半導体装置及びそれを備えた半導体リレー装置
【課題】半導体装置及び半導体リレー装置において、製造コストを抑えつつ、ＣＲ積の値を小さくする。
【解決手段】双方向スイッチ１を構成する２つのＭＯＳＦＥＴのうち、一方のＭＯＳＦＥＴ２に、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を用い、他方のＭＯＳＦＥＴ３に、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いる。ここで、ユニポーラ型化合物半導体装置の中には、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴよりもＣＲ積の値が小さいものが多く存在する。従って、一方のＭＯＳＦＥＴ２にユニポーラ型化合物半導体装置を用いたことにより、両方のＭＯＳＦＥＴ２、３にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、装置全体のＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。また、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴよりも製造コストの高いユニポーラ型化合物半導体装置を２つ用いた場合に比べて、製造コストを抑えられる。
【解決手段】双方向スイッチ１を構成する２つのＭＯＳＦＥＴのうち、一方のＭＯＳＦＥＴ２に、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を用い、他方のＭＯＳＦＥＴ３に、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いる。ここで、ユニポーラ型化合物半導体装置の中には、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴよりもＣＲ積の値が小さいものが多く存在する。従って、一方のＭＯＳＦＥＴ２にユニポーラ型化合物半導体装置を用いたことにより、両方のＭＯＳＦＥＴ２、３にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、装置全体のＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。また、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴよりも製造コストの高いユニポーラ型化合物半導体装置を２つ用いた場合に比べて、製造コストを抑えられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力端子間に双方向の電流を流すことが可能な（正負両極性の信号制御可能な）双方向スイッチ等の半導体装置、及びこの半導体装置を備えた半導体リレー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、双方向スイッチ等の半導体装置における出力用のスイッチング素子としては、一般的に、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴが用いられることが多い。図３は、この種の双方向スイッチ１０１の回路構成の例を示す。従来の双方向スイッチ１０１は、２つのＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ（以下、ＭＯＳＦＥＴと略す）１０２、１０３を有しており、これらのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０３は、お互いのソース（電極）同士が接続されることにより、逆直列に接続されている。従来の双方向スイッチ１０１は、ＭＯＳＦＥＴ１０２、１０３を上記のように接続したことにより、ＭＯＳＦＥＴ１０２、１０３のドレイン（電極）に接続された出力端子１０７、１０８から双方向の電流を取り出し得るようにしている。すなわち、従来の双方向スイッチ１０１では、ＭＯＳＦＥＴが、ドレインからソースに向かう方向と、ソースからドレインに向かう方向の両方向に電流を流せるという性質を利用して、出力端子間における正負両極性の信号制御を可能にしている。
【０００３】
一般に、双方向スイッチの主たる性能指標として、スイッチ・オフ状態（出力端子間の遮断時）における出力端子間容量（Ｃｏｕｔ）と、スイッチ・オン状態（出力端子間の導通時）における抵抗（オン抵抗（Ｒｏｎ））とがある。双方向スイッチに用いられているＭＯＳＦＥＴには、ゲート幅が広いと、オン抵抗は小さくなるが、ゲート部分の容量（出力端子間容量の一部）が大きくなり、ゲート幅が狭いと、オン抵抗は大きくなるが、出力端子間容量が小さくなるという性質がある。このため、ＭＯＳＦＥＴの出力端子間容量とオン抵抗とは、トレード・オフの関係にあり、耐圧が同じＭＯＳＦＥＴ同士であれば、出力端子間容量とオン抵抗との積（ＣＲ積）は、ほぼ一定になる。
【０００４】
双方向スイッチ１０１では、２つのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０３が、（逆）直列に接続されているので、双方向スイッチ１０１全体のオン抵抗と出力端子間容量とは、図４と図５とに示されるようになる。すなわち、双方向スイッチ１０１全体のオン抵抗Ｒ’は、図４に示されるように、ＭＯＳＦＥＴ１０２の抵抗Ｒ１とＭＯＳＦＥＴ１０３の抵抗Ｒ２とを直列に接続したものであるので、
Ｒ’＝Ｒ１＋Ｒ２・・・（１）
となる。また、双方向スイッチ１０１全体の出力端子間容量Ｃ’は、図５に示されるように、ＭＯＳＦＥＴ１０２の出力端子間容量Ｃ１とＭＯＳＦＥＴ１０３の出力端子間容量Ｃ２とを直列に接続したものであるので、
Ｃ’＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）・・・（２）
となる。
【０００５】
上記の（１）式及び（２）式より、双方向スイッチ１０１全体のＣＲ積Ｃ’Ｒ’は、
Ｃ’Ｒ’＝（Ｒ１×Ｃ１×Ｃ２＋Ｒ２×Ｃ２×Ｃ１）／（Ｃ１＋Ｃ２）・・・（３）
となる。この（３）式より、双方向スイッチ１０１全体のＣＲ積Ｃ’Ｒ’の値は、双方向スイッチ１０１を構成する２つのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０３のＣＲ積Ｒ１×Ｃ１、Ｒ２×Ｃ２の値に左右されることが分かる。また、一般に、ＭＯＳＦＥＴのＣＲ積の値は、ＭＯＳＦＥＴを構成する物質の物性に依存する。
【０００６】
従来の双方向スイッチには、上記のようなシリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いるものに加えて、特許文献１に示されるような、ＳｉＣ（炭化珪素）等の化合物半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴ（ユニポーラ型化合物半導体装置）を用いるものがある。ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのような、オン抵抗が小さい（ＣＲ積の値が小さい）化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を用いた双方向スイッチは、スイッチング速度が速く、高周波の出力信号を制御できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１３５０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
双方向スイッチに求められるスイッチング速度は、年々速くなっているので、双方向スイッチに求められるＣＲ積の値は、年々小さくなっている。しかしながら、上記図３に示されるような従来の２つのＳｉ−ＭＯＳＦＥＴで構成された双方向スイッチでは、現在の双方向スイッチに要求される（小さな）ＣＲ積の値を得ることが困難になってきている。
【０００９】
これに対して、上記特許文献１に示されるような化合物半導体で構成された２つのユニポーラ型化合物半導体装置を用いた双方向スイッチによれば、現在の双方向スイッチに要求される（小さな）ＣＲ積の値を得ることが可能である。
【００１０】
