JP2013004988A - スイッチング回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲート電流を抑制し且つ高速動作が可能なスイッチング回路を提供する。
【解決手段】窒化物半導体層の主面上に互いに離間して配置された第１及び第２の主電極、及び前記第１の主電極と前記第２の主電極間で前記主面上に配置された制御電極を有するスイッチング素子Ｔ_ＳＷと、コレクタ端子とエミッタ端子と制御端子とを有する第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１及び入力端子を含む駆動回路１０と、を備え、前記第１の駆動素子の前記コレクタ端子は前記スイッチング素子の前記第１の主電極に接続され、前記第１の駆動素子の前記エミッタ端子は前記スイッチング素子の前記制御電極に接続され、前記第１の駆動素子の前記制御端子は前記入力端子及び前記エミッタ端子に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体からなるスイッチング素子を備えるスイッチング回路に関する。

例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）等の窒化物半導体からなる電界効果トランジスタ（以下において、「窒化物ＦＥＴ」という。）が、高周波用デバイスや高耐圧パワーデバイスとして注目されている。窒化物半導体にショットキ接合を形成して配置されたゲート電極を備える窒化物ＦＥＴ（以下において、「ショットキゲート型窒化物ＦＥＴ」という。）や、窒化物半導体上に絶縁膜を介して配置されたゲート電極を備えるＭＩＳ構造の窒化物ＦＥＴ（以下において、「ＭＩＳゲート型窒化物ＦＥＴ」という。）などを使用して、種々の集積回路が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−１８７１６７号公報

窒化物ＦＥＴの優れた動作特性を引き出すためには、窒化物ＦＥＴを駆動する駆動回路（ドライバ）の構成について十分な検討が必要である。例えば、ショットキゲート型窒化物ＦＥＴでは、オン状態で流れるゲート電流により消費電力が増大するという問題がある。また、ＭＩＳゲート型窒化物ＦＥＴでは、ゲート容量が大きいため、高速動作させるために大きなゲート電流が必要である。このため、これらの問題を解決できる駆動回路が望まれている。

本発明は、ゲート電流を抑制し且つ高速動作が可能なスイッチング回路を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、窒化物半導体層の主面上に互いに離間して配置された第１及び第２の主電極、及び前記第１の主電極と前記第２の主電極間で前記主面上に配置された制御電極を有するスイッチング素子と、コレクタ端子とエミッタ端子と制御端子とを有する第１の駆動素子及び入力端子を含む駆動回路と、を備え、前記第１の駆動素子の前記コレクタ端子は前記スイッチング素子の前記第１の主電極に接続され、前記第１の駆動素子の前記エミッタ端子は前記スイッチング素子の前記制御電極に接続され、前記第１の駆動素子の前記制御端子は前記入力端子及び前記エミッタ端子に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、ゲート電流を抑制し且つ高速動作が可能なスイッチング回路を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係るスイッチング回路の構成を示す模式的な回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るスイッチング回路に使用されるスイッチング素子の構造の例を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るスイッチング回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るスイッチング回路に使用されるスイッチング素子の構造の例を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るスイッチング回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態の変形例に係るスイッチング回路に使用されるスイッチング素子の構造の例を示す模式図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１乃至第６の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す第１乃至第６の実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るスイッチング回路１は、スイッチング素子Ｔ_SWと、スイッチング素子Ｔ_SWを駆動する駆動回路１０とを備える。スイッチング素子Ｔ_SWは、窒化物半導体層の主面上に互いに離間して配置されたドレイン電極Ｄ_SWとソース電極Ｓ_SW、及び、ドレイン電極Ｄ_SWとソース電極Ｓ_SW間で窒化物半導体層の主面上に配置されたゲート電極Ｇ_SWを有する。スイッチング素子Ｔ_SWのドレイン電極Ｄ_SWとソース電極Ｓ_SWは、ドレイン端子Ｄとソース端子Ｓにそれぞれ接続されている。

スイッチング素子Ｔ_SWは、例えばＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の積層構造を有する窒化物半導体層を備えた窒化物ＦＥＴである。図２に、スイッチング素子Ｔ_SWの構成例を示す。図２は、基板２１上に配置された窒化物半導体層２２の平坦な主面上に、ドレイン電極Ｄ_SW、ソース電極Ｓ_SW及びゲート電極Ｇ_SWが配置された例である。窒化物半導体層２２の主面は、リセスが形成された凹凸形状であってもよい。

駆動回路１０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）からなる第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１とゲート抵抗Ｒ１とを有する。図１に示すように、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１のコレクタ電極Ｃ_Ｄ１にスイッチング素子Ｔ_ＳＷのドレイン電極Ｄ_ＳＷが接続され、エミッタ電極Ｅ_Ｄ１にスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷが接続される。第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１のゲート電極Ｇ_Ｄ１は入力端子ＩＮに接続されている。入力端子ＩＮには、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのオン・オフを制御するための制御信号が受信される。更に、入力端子ＩＮとスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷ間にゲート抵抗Ｒ１が接続されている。

