JP2018148214A - Normally-off operating diamond power element and inverter using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diamond power element operating in a normally-off mode.SOLUTION: A normally-off operating diamond power element includes a diamond field effect transistor 10 and an enhancement-type p channel field effect transistor 20 coupled to the diamond field effect transistor 10 in series, and the diamond field effect transistor 10 includes a drain electrode provided on a diamond substrate, a source electrode provided on the diamond substrate at a distance from the drain electrode, a hydrogenated layer provided on the surface of the diamond substrate between the drain electrode and the source electrode and having a carbon hydrogen bond, a gate insulating film covering the hydrogenated layer, and a gate electrode provided on the gate insulating film.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ノーマリオフ動作ダイヤモンド電力素子及びこれを用いたインバータに関する。   The present invention relates to a normally-off operation diamond power element and an inverter using the same.

ダイヤモンドは、高電圧及び大電流の条件のもとでの動作が求められる電力素子に適した半導体材料として期待されている。ダイヤモンド基板を用いた種々の電界効果トランジスタ(FET: Field Effect Transistor)は、これまでにも提案されている。特許文献1には、ダイヤモンド基板の表面を水素化することにより、水素化層直下に2次元正孔ガス(2DHG;two-dimensional hole gas)層を生成し、これを電界効果トランジスタのチャネル層として用いるダイヤモンドFETが提案されている。   Diamond is expected as a semiconductor material suitable for power devices that are required to operate under conditions of high voltage and large current. Various field effect transistors (FETs) using a diamond substrate have been proposed. In Patent Document 1, a surface of a diamond substrate is hydrogenated to generate a two-dimensional hole gas (2DHG: two-dimensional hole gas) layer directly under the hydrogenated layer, which is used as a channel layer of a field effect transistor. A diamond FET to be used has been proposed.

特開2014−60377号公報JP 2014-60377 A

ところで、ダイヤモンド基板の表面を水素化することにより生成される2DHG層はゲート電圧を印加しない場合でも存在するため、特許文献1に提案されるダイヤモンドFETはノーマリオンモードで動作する。消費電力の低減や安全性、既存の回路への適用性の観点から、電力素子はノーマリオフモードで動作することが好ましく、ノーマリオフモードで動作するダイヤモンド電力素子が望まれている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされ、ノーマリオフモードで動作するダイヤモンド電力素子及びこれを用いたインバータを提供する。
By the way, since the 2DHG layer generated by hydrogenating the surface of the diamond substrate exists even when no gate voltage is applied, the diamond FET proposed in Patent Document 1 operates in a normally-on mode. From the viewpoint of reducing power consumption, safety, and applicability to existing circuits, the power element preferably operates in a normally-off mode, and a diamond power element that operates in a normally-off mode is desired.
This invention is made | formed in view of the said situation, and provides the diamond power element which operate | moves in normally-off mode, and an inverter using the same.

本発明の第1の態様は、ダイヤモンド電界効果トランジスタと、これに直列に接続するエンハンスメント型のpチャネル電界効果トランジスタとを備え、ダイヤモンド電界効果トランジスタが、ダイヤモンド基板に設けられるドレイン電極と、ドレイン電極から離間してダイヤモンド基板に設けられるソース電極と、ドレイン電極及びソース電極の間におけるダイヤモンド基板の表面に設けられ、炭素水素結合を有する水素化層と、水素化層を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられるゲート電極とを含むダイヤモンド電力素子を提供する。   A first aspect of the present invention includes a diamond field effect transistor and an enhancement type p-channel field effect transistor connected in series to the diamond field effect transistor. The diamond field effect transistor includes a drain electrode provided on a diamond substrate, and a drain electrode. A source electrode provided on the diamond substrate spaced apart from the source electrode, a hydrogenated layer having a carbon-hydrogen bond provided on the surface of the diamond substrate between the drain electrode and the source electrode, a gate insulating film covering the hydrogenated layer, and a gate A diamond power device including a gate electrode provided on an insulating film is provided.

本発明の第2の態様は、第1の態様のダイヤモンド電力素子と、ダイヤモンド電力素子に直列に接続されるnチャネル電界効果トランジスタとを備えるインバータを提供する。   A second aspect of the present invention provides an inverter comprising the diamond power element of the first aspect and an n-channel field effect transistor connected in series to the diamond power element.

本発明によれば、ノーマリオフモードで動作するダイヤモンド電力素子及びこれを用いたインバータが提供される。   According to the present invention, a diamond power element operating in a normally-off mode and an inverter using the same are provided.

本発明の第1の実施形態によるダイヤモンド電力素子の回路図である。1 is a circuit diagram of a diamond power element according to a first embodiment of the present invention. 本実施形態のダイヤモンド電力素子のダイヤモンド電界効果トランジスタを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the diamond field effect transistor of the diamond power element of this embodiment. ゲート電圧を印加した場合におけるダイヤモンド電界効果トランジスタの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a diamond field effect transistor when a gate voltage is applied. ゲート電圧を印加しない場合におけるダイヤモンド電界効果トランジスタの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a diamond field effect transistor when no gate voltage is applied. 本実施形態のダイヤモンド電力素子の電流電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic of the diamond power element of this embodiment. 本実施形態のダイヤモンド電力素子の他の電流電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the other current-voltage characteristic of the diamond power element of this embodiment. 比較のために、本実施形態のダイヤモンド電力素子内のダイヤモンド電界効果トランジスタの電流電圧特性を示すグラフである。For comparison, it is a graph showing current-voltage characteristics of a diamond field effect transistor in the diamond power element of the present embodiment. 本実施形態のダイヤモンド電力素子の耐電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the withstand voltage characteristic of the diamond power element of this embodiment. 本発明の第2の実施形態によるインバータを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the inverter by the 2nd Embodiment of this invention. 本実施形態のインバータの動作特性を示すグラフである。It is a graph which shows the operating characteristic of the inverter of this embodiment. 実施例1に係る本発明の相補型インバータの回路図である。1 is a circuit diagram of a complementary inverter of the present invention according to Example 1. FIG. 実施例2に係る本発明の相補型インバータの回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a complementary inverter according to the present invention relating to Example 2. (a)は本発明の相補型インバータの第2段目の回路に入力される入力電圧波形を示す図であり、(b)は本発明の相補型インバータの第1段目の回路に入力される入力電圧波形および第2段目の回路から出力される出力電圧波形を示す図である。(A) is a figure which shows the input voltage waveform input into the 2nd stage circuit of the complementary inverter of this invention, (b) is input into the 1st stage circuit of the complementary inverter of this invention. FIG. 6 is a diagram illustrating an input voltage waveform and an output voltage waveform output from a second-stage circuit.

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一または対応する部材または部品については、同一または対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In all the accompanying drawings, the same or corresponding members or parts are denoted by the same or corresponding reference numerals, and redundant description is omitted.

(第1の実施形態)
以下、図1から図8までを参照しながら、本発明の第1の実施形態によるダイヤモンド電力素子を説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a diamond power device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、本実施形態によるダイヤモンド電力素子1の回路図である。図示のとおり、ダイヤモンド電力素子1は、ダイヤモンド電界効果トランジスタ(以下、ダイヤモンドFET(Field Effect Transistor)という)10と、pチャネル電界効果トランジスタ(以下、p−FETという)20とを有する。ダイヤモンドFET10とp−FET20は互いに直列に接続されている。つまり、ダイヤモンドFET10のソース10sがp−FET20のドレイン20dに接続されている。また、ダイヤモンドFET10のゲート10gは、p−FET20のソース20sに接続されている。すなわち、本実施形態のダイヤモンド電力素子1は、ドレイン端子D(ダイヤモンドFET10のドレイン端子に相当)、ソース端子S(p−FET20のソース端子に相当)、及びゲート端子G(p−FET20のゲート端子に相当)を有する三端子素子様の構成を有している。   FIG. 1 is a circuit diagram of a diamond power element 1 according to the present embodiment. As shown in the figure, the diamond power element 1 includes a diamond field effect transistor (hereinafter referred to as diamond FET (Field Effect Transistor)) 10 and a p-channel field effect transistor (hereinafter referred to as p-FET) 20. The diamond FET 10 and the p-FET 20 are connected in series with each other. That is, the source 10 s of the diamond FET 10 is connected to the drain 20 d of the p-FET 20. The gate 10g of the diamond FET 10 is connected to the source 20s of the p-FET 20. That is, the diamond power element 1 of this embodiment includes a drain terminal D (corresponding to the drain terminal of the diamond FET 10), a source terminal S (corresponding to the source terminal of the p-FET 20), and a gate terminal G (gate terminal of the p-FET 20). 3 terminal element-like configuration.

