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JP2010040708A - Bidirectional switching element - Google Patents

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JP2010040708A
JP2010040708A JP2008200809A JP2008200809A JP2010040708A JP 2010040708 A JP2010040708 A JP 2010040708A JP 2008200809 A JP2008200809 A JP 2008200809A JP 2008200809 A JP2008200809 A JP 2008200809A JP 2010040708 A JP2010040708 A JP 2010040708A
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JP
Japan
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electrode
intermediate potential
switch element
potential portion
bidirectional switch
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JP2008200809A
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Japanese (ja)
Inventor
Kiyoshi Goto
潔 後藤
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Panasonic Electric Works Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Electric Works Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】シングルゲート型の双方向スイッチ素子において、閾値電圧を低く抑え、低オン抵抗を実現すると共に、形状の制約を緩和する。
【解決手段】交流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第1電極D1及び第2電極D2と、少なくともその一部分が基板2の表面2d上に形成され、第1電極D1の電位及び第2電極D2の電位に対して中間電位となる中間電位部Sと、少なくともその一部分が中間電位部Sに接続され、中間電位部Sに対して制御を行うための制御電極Gを備えた横型のトランジスタ構造を有し、中間電位部S及び制御電極Gが、第1電極D1及び第2電極D2に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。
【選択図】図1
In a single gate type bidirectional switch element, a threshold voltage is suppressed to be low, a low on-resistance is realized, and a shape restriction is eased.
A first electrode D1 and a second electrode D2 that are connected in series to an AC power source and a load, respectively, and are formed on the substrate surface, and at least a part of the first electrode D1 and the second electrode D2 are formed on the surface 2d of the substrate 2, An intermediate potential portion S that is an intermediate potential with respect to the potential of the first electrode D1 and the potential of the second electrode D2, and at least part of the intermediate potential portion S is connected to the intermediate potential portion S, and control for controlling the intermediate potential portion S It has a horizontal transistor structure including an electrode G, and the intermediate potential portion S and the control electrode G are arranged at a position where a predetermined withstand voltage can be maintained with respect to the first electrode D1 and the second electrode D2.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、交流電源に接続される照明装置などの負荷を制御するための双方向スイッチ素子に関する。   The present invention relates to a bidirectional switch element for controlling a load such as a lighting device connected to an AC power source.

交流電源に接続される負荷の制御用に用いられる双方向スイッチ素子としては、トライアック(双方向サイリスタ)、MOSFETやIGBTなどの素子を逆方向に2つ直列接続したものなどが知られている。これらの双方向スイッチ素子は、一般的に電流が素子の表面と裏面の間に流れる縦型素子であるが、特許文献1に示すような横型素子であるHEMT(High Electron Mobility Transistor)も提案されている。さらに、近年、GaN/AlGaNを用いた横型素子として、例えば非特許文献1に示すように、交流の高電位側が接続される2つの電極に対して、中間に設けられたゲート部を制御することにより交流の電流を制御する双方向スイッチ素子が提案されている。図5(a)に示すように、2つの電極D1及びD2間にゲートGが1つだけ設けられているものはシングルゲート型、図5(b)に示すように、2つの電極D1及びD2間に2つのゲートG1及びG2が設けられているものはデュアルゲート型と称されている。   Known bidirectional switch elements used for controlling a load connected to an AC power source include triac (bidirectional thyristors), two elements such as MOSFETs and IGBTs connected in series in the reverse direction. These bidirectional switch elements are generally vertical elements in which a current flows between the front and back surfaces of the element, but a HEMT (High Electron Mobility Transistor), which is a horizontal element as shown in Patent Document 1, has also been proposed. ing. Further, in recent years, as a lateral element using GaN / AlGaN, for example, as shown in Non-Patent Document 1, a gate portion provided in the middle is controlled with respect to two electrodes to which the high potential side of AC is connected. A bidirectional switch element that controls an alternating current has been proposed. As shown in FIG. 5A, a single gate type is provided with only one gate G between the two electrodes D1 and D2, and as shown in FIG. 5B, the two electrodes D1 and D2 are provided. A device in which two gates G1 and G2 are provided between them is called a dual gate type.

