JP5386246B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に窒化物半導体を用いた電力変換装置に関する。
地球温暖化問題を背景として、電気機器のさらなる省エネルギー化が期待されており、多くの電力を扱う電源回路やインバータ回路等の電力変換装置の電力変換効率を向上することが求められている。電力変換装置の電力変換効率を決定する最も大きな要因は、電力変換の際に用いられるＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)やＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等のパワー半導体素子における損失である。パワー半導体素子における損失を低減すれば、電力変換装置の電力変換効率を大きく向上させることができる。パワー半導体素子において発生する損失には、素子に電流が通電することで発生する導通損失と、素子がスイッチングする際に発生するスイッチング損失がある。導通損失はよりオン抵抗の小さい素子を用いれば低減でき、スイッチング損失はより高速にスイッチングする素子を用いれば低減できる。そのため、パワー半導体素子の高速スイッチング化及び低オン抵抗化が進められている。
しかし、現在のパワー半導体素子は、シリコン（Ｓｉ）を材料として作られており、Ｓｉの材料限界に到達しつつあるため、さらなるオン抵抗の低減及びスイッチング速度の向上が困難になってきている。Ｓｉの材料限界を打破して導通損失及びスイッチング損失を低減するために、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される窒化物系半導体又は炭化珪素（ＳｉＣ）等のいわゆるワイドギャップ半導体素子の利用が検討されている。ワイドギャップ半導体素子は絶縁破壊電界がＳｉに比べて約１桁高く、特に、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）とのヘテロ接合界面には自発分極及びピエゾ分極により電荷が生じる。これにより、アンドープ時においても１×１０13ｃｍ-2以上のシートキャリア濃度と１０００ｃｍ2Ｖ／ｓｅｃ以上の高移動度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層が形成される。このため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合電界効果トランジスタ（以下ＧａＮトランジスタと記載する）は、低オン抵抗及び高耐圧を実現するパワースイッチングトランジスタとして期待されている。
ＧａＮトランジスタは、潜在的な特性は従来のＳｉデバイスを遙かに上回る。しかし、ＧａＮトランジスタにはスイッチング時のオン抵抗が増加する電流コラプスという特有の現象が存在する。電流コラプスは、オン抵抗を上昇させるため、電力変換装置の電力変換効率のさらなる向上のためには、電流コラプスの低減が重要である。
電流コラプスを低減するために、ＧａＮトランジスタを導電性基板の上に形成し、裏面からのフィールドプレート効果を用いる方法が検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。具体的には、ＳｉＣからなるｎ＋型の導電性基板の上にＧａＮトランジスタを形成し、ソース電極を半導体層を貫通する貫通電極として、ソース電極と導電性基板とを接続する。これにより、ソース電極と導電性基板とを同じ電位とし、導電性基板を裏面からのフィールドプレートとして機能させることが可能となり、電流コラプスを緩和することが期待される。
特開２００８−２５８４１９号公報
しかしながら、従来のソース電極と導電性基板とを同電位としたＧａＮトランジスタにおいても、電流コラプスの緩和が不十分であるということを本願発明者らは見出した。ソース電極と導電性基板とを同電位としても、ＧａＮトランジスタが本来有している低いオン抵抗を生かすことができず、電力変換装置の損失は十分に低減されていない。
本発明は、電流コラプスを緩和し、ＧａＮトランジスタが本来有している低いオン抵抗を利用した高効率の電力変換装置を実現できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は電力変換装置を、裏面電極を有するＧａＮトランジスタを用い、ＧａＮトランジスタがオフ状態の場合に裏面電極とドレイン電極との間の電位差を小さくし且つＧａＮトランジスタがオン状態の場合に裏面電極に正電圧のバイアスを印加する構成とする。
具体的に、本発明に係る電力変換装置は、電源が接続される入力端子と、電源により供給された電力をスイッチングする第１のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子によりスイッチングされた電力を出力する出力端子とを備え、第１のスイッチング素子は、基板の上に形成された窒化物半導体からなる半導体層積層体と、半導体層積層体の上に形成されたゲート電極と、ゲート電極の両側方にそれぞれ形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、基板における半導体層積層体と反対側の面に形成された裏面電極とを有し、第１のスイッチング素子がオフ状態の場合には、第２のオーミック電極と裏面電極との間の電位差は、第２のオーミック電極と第１のオーミック電極との間の電位差よりも小さく、第１のスイッチング素子がオン状態の場合には、裏面電極には正電圧のバイアスが印加され、裏面電極の電位は、電源により供給されることを特徴とする。
