CN112532220A - 半导体装置 - Google Patents

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CN112532220A CN202010057939.7A CN202010057939A CN112532220A CN 112532220 A CN112532220 A CN 112532220A CN 202010057939 A CN202010057939 A CN 202010057939A CN 112532220 A CN112532220 A CN 112532220A
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voltage
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吉冈启
杉山亨
岩井正明
细川直范
小野村正明
洪洪
矶部康裕
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
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Abstract

实施方式提供具有简易构造的半导体装置。实施方式的半导体装置具备：常关断晶体管，具有第1电极、第2电极、以及第1控制电极；常开启晶体管，具有电连接于第2电极的第3电极、第4电极、以及第2控制电极；第1元件，具有电连接于第1控制电极的第1端部和电连接于第1电极的第2端部，包含第1电容成分；以及第2元件，具有电连接于第1控制电极以及第1端部的第3端部和第4端部，包含第2电容成分，在将常关断晶体管的阈值电压设为Vth，将常关断晶体管的最大栅极额定电压设为Vg＿max，将第4端部的电压设为Vg＿on，将第1电容成分设为Ca、第2电容成分设为Cb时，Vth＜(Cb/(Ca+Cb))Vg＿on＜Vg＿max。

Description

半导体装置
相关申请
本申请享受以日本专利申请2019－168195号(申请日：2019年9月17日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的所有内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及半导体装置。
背景技术
作为下一代的功率半导体器件用的材料，期待III族氮化物，例如GaN(氮化镓)类半导体。GaN类半导体与Si(硅)相比具备较大的带隙。因此，GaN类半导体器件与Si(硅)半导体器件相比，能够实现小型且高耐压的功率半导体器件。另外，由此，由于能够减小寄生电容，因此能够实现高速驱动的功率半导体器件。
在GaN类的晶体管中，一般适用以二维电子气(2DEG)为载流子的HEMT(HighElectron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)构造。通常的HEMT是即使不向栅极施加电压也导通的常开启晶体管。因此，存在难以实现只要不对栅极施加电压就不导通的常关断晶体管这一问题。
在处理几百V～一千V这样的大电力的电源电路等中，要求重视安全面而进行常关断的动作。因此，提出了将常开启的GaN类晶体管与常关断的Si晶体管连接而实现常关断动作的电路构成。
发明内容
本发明的实施方式提供具有简易构造的半导体装置。
实施方式的半导体装置具备：常关断晶体管，具有第1电极、第2电极、以及第1控制电极；常开启晶体管，具有电连接于第2电极的第3电极、第4电极、以及第2控制电极；第1元件，具有电连接于第1控制电极的第1端部和电连接于第1电极的第2端部，包含第1电容成分；以及第2元件，具有电连接于第1控制电极以及第1端部的第3端部和第4端部，包含第2电容成分，在将常关断晶体管的阈值电压设为Vth，将常关断晶体管的最大栅极额定电压设为Vg＿max，将第4端部的电压设为Vg＿on，将第1电容成分设为Ca、第2电容成分设为Cb时，Vth＜(Cb/(Ca+Cb))Vg＿on＜Vg＿max。
附图说明
图1是第1实施方式的电力转换系统的示意图。
图2是第1实施方式的半导体装置的电路图。
