CN102195629A - 交流二线式开关 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够抑制在内部所具有的双向开关元件的散热的交流二线式开关。交流二线式开关(100a)连接于交流电源(101)与负载(102)之间而被使用，包括：双向开关元件(103)，由III氮化物半导体构成，除具有使电流双向流动的构成以外，还使该电流的流动导通或断开，并且与交流电源及负载串联连接，且与交流电源及负载构成闭合电路；全波整流器(104)，对交流电源的电源进行全波整流；电源电路(105)，将全波整流后的电压平滑化后，提供直流电源；第一栅极驱动电路(107)及第二栅极驱动电路(108)，将控制信号输出到双向开关元件；以及控制电路(106)，对第一栅极驱动电路及第二栅极驱动电路进行控制。

Description

交流二线式开关
技术领域
本发明涉及交流二线式开关，并且涉及具有由III族氮化物半导体构成的双向开关元件的交流二线式开关。
背景技术
以往，在住宅用的照明灯或换气扇的控制中，作为交流二线式开关大多采用机械开关。近些年，使电流双向流动，并且对于正负这两个极性的电压都具有耐压性的双向交流开关成为了一种需要，因此，采用了三极管交流开关这种半导体、并具有调光功能、遥控器功能、以及人传感器功能的高功能的开关被商品化(例如参照专利文献1)。
图12是示出使用了以三极管交流开关为主开关的以往的交流二线式开关151的概略电路图。如图12所示，以往的交流二线式开关151由三极管交流开关150和用于驱动该三极管交流开关150的驱动电路149等构成，所述三极管交流开关150与商用交流电源101以及负载102串联连接而形成闭合电路，并且，以往的交流二线式开关151所形成的系统是，通过驱动电路149使三极管交流开关150接通或断开，从而使从商用交流电源101向负载102的电力供给导通或断开。
(以往技术文献)
(专利文献)
专利文献1  日本  特公昭58-56477号公报
专利文献2  美国  专利申请公开第2005/0189561号说明书
但是，在采用以硅(Si)为材料的半导体元件来形成双向开关元件的情况下，由于硅的材料界限，出现的困难是，不能使双向开关元件的导通电阻降得更低。也就是说，从图13所示的三极管交流开关的导通特性图可知，作为双向开关而被使用的三极管交流开关150在导通时，为了进行与硅二极管的导通工作相同的工作以及与双极部件的导通工作相同的工作，而在低电流区的导通电阻变大，在采用了三极管交流开关的交流二线式开关中，由于导通电阻而使导通损失变大。为此，以往的交流二线式开关存在的课题是，例如难于用于200W以上的负载，因此需要对能够使用的负载的耗电量加以限制后使用。
发明内容
本发明为了解决上述的课题，目的在于提供一种交流二线式开关，该交流二线式开关通过抑制内部所具有的双向开关元件本身的放热，从而能够对商用交流电源与比以往更大的负载之间的连接进行导通或断开。
近些年，为了打破材料界限降低导通损失，从而考虑了导入采用了以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物半导体或碳化硅(SiC)等宽禁带半导体的半导体元件(例如参照专利文献2)。宽禁带半导体的击穿场强大约是Si的10倍。在氮化铝镓(AlGaN)和氮化镓(GaN)的异质结界面，由于自发极化以及压电极化而产生电荷。据此，即使在不掺杂时也能够形成薄膜电子面密度在1×1013cm-2以上和1000cm2v/sec以上的高迁移率的二维电子气(2DEG)层。为此，则期待AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(AlGaN/GaN-HFET)能够成为可以实现低导通电阻以及高耐压的功率开关晶体管。
通过形成利用了AlGaN/GaN的异质结的具有两个栅极电极的结构，从而能够以一个半导体元件来形成双向开关元件。具有这种结构的双向开关元件在电路功能上与彼此为逆方向串联连接的两个晶体管是等价的，如图3所示的导通特性的比较图，与以往的三极管交流开关相比更能够降低导通电阻，并且能够控制从第一欧姆电极侧向第二欧姆电极侧流动的电流以及从第二欧姆电极侧向第一欧姆电极侧流动的电流。因此，由III族氮化物半导体构成的具有两个栅极电极的双向开关元件，比以往的由三极管交流开关单体、功率MOS场效应晶体管(金属氧化膜场效应晶体管)、或IGBT(绝缘栅双极晶体管)等多个功率晶体管组成的双向开关更小型化，并且作为能够节省电力的元件受到了重视。
