２線式交流スイッチ
【課題】２線式交流スイッチの低消費電力化を実現する。
【解決手段】
交流電源と負荷とを結ぶ電路に挿入される２線式交流スイッチであって、スイッチ端子Ｓ１、Ｓ２と、スイッチ端子間のオンオフを制御するためのゲート端子Ｇ１、Ｇ２と、基板端子Ｓｕｂとを有し、スイッチ端子間に双方向に電流を流すことができ、スイッチ端子Ｓ１が交流電源１に接続され、スイッチ端子Ｓ２が負荷２に接続される半導体スイッチからなるメインスイッチ３と、メインスイッチの基板端子Ｓｕｂを接地するかフローティングにするかを切り替えるサブスイッチ９と、を備える。
【解決手段】
交流電源と負荷とを結ぶ電路に挿入される２線式交流スイッチであって、スイッチ端子Ｓ１、Ｓ２と、スイッチ端子間のオンオフを制御するためのゲート端子Ｇ１、Ｇ２と、基板端子Ｓｕｂとを有し、スイッチ端子間に双方向に電流を流すことができ、スイッチ端子Ｓ１が交流電源１に接続され、スイッチ端子Ｓ２が負荷２に接続される半導体スイッチからなるメインスイッチ３と、メインスイッチの基板端子Ｓｕｂを接地するかフローティングにするかを切り替えるサブスイッチ９と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２線式交流スイッチに関し、特に双方向に電流を流すことができる半導体スイッチを備えた２線式交流スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、調光機能、リモコン機能、人センサー機能などを有する高機能な２線式交流スイッチが商品化されている。これに使用されるスイッチには、双方向に電流を流すことができ、且つ、正負両極性で耐圧を確保できることが要求される。近年、半導体デバイス材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される窒化物系半導体や、炭化珪素（ＳｉＣ）といったワイドバンドギャップ半導体の実用化に向けた研究開発が活発に行われるようになり、低消費電力を実現できるワイドバンドギャップ半導体の双方向スイッチを使用した２線式交流スイッチが考案されている（参考文献１、２）。
【０００３】
図１４はIII族窒化物半導体の双方向スイッチを使用した２線式交流スイッチを示す回路図である。双方向スイッチ３は、双方向に電流を流す構成を有するとともに当該電流の流れをオン又はオフする、III族窒化物半導体から構成されるダブルゲートのスイッチ素子であり、スイッチング（導通／非導通）の対象となるスイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２と、電流の流れのオン及びオフを制御するための２つのゲート端子Ｇ１、Ｇ２と、この双方向スイッチ３を形成している基板と電気的に接続された基板端子Ｓｕｂ（以下、「Ｓｕｂ端子」と称する場合がある）とを有する。ここで、商用交流電源１と、負荷２と、双方向スイッチ３（そのスイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２）とは、閉回路を構成するように、直列に接続されている。
【０００４】
全波整流器４は、双方向スイッチ３に並列に接続され、商用交流電源１から供給される交流電力を全波整流するブリッジダイオード等である。
電源回路５は、全波整流器４から出力される全波整流後の電圧を平滑化し、直流電源を供給する回路である。第１のゲート駆動回路７、第２のゲート駆動回路８及び制御回路６に必要な電源は、電源回路５から供給されている。
【０００５】
制御回路６は、第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８を制御する回路である。具体的には、商用交流電源１から負荷２に電力を供給する場合には、第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８に、それぞれ、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１及びゲート端子Ｇ２に対して閾値電圧より高い電圧をもつ制御信号を出力させることによって双方向スイッチ３をオン状態にさせ、一方、商用交流電源１から負荷２への電力供給を遮断する場合には、第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８に、それぞれ、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１及びゲート端子Ｇ２に対して閾値電圧より低い電圧をもつ制御信号を出力させることによって双方向スイッチ３をオフ状態にさせる。
【０００６】
より詳しくは、外部設定部１１より、商用交流電源１から負荷２に電力を供給するか否かを示す信号が制御回路６に伝達される。その伝達された信号に基づいて、制御回路６は、第１のゲート駆動回路７の入力端子ＳＩＮ１及び第２のゲート駆動回路８の入力端子ＳＩＮ２に、制御信号を出力する。
第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８は、制御回路６からの制御信号に基づいて、それぞれ、その出力端子ＯＵＴ１及びＯＵＴ２から双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１及びＧ２に制御信号を出力することにより、双方向スイッチ３のスイッチング動作を制御する。具体的には、第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８から、それぞれ、双方向スイッチ３（より詳しくは、そのゲート）の閾値電圧より高い電圧がゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に印加されると、双方向スイッチ３のスイッチ端子Ｓ１とスイッチ端子Ｓ２との間が導通状態になり、負荷２に電力が供給される。一方、第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８の少なくとも一方から、それぞれ、双方向スイッチ３（より詳しくは、そのゲート）の閾値電圧より低い電圧がゲート端子Ｇ１、ゲート端子Ｇ２に印加されると、双方向スイッチ３のスイッチ端子Ｓ１とスイッチ端子Ｓ２との間が非導通状態になり、負荷２への電力供給が遮断される。これにより、III族窒化物半導体から構成される双方向スイッチ３を用いた２線式交流スイッチが実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開番号 WO2010-073092_A1
【特許文献２】国際公開番号 WO2010-146433_A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、双方向スイッチは、Ｓｕｂ端子をフローティングにして使用するとオン抵抗が大きくなり、双方向スイッチがオン状態で消費電力が大きくなるという課題がある。また、Ｓｕｂ端子を接地して使用するとオン抵抗は小さくすることが可能であるが、ゲート端子Ｇ１、ゲート端子Ｇ２、スイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２からＳｕｂ端子にリーク電流が流れるため、双方向スイッチのオフ時のリーク電流が大きくなり、双方向スイッチのオフ時の消費電力が大きくなるという課題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、２線式交流スイッチの低消費電力化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る２線式交流スイッチは、交流電源と負荷とを結ぶ電路に挿入される２線式交流スイッチであって、第１及び第２のスイッチ端子と、前記第１及び第２のスイッチ端子間のオンオフを制御するための第１及び第２のゲート端子と、基板端子とを有し、前記第１及び第２のスイッチ端子間に双方向に電流を流すことができ、前記第１のスイッチ端子が前記交流電源に接続され、前記第２のスイッチ端子が前記負荷に接続される半導体スイッチからなるメインスイッチと、前記メインスイッチの基板端子を接地するかフローティングにするかを切り替えるサブスイッチと、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成によれば、双方向に電流を流すことが可能な半導体スイッチであるメインスイッチの基板端子の接続をメインスイッチの動作状態に合わせてサブスイッチで切替える事により、従来よりも低消費電力化を実現でき、より大きい負荷に接続して用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図
【図２】双方向スイッチ３の構造を示す断面図
【図３】図１の２線式交流スイッチの動作を示すタイミングチャート