しかしながら、化合物半導体自体の製造コストがＳｉよりも高いので、上記特許文献１に示されるような２つのユニポーラ型化合物半導体装置を用いた双方向スイッチは、従来の２つのＳｉ−ＭＯＳＦＥＴで構成された双方向スイッチよりも製造コストが高くなる。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するものであり、双方向スイッチに用いた場合に、現在の双方向スイッチに要求される小さなＣＲ積の値を得ることが可能で、しかも、製造コストを抑えることが可能な半導体装置、及びそれを備えた半導体リレー装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、２つのＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を備え、これらのＭＯＳＦＥＴのソース同士が逆直列に接続された半導体装置において、前記２つのＭＯＳＦＥＴのうち、一方のＭＯＳＦＥＴは、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置であり、他方のＭＯＳＦＥＴは、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする。
【００１３】
この半導体装置において、前記化合物半導体は、炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）であることが望ましい。
【００１４】
この半導体装置において、前記２つのＭＯＳＦＥＴは、耐電圧値が実質的に同じであることが望ましい。
【００１５】
この半導体装置において、前記Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗値は、前記ユニポーラ型化合物半導体装置のオン抵抗値以下であることが望ましい。
【００１６】
また、本発明の半導体リレー装置は、前記半導体装置と、入力信号に基づいて発光する発光素子と、前記発光素子からの光を受光して、光起電力を発生するフォトダイオードアレイと、前記フォトダイオードアレイと接続されて、前記フォトダイオードアレイで発生する光起電力の有無に応じて、前記２つのＭＯＳＦＥＴのゲートの充電と放電とを切り換えることにより、前記２つのＭＯＳＦＥＴの開閉を行う充放電回路と、前記２つのＭＯＳＦＥＴのそれぞれのドレインと接続された２つのリレー出力端子とを備え、前記入力信号に応答して前記２つのＭＯＳＦＥＴを同時に開閉することにより、前記２つのリレー出力端子間の導通と遮断とを切り換えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体装置によれば、２つのＭＯＳＦＥＴのうち、一方のＭＯＳＦＥＴに、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を用い、他方のＭＯＳＦＥＴに、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いている。ここで、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置の中には、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成されたＭＯＳＦＥＴのように、ＣＲ積の値が小さいものが多く存在する。従って、一方のＭＯＳＦＥＴにユニポーラ型化合物半導体装置を用いたことにより、両方のＭＯＳＦＥＴにＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、半導体装置全体のＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。これにより、本半導体装置を双方向スイッチに用いた場合に、現在の双方向スイッチに要求される小さなＣＲ積の値を得ることができる可能性が高くなる。また、本発明の半導体装置によれば、一般にＳｉよりも製造コストの高い化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を２つ用いた場合に比べて、製造コストを抑えることが可能になる。従って、本半導体装置を双方向スイッチに用いた場合に、双方向スイッチ全体の製造コストを抑えることが可能になる。
【００１８】
また、本発明の半導体リレー装置によれば、製造コストを抑えつつ、半導体装置（例えば双方向スイッチ）の部分における２つのＭＯＳＦＥＴの両方にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、半導体装置の部分におけるＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置である双方向スイッチの回路構成図。
【図２】上記双方向スイッチを用いた半導体リレー装置の回路構成図。
【図３】従来例の双方向スイッチの回路構成図。
【図４】従来例の双方向スイッチ全体のオン抵抗を説明するための回路図。
【図５】従来例の双方向スイッチ全体の出力端子間容量を説明するための回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置である双方向スイッチについて、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の回路構成を示す。この双方向スイッチ１は、２つのＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２、３を備えている。これらのＭＯＳＦＥＴ２、３のうち、一方のＭＯＳＦＥＴ２は、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置のＭＯＳＦＥＴであり、他方のＭＯＳＦＥＴ３は、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴである。図に示されるように、これらのＭＯＳＦＥＴ２、３は、お互いのソース（電極）同士が接続されることにより、逆直列に接続されている。本双方向スイッチ１では、ＭＯＳＦＥＴ２、３を上記のように接続したことにより、ＭＯＳＦＥＴ２、３のドレイン（電極）に接続された出力端子７、８から双方向の電流を取り出し得るようにしている。すなわち、双方向スイッチ１では、ＭＯＳＦＥＴ２、３が、ドレインからソースに向かう方向と、ソースからドレインに向かう方向の両方向に電流を流せるという性質を利用して、出力端子７、８間における正負両極性の信号制御を可能にしている。
【００２１】
上記のように、一方のＭＯＳＦＥＴ２として、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を用いた理由は、以下の通りである。一般に、化合物半導体は、Ｓｉよりも優れた物性を有している。このため、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置の中には、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成されたＭＯＳＦＥＴのように、ＣＲ積の値が小さいものが多く存在する。従って、一方のＭＯＳＦＥＴ２にユニポーラ型化合物半導体装置を用いたことにより、両方のＭＯＳＦＥＴ２、３にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。これにより、現在の双方向スイッチに要求される小さなＣＲ積の値を得ることができる可能性が高くなる。
【００２２】
また、現在のところ、一般に、化合物半導体の製造コストは、シリコンの製造コストよりも高い。従って、上記のように、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３のうち、１つのＭＯＳＦＥＴ３をＳｉ−ＭＯＳＦＥＴとしたことにより、ユニポーラ型化合物半導体装置を２つ用いた双方向スイッチに比べて、双方向スイッチ全体の製造コストを抑えることが可能になる。
【００２３】
なお、図１に示される回路構成においては、上記の双方向スイッチ１は、制御回路４に接続されている。この制御回路４は、双方向スイッチ１の２つの制御用入力端子５、６に接続されている。これらの制御用入力端子５、６のうちの高電位側の入力端子である制御用入力端子５は、ＭＯＳＦＥＴ２、３の両方のゲートに接続されている。制御回路４は、制御用入力端子５、６に制御信号を入力することにより、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３を同時に開閉して、外部出力端子７、８間の導通と遮断とを切り換える。また、図１中のＤ１、Ｄ２は、それぞれＭＯＳＦＥＴ２、３における、いわゆる寄生ダイオードである。