因此，本发明的发明人实现了活用了由III族氮化物半导体构成的开关元件的优良特性的交流二线式开关。具体而言，为了达到上述的目的，作为本发明的交流二线式开关的一个实施例，交流二线式开关，被连接并被利用于交流电源与负载之间，该交流二线式开关具有双向开关元件，该双向开关元件除具有使电流双向流动的构成以外，还使该电流的流动导通或断开，并且，该双向开关元件与所述交流电源以及所述负载串联连接，且与所述交流电源以及所述负载构成闭合电路，所述双向开关元件包括：衬底；半导体层叠体，被形成在所述衬底，并且由III族氮化物半导体构成；第一欧姆电极以及第二欧姆电极，所述第一欧姆电极被形成在所述半导体层叠体，并且与所述交流电源以及所述负载中的一方电连接，所述第二欧姆电极被形成在所述半导体层叠体，并且与所述交流电源以及所述负载中的另一方电连接；以及第一栅极电极以及第二栅极电极，被形成在位于所述半导体层叠体上的所述第一欧姆电极与所述第二欧姆电极之间，并且是从所述第一欧姆电极一侧开始按顺序而被形成的；所述交流二线式开关还包括：全波整流器，被连接在所述第一欧姆电极与所述第二欧姆电极之间，对所述交流电源进行全波整流；电源电路，将从所述全波整流器输出的被全波整流后的电压平滑化后，提供直流电源；驱动电路，在接受从所述电源电路提供的直流电源的同时，还向所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极输出控制信号；以及控制电路，在接受从所述电源电路提供的直流电源的同时，在由所述交流电源将电力提供到所述负载的情况下，控制所述驱动电路，以使所述驱动电路通过向所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极，输出具有比所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极的阈值电压高的电压的控制信号，从而使所述双向开关元件成为导通状态。
据此，由于对交流电源的供给进行导通与断开的双向开关元件以III族氮化物半导体构成，因此具有这种双向开关元件的交流二线式开关能够降低导通电阻、抑制散热，从而能够与比以往的负载大的负载连接而被使用。
在此，所述驱动电路也可以通过电阻，将所述控制信号传输给所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极。这样，通过在驱动电路与第一栅极电极之间以及驱动电路与第二栅极电极之间插入电阻，从而使从驱动电路向第一栅极电极以及第二栅极电极的控制信号的电流以及电压得到限制，这样，控制信号的变动被抑制，导通或断开工作被稳定化，并且回避了因浪涌电压的侵入而导致的双向开关元件的损坏。
并且，所述驱动电路的构成也可以是，将电流或恒定电流的所述控制信号输出到所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极。这样，由于电流或恒定电流的控制信号从驱动电路被输入到第一栅极电极以及第二栅极电极，因此即使是过负载状态的向负载过度地提供了电力的状态，针对第一栅极电极以及第二栅极电极，被限制了电流的控制信号也能够被输入，因此能够使导通或断开工作稳定化。
并且，也可以是，所述控制电路，控制所述驱动电路，通过针对所述双向开关元件，首先将比所述阈值电压高的电压作为所述控制信号，施加到离在所述第一欧姆电极以及所述第二欧姆电极之中电位高的一方近的第一栅极电极或第二栅极电极之后，再将比所述阈值电压高的电压作为所述控制信号施加到第一栅极电极或第二栅极电极的另一方，从而使所述双向开关元件成为导通状态。这样，能够以将信号传送到能够以更低的电位将双向开关元件导通的第一栅极电极或第二栅极电极的定时，来使双向开关元件导通，因此与同时将控制信号传送到第一栅极电极以及第二栅极电极的方式相比，能够以更准确的定时来使双向开关元件导通。
并且，所述衬底也可以接地，或者所述衬底也可以被固定为某一电位。这样，能够使双向开关元件的衬底电位稳定，即使在双向开关元件被安装有散热装置的情况下，也不需要绝缘，并且能够抑制噪声的发生。
并且，交流二线式开关的构成也可以是，包括：衬底端子，与所述衬底电连接；以及两个二极管，被分别连接于所述衬底端子与所述第一欧姆电极以及所述衬底端子与所述第二欧姆电极之间，并且所述两个二极管分别朝向电流从所述衬底端子流向所述第一欧姆电极的方向以及电流从所述衬底端子流向所述第二欧姆电极的方向。这样，双向开元元件的衬底电位由于能够成为两个开关端子(第一欧姆电极以及第二欧姆电极)之中与电位低的开关端子的电位接近的电位，因此能够通过双向开关元件的低电压侧的控制端子(第一或第二栅极电极)来进行稳定的控制。
并且，交流二线式开关的构成也可以是，包括：衬底端子，与所述衬底电连接；以及两个二极管，被分别连接于所述衬底端子与所述第一欧姆电极以及所述衬底端子与所述第二欧姆电极之间，并且所述两个二极管分别朝向电流从所述第一欧姆电极流向所述衬底端子的方向以及电流从所述第二欧姆电极流向所述衬底端子的方向。这样，双向开关元件的衬底电位由于能够成为两个开关端子(第一欧姆电极以及第二欧姆电极)之中与电位高的开关端子的电位接近的电位，因此能够通过双向开关元件的高电压侧的控制端子(第一或第二栅极电极)来进行稳定的控制。
根据本发明所涉及的交流二线式开关，通过以由III族氮化半导体构成的双向开关元件来构成，从而能够降低因导通电阻所产生的损失，并能够抑制双向开关元件自身的散热，从而能够实现进行稳定工作的交流二线式开关。因此，实现了被安装在住宅墙壁上的交流二线式开关。
并且，能够切换更大的负载，从而实现了可以不必对负载加以限制就能够使用的交流二线式开关。
附图说明
图1是本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关的电路图。
图2是本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关所具有的双向开关元件的截面结构图。