次に、ダイヤモンドFET10について説明する。図2を参照すると、ダイヤモンドFET10は、基板11に設けられるドレイン電極12と、ドレイン電極12から離間して基板11に設けられるソース電極13と、ドレイン電極12及びソース電極13の間における基板11の表面に設けられ、炭素水素(C−H)結合を有する水素化層15と、水素化層15を覆うゲート絶縁膜16と、ゲート絶縁膜16上に設けられるゲート電極14とを含む。ゲート絶縁膜16は、ドレイン電極12及びソース電極13の上方にコンタクト孔17を有しており、コンタクト孔17を通してドレイン電極12及びソース電極13が上方に露出している。ゲート電極14は、ドレイン電極12とソース電極13の間においてゲート絶縁膜16上に設けられている。   Next, the diamond FET 10 will be described. Referring to FIG. 2, the diamond FET 10 includes a drain electrode 12 provided on the substrate 11, a source electrode 13 provided on the substrate 11 apart from the drain electrode 12, and the substrate 11 between the drain electrode 12 and the source electrode 13. A hydrogenated layer 15 provided on the surface and having a carbon-hydrogen (C—H) bond, a gate insulating film 16 covering the hydrogenated layer 15, and a gate electrode 14 provided on the gate insulating film 16 are included. The gate insulating film 16 has a contact hole 17 above the drain electrode 12 and the source electrode 13, and the drain electrode 12 and the source electrode 13 are exposed upward through the contact hole 17. The gate electrode 14 is provided on the gate insulating film 16 between the drain electrode 12 and the source electrode 13.

基板11はダイヤモンドで形成されている。本実施形態においては、基板11は、単結晶(Ib(001))のダイヤモンド基板11aと、その表面にエピタキシャル成長されたアンドープのダイヤモンド層11bとを有している。ダイヤモンド層11bは、例えばマイクロ波化学気相堆積法(CVD;Chemical Vapor Deposition)により成長することができる。ダイヤモンド層11bの厚さは例えば約100nmであってよい。   The substrate 11 is made of diamond. In the present embodiment, the substrate 11 includes a single crystal (Ib (001)) diamond substrate 11a and an undoped diamond layer 11b epitaxially grown on the surface thereof. The diamond layer 11b can be grown by, for example, microwave chemical vapor deposition (CVD). The thickness of the diamond layer 11b may be about 100 nm, for example.

ドレイン電極12は、チタンカーバイド(TiC)層12a、チタン(Ti)層12b、及び金(Au)層12cを有している。Ti層12b及びAu層12cは、例えば、フォトリソグラフィ技術、蒸着法、及びリフトオフ法を順次用いることにより形成することができる。TiC層12aは、例えばTi層12b及びAu層12cの形成後に基板11を加熱し、Ti層12bを構成するTiをその直下のダイヤモンド層11bに拡散させることにより形成することができる。TiC層12aにより、ドレイン電極12はダイヤモンド層11bに対してオーミック接続する。   The drain electrode 12 has a titanium carbide (TiC) layer 12a, a titanium (Ti) layer 12b, and a gold (Au) layer 12c. The Ti layer 12b and the Au layer 12c can be formed by sequentially using, for example, a photolithography technique, a vapor deposition method, and a lift-off method. The TiC layer 12a can be formed, for example, by heating the substrate 11 after the formation of the Ti layer 12b and the Au layer 12c, and diffusing Ti constituting the Ti layer 12b into the diamond layer 11b immediately below the Ti layer 12b. The drain electrode 12 is ohmically connected to the diamond layer 11b by the TiC layer 12a.

ソース電極13は、TiC層13a、Ti層13b、及びAu層13cを有している。このソース電極13の各層13a〜13cは、ドレイン電極12の各層12a〜12cと同じであるので、その詳細な説明は省略する。   The source electrode 13 includes a TiC layer 13a, a Ti layer 13b, and an Au layer 13c. Since the layers 13 a to 13 c of the source electrode 13 are the same as the layers 12 a to 12 c of the drain electrode 12, detailed description thereof is omitted.

なお、Ti層12b,13b、及びAu層12c,13cの厚さは、適宜決めてよい。例えば、Ti層12b,13bの厚さは3nmから50nmまでの範囲内であってよく、Au層12c,13cの厚さは50nmから1μmまでの範囲内であってよい。詳細には、Ti層12b,13bは約30nm、Au層12c,13cは約100nmの厚さであると好ましい。   The thicknesses of the Ti layers 12b and 13b and the Au layers 12c and 13c may be determined as appropriate. For example, the thickness of the Ti layers 12b and 13b may be in the range from 3 nm to 50 nm, and the thickness of the Au layers 12c and 13c may be in the range from 50 nm to 1 μm. Specifically, it is preferable that the Ti layers 12b and 13b have a thickness of about 30 nm, and the Au layers 12c and 13c have a thickness of about 100 nm.

水素化層15は、ドレイン電極12とソース電極13の間におけるダイヤモンド層11bの表面に形成されている。水素化層15では、ダイヤモンド層11bを形成する炭素(C)原子のダングリングボンドが水素(H)原子により終端されている(すなわち、C−H結合が形成されている)。水素化層15は、その直下のダイヤモンド層11b内に2次元正孔ガス(2DHG:two-dimensional hole gas)層(図示せず)を誘起する。2DHG層は、ダイヤモンドFET10のp型チャネル層として機能する。2DHG層は、ダイヤモンドFET10へゲート電圧を印加しない場合であっても存在するため、ダイヤモンドFET10はデプレッション型の素子として機能する。   The hydrogenation layer 15 is formed on the surface of the diamond layer 11 b between the drain electrode 12 and the source electrode 13. In the hydrogenated layer 15, dangling bonds of carbon (C) atoms forming the diamond layer 11b are terminated by hydrogen (H) atoms (that is, C—H bonds are formed). The hydrogenation layer 15 induces a two-dimensional hole gas (2DHG: two-dimensional hole gas) layer (not shown) in the diamond layer 11b immediately below it. The 2DHG layer functions as a p-type channel layer of the diamond FET 10. Since the 2DHG layer exists even when no gate voltage is applied to the diamond FET 10, the diamond FET 10 functions as a depletion type element.

水素化層15は例えば以下のように形成することができる。まず、ドレイン電極12とソース電極13が形成された基板11を例えば600℃に加熱しながら、ダイヤモンド層11bの表面を水素プラズマに曝す。これにより、ドレイン電極12及びソース電極13で覆われた部分を除いて、ダイヤモンド層11bの表面の全面が水素終端される。次いで、ドレイン電極12とソース電極13の間の領域を含む所定の範囲をフォトレジストマスクで覆った後、ダイヤモンド層11bを酸素プラズマに曝す。酸素プラズマに曝された領域の表面は酸化されてC−H結合が消失し、この領域から水素化層15が除去される。一方、フォトレジストマスクで覆われた領域にはC−H結合が残り、このフォトレジストマスクを除去すると、所定のサイズを有する水素化層15が得られる。   The hydrogenation layer 15 can be formed as follows, for example. First, the surface of the diamond layer 11b is exposed to hydrogen plasma while the substrate 11 on which the drain electrode 12 and the source electrode 13 are formed is heated to, for example, 600 ° C. As a result, the entire surface of the diamond layer 11b is hydrogen-terminated except for the portion covered with the drain electrode 12 and the source electrode 13. Next, after covering a predetermined range including a region between the drain electrode 12 and the source electrode 13 with a photoresist mask, the diamond layer 11b is exposed to oxygen plasma. The surface of the region exposed to the oxygen plasma is oxidized and the C—H bond disappears, and the hydrogenated layer 15 is removed from this region. On the other hand, C—H bonds remain in the region covered with the photoresist mask, and when this photoresist mask is removed, a hydrogenated layer 15 having a predetermined size is obtained.

ゲート絶縁膜16はアルミナ(Al)で形成されている。このゲート絶縁膜16は、ゲート電極14を水素化層15から電気的に絶縁するとともに、水素化層15を保護する保護膜としても機能する。ゲート絶縁膜16の厚さは適宜決めることができるが、ダイヤモンドFET10の耐圧を向上させる観点から、50nm以上とし、好ましくは100nm以上とし、より好ましくは400nm以上とするのがよい。 The gate insulating film 16 is made of alumina (Al 2 O 3 ). The gate insulating film 16 electrically insulates the gate electrode 14 from the hydrogenated layer 15 and also functions as a protective film for protecting the hydrogenated layer 15. Although the thickness of the gate insulating film 16 can be determined as appropriate, from the viewpoint of improving the breakdown voltage of the diamond FET 10, it is set to 50 nm or more, preferably 100 nm or more, and more preferably 400 nm or more.

