特表 2024-517842 スイッチモード中性点形成デバイスアプリケーションにおける窒化ガリウム双方向高電子移動度トランジスタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-04-23

(54)【発明の名称】スイッチモード中性点形成デバイスアプリケーションにおける窒化ガリウム双方向高電子移動度トランジスタ

(51)【国際特許分類】

   H02M 5/10 20060101AFI20240416BHJP

【ＦＩ】

H02M5/10 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023568087

(86)(22)【出願日】2022-05-02

(85)【翻訳文提出日】2023-12-27

(86)【国際出願番号】 US2022027253

(87)【国際公開番号】W WO2022235554

(87)【国際公開日】2022-11-10

(31)【優先権主張番号】63/184,179

(32)【優先日】2021-05-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．Ｌｉｎｕｘ

(71)【出願人】

【識別番号】515186323

【氏名又は名称】エンフェーズ エナジー インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｅｎｐｈａｓｅ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｉｎｃ．

【住所又は居所原語表記】１４２０ Ｎｏｒｔｈ ＭｃＤｏｗｅｌｌ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ｐｅｔａｌｕｍａ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９４９５４， Ｕ．Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】マイケル・ジェイ・ハリソン

【テーマコード（参考）】

5H750

【Ｆターム（参考）】

5H750AA00

5H750BA01

5H750BA05

5H750CC10

5H750CC11

5H750DD00

(57)【要約】

本明細書では、スイッチモード中性点形成デバイスが提供され、スイッチモード中性点形成デバイスは、（ｉ）複数のスイッチを介して複数の線端子に、および（ｉｉ）中性端子に結合された１つ以上の巻線であって、前記複数のスイッチのうちの各スイッチは、ネイティブ４象限双方向スイッチである、１つ以上の巻線と、前記複数のスイッチに結合され、ＡＣメイン周波数よりも大きい周波数オーダーまたは大きさで前記スイッチを駆動するためのコントローラと、を含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ｉ）複数のスイッチを介して複数の線端子に、および（ｉｉ）中性端子に結合された１つ以上の巻線であって、
前記複数のスイッチのうちの各スイッチは、ネイティブ４象限双方向スイッチである、１つ以上の巻線と、
前記複数のスイッチに結合され、ＡＣメイン周波数よりも大きい周波数オーダーまたは大きさで前記スイッチを駆動するためのコントローラと、を含む、スイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項2】

前記スイッチモード中性点形成デバイスが分相デバイスである、請求項１に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項3】

前記スイッチモード中性点形成デバイスが、２つの双方向スイッチ、１つのインダクタ、および２つのコンデンサを含む、請求項２に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項4】

前記２つのコンデンサが同じ容量値を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項5】

前記２つの双方向スイッチが互いに直列に接続され、前記２つのコンデンサの直列構成にわたって、および負荷側の線端子にわたって結合される、請求項３に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項6】

負荷側の中性端子Ｎが前記２つのコンデンサが互いに結合される点に結合される、請求項５に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項7】

前記インダクタは、前記２つの双方向スイッチが互いに結合される点に結合された第１の端子と、前記中性端子に結合された第２の端子とを有する、請求項１から３、５、または６のいずれか一項に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項8】

前記スイッチモード中性点形成デバイスが三相デバイスである、請求項１に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項9】

前記スイッチモード中性点形成デバイスは、９つの双方向スイッチと、負荷側のスター巻線および電力グリッド側のデルタ巻線を有するスターデルタ変圧器とを含む、請求項８に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項10】

前記９つの双方向スイッチがマトリックス状に互いに結合され、かつ前記スター巻線に結合され、中性端子が前記スター巻線の中心点に結合される、請求項９に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項11】

前記９つの双方向スイッチのうちの３つの第１のセットが、第１の線端子と前記スター巻線の第１の端子との間、前記第１の線端子と前記スター巻線の第２の端子との間、および前記第１の線端子と前記スター巻線の第３の端子との間でそれぞれ結合される、請求項１から３、５、６、または８から１０のいずれか一項に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項12】

前記９つの双方向スイッチのうちの３つの第２のセットが、第２の線端子と前記スター巻線の第１の端子との間、前記第２の線端子と前記スター巻線の第２の端子との間、および前記第２の線端子と前記スター巻線の第３の端子との間でそれぞれ結合される、請求項１から３、５、６、または８から１０のいずれか一項に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項13】