图3是由本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关所具有的III族氮化物半导体构成的双向开关元件的导通特性，与三极管交流开关的导通特性进行比较的概要图。
图4是示出本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关所具有的双向开关元件的布局的概要图。
图5是示出本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关所具有的双向开关元件的封装的概要图。
图6是在双向开关元件与第一以及第二栅极驱动电路之间插入了电阻的本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关的电路图。
图7是以电流或恒定电流来执行双向开关元件的栅极驱动的本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关的电路图。
图8A是使双向开关元件的衬底电位接地的本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关的电路图。
图8B是使双向开关元件的衬底电位接地的本发明的另一个实施例所涉及的交流二线式开关的电路图。
图9A是将双向开关元件的衬底电位固定为任意的电位的本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关的电路图。
图9B是将双向开关元件的衬底电位固定为任意的电位的本发明的另一个实施例所涉及的交流二线式开关的电路图。
图10是使双向开关元件的衬底电位成为与商用交流电位中低的一方的电位接近的电位的本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关的电路图。
图11是使双向开关元件的衬底电位成为与商用交流电位中高的一方的电位接近的电位的本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关的电路图。
图12是利用三极管交流开关而被构成的以往的交流二线式开关的电路图。
图13是示出三极管交流开关的导通特性的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的交流二线式开关的实施例进行说明。图1示出了本发明的实施例所涉及的交流二线式开关100a的电路构成。该交流二线式开关100a是被连接于商用交流电源101与照明器具等的负载102之间而被利用的交流开关，并且，该交流二线式开关100a包括：双向开关元件103、全波整流器104、电源电路105、驱动电路(第一栅极驱动电路107、第二栅极驱动电路108)、以及控制电路106。
如图1所示，双向开关元件103是由III族氮化物半导体构成的双栅极的开关元件，除了具有使电流双方向流动的构成以外，还使该电流的流动导通或断开，该双向开关元件103具有：成为开关(导通/非导通)的对象的开关端子S1和开关端子S2；用于对电流的导通以及断开进行控制的、被连接于两个栅极的控制端子G1和控制端子G2；以及与形成该双向开关元件103的衬底(基板)电连接的衬底端子SUB。在此，商用交流电源101、负载102、以及双向开关元件103(其中的开关端子S1和开关端子S2)串联连接，以构成闭合电路。
全波整流器104被连接于开关端子S1与开关端子S2之间，是用于对从商用交流电源101提供来的交流电源进行全波整流的桥式二极管等。
电源电路105是将从全波整流器104输出的全波整流后的电压平滑化后，以提供直流电源的电路。第一栅极驱动电路107、第二栅极驱动电路108以及控制电路106所需要的电源由电源电路105来提供。
控制电路106是用于控制第一栅极驱动电路107以及第二栅极驱动电路108的电路，在从商用交流电源101向负载102提供电力的情况下，使第一栅极驱动电路107以及第二栅极驱动电路108分别针对双向开关元件103的控制端子G1以及控制端子G2，输出具有比与控制端子G1以及控制端子G2相对应的栅极的阈值电压高的电压的控制信号，从而使双向开关元件103成为导通状态，另外，在断开从商用交流电源101向负载102的电力提供的情况下，使第一栅极驱动电路107以及第二栅极驱动电路108分别针对双向开关元件103的控制端子G1以及控制端子G2，输出具有比与控制端子G1以及控制端子G2相对应的栅极的阈值电压低的电压的控制信号，从而使双向开关元件103成为断开状态。
更具体而言，通过外部设定部109，将表示是否将电力从商用交流电源101提供到负载102的信号传送给控制电路106。根据该被传送来的信号，控制电路106将控制信号输出到第一栅极驱动电路107的输入端子SIN1以及第二栅极驱动电路108的输入端子SIN2。