【図４】双方向スイッチ３の特性を示す図
【図５】本発明の実施の形態の変形例を示すタイミングチャート
【図６】本発明の実施の形態の変形例を示す回路図
【図７】本発明の実施の形態の変形例を示す回路図
【図８】本発明の実施の形態の変形例を示す回路図
【図９】図１および図７の概念図
【図１０】図６および図８の概念図
【図１１】本発明の実施の形態の変形例を示す回路図
【図１２】図１１の２線式交流スイッチの動作を示すタイミングチャート
【図１３】本発明の実施の形態の変形例を示すタイミングチャート
【図１４】従来の２線式交流スイッチの回路図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の２線式交流スイッチの実施の形態について、図面を参照して説明する。
＜回路構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図である。この２線式交流スイッチ１０は、商用交流電源１と照明器具等の負荷２とを結ぶ電路に挿入される交流スイッチであり、双方向スイッチ３と、全波整流器４と、電源回路５と、第１のゲート駆動回路７と、第２のゲート駆動回路８と、制御回路６と、半導体スイッチ９を備える。
【００１４】
本実施の形態は、半導体スイッチ９がＳｕｂ端子と接地端子とを結ぶ電路に挿入されている。回路構成に関してはこれ以外の点は図１４と同じなので説明を省略する。
半導体スイッチ９は、メインスイッチである双方向スイッチ３のＳｕｂ端子を接地するかフローティングにするかを切り替えるためのサブスイッチである。半導体スイッチ９がオンのときは双方向スイッチ３のＳｕｂ端子は接地され、オフのときは双方向スイッチ３のＳｕｂ端子はフローティングになる。ここで、フローティングとは、数１００ＭΩ〜数１０００ＭΩ程度の高抵抗を介した接地を含むものとする。本実施の形態では、半導体スイッチの一例として電界効果トランジスタを採用している。
【００１５】
＜双方向スイッチの構造＞
図２は、双方向スイッチ３の構造を示す断面図である。図２に示すように、双方向スイッチ３は、導電性のシリコン（Ｓｉ）基板１２６の上に形成された厚さが約１μｍのバッファ層１２７と、バッファ層１２７の上に形成された半導体積層体（第１の半導体層１２８と第２の半導体層１２９）とを有している。バッファ層１２７は、交互に積層された厚さが１０ｎｍ程度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。半導体積層体は、基板１２６側から順次積層された、第１の半導体層１２８と、第１の半導体層１２８と比べてバンドギャップが大きい第２の半導体層１２９とから構成される。本実施の形態においては、第１の半導体層１２８は、厚さが２μｍ程度のアンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）層である。第２の半導体層１２９は、厚さが２０ｎｍ程度のｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層である。これにより、極めてオン抵抗が低い双方向スイッチが実現される。
【００１６】
ＧａＮからなる第１の半導体層１２８とＡｌＧａＮからなる第２の半導体層１２９とのヘテロ界面近傍には、自発分極及びピエゾ分極による電荷が生じる。これにより、シートキャリア濃度が１×１０１３ｃｍ−２以上で、且つ、移動度が１０００ｃｍ２Ｖ／ｓｅｃ以上の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層であるチャネル領域が生成される。
半導体積層体の上、つまり、第１の半導体層１２８と第２の半導体層１２９との上には、互いに間隔をおいて第１のオーミック電極１２３Ａと第２のオーミック電極１２３Ｂとが形成されている。第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂは、いずれも、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とが積層されており、上述したチャネル領域とオーミック接触している。図２には、コンタクト抵抗を低減するために、第２の半導体層１２９の一部を除去すると共に第１の半導体層１２８を４０ｎｍ程度掘り下げて、第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂが第１の半導体層１２８と第２の半導体層１２９との界面に接するように形成した例が示されている。なお、第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂは、第２の半導体層１２９の上に形成してもよい。
【００１７】
第１のオーミック電極１２３Ａの上に、ＡｕとＴｉからなる第１のオーミック電極配線１２２Ａが形成されており、第１のオーミック電極１２３Ａと電気的に接続されている。同様に、第２のオーミック電極１２３Ｂの上にＡｕとＴｉからなる第２のオーミック電極配線１２２Ｂが形成されており、第２のオーミック電極１２３Ｂと電気的に接続されている。
【００１８】
第２の半導体層１２９の上における、第１のオーミック電極１２３Ａと第２のオーミック電極１２３Ｂとの間の領域には、双方向スイッチ１０３のダブルゲートを構成する第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂと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１２５Ａの上には第１のゲート電極１２４Ａが形成され、第２のｐ型半導体層１２５Ｂの上には第２のゲート電極１２４Ｂが形成されている。第１のゲート電極１２４Ａ及び第２のゲート電極１２４Ｂは、いずれも、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１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂとオーミック接触している。
【００１９】
第１のオーミック電極配線１２２Ａ、第１のオーミック電極１２３Ａ、第２の半導体層１２９、第１のｐ型半導体層１２５Ａ、第１のゲート電極１２４Ａ、第２のｐ型半導体層１２５Ｂ、第２のゲート電極１２４Ｂ、第２のオーミック電極１２３Ｂ及び第２のオーミック電極配線１２２Ｂを覆うように窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる保護膜１３０が形成されている。
【００２０】
シリコン基板１２６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８００ｎｍ程度の裏面電極１３１が形成されており、裏面電極１３１はシリコン基板１２６とオーミック接合している。
第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂは、それぞれ厚さが３００ｎｍ程度で、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされたｐ型のＧａＮからなる。第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂと、第２の半導体層１２９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１２３Ａと第１のゲート電極１２４Ａとの間の電圧が例えば０Ｖ以下の場合には、第１のｐ型半導体層１２５Ａ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１２３Ｂと第２のゲート電極１２４Ｂとの間の電圧が、例えば０Ｖ以下の場合には、第２のｐ型半導体層１２５Ｂ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。従って、いわゆるノーマリーオフ動作をするダブルゲートのスイッチ素子が実現できる。また、第１のｐ型半導体層１２５Ａと第２のｐ型半導体層１２５Ｂとの間の距離は、第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂに印加される最大電圧に耐えられるように設計する。
【００２１】
なお、第１のオーミック電極１２３Ａと接続された端子Ｓ１、第１のゲート電極１２４Ａと接続された端子Ｇ１、第２のゲート電極１２４Ｂと接続された端子Ｇ２及び第２のオーミック電極１２３Ｂと接続された端子Ｓ２は、それぞれ、図１のスイッチ端子Ｓ１、ゲート端子Ｇ１、ゲート端子Ｇ２及びスイッチ端子Ｓ２に対応する。また、裏面電極１３１と接続された端子Ｓｕｂは、図１の基板端子Ｓｕｂに対応する。
【００２２】
＜動作＞
