JP6400546B2 - 半導体装置、駆動制御装置、および駆動制御方法 - Google Patents

半導体装置、駆動制御装置、および駆動制御方法 Download PDF

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Description

本実施形態は、半導体装置、駆動制御装置、および駆動制御方法に関する。
半導体装置の一例として、窒化物半導体層を備える電界効果トランジスタが知られている。この電界効果トランジスタは、例えば、基板と、少なくとも２つの窒化物半導体層を備える。これらの窒化物半導体層のバンドギャップは、相互に異なっている。その結果、これらの窒化物半導体層の界面には、二次元電子ガスと呼ばれる電流経路（チャネル）が形成されている。
上記電界効果トランジスタには、二次元電子ガスの濃度が低下してオン抵抗が増大する現象、いわゆる電流コラプス現象が起こる場合がある。電流コラプス現象は、基板の電位とドレイン電圧に依存すると考えられている。
基板の電気的な接続先は、一般的に、上記電界効果トランジスタを駆動する前に設定されている。そのため、上記電界効果トランジスタを駆動する際、基板の電位は、ドレイン電圧に関わらず常時固定されている。その結果、電流コラプス現象に対して基板電位の最適化が不十分である。
特許第５３８６２４６号公報
本発明の実施形態は、電流コラプス現象に対して基板電位を最適化することが可能な半導体装置、駆動制御装置、および駆動制御方法を提供することである。
実施形態によれば、半導体装置は、電界効果トランジスタと、スイッチと、制御部と、を備える。前記電界効果トランジスタは、基板と、前記基板の上に設けられた窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の上に設けられたドレイン電極及びソース電極と、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に挟まれたゲート電極と、を有する。前記スイッチは、前記基板の電位を、複数の電位に切り替え可能である。前記制御部は、前記ドレイン電極の入力に基づいて、前記複数の電位の中からいずれかの電位になるように前記スイッチを制御する。
第１の実施形態に係る半導体装置の概略的な構成を示す回路図である。 図１に示す電界効果トランジスタの概略的な構造を示す断面図である。 図１に示す制御部に記憶されたデータの一例を示す図である。 入力電圧とオン抵抗の増加率との関係の一例を示すグラフである。 第１の実施形態に係る半導体装置の動作手順を示すフローチャートである。 基板の電位を切り替え可能なスイッチの変形例を示す図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の概略的な構成を示す回路図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の動作手順を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体装置の概略的な構成を示す回路図である。なお、図１には、本実施形態に係る半導体装置１の他に、ダイオードＤと、コイルＬと、コンデンサＣと、抵抗負荷Ｒとが記載されているが、これらは、本実施形態に係る半導体装置１をバックコンバータに適用する際に用いられる外部部品である。また、図１に記載の比較器７０は、当該バックコンバータの出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆよりも低いか否かを検出するための外部部品である。ここでは、これらの外部部品についての詳細な説明は省略し、以下、本実施形態に係る半導体装置１の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、電界効果トランジスタ１０と、スイッチ２０と、制御部３０と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）部４０と、ゲート駆動部５０と、を備える。まず、図２を参照して電界効果トランジスタ１０の構造について説明する。
図２は、電界効果トランジスタ１０の概略的な構造を示す断面図である。図２に示すように、電界効果トランジスタ１０は、基板１１と、第１の窒化物半導体層１２と、第２の窒化物半導体層１３と、ドレイン電極１４と、ソース電極１５と、ゲート電極１６と、を有する。
基板１１は、シリコン基板等の導電性基板で構成されている。基板１１の上には、第１の窒化物半導体層１２と第２の窒化物半導体層１３を含む複数の窒化物半導体層が設けられている。基板１１の裏面、換言すると、第１の窒化物半導体層１２と第２の窒化物半導体層１３が設けられている面と反対側の面には、スイッチ２０が接続されている。
