(57)【要約】【課題】制御端子に印加される制御信号に応答して負荷電流を供給するように構成される一次ワイドバンドギャップバイポーラパワースイッチングデバイスおよび制御信号を生成するように構成されるドライバデバイスを含む電子回路を提供する。【解決手段】一次スイッチングデバイスあるいはドライバデバイスのうち少なくとも１つが、光学的に起動するスイッチングデバイスを含むことができる。個別ワイドバンドギャップ半導体デバイスが、制御電流の印加で伝導状態と不伝導状態との間を切替えるように構成される一次バイポーラデバイス段、および制御電流を生成し、かつ一次バイポーラデバイス段に制御電流を供給するように構成されるバイポーラドライバ段を含む。一次バイポーラデバイス段およびバイポーラドライバ段のうち少なくとも１つが、光学的に起動するワイドバンドギャップスイッチングデバイスを含むことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子回路であって、
制御端子を含み、かつ前記制御端子に印加される制御信号に応答して負荷電流を供給するように構成されるワイドバンドギャップバイポーラパワースイッチングデバイスと、
前記制御信号を生成し、かつ前記スイッチングデバイスの前記制御端子に前記制御信号を供給するように構成されるドライバデバイスと、を備え、
前記スイッチングデバイスあるいは前記ドライバデバイスのうち少なくとも１つが、それに当てられる光に応答して非伝導状態と伝導状態との間で切り替えをするように構成される光起動デバイスを備える、ことを特徴とする電子回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロエレクトロニクスデバイスおよび回路に関し、より詳細には、特に炭化珪素パワースイッチングデバイス、例えば光起動炭化珪素トランジスタおよびサイリスタを含むデバイスおよび回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素サイリスタは、例えば特許文献２（’２１７特許）に、記載されており、その開示を、ここにて全体として記載されるように組み込む。’２１７特許に記載されているサイリスタは、ゲートと、デバイスの第１側部上にアノードあるいはカソードのうちの一方と、デバイスの反対側上にアノードおよびカソードのもう一方と、を有する３端子デバイスである。この種の炭化珪素サイリスタは、類似したシリコンサイリスタを超える向上した電力処理能力を呈することができる。
一体型の光源および炭化珪素活性層を有する光起動サイリスタが、特許文献３に記載された。この種のデバイスは、それ自体のアノードおよびカソード端子を有するサイリスタを起動させるように作用する発光ダイオードのためのアノードおよびカソード端子を含む４端子デバイスを含むことができる。
光起動シリコンサイリスタが、高出力用途において利用された。例えば、光学的に起動する平行ラテラル型サイリスタが、特許文献４に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国暫定特許出願Ｎｏ．６０／６８０，８８１
【特許文献２】米国特許第５，５３９，２１７号
【特許文献３】米国特許第５，６６３，５８０号
【特許文献４】米国特許第４，７７９，１２６号
【特許文献５】米国特許第６，６６４，５６０号
【特許文献６】米国特許第６，７７０，９１１号
【特許文献７】米国特許第４，９４５，３９４号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「電子回路解析」（Ｗｉｌｅｙ社、１９８４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
炭化珪素サイリスタが匹敵する大きさを設定されたシリコンデバイスを超える向上した電力処理能力を提供することができるとはいえ、炭化珪素で大規模サイリスタを形成することは容易ではない。例えば、シリコンでは、サイリスタが実質的にウェーハと同じ寸法であるように、単一のサイリスタがウェーハ上に作られる。
【０００６】
しかし、欠陥のない炭化珪素ウェーハを製造することは、容易ではない。したがって、炭化珪素ウェーハ全体を消費するデバイスは、デバイスの中に組み込まれた欠陥を有する可能性があり、その性能が制限されることがある。
【０００７】
さらに、一様な光をデバイスの大きい表面領域に当てることが望ましいので、シリコンサイリスタの大きな寸法がこの種のデバイスのための光ドライバの設計を困難にする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施態様が、光起動ワイドバンドギャップバイポーラ電力スイッチング回路およびデバイスを提供する。光学ドライバ機構とバイポーラ電力処理回路との間のガルヴァニック絶縁が、高ノイズ余裕度、高速なスイッチターンオン、高温動作、高圧動作および光ファイバーケーブル、ライトパイプまたは空気あるいは別の媒体中の伝達を使用してスイッチを遠隔制御する能力を提供することができる。
【０００９】
本発明のいくつかの実施態様は、制御端子を含み、この制御端子に印加される制御信号に応答して負荷電流を出力するように構成されるワイドバンドギャップバイポーラパワースイッチングデバイスと、制御信号を発生し、かつスイッチングデバイスの制御端子に制御信号を供給するように構成されるドライバデバイスとを含む電子回路を提供する。スイッチングデバイスあるいはドライバデバイスのうち少なくとも１つが、それに対して当てられている光に応答して非伝導状態と伝導の状態との間で切り替えをするように構成される光学的に起動するデバイスを含むことができる。
【００１０】
この電子回路は、二次ドライバデバイスを更に含むことができる。ドライバデバイスによって生成される制御信号はこの二次ドライバデバイスの制御端子に供給されることができ、そして、二次ドライバデバイスは制御信号を増幅するように構成されることができる。
【００１１】