前記９つの双方向スイッチのうちの３つの第３のセットが、第３の線端子と前記スター巻線の第１の端子との間、前記第３の線端子と前記スター巻線の第２の端子との間、および前記第３の線端子と前記スター巻線の第３の端子との間でそれぞれ結合される、請求項１から３、５、６、または８から１０のいずれか一項に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項14】

前記ネイティブ４象限双方向スイッチは、窒化ガリウム（ＧａＮ）高移動度電子トランジスタ（ＨＥＭＴ）である、請求項１に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項15】

前記窒化ガリウム（ＧａＮ）高移動度電子トランジスタ（ＨＥＭＴ）が２つのゲート・ソース構造を含み、
前記２つのゲート・ソース構造が、共通のドリフト領域が第１のソース端子から第２のソース端子の方向に流れる電流について、前記第２のソース端子から第１のソース端子の方向に流れる電流について使用されること、または正もしくは負の電圧をブロックすることを可能にする、請求項１４に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項16】

前記窒化ガリウム（ＧａＮ）高移動度電子トランジスタ（ＨＥＭＴ）が、
ベース層と、
前記ベース層の上に配置された遷移層と、
前記遷移層の上に配置された窒化ガリウム（ＧａＮ）層と、
前記窒化ガリウム（ＧａＮ）層の上に配置された窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層と、を含み、
前記２つのゲート・ソース構造は、前記窒化ガリウム（ＧａＮ）層まで延在するソース端子と、前記窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層まで延在するゲート端子とを含む、請求項１５に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項17】

前記窒化ガリウム（ＧａＮ）高移動度電子トランジスタ（ＨＥＭＴ）が、前記窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層の上に配置された不活性パッシベーション層をさらに含む、請求項１６に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項18】

前記ソース端子および前記ゲート端子が、前記不活性パッシベーション層によって少なくとも部分的に囲まれる、請求項１から３、５、６、８から１０、または１４から１７のいずれか一項に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項19】

（ｉ）複数のスイッチを介して複数の線端子に、および（ｉｉ）中性端子に結合された１つ以上の巻線であって、
前記複数のスイッチのうちの各スイッチは、ネイティブ４象限双方向スイッチであり、
前記複数のスイッチは分相構成または三相構成のうちのいずれか１つで動作可能である、１つ以上の巻線と、
前記複数のスイッチに結合され、ＡＣメイン周波数よりも大きい周波数オーダーまたは大きさで前記スイッチを駆動するためのコントローラと、を含む、スイッチモード中性点形成デバイス。

【請求項20】

前記分相構成では、前記スイッチモード中性点形成デバイスは２つの双方向スイッチと、インダクタと、２つのコンデンサとを含み、
前記三相構成では、前記スイッチモード中性点形成デバイスは９つの双方向スイッチと、負荷側のスター巻線および電力グリッド側のデルタ巻線を有するスターデルタ変圧器とを含む、請求項１９に記載のスイッチモード中性点形成デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の実施形態は中性点形成デバイスに関し、特に、双方向スイッチを利用したスイッチモード中性点形成デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

北米と日本の住宅接続用のＡＣ電力グリッドは、世界の他の地域全体で使用されている構成とは異なる。北米と日本の住宅用接続はどちらも分相（１８０° ２相）構成に基づいており、特に北米では１２０Ｖ／２４０Ｖａｃ、日本では１００Ｖ／２００Ｖａｃであり、単相（例：北米の１２０Ｖａｃ）と二相（例：北米の２４０Ｖａｃ）の機器および負荷を混合して住宅で使用することを可能にしている。これらのタイプの接続が適切に機能するには、ＡＣメインの中性点電圧を２相電圧の中間の電位に保つ必要がある。この機能は「中性点形成」として知られており、電力会社の住宅用配電変圧器によって提供される。

【0003】

中性点が必要な場合、サイトを商用ＡＣ電力グリッドから切り離して、たとえばマイクログリッドとして動作させるために、中性点形成変圧器などの中性点形成デバイスが必要な中性点を提供する必要がある。単相用途または三相用途向けに設計され得る従来の中性点形成変圧器は、慣例上「鉄と銅」線の周波数（つまり、５０または６０Ｈｚ）変圧器を使用して構築される。このような慣例の線周波数中性点形成変圧器は、物理的にかさばり（すなわち、重くて大きく）、製造するのにコストがかかる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

