(57)【要約】  ゲート駆動装置において、スイッチング素子を制御するゲート駆動能力を向上させる装置を提供する。  ゲート駆動装置は、ゲート制御信号発生器（１０４）と発振回路（１０５）とミキサ回路（１０６）で構成される信号送信部（１０１）とを有する。さらに正電圧出力用のダイオード（１０７）と第１のインダクタ（１０８）と第１のコンデンサ（１０９）で構成される正電圧を出力する整流回路と、負電圧出力用のダイオード（１１０）と第２のインダクタ（１１１）と第２のコンデンサ（１１２）で構成される負電圧を出力する整流回路と、プルダウン抵抗（１１３）で構成される信号受信部（１０２）とを有する。さらに電磁界共鳴結合器（１０３）を有し、信号受信部の整流回路用ダイオードのアノード電極が仕事関数の小さな金属で形成する。こうすることで、ゲート駆動装置の出力電圧振幅を向上することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信部と、受信部と、前記送信部と前記受信部との間に設けられた結合器とを有し、
前記送信部は、ダイオードを備えた発振器を有し、
前記受信部は、ダイオードを備えた整流回路を有し、
前記送信部のダイオードと前記受信部のダイオードとは、アノード電極が異なることを特徴とする、ゲート駆動装置。
【請求項２】
前記送信部のダイオードのアノード電極の仕事関数は、前記受信部のダイオードのアノード電極の仕事関数よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のゲート駆動装置。
【請求項３】
送信部と、受信部と、前記送信部と前記受信部との間に設けられた結合器とを有し、
前記受信部は、第１のダイオードを備えた第１の整流回路と、第２のダイオードを備えた第２の整流回路とを有し、
前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとは、アノード電極が異なることを特徴とする、ゲート駆動装置。
【請求項４】
前記受信部は、正電圧を出力する第１の整流回路と、負電圧を出力する第２の整流回路とを有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のゲート駆動装置。
【請求項５】
前記第１のダイオードのアノード電極の仕事関数は、前記第２のダイオードのアノード電極の仕事関数よりも大きいことを特徴とする、請求項３または４に記載のゲート駆動装置。
【請求項６】
前記送信部は、発振器と、ゲート制御信号生成器と、ミキサとを備え、
前記発振器はキャリア信号を生成し、
前記ゲート制御信号生成器は、ゲート駆動信号を生成し、
前記ミキサは、前記キャリア信号と前記ゲート制御信号とを重畳して重畳信号を生成し、かつ正電圧出力用信号と負電圧出力用信号を生成することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のゲート駆動装置。
【請求項７】
前記ダイオードは、
基板と、前記基板上に順次形成された、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層、キャリア走行層およびバリア層と、
前記キャリア走行層または前記バリア層上に形成されたカソード電極及びアノード電極を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のゲート駆動装置。
【請求項８】
前記ダイオードのうち、前記整流回路に用いられるダイオードは、前記アノード電極の一部にバリア層を貫通しキャリア走行層に達するリセス構造を有することを特徴とする請求項７に記載のゲート駆動装置。
【請求項９】
前記発振器は、
基板上に形成された窒化物半導体からなるバッファ層、キャリア走行層、バリア層で構成される半導体層と、
前記半導体層の上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を有するトランジスタを備えることを特徴とする請求項７または８に記載のゲート駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスイッチング素子を制御するゲート駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子のゲート駆動装置（半導体素子を駆動する回路）とは、パワー半導体と呼ばれるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの高耐圧のスイッチング素子のゲート端子にゲート電圧を印加することによって、パワー半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する回路のことである。【０００３】