シングルゲート型双方向スイッチ素子では、素子の最低電位部を基準にして1つのゲートを制御するため比較的制御方法は簡単であるが、双方向に対してそれぞれ耐電圧を維持するためにゲート部と電極の間に一定の距離を必要とするため、デュアルゲート型双方向スイッチ素子に比べて比抵抗が高くなるといった特徴を有している。一方、デュアルゲート型双方向スイッチ素子では、2つのゲートを制御する必要があり、且つ、その制御信号の基準が異なるため、制御性が悪いという欠点を有しているが、一方向に対してだけ耐電圧を維持するために一定の距離を確保すればよく、シングルゲート型双方向スイッチ素子に比べて比抵抗が低くなり、同じ抵抗値を実現するに当たってチップサイズを小さくすることができるという利点を有する。   In the single gate type bidirectional switch element, since one gate is controlled with reference to the lowest potential part of the element, the control method is relatively simple. Since a certain distance is required between the electrode and the electrode, the specific resistance is higher than that of the dual gate bidirectional switch element. On the other hand, in the dual gate type bidirectional switch element, it is necessary to control two gates, and the control signal standard is different. It is only necessary to secure a certain distance in order to maintain the withstand voltage, and the specific resistance is lower than that of the single gate type bidirectional switch element, and the chip size can be reduced for realizing the same resistance value. Have

ところで、シングルゲート型双方向スイッチ素子では、大電流素子を構成するためにゲートの長さを長くしようとすると、上記のように耐電圧を維持するために、ゲート部を2つの電極に対して一定の距離を保つように配置しなければならず、細長い素子になるといった制約が生じ、パッケージの選択など実用上の問題が発生する。また、図6に示すように、ゲート駆動用の制御回路の電源を交流ラインから直接とるように構成したとすると、電源回路の整流部(ダイオードブリッジ)で発生する電圧降下により、制御電圧の最低電圧は交流ラインの最低電圧よりも、例えばダイオード1個分の電圧降下分だけ、若干高くなってしまう。このことは、双方向スイッチ素子をオフする際、常にゲート部にダイオード1個分の電圧降下分だけの電圧が印加されることになる。この状態で、双方向スイッチ素子を確実にオフしようとすると、双方向スイッチ素子の閾値電圧をダイオードの電圧降下分よりも十分に高くする必要がある。閾値電圧を高くすると、双方向スイッチ素子の通電時におけるオン抵抗が増加するため、損失が増加するという問題が生じる。   By the way, in the single gate type bidirectional switch element, when the length of the gate is made long in order to constitute a large current element, the gate portion is arranged with respect to the two electrodes in order to maintain the withstand voltage as described above. It must be arranged so as to maintain a certain distance, and there is a restriction that it becomes an elongated element, which causes a practical problem such as selection of a package. Further, as shown in FIG. 6, when the power supply of the gate drive control circuit is directly taken from the AC line, the minimum control voltage is caused by the voltage drop generated in the rectifier (diode bridge) of the power supply circuit. The voltage is slightly higher than the minimum voltage of the AC line, for example, by a voltage drop for one diode. This means that when the bidirectional switch element is turned off, a voltage corresponding to a voltage drop corresponding to one diode is always applied to the gate portion. In order to reliably turn off the bidirectional switch element in this state, it is necessary to make the threshold voltage of the bidirectional switch element sufficiently higher than the voltage drop of the diode. When the threshold voltage is increased, the on-resistance when the bidirectional switch element is energized increases, which causes a problem of increased loss.

なお、このような新たな双方向スイッチ素子が必要とされる背景としては、照明装置などの負荷制御装置の小型化の要求が挙げられる。一般的に、このような負荷制御装置は、壁面に設けられた金属製のボックスなどに収納されて使用されるが、トライアックなどの双方向スイッチ素子は、十分な出力を得るためにヒートシンクなどの放熱対策が必要であり、負荷制御装置の小型化には限界がある。そのため、現在一般的に使用されているボックスの大きさでは、負荷制御装置と他のセンサやスイッチなどとの併用ができない。従って、一般的な大きさのボックスにおいて、負荷制御装置と他のセンサやスイッチなどの併設を可能にするために、双方向スイッチ素子の小型化、閾値電圧の低減及び低オン抵抗の実現が求められている。
特開平8−51202号公報 町田修、外5名、「GaN双方向スイッチ」、平成20年電気学会全国大会講演論文集、2008年3月19日〜21日、第4分冊、p269
In addition, as a background that such a new bidirectional switch element is required, there is a demand for downsizing of a load control device such as a lighting device. Generally, such a load control device is housed and used in a metal box or the like provided on a wall surface. However, a bidirectional switch element such as a triac is used for a heat sink or the like in order to obtain a sufficient output. Heat dissipation measures are required, and there is a limit to downsizing the load control device. For this reason, the load control device cannot be used in combination with other sensors or switches at the size of the box that is generally used at present. Therefore, in order to enable a load control device and other sensors and switches to be installed in a general-sized box, it is necessary to reduce the size of the bidirectional switch element, reduce the threshold voltage, and realize a low on-resistance. It has been.
Japanese Patent Laid-Open No. 8-51202 Osamu Machida, 5 others, "GaN bidirectional switch", Proceedings of the 2008 Annual Conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan, March 19-21, 2008, Volume 4, p269

本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、閾値電圧を低く抑え、低オン抵抗の実現を可能にすると共に、形状の制約を緩和した横型のトランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the conventional example, and both have a lateral transistor structure that can reduce the threshold voltage, realize a low on-resistance, and relax the shape restriction. An object is to provide a directional switch element.

