(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と負荷との間に接続されて用いられる２線式交流スイッチであって、
双方向に電流を流す構成を有するとともに当該電流の流れをオン又はオフするスイッチ素子であって、前記交流電源及び前記負荷と直列に接続され、かつ、前記交流電源及び前記負荷ととともに閉回路を構成する双方向スイッチ素子を備え、
前記双方向スイッチ素子は、
基板と、
前記基板上に形成され、III族窒化物半導体から構成される半導体積層体と、
前記半導体積層体に形成され、前記負荷及び前記交流電源と、それぞれ、電気的に接続される第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、
前記半導体積層体上における、前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に、前記第１のオーミック電極側から順に形成された、第１のゲート電極及び第２のゲート電極とを有し、
前記２線式交流スイッチはさらに、
前記第１のオーミック電極端子と前記第２のオーミック電極端子との間に接続され、前記交流電源を全波整流する全波整流器と、
前記全波整流器から出力される全波整流後の電圧を平滑化し、直流電源を供給する電源回路と、
前記電源回路から直流電源の供給を受けるとともに、前記第１ゲート電極及び第２ゲート電極に制御信号を出力する駆動回路と、
前記電源回路から直流電源の供給を受けるとともに、前記交流電源より前記負荷に電力を与える場合には、前記駆動回路が、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極に対して、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極の閾値電圧より高い電圧をもつ制御信号を出力することによって前記双方向スイッチ素子をオン状態にさせるように、前記駆動回路を制御する制御回路とを備える
２線式交流スイッチ。
【請求項２】
前記双方向スイッチはさらに、前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極のそれぞれとオーミック接触するｐ型のIII族窒化物半導体からなるゲートを有する請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項３】
前記基板がシリコン基板である請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項４】
前記基板が炭化珪素基板である請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項５】
前記基板がサファイア基板である請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項６】
前記駆動回路は、前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極に、抵抗を介して前記制御信号を伝達する請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項７】
前記駆動回路は、前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極に、電流もしくは定電流の前記制御信号を出力する請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項８】
前記制御回路は、前記双方向スイッチにおいて、前記第１のオーミック電極及び前記第２のオーミック電極のうち、電位の高い方の第１又は第２のオーミック電極に近い第１又は第２のゲート電極に、先に前記閾値電圧より高い電圧を前記制御信号として印加し、次に他方の第２又は第１のゲート電極に、前記閾値電圧より高い電圧を前記制御信号として印加することによって前記双方向スイッチ素子をオン状態にさせるように、前記駆動回路を制御する請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項９】
前記基板は、電位として、フローティングである請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１０】
前記基板は、アース接地されている請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１１】
前記基板は、ある電位に固定されている請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１２】
さらに、
前記基板に電気的に接続された基板端子と、
前記基板端子と前記第１のオーミック電極及び前記第２のオーミック電極それぞれとの間に、前記基板端子から前記第１のオーミック電極及び前記第２のオーミック電極に電流が流れる向きに接続された２つのダイオードと
を備える請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１３】
さらに、
前記基板に電気的に接続された基板端子と、
前記基板端子と前記第１のオーミック電極及び前記第２のオーミック電極それぞれとの間に、前記第１のオーミック電極及び前記第２のオーミック電極から前記基板端子に電流が流れる向きに接続された２つのダイオードと
を備える請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１４】
前記交流電源は、商用交流電源であり、
前記負荷は、照明器具であり、