本発明の電力変換装置は、基板における半導体層積層体と反対側の面に形成された裏面電極を有する第１のスイッチング素子を備え、第１のスイッチング素子がオフ状態の場合には、第２のオーミック電極と裏面電極との間の電位差は、第２のオーミック電極と第１のオーミック電極との間の電位差よりも小さくする。これにより、第１のスイッチング素子がオフ状態の場合に、基板と第２のオーミック電極近傍のチャネル領域との間に高電界が印加されるおそれがない。従って、インパクトイオン化による電子が発生せず、半導体層積層体にトラップされる電子を低減でき、電流コラプスを緩和が緩和される。また、第１のスイッチング素子がオン状態の場合には、裏面電極には正電圧のバイアスが印加される。従って、トラップ準位に捕獲された電子を素早く放出させることが可能となり、電流コラプスをより緩和できる。その結果、ＧａＮトランジスタが本来有している低いオン抵抗を利用した高効率の電力変換装置を実現できる。また、裏面電極の電位は、入力端子に接続された電源により供給するため、電位を供給するための外部電源等の部品を別途設ける必要がない。従って、電力変換装置のサイズが大きくなることがない。
本発明の電力変換装置において、第１のスイッチング素子がオン状態の場合における裏面電極の電位と、第１のスイッチング素子がオフ状態の場合における裏面電極の電位とは等しい構成とすればよい。
本発明の電力変換装置は、第１のスイッチング素子がオン状態の際にエネルギーを蓄積するインダクタンス素子と、インダクタンス素子と直列に接続されたダイオードとをさらに備え、入力端子に印加された電圧を異なる電圧に変換して出力端子から出力するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する構成とすればよい。
本発明の電力変換装置において、インダクタンス素子は、入力端子と第２のオーミック電極との間に接続され、ダイオードは、インダクタンス素子と第２のオーミック電極との接続ノードと出力端子との間に接続され、入力端子に印加された電圧を昇圧して出力端子から出力する昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとしてもよい。
この場合において、裏面電極は、出力端子と接続されていても、入力端子と接続されていてもよい。
本発明の電力変換装置において、第１のスイッチング素子と接地との間に接続された第２のスイッチング素子をさらに備え、第１のハーフブリッジとして機能する構成としてもよい。
この場合において、第２のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子と同一の構造を有し、第１のスイッチング素子の裏面電極及び第２のスイッチング素子の裏面電極は、入力端子とそれぞれ接続されている構成としてもよい。
本発明の電力変換装置は、第１のハーフブリッジと並列に接続された第２のハーフブリッジ及び第３のハーフブリッジをさらに備え、三相モータを駆動するモータ駆動インバータとして機能する構成としてもよい。
本発明の電力変換装置において、第２のハーフブリッジは、第３のスイッチング素子及び第４のスイッチング素子を含み、第３のハーフブリッジは、第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子を含み、第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子、第４のスイッチング素子、第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子は、それぞれ第１のスイッチング素子と同一の構造を有し、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子、第４のスイッチング素子、第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子の裏面電極は、入力端子とそれぞれ接続されていてもよい。
本発明の電力変換装置において、第２のハーフブリッジは、第３のスイッチング素子及び第４のスイッチング素子を含み、第３のハーフブリッジは、第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子を含み、半導体層積層体は、不活性領域と、それぞれが不活性領域に囲まれ２行３列のマトリックス状に配置された活性領域を有し、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子、第４のスイッチング素子、第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子は、それぞれ異なる活性領域に形成され、第１のスイッチング素子、第３のスイッチング素子及び第５のスイッチング素子の第２のオーミック電極は一体に形成され、第２のスイッチング素子、第４のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子の第１のオーミック電極は一体に形成され、第１のスイッチング素子の第１のオーミック電極と、第２のスイッチング素子の第２のオーミック電極は一体に形成され、第３のスイッチング素子の第１のオーミック電極と、第４のスイッチング素子の第２のオーミック電極は一体に形成され、第５のスイッチング素子の第１のオーミック電極と、第６のスイッチング素子の第２のオーミック電極は一体に形成されている構成としてもよい。