上記目的を達成するために請求項1の発明は、双方向スイッチ素子であって、交流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第1電極及び第2電極と、少なくともその一部分が前記基板表面上に形成され、前記第1電極の電位及び前記第2電極の電位に対して中間電位となる中間電位部と、少なくともその一部分が前記中間電位部上に接続され、前記中間電位部に対して制御を行うための制御電極を備えた横型のトランジスタ構造を有し、前記中間電位部及び前記制御電極が、前記第1電極及び前記第2電極に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a bidirectional switch element, which is connected in series to an AC power source and a load, respectively, and is formed with a first electrode and a second electrode formed on a substrate surface. An intermediate potential portion formed at least in part on the surface of the substrate and having an intermediate potential with respect to the potential of the first electrode and the potential of the second electrode; and at least a portion thereof connected to the intermediate potential portion. , Having a horizontal transistor structure including a control electrode for controlling the intermediate potential portion, wherein the intermediate potential portion and the control electrode are predetermined with respect to the first electrode and the second electrode. It is arranged at a position where the withstand voltage can be maintained.

請求項2の発明は、請求項1に記載の双方向スイッチ素子において、前記第1電極及び前記第2電極は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列され、前記中間電位部及び前記制御電極は、前記第1電極及び前記第2電極の配列に対して平行に設けられていることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the bidirectional switch element according to the first aspect, the first electrode and the second electrode are arranged such that center lines in the width direction thereof are located on the same line, and the intermediate electrode The potential portion and the control electrode are provided in parallel to the arrangement of the first electrode and the second electrode.

請求項3の発明は、請求項2に記載の双方向スイッチ素子において、前記第1電極及び前記第2電極は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された前記電極部同士が互いに対向するように配置され、前記中間電位部及び前記制御電極は、櫛歯状に配列された前記電極部の間にそれぞれ配置されていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the bidirectional switch element according to the second aspect, the first electrode and the second electrode are comb-like shapes each having a plurality of electrode portions arranged in parallel to each other. The electrode parts arranged in a tooth shape are arranged so as to face each other, and the intermediate potential part and the control electrode are respectively arranged between the electrode parts arranged in a comb tooth shape. And

請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の双方向スイッチ素子において、前記中間電位部及び前記制御電極は、基板の表面上に積層されていることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the bidirectional switch element according to any one of the first to third aspects, the intermediate potential portion and the control electrode are stacked on a surface of a substrate. And

請求項5の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の双方向スイッチ素子において、前記中間電位部は、基板をその表面に対して垂直な方向に貫通し、基板の裏面まで接続され、前記基板の裏面全体を中間電位部と同電位にしたことを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the bidirectional switch element according to any one of the first to fourth aspects, the intermediate potential portion penetrates the substrate in a direction perpendicular to the surface thereof, It is connected to the back surface, and the entire back surface of the substrate has the same potential as the intermediate potential portion.

請求項6の発明は、請求項5に記載の双方向スイッチ素子において、前記制御電極は、前記中間電位部のうち前記基板の表面上に形成された部分を覆うように形成されていることを特徴とする。   The invention according to claim 6 is the bidirectional switch element according to claim 5, wherein the control electrode is formed so as to cover a portion of the intermediate potential portion formed on the surface of the substrate. Features.