【００２４】
上記の２つのＭＯＳＦＥＴ２、３の耐電圧値は、（実質的に）同じである。これにより、双方向スイッチ１において、双方向（外部出力端子７から外部出力端子８に向かう方向、及び外部出力端子８から外部出力端子７に向かう方向の両方）に、同じ電圧を印加することができるようになる。
【００２５】
上記の双方向スイッチ１において、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値は、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値以下である。これにより、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を、より確実に小さくすることができる。以下に、その理由について説明する。
【００２６】
ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗（値）、出力端子間容量（値）を、Ｒ１、Ｃ１とし、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗（値）、出力端子間容量（値）を、Ｒ２、Ｃ２とすると、以下の関係式が成立する。
Ｃ１×Ｒ１≪Ｃ２×Ｒ２・・・（４）
この場合に、ＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値Ｒ２が、ＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値Ｒ１以下である（Ｒ１≧Ｒ２）とすると、
Ｃ１≪Ｃ２・・・（５）
の関係式が成立する。ここで、双方向スイッチ１全体のオン抵抗値Ｒは、
Ｒ＝Ｒ１＋Ｒ２・・・（６）
で表され、双方向スイッチ１全体の出力端子間容量値Ｃは、
Ｃ＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）・・・（７）
で表される。そして、上記の（５）式と（７）式より、
Ｃ＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）≒Ｃ１・・・（８）
となる。ここで、上記の（５）式、（６）式及び（８）式より、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値は、
ＣＲ＝Ｃ１（Ｒ１＋Ｒ２）・・・（９）
になる。そして、上記の（５）式より、出力端子間容量値Ｃ１の値は、Ｃ２よりも非常に小さい値であるため、上記（９）式におけるＣ１（Ｒ１＋Ｒ２）の値（双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値）も非常に小さな値になる。このように、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値を、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値以下にすることにより、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を、より確実に小さくすることができる。
【００２７】
次に、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗値を、ユニポーラ型化合物半導体装置のオン抵抗値以下にすることにより、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を小さくできる理由について、Ｒ１、Ｃ１、Ｒ２、Ｃ２の数値の例を挙げて説明する。なお、以下の説明では、説明（計算）を簡単にするために、オン抵抗値Ｒ１、Ｒ２、及び出力端子間容量値Ｃ１、Ｃ２の単位を、敢えて記載しない。
【００２８】
例えば、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のＣＲ積の値（Ｃ１×Ｒ１）を１０、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のＣＲ積の値（Ｃ２×Ｒ２）を１０００とする。このとき、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値Ｒ２が、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値Ｒ１と同じ値（Ｒ１＝Ｒ２＝１）であったとすると、Ｃ１＝１０、Ｃ２＝１０００になる。この場合、双方向スイッチ１全体のオン抵抗値Ｒは、上記（６）式より、Ｒ＝１＋１＝２となり、双方向スイッチ１全体の出力端子間容量値Ｃは、上記（７）式より、Ｃ＝（１０×１０００）／（１０＋１０００）≒９．９となる。従って、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値は、
Ｃ×Ｒ＝９．９×２＝１９．８・・・（１０）
になる。
【００２９】
また、ＭＯＳＦＥＴ２、３のＣＲ積の値が上記と同じ場合（Ｃ１×Ｒ１＝１０、Ｃ２×Ｒ２＝１０００）において、ＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値Ｒ２が、ＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値Ｒ１よりも小さいときについて考える。例えば、Ｒ１＝０．５、Ｒ２＝１とすると、Ｃ１＝２０、Ｃ２＝１０００になる。この場合、双方向スイッチ１全体のオン抵抗値Ｒは、上記（６）式より、Ｒ＝０．５＋１＝１．５となり、双方向スイッチ１全体の出力端子間容量値Ｃは、上記（７）式より、Ｃ＝（２０×１０００）／（２０＋１０００）≒１９．６となる。従って、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値は、
Ｃ×Ｒ＝１９．６×１．５＝２９．４・・・（１１）
になる。
【００３０】
これに対して、ＭＯＳＦＥＴ２、３のＣＲ積の値が上記と同じ場合（Ｃ１×Ｒ１＝１０、Ｃ２×Ｒ２＝１０００）において、ＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値Ｒ２が、ＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値Ｒ１よりも大きいときについて考える。例えば、Ｒ１＝１、Ｒ２＝１００とすると、Ｃ１＝Ｃ２＝１０になる。この場合、双方向スイッチ１全体のオン抵抗値Ｒは、上記（６）式より、Ｒ＝１＋１００＝１０１となり、双方向スイッチ１全体の出力端子間容量値Ｃは、上記（７）式より、Ｃ＝（１０×１０）／（１０＋１０）＝５となる。従って、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値は、
Ｃ×Ｒ＝５×１０１＝５０５・・・（１２）
になる。
【００３１】
上記の（１０）〜（１２）式からも、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値を、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値以下にすることにより、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を小さくできることが分かる。
【００３２】
