０００４】
ところで、シングルゲート型双方向スイッチ素子では、大電流素子を構成するためにゲートの長さを長くしようとすると、上記のように耐電圧を維持するために、ゲート部を２つの電極に対して一定の距離を保つように配置しなければならず、細長い素子になるといった制約が生じ、パッケージの選択など実用上の問題が発生する。また、図６に示すように、ゲート駆動用の制御回路の電源を交流ラインから直接とるように構成したとすると、電源回路の整流部（ダイオードブリッジ）で発生する電圧降下により、制御電圧の最低電圧は交流ラインの最低電圧よりも、例えばダイオード１個分の電圧降下分だけ、若干高くなってしまう。このことは、双方向スイッチ素子をオフする際、常にゲート部にダイオード１個分の電圧降下分だけの電圧が印加されることになる。この状態で、双方向スイッチ素子を確実にオフしようとすると、双方向スイッチ素子の閾値電圧をダイオードの電圧降下分よりも十分に高くする必要がある。閾値電圧を高くすると、双方向スイッチ素子の通電時におけるオン抵抗が増加するため、損失が増加するという問題が生じる。
【０００５】
なお、このような新たな双方向スイッチ素子が必要とされる背景としては、照明装置などの負荷制御装置の小型化の要求が挙げられる。一般的に、このような負荷制御装置は、壁面に設けられた金属製のボックスなどに収納されて使用されるが、トライアックなどの双方向スイッチ素子は、十分な出力を得るためにヒートシンクなどの放熱対策が必要であり、負荷制御装置の小型化には限界がある。そのため、現在一般的に使用されているボックスの大きさでは、負荷制御装置と他のセンサやスイッチなどとの併用ができない。従って、一般的な大きさのボックスにおいて、負荷制御装置と他のセンサやスイッチなどの併設を可能にするために、双方向スイッチ素子の小型化、閾値電圧の低減及び低オン抵抗の実現が求められている。
【特許文献１】特開平８−５１２０２号公報
【非特許文献１】町田修、外５名、「ＧａＮ双方向スイッチ」、平成２０年電気学会全国大会講演論文集、２００８年３月１９日〜２１日、第４分冊、ｐ２６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、閾値電圧を低く抑え、低オン抵抗の実現を可能にすると共に、形状の制約を緩和した横型のトランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、双方向スイッチ素子であって、交流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第１電極及び第２電極と、少なくともその一部分が前記基板表面上に形成され、前記第１電極の電位及び前記第２電極の電位に対して中間電位となる中間電位部と、少なくともその一部分が前記中間電位部上に接続され、前記中間電位部に対して制御を行うための制御電極を備えた横型のトランジスタ構造を有し、前記中間電位部及び前記制御電極が、前記第１電極及び前記第２電極に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の双方向スイッチ素子において、前記第１電極及び前記第２電極は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列され、前記中間電位部及び前記制御電極は、前記第１電極及び前記第２電極の配列に対して平行に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２に記載の双方向スイッチ素子において、前記第１電極及び前記第２電極は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された前記電極部同士が互いに対向するように配置され、前記中間電位部及び前記制御電極は、櫛歯状に配列された前記電極部の間にそれぞれ配置されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の双方向スイッチ素子において、前記中間電位部及び前記制御電極は、基板の表面上に積層されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の双方向スイッチ素子において、前記中間電位部は、基板をその表面に対して垂直な方向に貫通し、基板の裏面まで接続され、前記基板の裏面全体を中間電位部と同電位にしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項５に記載の双方向スイッチ素子において、前記制御電極は、前記中間電位部のうち前記基板の表面上に形成された部分を覆うように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、第１電極の電位及び第２電極の電位に対して中間電位となる中間電位部の少なくとも一部分及びこの中間電位部に接続された制御電極が、第１電極及び第２電極に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されているので、例えば第１電極が高電位側、第２電極が低電位側である場合に、双方向スイッチ素子がオフの時、すなわち制御電極に０Ｖの信号が印加されたときには、少なくとも第１電極と、制御電極及び中間電位部の間で、電流は確実に遮断される。一方、双方向スイッチ素子がオンの時、すなわち制御電極に所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときには、第１電極、中間電位部、第２電極の経路で電流が流れる。このように、第１電極及び第２電極に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に中間電位部を形成することにより、制御電極に印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、双方向スイッチ素子を確実にオン／オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。