第１の窒化物半導体層１２は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成されている。第１の窒化物半導体層１２の上には、第２の窒化物半導体層１３が設けられている。
第２の窒化物半導体層１３は、例えば、第１の窒化物半導体層１２よりもバンドギャップが大きい窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）で構成されている。第１の窒化物半導体層１２と第２の窒化物半導体層１３との界面には、２次元電子ガスが発生している。
ドレイン電極１４と、ソース電極１５と、ゲート電極１６は、第２の窒化物半導体層１３の上に設けられている。第２の窒化物半導体層１３の上において、ゲート電極１６は、ドレイン電極１４とソース電極１５との間に挟まれている。
次に、図１に戻って、スイッチ２０について説明する。スイッチ２０は、基板１１の電位を、複数の電位に切り替え可能である。本実施形態では、スイッチ２０は、基板１１がソース電極１５と電気的に接続される第１の状態と、基板１１がドレイン電極１４と電気的に接続される第２の状態と、基板１１がゲート電極１６と電気的に接続される第３の状態と、基板１１が電気的にオープンになる第４の状態とに切り替え可能である。つまり、第１の状態では基板１１の電位がソース電極１５の電位と同じになり、第２の状態では基板１１の電位がドレイン電極１４の電位と同じになり、第３の状態では基板１１の電位がゲート電極１６の電位と同じになり、第４の状態では基板１１の電位がフローティング電位と同じになる。
なお、本実施形態では、電界効果トランジスタ１０は、ノーマリーオン型の電界効果トランジスタであるので、上記第３の状態において基板１１の電位は、負電位となる。
制御部３０は、スイッチ２０とともに電界効果トランジスタ１０の駆動制御装置を構成する。制御部３０は、基板１１の電位を設定するためのスイッチ２０の状態を、ドレイン電極１４に入力される入力電圧Ｖｉｎに関連付けたデータを記憶している。
図３は、制御部３０に記憶されたデータの一例を示す図である。また、図４は、入力電圧とオン抵抗の増加率との関係の一例を示すグラフである。
図４において、横軸は、ドレイン電極１６に入力される電圧、換言するとドレインーソース間電圧を示し、縦軸は、オン抵抗（Ｒｏｎ）の増加率を示す。また、実線Ａは、基板１１をドレイン電極１４に電気的に接続した第２の状態におけるオン抵抗の増加率を示し、点線Ｂは、基板１１をソース電極１５に電気的に接続した第１の状態におけるオン抵抗の増加率を示す。
図４によれば、入力電圧が１００Ｖの場合には、第２の状態のオン抵抗の増加率が、第１の状態のオン抵抗の増加率よりも小さい。一方、入力電圧が１５０Ｖの場合には、第１のオン抵抗の増加率が、第２の状態のオン抵抗の増加率よりも小さい。そのため、入力電圧が１００Ｖの場合、スイッチ２０は、基板１１をドレイン電極１４に接続する状態であることが望ましく、入力電圧が１５０Ｖの場合には、スイッチ２０は、基板１１をソース電極１５に接続する状態であることが望ましい。
そこで、図３に示すデータ１００には、入力電圧の値に応じて最適なスイッチ２０の状態、換言すると電流コラプス現象に対して最適化された基板１１の電位が示されている。このようにして、制御部３０は、入力電圧の値に応じて最適な基板１１の電位をデータ１００から選択している。
なお、図４に示すグラフにおいて、横軸がドレイン電極１４に入力される入力電流である場合にも、入力電流とオン抵抗との関係は、入力電圧とオン抵抗との関係と同様になる。そこで、データ１００には、入力電流の値が、スイッチ２０の状態に関連付けて示されていてもよい。この場合でも、制御部３０は、入力電流の値に応じて最適な基板１１の電位を選択できる。
また、制御部３０は、予め記憶された所定のプログラムに基づいてＰＷＭ部４０も制御する。ここで、再び図１に戻って、ＰＷＭ部４０を説明する。ＰＷＭ部４０は、ＰＷＭ信号を生成してゲート駆動部５０に出力する。ゲート駆動部５０は、ＰＷＭ部４０から入力されたＰＷＭ信号に基づいて電界効果トランジスタ１０のゲートを駆動する。なお、本実施形態では、ＰＷＭ部４０とゲート駆動部５０は、半導体装置１の内部に設けられているが、これらは、半導体装置１の外部に設けられていてもよい。
以下、本実施形態に係る半導体装置１の動作について説明する。図５は、本実施形態に係る半導体装置１の動作手順を示すフローチャートである。ここでは、基板１１の電位を選択する動作について説明する。
半導体装置１のドレイン電極１４の電位が、０Ｖから入力電圧Ｖｉｎの値に上昇すると、制御部３０が、データ１００からその入力電圧Ｖｉｎの値に対応するスイッチ２０の状態を選択する（ステップＳ１１）。
続いて、制御部３０は、ステップＳ１１で選択した状態となるようにスイッチ２０を制御する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２では、例えば、スイッチ２０が、基板１１の４つの状態(第１の状態〜第４の状態)にそれぞれ対応して設けられた４つのトランジスタで構成されている場合、制御部３０は、選択した状態に対応するトランジスタをオンさせ、残りのトランジスタをオフさせる。
