專利名稱：電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力變換裝置，特別涉及使用了氮化物半導(dǎo)體的電力變換裝置。
背景技術(shù)：
以地球變暖問題為背景，期待著電子設(shè)備的進(jìn)一步節(jié)能化，并追求著提高眾多處理電力的電源電路或逆變器(inverter)電路等電力變換裝置的電力變換效率。決定電力變換裝置的電力變換效率的最大要因在于，進(jìn)行電力變換時(shí)所使用的IGBTdnsulated Gate Bipolar Transistor)或者 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等功率半導(dǎo)體元件中的損耗。只要降低功率半導(dǎo)體元件中的損耗，就能夠大幅地提高電力變換裝置的電力變換效率。對(duì)于在功率半導(dǎo)體元件中所產(chǎn)生的損耗而言，有在元件中通過電流從而產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗、和元件在進(jìn)行開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的開關(guān)損耗。如果使用導(dǎo)通電阻更小的元件則能夠降低導(dǎo)通損耗，如果使用更高速進(jìn)行開關(guān)的元件則能夠降低開關(guān)損耗。為此，進(jìn)行著功率半導(dǎo)體元件的高速開關(guān)化和低導(dǎo)通電阻化。然而，因?yàn)楝F(xiàn)有的功率半導(dǎo)體元件是以硅(Si)作為材料制作出的，達(dá)到了 Si的材料界限，因此難以進(jìn)一步降低導(dǎo)通阻抗以及提高開關(guān)速度。為了打破Si的材料界限來降低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，正在研究利用以氮化鎵(GaN)為代表的氮化物類半導(dǎo)體或碳化硅 (SiC)等所謂的寬帶隙半導(dǎo)體元件。寬帶隙半導(dǎo)體元件的絕緣擊穿電場比Si高出約一個(gè)量級(jí)，特別是在氮化鋁鎵和氮化鎵之間的異質(zhì)結(jié)合界面由于自發(fā)極化和壓電極化從而產(chǎn)生電荷。由此，即便未摻雜時(shí)，也會(huì)形成lX1013cm_2以上的表面載流子濃度和1000cm2V/sec 以上的高移動(dòng)度的二維電子氣(2DEG)層。因此，期待著AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)合場效應(yīng)晶體管 (以下，記為GaN晶體管)被作為實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻和高耐壓的功率開關(guān)晶體管。GaN晶體管的潛在特性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的Si設(shè)備。但是，在GaN晶體管中存在開關(guān)時(shí)的導(dǎo)通電阻增加的電流崩塌這種的特有現(xiàn)象。由于電流崩塌使得導(dǎo)通電阻升高，因此為了進(jìn)一步提高電力變換裝置的電力變換效率，減少電流崩塌是很重要的。為了減少電流崩塌，正在研究在導(dǎo)電性基板之上形成GaN晶體管并利用來自背面的場板(field plate)效應(yīng)的方法(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。具體而言，在由SiC組成的 η+型導(dǎo)電性基板上形成GaN晶體管，使源極電極成為貫通半導(dǎo)體層的貫通電極，連接源極電極和導(dǎo)電性基板。由此，使源極電極與導(dǎo)電性基板為相同電位，可以使導(dǎo)電性基板作為自背面起的場板發(fā)揮作用，期待可緩解電流崩塌?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 JP特開2008-258419號(hào)公報(bào)但是，本申請(qǐng)發(fā)明者發(fā)現(xiàn)即便在現(xiàn)有的使源極電極與導(dǎo)電性基板同電位的GaN 晶體管中，電流崩塌的緩解也并不充分。即便使源極電極與導(dǎo)電性基板同電位，也無法有效地利用GaN晶體管本身具有的低導(dǎo)通電阻，也沒有充分降低電力變換裝置的損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于能夠?qū)崿F(xiàn)一種緩解電流崩塌，并利用了 GaN晶體管本身具有的低導(dǎo)通電阻的高效率的電力變換裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的電力變換裝置構(gòu)成為使用具有背面電極的GaN晶體管，在GaN晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下使背面電極與漏極電極之間的電位差變小且在 GaN晶體管導(dǎo)通的情況下對(duì)背面電極施加正電壓的偏置。