このドライバデバイスは、ベース、コレクタおよびエミッタを含むダーリントントランジスタ対を形成するように接続される少なくとも一対のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを含むことができる。ダーリントントランジスタ対のエミッタは、スイッチングデバイスの制御端子に接続されることができる。
【００１２】
スイッチングデバイスあるいはドライバデバイスのうち少なくとも１つが、炭化珪素バイポーラ接合トランジスタを含むことができる。さらに、スイッチングデバイスあるいはドライバデバイスのうち少なくとも１つが、ラッチ型スイッチングデバイスを含むことができる。
【００１３】
このラッチ型スイッチングデバイスは制御端子を有するサイリスタを含むことができ、そして、この電子回路はサイリスタの制御端子に接続され、かつ光信号に応答してサイリスタを非伝導状態に切り替えるのに十分な電流を供給するように構成される逆バイアス整流フォトダイオードを更に含むことができる。
【００１４】
本発明の別の一実施態様に従う電子回路は、アノードおよびカソードを有する光学起動ワイドバンドギャップサイリスタを含むドライバデバイスと、ベース、コレクタおよびエミッタを有する第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを含む一次デバイスとを含む。このサイリスタのカソードは第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのベースに接続されることができ、そして、このサイリスタのアノードおよび第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのコレクタは電源電圧に接続される。
【００１５】
この電子回路は、ベース、コレクタおよびエミッタを有する第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを含む二次ドライバデバイスを更に含むことができる。サイリスタのカソードが第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを通して第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのベースに接続されるように、そして、サイリスタ中を通過する電流が第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのベースに供給されることができるように、サイリスタのカソードが第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのベースに接続されることができ、そして、第２のワイドバンドギャップトランジスタのエミッタは第１のワイドバンドギャップトランジスタのベースに接続されることができる。
【００１６】
第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのエミッタは、接地にあるいは負荷抵抗に接続されることができる。
【００１７】
第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタは、ＮＰＮトランジスタを含むことができる。
【００１８】
この電子回路は、第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのエミッタに接続される中間段抵抗を更に含むことができる。この電子回路は、第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのコレクタと電源電圧との間に接続されるバイアス抵抗を更に含むことができる。
【００１９】
本発明の更なる実施態様に従う電子回路は、アノードおよびカソードを有する光起動ワイドバンドギャップサイリスタを含むドライバデバイスと、ベース、コレクタおよびエミッタを有する第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを含む一次デバイスとを含む。サイリスタのアノードは第１のワイドバンドギャップトランジスタのベースに接続されることができ、そして、サイリスタのカソードおよび第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのコレクタは負電源電圧に接続される。
【００２０】
第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのエミッタは、接地にあるいは負荷抵抗に接続されることができる。
【００２１】
この電子回路は、ベース、コレクタおよびエミッタを有する第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを含む二次ドライバデバイスを更に含むことができる。サイリスタのアノードが第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを通して第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのベースに接続されるように、サイリスタ中を通過する電流が第２の炭化珪素バイポーラトランジスタのベースから引き抜かれることができるように、サイリスタのアノードは第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタのベースに接続されることができる。
【００２２】
第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタは、ＰＮＰトランジスタを含むことができる。
【００２３】