また、第１電極、第２電極、中間電位部及び制御電極の位置及び形状は特に限定されないので、双方向スイッチ素子のチップ形状やサイズは限定されず、形状の制約が緩和される。その結果、双方向スイッチ素子自体や、それを用いた負荷制御装置などの小型化を実現することができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、第１電極及び第２電極が、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列され、中間電位部及び制御電極が、第１電極及び第２電極の配列に対して平行に設けられているので、第１電極及び第２電極の幅方向における双方向スイッチ素子の寸法を小さくすることができる。換言すれば、第１電極及び第２電極の幅方向に複数組の第１電極、第２電極及び中間電位部及び制御電極を配列することができる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、第１電極及び第２電極が、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置され、中間電位部及び制御電極が、櫛歯状に配列された電極部の間にそれぞれ配置されているので、双方向スイッチ素子のチップサイズを大きくすることなく、大電流を取り出すことができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、中間電位部及び制御電極が基板の表面上に積層されているので、一般的な半導体素子の製造プロセスを用いて、上記双方向スイッチ素子を製造することができる。
【００１７】
請求項５の発明によれば、中間電位部が、基板をその表面に対して垂直な方向に貫通し、基板の裏面まで接続され、基板の裏面全体を中間電位部と同電位にしているので、基板の裏面が中間電位部として機能し、中間電位部の面積が増加するため、電流経路における抵抗値を低減することができる。また、基板の裏面を電極として使用することができ、放熱性が向上する。
【００１８】
請求項６の発明によれば、制御電極が、中間電位部のうち基板の表面上に形成された部分を覆うように形成されているので、制御電極を形成する際のマスキングが容易になり、生産性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の第１実施形態に係る双方向スイッチ素子１Ａについて、図１〜３を参照しつつ説明する。図１は、第１実施形態に係る双方向スイッチ素子１Ａの構成を示す平面図である。また、図２は図１における範囲Ａの拡大図、図３はＢ−Ｂ断面図である。
【００２０】
図３に示すように、双方向スイッチ素子１の基板２は、導体層２ａと、導体層２ａの上に積層されたＧａＮ層２ｂ及びＡｌＧａＮ層２ｃで構成されている。この実施形態では、チャネル層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層を利用している。図１に示すように、基板２の表面２ｄには、交流電源３及び負荷４に対してそれぞれ直列に接続された第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓが形成されている。さらに、中間電位部Ｓの上には、制御電極（ゲート）Ｇが積層形成されている。制御電極Ｇとして、例えばショットキ電極を用いる。第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部１１，１２，１３・・・及び２１，２２，２３・・・を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置されている。中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、櫛歯状に配列された電極部１１，１２，１３・・・及び２１，２２，２３・・・の間にそれぞれ配置されており、電極部の間に形成される空間の平面形状に相似した形状（略魚背骨状）を有している。
【００２１】
次に、双方向スイッチ素子１を構成する横型のトランジスタ構造について説明する。図２に示すように、第１電極Ｄ１の電極部１１と第２電極Ｄ２の電極部１２は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列され、中間電位部Ｓの対応部分３１及び制御電極Ｇの対応部分４１は、それぞれ第１電極Ｄ１の電極部１１及び第２電極Ｄ２の電極部２１の配列に対して平行に設けられている。上記幅方向における第１電極Ｄ１の電極部１１と第２電極Ｄ２の電極部１２と中間電位部Ｓの対応部分３１及び制御電極Ｇの対応部分４１の距離は、所定の耐電圧を維持しうる距離に設定されている。上記幅方向に直交する方向、すなわち第１電極Ｄ１の電極部１１と第２電極Ｄ２の電極部１２の長手方向においても同様である。また、これらの関係は、その他の電極部１２及び２２，１３及び２３・・・についても同様である。すなわち、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。
【００２２】
このように、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓ及びこの中間電位部Ｓに接続され、中間電位部Ｓに対して制御を行うための制御電極Ｇが、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されているので、例えば第１電極Ｄ１が高電位側、第２電極Ｄ２が低電位側である場合に、双方向スイッチ素子１がオフの時、すなわち制御電極Ｇに０Ｖの信号が印加されたときには、少なくとも第１電極Ｄ１と、制御電極Ｇ及び中間電位部Ｓの間で、電流は確実に遮断される（制御電極（ゲート）Ｇの直下で電流が阻止される）。一方、双方向スイッチ素子１がオンの時、すなわち制御電極Ｇに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときには、図２中矢印で示すように、第１電極Ｄ１（電極部１１，１２，１３・・・）、中間電位部Ｓ、第２電極Ｄ２（電極部２１，２２，２３・・・）の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。
