本申請(qǐng)案享有以日本專利申請(qǐng)案2015-180011號(hào)(申請(qǐng)日：2015年9月11日)為基礎(chǔ)申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)。本申請(qǐng)案通過參照該基礎(chǔ)申請(qǐng)案而包含基礎(chǔ)申請(qǐng)案的全部?jī)?nèi)容。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種半導(dǎo)體裝置、驅(qū)動(dòng)控制裝置及驅(qū)動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：

作為半導(dǎo)體裝置的一例，周知的是具備氮化物半導(dǎo)體層的場(chǎng)效晶體管。該場(chǎng)效晶體管具備例如襯底、及至少2個(gè)氮化物半導(dǎo)體層。這些氮化物半導(dǎo)體層的帶隙互不相同。其結(jié)果，在這些氮化物半導(dǎo)體層的界面形成有稱為二維電子氣的電流路徑(通道)。

所述場(chǎng)效晶體管存在產(chǎn)生二維電子氣的濃度降低而接通電阻增大的現(xiàn)象，即所謂電流崩塌現(xiàn)象的情況?？烧J(rèn)為電流崩塌現(xiàn)象與襯底的電位及漏極電壓相關(guān)。

襯底的電性連接目的地一般是在驅(qū)動(dòng)所述場(chǎng)效晶體管之前設(shè)定。因此，在驅(qū)動(dòng)所述場(chǎng)效晶體管時(shí)，襯底的電位不管漏極電壓如何而始終固定。其結(jié)果，針對(duì)電流崩塌現(xiàn)象而襯底電位的最佳化并不充分。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施方式提供能夠針對(duì)電流崩塌現(xiàn)象而使襯底電位最佳化的半導(dǎo)體裝置、驅(qū)動(dòng)控制裝置、及驅(qū)動(dòng)控制方法。

實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置具備場(chǎng)效晶體管、開關(guān)、及控制部。場(chǎng)效晶體管具有襯底、設(shè)置在襯底之上的氮化物半導(dǎo)體層、設(shè)置在氮化物半導(dǎo)體層之上的漏極電極及源極電極、以及隔在漏極電極與源極電極之間的柵極電極。開關(guān)能夠?qū)⒁r底的電位切換為多個(gè)電位?？刂撇扛鶕?jù)漏極電極的輸入而以成為多個(gè)電位中的任一電位的方式控制開關(guān)。

附圖說明

圖1是表示第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的概略性構(gòu)成的電路圖。

圖2是表示圖1所示的場(chǎng)效晶體管的概略性構(gòu)造的剖視圖。

圖3是表示圖1所示的控制部中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的一例的圖。

圖4是表示輸入電壓與接通電阻的增加率的關(guān)系的一例的曲線圖。

圖5是表示第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的動(dòng)作順序的流程圖。

圖6是表示能夠切換襯底的電位的開關(guān)的變化例的圖。

圖7是表示第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的概略性構(gòu)成的電路圖。

圖8是表示第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的動(dòng)作順序的流程圖。

具體實(shí)施方式

(第一實(shí)施方式)

圖1是表示第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的概略性構(gòu)成的電路圖。另外，圖1中除記載有本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置1以外，還記載有二極管D、線圈L、電容器C、電阻負(fù)載R，但這些是將本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置1應(yīng)用在降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)所使用的外部零件。

此外，圖1記載的比較器70為用以檢測(cè)該降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是否低于基準(zhǔn)電壓Vref的外部零件。此處，省略關(guān)于這些外部零件的詳細(xì)說明，以下，對(duì)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置1的構(gòu)成進(jìn)行說明。

如圖1所示般，本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置1具備場(chǎng)效晶體管10、開關(guān)20、控制部30、PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制)部40、及柵極驅(qū)動(dòng)部50。首先，參照?qǐng)D2對(duì)場(chǎng)效晶體管10的構(gòu)造進(jìn)行說明。

圖2表示場(chǎng)效晶體管10的概略性構(gòu)造的剖視圖。如圖2所示般，場(chǎng)效晶體管10具有襯底11、第一氮化物半導(dǎo)體層12、第二氮化物半導(dǎo)體層13、漏極電極14、源極電極15、及柵極電極16。

襯底11包含矽板等導(dǎo)電性襯底。在襯底11之上設(shè)置有包含第一氮化物半導(dǎo)體層12與第二氮化物半導(dǎo)體層13的多個(gè)氮化物半導(dǎo)體層。在襯底11的背面，換言之在襯底11的與設(shè)置有第一氮化物半導(dǎo)體層12及第二氮化物半導(dǎo)體層13的面為相反側(cè)的面連接有開關(guān)20。

第一氮化物半導(dǎo)體層12包含例如氮化鎵(GaN)。在第一氮化物半導(dǎo)體層12之上設(shè)置有第二氮化物半導(dǎo)體層13。

第二氮化物半導(dǎo)體層13包含例如帶隙較第一氮化物半導(dǎo)體層12大的氮化鋁鎵(AlGaN)。在第一氮化物半導(dǎo)體層12與第二氮化物半導(dǎo)體層13的界面產(chǎn)生二維電子氣。

漏極電極14、源極電極15、及柵極電極16設(shè)置在第二氮化物半導(dǎo)體層13之上。在第二氮化物半導(dǎo)體層13之上，柵極電極16隔在漏極電極14與源極電極15之間。