図３は、図１の２線式交流スイッチの動作を示すタイミングチャートである。図３中、ＶＡＣは商用交流電源１の電圧、ＶＳ２Ｓ１は双方向スイッチ３のスイッチ端子間の電圧、ＩＳ２Ｓ１は双方向スイッチ３のスイッチ端子間に流れる電流、ＶＧ１は双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１に入力される制御信号、ＶＧ２は双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ２に入力される制御信号、Ｓｕｂ端子接続切替えスイッチ信号は半導体スイッチ９のゲート端子に入力される制御信号である。本実施の形態では位相制御により商用交流電源１から負荷２に供給される電力を調整している。図３で制御信号ＶＧ１、ＶＧ２がパルスを繰り返しているのは位相制御をしているからである。
【００２３】
図３に示すタイミングチャートでは、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に繰返しパルスが印加されている間（双方向スイッチ３がオン状態の間）は、制御回路６は半導体スイッチ９にオン信号を印加してＳｕｂ端子を接地するように制御している。一方、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に繰返しパルスが印加されない間（双方向スイッチ３がオフ状態の間）は、制御回路６は半導体スイッチ９にオフ信号を印加してＳｕｂ端子がフローティングになるように制御している。
【００２４】
＜効果＞
図４に示すように、双方向スイッチ３は、Ｓｕｂ端子をフローティングにして使用するとオン抵抗が大きくなり、双方向スイッチがオン状態で消費電力が大きくなる。また、Ｓｕｂ端子を接地して使用するとオン抵抗は小さくすることが可能であるが、ゲート端子Ｇ１、ゲート端子Ｇ２、スイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２からＳｕｂ端子にリーク電流が流れるため、双方向スイッチ３のオフ時のリーク電流が大きくなり、双方向スイッチ３のオフ時の消費電力が大きくなる。
【００２５】
本実施の形態では、双方向スイッチ３のオンオフの状態に合わせて半導体スイッチ９のオンオフを切り替えることで、双方向スイッチ３がオンのときはＳｕｂ端子を接地し、双方向スイッチ３がオフのときはＳｕｂ端子をフローティングにすることができる。これにより、双方向スイッチ３がオンのときはオン抵抗を低下させるとともに、双方向スイッチ３がオフのときはリーク電流を低下させることができる。したがって、双方向スイッチ３の消費電力、ひいては２線式交流スイッチ１０の消費電力を低下させることができる。また、双方向スイッチ３がオフのときはＳｕｂ端子をフローティングにするので、Ｓｕｂ端子からのサージに対して双方向スイッチ３を保護することができる。
【００２６】
また、近年、材料限界を打破して導通損失を低減するために、ＧａＮに代表されるIII族窒化物半導体又は炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドギャップ半導体を用いた半導体素子の導入が検討されている。ワイドギャップ半導体は絶縁破壊電界がシリコン（Ｓｉ）と比べて約１桁高い。窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）とのヘテロ接合界面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、アンドープ時においても１×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度と１０００ｃｍ２Ｖ／ｓｅｃ以上の高移動度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層が形成される。このため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴ）は、低オン抵抗及び高耐圧を実現するパワースイッチングトランジスタとして期待されている。
【００２７】
特に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ接合を利用して２つのゲート電極を有する構造にすることにより、１つの半導体素子で、双方向スイッチを形成することが可能となる。この構造を有した双方向スイッチは、互いに逆方向に直列に接続した２個のトランジスタと回路的には等価で、従来のトライアックよりもオン抵抗の低減が可能になり、第１のオーミック電極側から第２のオーミック電極側へ流れる電流も、第２のオーミック電極側から第１のオーミック電極側へ流れる電流も共に制御することができる。このため、III族窒化物半導体から構成される、２つのゲート電極を有する双方向スイッチは、従来使用されているトライアック単体、パワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）又はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワートランジスタを複数個組み合わせた従来の双方向スイッチよりも小型化で、かつ、省電力化を図ることができる素子として注目されている。
【００２８】
本実施の形態では、このようなIII族窒化物半導体から構成される双方向スイッチを採用しているので、小型で省電力の２線式交流スイッチを実現することができる。
＜変形例＞
（１）制御
上記実施の形態では、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１、Ｇ２に繰り返しパルスが印加されているか否かで半導体スイッチ９のオンオフを切り替えている。しかしながら、本発明は、これに限られない。双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１、Ｇ２に繰り返しパルスが印加されているときは、負荷２に電力が供給されているので双方向スイッチ３はオン状態であると言えるものの、微視的には双方向スイッチ３はオンオフを繰り返している。そこで、図５に示すように、双方向スイッチ３のオンオフに合わせて半導体スイッチ９をオンオフしてもよい。
【００２９】
図５に示すタイミングチャートでは、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２にオン信号が印加されている間、制御回路６は半導体スイッチ９にオン信号を印加してＳｕｂ端子を接地するように制御している。一方、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２にオフ信号が印加される間、制御回路６は半導体スイッチ９にオフ信号を印加してＳｕｂ端子がフローティングになるように制御している。
【００３０】
（２）抵抗を介した接地
上記実施の形態では、双方向スイッチ３のＳｕｂ端子は抵抗を介さずに接地されているが、本発明はこれに限られない。図６に示す２線式交流スイッチ１０ａでは、双方向スイッチ３のＳｕｂ端子と接地端子とを結ぶ電路に、半導体スイッチ９と直列に抵抗１２が挿入されている。抵抗１２の抵抗値は、数１０Ω〜数ＭΩ程度である。Ｓｕｂ端子を接地すると、オン抵抗は低下するものの、リーク電流が増加する恐れがある。図６に示すように抵抗を介した接地とすることで、両者のバランスをとることができる。なお、動作は、図３、図５のどちらを採用しても構わない。
【００３１】
（３）スイッチの種類
上記実施の形態では、半導体スイッチを採用しているが、本発明はこれに限られない。図７、図８に示す２線式交流スイッチ１０ｂ、１０ｃでは、半導体スイッチ９の代わりに機械式のリレー１３を採用している。図９は、図１および図７の概念図であり、図１０は、図６および図８の概念図である。ここでは、スイッチ１４がＳｕｂ端子と接地端子とを結ぶ電路に挿入されている。
【００３２】
（４）３状態の切り替え
上記実施の形態では、双方向スイッチ３のＳｕｂ端子をフローティングと接地の２状態に切り替えているが、本発明はこれに限られない。図１１に示す２線式交流スイッチ１０ｆでは、双方向スイッチ３のＳｕｂ端子と接地端子とを結ぶ電路に、以下の（ａ）〜（ｃ）の３状態の何れかを選択できるスイッチ１５が挿入されている。
【００３３】
（ａ）Ｓｕｂ端子がフローティング
（ｂ）Ｓｕｂ端子が抵抗を介して接地
（ｃ）Ｓｕｂ端子が抵抗を介さずに接地
図１２は、図１０の２線式交流スイッチの動作を示すタイミングチャートである。図１２に示すタイミングチャートでは、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に繰返しパルスが印加されている間（双方向スイッチ３がオン状態の間）は、制御回路６は半導体スイッチ９にオン信号を印加してＳｕｂ端子を接地するように制御している。ただし、双方向スイッチ３がオン状態になってから所定期間が経過するまでは、Ｓｕｂ端子が抵抗を介さずに接地され、所定期間を経過すれば、Ｓｕｂ端子が抵抗１２を介して接地される。一方、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に繰返しパルスが印加されない間（双方向スイッチ３がオフ状態の間）は、制御回路６は半導体スイッチ９にオフ信号を印加してＳｕｂ端子がフローティングになるように制御している。所定期間の長さは、負荷の種類などに応じて予め決められている。