图3的(a)～(c)是表示Vg＿on的一个例子的示意图。
图4是成为第1实施方式的比较方式的半导体装置的电路图。
图5是第2实施方式的半导体装置的电路图。
图6是第3实施方式的半导体装置的电路图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在以下的说明中，有时对相同或者类似的部件标注相同的附图标记。另外，有对说明过一次的部件等适当省略其说明的情况。
另外，在本说明书中，半导体装置是包含组合有分立半导体等多个元件而成的功率模块、或者对分立半导体等多个元件组装有对这些元件进行驱动的驱动电路和/或自保护功能而成的智能功率模块、或者具备功率模块和/或智能功率模块的系统整体的概念。
另外，本说明书中，“GaN类半导体”是具备GaN(氮化镓)、AlN(氮化铝)、InN(氮化铟)以及它们的中间组分的半导体的通称。
(第1实施方式)
本实施方式的半导体装置具备：常关断晶体管，具有第1电极、第2电极、以及第1控制电极；常开启晶体管，具有电连接于第2电极的第3电极、第4电极、以及第2控制电极；第1元件，具有电连接于第1控制电极的第1端部和电连接于第1电极的第2端部，包含第1电容成分；以及第2元件，具有电连接于第1控制电极以及第1端部的第3端部和第4端部，包含第2电容成分，在将常关断晶体管的阈值电压设为Vth，将常关断晶体管的最大栅极额定电压设为Vg＿max，将第4端部的电压设为Vg＿on，将第1电容成分设为Ca、第2电容成分设为Cb时，Vth＜(Cb/(Ca+Cb))Vg＿on＜Vg＿max。
而且，第1元件是具有第5端部和第6端部且包含第1电容的第1电容器。第1端部是第5端部，第2端部是第6端部，第1电容成分是第1电容。
图1是本实施方式的电力转换系统900的示意图。
电力转换系统900具备电力转换装置800和马达810。
电力转换装置800具备晶体管200a、200b、200c、200d、200e以及200f、直流电源300、转换器400、以及平滑电容器500。另外，如后述那样，晶体管200a、200b、200c、200d、200e以及200f也可以包含多个晶体管以及其他元件等。
直流电源300输出直流电压。转换器400是DC－DC转换器，将直流电源300输出的直流电压转换为其他直流电压。平滑电容器500使由转换器400输出的电压平滑化。
晶体管200a、200b、200c、200d、200e以及200f分别具有后述的半导体装置100。利用晶体管200a、200b、200c、200d、200e以及200f，由平滑电容器500平滑化后的直流电压被转换为交流。
例如晶体管200a具有第1晶体管电极202与第2晶体管电极204。另外，晶体管200b具有第3晶体管电极206与第4晶体管电极208。晶体管200a与晶体管200b通过第1晶体管电极202与第4晶体管电极208电连接而相互电连接。
同样，晶体管200c、晶体管200d以及晶体管200e、晶体管200f分别相互电连接。
马达810具有线圈810u、810v以及810w。线圈810u、810w以及810v的一端相互在中性点820电连接。线圈810u的另一端电连接于晶体管200a与晶体管200b之间。线圈810v的另一端电连接于晶体管200c与晶体管200d之间。另外，线圈810w的另一端电连接于晶体管200e与晶体管200f之间。
另外，本实施方式的电力转换装置800中的地线例如可以电连接于设有多个的平滑电容器500之间。另外，例如电力转换装置800中的地线也可以电连接于将晶体管200b、晶体管200d、晶体管200f相互电连接而成的电线。
图2是本实施方式的半导体装置100的电路图。本实施方式的半导体装置100例如是额定电压为600V、1200V的功率模块。
半导体装置100具备常关断晶体管10、常开启晶体管20、第1元件1、第2元件5、第1二极管80、第2二极管90、第3电容器85、第3二极管70、电阻75、栅极驱动器电路96、以及信号源97。
常关断晶体管10具有第1电极11、第2电极12、以及第1控制电极13。