【００２３】
このように、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に中間電位部Ｓを形成することにより、制御電極Ｇに印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、双方向スイッチ素子１を確実にオン／オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。また、第１電極Ｄ１の電極部１１，１２，１３・・・及び第２電極Ｄ２の電極部２１，２２，２３・・・が、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列され、且つ、中間電位部Ｓの対応部分３１及び制御電極Ｇの対応部分４１が、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２の電極部の配列に対して平行に設けられているので、上記幅方向における双方向スイッチ素子１の寸法を小さくすることができる。換言すれば、上記幅方向に第１電極Ｄ１の電極部１１，１２，１３・・・及び第２電極Ｄ２の電極部２１，２２，２３・・・を櫛歯状に配列することができ、双方向スイッチ素子１のチップサイズを大きくすることなく、大電流を取り出すことができる。さらに、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇが基板２の表面２ｄ上に積層されているので、一般的な半導体素子の製造プロセスを用いて、上記双方向スイッチ素子１を製造することができる。
【００２４】
次に、本発明の第２実施形態に係る双方向スイッチ素子１Ａについて、図４を参照しつつ説明する。なお、上記第１実施形態に係る双方向スイッチ素子１と共通する部分については、同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００２５】
図４に示すように、基板２の内部で、且つ中間電位部Ｓに対応する位置において、ＡｌＧａＮ層２ｃ及びＧａＮ層２ｂを貫通するビアホール２ｆが形成され、且つ、基板２の裏面２ｅのほぼ全面には、電極層２ｇが形成されている。すなわち、実質的に、中間電位部Ｓが基板２をその表面２ｄに対して垂直な方向にＡｌＧａＮ層２ｃ及びＧａＮ層２ｂを貫通し、導体層２ａを介して基板２の裏面２ｅまで接続されている。それにより、基板２の裏面２ｅの電極層２ｇの全体が中間電位部Ｓと同電位になり、基板２の裏面２ｅ（電極層２ｇ）が中間電位部Ｓとして機能し、中間電位部Ｓの面積が増加するため、電流経路における抵抗値を低減することができる。また、基板２の裏面２ｅを電極として使用することができ、放熱性が向上する。さらに、実質的に中間電位部Ｓの面積が増加するため、中間電位部Ｓのうち基板２の表面２ｄ上に形成される部分の面積を小さくすることができ、制御電極Ｇを、中間電位部Ｓのうち基板２の表面２ｄ上に形成された部分を覆うように形成することができる。そのため、制御電極Ｇを形成する際のマスキングが容易になり、生産性が向上する。
【００２６】
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、交流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、少なくともその一部分が基板２の表面２ｄ上に形成され、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓと、少なくともその一部分が中間電位部Ｓに接続され、中間電位部Ｓに対して制御を行うための制御電極Ｇを備えた横型のトランジスタ構造を有し、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇが、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されていればよく、第１電極Ｄ１、第２電極Ｄ２、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇの位置及び形状は特に限定されない。そのため、双方向スイッチ素子１のチップ形状やサイズは限定されず、形状の制約が緩和される。その結果、双方向スイッチ素子１自体や、それを用いた負荷制御装置などの小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る双方向スイッチ素子の構成を示す平面図。
【図２】図１における双方向スイッチ素子の範囲Ａの拡大図であって、横型のトランジスタ構造における電流の流れる向きを示す図。
【図３】図２におけるＢ−Ｂ断面図。
【図４】本発明の第２実施形態に係る双方向スイッチ素子の構成を示す断面図。
【図５】従来の横型の双方向スイッチ素子の構成を示す図であり、（ａ）は２つの電極間にゲートが１つだけ設けられているものはシングルゲート型、（ｂ）は２つの電極間に２つのゲートが設けられているものはデュアルゲート型の構成を示す断面図。
【図６】従来のシングルゲート型双方向スイッチ素子の駆動回路の構成を示す図。
【符号の説明】
【００２８】
１，１Ａ  双方向スイッチ素子
２  基板
２ａ  導体層
２ｂ  ＧａＮ層
２ｃ  ＡｌＧａＮ層
２ｄ  （基板の）表面
２ｅ  （基板の）裏面
２ｆ  ビアホール
２ｇ  電極層
３  交流電源
４  負荷
１１，１２，１３・・・  （第１電極の櫛歯状）電極部
２１，２２，２３・・・  （第２電極の櫛歯状）電極部
３１  中間電位部の対応部分
４１  制御電極の対応部分
Ｄ１  第１電極
Ｄ２  第２電極
Ｓ  中間電位部
Ｇ  制御電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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