JP5765978B2 - Semiconductor device and driving method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子およびその駆動方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a driving method thereof.

大電力を取り扱うパワートランジスタは、各種電源回路や自動車等に広く用いられている。パワートランジスタとしては、パワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)が一般的である。   Power transistors that handle large amounts of power are widely used in various power supply circuits and automobiles. As the power transistor, a power MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is generally used.

近年、GaNの高い破壊電界強度とHEMTの高い移動度を有するGaN−HEMT(High Electron Mobility Transistor)が、新たなパワートランジスタとして注目されている。   In recent years, GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor) having high breakdown field strength of GaN and high mobility of HEMT has attracted attention as a new power transistor.

しかし、ゲートに関する構造上の理由から、GaN−HEMTの耐圧は高くない。そこで、フィールドプレート(Field-plate; 以下、FPと呼ぶ)を設けたGaN−HEMT(以下、GaN−FP―HEMTと呼ぶ)が提案されている。GaN−FP―HEMTによれば、ドレイン電位が高くなってもゲートおよびソースは容易には破壊されない。   However, the breakdown voltage of the GaN-HEMT is not high for structural reasons related to the gate. Therefore, GaN-HEMT (hereinafter referred to as GaN-FP-HEMT) provided with a field plate (hereinafter referred to as FP) has been proposed. According to GaN-FP-HEMT, the gate and the source are not easily destroyed even when the drain potential is increased.

Wataru Saito, "Field-Plate Structure Dependence of Current Collapse Phenomena in Hight-Voltage GaN-HEMTs", IEEE Electron device. Vol.31, July, 2010, No.7, pp.559-661, July 2010.Wataru Saito, "Field-Plate Structure Dependence of Current Collapse Phenomena in Hight-Voltage GaN-HEMTs", IEEE Electron device. Vol.31, July, 2010, No.7, pp.559-661, July 2010.

パワーMOSFETは、ソース電極に陽極(アノード)が接続されドレイン電極に陰極(カソード)が接続された寄生ダイオードを有している。このためソースがドレインに対して高電位になると、寄生ダイオードを介してソースからドレインに電流が流れる。従って単体のパワーMOSFETで、ソースからドレインに流れる電流を遮断することは困難である。そこで、ソースとドレインの向きを反転させた一対のパワーMOSFETを直列接続したスイッチング回路を用いて、双方向で電流の流れが制御(ON/OFF制御)される。しかし、この回路は2つのパワーMOSFETで形成され、1つのパワーMOSFETでは形成できないという問題がある。   The power MOSFET has a parasitic diode in which an anode (anode) is connected to a source electrode and a cathode (cathode) is connected to a drain electrode. For this reason, when the source has a high potential with respect to the drain, a current flows from the source to the drain via the parasitic diode. Therefore, it is difficult to cut off the current flowing from the source to the drain with a single power MOSFET. Therefore, the current flow is controlled bi-directionally (ON / OFF control) using a switching circuit in which a pair of power MOSFETs in which the directions of the source and drain are reversed are connected in series. However, there is a problem that this circuit is formed by two power MOSFETs and cannot be formed by one power MOSFET.

GaN−FP―HEMTは、寄生トランジスタを有していない。しかし、GaN―FP―HEMTには、ソース電位がドレイン電位より数十V程度高くなっただけで、ゲート絶縁層が破壊されてしまうという問題がある。従って、GaN−FP―HEMTを用いても、ソースからドレインに流れる電流を制御することは困難である。   The GaN-FP-HEMT does not have a parasitic transistor. However, the GaN-FP-HEMT has a problem that the gate insulating layer is destroyed only when the source potential is higher than the drain potential by several tens of volts. Therefore, it is difficult to control the current flowing from the source to the drain even when the GaN-FP-HEMT is used.

本装置の一観点によれば、チャネル層と障壁層が積層された半導体へテロ接合と、前記半導体へテロ接合の上方に設けられたゲートと、前記ゲートの両側に設けられた第1および第2のソースドレイン端子と、前記第1のソースドレイン端子と前記ゲートの間に設けられた第1のフィールプレートと、前記第2のソースドレイン端子と前記ゲートの間に設けられた第2のフィールドプレートとを有することを特徴とする半導体素子半導体素子が提供される。   According to one aspect of the present device, a semiconductor heterojunction in which a channel layer and a barrier layer are stacked, a gate provided above the semiconductor heterojunction, and first and first electrodes provided on both sides of the gate. Two source / drain terminals, a first field plate provided between the first source / drain terminal and the gate, and a second field provided between the second source / drain terminal and the gate. A semiconductor device having a plate is provided.

本実施の形態の半導体素子およびその駆動方法によれば、他のトランジスタを接続しなくても、双方向で電流の流れを制御(ON/OFF制御)することができる。   According to the semiconductor element and the driving method thereof of the present embodiment, the current flow can be controlled (ON / OFF control) in both directions without connecting other transistors.

実施の形態1の半導体素子の断面図である。2 is a cross-sectional view of the semiconductor element of First Embodiment. FIG. 実施の形態1の半導体素子の等価回路である。3 is an equivalent circuit of the semiconductor element of the first embodiment. 実施の形態1の半導体素子の動作を説明する回路図の一例である。FIG. 3 is an example of a circuit diagram illustrating an operation of the semiconductor element of First Embodiment. 第1の接続状態においてゲート電位が第1のハイレベル電位から第1のローレベル電位に変わる前後の半導体素子の状態の一例を示す表である。6 is a table showing an example of a state of a semiconductor element before and after a gate potential is changed from a first high level potential to a first low level potential in a first connection state. 第1の接続状態においてゲート電位が第1のローレベル電位から第1のハイレベル電位に変わる前後の半導体素子の状態の一例を示す表である。10 is a table showing an example of a state of a semiconductor element before and after a gate potential changes from a first low level potential to a first high level potential in a first connection state. パワーMOSFETの断面図の一例である。It is an example of sectional drawing of power MOSFET. パワーMOSFETを用いた、双方向で電流の流れを制御するスイッチング回路の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a switching circuit that uses a power MOSFET to control a current flow in both directions. GaN−FP―HEMTの断面図である。It is sectional drawing of GaN-FP-HEMT. GaN−FP―HEMTの等価回路である。It is an equivalent circuit of GaN-FP-HEMT. 実施の形態1の半導体素子の変形例を示す等価回路である。5 is an equivalent circuit showing a modification of the semiconductor element of the first embodiment. 実施の形態1の別の変形例の等価回路である。6 is an equivalent circuit of another modification of the first embodiment. 実施の形態2の半導体素子の等価回路である。4 is an equivalent circuit of the semiconductor element of the second embodiment.

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the corresponding part even if drawings differ, and the description is abbreviate | omitted.

(実施の形態1)
(1)構造
図1は、本実施の形態の半導体素子2の断面図である。図2は、半導体素子2の等価回路である。
(Embodiment 1)
(1) Structure FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor element 2 of the present embodiment. FIG. 2 is an equivalent circuit of the semiconductor element 2.

本実施の形態の半導体素子2は、図1に示すように、基板4の上に設けられた半導体へテロ接合6を有している。基板4は、例えばp型Si基板(半導体基板)である。半導体へテロ接合6は、チャネル層8と障壁層10が積層された半導体へテロ接合である。チャネル層は、例えばアンドープGaN層である。障壁層10は、例えばアンドープまたはn型AlGaN層である。   The semiconductor element 2 of the present embodiment has a semiconductor heterojunction 6 provided on a substrate 4 as shown in FIG. The substrate 4 is, for example, a p-type Si substrate (semiconductor substrate). The semiconductor heterojunction 6 is a semiconductor heterojunction in which a channel layer 8 and a barrier layer 10 are stacked. The channel layer is, for example, an undoped GaN layer. The barrier layer 10 is, for example, an undoped or n-type AlGaN layer.

更に、半導体素子2は、半導体へテロ接合6の上方に設けられたゲート12と、ゲート12の両側に設けられた第1および第2のソースドレイン端子14a,14bを有している。また、半導体素子2は、第1のソースドレイン端子14aとゲート12の間に設けられた第1のフィールプレート16aと、第2のソースドレイン端子14bとゲート12の間に設けられた第2のフィールドプレート16bを有している。   Further, the semiconductor element 2 has a gate 12 provided above the semiconductor heterojunction 6 and first and second source / drain terminals 14 a and 14 b provided on both sides of the gate 12. In addition, the semiconductor element 2 includes a first feel plate 16a provided between the first source / drain terminal 14a and the gate 12, and a second feel plate 16a provided between the second source / drain terminal 14b and the gate 12. It has a field plate 16b.

半導体ヘテロ接合6と基板4の間には、バッファ層18が設けられている。バッファ層18は、例えばAlN層である。障壁層10とゲート12の間には、SiN等の第1の絶縁膜20が設けられている。ゲート12は、この第1の絶縁膜20の上に設けられている。更に、第1の絶縁膜20の上に、SiO膜等の第2の絶縁膜22が設けられている。第1のFP16aと第2のFP16bは、この第2の絶縁膜22の上に設けられている。尚、第1の絶縁膜20を設けずに、障壁層10の上に直接ゲート12を設けてもよい。また、バッファ層18はチャネル層8の結晶性を高めるためのものであり、省略することも可能である。 A buffer layer 18 is provided between the semiconductor heterojunction 6 and the substrate 4. The buffer layer 18 is, for example, an AlN layer. A first insulating film 20 such as SiN is provided between the barrier layer 10 and the gate 12. The gate 12 is provided on the first insulating film 20. Further, a second insulating film 22 such as a SiO 2 film is provided on the first insulating film 20. The first FP 16 a and the second FP 16 b are provided on the second insulating film 22. Note that the gate 12 may be provided directly on the barrier layer 10 without providing the first insulating film 20. The buffer layer 18 is for increasing the crystallinity of the channel layer 8 and can be omitted.

第1の絶縁膜20および第2の絶縁膜22には、障壁層10に達するコンタクトホール24a,24bが設けられている。第1および第2のソースドレイン端子14a,4bは、コンタクトホール24a,24bに設けられた部分と第2の絶縁膜22の表面に設けられた部分を有している。   Contact holes 24 a and 24 b reaching the barrier layer 10 are provided in the first insulating film 20 and the second insulating film 22. The first and second source / drain terminals 14 a and 4 b have a portion provided in the contact holes 24 a and 24 b and a portion provided on the surface of the second insulating film 22.

図1に示すように、第1および第2のソースドレイン端子14a,4bは、コンタクトホール24a,24bの底に露出した障壁層10に接続している。尚、コンタクトホール24a,24bの底で部分的に薄くなった障壁層10に、第1および第2のソースドレイン端子14a,4bは接続されてもよい。   As shown in FIG. 1, the first and second source / drain terminals 14a and 4b are connected to the barrier layer 10 exposed at the bottoms of the contact holes 24a and 24b. The first and second source / drain terminals 14a and 4b may be connected to the barrier layer 10 which is partially thinned at the bottoms of the contact holes 24a and 24b.