【００３４】
（５）切り替えタイミング
上記実施の形態では、双方向スイッチ３をオフからオンに切り替えるタイミングと、双方向スイッチ３のＳｕｂ端子をフローティングから接地に切り替えるタイミングとが一致しているが、本発明はこれに限られない。
図１３は双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に印加される制御信号とＳｕｂ端子に直列に接続された半導体スイッチ９に印加される制御信号の詳細なタイミングを示した図である。図１３の動作では、双方向スイッチ３をオフからオンに切り替える（２線式交流スイッチをオンにする）とき、ゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に印加される制御信号より早いタイミングで、Ｓｕｂ端子に直列に接続された半導体スイッチ９にオン信号を印加している。これにより双方向スイッチ３のオン抵抗をさらに小さくすることができ、負荷に大電流を流すことができる。
【００３５】
（６）その他
以上、本発明に係る２線式交流スイッチについて、実施の形態及びその変形例を用いて
説明したが、本発明は、これらの実施の形態及び変形例に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、これらの実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく種々の変形を施して得られる形態や、これらの実施の形態及び変形例を任意に組み合わせて得られる形態も、本発明に含まれる。
【００３６】
たとえば、上記実施の形態においては、双方向スイッチ３は、ゲート電極がｐ型半導体層（第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂ）の上に形成されたノーマリーオフ型のダブルゲートの半導体素子であった。しかし、本発明に係る双方向スイッチのゲートは、このような構造に限定されない。たとえば、ゲートリセスを形成したり、第２の半導体層１２９の膜厚を薄くしたりすることにより、ノーマリーオフ特性を実現してもよい。
【００３７】
また、本発明に係る双方向スイッチのゲートの構造として、ゲート電極下のｐ型半導体に代えて絶縁層を設けることで絶縁型のゲートとしたり、ゲート電極下のｐ型半導体を設けることなくゲート電極と半導体積層体とがショットキー接合するような接合型のゲートとしてもよい。
また、回路構成によっては、双方向スイッチ３は、ノーマリーオン型のダブルゲートの半導体素子として実現することも可能である。
【００３８】
また、双方向スイッチ３の基板については、シリコン基板である例を示したが、本発明はシリコン基板に限定されるものではない。窒化物半導体が形成できる基板であればよく、Ｓｉ基板に代えて炭化珪素（ＳｉＣ）基板又はサファイア基板又は他の基板としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る２線式交流スイッチは、例えば、調光機能をもつ住宅の照明灯や換気扇の制御用の２線式交流スイッチとして有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 商用交流電源
２ 負荷
３ 双方向スイッチ
４ 全波整流器
５ 電源回路
６ 制御回路
７ ゲート駆動回路
８ ゲート駆動回路
９ 半導体スイッチ
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ ２線式交流スイッチ
１１ 外部設定部
１２ 抵抗
１３ リレー
１４ スイッチ
１５ スイッチ
１０３ 双方向スイッチ
１２２Ａ、１２２Ｂ オーミック電極配線
１２３Ａ、１２３Ｂ オーミック電極
１２４Ａ、１２４Ｂ ゲート電極
１２５Ａ、１２５Ｂ ｐ型半導体層
１２６ 基板
１２７ バッファ層
１２８ 第１の半導体層
１２９ 第２の半導体層
１３０ 保護膜
１３１ 裏面電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２線式交流スイッチに関し、特に双方向に電流を流すことができる半導体スイッチを備えた２線式交流スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、調光機能、リモコン機能、人センサー機能などを有する高機能な２線式交流スイッチが商品化されている。これに使用されるスイッチには、双方向に電流を流すことができ、且つ、正負両極性で耐圧を確保できることが要求される。近年、半導体デバイス材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される窒化物系半導体や、炭化珪素（ＳｉＣ）といったワイドバンドギャップ半導体の実用化に向けた研究開発が活発に行われるようになり、低消費電力を実現できるワイドバンドギャップ半導体の双方向スイッチを使用した２線式交流スイッチが考案されている（参考文献１、２）。
【０００３】
図１４はIII族窒化物半導体の双方向スイッチを使用した２線式交流スイッチを示す回路図である。双方向スイッチ３は、双方向に電流を流す構成を有するとともに当該電流の流れをオン又はオフする、III族窒化物半導体から構成されるダブルゲートのスイッチ素子であり、スイッチング（導通／非導通）の対象となるスイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２と、電流の流れのオン及びオフを制御するための２つのゲート端子Ｇ１、Ｇ２と、この双方向スイッチ３を形成している基板と電気的に接続された基板端子Ｓｕｂ（以下、「Ｓｕｂ端子」と称する場合がある）とを有する。ここで、商用交流電源１と、負荷２と、双方向スイッチ３（そのスイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２）とは、閉回路を構成するように、直列に接続されている。
【０００４】
全波整流器４は、双方向スイッチ３に並列に接続され、商用交流電源１から供給される交流電力を全波整流するブリッジダイオード等である。
電源回路５は、全波整流器４から出力される全波整流後の電圧を平滑化し、直流電源を供給する回路である。第１のゲート駆動回路７、第２のゲート駆動回路８及び制御回路６に必要な電源は、電源回路５から供給されている。
【０００５】
制御回路６は、第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８を制御する回路である。具体的には、商用交流電源１から負荷２に電力を供給する場合には、第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８に、それぞれ、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１及びゲート端子Ｇ２に対して閾値電圧より高い電圧をもつ制御信号を出力させることによって双方向スイッチ３をオン状態にさせ、一方、商用交流電源１から負荷２への電力供給を遮断する場合には、第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８に、それぞれ、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１及びゲート端子Ｇ２に対して閾値電圧より低い電圧をもつ制御信号を出力させることによって双方向スイッチ３をオフ状態にさせる。
【０００６】
より詳しくは、外部設定部１１より、商用交流電源１から負荷２に電力を供給するか否かを示す信号が制御回路６に伝達される。その伝達された信号に基づいて、制御回路６は、第１のゲート駆動回路７の入力端子ＳＩＮ１及び第２のゲート駆動回路８の入力端子ＳＩＮ２に、制御信号を出力する。