スイッチング回路１では、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１のオン・オフを制御する制御信号が入力端子ＩＮを介して第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１のゲート電極Ｇ_Ｄ１に入力される。駆動回路１０に入力される制御信号によって第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１の導通状態を設定することにより、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのオン・オフが制御される。

なお、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１も、スイッチング素子Ｔ_ＳＷと同様に、窒化物ＦＥＴであることが好ましい。高速動作が可能な窒化物ＦＥＴを第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１に採用することにより、スイッチング回路１全体が高速動作する。例えば、スイッチング素子Ｔ_ＳＷと駆動回路１０を同一半導体チップ上に形成することが有効である。

第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１は、スイッチング素子Ｔ_ＳＷの動作を制御することができるだけの駆動能力があればよい。したがって、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１のサイズは、スイッチング素子Ｔ_ＳＷよりも小さくてよい。

図３のタイミングチャートを参照して、スイッチング回路１の動作を以下に説明する。図３において、入力電圧Ｖ（ＩＮ）は入力端子ＩＮに入力される信号の電圧レベルである。また、ドレイン電圧Ｖ（Ｄ）はドレイン端子Ｄの電圧であり、ドレイン電流Ｉ（Ｄ）は、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのドレイン電極Ｄ_ＳＷを流れる電流である。ゲート電流ＩＧ（Ｔ_ＳＷ）は、ゲート電極Ｇ_ＳＷを流れるゲート電流であり、ゲート電圧ＶＧ（Ｔ_ＳＷ）は、ゲート電極Ｇ_ＳＷの電圧である。コレクタ電流ＩＣ（Ｔ_Ｄ１）及びゲート抵抗電流Ｉ（Ｒ１）は、それぞれ、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１のコレクタ電極Ｃ_Ｄ１を流れる電流、及びゲート抵抗Ｒ１を流れる電流である。

時刻ｔ１において、入力端子ＩＮにハイ（Ｈｉｇｈ）信号が入力されると、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１がオンする。これにより、スイッチング素子Ｔ_ＳＷをオンさせるのに十分な大きさであるゲート電流値ＩＧ_ＳＷのゲート電流ＩＧ（Ｔ_ＳＷ）が、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１を介してスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷに流れる。このため、スイッチング素子Ｔ_ＳＷがオンする。このとき、ゲート抵抗電流Ｉ（Ｒ１）もスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷに流れる。

スイッチング素子Ｔ_ＳＷがオンした後、ドレイン電圧Ｖ（Ｄ）はＴ_ＳＷのオン動作に伴い低下し、その結果、時刻ｔ２において第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１がオフする。このため、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１のコレクタ電流ＩＣ（Ｔ_Ｄ１）は流れなくなる。これにより、ゲート電流ＩＧ（Ｔ_ＳＷ）は急激に減少し、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのオン状態を維持するのには十分なゲート電流値ＩＧ_ＯＮのゲート電流ＩＧ（Ｔ_ＳＷ）のみが、ゲート抵抗Ｒ１を介してスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷに流れる。

図示しないタイミングにおいて、入力端子ＩＮにＬｏｗ信号が入力されると、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１はオフし、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲートにチャージされた電荷はゲート抵抗Ｒ１を介して放電され、スイッチング素子Ｔ_ＳＷがオフする。

上記の説明のように、図１に示したスイッチング回路１では、スイッチング素子Ｔ_ＳＷをオンさせるためにゲートチャージが必要なスイッチング動作開始時だけに、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１からスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷに大きな電流を流すことができる。そして、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１が非導通状態になってからは、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのオン状態を維持するために必要な最小限のゲート電流が、ゲート抵抗Ｒ１を介してスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷに供給される。したがって、スイッチング回路１によれば、スイッチング素子Ｔ_ＳＷを高速にオン動作させることができる。

ゲート抵抗Ｒ１の抵抗値は、ゲート電流ＩＧ（Ｔ_ＳＷ）がスイッチング素子Ｔ_ＳＷのオン状態を維持するために必要な電流値になるように、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのサイズや入力端子ＩＮに入力されるＨｉｇｈ信号の電圧レベルなどを考慮して、設定される。

スイッチング素子Ｔ_ＳＷがショットキゲート型窒化物ＦＥＴである場合、スイッチング素子Ｔ_ＳＷはゲート電極にゲート電流が流れる接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）に近いデバイス構造である。このため、スイッチング素子Ｔ_ＳＷを高速動作させるためには、ゲート電極Ｇ_ＳＷに高電圧を印加する必要がある。このため、高速動作のためにはゲート電流が増大してしまう。一方、供給するゲート電流を抑制すると、スイッチング動作が遅くなる。