常关断晶体管10是在不向栅极输入电压的情况下不流过漏极电流的晶体管。常关断晶体管10例如是使用了Si(硅)半导体的n型的MOSFET(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor)。例如第1电极11是源极电极，第2电极12是漏极电极，第1控制电极13是栅极电极。但是，常关断晶体管10并不限定于此。例如常关断晶体管10也可以是p型的MOSFET。
Cgs1是常关断晶体管10的寄生电容。为了将不依赖于常关断晶体管10的寄生电容Cgs1的稳定的电压向第1控制电极13与第1电极11之间输入，但优选的是第1电容成分比Cgs1大10倍以上。另外，常关断晶体管10具备未图示的寄生体二极管。
常关断晶体管10的耐压例如是10V以上30V以下。
常开启晶体管20具有第3电极21、第4电极22、以及第2控制电极23。第3电极21电连接于第2电极12。另外，第2端子102电连接于第4电极22。
常开启晶体管20是在未向栅极输入电压的情况下也流过漏极电流的晶体管。常开启晶体管20例如是使用了GaN类半导体的HEMT。例如第3电极21是源极电极，第4电极22是漏极电极，第2控制电极23是栅极电极。
常开启晶体管20的耐压比常关断晶体管10的耐压更高。常开启晶体管20的耐压例如是600V以上1200V以下。
Cgs2是常开启晶体管20的寄生电容。
第1元件1具有第1端部2和第2端部3。第1端部2电连接于第1控制电极13。第2端部3电连接于第1电极11。
本实施方式中的第1元件1是第1电容器30。第1电容器30具有第5端部31和第6端部32。另外，第1电容器30包含第1电容C1。第5端部31是第1端部2，第6端部32是第2端部3，第1电容成分Ca是第1电容C1。另外，第1端子101电连接于第6端部32以及第1电极11。
第2元件5具有第3端部6和第4端部7。第3端部6电连接于第1控制电极13以及第1端部2。
本实施方式中的第2元件5是第2电容器40。第2电容器40具有第7端部41和第8端部42。另外，第2电容器40包含第2电容C2。第7端部41是第3端部6，第8端部42是第4端部7，第2电容成分Cb是第2电容C2。
本实施方式的半导体装置100将常关断晶体管10与常开启晶体管20以串联的方式电连接，实现常关断动作。例如在半导体装置100被用于晶体管200b(图1)的情况下，第3晶体管电极206经由第1端子101电连接于第1电极11以及第6端部32，第4晶体管电极208经由第2端子102电连接于第4电极22。
第3二极管70具有阳极71和阴极72。阴极72电连接于第4端部7(第8端部42)。
电阻75具有端部76和端部77。端部76电连接于第4端部7(第8端部42)以及阴极72。端部77电连接于阳极71。电阻75与第3二极管70并联地设置。
第1二极管80具有阳极81和阴极82。阳极81电连接于第2控制电极23。阴极82电连接于第2电极12(第3电极21)。
第3电容器85具有端部86和端部87。端部86电连接于第2控制电极23以及阳极81。
第2二极管90具有阳极91和阴极92。阳极91电连接于第2控制电极23、阳极81以及端部86。阴极92电连接于端部87。第2二极管90与第3电容器85并联地设置。
第1二极管80、第2二极管90以及第3二极管70优选的是响应速度快的肖特基势垒二极管。另外，第1二极管80、第2二极管90以及第3二极管70即使是PN结二极管也能够优选地使用。
第1电容器30、第2电容器40以及第3电容器85优选的是陶瓷电容器。其原因是频率特性优异。但是，作为第1电容器30、第2电容器40以及第3电容器85，即使是其他薄膜电容器、铝电解电容器、或者钽电解电容器等也能够优选地使用。
信号源97例如输出方波等信号。
栅极驱动器电路96连接于信号源97、阳极71、端部77、端部87以及阴极92。栅极驱动器电路96基于从信号源97输出的信号，输出驱动常关断晶体管10与常开启晶体管20的信号。
栅极驱动器电路96是将多个元件单芯片化而成的IC、或者配置有多个电子部件的电子电路基板。
在将常关断晶体管10的阈值电压设为Vth，将常开启晶体管20的最大栅极额定电压设为Vg＿max，将第4端部7的电压设为Vg＿on，将第1电容成分设为Ca，将第2电容成分设为Cb时，Vth＜(Cb/(Ca+Cb))Vg＿on＜Vg＿max。另外，如果忽略第3二极管70以及电阻75中的电压下降，则可以认为第4端部7的电压Vg＿on与栅极驱动器电路96的输出电压相等。以下，将栅极驱动器电路96的输出电压记载为Vg＿on。另外，Vg＿on为以第1端子101或者第1电极11的电压为基准而测定出的电压。这里，“以电压为基准”例如是指“使电压为0V”。