ゲート12およびその近傍のヘテロ構造6(第1の絶縁膜20を含む)は、HEMTとして機能する。また、第1のFP16aおよびその近傍のヘテロ構造6(第1および第2の絶縁膜20,22を含む)も、HEMTとして機能する。同様に、第2のFP16bおよびその近傍のヘテロ構造6(第1および第2の絶縁膜20,22を含む)も、HEMTとして機能する。   The gate 12 and the nearby heterostructure 6 (including the first insulating film 20) function as a HEMT. The first FP 16a and the nearby heterostructure 6 (including the first and second insulating films 20 and 22) also function as a HEMT. Similarly, the second FP 16b and the nearby heterostructure 6 (including the first and second insulating films 20 and 22) also function as a HEMT.

従って、半導体素子2の等価回路は、図2に示すように、ゲート12に対応するHEMT26と、第1のFP16aに対応するHEMT28aと、第2のFP16bに対応するHEMT28bとの直列回路である。   Accordingly, as shown in FIG. 2, the equivalent circuit of the semiconductor element 2 is a series circuit of a HEMT 26 corresponding to the gate 12, a HEMT 28a corresponding to the first FP 16a, and a HEMT 28b corresponding to the second FP 16b.

このゲート12に対応するHEMT26を、以後、ゲートトランジスタと呼ぶ。第1のFP16aに対応するHEMT28aを、第1のFPトランジスタと呼ぶ。第2のFP16bに対応するトランジスタ28bを、第2のFPトランジスタと呼ぶ。   Hereinafter, the HEMT 26 corresponding to the gate 12 is referred to as a gate transistor. The HEMT 28a corresponding to the first FP 16a is referred to as a first FP transistor. The transistor 28b corresponding to the second FP 16b is referred to as a second FP transistor.

図2に示すように、第1のフィールプレート16aは、第2の絶縁膜22の上に設けられた配線(図示せず)により第2のソースドレイン端子14bに接続されている。また、第2のフィールプレート16bは、第2の絶縁膜22の上に設けられた配線(図示せず)により第1のソースドレイン端子14aに接続されている。   As shown in FIG. 2, the first feel plate 16 a is connected to the second source / drain terminal 14 b by a wiring (not shown) provided on the second insulating film 22. The second feel plate 16b is connected to the first source / drain terminal 14a by a wiring (not shown) provided on the second insulating film 22.

一方、基板4は、いずれの端子(第1および第2のソースドレイン端子14a,14b、第1および第2のFP16a,16b、ゲート12)にも接続されておらず、また外部回路(グランドを含む)にも接続されていない。このため半導体素子2の外部から直接、基板4に電圧が印加されることない。   On the other hand, the substrate 4 is not connected to any terminal (the first and second source / drain terminals 14a and 14b, the first and second FPs 16a and 16b, and the gate 12), and an external circuit (ground is connected). Is not connected). Therefore, no voltage is applied to the substrate 4 directly from the outside of the semiconductor element 2.

ここで第1および第2のFPトランジスタ28a,28bの閾値は、負の電圧(例えば−40V程度)である。一方、ゲートトランジスタ26の閾値は、例えば正の電圧(例えば、1〜3V程度)である。   Here, the threshold value of the first and second FP transistors 28a and 28b is a negative voltage (for example, about −40V). On the other hand, the threshold value of the gate transistor 26 is, for example, a positive voltage (for example, about 1 to 3 V).

各トランジスタ26,28a,28bの閾値は、他のトランジスタが導通した状態で、半導体素子2が非導通状態から導通状態に変わるゲート電圧(或いは第1または第2のフィールドプレート電圧)の境界値(閾値)である。半導体素子2の閾値は、第1および第2のFPトランジスタ28a,28bが導通した状態で、半導体素子2が非導通状態から導通状態に変わるゲート電圧の境界値(閾値)である。尚、ゲートトランジスタ26の閾値は、後述するように半導体素子2の閾値でもある。   The threshold value of each transistor 26, 28a, 28b is the boundary value (or the first or second field plate voltage) of the gate voltage (or the first or second field plate voltage) at which the semiconductor element 2 changes from the non-conductive state to the conductive state when the other transistors are conductive. Threshold). The threshold value of the semiconductor element 2 is a boundary value (threshold value) of a gate voltage at which the semiconductor element 2 changes from a non-conductive state to a conductive state when the first and second FP transistors 28a and 28b are conductive. Note that the threshold value of the gate transistor 26 is also a threshold value of the semiconductor element 2 as described later.

ここでゲート電圧とは、低電位側の第1または第2のソースドレイン端子14a,14bに対するゲート12の電圧である。また、第1のフィールドプレート電圧とは、低電位側の第1または第2のソースドレイン端子14a,14bに対する第1のフィールドプレート16aの電圧である。同様に、第2のフィールドプレート電圧とは、低電位側の第1または第2のソースドレイン端子14a,14bに対する第2のフィールドプレート16bの電圧である。   Here, the gate voltage is a voltage of the gate 12 with respect to the first or second source / drain terminal 14a, 14b on the low potential side. The first field plate voltage is a voltage of the first field plate 16a with respect to the first or second source / drain terminal 14a, 14b on the low potential side. Similarly, the second field plate voltage is a voltage of the second field plate 16b with respect to the first or second source / drain terminal 14a, 14b on the low potential side.

半導体へテロ接合6は、例えばAlGaN/GaNヘテロ接合である。AlGaN/GaNヘテロ接合では、AlGaN障壁層とGaNチャネル層との間の格子歪によりピエゾ分極が発生する。このピエゾ分極と自発分極により、AlGaN障壁層とGaNの界面には二次元電子ガスが生成される。無論、AlGaN障壁層24に、n型不純物をドーピングしてもよい。   The semiconductor heterojunction 6 is, for example, an AlGaN / GaN heterojunction. In the AlGaN / GaN heterojunction, piezoelectric polarization is generated due to lattice strain between the AlGaN barrier layer and the GaN channel layer. Due to this piezo polarization and spontaneous polarization, a two-dimensional electron gas is generated at the interface between the AlGaN barrier layer and GaN. Of course, the AlGaN barrier layer 24 may be doped with an n-type impurity.

ゲートトランジスタ26の耐圧は、例えば100V程度である。第1および第2のFPトランジスタ28a,28bの耐圧は、第1および第2のソースドレイン端子14a,14bの間に加わる電圧の最大値(例えば、380V)より十分に高い。   The breakdown voltage of the gate transistor 26 is, for example, about 100V. The withstand voltages of the first and second FP transistors 28a and 28b are sufficiently higher than the maximum value (for example, 380 V) of the voltage applied between the first and second source / drain terminals 14a and 14b.

ここで、ゲートトランジスタ26の耐圧とは、ゲート12の両側の電位差(チャネル層10における電位差)に対する耐圧である。同様に、第1のFPトランジスタ28aの耐圧とは、第1のFP16a両側の電位差に対する耐圧である。第2のFPトランジスタ28bの耐圧についても、同様である。   Here, the breakdown voltage of the gate transistor 26 is a breakdown voltage against a potential difference between both sides of the gate 12 (potential difference in the channel layer 10). Similarly, the breakdown voltage of the first FP transistor 28a is a breakdown voltage with respect to a potential difference on both sides of the first FP 16a. The same applies to the breakdown voltage of the second FP transistor 28b.

ゲートトランジスタ12および第1および第2のFPトランジスタ16a,16bの特性(閾値、耐圧等)の違いは、ゲート12の下側の絶縁膜20の厚さと第1および第2のFP16a,16bの下側の絶縁膜20,22の厚さの違いによるものである。第1および第2のFPトランジスタ16a,16bの下側には、ゲート12の下側の絶縁膜20より厚い絶縁膜20,22が設けられている。このため第1および第2のFPトランジスタ16a,16bの耐圧が高くなる。   The difference in characteristics (threshold, breakdown voltage, etc.) between the gate transistor 12 and the first and second FP transistors 16a and 16b is that the thickness of the insulating film 20 below the gate 12 and the first and second FPs 16a and 16b are different from each other. This is due to the difference in thickness of the insulating films 20 and 22 on the side. Under the first and second FP transistors 16a and 16b, insulating films 20 and 22 thicker than the insulating film 20 under the gate 12 are provided. For this reason, the breakdown voltage of the first and second FP transistors 16a and 16b is increased.

半導体素子2は、例えば有機金属気相成長法およびシリコンIC(Integrated Circuit)のプロセス技術により製造することができる。有機金属気相成長法によりシリコン基板上にバッファ層18と半導体ヘテロ接合6を成長し、その後シリコンIC(Integrated Circuit)のプロセス技術を用いて第1および第2の絶縁膜20,22とゲート12等の電極を形成する。その後、第2の絶縁膜22の表面に第1のFP16aと第2のソースドレイン端子14bを接続する配線等を形成し、半導体素子2が製造される。   The semiconductor element 2 can be manufactured by, for example, metal organic vapor phase epitaxy and silicon IC (Integrated Circuit) process technology. The buffer layer 18 and the semiconductor heterojunction 6 are grown on the silicon substrate by metal organic vapor phase epitaxy, and then the first and second insulating films 20 and 22 and the gate 12 are formed using a silicon IC (Integrated Circuit) process technology. Etc. are formed. Thereafter, a wiring or the like connecting the first FP 16a and the second source / drain terminal 14b is formed on the surface of the second insulating film 22, and the semiconductor element 2 is manufactured.

(2)動作
図3は、半導体素子2の動作を説明する回路図の一例である。図3に示す半導体素子2は等価回路である。また、図3には、第1のソースドレイン端子14aに接続される回路の等価回路30a(以下、第1の回路と呼ぶ)と、第2のソースドレイン端子14bに接続される回路の等価回路30b(以下、第2の回路と呼ぶ)が示されている。第1の回路30aおよび第2の回路30bは、半導体素子2の動作を説明するため単純化されている。
(2) Operation FIG. 3 is an example of a circuit diagram illustrating the operation of the semiconductor element 2. The semiconductor element 2 shown in FIG. 3 is an equivalent circuit. 3 shows an equivalent circuit 30a (hereinafter referred to as a first circuit) connected to the first source / drain terminal 14a and an equivalent circuit connected to the second source / drain terminal 14b. 30b (hereinafter referred to as a second circuit) is shown. The first circuit 30 a and the second circuit 30 b are simplified for explaining the operation of the semiconductor element 2.

第1の回路30aは、例えば蓄電池である。第2の回路30bは、例えばDC(direct-current)−DCコンバータと負荷回路の並列回路である。図3には、半導体素子2のゲート12を駆動するゲート駆動回路32も示されている。   The first circuit 30a is, for example, a storage battery. The second circuit 30b is, for example, a parallel circuit of a DC (direct-current) -DC converter and a load circuit. FIG. 3 also shows a gate drive circuit 32 that drives the gate 12 of the semiconductor element 2.