具體而言，例示的電力變換裝置具備輸入端子，其連接電源；第1開關(guān)元件，其切換由電源提供的電力；和輸出端子，其輸出由第1開關(guān)元件切換的電力第1開關(guān)元件具備 半導(dǎo)體層疊層體，由在基板上形成的氮化物半導(dǎo)體組成；柵極電極，在半導(dǎo)體層疊層體上形成；第1歐姆電極及第2歐姆電極，分別形成在柵極電極的兩側(cè)；和背面電極，在基板的與半導(dǎo)體層疊層體相反一側(cè)的面上形成，在第1開關(guān)元件處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下，第2歐姆電極與背面電極之間的電位差小于第2歐姆電極與第1歐姆電極之間的電位差，在第1開關(guān)元件導(dǎo)通的情況下，對(duì)背面電極施加正電壓的偏置，背面電極的電位由電源提供。例示的電力變換裝置在第1開關(guān)元件處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下不可能在基板與第2 歐姆電極附近的溝道區(qū)之間施加高電場。因此，不產(chǎn)生基于轟擊離子化的電子，能夠減少被半導(dǎo)體層疊層體捕獲的電子，緩和電流崩塌。此外，在第1開關(guān)元件導(dǎo)通的情況下，對(duì)背面電極施加正電壓的偏置。因此，能夠迅速地放出被陷阱能級(jí)捕獲的電子，能夠進(jìn)一步緩和電流崩塌。其結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)利用了 GaN晶體管本來具有的低導(dǎo)通電阻的高效率的電力變換裝置。此外，由于背面電極的電位由連接于輸入端子的電源提供，因此不需要另行設(shè)置用于提供電位的外部電源等的部件。因此，能夠減小電力變換裝置的尺寸。在例示的電力變換裝置中，只要構(gòu)成為第1開關(guān)元件導(dǎo)通的情況下的背面電極的電位與第1開關(guān)元件截止?fàn)顟B(tài)下的背面電極的電位相等即可。例示的電力變換裝置可以構(gòu)成為還具備電感元件，在第1開關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)蓄積能量；和二極管，與電感元件串聯(lián)連接，電力變換裝置作為將施加于輸入端子的電壓變換為不同的電壓之后從輸出端子輸出的DC-DC變換器發(fā)揮功能。在例示的電力變換裝置中，電感元件連接在輸入端子與第2歐姆電極之間，二極管連接在電感元件與第2歐姆電極的連接節(jié)點(diǎn)和輸出端子之間，電力變換裝置作為使施加于輸入端子的電壓升壓之后從輸出端子輸出的升壓型DC-DC變換器發(fā)揮功能。在這種情況下，背面電極既可以與輸出端子連接，也可以與輸入端子連接。在例示的電力變換裝置中，可以構(gòu)成為還具備在第1開關(guān)元件與接地之間連接的第2開關(guān)元件，作為第1半橋電路發(fā)揮功能。在這種情況下，可以構(gòu)成為第2開關(guān)元件具有與第1開關(guān)元件相同的構(gòu)造，第1 開關(guān)元件的背面電極及第2開關(guān)元件的背面電極分別與輸入端子連接。例示的電力變換裝置可以構(gòu)成為還具備與第1半橋電路并聯(lián)連接的第2半橋電路及第3半橋電路，作為驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器發(fā)揮功能。在例示的電力變換裝置中，第2半橋電路包括第3開關(guān)元件及第4開關(guān)元件，第3 半橋電路包括第5開關(guān)元件及第6開關(guān)元件，第2開關(guān)元件、第3開關(guān)元件、第4開關(guān)元件、 第5開關(guān)元件及第6開關(guān)元件各自具有與第1開關(guān)元件相同的構(gòu)造，第1開關(guān)元件、第2開關(guān)元件、第3開關(guān)元件、第4開關(guān)元件、第5開關(guān)元件及第6開關(guān)元件的背面電極分別與輸入端子連接。在例示的電力變換裝置中，可以構(gòu)成為第2半橋電路包括第3開關(guān)元件及第4開關(guān)元件，第3半橋電路包括第5開關(guān)元件及第6開關(guān)元件，半導(dǎo)體層疊層體具有非活性區(qū)域、和各自被非活性區(qū)域包圍且配置成2行3列的矩陣狀的活性區(qū)域，第1開關(guān)元件、第2 開關(guān)元件、第3開關(guān)元件、第4開關(guān)元件、第5開關(guān)元件及第6開關(guān)元件分別形成在不同的活性區(qū)域，第1開關(guān)元件、第3開關(guān)元件及第5開關(guān)元件的第2歐姆電極一體地形成，第2 開關(guān)元件、第4開關(guān)元件及第6開關(guān)元件的第1歐姆電極一體地形成，第1開關(guān)元件的第1 歐姆電極與第2開關(guān)元件的第2歐姆電極一體地形成，第3開關(guān)元件的第1歐姆電極與第4 開關(guān)元件的第2歐姆電極一體地形成，第5開關(guān)元件的第1歐姆電極與第6開關(guān)元件的第 2歐姆電極一體地形成。通過采用這種結(jié)構(gòu)，能夠使逆變器單片化。由此，一根布線就可完成對(duì)背面電極的電位供給，能夠簡化布線構(gòu)造。此外，由于共用各開關(guān)元件的電極，因此降低了占有面積。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明公開的電力變換裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)緩和電流崩塌、利用了 GaN晶體管本來具有的低導(dǎo)通電阻的高效率電力變換裝置。