图3是表示Vg＿on的一个例子的示意图。图3的(a)示出了栅极驱动器电路96的输出电压是在时间t1的期间所输出的0V和在时间t2的期间所输出的Vg＿on的重复所成的方波的情况。图3的(b)示出了栅极驱动器电路96的输出电压是在时间t1的期间所输出的V1和在时间t2的期间所输出的V1与V2之和的重复所成的方波的情况。图3的(b)的情况是Vg＿on＝V1+V2(Vg＿on＝|V1|+|V2|)。图3的(c)示出了在时间t1的期间输出了负的电压的情况。图3的(c)的情况是Vg＿on＝|V2|－|V1|。如此，栅极驱动器电路96的输出电压是时间变化的电压。而且，例如栅极驱动器电路96的输出电压中的最大的电压是Vg＿on。另外，在图3，作为t1＝t2进行了图示，但t1与t2也可以不同。另外，栅极驱动器电路96的输出电压的时间变化的方式并不限定于图3所示。另外，Vg＿on能够使用市面上销售的示波器等而容易地测定。
接下来，说明本实施方式的半导体装置100的动作。
例如使用信号源97以及栅极驱动器电路96，输出图3(a)所示那样的将0V、Vg＿on往复的方波。
在从栅极驱动器电路96输出Vg＿on时，从第3电容器85经由第1二极管80流过电流。第2控制电极23与第3电极21之间被输入相当于第1二极管80的正向电压VF的电压。由此，常开启晶体管20导通。另一方面，在从栅极驱动器电路96输出0V时，从寄生电容Cgs2向第3电容器85流过电流。第2控制电极23与第3电极21之间被输入相当于VF与Vg＿on的差分的负的电压(VF－Vg＿on)。由此，能够截止常开启晶体管20。
另外，在从栅极驱动器电路96输出了Vg＿on时，向第1控制电极13与第1电极11之间输入的电压是(Cb/(Ca+Cb))Vg＿on。由此，如果是Vth＜(Cb/(Ca+Cb))Vg＿on，则常关断晶体管10导通。另外，在从栅极驱动器电路96输出了0V时，常关断晶体管10截止。
这里，在半导体装置100从截止切换至导通时，期望常关断晶体管10先于常开启晶体管20导通。如果常开启晶体管20先导通，则第2电极12与第3电极21的连接部被施加较高的电压，因此担心耐压低的常关断晶体管10的特性恶化。
在本实施方式的半导体装置100中，在半导体装置100从截止状态切换至导通状态时，从栅极驱动器电路96输出的电流流过第3二极管70。因此，第1控制电极13的充电不会受到电阻75的影响。因而，能够迅速地将第1控制电极13充电。由此，在半导体装置100从截止状态切换至导通状态时，能够可靠地使常关断晶体管10先于常开启晶体管20地导通。
另外，通过设置电阻75，能够使常关断晶体管10的截止的定时从常开启晶体管20的截止的定时起延迟希望的时间。
另外，考虑0V被通过信号源97以及栅极驱动器电路96输出、常关断晶体管10以及常开启晶体管20都截止的情况。若对第4电极22施加较高的电压，则第3电极21的电压变高。此时，担心无法保持常开启晶体管20的截止状态。因此，设置第2二极管90使栅极驱动器电路96与第2控制电极23短路以保持常开启晶体管20的截止状态。
接下来，记载本实施方式的半导体装置100的作用效果。
图4是成为本实施方式的比较方式的半导体装置1000的电路图。在未设有第1元件1以及第2元件5这一点与半导体装置100不同。
例如在常开启晶体管20是使用了GaN(氮化镓)类半导体的HEMT的情况下，为了使常开启晶体管20截止，优选的是负的电压(VF－Vg＿on)的绝对值为例如7V以上15V以下的程度。这里，VF一般来说为1V左右较小，因此例如Vg＿on优选的是8V以上16V以下的程度。
但是，在这种Vg＿on输入到第1控制电极13与第1电极11之间的情况下，Vg＿on过高，因此担心常关断晶体管10被破坏。
为了抑制常关断晶体管10的破坏，考虑在常关断晶体管10与常开启晶体管20分别设置信号源与栅极驱动器电路。但是，由于在一个半导体装置100之中分别各设有两个信号源与栅极驱动器电路，因此存在构造变得复杂这一问题。