前記２線式交流スイッチは、前記商用交流電源と前記照明器具との間に接続される請求項１に記載の２線式交流スイッチ。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２線式交流スイッチに関し、III族窒化物半導体からなる双方向スイッチ素子を有した２線式交流スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、２線式交流スイッチとして住宅用の照明灯や換気扇の制御はメカスイッチが多く用いられてきた。近年、双方向に電流を通電し、正負両極性の電圧に対して耐圧を有する双方向の交流スイッチが必要とされ、トライアックのような半導体を使用した、調光機能やリモコン機能、人センサー機能を有する高機能なスイッチが商品化されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１２は、トライアックを主スイッチとして使用した従来の２線式交流スイッチ１５１の概略回路図である。図１２に示すように、従来の２線式交流スイッチ１５１は、商用交流電源１０１及び負荷１０２と直列に接続されて閉回路を構成するトライアック１５０と、そのトライアック１５０を駆動する駆動回路１４９等で構成され、駆動回路１４９によってトライアック１５０をオン／オフさせることで、商用交流電源１０１より負荷１０２に電力を供給／遮断するシステムになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭５８−５６４７７号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０１８９５６１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、シリコン（Ｓｉ）を材料とする半導体素子を用いて双方向スイッチ素子を形成する場合には、Ｓｉの材料限界のために、双方向スイッチ素子のオン抵抗をこれ以上低減することが困難である。つまり、双方向スイッチとして使用されているトライアック１５０は、図１３に示されるトライアックのオン特性図から分かるように、オン時にシリコンダイオードのオン特性と同様のバイポーラデバイスのオン動作と同様の動作をする為に低電流域でのオン抵抗が大きくなり、トライアックを用いた２線式交流スイッチでは、オン抵抗による導通損失が大きくなる。その為に、従来の２線式交流スイッチは、例えば、２００Ｗ以上の負荷に対して使用することが難しく、使用できる負荷の消費電力に制限を設けて使用しているという課題がある。
【０００６】
本発明は、前記の課題を解決する為に、内部に有する双方向スイッチ素子自体の発熱を抑制することができ、これにより、商用交流電源に接続されるより大きい負荷をスイッチすることを可能にする２線式交流スイッチ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】
近年、材料限界を打破して導通損失を低減するために、ＧａＮに代表されるIII族窒化物半導体又は炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドギャップ半導体を用いた半導体素子の導入が検討されている（例えば、特許文献２参照）。ワイドギャップ半導体は絶縁破壊電界がＳｉと比べて約１桁高い。窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）とのヘテロ接合界面には自発分極及びピエゾ分極により電荷が生じる。これにより、アンドープ時においても１×１０13ｃｍ-2以上のシートキャリア濃度と１０００ｃｍ2Ｖ／ｓｅｃ以上の高移動度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層が形成される。このため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴ）は、低オン抵抗及び高耐圧を実現するパワースイッチングトランジスタとして期待されている。
【０００８】
特に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ接合を利用して２つのゲート電極を有する構造にすることにより、１つの半導体素子で、双方向スイッチ素子を形成することが可能となる。この構造を有した双方向スイッチ素子は、互いに逆方向に直列に接続した２個のトランジスタと回路的には等価で、図３に示されるオン特性の比較図のように、従来のトライアックよりもオン抵抗を低減が可能になり、第１のオーミック電極側から第２のオーミック電極側へ流れる電流も、第２のオーミック電極側から第１のオーミック電極側へ流れる電流も共に制御することができる。このため、III族窒化物半導体から構成される、２つのゲート電極を有する双方向スイッチ素子は、従来使用されているトライアック単体、パワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）又はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワートランジスタを複数個組み合わせた従来の双方向スイッチよりも小型化で、かつ、省電力化を図ることができる素子として注目さえている。
【０００９】
そこで、本発明者らは、III族窒化物半導体から構成されるスイッチ素子のすぐれた特
性を生かした２線式交流スイッチを完成するに至った。具体的には、前記の目的を達成するため、本発明の２線式交流スイッチの一実施の形態は、交流電源と負荷との間に接続されて用いられる２線式交流スイッチであって、双方向に電流を流す構成を有するとともに当該電流の流れをオン又はオフするスイッチ素子であって、前記交流電源及び前記負荷と直列に接続され、かつ、前記交流電源及び前記負荷ととともに閉回路を構成する双方向スイッチ素子を備え、前記双方向スイッチ素子は、基板と、前記基板上に形成され、III族窒化物半導体から構成される半導体積層体と、前記半導体積層体に形成され、前記負荷及び前記交流電源と、それぞれ、電気的に接続される第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、前記半導体積層体上における、前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に、前記第１のオーミック電極側から順に形成された、第１のゲート電極及び第２のゲート電極とを有し、前記２線式交流スイッチはさらに、前記第１のオーミック電極端子と前記第２のオーミック電極端子との間に接続され、前記交流電源を全波整流する全波整流器と、前記全波整流器から出力される全波整流後の電圧を平滑化し、直流電源を供給する電源回路と、前記電源回路から直流電源の供給を受けるとともに、前記第１ゲート電極及び第２ゲート電極に制御信号を出力する駆動回路と、前記電源回路から直流電源の供給を受けるとともに、前記交流電源より前記負荷に電力を与える場合には、前記駆動回路が、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極に対して、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極の閾値電圧より高い電圧をもつ制御信号を出力することによって前記双方向スイッチ素子をオン状態にさせるように、前記駆動回路を制御する制御回路とを備える。