このゲート駆動装置は、パワー半導体の基準電圧つまり、ゲート駆動回路の出力側の基準電位が非常に高くなるため、ゲート駆動回路の制御信号入力部である１次側と、スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路の出力側（２次側）との間で直流成分の絶縁が必要となってくる。特にパワー半導体スイッチング素子を駆動するには、外部に絶縁電源が必要であり、ゲート駆動システムは非常に大型になる。このため、ゲート信号を絶縁するだけでなく、絶縁した電力をゲートに供給できるようになれば、外部絶縁電源も不要で、システムの小型化が実現できるようになる。【０００４】
このような信号絶縁機能を実現する回路構成として、電磁界共鳴結合器（または電磁界共振結合器とも呼ぶ）などの非接触信号伝送部を介して分離する構成（非特許文献１）がある。【０００５】
ＩＧＢＴに代表されるパワー半導体スイッチング素子を駆動するためには、少なくとも十数ボルト程度の電圧振幅を必要とするため、大きな電力を受信側に伝達する必要がある。【０００６】
そこで、近年、ＧａＮに代表される窒化物半導体が注目されている。ＧａＮ及びＡｌＮのバンドギャップは、それぞれ室温で３．４ｅＶ、６．２ｅＶと大きいため、絶縁破壊電界が大きい。さらに、ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造においては（０００１）面上にて自発分極及びピエゾ分極によりヘテロ界面に電荷が生じ、アンドープ時においても１×１０１３ｃｍ−２以上の高密度のシートキャリア濃度が得られる。そのため、ヘテロ界面での２次元電子ガス（２ＤＥＧ：２  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ）を利用したダイオードやヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ：Ｈｅｔｅｒｏ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が実現できる。【０００７】
しかしながら、ゲート駆動装置の信号受信部で用いられる整流用ダイオードの閾値電圧が高いと出力電圧振幅が小さくなりスイッチング素子を十分に駆動できなくなるといった課題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｓ．  Ｎａｇａｉ，ｅｔ  ａｌ．：“Ａ  ＤＣ−Ｉｓｏｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ  ＩＣ  ｗｉｔｈ      Ｄｒｉｖｅ−ｂｙ−Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ”，  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ  （ＩＳＳＣＣ），  ｐｐ．４０４-４０６  ２０１２．
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、整流用ダイオードの閾値電圧を下げることで出力電圧振幅を大きくすることができるゲート駆動装置、特に絶縁型ゲート駆動装置を提供することを目的とする。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のゲート駆動装置は、送信部と、受信部と、送信部と受信部との間に設けられた結合器とを有し、送信部は、ダイオードを備えた発振器を有し、受信部は、ダイオードを備えた整流回路を有し、送信部のダイオードと受信部のダイオードとは、アノード電極が異なるものである。
【００１１】
この構成により、受信部のダイオードの閾値電圧を送信部のダイオードの閾値電圧と異ならせることができ、それにより受信部の特性を向上させることができる。
【００１２】
本発明のゲート駆動装置は、さらに送信部のダイオードのアノード電極の仕事関数は、受信部のダイオードのアノード電極の仕事関数よりも大きいことが好ましい。この好ましい構成によれは、受信部のダイオードの閾値電圧が低下することで受信部のオン抵抗を低減することができ、出力電圧振幅を増加させることができる。つまり、ゲート駆動能力を向上させることができる。
【００１３】
本発明のゲート駆動装置は、送信部と、受信部と、送信部と受信部との間に設けられた結合器とを有し、受信部は、第１のダイオードを備えた第１の整流回路と、第２のダイオードを備えた第２の整流回路とを有し、第１のダイオードと第２のダイオードとは、アノード電極が異なるものである。
【００１４】
この構成により、第２のダイオードの閾値電圧を第１のダイオードの閾値電圧と異ならせることができ、それにより整流回路の特性を向上させることができる。
【００１５】
本発明のゲート駆動装置は、さらに受信部は、正電圧を出力する第１の整流回路と、負電圧を出力する第２の整流回路とを有することが好ましい。
【００１６】
本発明のゲート駆動装置は、さらに第１のダイオードのアノード電極の仕事関数は、第２のダイオードのアノード電極の仕事関数よりも大きいことが好ましい。この好ましい構成によれば、第２の整流用ダイオードの閾値電圧が低下することで第２の整流回路のオン抵抗を低減する事ができ、出力電圧振幅を増加させることができる。つまり、ゲート駆動能力を向上させることができる。