したがって、発明者らは、オフグリッド設備のための、より小型で低コストのローカル中性点形成デバイスを提供した。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の少なくともいくつかの実施形態によれば、スイッチモード中性点形成デバイスは、（ｉ）複数のスイッチを介して複数の線端子、および（ｉｉ）中性端子に結合された１つ以上の巻線であって、前記複数のスイッチのうちの各スイッチは、ネイティブ４象限双方向スイッチである、１つ以上の巻線と、前記複数のスイッチに結合され、ＡＣメイン周波数よりも大きい周波数オーダーまたは大きさでスイッチを駆動するためのコントローラと、を含む。

【0006】

本開示の少なくともいくつかの実施形態によれば、スイッチモード中性点形成デバイスは、（ｉ）複数のスイッチを介して複数の線端子、および（ｉｉ）中性端子に結合された１つ以上の巻線であって、前記複数のスイッチのうちの各スイッチは、ネイティブ４象限双方向スイッチであり、前記複数のスイッチは、分相構成または三相構成のいずれか一つで動作可能である、１つ以上の巻線と、前記複数のスイッチに結合され、ＡＣメイン周波数よりも大きい周波数オーダーまたは大きさでスイッチを駆動するためのコントローラと、を含む。

【0007】

本開示のこれらの、および他の特徴および利点は、全体を通じて同様の参照番号が同様の部分を指す添付の図面とともに、本開示の以下の詳細な説明を検討することによって理解され得る。

【0008】

本開示の上記の特徴、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な説明が詳細に理解され得る方法が、実施形態を参照することによって得られるように、それらのいくつかは添付の図面に示される。しかしながら、添付の図面は本開示の典型的な実施形態のみを示しており、したがって、本開示は他の同様に効果的な実施形態を許容し得るため、本開示の範囲を限定するとみなされるべきではないことに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の実施形態によるスイッチモード中性点形成デバイスの概略図である。

【図2】本開示の実施形態による別のスイッチモード中性点形成デバイスの概略図である。

【図3】本開示の実施形態による別のスイッチモード中性点形成デバイスの概略図である。

【図4】本開示の実施形態によるコントローラのブロック図である。

【図5】本開示の１つ以上の実施形態によるスイッチの構造を示す断面図である。

【図6】本発明の実施形態によるスイッチの平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本開示の実施形態は、一般に、ネイティブ双方向スイッチを含むスイッチモード中性点形成デバイスに関する。中性点形成デバイスは、電子スイッチモード技術を利用して、処理される周波数を人工的に増加させる。中性点形成デバイスの物理的サイズは、処理する必要がある周波数に反比例するため、本明細書に記載の技術は、物理的に小さく、軽量で、低コストで、高効率な中性点形成デバイスを達成する。いくつかの実施形態では、中性点形成デバイスは、同等定格の従来の線周波数に基づく中性点形成変圧器よりも１０００倍程度小さい体積を有するスイッチモード中性点形成変圧器である。

【0011】

スイッチモード中性点形成デバイスは、双方向スイッチを利用して、ＡＣグリッド電圧の交流極性に対応する。これらの双方向スイッチは、ネイティブ４ＱＳデバイスとして構築された４象限双方向スイッチ（４ＱＳとも呼ばれる）、たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）高移動度電子トランジスタ（ＨＥＭＴ）スイッチである。このようなＧａＮ ＨＥＭＴ ４ＱＳデバイスは、従来の一方向性ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスのバック・トゥ・バックペアで構成される４ＱＳデバイスよりも低コストで高い性能を有する。

【0012】

図１は、本開示の実施形態によるスイッチモード中性点形成デバイス１００の概略図である。スイッチモード中性点形成デバイス１００（中性点形成変圧器とも呼ばれる）は、分相デバイスであり、まとめてスイッチ１０２と呼ばれるスイッチ１０２－１、１０２－２、１０２－３、および１０２－４と、変圧器１０４とを含む。スイッチ１０２は、スイッチ１０２－１および１０２－４が直列に結合されて第１のＨブリッジレッグ１５０－１を形成し、スイッチ１０２－２および１０２－３が直列に結合されて第２のＨブリッジレッグ１５０－２を形成する、Ｈブリッジ構成（Ｈブリッジ１５０）で互いに結合される。コントローラ１１０は、図４に関して以下でさらに詳細に説明されるが、スイッチ１０２のそれぞれに結合され、スイッチ１０２の動作（すなわち、スイッチのオン／オフ）を駆動する。