したがって、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのスイッチング動作時にのみ大電流を供給し、スイッチング素子Ｔ_ＳＷがオン状態である間はオン状態を維持する必要最小限の駆動電流を供給するスイッチング回路１は、理想的なスイッチング回路である。

次に、図１に示したスイッチング回路１におけるスイッチング素子Ｔ_ＳＷの保護機能について説明する。図２に示したような構造を有する窒化物ＦＥＴは、一般的にアバランシェ耐量が低いことが知られている。駆動回路１０において、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１の耐圧をスイッチング素子Ｔ_ＳＷの耐圧よりも低くなるように構成することで、スイッチング素子Ｔ_ＳＷをアバランシェ破壊から保護することができる。即ち、スイッチング回路１のドレイン端子電圧が上昇したとき、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１がスイッチング素子Ｔ_ＳＷよりも先にブレイクし、ゲート電流ＩＧ（Ｔ_ＳＷ）が、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１を介してスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷに流れる。このような動作により、スイッチング素子Ｔ_ＳＷがオンし、スイッチング素子Ｔ_ＳＷがアバランシェ破壊から保護される。

以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係るスイッチング回路１によれば、スイッチング動作開始時においてのみスイッチング動作に必要な大きさのゲート電流がスイッチング素子Ｔ_ＳＷに供給され、スイッチング動作後はオン状態を維持するために必要な最小限のゲート電流がスイッチング素子Ｔ_ＳＷに供給される。したがって、スイッチング回路１によれば、ゲート電流を抑制し且つ高速動作が可能なスイッチング回路を提供できる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るスイッチング回路１は、図４に示すように、入力端子ＩＮ＿ＨとＩＮ＿Ｌとを備え、第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２を備える。入力端子ＩＮ＿Ｈは第１のスイッチング素子Ｔ_Ｄ１のゲート電極Ｇ_Ｄ１とゲート抵抗Ｒ１とに接続され、入力端子ＩＮ＿Ｌは第２のスイッチング素子Ｔ_Ｄ２のゲート電極Ｇ_Ｄ２に接続される。第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２のドレイン電極Ｄ_Ｄ２は、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷが接続され、ソース電極Ｓ_Ｄ２にスイッチング素子Ｔ_ＳＷのソース電極Ｓ_ＳＷが接続されている。

スイッチング回路１では、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１のオン・オフを制御する制御信号が入力端子ＩＮ＿Ｈを介してゲート電極Ｇ_Ｄ１に入力され、第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２のオン・オフを制御する制御信号が入力端子ＩＮ＿Ｌを介してゲート電極Ｇ_Ｄ２に入力される。駆動回路１０に入力される制御信号によって第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１と第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２の導通状態を設定することにより、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのオン・オフが制御される。

なお、入力端子ＩＮ＿Ｈ及びＩＮ＿Ｌのいずれか一方を省略し、入力された信号の論理を反転させる周知のインバータ回路を用いて、単一の入力端子を備える駆動回路１０を構成することもできる。

第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２は、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１と同様にスイッチング素子Ｔ_SWの動作を制御することができるだけの駆動能力があればよい。したがって、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１及び第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２のサイズは、スイッチング素子Ｔ_ＳＷよりも小さくてよい。

図５のタイミングチャートを参照して、スイッチング回路１の動作を以下に説明する。図５において、入力電圧Ｖ（ＩＮ＿Ｈ）は入力端子ＩＮ＿Ｈに入力される信号の電圧レベルであり、入力電圧Ｖ（ＩＮ＿Ｌ）は入力端子ＩＮ＿Ｌに入力される信号の電圧レベルである。

時刻ｔ１において、入力端子ＩＮ＿Ｈにハイ（Ｈｉｇｈ）信号、入力端子ＩＮ＿Ｌにロー（Ｌｏｗ）信号が入力されると、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１がオンし、第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２はオフする。これにより、スイッチング素子Ｔ_ＳＷをオンさせるのに十分な大きさであるゲート電流値ＩＧ_ＳＷのゲート電流ＩＧ（Ｔ_ＳＷ）が、第１の整流素子Ｄ１及び第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１を介してスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷに流れる。このため、スイッチング素子Ｔ_ＳＷがオンする。このとき、ゲート抵抗電流Ｉ（Ｒ１）もスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷに流れる。

時刻ｔ２において第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１がオフした後、時刻ｔ３において、入力端子ＩＮ＿ＨにＬｏｗ信号、入力端子ＩＮ＿ＬにＨｉｇｈ信号が入力されると、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１はオフ状態のまま、第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２がオンする。このため、スイッチング素子Ｔ_ＳＷがオフする。