このような構成とすることにより、インバータをワンチップ化することができる。これにより、裏面電極へ電位を供給するための配線が１つで済み、配線構造を簡略化できる。また、各スイッチング素子の電極を共通化されるため、占有面積を低減できる。
本発明に係る電力変換装置によれば、電流コラプスを緩和し、ＧａＮトランジスタが本来有している低いオン抵抗を利用した高効率の電力変換装置を実現できる。
第１の実施形態に係る電力変換装置に用いるＧａＮトランジスタを示す断面図である。 第１の実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。 第２の実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。 第２の実施形態に係る電力変換装置に用いるワンチップインバータを示す平面図である。 図４に示すワンチップインバータの要部を拡大して示す平面図である。 図５のVI−VI線における断面図である。
本開示において、ＡｌＧａＮとは、３元混晶ＡｌxＧａ1-xＮ（但し０≦ｘ≦１）のことを表す。多元混晶はそれぞれの構成元素記号の配列、例えばＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ等と略記する。例えば、窒化物半導体ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（但し０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）はＡｌＧａＩｎＮと略記する。また、アンドープは、不純物が意図的に導入されていないことを意味し、ｐ+は、高濃度のｐ型キャリアを含むことを意味する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１の実施形態に係る電力変換器に用いるＧａＮトランジスタ１０の断面構成を示している。図１においては、ＧａＮトランジスタ１０をスイッチング動作させるための周辺回路である電源、負荷及びゲート信号源についても合わせて記載している。
図１に示すように、シリコン（Ｓｉ）からなる導電性の基板１１の上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる厚さが１００ｎｍのバッファ層１２を介在させて、半導体層積層体１３が形成されている。半導体層積層体１３は、第１の窒化物半導体層１４の上に第１の窒化物半導体層１４と比べてバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層１５が積層されている。第１の窒化物半導体層１４は、例えば厚さが２μｍ程度のアンドープのＧａＮ層とすればよい。第２の窒化物半導体層１５は、例えば厚さが２０ｎｍ程度のアンドープのＡｌＧａＮ層とすればよい。第１の窒化物半導体層１４の第２の窒化物半導体層１５とのヘテロ界面近傍には、自発分極及びピエゾ分極による電荷が生じる。これにより、シートキャリア濃度が１×１０13ｃｍ-2以上で且つ移動度が１０００ｃｍ2Ｖ／ｓｅｃ以上の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層であるチャネル領域が生成されている。
半導体層積層体１３の上には、ｐ型半導体層１９を介在させてゲート電極１８が形成されている。ゲート電極１８は、それぞれパラジウム（Ｐｄ）と金（Ａｕ）とが積層されており、ｐ型半導体層１９とオーミック接触している。半導体層積層体１３の上におけるゲート電極１８の両側方には、ソース電極である第１のオーミック電極１６とドレイン電極である第２のオーミック電極１７とがそれぞれ形成されている。第１のオーミック電極１６及び第２のオーミック電極１７は、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とが積層されており、チャネル領域とオーミック接触している。図１においては、コンタクト抵抗を低減するために、第２の窒化物半導体層１５の一部を除去すると共に第１の窒化物半導体層１４を４０ｎｍ程度掘り下げて、第１のオーミック電極１６及び第２のオーミック電極１７が第２の窒化物半導体層１５と第１の窒化物半導体層１４の界面に接するように形成した例を示している。
ｐ型半導体層１９は、厚さが３００ｎｍで、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされたｐ型のＧａＮからなる。ｐ型半導体層１９と、第２の窒化物半導体層１５とによりＰＮ接合が形成される。これにより、ゲート電極１８に印加する電圧が０Ｖの場合においても、第２の窒化物半導体層１５及び第１の窒化物半導体層１４中にｐ型半導体層１９から基板１１側で且つ第２のオーミック電極１７側に向かって空乏層が広がる。従って、チャネル領域を流れる電流が遮断されるため、ノーマリオフ動作を行わせることが可能となる。ｐ型半導体層１９は、ＡｌＧａＮ層としてもよい。ｐ型半導体層１９はノーマリオフ動作をさせる必要がない場合には設けなくてもよい。ｐ型半導体層１９を設けずに、第２の窒化物半導体層１５の膜厚を調整したり、ゲートリセスを形成したりすることによりノーマリオフ化を実現してもよい。ｐ型半導体層１９と第２のオーミック電極１７との間の距離は、ＧａＮトランジスタ１０に印加される最大電圧にＧａＮトランジスタ１０が耐えられるように設計する。