第一栅极驱动电路107以及第二栅极驱动电路108，根据来自控制电路106的控制信号，将控制信号分别从自身的输出端子OUT1以及OUT2输出到双向开关元件103的控制端子G1以及G2，以控制双向开关元件103的导通或断开工作。具体而言，在比双向开关元件103(更具体而言，其栅极)的阈值电压高的电压，从第一栅极驱动电路107以及第二栅极驱动电路108分别被施加到控制端子G1以及控制端子G2的情况下，双向开关元件103的开关端子S1和开关端子S2成为导通状态，电力被提供到负载102。另外，在比双向开关元件103(更具体而言，其栅极)的阈值电压低的电压，从第一栅极驱动电路107以及第二栅极驱动电路108的至少一方被分别施加到控制端子G1以及控制端子G2的情况下，双向开关元件103的开关端子S1和开关端子S2成为非导通状态，向负载102的电力提供被切断。这样，实现了利用了由III族氮化物半导体构成的双向开关元件103的交流二线式开关，并且大幅度降低了导通电阻，从而能够针对更大的负载进行导通或断开。
以下，对用于本实施例2的交流二线式开关100a的由III族氮化物半导体构成的双向开关元件103进行更具体的说明。首先，对双向开关元件103的结构进行说明。图2示出了双向开关元件103的截面。
如图2所示，双向开关元件103具有：厚度约为1μm的缓冲层127，以及在缓冲层127上形成的半导体层叠体(第一半导体层128和第二半导体层129)，该缓冲层127被形成在导电性的硅(Si)衬底126上。缓冲层127由厚度为10nm左右的氮化铝(AlN)和厚度为10nm左右的氮化镓(GaN)相互层叠而成。半导体层叠体由从衬底126一侧被依次层叠的第一半导体层128和第二半导体层129构成，该第二半导体层129比第一半导体层128的带隙大。在本实施例中，第一半导体层128是厚度为2μm左右的不掺杂的氮化镓(GaN)层。第二半导体层129是厚度为20nm左右的n型的氮化铝镓(AlGaN)层。这样，如图3示出的本实施例中的III族氮化物半导体双向开关元件(双向开关元件103)与以往的三极管交流开关的导通特性比较图所示，实现了导通电阻非常低的双向开关元件，即实现了导通电阻非常低的交流二线式开关。
在由GaN构成的第一半导体层128与由AlGaN构成的第二半导体层129的异质结界面近旁，由自发极化以及压电极化产生电荷。这样，作为薄膜电子面密度在1×1013cm-2以上，且迁移率为1000cm2v/sec以上的二维电子气(2DEG)层的沟道区域被形成。
在半导体层叠体上，即半导体层128和半导体层129上，形成有彼此相距一定间隔的第一欧姆电极123A和第二欧姆电极123B。第一欧姆电极123A以及第二欧姆电极123B均为由钛(Ti)和铝(Al)层叠而成，与上述的沟道区域欧姆接触。在该图2中示出的例子是，为了降低接触电阻，而在去除第二半导体层129的一部分的同时，将第一半导体层128深挖40nm左右，以使第一欧姆电极123A以及第二欧姆电极123B与第一半导体层128和第二半导体层129之间的交界面相接触。并且，第一欧姆电极123A以及第二欧姆电极123B也可以被形成在第二半导体层129上。
在第一欧姆电极123A上形成有由Au和Ti构成的第一欧姆电极布线122A，并与第一欧姆电极123A电连接。同样，在第二欧姆电极123B上形成有由Au和Ti构成的第二欧姆电极布线122B，并与第二欧姆电极123B电连接。
在第二半导体层129上的第一欧姆电极123A与第二欧姆电极123B之间的区域中，形成有构成双向开关元件103的双栅极的第一p型半导体层(第一栅极)125A和第二p型半导体层(第二栅极)125B，并且该第一p型半导体层(第一栅极)125A和第二p型半导体层(第二栅极)125B是相距一定间隔而被形成的。在第一p型半导体层125A上形成有第一栅极电极124A，在第二p型半导体层125B上形成有第二栅极电极124B。第一栅极电极124A以及第二栅极电极124B均由钯(Pd)和金(Au)层叠体构成，与第一p型半导体层125A以及第二p型半导体层125B欧姆接触。
第一欧姆电极布线122A、第一欧姆电极123A、第二半导体层129、第一p型半导体层125A、第一栅极电极124A、第二p型半导体层125B、第二栅极电极124B、第二欧姆电极123B以及第二欧姆电极布线122B，由以氮化硅(SiN)构成的保护膜130覆盖。
在Si衬底126的背面形成有由镍(Ni)、铬(Cr)、银(Ag)层叠的厚度为800nm左右的背面电极131，背面电极131与Si衬底126欧姆连接。
第一p型半导体层125A以及第二p型半导体层125B的厚度分别为300nm左右，由被掺杂了镁(Mg)的p型GaN构成。第一p型半导体层125A以及第二p型半导体层125B分别与第二半导体层129形成pn结。这样，第一欧姆电极123A与第一栅极电极124A之间的电压例如在0V以下的情况下，从第一p型半导体层125A开始在沟道区域中耗尽层扩大，因此能够切断流向沟道的电流。同样，第二欧姆电极123B与第二栅极电极124B之间的电压例如在0V以下的情况下，从第二p型半导体层125B开始在沟道区域中耗尽层扩大，因此能够切断流向沟道的电流。因此，能够实现执行所谓的常关(normally off)工作的双栅极的开关元件。并且，第一p型半导体层125A与第二p型半导体层125B之间的距离被设计成，能够耐压到被施加在第一欧姆电极123A以及第二欧姆电极123B的最大电压。
并且，与第一欧姆电极123A连接的端子S1、与第一栅极电极124A连接的端子G1、与第二栅极电极124B连接的端子G2以及与第二欧姆电极123B连接的端子S2，分别与图1的开关端子S1、控制端子G1、控制端子G2以及开关端子S2相对应。并且，与背面电极131连接的端子Sub与图1所示的衬底端子SUB相对应。
