(57)【要約】      （修正有）【課題】ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合半導体素子を電源回路に使用したときの破壊を防止する電源回路を提供する。【解決手段】ブースト変換回路などの電源回路で用いられるＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合半導体素子は、オーミック接合ソース・ドレイン電極と、前記ソース・ドレイン電極間のゲート電極および、前記ソース・ドレイン電極の近傍に電源スイッチと一体化されたショットキ接合電極を備える。前記ショットキ接合にはフィールドプレート電極が設けられる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノリシック一体化ＩＩＩ族窒化物電力素子であって、
第１のＩＩＩ族窒化物層と、前記第１のＩＩＩ族窒化物層と異なるバンドギャップを有すると共に前記第１のＩＩＩ族窒化物層の上に配置された第２のＩＩＩ族窒化物層とを備えるヘテロ接合ＩＩＩ族窒化物本体と、
前記第２のＩＩＩ族窒化物層と電気的に接続された第１の電源電極と、
前記第２のＩＩＩ族窒化物層と電気的に接続された第２の電源電極と、
前記第２の電源電極の上かつ前記第１の電源電極と前記第２の電源電極との間に配置されたゲート構造と、
前記第２のＩＩＩ族窒化物層とショットキ接合するショットキ電極と、を備える、電力素子。
【請求項２】
請求項１に記載の電力素子であって、前記第１のＩＩＩ族窒化物層はＧａＮからなり、前記第２のＩＩＩ族窒化物層はＡｌＧａＮからなる、電力素子。
【請求項３】
請求項１に記載の電力素子であって、前記第１のＩＩＩ族窒化物層は、ＩｎＡｌＧａＮ系の一合金からなり、前記第２のＩＩＩ族窒化物層は、前記一合金と異なるバンドギャップを有するＩｎＡｌＧａＮ系の他の合金からなる、電力素子。
【請求項４】
請求項１に記載の電力素子であって、前記第１の電源電極および前記第２の電源電極は、前記第２のＩＩＩ族窒化物層とオーミック接合をなす、電力素子。
【請求項５】
請求項１に記載の電力素子であって、前記ゲート構造は、ゲート電極と、前記ヘテロ接合および前記ゲート電極の間に挿入されたゲート絶縁体とを備える、電力素子。
【請求項６】
請求項５に記載の電力素子であって、前記ゲート絶縁体は二酸化ケイ素からなる、電力素子。
【請求項７】
請求項５に記載の電力素子であって、前記ゲート絶縁体は窒化ケイ素からなる、電力素子。
【請求項８】
電源装置であって、
制御半導体スイッチと、
ヘテロ接合ＩＩＩ族窒化物本体を備える同期半導体スイッチであって、前記ヘテロ接合ＩＩＩ族窒化物本体は、第１のＩＩＩ族窒化物層と、前記第１のＩＩＩ族窒化物層と異なるバンドギャップを有すると共に前記第１のＩＩＩ族窒化物層の上に配置された第２のＩＩＩ族窒化物層とを備える、同期半導体スイッチと、
前記第２のＩＩＩ族窒化物層と電気的に接続された第１の電源電極と、
前記第２のＩＩＩ族窒化物層と電気的に接続された第２の電源電極と、
前記第２の電源電極の上かつ前記第１の電源電極と前記第２の電源電極との間に配置されたゲート構造と、
前記第２のＩＩＩ族窒化物層とショットキ接合するショットキ電極と、を備える、電源装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電源装置であって、前記第１のＩＩＩ族窒化物層はＧａＮからなり、前記第２のＩＩＩ族窒化物層はＡｌＧａＮからなる、電源装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の電源装置であって、前記第１のＩＩＩ族窒化物層は、ＩｎＡｌＧａＮ系の一合金からなり、前記第２のＩＩＩ族窒化物層は、前記一合金と異なるバンドギャップを有するＩｎＡｌＧａＮ系の他の合金からなる、電源装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の電源装置であって、前記第１の電源電極および前記第２の電源電極は、前記第２のＩＩＩ族窒化物層とオーミック接合をなす、電源装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の電源装置であって、前記ゲート構造は、ゲート電極と、前記ヘテロ接合および前記ゲート電極の間に挿入されたゲート絶縁体とを備える、電源装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電源装置であって、前記ゲート絶縁体は二酸化ケイ素からなる、電源装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の電源装置であって、前記ゲート絶縁体は窒化ケイ素からなる、電源装置。
【請求項１５】
請求項８に記載の電源装置であって、さらに、誘導エネルギ蓄積素子と、出力キャパシタとを備える、電源装置。
【請求項１６】
