(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１１０〜１３０℃の環境温度で使用される、インダクタを用いない電圧変換装置におい
て、
窒化物系化合物半導体素子と、
ＢａＴｉＯ３からなるキャパシタを有する電子回路を含み、
前記キャパシタは、前記窒化物系化合物半導体素子上に集積されていることを特徴とす
る電圧変換装置。
【請求項２】
前記窒化物系化合物半導体素子は少なくとも組成式 ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）から成る層を有することを特徴とする請求項１記載の電圧
変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電圧変換装置を含むことを特徴とする自動車用電装部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系化合物半導体素子と受動素子により構成された電子回路からなる電圧変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧変換装置として図１に示したような、倍電圧整流回路が知られている。その原理は、まず入力された交流の電圧Ｖを、２つのダイオードからなる半導体素子の組み合わせにより、２つのキャパシタからなる受動素子にそれぞれ分配して充電する。そして、出力電圧を直列接続された２つのキャパシタの端部から取り出すと２×Ｖの電圧となる。以上の原理より、電圧Ｖの交流電源から２倍の直流電圧２×Ｖを得ることができる電圧変換装置が構成される。
【０００３】
かかる電圧変換装置から出力される電力を増加させるためには、出力電流も大きくなければならない。そのためには、キャパシタの誘電体の誘電率をできるだけ大きくして、その静電容量を大きくすることが不可欠である。
【０００４】
誘電率が大きい誘電体としては、一般にＢａＴｉＯ3が使用されるが、その誘電率が最も高くなる温度であるキュリー温度Ｔｃが通常１２０℃程度と高い。そのためＢａＴｉＯ3を使用したキャパシタからなり、常温下で使用される電圧変換装置は、ＢａＴｉＯ3の誘電率が低い温度領域でキャパシタを動作させることとなる。そのため、ＢａＴｉＯ3の誘電率が最大の温度領域でキャパシタを動作させることができず、大電力用には不向きであった。
【０００５】
そこで、ＢａＴｉＯ3を使用したキャパシタとダイオードなどの半導体素子を一体に組み込んだ特許文献１に記載されたような電圧変換装置がある。すなわち、半導体素子の作動温度領域である５０〜１１０℃で、キャパシタを動作させ、できるだけその容量が大きな領域において、キャパシタの端部より出力電圧を取り出す。そしてこれにより、出力電流をできるだけ大きくなるようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特開平０７−７７３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、かかる電圧変換装置で使用される半導体素子は、主にＳｉからなるので、ＢａＴｉＯ3の本来的なキュリー温度付近（１２０℃程度）で使用することが困難である。そのため、ＢａＴｉＯ3の誘電率が最大の温度領域でキャパシタを動作させることができず、大電力用には不十分なものがあった。
【０００８】
なお、特許文献１に記載されているようにＢａＴｉＯ3はチタン酸ストロンチウムなどの不純物を添加してその組成を変更することにより、キュリー温度Ｔｃを低くすることも可能である。しかし、このようにしてキュリー温度Ｔｃを低くした場合は、その温度Ｔｃにおける誘電率が低くなるという問題がある。
【０００９】
一方、半導体素子とインダクタからなる電圧変換装置は、昇圧のためのキャパシタを用いていないので、かかる問題を解消しうる。しかし、インダクタは小型化が困難で、電圧変換装置の小型化、集積化に不利である。また、インダクタからの磁界もれにより電圧変換装置から放射ノイズが発生することになる。さらに、電圧変換装置を高速スイッチング回路に用いた場合は、周波数が高い領域でインダクタの透磁率が低下し、電圧変換装置の変換効率が低下する問題があった。  