図3に示すように、第1の回路30aは、第1の負荷R1と、第1の定電圧源E1と、第1のスイッチSW1を有している。第2の回路30bは、第2の負荷R2と、第2の定電圧源E2と、第2のスイッチSW2を有している。   As shown in FIG. 3, the first circuit 30a includes a first load R1, a first constant voltage source E1, and a first switch SW1. The second circuit 30b includes a second load R2, a second constant voltage source E2, and a second switch SW2.

第1のスイッチSW1と第2のスイッチSW2は連動して切り替わる。例えば、第1のスイッチSW1は、ある期間、第1のソースドレイン端子14aに第1の定電圧源E1を接続し、第2のスイッチSW2は第2のソースドレイン端子14bに第2の負荷R2を接続する。また、第1のスイッチSW1は、別の期間、第1のソースドレイン端子14aに第1の第1の負荷R1を接続し、第2のスイッチSW2は第2のソースドレイン端子14bに第2の定電圧源E2を接続する。第1および第2の定電圧源E1,E2の電圧(>0V)は、例えば380Vである。   The first switch SW1 and the second switch SW2 are switched in conjunction with each other. For example, the first switch SW1 connects the first constant voltage source E1 to the first source / drain terminal 14a for a certain period, and the second switch SW2 connects the second load R2 to the second source / drain terminal 14b. Connect. In addition, the first switch SW1 connects the first first load R1 to the first source / drain terminal 14a for another period, and the second switch SW2 connects the second source / drain terminal 14b to the second source / drain terminal 14b. Connect the constant voltage source E2. The voltage (> 0V) of the first and second constant voltage sources E1 and E2 is, for example, 380V.

半導体素子2は、第1の動作モードおよび第2の動作モードで動作する。第1の動作モードは、第1のソースドレイン端子14aの電位(が第2のソースドレイン端子14bの電位より高い場合に、第1のソースドレイン端子14aから第2のソースドレイン端子14bに向かって流れる電流を通過させ又は遮断する動作モードである。   The semiconductor element 2 operates in the first operation mode and the second operation mode. In the first operation mode, when the potential of the first source / drain terminal 14a (which is higher than the potential of the second source / drain terminal 14b) is directed from the first source / drain terminal 14a to the second source / drain terminal 14b. This is an operation mode in which a flowing current is passed or cut off.

図3に示す例では、第1の動作モードは、第1のソースドレイン端子14aが第1の定電圧源E1(>0V)に接続され、第2のソースドレイン端子14bが第2の負荷R2に接続されている状態(以下、第1の接続状態と呼ぶ)のモードである。   In the example shown in FIG. 3, in the first operation mode, the first source / drain terminal 14a is connected to the first constant voltage source E1 (> 0V), and the second source / drain terminal 14b is connected to the second load R2. Is a mode in a state of being connected to (hereinafter referred to as a first connection state).

第2の動作モードは、第2のソースドレイン端子14bの電位が第1のソースドレイン端子14aの電位より高い場合に、第2のソースドレイン端子14bから第1のソースドレイン端子14aに向かって流れる電流を通過させ又は遮断する動作モードである。   The second operation mode flows from the second source / drain terminal 14b toward the first source / drain terminal 14a when the potential of the second source / drain terminal 14b is higher than the potential of the first source / drain terminal 14a. This is an operation mode in which current is passed or cut off.

図3に示す例では、第2の動作モードは、第1のソースドレイン端子14aが第1の負荷R1に接続され、第2のソースドレイン端子14bが第2の定電圧源E2(>0V)に接続されている状態(以下、第2の接続状態と呼ぶ)のモードである。   In the example shown in FIG. 3, in the second operation mode, the first source / drain terminal 14a is connected to the first load R1, and the second source / drain terminal 14b is the second constant voltage source E2 (> 0V). This is a mode in a state of being connected to (hereinafter referred to as a second connection state).

ゲート駆動回路32は、第1の駆動モードおよび第2の駆動モードで半導体素子2を駆動する。第1の駆動モードは、第1の動作モードに対応する駆動モードである。ゲート駆動回路32は、例えば第1および第2のソースドレイン端子14a,14bの電位を監視し、第1のソースドレイン端子14aの電位が第2のソースドレイン端子14bの電位より高い場合には、第1の駆動モードで半導体素子2を駆動する。   The gate drive circuit 32 drives the semiconductor element 2 in the first drive mode and the second drive mode. The first drive mode is a drive mode corresponding to the first operation mode. For example, the gate drive circuit 32 monitors the potentials of the first and second source / drain terminals 14a and 14b, and when the potential of the first source / drain terminal 14a is higher than the potential of the second source / drain terminal 14b, The semiconductor element 2 is driven in the first drive mode.

ゲート駆動回路32は、第1の駆動モードでは、第2のソースドレイン端子14bの電位にゲートトランジスタ26の閾値を加えた第1の閾値電位に基づいて半導体素子2を駆動する。   In the first drive mode, the gate drive circuit 32 drives the semiconductor element 2 based on a first threshold potential obtained by adding the threshold of the gate transistor 26 to the potential of the second source / drain terminal 14b.

例えば、ゲート駆動回路32は、半導体素子2の導通時における第1の閾値電位より高い電位(以下、第1のハイベル電位と呼ぶ)をゲート12に印加して、半導体素子2を導通させる。また、ゲート駆動回路32は、半導体素子2の非導通時における第1の閾値電位より低い電位(以下、第1のローレベル電位と呼ぶ)をゲート12に印加して、半導体素子2を非導通にさせる。   For example, the gate drive circuit 32 applies a potential higher than a first threshold potential (hereinafter referred to as a first high-bell potential) when the semiconductor element 2 is conductive to make the semiconductor element 2 conductive. The gate drive circuit 32 applies a potential lower than the first threshold potential when the semiconductor element 2 is non-conductive (hereinafter referred to as a first low-level potential) to the gate 12 to make the semiconductor element 2 non-conductive. Let me.

図3に示す例では、第1の駆動モードは、第1の接続状態における駆動モードである。上述したように、第1の接続状態は、第1のソースドレイン端子14aが第1の定電圧源E1に接続され、第2のソースドレイン端子14bが第2の負荷R2に接続されている状態である。   In the example illustrated in FIG. 3, the first drive mode is a drive mode in the first connection state. As described above, the first connection state is a state in which the first source / drain terminal 14a is connected to the first constant voltage source E1 and the second source / drain terminal 14b is connected to the second load R2. It is.

第1の接続状態では、半導体素子2の導通時における第2のソースドレイン端子14bの電位は、略第1の定電圧源E1の電圧に略等しい。従って、半導体素子2の導通時における第1の閾値電位は、第1の定電圧源E1の電圧(例えば、380V)にゲートトランジスタ26の閾値(例えば、3V)を加えた電位に略等しくなる。ゲート駆動回路32は、この導通時の第1の閾値電位(383V)より高い第1のハイレベル電位(例えば、400V)をゲート12に印加して、半導体素子12を導通させる。   In the first connection state, the potential of the second source / drain terminal 14b when the semiconductor element 2 is conductive is substantially equal to the voltage of the first constant voltage source E1. Accordingly, the first threshold potential when the semiconductor element 2 is conductive is substantially equal to the potential obtained by adding the threshold (for example, 3 V) of the gate transistor 26 to the voltage (for example, 380 V) of the first constant voltage source E1. The gate drive circuit 32 applies a first high-level potential (for example, 400 V) higher than the first threshold potential (383 V) at the time of conduction to the gate 12 to make the semiconductor element 12 conductive.

一方、半導体素子2の非導通時における第2のソースドレイン端子14bの電位は、略グラウンドGの電位に等しい。従って、半導体素子2の非導通時における第1の閾値電位は、グラウンドGの電位(0V)にゲートトランジスタ26の閾値(例えば、3V)を加えた電位に略等しくなる。ゲート駆動回路32は、非導通時の第1の閾値電位(3V)より低い第1のローレベル電位(例えば、0V)をゲート12に印加して、半導体素子12を非導通にさせる。   On the other hand, the potential of the second source / drain terminal 14 b when the semiconductor element 2 is not conducting is substantially equal to the potential of the ground G. Therefore, the first threshold potential when the semiconductor element 2 is non-conductive is approximately equal to the potential obtained by adding the threshold (for example, 3 V) of the gate transistor 26 to the potential (0 V) of the ground G. The gate drive circuit 32 applies a first low-level potential (for example, 0 V) lower than the first threshold potential (3 V) at the time of non-conduction to the gate 12 to make the semiconductor element 12 non-conductive.

第2の駆動モードは、第2の動作モードに対応する駆動モードである。ゲート駆動回路32は、例えば第1および第2のソースドレイン端子14a,14bの電位を監視し、第2のソースドレイン端子14bの電位が第1のソースドレイン端子14aの電位より高い場合には、第2の駆動モードでトランジスタ2を駆動する。   The second drive mode is a drive mode corresponding to the second operation mode. For example, the gate drive circuit 32 monitors the potentials of the first and second source / drain terminals 14a and 14b, and when the potential of the second source / drain terminal 14b is higher than the potential of the first source / drain terminal 14a, The transistor 2 is driven in the second drive mode.

ゲート駆動回路32は、第2の駆動モードでは、第1のソースドレイン端子14aの電位にゲートトランジスタ26の閾値を加えた第2の閾値電位に基づいて半導体素子2を駆動する。   In the second drive mode, the gate drive circuit 32 drives the semiconductor element 2 based on a second threshold potential obtained by adding the threshold of the gate transistor 26 to the potential of the first source / drain terminal 14a.

例えば、ゲート駆動回路32は、半導体素子2の導通時における第2の閾値電位より高い電位(以下、第2のハイベル電位と呼ぶ)をゲート12に印加して、半導体素子2を導通させる。また、ゲート駆動回路32は、半導体素子2の非導通時における第2の閾値電位より低い電位(以下、第2のローレベル電位と呼ぶ)をゲート12に印加して、半導体素子2を非導通にさせる。   For example, the gate drive circuit 32 applies a potential higher than the second threshold potential when the semiconductor element 2 is conductive (hereinafter referred to as a second high bell potential) to the gate 12 to make the semiconductor element 2 conductive. The gate drive circuit 32 applies a potential lower than the second threshold potential when the semiconductor element 2 is non-conductive (hereinafter referred to as a second low level potential) to the gate 12 to make the semiconductor element 2 non-conductive. Let me.

図3に示す例では、第2の駆動モードは、第2の接続状態における駆動モードである。上述したように、第2の接続状態は、第1のソースドレイン端子14aが第1の負荷R1に接続され、第2のソースドレイン端子14bが第2の定電圧源E2に接続されている状態である。   In the example illustrated in FIG. 3, the second drive mode is a drive mode in the second connection state. As described above, the second connection state is a state in which the first source / drain terminal 14a is connected to the first load R1 and the second source / drain terminal 14b is connected to the second constant voltage source E2. It is.