なお、ゲート絶縁膜16は、トリメチルアルミニウム(TMA)と、気相状態の水(HO)とを原料とする原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法により形成することができる。 Note that the gate insulating film 16 can be formed by an atomic layer deposition (ALD) method using trimethylaluminum (TMA) and vapor phase water (H 2 O) as raw materials.

ゲート電極14は、ゲート絶縁膜16上に、ドレイン電極12及びソース電極13の各々から所定の間隔をあけて配置されている。ゲート−ドレイン間隔LGD、ゲート−ソース間隔LGS、ゲート長Lは、適宜決めることができるが、ゲート−ドレイン間隔LGDは1〜30μm、ゲート−ソース間隔LGSは1〜10μm、ゲート長Lは1〜20μmの範囲内とするのがよい。ゲート電極14は例えばアルミニウム(Al)で形成されている。ゲート電極14は、例えば、フォトリソグラフィ技術、蒸着法、及びリフトオフ法を順次用いることにより形成することができる。ゲート電極14の厚さは例えば約0.5μmであってよい。 The gate electrode 14 is disposed on the gate insulating film 16 with a predetermined distance from each of the drain electrode 12 and the source electrode 13. The gate - drain spacing L GD, the gate - source distance L GS, the gate length L G, which may be appropriately determined, the gate - drain distance L GD is 1 to 30 [mu] m, the gate - source distance L GS is 1 to 10 [mu] m, the gate the length L G is preferably set to within the range of 1 to 20 [mu] m. The gate electrode 14 is made of, for example, aluminum (Al). The gate electrode 14 can be formed by sequentially using, for example, a photolithography technique, a vapor deposition method, and a lift-off method. The thickness of the gate electrode 14 may be about 0.5 μm, for example.

コンタクト孔17は、例えば、ドレイン電極12及びソース電極13の上方に開口を有するフォトレジストマスクを形成し、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)により開口に露出するゲート絶縁膜16を除去することにより形成される。これによりコンタクト孔17を通してドレイン電極12及びソース電極13が露出する。なお、コンタクト孔17は、ゲート電極14を形成する前に形成することが好ましい。これによれば、ゲート電極14を形成するときに、コンタクト孔17を通して露出するドレイン電極12及びソース電極13上にもAlが堆積され、堆積されたAl層をコンタクト層(図示せず)として利用することができる。   The contact hole 17 is formed, for example, by forming a photoresist mask having openings above the drain electrode 12 and the source electrode 13 and removing the gate insulating film 16 exposed to the openings with tetramethylammonium hydroxide (TMAH). Is done. As a result, the drain electrode 12 and the source electrode 13 are exposed through the contact hole 17. The contact hole 17 is preferably formed before the gate electrode 14 is formed. According to this, when forming the gate electrode 14, Al is also deposited on the drain electrode 12 and the source electrode 13 exposed through the contact hole 17, and the deposited Al layer is used as a contact layer (not shown). can do.

p−FET20(図1)は、本実施形態においてはシリコン(Si)で構成されたエンハンスメント型(ノーマリオフ型)のpチャネルFETである。p−FET20としては、これらに限定されることなく例えば、ゲート閾値電圧(Vth)が−0.8Vから−4Vまでの範囲内にあり、ドレイン−ソース間降伏電圧(V(BR)DSS)が−100Vから−200Vまでの範囲内あるFETを使用することができる。具体的には、例えばルネサステクノロジ社製の2SJ410や東芝社製の2SJ380などの市販のFETを使用してよい。 The p-FET 20 (FIG. 1) is an enhancement type (normally off type) p-channel FET made of silicon (Si) in this embodiment. For example, the gate threshold voltage (Vth) is in a range from −0.8 V to −4 V, and the drain-source breakdown voltage (V (BR) DSS ) is not limited to these. FETs in the range of −100V to −200V can be used. Specifically, commercially available FETs such as 2SJ410 manufactured by Renesas Technology and 2SJ380 manufactured by Toshiba may be used.

次に、ダイヤモンド電力素子1の動作を図3及び図4を参照しながら説明する。図3は、ゲート電圧VGSを印加した場合のダイヤモンド電力素子1の等価回路を示す。ゲート電圧VGS(ソース端子Sに対しゲート端子Gが負電位)が印加されると、ダイヤモンド電力素子1のp−FET20(エンハンスメント型)がオンになるため、図中のab間の電圧Vabは0Vとなる。電圧VabはダイヤモンドFET10のゲート−ソース間の電圧に相当し、これが0Vとなるため、デプレッション型のダイヤモンドFET10は導通したままとなる。すなわち、ゲート電圧VGSを印加する場合は、ダイヤモンドFET10及びp−FET20の双方がオンになり、ダイヤモンド電力素子1はオンとなる。 Next, the operation of the diamond power element 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows an equivalent circuit of the diamond power element 1 when the gate voltage V GS is applied. When the gate voltage V GS (the gate terminal G is negative with respect to the source terminal S) is applied, the p-FET 20 (enhancement type) of the diamond power element 1 is turned on. 0V. The voltage Vab corresponds to the voltage between the gate and the source of the diamond FET 10 and becomes 0 V, so that the depletion type diamond FET 10 remains conductive. That is, when the gate voltage V GS is applied, both the diamond FET 10 and the p-FET 20 are turned on, and the diamond power element 1 is turned on.

図4は、ゲート電圧VGSを印加しない場合のダイヤモンド電力素子1の等価回路を示している。この場合、p−FET20はオフであり、ドレイン−ソース間に生じるキャパシタ20cと等価になる。このとき、ドレイン電圧VDSによりデプレッション型のダイヤモンドFET10からp−FET20へ瞬間的に電流が流れ込み、キャパシタ20cが充電される。その結果、電圧Vabが正電圧(bを基準として)となり、ダイヤモンドFET10のゲート−ソース間電圧が−Vabとなる。この電圧がダイヤモンドFET10の閾値電圧を超えると、ダイヤモンドFET10はオフへ反転する。したがって、ゲート電圧VGSを印加しない場合、ダイヤモンド電力素子1はオフとなる。すなわち、ダイヤモンド電力素子1はノーマリオフモードで動作することとなる。 FIG. 4 shows an equivalent circuit of the diamond power element 1 when the gate voltage V GS is not applied. In this case, the p-FET 20 is off and is equivalent to the capacitor 20c generated between the drain and the source. At this time, the drain voltage V DS instantaneous current flows from the depletion type diamond FET10 to p-FET 20, capacitor 20c is charged. As a result, the voltage Vab becomes a positive voltage (based on b), and the gate-source voltage of the diamond FET 10 becomes -Vab. When this voltage exceeds the threshold voltage of diamond FET 10, diamond FET 10 is turned off. Therefore, when the gate voltage V GS is not applied, the diamond power element 1 is turned off. That is, the diamond power element 1 operates in the normally-off mode.

消費電力の低減や安全性、既存の回路への適用性の観点から、電力素子は一般にノーマリオフモードで動作することが好ましいところ、ダイヤモンドFET10は上述のとおりデプレッション型であり、ダイヤモンドFET10単体ではノーマリオンモードで動作する。一方、本実施形態によるダイヤモンド電力素子1によれば、ダイヤモンドFET10を使用しつつ、ノーマリオフモードで動作する電力素子が提供される。   From the viewpoint of power consumption reduction, safety, and applicability to existing circuits, it is generally preferable that the power element operates in a normally-off mode. However, the diamond FET 10 is a depletion type as described above, and the diamond FET 10 alone is normally on. Operate in mode. On the other hand, according to the diamond power element 1 according to the present embodiment, a power element that operates in the normally-off mode while using the diamond FET 10 is provided.

