JP2021044415A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カスコード接続されたトランジスタを備える半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including cascode-connected transistors.
トランジスタにおける出力容量Coss等の容量成分は、小さいほどそのトランジスタのスイッチング損失が少なくなる。そこで、従来は、素子構造を改良することで容量成分を低減することが行われていた(例えば特許文献1を参照)。 The smaller the capacitance component such as the output capacitance Cos in a transistor, the smaller the switching loss of the transistor. Therefore, conventionally, the capacitance component has been reduced by improving the element structure (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1には、GaNトランジスタの出力キャパシタンスCossを低減するために、GaNトランジスタは、少なくとも1つのバッファー層およびバリア層間の界面の一部分において形成された1つまたは2つ以上の分離領域を含み、2DEGを除去することが記載されている。 In Patent Document 1, in order to reduce the output capacitance Cass of the GaN transistor, the GaN transistor includes at least one buffer layer and one or more separation regions formed at a part of the interface between the barrier layers. It is described to remove 2DEG.
従来からあるSi(シリコン)系材料で形成されたトランジスタは、入力容量Ciss、出力容量Coss、帰還容量Crssといった容量成分は温度に依存しない。そのため、温度を変化させてもスイッチング損失は変化しない。 In a conventional transistor made of a Si (silicon) -based material, the capacitance components such as the input capacitance Ciss, the output capacitance Coss, and the feedback capacitance Crss do not depend on the temperature. Therefore, the switching loss does not change even if the temperature is changed.
近年、実用化が進むGaN(窒化ガリウム)系材料で形成されたトランジスタにおいて高温時に容量成分が低下することを発明者が確認した。その結果を図1に示す。図1に示した実験に使用したトランジスタは、GaNFET(窒化ガリウム電界効果トランジスタ)であり、2つのFETがカスコード接続されている。図1は、縦軸が容量(C)、横軸がドレイン−ソース間の電圧(Vds)である。実線aはジャンクション温度が常温(25℃)における出力容量Coss、破線bはジャンクション温度が高温(175℃)における出力容量Cossである。実線cはジャンクション温度が常温(25℃)における帰還容量Crss、破線dはジャンクション温度が高温(175℃)における帰還容量Crssである。一点鎖線eはジャンクション温度が常温(25℃)における入力容量Ciss、二点鎖線fはジャンクション温度が高温(175℃)における入力容量Cissである。 In recent years, the inventor has confirmed that the capacitance component of a transistor made of a GaN (gallium nitride) -based material, which has been put into practical use, decreases at high temperatures. The result is shown in FIG. The transistor used in the experiment shown in FIG. 1 is a GaN FET (gallium nitride field effect transistor), and two FETs are cascode-connected. In FIG. 1, the vertical axis represents the capacitance (C) and the horizontal axis represents the voltage (Vds) between the drain and the source. The solid line a is the output capacity Coss when the junction temperature is normal temperature (25 ° C.), and the broken line b is the output capacity Coss when the junction temperature is high temperature (175 ° C.). The solid line c is the feedback capacitance Crss when the junction temperature is normal temperature (25 ° C.), and the broken line d is the feedback capacitance Crss when the junction temperature is high temperature (175 ° C.). The alternate long and short dash line e is the input capacitance Ciss at a junction temperature of room temperature (25 ° C.), and the alternate long and short dash line f is an input capacitance Ciss at a high junction temperature (175 ° C.).
図1に示した結果から、ジャンクション温度が高くなると出力容量Coss、帰還容量Crssが低下することが明らかとなった。これは、高温動作が可能であるGaNトランジスタにおいて、カスコード接続が持つ温度特性によるものと考えられる。 From the results shown in FIG. 1, it was clarified that the output capacitance Coss and the feedback capacitance Crss decreased as the junction temperature increased. It is considered that this is due to the temperature characteristics of the cascode connection in the GaN transistor capable of high temperature operation.
このように、カスコード接続されたトランジスタは高温時では出力容量Cossや帰還容量Crssが低下する。しかし、低温時にはこれらの容量が相対的に増加することとなり、低温時におけるスイッチング損失が大きくなってしまう。 As described above, the output capacitance Coss and the feedback capacitance Crss of the cascode-connected transistor decrease at high temperatures. However, these capacities increase relatively at low temperatures, resulting in a large switching loss at low temperatures.
そこで、本発明は、上記のような問題点に鑑み、スイッチング損失を低減することができる半導体装置を提供することを課題とする。 Therefore, in view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of reducing switching loss.