【0013】

変圧器１０４は、第１の部分１０４－１および第２の部分１０４－２を含む。第１の部分１０４－１は、第１のＨブリッジレッグ１５０－１の中央（すなわち、第１の部分１０４－１の端子はスイッチ１０２－１と１０２－４との間に接続される）と、スイッチモード中性点形成デバイスの中性端子Ｎとの間に結合される。第２の部分１０４－２は、第１の部分１０４－１とは逆の極性を有し、中性端子Ｎと、第２のＨブリッジレッグ（すなわち、第２の部分１０４－２の端子は、スイッチ１０２－２と１０２－３との間に結合される）の中央との間に結合される。描かれた点１０８－１および１０８－２は、巻線の位相調整の開始を示す。例えば、ドット１０８－１は、スイッチ１０２－１とスイッチ１０２－４との間に結合される第１の部分１０４－１の端部に描かれ、ドット１０８－２は、中性端子Ｎに結合される第２の部分１０４－２の端部に描かれる。第１の線端子Ｌ１はＨブリッジ構成１５０の上部に結合され、第２の線端子Ｌ２はＨブリッジ構成１５０の下部に結合される。

【0014】

スイッチ１０２－１から１０２－４のそれぞれは、図５に関して以下でさらに詳細に説明される、ネイティブ４象限双方向スイッチであり、ＡＣメイン周波数よりもはるかに高い周波数でオン／オフを切り替えることができる。例えば、ＡＣメイン周波数が６０Ｈｚの場合、スイッチモード中性点形成デバイス１００のスイッチング周波数は、その１０００倍（例えば、６０ｋＨｚ）であってもよい。同様に、ＡＣメイン周波数が５０Ｈｚの場合、スイッチモード中性点形成デバイス１００のスイッチング周波数は５０ｋＨｚであってもよい。変圧器１０４の物理的サイズは、処理する必要がある周波数に反比例するため、変圧器１０４は、例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ程度の周波数を処理する同等定格の従来の線周波数ベースの中性点形成変圧器よりも１０００倍小さい体積であり得る。

【0015】

図２は、本開示の実施形態によるスイッチモード中性点形成デバイス２００の概略図である。スイッチモード中性点形成デバイス２００は、スイッチ１０２－１および１０２－２（例えば、２つの双方向スイッチ）、インダクタ２０２、ならびにコンデンサ２０４および２０６を含む分相デバイスである。いくつかの実施形態では、コンデンサ２０４および２０６は、同じ容量値を有してもよい。

【0016】

スイッチ１０２－１および１０２－２の直列構成（たとえば、互いに直列に接続される）は、コンデンサ２０４および２０６の直列構成（たとえば、２つのコンデンサ）にわたって、ならびに負荷側の線端子Ｌ１およびＬ２にわたって結合される。負荷側の中性端子Ｎは、コンデンサ２０４および２０６が互いに結合される点に結合される。

【0017】

インダクタ２０２は、スイッチ１０２－１および１０２－２が互いに結合される点に結合された第１の端子を有する。インダクタ２０２の第２の端子は、中性端子Ｎに結合される。コントローラ１１０は、スイッチ１０２に結合され、スイッチ１０２の動作（すなわち、スイッチのオン／オフ）を駆動する。

【0018】

中性点形成デバイス１００の動作と同様に、処理される周波数を増加させ、それによってスイッチモード中性点形成デバイス２００を同等定格の従来の線周波数ベースのデバイスよりもはるかに小さくすることを可能にするために、中性点形成デバイス２００のスイッチ１０２は、ＡＣグリッド周波数よりもはるかに高い周波数、例えば５０ｋＨｚまたは６０ｋＨｚの周波数で動作する。

【0019】

図３は、本開示の実施形態によるスイッチモード中性点形成デバイス３００の概略図である。スイッチモード中性点形成デバイス３００は、スイッチ１０２－１から１０２－９（例えば、９つの双方向スイッチ）と、負荷側にスター巻線３０４（すなわち、スター構成で共に接続された二次側の３つの巻線）を有し、電力グリッド側にデルタ巻線３０６（すなわち、デルタ構成で接続された一次側の３つの巻線）を有するスターデルタ変圧器３０２と、を含む三相デバイスである。