次に、本実施形態によるダイヤモンド電力素子1の電気特性の測定結果を説明する。図5は、ダイヤモンド電力素子1の電流電圧特性(ゲート電圧−ドレイン電流特性)の一例を示すグラフである。測定に用いたダイヤモンド電力素子1におけるダイヤモンドFET10の主な仕様は以下のとおりである。
ダイヤモンド基板11aの厚さ :500μm
ダイヤモンド層11bの厚さ :500nm
Ti層12b,13bの厚さ :30nm
Au層12c,13cの厚さ :100nm
ゲート電極14の厚さ :100nm
ゲート絶縁膜16の厚さ :200nm
ゲート幅(水素化層15の幅) :25μm
ゲート−ドレイン間隔LGD:5μm
ゲート長L :4μm
ゲート−ソース間隔LGS :2μm
Next, the measurement results of the electrical characteristics of the diamond power element 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 5 is a graph showing an example of current-voltage characteristics (gate voltage-drain current characteristics) of the diamond power element 1. The main specifications of the diamond FET 10 in the diamond power element 1 used for the measurement are as follows.
Diamond substrate 11a thickness: 500 μm
Diamond layer 11b thickness: 500 nm
Ti layer 12b, 13b thickness: 30 nm
Au layers 12c and 13c thickness: 100 nm
Gate electrode 14 thickness: 100 nm
Gate insulating film 16 thickness: 200 nm
Gate width (width of hydrogenation layer 15): 25 μm
Gate-drain spacing L GD : 5 μm
Gate length L G : 4 μm
Gate-source distance L GS : 2 μm

また、p−FET20として、上記の東芝社製のFET(2SJ380)を使用し、このFETをダイヤモンドFET10に対し、図1に示すように接続することによりダイヤモンド電力素子1を作製した。電気特性の測定には、プローバを備える真空チャンバを用い、適宜、このチャンバ内にダイヤモンド電力素子1を格納して測定を行った。   Further, as the p-FET 20, the above-mentioned FET (2SJ380) manufactured by Toshiba Corporation was used, and this FET was connected to the diamond FET 10 as shown in FIG. The electrical characteristics were measured by using a vacuum chamber equipped with a prober and appropriately storing the diamond power element 1 in the chamber.

図5を参照すると、ドレイン電圧VDS(−10V)を印加しても、ゲート電圧VGSが0Vの場合には電流は流れないことが分かる。すなわち、ダイヤモンド電力素子1がノーマリオフモードで動作することが実際の測定においても確認された。また、ゲート電圧VGSが約−0.9Vより低くなると、ドレイン電流IDSは急峻に立ち上がっている。すなわち、このダイヤモンド電力素子1の閾値電圧は約−0.9Vであり、この値は、使用したp−FET20の規格値−0.8V〜−1.0Vにほぼ一致している。なお、p−FET20として、上記のSJ410を用いた場合にも、ダイヤモンド電力素子1の閾値電圧は、2SJ410の閾値電圧定格値の範囲内に収まった。この結果から、p−FET20の閾値電圧により、ダイヤモンド電力素子1の閾値電圧が決まることが分かる。 Referring to FIG. 5, it can be seen that even when the drain voltage V DS (−10V) is applied, no current flows when the gate voltage V GS is 0V. That is, it was also confirmed in actual measurement that the diamond power element 1 operates in the normally-off mode. Further, when the gate voltage V GS becomes lower than about −0.9 V, the drain current I DS rises steeply. That is, the threshold voltage of the diamond power element 1 is about −0.9 V, and this value substantially matches the standard value −0.8 V to −1.0 V of the p-FET 20 used. In addition, also when said SJ410 was used as p-FET20, the threshold voltage of the diamond power element 1 was settled in the range of the threshold voltage rating value of 2SJ410. From this result, it can be seen that the threshold voltage of the diamond power element 1 is determined by the threshold voltage of the p-FET 20.

なお、図5のグラフにおいて、ドレイン電流IDSは約−13mA/mmで飽和している。これは、ダイヤモンド電力素子1がオンの場合、ダイヤモンドFET10は定電流源として働いており、p−FET20のゲート電圧が上がってもp−FET20へ流れ込む電流が一定となるためである。 In the graph of FIG. 5, the drain current I DS is saturated at about -13mA / mm. This is because when the diamond power element 1 is on, the diamond FET 10 functions as a constant current source, and even if the gate voltage of the p-FET 20 increases, the current flowing into the p-FET 20 is constant.

次に、図6を参照しながら、ダイヤモンド電力素子1の電流電圧特性(ドレイン電圧−ドレイン電流特性)について説明する。図6は、ドレイン電圧VDSを0Vから−30Vまで変化させてドレイン電流IDSを測定した結果を示している。このとき、ゲート電圧VGSをパラメータとして−0.02Vの増分で−1.2Vまで変化させた。ドレイン電圧VDSを負方向に増大していくとともにドレイン電流IDSも増大していき、ドレイン電流IDSは、VGS=−1.2V、VDS=−30Vのときに、約−20.8mA/mmとなった。これにより、ダイヤモンド電力素子1が電力素子として使用可能であることが確認された。なお、このグラフにおいてもドレイン電流IDSが飽和しており、特にゲート電圧VGSが低い場合に、低い値でドレイン電流IDSが飽和している。これは、p−FET20を流れる電流がゲート電圧VGSにより制限されるためである。 Next, the current-voltage characteristics (drain voltage-drain current characteristics) of the diamond power element 1 will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows the result of measuring the drain current I DS while changing the drain voltage V DS from 0V to −30V. At this time, the gate voltage V GS was changed to -1.2 V in increments of -0.02 V using the parameter as a parameter. As the drain voltage V DS increases in the negative direction, the drain current I DS also increases. When the drain current I DS is V GS = −1.2 V and V DS = −30 V, it is about −20. The current was 8 mA / mm. Thereby, it was confirmed that the diamond power element 1 can be used as a power element. In this graph as well, the drain current IDS is saturated, and particularly when the gate voltage VGS is low, the drain current IDS is saturated at a low value. This is because the current flowing through the p-FET 20 is limited by the gate voltage V GS.

次いで、比較のため、ダイヤモンド電力素子1のダイヤモンドFET10における電流電圧特性を測定した。すなわち、図1におけるダイヤモンドFET10のドレイン(ドレイン端子D)とソース10sの間にドレイン電圧Vds(−10V)を印加しつつ、ゲート10gとソース10sの間に印加するゲート電圧Vgsを変化させて、ドレイン電流Idsを測定した。図7に示すように、ゲート電圧Vgsが0Vの場合であっても、約−13mA/mmのドレイン電流が流れている。すなわち、ダイヤモンドFET10は、ノーマリオンモードで動作していることが分かる。この結果を図5に示す結果と比較することにより、本実施形態によるダイヤモンド電力素子1は、ノーマリオンモードで動作するダイヤモンドFET10を使用しつつも、ノーマリオフモードで動作することが分かる。 Next, for comparison, the current-voltage characteristics in the diamond FET 10 of the diamond power element 1 were measured. That is, the gate voltage V gs applied between the gate 10g and the source 10s is changed while the drain voltage V ds (−10 V) is applied between the drain (drain terminal D) and the source 10s of the diamond FET 10 in FIG. The drain current I ds was measured. As shown in FIG. 7, even when the gate voltage V gs is 0 V, a drain current of about −13 mA / mm flows. That is, it can be seen that the diamond FET 10 operates in the normally-on mode. By comparing this result with the result shown in FIG. 5, it is found that the diamond power element 1 according to the present embodiment operates in the normally-off mode while using the diamond FET 10 that operates in the normally-on mode.

続けて、ダイヤモンド電力素子1の耐電圧特性について説明する。図8は、ゲート電圧VGSを印加しない場合(すなわちオフ時)における電流電圧特性を示すグラフである。このグラフにはドレイン電流IDS及びゲート電流IGSの双方をプロットしてある。このグラフに示すように、ドレイン電圧VDSを0Vから−1.5kV程度まで変化させても、ドレイン電流IDSは概ね10−8Aから10−9Aまでの極めて低い範囲内に収まり、ゲート電流IGSは概ね10−12Aから10−10Aまでの極めて低い範囲内に収まっている。絶縁破壊が生じたのはドレイン電圧VDSが−1735Vのときであり、この結果から、ダイヤモンド電力素子1は高電圧電力素子として好適に使用できることが分かる。 Next, the withstand voltage characteristics of the diamond power element 1 will be described. FIG. 8 is a graph showing current-voltage characteristics when the gate voltage V GS is not applied (that is, when off). In this graph, both the drain current IDS and the gate current IGS are plotted. As shown in this graph, even when the drain voltage V DS is changed from 0 V to about −1.5 kV, the drain current I DS is generally within a very low range from 10 −8 A to 10 −9 A, The current I GS is generally within a very low range from 10 −12 A to 10 −10 A. The dielectric breakdown occurred when the drain voltage V DS was −1735 V. From this result, it can be seen that the diamond power element 1 can be suitably used as a high voltage power element.