上述したように、本実施形態の双方向スイッチ１によれば、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３のうち、一方のＭＯＳＦＥＴ２に、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を用い、他方のＭＯＳＦＥＴ３に、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた。ここで、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置の中には、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成されたＭＯＳＦＥＴのように、ＣＲ積の値が小さいものが多く存在する。従って、一方のＭＯＳＦＥＴ２にユニポーラ型化合物半導体装置を用いたことにより、両方のＭＯＳＦＥＴ２、３にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。これにより、現在の双方向スイッチに要求される小さなＣＲ積の値を得ることができる可能性が高くなる。また、本実施形態の双方向スイッチ１によれば、一般にＳｉよりも製造コストの高い化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を２つ用いた場合に比べて、双方向スイッチ１全体の製造コストを抑えることが可能になる。
【００３３】
次に、図２を参照して、本実施形態の双方向スイッチ１を用いた（備えた）半導体リレー装置１０の回路構成の一例について説明する。半導体リレー装置１０は、上記の双方向スイッチ１に加えて、入力端子１１、１２から入力される入力信号に基づいて発光する発光素子１３（例えばＬＥＤ）と、発光素子１３からの光を受光して、光起電力を発生するフォトダイオードアレイ１４とを備えている。また、半導体リレー装置１０は、フォトダイオードアレイ１４と接続された充放電回路１５を備えている。
【００３４】
充放電回路１５は、デプレッション型のＭＯＳＦＥＴ１６と、抵抗１７と、エンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴ１８とを備えている。ＭＯＳＦＥＴ１６のドレインとゲートとは、それぞれフォトダイオードアレイ１４の高電位側（アノード側）と低電位側（カソード側）とに接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ１８のドレインとソースとは、それぞれＭＯＳＦＥＴ１６のソースとゲートとに接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ１８のドレインとゲートとは、直接接続され（短絡され）ている。
【００３５】
上記の充放電回路１５は、フォトダイオードアレイ１４で発生する光起電力の有無に応じて、ＭＯＳＦＥＴ２、３のゲートの充電と放電とを切り換えることにより、ＭＯＳＦＥＴ２、３の開閉を行う。また、上記の外部出力端子７、８は、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３のそれぞれのドレインと接続されており、請求項におけるリレー出力端子として機能する。双方向スイッチ１では、入力端子１１、１２から入力される入力信号に応答して２つのＭＯＳＦＥＴ２、３が同時に開閉される。これにより、外部出力端子７、８間の導通と遮断とが、切り換えられる。
【００３６】
次に、上記の半導体リレー装置１０において行われる、外部出力端子７、８間の導通と遮断との切り替え処理について詳細に説明する。入力端子１１、１２から信号が入力されると、この入力信号に基づいて、発光素子１３が発光する。フォトダイオードアレイ１４は、発光素子１３からの光を受光すると、光起電力を発生する。これにより、電流が図中の矢印Ａの方向に流れる。この時点では、デプレッション型で、ノーマル・オンのタイプのＭＯＳＦＥＴ１６が導通状態のままであるので、フォトダイオードアレイ１４から矢印Ａの方向に流れた電流は、矢印Ｂの経路に流れる。これにより、抵抗１７の両端に、図に示されるような電位差が生じる。
【００３７】
そして、抵抗１７における＋側と−側の電位差が所定のレベル以上に達すると、エンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴ１８におけるゲート・ソース間の電位差、及びドレイン・ソース間の電位差が所定のレベル以上になって、ＭＯＳＦＥＴ１８がオフ（非導通状態）からオン（導通状態）に切り換わる。これにより、矢印Ｂの経路から流れてきた電流が、抵抗１７を通らず、ＭＯＳＦＥＴ１８のドレイン・ソース間を流れるので、デプレッション型のＭＯＳＦＥＴ１６のゲートが所定の電位になり、ＭＯＳＦＥＴ１６がオンからオフに切り換わる。このため、フォトダイオードアレイ１４から矢印Ａの方向に流れた電流は、矢印Ｂの経路に流れず、矢印Ｃの経路に流れるようになる。この電流により、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３のゲートに電荷が蓄積されるので、ＭＯＳＦＥＴ２、３のゲート・ソース間に電位差が発生して、ＭＯＳＦＥＴ２、３は、オン（導通状態）（閉じた状態）になり、外部出力端子７、８間は導通され、リレーが閉じられる。
【００３８】
これに対して、入力端子１１、１２から信号が遮断されて、発光素子１３が発光しなくなると、フォトダイオードアレイ１４において光起電力が生じなくなる。これにより、外部出力端子７、８間が導通した状態においては存在した、抵抗１７における＋側と−側の電位差（ＭＯＳＦＥＴ１８のドレイン・ソース間の電位差に相当）が無くなってしまうので、ＭＯＳＦＥＴ１８がオンからオフに切り換わる。このため、デプレッション型のＭＯＳＦＥＴ１６のゲートに電圧がかからなくなるので、ＭＯＳＦＥＴ１６がオフからオンに切り換わる。これにより、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３のゲートに蓄積されていた電荷が、矢印Ｂの経路を通って、ＭＯＳＦＥＴ２、３のソース側に流れ、放電されるので、ＭＯＳＦＥＴ２、３は、オフ（非導通状態）（開いた状態）になる。このため、外部出力端子７、８間は遮断されて、リレーが開放される。
【００３９】
本半導体リレー装置１０によれば、製造コストを抑えつつ、双方向スイッチ１の部分における２つのＭＯＳＦＥＴ２、３の両方にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、双方向スイッチ１の部分におけるＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、双方向スイッチ１の２つのＭＯＳＦＥＴ２、３の耐電圧値が実質的に同じである場合の例を示したが、双方向スイッチを構成する２つのＭＯＳＦＥＴの耐電圧値は、必ずしも実質的に同じである必要はない。ただし、これらのＭＯＳＦＥＴの耐電圧値には、大きな差がない方が好ましい。また、上記実施形態では、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値が、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値以下である場合の例を示した。しかしながら、双方向スイッチにおいて、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗値は、必ずしもユニポーラ型化合物半導体装置のオン抵抗値以下である必要はなく、ユニポーラ型化合物半導体装置のオン抵抗値より多少大きくてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１ 双方向スイッチ（半導体装置）
２ ＭＯＳＦＥＴ（ユニポーラ型化合物半導体装置）
３ ＭＯＳＦＥＴ（Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ）
７、８ 外部出力端子（リレー出力端子）
１０ 半導体リレー装置
１３ 発光素子
１４ フォトダイオードアレイ
１５ 充放電回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力端子間に双方向の電流を流すことが可能な（正負両極性の信号制御可能な）双方向スイッチ等の半導体装置、及びこの半導体装置を備えた半導体リレー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、双方向スイッチ等の半導体装置における出力用のスイッチング素子としては、一般的に、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴが用いられることが多い。図３は、この種の双方向スイッチ１０１の回路構成の例を示す。従来の双方向スイッチ１０１は、２つのＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ（以下、ＭＯＳＦＥＴと略す）１０２、１０３を有しており、これらのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０３は、お互いのソース（電極）同士が接続されることにより、逆直列に接続されている。従来の双方向スイッチ１０１は、ＭＯＳＦＥＴ１０２、１０３を上記のように接続したことにより、ＭＯＳＦＥＴ１０２、１０３のドレイン（電極）に接続された出力端子１０７、１０８から双方向の電流を取り出し得るようにしている。すなわち、従来の双方向スイッチ１０１では、ＭＯＳＦＥＴが、ドレインからソースに向かう方向と、ソースからドレインに向かう方向の両方向に電流を流せるという性質を利用して、出力端子間における正負両極性の信号制御を可能にしている。