【0020】

９つの双方向スイッチ１０２－１から１０２－９は互いにマトリックス状に結合され、さらにスター巻線３０４に結合される。スイッチ１０２－１、１０２－２、および１０２－４（例えば、９つの双方向スイッチのうちの３つの第１のセット）は、線端子Ｌ１とスター巻線３０４の第１の端子との間、線端子Ｌ１とスター巻線３０４の第２の端子との間、そして線端子Ｌ１とスター巻線３０４の第３の端子との間でそれぞれ接続される。スイッチ１０２－３、１０２－５、および１０２－７（例えば、９つの双方向スイッチのうちの３つの第２のセット）は、線端子Ｌ２とスター巻線３０４の第１の端子との間、線端子Ｌ２とスター巻線３０４の第２の端子との間、そして線端子Ｌ２とスター巻線３０４の第３の端子との間でそれぞれ接続される。スイッチ１０２－６、１０２－８、および１０２－９（例えば、９つの双方向スイッチのうちの３つの第３のセット）は、線端子Ｌ３とスター巻線３０４の第１の端子との間、線端子Ｌ３とスター巻線３０４の第２の端子との間、そして線端子Ｌ３とスター巻線３０４の第３の端子との間でそれぞれ接続される。中性端子Ｎはスター巻線３０４の中心点に結合される。

【0021】

コントローラ１１０は、スイッチ１０２に結合され、スイッチ１０２の動作（すなわち、スイッチのオン／オフ）を駆動する。

【0022】

動作中、任意の所与の時間においてスイッチ１０２のうちの３つがアクティブ化し（すなわち、オン）、線端子Ｌ１、Ｌ２およびＬ３への接続が効果的に入れ替わり、それによりスター巻線３０４によって見られる周波数が人工的に高くなる。中性点形成デバイス１００および２００と同様に、中性点形成デバイス３００のスイッチ１０２は、ＡＣグリッド周波数よりもはるかに高い周波数、例えば５０ｋＨｚまたは６０ｋＨｚの周波数で動作し、それによってスイッチモード中性点形成デバイス３００を同等定格の従来の線周波数ベースのデバイスよりもはるかに小さくすることを可能にする。

【0023】

図４は、本開示の実施形態によるコントローラ１１０のブロック図である。コントローラ１１０は、サポート回路４０４およびメモリ４０６を含み、それぞれがＣＰＵ４０２（中央処理装置）に接続されている。ＣＰＵ４０２は、１つ以上の従来から利用可能なマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを含んでもよい。追加で、または代替的に、ＣＰＵ４０２は、１つ以上の特定用途向け集積回路（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ、ＡＳＩＣ）を含むことができる。コントローラ１１０は、特定のソフトウェアを実行するときに、本開示のさまざまな実施形態を実行するための特定用途のコンピュータとなる汎用コンピュータを使用して実装することができる。１つ以上の実施形態では、ＣＰＵ４０２は、実行されると本明細書に記載のコントローラ機能を提供するコントローラファームウェアを格納するための内部メモリを含むマイクロコントローラであってもよい。

【0024】

サポート回路４０４は、ＣＰＵ４０２の機能を促進するために使用される周知の回路である。そのような回路は、キャッシュ、電源、クロック回路、バス、入出力（Ｉ／Ｏ）回路などを含むが、これに限定されない。

【0025】

メモリ４０６は、ランダムアクセスメモリ、読み取り専用メモリ、リムーバブルディスクメモリ、フラッシュメモリ、およびこれらの種類のメモリのさまざまな組み合わせを含んでもよい。メモリ４０６は、メインメモリと呼ばれることもあり、部分的に、キャッシュメモリまたはバッファメモリとして使用されてもよい。メモリ４０６は、一般に、必要に応じて、ＣＰＵ能力によってサポートされ得るコントローラ１１０のＯＳ４０８（オペレーティングシステム）を格納する。いくつかの実施形態では、ＯＳ４０８はＬＩＮＵＸ、リアルタイムオペレーティングシステム（ＲＴＯＳ）などの多くの市販のオペレーティングシステムのうちの１つであってもよいが、これに限定されない。

【0026】

メモリ４０６は、実行されると本明細書に記載されるスイッチング技術を実装し、スイッチ１０２のアクティブ化および非アクティブ化を制御するスイッチ制御モジュール４１０などの、様々な形式のアプリケーションソフトウェアを格納する。

【0027】

メモリ４０６は、さらに、例えば中性点形成デバイス１００、２００、および３００の動作に関連するデータ、および／または他のデータを格納するためのデータベース４１２を格納する。