上記の説明のように、図４に示したスイッチング回路１は、図１に示したスイッチング回路１と同様に、高速動作を実現し、且つ消費電力の増大を抑制でき、効率よくスイッチング素子Ｔ_ＳＷを駆動できる。また、図４に示したスイッチング回路１は、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲートにチャージされた電荷を引き抜く第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２を備えるため、より高速な動作（オフ動作）を実現できる。

更に、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート端子と第２駆動素子Ｔ_Ｄ２のドレイン端子とがショートされ略同電位となるため、第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２がオン状態のとき、スイッチング素子Ｔ_ＳＷはソース端子からドレイン端子に向かって電流を流すことができる。このため、回生ダイオードが不要である。

更に、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１の飽和領域特性を第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２の線形領域特性より良くしておくことで、駆動回路１０はスイッチング素子Ｔ_ＳＷをアバランシェ破壊から保護することができる。即ち、スイッチング回路１のドレイン端子電圧が上昇したとき、第２の駆動素子Ｔ_Ｄ２がオン状態であっても第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１を介してスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷをチャージすることができる。その結果、スイッチング素子Ｔ_ＳＷがオンし、スイッチング素子Ｔ_ＳＷがアバランシェ破壊から保護される。

以上に説明したように、本発明の第２の実施形態に係るスイッチング回路１によれば、ゲート電流を抑制し且つ高速動作が可能なスイッチング回路を提供できる。

（変形例）
図６に本発明の第２の実施形態の変形例に係るスイッチング回路１を示す。図６に示したスイッチング回路１では、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１のエミッタ電極Ｅ_Ｄ１とスイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷとの間に第３の駆動素子Ｔ_Ｄ３を備える。第３の駆動素子Ｔ_Ｄ３のドレイン電極Ｄ_Ｄ３は、第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１のエミッタ電極Ｅ_Ｄ１に接続され、ソース電極Ｓ_Ｄ３は、スイッチング素子Ｔ_ＳＷのゲート電極Ｇ_ＳＷに接続され、ゲート電極Ｇ_Ｄ３は、ドレイン電極Ｄ_Ｄ３に接続される。

図３又は図５の時刻ｔ２において第１の駆動素子Ｔ_Ｄ１がオフし、エミッタ電位がコレクタ電位よりも高くなると、エミッタ電極Ｅ_Ｄ１からコレクタ電極Ｃ_Ｄ１に逆電流が流れようとする。第３の駆動素子Ｔ_Ｄ３は、ドレイン電極Ｄ_Ｄ３をアノード電極とし、ソース電極Ｓ_Ｄ３をカソード電極とする逆阻止ダイオードと置き換えても良く、この逆電流を阻止することができる。なお、第３の駆動素子Ｔ_Ｄ３を第１の実施形態に係るスイッチング回路１に適用しても良い。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１ スイッチング回路
１０ 駆動回路
Ｄ ドレイン端子
Ｓ ソース端子
ＩＮ＿Ｈ、ＩＮ＿Ｌ、ＩＮ 入力端子
Ｒ１ ゲート抵抗
Ｔ_ＳＷ…スイッチング素子
Ｔ_Ｄ１…第１の駆動素子
Ｔ_Ｄ２…第２の駆動素子
Ｔ_Ｄ３…第３の駆動素子

Claims (5)

1. 窒化物半導体層の主面上に互いに離間して配置された第１及び第２の主電極、及び前記第１の主電極と前記第２の主電極間で前記主面上に配置された制御電極を有するスイッチング素子と、
   コレクタ端子とエミッタ端子と制御端子とを有する第１の駆動素子及び入力端子を含む駆動回路と、を備え、
   前記第１の駆動素子の前記コレクタ端子は前記スイッチング素子の前記第１の主電極に接続され、前記第１の駆動素子の前記エミッタ端子は前記スイッチング素子の前記制御電極に接続され、前記第１の駆動素子の前記制御端子は前記入力端子及び前記エミッタ端子に接続されることを特徴とするスイッチング回路。
2. 前記第１の駆動素子の耐圧は前記スイッチング素子の耐圧よりも低いことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング回路。
3. 前記駆動回路は第２の駆動素子を含み、前記第２の駆動素子の第１の主端子は前記スイッチング素子の前記制御電極に接続され、前記第２の駆動素子の第２の主端子は前記スイッチング素子の前記第２の主電極に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング回路。
4. 前記駆動回路は第３の駆動素子を含み、前記第３の駆動素子の第１の主端子は前記エミッタ端子に接続され、前記第３の駆動素子の第２の主端子は前記スイッチング素子の前記制御電極に接続され、前記第３の駆動素子は前記第２の主端子から前記第１の主端子に流れる電流を阻止する機能を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスイッチング回路。
5. 前記第１の駆動素子の飽和領域特性は前記第２の駆動素子の線形領域特性よりも良いことを特徴とする請求項３に記載のスイッチング回路。

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