WO2017159559A1 - 双方向スイッチ - Google Patents

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WO2017159559A1
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terminal
ohmic electrode
substrate
potential
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雄介 木下
英和 梅田
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パナソニック株式会社
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    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003—Nitride compounds

Definitions

  • This disclosure relates to a bidirectional switch used for a main switch of a matrix converter or a semiconductor relay, for example.
  • the bidirectional switch is a switch that conducts current in both directions and has a withstand voltage against positive and negative voltages.
  • the bidirectional switch is used as a main switch of a matrix converter and a main switch of a semiconductor relay that can perform power conversion with high efficiency.
  • a wide band gap semiconductor material such as a nitride semiconductor represented by GaN in order to reduce the on-resistance of the bidirectional switch.
  • a bidirectional switch by using a dual gate structure of a field effect transistor (Heterojunction Field Effect Transistor, HFET) using a heterojunction of AlGaN and GaN (see, for example, Patent Document 1) . Therefore, the number of parts of the bidirectional switch can be reduced, and the ON loss of the bidirectional switch can be reduced.
  • HFET Heterojunction Field Effect Transistor
  • Patent Document 2 and Patent Document 3 describe a substrate potential stabilization unit that applies a potential close to the lower potential of the potential of the first ohmic electrode and the potential of the second ohmic electrode of the dual gate HFET to the substrate.
  • a configuration with is described. Specifically, a diode and a resistor are described as the substrate potential stabilization unit.
  • the substrate potential is not sufficiently fixed, and the switch operation may become unstable.
  • the present disclosure has been made in view of such a problem, and a main object thereof is to provide a bidirectional switch in which the potential of the substrate operates stably even when a dual gate HFET is used.
  • the bidirectional switch increases the potential of the substrate when the potential of the substrate is lower than the potential of the first ohmic electrode and the potential of the second ohmic electrode in a state where the switch is turned on.
  • the substrate potential stabilization unit is provided.
  • the bidirectional switch includes a semiconductor element and a substrate potential stabilization unit.
  • the semiconductor element includes a substrate and a semiconductor stacked body formed on the substrate.
  • the first ohmic electrode and the second ohmic electrode that are formed on the semiconductor stacked body at an interval, and the first ohmic electrode side between the first ohmic electrode and the second ohmic electrode.
  • the first gate electrode and the second gate electrode formed in order from the first and second electrodes, and the back electrode formed on the surface of the substrate opposite to the semiconductor stacked body.
  • the substrate potential stabilization unit includes a first switch element that connects the first ohmic electrode and the back electrode, and a second switch element that connects the second ohmic electrode and the back electrode. In the state where the semiconductor element is on, both the first switch element and the second switch element become conductive.
  • the first switch element is further configured with a first transistor
  • the second switch element is configured with a second transistor.
  • the first transistor includes a third ohmic electrode and a fourth ohmic electrode, and a third gate electrode formed between the third ohmic electrode and the fourth ohmic electrode.
  • the second transistor has a fifth ohmic electrode and a sixth ohmic electrode, and a fourth gate electrode formed between the fifth ohmic electrode and the sixth ohmic electrode.
  • the third ohmic electrode and the first ohmic electrode are connected, the fourth ohmic electrode and the back electrode are connected, the fifth ohmic electrode and the second ohmic electrode are connected, The ohmic electrode and the back electrode may be connected.
  • the substrate potential when the potential of the back electrode is lower than that of the first ohmic electrode or the second ohmic electrode, the substrate potential can be raised by turning on the first transistor and the second transistor.
  • the third ohmic electrode is a source electrode
  • the fourth ohmic electrode is a drain electrode
  • the ohmic electrode 5 may be a source electrode
  • the sixth ohmic electrode may be a drain electrode
  • the back electrode when body diodes are formed in the first transistor and the second transistor, the back electrode is on the cathode side, so the potential of the back electrode is the first ohmic electrode or the second ohmic electrode. If it is lower, the diode is turned on, and the substrate potential can be raised to a lower potential by the forward voltage of the diode.
  • the third gate electrode is connected to the first gate electrode
  • the fourth gate electrode is the second gate electrode. May be connected to the gate electrode.
  • the first transistor and the second transistor are also turned on. Therefore, the potential of the back electrode is higher than that of the first ohmic electrode or the second ohmic electrode. When it is low, the substrate potential can be raised through the first transistor and the second transistor.
  • the third gate electrode when the potential of the second ohmic electrode is higher than the potential of the first ohmic electrode, the third gate electrode is turned on before the first gate electrode.
  • the fourth gate electrode may be turned on before the second gate electrode.
  • the back electrode and the lower one of the first ohmic electrode and the second ohmic electrode can be made conductive before the semiconductor element is turned on, the potential variation of the substrate is positively directed.
  • a bidirectional switch that operates stably can be realized.
  • the semiconductor multilayer body, the first switch element, and the second switch element may further include a nitride semiconductor.
  • the semiconductor element and the substrate potential stabilizing portion can be formed on the same substrate, and the wiring inductance between the substrate potential stabilizing portion and the back electrode can be easily reduced. Thereby, the substrate potential can be stabilized at high speed.
  • the bidirectional switch includes a semiconductor element and a substrate potential stabilization unit.
  • the semiconductor element includes a substrate and a semiconductor stacked body formed on the substrate. And from the 1st ohmic electrode side between the 1st ohmic electrode and the 2nd ohmic electrode and the 1st ohmic electrode and 2nd ohmic electrode which were formed on the semiconductor laminated body at intervals.
  • a first gate electrode and a second gate electrode formed in order; and a back electrode formed on a surface of the substrate opposite to the semiconductor stacked body.
  • the substrate potential stabilizing unit includes a first diode that connects the first ohmic electrode and the back electrode, and a second diode that connects the second ohmic electrode and the back electrode.
  • the cathode of the first diode is connected to the back electrode, the anode of the first diode is connected to the first ohmic electrode, the cathode of the second diode is connected to the back electrode, and the first diode The anode of the diode is connected to the second ohmic electrode.
  • the diode when the potential of the back electrode is lower than that of the first ohmic electrode or the second ohmic electrode, the diode is turned on, and the substrate potential can be raised to a potential lower by the forward voltage of the diode.
  • the bidirectional switch includes a semiconductor element and a substrate potential stabilization unit.
  • the semiconductor element includes a substrate and a semiconductor stacked body formed on the substrate. Then, the first ohmic electrode and the second ohmic electrode formed on the semiconductor stacked body at intervals, and the first ohmic electrode and the second ohmic electrode in order from the first ohmic electrode side. It has the formed 1st gate electrode and 2nd gate electrode, and the back surface electrode formed in the surface on the opposite side to the semiconductor laminated body of a board
  • the substrate potential stabilization unit includes a first transistor that connects the first ohmic electrode and the back electrode, and a second transistor that connects the second ohmic electrode and the back electrode.
  • the first transistor includes a first source electrode and a first drain electrode, and a third gate electrode formed between the first source electrode and the first drain electrode.
  • the second transistor includes a second source electrode, a second drain electrode, and a fourth gate electrode formed between the second source electrode and the second drain electrode.
  • the first source electrode is connected to the first ohmic electrode
  • the first drain electrode is connected to the back electrode
  • the second drain electrode is connected to the back electrode
  • the second source electrode is the second Connected to the ohmic electrode.
  • the substrate potential stabilization unit includes p-type semiconductor layers formed between the semiconductor stack and the third gate electrode and the fourth gate electrode, respectively, and the third gate electrode is a first source electrode.
  • the fourth gate electrode is connected to the second source electrode.
  • the first transistor and the second transistor can be regarded as diodes whose cathodes are connected to the back electrode, and diodes when the potential of the back electrode is lower than the first ohmic electrode or the second ohmic electrode. Is turned on, and the substrate potential can be raised to a potential lower by the forward voltage of the diode.
  • bidirectional switch of the present disclosure a bidirectional switch that operates stably even when a dual gate HFET is formed on a substrate can be realized.
  • FIG. 1 It is a figure showing an example of circuit composition showing a bidirectional switch concerning a 1st embodiment, a load, and a power supply. It is sectional drawing which shows the structural example of the semiconductor element which comprises the bidirectional switch concerning 1st Embodiment. It is a figure which shows the more specific circuit example, load, and power supply of a bidirectional switch. It is a figure which shows the circuit structural example, load, and power supply of a bidirectional switch concerning 2nd Embodiment. It is a figure which shows the timing chart in the operation example of a bidirectional switch. It is a figure which shows the circuit structural example, load, and power supply of a bidirectional switch concerning 3rd Embodiment. FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a first transistor.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a second transistor. It is a figure which shows the circuit structural example, load, and power supply of a bidirectional switch concerning 4th Embodiment. It is a top view which shows the wiring layout of a semiconductor element and a board
  • the general formula of the nitride semiconductor is represented by Al x Ga 1-xy In y N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1).
  • Al z Ga 1-z N (0 ⁇ z ⁇ 1, aluminum gallium nitride) is denoted as AlGaN.
  • FIG. 14 shows a circuit configuration of a bidirectional switch including a dual gate transistor and a substrate stabilization unit according to the comparative technique.
  • the dual gate transistor has terminals S1, S2, terminals G1, G2, and a substrate terminal SUB.
  • the terminal S1 corresponds to one of the source terminal and the drain terminal of the dual gate transistor.
  • the terminal S2 corresponds to the other of the source terminal and the drain terminal of the dual gate transistor.
  • the substrate stabilization unit includes diodes D1 and D2 and resistors R1 and R2.
  • FIG. 15 is a diagram showing a voltage state at the substrate terminal SUB of the dual gate transistor. That is, when the voltage at the terminal S1 of the dual gate transistor is 0 V and the voltage at the terminal S2 is changed from Vdd (positive value) to 0 V, the substrate is negatively charged, and the voltage at the substrate terminal SUB is shown in FIG. As shown, it may take a negative value ( ⁇ V). In this case, without the resistors R1 and R2, the diodes D1 and D2 do not operate, and the potential of the substrate is not fixed, so that the switch operation becomes unstable.
  • the potential of the substrate terminal SUB is lower than that of the terminals S1 and S2, the potential of the substrate can be increased through the resistor R1 or the resistor R2.
  • the dual gate transistor was evaluated by configuring a load switching circuit in which the dual gate transistor and a coil were connected in series.
  • FIG. 16 is a diagram showing the results of measuring the time variation of the voltage Vd at the terminal S2, the voltage Vg at the terminal G1, the potential Vsub at the substrate terminal SUB, and the current IL flowing through the load (coil) of the dual gate transistor.
  • a voltage Vg for example, 3 V
  • the terminal G1 of the two gate terminals of the dual gate transistor the terminal G2 is short-circuited with the terminal S2, and the dual gate transistor is turned on (ON), and the terminal
  • the state in which Vg was not applied to G1 and 0 V was applied and the dual gate transistor was turned off was repeated alternately.
  • the dual gate transistor was repeatedly turned on and off at intervals of 2 ⁇ s.
  • the current IL flowing through the coil increases when the dual gate transistor is on and decreases when the dual gate transistor is off.
  • the terminal S1 is set to 0 V, and the voltage at the terminal S2 decreases when the dual gate transistor is on and increases when it is off.
  • the potential Vsub of the substrate terminal SUB at this time was evaluated. Note that the values of the resistors R1 and R2 are both 100 k ⁇ .
  • the substrate potential Vsub takes various values instead of a constant value at each ON time. That is, it was found that the value of Vsub is unstable when the dual gate transistor is on. As described above, since the potential Vsub of the substrate is not fixed, there is a problem that the switch operation becomes unstable.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a circuit configuration example, a load 105, and a power source 104 of a bidirectional switch 100 according to the present embodiment.
  • the bidirectional switch 100 of this embodiment includes a semiconductor element 101, a control unit 102 that controls the operation of the semiconductor element 101, and a substrate potential stabilization unit 103 that stabilizes the substrate potential of the semiconductor element 101. And.
  • the semiconductor element 101 is a dual gate HFET, for example, and has terminals S1 and S2, terminals G1 and G2, and a substrate terminal SUB.
  • the terminal S1 corresponds to one of the source terminal and the drain terminal of the dual gate transistor.
  • the terminal S2 corresponds to the other of the source terminal and the drain terminal of the dual gate transistor.
  • Terminals G1 and G1 correspond to two gate terminals.
  • the substrate terminal SUB is a terminal electrically connected to an electrode that covers the entire back surface of the substrate (for example, a Si semiconductor substrate) on which the semiconductor element 101 is formed.
  • the control unit 102 includes a first gate control circuit 106 and a second gate control circuit 107.
  • the first gate control circuit 106 controls a bias voltage applied between the terminal S1 and the terminal G1 of the semiconductor element 101.
  • the second gate control circuit 107 controls a bias voltage applied between the terminal S2 and the terminal G2 of the semiconductor element 101.
  • a first power supply 121 and a second power supply 122 are used, respectively.
  • the first power supply 121 and the second power supply 122 are both variable power supplies.
  • the substrate potential stabilization unit 103 includes a first switch element 131 and a second switch element 132.
  • first switch element 131 and the second switch element 132 When the semiconductor element 101 is turned on, as shown in FIG. 1, both the first switch element 131 and the second switch element 132 are brought into a short circuit state (on state). In this way, the bidirectional switch 100 can be stably operated. This will be described below.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the semiconductor element 101.
  • the semiconductor element 101 includes, for example, a buffer layer 112 having a thickness of about 1 ⁇ m formed on a substrate 111 made of silicon (Si), and a nitride formed on the buffer layer 112. And a semiconductor layer 113.
  • the buffer layer 112 is made of aluminum nitride (AlN) having a thickness of 10 nm and gallium nitride (GaN) having a thickness of about 10 nm, which are alternately stacked.
  • the nitride semiconductor layer 113 includes a first semiconductor layer 114 and a second semiconductor layer 115 having a band gap larger than that of the first semiconductor layer 114, which are sequentially stacked from the substrate side.
  • the first semiconductor layer 114 is an undoped gallium nitride (GaN) layer having a thickness of about 2 ⁇ m
  • the second semiconductor layer 115 is an undoped aluminum gallium nitride having a thickness of about 50 nm. (AlGaN) layer.
  • a stack including the buffer layer 112, the first semiconductor layer 114, and the second semiconductor layer 115 or a stack including the first semiconductor layer 114 and the second semiconductor layer 115 is referred to as a semiconductor stack.
  • the semiconductor stacked body includes at least the nitride semiconductor layer 113 (that is, the first semiconductor layer 114 and the second semiconductor layer 115).
  • Electric charges are generated near the heterointerface between the first semiconductor layer 114 made of GaN and the second semiconductor layer 115 made of AlGaN due to spontaneous polarization and piezoelectric polarization. As a result, a channel region which is a two-dimensional electron gas (2-dimensional electron gas, 2DEG) layer is formed.
  • 2DEG two-dimensional electron gas
  • a first ohmic electrode 116A and a second ohmic electrode 116B are formed spaced apart from each other.
  • the first ohmic electrode 116 ⁇ / b> A corresponds to one of the source terminal and the drain terminal of the semiconductor element 101.
  • the second ohmic electrode 116 ⁇ / b> B corresponds to the other of the source terminal and the drain terminal of the semiconductor element 101.
  • the first ohmic electrode 116A and the second ohmic electrode 116B are formed by stacking titanium (Ti) and aluminum (Al), and are in ohmic contact with the channel region.
  • An S1 electrode wiring 151A made of Au and Ti is formed on the first ohmic electrode 116A, and is electrically connected to the first ohmic electrode 116A.
  • An S2 electrode wiring 151B made of Au and Ti is formed on the second ohmic electrode 116B, and is electrically connected to the second ohmic electrode 116B.
  • first p-type semiconductor layer 119A and the second p-type semiconductor layer 119B are spaced from each other. Is formed.
  • a first gate electrode 118A is formed on the first p-type semiconductor layer 119A
  • a second gate electrode 118B is formed on the second p-type semiconductor layer 119B.
  • Each of the first gate electrode 118A and the second gate electrode 118B is formed of a stacked body of palladium (Pd) and gold (Au), and includes a first p-type semiconductor layer 119A and a second p-type semiconductor layer 119B. Ohmic contact.
  • a back electrode 153 having a thickness of about 400 nm in which nickel (Ni), chromium (Cr), and silver (Ag) are stacked is formed.
  • the back electrode 153 is in ohmic contact with the substrate 111. ing.
  • the terminal connected to the first ohmic electrode 116A, the terminal connected to the first gate electrode 118A, the terminal connected to the second gate electrode 118B, and the terminal connected to the second ohmic electrode 116B are respectively This corresponds to the terminal S1, the terminal G1, the terminal G2, and the terminal S2 in FIG. Further, the terminal connected to the back electrode corresponds to the substrate terminal SUB in FIG.
  • the first p-type semiconductor layer 119A and the second p-type semiconductor layer 119B are each made of p-type AlGaN having a thickness of about 30 nm and doped with magnesium (Mg).
  • the first p-type semiconductor layer 119A, the second p-type semiconductor layer 119B, and the second semiconductor layer 115 form pn junctions.
  • the voltage between the first ohmic electrode 116A and the first gate electrode 118A is, for example, 0 V or less, a depletion layer spreads from the first p-type semiconductor layer 119A into the channel region. The flowing current can be cut off.
  • the control unit 102 includes a first power source 121 connected between the terminal S1 and the terminal G1, and a second power source 122 connected between the terminal S2 and the terminal G2.
  • the first power supply 121 and the second power supply 122 in this embodiment are variable power supplies. Note that the first power supply 121 and the second power supply 122 may be a gate circuit to which a power supply is connected instead of the variable power supply.