圖1是表示一個(gè)實(shí)施方式所涉及的電力變換裝置中使用的GaN晶體管的剖視圖。圖2是表示一個(gè)實(shí)施方式所涉及的電力變換裝置的電路圖。圖3是表示一個(gè)實(shí)施方式的變形例所涉及的電力變換裝置的電路圖。圖4是表示在一個(gè)實(shí)施方式的變形例所涉及的電力變換裝置中使用的單片逆變器的俯視圖。圖5是放大表示圖4所示的單片逆變器的主要部分的俯視圖。圖6是圖5的VI-VI線處的剖視圖。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的公開中，AlGaN是表示3元混晶AlxGai_xN(其中，0彡χ彡1)。多元混晶簡記為各自的構(gòu)成元素記號(hào)的排列例如AlInN、GaInN等。例如、氮化物半導(dǎo)體 AlxGa1^InyN(其中，0彡χ彡1、0彡y彡1、x+y彡1)簡記為AlGalnN。此外，未摻雜是指未有意導(dǎo)入雜質(zhì)，P+是指含有高濃度的P型載流子。參照

一個(gè)實(shí)施方式。圖1是表示一個(gè)實(shí)施方式所涉及的電力變換器中使用的GaN晶體管10的剖面結(jié)構(gòu)。在圖1中，一并記載了用于使GaN晶體管10進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作的外圍電路即電源、負(fù)載及柵極信號(hào)源。如圖1所示，在由硅(Si)組成的導(dǎo)電性的基板11上隔著由氮化鋁(AlN)組成的厚度為IOOnm的緩沖層12形成半導(dǎo)體層疊層體13。半導(dǎo)體層疊層體13在第1氮化物半導(dǎo)體層14上層疊帶隙大于第1氮化物半導(dǎo)體層14的第2氮化物半導(dǎo)體層15。第1氮化物半導(dǎo)體層14例如選擇厚度為2 μ m左右的未摻雜GaN層即可。第2氮化物半導(dǎo)體層15例如選擇厚度為20nm左右的未摻雜AlGaN層即可。在第1氮化物半導(dǎo)體層14中的與第2氮化物半導(dǎo)體層15的異質(zhì)界面附近，由于自發(fā)極化及壓電極化而產(chǎn)生電荷。由此，生成表面載流子濃度為lX1013cm_2以上且移動(dòng)度為1000cm2V/sec以上的二維電子氣(2DEG)層也就是溝道區(qū)。在半導(dǎo)體層疊層體13上隔著ρ型半導(dǎo)體層19形成柵極電極18。柵極電極18分別層疊鈀(Pd)和金(Au)，與ρ型半導(dǎo)體層19進(jìn)行歐姆接觸。在半導(dǎo)體層疊層體13上的柵極電極18的兩側(cè)，分別形成作為源極電極的第1歐姆電極16和作為漏極電極的第2歐姆電極17。第1歐姆電極16及第2歐姆電極17層疊了鈦(Ti)和鋁(Al)，與溝道區(qū)進(jìn)行歐姆接觸。在圖1中例示了如下的例子，即為了降低接觸電阻，除去第2氮化物半導(dǎo)體層15 的一部分并且將第1氮化物半導(dǎo)體層14挖低了 40nm左右，按照第1歐姆電極16及第2歐姆電極17在第2氮化物半導(dǎo)體層15和第1氮化物半導(dǎo)體層14的界面相接的方式形成。ρ型半導(dǎo)體層19的厚度為300nm，由摻雜了鎂(Mg)的ρ型GaN組成。由ρ型半導(dǎo)體層19、和第2氮化物半導(dǎo)體層15形成PN結(jié)。由此，即便在施加于柵極電極18的電壓為 OV的情況下，在第2氮化物半導(dǎo)體層15及第1氮化物半導(dǎo)體層14中耗盡層從ρ型半導(dǎo)體層19在基板11側(cè)且向第2歐姆電極17側(cè)展寬。因此，由于在溝道區(qū)中流過的電流被切斷，所以可以進(jìn)行正常截止動(dòng)作。P型半導(dǎo)體層19也可以采用AlGaN層。在不需要使其進(jìn)行正常截止(normally-off)動(dòng)作的情況下也可以不設(shè)置ρ型半導(dǎo)體層19。不設(shè)置ρ型半導(dǎo)體層19而是通過調(diào)整第2氮化物半導(dǎo)體層15的膜厚或者形成柵極凹槽(gate recess) 也可以實(shí)現(xiàn)正常截止化。按照GaN晶體管10可承受施加于GaN晶體管10的最大電壓的方式，來設(shè)計(jì)P型半導(dǎo)體層19與第2歐姆電極17之間的距離。在基板11的與半導(dǎo)體層疊層體13相反一側(cè)的面(背面)處形成用于從外部向基板提供電位的背面電極20。背面電極20中從基板11側(cè)起依次層疊了鉻(Cr)和鎳(Ni)。 背面電極20形成為獨(dú)立的電極，不與第1歐姆電極16及第2歐姆電極17通過貫通電極等進(jìn)行連接。因此，背面電極20的電位能夠設(shè)定為與第1歐姆電極16及第2歐姆電極17不同的任意電位。在GaN晶體管中發(fā)生電流崩塌(current collapse)的原因之一在于，在由AlGaN 組成的第2氮化物半導(dǎo)體層或由GaN組成的第1氮化物半導(dǎo)體層中電子被捕獲(trap)。