第2の接続状態では、半導体素子2の導通時における第1のソースドレイン端子14aの電位は、略第2の定電圧源E2の電圧に略等しい。従って、半導体素子2の導通時における第2の閾値電位は、第2の定電圧源E2の電圧(例えば、380V)にゲートトランジスタ26の閾値(例えば、3V)を加えた電位に略等しくなる。故にゲート駆動回路32は、この導通時の第2の閾値電位(383V)より高い第2のハイレベル電位(例えば、400V)をゲート12に印加して、半導体素子2を導通させる。   In the second connection state, the potential of the first source / drain terminal 14a when the semiconductor element 2 is conductive is substantially equal to the voltage of the second constant voltage source E2. Therefore, the second threshold potential when the semiconductor element 2 is conductive is approximately equal to the potential obtained by adding the threshold (eg, 3V) of the gate transistor 26 to the voltage (eg, 380V) of the second constant voltage source E2. Therefore, the gate drive circuit 32 applies a second high level potential (for example, 400 V) higher than the second threshold potential (383 V) at the time of conduction to the gate 12 to make the semiconductor element 2 conductive.

一方、半導体素子2の非導通時における第1のソースドレイン端子14bの電位は、略グラウンドGの電位に等しい。従って、半導体素子2の非導通時における第2の閾値電位は、グラウンドGの電位(0V)にゲートトランジスタ26の閾値(例えば、3V)を加えた電位に略等しくなる。故に、ゲート駆動回路32は、この非導通時の第2の閾値電位(3V)より低い第2のローレベル電位(例えば、0V)をゲート12に印加して、半導体素子2を非導通にさせる。   On the other hand, the potential of the first source / drain terminal 14b when the semiconductor element 2 is non-conductive is substantially equal to the potential of the ground G. Therefore, the second threshold potential when the semiconductor element 2 is non-conductive is substantially equal to the potential obtained by adding the threshold (eg, 3 V) of the gate transistor 26 to the potential (0 V) of the ground G. Therefore, the gate drive circuit 32 applies a second low level potential (for example, 0 V) lower than the second threshold potential (3 V) at the time of non-conduction to the gate 12 to make the semiconductor element 2 non-conductive. .

以上の例では、第1および第2の定電圧源の電圧は等しくなっている。しかし、第1および第2の定電圧源の電圧は異なっていてもよい。また、第1および第2のハイレベル電位も異なっていてもよい。第1および第2のローレベル電位についても同様である。   In the above example, the voltages of the first and second constant voltage sources are equal. However, the voltages of the first and second constant voltage sources may be different. The first and second high level potentials may also be different. The same applies to the first and second low level potentials.

図4は、第1の接続状態においてゲート電位が第1のハイレベル電位から第1のローレベル電位(例えば、0V)に変わる前後の半導体素子2の状態の一例を示す表(以下、表1と呼ぶ)である。表1に示す電位は、以下の説明において括弧内に示す代表値である。下記図5においても、同様である。   FIG. 4 is a table showing an example of the state of the semiconductor element 2 before and after the gate potential changes from the first high level potential to the first low level potential (for example, 0 V) in the first connection state (hereinafter, Table 1). Called). The potentials shown in Table 1 are representative values shown in parentheses in the following description. The same applies to FIG. 5 below.

ゲート12に第1のハイレベル電位(例えば、400V)が印加されている状態では半導体素子2は導通し、第1のソースドレイン端子14aから第2のソースドレイン端子14bに向かって電流が流れている。従って、第1のソースドレイン端子14aの電位は、第1の定電圧源の電圧(例えば、380V)になっている。また、第1のノードN1(第1のFP16aとゲートト12の間のノード)および第2のノード(第2のFP16bとゲート12の間のノード)の電位も、略第1の定電圧源の電圧(例えば、380V)になっている。また、第2のソースドレイン端子14bの電位も、略第1の定電圧源の電圧(例えば、380V)になっている。   In a state where a first high-level potential (for example, 400 V) is applied to the gate 12, the semiconductor element 2 becomes conductive, and current flows from the first source / drain terminal 14a toward the second source / drain terminal 14b. Yes. Therefore, the potential of the first source / drain terminal 14a is the voltage of the first constant voltage source (for example, 380V). The potentials of the first node N1 (the node between the first FP 16a and the gate 12) and the second node (the node between the second FP 16b and the gate 12) are also substantially equal to those of the first constant voltage source. It is a voltage (for example, 380V). The potential of the second source / drain terminal 14b is also substantially the voltage of the first constant voltage source (for example, 380V).

この状態でゲート12に第1のローレベル電位(例えば、0V)が印加されると、ゲートトランジスタ26は、表1の第4列目に示すように、導通状態(ON)から非導通(OFF)になる。その結果、第1のソースドレイン端子14aから第2のソースドレイン端子14bに向かって流れる電流は遮断される。   When a first low level potential (for example, 0 V) is applied to the gate 12 in this state, the gate transistor 26 changes from the conductive state (ON) to the non-conductive state (OFF) as shown in the fourth column of Table 1. )become. As a result, the current flowing from the first source / drain terminal 14a toward the second source / drain terminal 14b is cut off.

すると第2のソースドレイン端子14bの電位は、表1の第7列目に示すように、略グランド電位(0V)になる。このため第2のソースドレイン端子14bの電位(例えば、0V)と第1のノードN1の電位(例えば、380V)の差(例えば、−380V)が、第1のFPトランジスタ16aの閾値(例えば、−40V)より低くなる。従って、第1のFPトランジスタ16aは、表1の第2列目に示すように、導通状態から非導通状態になる。   Then, as shown in the seventh column of Table 1, the potential of the second source / drain terminal 14b becomes substantially the ground potential (0 V). For this reason, the difference (for example, −380 V) between the potential (for example, 0 V) of the second source / drain terminal 14 b and the potential (for example, 380 V) of the first node N <b> 1 is the threshold (for example, for example). −40V). Accordingly, as shown in the second column of Table 1, the first FP transistor 16a is changed from the conductive state to the non-conductive state.

ゲートトランジスタ12および第1のFPトランジスタ16aが非導通状態になると、第1のノードN1の寄生容量が放電し第1のノードN1の電位が低下する。その結果、第2のソースドレイン端子14bと第1のノードN1の電位差が、第1のFPトランジスタ28aの閾値(例えば、−40V)の近傍まで上昇する。   When the gate transistor 12 and the first FP transistor 16a are turned off, the parasitic capacitance of the first node N1 is discharged and the potential of the first node N1 is lowered. As a result, the potential difference between the second source / drain terminal 14b and the first node N1 rises to the vicinity of the threshold value (for example, −40 V) of the first FP transistor 28a.

するとノード1に流れ込む第1のFPトランジスタ28aのリーク電流と寄生容量の放電電流が同程度になり、第1のノードN1の電位低下が停止する。この時の第1のノードN1の電位は、表1の第3列目に示すように、略第1のFPトランジスタ16aの閾値の絶対値(例えば、40V)に略等しくなる。   Then, the leakage current of the first FP transistor 28a flowing into the node 1 and the discharge current of the parasitic capacitance become approximately the same, and the potential drop of the first node N1 is stopped. At this time, as shown in the third column of Table 1, the potential of the first node N1 is substantially equal to the absolute value (for example, 40 V) of the threshold value of the first FP transistor 16a.

一方、第1の接続状態では、高電位側の第1のソースドレイン端子14aに接続された第2のFP16bの電位は、低電位側の第2のソースドレイン端子14bの電位より常に高い。このため第2のFPトランジスタ16bは、表1の第6列目に示すように、導通したままである。従って、ゲートトランジスタ26が非導通になると、第2のノードN2の浮遊容量は、第2の負荷抵抗R2を介して除々に放電する。その結果、第2のノードN2の電位は、表1の第5列目に示すように、ゲートトランジスタ26が導通している時の電位(例えば、略380V)から略グランド電位(0V)に低下する。   On the other hand, in the first connection state, the potential of the second FP 16b connected to the first source / drain terminal 14a on the high potential side is always higher than the potential of the second source / drain terminal 14b on the low potential side. Therefore, the second FP transistor 16b remains conductive as shown in the sixth column of Table 1. Therefore, when the gate transistor 26 becomes non-conductive, the stray capacitance of the second node N2 is gradually discharged through the second load resistor R2. As a result, as shown in the fifth column of Table 1, the potential of the second node N2 drops from the potential when the gate transistor 26 is conductive (for example, approximately 380V) to the approximate ground potential (0V). To do.

以上のような過程を経て、第1のソースドレイン端子14aから第2のソースドレイン端子14bに向かう電流が遮断される。尚、以上の説明では、半導体素子2は表1の各列に示す状態に順次遷移していくように説明したが、実際は同時並行的に遷移する。   Through the process as described above, the current from the first source / drain terminal 14a to the second source / drain terminal 14b is cut off. In the above description, the semiconductor element 2 has been described so as to sequentially transition to the state shown in each column of Table 1, but actually transitions in parallel.

上述したように第1のノードN1の電位は、第1のFPトランジスタ16aの閾値の絶対値(例えば、40V)に略等しくなる。一方、第2のノードN2の電位は、略グランド電位(例えば、0V)になる。このためゲート12の両端の電位差は、第1のFPトランジスタ16aの閾値の絶対値と同程度になる。従って、ゲート12の直下の絶縁層(第1の絶縁膜20および障壁層10)が、破壊されることはない。   As described above, the potential of the first node N1 is substantially equal to the absolute value (for example, 40 V) of the threshold value of the first FP transistor 16a. On the other hand, the potential of the second node N2 is substantially the ground potential (for example, 0 V). Therefore, the potential difference between both ends of the gate 12 is approximately the same as the absolute value of the threshold value of the first FP transistor 16a. Therefore, the insulating layer (the first insulating film 20 and the barrier layer 10) immediately below the gate 12 is not destroyed.

図5は、第1の接続状態においてゲート電位が第1のローレベル電位から第1のハイレベル電位に変わる前後の半導体素子の状態の一例を示す表(以下、表2と呼ぶ)である。   FIG. 5 is a table (hereinafter referred to as Table 2) showing an example of the state of the semiconductor element before and after the gate potential changes from the first low level potential to the first high level potential in the first connection state.

ゲート電位が第1のローレベル電位(例えば、0V)から第1のハイレベル(例えば、400V)に変わると、表2の第4列目に示すように、ゲートトランジスタ26は非導通状態(OFF)から導通状態(ON)に変わる。すると第2のFPトランジスタ28bが導通しているので、第1のノードN1と第2のソースドレイン端子14bの電位差が略なくなる。このため第2のソースドレイン端子14bに接続された第1のFP16aと第1のノードN1の電位差(略0V)が、第1のFPトランジスタ28aの閾値(例えば、−40V)より高くなる。このため第1のFPトランジスタ28aは、表2の第2列目に示すように導通する。   When the gate potential changes from the first low level potential (for example, 0V) to the first high level (for example, 400V), as shown in the fourth column of Table 2, the gate transistor 26 is in a non-conductive state (OFF ) To a conductive state (ON). Then, since the second FP transistor 28b is conductive, the potential difference between the first node N1 and the second source / drain terminal 14b is substantially eliminated. For this reason, the potential difference (approximately 0 V) between the first FP 16a connected to the second source / drain terminal 14b and the first node N1 becomes higher than the threshold (for example, −40 V) of the first FP transistor 28a. For this reason, the first FP transistor 28a becomes conductive as shown in the second column of Table 2.