本発明のなお更なる実施態様に従う電子回路が、アノード、カソードおよびゲートを有するワイドバンドギャップサイリスタを含む一次デバイスと、ベース、コレクタおよびエミッタを有するダーリントントランジスタ対を形成するように接続される第１の対のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを含むドライバデバイスとを含む。ダーリントントランジスタ対によって放出される電流がサイリスタの伝導状態を制御するためにサイリスタのゲートに与えられることができるように、このサイリスタのゲートはダーリントントランジスタ対のエミッタに接続されることができる。ダーリントントランジスタ対を形成するバイポーラトランジスタの対のうち少なくとも１つが、光起動フォトトランジスタを含むことができる。
【００２４】
ダーリントントランジスタ対のトランジスタの各々はＰＮＰトランジスタを含むことができ、そして、サイリスタのカソードおよびダーリントントランジスタのコレクタは負電源電圧に接続されることができる。
【００２５】
いくつかの実施態様において、ダーリントントランジスタ対のトランジスタの各々はＮＰＮトランジスタを含むことができ、そして、サイリスタのアノードおよびダーリントントランジスタのコレクタは正の電源電圧に接続されることができる。
【００２６】
本発明のいくつかの実施態様が、制御電流の印加で伝導状態と非伝導状態との間を切替えるように構成される一次バイポーラデバイス段と、制御電流を生成し、かつ一次バイポーラデバイス段に制御電流を供給するように構成されるバイポーラドライバ段とを含む個別ワイドバンドギャップ半導体デバイスを提供する。一次バイポーラデバイス段およびバイポーラドライバ段のうち少なくとも１つが、光起動ワイドバンドギャップスイッチングデバイスを含むことができる。
【００２７】
一次バイポーラデバイス段およびバイポーラドライバ段のうち少なくとも１つは、ラッチ型スイッチングデバイス、例えばサイリスタを含むことができる。
【００２８】
一次バイポーラデバイス段は、バイポーラドライバ段より大きな電流処理能力を有することができる。
【００２９】
バイポーラドライバ段は、一次バイポーラデバイス段の制御領域に制御電流を供給するように構成される光起動ドライバデバイスを含むことができる。この光起動ドライバデバイスは、一次バイポーラデバイス段の制御領域の側面によって規定される領域の中に形成されることができる。
【００３０】
このデバイスは、ドライバ段と一次バイポーラデバイス段との間に設けられ、かつ一次バイポーラデバイス段の制御領域に電流を供給するように構成される二次ドライバ段を更に含むことができる。
【００３１】
この光起動ドライバデバイスは二次ドライバデバイスの制御領域に電流を供給するように構成されることができ、そして、この光起動ドライバデバイスは二次ドライバデバイスの制御領域の側面によって少なくとも部分的に規定される領域の周辺内に形成されることができる。光起動ドライバデバイスおよび二次ドライバデバイスの双方が、一次バイポーラデバイス段の制御領域の側面によって少なくとも部分的に規定される領域の周辺内に形成されることができる。
【００３２】
バイポーラドライバ段、二次ドライバ段および一次バイポーラデバイス段は、共通コレクタ領域をドライバ段、二次ドライバ段および一次バイポーラデバイス段に形成する炭化珪素基板上に製造されるバイポーラ接合トランジスタを含むことができる。
【００３３】
この炭化珪素基板は第１の導電型を有することができ、そして、このデバイスは第１の導電型の反対側の第２の導電型を有する基板上のエピタキシャル層を更に含むことができる。分離された領域の各々がドライバ段、二次ドライバ段あるいは一次バイポーラデバイス段のうちの１つの制御領域を形成するように、エピタキシャル層は分離された領域の中にパターニングされることができる。
【００３４】
このデバイスは、ドライバ段、二次ドライバ段および一次バイポーラデバイス段のそれぞれの制御領域上にエミッタ領域を更に含むことができ、このエミッタ領域は第１の導電型を有する。ドライバ段、二次ドライバ段および一次バイポーラデバイス段の制御領域は、メサおよび／または注入分離によって分離されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施態様に従うデバイスおよび／または回路を例示する回路図である。
【図２】本発明の実施態様に従うデバイスおよび／または回路を例示する回路図である。
【図３】本発明の実施態様に従うデバイスおよび／または回路を例示する回路図である。
【図４】本発明の実施態様に従うデバイスおよび／または回路を例示する回路図である。
【図５】本発明の実施態様に従うデバイスおよび／または回路を例示する回路図である。
【図６】本発明の実施態様に従うデバイスおよび／または回路を例示する回路図である。
【図７】本発明の実施態様に従うデバイスおよび／または回路を例示する回路図である。
【図８】本発明のいくつかの実施態様に従う電子デバイスの概略平面図である。
【図９】図８の電子デバイスの概略断面図である。
【図１０】本発明の実施態様に従うデバイスおよび／または回路を例示する回路図である。
【図１１】本発明のいくつかの実施態様によって構成される回路のＤＣ特性のグラフである。
【図１２】本発明のいくつかの実施態様に従って構成される回路のターンオンスイッチング特性のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明は、本発明の実施態様が示される添付の図面を参照して以下により完全に記載される。本発明はしかし多くの異なる形式において実施されることができ、および本願明細書において記載される実施態様に限定されるように解釈されるべきでない。むしろ、これらの実施態様は、この開示が詳細で完全であり、かつ当業者に本発明の目的を十分に伝達するように、提供される。図面において、層および領域の寸法および相対的寸法は、明確にするため誇張されることがありえる。要素あるいは層が別の要素あるいは層「の上にある」「に接続されている」あるいは「に接続されている」と称される場合、それは他の要素あるいは層、の上に直接ある、それらに接続されている、あるいは接続されている、または、介在要素あるいは層が存在することができ、対照的に、要素あるいは層が別の要素あるいは層「の上に直接ある」「に直接接続されている」あるいは「に直接接続されている」と称される場合、何の介在要素あるいは層もない、ことは理解されよう。ここで使用しているように、用語「および／または」は、関連のリストされた項目の一つ以上のありとあらゆる組合せを含む。同じ数は、全体にわたって同じ要素を表す。