作為在AlGaN層或GaN層中電子被捕獲的原因，是由于產(chǎn)生了基于轟擊離子(impact ion)化的電子。在GaN晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下，漏極電極為高電位。另一方面，基板的電位一般情況下為接地電位或浮置電位。將源極電極作為貫通電極等，即便在基板與源極電極連接的情況下，由于與源極電極同電位，因此基板的電位低于漏極電極。為此，在漏極電極附近的溝道區(qū)與基板之間被施加高電場，產(chǎn)生基于轟擊離子化的電子。所產(chǎn)生的電子在半導(dǎo)體層疊層體中的陷阱能級(jí)(trap level)被捕獲。若在GaN晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下在半導(dǎo)體層疊層體中電子被捕獲，在使GaN晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，在半導(dǎo)體層疊層體中形成耗盡層進(jìn)而漏極電流變窄。因此，發(fā)生導(dǎo)通電阻增加的電流崩塌。然而，由于本實(shí)施方式的GaN晶體管10具有背面電極20且背面電極20與第1歐姆電極16及第2歐姆電極17相互獨(dú)立，因此能夠自由設(shè)定背面電極20的電位。因此，能夠緩和背面電極20與第2歐姆電極17之間的電場強(qiáng)度。例如，在連接于第1歐姆電極16 的S端子與連接于第2歐姆電極17的D端子之間，串聯(lián)連接供電的直流電源22和負(fù)載21。 直流電源22設(shè)置成負(fù)極與S端子連接。用于驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電極18的柵極信號(hào)源23連接于S端子與柵極電極18所連接的G端子之間。連接于背面電極20的SUB端子與直流電源22的正極連接。如果進(jìn)行這種連接，則在GaN晶體管10處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下，D端子的電位也就是第2歐姆電極17的電位與直流電源22的正極的電位相同。另一方面，由于背面電極 20的電位也是由直流電源22提供，因此SUB端子的電位也就是背面電極20的電位也與直流電源22的正極電位相同。由此，在第2歐姆電極17附近的溝道區(qū)與基板11之間不會(huì)產(chǎn)生高電場。因此，不會(huì)產(chǎn)生基于轟擊離子化的電子，半導(dǎo)體層疊層體13中的電子被捕獲得到很大抑制，能夠減少發(fā)生電流崩塌。另一方面，即便在GaN晶體管10處于導(dǎo)通的情況下， SUB端子的電位也就是背面電極20的電位也與直流電源22的正極電位相同，保持了與截止?fàn)顟B(tài)時(shí)相同的恒定電位。為了緩和電流崩塌，只要能夠在GaN晶體管10處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下，使第2歐姆電極17的電位與背面電極20的電位之差小于第2歐姆電極17的電位與第1歐姆電極 16的電位之差即可。因此，例如在第2歐姆電極17的電位高于第1歐姆電極16的電位的情況下，只要向背面電極20提供超過第1歐姆電極16的電位即可。由此，能夠緩和第2歐姆電極17附近的溝道區(qū)與基板11之間的電場，能夠抑制產(chǎn)生基于轟擊離子化的電子。因此，能夠減少被半導(dǎo)體層疊層體13的陷阱能級(jí)捕獲的電子，能夠緩和電流崩塌。另一方面，在GaN晶體管10導(dǎo)通的情況下，通過對(duì)背面電極20施加正電壓的偏置，能夠容易放出在半導(dǎo)體層疊層體13中被捕獲的電子，能夠進(jìn)一步緩和電流崩塌。此外， 在GaN晶體管10處于導(dǎo)通時(shí)，在背面電極20被偏置在正電壓的情況下，由于背面電極20 作為背柵(back gate)發(fā)揮功能，因此還可獲得進(jìn)一步開通溝道降低導(dǎo)通電阻的這種效果。在使背面電極20與第2歐姆電極17連接時(shí)，在GaN晶體管10處于導(dǎo)通的情況下， 背面電極20的電位為GaN晶體管10的導(dǎo)通電壓。因此，在GaN晶體管10導(dǎo)通的情況下， 無法將背面電極20偏置在正電壓。然而，在本實(shí)施方式的電力變換裝置中，背面電極20與第2歐姆電極17相互獨(dú)立，并且SUB端子連接于直流電源22的正極，而不是連接于D端子。 因此，不僅在GaN晶體管10處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下，能夠使背面電極20的電位高于第2歐姆電極16的電位，而且在GaN晶體管10導(dǎo)通的情況下也能夠?qū)Ρ趁骐姌O20施加正電壓的偏置。因而，能夠使減少電流崩塌的效果更大化。其中，只要在GaN晶體管10處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下，使第2歐姆電極17與背面電極20之間的電位差低于第2歐姆電極17與第1 歐姆電極16之間的電位差，并且在GaN晶體管10導(dǎo)通的情況下，能夠?qū)Ρ趁骐姌O20施加正電壓的偏置，則可以按照任意方式來連接SUB端子。