以上説明した本実施形態に係る半導体装置１によれば、制御部３０が、データ１００に基づいて、基板１１の電位を切り替え可能なスイッチ２０を制御している。データ１００は、基板１１の電位を電流コラプス現象に対して最適な電位にするためのスイッチ２０の状態を、入力電圧毎に示している。これにより、入力電圧に応じて、基板１１の電位を最適化することが可能となる。
なお、スイッチ２０によって切り替え可能な基板１１の状態は、上述した４つの状態に限定されない。図６は、基板１１の電位を切り替え可能なスイッチの変形例を示す図である。
図６に示すスイッチ２０ａは、上述した第１の状態から第４の状態だけでなく、基板１１が定電圧源Ｖｄｄに接続される第５の状態にも切り替え可能である。このスイッチ２０ａによれば、基板１１の電位が、定電圧源Ｖｄｄと同電位となるときにオン抵抗が最小となる入力電圧が存在する場合に、制御部３０がスイッチ２０ａを制御することによって、電流コラプス現象に対して基板１１の電位を最適化することが可能となる。
（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る半導体装置の概略的な構成を示す回路図である。図７にも、シリコン半導体からなるＮ型ＭＯＳトランジスタＱと、コイルＬと、コンデンサＣと、抵抗負荷Ｒとが記載されているが、これらは、本実施形態に係る半導体装置２をバックコンバータに適用する際に用いられる外部部品である。また、図７に記載の比較器７０も、第１の実施形態と同様に、当該バックコンバータの出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆよりも低いか否かを検出するための外部部品である。ここでは、これらの外部部品についての詳細な説明は省略し、以下、本実施形態に係る半導体装置２の構成について、第１の実施形態に係る半導体装置１と異なる点を中心に説明する。
図７に示すように、本実施形態に係る半導体装置２は、電流センサ６０を備える点で第１の実施形態に係る半導体装置１と異なる。電流センサ６０は、制御部３０の制御に基づいて、ドレイン電極１４に入力される入力電流を計測する。
以下、本実施形態に係る半導体装置２の動作について説明する。図８は、本実施形態に係る半導体装置２の動作手順を示すフローチャートである。ここでも、第１の実施形態と同様に、基板１１の電位を選択する動作について説明する。
半導体装置１のドレイン電極１４の電位が、０Ｖから入力電圧Ｖｉｎの値に上昇すると、制御部３０は、基板１１がソース電極１５に電気的に接続されるようにスイッチ２０を制御し、その後、電流センサ６０が入力電流を計測する（ステップＳ２１）。
続いて、制御部３０は、基板１１がドレイン電極１４に電気的に接続されるようにスイッチ２０を制御し、その後、電流センサ６０が入力電流を計測する（ステップＳ２２）。
続いて、制御部３０は、基板１１がゲート電極１６に電気的に接続されるようにスイッチ２０を制御し、その後、電流センサ６０が入力電流を計測する（ステップＳ２３）。
続いて、制御部３０は、基板１１がゲート電極１６に電気的に接続されるようにスイッチ２０を制御し、その後、電流センサ６０が入力電流を計測する（ステップＳ２３）。
続いて、制御部３０は、基板１１が電気的にオープンになるようにスイッチ２０を制御し、その後、電流センサ６０が入力電流を計測する（ステップＳ２４）。
上述ステップＳ２１〜Ｓ２４では、制御部３０が、基板１１の電位を、ソース電極１５の電位、ドレイン電極１４の電位、ゲート電極１６の電位、およびフローティング電位の順に設定しているが、この順番は、特に限定されず、適宜変更可能である。
また、上述したステップＳ２１〜Ｓ２４において、電流センサ６０の計測値は制御部３０に記憶される。制御部３０は、記憶した計測値の中で最小となるスイッチ２０の状態を選択する（ステップＳ２５）。
電界効果トランジスタ１０において、ステップＳ２１〜Ｓ２４における入力電圧が同じ場合、入力電流が小さい程、オン抵抗が小さいことを示している。つまり、入力電流が最も小さいスイッチ２０の状態が、電流コラプス現象に対して最適な基板１１の電位に対応している。そこで、制御部３０は、ステップＳ２５で選択した状態になるようにスイッチ２０を制御する（ステップＳ２６）。
以上説明した本実施形態に係る半導体装置２によれば、制御部３０が、電流センサ６０の計測値に基づいて、基板１１の電位を切り替え可能なスイッチ２０を制御している。電流センサ６０は、基板１１が取り得る全ての電位について入力電流を計測し、制御部３０は、電流センサ６０の計測値の中で最小となるスイッチ２０の状態を選択している。選択された状態は、上述したように、電流コラプス現象に対して最適な基板１１の電位に対応している。これにより、入力電圧に応じて、基板１１の電位を最適化することが可能となる。