【００３７】
用語第１および第２がさまざまな領域、層および／または部分を記載するために本願明細書において使用されるとはいえ、これらの領域、層および／または部分がこれらの用語によって限定されるべきでないことは理解されよう。これらの用語は、１つの領域、層あるいは部分を別の領域、層あるいは部分から区別するために使用されるだけである。したがって、後述する第１の領域、層あるいは部分は、本発明の教示から逸脱することなく、第２の領域、層あるいは部分と呼ばれることができ、そして、同様に、第２の領域、層あるいは部分は、第１の領域、層あるいは部分と呼ばれることができる。
【００３８】
さらに、相対的用語、例えば「下部」「底部」および「上部」「最上部」は、図にて図示したように、１つの要素の別の要素に対する関係を記載するために本願明細書において使用されることができる。相対的用語は、図に描かれる方位に加えてデバイスの異なる方位を包含することを目的とする、ことは理解されよう。例えば、図のデバイスがひっくり返される場合、他の要素の「下部の」側面にあると記載される要素は、その時他の要素の「上部の」側面に位置を定められるだろう。例示的な用語「下部」は、したがって、図の特定の方位に従って「下部」および「上部」の双方の方位を包含する。同様に図のうちの１つのデバイスがひっくり返される場合、他の要素「より下に」あるいは「の下に」として記載されている要素は、その時他の要素「より上に」位置を定められるだろう。例示的な用語「より下に」あるいは「の下に」はしたがって、上および下の両方の方位を包含することができる。
【００３９】
本願明細書において用いられる用語は、具体例だけを記載するためにあって、本発明の限定を目的としない。ここで使用しているように、単数形「一つの」、「一つの」および「その」は、文脈が別の方法で明らかに示さない限り、同様に複数形を含むことを目的とする。更に、用語「含む」および／または「含む」は、この明細書において使用される場合、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素および／または構成要素の存在を指定するが、一つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素および／またはその群の存在あるいは追加を排除しない、と理解されよう。
【００４０】
特に、規定されない限り、一般に、本発明が帰属する技術の当業者によって理解されるように、本願明細書において用いられる（技術的および科学的用語を含む）全ての用語は同じ意味を有する。更に、例えば共通して使う辞書で規定されるもののような用語は、この開示および関連する技術の文脈においてそれらの意味と整合している意味を有するように解釈されるべきであり、そして、本願明細書において明示的にそのように規定されない限り、理想とされるかあまりに形式的意味において解釈されない、ことは理解されよう。
【００４１】
本明細書で用いられる用語「第ＩＩＩ族窒化物」は、窒素と周期律表第ＩＩＩ族の元素、通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）および／またはインジウム（Ｉｎ）との間で形成されるそのような半導性化合物を意味する。この用語はまた、例えばＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮなどの三元および四元化合物をも意味する。
【００４２】
図面を参照すると、図１から７および１０は、本発明に従う光起動パワースイッチング回路のさまざまな実施態様を例示している回路図である。本発明の実施態様に従うサイリスタを含むトランジスタは、３Ｃ、２Ｈ、４Ｈ、６Ｈおよび１５Ｒのポリタイプを有する炭化珪素から、あるいは電子デバイスを製造するために有用なさまざまなＩＩＩ属−窒素化合物材料のいずれかから形成されることができる。例示の実施態様において、ｎ＋およびｎ−領域、同じくｐ＋およびｐ−領域は、当業者によく理解される方法で同じ導電型材料のそれぞれ異なるドーピング濃度レベルを象徴するために「＋」および「−」を示されている。ここで使用しているように、「＋」および「−」指示が必ずしも、材料が一方では縮退しているか、あるいは他方では半絶縁である、ことを意味するというわけではない。ｐ型炭化珪素は、例えばアルミニウムあるいは硼素によってドープされることができ、そして、ｎ型炭化珪素は、例えば窒素あるいは燐によっておそらくドープされる。Ｐ型窒素化合物は、例えばマグネシウムによってドープされることができ、一方ｎ−型窒素化合物は、例えばシリコンによってドープされることができる。
【００４３】
図１は、本発明の実施態様に従う多段式光起動パワースイッチング回路１０の模式図である。回路１０は、ドライバトランジスタ１２および一次トランジスタ１４を含む。加えて、一つ以上の任意選択の二次ドライバトランジスタ１６が回路内に設けられることができる。図１に例示される実施態様において、ドライバトランジスタ１２はコレクタ、エミッタおよびドライバトランジスタ１２から直流電気的に絶縁される外部かあるいは一体化された紫外線源２０からの、紫外線の侵入を可能にするように構成される露出したベース領域を有するＮＰＮ−型フォトトランジスタである。ドライバトランジスタ１２のエミッタは、ドライバトランジスタ１２および二次ドライバトランジスタ１６がダーリントントランジスタ対１８を形成するように、任意選択の二次ドライバトランジスタ１６のベースに接続される。ダーリントントランジスタ動作は、公知技術であり、例えばＲ．Ｃｏｌｃｌａｓｅｒ著、非特許文献１の第１３章に記載されている。
【００４４】