その結果、半導体素子2に含まれる全てのトランジスタが導通し、第1のソースドレイン端子14aから第2のソースドレイン端子14bに向かって電流が流れる。この電流により第2の負荷R2の両端に電圧が発生し、第2のソースドレイン端子14bの電位は、表2の第7列目に示すように、第1のソースドレイン端子14aの電位(例えば、380V)に対して僅かに低い電位(例えば、略380V)まで上昇する。この時の第1のソースドレイン端子14aと第2のソースドレイン端子14bの電位差は、半導体素子2のオン抵抗に起因する。   As a result, all the transistors included in the semiconductor element 2 become conductive, and current flows from the first source / drain terminal 14a toward the second source / drain terminal 14b. Due to this current, a voltage is generated across the second load R2, and the potential of the second source / drain terminal 14b is equal to the potential of the first source / drain terminal 14a (for example, as shown in the seventh column of Table 2). 380V) to a slightly lower potential (for example, approximately 380V). The potential difference between the first source / drain terminal 14 a and the second source / drain terminal 14 b at this time is attributed to the on-resistance of the semiconductor element 2.

この時、第1および第2のノードN1,N2の電位も、第1のソースドレイン端子14aの電位に対して僅かに低い電位(例えば、略380V)まで上昇する。尚、第2のFPトランジスタ28bは、表2の第6列目に示すように導通したままである。これは、第2のFP16bが接続された第1のソースドレイン端子14aの電位が、第2のソースドレイン端子14bより高いか第2のソースドレイン端子14bと略同電位なためである。このように第1の接続状態では、第2のFPトランジスタ28bは常に導通している。   At this time, the potentials of the first and second nodes N1 and N2 also rise to a slightly lower potential (for example, approximately 380 V) than the potential of the first source / drain terminal 14a. The second FP transistor 28b remains conductive as shown in the sixth column of Table 2. This is because the potential of the first source / drain terminal 14a to which the second FP 16b is connected is higher than the second source / drain terminal 14b or substantially the same potential as the second source / drain terminal 14b. Thus, in the first connection state, the second FP transistor 28b is always conductive.

以上のような過程を経て、半導体素子2は導通する。すなわち、第1のソースドレイン端子14aから第2のソースドレイン端子14bに向かう電流が、半導体素子2を通過する。この時、表2に示すように、第1のノードN1と第2のノードN2の電位差は殆どないので、ゲート12の直下の絶縁層(第1の絶縁膜20および障壁層10)は破壊されない。尚、以上の過程も、表1に示した過程と同様、同時並行的に進行する。   Through the process as described above, the semiconductor element 2 becomes conductive. That is, a current from the first source / drain terminal 14 a toward the second source / drain terminal 14 b passes through the semiconductor element 2. At this time, as shown in Table 2, since there is almost no potential difference between the first node N1 and the second node N2, the insulating layer (the first insulating film 20 and the barrier layer 10) immediately below the gate 12 is not destroyed. . The above process also proceeds in parallel as in the process shown in Table 1.

以上図4および5を参照して、ゲート駆動回路32による第1の駆動モードを説明した。図1に示すように、半導体素子2は、ゲート12を中心とする対称構造を有している。従って、第2の動作モードに対応する第2の駆動モードでは、第1のFPトランジスタ28aの動作と第2のFPトランジスタ28bの動作が入れ替わる。また、第1のノードN1の電位と第2のノードN2の電位が入れ替わる。同様に、第1のソースドレイン端子14aの電位と第2のソースドレイン電位14bの電位が入れ替わる。   The first drive mode by the gate drive circuit 32 has been described above with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the semiconductor element 2 has a symmetrical structure with the gate 12 as the center. Accordingly, in the second drive mode corresponding to the second operation mode, the operation of the first FP transistor 28a and the operation of the second FP transistor 28b are interchanged. Further, the potential of the first node N1 and the potential of the second node N2 are interchanged. Similarly, the potential of the first source / drain terminal 14a and the potential of the second source / drain potential 14b are interchanged.

従って、ゲート12に第2のローレベル電位(例えば、0V)が印加されると、第2のソースドレイン端子14bから第1のソースドレイン端子14aに向かって流れる電流が、半導体素子2により遮断される。一方、ゲート12に第2のハイレベル電位(例えば、400V)が印加されると、第2のソースドレイン端子14bから第1のソースドレイン端子14aに向かう電流が、半導体素子2を通過する。   Therefore, when a second low-level potential (for example, 0 V) is applied to the gate 12, the current flowing from the second source / drain terminal 14b toward the first source / drain terminal 14a is blocked by the semiconductor element 2. The On the other hand, when a second high-level potential (for example, 400 V) is applied to the gate 12, a current from the second source / drain terminal 14 b toward the first source / drain terminal 14 a passes through the semiconductor element 2.

以上のように、本実施の形態の半導体素子2によれば、別のトランジスタを接続しなくても、第1のソースドレイン端子14aから第2のソースドレイン端子14bに向かう方向およびその逆方向で電流の流れを制御(ON/OFF制御)することができる。   As described above, according to the semiconductor element 2 of the present embodiment, the direction from the first source / drain terminal 14a toward the second source / drain terminal 14b and the opposite direction without connecting another transistor. The current flow can be controlled (ON / OFF control).

尚、第1および第2のソースドレイン端子14a,14bの電位は、0Vまたは正電位が好ましい。但し、第1および第2のソースドレイン端子14a,14bの電位は、必ずしも0Vまたは正電位でなくてもよい。例えば、低電位側のソースドレイン端子の電位が0Vより低くてもよい。   The potentials of the first and second source / drain terminals 14a and 14b are preferably 0V or positive potential. However, the potentials of the first and second source / drain terminals 14a and 14b do not necessarily have to be 0V or a positive potential. For example, the potential of the source / drain terminal on the low potential side may be lower than 0V.

ゲートトランジスタ12を非飽和領域で動作させるためには、半導体素子2の導通時における高電位側のソースドレイン端子の電位にゲートトランジスタ12の閾値を加えた電位より高い電位を、ゲート12に印加することが好ましい。   In order to operate the gate transistor 12 in the non-saturated region, a potential higher than the potential obtained by adding the threshold value of the gate transistor 12 to the potential of the source / drain terminal on the high potential side when the semiconductor element 2 is conductive is applied to the gate 12. It is preferable.

―パワーMOSFET―
図6は、パワーMOSFET34の断面図の一例である。図7は、パワーMOSFET34を用いた、双方向で電流の流れを制御するスイッチング回路の回路図である。
―Power MOSFET―
FIG. 6 is an example of a cross-sectional view of the power MOSFET 34. FIG. 7 is a circuit diagram of a switching circuit using the power MOSFET 34 to control the current flow in both directions.

パワーMOSFET34は、n型Si基板36に設けられたp型領域38と、p型領域38に囲われたn型領域40を有している。n型Si基板36は、ドレインとして機能する。p型領域38は、チャネル層として機能する。n型領域40はソースとして機能する。   The power MOSFET 34 has a p-type region 38 provided on the n-type Si substrate 36 and an n-type region 40 surrounded by the p-type region 38. The n-type Si substrate 36 functions as a drain. The p-type region 38 functions as a channel layer. The n-type region 40 functions as a source.

パワーMOSFET34は、更に、n型領域40の上に設けられた酸化膜42と、酸化膜42に埋め込まれたゲート44を有している。また、パワーMOSFET34は、n型領域(ソース)40に接続されたソース電極45と、n型Si基板(ドレイン)36に接続されたドレイン電極46を有している。図6には、ドレインからソースに流れるドレイン電流の経路48も示されている。   The power MOSFET 34 further includes an oxide film 42 provided on the n-type region 40 and a gate 44 embedded in the oxide film 42. The power MOSFET 34 includes a source electrode 45 connected to the n-type region (source) 40 and a drain electrode 46 connected to the n-type Si substrate (drain) 36. FIG. 6 also shows a path 48 of drain current flowing from the drain to the source.

図6に示すように、パワーMOSFETでは、ソース電極45は、n型領域(ソース)だけでなく、p型領域(チャネル層)38に接続されている。このためn型基板36とp型領域38の間のpn接合が、ソース電極45に陽極(アノード)が接続されドレイン電極46に陰極(カソード)が接続された寄生ダイオード50として動作する。ソース電極45をp型領域(チャネル層)38に接続する理由は、チャネル層(p型領域38)をソース(n型領域40)と同電位にするためである。   As shown in FIG. 6, in the power MOSFET, the source electrode 45 is connected not only to the n-type region (source) but also to the p-type region (channel layer) 38. Therefore, the pn junction between the n-type substrate 36 and the p-type region 38 operates as a parasitic diode 50 in which the anode (anode) is connected to the source electrode 45 and the cathode (cathode) is connected to the drain electrode 46. The reason for connecting the source electrode 45 to the p-type region (channel layer) 38 is to make the channel layer (p-type region 38) the same potential as the source (n-type region 40).

ソース電極45がドレイン電極46より高電位の場合、ゲート電位が閾値より低くなっても、寄生ダイオード50を介して電流が流れるため、ソース電極45からドレイン電極46に流れる電流を遮断することはできない。   When the source electrode 45 is at a higher potential than the drain electrode 46, current flows from the source electrode 45 to the drain electrode 46 because the current flows through the parasitic diode 50 even if the gate potential is lower than the threshold value. .

そこで、双方向で電流の流れを制御するためには、図7に示すようにソースSとドレインDの向きを反転させた一対のパワーMOSFET34a,34bの直列回路が用いられる。第1のパワーMOSFET34aのゲートG1と第2のパワーMOSFET34bのゲートG2には同電位が印加され、第1および第2のパワーMOSFET34a,34は同時に導通し又は非導通になる。   Therefore, in order to control the current flow in both directions, a series circuit of a pair of power MOSFETs 34a and 34b in which the directions of the source S and the drain D are reversed as shown in FIG. 7 is used. The same potential is applied to the gate G1 of the first power MOSFET 34a and the gate G2 of the second power MOSFET 34b, and the first and second power MOSFETs 34a and 34 are simultaneously turned on or off.

第1のパワーMOSFET34aの寄生ダイオード50aの順方向は、第2のパワーMOSFET34bの寄生ダイオード50bの逆方向を向いている。従って、第1のパワーMOSFET34aおよび第2のパワーMOSFET34bが非導通状態の場合に、第1の寄生ダイオード50aおよび第2の寄生ダイオード50bを電流が流れることはない。   The forward direction of the parasitic diode 50a of the first power MOSFET 34a faces the reverse direction of the parasitic diode 50b of the second power MOSFET 34b. Therefore, when the first power MOSFET 34a and the second power MOSFET 34b are in a non-conductive state, no current flows through the first parasitic diode 50a and the second parasitic diode 50b.