また、ドレイン電圧VDSが−200Vのときに(ゲート電圧VGS=0V)、ダイヤモンドFET10とp−FET20のそれぞれに印加される電圧(分圧)を測定したところ、p−FET20に印加される電圧は−24.2Vであった。すなわち、p−FET20にかかる電圧はドレイン電圧VDSのほぼ12%に過ぎない。ダイヤモンド電力素子1の耐電圧に関しては、ダイヤモンドFET10が大きな役割を担っていることが分かった。 Further, when the drain voltage V DS is −200 V (gate voltage V GS = 0 V), the voltage (voltage division) applied to each of the diamond FET 10 and the p-FET 20 is measured, and is applied to the p-FET 20. The voltage was -24.2V. In other words, the voltage applied to the p-FET20 is only about 12 percent of the drain voltage V DS. Regarding the withstand voltage of the diamond power element 1, it was found that the diamond FET 10 plays a major role.

なお、ドレイン電圧VDSとして1.7kVを印加した場合であっても、p−FET20が破壊されることなく、正常に動作することが実験上確認されている。 Even when applying the 1.7kV as the drain voltage V DS, without p-FET 20 is destroyed, to work properly has been confirmed experimentally.

(第2の実施形態)
次に、図9を参照しながら、第2の実施形態によるインバータについて説明する。図示のとおり、インバータ100は、上述のダイヤモンド電力素子1と、このダイヤモンド電力素子1のドレイン端子D(図1)に対してドレインが接続されるnチャネル電界効果トランジスタ(以下、n−FET)30とを有している。換言すると、インバータ100は、pチャネルFETとしてのダイヤモンド電力素子1と、nチャネルFETとしてのn−FET30とで構成されるインバータである。n−FET30としては、市販の高耐電圧のSi製n−FETを使用することができる。ここではTK20A60(東芝社製)を使用した。
(Second Embodiment)
Next, the inverter according to the second embodiment will be described with reference to FIG. As illustrated, the inverter 100 includes a diamond power element 1 described above and an n-channel field effect transistor (hereinafter, n-FET) 30 having a drain connected to the drain terminal D (FIG. 1) of the diamond power element 1. And have. In other words, the inverter 100 is an inverter composed of the diamond power element 1 as a p-channel FET and the n-FET 30 as an n-channel FET. As the n-FET 30, a commercially available Si n-FET having a high withstand voltage can be used. Here, TK20A60 (manufactured by Toshiba) was used.

また、インバータ100において、入力端子Vinは、ダイヤモンド電力素子1のゲート端子G(図1)とn−FET30のゲートとに導通し、出力端子Voutは、ダイヤモンド電力素子1とn−FET30のドレインに導通している。 Further, in the inverter 100, the input terminal V in is electrically connected to the gate of n-FET 30 and the gate terminal G of the diamond power element 1 (FIG. 1), the output terminal V out is the diamond power devices 1 and n-FET 30 Conducted to drain.

インバータ100の端子Vddに所定の電圧(説明の便宜上、電圧Vという)を印加し、端子Vssを接地した場合において、入力端子Vinに電圧Vを印加すると、ダイヤモンド電力素子1がオフになり、n−FET30がオンになる。したがって、出力端子Voutの電圧は0Vとなる。入力端子Vinに入力電圧を印加しない場合には、ダイヤモンド電力素子1がオンになり、n−FET30がオフになる。したがって、出力端子Voutには電圧Vが出力される。 Terminal V dd to a predetermined voltage of the inverter 100 (for convenience of explanation, that voltage V) is applied to, in case where the ground terminal V ss, when a voltage V is applied to the input terminal V in, the diamond power element 1 is turned off The n-FET 30 is turned on. Therefore, the voltage at the output terminal Vout is 0V. When no input voltage is applied to the input terminal V in is diamond power element 1 is turned on, n-FET 30 is turned off. Therefore, the voltage V is output to the output terminal Vout .

図10は、インバータ100の動作特性を示すグラフである。このグラフにおいて、実線が入力電圧を示し、破線が出力電圧を示している。入力電圧が「ロー」(0V)の場合に出力電圧は「ハイ」(この場合、約20V)となり、入力電圧が「ハイ」の場合に出力電圧が「ロー」となっていることが分かる。すなわち、インバータ100がインバータとして動作することが確認された。   FIG. 10 is a graph showing the operating characteristics of the inverter 100. In this graph, the solid line indicates the input voltage, and the broken line indicates the output voltage. It can be seen that when the input voltage is “low” (0 V), the output voltage is “high” (in this case, approximately 20 V), and when the input voltage is “high”, the output voltage is “low”. That is, it was confirmed that the inverter 100 operates as an inverter.

なお、出力電圧は、1サイクル1msに対して下降時の遅延が約215nsであった。一方、上昇時には約290μsの遅延DLが生じている。この遅延DLは、ダイヤモンド電力素子1内のダイヤモンドFET10のゲート長が、n−FET30のゲート長よりも小さいことから生じると推測される。これらを調整することにより、遅延DLの低減が期待される。   The output voltage had a delay of about 215 ns when falling with respect to 1 ms per cycle. On the other hand, a delay DL of about 290 μs occurs during the rise. This delay DL is presumed to be caused by the fact that the gate length of the diamond FET 10 in the diamond power element 1 is smaller than the gate length of the n-FET 30. Adjustment of these is expected to reduce the delay DL.

上述のとおりダイヤモンド電力素子1は、ノーマリオフモードで動作する高耐電圧のpチャネルFETとして機能する。このようなダイヤモンド電力素子1を高耐電圧のノーマリオフモードで動作するn−FET30とともに用いることにより、高耐電圧のインバータ100が提供される。   As described above, the diamond power element 1 functions as a high withstand voltage p-channel FET that operates in a normally-off mode. By using such a diamond power element 1 together with an n-FET 30 that operates in a normally-off mode with a high withstand voltage, an inverter 100 with a high withstand voltage is provided.

以上、いくつかの実施形態を参照しながら本発明を説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されることなく、種々に変更又は変形することができる。   Although the present invention has been described above with reference to some embodiments, the present invention is not limited to these embodiments and can be variously changed or modified.

例えば、上記の実施形態においては、単結晶のダイヤモンド基板11aが用いたが、黒色多結晶のダイヤモンド基板を用いてもよい。この場合、その表面に多結晶のダイヤモンド層を堆積してもよいし、堆積しなくてもよい。   For example, in the above embodiment, the single crystal diamond substrate 11a is used, but a black polycrystalline diamond substrate may be used. In this case, a polycrystalline diamond layer may or may not be deposited on the surface.

また、上記の実施形態では、p−FET20としてSi製FETを例示したが、他の材料により構成されたエンハンスメント型p−FETを用いてもよい。例えば、ゲルマニウム(Ge)で構成されたpチャネルFET(チャネル層としてGe又はSiGeが採用されたFETも含む)を使用することができ、III−V族化合物半導体で構成されたpチャネルFETをp−FET20として使用してもよい。例えばインジウムガリウムヒ素(InGaAs)層をチャネル層として有するFETを使用してよい。   Moreover, in said embodiment, although Si-made FET was illustrated as p-FET20, you may use enhancement type p-FET comprised with the other material. For example, a p-channel FET composed of germanium (Ge) (including an FET employing Ge or SiGe as a channel layer) can be used, and a p-channel FET composed of a III-V group compound semiconductor is used as p. -You may use as FET20. For example, an FET having an indium gallium arsenide (InGaAs) layer as a channel layer may be used.

上記の実施形態によるダイヤモンド電力素子1では、ダイヤモンドFET10のゲート10gと、p−FET20のソース20sとが互いに接続されているが、各々が接地されていてもよい。   In the diamond power element 1 according to the above embodiment, the gate 10g of the diamond FET 10 and the source 20s of the p-FET 20 are connected to each other, but each may be grounded.