ドライバトランジスタ１２から流れるエミッタ電流は、任意選択の二次ドライバトランジスタ１６によって増幅される。任意選択の二次ドライバトランジスタ１６から流れるエミッタ電流は、一次トランジスタ１４のベースに接続される。一次トランジスタ１４に印加されるベース電流は一次トランジスタ１４をオンさせ、電流がそのコレクタとエミッタ端子との間で一次トランジスタの中を流れることができる。
【００４５】
図１で示したように、追加された任意選択の二次ドライバトランジスタ１６はベースドライブ電流の更なる電流増幅のために含まれることができる。任意選択の二次ドライバトランジスタ１６を含まない実施態様において、ドライバトランジスタ１２から流れるエミッタ電流が一次トランジスタ１４のベースコンタクトに直接印加されることができることは理解されよう。
【００４６】
図１に例示される実施態様において、ドライバトランジスタ１２、一次トランジスタ１４および任意選択の二次ドライバトランジスタ１６のコレクタは、電源電圧（図示せず）に共通に接続されることができ、一方一次トランジスタ１４のエミッタは、接地あるいは負荷抵抗（図示せず）に接続されることができる。
【００４７】
ＵＶ源２０は、ドライバトランジスタ１２を導通させるのに充分なエネルギーを有する光を供給する。いくつかの実施態様において、ドライバトランジスタ１２の活性半導体層は、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）あるいは別のＩＩＩ属−窒素化合物材料などのワイドバンドギャップ材料を含む。ワイドバンドギャップ材料内に電子正孔対の形成を誘発するために、材料バンドギャップを超えるエネルギーを有する光、例えば紫外（ＵＶ）光が材料にあてられることができる。炭化珪素に対して、３．２５ｅＶ以上のエネルギー（すなわち約３８０ｎｍ以下の波長）を有する光が、使用されることができる。ＳｉＣより小さいバンドギャップを有する窒化ガリウムに対して、対応してより大きい波長の光が使用されることができる。紫外線は、紫外線発光ダイオードあるいはレーザダイオードあるいは他の適切な光源によって発生されることができる。紫外線発光ダイオードは、例えば本出願の譲受人に譲渡された「紫外線発光ダイオード」という名称の特許文献５に記載される。特許文献５は、ここにて全体として記載されるように組み込む。
【００４８】
紫外線源２０は、特許文献３にて説明したように、ドライバトランジスタ１２に一体化されて形成され、ハイブリッドの部品としてドライバトランジスタ１２と共に実装されるかあるいは別々の要素として設けられることができる。
【００４９】
ドライバトランジスタ１２が「オフ状態」（すなわち、電流がデバイスのコレクタとエミッタの間で流れない）にある場合、ベース電流は一次トランジスタ１４に供給されず、そして、一次トランジスタは「オフ状態」のままであり、コレクタ電圧を遮断する。
【００５０】
十分に強力な光がドライバトランジスタ１２に当てられる場合、電子正孔対がコレクタ／ベース接合に存在する空乏領域内に発生する。充分なキャリアがコレクタ−ベース接合の中で発生する場合、接合のエネルギーバリアは低下し、接合を順バイアスになるようにさせ、それがこのデバイスをオンにして、デバイスのコレクタとエミッタ間の電流の流れを可能にする。一旦ドライバトランジスタ１２がこの方法でオンにされると、ベース電流が一次トランジスタ１４に供給され、そのデバイスをオンにして、出力電流が流れるのを可能にする。
【００５１】
図２は、ドライバトランジスタ１２および任意選択の増幅トランジスタ１６がそれぞれそのエミッタに接続される抵抗性負荷１５Ａ、１５Ｂを含む本発明の実施態様を例示する。この種の中間段電気抵抗負荷は、ミラーキャパシタンスの高利得負荷の効果を減少させおよび／またはターンオフ時間を縮小することができる。図３は、ドライバトランジスタ１２および任意選択の二次ドライバトランジスタ１６が出力特性のベース接合オフセットを減少させるために抵抗１７Ａ、１７Ｂによってバイアスされる抵抗バイアスＢＪＴ構成を例示する。中間段抵抗１５Ａ、１５Ｂおよびバイアス抵抗１７Ａ、１７Ｂに対する適切な抵抗値の選択は、当業者にとって公知である。
【００５２】
図１に例示される実施態様の一態様は、充分なレベルの紫外線がデバイスに照射する間だけ、ドライバトランジスタ１２が「オン」状態にとどまり、デバイス中の導伝性を維持するために使用される電子正孔対を生成することができる。一旦光源がスイッチを切られると、ドライバトランジスタ１２はオフ状態に戻り、それは一次トランジスタ１４のスイッチを切らせて再び印加コレクタ電圧を遮断する。
【００５３】
用途によっては、光源がスイッチを切られた後でさえ、「オン」状態にとどまることが一次トランジスタ１４にとって望ましい場合がある。その場合、ドライバトランジスタ１２、二次ドライバトランジスタ１６および／または一次トランジスタ１４のうち少なくとも１つがラッチ型デバイス、例えばサイリスタを含むことが、望ましいであろう。
【００５４】
当業者に公知であるように、サイリスタは電流の流れのためのアノードとカソードおよびブロッキング状態から伝導状態に、そして、その逆に、デバイスを切替えるためのゲートを有する４−層ラッチ型スイッチングデバイスである。ゲートに印加される制御信号は、このデバイスを、電流がデバイスのアノードとカソードの間で自由に流れることができる伝導状態に「ラッチ」させる。制御信号が除去された後でさえ、デバイスは伝導状態にとどまる。
【００５５】
第１の制御信号に対して極性で反対側の第２の制御信号が、デバイスを「オフ」あるいはブロッキング状態に切替えて戻す。特定のワイドバンドギャップサイリスタ設計が下で更に詳細に論じられるとはいえ、光起動ワイドバンドギャップサイリスタの設計は従来技術において一般に公知である。例えば、本出願の譲受人に譲渡された「大面積炭化珪素デバイス」という名称の特許文献６が、光起動炭化珪素サイリスタの設計および製造を記載する。特許文献６は、ここにて全体として記載されるように組み込む。