【００１７】
本発明のゲート駆動装置は、さらに送信部は、ゲート制御信号生成器と、ミキサと、正電圧出力回路と、負電圧出力回路とを備え、発振器はキャリア信号を生成し、ゲート制御信号生成器は、ゲート駆動信号を生成し、ミキサは、キャリア信号とゲート駆動信号とを重畳して重畳信号を生成し、かつ正電圧出力用信号と負電圧出力用信号とを生成することが好ましい。
【００１８】
本発明のゲート駆動装置は、さらにダイオードは、基板と、基板上に順次形成された、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層、キャリア走行層およびバリア層と、キャリア走行層またはバリア層上に形成されたカソード電極及びアノード電極を有することが好ましい。
【００１９】
本発明のゲート駆動装置は、さらにダイオードのうち、整流回路に用いられるダイオードは、アノード電極の一部にバリア層を貫通しキャリア走行層に達するリセス構造を有することが好ましい。この好ましい構成によれば、整流回路に使用されるダイオードの容量を低減することが可能となり、整流用ダイオードのスイッチング速度を向上することが可能となる。
【００２０】
本発明のゲート駆動装置は、さらに発振器は、基板上に形成された窒化物半導体からなるバッファ層、キャリア走行層、バリア層で構成される半導体層と、半導体層上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を有するトランジスタを備えることが好ましい。
【００２１】
本発明のゲート駆動装置によれば、ダイオードのオン抵抗かつ容量を低減することで出力電圧振幅を大きくすることができるため、スイッチング素子の駆動能力を向上するゲート駆動装置を提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態におけるゲート駆動装置の構成図。
【図２】同実施形態におけるトランジスタの断面図。
【図３】同ダイオードの断面図。
【図４Ａ】同トランジスタ及びダイオードのプロセスフローを示す断面図。
【図４Ｂ】同トランジスタ及びダイオードのプロセスフローを示す断面図。
【図４Ｃ】同トランジスタ及びダイオードのプロセスフローを示す断面図。
【図４Ｄ】同トランジスタ及びダイオードのプロセスフローを示す断面図。
【図４Ｅ】同トランジスタ及びダイオードのプロセスフローを示す断面図。
【図４Ｆ】同トランジスタ及びダイオードのプロセスフローを示す断面図。
【図５】同ダイオードの電流電圧特性を示す図。
【図６】同ゲート駆動装置の出力電圧特性を評価した結果を示す図。
【図７】本発明の実施形態におけるゲート駆動装置の第１変形例を示す構成図。
【図８Ａ】本発明の実施形態におけるダイオードの第２変形例の構造Ａに関する断面図。
【図８Ｂ】本発明の実施形態におけるダイオードの第２変形例の構造Ｂに関する断面図。
【図９】第２変形例のダイオードのＣ−Ｖ特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（実施の形態）
（１）ゲート駆動装置の回路構成
図１は、本発明のゲート駆動装置のブロック図を示す。ゲート駆動装置１００は、信号送信部１０１（１次側）と信号受信部１０２（２次側）と電磁界共鳴結合器１０３から構成され、信号受信部１０２で使用される整流用ダイオードのアノード電極は、信号送信部１０１で使用されるトランジスタのゲート電極やダイオードのアノード電極より仕事関数の小さな金属を適用することを特徴とする。
【００２５】
信号送信部１０１（１次側）は、ゲート制御信号発生器１０４と発振回路１０５とミキサ回路１０６で構成され、発振回路１０５とミキサ回路１０６は、窒化物半導体を用いた同一基板上に形成される。また、詳細は後述するが、ゲート制御信号発生器１０４を除く信号送信部１０１および信号受信部１０２で使用されるトランジスタとダイオードの断面図及びプロセスフローについて図２、図３、図４Ａ〜図４Ｆにそれぞれ示される。なお、各回路の信号波形（ＰＷＭ信号１２０の波形、Ａ点での重畳した信号波形１２１、Ｂ点での重畳した信号波形１２２、Ｃ点での整流した信号波形１２３、Ｄ点での整流した信号波形１２４およびＥ点でのゲート制御信号１２５の波形）を図１に併せて示す。
【００２６】
ゲート制御信号発生器１０４は、ＰＷＭ信号１２０が用いられ、１０ｋＨｚ程度の低い周波数のパルス信号を発生するデバイスを用いている。
【００２７】
発振回路１０５は、トランジスタ、インダクタ、平行平板型のキャパシタと発振周波数の調整を行うため容量可変のダイオードを内蔵し、２〜６ＧＨｚ程度のキャリア信号を生成する。発振器に用いられるダイオードは、周波数の調整可能範囲を大きくするため容量変化の大きいものが好まれる。このため、バリア層を貫通するリセス構造を用いるのではなく、バリア層の一部をエッチングしたリセス構造あるいはリセス構造を形成しなくても良い。こうすることで、容量変化が大きくなり周波数の可変範囲を広げることができる。また、並行平板型のキャパシタをトリミングして発振周波数の調整を行うとしても良い。