  • the voltage of the first power supply 121 is made lower than the threshold voltage of the first gate electrode 118A so that the depletion layer spreads below the first gate electrode 118A.
  • the voltage of the second power supply 122 is set lower than the threshold voltage of the second gate electrode 118B so that the depletion layer below the second gate electrode 118B spreads. In this way, current does not flow in either direction between the terminal S1 as the first ohmic electrode 116A and the terminal S2 as the second ohmic electrode 116B.
  • the voltage between the terminal S1 and the terminal S2 A current can flow in both directions. If the voltage of the first power supply 121 is set to be equal to or higher than the threshold voltage of the first gate electrode 118A and the voltage of the second power supply 122 is lower than the threshold voltage of the second gate electrode 118B, the current from the terminal S1 to the terminal S2 Although current does not flow, current flows from terminal S2 to terminal S1.
  • the terminal S1 is changed to the terminal S2. Although current flows, no current flows from the terminal S2 to the terminal S1.
  • the substrate terminal SUB is lower than the terminal S1 when a voltage is applied to the terminals G1 and G2 to turn on the semiconductor element 101. May be a potential.
  • the potential of the substrate terminal SUB can be increased by setting both the first switch element 131 and the second switch element 132 to a short-circuited state (ON state).
  • the potential of the terminal S2 is substantially equal to the potential of the terminal S1
  • the potential of the substrate terminal SUB is also substantially equal to the terminals S2 and S1.
  • the potential of the substrate 111 can be set to a constant voltage, so that the bidirectional switch 100 can be stably operated.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a more specific circuit example, load, and power source of the bidirectional switch 100. The figure is different from FIG. 1 in that a first diode 135 is provided instead of the first switch element 131 and a second diode 136 is provided instead of the second switch element 132. Yes.
  • the first switch element 131 is configured with a first diode 135, and the second switch element 132 is configured with a second diode 136.
  • the first diode 135 is connected between the substrate terminal SUB and the terminal S1 so as to be in the forward direction from the terminal S1 toward the substrate terminal SUB.
  • the second diode 136 is connected between the substrate terminal SUB and the terminal S2 so as to be in the forward direction from the terminal S2 toward the substrate terminal SUB.
  • the first diode 135 and the second diode 136 have a sufficient withstand voltage with respect to the voltage applied to the semiconductor element 101.
  • the potential of the substrate 111 is changed to the first ohmic electrode 116A and the second ohmic electrode.
  • the potential is lower than that of the electrode 116B.
  • the anode potential of the diodes D1 and D2 is lower than the cathode potential. Without the substrate potential being fixed.
  • the substrate potential stabilization unit 103 in FIG. 3 solves this problem.
  • the semiconductor element 101 When the semiconductor element 101 is turned off, since the potential of the terminal S2 increases, the potential of the terminal S2 viewed from the substrate terminal SUB increases.
  • the potential difference between the terminal S2 and the substrate terminal SUB becomes equal to or greater than the forward rising voltage of the second diode 136, the second diode 136 is turned on and the potential of the substrate terminal SUB is fixed to a voltage lower than the terminal S2 by the forward rising voltage. Is done.
  • the semiconductor element 101 when the semiconductor element 101 is turned on, since the potential of the terminal S2 approaches the potential of the terminal S1, the potential of the terminal S2 viewed from the substrate terminal SUB becomes small, and the parasitic capacitance between the substrate terminal SUB and the terminal S2 Discharge current flows through. At this time, the potential of the substrate terminal SUB decreases and is divided by the parasitic capacitance between the substrate terminal SUB and the terminal S2 and the parasitic capacitance between the substrate terminal SUB and the terminal S1.
  • the potential of the substrate terminal SUB is lower than the potential of the terminal S1 by the forward rising voltage of the first diode 135, the first diode 135 is turned on, and the potential of the substrate terminal SUB becomes the forward rising voltage of the terminal S1. It is fixed to a voltage that is lower by a minute. Conventionally, when the substrate terminal SUB has a voltage lower than that of the terminal S1, there is no path for controlling the potential, but the substrate potential can be stabilized by the first diode 135.
  • the semiconductor element 101 When the semiconductor element 101 is turned off, the potential of the terminal S1 increases, and therefore the potential of the terminal S1 viewed from the substrate terminal SUB increases.
  • the potential difference between the terminal S1 and the substrate terminal SUB becomes equal to or higher than the forward rising voltage of the first diode 135, the first diode 135 is turned on and the potential of the substrate terminal SUB becomes substantially equal to the terminal S1.
  • the semiconductor element 101 when the semiconductor element 101 is turned on, since the potential of the terminal S1 approaches the potential of the terminal S2, the potential of the terminal S1 viewed from the substrate terminal SUB becomes small, and the parasitic capacitance between the substrate terminal SUB and the terminal S1. Discharge current flows through. At this time, the potential of the substrate terminal SUB decreases.
  • the potential of the second diode 136 is lower than the potential of the terminal S2, the second diode 136 is turned on, and the potential of the substrate terminal SUB becomes substantially equal to the terminal S2.
  • the substrate potential can be stabilized by the second diode 136.
  • the bidirectional switch 100 includes the semiconductor element 101 and the substrate potential stabilization unit 103.
  • the semiconductor element 101 includes a substrate 111, a semiconductor stacked body formed on the substrate 111, and a first ohmic electrode 116A / S1 and a second ohmic electrode 116B formed on the semiconductor stacked body at intervals.
  • a back electrode 153 formed on the surface opposite to the stacked body.
  • the substrate potential stabilization unit 103 includes a first switch element 131 that connects the first ohmic electrode 116A and the back electrode 153, and a second switch element 132 that connects the second ohmic electrode 116B and the back electrode 153. And have. In a state where the semiconductor element 101 is on, both the first switch element 131 and the second switch element 132 are in a conductive state.
  • the bidirectional switch 100 that operates stably without the substrate potential becoming unstable can be realized. For example, even when an inductive load including a coil or the like is connected, the switch operation can be stabilized by suppressing the substrate potential from becoming a negative voltage when the bidirectional switch 100 is in the ON state. .
  • both the first switch element 131 and the second switch element 132 are in a conductive state in a state where the semiconductor element 101 is on, power loss can be suppressed.
  • the substrate potential stabilization unit 103 includes a first diode 135 that connects the first ohmic electrode 116A and the back electrode 153, and a second ohmic contact. It has the 2nd diode 136 which connects the electrode 116B and the back surface electrode 153.
  • the cathode of the first diode 135 is connected to the back electrode 153
  • the anode of the first diode 135 is connected to the first ohmic electrode 116A
  • the cathode of the second diode 136 is connected to the back electrode 153.
  • the anode of the second diode 136 is connected to the second ohmic electrode 116B.
  • the potential of the back electrode 153 when the potential of the back electrode 153 is lower than the first ohmic electrode 116A or the second ohmic electrode 116B, at least one of the first diode 135 and the second diode 136 is turned on, and the substrate potential is reduced.
  • the potential can be raised to a lower potential by the forward voltage of the first diode 135 or the second diode 136.
  • the semiconductor stacked body, the first switch element 131 and the second switch element 132 may include a nitride semiconductor.
  • the semiconductor element 101 and the substrate potential stabilization unit 103 can be formed on the same substrate, and the wiring inductance between the substrate potential stabilization unit 103 and the back electrode 153 can be easily reduced. Thereby, the substrate potential can be stabilized at high speed.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit configuration example of the bidirectional switch 100 of the present embodiment, the load 105 and the power supply 104.
  • the bidirectional switch 100 shown in FIG. 6 differs from that shown in FIG. 3 in that a substrate potential stabilization unit 203 is provided instead of the substrate potential stabilization unit 103.
  • a substrate potential stabilization unit 203 is provided instead of the substrate potential stabilization unit 103.
  • the substrate potential stabilization unit 203 includes a first transistor 133, a second transistor 134, a first diode 135, a second diode 136, a third gate control circuit 108, and a fourth gate. And a control circuit 109.
  • the first transistor 133 and the first diode 135 are connected between the substrate terminal SUB and the terminal S1.
  • the second transistor 134 and the second diode 136 are connected between the substrate terminal SUB and the terminal S2.
  • the drain terminal D11 and the drain terminal D12 of each of the first transistor 133 and the second transistor 134 are connected to the substrate terminal SUB.
  • the gate terminal G11 of the first transistor 133 is connected to the third gate control circuit 108.
  • the gate terminal G12 of the second transistor 134 is connected to the fourth gate control circuit 109.
  • the source terminal S11 of the first transistor 133 is connected to the terminal S1.
  • the source terminal S12 of the second transistor 134 is connected to the terminal S2.
  • the source terminal S11 of the first transistor 133 and the anode of the first diode 135 are connected.
  • the drain terminal D11 of the first transistor 133 and the cathode of the first diode 135 are connected.
  • the source terminal S12 of the second transistor 134 and the anode of the second diode 136 are connected.
  • the drain terminal D12 of the second transistor 134 and the cathode of the second diode 136 are connected.
  • first transistor 133 and the second transistor 134 each have a built-in body diode, it is not necessary to separately provide the first diode 135 and the second diode 136.
  • the semiconductor element 101 When the semiconductor element 101 is turned off, since the potential of the terminal S2 increases, the potential of the terminal S2 viewed from the substrate terminal SUB increases.
  • the second diode 136 When the potential difference between the terminal S2 and the substrate terminal SUB becomes equal to or greater than the forward rising voltage of the second diode 136, the second diode 136 is turned on and the potential of the substrate terminal SUB is fixed to a voltage lower than the terminal S2 by the forward rising voltage. Is done.
  • the substrate terminal SUB and the terminal S2 can be short-circuited by turning on the second transistor 134, the substrate terminal SUB and the terminal S2 are fixed to substantially the same voltage.
  • the semiconductor element 101 when the semiconductor element 101 is turned on, since the potential of the terminal S2 approaches the potential of the terminal S1, the potential of the terminal S2 viewed from the substrate terminal SUB becomes small, and the parasitic capacitance between the substrate terminal SUB and the terminal S2 Discharge current flows through. At this time, the potential of the substrate terminal SUB decreases. If the potential of the first diode 135 is lower than the potential of the terminal S1, the first diode 135 is turned on and the potential of the substrate terminal SUB is The voltage is fixed to a voltage lower than the terminal S1 by the forward rising voltage. Furthermore, since the first transistor 133 can be turned on to short-circuit the substrate terminal SUB and the terminal S1, the substrate terminal SUB and the terminal S1 are fixed to substantially the same voltage.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a timing chart in an operation example of the bidirectional switch 100.
  • a signal Vs2s1 indicates the potential of the terminal S2 with respect to the terminal S1. That is, the potential of the terminal S2 viewed from the terminal S1 is expressed as Vs2s1.
  • the signal V106 (G1) is a signal from the first gate control circuit 106 to the terminal G1.
  • the signal V107 (G2) is a signal from the second gate control circuit 107 to the terminal G2.
  • the signal V108 (G11) is a signal from the third gate control circuit 108 to the gate terminal G11.
  • the signal V109 (G12) is a signal from the fourth gate control circuit 109 to the gate terminal G12.
  • Vs2s1 indicates the potential of the terminal S2 with respect to the terminal S1. That is, the potential of the terminal S2 viewed from the terminal S1 is expressed as Vs2s1.
  • the signal V106 (G1) is a signal from the first gate control circuit 106 to the terminal G
  • step difference represents the change of the signal voltage in predetermined time.
  • the times t1, t2, t3, and t4 are, for example, about 20 ⁇ sec, about 30 ⁇ sec, about 70 ⁇ sec, and about 80 ⁇ sec from the time 0 (second), respectively.
  • a broken line represents the same time.
  • the potential of the terminal S2 is higher than the potential of the terminal S1 until the first time t2. At least before the time t2 when the first gate control circuit 106 turns on the terminal G1, the third gate control circuit 108 and the fourth gate control circuit 109 turn on the first transistor 133 and the second transistor 134, respectively. Therefore, the potential of the substrate terminal SUB can be stabilized at high speed.
  • the second gate control circuit 107 outputs a signal V107 that turns on the gate.
  • the third gate control circuit 108 and the fourth gate control circuit 109 output the on signals V108 and V109, respectively.
  • the gate-on signal V106 is output from the first gate control circuit 106 at time t2, and the semiconductor element 101 is turned on, the potential of the terminal S2 approaches the potential of the substrate terminal SUB. At this time, the parasitic capacitance between the back electrode 153 and the first ohmic electrode 116A is discharged.
  • the semiconductor element 101 When an off signal is output from the first gate control circuit 106 at time t3 and an off signal is output from the second gate control circuit 107 at time t4, the semiconductor element 101 is turned off. At this time, the potential of the terminal S ⁇ b> 2 as viewed from the substrate terminal increases, and a current flows through the second diode 136.
  • the third gate control circuit 108 and the fourth gate control circuit 109 each output an off signal when the semiconductor element 101 is turned off. However, an on signal may be output. In that case, current flows not only from the second diode 136 but also from the source terminal to the drain terminal of the second transistor 134. This current charges a parasitic capacitance between the back electrode 153 and the first ohmic electrode 116A. Therefore, the potential of the substrate terminal SUB changes at substantially the same potential as that of the terminal S2.
  • both the first transistor 133 and the second transistor 134 are in a conductive state when the semiconductor element 101 is on.
  • the first switch element 131 is configured by the first transistor 133
  • the second switch element 132 is configured by the second transistor 134.
  • the first transistor 133 includes a third ohmic electrode 116C, a fourth ohmic electrode 116D, and a third gate electrode 118C formed between the third ohmic electrode 116C and the fourth ohmic electrode 116D.
  • the second transistor 134 includes a fifth ohmic electrode 116E, a sixth ohmic electrode 116F, and a fourth ohmic electrode 116E formed between the fifth ohmic electrode 116E and the sixth ohmic electrode 116F.
  • the third ohmic electrode 116C and the first ohmic electrode 116A are in contact with each other.
  • the fourth ohmic electrode 116D and the back electrode 153 are connected, the fifth ohmic electrode 116E and the second ohmic electrode 116B are connected, and the sixth ohmic electrode 116F and the back electrode 153 are connected. May be.
  • the first transistor 133 and the second transistor 134 are turned on to raise the substrate potential and stabilize.
  • the third ohmic electrode 116C is a source electrode (corresponding to the source terminal S11)
  • the fourth ohmic electrode 116D is a drain electrode (corresponding to the drain terminal D11)
  • the second In the transistor 134 the fifth ohmic electrode 116E may be a source electrode (corresponding to the source terminal S12)
  • the sixth ohmic electrode 116F may be a drain electrode (corresponding to the drain terminal D12).
  • the back electrode 153 is on the cathode side, so that the potential of the back electrode 153 is the first ohmic electrode 116A or the first ohmic electrode 116A.
  • the diode becomes conductive, and the substrate potential can be raised to a potential lower by the forward voltage of the diode and stabilized.
  • the on-voltage may be applied to the fourth gate electrode 118D before the second gate electrode 118B.
  • the on-voltage is applied to the gate terminal G11 before the terminal G1
  • the terminal G2 when the potential of the terminal S1 is higher than the potential of the terminal S2, the terminal G2 Alternatively, an on-voltage may be applied to the gate terminal G12 first.
  • the back surface electrode 153 can be electrically connected to the lower potential of the first ohmic electrode 116A and the second ohmic electrode 116B. Since both the positive and negative directions can be suppressed, the bidirectional switch 100 that operates stably can be realized.
  • FIG. 6 is a diagram showing a circuit configuration example, a load 105 and a power source 104 of the bidirectional switch 100 of the present embodiment.
  • the bidirectional switch 100 of FIG. 6 differs from that of FIG. 3 in that a substrate potential stabilization unit 303 is provided instead of the substrate potential stabilization unit 103.
  • a substrate potential stabilization unit 303 is provided instead of the substrate potential stabilization unit 103.
  • the substrate potential stabilization unit 303 in FIG. 6 includes a first transistor 133, a second transistor 134, a first diode 135, and a second diode 136.
  • the gate terminal G11 and the source terminal S11 of the first transistor 133 are short-circuited and connected to the terminal S1.
  • the gate terminal G12 and the source terminal S12 of the second transistor 134 are short-circuited and connected to the terminal S2.
  • the drain terminal D11 of the first transistor 133 and the drain terminal D12 of the second transistor 134 are connected to each other and to the substrate terminal SUB.
  • the source terminal S11 of the first transistor 133 is connected to the terminal S1.
  • the source terminal S12 of the second transistor 134 is connected to the terminal S2.
  • the source terminal S11 of the first transistor 133 and the anode of the first diode 135 are connected, and the drain terminal D11 of the first transistor 133 and the cathode of the first diode 135 are connected.
  • the source terminal S12 of the second transistor 134 and the anode of the second diode 136 are connected.
  • the drain terminal D12 of the second transistor 134 and the cathode of the second diode 136 are connected.
  • FIG. 7 and 8 are cross-sectional views illustrating structural examples of the first transistor 133 and the second transistor 134, respectively.
  • the first transistor 133 and the second transistor 134 are formed over the same substrate 111 as the semiconductor element 101 shown in FIG. Components substantially the same as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • a third ohmic electrode 116 ⁇ / b> C and a fourth ohmic electrode 116 ⁇ / b> D are formed on the nitride semiconductor layer 113 at intervals.
  • An electrode wiring 151C is formed on the third ohmic electrode 116C.
  • Third ohmic electrode 116C, third gate electrode 118C, and terminal S1 are electrically connected by electrode wiring 151C.
  • a third p-type semiconductor layer 119C is formed below the third gate electrode 118C.