【００１０】
そこで本発明が解決しようとする課題は、特に大電力用に適し、かつ集積化も容易な電圧変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、１１０〜１３０℃の環境温度で使用される、インダクタを用い
ない電圧変換装置において、窒化物系化合物半導体素子と、ＢａＴｉＯ３からなるキャパ
シタを有する電子回路を含み、前記キャパシタは、前記窒化物系化合物半導体素子上に集
積されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電圧変換装置において、前記窒化物系化合物
半導体素子は少なくとも組成式 ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋
ｙ≦１）から成る層を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項３に係る発明は、自動車用電装部品において、請求項１または２に記載の電圧変
換装置を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る電圧変換装置は以下で説明するように、大電力用に適し、かつ、集積化も容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る電圧変換装置は、半導体素子とキャパシタとを設計に応じて配線した電子回路より構成されている。
【００２０】
半導体素子は、電子回路の設計によりｐｎ接合を含むダイオード、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタを用いることができ、キャパシタ以外に抵抗を付加することもできる。
【００２１】
半導体素子は、基板上の窒化物系化合物半導体からなる積層構造により構成されている。また、受動素子は基板上に直接又は半導体素子を構成する積層構造上に構成されることとなる。ここで、半導体素子に用いる窒化物系化合物半導体の材料としては、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなるものを挙げることができる。
【００２２】
半導体素子の材料として窒化物系化合物半導体を用いているので、バンドギャップが大きい。そのため、高温においても、窒化物系化合物半導体を用いた半導体素子は正常動作する。なお、受動素子としてキャパシタを用いた場合、キャパシタにはキュリー温度が１２０℃以上の誘電体を用いる。
【００２３】
こういった構成の半導体素子、キャパシタからなる電圧変換装置は同一の使用環境温度において駆動される。たとえば、既に述べたように、半導体素子とキャパシタを同一の基板上に配置することにより、半導体素子とキャパシタを同一の使用環境温度とすることができる。
【００２４】
かかる場合、動作中の電圧変換装置の高温を利用して、その温度と同一使用環境温度下における誘電体の誘電率が最高の点でキャパシタを駆動させることが可能となる。これにより、キャパシタの容量を大きくすることができ、大電力用に適する。
【００２５】
具体的な使用環境温度としては１１０〜１３０℃の範囲が望ましい。この使用環境温度の範囲は、Ｓｉ系の半導体素子では正常動作が不可能なため、窒化物系化合物半導体素子の優位性が発揮されるためである。
【００２６】
具体的なキャパシタに用いる誘電体として、不純物を添加していない純粋なＢａＴｉＯ3を用いた場合、そのキュリー温度が通常１２０℃程度である。また、その誘電率が上昇し始める温度が１１０℃、誘電率が下降する温度が１３０℃である。そのため、本発明に係る電圧変換装置中の半導体素子とキャパシタの使用環境温度が１１０〜１３０℃のとき、ＢａＴｉＯ3の誘電率が大きい状態でキャパシタを用いることができる。
【００２７】
また、この使用環境温度においても窒化物系化合物半導体素子を用いているので動作を正常に維持させることが可能である。なお、使用するＢａＴｉＯ3は必ずしも１００％の純度である必要は無く、９８％以上の純度であれば１１０〜１３０℃使用環境温度において高い誘電率を維持することができる。