第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８は、制御回路６からの制御信号に基づいて、それぞれ、その出力端子ＯＵＴ１及びＯＵＴ２から双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１及びＧ２に制御信号を出力することにより、双方向スイッチ３のスイッチング動作を制御する。具体的には、第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８から、それぞれ、双方向スイッチ３（より詳しくは、そのゲート）の閾値電圧より高い電圧がゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に印加されると、双方向スイッチ３のスイッチ端子Ｓ１とスイッチ端子Ｓ２との間が導通状態になり、負荷２に電力が供給される。一方、第１のゲート駆動回路７及び第２のゲート駆動回路８の少なくとも一方から、それぞれ、双方向スイッチ３（より詳しくは、そのゲート）の閾値電圧より低い電圧がゲート端子Ｇ１、ゲート端子Ｇ２に印加されると、双方向スイッチ３のスイッチ端子Ｓ１とスイッチ端子Ｓ２との間が非導通状態になり、負荷２への電力供給が遮断される。これにより、III族窒化物半導体から構成される双方向スイッチ３を用いた２線式交流スイッチが実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開番号 WO2010-073092_A1
【特許文献２】国際公開番号 WO2010-146433_A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、双方向スイッチは、Ｓｕｂ端子をフローティングにして使用するとオン抵抗が大きくなり、双方向スイッチがオン状態で消費電力が大きくなるという課題がある。また、Ｓｕｂ端子を接地して使用するとオン抵抗は小さくすることが可能であるが、ゲート端子Ｇ１、ゲート端子Ｇ２、スイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２からＳｕｂ端子にリーク電流が流れるため、双方向スイッチのオフ時のリーク電流が大きくなり、双方向スイッチのオフ時の消費電力が大きくなるという課題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、２線式交流スイッチの低消費電力化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る２線式交流スイッチは、交流電源と負荷とを結ぶ電路に挿入される２線式交流スイッチであって、第１及び第２のスイッチ端子と、前記第１及び第２のスイッチ端子間のオンオフを制御するための第１及び第２のゲート端子と、基板端子とを有し、前記第１及び第２のスイッチ端子間に双方向に電流を流すことができ、前記第１のスイッチ端子が前記交流電源に接続され、前記第２のスイッチ端子が前記負荷に接続される半導体スイッチからなるメインスイッチと、前記メインスイッチの基板端子を接地するかフローティングにするかを切り替えるサブスイッチと、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成によれば、双方向に電流を流すことが可能な半導体スイッチであるメインスイッチの基板端子の接続をメインスイッチの動作状態に合わせてサブスイッチで切替える事により、従来よりも低消費電力化を実現でき、より大きい負荷に接続して用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図
【図２】双方向スイッチ３の構造を示す断面図
【図３】図１の２線式交流スイッチの動作を示すタイミングチャート
【図４】双方向スイッチ３の特性を示す図
【図５】本発明の実施の形態の変形例を示すタイミングチャート
【図６】本発明の実施の形態の変形例を示す回路図
【図７】本発明の実施の形態の変形例を示す回路図
【図８】本発明の実施の形態の変形例を示す回路図
【図９】図１および図７の概念図
【図１０】図６および図８の概念図
【図１１】本発明の実施の形態の変形例を示す回路図
【図１２】図１１の２線式交流スイッチの動作を示すタイミングチャート
【図１３】本発明の実施の形態の変形例を示すタイミングチャート
【図１４】従来の２線式交流スイッチの回路図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の２線式交流スイッチの実施の形態について、図面を参照して説明する。
＜回路構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る２線式交流スイッチの回路図である。この２線式交流スイッチ１０は、商用交流電源１と照明器具等の負荷２とを結ぶ電路に挿入される交流スイッチであり、双方向スイッチ３と、全波整流器４と、電源回路５と、第１のゲート駆動回路７と、第２のゲート駆動回路８と、制御回路６と、半導体スイッチ９を備える。
【００１４】
本実施の形態は、半導体スイッチ９がＳｕｂ端子と接地端子とを結ぶ電路に挿入されている。回路構成に関してはこれ以外の点は図１４と同じなので説明を省略する。
半導体スイッチ９は、メインスイッチである双方向スイッチ３のＳｕｂ端子を接地するかフローティングにするかを切り替えるためのサブスイッチである。半導体スイッチ９がオンのときは双方向スイッチ３のＳｕｂ端子は接地され、オフのときは双方向スイッチ３のＳｕｂ端子はフローティングになる。ここで、フローティングとは、数１００ＭΩ〜数１０００ＭΩ程度の高抵抗を介した接地を含むものとする。本実施の形態では、半導体スイッチの一例として電界効果トランジスタを採用している。
【００１５】
＜双方向スイッチの構造＞
図２は、双方向スイッチ３の構造を示す断面図である。図２に示すように、双方向スイッチ３は、導電性のシリコン（Ｓｉ）基板１２６の上に形成された厚さが約１μｍのバッファ層１２７と、バッファ層１２７の上に形成された半導体積層体（第１の半導体層１２８と第２の半導体層１２９）とを有している。バッファ層１２７は、交互に積層された厚さが１０ｎｍ程度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。半導体積層体は、基板１２６側から順次積層された、第１の半導体層１２８と、第１の半導体層１２８と比べてバンドギャップが大きい第２の半導体層１２９とから構成される。本実施の形態においては、第１の半導体層１２８は、厚さが２μｍ程度のアンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）層である。第２の半導体層１２９は、厚さが２０ｎｍ程度のｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層である。これにより、極めてオン抵抗が低い双方向スイッチが実現される。
【００１６】
ＧａＮからなる第１の半導体層１２８とＡｌＧａＮからなる第２の半導体層１２９とのヘテロ界面近傍には、自発分極及びピエゾ分極による電荷が生じる。これにより、シートキャリア濃度が１×１０１３ｃｍ−２以上で、且つ、移動度が１０００ｃｍ２Ｖ／ｓｅｃ以上の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層であるチャネル領域が生成される。
半導体積層体の上、つまり、第１の半導体層１２８と第２の半導体層１２９との上には、互いに間隔をおいて第１のオーミック電極１２３Ａと第２のオーミック電極１２３Ｂとが形成されている。第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂは、いずれも、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とが積層されており、上述したチャネル領域とオーミック接触している。図２には、コンタクト抵抗を低減するために、第２の半導体層１２９の一部を除去すると共に第１の半導体層１２８を４０ｎｍ程度掘り下げて、第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂが第１の半導体層１２８と第２の半導体層１２９との界面に接するように形成した例が示されている。なお、第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂは、第２の半導体層１２９の上に形成してもよい。
【００１７】
第１のオーミック電極１２３Ａの上に、ＡｕとＴｉからなる第１のオーミック電極配線１２２Ａが形成されており、第１のオーミック電極１２３Ａと電気的に接続されている。同様に、第２のオーミック電極１２３Ｂの上にＡｕとＴｉからなる第２のオーミック電極配線１２２Ｂが形成されており、第２のオーミック電極１２３Ｂと電気的に接続されている。
【００１８】
第２の半導体層１２９の上における、第１のオーミック電極１２３Ａと第２のオーミック電極１２３Ｂとの間の領域には、双方向スイッチ１０３のダブルゲートを構成する第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂと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１２５Ａの上には第１のゲート電極１２４Ａが形成され、第２のｐ型半導体層１２５Ｂの上には第２のゲート電極１２４Ｂが形成されている。第１のゲート電極１２４Ａ及び第２のゲート電極１２４Ｂは、いずれも、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１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂとオーミック接触している。