  • the third p-type semiconductor layer 119C is doped with Mg to the degree that the 2DEG layer of the second semiconductor layer 115 is depleted.
  • An electrode wiring 151D is formed on the fourth ohmic electrode 116D, and the fourth ohmic electrode 116D and the substrate terminal SUB are electrically connected.
  • the second transistor 134 shown in FIG. 8 has substantially the same configuration as the first transistor 133 shown in FIG. Similarly, in the second transistor 134 of FIG. 8, when a voltage higher than the threshold voltage of the fourth gate electrode 118D than the potential of the substrate terminal SUB is applied to the terminal S2, the lower part of the fourth p-type semiconductor layer 119D In this case, a 2DEG layer is generated, and a current flows from the fifth ohmic electrode 116E to the sixth ohmic electrode 116F. The direction in which this current flows is the same as the forward current of the second diode 136, and the second transistor 134 can function as a diode.
  • the bidirectional switch 100 includes the semiconductor element 101 and the substrate potential stabilization unit 303.
  • the semiconductor element 101 includes a substrate 111, a semiconductor stacked body formed on the substrate 111, a first ohmic electrode 116A and a second ohmic electrode 116B formed on the semiconductor stacked body at intervals, First and second gate electrodes 118A and 118B formed in this order from the first ohmic electrode 116A side between the first ohmic electrode 116A and the second ohmic electrode 116B, and a semiconductor stacked body of the substrate 111 And a back electrode 153 formed on the opposite surface.
  • the substrate potential stabilization unit 303 includes a first transistor 133 that connects the first ohmic electrode 116A and the back electrode 153, and a second transistor 134 that connects the second ohmic electrode 116B and the back electrode 153. Have.
  • the first transistor 133 is formed between the first source electrode (corresponding to the source terminal S11) and the first drain electrode (corresponding to the drain terminal D11), and the first source electrode and the first drain electrode 1. And a third gate electrode 118C (corresponding to the gate terminal G11).
  • the second transistor 134 is formed between the second source electrode (corresponding to the source terminal S12) and the second drain electrode (corresponding to the drain terminal D12), and the second source electrode and the second drain electrode.
  • a fourth gate electrode 118D (corresponding to the gate terminal G12).
  • the first source electrode (corresponding to the source terminal S11) is connected to the first ohmic electrode 116A, the first drain electrode (corresponding to the drain terminal D11) is connected to the back electrode 153, and the second drain electrode (drain terminal D12).
  • the second source electrode (corresponding to the source terminal S12) is connected to the second ohmic electrode 116B.
  • the substrate potential stabilization unit 303 includes p-type semiconductor layers 119C and 119D formed between the semiconductor stacked body and the third gate electrode 118C and the fourth gate electrode 118D, respectively.
  • the third gate electrode 118C (corresponding to the gate terminal G11) is connected to the first source electrode (corresponding to the source terminal S11).
  • the fourth gate electrode 118D (corresponding to the gate terminal G12) is connected to the second source electrode (corresponding to the source terminal S12).
  • the first transistor 133 and the second transistor 134 can be regarded as diodes whose cathodes are connected to the back electrode 153, and the potential of the back electrode 153 is equal to the first ohmic electrode 116A or the second ohmic electrode 116A.
  • the diode becomes conductive, and the substrate potential can be raised to a potential lower by the forward voltage of the diode and stabilized.
  • the first transistor 133 and the second transistor 134 can be formed as diodes on the same substrate 111 as the semiconductor element 101, inductance between the semiconductor element 101 and the substrate potential stabilization unit 303 can be reduced. Thus, the substrate potential stabilization unit 303 can be operated at high speed.
  • the reverse leakage current is higher than when a Schottky diode is formed on the same substrate 111 using nickel (Ni) or the like. Is small and low loss can be achieved.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a circuit configuration example, a load 105, and a power supply 104 of the bidirectional switch 100 of the present embodiment.
  • the bidirectional switch 100 of FIG. 6 differs from that of FIG. 6 in that a substrate potential stabilization unit 403 is provided instead of the substrate potential stabilization unit 303.
  • a substrate potential stabilization unit 403 is provided instead of the substrate potential stabilization unit 303.
  • the substrate potential stabilization unit 403 includes a first transistor 133, a second transistor 134, a first diode 135, and a second diode 136.
  • the gate terminal G11 of the first transistor 133 is connected to the terminal G1.
  • the gate terminal G12 of the second transistor 134 is connected to the terminal G2.
  • the drain terminal D11 and the second drain terminal D12 of the first transistor 133 are connected to each other and to the substrate terminal SUB.
  • the source terminal S11 of the first transistor 133 and the anode of the first diode 135 are connected.
  • the drain terminal D11 of the first transistor 133 and the cathode of the first diode 135 are connected.
  • the source terminal S12 of the second transistor 134 and the anode of the second diode 136 are connected.
  • the drain terminal D12 of the second transistor 134 and the cathode of the second diode 136 are connected.
  • the first transistor 133 and the second transistor 134 can be turned on.
  • the cost can be reduced by eliminating the third gate control circuit 108 and the fourth gate control circuit 109.
  • the potential of the substrate terminal SUB becomes substantially equal to the potential of the terminal S2 when the gate of the semiconductor element 101 is turned on as in the second embodiment.
  • the potential of the substrate terminal SUB is substantially equal to the potential of the terminal S1 when the gate of the semiconductor element 101 is turned on. Therefore, the substrate potential can be stabilized.
  • FIG. 10A is a plan view before providing the S1 electrode pad 161A, the G1 electrode pad 162A, the S2 electrode pad 161B, the G2 electrode pad 162B, and the substrate electrode pad 163 shown in FIG. 10B.
  • FIG. 10B is a plan view after providing the S1 electrode pad 161A, the G1 electrode pad 162A, the S2 electrode pad 161B, the G2 electrode pad 162B, and the substrate electrode pad 163.
  • the dual gate transistor 201 in FIG. 10A corresponds to the semiconductor element 101.
  • the auxiliary transistor unit 202 corresponds to the first transistor 133 and the second transistor 134 in the substrate potential stabilization unit 403.
  • the auxiliary diode unit 204 corresponds to the first diode 135 and the second diode 136 in the substrate potential stabilization unit 403. .
  • the nitride semiconductor layer 113 includes an active region 170 and an inactive region 171 surrounding the active region 170.
  • the inactive region 171 is a region in which iron (Fe) is diffused, and is a region having a higher resistance than the active region.
  • the diffusion of Fe may be performed by ion implantation or the like.
  • a first ohmic electrode 116A and a second ohmic electrode 116B having a plurality of fingers are formed.
  • the fingers of the first ohmic electrode 116A and the fingers of the second ohmic electrode 116B are formed in parallel and alternately with each other.
  • the fingers of the first gate electrode 118A and the fingers of the second gate electrode 118B are formed, respectively.
  • a plurality of dual gate transistors 201 each having a finger of the first ohmic electrode 116A, a finger of the first gate electrode 118A, a second gate electrode 118B, and a second ohmic electrode 116B are formed.
  • the dual gate transistors 201 are alternately inverted. For this reason, the adjacent dual gate transistors 201 share the fingers of the first ohmic electrode 116A or the fingers of the second ohmic electrode 116B. Although not shown in FIGS. 10A and 10B, the fingers of the first gate electrode 118A and the fingers of the second gate electrode 118B are the first p-type semiconductor layer 119A and the second p-type semiconductor, respectively. It is formed on the layer 119B, and the cross-sectional configuration of each dual gate transistor 201 is the same as FIG.
  • the active region 170 includes a third ohmic electrode 116C and a fourth ohmic electrode 116D of the first transistor 133, and a fifth ohmic electrode 116E and a sixth ohmic electrode 116F of the second transistor 134. Is formed.
  • the fingers of the third ohmic electrode 116C and the fourth ohmic electrode 116D are formed in parallel to each other.
  • a finger of the third gate electrode 118C is formed in a region between the finger of the third ohmic electrode 116C and the finger of the fourth ohmic electrode 116D.
  • the fingers of the fifth ohmic electrode 116E and the sixth ohmic electrode 116F are formed in parallel to each other. In the region between the finger of the fifth ohmic electrode 116E and the finger of the sixth ohmic electrode 116F, the finger of the fourth gate electrode 118D is formed.
  • the third ohmic electrode 116C is connected to the S1 electrode pad 161A via the electrode wiring 151C.
  • the fourth ohmic electrode 116D and the sixth ohmic electrode 116F are each connected to the substrate electrode pad 163 via the electrode wiring 151D.
  • the fifth ohmic electrode 116E is connected to the S2 electrode pad 161B via the electrode wiring 151E.
  • the third gate electrode 118C is connected to the first gate electrode 118A via the first gate wiring 181.
  • the fourth gate electrode 118D is connected to the second gate electrode 118B via the second gate wiring 182.
  • the first gate electrode 118A, the second gate electrode 118B, the third gate electrode 118C, and the fourth gate electrode 118D may be connected by the same electrode material, or may be connected by a plated wiring or the like. .
  • the auxiliary transistor unit 202 having the third ohmic electrode 116C, the fourth ohmic electrode 116D, the fifth ohmic electrode 116E, the sixth ohmic electrode 116F, the third gate electrode 118C, and the fourth gate electrode 118D. Is formed. *
  • each transistor constituting the auxiliary transistor unit 202 may be a multi-finger type.
  • the finger of the third gate electrode 118C and the finger of the fourth gate electrode 118D are the third p-type semiconductor layer 119C and the fourth p-type, respectively. It is formed on the type semiconductor layer 119D.
  • a seventh ohmic electrode 116G, an eighth ohmic electrode 116H, a fifth gate electrode 118E, and a sixth gate electrode 118F are formed.
  • the fifth gate electrode 118E is formed so as to surround the seventh ohmic electrode 116G.
  • the fifth gate electrode 118E is connected to the seventh ohmic electrode 116G, the S1 electrode pad 161A, and the electrode wiring 151E.
  • the first diode 135 having the cathode as the fourth ohmic electrode 116D is formed.
  • the sixth gate electrode 118F is formed so as to surround the eighth ohmic electrode 116H.
  • the sixth gate electrode 118F is connected to the eighth ohmic electrode 116H and the S2 electrode pad 161B by the electrode wiring 151F.
  • the second diode 136 having the cathode as the sixth ohmic electrode 116F is formed.
  • the auxiliary diode unit 204 is formed by the first diode 135 and the second diode 136.
  • the auxiliary transistor unit 302 and the auxiliary diode unit 204 share the fourth ohmic electrode 116D and the sixth ohmic electrode 116F, thereby realizing space saving.
  • the third gate electrode 118C is connected to the first gate electrode 118A, and in the second transistor 134, The fourth gate electrode 118D may be connected to the second gate electrode 118B.
  • the first transistor 133 is turned on when the on-voltage is applied to the first gate electrode 118A of the semiconductor element 101, and the on-voltage is applied to the second gate electrode 118B of the semiconductor element 101.
  • the second transistor 134 is turned on. Accordingly, when the potential of the back electrode 153 is lower than the first ohmic electrode 116A or the second ohmic electrode 116B, the substrate potential can be raised and stabilized through the first transistor or the second transistor.
  • each diode constituting the auxiliary diode unit 204 may be a multi-finger type.
  • the fingers of the fifth gate electrode 118E and the fingers of the sixth gate electrode 118F are the fifth p-type semiconductor layer 119E and the fourth p-type, respectively. It is formed on the type semiconductor layer 119F.
  • the substrate electrode pad 163 is electrically connected to the back electrode 153 by a wire or the like. When housed in a package, electrical connection may be made by striking a wire connected to the substrate electrode pad 163 on a die pad connected to the back electrode 153.
  • a substrate potential stabilization unit 403 composed of the auxiliary transistor unit 202 and the auxiliary diode unit 204 is formed.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a circuit configuration example, a load 105, and a power supply 104 of the bidirectional switch 100 of the present embodiment. 3 is different from FIG. 3 in that a substrate potential stabilization unit 503 is provided instead of the substrate potential stabilization unit 103.
  • a substrate potential stabilization unit 503 is provided instead of the substrate potential stabilization unit 103.
  • the substrate potential stabilization unit 503 includes a first transistor 133, a second transistor 134, a first diode 135, a second diode 136, a third gate control circuit 108, and a fourth gate. And a control circuit 109.
  • the first transistor 133 and the first diode 135 are connected between the substrate terminal SUB and the terminal S1.
  • the second transistor and the second diode are connected between the substrate terminal SUB and the terminal S2.
  • the source terminal S11 and the source terminal S12 are connected to the substrate terminal SUB, respectively.
  • the source terminal S11 of the first transistor 133 is connected to the terminal S1.
  • the source terminal S12 of the second transistor 134 is connected to the terminal S2.
  • the source terminal S11 of the first transistor 133 and the anode of the first diode 135 are connected.
  • the drain terminal D11 of the first transistor 133 and the cathode of the first diode 135 are connected.
  • the source terminal S12 of the second transistor 134 and the anode of the second diode 136 are connected.
  • the drain terminal D12 of the second transistor 134 and the cathode of the second diode 136 are connected.
  • the first diode 135 and the second diode 136 are not necessarily provided separately.
  • the operation of the substrate potential stabilization unit 503 shown in FIG. 11 will be described.
  • a case where the potential of the terminal S2 is higher than that of the terminal S1 will be described.
  • the timing chart of each gate is the same as that in FIG. 5 as in the second embodiment. Specifically, a case where the potential of the terminal S2 is higher than that of the terminal S1 will be described.
  • the semiconductor element 101 is turned off, the potential of the terminal S2 viewed from the substrate terminal SUB increases.
  • a charging current flows through the parasitic capacitance between the back electrode 153 and the second ohmic electrode 116B, and a current flows from the drain terminal to the source terminal because the second transistor 134 is on.
  • the potential of the substrate terminal SUB Since the potential of the substrate terminal SUB is short-circuited with the terminal S2 and the terminal S1 by the first transistor 133 and the second transistor 134 which are in the on state, the potential of the substrate terminal SUB should be substantially the same as that of the terminal S1 and be stable. Can do. When the potential of the terminal S1 is higher than the potential of the terminal S2, the potential of the substrate terminal SUB follows the potential of the terminal S2.
  • FIG. 12A is a diagram illustrating a timing chart in an operation example of the bidirectional switch 100.
  • a signal Vs1s2 indicates the potential of the terminal S1 with respect to the terminal S2.
  • Other signals are the same as those in FIG.
  • the times t1, t2, t3, and t4 are, for example, about 20 ⁇ sec, about 30 ⁇ sec, about 70 ⁇ sec, and about 80 ⁇ sec from the time 0 (second), respectively.
  • the first gate control circuit 106 outputs a signal V106 for turning on the gate of the semiconductor element 101 before the second gate control circuit 107.
  • the semiconductor element 101 is off.
  • the fourth gate control circuit 109 applies the on voltage of the signal V109. Since the substrate terminal SUB and the terminal S2 are electrically connected via the second transistor 134, the potential of the substrate terminal SUB is substantially equal to the potential of the terminal S2.
  • the semiconductor element 101 is turned on by outputting a signal V107 for turning on the gate from the second gate control circuit 107.
  • the potential of the substrate terminal SUB remains substantially equal to the potential of the terminal S2. Therefore, the substrate potential can be prevented from becoming unstable.
  • the semiconductor element 101 is turned off. Since the second transistor 134 is conductive, the potential of the substrate terminal SUB is substantially equal to the terminal S2.
  • signals V106 and V109 for turning off are output from the first gate control circuit 106 and the fourth gate control circuit 109, respectively. As described above, the potential of the substrate terminal SUB is stabilized. Further, since the substrate terminal SUB and the terminal S2 are in a short-circuited state when the semiconductor element 101 is turned on and off, the capacitance between the terminal G1 and the terminal G2 that determines the switching speed is short-circuited between the substrate terminal SUB and the terminal S2. Smaller than when not in state. As a result, an effect of reducing switching loss can be expected.
  • FIG. 12B is a diagram illustrating a timing chart in the operation example of the bidirectional switch 100.
  • the second gate control circuit 107 applies the ON voltage of the signal V107 prior to the first gate control circuit 106. Since the terminal G1 is off, the semiconductor element 101 is off.
  • the third gate control circuit 108 applies the ON voltage of the signal V108. As a result, the substrate terminal SUB and the terminal S1 are brought into conduction through the first transistor 133, so that the potential of the substrate terminal SUB is stabilized substantially equal to the terminal S1.
  • the first gate control circuit 106 sets the signal V106 to the on voltage, so that the semiconductor element 101 is turned on. At this time, the potential of the substrate terminal SUB remains substantially equal to the potential of the terminal S1.
  • the semiconductor element 101 is turned off. Also at this time, since the first transistor 133 is conductive, the potential of the substrate terminal SUB is substantially equal to that of the terminal S1. At time t4, the second gate control circuit 107 and the third gate control circuit 108 turn the signals V107 and V108 off. As a result, the semiconductor element 101 is turned off.
  • the potential of the substrate terminal SUB is stabilized. Further, since the substrate terminal SUB and the terminal S1 are in a short circuit state when the semiconductor element 101 is turned on and off, the capacitance between the terminal G1 and the terminal G2 that determines the switching speed is short circuited between the substrate terminal SUB and the terminal S1. Smaller than when not in state. As a result, an effect of reducing switching loss can be expected.
  • FIGS. 13A and 13B are plan views showing the wiring layout of the semiconductor element 101 and the substrate potential stabilization unit 503 in the bidirectional switch of this embodiment.
  • 13A is a plan view before providing the S1 electrode pad 161A, the G1 electrode pad 162A, the S2 electrode pad 161B, the G2 electrode pad 162B, and the substrate electrode pad 163 shown in FIG. 13B.