なお、後述するように使用する誘電体がＢａＴｉＯ3以外の場合、キュリー温度が１２０℃よりも高い場合があるが、その温度での使用でも窒化物系化合物半導体素子は正常動作が可能であり、電圧変換装置の使用環境温度は１１０℃以上であっても良い。
【００２８】
また、キャパシタは基板上に直接又は半導体素子を構成する積層構造上に設ける場合には、キャパシタに用いる誘電体を薄膜化することができる。すなわち、キャパシタに用いる誘電体は基板または積層構造の平面上に形成されるため、その厚さの制御が容易であるからである。さらに、誘電体を基板または積層構造の平面上に形成することで、半導体素子とキャパシタの集積化が可能である。なお、抵抗は通常の集積回路と同様に、窒化物系化合物半導体からなる積層構造自身が持つ抵抗を利用することもできる。
【００２９】
なお、上記構成からなる電圧変換装置には、受動素子としてインダクタを用いない方が望ましい。すなわち、インダクタを用いる場合は磁性体と巻線が必要であるため、これらを基板上に集積化するのが困難で、またノイズの発生源にもなるためである。さらに、インダクタに用いる磁性体は高周波領域では透磁率が大きく低下し、損失が増大するためである。
【００３０】
以上の構成からなる電圧変換装置は、磁性体を用いていないので高速スイッチング回路用に適している。又、集積化ができるため、電圧整合回路としても好適である。これらの回路に用いた場合、本発明に係る電圧変換装置は窒化物系化合物半導体素子を利用しているので、素子のオン抵抗が低く、回路損失を小さくすることも可能である。
【実施例１】
【００３１】
図１に示した電圧変換装置を構成する電子回路を本発明に適用したものについて図２に示した。すなわち、この電圧変換装置は、基板上の窒化物系化合物半導体からなる積層構造より構成されたｐｎ接合よりなるダイオードＤ１、Ｄ２の２つの窒化物系化合物半導体素子、積層構造上に形成されたＢａＴｉＯ3からなる強誘電体を誘電体とする２つのキャパシタＣ１，Ｃ２からなっている。このように、キャパシタＣ１，Ｃ２及びダイオードＤ１，Ｄ２は同一基板に配置されているので、図１に示した電圧変換装置を駆動する際の使用環境温度を同一とすることができる。
そして、図１の電子回路を構成するため、配線が施されている。なお、この電圧変換装置にはインダクタは含まれていない。
【００３２】
図２に示した電圧変換装置は、以下のようにして作成した。
まず、図３（ａ）に示したように、シリコン基板の上に、アンモニア（１２Ｌ／ｍｉｎ）、ＴＭＧａ（１００ｃｍ3／ｍｉｎ）を用い、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成長温度１１００℃で厚み５０ｎｍのＧａＮ層からなるバッファ層（図示なし）を成膜し、更にその上に、ＴＭＧａ（１００  ｃｍ3／ｍｉｎ）、とアンモニア（１２Ｌ／ｍｉｎ）、ｐ型不純物としてのシクロペンタジエニルマグネシウム（２０ｃｍ3／ｍｉｎ）を用い、成長温度１０５０℃で厚み４００ｎｍのｐドープＧａＮ層（キャリア濃度は１×１０18  ／ｃｍ3）（ｐ層）を成膜した。そして、ＴＭＧａ（１００ｃｍ3／ｍｉｎ）、アンモニア（１２Ｌ／ｍｉｎ）、ｎ型不純物としてのＳｉＨ4（１０ｃｍ3／ｍｉｎ）を用い、成長温度１０５０℃で厚み４００ｎｍのｎドープＧａＮ層（キャリア濃度は１×１０18  ／ｃｍ3）（ｎ層）を成膜し半導体積層構造を形成した。
【００３３】
次に基板を成長装置から取り出し、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）装置を用いて半導体積層構造の表面にＴｉからなる電極層１を形成した。そして、スパッタリング装置を用いて、厚さ５００ｎｍのＢａＴｉＯ3（純度は９８％、キュリー温度は１２０℃）からなる強誘電体薄膜を形成した。その後再び、ＥＢ装置を用いてＴｉ／Ｐｔからなる電極層２を形成し、図３（ａ）に示した層構造Ａ0が完成した。
【００３４】
層構造Ａ0にフォトレジストを塗布し、リソグラフィ技術により開口を設け、その部分の電極層２を露出させた。そして、ドライエッチング装置により、電極層２、強誘電体、電極層１、ｎ層、ｐ層、バッファ層をエッチングし、図３（ｂ）に示したように層間分離を行なって層構造Ａ1を形成した。