【０００３】
一般に、双方向スイッチの主たる性能指標として、スイッチ・オフ状態（出力端子間の遮断時）における出力端子間容量（Ｃｏｕｔ）と、スイッチ・オン状態（出力端子間の導通時）における抵抗（オン抵抗（Ｒｏｎ））とがある。双方向スイッチに用いられているＭＯＳＦＥＴには、ゲート幅が広いと、オン抵抗は小さくなるが、ゲート部分の容量（出力端子間容量の一部）が大きくなり、ゲート幅が狭いと、オン抵抗は大きくなるが、出力端子間容量が小さくなるという性質がある。このため、ＭＯＳＦＥＴの出力端子間容量とオン抵抗とは、トレード・オフの関係にあり、耐圧が同じＭＯＳＦＥＴ同士であれば、出力端子間容量とオン抵抗との積（ＣＲ積）は、ほぼ一定になる。
【０００４】
双方向スイッチ１０１では、２つのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０３が、（逆）直列に接続されているので、双方向スイッチ１０１全体のオン抵抗と出力端子間容量とは、図４と図５とに示されるようになる。すなわち、双方向スイッチ１０１全体のオン抵抗Ｒ’は、図４に示されるように、ＭＯＳＦＥＴ１０２の抵抗Ｒ１とＭＯＳＦＥＴ１０３の抵抗Ｒ２とを直列に接続したものであるので、
Ｒ’＝Ｒ１＋Ｒ２・・・（１）
となる。また、双方向スイッチ１０１全体の出力端子間容量Ｃ’は、図５に示されるように、ＭＯＳＦＥＴ１０２の出力端子間容量Ｃ１とＭＯＳＦＥＴ１０３の出力端子間容量Ｃ２とを直列に接続したものであるので、
Ｃ’＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）・・・（２）
となる。
【０００５】
上記の（１）式及び（２）式より、双方向スイッチ１０１全体のＣＲ積Ｃ’Ｒ’は、
Ｃ’Ｒ’＝（Ｒ１×Ｃ１×Ｃ２＋Ｒ２×Ｃ２×Ｃ１）／（Ｃ１＋Ｃ２）・・・（３）
となる。この（３）式より、双方向スイッチ１０１全体のＣＲ積Ｃ’Ｒ’の値は、双方向スイッチ１０１を構成する２つのＭＯＳＦＥＴ１０２、１０３のＣＲ積Ｒ１×Ｃ１、Ｒ２×Ｃ２の値に左右されることが分かる。また、一般に、ＭＯＳＦＥＴのＣＲ積の値は、ＭＯＳＦＥＴを構成する物質の物性に依存する。
【０００６】
従来の双方向スイッチには、上記のようなシリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いるものに加えて、特許文献１に示されるような、ＳｉＣ（炭化珪素）等の化合物半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴ（ユニポーラ型化合物半導体装置）を用いるものがある。ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのような、オン抵抗が小さい（ＣＲ積の値が小さい）化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を用いた双方向スイッチは、スイッチング速度が速く、高周波の出力信号を制御できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１３５０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
双方向スイッチに求められるスイッチング速度は、年々速くなっているので、双方向スイッチに求められるＣＲ積の値は、年々小さくなっている。しかしながら、上記図３に示されるような従来の２つのＳｉ−ＭＯＳＦＥＴで構成された双方向スイッチでは、現在の双方向スイッチに要求される（小さな）ＣＲ積の値を得ることが困難になってきている。
【０００９】
これに対して、上記特許文献１に示されるような化合物半導体で構成された２つのユニポーラ型化合物半導体装置を用いた双方向スイッチによれば、現在の双方向スイッチに要求される（小さな）ＣＲ積の値を得ることが可能である。
【００１０】
しかしながら、化合物半導体自体の製造コストがＳｉよりも高いので、上記特許文献１に示されるような２つのユニポーラ型化合物半導体装置を用いた双方向スイッチは、従来の２つのＳｉ−ＭＯＳＦＥＴで構成された双方向スイッチよりも製造コストが高くなる。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するものであり、双方向スイッチに用いた場合に、現在の双方向スイッチに要求される小さなＣＲ積の値を得ることが可能で、しかも、製造コストを抑えることが可能な半導体装置、及びそれを備えた半導体リレー装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、２つのＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を備え、これらのＭＯＳＦＥＴのソース同士が逆直列に接続された半導体装置において、前記２つのＭＯＳＦＥＴのうち、一方のＭＯＳＦＥＴは、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置であり、他方のＭＯＳＦＥＴは、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする。
【００１３】
この半導体装置において、前記化合物半導体は、炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）であることが望ましい。
【００１４】
この半導体装置において、前記２つのＭＯＳＦＥＴは、耐電圧値が実質的に同じであることが望ましい。
【００１５】
この半導体装置において、前記Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗値は、前記ユニポーラ型化合物半導体装置のオン抵抗値以下であることが望ましい。
【００１６】
また、本発明の半導体リレー装置は、前記半導体装置と、入力信号に基づいて発光する発光素子と、前記発光素子からの光を受光して、光起電力を発生するフォトダイオードアレイと、前記フォトダイオードアレイと接続されて、前記フォトダイオードアレイで発生する光起電力の有無に応じて、前記２つのＭＯＳＦＥＴのゲートの充電と放電とを切り換えることにより、前記２つのＭＯＳＦＥＴの開閉を行う充放電回路と、前記２つのＭＯＳＦＥＴのそれぞれのドレインと接続された２つのリレー出力端子とを備え、前記入力信号に応答して前記２つのＭＯＳＦＥＴを同時に開閉することにより、前記２つのリレー出力端子間の導通と遮断とを切り換えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体装置によれば、２つのＭＯＳＦＥＴのうち、一方のＭＯＳＦＥＴに、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を用い、他方のＭＯＳＦＥＴに、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いている。ここで、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置の中には、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成されたＭＯＳＦＥＴのように、ＣＲ積の値が小さいものが多く存在する。従って、一方のＭＯＳＦＥＴにユニポーラ型化合物半導体装置を用いたことにより、両方のＭＯＳＦＥＴにＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、半導体装置全体のＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。これにより、本半導体装置を双方向スイッチに用いた場合に、現在の双方向スイッチに要求される小さなＣＲ積の値を得ることができる可能性が高くなる。また、本発明の半導体装置によれば、一般にＳｉよりも製造コストの高い化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を２つ用いた場合に比べて、製造コストを抑えることが可能になる。従って、本半導体装置を双方向スイッチに用いた場合に、双方向スイッチ全体の製造コストを抑えることが可能になる。