基板１１の半導体層積層体１３と反対側の面（裏面）には外部から基板に電位を与えるための裏面電極２０が形成されている。裏面電極２０は、クロム（Ｃｒ）とニッケル（Ｎｉ）とが基板１１側から順次積層されている。裏面電極２０は、第１のオーミック電極１６及び第２のオーミック電極１７と貫通電極等により接続されていない独立した電極として形成されている。従って、裏面電極２０の電位は、第１のオーミック電極１６及び第２のオーミック電極１７と異なる任意の電位とすることができる。
ＧａＮトランジスタにおいて電流コラプスが発生する要因の１つは、ＡｌＧａＮからなる第２の窒化物半導体層又はＧａＮからなる第１の窒化物半導体層に電子がトラップされることであると考えられる。ＡｌＧａＮ層又はＧａＮ層に電子がトラップされる原因として、インパクトイオン化による電子の発生が考えられる。ＧａＮトランジスタがオフ状態の場合には、ドレイン電極は高電位となる。一方、基板の電位は一般的には接地電位又はフローティングとなる。ソース電極を貫通電極等として、基板とソース電極とが接続されている場合においても、ソース電極と同電位であるため、基板の電位はドレイン電極よりも低くなる。このため、ドレイン電極近傍のチャネル領域と基板との間に高電界が印加され、インパクトイオン化による電子が発生する。発生した電子は半導体層積層体中のトラップ準位に捕獲される。ＧａＮトランジスタがオフ状態の場合に半導体層積層体に電子がトラップされると、ＧａＮトランジスタをオン状態とした際に、半導体層積層体中に空乏層が形成されドレイン電流が狭窄される。従って、オン抵抗が増加する電流コラプスが発生する。
しかし、本実施形態のＧａＮトランジスタ１０は、裏面電極２０を有し且つ裏面電極２０が第１のオーミック電極１６及び第２のオーミック電極１７と独立しているため、裏面電極２０の電位を自由に設定することができる。このため、裏面電極２０と第２のオーミック電極１７との間の電界強度を緩和することが可能である。例えば、第１のオーミック電極１６と接続されたＳ端子と、第２のオーミック電極１７と接続されたＤ端子との間に、電力を供給する直流電源２２と負荷２１とを直列に接続する。直流電源２２は、負極がＳ端子と接続されるようにする。ゲート電極１８を駆動するためのゲート信号源２３は、Ｓ端子とゲート電極１８と接続されたＧ端子との間に接続する。裏面電極２０と接続されたＳＵＢ端子は、直流電源２２の正極と接続する。
このような接続を行えば、ＧａＮトランジスタ１０がオフ状態の場合、Ｄ端子の電位つまり第２のオーミック電極１７の電位は直流電源２２の正極の電位と同じとなる。一方、裏面電極２０の電位も直流電源２２により供給されるため、ＳＵＢ端子の電位つまり裏面電極２０の電位も直流電源２２の正極の電位と同じとなる。このため、第２のオーミック電極１７近傍のチャネル領域と基板１１との間に高電界が発生することはない。従って、インパクトイオン化による電子は発生せず、半導体層積層体１３における電子のトラップは大きく抑えられ、電流コラプスの発生を低減できる。一方、ＧａＮトランジスタ１０がオン状態となった場合にも、ＳＵＢ端子の電位つまり裏面電極２０の電位は、直流電源２２の正極の電位と同じであり、オフ状態の場合と同じ一定の電位が保持される。
電流コラプスを緩和するためには、ＧａＮトランジスタ１０がオフ状態の場合に、第２のオーミック電極１７の電位と裏面電極２０の電位との差を、第２のオーミック電極１７の電位と第１のオーミック電極１６の電位との差よりも小さくできればよい。従って、例えば第２のオーミック電極１７の電位が第１のオーミック電極１６の電位よりも高い場合には、第１のオーミック電極１６の電位を越える電位が裏面電極２０に供給されていればよい。これにより、第２のオーミック電極１７近傍のチャネル領域と基板１１との間の電界を緩和することができ、インパクトイオン化による電子の発生を抑えることができる。従って、半導体層積層体１３のトラップ準位に捕獲される電子を低減することができ、電流コラプスを緩和できる。
一方、ＧａＮトランジスタ１０がオン状態の場合に、裏面電極２０に正電圧のバイアスを印加することにより、半導体層積層体１３中にトラップされた電子を放出しやすくすることができ、電流コラプスをさらに緩和することが可能となる。また、ＧａＮトランジスタ１０がオン状態となったときに、裏面電極２０が正電圧にバイアスされている場合には、裏面電極２０がバックゲートとして機能するため、よりチャネルが開きオン抵抗を低減できるという効果も得られる。
裏面電極２０と第２のオーミック電極１７とを接続すると、ＧａＮトランジスタ１０がオン状態となった場合に、裏面電極２０の電位がＧａＮトランジスタ１０のオン電圧となってしまう。このため、ＧａＮトランジスタ１０がオン状態の場合に、裏面電極２０を正電圧にバイアスすることができなくなる。しかし、本実施形態の電力変換装置は、裏面電極２０が第２のオーミック電極１７とは独立しており、ＳＵＢ端子がＤ端子ではなく直流電源２２の正極と接続されている。このため、ＧａＮトランジスタ１０がオフ状態の場合に、裏面電極２０の電位を第１のオーミック電極１６の電位よりも高くできるだけでなく、ＧａＮトランジスタ１０がオン状態の場合に裏面電極２０に正電圧のバイアスを印加することができる。従って、電流コラプスを低減する効果をより大きくすることができる。但し、ＧａＮトランジスタ１０がオフ状態の場合に、第２のオーミック電極１７と裏面電極２０との間の電位差を第２のオーミック電極１７と第１のオーミック電極１６との間の電位差よりも低くでき、且つ、ＧａＮトランジスタ１０がオン状態の場合に、裏面電極２０に正電圧のバイアスを印加できれば、ＳＵＢ端子をどのように接続してもよい。