【００３５】
そして、同様にリソグラフィ技術と、エッチングにより、ｐ層の表面をむき出しにした部分を設け、Ｔｉ／Ｐｔからなる電極層３を形成し、図３（ｃ）に示したような層構造Ａ2を形成した。
【００３６】
その後、同様にリソグラフィ技術と、エッチングにより、電極層２と強誘電体の一部をエッチングし、図３（ｄ）に示したような層構造Ａ3を形成した。これにより、図３（ｄ）に示したように、２つの半導体素子Ｄ１、Ｄ２、２つのキャパシタＣ１，Ｃ２が構成される。
【００３７】
最後に、図３（ｄ）に示した層構造Ａ3の電極同士を図１の電子回路に対応した配線を行ない、図２に示した電圧変換装置が完成した。
【００３８】
以上の構成からなる図２に示した電圧変換装置を実際に駆動した。ここで入力電圧は１２Ｖ、周波数は１ｋＨｚである。そして、Ｃ１，Ｃ２の容量は常温においてそれぞれ１０ｎＦ、１０ｎＦである。
駆動中の温度は、１２０℃であったが、Ｓｉ系の半導体素子を用いていないので、この温度においても半導体素子は正常に動作し、出力は２４Ｖであることが確認された。
【００３９】
また、上記電圧変換装置の入力電力が周波数１０ｋＨｚの高周波を用い、高速スイッチング回路として動作させた。この結果、入力電力が周波数１００Ｈｚの低周波を用いた場合と比較して出力電力が大きく低下することはなかった。
【００４０】
なお、本実施例では、強誘電体として純度９８％のＢａＴｉＯ3を用いていたが、キュリー温度が更に高いＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ３）を用いてもよい。この材料はキュリー温度における誘電率をＢａＴｉＯ3以上に高くすることも可能であり、キュリー温度も２２０℃程度と高いので、高温動作に適する窒化物系化合物半導体素子との整合性がよい。したがって、電圧変換装置の使用環境温度を、キュリー温度近傍の温度領域で使用が可能である。
【実施例２】
【００４１】
図２に示した実施例１の電圧変換装置の回路は、図１の通り昇圧回路からなっていた。実施例２に係る電圧変換装置は、降圧回路からなっている。すなわち、ダイオードとキャパシタからなる通常の降圧回路を本実施例に適用したものである。
【００４２】
本実施例に適用した電圧変換装置は、図２に示した電圧変換装置と共通する。
この電圧変換装置は、降圧回路を構成するべく、基板上の窒化物系化合物半導体からなる積層構造より構成されたｐｎ接合よりなるダイオードと積層構造上に形成されたＢａＴｉＯ3を誘電体とするキャパシタからなっている。こうして、ダイオードとキャパシタが、同一基板に配置されているので、電圧変換装置を駆動する際の使用環境温度が同一となる。
そして、図２に示した電圧変換装置の場合と同様に、降圧回路を構成するための配線が施されている。なお、この電圧変換装置にはインダクタは含まれていない。
【００４３】
上記構成からなる電圧変換回路、その電圧変換装置の入力電力が高周波である高速スイッチング回路、半導体集積回路のフィンに設置した電圧変換回路は自動車用の用途に特に好適である。自動車に用いられる電圧変換回路、高速スイッチング回路等は高温下において使用される。そのため、電圧変換回路に使用されるキャパシタの強誘電体として高純度のＢａＴｉＯ3を用いた場合は、固有のキュリー温度付近で駆動させることができる。また、自動車用の電圧変換装置は電力容量が大きいので、上記構成からなる電圧変換装置を用いる場合は有利である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る電圧変換装置の電子回路図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電圧変換装置の断面図である。
【図３】図２に示した本発明の実施の形態に係る電圧変換装置を製造するための工程を示した断面図である。
【図１】
0004728591.tif 000002
【図２】
0004728591.tif 000003
【図３】
0004728591.tif 000004