  • FIG. 13B is a plan view after providing the S1 electrode pad 161A, the G1 electrode pad 162A, the S2 electrode pad 161B, the G2 electrode pad 162B, and the substrate electrode pad 163.
  • the substrate potential stabilization unit 503 includes an auxiliary transistor unit 502 and an auxiliary diode unit 504 instead of the auxiliary transistor unit 202 and the auxiliary diode unit 204, as compared with FIGS. 10A and 10B.
  • the point is different.
  • the auxiliary transistor unit 502 corresponds to the first transistor 133 and the second transistor 134 in the substrate potential stabilization unit 503.
  • the auxiliary diode unit 504 corresponds to the first diode 135 and the second diode 136 in the substrate potential stabilization unit 503.
  • the auxiliary transistor unit 502 includes a third ohmic electrode 116C, a fourth ohmic electrode 116D, a fifth ohmic electrode 116E, and a sixth ohmic electrode 116F.
  • the fingers of the third ohmic electrode 116C and the fourth ohmic electrode 116D are formed in parallel to each other.
  • a finger of the third gate electrode 118C is formed in a region between the finger of the third ohmic electrode 116C and the finger of the fourth ohmic electrode 116D.
  • the fingers of the fifth ohmic electrode 116E and the sixth ohmic electrode 116F are formed in parallel to each other.
  • the finger of the fourth gate electrode 118D is formed in the region between the finger of the fifth ohmic electrode 116E and the finger of the sixth ohmic electrode 116F.
  • the third ohmic electrode 116C is connected to the substrate electrode pad 163 through the electrode wiring 151C.
  • the fourth ohmic electrode 116D is connected to the S1 electrode pad 161A via the electrode wiring 151D.
  • the fifth ohmic electrode 116E is connected to the substrate electrode pad 163 via the electrode wiring 151C.
  • the third gate electrode 118C is connected to the G3 electrode pad 162C.
  • the G3 electrode pad 162C corresponds to the gate terminal G11 of FIG.
  • the fourth gate electrode 118D is connected to the G4 electrode pad 162D.
  • the G4 electrode pad 162D corresponds to the gate terminal G12 of FIG.
  • the auxiliary diode unit 504 includes a seventh ohmic electrode 116G, an eighth ohmic electrode 116H, a fifth gate electrode 118E, and a sixth gate electrode 118F.
  • the fifth gate electrode 118E is formed so as to surround the seventh ohmic electrode 116G.
  • the fifth gate electrode 118E is connected to the seventh ohmic electrode 116G and the electrode wiring 151E.
  • the first diode 135 having the cathode as the fourth ohmic electrode 116D is formed.
  • the sixth gate electrode 118F is formed so as to surround the eighth ohmic electrode 116H.
  • the sixth gate electrode 118F is connected to the eighth ohmic electrode 116H by the electrode wiring 151F.
  • the second diode 136 having the cathode as the sixth ohmic electrode 116F is formed.
  • a substrate potential stabilization unit 503 including the auxiliary transistor unit 502 and the auxiliary diode unit 504 is formed.
  • the semiconductor element 101 is a normally-off dual gate semiconductor element in which a gate electrode is formed on a p-type semiconductor layer.
  • normally-off characteristics may be realized by forming a gate recess or reducing the thickness of the second semiconductor layer.
  • the third ohmic electrode 116C is the drain electrode (corresponding to the drain terminal D11), and the fourth ohmic electrode 116D.
  • the fifth ohmic electrode 116E is a drain electrode (corresponding to the drain terminal D12)
  • the sixth ohmic electrode 116F is a source electrode ( Source terminal S12).
  • the bidirectional switch 100 of the present disclosure operates stably even when a wide band gap semiconductor is formed on a substrate, and is particularly useful as a bidirectional switch made of a nitride semiconductor formed on a substrate.
  • the bi-directional switch of the present disclosure can stabilize the operation of the bi-directional switch.
  • the operation of the main switch of the matrix converter, the main switch of the semiconductor relay, and the like is very useful.

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Abstract

双方向スイッチ（１００）は、半導体素子（１０１）と、半導体素子（１０１）の基板電位を安定化する基板電位安定化部（１０３）とを備えている。基板電位安定化部（１０３）は、第１のスイッチ素子（１３１）と第２のスイッチ素子（１３２）とを有している。半導体素子（１０１）がオン状態であるとき、第１のスイッチ素子（１３１）及び第２のスイッチ素子（１３２）の両方がオン状態になる。

Description

双方向スイッチ
　本開示は、例えばマトリックスコンバータのメインスイッチや半導体リレーに用いられる双方向スイッチに関するものである。
　双方向スイッチは、双方向に電流を通電し、正負両極性の電圧に対して耐圧を有するスイッチである。例えば、双方向スイッチは、高効率に電力変換が可能なマトリックスコンバータのメインスイッチ及び半導体リレーのメインスイッチ等として用いられている。
　双方向スイッチのオン抵抗低減のためにＧａＮに代表される窒化物半導体等のワイドバンドギャップ半導体材料を用いることが期待されている。特に、ＡｌＧａＮとＧａＮとヘテロ接合を用いた電界効果トランジスタ（Heterojunction Field Effect Transistor、ＨＦＥＴ）をデュアルゲート構造とすることで双方向スイッチを形成することが可能となる（例えば、特許文献１を参照）。そのため、双方向スイッチの部品点数を削減できるとともに、双方向スイッチのオン損失を低減できる。
　一方、デュアルゲートＨＦＥＴを用いた双方向スイッチにおいては、基板の電位を固定することが双方向スイッチを安定に動作するために必要となる。特許文献２及び特許文献３には、デュアルゲートＨＦＥＴの第１のオーミック電極の電位及び第２のオーミック電極の電位のうち低い方の電位に近い値の電位を基板に印加する基板電位安定化部を備えた構成が記載されている。基板電位安定化部として、具体的にはダイオード及び抵抗が記載されている。
国際公開番号ＷＯ２００８／０６２８００ 国際公開番号ＷＯ２０１１／０６４９５５ 特開２００９－２００１４９号公報
　しかしながら、上記のデュアルゲートＨＦＥＴを用いた双方向スイッチは、基板電位の固定が十分でなく、スイッチ動作が不安定になる場合がある。
　本開示は、はかかる課題に鑑みてなされたものであり、デュアルゲートＨＦＥＴを用いた場合においても基板の電位が安定して動作する双方向スイッチを提供することを主な目的とする。
　本開示の一態様にかかる双方向スイッチは、スイッチをオンした状態において、基板の電位が第１のオーミック電極の電位及び第２のオーミック電極の電位よりも低い場合に、基板の電位を上昇させる基板電位安定化部を備えた構成とする。
　本開示の一態様にかかる双方向スイッチは、半導体素子と、基板電位安定化部と、を備える。半導体素子は、基板と、基板の上に形成された半導体積層体と、を有する。そして、半導体積層体の上に間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、第１のオーミック電極と第２のオーミック電極との間に、第１のオーミック電極側から順に形成された第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、基板の半導体積層体と反対側の面に形成された裏面電極と、を有する。そして、基板電位安定化部は、第１のオーミック電極と裏面電極とを接続する第１のスイッチ素子と、第２のオーミック電極と裏面電極とを接続する第２のスイッチ素子とを有しており、半導体素子がオンしている状態において第１のスイッチ素子及び第２のスイッチ素子の両方が導通状態になる。
　この構成により、基板電位安定化部を備えているため、基板の電位が不安定となることがなく、安定して動作する双方向スイッチを実現できる。
　本開示の一態様にかかる双方向スイッチは、さらに第１のスイッチ素子が第１のトランジスタで構成され、かつ第２のスイッチ素子が第２のトランジスタで構成される。第１のトランジスタは、第３のオーミック電極及び第４のオーミック電極と、第３のオーミック電極と第４のオーミック電極との間に形成された第３のゲート電極とを有する。第２のトランジスタは、第５のオーミック電極と第６のオーミック電極と、第５のオーミック電極と第６のオーミック電極との間に形成された第４のゲート電極とを有する。そして、第３のオーミック電極と第１のオーミック電極とが接続され、第４のオーミック電極と裏面電極とが接続され、第５のオーミック電極と第２のオーミック電極とが接続され、第６のオーミック電極と裏面電極とが接続されていてもよい。
　この構成によれば、裏面電極の電位が第１のオーミック電極あるいは第２のオーミック電極より低い場合に、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタをオンさせて基板電位を持ち上げることができる。
　本開示の一態様にかかる双方向スイッチは、さらに第１のトランジスタにおいて、第３のオーミック電極は、ソース電極であり、第４のオーミック電極は、ドレイン電極であり、第２のトランジスタにおいて、第５のオーミック電極は、ソース電極であり、第６のオーミック電極は、ドレイン電極であってもよい。
　この構成によれば、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタにボディダイオードが形成されている場合、裏面電極がカソード側になるため、裏面電極の電位が第１のオーミック電極あるいは第２のオーミック電極より低い場合にダイオードがオン状態となり、基板電位をダイオードの順方向電圧の分だけ低い電位にまで持ち上げることができる。
　本開示の一態様にかかる双方向スイッチは、さらに第１のトランジスタにおいて、第３のゲート電極は、第１のゲート電極と接続され、第２のトランジスタにおいて、第４のゲート電極は、第２のゲート電極と接続されていてもよい。
　この構成によれば、半導体素子の２つのゲートがそれぞれオンしたときに第１のトランジスタと第２のトランジスタもそれぞれオンするため、裏面電極の電位が第１のオーミック電極あるいは第２のオーミック電極より低い場合に第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを通じて基板電位を持ち上げることができる。
　本開示の一態様にかかる双方向スイッチは、さらに第１のオーミック電極の電位より第２のオーミック電極の電位が高い場合において、第１のゲート電極よりも先に第３のゲート電極がオンし、第２のオーミック電極の電位より第１のオーミック電極の電位が高い場合において、第２のゲート電極よりも先に第４のゲート電極がオンしてもよい。
　この構成によれば、半導体素子がオンする前に裏面電極と第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極の電位の低い方とを導通させておくことができるため、基板の電位変動を正方向にも負方向にも抑制することができるため安定した動作をする双方向スイッチを実現することができる。
　本開示の一態様にかかる双方向スイッチは、さらに半導体積層体、第１のスイッチ素子及び第２のスイッチ素子が窒化物半導体を含んでもよい。
　この構成によれば、半導体素子と基板電位安定化部を同一基板上に形成可能となり、基板電位安定化部と裏面電極との間の配線インダクタンスを低減しやすくできる。これにより基板電位を高速に安定化することができる。
　本開示の一態様にかかる双方向スイッチは、半導体素子と、基板電位安定化部と、を備える。半導体素子は、基板と、基板の上に形成された半導体積層体と、を備える。そして、半導体積層体の上に間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、第１のオーミック電極と第２のオーミック電極との間に第１のオーミック電極側から順に形成された第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、基板の半導体積層体と反対側の面に形成された裏面電極と、を有する。そして、基板電位安定化部は、第１のオーミック電極と裏面電極とを接続する第１のダイオードと、第２のオーミック電極と裏面電極とを接続する第２のダイオードとを有する。第１のダイオードのカソードは、裏面電極と接続され、第１のダイオードのアノードは、第１のオーミック電極と接続されており、第２のダイオードのカソードは、裏面電極と接続され、第１のダイオードのアノードは、第２のオーミック電極と接続されている。
　この構成により、裏面電極の電位が第１のオーミック電極あるいは第２のオーミック電極より低い場合にダイオードがオン状態となり、基板電位をダイオードの順方向電圧の分だけ低い電位まで持ち上げることができる。
　本開示の一態様にかかる双方向スイッチは、半導体素子と、基板電位安定化部と、を備える。半導体素子は、基板と、基板の上に形成された半導体積層体と、を備える。そして半導体積層体の上に間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、第１のオーミック電極と第２のオーミック電極との間に第１のオーミック電極側から順に形成された第１のゲート電極及び第２のゲート電極と基板の半導体積層体と反対側の面に形成された裏面電極とを有する。基板電位安定化部は、第１のオーミック電極と裏面電極とを接続する第１のトランジスタと、第２のオーミック電極と裏面電極とを接続する第２のトランジスタとを有している。第１のトランジスタは、第１のソース電極及び第１のドレイン電極と、第１のソース電極と第１のドレイン電極との間に形成された第３のゲート電極とを有する。第２のトランジスタは、第２のソース電極と第２のドレイン電極と、第２のソース電極と第２のドレイン電極との間に形成された第４のゲート電極とを有する。そして、第１のソース電極が第１のオーミック電極と接続され、第１のドレイン電極が裏面電極と接続され、第２のドレイン電極が裏面電極と接続され、かつ第２のソース電極が第２のオーミック電極と接続される。基板電位安定化部は、半導体積層体と第３のゲート電極及び第４のゲート電極との間にそれぞれ形成されたｐ型半導体層を有し、第３のゲート電極は、第１のソース電極と接続され、第４のゲート電極は、第２のソース電極と接続されている。