以下に、本実施形態のＧａＮトランジスタを用いた電力変換装置の具体例を説明する。図２は、本実施形態のＧａＮトランジスタを、昇圧型の直流−直流変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）に用いた場合の回路構成を示している。図２に示すように、電力変換装置であるＤＣ−ＤＣコンバータ２５の第１の入力端子Ｖin1と第２の入力端子Ｖin2との間に電力を供給するための直流電源１３１が接続されている。電力変換装置の第１の出力端子Ｖout1と第２の出力端子Ｖout2との間には負荷１３９が接続されている。第２の入力端子Ｖin2と第２の出力端子Ｖout2とは接地ラインにより接続されている。
第１の入力端子Ｖin1には、エネルギーを蓄積するインダクタンス素子１３３とダイオード１３５とが直列に接続されている。ダイオード１３５のカソードは、第１の出力端子Ｖout1と接続されている。インダクタンス素子１３３とダイオード１３５のアノードとの接続ノードには、スイッチング素子であるＧａＮトランジスタ１０のＤ端子が接続されている。ＧａＮトランジスタ１０のＳ端子は接地ラインと接続されている。ＧａＮトランジスタ１０のＳＵＢ端子は、第１の出力端子Ｖout1と接続されている。ＧａＮトランジスタ１０のＧ端子にはゲート駆動回路１３７が接続されている。第１の入力端子Ｖin1と接地ラインとの間には第１のコンデンサ１３２が接続され、第１の出力端子Ｖout1と接地ラインとの間には第２のコンデンサ１３４が接続されている。
ＧａＮトランジスタ１０のＳＵＢ端子が第１の出力端子Ｖout1と接続されているため、ＧａＮトランジスタ１０の基板電極の電位は、ドレイン電極である第２のオーミック電極の電位以上の電位に保持される。従って、基板と第２のオーミック電極近傍のチャネル領域との間に高電界が印加されることがなく、電流コラプスの発生を低減することができる。
図２においては、ＳＵＢ端子は第１の出力端子Ｖout1と抵抗等を介することなく接続されている。しかし、ＳＵＢ端子の電位をＤ端子の電位以上に保持することができれば、抵抗等を介して接続されていても問題ない。また、従って、直流電源１３１からＳＵＢ端子に電位が供給されればよく、ＳＵＢ端子を第１の出力端子Ｖout1ではなく、第１の入力端子Ｖin1と接続してもよい。但し、オン状態の場合にもＳＵＢ端子には正電圧のバイアスが印加されるようにする。ＳＵＢ端子に第１の入力端子Ｖin1に接続された電源から電位が供給されるため、ＳＵＢ端子に電位を供給するための電源を別途設ける必要がなく、電力変換回路のサイズを増大させることなく電力変換回路の低損失化を実現できる。
図２には、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示したが、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータの場合にも、ＳＵＢ端子の電位をＤ端子の電位以上に保持することにより同様の効果が得られる。
（第２の実施形態）
以下に第２の実施形態について図面を参照して説明する。図３は、第２の実施形態に係る電力変換装置の回路構成を示している。図３に示すように、第２の実施形態の電力変換装置は、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ３０である。図３は、一例としてインバータ３０により三相モータ１４９を駆動する場合を示している。インバータ３０の第１の入力端子Ｖin1と第２の入力端子Ｖin2との間には、直流電源１４１が接続されている。インバータ３０の第１の出力端子Ｖout1、第２の出力端子Ｖout2及び第３の出力端子Ｖout3は、三相モータのＵ相、Ｖ相及びＷ相とそれぞれ接続されている。
インバータ３０は、三相モータのＵ相を駆動する第１のハーフブリッジ３０Ａと、Ｖ相を駆動する第２のハーフブリッジ３０Ｂと、Ｗ相を駆動する第３のハーフブリッジ３０Ｃとを有している。第１のハーフブリッジ３０Ａは、Ｕ相ハイサイドスイッチである第１のスイッチング素子１０Ａ及びＵ相ローサイドスイッチである第２のスイッチング素子１０Ｂを有し、第２のハーフブリッジ３０Ｂは、Ｖ相ハイサイドスイッチである第３のスイッチング素子１０Ｃ及びＶ相ローサイドスイッチである第４のスイッチング素子１０Ｄを有し、第３のハーフブリッジ３０Ｃは、Ｗ相ハイサイドスイッチである第５のスイッチング素子１０Ｅ及びＷ相ローサイドスイッチである第６のスイッチング素子１０Ｆを有している。
第１のスイッチング素子１０Ａ、第３のスイッチング素子１０Ｃ及び第５のスイッチング素子１０ＥのＤ端子は、第１の入力端子Ｖin1とそれぞれ接続されている。第１のスイッチング素子１０Ａ、第３のスイッチング素子１０Ｃ及び第５のスイッチング素子１０ＥのＳ端子は、第２のスイッチング素子１０Ｂ、第４のスイッチング素子１０Ｄ及び第６のスイッチング素子１０ＦのＤ端子とそれぞれ接続されている。第２のスイッチング素子１０Ｂ、第４のスイッチング素子１０Ｄ及び第６のスイッチング素子１０ＦのＳ端子は、第２の入力端子Ｖin2とそれぞれ接続されている。第１のスイッチング素子１０ＡのＳ端子と第２のスイッチング素子１０ＢのＤ端子との接続ノードは、第１の出力端子Ｖout1と接続され、第３のスイッチング素子１０ＣのＳ端子と第４のスイッチング素子１０ＤのＤ端子との接続ノードは、第２の出力端子Ｖout2と接続され、第５のスイッチング素子１０ＥのＳ端子と第６のスイッチング素子１０ＦのＤ端子との接続ノードは、第３の出力端子Ｖout3と接続されている。第１のスイッチング素子１０Ａ〜第６のスイッチング素子１０ＦのＧ端子及びＳ端子は、ゲート駆動回路１５１を介してモータ制御部１５２とそれぞれ接続されている。第１のスイッチング素子１０Ａ〜第６のスイッチング素子１０ＦのＳＵＢ端子は、第１の入力端子Ｖin1と接続されている。