以下，說明使用了本實(shí)施方式的GaN晶體管的電力變換裝置的具體例。圖2表示將本實(shí)施方式的GaN晶體管應(yīng)用于升壓型的直流-直流變換器(DC-DC變換器)時(shí)的電路結(jié)構(gòu)。如圖2所示，連接直流電源131，用于在作為電力變換裝置的DC-DC變換器25的第1 輸入端子Vinl與第2輸入端子Vin2之間供電。在電力變換裝置的第1輸出端子V。utl與第2 輸出端子V。ut2之間連接負(fù)載139。第2輸入端子Vin2與第2輸出端子V。ut2由地線連接。在第1輸入端子Vinl處串聯(lián)連接儲(chǔ)存能量的電感元件133和二極管135。二極管 135的陰極與第1輸出端子V。utl連接。在電感元件133與二極管135的陽極之間的連接節(jié)點(diǎn)處，連接作為開關(guān)元件的GaN晶體管10的D端子。GaN晶體管10的S端子與地線連接。 GaN晶體管10的SUB端子與第1輸出端子V。utl連接。在GaN晶體管10的G端子連接?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電路137。在第1輸入端子Vinl與地線之間連接第1電容器132，在第1輸出端子V。utl與地線之間連接第2電容器134。由于GaN晶體管10的SUB端子與第1輸出端子V。utl連接，因此GaN晶體管10的基板電極的電位被保持在作為漏極電極的第2歐姆電極的電位以上的電位。因此，在基板與第2歐姆電極附近的溝道區(qū)之間不會(huì)被施加高電場，能夠減少電流崩塌的發(fā)生。在圖2中，SUB端子不經(jīng)由電阻等地與第1輸出端子V。utl連接。但是，只要能夠?qū)?SUB端子的電位保持在D端子的電位以上，則也可以經(jīng)由電阻等進(jìn)行連接。此外，只要從直流電源131向SUB端子提供電位，則也可以將SUB端子與第1輸入端子Vinl連接，而不是與第1輸出端子V。utl連接。其中，即便在導(dǎo)通的情況下也要對(duì)SUB端子施加正電壓的偏置。 由于從連接于第1輸入端子Vinl的電源向SUB端子提供電位，因此不需要另行設(shè)置用于向 SUB端子提供電位的電源，從而不增加電力變換電路的尺寸，就能夠?qū)崿F(xiàn)電力變換電路的低損耗。盡管圖2中示出了升壓型的DC-DC變換器，但是即便在降壓型的DC-DC變換器的情況下，通過將SUB端子的電位保持在D端子的電位以上也可獲得同樣的效果。以下參照附圖對(duì)一個(gè)實(shí)施方式的變形例進(jìn)行說明。圖3是表示變形例所涉及的電力變換裝置的電路結(jié)構(gòu)。如圖3所示，變形例的電力變換裝置是將直流電變換為三相交流電的逆變器30。圖3表示作為一例由逆變器30驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)149的情況。在逆變器30 的第1輸入端子Vinl與第2輸入端子Vin2之間連接直流電源141。逆變器30的第1輸出端子V。utl、第2輸出端子V。ut2及第3輸出端子V。ut3分別與三相電動(dòng)機(jī)的U相、V相及W相連接。逆變器30具有驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)的U相的第1半橋電路30A、驅(qū)動(dòng)V相的第2半橋電路30B、驅(qū)動(dòng)W相的第3半橋電路30C。第1半橋電路30A具有作為U相高側(cè)開關(guān)的第1 開關(guān)元件IOA及作為U相低側(cè)開關(guān)的第2開關(guān)元件10B，第2半橋電路30B具有作為V相高側(cè)開關(guān)的第3開關(guān)元件IOC及作為V相低側(cè)開關(guān)的第4開關(guān)元件10D，第3半橋電路30C 具有作為W相高側(cè)開關(guān)的第5開關(guān)元件IOE及作為W相低側(cè)開關(guān)的第6開關(guān)元件10F。第1開關(guān)元件10A、第3開關(guān)元件IOC及第5開關(guān)元件IOE的D端子分別與第1輸入端子Vinl連接。第1開關(guān)元件10A、第3開關(guān)元件IOC及第5開關(guān)元件IOE的S端子分別與第2開關(guān)元件10B、第4開關(guān)元件IOD及第6開關(guān)元件IOF的D端子連接。第2開關(guān)元件 10B、第4開關(guān)元件IOD及第6開關(guān)元件IOF的S端子分別與第2輸入端子Vin2連接。第1 開關(guān)元件IOA的S端子與第2開關(guān)元件IOB的D端子之間的連接節(jié)點(diǎn)和第1輸出端子V。utl 連接，第3開關(guān)元件IOC的S端子與第4開關(guān)元件IOD的D端子之間的連接節(jié)點(diǎn)和第2輸出端子V。ut2連接，第5開關(guān)元件IOE的S端子與第6開關(guān)元件IOF的D端子之間的連接節(jié)點(diǎn)和第3輸出端子V。ut3連接。第1開關(guān)元件IOA 第6開關(guān)元件IOF的G端子及S端子分別經(jīng)由柵極驅(qū)動(dòng)電路151與電動(dòng)機(jī)制御部152連接。