图4是示出双向开关元件103的芯片(双向开关芯片137)表面的布局的图。在双向开关芯片137的表面的右侧区域被设置有：第一欧姆电极布线133A、被形成在该第一欧姆电极布线133A的上面的第一欧姆电极衬垫134A、与图2所示的第一栅极电极124A电连接的第一栅极布线132A、被形成在该第一栅极布线132A的上面的第一栅极电极衬垫135A。
并且，在该双向开关芯片137的表面的左侧区域被设置有：第二欧姆电极布线133B、被形成在该第二欧姆电极布线133B的上面的第二欧姆电极衬垫134B、与图2所示的第二栅极电极124B电连接的第二栅极布线132B、被形成在该第二栅极布线132B的上面的第二栅极电极衬垫135B。
并且，在该双向开关芯片137的表面的中央区域被设置有：(i)第二欧姆电极布线122B，与第二欧姆电极布线133B电连接，且是从该第二欧姆电极布线133B向中央区域延伸的梳状布线(finger wire)；(ii)第一栅极电极124A，与第一栅极布线132A电连接，且是从该第一栅极布线132A向中央区域延伸的梳状的电极；(iii)第二栅极电极124B，与第二栅极布线132B电连接，且是从该第二栅极布线132B向中央区域延伸的梳状的电极；以及(iv)第一欧姆电极布线122A，与第一欧姆电极布线133A电连接，且是从该第一欧姆电极布线133A向中央区域延伸的梳状布线。并且，作为上述的沟道区域的活性区136也被表示在双向开关芯片137的表面的中央区域。
在这样的双向开关芯片137的表面的中央区域，以点线(c)切断的截面相当于图2。
图5示出了双向开关元件103的PKG(封装)的实际例子。在此示出了，在被固定在芯片垫(Die Pad)138上的双向开关芯片137的表面的各个衬垫134A、135A、134B以及135B，与图1以及图2所示的各个端子(开关端子S1、开关端子S2、控制端子G1、控制端子G2、衬底端子SUB)所使用的导线144-147相连接的状态。即，第一欧姆电极衬垫134A以两条电线139与开关端子S1所使用的导线147相连接，第一栅极电极衬垫135A以电线140与控制端子G1所使用的导线146相连接，第二栅极电极衬垫135B以电线142与控制端子G1所使用的导线144相连接，第二欧姆电极衬垫134B以两条电线141与开关端子S2所使用的导线145相连接。
另外，芯片垫138与衬底端子SUB所使用的导线148相连接。并且，芯片垫138、双向开关芯片137、各个电线139-142、以及各个导线144-148的底部以树脂143而被模封。
具有以上的结构的本实施例所涉及的双向开关元件103的工作原理如下所述。即，使通过图1的第一栅极驱动电路107向控制端子G1与开关端子S1之间施加的电位，低于第一栅极电极124A的阈值电压，从而使图2中的第一栅极电极124A的下侧的耗尽层扩大，同样，使通过第二栅极驱动电路108向控制端子G2与开关端子S2之间施加的电位，低于第二栅极电极124B的阈值电压，从而使图2中的第二栅极电极124B的下侧的耗尽层扩大。这样，在作为第一欧姆电极123A的开关端子S1与作为第二欧姆电极123B的开关端子S2之间，成为不论哪个方向都没有电流流过的状态，在双向开关元件103的开关端子S1与开关端子S2之间成为切断状态，从商用交流电源101向负载102没有电力的提供，成为断开状态。
另一方面，使通过第一栅极驱动电路107向控制端子G1与开关端子S1之间施加的电位，高于第一栅极电极124A的阈值电压，从而不使图2中的第一栅极电极124A下侧的耗尽层扩大，同样，使通过第二栅极驱动电路108向控制端子G2与开关端子S2之间施加的电位，高于第二栅极电极124B的阈值电压，从而不使图2中的第二栅极电极124B的下侧的耗尽层扩大。这样，在作为第一欧姆电极123A的开关端子S1与作为第二欧姆电极123B的开关端子S2之间，成为不论哪个方向都有电流流过的状态，在双向开关元件103的开关端子S1与开关端子S2之间成为导通状态，成为从商用交流电源101向负载102提供电力的状态。
根据此原理，通过在图1所示的交流二线式开关100a的双向开关元件103的控制端子G1与开关端子S1之间以及控制端子G2与开关端子S2之间，施加比阈值电压高的电压，则能够将电力提供到与商用交流电源101相连接的负载102，通过在控制端子G1与开关端子S1之间以及控制端子G2与开关端子S2之间，施加阈值电压以下的电压，从而能够切断向与商用交流电源101连接的负载102提供电力。这样，能够有选择性地对被连接在商用交流电源101的负载102进行导通状态以及断开状态的控制。
进一步，对向双向开关元件103的控制端子G1与开关端子S1之间以及控制端子G2与开关端子S2之间的信号提供方法进行说明。要使双向开关元件103成为导通状态，则需要向控制端子G1与开关端子S1之间以及控制端子G2与开关端子S2之间均施加比阈值电压高的电压，实质上是通过同时施加电压来实现导通状态。然而，最优选的是以下的控制。
即，要想使双向开关元件103从断开状态成为导通状态，则需要向离开关端子S1以及开关端子S2之中电位高的一方近的控制端子施加比阈值电压高的电压，并在一定的时间后，向离开关端子S1以及开关端子S2之中电位低的一方近的控制端子施加比阈值电压高的电压。另外，要想使双向开关元件103从导通状态成为断开状态，则需要向离开关端子S1以及开关端子S2之中电位低的一方近的控制端子施加比阈值电压低的电压，并在一定的时间后，向离开关端子S1以及开关端子S2之中电位高的一方近的控制端子施加比阈值电压低的电压。