特に、本実施形態では、入力電圧Ｖｉｎが電界トランジスタ１０のドレイン電極１６に印加されたときに、その都度、基板１１が取り得る全ての電位について入力電流が計測され、この計測結果に基づいて、電流コラプス現象に対して最適な基板１１の電位が選択されている。そのため、例えば、入力電圧Ｖｉｎが変動した場合に、速やかに最適な基板１１の電位を選択することが可能となる。
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１，２ 半導体装置、１１ 基板、１２ 第１の窒化物半導体層、１３ 第２の窒化物半導体層、１４ ドレイン電極、１５ ソース電極、１６ ゲート電極、２０，２０ａ スイッチ、３０ 制御部、６０ 電流センサ

Claims (6)

  1. 基板と、前記基板の上に設けられた窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の上に設けられたドレイン電極及びソース電極と、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に挟まれたゲート電極と、を有する電界効果トランジスタと、
    前記基板の電位を、複数の電位に切り替え可能なスイッチと、
    前記ドレイン電極の入力に基づいて、前記複数の電位の中からいずれかの電位になるように前記スイッチを制御する制御部と、
    を備え、
    前記スイッチは、前記基板が前記ソース電極と電気的に接続される第１の状態と、前記基板が前記ドレイン電極と電気的に接続される第２の状態と、前記基板が前記ゲート電極と電気的に接続される第３の状態と、前記基板が電気的にオープンになる第４の状態と、に切り替え可能である、半導体装置。
  2. 前記制御部は、前記ドレイン電極の入力値に、前記複数の電位のいずれかに対応する前記スイッチの状態を関連付けたデータを記憶し、当該データを用いて前記スイッチを制御する、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記制御部の制御に基づいて、前記複数の電位の各々における前記ドレイン電極の入力電流を計測する電流センサをさらに備え、
    前記制御部は、前記電流センサで計測された入力電流が最小となる電位になるように前記スイッチを制御する、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記スイッチが、前記基板を、定電圧源に電気的に接続される第５の状態にも切り替え可能である、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 基板と、前記基板の上に設けられた窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の上に設けられたドレイン電極及びソース電極と、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に挟まれたゲート電極と、を有する電界効果トランジスタの駆動制御装置であって、
    前記基板の電位を、複数の電位に切り替え可能なスイッチと、
    前記ドレイン電極の入力に基づいて、前記複数の電位の中からいずれかの電位になるように前記スイッチを制御する制御部と、
    を備え、
    前記スイッチは、前記基板が前記ソース電極と電気的に接続される第１の状態と、前記基板が前記ドレイン電極と電気的に接続される第２の状態と、前記基板が前記ゲート電極と電気的に接続される第３の状態と、前記基板が電気的にオープンになる第４の状態と、に切り替え可能である、駆動制御装置。
  6. 基板と、前記基板の上に設けられた窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の上に設けられたドレイン電極及びソース電極と、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に挟まれたゲート電極と、を有する電界効果トランジスタの駆動制御方法であって、
    前記ドレイン電極の入力に基づいて、前記基板の電位を複数の電位に切り替え可能なスイッチの状態を選択する選択ステップと、
    前記選択ステップで選択された状態になるように前記スイッチを制御する制御ステップと、
    を備え、
    前記スイッチは、前記基板が前記ソース電極と電気的に接続される第１の状態と、前記基板が前記ドレイン電極と電気的に接続される第２の状態と、前記基板が前記ゲート電極と電気的に接続される第３の状態と、前記基板が電気的にオープンになる第４の状態と、に切り替え可能である、駆動制御方法。
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