【００１０】
これにより、交流電源の供給をオン・オフする双方向スイッチ素子はIII族窒化物半導体で構成されるので、そのような双方向スイッチ素子を備える２線式交流スイッチは、オン抵抗の低く、発熱が抑えられ、従来よりも大きい負荷に接続して用いることができる。
【００１１】
ここで、前記駆動回路が前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極に抵抗を介して前記制御信号を伝達する構成としてもよい。これにより、駆動回路と第１のゲート電極及び第２のゲート電極との間に抵抗が挿入されるので、駆動回路から第１のゲート電極及び第２のゲート電極への制御信号の電流及び電圧が制限され、それにより、制御信号の変動が抑制されてスイッチング動作が安定化されたり、サージ電圧の侵入によって双方向スイッチ素子が破壊されてしまうことが回避されたりする。
【００１２】
また、前記駆動回路が前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極に電流もしくは定電流の前記制御信号を出力する構成としてもよい。これにより、駆動回路から電流もしくは定電流の制御信号が第１のゲート電極及び第２のゲート電極に入力されるので、過負荷状態にある負荷に電力を供給する過渡的な状態であっても、第１のゲート電極及び第２のゲート電極に対して電流が制限された制御信号が入力され、スイッチング動作が安定化される。
【００１３】
また、前記制御回路は、前記双方向スイッチにおいて、前記第１のオーミック電極及び前記第２のオーミック電極のうち、電位の高い方の第１又は第２のオーミック電極に近い第１又は第２のゲート電極に、先に前記閾値電圧より高い電圧を前記制御信号として印加し、次に他方の第２又は第１のゲート電極に、前記閾値電圧より高い電圧を前記制御信号として印加することによって前記双方向スイッチ素子をオン状態にさせるように、前記駆動回路を制御する構成としてもよい。これにより、より低い電位で双方向スイッチ素子をオンさせ得る第１のゲート電極又は第２のゲート電極に信号を与えるタイミングで２線式スイッチ素子がオンされるので、第１のゲート電極及び第２のゲート電極の２つに同時に制御信号を送る方式よりも正確なタイミングで２線式スイッチ素子をオンさせることが可能となる。
【００１４】
また、前記基板がアース接地されている構成としたり、前記基板がある電位に固定されている構成としたりしてもよい。これにより、双方向スイッチ素子の基板電位を安定化したり、双方向スイッチ素子に放熱板を装着した時にも絶縁が必要なくなったり、ノイズ発生を抑制したりできるという効果が奏される。
【００１５】
また、さらに、前記基板に電気的に接続された基板端子と、前記基板端子と前記第１のオーミック電極及び前記第２のオーミック電極それぞれとの間に、前記基板端子から前記第１のオーミック電極及び前記第２のオーミック電極に電流が流れる向きに接続された２つのダイオードとを備える構成としてもよい。これにより、双方向スイッチ素子の基板電位は、２つのスイッチ端子（第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極）のうち、電位の低い方のスイッチ端子の電位に近い電位となるので、双方向スイッチ素子の低い電圧側の制御端子（第１又は第２のゲート電極）による安定した制御が可能となる。
【００１６】
また、さらに、前記基板に電気的に接続された基板端子と、前記基板端子と前記第１のオーミック電極及び前記第２のオーミック電極それぞれとの間に、前記第１のオーミック電極及び前記第２のオーミック電極から前記基板端子に電流が流れる向きに接続された２つのダイオードとを備える構成としてもよい。これにより、双方向スイッチ素子の基板電位は、２つのスイッチ端子（第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極）のうち、電位の高い方のスイッチ端子の電位に近い電位となるので、双方向スイッチ素子の高い電圧側の制御端子（第１又は第２のゲート電極）による安定した制御が可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る２線式交流スイッチによれば、III族窒化物半導体からなる双方向スイッチ素子で構成することにより、オン抵抗によって生じる損失を低減できる為、双方向スイッチ素子自体の発熱を抑制することができ、安定して動作する２線式交流スイッチを実現できる。よって、住宅の壁に取り付けられる２線式交流スイッチが実現される。
【００１８】
また、より大きい負荷をスイッチングすることが可能となったり、負荷に制限を設けることなく使用できる２線式交流スイッチが実現されたりする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図
【図２】本発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチが備える双方向スイッチ素子の断面構造図
【図３】本発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチが備えるIII族窒化物半導体から構成される双方向スイッチ素子のオン特性とトライアックのオン特性との比較示す概要図
【図４】本発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチが備える双方向スイッチ素子のレイアウトを示す概要図
【図５】本発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチが備える双方向スイッチ素子のパッケージを示す概要図
【図６】双方向スイッチ素子と第１及び第２のゲート駆動回路との間に抵抗を挿入した、本発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図
【図７】双方向スイッチ素子のゲート駆動を電流もしくは定電流で実施する、本発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図
【図８Ａ】双方向スイッチ素子の基板電位をアース接地した、本発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図