請求項８に記載の電源装置であって、前記誘導エネルギ蓄積素子、前記出力キャパシタ、前記制御半導体スイッチ、および前記同期半導体スイッチは、ブースト構成で配列される、電源装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の電力素子であって、前記ショットキ電極は、電源電極と前記ゲート構造との間に配置されるか、もしくは、前記ショットキ電極と前記ゲート構造との間に配置された電源電極に隣接して配置される、電力素子。
【請求項１８】
請求項１に記載の電力素子であって、前記ショットキ電極は、少なくとも１つのフィールドプレート部を備える、電力素子。
【請求項１９】
請求項１に記載の電力素子であって、前記ショットキ電極は、少なくとも２つの反対向きのフィールドプレート部を備える、電力素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合電力半導体素子およびそれを備える電源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物ヘテロ結合電力素子は、周知の素子である。典型的なＩＩＩ族窒化物電力半導体素子は、ドレイン電極と、ソース電極と、ドレイン電極およびソース電極の間に配置されたゲート電極とを備える。ゲート電極は、ソース電極とドレイン電極との間の電流を制御する。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物電力半導体素子は、低い抵抗および高い降伏電圧を有することから、電力の用途、例えば、電源の用途に望ましい。かかる用途では、インダクタなどの共通のエネルギ蓄積素子に接続された２つの電力スイッチの間での電流路の切り替えが必要になる場合がある。しかしながら、切り替えのタイミングが完全に合わない限りは、インダクタのエネルギは、一方または両方の素子が破壊されるのに十分な大きさの電圧を駆動する場合がある。逆方向の電流を導いて異極性電圧ノイズを防止するために逆並列ダイオードを設けることもしばしば有用である。したがって、従来技術の欠点を克服し、電源での利用に適したＩＩＩ族窒化物電力素子を提供することが望ましい。
【０００４】
さらに、従来技術の欠点を克服し、ＩＩＩ族窒化物電力素子を備える電源回路を提供することが望ましい。
【発明の開示】
【０００５】
本発明の素子は、モノリシック一体化ＩＩＩ族窒化物電力素子であって、第１のＩＩＩ族窒化物層と、前記第１のＩＩＩ族窒化物層と異なるバンドギャップを有すると共に前記第１のＩＩＩ族窒化物層の上に配置された第２のＩＩＩ族窒化物層とを備えるヘテロ接合ＩＩＩ族窒化物本体と、前記第２のＩＩＩ族窒化物層と電気的に接続された第１の電源電極と、前記第２のＩＩＩ族窒化物層と電気的に接続された第２の電源電極と、前記第２の電源電極の上かつ前記第１の電源電極と前記第２の電源電極との間に配置されたゲート構造と、前記第２のＩＩＩ族窒化物層とショットキ接合するショットキ電極と、を備える、電力素子である。
【０００６】
本発明の電力素子は、ブースト回路などの電源回路で用いることが可能であり、電源回路は、制御半導体スイッチと、同期半導体整流器としての本発明の素子と、出力キャパシタと、インダクタなどのエネルギ蓄積素子とを備えてよい。
【０００７】
本発明の実施形態および利点は、添付の図面を参照して行う以下の説明から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１および図２によると、本発明の第１の実施形態に従った電力半導体素子は、支持体１２の上に配置されたＩＩＩ族窒化物ベースのヘテロ接合１０を備える。ヘテロ接合１０は、第１のＩＩＩ族窒化物半導体１４と、第１のＩＩＩ族窒化物半導体１４の上方の第２のＩＩＩ族窒化物半導体１６とを備える。第２のＩＩＩ族窒化物半導体１６には、直接的なオーミック接続または任意の他の適切な手段を介して、第１の電源電極１８（すなわち、ソ―ス電極）および第２の電源電極２０（すなわち、ドレイン電極）が、電気的に接続されている。第１の電源電極１８と第２の電源電極２０との間かつ第２のＩＩＩ族窒化物半導体１４の上には、ゲート構造２２が配置されている。本発明の好ましい実施形態では、ゲート構造２２は、ゲート絶縁体２５を介して第２のＩＩＩ族窒化物半導体層１６に容量的に接続されたゲート電極を備える。あるいは、ゲート構造２２は、第２のＩＩＩ族窒化物半導体１６に接続されたショットキゲート電極を備えてもよい。また、ゲート構造２２は、第１の電源電極１８の周囲に配置されているため、第２の電源電極２０および２０’の間のチャネルを同時にオンオフするよう動作可能であることに注意されたい。
【０００９】