　この構成により、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタをカソードが裏面電極と接続されたダイオードとみなすことができ、裏面電極の電位が第１のオーミック電極あるいは第２のオーミック電極より低い場合にダイオードがオン状態となり、基板電位をダイオードの順方向電圧の分だけ低い電位まで持ち上げることができる。
　本開示の双方向スイッチによれば、デュアルゲートＨＦＥＴを基板の上に形成した場合においても安定して動作する双方向スイッチを実現できる。
第１の実施形態にかかる双方向スイッチを示す回路構成例、負荷及び電源を示す図である。 第１の実施形態にかかる双方向スイッチを構成する半導体素子の構成例を示す断面図である。 双方向スイッチのより具体的な回路例、負荷及び電源を示す図である。 第２の実施形態にかかる双方向スイッチの回路構成例、負荷及び電源を示す図である。 双方向スイッチの動作例おけるタイミングチャートを示す図である。 第３の実施形態にかかる双方向スイッチの回路構成例、負荷及び電源を示す図である。 第１のトランジスタの構成例を示す断面図である。 第２のトランジスタの構成例を示す断面図である。 第４の実施形態にかかる双方向スイッチの回路構成例、負荷及び電源を示す図である。 半導体素子及び基板電位安定化部の配線レイアウトを示す平面図である。 半導体素子及び基板電位安定化部の配線レイアウトを示す平面図である。 第５の実施形態にかかる双方向スイッチの回路構成例、負荷及び電源を示す図である。 双方向スイッチの動作例におけるタイミングチャートを示す図である。 双方向スイッチの動作例におけるタイミングチャートを示す図である。 双方向スイッチの配線レイアウトを示す平面図である。 双方向スイッチの配線レイアウトを示す平面図である。 比較技術にかかる、デュアルゲートトランジスタ及び基板安定化部を含む双方向スイッチの回路構成を示す図である。 デュアルゲートトランジスタの基板端子における電圧の様子を示す図である。 デュアルゲートトランジスタの、端子の電圧、第１のゲート端子の電圧、基板端子における電圧、及び負荷（コイル）を流れる電流の時間変化を測定した結果を示す図である。
　以下、本開示にかかる発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
　なお、窒化物半導体の一般式はＡｌｘＧａ１－ｘ－ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表される。そのうち、ＡｌｚＧａ１－ｚＮ（０＜ｚ＜１、窒化アルミニウムガリウム）についてはＡｌＧａＮと標記する。
　（比較技術の検討）
　本開示にかかる双方向スイッチを説明する前に、比較技術について検討し、その課題について説明する。
　比較技術にかかるデュアルゲートトランジスタ及び基板安定化部を含む双方向スイッチの回路構成を図１４に示す。
　図１４に記載された回路構成において、デュアルゲートトランジスタは、端子Ｓ１、Ｓ２、端子Ｇ１、Ｇ２及び基板端子ＳＵＢとを有する。端子Ｓ１は、デュアルゲートトランジスタのソース端子及びドレイン端子の一方に該当する。端子Ｓ２は、デュアルゲートトランジスタのソース端子及びドレイン端子の他方に該当する。基板安定化部は、ダイオードＤ１、Ｄ２、抵抗Ｒ１、Ｒ２を有する。
　図１５は、デュアルゲートトランジスタの基板端子ＳＵＢにおける電圧の様子を示す図である。すなわち、デュアルゲートトランジスタの端子Ｓ１の電圧を０Ｖとし、端子Ｓ２の電圧をＶｄｄ（正の値）から０Ｖと変化させたとき、基板が負に帯電し、基板端子ＳＵＢにおける電圧は、図１５に示すように負の値（－Ｖ）をとることがある。この場合、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２がないとダイオードＤ１、Ｄ２は動作せず、基板の電位が固定されないためスイッチ動作が不安定になるという問題が生じる。
　また、基板端子ＳＵＢの電位を端子Ｓ１及び端子Ｓ２より低い電位である場合でも抵抗Ｒ１あるいは抵抗Ｒ２を通じて基板の電位を増加することができる。
　しかし、抵抗Ｒ１あるいは抵抗Ｒ２の抵抗値が大きいと電位がすぐに増加できず安定するまでに時間がかかる。また、抵抗Ｒ１あるいは抵抗Ｒ２の抵抗値が小さいと、常に抵抗Ｒ１または抵抗Ｒ２に電流が流れるため電力損失が大きくなるという問題が生じる。
　次に、このような問題に関する実験結果とその評価について説明する。
　図１４に記載された回路構成において、デュアルゲートトランジスタについては、当該デュアルゲートトランジスタとコイルとを直列に接続した負荷スイッチング回路を構成して評価を行った。
　図１６は、デュアルゲートトランジスタの、端子Ｓ２の電圧Ｖｄ、端子Ｇ１の電圧Ｖｇ基板端子ＳＵＢにおける電位Ｖｓｕｂ、及び負荷（コイル）を流れる電流ＩＬの時間変化を測定した結果を示す図である。具体的に、デュアルゲートトランジスタの２つのゲート端子のうち端子Ｇ１に電圧Ｖｇ（たとえば３Ｖ）を印加し、端子Ｇ２は端子Ｓ２と短絡してデュアルゲートトランジスタをオン（ＯＮ）にした状態と、端子Ｇ１にＶｇを印加しない０Ｖにしてデュアルゲートトランジスタをオフ（ＯＦＦ）にした状態とを交互に繰り返した。デュアルゲートトランジスタのオンとオフとは、ともに２μ秒間隔で繰り返された。コイルを流れる電流ＩＬはデュアルゲートトランジスタがオンの状態のときに増加し、オフの状態のときに減少する。端子Ｓ１を０Ｖとし、端子Ｓ２の電圧は、デュアルゲートトランジスタがオンのときに減少し、オフのときに増加する。このときの基板端子ＳＵＢの電位Ｖｓｕｂを評価した。なお、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の値は、ともに１００ｋΩである。
　図１６の点線で囲った部分Ａに示すように、Ｖｇが３ＶかつＶｄが０Ｖのとき、基板の電位Ｖｓｕｂは負の値をとることがわかった。つまり、点線で囲った部分Ａでは、基板から電荷の抜けが悪く、基板の電位Ｖｓｕｂが負電位のままになっている。
　さらに、点線で囲った部分Ａ及びＢのように、基板の電位Ｖｓｕｂは各オン（ＯＮ）時において一定の値ではなく、さまざまな値をとることがわかった。すなわち、デュアルゲートトランジスタのオン時においてＶｓｕｂの値が不安定であることがわかった。このように基板の電位Ｖｓｕｂが固定されないためスイッチ動作が不安定になるという問題がある。
　（第１の実施形態）
　（双方向スイッチ１００の構成）
　第１の実施形態にかかる双方向スイッチ１００について図面を参照して説明する。図１は本実施形態の双方向スイッチ１００の回路構成例、負荷１０５及び電源１０４を示す図である。図１に示すように本実施形態の双方向スイッチ１００は、半導体素子１０１と、半導体素子１０１の動作を制御する制御部１０２と、半導体素子１０１の基板電位を安定化する基板電位安定化部１０３とを備えている。
　半導体素子１０１は、例えばデュアルゲートＨＦＥＴであって、端子Ｓ１、Ｓ２、端子Ｇ１、Ｇ２及び基板端子ＳＵＢとを有する。端子Ｓ１は、デュアルゲートトランジスタのソース端子及びドレイン端子の一方に該当する。端子Ｓ２は、デュアルゲートトランジスタのソース端子及びドレイン端子の他方に該当する。端子Ｇ１、Ｇ１は、２つのゲート端子に該当する。基板端子ＳＵＢは、半導体素子１０１が形成された基板（例えばＳｉ製の半導体基板）の裏面全体を覆う電極に電気的に接続された端子である。
　制御部１０２は、第１のゲート制御回路１０６及び第２のゲート制御回路１０７を有する。第１のゲート制御回路１０６は、半導体素子１０１の端子Ｓ１と端子Ｇ１との間に印加するバイアス電圧を制御する。第２のゲート制御回路１０７は、半導体素子１０１の端子Ｓ２と端子Ｇ２との間に印加するバイアス電圧を制御する。これにより、半導体素子１０１の端子Ｓ１と端子Ｓ２との間にどちらの向きにも電流を通電したり、遮断したりすることが可能となる。このため、半導体素子１０１の端子Ｓ１と端子Ｓ２との間に接続された負荷１０５及び電源１０４を接続することにより、負荷１０５の動作を制御することが可能となる。第１のゲート制御回路１０６及び第２のゲート制御回路１０７の一例として、それぞれ第１の電源１２１及び第２の電源１２２が用いられる。なお、第１の電源１２１及び第２の電源１２２は、いずれも可変電源である。
　基板電位安定化部１０３は、第１のスイッチ素子１３１と第２のスイッチ素子１３２とを有している。半導体素子１０１をオンしたとき、図１に示すように、第１のスイッチ素子１３１及び第２のスイッチ素子１３２の両方を短絡状態（オン状態）とする。このようにすれば、双方向スイッチ１００を安定に動作させることが可能となる。このことについては、以下に説明する。
　（半導体素子１０１の構成）
　以下に、本実施形態の双方向スイッチ１００についてさらに具体的に説明する。まず、半導体素子１０１の構成について説明する。図２は半導体素子１０１の構成例を示す断面図である。
　図２に示すように、半導体素子１０１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）よりなる基板１１１の上に形成された厚さが約１μｍのバッファ層１１２と、バッファ層１１２の上に形成された窒化物半導体層１１３とを有している。バッファ層１１２は、交互に積層された厚さが１０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と、厚さが１０ｎｍ程度の窒化ガリウム（ＧａＮ）とからなる。窒化物半導体層１１３は、基板側から順次積層された第１の半導体層１１４と第１の半導体層１１４と比べてバンドギャップの大きい第２の半導体層１１５とを有している。本実施形態においては、第１の半導体層１１４は、厚さが２μｍ程度のアンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）層であり、第２の半導体層１１５は、厚さが５０ｎｍ程度のアンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層である。以下では、バッファ層１１２、第１の半導体層１１４及び第２の半導体層１１５からなる積層体、または、第１の半導体層１１４及び第２の半導体層１１５からなる積層体を、半導体積層体と呼ぶ。言い換えれば、半導体積層体は、少なくとも窒化物半導体層１１３（つまり第１の半導体層１１４及び第２の半導体層１１５）を含む。
　ＧａＮからなる第１の半導体層１１４とＡｌＧａＮからなる第２の半導体層１１５のヘテロ界面近傍には、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、２次元電子ガス（2-dimensional electron gas、２ＤＥＧ）層であるチャネル領域が形成されている。
　窒化物半導体層１１３の上には、互いに間隔をおいて第１のオーミック電極１１６Ａと第２のオーミック電極１１６Ｂとが形成されている。第１のオーミック電極１１６Ａは、半導体素子１０１のソース端子及びドレイン端子の一方に対応する。第２のオーミック電極１１６Ｂは、半導体素子１０１のソース端子及びドレイン端子の他方に対応する。第１のオーミック電極１１６Ａ及び第２のオーミック電極１１６Ｂ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。
　第１のオーミック電極１１６Ａの上にＡｕとＴｉからなるＳ１電極配線１５１Ａが形成されており、第１のオーミック電極１１６Ａと電気的に接続されている。第２のオーミック電極１１６Ｂの上にＡｕとＴｉからなるＳ２電極配線１５１Ｂが形成されており、第２のオーミック電極１１６Ｂと電気的に接続されている。
　第２の半導体層１１５の上における第１のオーミック電極１１６Ａと第２のオーミック電極１１６Ｂとの間の領域には、第１のｐ型半導体層１１９Ａ及び第２のｐ型半導体層１１９Ｂが互いに間隔をおいて形成されている。第１のｐ型半導体層１１９Ａの上には第１のゲート電極１１８Ａが形成され、第２のｐ型半導体層１１９Ｂの上には第２のゲート電極１１８Ｂが形成されている。第１のゲート電極１１８Ａ及び第２のゲート電極１１８Ｂは、それぞれパラジウム（Ｐｄ）と金（Ａｕ）との積層体からなり、第１のｐ型半導体層１１９Ａ及び第２のｐ型半導体層１１９Ｂとオーミック接触している。
　基板１１１の裏面には、ニッケル（Ｎｉ）とクロム（Ｃｒ）と銀（Ａｇ）とが積層された厚さ４００ｎｍ程度の裏面電極１５３が形成されており、裏面電極１５３は基板１１１とオーミック接触している。
　第１のオーミック電極１１６Ａと接続された端子、第１のゲート電極１１８Ａと接続された端子、第２のゲート電極１１８Ｂと接続された端子及び第２のオーミック電極１１６Ｂと接続された端子は、それぞれ図１の端子Ｓ１、端子Ｇ１、端子Ｇ２及び端子Ｓ２と対応する。また、裏面電極と接続された端子は、図１の基板端子ＳＵＢと対応する。
　第１のｐ型半導体層１１９Ａ及び第２のｐ型半導体層１１９Ｂは、それぞれ厚さが３０ｎｍ程度で、マグネシム（Ｍｇ）がドープされたｐ型のＡｌＧａＮからなる。第１のｐ型半導体層１１９Ａ及び第２のｐ型半導体層１１９Ｂと、第２の半導体層１１５とによりｐｎ接合がそれぞれ形成される。これにより、第１のオーミック電極１１６Ａと第１のゲート電極１１８Ａ間との電圧が例えば０Ｖ以下の場合には、第１のｐ型半導体層１１９Ａからチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができる。同様に、第２のオーミック電極１１６Ｂと第２のゲート電極１１８Ｂ間との電圧が例えば０Ｖ以下の場合には、第２のｐ型半導体層１１９Ｂからチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネル領域に流れる電流を遮断することができる。従って、ノーマリオフ動作をする半導体素子１０１が実現できる。
　（端子Ｓ１、Ｓ２を流れる電流について）
　制御部１０２は、端子Ｓ１と端子Ｇ１との間に接続された第１の電源１２１と、端子Ｓ２と端子Ｇ２との間に接続された第２の電源１２２とを有している。本実施形態における第１の電源１２１及び第２の電源１２２は可変電源である。なお、第１の電源１２１及び第２の電源１２２は、可変電源に代えて電源が接続されたゲート回路等としてもよい。
　第１の電源１２１の電圧を第１のゲート電極１１８Ａの閾値電圧より低くして、第１のゲート電極１１８Ａの下側に空乏層が広がるようにする。また、第２の電源１２２の電圧を第２のゲート電極１１８Ｂの閾値電圧より低くして、第２のゲート電極１１８Ｂの下側にある空乏層が広がるようにする。このようにすれば、第１のオーミック電極１１６Ａである端子Ｓ１と第２のオーミック電極１１６Ｂである端子Ｓ２との間にはどちらの方向にも電流が流れない。第１の電源１２１の電圧を第１のゲート電極１１８Ａの閾値電圧以上とし、第２の電源１２２の電圧を第２のゲート電極１１８Ｂの閾値電圧以上とすれば、端子Ｓ１と端子Ｓ２との間には双方向に電流を流すことができる。第１の電源１２１の電圧を第１のゲート電極１１８Ａの閾値電圧以上とし、第２の電源１２２の電圧を第２のゲート電極１１８Ｂの閾値電圧より低くすれば、端子Ｓ１から端子Ｓ２は電流が流れないが、端子Ｓ２から端子Ｓ１は電流が流れる。第１の電源１２１の電圧を第１のゲート電極１１８Ａの閾値電圧より低くし、第２の電源１２２の電圧を第２のゲート電極１１８Ｂの閾値電圧以上とすれば、端子Ｓ１から端子Ｓ２へは電流が流れるが、端子Ｓ２から端子Ｓ１へは電流が流れない。
　ここで、半導体素子１０１の端子Ｓ２の電位が端子Ｓ１の電位よりも高い場合において、端子Ｇ１及び端子Ｇ２に電圧を印加して半導体素子１０１をオンしたときに基板端子ＳＵＢが端子Ｓ１よりも低い電位となることがある。
　そこで、図１に示すように、第１のスイッチ素子１３１及び第２のスイッチ素子１３２の両方を短絡状態（オン状態）とすることで基板端子ＳＵＢの電位を増加することができる。このとき、半導体素子１０１も短絡状態となっているため、端子Ｓ２の電位は端子Ｓ１の電位とほぼ等しくなり、基板端子ＳＵＢの電位も端子Ｓ２及び端子Ｓ１とほぼ等しくなる。このように、基板端子ＳＵＢの電位が端子Ｓ１及びＳ２より低くなった場合においても基板１１１の電位を一定の電圧に定めることができるため双方向スイッチ１００を安定に動作させることが可能となる。
　（基板電位安定化部１０３の具体的な回路構成例）
　図３は、双方向スイッチ１００のより具体的な回路例、負荷及び電源を示す図である。同図は、図１と比べて、第１のスイッチ素子１３１の代わりに第１のダイオード１３５を備える点と、第２のスイッチ素子１３２の代わりに第２のダイオード１３６を備える点とが異なっている。以下異なる点を中心に説明する。図３に示すように基板電位安定化部１０３は、第１のスイッチ素子１３１を第１のダイオード１３５で構成し、第２のスイッチ素子１３２を第２のダイオード１３６で構成している。第１のダイオード１３５は基板端子ＳＵＢと端子Ｓ１との間に、端子Ｓ１から基板端子ＳＵＢに向けて順方向になるように接続されている。第２のダイオード１３６は基板端子ＳＵＢと端子Ｓ２との間に、端子Ｓ２から基板端子ＳＵＢに向けて順方向になるように接続されている。第１のダイオード１３５と第２のダイオード１３６は、半導体素子１０１に印加される電圧に対して十分に耐圧を有するものとする。
　半導体素子１０１にコイルや抵抗を接続してスイッチする場合、図１５及び図１６を用いて前述した通り、半導体素子１０１をオンした時に基板１１１の電位は第１のオーミック電極１１６Ａ及び第２のオーミック電極１１６Ｂより低い電位になる。図１４に示した比較技術では、ダイオードＤ１、Ｄ２のアノード側を基板端子ＳＵＢに接続した構成とすると、ダイオードＤ１、Ｄ２のアノードの電位がカソードの電位より低くなるため、ダイオードは導通（ＯＮ）せず基板電位が固定されない。これに対して、図３の基板電位安定化部１０３では、この問題を解決している。
　以下に、図３に示す基板電位安定化部１０３の動作について説明する。端子Ｓ２の電位が端子Ｓ１より高い場合について説明する。
　半導体素子１０１がオフした場合、端子Ｓ２の電位が大きくなるため、基板端子ＳＵＢからみた端子Ｓ２の電位は大きくなる。端子Ｓ２と基板端子ＳＵＢの電位差が第２のダイオード１３６の順方向立ち上がり電圧以上になると第２のダイオード１３６がオンして基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ２より順方向立ち上がり電圧分だけ低い電圧に固定される。