各スイッチング素子のＳＵＢ端子が第１の入力端子Ｖin1と接続されているため、各スイッチング素子のＳＵＢ端子の電位は、各スイッチング素子の動作状態に関わりなく、直流電源１４１の正極の電位と等しくなる。このため、各スイッチング素子がオフ状態の場合に、基板と第２のオーミック電極の近傍におけるチャネル領域との間に高電界が印加されることはない。従って、インパクトイオン化による電子の発生が生じず、半導体層積層体における電子のトラップを低減できる。また、各スイッチング素子がオン状態の場合に、裏面電極に正電圧のバイアスが印加されるため、半導体層積層体にトラップされた電子の放出を促進することができる。このため、電流コラプスを緩和することが可能となる。また、オン状態の場合に裏面電極が正電圧にバイアスされていることにより、裏面電極がバックゲートとして機能するため、よりチャネルが開きオン抵抗を低減できるという効果も得られる。
以上のようなインバータ３０を構成することにより、これまでＧａＮトランジスタ固有の課題であった電流コラプスを緩和し、より低損失の電力変換装置を実現できる。図３に示すように、ＧａＮトランジスタのＳＵＢ端子の電位をインバータ３０の第１の入力端子Ｖin1に接続された直流電源１４１から供給しているため、外部電源の追加及び部品の増加を伴うことなくインバータ３０の低損失化が可能となる。図３においてＳＵＢ端子とＶin1とを直接接続しているが、抵抗等を介して接続してもよい。各ＳＵＢ端子の電位を対応するＤ端子の電位以上とすることができれば、どのように接続されていてもよい。また、すべてのスイッチング素子のＳＵＢ端子にバイアス電圧を印加する必要はなく、Ｄ端子に高電圧が印加され電流コラプスが問題となるスイッチング素子にだけＳＵＢ端子にバイアス電圧を印加してもよい。電流コラプスが問題とならないスイッチング素子には、裏面電極を形成していないトランジスタを用いてもよい。また、ＭＯＳトランジスタからなるスイッチング素子と組み合わせることも可能である。
図４は、本実施形態に係る電力変換装置を１つのチップに集積したＧａＮワンチップインバータの平面構成を示している。図５は、図４に示した第１のスイッチング素子１０Ａの部分を拡大して示している。図６は、図５のVI−VI線における断面構成を示している。
図４〜図６に示すように、基板の上に形成された半導体層積層体１３には、第１の活性領域１３Ａ、第２の活性領域１３Ｂ、第３の活性領域１３Ｃ、第４の活性領域１３Ｄ、第５の活性領域１３Ｅ及び第６の活性領域１３Ｆが形成されている。第１の活性領域１３Ａ〜第６の活性領域１３Ｆは、それぞれ高抵抗な不活性領域１３Ｇにより囲まれ互いに分離されている。また、第１の活性領域１３Ａ〜第６の活性領域１３Ｆは、２行３列のマトリックス状に配置されている。第１の活性領域１３Ａ〜第６の活性領域１３Ｆには、第１のスイッチング素子１０Ａ〜第６のスイッチング素子１０Ｆがそれぞれ形成されている。
不活性領域１３Ｇにおける、第１の活性領域１３Ａ、第３の活性領域１３Ｃ及び第５の活性領域１３Ｅの外側方には、行方向に延びる電源ライン電極１６１が形成されている。電源ライン電極１６１は、第１の入力端子Ｖin1となり、第１のスイッチング素子１０Ａ、第３のスイッチング素子１０Ｃ及び第５のスイッチング素子１０Ｅの第２のオーミック電極１７と接続されている。
不活性領域１３Ｇにおける、第２の活性領域１３Ｂ、第４の活性領域１３Ｄ及び第６の活性領域１３Ｆの外側方には、行方向に延びる接地ライン電極１６２が形成されている。接地ライン電極１６２は、第２の入力端子Ｖin2となり、第２のスイッチング素子１０Ｂ、第４のスイッチング素子１０Ｄ及び第６のスイッチング素子１０Ｆの第１のオーミック電極１６と接続されている。
不活性領域１３Ｇにおける、第１の活性領域１３Ａと第２の活性領域１３Ｂとの間には、第１の出力電極１６３が形成されている。不活性領域１３Ｇにおける、第３の活性領域１３Ｃと第４の活性領域１３Ｄとの間には、第２の出力電極１６４が形成されている。不活性領域１３Ｇにおける、第５の活性領域１３Ｅと第６の活性領域１３Ｆとの間には、第３の出力電極１６５が形成されている。第１の出力電極１６３は、第１の出力端子Ｖout1となり、第１のスイッチング素子１０Ａの第１のオーミック電極１６と第２のスイッチング素子１０Ｂの第２のオーミック電極１７とが接続されている。第２の出力電極１６４は、第２の出力端子Ｖout2となり、第３のスイッチング素子１０Ｃの第１のオーミック電極１６と第４のスイッチング素子１０Ｄの第２のオーミック電極１７とが接続されている。第３の出力電極１６５は、第３の出力端子Ｖout3となり、第５のスイッチング素子１０Ｅの第１のオーミック電極１６と第６のスイッチング素子１０Ｆの第２のオーミック電極１７とが接続されている。
各スイッチング素子における、第１のオーミック電極１６及び第２のオーミック電極１７は、それぞれ複数の第１のオーミックフィンガー１７１及び複数の第２のオーミックフィンガー１７２を有している。第１のオーミックフィンガー１７１と第２のオーミックフィンガー１７２は互いに間隔をおいて交互に形成されている。図６に示すように、第１のオーミックフィンガー１７１の上には第１のオーミック電極配線１７３が形成されており、第２のオーミックフィンガー１７２の上には第２のオーミック電極配線１７４が形成されている。第１のオーミックフィンガー１７１及び第２のオーミックフィンガー１７２の間にはｐ型半導体層１９を介してゲート電極１８であるゲートフィンガー１７５がそれぞれ形成されている。ゲートフィンガー１７５は、ゲート電極配線１７６と接続され、ゲート電極配線１７６はゲート電極パッド１６６と接続されている。