請求項1の発明によれば、第1電極の電位及び第2電極の電位に対して中間電位となる中間電位部の少なくとも一部分及びこの中間電位部に接続された制御電極が、第1電極及び第2電極に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されているので、例えば第1電極が高電位側、第2電極が低電位側である場合に、双方向スイッチ素子がオフの時、すなわち制御電極に0Vの信号が印加されたときには、少なくとも第1電極と、制御電極及び中間電位部の間で、電流は確実に遮断される。一方、双方向スイッチ素子がオンの時、すなわち制御電極に所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときには、第1電極、中間電位部、第2電極の経路で電流が流れる。このように、第1電極及び第2電極に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に中間電位部を形成することにより、制御電極に印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、双方向スイッチ素子を確実にオン/オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。また、第1電極、第2電極、中間電位部及び制御電極の位置及び形状は特に限定されないので、双方向スイッチ素子のチップ形状やサイズは限定されず、形状の制約が緩和される。その結果、双方向スイッチ素子自体や、それを用いた負荷制御装置などの小型化を実現することができる。   According to the first aspect of the present invention, at least a part of the intermediate potential portion that is an intermediate potential with respect to the potential of the first electrode and the potential of the second electrode, and the control electrode connected to the intermediate potential portion are the first electrode and Since the second electrode is disposed at a position where a predetermined withstand voltage can be maintained, for example, when the first electrode is on the high potential side and the second electrode is on the low potential side, the bidirectional switch element is off. When a signal of 0V is applied to the control electrode, the current is reliably interrupted at least between the first electrode, the control electrode and the intermediate potential portion. On the other hand, when the bidirectional switch element is on, that is, when a signal having a voltage equal to or higher than a predetermined threshold is applied to the control electrode, a current flows through the path of the first electrode, the intermediate potential portion, and the second electrode. In this way, by forming the intermediate potential portion at a position where a predetermined withstand voltage can be maintained with respect to the first electrode and the second electrode, the threshold voltage of the signal applied to the control electrode is reduced to a necessary minimum level. Even if it is made to do, a bidirectional | two-way switch element can be turned on / off reliably and low on-resistance can be implement | achieved. Further, since the positions and shapes of the first electrode, the second electrode, the intermediate potential portion, and the control electrode are not particularly limited, the chip shape and size of the bidirectional switch element are not limited, and the restriction on the shape is relaxed. As a result, downsizing of the bidirectional switch element itself and a load control device using the bidirectional switch element can be realized.

請求項2の発明によれば、第1電極及び第2電極が、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列され、中間電位部及び制御電極が、第1電極及び第2電極の配列に対して平行に設けられているので、第1電極及び第2電極の幅方向における双方向スイッチ素子の寸法を小さくすることができる。換言すれば、第1電極及び第2電極の幅方向に複数組の第1電極、第2電極及び中間電位部及び制御電極を配列することができる。   According to the invention of claim 2, the first electrode and the second electrode are arranged so that the center lines in the width direction thereof are located on the same line, and the intermediate potential portion and the control electrode are the first electrode and the second electrode, respectively. Since it is provided in parallel with the arrangement of the electrodes, the size of the bidirectional switch element in the width direction of the first electrode and the second electrode can be reduced. In other words, a plurality of sets of the first electrode, the second electrode, the intermediate potential portion, and the control electrode can be arranged in the width direction of the first electrode and the second electrode.

請求項3の発明によれば、第1電極及び第2電極が、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置され、中間電位部及び制御電極が、櫛歯状に配列された電極部の間にそれぞれ配置されているので、双方向スイッチ素子のチップサイズを大きくすることなく、大電流を取り出すことができる。   According to the invention of claim 3, the first electrode and the second electrode are each in a comb-like shape having a plurality of electrode portions arranged in parallel to each other, and the electrode portions arranged in a comb-like shape are opposed to each other. Since the intermediate potential portion and the control electrode are respectively disposed between the electrode portions arranged in a comb shape, a large current is taken out without increasing the chip size of the bidirectional switch element. be able to.

請求項4の発明によれば、中間電位部及び制御電極が基板の表面上に積層されているので、一般的な半導体素子の製造プロセスを用いて、上記双方向スイッチ素子を製造することができる。   According to the invention of claim 4, since the intermediate potential portion and the control electrode are laminated on the surface of the substrate, the bidirectional switch element can be manufactured by using a general semiconductor element manufacturing process. .

請求項5の発明によれば、中間電位部が、基板をその表面に対して垂直な方向に貫通し、基板の裏面まで接続され、基板の裏面全体を中間電位部と同電位にしているので、基板の裏面が中間電位部として機能し、中間電位部の面積が増加するため、電流経路における抵抗値を低減することができる。また、基板の裏面を電極として使用することができ、放熱性が向上する。   According to the invention of claim 5, the intermediate potential portion penetrates the substrate in a direction perpendicular to the surface thereof, is connected to the back surface of the substrate, and the entire back surface of the substrate has the same potential as the intermediate potential portion. Since the back surface of the substrate functions as an intermediate potential portion and the area of the intermediate potential portion increases, the resistance value in the current path can be reduced. Moreover, the back surface of a board | substrate can be used as an electrode and heat dissipation improves.

請求項6の発明によれば、制御電極が、中間電位部のうち基板の表面上に形成された部分を覆うように形成されているので、制御電極を形成する際のマスキングが容易になり、生産性が向上する。   According to the invention of claim 6, since the control electrode is formed so as to cover a portion of the intermediate potential portion formed on the surface of the substrate, masking when forming the control electrode becomes easy. Productivity is improved.