【００１９】
第１のオーミック電極配線１２２Ａ、第１のオーミック電極１２３Ａ、第２の半導体層１２９、第１のｐ型半導体層１２５Ａ、第１のゲート電極１２４Ａ、第２のｐ型半導体層１２５Ｂ、第２のゲート電極１２４Ｂ、第２のオーミック電極１２３Ｂ及び第２のオーミック電極配線１２２Ｂを覆うように窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる保護膜１３０が形成されている。
【００２０】
シリコン基板１２６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８００ｎｍ程度の裏面電極１３１が形成されており、裏面電極１３１はシリコン基板１２６とオーミック接合している。
第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂは、それぞれ厚さが３００ｎｍ程度で、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされたｐ型のＧａＮからなる。第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂと、第２の半導体層１２９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１２３Ａと第１のゲート電極１２４Ａとの間の電圧が例えば０Ｖ以下の場合には、第１のｐ型半導体層１２５Ａ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１２３Ｂと第２のゲート電極１２４Ｂとの間の電圧が、例えば０Ｖ以下の場合には、第２のｐ型半導体層１２５Ｂ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。従って、いわゆるノーマリーオフ動作をするダブルゲートのスイッチ素子が実現できる。また、第１のｐ型半導体層１２５Ａと第２のｐ型半導体層１２５Ｂとの間の距離は、第１のオーミック電極１２３Ａ及び第２のオーミック電極１２３Ｂに印加される最大電圧に耐えられるように設計する。
【００２１】
なお、第１のオーミック電極１２３Ａと接続された端子Ｓ１、第１のゲート電極１２４Ａと接続された端子Ｇ１、第２のゲート電極１２４Ｂと接続された端子Ｇ２及び第２のオーミック電極１２３Ｂと接続された端子Ｓ２は、それぞれ、図１のスイッチ端子Ｓ１、ゲート端子Ｇ１、ゲート端子Ｇ２及びスイッチ端子Ｓ２に対応する。また、裏面電極１３１と接続された端子Ｓｕｂは、図１の基板端子Ｓｕｂに対応する。
【００２２】
＜動作＞
図３は、図１の２線式交流スイッチの動作を示すタイミングチャートである。図３中、ＶＡＣは商用交流電源１の電圧、ＶＳ２Ｓ１は双方向スイッチ３のスイッチ端子間の電圧、ＩＳ２Ｓ１は双方向スイッチ３のスイッチ端子間に流れる電流、ＶＧ１は双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１に入力される制御信号、ＶＧ２は双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ２に入力される制御信号、Ｓｕｂ端子接続切替えスイッチ信号は半導体スイッチ９のゲート端子に入力される制御信号である。本実施の形態では位相制御により商用交流電源１から負荷２に供給される電力を調整している。図３で制御信号ＶＧ１、ＶＧ２がパルスを繰り返しているのは位相制御をしているからである。
【００２３】
図３に示すタイミングチャートでは、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に繰返しパルスが印加されている間（双方向スイッチ３がオン状態の間）は、制御回路６は半導体スイッチ９にオン信号を印加してＳｕｂ端子を接地するように制御している。一方、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に繰返しパルスが印加されない間（双方向スイッチ３がオフ状態の間）は、制御回路６は半導体スイッチ９にオフ信号を印加してＳｕｂ端子がフローティングになるように制御している。
【００２４】
＜効果＞
図４に示すように、双方向スイッチ３は、Ｓｕｂ端子をフローティングにして使用するとオン抵抗が大きくなり、双方向スイッチがオン状態で消費電力が大きくなる。また、Ｓｕｂ端子を接地して使用するとオン抵抗は小さくすることが可能であるが、ゲート端子Ｇ１、ゲート端子Ｇ２、スイッチ端子Ｓ１及びスイッチ端子Ｓ２からＳｕｂ端子にリーク電流が流れるため、双方向スイッチ３のオフ時のリーク電流が大きくなり、双方向スイッチ３のオフ時の消費電力が大きくなる。
【００２５】
本実施の形態では、双方向スイッチ３のオンオフの状態に合わせて半導体スイッチ９のオンオフを切り替えることで、双方向スイッチ３がオンのときはＳｕｂ端子を接地し、双方向スイッチ３がオフのときはＳｕｂ端子をフローティングにすることができる。これにより、双方向スイッチ３がオンのときはオン抵抗を低下させるとともに、双方向スイッチ３がオフのときはリーク電流を低下させることができる。したがって、双方向スイッチ３の消費電力、ひいては２線式交流スイッチ１０の消費電力を低下させることができる。また、双方向スイッチ３がオフのときはＳｕｂ端子をフローティングにするので、Ｓｕｂ端子からのサージに対して双方向スイッチ３を保護することができる。
【００２６】
また、近年、材料限界を打破して導通損失を低減するために、ＧａＮに代表されるIII族窒化物半導体又は炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドギャップ半導体を用いた半導体素子の導入が検討されている。ワイドギャップ半導体は絶縁破壊電界がシリコン（Ｓｉ）と比べて約１桁高い。窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）とのヘテロ接合界面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、アンドープ時においても１×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度と１０００ｃｍ２Ｖ／ｓｅｃ以上の高移動度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層が形成される。このため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴ）は、低オン抵抗及び高耐圧を実現するパワースイッチングトランジスタとして期待されている。
【００２７】
特に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ接合を利用して２つのゲート電極を有する構造にすることにより、１つの半導体素子で、双方向スイッチを形成することが可能となる。この構造を有した双方向スイッチは、互いに逆方向に直列に接続した２個のトランジスタと回路的には等価で、従来のトライアックよりもオン抵抗の低減が可能になり、第１のオーミック電極側から第２のオーミック電極側へ流れる電流も、第２のオーミック電極側から第１のオーミック電極側へ流れる電流も共に制御することができる。このため、III族窒化物半導体から構成される、２つのゲート電極を有する双方向スイッチは、従来使用されているトライアック単体、パワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）又はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワートランジスタを複数個組み合わせた従来の双方向スイッチよりも小型化で、かつ、省電力化を図ることができる素子として注目されている。
【００２８】
本実施の形態では、このようなIII族窒化物半導体から構成される双方向スイッチを採用しているので、小型で省電力の２線式交流スイッチを実現することができる。
＜変形例＞
（１）制御