【００２８】
ミキサ回路１０６は、トランジスタ、インダクタ、平行平板型のキャパシタで構成され、ＰＷＭ信号１２０とキャリア信号を重畳して、電磁界共鳴結合器１０３に信号と電力を供給する。ここで、スイッチング素子を高速動作させるためには、高速にオンするだけではなく高速にオフする必要がある。そのため、ＰＷＭ信号１２０とキャリア信号とを重畳した信号を正電圧出力系統（Ａ点での重畳した信号波形１２１）と負電圧出力系統（Ｂ点での重畳した信号波形１２２）の２系統に出力できる構成となっている。このような構成とすることで、オフ時にスイッチング素子のゲート端子に負電圧を供給し、ゲート端子の電荷を素早く引き抜くことが可能となる。
【００２９】
電磁界共鳴結合器１０３は、送信側の重畳した信号と電力を受信側へ伝達する役割を果たす。
【００３０】
信号受信部１０２は、正電圧出力用のダイオード１０７と第１のインダクタ１０８と第１のコンデンサ１０９から構成される正電圧出力用整流回路と、負電圧出力用のダイオード１１０と第２のインダクタ１１１と第２のコンデンサ１１２から構成される負電圧出力用整流回路とプルダウン抵抗１１３から構成される。
【００３１】
プルダウン抵抗１１３は、ゲート駆動装置１００の出力端子に様々な負荷が接続された場合でも、整流回路の出力側のインピーダンスを安定させる役目を果たし、良好な出力が得られる。なお、プルダウン抵抗１１３は無くてもゲート駆動装置１００は動作する。
【００３２】
信号受信部１０２はＡ点での重畳した信号波形１２１およびＢ点での重畳した信号波形１２２を重畳した信号を受け取った後、正電圧出力用整流回路１１６と負電圧出力用整流回路１１７の２系統に分配する。正電圧出力用整流回路１１６における信号は、Ｃ点での整流した信号波形１２３で表され、負電圧出力用整流回路１１７における信号は、Ｄ点での整流した信号波形１２４で表される。そしてＣ点での整流した信号波形１２３とＤ点での整流した信号波形１２４とを重畳した信号はゲート制御信号１２５となる。
【００３３】
スイッチング素子１３０に供給されるゲート制御信号１２５は、Ｅ点において図１の信号波形に示すように正電圧側が大きく、負電圧側が小さくなるようになっている。負電圧出力は、スイッチング素子のゲート電荷を引き抜くためだけに使用されるため、数Ｖ程度の出力電圧であればよい。
【００３４】
負電圧出力用整流回路の負電圧出力用のダイオード１１０は、大きな正電圧出力信号が出力された際にダイオードがオンしないように直列に多段接続した構成となっている。
【００３５】
（２）トランジスタとダイオードの構成について
次に、本発明に用いられるトランジスタとダイオードについて説明する。
【００３６】
図２は、本発明にかかるトランジスタの断面図であり、図３は本発明にかかるショットキーダイオードの断面図である。
【００３７】
本発明に係るトランジスタ１２は、図２に示すように、主面の面方位を（１１１）としたＳｉよりなる基板１の上に、窒化物半導体よりなるバッファ層２、層厚が１μｍのアンドープＧａＮからなるキャリア走行層３、層厚が２５ｎｍのアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるバリア層４が順次形成された積層体を有し、さらにバリア層４の上にゲート電極９が形成されている。そしてバリア層４の一部をキャリア走行層３に達するまで除去した領域が２箇所形成され、それぞれの領域にソース電極６およびドレイン電極７が形成されている。
【００３８】
また、本発明に係るダイオード１３は、図３に示すように、主面の面方位を（１１１）としたＳｉよりなる基板１の上に、窒化物半導体よりなるバッファ層２、層厚が１μｍのアンドープＧａＮからなるキャリア走行層３、層厚が２５ｎｍのアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるバリア層４が順次形成された積層体を有する。そしてバリア層４の一部をキャリア走行層３に達するまで除去した領域が２箇所形成され、それぞれの領域にカソード電極８およびアノード電極１０が形成されている。
【００３９】
ここで「アンドープ」とは、不純物が意図的に導入されていないことを意味するものとする（「アンドープ」の定義は以下においても同じである）。なお、バッファ層２、キャリア走行層３およびバリア層４の主面の面方位は（０００１）である。
【００４０】
キャリア走行層３とバリア層４との界面近傍（キャリア走行層３側）には２次元電子ガス層５（２−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｇａｓ、略して２ＤＥＧ）が形成されている。なお、２ＤＥＧのキャリア移動度を向上するためキャリア走行層３とバリア層４の間に層厚が１ｎｍのＡｌＮからなるスペーサ層を設けるとしても良い。
【００４１】
（３）トランジスタおよびダイオードのプロセスフローについて
本発明にかかるトランジスタおよびダイオードのプロセスフローについて、図４を用いて説明する。