本発明の第1実施形態に係る双方向スイッチ素子1Aについて、図1〜3を参照しつつ説明する。図1は、第1実施形態に係る双方向スイッチ素子1Aの構成を示す平面図である。また、図2は図1における範囲Aの拡大図、図3はB−B断面図である。   A bidirectional switch element 1A according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a bidirectional switch element 1A according to the first embodiment. 2 is an enlarged view of a range A in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view along BB.

図3に示すように、双方向スイッチ素子1の基板2は、導体層2aと、導体層2aの上に積層されたGaN層2b及びAlGaN層2cで構成されている。この実施形態では、チャネル層としてAlGaN/GaNヘテロ界面に生じる2次元電子ガス層を利用している。図1に示すように、基板2の表面2dには、交流電源3及び負荷4に対してそれぞれ直列に接続された第1電極D1及び第2電極D2と、第1電極D1の電位及び第2電極D2の電位に対して中間電位となる中間電位部Sが形成されている。さらに、中間電位部Sの上には、制御電極(ゲート)Gが積層形成されている。制御電極Gとして、例えばショットキ電極を用いる。第1電極D1及び第2電極D2は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部11,12,13・・・及び21,22,23・・・を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置されている。中間電位部S及び制御電極Gは、櫛歯状に配列された電極部11,12,13・・・及び21,22,23・・・の間にそれぞれ配置されており、電極部の間に形成される空間の平面形状に相似した形状(略魚背骨状)を有している。   As shown in FIG. 3, the substrate 2 of the bidirectional switch element 1 includes a conductor layer 2a, and a GaN layer 2b and an AlGaN layer 2c laminated on the conductor layer 2a. In this embodiment, a two-dimensional electron gas layer generated at the AlGaN / GaN hetero interface is used as the channel layer. As shown in FIG. 1, the surface 2d of the substrate 2 has a first electrode D1 and a second electrode D2 connected in series to the AC power source 3 and the load 4, respectively, and the potential of the first electrode D1 and the second potential. An intermediate potential portion S that is an intermediate potential with respect to the potential of the electrode D2 is formed. Further, a control electrode (gate) G is stacked on the intermediate potential portion S. As the control electrode G, for example, a Schottky electrode is used. The first electrode D1 and the second electrode D2 are comb teeth having a plurality of electrode portions 11, 12, 13..., 21, 22, 23. The electrode parts arranged in the are arranged so as to face each other. The intermediate potential portion S and the control electrode G are respectively disposed between the electrode portions 11, 12, 13..., 21, 22, 23. It has a shape (substantially fish spine shape) similar to the planar shape of the space to be formed.

次に、双方向スイッチ素子1を構成する横型のトランジスタ構造について説明する。図2に示すように、第1電極D1の電極部11と第2電極D2の電極部12は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列され、中間電位部Sの対応部分31及び制御電極Gの対応部分41は、それぞれ第1電極D1の電極部11及び第2電極D2の電極部21の配列に対して平行に設けられている。上記幅方向における第1電極D1の電極部11と第2電極D2の電極部12と中間電位部Sの対応部分31及び制御電極Gの対応部分41の距離は、所定の耐電圧を維持しうる距離に設定されている。上記幅方向に直交する方向、すなわち第1電極D1の電極部11と第2電極D2の電極部12の長手方向においても同様である。また、これらの関係は、その他の電極部12及び22,13及び23・・・についても同様である。すなわち、中間電位部S及び制御電極Gは、第1電極D1及び第2電極D2に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。   Next, a lateral transistor structure constituting the bidirectional switch element 1 will be described. As shown in FIG. 2, the electrode part 11 of the first electrode D1 and the electrode part 12 of the second electrode D2 are arranged so that the center lines in the width direction are located on the same line, and the correspondence of the intermediate potential part S The portion 31 and the corresponding portion 41 of the control electrode G are provided in parallel to the arrangement of the electrode portion 11 of the first electrode D1 and the electrode portion 21 of the second electrode D2, respectively. The distance between the electrode portion 11 of the first electrode D1, the electrode portion 12 of the second electrode D2, the corresponding portion 31 of the intermediate potential portion S, and the corresponding portion 41 of the control electrode G in the width direction can maintain a predetermined withstand voltage. Set to distance. The same applies to the direction perpendicular to the width direction, that is, the longitudinal direction of the electrode portion 11 of the first electrode D1 and the electrode portion 12 of the second electrode D2. Moreover, these relationships are the same also about the other electrode parts 12 and 22, 13, and 23 .... That is, the intermediate potential portion S and the control electrode G are arranged at positions where a predetermined withstand voltage can be maintained with respect to the first electrode D1 and the second electrode D2.

