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公開番号2025100377
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-03
出願番号2024202064
出願日2024-11-20
発明の名称短絡検出回路を含む半導体スイッチ
出願人ケンブリッジジーエイエヌディバイシズリミテッド
代理人個人,個人,個人
主分類H02M 1/00 20070101AFI20250626BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】短絡検出回路を含む半導体スイッチを提供する。
【解決手段】第1のメイン端子と、第2のメイン端子と、制御端子とを含む半導体スイッチであって、III族窒化物高電子移動度トランジスタ(HEMT)であって、第1のソース端子と、第1のドレイン端子と、第1のゲート端子とを含むIII族窒化物高電子移動度トランジスタ(HEMT)と、制御端子及び第1のゲート端子に動作可能に接続された第1のインターフェース回路と、第1のドレイン端子及び第1のソース端子に動作可能に接続された短絡検出回路とを更に含み、短絡検出回路は、第1のドレイン端子及び第1のソース端子にわたる短絡を検知し、且つ第1のインターフェース回路に短絡検出信号を送信するように構成され、第1のインターフェース回路は、短絡検出信号の受信時、III族窒化物HEMTをオフにし、且つ/又は第1のゲート端子にわたる電圧を下げるように構成される、半導体スイッチ。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
第１のメイン端子と、第２のメイン端子と、制御端子とを含む半導体スイッチであって、
前記半導体スイッチはさらに、
ＩＩＩ族窒化物高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であって、第１のソース端子と、第１のドレイン端子と、第１のゲート端子とを含むＩＩＩ族窒化物高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）と、
前記制御端子及び前記第１のゲート端子に動作可能に接続された第１のインターフェース回路と、
前記第１のドレイン端子及び前記第１のソース端子に動作可能に接続された短絡検出回路と
を含み、
前記短絡検出回路は、
前記第１のドレイン端子及び前記第１のソース端子にわたる短絡を検知することと、
前記第１のインターフェース回路に短絡検出信号を送信することと
を行うように構成され、
前記第１のインターフェース回路は、前記短絡検出信号の受信時、前記ＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴをオフにし、及び／又は前記第１のゲート端子にわたる電圧を下げるように構成される、半導体スイッチ。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
前記第１のインターフェース回路は、プルダウントランジスタを含み、前記プルダウントランジスタは、第２のソース端子と第２のドレイン端子とを含み、
前記第２のドレイン端子は、前記第１のゲート端子に動作可能に接続され、
前記第２のソース端子は、前記第１のソース端子に動作可能に接続され、
前記プルダウントランジスタは、前記第１のインターフェース回路が前記短絡検出信号を受信すると、オンになるように構成される、請求項１に記載の半導体スイッチ。
【請求項３】
前記プルダウントランジスタは、第２のゲート端子を含み、前記第１のインターフェース回路は、前記第２のゲート端子で前記短絡検出信号を受信するように構成される、請求項２に記載の半導体スイッチ。
【請求項４】
前記プルダウントランジスタは、第２のゲート端子を含み、前記第１のインターフェース回路はさらに、前記第２のゲート端子に動作可能に接続され、かつ前記第２のゲート端子を駆動するように構成されたプルダウントランジスタゲートドライバを含み、
前記第１のインターフェース回路は、前記プルダウントランジスタゲートドライバで前記短絡検出信号を受信するように構成される、請求項２に記載の半導体スイッチ。
【請求項５】
前記第１のインターフェース回路は、補助ゲートインターフェース回路を含み、前記補助ゲートインターフェース回路は、電圧リミッタと補助ＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴとを含み、
前記補助ＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴは、
前記第１のゲート端子に動作可能に接続された第３のソース端子と、
前記制御端子に動作可能に接続された第３のドレイン端子と、
前記電圧リミッタに動作可能に接続された第３のゲート端子と
を含み、
前記電圧リミッタは、前記第１のゲート端子及び前記第１のソース端子にわたる電圧を制限するように構成可能である、請求項１に記載の半導体スイッチ。
【請求項６】
前記第１のインターフェース回路は、前記補助ゲートインターフェース回路で前記短絡検出信号を受信するように構成され、
前記第１のインターフェース回路は、前記短絡検出信号の受信時、前記第１のゲート端子にわたる前記電圧を下げるように構成される、請求項５に記載の半導体スイッチ。
【請求項７】
前記補助ゲートインターフェース回路は、前記制御端子に印加される電圧を、前記第１のゲート端子と動作可能に適合するように調節するように構成可能である、請求項５に記載の半導体スイッチ。
【請求項８】
１つ以上の解除条件が満たされるまで前記短絡検出信号が所定の状態に保持されるように、前記短絡検出信号を調整するように構成されたラッチ回路を含む、請求項１に記載の半導体スイッチ。
【請求項９】
前記１つ以上の解除条件は、期間の満了を含む、請求項８に記載の半導体スイッチ。
【請求項１０】
前記短絡検出信号を調整するように構成された調整回路を含む、請求項１に記載の半導体スイッチ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体スイッチに関し、詳細には、ＩＩＩ族窒化物高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含む半導体スイッチであって、短絡検出回路を含む半導体スイッチに関する。
続きを表示（約 2,700 文字）【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）は、ソリッドステートデバイスを必要とするいくつかの応用分野（例えば、高周波エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、パワーエレクトロニクス）で使用するのに適切な候補材料となる特性を備えたワイドバンドギャップ材料である。