【００４２】
まず、主面の面方位を（１１１）としたＳｉよりなる基板１の上に、窒化物半導体よりなるバッファ層２、層厚が１μｍのアンドープＧａＮからなるキャリア走行層３、層厚が２５ｎｍのアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるバリア層４を順次形成する（図４Ａ）。
【００４３】
キャリア走行層３とバリア層４との界面近傍（キャリア走行層３側）には２次元電子ガス層５（２−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｇａｓ、略して２ＤＥＧ）が形成されている。
【００４４】
バリア層４に対し所定の位置にキャリア走行層３に達するまでアルゴンなどのイオンを注入し素子分離領域１１を形成する（図４Ｂ）。
【００４５】
バリア層４に対し所定の位置にキャリア走行層３に達するまでエッチングしてリセス構造を形成する（図４Ｃ）。
【００４６】
トランジスタは、リセス構造を覆うようにＴｉとＡｌとの多層膜よりなるソース電極６及びドレイン電極７を、ダイオードはカソード領域に形成されたリセス領域を覆うようにカソード電極８を形成する（図４Ｄ）。本実施の形態においてソース電極６、ドレイン電極７及びカソード電極８は２次元電子ガス層５に対しオーミック接触するよう適切なアニールを施している。なお、リセス構造はバリア層４の途中であっても良く、また、必ずしもリセス構造を設けなくてもよい。
【００４７】
トランジスタは、バリア層４の上かつソース電極６とドレイン電極７との間にＮｉとＡｕとの多層膜よりなるゲート電極９を形成する（図４Ｅ）。一方、信号受信部１０２の整流回路に用いられるダイオードは、アノード領域に形成されたリセスを覆うようにＴｉとＡｕとの多層膜よりなるアノード電極１０を形成する（図４Ｆ）。なお、信号送信部１０１の発振回路１０５に用いられるダイオードのアノード電極は、ＮｉとＡｕとの多層膜よりなる電極を形成する。本実施の形態においてゲート電極９及びアノード電極１０は半導体とショットキー接触している。ここで、ショットキー接合を形成する金属の仕事関数は、トランジスタに用いたＮｉが５．２ｅＶ程度で、ダイオードに用いたＴｉが４．２ｅＶ程度である。電子に対するショットキー障壁高さは、半導体の電子親和力と金属の仕事関数により決まるので、仕事関数の大きな金属を用いた場合は、ショットキー障壁高さが高くなり、電流が流れ出すまでの順方向バイアス（ショットキー電極側に正電圧、オーミック電極側を接地）が高くなる。トランジスタは、順方向バイアス時にゲート電流が流れるのは好ましくないので、実施例のように大きな仕事関数の金属を選択する。一方、ダイオードは、低い閾値電圧の方がオン抵抗を改善できるため損失を抑制することができるので、仕事関数の小さなＴｉを適用する。
【００４８】
（４）整流回路に用いられるダイオードについて
整流回路に用いられるダイオードは、オン抵抗が低いほど損失が少なく良好な整流特性を示す。ダイオードのオン抵抗を下げるためには、チャネル抵抗やオーミック電極のコンタクト抵抗を下げるか、ダイオードの閾値電圧を下げる必要がある。しかしながら、チャネル抵抗はエピ構造で決まっており、コンタクト抵抗は、最適化されており更なる低減が容易ではない。そこで、整流回路のダイオードの閾値電圧を下げる検討を行った。具体的には、トランジスタや発振器のダイオードに用いている仕事関数の大きなＮｉと、仕事関数の小さなＴｉをアノード電極に適用し、ダイオードの順方向特性を評価した。その結果を図５に示す。Ｔｉをアノード電極に適用したダイオードは、Ｎｉをアノード電極に適用したダイオードと比べて閾値電圧が０．４Ｖ程度低下することで、同じ電圧で比較した場合、０．１Ａ／ｍｍ以上順方向電流が増加し、オン抵抗が改善した。トランジスタにこれらの電極を適用し、２端子測定を行ったときの結果も同様の効果が見られた。順方向特性の評価より求めた閾値電圧とショットキー障壁高さを表１に示す。表１より、仕事関数の小さなＴｉを用いることで、ショットキー障壁高さが小さくなり、その結果、閾値電圧が低くなることがわかった。
【００４９】
【表１】
2015059854.tif 000003
【００５０】
なお、表１において、Ｖｔｈは閾値電圧（単位はＶ）を表し、ΦＢはショットキー障壁高さ（単位はｅＶ）を表す。
【００５１】
（５）ゲート駆動装置の評価
次に、仕事関数の異なるアノード電極を適用したゲート駆動装置を作製した。作製したゲート駆動装置としては、正電圧出力用整流回路のダイオード１０７のアノード電極および負電圧出力用整流回路のダイオード１１０のアノード電極にＮｉ系電極を用いた場合（装置Ａ）、正電圧出力用整流回路のダイオード１０７のアノード電極にＮｉ系電極、負電圧出力用整流回路のダイオード１１０のアノード電極にＴｉ系電極を用いた場合（装置Ｂ）、正電圧出力用整流回路のダイオード１０７のアノード電極にＴｉ電極を用いた場合、負電圧出力用整流回路のダイオード１１０のアノード電極にＮｉ系電極を用いた場合（装置Ｃ）、および正電圧出力用整流回路のダイオード１０７のアノード電極および負電圧出力用整流回路のダイオード１１０のアノード電極にＴｉ系電極を用いた場合（装置Ｄ）の４種類である。