上記課題を解決するためになされた発明は、カスコード接続されたトランジスタと、前記トランジスタの動作時の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部が検出した前記温度に基づいて、前記温度が常温より高い所定の温度を維持するように制御を行う温度制御部と、を備えることを特徴とする半導体装置である。 The invention made to solve the above problems is that the temperature is based on a cascode-connected transistor, a temperature detection unit that detects the operating temperature of the transistor, and the temperature detected by the temperature detection unit. It is a semiconductor device including a temperature control unit that controls so as to maintain a predetermined temperature higher than room temperature.
以上説明したように本発明によれば、温度制御部が、温度検出部で検出された温度に基づいて、常温より高い所定の温度を維持するので、出力容量Cossや帰還容量Crssが低下する状態を維持することができる。そのため、スイッチング損失を低減することができる。 As described above, according to the present invention, the temperature control unit maintains a predetermined temperature higher than room temperature based on the temperature detected by the temperature detection unit, so that the output capacity Coss and the feedback capacity Crss decrease. Can be maintained. Therefore, the switching loss can be reduced.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態を図面に基づいて説明する。図2は、本発明の第1の実施形態にかかる半導体装置の概略構成図である。
(First Embodiment)
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
半導体装置1は、図2に示すように、トランジスタチップ2と、基板3と、冷却部4と、温度検出素子5と、ヒータ6と、制御部7と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the semiconductor device 1 includes a transistor chip 2, a
トランジスタチップ2は、Si、SiCまたはサファイアから成る基板に、GaNバッファー層と、GaN電子走行層と、AlGaN電子供給層が順次形成された半導体基板と、この半導体基板の上面に形成されたゲート電極、ソース電極およびドレイン電極とを備えている周知の半導体素子である。即ち、トランジスタチップ2は、窒化ガリウム系材料で形成された半導体素子である。また、本実施形態に示したトランジスタチップ2は、2つのFET(一方のFETはMOS FETでもよい)がカスコード接続されているものである。 The transistor chip 2 is a semiconductor substrate in which a GaN buffer layer, a GaN electron traveling layer, and an AlGaN electron supply layer are sequentially formed on a substrate made of Si, SiC, or sapphire, and a gate electrode formed on the upper surface of the semiconductor substrate. , A well-known semiconductor device including a source electrode and a drain electrode. That is, the transistor chip 2 is a semiconductor element made of a gallium nitride based material. Further, in the transistor chip 2 shown in the present embodiment, two FETs (one FET may be a MOS FET) are cascode-connected.
カスコード接続とすると、GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)といった単体ではノーマリーオンのスイッチ特性を持つトランジスタであっても、回路的にノーマリーオフとして使用することが可能となる。 With cascode connection, even a transistor such as GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor), which has a normally-on switch characteristic by itself, can be used as a normally-off in the circuit.
基板3は、トランジスタチップ2が実装される回路基板である。基板3には、トランジスタチップ2に加えてヒータ6が実装されており、制御部7が実装されていてもよい。
The
冷却部4は、基板3に実装されたトランジスタチップ2等の部品を冷却するための部品である。この冷却部4は、基板3のトランジスタチップ2が実装される実装面と反対側の面に設けられ、トランジスタチップ2を基板3に固定するダイボンド部を主に冷却するものである。冷却部4としては、例えばヒートシンクで構成することができる。
The
温度検出素子5は、トランジスタチップ2の動作時の温度を検出する。この温度は、トランジスタのジャンクション温度(Tj)を示す。つまり、温度検出素子5は、トランジスタチップ2の表面温度を検出する。温度検出素子5としては、例えば、サーミスタや熱電対等の周知の温度センサを用いることができる。或いは、周辺温度に基づいて推定したり、赤外線等を用いて非接触で検出してもよい。
The
ヒータ6は、基板3上のトランジスタチップ2と接する位置あるいはトランジスタチップ2の近傍に配置されトランジスタチップ2を加熱する。ヒータ6は、トランジスタチップ2のジャンクション温度を上昇させるとともに、ダイボンド部の温度は上昇させないように配置することが好ましい。
The heater 6 is arranged at a position on the
制御部7は、温度検出素子5が検出した温度に基づいてヒータ6の動作を制御する。具体的には、温度検出素子5が検出した温度が所定の温度(例えば、175℃)を維持するようにヒータ6を動作させる。制御部7は、CPU(Central Processing Unit)等を備えたマイクロコンピュータで構成され、上記制御はCPU上で動作するソフトウェアで実現されている。或いは、制御部7は、上記動作をFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアで構成してもよい。
The
次に、上述した構成の半導体装置1における制御部7の動作を図3のフローチャートを参照して説明する。まず、制御部7は、温度検出素子5が検出した温度を取得する(ステップS11)。次に、制御部7は、取得した温度が予め設定された下限温度未満か否か判断する(ステップS12)。この下限温度は、トランジスタチップ2のジャンクション温度が例えば図1で示した175℃などの出力容量Cossや帰還容量Crssが低下した状態を維持できる所定の温度以下の温度である。