【００１８】
また、本発明の半導体リレー装置によれば、製造コストを抑えつつ、半導体装置（例えば双方向スイッチ）の部分における２つのＭＯＳＦＥＴの両方にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、半導体装置の部分におけるＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置である双方向スイッチの回路構成図。
【図２】上記双方向スイッチを用いた半導体リレー装置の回路構成図。
【図３】従来例の双方向スイッチの回路構成図。
【図４】従来例の双方向スイッチ全体のオン抵抗を説明するための回路図。
【図５】従来例の双方向スイッチ全体の出力端子間容量を説明するための回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置である双方向スイッチについて、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の回路構成を示す。この双方向スイッチ１は、２つのＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２、３を備えている。これらのＭＯＳＦＥＴ２、３のうち、一方のＭＯＳＦＥＴ２は、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置のＭＯＳＦＥＴであり、他方のＭＯＳＦＥＴ３は、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴである。図に示されるように、これらのＭＯＳＦＥＴ２、３は、お互いのソース（電極）同士が接続されることにより、逆直列に接続されている。本双方向スイッチ１では、ＭＯＳＦＥＴ２、３を上記のように接続したことにより、ＭＯＳＦＥＴ２、３のドレイン（電極）に接続された出力端子７、８から双方向の電流を取り出し得るようにしている。すなわち、双方向スイッチ１では、ＭＯＳＦＥＴ２、３が、ドレインからソースに向かう方向と、ソースからドレインに向かう方向の両方向に電流を流せるという性質を利用して、出力端子７、８間における正負両極性の信号制御を可能にしている。
【００２１】
上記のように、一方のＭＯＳＦＥＴ２として、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を用いた理由は、以下の通りである。一般に、化合物半導体は、Ｓｉよりも優れた物性を有している。このため、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置の中には、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成されたＭＯＳＦＥＴのように、ＣＲ積の値が小さいものが多く存在する。従って、一方のＭＯＳＦＥＴ２にユニポーラ型化合物半導体装置を用いたことにより、両方のＭＯＳＦＥＴ２、３にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。これにより、現在の双方向スイッチに要求される小さなＣＲ積の値を得ることができる可能性が高くなる。
【００２２】
また、現在のところ、一般に、化合物半導体の製造コストは、シリコンの製造コストよりも高い。従って、上記のように、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３のうち、１つのＭＯＳＦＥＴ３をＳｉ−ＭＯＳＦＥＴとしたことにより、ユニポーラ型化合物半導体装置を２つ用いた双方向スイッチに比べて、双方向スイッチ全体の製造コストを抑えることが可能になる。
【００２３】
なお、図１に示される回路構成においては、上記の双方向スイッチ１は、制御回路４に接続されている。この制御回路４は、双方向スイッチ１の２つの制御用入力端子５、６に接続されている。これらの制御用入力端子５、６のうちの高電位側の入力端子である制御用入力端子５は、ＭＯＳＦＥＴ２、３の両方のゲートに接続されている。制御回路４は、制御用入力端子５、６に制御信号を入力することにより、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３を同時に開閉して、外部出力端子７、８間の導通と遮断とを切り換える。また、図１中のＤ１、Ｄ２は、それぞれＭＯＳＦＥＴ２、３における、いわゆる寄生ダイオードである。
【００２４】
上記の２つのＭＯＳＦＥＴ２、３の耐電圧値は、（実質的に）同じである。これにより、双方向スイッチ１において、双方向（外部出力端子７から外部出力端子８に向かう方向、及び外部出力端子８から外部出力端子７に向かう方向の両方）に、同じ電圧を印加することができるようになる。
【００２５】
上記の双方向スイッチ１において、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値は、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値以下である。これにより、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を、より確実に小さくすることができる。以下に、その理由について説明する。
【００２６】
ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗（値）、出力端子間容量（値）を、Ｒ１、Ｃ１とし、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗（値）、出力端子間容量（値）を、Ｒ２、Ｃ２とすると、以下の関係式が成立する。
Ｃ１×Ｒ１≪Ｃ２×Ｒ２・・・（４）
この場合に、ＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値Ｒ２が、ＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値Ｒ１以下である（Ｒ１≧Ｒ２）とすると、
Ｃ１≪Ｃ２・・・（５）
の関係式が成立する。ここで、双方向スイッチ１全体のオン抵抗値Ｒは、
Ｒ＝Ｒ１＋Ｒ２・・・（６）
で表され、双方向スイッチ１全体の出力端子間容量値Ｃは、
Ｃ＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）・・・（７）
で表される。そして、上記の（５）式と（７）式より、
Ｃ＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）≒Ｃ１・・・（８）
となる。ここで、上記の（５）式、（６）式及び（８）式より、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値は、
ＣＲ＝Ｃ１（Ｒ１＋Ｒ２）・・・（９）
になる。そして、上記の（５）式より、出力端子間容量値Ｃ１の値は、Ｃ２よりも非常に小さい値であるため、上記（９）式におけるＣ１（Ｒ１＋Ｒ２）の値（双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値）も非常に小さな値になる。このように、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値を、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値以下にすることにより、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を、より確実に小さくすることができる。
【００２７】