【００５６】
図４は、一次スイッチングデバイスがワイドバンドギャップサイリスタを含む本発明の実施態様を例示する。図４にて図示したように、電子回路１１０はアノード、カソードおよびゲートを有するワイドバンドギャップサイリスタ１１４を含む。ワイドバンドギャップバイポーラＰＮＰフォトトランジスタ１１２は、ドライバトランジスタとして機能し、一方任意選択のＰＮＰ増幅トランジスタ１１６は、ベース、コレクタおよびエミッタを有するダーリントントランジスタ１１８を形成するようにドライバトランジスタ１１２に接続される。ダーリントントランジスタ対１１８が図４に例示されるが、ドライバトランジスタ１１２および／または任意選択の二次ドライバトランジスタ１１６が電気抵抗負荷および／またはバイアスネットワークを含むことができることは、上の図２および３の実施態様の記述を考慮して理解されよう。したがって、トランジスタ１１２、１１６は厳密な意味でダーリントン対として接続されないかもしれない。
【００５７】
ダーリントントランジスタ１１８のエミッタは、ダーリントントランジスタによって放出される電流がサイリスタ１１４の伝導状態を制御するためにサイリスタ１１４のゲートＧに供給されるように、サイリスタ１１４のゲートＧに接続される。サイリスタ１１４のカソードＫとダーリントントランジスタのコレクタは負電源電圧−Ｖに接続され、そして、サイリスタ１１４のアノードＡは接地にあるいは負荷抵抗（図示せず）に接続される。ドライバトランジスタ１１２は、光起動フォトトランジスタとすることができる。任意選択で、サイリスタ１１４は光起動することができ、この場合、トランジスタ１１２のゲートはまた、電源電圧−Ｖに接続されるであろう。
【００５８】
図４の実施態様において、ドライバフォトトランジスタ１１２に当てられる紫外線は、サイリスタ１１４に「オン」あるいは伝導状態への切り替えを生じさせる。例えば整流フォトダイオード１３０からの信号を用いて、適切な信号がサイリスタ１１４の端子に印加されるまで、サイリスタ１１４は「オン」状態にとどまる。この種の実施態様によって製造される回路は、光学手段によって完全に制御されることができる。例えば、それらは光起動トランジスタ１１２のゲートに印加される十分に強力な光パルスによって「オン」位置に切り替えられることができ、そして、逆バイアス整流フォトダイオード１３０に印加される十分に強力な光パルスによって「オフ状態」に切り替えられ、それは、サイリスタ１１４の自動的に継続するキャリア注入プロセスを中断し、それによって、サイリスタ１１４に、電流を導通することを中止させる。
【００５９】
図５は、図５に例示される回路２１０がＮＰＮドライバトランジスタ２１２および任意選択のＮＰＮ二次ドライバトランジスタ２１６を含むことを除いては、図４に関して記載される回路１１０に類似した電子回路２１０を例示する。本実施態様において、ドライバトランジスタ２１２と任意選択のＮＰＮ増幅トランジスタ２１６のコレクタ、同じくサイリスタ２１４のアノードＡは、正の電圧源＋Ｖに接続される。
【００６０】
図６は、本発明の更なる実施態様に従う電子回路３１０を例示する。電子回路３１０は、ドライバデバイスとして機能する光起動ワイドバンドギャップサイリスタ３１２を含む。サイリスタ３１２は、アノードＡおよびカソードＫを有し、カソードＫが負電源電圧−Ｖに接続され、そして、サイリスタ３１２中を通過する電流が増幅トランジスタ３１６のベースから引き抜かれるように、アノードＡが、任意選択のワイドバンドギャップＰＮＰバイポーラ形二次ドライバトランジスタ３１６のゲートに接続される。二次ドライバトランジスタ３１６のエミッタは、一次トランジスタ３１４のベースに接続されて、一次トランジスタ３１４のオン／オフ動作の状態を制御する制御信号を供給する。サイリスタ３１２のカソード、二次ドライバトランジスタ３１６のコレクタおよび一次トランジスタのコレクタは負電源電圧−Ｖに接続され、そして、一次トランジスタのエミッタは接地にあるいは負荷抵抗（図示せず）に接続される。
【００６１】
同様に、図７は二次ドライバトランジスタ４１６および一次トランジスタ４１４がＮＰＮトランジスタを含むことを除いては、図６の電子回路３１０に類似している電子回路４１０を例示する。図７に例示される実施態様において、サイリスタ４１２のアノードＡおよび二次ドライバトランジスタ４１６と一次トランジスタ４１４のコレクタは、正の電源＋Ｖに接続され、一方一次トランジスタ４１４のエミッタは接地あるいは負荷抵抗に接続される。
【００６２】
本発明の更なる実施態様が、図８に例示され、それは、その少なくとも１つの段が光起動トランジスタデバイスである、複数の相互に連結したトランジスタ段を有する製造された個別ワイドバンドギャップ半導体デバイス５０の平面図である。いくつかの実施態様において、個別半導体デバイス５０の少なくとも１つの段は、例えばサイリスタなどのラッチ型デバイスである。
【００６３】
いくつかの実施態様において、トランジスタ段のうちの少なくとも１つはトランジスタ段の別のものと比較してより大きな電流処理能力を有する。例えば、「オン」状態のデバイスの中を流れる電流の大部分が一次トランジスタを通過するので、一次トランジスタはドライバトランジスタより高い電流伝導能力を有することができる。
【００６４】
図８にて図示したように、個別半導体デバイス５０はドライバデバイスとして、任意選択の二次ドライバデバイスである第２のトランジスタデバイス５０Ｂの制御領域に電流を供給するように構成される第１の光起動トランジスタ５０Ａを含む。第１の光起動トランジスタ５０Ａの制御領域は、第２のトランジスタデバイス５０Ｂの制御領域の側面によって規定される領域内に形成される。いくつかの実施態様において、第２のトランジスタデバイス５０Ｂは一次トランジスタデバイス５０Ｃの制御領域に電流を供給するように構成される。ドライバおよび二次ドライバデバイス５０Ａ、５０Ｂの両方が、一次デバイス５０Ｃの制御領域の側面によって規定される領域内に形成される。デバイスの追加のあるいは更なるネスティングまたは配置が、達成されることができる。