【００５２】
装置Ａ〜Ｄの特性について、以下に説明する。表２は、装置Ａ〜Ｄに関する出力電圧振幅の大きさを評価した結果である。表２中「正電圧」とあるのは正電圧出力用整流回路、「負電圧」とあるのは負電圧出力用整流回路を示す。
【００５３】
【表２】
2015059854.tif 000004
【００５４】
図６は、本発明のゲート駆動装置である装置Ａおよび装置Ｄの出力電圧特性を評価し、比較した結果を示す。図６中「正電圧」とあるのは正電圧出力用整流回路の出力電圧振幅の大きさを示し、「負電圧」とあるのは負電圧出力用整流回路の出力電圧振幅の大きさを示す。キャリア信号となる発振回路１０５の発振周波数は２．９ＧＨｚとした。すなわち、図６の結果は、発振周波数が２．９ＧＨｚの信号に対する結果である。
【００５５】
表２および図６の結果より、装置Ｄは装置Ａと比較して正電圧出力用整流回路として０．３４Ｖ、負電圧出力用整流回路として０．４Ｖ出力電圧振幅が大きくなった。すなわち、Ｔｉ系のアノード電極を用いることで、Ｎｉ系のアノード電極を用いる場合と比べて出力電圧振幅が０．３〜０．４Ｖ増加した。特に負電圧出力用整流回路は、ダイオードを多段に直列に接続するため、閾値電圧が低くなる効果が大きく電圧振幅が５倍になった。このように、信号受信部１０２のダイオードに用いられているアノード電極に仕事関数の小さな金属を適用することで、出力電圧振幅を向上することができる。
【００５６】
なお、表２の結果より明らかなように信号受信部１０２で用いる負電圧出力用のダイオード１１０のアノード電極のみ仕事関数の小さな金属（例えばＴｉ系）を適用するとしても良い。このようにすることで、負電圧出力を大幅に向上することができる。
【００５７】
（第１変形例）
本発明のゲート駆動装置の一変形例について図７に示す。図７において、図１と同様の構成については同じ番号を付与している。図７に示すゲート駆動装置１００は、信号受信部１０２の正電圧出力用整流回路１１６と負電圧出力用整流回路１１７をトランジスタ１１４と抵抗素子１１５を用いたスイッチで切り替える構造としている。この構成においても上記実施形態と同様の効果が得られ、上述のように、整流回路のアノード電極に仕事関数の小さな金属を用いることで出力電圧特性を改善することができる。
【００５８】
なお、図７では、トランジスタ１１４のゲート入力を接地（ＧＮＤ）に接続しているが、外部から信号を与えて直接にトランジスタ１１４を制御するとしても良い。
【００５９】
（第２変形例）
なお、発振回路１０５に用いられるダイオードは、容量を変化させて発振周波数を調整するため、バリア層４を残したリセス構造あるいは、リセス構造が無くてもよい。
【００６０】
本発明のゲート駆動装置の第２変形例は、ゲート駆動装置に用いるダイオードの構成に関するものである。このダイオードに関する構成および特性について図８および図９を用いて説明する。
【００６１】
図８Ａ、図８Ｂは、バリア層４を除去しキャリア走行層３まで達するリセス構造を持つダイオード（図８Ａ、構造Ａ）と、バリア層４の途中までエッチングしたダイオード（図８Ｂ、構造Ｂ）を示し、図９は、図８Ａ、図８Ｂに示すダイオードの容量測定結果を示す。なお、図９の縦軸のＥは１０のべき乗を表す。例えば、１．０Ｅ−１３は、１．０×１０−１３を表す。図９に示すように、構造Ａのダイオードは、バイアス条件が０Ｖにおいてアノード電極直下に２ＤＥＧが形成されないため大幅に容量を低減する事ができる。このため、構造Ａは整流回路に適している。一方、構造Ｂのダイオードは、０Ｖにおいてアノード電極直下に２ＤＥＧが形成されるため容量が大きくなり、発振回路１０５の可変容量用ダイオードに適している。
【００６２】
（層構造に関する可能な例）
なお、上記実施の形態において基板１としてはＳｉ基板以外にＧａＮ基板やサファイア基板、スピネル基板を用いることができる。また、基板１の面方位は（１１１）面に限らず（００１）面を用いることができる。また、ＧａＮ基板やサファイア基板のような六方晶基板を用いた場合は、主にｃ面（（０００１）面）を用いるが、ｃ面に限らずｍ面やｒ面を用いることが可能である。
【００６３】
また、バッファ層２の層厚としては、０．５μｍ〜５μｍであることが好ましく、キャリア走行層３の層厚としては０．５μｍ〜３μｍであることが好ましい。バリア層４の層厚は、１ｎｍ〜８０ｎｍの範囲であることが好ましい。ここで、「〜」で示される範囲は、「以上、以下」を示す。例えば、１ｎｍ〜８０ｎｍとは、「１ｎｍ以上、８０ｎｍ以下」を表す。
【００６４】
また、バッファ層２、キャリア走行層３、バリア層４の組成は上記に限られない。たとえば、バッファ層２としてＡｌＮ以外にＧａＮを用いることも、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）やＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いることができる。キャリア走行層３としてはＧａＮ以外にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）やＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いることができる。