例如，要想将双向开关元件103从断开状态成为导通状态，在开关端子S1与开关端子S2之中，在开关端子S2的电位高时，首先向控制端子G2与开关端子S2之间施加比阈值电压高的电压，在一定的时间后，再向控制端子G1与开关端子S1之间施加比阈值电压高的电压，这样，双方的控制端子都被施加有比阈值电压高的电压，双向开关元件103成为导通状态。另一方面，要想将双向开关元件103从导通状态成为断开状态，则在离电位低的一侧的开关端子S1近的控制端子G1与开关端子S1之间施加比阈值电压低的电压，在一定的时间后，向控制端子G2与开关端子S2之间也施加比阈值电压低的电压。
通过进行这样的向控制端子G1与开关端子S1之间以及控制端子G2与开关端子S2之间给予信号的方法，双向开关元件103实质上是以将电位施加到电位低的一侧的控制端子的定时来控制(决定)导通状态以及断开状态的，因此，与同时向两个控制端子施加控制电压的方式相比，能够更正确地控制双向开关元件103。另外，关于向双向开关元件103的控制端子G1与开关端子S1之间以及控制端子G2与开关端子S2之间给予信号的方法，在从图6到图11的实施例中也能够得到相同的效果。
图6示出了本发明的其他的实施例所涉及的交流二线式开关100b的电路构成。在此所示出的构成是，在控制端子G1与第一栅极驱动电路107之间、以及控制端子G2与第二栅极驱动电路108之间分别被插入有用于保护栅极的电阻111以及电阻110。该构成所具有的效果是，在双向开关元件103的控制端子G1以及控制端子G2被施加有阈值电压以上的电压，电力被提供到负载102的过渡状态中，能够对从控制端子G1向开关端子S1施加的电流和电压的变动、以及从控制端子G2向开关端子S2施加的电流和电压的变动进行控制，并且能够对因其他的浪涌电压导致的元件破坏进行保护。
图7示出了本发明的其他的实施例所涉及的交流二线式开关100c的电路构成。在此所示出的构成是，将来自作为电流源的第一栅极驱动电路112以及第二栅极驱动电路113的电流，分别施加到控制端子G1以及控制端子G2。根据此构成，由于要想使双向开关元件103成为导通状态，需要向控制端子G1以及G2施加恒定电流，因此，在过负载状态中的向负载102过度地提供电力的状态中，被施加到控制端子G1以及控制端子G2的电流以及电压被稳定。
接着，图8A至图11分别是本发明其他的实施例所涉及的交流二线式开关100d-1至100g的电路的构成。在此示出了，有关双向开关元件103的衬底端子SUB的电位的获取方法的各种实施例。在以前所说明的图1、图6、图7的构成中，衬底端子SUB的电位是不固定的，处于悬浮状态。
图8A示出了本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关100d-1的电路构成。在此示出了双向开关元件103的衬底端子SUB接地的例子。即记载的例子是，在衬底端子SUB与第一栅极驱动电路107、第二栅极驱动电路108、控制电路106以及电源电路105的共同接地部之间以布线114来连接。通过使衬底端子SUB接地，从而能够使双向开关元件103的衬底电位稳定，即使在双向开关元件103安装了散热装置的情况下，也不需要绝缘，并且能够抑制噪声的发生。另外，该交流二线式开关100d-1也可以如图8B所示的交流二线式开关100d-2那样，为了使衬底端子SUB接地，而将用于保护浪涌电压的电阻114a插入到布线114中。这样，可以与图8A所示的交流二线式开关100d-1同样，能够使衬底端子SUB稳定。关于衬底端子SUB的接地方法，即使是采用其他的方法也能够得到同样的效果。
图9示出了本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关100e-1的电路的构成。在此示出了，将双向开关元件103的衬底端子SUB的电位固定为任意的电位(例如预先规定的直流电位)的例子。即记载了，在衬底端子SUB与具有任意的电位端子的电源电路105(其电位端子)之间以布线115来连接的例子。在双向开关元件103安装了散热装置的情况下需要绝缘，即使是这种情况，通过将衬底端子SUB固定为任意的电位，也能够使双向开关元件103的衬底电位稳定。另外，该交流二线式开关100e-1的构成也可以如图9所示的交流二线式开关100e-2所示那样，将用于保护浪涌电压的电阻115a插入到用于连接衬底端子SUB与任意的电位端子的布线115中。这样，可以与图9A所示的交流二线式开关100e-1同样，能够使衬底端子SUB稳定。
图10示出了本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关100f的电路的构成。在此示出了将双向开关元件103的衬底端子SUB的电压固定为与交流电压的低电位接近的电压的例子。在此构成中，在衬底端子SUB与开关端子S1之间并联连接有二极管118和电阻117，且衬底端子SUB与开关端子S2之间同样，并联连接有二极管119和电阻116。根据此构成，能够将衬底端子SUB的电压固定为与交流电压的低电位近的电压。这样，能够在双向开关元件103的低电压侧的控制端子进行稳定的控制。另外，关于将双向开关元件103的衬底端子SUB的电压固定为与交流电压的低电位的方法也可以采用其他的方式。