　一方、半導体素子１０１がオンした場合、端子Ｓ２の電位が端子Ｓ１の電位に近づいていくため、基板端子ＳＵＢからみた端子Ｓ２の電位は小さくなり、基板端子ＳＵＢと端子Ｓ２との間の寄生容量に放電電流が流れる。このとき基板端子ＳＵＢの電位は低下していき、基板端子ＳＵＢと端子Ｓ２との間の寄生容量と基板端子ＳＵＢと端子Ｓ１との間の寄生容量とで分圧される。基板端子ＳＵＢの電位が端子Ｓ１の電位より第１のダイオード１３５の順方向立ち上がり電圧の分低くなった場合は第１のダイオード１３５がオンして基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１と順方向立ち上がり電圧分だけ低い電圧に固定される。従来は基板端子ＳＵＢが端子Ｓ１より低い電圧になってしまうと電位を制御する経路がなかったが第１のダイオード１３５により基板電位を安定化することができる。
　端子Ｓ１の電位が端子Ｓ２より高い場合については第１のダイオード１３５と第２のダイオード１３６の働きが逆になる。
　半導体素子１０１がオフした場合、端子Ｓ１の電位が大きくなるため、基板端子ＳＵＢからみた端子Ｓ１の電位は大きくなる。端子Ｓ１と基板端子ＳＵＢの電位差が第１のダイオード１３５の順方向立ち上がり電圧以上になると第１のダイオード１３５がオンして基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１とほぼ等しくなる。
　一方、半導体素子１０１がオンした場合、端子Ｓ１の電位が端子Ｓ２の電位に近づいていくため、基板端子ＳＵＢからみた端子Ｓ１の電位は小さくなり、基板端子ＳＵＢと端子Ｓ１との間の寄生容量に放電電流が流れる。このとき基板端子ＳＵＢの電位は低下していく。端子Ｓ２の電位より第２のダイオード１３６の順方向立ち上がり電圧の分低くなった場合は第２のダイオード１３６がオンして基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ２とほぼ等しくなる。
　このように、本実施形態における図３では第２のダイオード１３６により基板電位を安定化することができる。
　以上説明してきたように第１の実施形態における双方向スイッチ１００は、半導体素子１０１と、基板電位安定化部１０３とを備える。半導体素子１０１は、基板１１１と、基板１１１の上に形成された半導体積層体と、半導体積層体の上に間隔をおいて形成された第１のオーミック電極１１６Ａ／Ｓ１及び第２のオーミック電極１１６Ｂと、第１のオーミック電極１１６Ａと第２のオーミック電極１１６Ｂとの間に、第１のオーミック電極側から順に形成された第１のゲート電極１１８Ａ及び第２のゲート電極１１８Ｂと、基板１１１の半導体積層体と反対側の面に形成された裏面電極１５３とを有する。基板電位安定化部１０３は、第１のオーミック電極１１６Ａと裏面電極１５３とを接続する第１のスイッチ素子１３１と、第２のオーミック電極１１６Ｂと裏面電極１５３とを接続する第２のスイッチ素子１３２とを有する。半導体素子１０１がオンしている状態において第１のスイッチ素子１３１及び第２のスイッチ素子１３２の両方が導通状態になる。
　これによれば、基板電位安定化部１０３を備えているため、基板の電位が不安定となることがなく、安定して動作する双方向スイッチ１００を実現できる。例えば、コイル等を含む誘導性の負荷を接続した場合であっても、双方向スイッチ１００がオン状態であるとき基板電位が負電圧になることを抑制して、スイッチ動作を安定させることができる。また、半導体素子１０１がオンしている状態において第１のスイッチ素子１３１及び第２のスイッチ素子１３２の両方が導通状態になるので、電力損失を抑制することができる。
　また、第１の実施形態における双方向スイッチ１００の他の形態において基板電位安定化部１０３は、第１のオーミック電極１１６Ａと裏面電極１５３とを接続する第１のダイオード１３５と、第２のオーミック電極１１６Ｂと裏面電極１５３とを接続する第２のダイオード１３６とを有する。第１のダイオード１３５のカソードは、裏面電極１５３と接続され、第１のダイオード１３５のアノードは、第１のオーミック電極１１６Ａと接続されており、第２のダイオード１３６のカソードは、裏面電極１５３と接続され、第２のダイオード１３６のアノードは、第２のオーミック電極１１６Ｂと接続されている。
　これによれば、裏面電極１５３の電位が第１のオーミック電極１１６Ａあるいは第２のオーミック電極１１６Ｂより低い場合に第１のダイオード１３５及び第２のダイオード１３６の少なくとも一方がオン状態となり、基板電位を第１のダイオード１３５または第２のダイオード１３６の順方向電圧の分だけ低い電位まで持ち上げることができる。
　ここで、半導体積層体、第１のスイッチ素子１３１及び第２のスイッチ素子１３２が窒化物半導体を含んでもよい。
　これによれば、半導体素子１０１と基板電位安定化部１０３とを同一基板上に形成可能となり、基板電位安定化部１０３と裏面電極１５３との間の配線インダクタンスを低減しやすくできる。これにより基板電位を高速に安定化することができる。
　（第２の実施形態）
　次に、第２の実施形態にかかる双方向スイッチについて図面を参照して説明する。ただし、第２の実施形態及び後述する別の実施形態において図２及び図３と実質的に同一の部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
　（双方向スイッチの回路構成例）
　図４は本実施形態の双方向スイッチ１００の回路構成例、負荷１０５及び電源１０４を示ず図である。同図の双方向スイッチ１００は、図３と比べて、基板電位安定化部１０３の代わりに基板電位安定化部２０３を備える点が異なっている。以下異なる点を中心に説明する。
　図４に示すように基板電位安定化部２０３は、第１のトランジスタ１３３と第２のトランジスタ１３４と第１のダイオード１３５と第２のダイオード１３６と第３のゲート制御回路１０８と第４のゲート制御回路１０９とで構成される。第１のトランジスタ１３３と第１のダイオード１３５は基板端子ＳＵＢと端子Ｓ１との間に接続されている。第２のトランジスタ１３４と第２のダイオード１３６は基板端子ＳＵＢと端子Ｓ２との間に接続されている。第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４それぞれのドレイン端子Ｄ１１及びドレイン端子Ｄ１２は基板端子ＳＵＢに接続されている。また、第１のトランジスタ１３３のゲート端子Ｇ１１は第３のゲート制御回路１０８に接続されている。第２のトランジスタ１３４のゲート端子Ｇ１２は第４のゲート制御回路１０９に接続されている。また、第１のトランジスタ１３３のソース端子Ｓ１１は端子Ｓ１に接続されている。第２のトランジスタ１３４のソース端子Ｓ１２は端子Ｓ２に接続されている。第１のトランジスタ１３３のソース端子Ｓ１１と第１のダイオード１３５のアノードとが接続されている。第１のトランジスタ１３３のドレイン端子Ｄ１１と第１のダイオード１３５のカソードが接続されている。また、第２のトランジスタ１３４のソース端子Ｓ１２と第２のダイオード１３６のアノードが接続されている。第２のトランジスタ１３４のドレイン端子Ｄ１２と第２のダイオード１３６のカソードが接続されている。
　なお、第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４がそれぞれボディダイオードを内蔵している場合は第１のダイオード１３５及び第２のダイオード１３６を別途設ける必要はない。
　以下に、図４中の基板電位安定化部２０３の動作について説明する。端子Ｓ２の電位が端子Ｓ１より高い場合について説明する。
　半導体素子１０１がオフした場合、端子Ｓ２の電位が大きくなるため、基板端子ＳＵＢからみた端子Ｓ２の電位は大きくなる。端子Ｓ２と基板端子ＳＵＢの電位差が第２のダイオード１３６の順方向立ち上がり電圧以上になると第２のダイオード１３６がオンして基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ２より順方向立ち上がり電圧分だけ低い電圧に固定される。さらに、第２のトランジスタ１３４がオンすることで基板端子ＳＵＢと端子Ｓ２を短絡することができるため、基板端子ＳＵＢと端子Ｓ２はほぼ等しい電圧に固定される。
　一方、半導体素子１０１がオンした場合、端子Ｓ２の電位が端子Ｓ１の電位に近づいていくため、基板端子ＳＵＢからみた端子Ｓ２の電位は小さくなり、基板端子ＳＵＢと端子Ｓ２との間の寄生容量に放電電流が流れる。このとき基板端子ＳＵＢの電位は低下していき、端子Ｓ１の電位より第１のダイオード１３５の順方向立ち上がり電圧の分低くなった場合は第１のダイオード１３５がオンして基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１と順方向立ち上がり電圧分だけ低い電圧に固定される。さらに、第１のトランジスタ１３３はオンすることで基板端子ＳＵＢと端子Ｓ１を短絡することができるため、基板端子ＳＵＢと端子Ｓ１はほぼ等しい電圧に固定される。
　（タイミングチャート）
　図５は、双方向スイッチ１００の動作例におけるタイミングチャートを示す図である。
図５において、信号Ｖｓ２ｓ１は、端子Ｓ１に対する端子Ｓ２の電位を示す。つまり、端子Ｓ１から見た端子Ｓ２の電位をＶｓ２ｓ１と表記している。信号Ｖ１０６（Ｇ１）は、第１のゲート制御回路１０６から端子Ｇ１への信号である。信号Ｖ１０７（Ｇ２）は、第２のゲート制御回路１０７から端子Ｇ２への信号である。信号Ｖ１０８（Ｇ１１）は、第３のゲート制御回路１０８からゲート端子Ｇ１１及びへの信号である。信号Ｖ１０９（Ｇ１２）は、第４のゲート制御回路１０９からのゲート端子Ｇ１２への信号である。及びなお、図５におけるそれぞれのタイミングチャートについて、段差は所定の時刻における信号電圧の変化を表す。なお、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４は、例えば、時刻０（秒）からみてそれぞれ約２０μ秒、約３０μ秒、約７０μ秒、約８０μ秒である。図５において、破線は同時刻を表す。
　図５では、始めの時刻ｔ２まで端子Ｓ２の電位は端子Ｓ１の電位より高い状態を示している。少なくとも第１のゲート制御回路１０６が端子Ｇ１をオンする時刻ｔ２より前に第３のゲート制御回路１０８及び第４のゲート制御回路１０９がそれぞれ第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４をオンしており、高速に基板端子ＳＵＢの電位を安定化することができる。
　具体的に、端子Ｓ２の電位が端子Ｓ１より高い場合について説明する。時刻ｔ１に第２のゲート制御回路１０７からゲートをオンする信号Ｖ１０７が出力される。時刻ｔ１から時刻ｔ２の間に、第３のゲート制御回路１０８及び第４のゲート制御回路１０９がそれぞれオンの信号Ｖ１０８、Ｖ１０９を出力する。時刻ｔ２で第１のゲート制御回路１０６からゲートをオンする信号Ｖ１０６が出力され、半導体素子１０１がオンすると、端子Ｓ２の電位は基板端子ＳＵＢの電位に近づいていく。このとき裏面電極１５３と第１のオーミック電極１１６Ａの間にある寄生容量が放電する。この電流は第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４それぞれのドレイン端子からソース端子に流れて短絡状態となる。よって、端子Ｓ２と基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１の電位とほぼ等しくなり、基板端子ＳＵＢの電位を安定化させることができる。端子Ｓ１の電位が端子Ｓ２の電位より高い場合も同様に、基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１の電位に追従して端子Ｓ２の電位に等しくなる。
　時刻ｔ３で第１のゲート制御回路１０６からオフの信号が出力され、時刻ｔ４で第２のゲート制御回路１０７からオフの信号が出力されると、半導体素子１０１がオフする。このとき、基板端子からみた端子Ｓ２の電位は大きくなり、第２のダイオード１３６に電流が流れる。図５では、半導体素子１０１がオフするときに第３のゲート制御回路１０８及び第４のゲート制御回路１０９がそれぞれオフの信号を出しているが、オンの信号を出していてもよい。その場合は、第２のダイオード１３６だけでなく第２のトランジスタ１３４のソース端子からドレイン端子に電流が流れる。この電流は、裏面電極１５３と第１のオーミック電極１１６Ａの間にある寄生容量を充電する。よって、基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ２とほぼ同じ電位で推移する。
　図５に示したように、半導体素子１０１がオンしている状態において第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４の両方が導通状態になっている。
　なお時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４の値については一例であり、これらの値に限定されない。
　以上説明してきたように第２の実施形態における双方向スイッチ１００は、第１のスイッチ素子１３１が第１のトランジスタ１３３で構成され、かつ第２のスイッチ素子１３２が第２のトランジスタ１３４で構成され、第１のトランジスタ１３３は、第３のオーミック電極１１６Ｃと、第４のオーミック電極１１６Ｄと、第３のオーミック電極１１６Ｃと第４のオーミック電極１１６Ｄとの間に形成された第３のゲート電極１１８Ｃとを有し、第２のトランジスタ１３４は、第５のオーミック電極１１６Ｅと、第６のオーミック電極１１６Ｆと、第５のオーミック電極１１６Ｅと第６のオーミック電極１１６Ｆとの間に形成された第４のゲート電極１１８Ｄとを有し、第３のオーミック電極１１６Ｃと第１のオーミック電極１１６Ａとが接続され、第４のオーミック電極１１６Ｄと裏面電極１５３とが接続され、第５のオーミック電極１１６Ｅと第２のオーミック電極１１６Ｂとが接続され、第６のオーミック電極１１６Ｆと裏面電極１５３とが接続されていてもよい。
　これによれば、裏面電極１５３の電位が第１のオーミック電極１１６Ａあるいは第２のオーミック電極１１６Ｂより低い場合に、第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４をオンさせて基板電位を持ち上げて安定化することができる。
　ここで、第１のトランジスタ１３３において、第３のオーミック電極１１６Ｃは、ソース電極（ソース端子Ｓ１１相当）であり、第４のオーミック電極１１６Ｄは、ドレイン電極（ドレイン端子Ｄ１１相当）であり、第２のトランジスタ１３４において、第５のオーミック電極１１６Ｅは、ソース電極（ソース端子Ｓ１２相当）であり、第６のオーミック電極１１６Ｆは、ドレイン電極（ドレイン端子Ｄ１２相当）であってもよい。
　これによれば、第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４にボディダイオードが形成されている場合、裏面電極１５３がカソード側になるため、裏面電極１５３の電位が第１のオーミック電極１１６Ａあるいは第２のオーミック電極１１６Ｂより低い場合にダイオードが導通状態となり、基板電位をダイオードの順方向電圧の分だけ低い電位にまで持ち上げて安定化することができる。
　ここで、第１のオーミック電極１１６Ａの電位より第２のオーミック電極１１６Ｂの電位が高い場合において、第１のゲート電極１１８Ａよりも先に第３のゲート電極１１８Ｃにオン電圧を印加し、第２のオーミック電極１１６Ｂの電位より第１のオーミック電極１１６Ａの電位が高い場合において、第２のゲート電極１１８Ｂよりも先に第４のゲート電極１１８Ｄにオン電圧を印加してもよい。言い換えれば、端子Ｓ１の電位より端子Ｓ２の電位が高い場合において、端子Ｇ１よりも先にゲート端子Ｇ１１にオン電圧を印加し、端子Ｓ２の電位より端子Ｓ１の電位が高い場合において、端子Ｇ２よりも先にゲート端子Ｇ１２にオン電圧を印加してもよい。
　これによれば、半導体素子１０１がオンする前に裏面電極１５３が第１のオーミック電極１１６Ａと第２のオーミック電極１１６Ｂの電位の低い方と導通させておくことができるため、基板の電位変動を正方向にも負方向にも抑制することができるため安定した動作をする双方向スイッチ１００を実現することができる。
　（第３の実施形態）
　次に、第３の実施形態にかかる双方向スイッチについて図面を参照して説明する。
　（双方向スイッチの回路構成例）
　図６は本実施形態の双方向スイッチ１００の回路構成例、負荷１０５及び電源１０４を示す図である。同図の双方向スイッチ１００は、図３と比べて、基板電位安定化部１０３の代わりに基板電位安定化部３０３を備える点が異なっている。以下異なる点を中心に説明する。
　図６中の基板電位安定化部３０３は、第１のトランジスタ１３３と第２のトランジスタ１３４と第１のダイオード１３５と第２のダイオード１３６とで構成されている。図６のように、第１のトランジスタ１３３のゲート端子Ｇ１１とソース端子Ｓ１１とは短絡されて端子Ｓ１と接続されている。第２のトランジスタ１３４のゲート端子Ｇ１２とソース端子Ｓ１２とは短絡されて端子Ｓ２と接続されている。また、第１のトランジスタ１３３のドレイン端子Ｄ１１と第２のトランジスタ１３４のドレイン端子Ｄ１２とは互いに接続され、かつ基板端子ＳＵＢに接続されている。また、第１のトランジスタ１３３のソース端子Ｓ１１は端子Ｓ１に接続されている。第２のトランジスタ１３４のソース端子Ｓ１２は端子Ｓ２に接続されている。第１のトランジスタ１３３のソース端子Ｓ１１と第１のダイオード１３５のアノードが接続され、第１のトランジスタ１３３のドレイン端子Ｄ１１と第１のダイオード１３５のカソードが接続されている。また、第２のトランジスタ１３４のソース端子Ｓ１２と第２のダイオード１３６のアノードが接続されている。第２のトランジスタ１３４のドレイン端子Ｄ１２と第２のダイオード１３６のカソードが接続されている。
　（第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４の断面構成）
　図７及び図８はそれぞれ第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４の構成例を示す断面図である。第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４は図２に示した半導体素子１０１と同様、同一の基板１１１上に形成されている。図２と実質的に同一の部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
　図７では、窒化物半導体層１１３の上には、互いに間隔をおいて第３のオーミック電極１１６Ｃと第４のオーミック電極１１６Ｄとが形成されている。第３のオーミック電極１１６Ｃの上には電極配線１５１Ｃが形成されている。第３のオーミック電極１１６Ｃと第３のゲート電極１１８Ｃと端子Ｓ１とは電極配線１５１Ｃによって電気的に接続されている。第３のゲート電極１１８Ｃの下部には第３のｐ型半導体層１１９Ｃが形成されている。第３のｐ型半導体層１１９Ｃには第２の半導体層１１５の２ＤＥＧ層を空乏化する程度のＭｇがドープされている。第４のオーミック電極１１６Ｄの上には電極配線１５１Ｄが形成されており、第４のオーミック電極１１６Ｄと基板端子ＳＵＢは電気的に接続されている。
　端子Ｓ１に基板端子ＳＵＢの電位よりも第３のゲート電極１１８Ｃの閾値電圧以上の電圧が印加されると、第３のｐ型半導体層１１９Ｃ下部に２ＤＥＧ層が発生し、第３のオーミック電極１１６Ｃから第４のオーミック電極１１６Ｄに電流が流れる。この電流の流れる向きは第１のダイオード１３５の順方向電流と同じ向きであり、第１のトランジスタ１３３はダイオードとして機能することができる。