【００６５】
（電極構造に関する可能な例）
なお、ソース電極６、ドレイン電極７及びカソード電極８はＴｉとＡｌとの多層構造に限らず、他の金属、例えばＨｆ、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｎｂなどを用いることができる。
【００６６】
また、ゲート電極９はＮｉとＡｕとの多層構造に限らず、半導体と金属が形成するショットキー障壁が大きくなる仕事関数の大きな金属であればよく、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒのうちどれか１つが半導体と接触すればよい。
【００６７】
また、アノード電極１０はＴｉとＡｕとの多層構造に限らず仕事関数の小さな金属であれば良くＴａ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏのうちどれか１つの金属が半導体と接触すれば良い。
【００６８】
電極に用いられる金属の仕事関数を、表３に示す。
【００６９】
【表３】
2015059854.tif 000005
【００７０】
表３より、仕事関数の大きな金属として、仕事関数が５ｅＶ以上の金属を用いればよく、仕事関数の小さな金属として、仕事関数が５ｅＶ未満の金属を用いればよいことがわかった。
【００７１】
なお、トランジスタのゲート制御性を向上させるため、ゲート領域の一部分についてバリア層４の一部をエッチングしてリセス構造を形成し、リセス部を覆うようにゲート電極９を形成するとしても良い。なお、ダイオードのリセス構造は、バリア層４の途中であっても良く、また、必ずしもリセス構造を設けなくてもよい。但し、本発明の構造が、低オン抵抗と低容量化を実現することができる。
【００７２】
（信号受信部の他の例）
なお、上記実施の形態において信号受信部１０２は、正電圧と負電圧の出力系統を有するとしたが、正電圧のみを出力する構成でも良い。
【００７３】
（その他の可能な例）
なお、発振器の周波数調整用に用いられる容量可変ダイオードのアノード電極は、仕事関数の小さなＴｉ電極を用いなくともよく、むしろ仕事関数の高い金属が好ましい。また、リセス構造は形成しなくとも良く、バリア層の途中までエッチングしたリセス構造としても良い。
【００７４】
なお、トランジスタやダイオードの形成過程のみを記載しているが、実際は、キャパシタやスパイラルインダクタを保護膜や配線を利用して形成しても良い。
【００７５】
また、電磁界共鳴結合器の送信側あるいは受信側を信号送信部（１次側）１０１あるいは信号受信部（２次側）１０２の同一基板上に作製するとしてもよい。
【００７６】
なお、信号送信部１０１の発振回路１０５とミキサ回路１０６と電磁界共鳴結合器１０３の送信側を同一基板上に形成し、信号受信部１０２を同一基板とし、電磁界共鳴結合器１０３の受信部をセラミックやサファイアなどの誘電損失の小さな基板を用いて作製し、それぞれ別チップ構成としても良い。また、信号送信部１０１の発振回路１０５とミキサ回路１０６と電磁界共鳴結合器１０３の送信側と信号受信部１０２を同一基板に集積し、電磁界共鳴結合器１０３の受信部をセラミックやサファイアなどの誘電損失の小さな基板を用いて作製しても良い。
【００７７】
なお、ＧａＮのデバイス構造を重点的に記載したが、ＧａＡｓやＳｉ系デバイスでも同様に、信号受信部１０２のダイオードのアノード電極を仕事関数の低い金属とすることで同様の結果が得られると考える。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明のゲート駆動装置は、民生機器や車載関連の電源回路で用いられるゲート駆動装置として有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１      基板
２      バッファ層
３      キャリア走行層
４      バリア層
５      ２次元電子ガス層
６      ソース電極
７      ドレイン電極
８      カソード電極
９      ゲート電極
１０    アノード電極
１１    素子分離領域
１２    トランジスタ
１３    ダイオード
１００  ゲート駆動装置
１０１  信号送信部（１次側）
１０２  信号受信部（２次側）
１０３  電磁界共鳴結合器
１０４  ゲート制御信号発生器
１０５  発振回路
１０６  ミキサ回路
１０７  ダイオード
１０８  第１のインダクタ
１０９  第１のコンデンサ
１１０  ダイオード
１１１  第２のインダクタ
１１２  第２のコンデンサ
１１３  プルダウン抵抗
１１４  トランジスタ
１１５  抵抗素子