【図８Ｂ】双方向スイッチ素子の基板電位をアース接地した、本発明の別の一実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図
【図９Ａ】双方向スイッチ素子の基板電位を任意の電位の固定した、本発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図
【図９Ｂ】双方向スイッチ素子の基板電位を任意の電位の固定した、本発明の別の一実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図
【図１０】双方向スイッチ素子の基板電位を商用交流電位の低い方の電位と近い電位を基板に印加した、本発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図
【図１１】双方向スイッチ素子の基板電位を商用交流電位の高い方の電位と近い電位を基板に印加した、本発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図
【図１２】トライアックを用いて構成された従来の２線式交流スイッチの回路図
【図１３】トライアックのオン特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の２線式交流スイッチの実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る２線式交流スイッチ１００ａの回路の構成を示している。この２線式交流スイッチ１００ａは、商用交流電源１０１と照明器具等の負荷１０２との間に接続されて用いられる交流スイッチであり、双方向スイッチ素子１０３と、全波整流器１０４と、電源回路１０５と、駆動回路（第１のゲート駆動回路１０７、第２のゲート駆動回路１０８）と、制御回路１０６とを備える。
【００２１】
図１に示すように、双方向スイッチ素子１０３は、双方向に電流を流す構成を有するとともに当該電流の流れをオン又はオフする、III族窒化物半導体から構成されるダブルゲートのスイッチ素子であり、スイッチング（導通／非導通）の対象となるスイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２と、電流の流れのオン及びオフを制御するための２つのゲートに接続された制御端子Ｇ１及び制御端子Ｇ２と、この双方向スイッチ素子１０３を形成している基板と電気的に接続された基板端子ＳＵＢとを有する。ここで、商用交流電源１０１と、負荷１０２と、双方向スイッチ素子１０３（そのスイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２）とは、閉回路を構成するように、直列に接続されている。
【００２２】
全波整流器１０４は、スイッチ端子Ｓ１とスイッチ端子Ｓ２との間に接続され、商用交流電源１０１から供給される交流電源を全波整流するブリッジダイオード等である。
【００２３】
電源回路１０５は、全波整流器１０４から出力される全波整流後の電圧を平滑化し、直流電源を供給する回路である。第１のゲート駆動回路１０７、第２のゲート駆動回路１０８及び制御回路１０６に必要な電源は、電源回路１０５から供給されている。
【００２４】
制御回路１０６は、商用交流電源１０１から負荷１０２に電力を供給する場合には、第１のゲート駆動回路１０７及び第２のゲート駆動回路１０８が、それぞれ、双方向スイッチ素子１０３の制御端子Ｇ１及び制御端子Ｇ２に対して、制御端子Ｇ１及び制御端子Ｇ２に対応するゲートの閾値電圧より高い電圧をもつ制御信号を出力することによって双方向スイッチ素子１０３をオン状態にさせ、一方、商用交流電源１０１から負荷１０２への電力供給を遮断する場合には、第１のゲート駆動回路１０７及び第２のゲート駆動回路１０８が、それぞれ、双方向スイッチ素子１０３の制御端子Ｇ１及び制御端子Ｇ２に対して、制御端子Ｇ１及び制御端子Ｇ２に対応するゲートの閾値電圧より低い電圧をもつ制御信号を出力することによって双方向スイッチ素子１０３をオフ状態にさせるように、第１のゲート駆動回路１０７及び第２のゲート駆動回路１０８を制御する回路である。
【００２５】
より詳しくは、外部設定部１０９より、商用交流電源１０１から負荷１０２に電力を供給するか否かを示す信号が制御回路１０６に伝達される。その伝達された信号に基づいて、制御回路１０６は、第１のゲート駆動回路１０７の入力端子ＳＩＮ1及び第２のゲート駆動回路１０８の入力端子ＳＩＮ２に、制御信号を出力する。
【００２６】
第１のゲート駆動回路１０７及び第２のゲート駆動回路１０８は、制御回路１０６からの制御信号に基づいて、それぞれ、その出力端子ＯＵ１及びＯＵＴ２から双方向スイッチ素子１０３の制御端子Ｇ１及びＧ２に制御信号を出力することにより、双方向スイッチ素子１０３のスイッチング動作を制御する。具体的には、第１のゲート駆動回路１０７及び第２のゲート駆動回路１０８から、それぞれ、双方向スイッチ素子１０３（より詳しくは、そのゲート）の閾値電圧より高い電圧が制御端子Ｇ１と制御端子Ｇ２に印加されると、双方向スイッチ素子１０３のスイッチ端子Ｓ１とスイッチ端子Ｓ２とが導通状態になり、負荷１０２に電力が供給される。一方、第１のゲート駆動回路１０７及び第２のゲート駆動回路１０８の少なくとも一方から、それぞれ、双方向スイッチ素子１０３（より詳しくは、そのゲート）の閾値電圧より低い電圧が制御端子Ｇ１、制御端子Ｇ２に印加されると、双方向スイッチ素子１０３のスイッチ端子Ｓ１とスイッチ端子Ｓ２とが非導通状態になり、負荷１０２への電力供給が遮断される。これにより、III族窒化物半導体から構成される双方向スイッチ素子１０３を用いた２線式交流スイッチが実現され、オン抵抗が大幅に低減され、より大きい負荷をスイッチできることが可能となる。
【００２７】
以下に、本実施の形態の２線式交流スイッチ１００ａに用いたIII族窒化物半導体から構成される双方向スイッチ素子１０３についてさらに具体的に説明する。まず、双方向スイッチ素子１０３の構造について説明する。図２は双方向スイッチ素子１０３の断面を示している。
【００２８】