　図８に示す第２のトランジスタ１３４も、図７に示す第１のトランジスタ１３３とほぼ同じ構成である。図８の第２のトランジスタ１３４についても同様に、端子Ｓ２に基板端子ＳＵＢの電位よりも第４のゲート電極１１８Ｄの閾値電圧以上の電圧が印加されると、第４のｐ型半導体層１１９Ｄ下部に２ＤＥＧ層が発生し、第５のオーミック電極１１６Ｅから第６のオーミック電極１１６Ｆに電流が流れる。この電流の流れる向きは第２のダイオード１３６の順方向電流と同じ向きであり、第２のトランジスタ１３４はダイオードとして機能することができる。
　以上説明してきたように第３の実施形態における双方向スイッチ１００は、半導体素子１０１と、基板電位安定化部３０３とを備える。
　半導体素子１０１は、基板１１１と、基板１１１の上に形成された半導体積層体と、半導体積層体の上に間隔をおいて形成された第１のオーミック電極１１６Ａ及び第２のオーミック電極１１６Ｂと、第１のオーミック電極１１６Ａと第２のオーミック電極１１６Ｂとの間に第１のオーミック電極１１６Ａ側から順に形成された第１のゲート電極１１８Ａ及び第２のゲート電極１１８Ｂと、基板１１１の半導体積層体と反対側の面に形成された裏面電極１５３とを有する。
　基板電位安定化部３０３は、第１のオーミック電極１１６Ａと裏面電極１５３とを接続する第１のトランジスタ１３３と、第２のオーミック電極１１６Ｂと裏面電極１５３とを接続する第２のトランジスタ１３４とを有する。
　第１のトランジスタ１３３は、第１のソース電極（ソース端子Ｓ１１相当）及び第１のドレイン電極（ドレイン端子Ｄ１１相当）と、第１のソース電極と第１のドレイン電極１との間に形成された第３のゲート電極１１８Ｃ（ゲート端子Ｇ１１相当）とを有する。
　第２のトランジスタ１３４は、第２のソース電極（ソース端子Ｓ１２相当）及び第２のドレイン電極（ドレイン端子Ｄ１２相当）と、第２のソース電極と第２のドレイン電極との間に形成された第４のゲート電極１１８Ｄ（ゲート端子Ｇ１２相当）とを有する。
　第１のソース電極（ソース端子Ｓ１１相当）が第１のオーミック電極１１６Ａと接続され、第１のドレイン電極（ドレイン端子Ｄ１１相当）が裏面電極１５３と接続され、第２のドレイン電極（ドレイン端子Ｄ１２相当）が裏面電極１５３と接続され、かつ第２のソース電極（ソース端子Ｓ１２相当）が第２のオーミック電極１１６Ｂと接続される。
　基板電位安定化部３０３は、半導体積層体と第３のゲート電極１１８Ｃ及び第４のゲート電極１１８Ｄとの間にそれぞれ形成されたｐ型半導体層１１９Ｃ、１１９Ｄを有する。
　第３のゲート電極１１８Ｃ（ゲート端子Ｇ１１相当）は、第１のソース電極（ソース端子Ｓ１１相当）と接続される。第４のゲート電極１１８Ｄ（ゲート端子Ｇ１２相当）は、第２のソース電極（ソース端子Ｓ１２相当）と接続される。
　この構成によれば、第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４を、カソードが裏面電極１５３と接続されたダイオードとみなすことができ、裏面電極１５３の電位が第１のオーミック電極１１６Ａあるいは第２のオーミック電極１１６Ｂより低い場合にダイオードが導通状態となり、基板電位をダイオードの順方向電圧の分だけ低い電位まで持ち上げて安定化することができる。
　また、半導体素子１０１と同一の基板１１１上に第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４をそれぞれダイオードとして形成できるため、半導体素子１０１と基板電位安定化部３０３との間のインダクタンスを低減することができ、基板電位安定化部３０３を高速動作することができる。また、上記のように第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４をダイオードとして機能させると、同一の基板１１１上にニッケル（Ｎｉ）などを用いてショットキーダイオードを形成するよりも逆方向リーク電流が小さく、低損失にできる。
　（第４の実施形態）
　次に、第４の実施形態にかかる双方向スイッチについて、図面を参照して説明する。
　（双方向スイッチの回路構成）
　図９は本実施形態の双方向スイッチ１００の回路構成例、負荷１０５及び電源１０４を示す図である。同図の双方向スイッチ１００は、図６と比べて、基板電位安定化部３０３の代わりに基板電位安定化部４０３を備える点が異なっている。以下異なる点を中心に説明する。
　図９に示すように基板電位安定化部４０３は、第１のトランジスタ１３３と第２のトランジスタ１３４と第１のダイオード１３５と第２のダイオード１３６とで構成されている。図９のように、第１のトランジスタ１３３のゲート端子Ｇ１１は端子Ｇ１と接続されている。第２のトランジスタ１３４のゲート端子Ｇ１２は端子Ｇ２と接続されている。また、第１のトランジスタ１３３のドレイン端子Ｄ１１と第２のドレイン端子Ｄ１２とは互いに接続され、かつ基板端子ＳＵＢに接続されている。第１のトランジスタ１３３のソース端子Ｓ１１と第１のダイオード１３５のアノードとが接続されている。第１のトランジスタ１３３のドレイン端子Ｄ１１と第１のダイオード１３５のカソードとが接続されている。また、第２のトランジスタ１３４のソース端子Ｓ１２と第２のダイオード１３６のアノードとが接続されている。第２のトランジスタ１３４のドレイン端子Ｄ１２と第２のダイオード１３６のカソードとが接続されている。
　このような構成とすることで、半導体素子１０１の端子Ｇ１及び端子Ｇ２がオンするときに第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４をオン状態にすることができるため、図４と比べて、第３のゲート制御回路１０８及び第４のゲート制御回路１０９を削減してコストを低減できる。
　端子Ｓ２の電位が端子Ｓ１より高い場合、第２の実施形態と同様に半導体素子１０１のゲートがオンしたときに基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ２の電位とほぼ等しくなる。端子Ｓ１の電位が端子Ｓ２より高い場合、半導体素子１０１のゲートがオンしたときに基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１の電位とほぼ等しくなる。よって、基板電位を安定化することができる。
　（半導体素子１０１をマルチフィンガー型とした場合の平面構成）
　半導体素子１０１は、電流容量を増大させるためにマルチフィンガー型とすることが一般的である。図１０Ａ及び図１０Ｂは、本実施形態の双方向スイッチ中の、マルチフィンガー型の半導体素子１０１及び基板電位安定化部４０３の配線レイアウトを示す平面図である。図１０Ａは、図１０Ｂに示すＳ１電極パッド１６１Ａ、Ｇ１電極パッド１６２Ａ、Ｓ２電極パッド１６１Ｂ、Ｇ２電極パッド１６２Ｂ及び基板電極パッド１６３を設ける前の平面図である。また、図１０Ｂは、Ｓ１電極パッド１６１Ａ、Ｇ１電極パッド１６２Ａ、Ｓ２電極パッド１６１Ｂ、Ｇ２電極パッド１６２Ｂ及び基板電極パッド１６３を設けた後の平面図である。
　図１０Ａのデュアルゲートトランジスタ２０１は、半導体素子１０１に対応する。補助トランジスタユニット２０２は、基板電位安定化部４０３内の第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４に対応する。補助ダイオードユニット２０４は、基板電位安定化部４０３内の第１のダイオード１３５及び第２のダイオード１３６に対応する。　　　　
　図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように窒化物半導体層１１３は、活性領域１７０と活性領域１７０を囲む不活性領域１７１とを有している。不活性領域１７１は、鉄（Ｆｅ）が拡散した領域であり、活性領域よりも高抵抗化された領域である。Ｆｅの拡散は、イオン注入などにより行えばよい。
　活性領域１７０には、複数のフィンガーを有する第１のオーミック電極１１６Ａ及び第２のオーミック電極１１６Ｂが形成されている。第１のオーミック電極１１６Ａのフィンガーと第２のオーミック電極１１６Ｂのフィンガーとは、互いに平行に且つ交互に形成されている。第１のオーミック電極１１６Ａのフィンガーと第２のオーミック電極１１６Ｂのフィンガーとの間の領域には、第１のゲート電極１１８Ａのフィンガー及び第２のゲート電極１１８Ｂのフィンガーがそれぞれ形成されている。
　これにより、それぞれが第１のオーミック電極１１６Ａのフィンガー、第１のゲート電極１１８Ａのフィンガー、第２のゲート電極１１８Ｂ及び第２のオーミック電極１１６Ｂを有する複数のデュアルゲートトランジスタ２０１が形成されている。
　デュアルゲートトランジスタ２０１は交互に反転して配置されている。このため、隣接するデュアルゲートトランジスタ２０１は、第１のオーミック電極１１６Ａのフィンガー又は第２のオーミック電極１１６Ｂのフィンガーを共有している。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいては図示を省略しているが、第１のゲート電極１１８Ａのフィンガー及び第２のゲート電極１１８Ｂのフィンガーは、それぞれ第１のｐ型半導体層１１９Ａ及び第２のｐ型半導体層１１９Ｂの上に形成されており、各々のデュアルゲートトランジスタ２０１の断面構成は図２と同じになる。
　また、活性領域１７０には、第１のトランジスタ１３３の第３のオーミック電極１１６Ｃ及び第４のオーミック電極１１６Ｄと、第２のトランジスタ１３４の第５のオーミック電極１１６Ｅ及び第６のオーミック電極１１６Ｆとが形成されている。
　第３のオーミック電極１１６Ｃのフィンガーと第４のオーミック電極１１６Ｄとは互いに平行に形成されている。第３のオーミック電極１１６Ｃのフィンガーと第４のオーミック電極１１６Ｄのフィンガーとの間の領域には、第３のゲート電極１１８Ｃのフィンガーが形成されている。
　第５のオーミック電極１１６Ｅのフィンガーと第６のオーミック電極１１６Ｆとは互いに平行に形成されている。第５のオーミック電極１１６Ｅのフィンガーと第６のオーミック電極１１６Ｆのフィンガーとの間の領域には、第４のゲート電極１１８Ｄのフィンガーが形成されている。
　第３のオーミック電極１１６Ｃは電極配線１５１Ｃを介してＳ１電極パッド１６１Ａと接続されている。第４のオーミック電極１１６Ｄ及び第６のオーミック電極１１６Ｆはそれぞれ電極配線１５１Ｄを介して基板電極パッド１６３に接続されている。第５のオーミック電極１１６Ｅは電極配線１５１Ｅを介してＳ２電極パッド１６１Ｂに接続されている。
　第３のゲート電極１１８Ｃは第１のゲート電極１１８Ａと第１のゲート配線１８１を介して接続されている。また、第４のゲート電極１１８Ｄは第２のゲート電極１１８Ｂと第２のゲート配線１８２を介して接続されている。第１のゲート電極１１８Ａ、第２のゲート電極１１８Ｂ、第３のゲート電極１１８Ｃ、第４のゲート電極１１８Ｄは同一電極材料で接続されていてもよいし、メッキ配線などで接続されていてもよい。
　これにより、第３のオーミック電極１１６Ｃ、第４のオーミック電極１１６Ｄ、第５のオーミック電極１１６Ｅ、第６のオーミック電極１１６Ｆ、第３のゲート電極１１８Ｃ、第４のゲート電極１１８Ｄを有する補助トランジスタユニット２０２が形成されている。　　　
　なお、補助トランジスタユニット２０２を構成する各トランジスタをマルチフィンガー型としてもよい。
　なお、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいては図示を省略しているが、第３のゲート電極１１８Ｃのフィンガー及び第４のゲート電極１１８Ｄのフィンガーは、それぞれ第３のｐ型半導体層１１９Ｃ及び第４のｐ型半導体層１１９Ｄの上に形成されている。
　また、活性領域１７０には、第７のオーミック電極１１６Ｇ及び第８のオーミック電極１１６Ｈ、第５のゲート電極１１８Ｅ、第６のゲート電極１１８Ｆが形成されている。第５のゲート電極１１８Ｅは第７のオーミック電極１１６Ｇを囲むように形成されている。第５のゲート電極１１８Ｅは第７のオーミック電極１１６ＧとＳ１電極パッド１６１Ａそれぞれと電極配線１５１Ｅによって接続されている。
　これにより、カソードを第４のオーミック電極１１６Ｄとする第１のダイオード１３５が形成されている。
　第６のゲート電極１１８Ｆは第８のオーミック電極１１６Ｈを囲むように形成されている。第６のゲート電極１１８Ｆは第８のオーミック電極１１６ＨとＳ２電極パッド１６１Ｂとそれぞれ電極配線１５１Ｆによって接続されている。
　これにより、カソードを第６のオーミック電極１１６Ｆとする第２のダイオード１３６が形成されている。
　第１のダイオード１３５及び第２のダイオード１３６より補助ダイオードユニット２０４が形成されている。本実施例では補助トランジスタユニット３０２と補助ダイオードユニット２０４とで第４のオーミック電極１１６Ｄ及び第６のオーミック電極１１６Ｆを共用することにより省スペースを実現している。
　以上説明してきたように第４の実施形態における双方向スイッチ１００は、第１のトランジスタ１３３において、第３のゲート電極１１８Ｃは、第１のゲート電極１１８Ａと接続され、第２のトランジスタ１３４において、第４のゲート電極１１８Ｄは、第２のゲート電極１１８Ｂと接続されてもよい。
　これによれば、半導体素子１０１の第１のゲート電極１１８Ａにオン電圧が印加されているときに第１のトランジスタ１３３がオンになり、半導体素子１０１の第２のゲート電極１１８Ｂにオン電圧が印加されているときに第２のトランジスタ１３４がオンになる。これにより、裏面電極１５３の電位が第１のオーミック電極１１６Ａまたは第２のオーミック電極１１６Ｂより低い場合に第１のトランジスタまたは第２のトランジスタを通じて基板電位を持ち上げて安定化することができる。
　なお、補助ダイオードユニット２０４を構成する各ダイオードをマルチフィンガー型としてもよい。
　なお、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいては図示を省略しているが、第５のゲート電極１１８Ｅのフィンガー及び第６のゲート電極１１８Ｆのフィンガーは、それぞれ第５のｐ型半導体層１１９Ｅ及び第４のｐ型半導体層１１９Ｆの上に形成されている。
　また、基板電極パッド１６３はワイヤなどにより裏面電極１５３と電気的に接続されている。パッケージに収納する際は、裏面電極１５３と接続されたダイパッド上に、基板電極パッド１６３と接続されたワイヤを打つことで電気的に接続すればよい。
　これにより、補助トランジスタユニット２０２及び補助ダイオードユニット２０４から構成される基板電位安定化部４０３が形成されている。
　（第５の実施形態）
　次に、第５の実施形態にかかる双方向スイッチについて図面を参照して説明する。ただし図３と実質的に同一の部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
　（双方向スイッチの回路構成）
　図１１は本実施形態の双方向スイッチ１００の回路構成例、負荷１０５及び電源１０４を示す図である。同図は図３と比べて基板電位安定化部１０３の代わりに基板電位安定化部５０３を備える点が異なっている。以下、異なる点を中心に説明する。
　図１１に示すように基板電位安定化部５０３は、第１のトランジスタ１３３と第２のトランジスタ１３４と第１のダイオード１３５と第２のダイオード１３６と第３のゲート制御回路１０８と第４のゲート制御回路１０９とで構成されている。
　第１のトランジスタ１３３と第１のダイオード１３５は基板端子ＳＵＢと端子Ｓ１との間に接続されている。第２のトランジスタと第２のダイオードは基板端子ＳＵＢと端子Ｓ２との間に接続されている。第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４はそれぞれソース端子Ｓ１１、ソース端子Ｓ１２が基板端子ＳＵＢに接続されている。また、第１のトランジスタ１３３のソース端子Ｓ１１は端子Ｓ１に接続されている。第２のトランジスタ１３４のソース端子Ｓ１２は端子Ｓ２に接続されている。第１のトランジスタ１３３のソース端子Ｓ１１と第１のダイオード１３５のアノードとが接続されている。第１のトランジスタ１３３のドレイン端子Ｄ１１と第１のダイオード１３５のカソードとが接続されている。また、第２のトランジスタ１３４のソース端子Ｓ１２と第２のダイオード１３６のアノードとが接続されている。第２のトランジスタ１３４のドレイン端子Ｄ１２と第２のダイオード１３６のカソードとが接続されている。
　なお、第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４がそれぞれボディダイオードを内蔵している場合は第１のダイオード１３５及び第２のダイオード１３６を別途設けなくてもよい。
　以下に、図１１に示す基板電位安定化部５０３の動作について説明する。端子Ｓ２の電位が端子Ｓ１より高い場合について説明する。各ゲートのタイミングチャートは実施例２のように、図５と同じであるものとする。具体的に、端子Ｓ２の電位が端子Ｓ１より高い場合について説明する。半導体素子１０１がオフした場合、基板端子ＳＵＢからみた端子Ｓ２の電位は大きくなる。裏面電極１５３と第２のオーミック電極１１６Ｂとの間の寄生容量に充電電流が流れ、また、第２のトランジスタ１３４はオンしているためドレイン端子からソース端子に電流が流れる。これら電流は、裏面電極１５３と第１のオーミック電極１１６Ａの間にある寄生容量を充電するが、ほとんどはオン状態の第１のトランジスタ１３３及び第１のダイオード１３５を流れるため、基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１とほぼ同じ電位となる。第１のトランジスタ１３３がオフした後も、第１のダイオード１３５があるため、基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１の電位より第１のダイオード１３５の順方向電圧分だけ高い電位で安定することができる。また、半導体素子１０１がオンした場合、端子Ｓ２の電位は基板端子ＳＵＢの電位に近づいていく。基板端子ＳＵＢの電位は、オン状態の第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４によって端子Ｓ２と端子Ｓ１と短絡状態にあるため、基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１とほぼ同じ電位となり安定することができる。端子Ｓ１の電位が端子Ｓ２の電位より高い場合は、基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ２の電位に追従する。
　（タイミングチャート）
　次に、基板電位安定化部５０３の動作について説明する。図１２Ａは、双方向スイッチ１００の動作例におけるタイミングチャートを示す図である。図１２Ａにおいて、信号Ｖｓ１ｓ２は、端子Ｓ２に対する端子Ｓ１の電位を示す。他の信号等は図５と同様である。
　図１２Ａのように半導体素子１０１がオフの状態で端子Ｓ１の電位が端子Ｓ２より高い場合について説明する。なお、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４は、例えば、時刻０（秒）からみてそれぞれ約２０μ秒、約３０μ秒、約７０μ秒、約８０μ秒である。