さらに、インバータ100におけるn−FET30として、Si製FETに限らず、他の材料により構成されたn−FETを用いることができる。例えば、n−FET30として、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)/窒化ガリウム(GaN)系のn−FETを用いた素子を用いてもよい。具体的には、この素子は、AlGaN/GaN系のn−FET(デプレッション型)と、エンハンスメント型のn−FETを有することができる。AlGaN/GaN系のn−FETのソースと、エンハンスメント型のn−FETのドレインとが接続され、AlGaN/GaN系のn−FETのゲートと、エンハンスメント型のn−FETのソースとが接続されており、これにより、この素子はノーマリオフモードで動作する。これによれば、ダイヤモンド電力素子1と、ガリウムと窒素を含む半導体で構成される第1のnチャネル電界効果トランジスタと、この第1のnチャネル電界効果トランジスタに直列に接続されるエンハンスメント型の第2のnチャネル電界効果トランジスタとを含み、ダイヤモンド電力素子1に直列に接続される素子と、を含むインバータが提供される。   Furthermore, the n-FET 30 in the inverter 100 is not limited to a Si FET, and an n-FET made of other materials can be used. For example, an element using an aluminum gallium nitride (AlGaN) / gallium nitride (GaN) n-FET may be used as the n-FET 30. Specifically, this element can have an AlGaN / GaN-based n-FET (depletion type) and an enhancement type n-FET. The source of the AlGaN / GaN n-FET and the drain of the enhancement type n-FET are connected, and the gate of the AlGaN / GaN n-FET and the source of the enhancement type n-FET are connected. Thus, this element operates in a normally-off mode. According to this, the diamond power element 1, the first n-channel field effect transistor made of a semiconductor containing gallium and nitrogen, and the enhancement type first connected in series to the first n-channel field effect transistor. An inverter including two n-channel field effect transistors and connected in series to the diamond power element 1 is provided.

なお、このような素子を使用する場合には、AlGaN/GaN系のn−FETは、ダイヤモンドFET10が形成された基板11の上に形成されてもよい。   When such an element is used, the AlGaN / GaN-based n-FET may be formed on the substrate 11 on which the diamond FET 10 is formed.

[実施例1]
図11を参照しながら、本発明の実施例1について説明する。同図面において、記号Dはドレイン、記号Sはソース、記号Gはゲートを表わすものとする。
[Example 1]
Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. In the drawing, symbol D represents a drain, symbol S represents a source, and symbol G represents a gate.

実施例1の相補型インバータ200は、デプレッション型のダイヤモンドFET211とエンハンスメント型のSi製p−FET212をカスコード接続したカスコードp−FET210と、デプレッション型のAlGaN/GaN系n−FET221とエンハンスメント型のSi製n−FET222をカスコード接続したカスコードn−FET220が相補型インバータを構成するように、カスコードp−FET210のドレインとカスコードn−FET220のドレインを相互に接続した回路から構成されている。   The complementary inverter 200 of the first embodiment includes a cascode p-FET 210 in which a depletion type diamond FET 211 and an enhancement type Si p-FET 212 are cascode-connected, a depletion type AlGaN / GaN n-FET 221 and an enhancement type Si. The drain of the cascode p-FET 210 and the drain of the cascode n-FET 220 are connected to each other so that the cascode n-FET 220 in which the n-FET 222 is cascode-connected constitutes a complementary inverter.

カスコードp−FET210において、Si製p−FET212のドレインはダイヤモンドFET211のソースに接続されており、Si製p−FET212のソースはダイヤモンドFET211のゲートに接続されている。Si製p−FET212のソース(カスコードp−FET210のソース端子に相当)は、直流電源260aに接続されている。ダイヤモンドFET211のドレイン(カスコードp−FET210のドレイン端子に相当)は、AlGaN/GaN系n−FET221のドレイン(カスコードn−FET220のドレイン端子に相当)に接続されている。   In the cascode p-FET 210, the drain of the Si p-FET 212 is connected to the source of the diamond FET 211, and the source of the Si p-FET 212 is connected to the gate of the diamond FET 211. The source of the Si p-FET 212 (corresponding to the source terminal of the cascode p-FET 210) is connected to the DC power supply 260a. The drain of the diamond FET 211 (corresponding to the drain terminal of the cascode p-FET 210) is connected to the drain of the AlGaN / GaN n-FET 221 (corresponding to the drain terminal of the cascode n-FET 220).

一方、カスコードn−FET220において、Si製n−FET222のドレインはAlGaN/GaN系n−FET221のソースに接続されており、Si製n−FET222のソースはAlGaN/GaN系n−FET221のゲートに接続されている。Si製p−FET222のソース(カスコードn−FET220のソース端子に相当)は直流電源260bに接続されている。AlGaN/GaN系n−FET221のドレイン(カスコードn−FET220のドレイン端子に相当)は、ダイヤモンドFET211のドレイン電極(カスコードp−FET210のドレイン端子に相当)に接続されている。   On the other hand, in the cascode n-FET 220, the drain of the Si n-FET 222 is connected to the source of the AlGaN / GaN n-FET 221, and the source of the Si n-FET 222 is connected to the gate of the AlGaN / GaN n-FET 221. Has been. The source of the Si p-FET 222 (corresponding to the source terminal of the cascode n-FET 220) is connected to the DC power supply 260b. The drain of the AlGaN / GaN-based n-FET 221 (corresponding to the drain terminal of the cascode n-FET 220) is connected to the drain electrode of the diamond FET 211 (corresponding to the drain terminal of the cascode p-FET 210).

そして、信号源250から延出される信号線は、2つに分岐して、それぞれSi製p−FET212のゲート(カスコードp−FET210のゲート端子に相当)及びSi製p−FET222のゲート(カスコードp−FET220のゲート端子に相当)に接続されている。   The signal line extending from the signal source 250 is branched into two, respectively, the gate of the Si p-FET 212 (corresponding to the gate terminal of the cascode p-FET 210) and the gate of the Si p-FET 222 (cascode p). -Corresponding to the gate terminal of the FET 220).

本実施例では、上記のように構成された相補型インバータ200を用いて、直流電源260aからカスコードp−FET210のソース端子に電圧+10Vを印加し、直流電源260bからカスコードn−FET220のソース端子に電圧−10Vを印加し、信号源250からカスコードp−FET210及びカスコードn−FET220のゲート端子に入力電圧レベル0V、振幅10V、周期1000Hz、デューティ比50%の矩形パルスを入力して、カスコードp−FET210のドレイン端子とカスコードn−FET220のドレイン端子を接続する中点から波形反転した振幅10Vの矩形パルスを出力として得た。   In the present embodiment, using the complementary inverter 200 configured as described above, a voltage +10 V is applied from the DC power supply 260 a to the source terminal of the cascode p-FET 210, and the DC power supply 260 b is applied to the source terminal of the cascode n-FET 220. A voltage of −10 V is applied, and a rectangular pulse having an input voltage level of 0 V, an amplitude of 10 V, a period of 1000 Hz, and a duty ratio of 50% is input from the signal source 250 to the gate terminals of the cascode p-FET 210 and the cascode n-FET 220. A rectangular pulse with an amplitude of 10 V obtained by inverting the waveform from the midpoint connecting the drain terminal of the FET 210 and the drain terminal of the cascode n-FET 220 was obtained as an output.

[実施例2]
図12を参照しながら、本発明の実施例2について説明する。同図面においても、記号Dはドレイン、記号Sはソース、記号Gはゲートを表わすものとする。
[Example 2]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Also in the figure, symbol D represents a drain, symbol S represents a source, and symbol G represents a gate.

実施例2の相補型インバータ300は、入力電圧のレベルシフタとして機能する第1段目の回路330と、相補型インバータとして機能する第2段目の回路340とから構成されている。   The complementary inverter 300 according to the second embodiment includes a first-stage circuit 330 that functions as a level shifter of an input voltage, and a second-stage circuit 340 that functions as a complementary inverter.

まず、第2段目の回路340から説明する。第2段目の回路340は、デプレッション型のダイヤモンドFET311とエンハンスメント型のSi製p−FET312をカスコード接続したカスコードp−FET310と、デプレッション型のAlGaN/GaN系n−FET321とエンハンスメント型のSi製n−FET322をカスコード接続したカスコードn−FET320が相補型インバータを構成するように、カスコードp−FET310のドレインとカスコードn−FET320のドレインを相互に接続した回路から構成されている。   First, the second stage circuit 340 will be described. The second stage circuit 340 includes a cascode p-FET 310 in which a depletion type diamond FET 311 and an enhancement type Si p-FET 312 are cascode-connected, a depression type AlGaN / GaN n-FET 321 and an enhancement type Si n-type. The cascode n-FET 320 having the cascode-connected FET 322 constitutes a complementary inverter, so that the drain of the cascode p-FET 310 and the drain of the cascode n-FET 320 are connected to each other.