第1開關(guān)元件IOA 第6開關(guān)元件 IOF的SUB端子與第1輸入端子Vinl連接。由于各開關(guān)元件的SUB端子與第1輸入端子Vinl連接，因此各開關(guān)元件的SUB端子的電位與各開關(guān)元件的動(dòng)作狀態(tài)無關(guān)，等于直流電源141的正極電位。因此，在各開關(guān)元件處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下，在基板與處于第2歐姆電極附近的溝道區(qū)之間不會(huì)被施加高電場。因此，不會(huì)產(chǎn)生基于轟擊離子化的電子，能夠減少半導(dǎo)體層疊層體中的電子的陷阱。此夕卜，在各開關(guān)元件處于導(dǎo)通的情況下，由于對(duì)背面電極施加正電壓的偏置，因此能夠促進(jìn)被半導(dǎo)體層疊層體捕獲的電子的放出。因此，能夠緩和電流崩塌。此外，由于在導(dǎo)通的情況下使背面電極被偏置為正電壓，由此背面電極可作為背柵發(fā)揮功能，因此可獲得進(jìn)一步獲得打開溝道降低導(dǎo)通電阻的效果。通過構(gòu)成以上這種的逆變器30，能夠緩和以前GaN晶體管固有的課題即電流崩塌，能夠?qū)崿F(xiàn)更低損耗的電力變換裝置。如圖3所示，由于從連接于逆變器30的第1輸入端子Vinl的直流電源141提供GaN晶體管的SUB端子的電位，因此不需要外部電源的增加以及部件的增加，就可以實(shí)現(xiàn)逆變器30的低損耗。盡管在圖3中使SUB端子與Vinl直接連接，但也可以經(jīng)由電阻等進(jìn)行連接。只要能夠使各SUB端子的電位在所對(duì)應(yīng)的D端子的電位以上，可以以任意方式進(jìn)行連接。此外，不需要對(duì)所有的開關(guān)元件的SUB端子施加偏置電壓，可以僅僅針對(duì)對(duì)D端子施加了高電壓從而存在電流崩塌問題的開關(guān)元件的SUB端子施加偏置電壓。對(duì)于沒有電流崩塌問題的開關(guān)元件，可以采用未形成背面電極的晶體管。此夕卜，也可以與由MOS晶體管構(gòu)成的開關(guān)元件進(jìn)行組合。圖4表示在一個(gè)芯片上集成了本變形例所涉及的電力變換裝置的GaN單片逆變器的俯視結(jié)構(gòu)。圖5放大表示圖4所示的第1開關(guān)元件IOA的一部分。圖6是表示圖5的 VI-VI線處的剖視結(jié)構(gòu)。如圖4 圖6所示，在基板上形成的半導(dǎo)體層疊層體13中，形成有第1活性區(qū)域 13A、第2活性區(qū)域13B、第3活性區(qū)域13C、第4活性區(qū)域13D、第5活性區(qū)域13E及第6活性區(qū)域13F。第1活性區(qū)域13A 第6活性區(qū)域13F分別由高電阻的非活性區(qū)域13G包圍從而彼此分離。此外，第1活性區(qū)域13A 第6活性區(qū)域13F被配置成2行3列的矩陣狀。 在第1活性區(qū)域13A 第6活性區(qū)域13F中，分別形成第1開關(guān)元件IOA 第6開關(guān)元件 10F。在非活性區(qū)域13G中的、第1活性區(qū)域13A、第3活性區(qū)域13C及第5活性區(qū)域13E 的外側(cè)，形成有在行方向上延伸的電源線電極161。電源線電極161成為第1輸入端子Vinl， 與第1開關(guān)元件10A、第3開關(guān)元件IOC及第5開關(guān)元件IOE的第2歐姆電極17連接。在非活性區(qū)域13G中的、第2活性區(qū)域13B、第4活性區(qū)域13D及第6活性區(qū)域13F 的外側(cè)，形成有在行方向上延伸的地線電極162。地線電極162成為第2輸入端子Vin2，與第2開關(guān)元件10B、第4開關(guān)元件IOD及第6開關(guān)元件IOF的第1歐姆電極16連接。在非活性區(qū)域13G中的、第1活性區(qū)域13A與第2活性區(qū)域13B之間，形成有第1 輸出電極163。在非活性區(qū)域13G中的、第3活性區(qū)域13C與第4活性區(qū)域13D之間，形成有第2輸出電極164。在非活性區(qū)域13G中的、第5活性區(qū)域13E與第6活性區(qū)域13F之間，形成有第3輸出電極165。第1輸出電極163成為第1輸出端子V。utl，第1開關(guān)元件IOA 的第1歐姆電極16與第2開關(guān)元件IOB的第2歐姆電極17連接。第2輸出電極164成為第2輸出端子V。ut2，第3開關(guān)元件IOC的第1歐姆電極16與第4開關(guān)元件IOD的第2歐姆電極17連接。第3輸出電極165成為第3輸出端子V。ut3，第5開關(guān)元件IOE的第1歐姆電極16與第6開關(guān)元件IOF的第2歐姆電極17連接。各開關(guān)元件中的第1歐姆電極16及第2歐姆電極17各自具有多個(gè)第1歐姆指 171及多個(gè)第2歐姆指172。第1歐姆指171與第2歐姆指172彼此空出間隔交替形成。如圖6所示，在第1歐姆指171之上形成第1歐姆電極布線173，在第2歐姆指172上形成第 2歐姆電極布線174。在第1歐姆指171及第2歐姆指172之間隔著ρ型半導(dǎo)體層19分別形成作為柵極電極18的柵極指175。