上記実施の形態では、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１、Ｇ２に繰り返しパルスが印加されているか否かで半導体スイッチ９のオンオフを切り替えている。しかしながら、本発明は、これに限られない。双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１、Ｇ２に繰り返しパルスが印加されているときは、負荷２に電力が供給されているので双方向スイッチ３はオン状態であると言えるものの、微視的には双方向スイッチ３はオンオフを繰り返している。そこで、図５に示すように、双方向スイッチ３のオンオフに合わせて半導体スイッチ９をオンオフしてもよい。
【００２９】
図５に示すタイミングチャートでは、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２にオン信号が印加されている間、制御回路６は半導体スイッチ９にオン信号を印加してＳｕｂ端子を接地するように制御している。一方、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２にオフ信号が印加される間、制御回路６は半導体スイッチ９にオフ信号を印加してＳｕｂ端子がフローティングになるように制御している。
【００３０】
（２）抵抗を介した接地
上記実施の形態では、双方向スイッチ３のＳｕｂ端子は抵抗を介さずに接地されているが、本発明はこれに限られない。図６に示す２線式交流スイッチ１０ａでは、双方向スイッチ３のＳｕｂ端子と接地端子とを結ぶ電路に、半導体スイッチ９と直列に抵抗１２が挿入されている。抵抗１２の抵抗値は、数１０Ω〜数ＭΩ程度である。Ｓｕｂ端子を接地すると、オン抵抗は低下するものの、リーク電流が増加する恐れがある。図６に示すように抵抗を介した接地とすることで、両者のバランスをとることができる。なお、動作は、図３、図５のどちらを採用しても構わない。
【００３１】
（３）スイッチの種類
上記実施の形態では、半導体スイッチを採用しているが、本発明はこれに限られない。図７、図８に示す２線式交流スイッチ１０ｂ、１０ｃでは、半導体スイッチ９の代わりに機械式のリレー１３を採用している。図９は、図１および図７の概念図であり、図１０は、図６および図８の概念図である。ここでは、スイッチ１４がＳｕｂ端子と接地端子とを結ぶ電路に挿入されている。
【００３２】
（４）３状態の切り替え
上記実施の形態では、双方向スイッチ３のＳｕｂ端子をフローティングと接地の２状態に切り替えているが、本発明はこれに限られない。図１１に示す２線式交流スイッチ１０ｆでは、双方向スイッチ３のＳｕｂ端子と接地端子とを結ぶ電路に、以下の（ａ）〜（ｃ）の３状態の何れかを選択できるスイッチ１５が挿入されている。
【００３３】
（ａ）Ｓｕｂ端子がフローティング
（ｂ）Ｓｕｂ端子が抵抗を介して接地
（ｃ）Ｓｕｂ端子が抵抗を介さずに接地
図１２は、図１０の２線式交流スイッチの動作を示すタイミングチャートである。図１２に示すタイミングチャートでは、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に繰返しパルスが印加されている間（双方向スイッチ３がオン状態の間）は、制御回路６は半導体スイッチ９にオン信号を印加してＳｕｂ端子を接地するように制御している。ただし、双方向スイッチ３がオン状態になってから所定期間が経過するまでは、Ｓｕｂ端子が抵抗を介さずに接地され、所定期間を経過すれば、Ｓｕｂ端子が抵抗１２を介して接地される。一方、双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に繰返しパルスが印加されない間（双方向スイッチ３がオフ状態の間）は、制御回路６は半導体スイッチ９にオフ信号を印加してＳｕｂ端子がフローティングになるように制御している。所定期間の長さは、負荷の種類などに応じて予め決められている。
【００３４】
（５）切り替えタイミング
上記実施の形態では、双方向スイッチ３をオフからオンに切り替えるタイミングと、双方向スイッチ３のＳｕｂ端子をフローティングから接地に切り替えるタイミングとが一致しているが、本発明はこれに限られない。
図１３は双方向スイッチ３のゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に印加される制御信号とＳｕｂ端子に直列に接続された半導体スイッチ９に印加される制御信号の詳細なタイミングを示した図である。図１３の動作では、双方向スイッチ３をオフからオンに切り替える（２線式交流スイッチをオンにする）とき、ゲート端子Ｇ１とゲート端子Ｇ２に印加される制御信号より早いタイミングで、Ｓｕｂ端子に直列に接続された半導体スイッチ９にオン信号を印加している。これにより双方向スイッチ３のオン抵抗をさらに小さくすることができ、負荷に大電流を流すことができる。
【００３５】
（６）その他
以上、本発明に係る２線式交流スイッチについて、実施の形態及びその変形例を用いて
説明したが、本発明は、これらの実施の形態及び変形例に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、これらの実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく種々の変形を施して得られる形態や、これらの実施の形態及び変形例を任意に組み合わせて得られる形態も、本発明に含まれる。
【００３６】
たとえば、上記実施の形態においては、双方向スイッチ３は、ゲート電極がｐ型半導体層（第１のｐ型半導体層１２５Ａ及び第２のｐ型半導体層１２５Ｂ）の上に形成されたノーマリーオフ型のダブルゲートの半導体素子であった。しかし、本発明に係る双方向スイッチのゲートは、このような構造に限定されない。たとえば、ゲートリセスを形成したり、第２の半導体層１２９の膜厚を薄くしたりすることにより、ノーマリーオフ特性を実現してもよい。
【００３７】
また、本発明に係る双方向スイッチのゲートの構造として、ゲート電極下のｐ型半導体に代えて絶縁層を設けることで絶縁型のゲートとしたり、ゲート電極下のｐ型半導体を設けることなくゲート電極と半導体積層体とがショットキー接合するような接合型のゲートとしてもよい。
また、回路構成によっては、双方向スイッチ３は、ノーマリーオン型のダブルゲートの半導体素子として実現することも可能である。
【００３８】
また、双方向スイッチ３の基板については、シリコン基板である例を示したが、本発明はシリコン基板に限定されるものではない。窒化物半導体が形成できる基板であればよく、Ｓｉ基板に代えて炭化珪素（ＳｉＣ）基板又はサファイア基板又は他の基板としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る２線式交流スイッチは、例えば、調光機能をもつ住宅の照明灯や換気扇の制御用の２線式交流スイッチとして有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 商用交流電源
２ 負荷
３ 双方向スイッチ
４ 全波整流器
５ 電源回路
６ 制御回路
７ ゲート駆動回路
８ ゲート駆動回路
９ 半導体スイッチ
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ ２線式交流スイッチ
１１ 外部設定部
１２ 抵抗
１３ リレー
１４ スイッチ
１５ スイッチ
１０３ 双方向スイッチ
１２２Ａ、１２２Ｂ オーミック電極配線
１２３Ａ、１２３Ｂ オーミック電極
１２４Ａ、１２４Ｂ ゲート電極
１２５Ａ、１２５Ｂ ｐ型半導体層
１２６ 基板
１２７ バッファ層
１２８ 第１の半導体層
１２９ 第２の半導体層
１３０ 保護膜
１３１ 裏面電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と負荷とを結ぶ電路に挿入される２線式交流スイッチであって、
第１及び第２のスイッチ端子と、前記第１及び第２のスイッチ端子間のオンオフを制御するための第１及び第２のゲート端子と、基板端子とを有し、前記第１及び第２のスイッチ端子間に双方向に電流を流すことができ、前記第１のスイッチ端子が前記交流電源に接続され、前記第２のスイッチ端子が前記負荷に接続される半導体スイッチからなるメインスイッチと、
前記メインスイッチの基板端子を接地するかフローティングにするかを切り替えるサブスイッチと、
を備える２線式交流スイッチ。
【請求項２】
さらに、前記メインスイッチがオフのときは、前記基板端子をフローティングにし、前記メインスイッチがオンのときは、前記基板端子を接地するように前記サブスイッチを制御する制御回路を備える、請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項３】
前記基板端子の接地は、抵抗素子を介した接地と抵抗素子を介さない接地とで選択可能であり、
前記制御回路は、
前記メインスイッチがオンになってから所定期間が経過するまでは、前記抵抗素子を介さない接地を選択し、前記所定期間が経過すれば、前記抵抗素子を介した接地を選択する、請求項２に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項４】