图11示出了本发明的一个实施例所涉及的交流二线式开关100g的电路的构成。在此示出了将双向开关元件103的衬底端子SUB的电压固定为与交流电压的高电位接近的电压的例子。在此构成中，在衬底端子SUB与开关端子S1之间连接有二极管120，在衬底端子SUB与开关端子S2之间连接有二极管121。根据此构成，能够使衬底端子SUB的电压固定为与交流电压的高电位接近的电压，从而在双向开关元件103的高电压侧的控制端子能够进行稳定的控制。另外，关于将双向开关元件103的衬底端子SUB的电压固定为与交流电压的高电位接近的电压的方法也可以采取其他的方式。
如以上所述，本实施例中的交流二线式开关由于利用了由III族氮化物半导体构成的双向开关元件103来对交流电源进行导通或断开，因此与以往使用的三极管交流开关相比，能够大幅度地降低因开关元件的导通电阻造成的损失，可以期待作为高负载的交流开关的省电力化，并且能够稳定地对各种负载进行工作。
以上，利用实施例以及变形例对本发明所涉及的交流二线式开关进行了说明，不过本发明并非受这些实施例以及变形例所限。在不超脱本发明的主旨的范围内，本领域技术人员能够想到的对这些实施例以及变形例进行各种变形而得到的实施方式，以及对这些实施例以及变形例进行任意地组合而得到的实施方式均包含在本发明之内。
例如，在上述的实施例中，双向开关元件103被作为了栅极电极被形成在p型半导体层(第一p型半导体层125A以及第二p型半导体层125B)上的常关型的双栅极的半导体元件。不过，本发明所涉及的双向开关元件的栅极并非受此结构所限。例如，可以通过形成栅极凹陷(Gate-Recess)，或使第二半导体层129的膜厚变薄来实现常关特性。即，作为本发明所涉及的双向开关元件的栅极的结构，可以通过设置绝缘层来取代栅极电极下的p型半导体以作为绝缘型的栅极，或者不设置栅极电极下的p型半导体，而是将栅极电极与半导体层设置成如肖特基势垒这样的肖特基结型的栅极。
并且，根据电路构成的不同，双向开关元件103也可以作为常开(normally on)型的双栅极的半导体元件来实现。
并且，关于双向开关元件103的衬底，虽然举例说明了Si(硅)衬底，不过本发明并非受Si衬底所限。只要是氮化物半导体能够形成的衬底就可以，也可以取代Si衬底而采用碳化硅(SiC)衬底或蓝宝石衬底或者其他的衬底。
本发明所涉及的利用了由III族氮化物半导体构成的双向开关元件的交流二线式开关与以往使用的三极管交流开关相比较，由于能够大幅度地降低因开关元件的导通电阻造成的损失，因此能够使高负载的交流开关省电力化，能够对各种负载稳定地进行工作，例如有用于具有调光功能的住宅用照明设备以及对换气扇进行控制时所使用的交流二线式开关。
符号说明
100a，100b，100c，100d-1，100d-2，100e-1，100e-2，100f，100g交流二线式开关
101商用交流电源
102负载
103双向开关元件
104全波整流器
105电源电路
106控制电路
107第一栅极驱动电路
108第二栅极驱动电路
109外部设定部
110，111，114a，115a，116，117电阻
112第一栅极驱动电路
113第二栅极驱动电路
114，115布线
118-121二极管
122A第一欧姆电极布线
122B第二欧姆电极布线
123A第一欧姆电极
123B第二欧姆电极
124A第一栅极电极
124B第二栅极电极
125A第一p型半导体层
125B第二p型半导体层
126硅(Si)衬底
127缓冲层
128第一半导体层
129第二半导体层
130保护膜
131背面电极
132A第一栅极布线
132B第二栅极布线
133A第一欧姆电极布线
133B第二欧姆电极布线
134A第一欧姆电极衬垫
134B第二欧姆电极衬垫
135A第一栅极电极衬垫
135B第二栅极电极衬垫
136活性区
137双向开关芯片
138芯片垫
139-142电线
143树脂
144-148导线

Claims (18)

1.一种交流二线式开关，被连接并被利用于交流电源与负载之间，
该交流二线式开关具有双向开关元件，该双向开关元件除具有使电流双向流动的构成以外，还使该电流的流动导通或断开，并且，该双向开关元件与所述交流电源以及所述负载串联连接，且与所述交流电源以及所述负载构成闭合电路，
所述双向开关元件包括：
衬底；
半导体层叠体，被形成在所述衬底，并且由III族氮化物半导体构成；
第一欧姆电极以及第二欧姆电极，所述第一欧姆电极被形成在所述半导体层叠体，并且与所述交流电源以及所述负载中的一方电连接，所述第二欧姆电极被形成在所述半导体层叠体，并且与所述交流电源以及所述负载中的另一方电连接；以及
第一栅极电极以及第二栅极电极，被形成在位于所述半导体层叠体上的所述第一欧姆电极与所述第二欧姆电极之间，并且是从所述第一欧姆电极一侧开始按顺序而被形成的；
所述交流二线式开关还包括：
全波整流器，被连接在所述第一欧姆电极与所述第二欧姆电极之间，对所述交流电源进行全波整流；
电源电路，将从所述全波整流器输出的被全波整流后的电压平滑化后，提供直流电源；