Next, the operation of the
ステップS12で下限温度以上と判断された場合は(ステップS12:N)、制御部7は、ヒータ6を動作させずにステップS11に戻る。一方、ステップS12で下限温度未満と判断された場合は(ステップS12:Y)、制御部7は、ヒータ6を動作(ON)させてトランジスタチップ2を加熱する(ステップS13)。つまり、図1で示したような出力容量Cossや帰還容量Crss等が低下してスイッチング損失を低減できるような所定の温度を維持するように加熱する。
If it is determined in step S12 that the temperature is equal to or higher than the lower limit temperature (step S12: N), the
次に、制御部7は、温度検出素子5が検出した温度を取得する(ステップS14)。次に、制御部7は、取得した温度が予め設定された上限温度以上か否か判断する(ステップS15)。この上限温度は、トランジスタチップ2のジャンクション温度が例えば図1で示した175℃などの出力容量Cossや帰還容量Crssが低下した状態を維持できる所定の温度より高い温度である。
Next, the
ステップS15で上限温度未満と判断された場合は(ステップS15:N)、制御部7は、ヒータ6を停止させずにステップS14に戻る。一方、ステップS15で上限温度以上と判断された場合は(ステップS15:Y)、制御部7は、ヒータ6を停止(OFF)させる(ステップS16)。
If it is determined in step S15 that the temperature is lower than the upper limit temperature (step S15: N), the
ここで、所定の温度(出力容量Cossや帰還容量Crssが低下した状態を維持できる温度、例えば175℃)は、常温よりも高い温度かつ下限温度以上、上限温度未満の範囲に含まれていればよい。また、下限温度、上限温度とも常温よりも高い温度かつ出力容量Cossや帰還容量Crssが低下した状態を維持できる温度であるのが好ましい。また、ジャンクション温度を所定の温度に維持することが目的であるので下限温度と上限温度との温度差は、例えば10℃程度等大きすぎないように設定するのが好ましい。 Here, if the predetermined temperature (the temperature at which the output capacity Coss and the feedback capacity Crss can be maintained in a lowered state, for example, 175 ° C.) is included in a temperature higher than room temperature, above the lower limit temperature, and below the upper limit temperature. Good. Further, it is preferable that both the lower limit temperature and the upper limit temperature are higher than room temperature and the temperature at which the output capacity Coss and the feedback capacity Crss are lowered can be maintained. Further, since the purpose is to maintain the junction temperature at a predetermined temperature, it is preferable to set the temperature difference between the lower limit temperature and the upper limit temperature so as not to be too large, for example, about 10 ° C.
本実施形態によれば、半導体装置1は、カスコード接続されたトランジスタチップ2と、トランジスタチップ2の動作時の温度を検出する温度検出素子5と、トランジスタチップ2を加熱するヒータ6と、温度検出素子5が検出した温度に基づいて、所定の温度を維持するようにヒータ6を動作させる制御部7と、を備えている。
According to the present embodiment, the semiconductor device 1 includes a transistor chip 2 connected by cascode, a
半導体装置1が上記のように構成されることにより、制御部7が、温度検出素子5で検出された温度に基づいて、常温より高い所定の温度を維持するので、出力容量Cossや帰還容量Crssが低下する状態を維持することができる。そのため、スイッチング損失を低減することができる。
When the semiconductor device 1 is configured as described above, the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態を、図4及び図5を参照して説明する。なお、前述した第1の実施形態と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. The same parts as those in the first embodiment described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
本実施形態にかかる半導体装置1Aは、図1に示したように、トランジスタチップ2と、基板3と、冷却部4と、温度検出素子5と、冷却装置8と、制御部7Aと、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
トランジスタチップ2、基板3、冷却部4、温度検出素子5は、第1の実施形態と同様である。冷却装置8は、基板3上のトランジスタチップ2と接する位置あるいはトランジスタチップ2の近傍に配置されトランジスタチップ2を冷却する。冷却装置8は、例えば冷却ファンやペルチェ素子等で構成することができる。
The transistor chip 2, the
制御部7Aは、温度検出素子5が検出した温度に基づいて冷却装置8の動作を制御する。具体的には、温度検出素子5が検出した温度が所定の温度(例えば、175℃)を維持するように冷却装置8を動作させる。
The control unit 7A controls the operation of the
次に、上述した構成の半導体装置1Aにおける制御部7Aの動作を図5のフローチャートを参照して説明する。まず、制御部7Aは、温度検出素子5が検出した温度を取得する(ステップS21)。次に、制御部7は、取得した温度が予め設定された上限温度以上か否か判断する(ステップS12)。この上限温度は、トランジスタチップ2のジャンクション温度が例えば図1で示した175℃などの出力容量Cossや帰還容量Crssが低下した状態を維持できる所定の温度以上の温度である。
Next, the operation of the control unit 7A in the
ステップS22で上限温度未満と判断された場合は(ステップS22:N)、制御部7は、冷却装置8を動作させずにステップS21に戻る。一方、ステップS22で上限温度以上と判断された場合は(ステップS22:Y)、制御部7は、冷却装置8を動作(ON)させてトランジスタチップ2を冷却する(ステップS23)。つまり、図1で示したような出力容量Cossや帰還容量Crss等が低下してスイッチング損失を低減できるような温度を維持するように冷却する。
If it is determined in step S22 that the temperature is lower than the upper limit temperature (step S22: N), the