【００６５】
図９は、図８の線Ａ−Ａに沿ってのデバイス５０の断面模式図であり、トランジスタデバイス５０Ａ、５０Ｂおよび５０Ｃ間の物理的な関係を示す。
【００６６】
いくつかの実施態様において、ドライバデバイス５０Ａ、二次ドライバデバイス５０Ｂおよび一次デバイス５０Ｃは、単一のｎ型４Ｈ炭化珪素基板５２上に製造されるバイポーラ接合トランジスタを含む。炭化珪素のバイポーラ接合トランジスタの設計・製造は、公知技術である。ＳｉＣバイポーラトランジスタは、例えば特許文献７に記載され、その開示は、ここにて全体として記載されるように組み込む。
【００６７】
図９にて図示したように、いくつかの実施態様に従うデバイスはドライバデバイス５０Ａ、二次ドライバデバイス５０Ｂおよび一次デバイス５０Ｃに対する共通コレクタ領域として作用するｎ型基板５２を含む。高度にドープされたｎ＋領域５３が、コレクタコンタクト領域として基板５２の片側の上に形成される。基板５２の上に形成されるｐ型エピタキシャル層５４は、各々の分離した領域がドライバデバイス５０Ａ、二次ドライバデバイス５０Ｂあるいは一次デバイス５０Ｃのうちの１つのベースあるいは制御領域を形成するように、分離領域５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃの中にパターニングされる。ドライバデバイス５０Ａのベース領域５４Ａは、二次ドライバデバイス５０Ｂのベース領域５４Ｂの側面によって少なくとも部分的に規定される領域内に形成される。同様に、二次ドライバデバイス５０Ｂのベース領域５４Ｂは一次デバイス５０Ｃのベース領域５４Ｃの側面によって少なくとも部分的に規定される領域内に形成される。Ｎ型のエピタキシャルエミッタ領域５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃが、それぞれｐ型領域５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃの上に形成される。ｐ型ベース領域５４Ａ−５４Ｃの分離は、図示するようにメサエッチングおよび／または注入分離によって達成されることができる。オーミックコンタクト５７Ａ、５７Ｂ、５７Ｃが、デバイスのエミッタ領域の上に形成される。共通コレクタオーミックコンタクト５６が、コレクタコンタクト領域５３上に設けられる。ベース領域５４Ｂ、５４Ｃは、それへのオーミックコンタクト５９Ｂ、５９Ｃの形成を容易にするために任意選択でｐ＋ベースコンタクト領域５８Ｂ、５８Ｃを含むことができる。デバイス５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃは、一体型のパワースイッチングデバイス５０を形成するために図９にて図示したように、相互接続されることができる。したがって、例えば、ドライバトランジスタ５０Ａのエミッタコンタクト５７Ａは二次ドライバトランジスタ５０Ｂのゲートコンタクト５９Ｂに接続される。同様に、二次ドライバトランジスタ５０Ｂのエミッタコンタクト５７Ｂは一次トランジスタデバイスの５０Ｃゲートコンタクト５９Ｂに接続される。
【００６８】
図１０は、本発明の実施態様に従って構成され、かつ個別デバイスを使用して作られる４段ダーリントンＢＪＴ回路５１０の接続品質を評価するために使用される試験構成を示す。回路５１０は、ドライバトランジスタとして働く光起動するフォトトランジスタ５１２を含む。ダーリントン構成で接続される一対の二次ドライバトランジスタ５１６Ａおよび５１６Ｂは、ドライバトランジスタ５１２からの電流出力を増幅して、一次トランジスタ５１４のベースに増幅された電流を供給する。４０オームの負荷抵抗Ｒおよび４０Ｖの電源Ｖが、テスト回路を完成させる。トランジスタ５１２、５１６Ａ、５１６Ｂおよび５１４は、炭化珪素で製造された。パルス駆動２６６ｎｍレーザーが、ＵＶ源５２０として使用された。
【００６９】
図１１は、図１０の４段ダーリントンＢＪＴ回路のＤＣ特性のグラフである。デバイスは、４００，０００を超えるピークＤＣ電流利得を呈した。
【００７０】
図１２は、図１０の４段ダーリントンＢＪＴ回路のターンオンスイッチング特性のグラフである。６ｎｓ未満のターンオン時間が、測定された。
【００７１】
図面および明細書において、本発明の典型的な実施態様が開示され、および、特定の用語が使用されているにもかかわらず、それらは、一般的で記述的な意味においてだけ使用され、かつ、限定のために使用されるものではなく、本発明の目的は以下の請求項に記載されている。
【図１】
2011258249.tif 000003
【図２】
2011258249.tif 000004
【図３】
2011258249.tif 000005
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年10月11日(2011.10.11)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御端子を含む一次ワイドバンドギャップスイッチングデバイスと、
ベースとコレクタとエミッタとを有するダーリントントランジスタ対を形成するように接続されたワイドギャップバイポーラトランジスタ対と、
を備え、
前記ダーリントントランジスタ対の前記エミッタは、前記一次ワイドバンドギャップスイッチングデバイスの前記制御端子に接続されて、前記ダーリントントランジスタ対によって放出される電流が、前記一次ワイドバンドギャップスイッチングデバイスの導通状態を制御し、
前記ダーリントントランジスタ対を形成する前記バイポーラトランジスタ対の少なくともひとつが、光起動フォトトランジスタを備えることを特徴とする電子回路。
【請求項２】
請求項１記載の電子回路において、前記ダーリントントランジスタ対の各トランジスタが、ＮＰＮトランジスタを含み、前記ダーリントントランジスタ対の前記コレクタが正の電圧源に接続されていることを特徴とする電子回路。
【請求項３】