半導体層積層体１３の上には、窒化シリコンからなる保護膜１７７が形成されている。但し、保護膜１７７における各電極パッドの上側の部分にはワイヤボンディングのために開口部が形成されている。
各スイッチング素子をそれぞれ１つのチップとした場合には、チップごとに、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極からの電流を取り出すためのパッド電極を設ける必要がある。従って、６個のスイッチング素子からなるインバータの場合、１８個のパッド電極が必要となる。パッド電極はワイヤボンディングをするために大きな面積が必要であり、パッド電極の数が増えると、チップの占有面積が増大する。しかし、ワンチップ化することにより、パッド電極を共有することが可能となる。図４においては、各ハイサイドスイッチのドレイン電極パッドを電源ライン電極にまとめ、各ローサイドスイッチのソース電極パッドを接地ライン電極にまとめている。また、各相のハイサイドスイッチのソース電極パッドとローサイドスイッチのドレイン電極パッドとを出力電極パッドとしてまとめている。このため、パッド電極を１１個に削減することができ、チップの占有面積を低減できる。また、裏面電極も１つとなるため裏面電極に電位を与えるための配線を１つに削減することができる。このため、裏面電極がチップごとに独立している場合と比べて配線構造を簡略化でき、インバータの小型化及び低コストが可能となる。
電源ライン電極、接地ライン電極、第１の出力電極、第２の出力電極及び第３の出力電極は、金等により形成すればよい。また、第１のオーミック電極配線及び第２のオーミック電極配線も金等により形成すればよい。ゲート電極配線はゲート電極と同一の材料により形成すればよい。
第１及び第２の実施形態において、基板に導電性のシリコン基板を用いる例を示した。しかし、窒化物半導体層が成長できればどのような基板を用いてもよく、ＧａＮ基板又はＳｉＣ基板等としてもよい。
本発明に係る電力変換装置は、電流コラプスを十分緩和し、ＧａＮトランジスタが本来有している低いオン抵抗を利用し、低損失で高効率の電力変換装置を実現でき、インバータ及びＤＣ−ＤＣコンバータをはじめとする電力変換装置として有用である。
１０ ＧａＮトランジスタ
１０Ａ 第１のスイッチング素子
１０Ｂ 第２のスイッチング素子
１０Ｃ 第３のスイッチング素子
１０Ｄ 第４のスイッチング素子
１０Ｅ 第５のスイッチング素子
１０Ｆ 第６のスイッチング素子
１１ 基板
１２ バッファ層
１３ 半導体層積層体
１３Ａ 第１の活性領域
１３Ｂ 第２の活性領域
１３Ｃ 第３の活性領域
１３Ｄ 第４の活性領域
１３Ｅ 第５の活性領域
１３Ｆ 第６の活性領域
１３Ｇ 不活性領域
１４ 第１の窒化物半導体層
１５ 第２の窒化物半導体層
１６ 第１のオーミック電極
１７ 第２のオーミック電極
１８ ゲート電極
１９ ｐ型半導体層
２０ 裏面電極
２１ 負荷
２２ 直流電源
２３ ゲート信号源
２５ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３０ インバータ
３０Ａ 第１のハーフブリッジ
３０Ｂ 第２のハーフブリッジ
３０Ｃ 第３のハーフブリッジ
１３１ 直流電源
１３２ 第１のコンデンサ
１３３ インダクタンス素子
１３４ 第２のコンデンサ
１３５ ダイオード
１３７ ゲート駆動回路
１３９ 負荷
１４１ 直流電源
１４９ 三相モータ
１５１ ゲート駆動回路
１５２ モータ制御部
１６１ 電源ライン電極
１６２ 接地ライン電極
１６３ 第１の出力電極
１６４ 第２の出力電極
１６５ 第３の出力電極
１６６ ゲート電極パッド
１７１ 第１のオーミックフィンガー
１７２ 第２のオーミックフィンガー
１７３ 第１のオーミック電極配線
１７４ 第２のオーミック電極配線
１７５ ゲートフィンガー
１７６ ゲート電極配線
１７７ 保護膜

Claims (11)

  1. 電源が接続される入力端子と、
    前記電源により供給された電力をスイッチングする第１のスイッチング素子と、
    前記第１のスイッチング素子によりスイッチングされた電力を出力する出力端子とを備え、
    前記第１のスイッチング素子は、
    基板の上に形成された窒化物半導体からなる半導体層積層体と、
    前記半導体層積層体の上に形成されたゲート電極と、
    前記ゲート電極の両側方にそれぞれ形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、
    前記基板における前記半導体層積層体と反対側の面に形成された裏面電極とを有し、
    前記第１のスイッチング素子がオフ状態の場合には、前記第２のオーミック電極と前記裏面電極との間の電位差は、前記第２のオーミック電極と前記第１のオーミック電極との間の電位差よりも小さく、
    前記第１のスイッチング素子がオン状態の場合には、前記裏面電極には正電圧のバイアスが印加され、且つ、前記裏面電極の電位は、前記第２のオーミック電極の電位よりも高く、