このように、第1電極D1の電位及び第2電極D2の電位に対して中間電位となる中間電位部S及びこの中間電位部Sに接続され、中間電位部Sに対して制御を行うための制御電極Gが、第1電極D1及び第2電極D2に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されているので、例えば第1電極D1が高電位側、第2電極D2が低電位側である場合に、双方向スイッチ素子1がオフの時、すなわち制御電極Gに0Vの信号が印加されたときには、少なくとも第1電極D1と、制御電極G及び中間電位部Sの間で、電流は確実に遮断される(制御電極(ゲート)Gの直下で電流が阻止される)。一方、双方向スイッチ素子1がオンの時、すなわち制御電極Gに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときには、図2中矢印で示すように、第1電極D1(電極部11,12,13・・・)、中間電位部S、第2電極D2(電極部21,22,23・・・)の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。   In this way, the intermediate potential portion S, which is an intermediate potential with respect to the potential of the first electrode D1 and the potential of the second electrode D2, and the intermediate potential portion S are connected to the intermediate potential portion S to control the intermediate potential portion S. Since the control electrode G is disposed at a position where a predetermined withstand voltage can be maintained with respect to the first electrode D1 and the second electrode D2, for example, the first electrode D1 is on the high potential side, and the second electrode D2 is on the low potential side. When the bidirectional switch element 1 is off, that is, when a signal of 0 V is applied to the control electrode G, the current flows at least between the first electrode D1, the control electrode G, and the intermediate potential portion S. Is reliably cut off (current is blocked directly under the control electrode (gate) G). On the other hand, when the bidirectional switch element 1 is turned on, that is, when a signal having a voltage equal to or higher than a predetermined threshold is applied to the control electrode G, as shown by the arrow in FIG. , 13..., A current flows through a path of the intermediate potential portion S and the second electrode D2 (electrode portions 21, 22, 23...). The same applies to the reverse case.

このように、第1電極D1及び第2電極D2に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に中間電位部Sを形成することにより、制御電極Gに印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、双方向スイッチ素子1を確実にオン/オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。また、第1電極D1の電極部11,12,13・・・及び第2電極D2の電極部21,22,23・・・が、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列され、且つ、中間電位部Sの対応部分31及び制御電極Gの対応部分41が、第1電極D1及び第2電極D2の電極部の配列に対して平行に設けられているので、上記幅方向における双方向スイッチ素子1の寸法を小さくすることができる。換言すれば、上記幅方向に第1電極D1の電極部11,12,13・・・及び第2電極D2の電極部21,22,23・・・を櫛歯状に配列することができ、双方向スイッチ素子1のチップサイズを大きくすることなく、大電流を取り出すことができる。さらに、中間電位部S及び制御電極Gが基板2の表面2d上に積層されているので、一般的な半導体素子の製造プロセスを用いて、上記双方向スイッチ素子1を製造することができる。   Thus, by forming the intermediate potential portion S at a position where a predetermined withstand voltage can be maintained with respect to the first electrode D1 and the second electrode D2, the threshold voltage of the signal applied to the control electrode G is minimized. The bidirectional switch element 1 can be reliably turned on / off even when the level is lowered to the level, and a low on-resistance can be realized. Further, the electrode portions 11, 12, 13... Of the first electrode D1 and the electrode portions 21, 22, 23... Of the second electrode D2 are arranged such that the center lines in the width direction are on the same line. Since the corresponding portion 31 of the intermediate potential portion S and the corresponding portion 41 of the control electrode G are arranged in parallel to the arrangement of the electrode portions of the first electrode D1 and the second electrode D2, the width The dimension of the bidirectional switch element 1 in the direction can be reduced. In other words, the electrode portions 11, 12, 13... Of the first electrode D1 and the electrode portions 21, 22, 23... Of the second electrode D2 can be arranged in a comb shape in the width direction. A large current can be taken out without increasing the chip size of the bidirectional switch element 1. Furthermore, since the intermediate potential portion S and the control electrode G are stacked on the surface 2d of the substrate 2, the bidirectional switch element 1 can be manufactured using a general semiconductor element manufacturing process.

次に、本発明の第2実施形態に係る双方向スイッチ素子1Aについて、図4を参照しつつ説明する。なお、上記第1実施形態に係る双方向スイッチ素子1と共通する部分については、同じ符号を付して、その説明を省略する。   Next, a bidirectional switch element 1A according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, about the part which is common with the bidirectional | two-way switch element 1 which concerns on the said 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