本発明の一態様によると、第２のＩＩＩ族窒化物層１６とショットキ接合するためのショットキ電極２６が設けられる。アクティブ領域の利用を最適化して所望の効率を実現するためには、ショットキ電極２６は、図に示すように、ｎ番目のアクティブセルごとに設けられることが好ましい（本明細書での各アクティブセルとは、少なくとも、第１の電源電極と、第２の電源電極２０と、それらの間に配置されたゲート構造２２とを備えるものである）。ｎ個ごとのセルに対して一体化ショットキ電極を設けることが好ましいが、本発明の範囲および趣旨から逸脱せずに、すべてのセルにショットキ電極２６を設けることもできることに注意されたい。好ましいｎの範囲は、５ないし２０である。
【００１０】
図３によると、従来のブースト型電源装置は、制御電力素子２８と、同期電力素子３０と、出力キャパシタ３２と、インダクタ３４とを備える。本発明の一態様によると、本発明の素子は、同期電力素子３０の代わりに、ブースト構成で配置されてよい。例えば、ＡＣ／ＤＣ変換器のための力率補正（ＰＦＣ）回路のブーストダイオードの代わりに用いてもよい。
【００１１】
本発明の素子は、多くの異なる方法で構成可能である。例えば、図４Ａおよび４Ｂによると、ショットキ電極２６と第１の電源電極１８とを、互いに短絡することができる。本発明の素子のゲートは、同期して駆動される必要があるが、整流器フィンガが、不感帯の間にインダクタの電流を通して電圧のオーバーシュートを防止するため、いくらかの不感帯が許容されることに注意されたい。ショットキ電極２６は、半導体の上部から離間されると共にフィールド絶縁体の上方に配置されてよいフィールドプレート部２７を備えることが好ましいことに注意されたい。フィールドプレートの特性は周知であるから、簡潔にするため、本明細書では説明を省略する。図４Ａおよび４Ｂに示したように、本発明の素子は、整流器電流路４２と、トランジスタ電流路４０とを備える。
【００１２】
あるいは、図５Ａおよび５Ｂに示すように、ショットキ電極２６は、モノリシック低電圧ＨＥＭＴまたは外部トランジスタによって、オンパルス中に短絡されてもよい。かかる構成では、すべてのセルが整流器電流路を備えることが可能であるため、いくらかの不感帯が許容される。さらに、すべてのセルが、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）への直接的なオーミック接点１８と、オーミック接点１８およびショットキアノード２６の間の２ＤＥＧチャネルをオンオフするためのゲートとを有する。通電中に、このゲートは、ＨＥＭＴの電流がショットキアノードを迂回することを可能にすることで、順方向降下を低下させることができる。低電圧ＨＥＭＴは、非常に小さい領域をゲートに追加するだけで適用できる。さらに、アノードの存在により、ゲートが高電界から保護される。図６は、図５Ａおよび５Ｂに示した構成をブースト回路に組み込んだ様子を示す概略図である。図６に示す回路は、同期整流器のゲート３６の制御のための信号を受信すると共に、別のゲート３８においてサージ電流の制御のための信号を受信することができる。本発明の同期電力素子の実現に適切なＨＥＭＴは、双方向ＩＩＩ族窒化物電力素子であってよく、例えば、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願Ｎｏ．１１／０５６，０６２で開示されたものが挙げられ、それは、本明細書に開示された原理および教示に従った一体化ショットキ電極を備える。
【００１３】
図７Ａによると、双方向ＩＩＩ族窒化物素子は、２つのゲート２２と、第１の電源電極１８と、第２の電源電極２０とを備える。好ましい設計では、各電源電極は、それぞれのゲート２２の上に伸びるフィールドプレート部２７を備えることに注意されたい。図７Ｂによると、半導体の領域を大きく消費することなしにショットキ電極２６を追加することにより、図７Ａに示したような双方向素子とショットキダイオードとを一体化することができる。
【００１４】
図８によると、別の実施形態において、ショットキ電極２６およびゲート電極（半導体１６とショットキ接合をなす）は、一体化されて、単一のショットキおよびゲート電極４４を形成することができる。電極４４は、互いに反対向きに配置された２つのフィールドプレート２７を備えることに注意されたい。
【００１５】
本発明の実施形態のいずれかに従った素子では、第１のＩＩＩ族窒化物半導体が、ＧａＮなど、ＩｎＡｌＧａＮ系の合金であり、第２のＩＩＩ族窒化物半導体１６が、第１のＩＩＩ族窒化物半導体１４と異なるバンドギャップを有するＩｎＡｌＧａＮ系の他の合金であることで、当業者に周知のように、第１および第２のＩＩＩ族窒化物半導体のヘテロ接合により、二次元電子ガスが形成される。例えば、第２のＩＩＩ族窒化物半導体は、ＡｌＧａＮで形成されてよい。
【００１６】
さらに、支持体１２は、基板材料と、必要に応じて、基板と第１のＩＩＩ族窒化物半導体１４との間の格子および熱の不整合を補償するための基板上の緩衝層とを組み合わせたものである。経済的な理由から、基板に好ましい材料はシリコンである。本発明の範囲および趣旨から逸脱せずに、サファイア、ＳｉＣなど、別の基板材料を用いることもできる。
【００１７】
