[發明專利]雙向開關元件及使用該雙向開關元件的雙向開關電路

無效

• 申請號: 201080065680.5
• 申請日: 2010-12-14
• 公開（公告）號: CN102822982A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 森田竜夫;上田大助;上本康裕;上田哲三
• 申請（專利權）人: 松下電器產業株式會社
• 主分類號: H01L29/80
• 分類號: H01L29/80;H01L21/338;H01L21/822;H01L27/04;H01L29/812
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 汪惠民

技術領域

本公開內容涉及雙向開關元件及使用該雙向開關元件的雙向開關電路。

背景技術

目前，期待電氣設備的進一步節能化，并要求處理較多電力的電源、逆變器以及矩陣轉換器等電力轉換裝置中的電力轉換效率的提高。尤其，將交流電力直接轉換成不同的頻率以及電壓的交流電力的矩陣轉換器，由于能夠以不經由二極管整流器的方式轉換交流電力，因而與以往的逆變器相比，可期待電力轉換效率的提高。矩陣轉換器由通電雙向流動的電流，相對于正負雙方的電壓都具有耐壓的雙向開關而構成。當前一般使用的雙向開關由相互反向地并聯連接而成的2個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、和分別與各IGBT串聯連接的2個二極管而構成。

進行雙向開關動作的半導體元件重要之處在于減低由開關動作時的瞬變電壓與電流之積表現的開關動作損耗、以及由導通狀態時的半導體元件本身的電阻(稱為導通電阻)所消耗的導通損耗。然而，在使用以硅(Si)為材料的硅器件來形成雙向開關電路的情況下，由于Si的材料界限而難以減低導通電阻。

為了打破材料界限來減低導通損耗，研究導入采用了以氮化鎵(GaN)為代表的氮化物系半導體或碳化硅(SiC)等寬帶隙半導體的半導體元件的情形。寬帶隙半導體的絕緣破壞電場與Si相比約高1個數量級，尤其在氮化鋁鎵(AlGaN)與氮化鎵(GaN)的異質結界面由于自發極化及壓電極化會產生電荷。由此，即便在未摻雜時，也會形成1×10¹³cm^-2以上的片載流子濃度(sheet?carrier?concentration)和1000cm²V/sec以上的高遷移率的2維電子氣體(2DEG)層。因而，AlGaN/GaN異質結場效應晶體管(AlGaN/GaN-HFET)期待被作為實現低導通電阻以及高耐壓的功率開關晶體管。

但是，即便將AlGaN/GaN-HFET用作雙向開關電路，與以往的雙向開關電路同樣地，也需要2個AlGaN/GaN-HFET和2個二極管，與Si器件相比，無法期待大幅的導通電阻的減低。

為了實現導通電阻更小的雙向開關，提出能用一個元件構成雙向開關的雙柵極的半導體元件、即雙向開關元件(例如，參照專利文獻1。)。

在先技術文獻

專利文獻

專利文獻1：國際公開08/062800號小冊子

發明內容

發明所要解決的技術問題

然而，本申請發明者發現了在使雙柵極的雙向開關元件進行開關動作的情況下會產生柵極噪聲、從而開關動作變得不穩定的問題。

本申請的目的在于，解決本申請發明者發現的在使雙柵極的半導體元件進行開關動作的情況下開關動作變得不穩定的問題，以能夠實現穩定動作的雙向開關元件。

為解決技術問題所采用的技術方案

為了達成上述目的，本公開使雙向開關元件構成為具備將在第一柵電極與第二柵電極之間產生的電力線切斷的第一屏蔽電極以及第二屏蔽電極。

具體而言，本公開的雙向開關元件，具備：半導體層疊層體，形成在基板之上、且由氮化物半導體構成；第一歐姆電極以及第二歐姆電極，相互隔開間隔地形成在半導體層疊層體之上；第一柵電極以及第二柵電極，從第一歐姆電極側起相互隔開間隔地依次形成在第一歐姆電極與第二歐姆電極之間；第一絕緣層，形成在半導體層疊層體之上、且覆蓋第一柵電極以及第二柵電極；第一屏蔽電極，形成在第一絕緣層之上、電位與第一歐姆電極相等且覆蓋在第一柵電極之上；和第二屏蔽電極，形成在第一絕緣層之上、電位與第二歐姆電極相等且覆蓋在第二柵電極之上，第一屏蔽電極的端部位于比第一柵電極更靠近第二柵電極側的位置，第二屏蔽電極的端部位于比第二柵電極更靠近第一柵電極側的位置。

本公開的雙向開關元件能夠切斷在第一柵電極與第二柵電極之間產生的大部分電力線。因此，能夠減小第一柵電極與第二柵電極之間的寄生電容。其結果，能夠減低在開關動作時產生的柵極噪聲，從而可實現穩定動作的雙向開關元件。

在本公開的雙向開關元件中，也可將第一屏蔽電極的與第一柵電極相比更靠近第二柵電極側的位置處的、第一屏蔽電極與半導體層疊層體之間的最小的間隔設定得小于半導體層疊層體的上表面與第一柵電極的上表面之間的間隔，將第二屏蔽電極的與第二柵電極相比更靠近第一柵電極側的位置處的、第二屏蔽電極與半導體層疊層體之間的最小的間隔設定得小于半導體層疊層體的上表面與第二柵電極的上表面之間的間隔。通過采用該構成，可以更有效地切斷在第一柵電極與第二柵電極之間產生的電力線。