１１６  正電圧出力用整流回路
１１７  負電圧出力用整流回路
１２０  ＰＷＭ信号
１２１  Ａ点での重畳した信号波形
１２２  Ｂ点での重畳した信号波形
１２３  Ｃ点での整流した信号波形
１２４  Ｄ点での整流した信号波形
１２５  ゲート制御信号
１３０  スイッチング素子
【図２】
2015059854.tif 000006
【図３】
2015059854.tif 000007
【図４Ａ】
2015059854.tif 000008
【図４Ｂ】
2015059854.tif 000009
【図４Ｃ】
2015059854.tif 000010
【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
2015059854.tif 000012
【図４Ｆ】
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【図５】
2015059854.tif 000014
【図６】
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【図８Ａ】
2015059854.tif 000016
【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年3月29日(2016.3.29)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信部と、受信部と、前記送信部と前記受信部との間に設けられた結合器とを有し、
前記送信部は、ダイオードを備えた発振器を有し、
前記受信部は、ダイオードを備えた整流回路を有し、
前記送信部のダイオードと前記受信部のダイオードとは、アノード電極が異なることを特徴とする、
ゲート駆動装置。
【請求項２】
前記送信部のダイオードのアノード電極の仕事関数は、前記受信部のダイオードのアノード電極の仕事関数よりも大きいことを特徴とする、
請求項１に記載のゲート駆動装置。
【請求項３】
前記整流回路は、正電圧を出力する第１の整流回路と、負電圧を出力する第２の整流回路とを有することを特徴とする、
請求項１又は２に記載のゲート駆動装置。
【請求項４】
前記送信部は、さらに、ゲート制御信号生成器と、ミキサとを備え、
前記発振器はキャリア信号を生成し、
前記ゲート制御信号生成器は、ゲート駆動信号を生成し、
前記ミキサは、前記キャリア信号と前記ゲート制御信号とを重畳して重畳信号を生成し、かつ正電圧出力用信号と負電圧出力用信号を生成することを特徴とする、
請求項１から３のいずれか１項に記載のゲート駆動装置。
【請求項５】
送信部と、受信部と、前記送信部と前記受信部との間に設けられた結合器とを有し、
前記受信部は、第１のダイオードを備えた第１の整流回路と、第２のダイオードを備えた第２の整流回路とを有し、
前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとは、アノード電極が異なることを特徴とする、
ゲート駆動装置。
【請求項６】
前記第１の整流回路は、正電圧を出力し、
前記第２の整流回路は、負電圧を出力する、
請求項５に記載のゲート駆動装置。
【請求項７】
前記第１のダイオードのアノード電極の仕事関数は、前記第２のダイオードのアノード電極の仕事関数よりも大きいことを特徴とする、
請求項５または６に記載のゲート駆動装置。
【請求項８】
前記送信部は、発振器と、ゲート制御信号生成器と、ミキサとを備え、
前記発振器はキャリア信号を生成し、
前記ゲート制御信号生成器は、ゲート駆動信号を生成し、
前記ミキサは、前記キャリア信号と前記ゲート制御信号とを重畳して重畳信号を生成し、かつ正電圧出力用信号と負電圧出力用信号を生成することを特徴とする、
請求項５から７のいずれか１項に記載のゲート駆動装置。
【請求項９】
前記ダイオードは、
基板と、前記基板上に順次形成された、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層、キャリア走行層およびバリア層と、
前記キャリア走行層または前記バリア層上に形成されたカソード電極及びアノード電極を有することを特徴とする、
請求項１から８のいずれか１項に記載のゲート駆動装置。
【請求項１０】
前記ダイオードのうち、前記整流回路に用いられるダイオードは、
前記アノード電極の一部にバリア層を貫通しキャリア走行層に達するリセス構造を有することを特徴とする
請求項９に記載のゲート駆動装置。
【請求項１１】
前記発振器は、
基板上に形成された窒化物半導体からなるバッファ層、キャリア走行層、バリア層で構成される半導体層と、
前記半導体層の上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を有するトランジスタを備えることを特徴とする
請求項９または１０に記載のゲート駆動装置。
【国際調査報告】
2015059854.tif 000021
2015059854.tif 000022
2015059854.tif 000023