図２に示すように、双方向スイッチ素子１０３は、導電性のシリコン（Ｓｉ）基板１２６の上に形成された厚さが約１μｍのバッファ層１２７と、バッファ層１２７の上に形成された半導体積層体（第１の半導体層１２８と第２の半導体層１２９）とを有している。バッファ層１２７は、交互に積層された厚さが１０ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と厚さが１０ｎｍ程度の窒化ガリウム（ＧａＮ）とからなる。半導体積層体は、基板１２６側から順次積層された、第１の半導体層１２８と、第１の半導体層１２８と比べてバンドギャップが大きい第２の半導体層１２９とから構成される。本実施の形態においては、第１の半導体層１２８は、厚さが２μｍ程度のアンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）層である。第２の半導体層１２９は、厚さが２０ｎｍ程度のｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層である。これにより、図３に示される本実施の形態におけるIII族窒化物半導体双方向スイッチ素子（双方向スイッチ素子１０３）と従来のトライアックのオン特性比較図に示されるように、極めてオン抵抗が低い双方向スイッチ素子、つまり、極めてオン抵抗が低い２線式交流スイッチが実現される。
【００２９】
ＧａＮからなる第１の半導体層１２８とＡｌＧａＮからなる第２の半導体層１２９とのヘテロ界面近傍には、自発分極及びピエゾ分極による電荷が生じる。これにより、シートキャリア濃度が１×１０13ｃｍ-2以上で、且つ、移動度が１０００ｃｍ2Ｖ／ｓｅｃ以上の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層であるチャネル領域が生成される。
【００３０】
半導体積層体の上、つまり、半導体層１２８と半導体層１２９との上には、互いに間隔をおいて第１のオーミック電極１２３Ａと第２のオーミック電極１２３Ｂとが形成されている。第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂは、いずれも、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とが積層されており、上述したチャネル領域とオーミック接触している。この図２においては、コンタクト抵抗を低減するために、第２の半導体層１２９の一部を除去すると共に第１の半導体層１２８を４０ｎｍ程度掘り下げて、第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂが第１の半導体層１２８と第２の半導体層１２９との界面に接するように形成した例が示されている。なお、第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂは、第２の半導体層１２９の上に形成してもよい。
【００３１】
第１のオーミック電極１２３Ａの上に、ＡｕとＴｉからなる第１のオーミック電極配線１２２Ａが形成されており、第１のオーミック電極１２３Ａと電気的に接続されている。同様に、第２のオーミック電極１２３Ｂの上にＡｕとＴｉからなる第２のオーミック電極配線１２２Ｂが形成されており、第２のオーミック電極１２３Ｂと電気的に接続されている。
【００３２】
第２の半導体層１２９の上における、第１のオーミック電極１２３Ａと第２のオーミック電極１２３Ｂとの間の領域には、双方向スイッチ素子１０３のダブルゲートを構成する第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂとが互いに間隔をおいて選択的に形成されている。第１のｐ型半導体層１２５Ａの上には第１のゲート電極１２４Ａが形成され、第２のｐ型半導体層１２５Ｂの上には第２のゲート電極１２４Ｂが形成されている。第１のゲート電極１２４Ａ及び第２のゲート電極１２４Ｂは、いずれも、パラジウム（Ｐｄ）と金（Ａｕ）との積層体からなり、第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂとオーミック接触している。
【００３３】
第１のオーミック電極配線１２２Ａ、第１のオーミック電極１２３Ａ、第２の半導体層１２９、第１のｐ型半導体層１２５Ａ、第１のゲート電極１２４Ａ、第２のｐ型半導体層１２５Ｂ、第２のゲート電極１２４Ｂ、第２のオーミック電極１２３Ｂ及び第２のオーミック電極配線１２２Ｂを覆うように窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる保護膜１３０が形成されている。
【００３４】
Ｓｉ基板１２６の裏面には、ニッケル（Ｎｉ）とクロム（Ｃｒ）と銀（Ａｇ）とが積層された厚さ８００ｎｍ程度の裏面電極１３１が形成されており、裏面電極１３１はＳｉ基板１２６とオーミック接合している。
【００３５】
第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂは、それぞれ厚さが３００ｎｍ程度で、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされたｐ型のＧａＮからなる。第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂと、第２の半導体層１２９とによりｐｎ接合がそれぞれ形成される。これにより、第１のオーミック電極１２３Ａと第１のゲート電極１２４Ａとの間の電圧が例えば０Ｖ以下の場合には、第１のｐ型半導体層１２５Ａからチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができる。同様に、第２のオーミック電極１２３Ｂと第２のゲート電極１２４Ｂとの間の電圧が、例えば０Ｖ以下の場合には、第２のｐ型半導体層１２５Ｂからチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができる。従って、いわゆるノーマリーオフ動作をするダブルゲートのスイッチ素子が実現できる。また、第１のｐ型半導体層１２５Ａと第２のｐ型半導体層１２５Ｂとの間の距離は、第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂに印加される最大電圧に耐えられるように設計する。
【００３６】
なお、第１のオーミック電極１２３Ａと接続された端子Ｓ１、第１のゲート電極１２４Ａと接続された端子Ｇ１、第２のゲート電極１２４Ｂと接続された端子Ｇ２及び第２のオーミック電極１２３Ｂと接続された端子Ｓ２は、それぞれ、図１のスイッチ端子Ｓ１、制御端子Ｇ１、制御端子Ｇ２及びスイッチ端子Ｓ２に対応する。また、裏面電極１３１と接続された端子Ｓｕｂは、図１の基板端子ＳＵＢに対応する。
【００３７】