次に、制御部7は、温度検出素子5が検出した温度を取得する(ステップS24)。次に、制御部7は、取得した温度が予め設定された下限温度未満か否か判断する(ステップS25)。この下限温度は、トランジスタチップ2のジャンクション温度が例えば図1で示した175℃などの出力容量Cossや帰還容量Crssが低下した状態を維持できる所定の温度より低い温度である。
Next, the
ステップS25で下限温度未満と判断された場合は(ステップS25:N)、制御部7は、冷却装置8を停止させずにステップS24に戻る。一方、ステップS25で下限温度以上と判断された場合は(ステップS25:Y)、制御部7は、冷却装置8を停止(OFF)させる(ステップS26)。
If it is determined in step S25 that the temperature is below the lower limit temperature (step S25: N), the
本実施形態によれば、半導体装置1Aは、カスコード接続されたトランジスタチップ2と、トランジスタチップ2の動作時の温度を検出する温度検出素子5と、トランジスタチップ2を冷却する冷却装置8と、温度検出素子5が検出した温度に基づいて、所定の温度を維持するように冷却装置8を動作させる制御部7Aと、を備えている。
According to the present embodiment, the
半導体装置1Aが上記のように構成されることにより、制御部7Aが、温度検出素子5で検出された温度に基づいて、常温より高い所定の温度を維持するので、出力容量Cossや帰還容量Crssが低下する状態を維持することができる。そのため、スイッチング損失を低減することができる。また、冷却装置8により冷却するため、温度が上昇しすぎてダイボンド部等のトランジスタチップ2以外に与える影響を抑えることができる。
When the
なお、上述した実施形態では、上限温度と下限温度を設定していたが、所定の温度か否かを判断してヒータ6や冷却装置8を動作させるようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the upper limit temperature and the lower limit temperature are set, but the heater 6 and the
また、上述した実施形態では、カスコード接続されたトランジスタとしてGaNトランジスタであるトランジスタチップ2で説明したが、HEMT構造で形成されるトランジスタであれば、別な材料で形成されたトランジスタ等であってもよい。また、単体のトランジスタ部品に限らず、複数のトランジスタ等からなる集積回路でもよい。 Further, in the above-described embodiment, the transistor chip 2 which is a GaN transistor is described as the transistor connected by the cascode, but if the transistor is formed by the HEMT structure, it may be a transistor formed of another material. Good. Further, the present invention is not limited to a single transistor component, and may be an integrated circuit composed of a plurality of transistors or the like.
また、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の半導体装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。 Further, the present invention is not limited to the above embodiment. That is, those skilled in the art can carry out various modifications according to conventionally known knowledge within a range that does not deviate from the gist of the present invention. As long as the semiconductor device of the present invention is still provided by such deformation, it is, of course, included in the category of the present invention.
1 半導体装置
2 トランジスタチップ(トランジスタ)
5 温度検出素子(温度検出部)
6 ヒータ(温度制御部、加熱部)
7、7A 制御部(温度制御部)
8 冷却装置(温度制御部、冷却部)
1 Semiconductor device 2 Transistor chip (transistor)
5 Temperature detection element (temperature detection unit)
6 Heater (temperature control unit, heating unit)
7,7A control unit (temperature control unit)
8 Cooling device (temperature control unit, cooling unit)
Claims (3)
前記トランジスタの動作時の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部が検出した前記温度に基づいて、前記温度が常温より高い所定の温度を維持するように制御を行う温度制御部と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 Cascoded transistors and
A temperature detection unit that detects the operating temperature of the transistor, and
A temperature control unit that controls so that the temperature is maintained at a predetermined temperature higher than room temperature based on the temperature detected by the temperature detection unit.
A semiconductor device characterized by comprising.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The temperature control unit includes a heating unit that heats the transistor, and operates the heating unit so as to maintain the predetermined temperature based on the temperature detected by the temperature detection unit.
The semiconductor device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The temperature control unit includes a cooling unit that cools the transistor, and operates the cooling unit so as to maintain the predetermined temperature based on the temperature detected by the temperature detection unit.
The semiconductor device according to claim 1.
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