図4に示すように、基板2の内部で、且つ中間電位部Sに対応する位置において、AlGaN層2c及びGaN層2bを貫通するビアホール2fが形成され、且つ、基板2の裏面2eのほぼ全面には、電極層2gが形成されている。すなわち、実質的に、中間電位部Sが基板2をその表面2dに対して垂直な方向にAlGaN層2c及びGaN層2bを貫通し、導体層2aを介して基板2の裏面2eまで接続されている。それにより、基板2の裏面2eの電極層2gの全体が中間電位部Sと同電位になり、基板2の裏面2e(電極層2g)が中間電位部Sとして機能し、中間電位部Sの面積が増加するため、電流経路における抵抗値を低減することができる。また、基板2の裏面2eを電極として使用することができ、放熱性が向上する。さらに、実質的に中間電位部Sの面積が増加するため、中間電位部Sのうち基板2の表面2d上に形成される部分の面積を小さくすることができ、制御電極Gを、中間電位部Sのうち基板2の表面2d上に形成された部分を覆うように形成することができる。そのため、制御電極Gを形成する際のマスキングが容易になり、生産性が向上する。   As shown in FIG. 4, a via hole 2 f penetrating the AlGaN layer 2 c and the GaN layer 2 b is formed inside the substrate 2 and at a position corresponding to the intermediate potential portion S, and almost the entire back surface 2 e of the substrate 2. The electrode layer 2g is formed. That is, the intermediate potential portion S is substantially connected to the back surface 2e of the substrate 2 through the conductor layer 2a through the AlGaN layer 2c and the GaN layer 2b in a direction perpendicular to the surface 2d of the substrate 2. Yes. As a result, the entire electrode layer 2g on the back surface 2e of the substrate 2 has the same potential as the intermediate potential portion S, and the back surface 2e (electrode layer 2g) of the substrate 2 functions as the intermediate potential portion S. Therefore, the resistance value in the current path can be reduced. Moreover, the back surface 2e of the board | substrate 2 can be used as an electrode, and heat dissipation improves. Furthermore, since the area of the intermediate potential portion S substantially increases, the area of the intermediate potential portion S formed on the surface 2d of the substrate 2 can be reduced, and the control electrode G can be connected to the intermediate potential portion. S can be formed so as to cover a portion formed on the surface 2 d of the substrate 2. Therefore, masking when forming the control electrode G becomes easy and productivity is improved.

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、交流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第1電極D1及び第2電極D2と、少なくともその一部分が基板2の表面2d上に形成され、第1電極D1の電位及び第2電極D2の電位に対して中間電位となる中間電位部Sと、少なくともその一部分が中間電位部Sに接続され、中間電位部Sに対して制御を行うための制御電極Gを備えた横型のトランジスタ構造を有し、中間電位部S及び制御電極Gが、第1電極D1及び第2電極D2に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されていればよく、第1電極D1、第2電極D2、中間電位部S及び制御電極Gの位置及び形状は特に限定されない。そのため、双方向スイッチ素子1のチップ形状やサイズは限定されず、形状の制約が緩和される。その結果、双方向スイッチ素子1自体や、それを用いた負荷制御装置などの小型化を実現することができる。   In addition, this invention is not limited to the structure of the said embodiment, The 1st electrode D1 and 2nd electrode D2 which were respectively connected in series with respect to alternating current power supply and load, and were formed on the substrate surface, At least a portion thereof is formed on the surface 2d of the substrate 2, and an intermediate potential portion S that is an intermediate potential with respect to the potential of the first electrode D1 and the potential of the second electrode D2, and at least a portion thereof is connected to the intermediate potential portion S. And has a lateral transistor structure including a control electrode G for controlling the intermediate potential portion S. The intermediate potential portion S and the control electrode G are connected to the first electrode D1 and the second electrode D2. The position and shape of the first electrode D1, the second electrode D2, the intermediate potential portion S, and the control electrode G are not particularly limited as long as they are arranged at a position where a predetermined withstand voltage can be maintained. Therefore, the chip shape and size of the bidirectional switch element 1 are not limited, and the restriction on the shape is relaxed. As a result, downsizing of the bidirectional switch element 1 itself and a load control device using the bidirectional switch element 1 can be realized.

本発明の第1実施形態に係る双方向スイッチ素子の構成を示す平面図。The top view which shows the structure of the bidirectional | two-way switch element concerning 1st Embodiment of this invention. 図1における双方向スイッチ素子の範囲Aの拡大図であって、横型のトランジスタ構造における電流の流れる向きを示す図。FIG. 2 is an enlarged view of a range A of a bidirectional switch element in FIG. 1 and showing a current flow direction in a horizontal transistor structure. 図2におけるB−B断面図。BB sectional drawing in FIG. 本発明の第2実施形態に係る双方向スイッチ素子の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the bidirectional | two-way switch element concerning 2nd Embodiment of this invention. 従来の横型の双方向スイッチ素子の構成を示す図であり、(a)は2つの電極間にゲートが1つだけ設けられているものはシングルゲート型、(b)は2つの電極間に2つのゲートが設けられているものはデュアルゲート型の構成を示す断面図。It is a figure which shows the structure of the conventional horizontal type | mold bidirectional | two-way switch element, (a) is a single gate type in which only one gate is provided between two electrodes, (b) is 2 between two electrodes. A cross-sectional view showing a dual gate configuration in which two gates are provided. 従来のシングルゲート型双方向スイッチ素子の駆動回路の構成を示す図。The figure which shows the structure of the drive circuit of the conventional single gate type bidirectional | two-way switch element.