次に、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗値を、ユニポーラ型化合物半導体装置のオン抵抗値以下にすることにより、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を小さくできる理由について、Ｒ１、Ｃ１、Ｒ２、Ｃ２の数値の例を挙げて説明する。なお、以下の説明では、説明（計算）を簡単にするために、オン抵抗値Ｒ１、Ｒ２、及び出力端子間容量値Ｃ１、Ｃ２の単位を、敢えて記載しない。
【００２８】
例えば、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のＣＲ積の値（Ｃ１×Ｒ１）を１０、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のＣＲ積の値（Ｃ２×Ｒ２）を１０００とする。このとき、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値Ｒ２が、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値Ｒ１と同じ値（Ｒ１＝Ｒ２＝１）であったとすると、Ｃ１＝１０、Ｃ２＝１０００になる。この場合、双方向スイッチ１全体のオン抵抗値Ｒは、上記（６）式より、Ｒ＝１＋１＝２となり、双方向スイッチ１全体の出力端子間容量値Ｃは、上記（７）式より、Ｃ＝（１０×１０００）／（１０＋１０００）≒９．９となる。従って、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値は、
Ｃ×Ｒ＝９．９×２＝１９．８・・・（１０）
になる。
【００２９】
また、ＭＯＳＦＥＴ２、３のＣＲ積の値が上記と同じ場合（Ｃ１×Ｒ１＝１０、Ｃ２×Ｒ２＝１０００）において、ＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値Ｒ２が、ＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値Ｒ１よりも小さいときについて考える。例えば、Ｒ１＝０．５、Ｒ２＝１とすると、Ｃ１＝２０、Ｃ２＝１０００になる。この場合、双方向スイッチ１全体のオン抵抗値Ｒは、上記（６）式より、Ｒ＝０．５＋１＝１．５となり、双方向スイッチ１全体の出力端子間容量値Ｃは、上記（７）式より、Ｃ＝（２０×１０００）／（２０＋１０００）≒１９．６となる。従って、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値は、
Ｃ×Ｒ＝１９．６×１．５＝２９．４・・・（１１）
になる。
【００３０】
これに対して、ＭＯＳＦＥＴ２、３のＣＲ積の値が上記と同じ場合（Ｃ１×Ｒ１＝１０、Ｃ２×Ｒ２＝１０００）において、ＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値Ｒ２が、ＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値Ｒ１よりも大きいときについて考える。例えば、Ｒ１＝１、Ｒ２＝１００とすると、Ｃ１＝Ｃ２＝１０になる。この場合、双方向スイッチ１全体のオン抵抗値Ｒは、上記（６）式より、Ｒ＝１＋１００＝１０１となり、双方向スイッチ１全体の出力端子間容量値Ｃは、上記（７）式より、Ｃ＝（１０×１０）／（１０＋１０）＝５となる。従って、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値は、
Ｃ×Ｒ＝５×１０１＝５０５・・・（１２）
になる。
【００３１】
上記の（１０）〜（１２）式からも、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値を、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値以下にすることにより、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を小さくできることが分かる。
【００３２】
上述したように、本実施形態の双方向スイッチ１によれば、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３のうち、一方のＭＯＳＦＥＴ２に、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を用い、他方のＭＯＳＦＥＴ３に、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた。ここで、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置の中には、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成されたＭＯＳＦＥＴのように、ＣＲ積の値が小さいものが多く存在する。従って、一方のＭＯＳＦＥＴ２にユニポーラ型化合物半導体装置を用いたことにより、両方のＭＯＳＦＥＴ２、３にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、双方向スイッチ１全体のＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。これにより、現在の双方向スイッチに要求される小さなＣＲ積の値を得ることができる可能性が高くなる。また、本実施形態の双方向スイッチ１によれば、一般にＳｉよりも製造コストの高い化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置を２つ用いた場合に比べて、双方向スイッチ１全体の製造コストを抑えることが可能になる。
【００３３】
次に、図２を参照して、本実施形態の双方向スイッチ１を用いた（備えた）半導体リレー装置１０の回路構成の一例について説明する。半導体リレー装置１０は、上記の双方向スイッチ１に加えて、入力端子１１、１２から入力される入力信号に基づいて発光する発光素子１３（例えばＬＥＤ）と、発光素子１３からの光を受光して、光起電力を発生するフォトダイオードアレイ１４とを備えている。また、半導体リレー装置１０は、フォトダイオードアレイ１４と接続された充放電回路１５を備えている。
【００３４】
充放電回路１５は、デプレッション型のＭＯＳＦＥＴ１６と、抵抗１７と、エンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴ１８とを備えている。ＭＯＳＦＥＴ１６のドレインとゲートとは、それぞれフォトダイオードアレイ１４の高電位側（アノード側）と低電位側（カソード側）とに接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ１８のドレインとソースとは、それぞれＭＯＳＦＥＴ１６のソースとゲートとに接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ１８のドレインとゲートとは、直接接続され（短絡され）ている。
【００３５】
上記の充放電回路１５は、フォトダイオードアレイ１４で発生する光起電力の有無に応じて、ＭＯＳＦＥＴ２、３のゲートの充電と放電とを切り換えることにより、ＭＯＳＦＥＴ２、３の開閉を行う。また、上記の外部出力端子７、８は、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３のそれぞれのドレインと接続されており、請求項におけるリレー出力端子として機能する。双方向スイッチ１では、入力端子１１、１２から入力される入力信号に応答して２つのＭＯＳＦＥＴ２、３が同時に開閉される。これにより、外部出力端子７、８間の導通と遮断とが、切り換えられる。
【００３６】
次に、上記の半導体リレー装置１０において行われる、外部出力端子７、８間の導通と遮断との切り替え処理について詳細に説明する。入力端子１１、１２から信号が入力されると、この入力信号に基づいて、発光素子１３が発光する。フォトダイオードアレイ１４は、発光素子１３からの光を受光すると、光起電力を発生する。これにより、電流が図中の矢印Ａの方向に流れる。この時点では、デプレッション型で、ノーマル・オンのタイプのＭＯＳＦＥＴ１６が導通状態のままであるので、フォトダイオードアレイ１４から矢印Ａの方向に流れた電流は、矢印Ｂの経路に流れる。これにより、抵抗１７の両端に、図に示されるような電位差が生じる。
【００３７】