図４は双方向スイッチ素子１０３のチップ（双方向スイッチチップ１３７）表面のレイアウトを示す図である。この双方向スイッチチップ１３７の表面の右側領域には、第１のオーミック電極配線１３３Ａ、その第１のオーミック電極配線１３３Ａの上面に形成された第１のオーミック電極パッド１３４Ａ、図２に示された第１のゲート電極１２４Ａと電気的に接続される第１のゲート配線１３２Ａ、その第１のゲート配線１３２Ａの上面に形成された第１のゲート電極パッド１３５Ａが配置されている。
【００３８】
また、この双方向スイッチチップ１３７の表面の左側領域には、第２のオーミック電極配線１３３Ｂ、その第２のオーミック電極配線１３３Ｂの上面に形成された第２のオーミック電極パッド１３４Ｂ、図２に示された第２のゲート電極１２４Ｂと電気的に接続される第２のゲート配線１３２Ｂ、その第２のゲート配線１３２Ｂの上面に形成された第２のゲート電極パッド１３５Ｂが配置されている。
【００３９】
また、この双方向スイッチチップ１３７の表面の中央領域には、（i）第２のオーミック電極配線１３３Ｂと電気的に接続され、かつ、その第２のオーミック電極配線１３３Ｂから中央領域に向けて延びるフィンガー配線である第２のオーミック電極配線１２２Ｂ、（ii）第１のゲート配線１３２Ａと電気的に接続され、かつ、その第１のゲート配線１３２Ａから中央領域に向けて延びるフィンガー状の電極である第１のゲート電極１２４Ａ、（iii）第２のゲート配線１３２Bと電気的に接続され、かつ、その第２のゲート配線１３２Ｂから中央領域に向けて延びるフィンガー状の電極である第２のゲート電極１２４Ｂ、及び、（iv）第１のオーミック電極配線１３３Ａと電気的に接続され、かつ、その第１のオーミック電極配線１３３Ａから中央領域に向けて延びるフィンガー配線である第１のオーミック電極配線１２２Ａが配置されている。なお、この双方向スイッチチップ１３７の表面の中央領域には、上述したチャネル領域である活性領域１３６も併せて図示されている。
【００４０】
このような双方向スイッチチップ１３７の表面の中央領域における点線（ｃ）で切断した断面が、図２に相当する。
【００４１】
図５は双方向スイッチ素子１０３のＰＫＧ（パッケージ）実装例を示している。ここでは、ダイパッド１３８の上に固定された双方向スイッチチップ１３７の表面における各パッド１３４Ａ、１３５Ａ、１３４Ｂ及び１３５Ｂと、図１及び図２に示された各端子（スイッチ端子Ｓ１、スイッチ端子Ｓ２、制御端子Ｇ１、制御端子Ｇ２、基板端子ＳＵＢ）用のリード１４４〜１４７との接続の様子が示されている。つまり、第１のオーミック電極パッド１３４Ａは２本のワイヤ１３９でスイッチ端子Ｓ１用のリード１４７と接続され、第１のゲート電極パッド１３５Ａはワイヤ１４０で制御端子Ｇ１用のリード１４６と接続され、第２のゲート電極パッド１３５Ｂはワイヤ１４２で制御端子Ｇ１用のリード１４４と接続され、第２のオーミック電極パッド１３４Ｂは２本のワイヤ１４１でスイッチ端子Ｓ２用のリード１４５と接続されている。
【００４２】
なお、ダイパッド１３８は基板端子ＳＵＢ用のリード１４８と接続されている。また、ダイパッド１３８、双方向スイッチチップ１３７、各ワイヤ１３９〜１４２、及び、各リード１４４〜１４８の根元部分は、樹脂１４３でモールドされている。
【００４３】
以上のような構造を有する本実施の形態における双方向スイッチ素子１０３の動作原理は次の通りである。つまり、図１の第１のゲート駆動回路１０７より制御端子Ｇ１とスイッチ端子Ｓ１との間に与える電位が第１のゲート電極１２４Ａの閾値電圧よりも低くすることにより、図２における第１のゲート電極１２４Ａの下側に空乏層が拡がるようにし、同様に、第２のゲート駆動回路１０８より制御端子Ｇ２とスイッチ端子Ｓ２との間に与える電位を第２のゲート電極１２４Ｂの閾値電圧よりも低くすることにより、図２における第２のゲート電極１２４Ｂの下側に空乏層が拡がるようにする。このようにすれば、第１のオーミック電極１２３Ａであるスイッチ端子Ｓ１と第２のオーミック電極１２３Ｂであるスイッチ端子Ｓ２との間にはどちらの方向にも電流が流れない状態になり、双方向スイッチ素子１０３のスイッチ端子Ｓ１とスイッチ端子Ｓ２との間が遮断された状態になり、商用交流電源１０１より負荷１０２に電力が供給されないオフ状態になる。
【００４４】
一方、第１のゲート駆動回路１０７より制御端子Ｇ１とスイッチ端子Ｓ１との間に与える電位が第１のゲート電極１２４Ａの閾値電圧よりも高くすることにより、図２における第１のゲート電極１２４Ａの下側に空乏層が拡がらないようにし、同様に、第２のゲート駆動回路１０８より制御端子Ｇ２とスイッチ端子Ｓ２との間に与える電位を第２のゲート電極１２４Ｂの閾値電圧よりも高くすることにより、図２における第２のゲート電極１２４Ｂの下側に空乏層が拡がらないようにする。このようにすれば、第１のオーミック電極１２３Ａであるスイッチ端子Ｓ１と第２のオーミック電極１２３Ｂであるスイッチ端子Ｓ２との間にはどちらにも電流がれるようになり、双方向スイッチ素子１０３のスイッチ端子Ｓ１とスイッチ端子Ｓ２との間が導通された状態になり、商用交流電源１０１より負荷１０２に電力が供給される状態になる。
【００４５】
この原理で図１に示した２線式交流スイッチ１００ａの双方向スイッチ素子１０３の制御端子Ｇ１とスイッチ端子Ｓ１との間及び制御端子Ｇ２とスイッチ端子Ｓ２との間に、閾値電圧より高い電圧を印加することで、商用交流電源１０１に接続された負荷１０２に電力を与えることが可能になり、制御端子Ｇ１とスイッチ端子Ｓ１との間及び制御端子Ｇ２とスイッチ端子Ｓ２との間を閾値電圧以下の電圧にすることにより、商用交流電源１０１に接続された負荷１０２に電力を遮断できるようになる。このようにして商用交流電源１０１に接続された負荷１０２を選択的にオン状態及びオフ状態にする制御が可能となる。
【００４６】
さらに双方向スイッチ素子１０３の制御端子Ｇ１とスイッチ端子Ｓ１との間及び制御端子Ｇ２とスイッチ端子Ｓ２との間への信号の与え方について説明する。双方向スイッチ素子１０３をオン状態にするためには制御端子Ｇ１とスイッチ端子Ｓ１との間及び制御端子Ｇ２とスイッチ端子Ｓ２との間の両方に閾値電圧より高い電圧を与える必要があり、実質的に同時に印加することでオン状態にすることは可能である。しかしながら、より好ましくは、次のように制御するのが望まれる。
【００４７】