柵極指175與柵極電極布線176連接，柵極電極布線 176與柵極電極焊盤166連接。在半導(dǎo)體層疊層體13上形成由氮化硅組成的保護(hù)層177。其中，為了引線連接 (wire bonding)，在保護(hù)膜177中的各電極焊盤的上側(cè)部分形成開口部。在使各開關(guān)元件分別作為一個(gè)芯片的情況下，需要在每個(gè)芯片設(shè)置用于取出來自源極電極、柵極電極及漏極電極的電流的焊盤電極。因此，在由6個(gè)開關(guān)元件組成的逆變器的情況下，需要18個(gè)焊盤電極。為了引線連接，焊盤電極需要較大的面積，如果焊盤電極的數(shù)量增加，則芯片的占有面積將增大。但是，通過形成一個(gè)芯片，則能夠共享焊盤電極。在圖 4中，將各高側(cè)開關(guān)的漏極電極焊盤匯集至電源線電極，將各低側(cè)開關(guān)的源極電極焊盤匯集至地線電極。此外，將各相的高側(cè)開關(guān)的源極電極焊盤和低側(cè)開關(guān)的漏極電極焊盤匯集成輸出電極焊盤。因此，能夠?qū)⒑副P電極削減成11個(gè)，能夠降低芯片的占有面積。此外，由于背面電極也為一個(gè)，因此用于向背面電極提供電位的布線也削減為一個(gè)。為此，與背面電極在每個(gè)芯片分別獨(dú)立的情況相比，能夠簡化布線構(gòu)造，能夠?qū)崿F(xiàn)逆變器的小型化和低成本。電源線電極、地線電極、第1輸出電極、第2輸出電極及第3輸出電極由金等形成即可。此外，第1歐姆電極布線及第2歐姆電極布線也由金等形成即可。柵極電極布線由與柵極電極相同的材料形成即可。在一個(gè)實(shí)施方式及變形例中，示出了在基板中使用導(dǎo)電性的硅基板的例子。但是， 只要能夠生長氮化物半導(dǎo)體層則可以使用任意的基板，例如可以使用GaN基板或SiC基板寸。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明公開的電力變換裝置充分緩和了電流崩塌，利用GaN晶體管本身具有的低導(dǎo)通電阻，實(shí)現(xiàn)了低損耗且高效率的電力變換裝置，作為以逆變器及DC-DC變換器為首的電力變換裝置是有用的。符號(hào)說明10 GaN 晶體管IOA 第1開關(guān)元件IOB 第2開關(guān)元件IOC 第3開關(guān)元件IOD 第4開關(guān)元件IOE 第5開關(guān)元件IOF 第6開關(guān)元件11 基板12 緩沖層13 半導(dǎo)體層疊層體13A 第1活性區(qū)域13B 第2活性區(qū)域13C 第3活性區(qū)域13D 第4活性區(qū)域13E 第5活性區(qū)域
13F第6活性區(qū)域13G非活性區(qū)域14第1氮化物半導(dǎo)體層15第2氮化物半導(dǎo)體層16第1歐姆電極17第2歐姆電極18柵極電極19ρ型半導(dǎo)體層20背面電極21負(fù)載22直流電源23柵極信號(hào)源25DC-DC 變換器30逆變器30A第1半橋電路30B第2半橋電路30C第3半橋電路131直流電源132第1電容器133電感元件134第2電容器135二極管137柵極驅(qū)動(dòng)電路139負(fù)載141直流電源149三相電動(dòng)機(jī)151柵極驅(qū)動(dòng)電路
152電動(dòng)機(jī)制御部161電源線電極162地線電極163第1輸出電極164第2輸出電極165第3輸出電極166柵極電極焊盤171第1歐姆指172第2歐姆指173第1歐姆電極布線174第2歐姆電極布線175柵極指
12
176 柵極電極布線177 保護(hù)膜
權(quán)利要求
1.一種電力變換裝置，其具備 輸入端子，其連接電源；第1開關(guān)元件，其切換由所述電源提供的電力；和輸出端子，其輸出由所述第1開關(guān)元件切換的電力所述第1開關(guān)元件具備半導(dǎo)體層疊層體，由在基板上形成的氮化物半導(dǎo)體組成； 柵極電極，在所述半導(dǎo)體層疊層體上形成；第1歐姆電極及第2歐姆電極，分別形成在所述柵極電極的兩側(cè)；和背面電極，在所述基板的與所述半導(dǎo)體層疊層體相反一側(cè)的面上形成， 在所述第1開關(guān)元件處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下，所述第2歐姆電極與所述背面電極之間的電位差小于所述第2歐姆電極與所述第1歐姆電極之間的電位差，在所述第1開關(guān)元件導(dǎo)通的情況下，對(duì)所述背面電極施加正電壓的偏置， 所述背面電極的電位由所述電源提供。