このため図7に示す回路を用いれば、双方向で電流の流れを制御(ON/OFF制御)することができる。しかし、図7の回路は1つのパワーMOSFETで形成することはできす、2つのパワーMOSFETが用いて形成される。   Therefore, if the circuit shown in FIG. 7 is used, the current flow can be controlled (ON / OFF control) in both directions. However, the circuit of FIG. 7 cannot be formed by one power MOSFET, but is formed by using two power MOSFETs.

―GaN−FP―HEMT―
図8は、GaN−FP―HEMT52の断面図である。図9は、GaN−FP―HEMT52の等価回路である。
-GaN-FP-HEMT-
FIG. 8 is a cross-sectional view of the GaN-FP-HEMT 52. FIG. 9 is an equivalent circuit of the GaN-FP-HEMT 52.

GaN−FP―HEMT52の構造は、本実施の形態の半導体素子2に類似している。但し、ゲート12と第1のソースドレイン端子14a(ソース)の間には、フィールドプレートが設けられていない。   The structure of the GaN-FP-HEMT 52 is similar to the semiconductor element 2 of the present embodiment. However, no field plate is provided between the gate 12 and the first source / drain terminal 14a (source).

第1のソースドレイン端子14a(ソース)の電位が第2のソースドレイン端子14b(ドレイン)の電位より高い場合、第2のFP16が接続される第1のソースドレイン端子14aは第2のソースドレイン端子14bより高電位になる。このため第2のFPトランジスタ28bは、常に導通している。従ってゲート12の両端には、第1のソースドレイン端子14aと第2のソースドレイン端子14bの電位差が略そのまま加わる。   When the potential of the first source / drain terminal 14a (source) is higher than the potential of the second source / drain terminal 14b (drain), the first source / drain terminal 14a to which the second FP 16 is connected is the second source / drain. The potential becomes higher than that of the terminal 14b. For this reason, the second FP transistor 28b is always conductive. Therefore, the potential difference between the first source / drain terminal 14a and the second source / drain terminal 14b is applied to both ends of the gate 12 almost as it is.

このような状態で、ゲートトランジスタ26が非導通になると、ゲート12とその絶縁層(第1の絶縁膜20および障壁層10)の間に高い電圧(例えば、380V)が加わり、絶縁層が破壊される。このため単体のGaN−FP―HEMT52だけでは、双方で電流の流れを制御することはできない。   When the gate transistor 26 becomes non-conductive in such a state, a high voltage (for example, 380 V) is applied between the gate 12 and its insulating layer (the first insulating film 20 and the barrier layer 10), and the insulating layer is destroyed. Is done. For this reason, the current flow cannot be controlled by only the single GaN-FP-HEMT 52.

一方、本実施の形態の半導体素子2では、ゲート12と第1のソースドレイン端子14aの間にも第1のFP16aが設けられているので、双方で電流の流れを制御することができる。   On the other hand, in the semiconductor element 2 of the present embodiment, since the first FP 16a is provided between the gate 12 and the first source / drain terminal 14a, the current flow can be controlled by both.

因みに、GaN−FP―HEMT52は、基板4が第1のソースドレイン端子14aに接続された状態で用いられる。この状態では、第1および第2のソースドレイン端子14a,14bに対して、基板電位が非対称になる。この点でもGaN−FP―HEMT52は、双方方向の電流制御には適していない。   Incidentally, the GaN-FP-HEMT 52 is used in a state where the substrate 4 is connected to the first source / drain terminal 14a. In this state, the substrate potential is asymmetric with respect to the first and second source / drain terminals 14a and 14b. In this respect, the GaN-FP-HEMT 52 is not suitable for current control in both directions.

(3)変形例
図10は、半導体素子2の変形例を示す等価回路である。変形例2aの断面図は、図1に示す半導体素子2の断面図と略同じである。従って、半導体素子2と共通する部分については説明を省略する。
(3) Modified Example FIG. 10 is an equivalent circuit showing a modified example of the semiconductor element 2. The sectional view of Modification 2a is substantially the same as the sectional view of the semiconductor element 2 shown in FIG. Therefore, description of portions common to the semiconductor element 2 is omitted.

変形例2aでは、図10に示すように、基板4(図1参照)がゲート12に接続されている。基板4とゲート12は、例えば基板4の外部に設けられた配線により接続されている。或いは、半導体ヘテロ接合6に設けられた貫通孔を用いて、ゲート12と基板4が接続される。   In Modification 2a, the substrate 4 (see FIG. 1) is connected to the gate 12 as shown in FIG. The substrate 4 and the gate 12 are connected by, for example, wiring provided outside the substrate 4. Alternatively, the gate 12 and the substrate 4 are connected using a through hole provided in the semiconductor heterojunction 6.

変形例2aでは、基板4がゲート12に接続されているので、ゲート直下のチャネル層8のポテンシャルが、ゲート側だけでなく基板側からもコントロールされる。このため半導体素子2aは、導通および非導通しやすくなる。すなわち、半導体素子2aの導通制御が容易になる。   In Modification 2a, since the substrate 4 is connected to the gate 12, the potential of the channel layer 8 immediately below the gate is controlled not only from the gate side but also from the substrate side. For this reason, the semiconductor element 2a is easily conductive and non-conductive. That is, the conduction control of the semiconductor element 2a is facilitated.

図11は、本実施の形態の別の変形例2bの等価回路である。変形例2bの断面図は、図1に示す半導体素子2の断面図と略同じである。従って、半導体素子2と共通する部分については説明を省略する。   FIG. 11 is an equivalent circuit of another modification 2b of the present embodiment. The sectional view of Modification 2b is substantially the same as the sectional view of the semiconductor element 2 shown in FIG. Therefore, description of portions common to the semiconductor element 2 is omitted.

変形例2bの基板4には、図11に示すゆに、少なくても半導体素子2bが非導通の期間中、第1および第2のソースドレイン端子14a,14bに印加される電位より低い電位が印加される。基板4に印加される電位は、例えば基板端子54に接続される外部電源56により供給される。   As shown in FIG. 11, the substrate 4 of the modified example 2b has a potential lower than the potential applied to the first and second source / drain terminals 14a and 14b at least during the non-conducting period of the semiconductor element 2b. Applied. The potential applied to the substrate 4 is supplied by, for example, an external power source 56 connected to the substrate terminal 54.

例えば図3と同様に、定電圧源E1,E2と負荷R1,R2を有する回路30a,30bが変形例2bの両端に接続される場合、第1および第2のソースドレイン端子14a,14bへの印加電圧は、0Vまたは定電圧源E1,E2の起電力(>0V)である。従って、少なくても半導体素子2bが非導通の状態の期間中、基板4には、0Vより低い電位(例えば、−1〜−10V程度)が印加される。   For example, as in FIG. 3, when circuits 30a and 30b having constant voltage sources E1 and E2 and loads R1 and R2 are connected to both ends of the modified example 2b, the connection to the first and second source / drain terminals 14a and 14b is performed. The applied voltage is 0V or an electromotive force (> 0V) of the constant voltage sources E1 and E2. Therefore, a potential lower than 0 V (for example, about −1 to −10 V) is applied to the substrate 4 at least during the period in which the semiconductor element 2 b is non-conductive.

上述したように、ゲート直下のチャネル層8のポテンシャルは、ゲート側だけでなく基板側からもコントロールされる。従って、基板4が浮遊状態で電位が制御されていないと基板電位が上昇して、半導体素子2bが導通してしまうことがある。   As described above, the potential of the channel layer 8 immediately below the gate is controlled not only from the gate side but also from the substrate side. Accordingly, if the substrate 4 is in a floating state and the potential is not controlled, the substrate potential may rise and the semiconductor element 2b may be conducted.

しかし、本実施の形態によれば、基板4には第1および第2のソースドレイン端子14a,14bより低い電位が基板に印加される。これにより、ゲートトランジスタ26の閾値が上昇し、半導体素子2bの動作が安定する。   However, according to the present embodiment, a potential lower than that of the first and second source / drain terminals 14a and 14b is applied to the substrate 4. As a result, the threshold value of the gate transistor 26 is increased, and the operation of the semiconductor element 2b is stabilized.

以上の例では、ゲートトランジスタ26の閾値は、正の電圧である。但し、ゲートトランジスタ26の閾値は、0V以下であってもよい。また、以上の例では、第1のソースドレイン端子14aと第2のソースドレイン端子14bの間には、380Vの電圧が印加される。しかし、第1のソースドレイン端子14aと第2のソースドレイン端子14bの間には、別の電圧(例えば、600V)が印加されてもよい。   In the above example, the threshold value of the gate transistor 26 is a positive voltage. However, the threshold value of the gate transistor 26 may be 0 V or less. In the above example, a voltage of 380 V is applied between the first source / drain terminal 14a and the second source / drain terminal 14b. However, another voltage (for example, 600 V) may be applied between the first source / drain terminal 14a and the second source / drain terminal 14b.

(実施の形態2)
図12は、本実施の形態の半導体素子2cの等価回路である。半導体素子2cの断面図は、図1に示す実施の形態1の半導体素子2の断面図と略同じである。従って、実施の形態1の半導体素子2と共通する部分については、説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 12 is an equivalent circuit of the semiconductor element 2c of the present embodiment. The cross-sectional view of the semiconductor element 2c is substantially the same as the cross-sectional view of the semiconductor element 2 of the first embodiment shown in FIG. Therefore, description of portions common to the semiconductor element 2 of the first embodiment is omitted.

図12に示すように、半導体素子2cの第1および第2のFP16a,16bは、ゲート12に接続されている。第1および第2のFP16a,16bは、例えば第2の絶縁膜22(図1参照)の上に設けられた配線(図示せず)によりゲート12に接続されている。ゲートトランジスタ26の閾値は、例えば0Vまたは正電圧(例えば、1〜3V)である。第1および第2のFPトランジスタ28a,28bの閾値は、負の電圧(例えば、−40V)である。このようにゲートトランジスタ26の閾値は、第1および第2のFP28a,28bの閾値より高い。   As shown in FIG. 12, the first and second FPs 16 a and 16 b of the semiconductor element 2 c are connected to the gate 12. The first and second FPs 16a and 16b are connected to the gate 12 by, for example, wiring (not shown) provided on the second insulating film 22 (see FIG. 1). The threshold value of the gate transistor 26 is, for example, 0 V or a positive voltage (for example, 1 to 3 V). The threshold values of the first and second FP transistors 28a and 28b are negative voltages (for example, −40V). Thus, the threshold value of the gate transistor 26 is higher than the threshold values of the first and second FPs 28a and 28b.