ＡｌＮは、緩衝層に好ましい材料である。しかしながら、本発明の範囲および趣旨から逸脱せずに、多層すなわち段階的に遷移するＩＩＩ族窒化物半導体を、緩衝層として用いてもよい。
【００１８】
第１の窒化物半導体と同じ材料で基板を形成して、緩衝層を省略することも可能である。例えば、第１のＩＩＩ族窒化物半導体１４がＧａＮで形成されている場合に、ＧａＮの基板を用いてよい。
【００１９】
ゲート電極は、ｎ型またはｐ型シリコン、任意の所望の伝導度のポリシリコン、ＴｉＷ、アルミニウム、Ｔｉ／Ａｌ、耐熱ケイ化物、または他の金属層から形成されてよい。オーミック電極は、Ｔｉ／Ａｌから形成されてよく、さらに、その上面の上に、Ｔｉ／ＴｉＷ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｍｏ／Ａｕなどの金属体を備えてもよい。２ＤＥＧに対して低抵抗の接触をなす任意の他の金属系を用いてもよい。ゲート絶縁体２８は、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＨｆＯ、ＭｇＯ、Ｓｃ2Ｏ3などから形成されてよい。ショットキ電極２６のためのショットキ金属は、ニッケル、プラチナ、パラジウム、それらの金属のケイ化物、または漏電を低く保つのに十分な障壁高さを有する任意の他の金属を含んでよい。
【００２０】
本発明は、特定の実施形態に関連して説明されているが、多くの他の変更例および変形例、他の用途が存在することは、当業者にとって明らかなことである。したがって、本発明は、本明細書の具体的な開示によって限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に従った素子の一部を示す平面図。
【図２】図１に示した実施形態の素子を、直線２−２に沿って矢印の方向に見た断面図。
【図３】ブースト型電源回路を示す図。
【図４Ａ】本発明の素子のための動作構成を示す図。
【図４Ｂ】本発明の素子のための動作構成を示す図。
【図５Ａ】本発明の素子のための別の動作構成を示す図。
【図５Ｂ】本発明の素子のための別の動作構成を示す図。
【図６】整流器として機能する同期電力素子として本発明の素子を備えるブースト型電源装置を示す図。
【図７Ａ】ＩＩＩ族窒化物双方向半導体素子の一部を示す図。
【図７Ｂ】双方向素子と一体化されたショットキ電極を示す図。
【図８】本発明の別の実施形態に従ったＩＩＩ族窒化物素子を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年5月29日(2006.5.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１６】
請求項１５に記載の電源装置であって、前記誘導エネルギ蓄積素子、前記出力キャパシタ、前記制御半導体スイッチ、および前記同期半導体スイッチは、ブースト構成で配列される、電源装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
ゲート電極は、ｎ型またはｐ型シリコン、任意の所望の伝導度のポリシリコン、ＴｉＷ、アルミニウム、Ｔｉ／Ａｌ、耐熱ケイ化物、または他の金属層から形成されてよい。オーミック電極は、Ｔｉ／Ａｌから形成されてよく、さらに、その上面の上に、Ｔｉ／ＴｉＷ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｍｏ／Ａｕなどの金属体を備えてもよい。２ＤＥＧに対して低抵抗の接触をなす任意の他の金属系を用いてもよい。ゲート絶縁体２５は、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＨｆＯ、ＭｇＯ、Ｓｃ2Ｏ3などから形成されてよい。ショットキ電極２６のためのショットキ金属は、ニッケル、プラチナ、パラジウム、それらの金属のケイ化物、または漏電を低く保つのに十分な障壁高さを有する任意の他の金属を含んでよい。
【外国語明細書】
1.TITLE OF THE INVENTION
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2.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
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3.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
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1. Abstract
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2. Representative Drawing
Fig. １
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