そして、抵抗１７における＋側と−側の電位差が所定のレベル以上に達すると、エンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴ１８におけるゲート・ソース間の電位差、及びドレイン・ソース間の電位差が所定のレベル以上になって、ＭＯＳＦＥＴ１８がオフ（非導通状態）からオン（導通状態）に切り換わる。これにより、矢印Ｂの経路から流れてきた電流が、抵抗１７を通らず、ＭＯＳＦＥＴ１８のドレイン・ソース間を流れるので、デプレッション型のＭＯＳＦＥＴ１６のゲートが所定の電位になり、ＭＯＳＦＥＴ１６がオンからオフに切り換わる。このため、フォトダイオードアレイ１４から矢印Ａの方向に流れた電流は、矢印Ｂの経路に流れず、矢印Ｃの経路に流れるようになる。この電流により、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３のゲートに電荷が蓄積されるので、ＭＯＳＦＥＴ２、３のゲート・ソース間に電位差が発生して、ＭＯＳＦＥＴ２、３は、オン（導通状態）（閉じた状態）になり、外部出力端子７、８間は導通され、リレーが閉じられる。
【００３８】
これに対して、入力端子１１、１２から信号が遮断されて、発光素子１３が発光しなくなると、フォトダイオードアレイ１４において光起電力が生じなくなる。これにより、外部出力端子７、８間が導通した状態においては存在した、抵抗１７における＋側と−側の電位差（ＭＯＳＦＥＴ１８のドレイン・ソース間の電位差に相当）が無くなってしまうので、ＭＯＳＦＥＴ１８がオンからオフに切り換わる。このため、デプレッション型のＭＯＳＦＥＴ１６のゲートに電圧がかからなくなるので、ＭＯＳＦＥＴ１６がオフからオンに切り換わる。これにより、２つのＭＯＳＦＥＴ２、３のゲートに蓄積されていた電荷が、矢印Ｂの経路を通って、ＭＯＳＦＥＴ２、３のソース側に流れ、放電されるので、ＭＯＳＦＥＴ２、３は、オフ（非導通状態）（開いた状態）になる。このため、外部出力端子７、８間は遮断されて、リレーが開放される。
【００３９】
本半導体リレー装置１０によれば、製造コストを抑えつつ、双方向スイッチ１の部分における２つのＭＯＳＦＥＴ２、３の両方にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に比べて、双方向スイッチ１の部分におけるＣＲ積の値を小さくできる蓋然性が高まる。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、双方向スイッチ１の２つのＭＯＳＦＥＴ２、３の耐電圧値が実質的に同じである場合の例を示したが、双方向スイッチを構成する２つのＭＯＳＦＥＴの耐電圧値は、必ずしも実質的に同じである必要はない。ただし、これらのＭＯＳＦＥＴの耐電圧値には、大きな差がない方が好ましい。また、上記実施形態では、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳＦＥＴ３のオン抵抗値が、ユニポーラ型化合物半導体装置であるＭＯＳＦＥＴ２のオン抵抗値以下である場合の例を示した。しかしながら、双方向スイッチにおいて、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗値は、必ずしもユニポーラ型化合物半導体装置のオン抵抗値以下である必要はなく、ユニポーラ型化合物半導体装置のオン抵抗値より多少大きくてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１ 双方向スイッチ（半導体装置）
２ ＭＯＳＦＥＴ（ユニポーラ型化合物半導体装置）
３ ＭＯＳＦＥＴ（Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ）
７、８ 外部出力端子（リレー出力端子）
１０ 半導体リレー装置
１３ 発光素子
１４ フォトダイオードアレイ
１５ 充放電回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を備え、これらのＭＯＳＦＥＴが、お互いのソース同士が接続されることにより、逆直列に接続された半導体装置において、
前記２つのＭＯＳＦＥＴのうち、一方のＭＯＳＦＥＴは、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置であり、他方のＭＯＳＦＥＴは、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記化合物半導体は、炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記２つのＭＯＳＦＥＴは、耐電圧値が実質的に同じであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗値は、前記ユニポーラ型化合物半導体装置のオン抵抗値以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の少なくともいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記請求項１乃至４の少なくともいずれか一項に記載の半導体装置と、
入力信号に基づいて発光する発光素子と、
前記発光素子からの光を受光して、光起電力を発生するフォトダイオードアレイと、
前記フォトダイオードアレイと接続されて、前記フォトダイオードアレイで発生する光起電力の有無に応じて、前記２つのＭＯＳＦＥＴのゲートの充電と放電とを切り換えることにより、前記２つのＭＯＳＦＥＴの開閉を行う充放電回路と、
前記２つのＭＯＳＦＥＴのそれぞれのドレインと接続された２つのリレー出力端子とを備え、
前記入力信号に応答して前記２つのＭＯＳＦＥＴを同時に開閉することにより、前記２つのリレー出力端子間の導通と遮断とを切り換えることを特徴とする半導体リレー装置。
【請求項１】
２つのＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を備え、これらのＭＯＳＦＥＴが、お互いのソース同士が接続されることにより、逆直列に接続された半導体装置において、
前記２つのＭＯＳＦＥＴのうち、一方のＭＯＳＦＥＴは、化合物半導体で構成されたユニポーラ型化合物半導体装置であり、他方のＭＯＳＦＥＴは、シリコンで構成されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記化合物半導体は、炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記２つのＭＯＳＦＥＴは、耐電圧値が実質的に同じであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗値は、前記ユニポーラ型化合物半導体装置のオン抵抗値以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の少なくともいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記請求項１乃至４の少なくともいずれか一項に記載の半導体装置と、
入力信号に基づいて発光する発光素子と、
前記発光素子からの光を受光して、光起電力を発生するフォトダイオードアレイと、
前記フォトダイオードアレイと接続されて、前記フォトダイオードアレイで発生する光起電力の有無に応じて、前記２つのＭＯＳＦＥＴのゲートの充電と放電とを切り換えることにより、前記２つのＭＯＳＦＥＴの開閉を行う充放電回路と、
前記２つのＭＯＳＦＥＴのそれぞれのドレインと接続された２つのリレー出力端子とを備え、
前記入力信号に応答して前記２つのＭＯＳＦＥＴを同時に開閉することにより、前記２つのリレー出力端子間の導通と遮断とを切り換えることを特徴とする半導体リレー装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１２９８１（Ｐ２０１３−１２９８１Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４５３１１（Ｐ２０１１−１４５３１１）
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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