つまり、双方向スイッチ素子１０３をオフ状態からオン状態するには、スイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２のうち電位が高い方に近い制御端子に閾値電圧より高い電圧を与え、一定の時間をおいて、スイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２のうち電位の低い方に近い制御端子に閾値電圧より高い電圧を与える。一方、双方向スイッチ素子１０３をオン状態からオフ状態するには、スイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２のうち電位の低い方に近い制御端子に閾値電圧より低い電圧を与え、一定の時間をおいて、スイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２のうち電位の高い方に近い制御端子に閾値電圧より低い電圧を与える。
【００４８】
例えば、双方向スイッチ素子１０３をオフ状態からオン状態するには、スイッチ端子Ｓ１とスイッチ端子Ｓ２の内、スイッチ端子Ｓ２の電位が高い時は、先に制御端子Ｇ２とスイッチ端子Ｓ２との間に閾値電圧より高い電圧を印加し、一定の時間をおいて制御端子Ｇ１とスイッチ端子Ｓ１との間に閾値電圧より高い電圧を与えることで、両方の制御端子に閾値電圧より高い電圧が印加されることとなり、双方向スイッチ素子１０３がオン状態になる。一方、双方向スイッチ素子１０３をオン状態からオフ状態にするには、電位が低い側であるスイッチ端子Ｓ１に近い制御端子Ｇ１とスイッチ端子Ｓ１との間に閾値電圧より低い電圧与え、一定の時間をおいて、制御端子Ｇ２とスイッチ端子Ｓ２との間の両方に閾値電圧より低い電圧を印加する。
【００４９】
このような制御端子Ｇ１とスイッチ端子Ｓ１との間及び制御端子Ｇ２とスイッチ端子Ｓ２との間への信号の与え方にすることで、双方向スイッチ素子１０３は、実質的には、電位の低い方の制御端子に電位を与えるタイミングで、オン状態及びオフ状態が制御（決定）できるので、２つの制御端子に同時に制御電圧を印加する方式よりも正確に双方向スイッチ素子１０３の制御が可能となる。なお、この双方向スイッチ素子１０３の制御端子Ｇ１とスイッチ端子Ｓ１との間及び制御端子Ｇ２とスイッチ端子Ｓ２との間への信号の与え方については、図６から図１１の実施の形態においても同じ効果がある。
【００５０】
図６は本発明の別の実施の形態に係る２線式交流スイッチ１００ｂの回路の構成を示す図である。ここでは、制御端子Ｇ１と第１のゲート駆動回路１０７との間、制御端子Ｇ２と第２のゲート駆動回路１０８との間に、それぞれ、ゲート保護用の抵抗１１１及び抵抗１１０を挿入した構成が示されている。この構成は、双方向スイッチ素子１０３の制御端子Ｇ１及び制御端子Ｇ２に閾値電圧以上の電圧が印加され、負荷１０２に電力が供給される過渡状態において、制御端子Ｇ１からスイッチ端子Ｓ１に印加される電流及び電圧、並びに、制御端子Ｇ２からスイッチ端子Ｓ２に印加される電流及び電圧が変動することを抑制したり、他からのサージ電圧による素子破壊を保護したりするので、効果的な方法である。
【００５１】
図７は発明のさらに別の実施の形態に係る２線式交流スイッチ１００ｃの回路の構成を示す図である。ここでは、制御端子Ｇ１及び制御端子Ｇ２に、それぞれ、電流源である第１のゲート駆動回路１１２及び第２のゲート回路駆動部１１３から電流を印加する構成が示されている。この構成によれば、双方向スイッチ素子１０３をオン状態にする為に、制御端子Ｇ１及びＧ２に定電流を印加することになるので、過負荷状態にある負荷１０２に電力を供給する過渡的な状態において、制御端子Ｇ１及び制御端子Ｇ２に印加される電流及び電圧が安定化される。
【００５２】
続いて、図８Ａ〜図１１は、それぞれ、発明のさらに別の実施の形態に係る２線式交流スイッチ１００ｄ−１〜１００ｇの回路の構成を示す図である。ここでは、双方向スイッチ素子１０３の基板端子ＳＵＢの電位のとり方についての各種実施例が示されている。先に説明した図１、図６、図７に示される構成では、基板端子ＳＵＢは電位を固定しないフローティング状態である。
【００５３】
図８Ａは発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチ１００ｄ−１の回路の構成を示す図である。ここでは、双方向スイッチ素子１０３の基板端子ＳＵＢを接地した例が示されている。つまり、基板端子ＳＵＢ端子と、第１のゲート駆動回路１０７、第２のゲート駆動回路１０８、制御回路１０６及び電源回路１０５の共通接地部とを、配線１１４で接続した例が記載されている。基板端子ＳＵＢを接地することにより、双方向スイッチ素子１０３の基板電位を安定化でき、双方向スイッチ素子１０３に放熱板を装着した時にも絶縁が必要なくなり、ノイズ発生を抑制できる効果がある。なお、この２線式交流スイッチ１００ｄ−１は、図８Ｂに示される２線式交流スイッチ１００ｄ−２ように、基板端子ＳＵＢを接地する為の配線１１４にサージ電圧に対する保護のための抵抗１１４ａを挿入して構成してもよい。これにより、図８Ａに示される２線式交流スイッチ１００ｄ−１と同様に基板端子ＳＵＢを安定化できる。基板端子ＳＵＢを接地する方法は別の形態を取っても同様の効果がある。
【００５４】
図９Ａは発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチ１００ｅ−１の回路の構成を示す図である。ここでは、双方向スイッチ素子１０３の基板端子ＳＵＢを任意の電位に固定した例が示されている。つまり、基板端子ＳＵＢと、任意の電位端子を有する電源回路１０５（その電位端子）とを、配線１１５で接続した例が記載されている。基板端子ＳＵＢを任意の電位に固定することにより、双方向スイッチ素子１０３に放熱板を装着した時には絶縁が必要になるが、その時であっても双方向スイッチ素子１０３の基板電位を安定化できる。なお、この２線式交流スイッチ１００ｅ−１は、図９Ｂに示される２線式交流スイッチ１００ｅ−２ように、基板端子ＳＵＢと任意の電位端子を接続する配線１１５にサージ電圧に対する保護のための抵抗１１５ａを挿入して構成してもよい。これにより、図９Ａに示される２線式交流スイッチ１００ｅ−１と同様に基板端子ＳＵＢを安定化できる。
【００５５】