さらに、前記メインスイッチがオフからオンに切り替わる前に、前記基板端子の状態をフローティングから接地に切り替えるように前記サブスイッチを制御する制御回路を備える、請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項５】
前記メインスイッチがノーマリーオフ型のスイッチである請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項６】
前記メインスイッチがノーマリーオン型のスイッチである請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項７】
前記メインスイッチは、
基板と、
前記基板上に形成され、III族窒化物半導体から構成される半導体積層体と、
前記半導体積層体上に形成され、前記第１及び第２のスイッチ端子をそれぞれ構成する第１及び第２のオーミック電極と、
前記半導体積層体上における、前記第１及び第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、前記第１及び第２のゲート端子をそれぞれ構成する第１及び第２のゲート電極と、
前記基板における前記第１及び第２のゲート電極とは反対側に形成され、前記基板端子を構成する基板電極と、
を備える請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項８】
前記メインスイッチは、さらに、
前記第１のゲート電極と前記半導体積層体との間に形成された、前記半導体積層体とｐｎ接合を形成する第１の半導体層と、
前記第２のゲート電極と前記半導体積層体との間に形成された、前記半導体積層体とｐｎ接合を形成する第２の半導体層と、
を備える請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項９】
前記第１及び第２のゲート電極が絶縁ゲート用の電極である、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１０】
前記第１及び第２のゲート電極が前記半導体積層体とショットキー接合を形成している、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１１】
前記メインスイッチは、さらに、
前記第１及び第２のゲート電極のそれぞれとオーミック接触するｐ型のIII族窒化物半導体からなるゲートを備える、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１２】
前記基板がシリコン基板である、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１３】
前記基板が炭化珪素基板である、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１４】
前記基板がサファイア基板である、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１５】
前記交流電源は、商用交流電源であり、
前記負荷は、照明器具である、
請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１】
交流電源と負荷とを結ぶ電路に挿入される２線式交流スイッチであって、
第１及び第２のスイッチ端子と、前記第１及び第２のスイッチ端子間のオンオフを制御するための第１及び第２のゲート端子と、基板端子とを有し、前記第１及び第２のスイッチ端子間に双方向に電流を流すことができ、前記第１のスイッチ端子が前記交流電源に接続され、前記第２のスイッチ端子が前記負荷に接続される半導体スイッチからなるメインスイッチと、
前記メインスイッチの基板端子を接地するかフローティングにするかを切り替えるサブスイッチと、
を備える２線式交流スイッチ。
【請求項２】
さらに、前記メインスイッチがオフのときは、前記基板端子をフローティングにし、前記メインスイッチがオンのときは、前記基板端子を接地するように前記サブスイッチを制御する制御回路を備える、請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項３】
前記基板端子の接地は、抵抗素子を介した接地と抵抗素子を介さない接地とで選択可能であり、
前記制御回路は、
前記メインスイッチがオンになってから所定期間が経過するまでは、前記抵抗素子を介さない接地を選択し、前記所定期間が経過すれば、前記抵抗素子を介した接地を選択する、請求項２に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項４】
さらに、前記メインスイッチがオフからオンに切り替わる前に、前記基板端子の状態をフローティングから接地に切り替えるように前記サブスイッチを制御する制御回路を備える、請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項５】
前記メインスイッチがノーマリーオフ型のスイッチである請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項６】
前記メインスイッチがノーマリーオン型のスイッチである請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項７】
前記メインスイッチは、
基板と、
前記基板上に形成され、III族窒化物半導体から構成される半導体積層体と、
前記半導体積層体上に形成され、前記第１及び第２のスイッチ端子をそれぞれ構成する第１及び第２のオーミック電極と、
前記半導体積層体上における、前記第１及び第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、前記第１及び第２のゲート端子をそれぞれ構成する第１及び第２のゲート電極と、
前記基板における前記第１及び第２のゲート電極とは反対側に形成され、前記基板端子を構成する基板電極と、
を備える請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項８】
前記メインスイッチは、さらに、
前記第１のゲート電極と前記半導体積層体との間に形成された、前記半導体積層体とｐｎ接合を形成する第１の半導体層と、
前記第２のゲート電極と前記半導体積層体との間に形成された、前記半導体積層体とｐｎ接合を形成する第２の半導体層と、
を備える請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項９】
前記第１及び第２のゲート電極が絶縁ゲート用の電極である、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１０】
前記第１及び第２のゲート電極が前記半導体積層体とショットキー接合を形成している、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１１】
前記メインスイッチは、さらに、
前記第１及び第２のゲート電極のそれぞれとオーミック接触するｐ型のIII族窒化物半導体からなるゲートを備える、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１２】
前記基板がシリコン基板である、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１３】
前記基板が炭化珪素基板である、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１４】
前記基板がサファイア基板である、請求項７に記載の２線式交流スイッチ。
【請求項１５】
前記交流電源は、商用交流電源であり、
前記負荷は、照明器具である、
請求項１に記載の２線式交流スイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−３８５５５（Ｐ２０１３−３８５５５Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７２２７０（Ｐ２０１１−１７２２７０）
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【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２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【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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