【０００３】
ＧａＮ技術により、高い電子移動度及び高い飽和速度を有するトランジスタを設計することができる。ＧａＮのこれらの特性により、ＧａＮは、高出力高温マイクロ波用途、例えばレーダー及びセルラ通信システムのための優れた候補となっている。
【０００４】
更に、ＧａＮは、そのワイドバンドギャップにより、より高い周波数、例えば電磁スペクトルの緑色、青色、紫色及び紫外線部分で発光する可能性をもたらす。
【０００５】
より最近では、窒化ガリウム（ＧａＮ）は、パワーデバイスの分野で使用するのに非常に有望な材料と考えられている。応用分野は、ポータブル家電製品、太陽光発電インバータ、電気自動車及び電源まで多岐にわたる。材料がワイドバンドギャップ（Ｅｇ＝３．３９ｅＶ）であることにより、高い臨界電界（Ｅｃ＝３．３ＭＶ／ｃｍ）が得られ、その結果、同じブレークダウン電圧を有するシリコンベースのデバイスと比較してドリフト領域がより短く、したがってオン状態抵抗がより小さいデバイスの設計につながり得る。
【０００６】
窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）／ＧａＮヘテロ構造を使用することにより、ヘテロ界面に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を形成することもでき、２ＤＥＧでは、キャリアは、非常に高い移動度の値（μ＝２０００ｃｍ
２
／（Ｖｓ））に達し得る。更に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造に存在するピエゾ分極電荷により、２ＤＥＧ層における電子密度が高くなる（例えば、１×１０
１３
ｃｍ
－２
）。これらの特性により、非常に競争力のある性能パラメータを有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）及びショットキーバリアダイオードを開発することが可能になる。パワー半導体トランジスタの比較に用いられる一般的なパラメータの１つは、特定オン状態抵抗又は特定Ｒｄｓ（ＯＮ）である。特定Ｒｄｓ（ＯＮ）は、多くの場合、デバイスの抵抗と、ウェーハ上のデバイスの面積との積である。多くの研究は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を用いたパワーデバイスの開発に重点を置いている。
【０００７】
しかしながら、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に本質的に存在する２ＤＥＧは、デプリーションモードデバイスではなく、エンハンスメントモードデバイスを設計しようとするときに課題をもたらす。それにもかかわらず、エンハンスメントモードデバイスをもたらし得るいくつかの方法、例えば金属絶縁体半導体構造の使用、フッ素処理の使用、リセスゲート構造及びｐ型キャップ層の使用が提案されている。ｐＧａＮ層のエピタキシャル成長が他の技法に比べて比較的成熟しており、制御しやすいことに起因して、ｐＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴは、現在、商業化において有力な構造である。ＧａＮの高周波動作は、設計者がデバイスの電力密度を高めるのに役立ち、それによりシステム効率が高まり、コスト削減につながる。電力密度及びシステム効率が高いことは、大電力用途に特に有利である。モータ制御、インバータなどの大電力用途では、短絡イミュニティの強化が必要となる。しかしながら、動作周波数が高くなることにより、これらのＧａＮＨＥＭＴのための短絡及び過電流保護回路の設計に課題が生じる。加えて、モータ制御用途では、短絡耐久性を強化することが非常に望ましい。例えば、ハーフブリッジ構成では、ローサイドのデバイス及びハイサイドのデバイスがオン状態及びオフ状態で異なる時間に動作する場合、故障に起因して両方のデバイスがオンになると短絡が存在し得る。これは、検出され得、デバイスをオフにする信号をコントローラ／ドライバに送信することができる。
【０００８】
デバイスが飽和状態にあることを検知する外部回路、例えば非飽和回路を使用することによる、ＩＧＢＴなどのシリコンベースのパワーデバイスにおける短絡保護の従来の方法は、２～１０μｓの範囲の遅延時間を有し、これは、ＧａＮＨＥＭＴが生き残るには大きすぎる可能性がある［１］。ＧａＮＨＥＭＴは、高いＤＣリンク電圧での短絡状態下において数百ナノ秒で故障する可能性がある［２］。ＩＧＢＴ及びＳｉＣＭＯＳＦＥＴなどの他の競合する技術と比べて、パワーＧａＮＨＥＭＴの故障に至る時間が短いのは、デバイスの改善された特定Ｒｏｎ及びデバイスの横型構成に関連している。ＧａＮＨＥＭＴで故障に至る時間が短いことを考えると、短絡イベントを検出し、より短時間でデバイスを保護し得る短絡保護の方法が必要である。
【０００９】
短絡検出の方法は、電流又は電圧の検知を含み得、電流又は電圧の検知には、利点及び欠点があり得る。シャント電流検知抵抗器は、更なる寄生インダクタンスを回路に追加し、これは、ＧａＮＨＥＭＴのスイッチング性能及びオン状態の損失に悪影響を及ぼし得る。ＧａＮ回路では、スイッチング性能を向上させると同時にオン状態の損失を損なわないために、浮遊インダクタンスを低減するための積極的な措置が取られるため、コモンソースインダクタンス（又は抵抗）にわたる電圧検知は、ＧａＮでは実用的でない。したがって、ＧａＮデバイスでは、短絡及び過電流保護の代替的な方法が求められている。最近の研究では、個別の短絡／過電流保護回路が提案されているが、それらは、低電力回路に限定されるか、又は現実的に実現不可能な構成要素を必要とするかのいずれかである。このような機能を個別に実装するのではなく、モノリシックに集積することにより、システム全体のサイズ／コストの削減、部品表の削減が可能になり、個別のデバイス間の相互接続に関連する寄生成分の削減による性能の向上につながる。
【００１０】
特許文献１は、メインパワースイッチと共にモノリシックに集積され得る電流センストランジスタ（センスＨＥＭＴ）を利用した過電流保護及び検知回路を提供している。センスＨＥＭＴは、ミラークランプと通信して、ＧａＮパワーＨＥＭＴのゲートの電圧を下げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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