另外，为了使构造简易，考虑将第2控制电极23电连接于第1电极11。但是在这种情况下，存在难以控制常开启晶体管20的导通截止这一问题。
本实施方式的半导体装置100具有第1元件1，其具有电连接于第1控制电极13的第1端部2和电连接于第1电极11的第2端部3，并包含第1电容成分。另外，本实施方式的半导体装置100具有第2元件5，其具有与第1控制电极13以及第1端部2电连接的第3端部6和第4端部7，并包含第2电容成分。
从栅极驱动器电路96输出的电压Vg＿on的电压被第1电容成分和第2电容成分分压，被输入到第1控制电极13与第1电极11之间。即，比Vg＿on低的电压被输入到第1控制电极13与第1电极11之间，因此可抑制常关断晶体管10被破坏的可能性。因此，能够提供具有简易的构造的半导体装置。
另外，在将常关断晶体管10的阈值电压设为Vth，将常关断晶体管10的最大栅极额定电压设为Vg＿max，将第4端部7的电压设为Vg＿on，将第1电容成分设为C，将第2电容成分设为Cb时，优选的是Vth＜(Cb/(Ca+Cb))Vg＿on＜Vg＿max。这里，(Cb/(Ca+Cb))Vg＿on是由于第1电容成分与第2电容成分而将电压Vg＿on分压后的电压。为了使常关断晶体管10导通，优选的是Vth＜(Cb/(Ca+Cb))Vg＿on。另外，为了不破坏常关断晶体管10，优选的是(Cb/(Ca+Cb))Vg＿on＜Vg＿max。
根据本实施方式的半导体装置，能够提供具有简易的构造的半导体装置。
(第2实施方式)
在本实施方式的半导体装置中，第1元件1是具有第1阳极51和第1阴极52且包含第1结电容Cx的第1齐纳二极管50。第1端部2是第1阴极52，第2端部3是第1阳极51，第1电容成分Ca是第1结电容Cx。另外，第2元件5是具有第2阳极61和第2阴极62且包含第2结电容Cy的第2齐纳二极管60，第3端部6是第2阳极61，第4端部7是第2阴极62，第2电容成分Cb是第2结电容Cy。
这里，省略与第1实施方式重复的内容的记载。
图5是本实施方式的半导体装置110的电路图。
第1齐纳二极管50具有在第1控制电极13的电压变得过高时使累积于第1控制电极13的电荷从第1阴极52向第1阳极51释放的作用。另外，第1齐纳二极管50的第1结电容Cx被用作第1电容成分Ca。
在将第1齐纳二极管50的第1击穿电压设为Vz(D1)时，优选的是Vz(D1)＜Vg＿max。这是因为，若Vz(D1)≥Vg＿max，则Vg＿max以上的电压被输入到第1控制电极13与第1电极11之间，常关断晶体管10有被破坏的可能性。
第2齐纳二极管60具有在向第1控制电极13与第1电极11之间输入的电压变得过低的情况下利用从栅极驱动器电路96输出的电压来提高向第1控制电极13与第1电极11之间输入的电压的作用。另外，第2齐纳二极管60的第2结电容Cy被用作第2电容成分Cb。
在将第2齐纳二极管60的第2击穿电压设为Vz(D2)时，优选的是Vz(D2)＜Vg＿on－Vth。这意味着，由于向第1控制电极13与第1电极11之间输入的电压降低了第2齐纳二极管60的第2击穿电压的大小，因此为了使常关断晶体管10动作，优选的是提高从栅极驱动器电路96输出的电压Vg＿on以进行补偿。
换言之，利用第1齐纳二极管50以及第2齐纳二极管60，限定向第1控制电极13与第1电极11之间输入的电压的范围。因此，常关断晶体管10的动作稳定，进一步可抑制破坏的产生。
根据本实施方式的半导体装置，能够提供具有简易的构造的半导体装置。
(第3实施方式)
本实施方式的半导体装置在第1齐纳二极管50以并联的方式连接于第1电容器30这一点、以及第2齐纳二极管60以并联的方式连接于第2电容器40这一点，与第1实施方式不同。
这里，省略与第1实施方式以及第2实施方式重复的内容的记载。
图6是本实施方式的半导体装置120的电路图。
第1齐纳二极管50的第1阴极52电连接于第1电容器30的第5端部31。第1齐纳二极管50的第1阳极51电连接于第1电容器30的第6端部32。第1齐纳二极管50以并联的方式与第1电容器30连接。
另外，第2齐纳二极管60的第2阳极61电连接于第2电容器40的第7端部41。第2齐纳二极管60的第2阴极62电连接于第2电容器40的第8端部42。第2齐纳二极管60以并联的方式与第2电容器40连接。