図１０は発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチ１００ｆの回路の構成を示す図である。ここでは、双方向スイッチ素子１０３の基板端子ＳＵＢを交流電圧の低い電位に近い電圧に固定する例が示されている。この構成では、基板端子ＳＵＢとスイッチ端子Ｓ１との間にダイオード１１８と抵抗１１７とが並列に接続され、かつ、基板端子ＳＵＢとスイッチ端子Ｓ２との間にも同様にダイオード１１９と抵抗１１６とが並列に接続されている。この構成により、基板端子ＳＵＢを交流電圧の低い電位に近い電圧に固定することが可能となる。このことにより、双方向スイッチ素子１０３の低い電圧側の制御端子による安定した制御が可能となる。なお、双方向スイッチ素子１０３の基板端子ＳＵＢを交流電圧の低い電位に近い電圧に固定する方法は別の形態を取っても良い。
【００５６】
図１１は発明の一実施の形態に係る２線式交流スイッチ１００ｇの回路の構成を示す図である。ここでは、双方向スイッチ素子１０３の基板端子ＳＵＢを交流電圧の高い電位に近い電圧に固定する例が示されている。この構成では、基板端子ＳＵＢとスイッチ端子Ｓ１との間にダイオード１２０が接続され、基板端子ＳＵＢとスイッチ端子Ｓ２との間にダイオード１２１が接続されている。この構成により、基板端子ＳＵＢを交流電圧の高い電位に近い電圧に固定することが可能となり、双方向スイッチ素子１０３の高い電圧側の制御端子による安定した制御が可能となる。なお、双方向スイッチ素子１０３の基板端子ＳＵＢを交流電圧の高い電位に近い電圧に固定する方法は別の形態を取っても良い。
【００５７】
以上のように、本実施の形態における２線式交流スイッチは、III族窒化物半導体からなる双方向スイッチ素子１０３を用いて交流電源をスイッチングするので、従来使用されているトライアックと比較してスイッチ素子のオン抵抗によって生じる損失を大幅に低減できる為、高負荷の交流スイッチとして省電力化が図れ、種々の負荷に対して安定して動作することができる。
【００５８】
以上、本発明に係る２線式交流スイッチについて、実施の形態及びその変形例を用いて説明したが、本発明は、これらの実施の形態及び変形例に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、これらの実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく種々の変形を施して得られる形態や、これらの実施の形態及び変形例を任意に組み合わせて得られる形態も、本発明に含まれる。
【００５９】
たとえば、上記実施の形態においては、双方向スイッチ素子１０３は、ゲート電極がｐ型半導体層（第１のＰ型半導体層１２５Ａ及び第２のＰ型半導体層１２５Ｂ）の上に形成されたノーマリオフ型のダブルゲートの半導体素子であった。しかし、本発明に係る双方向スイッチ素子のゲートは、このような構造に限定されない。たとえば、ゲートリセスを形成したり、第２の半導体層１２９の膜厚を薄くしたりすることにより、ノーマリオフ特性を実現してもよい。つまり、本発明に係る双方向スイッチ素子のゲートの構造として、ゲート電極下のｐ型半導体に代えて絶縁層を設けることで絶縁型のゲートとしたり、ゲート電極下のｐ型半導体を設けることなくゲート電極と半導体積層体とがショットキー接合するような接合型のゲートとしてもよい。
【００６０】
また、回路構成によっては、双方向スイッチ素子１０３は、ノーマリオン型のダブルゲートの半導体素子として実現することも可能である。
【００６１】
また、双方向スイッチ素子１０３の基板については、Ｓｉ基板である例を示したが、本発明はＳｉ基板に限定されるものではない。窒化物半導体が形成できる基板であればよく、Ｓｉ基板に代えて炭化珪素（ＳｉＣ）基板又はサファイア基板又は他の基板としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係るIII族窒化物半導体からなる双方向スイッチ素子と用いた２線式交流スイッチは、従来使用されているトライアックと比較してスイッチ素子のオン抵抗によって生じる損失を大幅に低減できる為、高負荷の交流スイッチとして省電力化が図れ、種々の負荷に対して安定して動作することができ、例えば、調光機能をもつ住宅の照明灯や換気扇の制御用の２線式交流スイッチとして有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ−１、１００ｄ−２、１００ｅ−１、１００ｅ−２、１００ｆ、１００ｇ      ２線式交流スイッチ
１０１      商用交流電源
１０２      負荷
１０３      双方向スイッチ素子
１０４      全波整流器
１０５      電源回路
１０６      制御回路
１０７      第１のゲート駆動回路
１０８      第２のゲート駆動回路
１０９      外部設定部
１１０、１１１、１１４ａ、１１５ａ、１１６、１１７      抵抗
１１２      第１のゲート駆動回路
１１３      第２のゲート駆動回路
１１４、１１５      配線
１１８〜１２１      ダイオード
１２２Ａ    第１のオーミック電極配線
１２２Ｂ    第２のオーミック電極配線
１２３Ａ    第１のオーミック電極
１２３Ｂ    第２のオーミック電極
１２４Ａ    第１のゲート電極配線
１２４Ｂ    第２のゲート電極配線
１２５Ａ    第１のＰ型半導体層
１２５Ｂ    第２のＰ型半導体層
１２６      シリコン（Ｓｉ）基板
１２７      バッファー層
１２８      第１の半導体層
１２９      第２の半導体層
１３０      保護膜
１３１      裏面電極
１３２Ａ    第１のゲート配線
１３２Ｂ    第２のゲート配線
１３３Ａ    第１のオーミック電極配線
１３３Ｂ    第２のオーミック電極配線
１３４Ａ    第１のオーミック電極パッド
１３４Ｂ    第２のオーミック電極パッド
１３５Ａ    第１のゲーと電極パッド
１３５Ｂ    第２のゲート電極パッド
１３６      活性領域
１３７      双方向スイッチチップ
１３８      ダイパッド
１３９〜１４２      ワイヤ
１４３      樹脂
１４４〜１４８      リード
【図１】
0005895170.tif 000002
【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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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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