【0028】

図５は、本開示の１つ以上の実施形態によるスイッチ１０２の構造を示す断面図である。スイッチ１０２は、層５０８に結合されたソース端子５１０－Ｓ１／５１０－Ｓ２およびゲート端子５１０－Ｇ１／５１０－Ｇ２を有する層５０２、５０４、５０６、５０８、および５１２を含む窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造である。ドレイン接続とソース接続との間のドリフト領域がＧａＮダイの上面に平行である横型デバイスとして製造される、従来の一方向性ＧａＮ ＨＥＭＴスイッチとは対照的に、スイッチ１０２は、スイッチ１０２の動作を容易にするために、２つのゲート・ソース構造（そのうちの１つは、従来の一方向性ＧａＮ ＨＥＭＴスイッチのドレイン構造の代わりに使用される）を備える。そのため、スイッチ１０２は、共通のドリフト領域をどちらの方向でも（すなわち、ソース端子５１０－Ｓ１からソース端子５１０－Ｓ２の方向に流れる電流について、またはソース端子５１０－Ｓ２からソース端子５１０－Ｓ１の方向に流れる電流について）使用できるようにし、正または負の電圧をブロックし、これにより、２つの従来のＧａＮ ＨＥＭＴデバイスを一緒に接続することによって製造された従来の４ＱＳデバイスと比較して、ＧａＮ面積を減少させる。様々な実施形態において、スイッチ１０２は、従来の一方向性ＧａＮ ＨＥＭＴのダイ面積の半分のダイ面積を有し得、したがって、４ＱＳデバイスを形成するために一緒に接続された一対の従来の一方向性ＧａＮ ＨＥＭＴと比較して、４：１のダイ面積の利点を提供することができる。さらに、スイッチ１０２のゲート駆動損失対伝導損失の比（すなわち、Ｑ_Ｇ／Ｒ_{ＳＳ－ＯＮ}）は、スイッチごとのダイ面積が２：１であるため（任意の所与の時間においてゲート５１０－Ｇ１、５１０－Ｇ２のうちの１つだけが切り替えられる）、２つの従来の一方向性ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスから構成されるＧａＮ ４ＱＳよりも２倍低い。

【0029】

図５に示すように、ベース層５０２はシリコン（Ｓｉ）基板であり、通常、厚さは０．７ｍｍ程度である。層５０２と５０６との間に挟まれた層５０４は、遷移層（いくつかの実施形態では２以上の異なる元素を含み得る）であり、典型的には数ナノメートル程度の厚さである。層５０４と５０８との間に挟まれた層５０６は、窒化ガリウム（ＧａＮ）層であり、典型的には数マイクロメートル程度の厚さである。層５０６の上の層５０８は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層であり、典型的には数マイクロメートル程度の厚さである。層５０８の上に位置する層５１２は、環境からの不純物がスイッチ１０２に浸出するのを防ぐために使用される不活性パッシベーション層（例えば、ガラス状堆積層）である。

【0030】

ソース端子５１０－Ｓ１／５１０－Ｓ２は、典型的には、層５０８とオーム接触を形成するための当技術分野で知られている組成を有する薄い金属層であり、ゲート端子５１０－Ｇ１／５１０－Ｇ２は、典型的には、当技術分野で知られている、層５０８へのショットキー接触を生成する組成を有する薄い金属層である。

【0031】

いくつかの代替の実施形態では、他の種類の材料および／または構造がスイッチ１０２に使用されてもよい。例えば、炭化ケイ素などのＧａＮ以外のワイドバンドギャップ材料が利用されてもよく、および／または、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）構造などのＨＥＭＴ構造以外の構造が使用されてもよい。

【0032】

スイッチ１０２の例は、同一出願人による「４象限双方向スイッチ」という名称の米国特許第９，１３０，５７０号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0033】

図６は、本開示の実施形態によるスイッチ１０２の平面図６００である。スイッチ１０２の平面図は、スイッチ１０２の上部の一端で互いに近くに配置されたソース端子５１０－Ｓ１およびゲート端子５１０－Ｇ１と、スイッチ１０２の上部の反対の端で互いに近くに配置されたソース端子５１０－Ｓ２およびゲート端子５１０－Ｇ２とを示す。

【0034】

本開示の実施形態の前述の説明は、説明したようなさまざまな機能を実行する多数の要素、デバイス、回路、および／またはアセンブリを含む。これらの要素、デバイス、回路、および／またはアセンブリは、それぞれ説明された機能を実行するための手段の例示的な実装である。

【0035】

上記は本開示の実施形態に関するものであるが、本開示の他のさらなる実施形態は、その基本的な範囲から逸脱することなく考案され得、その範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】