符号の説明Explanation of symbols

1,1A 双方向スイッチ素子
2 基板
2a 導体層
2b GaN層
2c AlGaN層
2d (基板の)表面
2e (基板の)裏面
2f ビアホール
2g 電極層
3 交流電源
4 負荷
11,12,13・・・ (第1電極の櫛歯状)電極部
21,22,23・・・ (第2電極の櫛歯状)電極部
31 中間電位部の対応部分
41 制御電極の対応部分
D1 第1電極
D2 第2電極
S 中間電位部
G 制御電極
1, 1A Bidirectional switch element 2 Substrate 2a Conductor layer 2b GaN layer 2c AlGaN layer 2d (Substrate) front surface 2e (Substrate) back surface 2f Via hole 2g Electrode layer 3 AC power supply 4 Load 11, 12, 13... 1 electrode comb-like) electrode part 21, 22, 23... (Second electrode comb-like) electrode part 31 corresponding part of intermediate potential part 41 corresponding part of control electrode D1 first electrode D2 second electrode S Intermediate potential part G Control electrode

Claims (6)

交流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第1電極及び第2電極と、
少なくともその一部分が前記基板表面上に形成され、前記第1電極の電位及び前記第2電極の電位に対して中間電位となる中間電位部と、
少なくともその一部分が前記中間電位部上に接続され、前記中間電位部に対して制御を行うための制御電極を備えた横型のトランジスタ構造を有し、
前記中間電位部及び前記制御電極が、前記第1電極及び前記第2電極に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されていることを特徴とする双方向スイッチ素子。
A first electrode and a second electrode connected in series to an AC power source and a load, respectively, formed on the substrate surface;
An intermediate potential portion formed at least in part on the surface of the substrate, and having an intermediate potential with respect to the potential of the first electrode and the potential of the second electrode;
At least a part of the transistor is connected to the intermediate potential portion, and has a lateral transistor structure including a control electrode for controlling the intermediate potential portion,
The bidirectional switch element, wherein the intermediate potential portion and the control electrode are arranged at a position where a predetermined withstand voltage can be maintained with respect to the first electrode and the second electrode.
前記第1電極及び前記第2電極は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列され、
前記中間電位部及び前記制御電極は、前記第1電極及び前記第2電極の配列に対して平行に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の双方向スイッチ素子。
The first electrode and the second electrode are arranged so that their center lines in the width direction are located on the same line,
2. The bidirectional switch element according to claim 1, wherein the intermediate potential portion and the control electrode are provided in parallel to the arrangement of the first electrode and the second electrode.
前記第1電極及び前記第2電極は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された前記電極部同士が互いに対向するように配置され、
前記中間電位部及び前記制御電極は、櫛歯状に配列された前記電極部の間にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項2に記載の双方向スイッチ素子。
The first electrode and the second electrode are each in a comb-like shape having a plurality of electrode portions arranged in parallel with each other, and the electrode portions arranged in a comb-teeth shape are arranged to face each other,
3. The bidirectional switch element according to claim 2, wherein the intermediate potential portion and the control electrode are respectively disposed between the electrode portions arranged in a comb shape.
前記中間電位部及び前記制御電極は、基板の表面上に積層されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の双方向スイッチ素子。   The bidirectional switch element according to any one of claims 1 to 3, wherein the intermediate potential portion and the control electrode are stacked on a surface of a substrate. 前記中間電位部は、基板をその表面に対して垂直な方向に貫通し、基板の裏面まで接続され、前記基板の裏面全体を中間電位部と同電位にしたことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の双方向スイッチ素子。   2. The intermediate potential portion penetrates the substrate in a direction perpendicular to the surface thereof, is connected to the back surface of the substrate, and the entire back surface of the substrate has the same potential as the intermediate potential portion. The bidirectional switch element according to claim 4. 前記制御電極は、前記中間電位部のうち前記基板の表面上に形成された部分を覆うように形成されていることを特徴とする請求項5に記載の双方向スイッチ素子。
6. The bidirectional switch element according to claim 5, wherein the control electrode is formed to cover a portion of the intermediate potential portion formed on the surface of the substrate.
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