カスコードp−FET310において、Si製p−FET312のドレインはダイヤモンドFET311のソースに接続されており、Si製p−FET312のソースはダイヤモンドFET311のゲートに接続されている。Si製p−FET312のソース(カスコードp−FET310のソース端子に相当)は、直流電源360aに接続されている。ダイヤモンドFET311のドレイン(カスコードp−FET310のドレイン端子に相当)は、AlGaN/GaN系n−FET321のドレイン(カスコードn−FET320のドレイン端子に相当)に接続されている。   In the cascode p-FET 310, the drain of the Si p-FET 312 is connected to the source of the diamond FET 311, and the source of the Si p-FET 312 is connected to the gate of the diamond FET 311. The source of the Si p-FET 312 (corresponding to the source terminal of the cascode p-FET 310) is connected to the DC power supply 360a. The drain of the diamond FET 311 (corresponding to the drain terminal of the cascode p-FET 310) is connected to the drain of the AlGaN / GaN n-FET 321 (corresponding to the drain terminal of the cascode n-FET 320).

一方、カスコードn−FET320において、Si製n−FET322のドレインはAlGaN/GaN系n−FET321のソースに接続されており、Si製n−FET322のソースはAlGaN/GaN系n−FET321のゲートに接続されている。Si製p−FET322のソース(カスコードn−FET320のソース端子に相当)は、直流電源360bに接続されている。AlGaN/GaN系n−FET321のドレイン(カスコードn−FET320のドレイン端子に相当)は、ダイヤモンドFET311のドレイン(カスコードp−FET310のドレイン端子に相当)に接続されている。   On the other hand, in the cascode n-FET 320, the drain of the Si n-FET 322 is connected to the source of the AlGaN / GaN n-FET 321, and the source of the Si n-FET 322 is connected to the gate of the AlGaN / GaN n-FET 321. Has been. The source of the Si p-FET 322 (corresponding to the source terminal of the cascode n-FET 320) is connected to the DC power supply 360b. The drain of the AlGaN / GaN n-FET 321 (corresponding to the drain terminal of the cascode n-FET 320) is connected to the drain of the diamond FET 311 (corresponding to the drain terminal of the cascode p-FET 310).

次に、第1段目の回路330について説明する。第1段目の回路330は、第2段目の回路340のSi製p−FET312のゲート(カスコードp−FET310のゲート端子に相当)及びSi製n−FET322のゲート(カスコードn−FET320のゲート端子に相当)に入力される入力信号の電圧レベルがそれぞれ所定の電圧レベルとなるように、信号源350から入力される信号の電圧レベルをレベルシフトするための回路である。Si製n−FET331のソースとSi製p−FET332のソースを接続した相補的に動作するスイッチ回路を構成しており、該ソースは接地されている。また、信号源350の信号線は、2つに分岐して、それぞれSi製n−FET331及びSi製p−FET332のゲートに接続されている。   Next, the first-stage circuit 330 will be described. The first stage circuit 330 includes a gate of the Si p-FET 312 (corresponding to the gate terminal of the cascode p-FET 310) and a gate of the Si n-FET 322 (the gate of the cascode n-FET 320) of the second stage circuit 340. This is a circuit for level-shifting the voltage level of the signal input from the signal source 350 such that the voltage level of the input signal input to the terminal corresponds to a predetermined voltage level. A switch circuit operating in a complementary manner is formed by connecting the source of the Si n-FET 331 and the source of the Si p-FET 332, and the source is grounded. The signal line of the signal source 350 branches into two and is connected to the gates of the Si n-FET 331 and the Si p-FET 332, respectively.

Si製n−FET331のドレインには抵抗333が接続され、さらに抵抗333の先には抵抗334が直列に接続されていて、抵抗333と抵抗334は抵抗分圧器をなしている。そして、抵抗334の抵抗333に接続される端部とは反対側の端部は直流電源360aに接続されている。また、抵抗333と抵抗334の間の中点は、Si製p−FET312のゲートに接続されており、抵抗333と抵抗334によって抵抗分圧され、所定の電圧レベルにレベルシフトされた電圧をカスコードp−FET310のゲート端子に信号入力することができる。本実施例では、抵抗333と抵抗334の抵抗比は4:1とした。   A resistor 333 is connected to the drain of the Si n-FET 331, and a resistor 334 is connected in series to the tip of the resistor 333. The resistor 333 and the resistor 334 form a resistor voltage divider. The end of the resistor 334 opposite to the end connected to the resistor 333 is connected to the DC power source 360a. The midpoint between the resistors 333 and 334 is connected to the gate of the p-FET 312 made of Si, and the voltage divided by the resistors 333 and 334 and level-shifted to a predetermined voltage level is cascode. A signal can be input to the gate terminal of the p-FET 310. In this embodiment, the resistance ratio between the resistor 333 and the resistor 334 is 4: 1.

一方、Si製p−FET332のドレインには抵抗335が接続され、さらに抵抗335の先には抵抗336が直列に接続されて、抵抗335と抵抗336は抵抗分圧器をなしている。そして、抵抗336の抵抗335に接続される端部とは反対側の端部は直流電源360bに接続されている。また、抵抗335と抵抗336の間の中点は、Si製n−FET322のゲートに接続されており、抵抗335と抵抗336によって抵抗分圧され、所定の電圧レベルにレベルシフトされた電圧をカスコードp−FET320のゲート端子に信号入力することができる。本実施例では、抵抗335と抵抗336の抵抗比は4:1とした。   On the other hand, a resistor 335 is connected to the drain of the p-FET 332 made of Si, a resistor 336 is connected in series to the tip of the resistor 335, and the resistor 335 and the resistor 336 form a resistor voltage divider. The end of the resistor 336 opposite to the end connected to the resistor 335 is connected to the DC power supply 360b. The middle point between the resistor 335 and the resistor 336 is connected to the gate of the Si n-FET 322, and the voltage divided by the resistors 335 and 336 is level-shifted to a predetermined voltage level. A signal can be input to the gate terminal of the p-FET 320. In this embodiment, the resistance ratio between the resistor 335 and the resistor 336 is 4: 1.

本実施例では、上記のように構成される相補型インバータ300を用いて、直流電源360aからカスコードp−FET310のソース端子に電圧+100Vを印加し、直流電源360bからカスコードn−FET320のソース端子に電圧−100Vを印加し、信号源350から第1段目の回路330のSi製n−FET331及びSi製p−FET332のゲートに入力電圧レベル0Vかつ振幅5Vの矩形パルスを入力した。   In this embodiment, using the complementary inverter 300 configured as described above, a voltage +100 V is applied from the DC power supply 360 a to the source terminal of the cascode p-FET 310, and from the DC power supply 360 b to the source terminal of the cascode n-FET 320. A voltage of −100 V was applied, and a rectangular pulse having an input voltage level of 0 V and an amplitude of 5 V was input from the signal source 350 to the gates of the Si n-FET 331 and the Si p-FET 332 of the first-stage circuit 330.

抵抗333と抵抗334の抵抗比は4:1に設定しているので、第1段目の回路330のSi製n−FET331がオンすると、抵抗333と抵抗334に電流が流れ、信号源350から入力された入力信号が抵抗分圧によって直流電源360aの電源電圧+100Vよりも20V低い電圧レベルにレベルシフトされるため、カスコードp−FET310のゲートとソース間の電圧が20V開き、カスコードp−FET310がオンする。逆に、第1段目の回路330のSi製n−FET331がオフすると、抵抗333と抵抗334に電流が流れないので、カスコードp−FET310のゲートは直流電源360aの電源電圧+100Vにプルアップされ、カスコードp−FET310のゲートとソース間の電圧が0Vになり、カスコードp−FET310がオフする。   Since the resistance ratio between the resistor 333 and the resistor 334 is set to 4: 1, when the Si n-FET 331 of the first-stage circuit 330 is turned on, a current flows through the resistor 333 and the resistor 334, and the signal source 350 Since the input signal is level-shifted to a voltage level 20V lower than the power supply voltage + 100V of the DC power supply 360a by the resistance voltage division, the voltage between the gate and the source of the cascode p-FET 310 is opened by 20V, and the cascode p-FET 310 is Turn on. On the other hand, when the Si n-FET 331 of the first stage circuit 330 is turned off, no current flows through the resistor 333 and the resistor 334, so that the gate of the cascode p-FET 310 is pulled up to the power supply voltage + 100V of the DC power supply 360a. The voltage between the gate and the source of the cascode p-FET 310 becomes 0 V, and the cascode p-FET 310 is turned off.