    前記裏面電極の電位は、前記電源により供給されることを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記第１のスイッチング素子がオン状態の場合における前記裏面電極の電位と、前記第１のスイッチング素子がオフ状態の場合における前記裏面電極の電位とは等しいことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記第１のスイッチング素子がオン状態の際にエネルギーを蓄積するインダクタンス素子と、
    前記インダクタンス素子と直列に接続されたダイオードとをさらに備え、
    前記入力端子に印加された電圧を異なる電圧に変換して前記出力端子から出力するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  4. 前記インダクタンス素子は、前記入力端子と前記第２のオーミック電極との間に接続され、
    前記ダイオードは、前記インダクタンス素子と前記第２のオーミック電極との接続ノードと前記出力端子との間に接続され、
    前記入力端子に印加された電圧を昇圧して前記出力端子から出力する昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとして機能することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記裏面電極は、前記出力端子と接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 前記裏面電極は、前記入力端子と接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電
    力変換装置。
  7. 前記第１のスイッチング素子と前記入力端子との間に接続された第２のスイッチング素子をさらに備え、第１のハーフブリッジとして機能することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  8. 前記第２のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子と同一の構造を有し、
    前記第１のスイッチング素子の裏面電極及び第２のスイッチング素子の裏面電極は、前記入力端子とそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
  9. 前記第１のハーフブリッジと並列に接続された第２のハーフブリッジ及び第３のハーフブリッジをさらに備え、
    三相モータを駆動するモータ駆動インバータとして機能することを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
  10. 前記第２のハーフブリッジは、第３のスイッチング素子及び第４のスイッチング素子を含み、
    前記第３のハーフブリッジは、第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子を含み、
    前記第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子、第４のスイッチング素子、第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子は、それぞれ前記第１のスイッチング素子と同一の構造を有し、
    前記第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子、第４のスイッチング素子、第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子の裏面電極は、前記入力端子とそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
  11. 前記第２のハーフブリッジは、第３のスイッチング素子及び第４のスイッチング素子を含み、
    前記第３のハーフブリッジは、第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子を含み、
    前記半導体層積層体は、不活性領域と、それぞれが前記不活性領域に囲まれ２行３列のマトリックス状に配置された活性領域を有し、
    前記第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、第３のスイッチング素子、第４のスイッチング素子、第５のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子は、それぞれ異なる活性領域に形成され、
    前記第１のスイッチング素子、第３のスイッチング素子及び第５のスイッチング素子の前記第２のオーミック電極は一体に形成され、
    前記第２のスイッチング素子、第４のスイッチング素子及び第６のスイッチング素子の前記第１のオーミック電極は一体に形成され、
    前記第１のスイッチング素子の前記第１のオーミック電極と、前記第２のスイッチング素子の前記第２のオーミック電極は一体に形成され、
    前記第３のスイッチング素子の前記第１のオーミック電極と、前記第４のスイッチング素子の前記第２のオーミック電極は一体に形成され、
    前記第５のスイッチング素子の前記第１のオーミック電極と、前記第６のスイッチング素子の前記第２のオーミック電極は一体に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
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