半導体素子2cは、実施の形態1で説明した駆動方法によって駆動される。例えば、ゲート12には、実施の形態1で説明したハイレベル電位およびローレベル電位が印加される。   The semiconductor element 2c is driven by the driving method described in the first embodiment. For example, the high level potential and the low level potential described in Embodiment 1 are applied to the gate 12.

ゲート12に印加される電位は、第1および第2のFP16a,16bにも印加される。ところでゲートトランジスタ26の閾値は、上述したように、第1および第2のFPトランジスタ28a,28bより高い。従って、ハイレベル電位がゲート12に印加されると、第1および第2のFPトランジスタ28a,28bはゲートトランジスタ12と共に導通する。この時の半導体素子2cは、双方方向で電流を流すことができる。   The potential applied to the gate 12 is also applied to the first and second FPs 16a and 16b. Incidentally, the threshold value of the gate transistor 26 is higher than that of the first and second FP transistors 28a and 28b as described above. Therefore, when a high level potential is applied to the gate 12, the first and second FP transistors 28 a and 28 b are turned on together with the gate transistor 12. At this time, the semiconductor element 2c can pass a current in both directions.

一方、ローレベル電位(例えば、0V程度)がゲート12に印加されると、ゲートトランジスタ26は非導通になる。その直後、高電位側のFPトランジスタ(例えば、第1のFPトランジスタ28a)とゲートトランジスタ12の間のノード(例えば、ノードN1)の電位は、寄生容量により高電位側のソースドレイン端子と略電位に保たれている。このためゲート12に印加されたローレベル電位(例えば、0V)と上記ノード電位(例えば、380V)の差が、高電位側のFPトランジスタの閾値(例えば、−40V)より低くなる。従って、高電位側のFPトランジスタは非導通になる。   On the other hand, when a low level potential (for example, about 0 V) is applied to the gate 12, the gate transistor 26 becomes non-conductive. Immediately thereafter, the potential of the node (for example, the node N1) between the high potential side FP transistor (for example, the first FP transistor 28a) and the gate transistor 12 is substantially equal to the potential of the high potential side source / drain terminal due to the parasitic capacitance. It is kept in. For this reason, the difference between the low level potential (for example, 0 V) applied to the gate 12 and the node potential (for example, 380 V) becomes lower than the threshold value (for example, −40 V) of the FP transistor on the high potential side. Accordingly, the FP transistor on the high potential side becomes non-conductive.

ゲートトランジスタ12および高電位側のFPトランジスタが非導通状態になると、上記ノードの寄生容量が放電して、上記ノードの電位は低下する。上記ノードの電位の電位が、ローレベル電位に高電位側のFPトランジスタの閾値(例えば、−40V程度)の絶対値を加えた電位(例えば、40V程度)近傍まで低下すると高電位側のFPトランジスタのリーク電流が大きくなる。このため上記ノードの電位低下は、停止する。   When the gate transistor 12 and the FP transistor on the high potential side are turned off, the parasitic capacitance of the node is discharged, and the potential of the node is lowered. When the potential of the node is lowered to the vicinity of the potential (for example, about 40 V) obtained by adding the absolute value of the threshold value (for example, about −40 V) of the high potential side FP transistor to the low level potential, the high potential side FP transistor The leakage current increases. For this reason, the potential drop at the node stops.

この時の上記ノードの電位は、ローレベル電位(例えば、0V)に高電位側のFPトランジスタの閾値(例えば、−40V程度)の絶対値を加えた電位(例えば、40V程度)程度である。従って、ゲート12の両端には高電圧が発生せず、第1のゲート絶縁膜20および障壁層10は破壊されない。   The potential of the node at this time is about a potential (for example, about 40 V) obtained by adding an absolute value of a threshold value (for example, about −40 V) of the FP transistor on the high potential side to a low level potential (for example, 0 V). Therefore, no high voltage is generated at both ends of the gate 12, and the first gate insulating film 20 and the barrier layer 10 are not destroyed.

このように半導体素子2cは、第1および第2のソースドレイン端子14a,14bのいずれが高電位になっても、電流を遮断することができる。すなわと、半導体素子2cは、双方向で電流を遮断することができる。   In this way, the semiconductor element 2c can cut off the current regardless of which of the first and second source / drain terminals 14a and 14b is at a high potential. In other words, the semiconductor element 2c can cut off current in both directions.

以上のように、半導体素子2は、双方向で電流を通過させ又は遮断する。すなわち、半導体素子2cは、実施の形態1で説明した第1および第2の動作モードを有している。   As described above, the semiconductor element 2 passes or blocks current in both directions. That is, the semiconductor element 2c has the first and second operation modes described in the first embodiment.

以上の例では、ゲートトランジスタ26の閾値は0Vまたは正電圧である。しかし、ゲートトランジスタ26の閾値は負電圧であってもよい。また、半導体素子2cの基板4は、実施の形態1の変形例のように、ゲート12に接続されてもよい。また、実施の形態1の別の変形例のように、基板4には、少なくても半導体素子2cが非導通の期間中、第1および第2のソースドレイン端子14a,14bに印加される電位より低い電位が印加されてもよい。   In the above example, the threshold value of the gate transistor 26 is 0 V or a positive voltage. However, the threshold value of the gate transistor 26 may be a negative voltage. The substrate 4 of the semiconductor element 2c may be connected to the gate 12 as in the modification of the first embodiment. Further, as in another modification of the first embodiment, the potential applied to the first and second source / drain terminals 14a and 14b during the period when the semiconductor element 2c is at least non-conductive is applied to the substrate 4. A lower potential may be applied.

実施の形態1および2の半導体へテロ接合6は、GaN/AlGaNへテロ接合である。しかし、半導体へテロ接合6は、他の半導体へテロ接合であってよい。例えば、半導体へテロ接合6は、GaAs/AlGaAsへテロ接合であってもよい。   The semiconductor heterojunction 6 of the first and second embodiments is a GaN / AlGaN heterojunction. However, the semiconductor heterojunction 6 may be another semiconductor heterojunction. For example, the semiconductor heterojunction 6 may be a GaAs / AlGaAs heterojunction.

以上の実施の形態1および2に関し、更に以下の付記を開示する。   Regarding the above first and second embodiments, the following additional notes are disclosed.

(付記1)
チャネル層と障壁層が積層された半導体へテロ接合と、
前記半導体へテロ接合の上方に設けられたゲートと、
前記ゲートの両側に設けられた第1および第2のソースドレイン端子と、
前記第1のソースドレイン端子と前記ゲートの間に設けられた第1のフィールプレートと、
前記第2のソースドレイン端子と前記ゲートの間に設けられた第2のフィールドプレートとを有することを
特徴とする半導体素子。
(Appendix 1)
A semiconductor heterojunction in which a channel layer and a barrier layer are stacked;
A gate provided above the semiconductor heterojunction;
First and second source / drain terminals provided on both sides of the gate;
A first feel plate provided between the first source / drain terminal and the gate;
A semiconductor element, comprising: a second field plate provided between the second source / drain terminal and the gate.

(付記2)
付記1に記載の半導体素子において、
前記第1のフィールドプレートは、前記第2のソースドレイン端子に接続され、
前記第2のフィールドプレートは、前記第1のソースドレイン端子に接続される
ことを特徴とする半導体素子。
(Appendix 2)
In the semiconductor element according to attachment 1,
The first field plate is connected to the second source / drain terminal;
The semiconductor element, wherein the second field plate is connected to the first source / drain terminal.

(付記3)
付記1又は2に記載の半導体素子において、
前記半導体へテロ接合が設けられた基板を有し、
前記基板は、前記ゲートに接続されていることを
特徴とする半導体素子。
(Appendix 3)
In the semiconductor element according to appendix 1 or 2,
Having a substrate provided with the semiconductor heterojunction;
The semiconductor element, wherein the substrate is connected to the gate.

(付記4)
付記1乃至3のいずれか1項に記載の半導体素子において、
前記半導体へテロ接合が設けられた基板を有し、
前記基板には、少なくても前記半導体素子が非導通の期間中、前記第1および前記第2のソースドレイン端子に印加される電位より低い電位が印加されることを
特徴とする半導体素子。
(Appendix 4)
In the semiconductor element according to any one of appendices 1 to 3,
Having a substrate provided with the semiconductor heterojunction;
A potential lower than a potential applied to the first and second source / drain terminals is applied to the substrate during at least the period when the semiconductor element is non-conductive.

(付記5)
付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体素子において、
前記第1のソースドレイン端子の電位が前記第2のソースドレイン端子の電位より高い場合に、前記第1のソースドレイン端子から前記第2のソースドレイン端子に向かって流れる電流を通過させ又は遮断する第1の動作モードと、
前記第2のソースドレイン端子の電位が前記第1のソースドレイン端子の電位より高い場合に、前記第2のソースドレイン端子から前記第1のソースドレイン端子に向かって流れる電流を通過させ又は遮断する第2の動作モードとを有することを
特徴とする半導体素子。
(Appendix 5)
In the semiconductor element according to any one of appendices 1 to 4,
When the potential of the first source / drain terminal is higher than the potential of the second source / drain terminal, the current flowing from the first source / drain terminal toward the second source / drain terminal is allowed to pass or cut off. A first operating mode;
When the potential of the second source / drain terminal is higher than the potential of the first source / drain terminal, the current flowing from the second source / drain terminal toward the first source / drain terminal is allowed to pass or cut off. A semiconductor element having a second operation mode.

(付記6)
付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体素子において、
前記第1のフィールドプレートに対応するトランジスタの閾値および前記第2のフィールドプレートに対応するトランジスタの閾値は、負電圧であることを
特徴とする半導体素子。
(Appendix 6)
In the semiconductor element according to any one of appendices 1 to 5,
The threshold value of the transistor corresponding to the first field plate and the threshold value of the transistor corresponding to the second field plate are negative voltages.

(付記7)
付記1乃至6のいずれか1項に記載の半導体素子において、
前記チャネル層は、AlGaN層であり、
前記障壁層は、GaNであることを
特徴とする半導体素子。
(Appendix 7)
In the semiconductor device according to any one of appendices 1 to 6,
The channel layer is an AlGaN layer;
The barrier element is a GaN semiconductor element.

(付記8)
半導体へテロ接合の上方に設けられたゲートと、前記ゲートの両側に設けられた第1および第2のソースドレイン端子と、前記第1のソースドレイン端子と前記ゲートの間に設けられた第1のフィールプレートと、前記第2のソースドレイン端子と前記ゲートの間に設けられた第2のフィールドプレートを有する半導体素子の駆動方法であって、
前記第1のソースドレイン端子の電位が前記第2のソースドレイン端子の電位より高い場合には、前記第2のソースドレイン端子の電位に前記半導体素子の閾値を加えた第1の閾値電位に基づいて前記半導体素子を駆動する第1の駆動モードと、
前記第2のソースドレイン端子の電位が前記第1のソースドレイン端子の電位より高い場合には、前記第1のソースドレイン端子の電位に前記半導体素子の閾値を加えた第2の閾値電位に基づいて前記半導体素子を駆動する第2の駆動モードを有することを
特徴とする半導体素子の駆動方法。
(Appendix 8)
A gate provided above a semiconductor heterojunction; first and second source / drain terminals provided on both sides of the gate; and a first provided between the first source / drain terminal and the gate. A semiconductor device having a field plate, a second field plate provided between the second source / drain terminal and the gate,
When the potential of the first source / drain terminal is higher than the potential of the second source / drain terminal, it is based on the first threshold potential obtained by adding the threshold of the semiconductor element to the potential of the second source / drain terminal. A first drive mode for driving the semiconductor element;
When the potential of the second source / drain terminal is higher than the potential of the first source / drain terminal, it is based on a second threshold potential obtained by adding the threshold of the semiconductor element to the potential of the first source / drain terminal. And a second driving mode for driving the semiconductor element.