一方、抵抗335と抵抗336の抵抗比は4:1に設定しているので、第1段目の回路330のSi製p−FET332がオンすると、抵抗335と抵抗336に電流が流れ、信号源350から入力された入力信号が抵抗分圧によって直流電源360bの電源電圧−100Vよりも20V高い電圧レベルにレベルシフトされ、カスコードn−FET320のゲートとソース間の電圧が20V開き、カスコードn−FET320がオンする。逆に、第1段目の回路330のSi製p−FET332がオフすると、抵抗335と抵抗336に電流が流れないので、カスコードn−FET320のゲート電極は直流電源360bの電源電圧−100Vにプルダウンされ、カスコードn−FET320のゲートとソース間の電圧が0Vになり、カスコードn−FET320がオフする。   On the other hand, since the resistance ratio between the resistor 335 and the resistor 336 is set to 4: 1, when the Si p-FET 332 of the first-stage circuit 330 is turned on, a current flows through the resistor 335 and the resistor 336, and the signal source The input signal input from 350 is level-shifted to a voltage level 20V higher than the power supply voltage −100V of the DC power supply 360b by resistance voltage division, the voltage between the gate and the source of the cascode n-FET 320 is opened by 20V, and the cascode n-FET 320 Turns on. Conversely, when the Si p-FET 332 of the first-stage circuit 330 is turned off, no current flows through the resistor 335 and the resistor 336. Therefore, the gate electrode of the cascode n-FET 320 is pulled down to the power supply voltage −100V of the DC power supply 360b. As a result, the voltage between the gate and the source of the cascode n-FET 320 becomes 0 V, and the cascode n-FET 320 is turned off.

第1段目の回路330におけるSi製n−FET331とSi製p−FET332が相補的に動作するため、第2段目の回路340におけるカスコードp−FET310とカスコードn−FET320も相補的に動作する。   Since the Si n-FET 331 and the Si p-FET 332 in the first stage circuit 330 operate in a complementary manner, the cascode p-FET 310 and the cascode n-FET 320 in the second stage circuit 340 also operate in a complementary manner. .

図13(a)に、信号源350から入力電圧レベル0V、振幅5V、周期1000Hz、デューティ比50%の矩形パルス(INPUT1)を入力した場合の第1段目の回路330の2つの出力信号、すなわちカスコードp−FET310のゲート入力信号(INPUT2 ch1)とカスコードn−FET320のゲート入力信号(INPUT2 ch2)を示した。図示したように、所定の電圧レベルにレベルシフトされている。そして、図13(b)の下段に第1段目の回路330への入力信号、図13(b)の上段に第2段目の回路340の出力波形を示した。図示したように、電圧レベル0Vかつ振幅100Vの矩形パルスが出力されている。   FIG. 13A shows two output signals of the first-stage circuit 330 when a rectangular pulse (INPUT 1) having an input voltage level of 0 V, an amplitude of 5 V, a period of 1000 Hz, and a duty ratio of 50% is input from the signal source 350. That is, the gate input signal (INPUT2 ch1) of the cascode p-FET 310 and the gate input signal (INPUT2 ch2) of the cascode n-FET 320 are shown. As shown, the level is shifted to a predetermined voltage level. Then, the input signal to the first stage circuit 330 is shown in the lower part of FIG. 13B, and the output waveform of the second stage circuit 340 is shown in the upper part of FIG. 13B. As shown in the figure, a rectangular pulse having a voltage level of 0V and an amplitude of 100V is output.

なお、実施例2に一例として挙げた相補型インバータ300の耐圧は、第1段目の回路330の耐圧で制限される。第1段目の回路330において、Si製のn−FET331はAlGaN/GaN系n−FET及びSi製n−FETをカスコード接続したカスコードn−FETに、Si製p−FET332はダイヤモンドFET及びSi製p−FETをカスコード接続したカスコードp−FETに置き換えてもよい。このようにすれば、相補型インバータ300の全体の耐圧を大幅に改善することができる。   Note that the withstand voltage of the complementary inverter 300 described as an example in the second embodiment is limited by the withstand voltage of the first-stage circuit 330. In the first-stage circuit 330, the Si n-FET 331 is an cascode n-FET in which an AlGaN / GaN n-FET and an Si n-FET are cascode-connected, and an Si p-FET 332 is a diamond FET and Si. The p-FET may be replaced with a cascode p-FET having a cascode connection. In this way, the overall breakdown voltage of the complementary inverter 300 can be significantly improved.

また、第1段目の回路330は、入力電圧レベルを所定の電圧レベルにレベルシフトできる回路ならば、本実施例の回路構成に限定されず、他の回路であってもよいが、第2段目の回路340を構成するカスコードp−FET310とカスコードn−FET320が同期するように、電圧レベルは異なるが同期のとれている2信号を出力できる回路であることが特に好ましい。   Further, the first-stage circuit 330 is not limited to the circuit configuration of the present embodiment as long as the input voltage level can be level-shifted to a predetermined voltage level, and may be another circuit. It is particularly preferable that the circuit be capable of outputting two synchronized signals with different voltage levels so that the cascode p-FET 310 and the cascode n-FET 320 constituting the stage circuit 340 are synchronized.

10 ダイヤモンドFET
11 基板
11a ダイヤモンド基板
11b ダイヤモンド層
12 ドレイン電極
13 ソース電極
14 ゲート電極
15 水素化層
16 ゲート絶縁膜

10 Diamond FET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Substrate 11a Diamond substrate 11b Diamond layer 12 Drain electrode 13 Source electrode 14 Gate electrode 15 Hydrogenation layer 16 Gate insulating film

Claims (8)

ダイヤモンド電界効果トランジスタと、これに直列に接続するエンハンスメント型のpチャネル電界効果トランジスタとを備え、
前記ダイヤモンド電界効果トランジスタが、
ダイヤモンド基板に設けられるドレイン電極と、
前記ドレイン電極から離間して前記ダイヤモンド基板に設けられるソース電極と、
前記ドレイン電極及び前記ソース電極の間における前記ダイヤモンド基板の表面に設けられ、炭素水素結合を有する水素化層と、
前記水素化層を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられるゲート電極とを含む、ダイヤモンド電力素子。
A diamond field effect transistor and an enhancement type p-channel field effect transistor connected in series with the diamond field effect transistor;
The diamond field effect transistor is
A drain electrode provided on the diamond substrate;
A source electrode provided on the diamond substrate apart from the drain electrode;
A hydrogenation layer provided on the surface of the diamond substrate between the drain electrode and the source electrode and having a carbon-hydrogen bond;
A gate insulating film covering the hydrogenation layer;
A diamond power element including a gate electrode provided on the gate insulating film.
前記ダイヤモンド電界効果トランジスタの前記ゲート電極が前記pチャネル電界効果トランジスタのソースと接続される、請求項1に記載のダイヤモンド電力素子。   The diamond power device according to claim 1, wherein the gate electrode of the diamond field effect transistor is connected to a source of the p-channel field effect transistor. 前記pチャネル電界効果トランジスタがシリコンで構成される、請求項1又は2に記載のダイヤモンド電力素子。   The diamond power device according to claim 1, wherein the p-channel field effect transistor is made of silicon. 請求項1から3のいずれか一項に記載の前記ダイヤモンド電力素子と、
前記ダイヤモンド電力素子に直列に接続されるnチャネル電界効果トランジスタと
を備えるインバータ。
The diamond power element according to any one of claims 1 to 3,
And an n-channel field effect transistor connected in series to the diamond power element.
前記nチャネル電界効果トランジスタがシリコンで構成される、請求項4に記載のインバータ。   The inverter according to claim 4, wherein the n-channel field effect transistor is made of silicon. 前記nチャネル電界効果トランジスタがIII−V族化合物半導体で構成される、請求項4に記載のインバータ。   The inverter according to claim 4, wherein the n-channel field effect transistor is formed of a group III-V compound semiconductor. 前記III−V族化合物半導体がガリウムと窒素を含む半導体である、請求項6に記載のインバータ。   The inverter according to claim 6, wherein the III-V compound semiconductor is a semiconductor containing gallium and nitrogen. 前記ガリウムと窒素を含む半導体で構成される前記nチャネル電界効果トランジスタが、前記ダイヤモンド基板に設けられている、請求項7に記載のインバータ。


The inverter according to claim 7, wherein the n-channel field effect transistor including the semiconductor containing gallium and nitrogen is provided on the diamond substrate.


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