請求項１記載の電子回路において、前記一次ワイドギャップスイッチングデバイスは、ラッチ型スイッチングデバイスを備えることを特徴とする電子回路。
【請求項４】
請求項１記載の電子回路において、前記一次ワイドギャップスイッチングデバイスは、サイリスタを備え、
前記電子回路は、更に、前記サイリスタの前記制御端子に接続されて、光信号に応じて前記サイリスタを非導通状態に切り替えるために十分な電流を供給するように構成された逆バイアス整流フォトダイオードを備える電子回路。
【請求項５】
請求項１記載の電子回路において、更に、前記ワイドギャップバイポーラトランジスタのエミッタに接続された抵抗負荷を備えることを特徴とする電子回路。
【請求項６】
請求項１記載の電子回路において、更に、前記ワイドギャップバイポーラトランジスタのコレクタに接続されたバイアス抵抗を更に備えることを特徴とする電子回路。
【請求項７】
アノードとカソードを有する光起動ワイドバンドギャップサイリスタを含むドライバデバイスと、
ベースとコレクタとエミッタとを有する第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを含む一次デバイスと、
を備えた電子回路において、
前記サイリスタの前記カソードは、前記第１のワイドバンドギャップトランジスタの前記ベースと接続され、
前記サイリスタの前記アノードと前記第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタの前記アノードとは、電圧源に接続されていることを特徴とする電子回路。
【請求項８】
請求項７記載の電子回路であって、更に、ベースとコレクタとエミッタとを有する第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを含む二次ドライバデバイスを備え、
前記サイリスタの前記カソードは、前記第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタの前記ベースに接続されて、前記サイリスタの前記カソードは、前記第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを通して前記第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタの前記ベースに接続されていると共に、前記サイリスタを流れる電流は、前記第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタの前記ベースに供給されて、前記第２のワイドバンドギャップトランジスタの前記エミッタは、前記第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタの前記ベースに接続されていることを特徴とする電子回路。
【請求項９】
請求項７記載の電子回路であって、前記第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタの前記エミッタは、接地または負荷抵抗に接続されていることを特徴とする電子回路。
【請求項１０】
請求項７記載の電子回路であって、前記第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタは、ＮＰＮトランジスタを備えることを特徴とする電子回路。
【請求項１１】
請求項８記載の電子回路であって、更に、前記第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタの前記エミッタに接続された中間段抵抗を備えることを特徴とする電子回路。
【請求項１２】
請求項８記載の電子回路であって、更に、前記第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタの前記コレクタと前記電圧源との間に接続されたバイアス抵抗を備えることを特徴とする電子回路。
【請求項１３】
アノードとカソードとを有する光起動ワイドバンドギャップサイリスタを含むドライバデバイスと、
ベースとコレクタとエミッタとを有する第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを含む一次デバイスと、
を備えた電子回路であって、
前記サイリスタの前記アノードは、前記第１のワイドバンドギャップトランジスタの前記ベースに接続されて、
前記サイリスタの前記カソードと前記第１のワイドバンドギャップトランジスタの前記コレクタとは、負の電圧源に接続されていることを特徴とする電子回路。
【請求項１４】
請求項１３記載の電子回路であって、前記第１のワイドバンドギャップトランジスタの前記エミッタは、接地または負荷抵抗に接続されていることを特徴とする電子回路。
【請求項１５】
請求項１３記載の電子回路であって、更に、ベースとコレクタとエミッタとを有する第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを含む二次ドライバデバイスを備え、
前記サイリスタの前記アノードは、前記第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタの前記ベースに接続されて、前記サイリスタの前記アノードは、前記第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタを通して前記第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタの前記ベースに接続されていると共に、前記サイリスタを流れる電流は、前記第２のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタの前記ベースから取り出されることを特徴とする電子回路。
【請求項１６】
請求項１３記載の電子回路において、前記第１のワイドバンドギャップバイポーラトランジスタは、ＰＮＰトランジスタを備えることを特徴とする電子回路。