(付記9)
付記8に記載の半導体素子の駆動方法において、
前記第1の駆動モードでは、前記半導体素子の導通時における前記第1の閾値電位より高い電位を前記ゲートに印加して前記半導体素子を導通させ、前記半導体素子の非導通時における前記第1の閾値電位より低い電位を前記ゲートに印加して前記半導体素子を非導通にさせ、
前記第2の駆動モードでは、前記半導体素子の導通時における前記第2の閾値電位より高い電位を前記ゲートに印加して前記半導体素子を導通させ、前記半導体素子の非導通時における前記第2の閾値電位より低い電位を前記ゲートに印加して前記半導体素子を非導通にさせることを
特徴とする半導体素子の駆動方法。
(Appendix 9)
In the semiconductor element driving method according to attachment 8,
In the first drive mode, a potential higher than the first threshold potential when the semiconductor element is conductive is applied to the gate to cause the semiconductor element to conduct, and the first element when the semiconductor element is non-conductive is used. Applying a potential lower than a threshold potential to the gate to make the semiconductor element non-conductive;
In the second drive mode, a potential higher than the second threshold potential when the semiconductor element is conductive is applied to the gate to make the semiconductor element conductive, and the second element when the semiconductor element is non-conductive is used. A driving method of a semiconductor element, wherein a potential lower than a threshold potential is applied to the gate to make the semiconductor element non-conductive.

(付記10)
付記1に記載の半導体素子において、
前記第1のフィールドプレートは、前記ゲートに接続され、
前記第2のフィールドプレートは、前記ゲートに接続されていることを、
特徴とする半導体素子。
(Appendix 10)
In the semiconductor element according to attachment 1,
The first field plate is connected to the gate;
The second field plate is connected to the gate;
A featured semiconductor element.

(付記11)
付記10に記載の半導体素子において、
前記半導体へテロ接合が設けられた基板を有し、
前記基板は、前記ゲートに接続されていることを
特徴とする半導体素子。
(Appendix 11)
In the semiconductor element according to attachment 10,
Having a substrate provided with the semiconductor heterojunction;
The semiconductor element, wherein the substrate is connected to the gate.

(付記12)
付記10又は11に記載の半導体素子において、
前記半導体へテロ接合が設けられた基板を有し、
前記基板には、少なくても前記半導体素子が非導通の期間中、前記第1および前記第2のソースドレイン端子に印加される電位より低い電位が印加されることを
特徴とする半導体素子。
(Appendix 12)
In the semiconductor element according to attachment 10 or 11,
Having a substrate provided with the semiconductor heterojunction;
A potential lower than a potential applied to the first and second source / drain terminals is applied to the substrate during at least the period when the semiconductor element is non-conductive.

(付記13)
付記10乃至12のいずれか1項に記載の半導体素子において、
前記第1のソースドレイン端子の電位が前記第2のソースドレイン端子の電位より高い場合に、前記第1のソースドレイン端子から前記第2のソースドレイン端子に向かって流れる電流を通過させ又は遮断する第1の動作モードと、
前記第2のソースドレイン端子の電位が前記第1のソースドレイン端子の電位より高い場合に、前記第2のソースドレイン端子から前記第1のソースドレイン端子に向かって流れる電流を通過させ又は遮断する第2の動作モードとを有することを
特徴とする半導体素子。
(Appendix 13)
In the semiconductor element according to any one of appendices 10 to 12,
When the potential of the first source / drain terminal is higher than the potential of the second source / drain terminal, the current flowing from the first source / drain terminal toward the second source / drain terminal is allowed to pass or cut off. A first operating mode;
When the potential of the second source / drain terminal is higher than the potential of the first source / drain terminal, the current flowing from the second source / drain terminal toward the first source / drain terminal is allowed to pass or cut off. A semiconductor element having a second operation mode.

(付記14)
付記10乃至13のいずれか1項に記載の半導体素子において、
前記第1のフィールドプレートに対応するトランジスタの閾値および前記第2のフィールドプレートに対応するトランジスタの閾値は、負電圧であることを
特徴とする半導体素子。
(Appendix 14)
The semiconductor element according to any one of appendices 10 to 13,
The threshold value of the transistor corresponding to the first field plate and the threshold value of the transistor corresponding to the second field plate are negative voltages.

(付記15)
付記10乃至13のいずれか1項に記載の半導体素子において、
前記チャネル層は、AlGaN層であり、
前記障壁層は、GaNであることを
特徴とする半導体素子。
(Appendix 15)
The semiconductor element according to any one of appendices 10 to 13,
The channel layer is an AlGaN layer;
The barrier element is a GaN semiconductor element.

2,2a,2b,2c・・・半導体素子
4・・・基板
6・・・半導体へテロ接合
8・・・チャネル層
10・・・障壁層
12・・・ゲート
14a・・・第1のソースドレイン端子
14b・・・第2のソースドレイン端子
16a・・・第1のフィールプレート
16b・・・第2のフィールプレート
2, 2a, 2b, 2c ... semiconductor element 4 ... substrate 6 ... semiconductor heterojunction 8 ... channel layer 10 ... barrier layer 12 ... gate 14a ... first source Drain terminal 14b ... Second source / drain terminal 16a ... First feel plate 16b ... Second feel plate

Claims (6)

チャネル層と障壁層が積層された半導体へテロ接合と、
前記半導体へテロ接合の上方に設けられたゲートと、
前記ゲートの両側に設けられた第1および第2のソースドレイン端子と、
前記半導体へテロ接合の上方に設けられ、かつ、前記第1のソースドレイン端子と前記ゲートの間に設けられた第1のフィールプレートと、
前記半導体へテロ接合の上方に設けられ、かつ、前記第2のソースドレイン端子と前記ゲートの間に設けられた第2のフィールドプレートとを有し、
前記第1のフィールドプレートは、前記第2のソースドレイン端子に接続され、
前記第2のフィールドプレートは、前記第1のソースドレイン端子に接続される
ことを特徴とする半導体素子。
A semiconductor heterojunction in which a channel layer and a barrier layer are stacked;
A gate provided above the semiconductor heterojunction;
First and second source / drain terminals provided on both sides of the gate;
A first field plate provided above the semiconductor heterojunction and provided between the first source / drain terminal and the gate;
The semiconductor to be provided above the heterojunction, and have a second field plate disposed between the second source drain terminal and the gate,
The first field plate is connected to the second source / drain terminal;
The semiconductor element, wherein the second field plate is connected to the first source / drain terminal .
請求項に記載の半導体素子において、
前記半導体へテロ接合が設けられた基板を有し、
前記基板は、前記ゲートに接続されていることを
特徴とする半導体素子。
The semiconductor device according to claim 1 ,
Having a substrate provided with the semiconductor heterojunction;
The semiconductor device, wherein the substrate is connected to the gate.
請求項1又は2に記載の半導体素子において、
前記半導体へテロ接合が設けられた基板を有し、
前記基板には、少なくても前記半導体素子が非導通の期間中、前記第1および前記第2のソースドレイン端子に印加される電位より低い電位が印加されることを
特徴とする半導体素子。
The semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
Having a substrate provided with the semiconductor heterojunction;
The semiconductor element, wherein a potential lower than a potential applied to the first and second source / drain terminals is applied to the substrate during a period when the semiconductor element is at least non-conductive.
請求項1乃至のいずれか1項に記載の半導体素子において、
前記第1のソースドレイン端子の電位が前記第2のソースドレイン端子の電位より高い場合に、前記第1のソースドレイン端子から前記第2のソースドレイン端子に向かって流れる電流を通過させ又は遮断する第1の動作モードと、
前記第2のソースドレイン端子の電位が前記第1のソースドレイン端子の電位より高い場合に、前記第2のソースドレイン端子から前記第1のソースドレイン端子に向かって流れる電流を通過させ又は遮断する第2の動作モードとを有することを
特徴とする半導体素子。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 ,
When the potential of the first source / drain terminal is higher than the potential of the second source / drain terminal, the current flowing from the first source / drain terminal toward the second source / drain terminal is allowed to pass or cut off. A first operating mode;
When the potential of the second source / drain terminal is higher than the potential of the first source / drain terminal, the current flowing from the second source / drain terminal toward the first source / drain terminal is allowed to pass or cut off. A semiconductor element having a second operation mode.
チャネル層と障壁層が積層された半導体へテロ接合と、
前記半導体へテロ接合の上方に設けられたゲートと、
前記ゲートの両側に設けられた第1および第2のソースドレイン端子と、
前記半導体へテロ接合の上方に設けられ、かつ、前記第1のソースドレイン端子と前記ゲートの間に設けられた第1のフィールプレートと、
前記半導体へテロ接合の上方に設けられ、かつ、前記第2のソースドレイン端子と前記ゲートの間に設けられた第2のフィールドプレートとを有し、
前記第1のフィールドプレートは、前記ゲートに接続され、
前記第2のフィールドプレートは、前記ゲートに接続されており、
前記半導体へテロ接合が設けられた基板を有し、
前記基板は、前記ゲートに接続されていることを

特徴とする半導体素子。
A semiconductor heterojunction in which a channel layer and a barrier layer are stacked;
A gate provided above the semiconductor heterojunction;
First and second source / drain terminals provided on both sides of the gate;
A first field plate provided above the semiconductor heterojunction and provided between the first source / drain terminal and the gate;
The semiconductor to be provided above the heterojunction, and have a second field plate disposed between the second source drain terminal and the gate,
The first field plate is connected to the gate;
The second field plate is connected to the gate ;
Having a substrate provided with the semiconductor heterojunction;
That the substrate is connected to the gate;

A featured semiconductor element.
請求項に記載の半導体素子において、
前記半導体へテロ接合が設けられた基板を有し、
前記基板には、少なくても前記半導体素子が非導通の期間中、前記第1および前記第2のソースドレイン端子に印加される電位より低い電位が印加されることを
特徴とする半導体素子。
The semiconductor device according to claim 5 ,
Having a substrate provided with the semiconductor heterojunction;
The semiconductor element, wherein a potential lower than a potential applied to the first and second source / drain terminals is applied to the substrate during a period when the semiconductor element is at least non-conductive.
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