驱动电路，在接受从所述电源电路提供的直流电源的同时，还向所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极输出控制信号；以及
控制电路，在接受从所述电源电路提供的直流电源的同时，在由所述交流电源将电力提供到所述负载的情况下，控制所述驱动电路，以使所述驱动电路通过向所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极，输出具有比所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极的阈值电压高的电压的控制信号，从而使所述双向开关元件成为导通状态。
2.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述双向开关元件是常关型的开关元件。
3.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述双向开关元件还具有第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层被形成在所述第一栅极电极与所述半导体层叠体之间，并与所述半导体层叠体形成pn结，所述第二半导体层被形成在所述第二栅极电极与所述半导体层叠体之间，并与所述半导体层叠体形成pn结。
4.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极是绝缘栅极用的电极。
5.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极与所述半导体层叠体相接触，以形成肖特基势垒。
6.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述双向开关元件还具有由p型的III族氮化物半导体构成的栅极，该由p型的III族氮化物半导体构成的栅极分别与所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极欧姆接触。
7.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述衬底是硅衬底。
8.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述衬底是碳化硅衬底。
9.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述衬底是蓝宝石衬底。
10.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述驱动电路，经由电阻将所述控制信号传送到所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极。
11.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述驱动电路，将电流或恒定电流的所述控制信号输出到所述第一栅极电极以及所述第二栅极电极。
12.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述控制电路，控制所述驱动电路，通过针对所述双向开关元件，首先将比所述阈值电压高的电压作为所述控制信号，施加到离在所述第一欧姆电极以及所述第二欧姆电极之中电位高的一方近的第一栅极电极或第二栅极电极之后，再将比所述阈值电压高的电压作为所述控制信号施加到第一栅极电极或第二栅极电极的另一方，从而使所述双向开关元件成为导通状态。
13.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述衬底的电位为悬浮电位。
14.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述衬底接地。
15.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述衬底的电位被固定为某一电位。
16.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述交流二线式开关还包括：
衬底端子，与所述衬底电连接；以及
两个二极管，被分别连接于所述衬底端子与所述第一欧姆电极以及所述衬底端子与所述第二欧姆电极之间，并且所述两个二极管分别朝向电流从所述衬底端子流向所述第一欧姆电极的方向以及电流从所述衬底端子流向所述第二欧姆电极的方向。
17.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述交流二线式开关还包括：
衬底端子，与所述衬底电连接；
两个二极管，被分别连接于所述衬底端子与所述第一欧姆电极以及所述衬底端子与所述第二欧姆电极之间，并且所述两个二极管分别朝向电流从所述第一欧姆电极流向所述衬底端子的方向以及电流从所述第二欧姆电极流向所述衬底端子的方向。
18.如权利要求1所述的交流二线式开关，
所述交流电源是商用交流电源；
所述负载是照明设备；
所述交流二线式开关被连接于所述商用交流电源与所述照明设备之间。
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