　時刻ｔ１において、第２のゲート制御回路１０７より先に第１のゲート制御回路１０６が半導体素子１０１のゲートをオンするための信号Ｖ１０６を出力する。このとき、端子Ｇ２はオフしているため半導体素子１０１はオフ状態である。また、時刻ｔ１において第４のゲート制御回路１０９が信号Ｖ１０９のオン電圧を印加する。基板端子ＳＵＢと端子Ｓ２とが第２のトランジスタ１３４を介して導通するため、基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ２の電位とほぼ等しくなる。時刻ｔ２において、第２のゲート制御回路１０７からゲートをオンする信号Ｖ１０７を出力することで半導体素子１０１がターンオンする。基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ２の電位とほぼ等しいままである。よって、基板電位が不安定にならないようにできる。
　次に、時刻ｔ３において、第２のゲート制御回路１０７がオフにする信号Ｖ１０７を出力すると半導体素子１０１はターンオフする。第２のトランジスタ１３４が導通しているため基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ２とほぼ等しい。時刻ｔ４において第１のゲート制御回路１０６及び第４のゲート制御回路１０９それぞれからオフにする信号Ｖ１０６及びＶ１０９を出力する。以上より、基板端子ＳＵＢの電位は安定化される。また、半導体素子１０１がターンオン及びターンオフするときに、基板端子ＳＵＢと端子Ｓ２は短絡状態にあるため、スイッチング速度を決める端子Ｇ１と端子Ｇ２との間の容量は、基板端子ＳＵＢが端子Ｓ２と短絡状態にない場合に比べて小さい。その結果、スイッチング損失を低減する効果を期待できる。
　次に、図１２Ｂのように半導体素子１０１がオフの状態では端子Ｓ２の電位が端子Ｓ１より高い場合について説明する。図１２Ｂは、双方向スイッチ１００の動作例におけるタイミングチャートを示す図である。
　時刻ｔ１において、第１のゲート制御回路１０６より先に第２のゲート制御回路１０７が信号Ｖ１０７のオン電圧を印加する。端子Ｇ１はオフしているため半導体素子１０１はオフ状態である。また、時刻ｔ１において、第３のゲート制御回路１０８が信号Ｖ１０８のオン電圧を印加する。これにより基板端子ＳＵＢと端子Ｓ１とが第１のトランジスタ１３３を介して導通するため、基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１とほぼ等しく安定する。時刻ｔ２において、第１のゲート制御回路１０６が信号Ｖ１０６をオン電圧にすることで半導体素子１０１がターンオンする。このとき基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１の電位とほぼ等しいままである。時刻ｔ３において、第１のゲート制御回路１０６が信号Ｖ１０６をオフ電圧にすると半導体素子１０１はターンオフする。このときも第１のトランジスタ１３３が導通しているため基板端子ＳＵＢの電位は端子Ｓ１とほぼ等しい。時刻ｔ４において、第２のゲート制御回路１０７と第３のゲート制御回路１０８とが信号Ｖ１０７及びＶ１０８をオフ電圧にする。これにより半導体素子１０１はターンオフする。
　以上より、基板端子ＳＵＢの電位は安定化される。また、半導体素子１０１がターンオン及びターンオフするときに、基板端子ＳＵＢと端子Ｓ１は短絡状態にあるため、スイッチング速度を決める端子Ｇ１と端子Ｇ２との間の容量は、基板端子ＳＵＢが端子Ｓ１と短絡状態にない場合に比べて小さい。その結果、スイッチング損失を低減する効果を期待できる。
　なお時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４の値については一例であり、これらの値に限定されない。
　（双方向スイッチの平面構成）
　図１３Ａ及び図１３Ｂは、本実施形態の双方向スイッチ中の、半導体素子１０１及び基板電位安定化部５０３の配線レイアウトを示す平面図である。図１３Ａは、図１３Ｂに示すＳ１電極パッド１６１Ａ、Ｇ１電極パッド１６２Ａ、Ｓ２電極パッド１６１Ｂ、Ｇ２電極パッド１６２Ｂ及び基板電極パッド１６３を設ける前の平面図である。また、図１３Ｂは、Ｓ１電極パッド１６１Ａ、Ｇ１電極パッド１６２Ａ、Ｓ２電極パッド１６１Ｂ、Ｇ２電極パッド１６２Ｂ及び基板電極パッド１６３を設けた後の平面図である。
　図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように基板電位安定化部５０３は、図１０Ａ及び図１０Ｂと比べて、補助トランジスタユニット２０２及び補助ダイオードユニット２０４の代わりに、補助トランジスタユニット５０２及び補助ダイオードユニット５０４を備える点が異なっている。以下、異なる点を中心に説明する。補助トランジスタユニット５０２は、基板電位安定化部５０３内の第１のトランジスタ１３３及び第２のトランジスタ１３４に対応する。補助ダイオードユニット５０４は、基板電位安定化部５０３内の第１のダイオード１３５及び第２のダイオード１３６に対応する。
　補助トランジスタユニット５０２は、第３のオーミック電極１１６Ｃ及び第４のオーミック電極１１６Ｄ及び第５のオーミック電極１１６Ｅ及び第６のオーミック電極１１６Ｆが形成されている。第３のオーミック電極１１６Ｃのフィンガーと第４のオーミック電極１１６Ｄとは互いに平行に形成されている。第３のオーミック電極１１６Ｃのフィンガーと第４のオーミック電極１１６Ｄのフィンガーとの間の領域には、第３のゲート電極１１８Ｃのフィンガーが形成されている。第５のオーミック電極１１６Ｅのフィンガーと第６のオーミック電極１１６Ｆとは互いに平行に形成されている。第５のオーミック電極１１６Ｅのフィンガーと第６のオーミック電極１１６Ｆのフィンガーとの間の領域には、第４のゲート電極１１８Ｄのフィンガーが形成されている。第３のオーミック電極１１６Ｃは電極配線１５１Ｃを介して基板電極パッド１６３と接続されている。第４のオーミック電極１１６Ｄは電極配線１５１Ｄを介してＳ１電極パッド１６１Ａに接続されている。第５のオーミック電極１１６Ｅは電極配線１５１Ｃを介して基板電極パッド１６３と接続されている。第３のゲート電極１１８ＣはＧ３電極パッド１６２Ｃと接続されている。Ｇ３電極パッド１６２Ｃは、図１１のゲート端子Ｇ１１に対応する。第４のゲート電極１１８ＤはＧ４電極パッド１６２Ｄと接続されている。Ｇ４電極パット１６２Ｄは、図１１のゲート端子Ｇ１２に対応する。
　補助ダイオードユニット５０４は、第７のオーミック電極１１６Ｇ、第８のオーミック電極１１６Ｈ、第５のゲート電極１１８Ｅ及び第６のゲート電極１１８Ｆが形成されている。第５のゲート電極１１８Ｅは第７のオーミック電極１１６Ｇを囲むように形成されている。第５のゲート電極１１８Ｅは第７のオーミック電極１１６Ｇと電極配線１５１Ｅによって接続されている。これにより、カソードを第４のオーミック電極１１６Ｄとする第１のダイオード１３５が形成されている。第６のゲート電極１１８Ｆは第８のオーミック電極１１６Ｈを囲むように形成されている。第６のゲート電極１１８Ｆは第８のオーミック電極１１６Ｈと電極配線１５１Ｆによって接続されている。これにより、カソードを第６のオーミック電極１１６Ｆとする第２のダイオード１３６が形成されている。これより、補助トランジスタユニット５０２及び補助ダイオードユニット５０４を備える基板電位安定化部５０３が形成されている。
　本実施形態においては、半導体素子１０１をゲート電極がｐ型半導体層の上に形成されたノーマリオフ型のデュアルゲートの半導体素子とした。しかし、ゲートリセスを形成したり、第２の半導体層の膜厚を薄くすることによりノーマリオフ特性を実現してもよい。
　以上説明してきたように第５の実施形態における双方向スイッチ１００は、第１のトランジスタ１３３において、第３のオーミック電極１１６Ｃは、ドレイン電極（ドレイン端子Ｄ１１相当）であり、第４のオーミック電極１１６Ｄは、ソース電極（ソース端子Ｓ１１相当）であり、第２のトランジスタ１３４において、第５のオーミック電極１１６Ｅは、ドレイン電極（ドレイン端子Ｄ１２相当）であり、第６のオーミック電極１１６Ｆは、ソース電極（ソース端子Ｓ１２相当）である。
　これによれば、裏面電極１５３を、第１のオーミック電極１１６Ａと第２のオーミック電極１１６Ｂの電位の低い方と導通させておくことができる、基板電位を安定化することができる。
　本開示の双方向スイッチ１００は、ワイドバンドギャップ半導体を基板上に形成した場合においても安定に動作し、特に基板の上に形成された窒化物半導体からなる双方向スイッチ等として有用である。
　本開示の双方向スイッチは、双方向スイッチの動作を安定にさせることができ、例えば、マトリックスコンバータのメインスイッチ及び半導体リレーのメインスイッチ等の動作の安定化につながり大変有用である。
　１００　　双方向スイッチ
　１０１　　半導体素子
　１０２　　制御部
　１０３、２０３、３０３、４０３、５０３　　基板電位安定化部
　１０４　　電源
　１０５　　負荷
　１０６　　第１のゲート制御回路
　１０７　　第２のゲート制御回路
　１０８　　第３のゲート制御回路
　１０９　　第４のゲート制御回路
　１１１　　基板
　１１２　　バッファ層
　１１３　　窒化物半導体層
　１１４　　第１の半導体層
　１１５　　第２の半導体層
　１１６Ａ　　第１のオーミック電極
　１１６Ｂ　　第２のオーミック電極
　１１６Ｃ　　第３のオーミック電極
　１１６Ｄ　　第４のオーミック電極
　１１６Ｅ　　第５のオーミック電極
　１１６Ｆ　　第６のオーミック電極
　１１６Ｇ　　第７のオーミック電極
　１１６Ｈ　　第８のオーミック電極
　１１８Ａ　　第１のゲート電極
　１１８Ｂ　　第２のゲート電極
　１１８Ｃ　　第３のゲート電極
　１１８Ｄ　　第４のゲート電極
　１１８Ｅ　　第５のゲート電極
　１１８Ｆ　　第６のゲート電極
　１１９Ａ　　第１のｐ型半導体層
　１１９Ｂ　　第２のｐ型半導体層
　１２１　　第１の電源
　１２２　　第２の電源
　１３１　　第１のスイッチ素子
　１３２　　第２のスイッチ素子
　１３３　　第１のトランジスタ
　１３４　　第２のトランジスタ
　１３５　　第１のダイオード
　１３６　　第２のダイオード
　１５１Ａ　　Ｓ１電極配線
　１５１Ｂ　　Ｓ２電極配線
　１５１Ｃ、１５１Ｄ、１５１Ｅ、１５１Ｆ　　電極配線
　１５３　　裏面電極
　１６１Ａ　　Ｓ１電極パッド
　１６１Ｂ　　Ｓ２電極パッド
　１６２Ａ　　Ｇ１電極パッド
　１６２Ｂ　　Ｇ２電極パッド
　１６２Ｃ　　Ｇ３電極パッド
　１６２Ｄ　　Ｇ４電極パッド
　１６３　　基板電極パッド
　１７０　　活性領域
　１７１　　不活性領域
　１８１　　第１のゲート配線
　１８２　　第２のゲート配線
　２０１　　デュアルゲートトランジスタ
　２０２、３０２、５０２　　補助トランジスタユニット
　２０４、５０４　　補助ダイオードユニット
　Ｓ１、Ｓ２、Ｇ１、Ｇ２　　端子
　ＳＵＢ　　基板端子
　Ｓ１１、Ｓ１２　　ソース端子
　Ｄ１１、Ｄ１２　　ドレイン端子
　Ｇ１１、Ｇ１２　　ゲート端子
　Ｄ１　　第１のダイオード
　Ｄ２　　第２のダイオード
　Ｖ１０６、Ｖ１０７、Ｖ１０８、Ｖ１０９　　信号

Claims (12)

  1. 　半導体素子と、基板電位安定化部と、を備え、
    　前記半導体素子は、
    　基板と、
    　前記基板の上に形成された半導体積層体と、
    　前記半導体積層体の上に間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、
    　前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に、前記第１のオーミック電極側から順に形成された第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、
    　前記基板の前記半導体積層体と反対側の面に形成された裏面電極と、を有し、
    　前記基板電位安定化部は、
    　前記第１のオーミック電極と前記裏面電極とを接続する第１のスイッチ素子と、
    　前記第２のオーミック電極と前記裏面電極とを接続する第２のスイッチ素子とを有しており、
    　前記半導体素子がオンしている状態において前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子の両方が導通状態になる、
    　双方向スイッチ。
  2. 　前記第１のスイッチ素子が第１のトランジスタで構成され、かつ前記第２のスイッチ素子が第２のトランジスタで構成され、
    　前記第１のトランジスタは、第３のオーミック電極と、第４のオーミック電極と、前記第３のオーミック電極と前記第４のオーミック電極との間に形成された第３のゲート電極とを有し、
    　前記第２のトランジスタは、第５のオーミック電極と、第６のオーミック電極と、前記第５のオーミック電極と前記第６のオーミック電極との間に形成された第４のゲート電極とを有し、
    　前記第３のオーミック電極と前記第１のオーミック電極とが接続され、
    　前記第４のオーミック電極と前記裏面電極とが接続され、
    　前記第５のオーミック電極と前記第２のオーミック電極とが接続され、
    　前記第６のオーミック電極と前記裏面電極とが接続されている、
    　請求項１に記載の双方向スイッチ。
  3. 　前記第１のトランジスタにおいて、前記第３のオーミック電極は、ソース電極であり、前記第４のオーミック電極は、ドレイン電極であり、
    　前記第２のトランジスタにおいて、前記第５のオーミック電極は、ソース電極であり、前記第６のオーミック電極は、ドレイン電極である、
    　請求項２に記載の双方向スイッチ。
  4. 　前記第１のトランジスタにおいて、前記第３のゲート電極は、前記第１のゲート電極と接続され、
    　前記第２のトランジスタにおいて、前記第４のゲート電極は、前記第２のゲート電極と接続されている、
    　請求項３に記載の双方向スイッチ。
  5. 　前記第１のトランジスタにおいて、前記第３のオーミック電極は、ドレイン電極であり、前記第４のオーミック電極は、ソース電極であり、
    　前記第２のトランジスタにおいて、前記第５のオーミック電極は、ドレイン電極であり、前記第６のオーミック電極は、ソース電極である、
    　請求項２に記載の双方向スイッチ。
  6. 　前記第１のオーミック電極の電位より前記第２のオーミック電極の電位が高い場合において、前記第１のゲート電極よりも先に前記第３のゲート電極にオン電圧を印加し、
    　前記第２のオーミック電極の電位より前記第１のオーミック電極の電位が高い場合において、前記第２のゲート電極よりも先に前記第４のゲート電極にオン電圧を印加する、
    　請求項２、３または５に記載の双方向スイッチ。
  7. 　前記半導体積層体、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子が窒化物半導体を含む、
    　請求項１～６のいずれか１項に記載の双方向スイッチ。
  8. 　半導体素子と、基板電位安定化部と、を備え、
    　前記半導体素子は、
    　基板と、
    　前記基板の上に形成された半導体積層体と、
    　前記半導体積層体の上に間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、
    　前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に前記第１のオーミック電極側から順に形成された第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、前記基板の前記半導体積層体と反対側の面に形成された裏面電極と、を有し、
    　前記基板電位安定化部は、前記第１のオーミック電極と前記裏面電極とを接続する第１のダイオードと、前記第２のオーミック電極と前記裏面電極とを接続する第２のダイオードとを有し、
    　前記第１のダイオードのカソードは、前記裏面電極と接続され、前記第１のダイオードのアノードは、前記第１のオーミック電極と接続されており、
    　前記第２のダイオードのカソードは、前記裏面電極と接続され、前記第２のダイオードのアノードは、前記第２のオーミック電極と接続されている、
    　双方向スイッチ。
  9. 　前記半導体積層体、前記第１のダイオード及び前記第２のダイオードが窒化物半導体を含む、
    　請求項８に記載の双方向スイッチ。
  10. 　半導体素子と、基板電位安定化部と、を備え、
    　前記半導体素子は、
    　基板と、
    　前記基板の上に形成された半導体積層体と、
    　前記半導体積層体の上に間隔をおいて形成された第１のオーミック電極及び第２のオーミック電極と、
    　前記第１のオーミック電極と前記第２のオーミック電極との間に第１のオーミック電極側から順に形成された第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、
    　前記基板の前記半導体積層体と反対側の面に形成された裏面電極とを有し、
    　前記基板電位安定化部は、前記第１のオーミック電極と前記裏面電極とを接続する第１のトランジスタと、前記第２のオーミック電極と前記裏面電極とを接続する第２のトランジスタとを有しており、
    　前記第１のトランジスタは、第１のソース電極及び第１のドレイン電極と、前記第１のソース電極と前記第１のドレイン電極との間に形成された第３のゲート電極とを有し、
    　前記第２のトランジスタは、第２のソース電極及び第２のドレイン電極と、前記第２のソース電極と前記第２のドレイン電極との間に形成された第４のゲート電極とを有し、
    　前記第１のソース電極が前記第１のオーミック電極と接続され、前記第１のドレイン電極が前記裏面電極と接続され、前記第２のドレイン電極が前記裏面電極と接続され、かつ前記第２のソース電極が前記第２のオーミック電極と接続され、
    　前記基板電位安定化部は、前記半導体積層体と前記第３のゲート電極及び前記第４のゲート電極との間にそれぞれ形成されたｐ型半導体層を有し、
    　前記第３のゲート電極は、前記第１のソース電極と接続され、
    　前記第４のゲート電極は、前記第２のソース電極と接続されている、
    　双方向スイッチ。
  11. 　前記第１のオーミック電極の電位より前記第２のオーミック電極の電位が高い場合において、前記第１のゲート電極よりも先に前記第３のゲート電極にオン電圧を印加し、
    　前記第２のオーミック電極の電位より前記第１のオーミック電極の電位が高い場合において、前記第２のゲート電極よりも先に前記第４のゲート電極にオン電圧を印加する、
    　請求項１０に記載の双方向スイッチ。
  12. 　前記半導体積層体、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタが窒化物半導体を含む、
    　請求項１０又は１１に記載の双方向スイッチ。
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