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其中，所述第1開關(guān)元件導(dǎo)通的情況下的所述背面電極的電位與所述第1開關(guān)元件處于截止?fàn)顟B(tài)的情況下的所述背面電極的電位相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其中， 所述電力變換裝置還具備電感元件，在所述第1開關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)蓄積能量；和二極管，與所述電感元件串聯(lián)連接，所述電力變換裝置作為將施加于所述輸入端子的電壓變換為不同的電壓之后從所述輸出端子輸出的DC-DC變換器發(fā)揮功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力變換裝置，其中，所述電感元件連接在所述輸入端子與所述第2歐姆電極之間，所述二極管連接在所述電感元件與所述第2歐姆電極的連接節(jié)點(diǎn)和所述輸出端子之間，所述電力變換裝置作為使施加于所述輸入端子的電壓升壓之后從所述輸出端子輸出的升壓型DC-DC變換器發(fā)揮功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力變換裝置，其中， 所述背面電極與所述輸出端子連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力變換裝置，其中， 所述背面電極與所述輸入端子連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其中，所述電力變換裝置還具備在所述第1開關(guān)元件與接地之間連接的第2開關(guān)元件，作為第1半橋電路發(fā)揮功能。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電力變換裝置，其中， 所述第2開關(guān)元件具有與所述第1開關(guān)元件相同的構(gòu)造，所述第1開關(guān)元件的背面電極及第2開關(guān)元件的背面電極分別與所述輸入端子連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電力變換裝置，其中，所述電力變換裝置還具備與所述第1半橋電路并聯(lián)連接的第2半橋電路及第3半橋電路，所述電力變換裝置作為驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器發(fā)揮功能。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電力變換裝置，其中， 所述第2半橋電路包括第3開關(guān)元件及第4開關(guān)元件， 所述第3半橋電路包括第5開關(guān)元件及第6開關(guān)元件，所述第2開關(guān)元件、第3開關(guān)元件、第4開關(guān)元件、第5開關(guān)元件及第6開關(guān)元件各自具有與所述第1開關(guān)元件相同的構(gòu)造，所述第1開關(guān)元件、第2開關(guān)元件、第3開關(guān)元件、第4開關(guān)元件、第5開關(guān)元件及第6 開關(guān)元件的背面電極分別與所述輸入端子連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電力變換裝置，其中， 所述第2半橋電路包括第3開關(guān)元件及第4開關(guān)元件， 所述第3半橋電路包括第5開關(guān)元件及第6開關(guān)元件，所述半導(dǎo)體層疊層體具有非活性區(qū)域、和各自被所述非活性區(qū)域包圍且配置成2行3 列的矩陣狀的活性區(qū)域，所述第1開關(guān)元件、第2開關(guān)元件、第3開關(guān)元件、第4開關(guān)元件、第5開關(guān)元件及第6 開關(guān)元件分別形成在不同的活性區(qū)域，所述第1開關(guān)元件、第3開關(guān)元件及第5開關(guān)元件的所述第2歐姆電極一體地形成， 所述第2開關(guān)元件、第4開關(guān)元件及第6開關(guān)元件的所述第1歐姆電極一體地形成， 所述第1開關(guān)元件的所述第1歐姆電極與所述第2開關(guān)元件的所述第2歐姆電極一體地形成，所述第3開關(guān)元件的所述第1歐姆電極與所述第4開關(guān)元件的所述第2歐姆電極一體地形成，所述第5開關(guān)元件的所述第1歐姆電極與所述第6開關(guān)元件的所述第2歐姆電極一體地形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電力變換裝置，其具備輸入端子(Vin1)，連接電源；和第1開關(guān)元件(10)，切換從電源提供的電力。第1開關(guān)元件(10)具備半導(dǎo)體層疊層體(13)，由在基板(11)上形成的氮化物半導(dǎo)體組成；柵極電極(18)、第1歐姆電極(16)及第2歐姆電極(17)，在半導(dǎo)體層疊層體(13)上形成；和背面電極(20)，在基板(11)的背面形成。按照與第2歐姆電極(17)之間的電位差變小的方式從連接于輸入端子(Vin1)的電源向背面電極(20)提供電位。在第1開關(guān)元件(10)處于導(dǎo)通狀態(tài)的情況下，對(duì)背面電極(20)施加正電壓的偏置。
文檔編號(hào)H01L27/088GK102460709SQ201080026948
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者森田竜夫 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社