[发明专利]双向开关元件及使用该双向开关元件的双向开关电路

说明书

技术领域

本公开内容涉及双向开关元件及使用该双向开关元件的双向开关电路。

背景技术

目前，期待电气设备的进一步节能化，并要求处理较多电力的电源、逆变器以及矩阵转换器等电力转换装置中的电力转换效率的提高。尤其，将交流电力直接转换成不同的频率以及电压的交流电力的矩阵转换器，由于能够以不经由二极管整流器的方式转换交流电力，因而与以往的逆变器相比，可期待电力转换效率的提高。矩阵转换器由通电双向流动的电流，相对于正负双方的电压都具有耐压的双向开关而构成。当前一般使用的双向开关由相互反向地并联连接而成的2个绝缘栅双极晶体管(IGBT)、和分别与各IGBT串联连接的2个二极管而构成。

进行双向开关动作的半导体元件重要之处在于减低由开关动作时的瞬变电压与电流之积表现的开关动作损耗、以及由导通状态时的半导体元件本身的电阻(称为导通电阻)所消耗的导通损耗。然而，在使用以硅(Si)为材料的硅器件来形成双向开关电路的情况下，由于Si的材料界限而难以减低导通电阻。

为了打破材料界限来减低导通损耗，研究导入采用了以氮化镓(GaN)为代表的氮化物系半导体或碳化硅(SiC)等宽带隙半导体的半导体元件的情形。宽带隙半导体的绝缘破坏电场与Si相比约高1个数量级，尤其在氮化铝镓(AlGaN)与氮化镓(GaN)的异质结界面由于自发极化及压电极化会产生电荷。由此，即便在未掺杂时，也会形成1×10¹³cm^-2以上的片载流子浓度(sheet carrier concentration)和1000cm²V/sec以上的高迁移率的2维电子气体(2DEG)层。因而，AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(AlGaN/GaN-HFET)期待被作为实现低导通电阻以及高耐压的功率开关晶体管。

但是，即便将AlGaN/GaN-HFET用作双向开关电路，与以往的双向开关电路同样地，也需要2个AlGaN/GaN-HFET和2个二极管，与Si器件相比，无法期待大幅的导通电阻的减低。

为了实现导通电阻更小的双向开关，提出能用一个元件构成双向开关的双栅极的半导体元件、即双向开关元件(例如，参照专利文献1。)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开08/062800号小册子

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，本申请发明者发现了在使双栅极的双向开关元件进行开关动作的情况下会产生栅极噪声、从而开关动作变得不稳定的问题。

本申请的目的在于，解决本申请发明者发现的在使双栅极的半导体元件进行开关动作的情况下开关动作变得不稳定的问题，以能够实现稳定动作的双向开关元件。

为解决技术问题所采用的技术方案

为了达成上述目的，本公开使双向开关元件构成为具备将在第一栅电极与第二栅电极之间产生的电力线切断的第一屏蔽电极以及第二屏蔽电极。

具体而言，本公开的双向开关元件，具备：半导体层叠层体，形成在基板之上、且由氮化物半导体构成；第一欧姆电极以及第二欧姆电极，相互隔开间隔地形成在半导体层叠层体之上；第一栅电极以及第二栅电极，从第一欧姆电极侧起相互隔开间隔地依次形成在第一欧姆电极与第二欧姆电极之间；第一绝缘层，形成在半导体层叠层体之上、且覆盖第一栅电极以及第二栅电极；第一屏蔽电极，形成在第一绝缘层之上、电位与第一欧姆电极相等且覆盖在第一栅电极之上；和第二屏蔽电极，形成在第一绝缘层之上、电位与第二欧姆电极相等且覆盖在第二栅电极之上，第一屏蔽电极的端部位于比第一栅电极更靠近第二栅电极侧的位置，第二屏蔽电极的端部位于比第二栅电极更靠近第一栅电极侧的位置。

本公开的双向开关元件能够切断在第一栅电极与第二栅电极之间产生的大部分电力线。因此，能够减小第一栅电极与第二栅电极之间的寄生电容。其结果，能够减低在开关动作时产生的栅极噪声，从而可实现稳定动作的双向开关元件。

在本公开的双向开关元件中，也可将第一屏蔽电极的与第一栅电极相比更靠近第二栅电极侧的位置处的、第一屏蔽电极与半导体层叠层体之间的最小的间隔设定得小于半导体层叠层体的上表面与第一栅电极的上表面之间的间隔，将第二屏蔽电极的与第二栅电极相比更靠近第一栅电极侧的位置处的、第二屏蔽电极与半导体层叠层体之间的最小的间隔设定得小于半导体层叠层体的上表面与第二栅电极的上表面之间的间隔。通过采用该构成，可以更有效地切断在第一栅电极与第二栅电极之间产生的电力线。