第1电容成分Ca以及第2电容成分Cb优选的是设为第1电容器30的第1电容C1以及第2电容器40的第2电容C2。第1齐纳二极管50的第1结电容Cx以及第2齐纳二极管60的第2结电容Cy有根据所施加的电压而变化的可能性。因此，使用了第1电容器30的第1电容C1以及第2电容器40的第2电容C2的话，更容易高精度地估计从栅极驱动器电路96输出的电压Vg＿on。
另外，为了更高精度地估计电压Vg＿on，优选的是将第1电容成分Ca设为第1电容器30的第1电容C1以及第1齐纳二极管50的第1结电容Cx被并联连接的情况下的合成电容(C1Cx/(C1+Cx))。而且，优选的是将第2电容成分Cb设为第2电容器40的第2电容C2以及第2齐纳二极管60的第2结电容Cy被并联连接的情况下的合成电容(C2Cy/(C2+Cy))。
根据本实施方式的半导体装置，能够提供具有简易构造的半导体装置。
虽然说明了本发明的几个实施方式以及实施例，但这些实施方式以及实施例是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等价的范围内。

Claims (9)

1.一种半导体装置，其中，具备：
常关断晶体管，具有第1电极、第2电极、以及第1控制电极；
常开启晶体管，具有电连接于所述第2电极的第3电极、第4电极、以及第2控制电极；
第1元件，具有电连接于所述第1控制电极的第1端部和电连接于所述第1电极的第2端部，所述第1元件包含第1电容成分；以及
第2元件，具有电连接于所述第1控制电极及所述第1端部的第3端部、以及第4端部，所述第2元件包含第2电容成分，
在将所述常关断晶体管的阈值电压设为Vth、将所述常关断晶体管的最大栅极额定电压设为Vg＿max、将所述第4端部的电压设为Vg＿on、将所述第1电容成分设为Ca、将所述第2电容成分设为Cb时，
Vth＜(Cb/(Ca+Cb))Vg＿on＜Vg＿max。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述第1元件是具有第1阳极和第1阴极并包含第1结电容的第1齐纳二极管，
所述第1端部是所述第1阴极，所述第2端部是所述第1阳极，所述第1电容成分是所述第1结电容。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述第1元件是具有第5端部和第6端部并包含第1电容的第1电容器，
所述第1端部是所述第5端部，所述第2端部是所述第6端部，所述第1电容成分是所述第1电容。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其中，
还具备第1齐纳二极管，该第1齐纳二极管具有电连接于所述第1端部的第1阴极和电连接于所述第2端部的第1阳极，所述第1齐纳二极管与所述第1电容器并联连接。
5.根据权利要求2或4所述的半导体装置，其中，
在将所述第1齐纳二极管的第1击穿电压设为Vz(D1)时，
Vz(D1)＜Vg＿max。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述第2元件是具有第2阳极和第2阴极并包含第2结电容的第2齐纳二极管，
所述第3端部是所述第2阳极，所述第4端部是所述第2阴极，所述第2电容成分是所述第2结电容。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述第2元件是具有第7端部和第8端部并包含第2电容的第2电容器，
所述第3端部是所述第7端部，所述第4端部是所述第8端部，所述第2电容成分是所述第2电容。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其中，
还具备第2齐纳二极管，该第2齐纳二极管具有电连接于所述第3端部的第2阳极和电连接于所述第4端部的第2阴极，所述第2齐纳二极管与所述第2电容器并联连接。
9.根据权利要求6或8所述的半导体装置，其中，
在将所述第2齐纳二极管的第2击穿电压设为Vz(D2)时，
Vz(D2)＜Vg＿on－Vth。
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