其次，返回至圖1對(duì)開關(guān)20進(jìn)行說明。開關(guān)20能夠?qū)⒁r底11的電位切換為多個(gè)電位。在本實(shí)施方式中，開關(guān)20能夠切換為：第一狀態(tài)，是使襯底11與源極電極15電性連接；第二狀態(tài)，是使襯底11與漏極電極14電性連接；第三狀態(tài)，是使襯底11與柵極電極16電性連接；及第四狀態(tài)，是使襯底11在電性上成為開路。即，在第一狀態(tài)下，襯底11的電位與源極電極15的電位相同，在第二狀態(tài)下，襯底11的電位與漏極電極14的電位相同，在第三狀態(tài)下，襯底11的電位與柵極電極16的電位相同，在第四狀態(tài)下，襯底11的電位與漂浮電位相同。

另外，在本實(shí)施方式中，場(chǎng)效晶體管10為常接通型的場(chǎng)效晶體管，因此在所述第三狀態(tài)下，襯底11的電位成為負(fù)電位。

控制部30與開關(guān)20一同構(gòu)成場(chǎng)效晶體管10的驅(qū)動(dòng)控制裝置?？刂撇?0存儲(chǔ)將用以設(shè)定襯底11的電位的開關(guān)20的狀態(tài)與輸入至漏極電極14的輸入電壓Vin建立關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。

圖3是表示控制部30中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的一例的圖。此外，圖4是表示輸入電壓與接通電阻的增加率的關(guān)系的一例的曲線圖。

圖4中，橫軸表示輸入至漏極電極16的電壓，換言之為漏極-源極間電壓，縱軸表示接通電阻(Ron)的增加率。此外，實(shí)線A表示將襯底11電性連接在漏極電極14的第二狀態(tài)下的接通電阻的增加率，虛線B表示將襯底11電性連接在源極電極15的第一狀態(tài)下的接通電阻的增加率。

根據(jù)圖4，在輸入電壓為100V的情況下，第二狀態(tài)的接通電阻的增加率小于第一狀態(tài)的接通電阻的增加率。另一方面，在輸入電壓為150V的情況下，第一接通電阻的增加率小于第二狀態(tài)的接通電阻的增加率。因此，在輸入電壓為100V的情況下，較理想的是開關(guān)20為將襯底11連接在漏極電極14的狀態(tài)，在輸入電壓為150V的情況下，較理想的是開關(guān)20為將襯底11連接在源極電極15的狀態(tài)。

由此，在圖3所示的數(shù)據(jù)100中表示有對(duì)應(yīng)于輸入電壓的值而最佳的開關(guān)20的狀態(tài)，換言之針對(duì)電流崩塌現(xiàn)象而最佳化的襯底11的電位。如此，控制部30從數(shù)據(jù)100選擇對(duì)應(yīng)于輸入電壓的值而最佳的襯底11的電位。

另外，在圖4所示的曲線圖中，在橫軸為輸入至漏極電極14的輸入電流的情況，輸入電流與接通電阻的關(guān)系也和輸入電壓與接通電阻的關(guān)系相同。由此，在數(shù)據(jù)100中也可與開關(guān)20的狀態(tài)建立關(guān)聯(lián)而表示有輸入電流的值。即便在該情況下，控制部30也 可根據(jù)輸入電流的值而選擇最佳的襯底11的電位。

此外，控制部30是也由PWM部40根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)的特定程序而進(jìn)行控制。此處，再次返回至圖1對(duì)PWM部40進(jìn)行說明。PWM部40產(chǎn)生PWM信號(hào)并輸出至柵極驅(qū)動(dòng)部50。柵極驅(qū)動(dòng)部50根據(jù)從PWM部40輸入的PWM信號(hào)而驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效晶體管10的柵極。另外，在本實(shí)施方式中，PWM部40與柵極驅(qū)動(dòng)部50設(shè)置在半導(dǎo)體裝置1的內(nèi)部，但這些也可設(shè)置在半導(dǎo)體裝置1的外部。

以下，對(duì)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置1的動(dòng)作進(jìn)行說明。圖5是表示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置1的動(dòng)作順序的流程圖。此處，對(duì)選擇襯底11的電位的動(dòng)作進(jìn)行說明。

當(dāng)半導(dǎo)體裝置1的漏極電極14的電位從0V上升至輸入電壓Vin的值時(shí)，控制部30從數(shù)據(jù)100選擇與該輸入電壓Vin的值對(duì)應(yīng)的開關(guān)20的狀態(tài)(步驟S11)。

繼而，控制部30以成為在步驟S11所選擇的狀態(tài)的方式控制開關(guān)20(步驟S12)。在步驟S12中，例如在開關(guān)20包含分別對(duì)應(yīng)于襯底11的4個(gè)狀態(tài)(第一狀態(tài)～第四狀態(tài))而設(shè)置的4個(gè)晶體管的情況下，控制部30使與所選擇的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的晶體管接通，且使其余晶體管斷開。

根據(jù)以上說明的本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置1，控制部30根據(jù)數(shù)據(jù)100而控制能夠切換襯底11的電位的開關(guān)20。數(shù)據(jù)100是在每一輸入電壓表示有用以使襯底11的電位為針對(duì)電流崩塌現(xiàn)象而最佳的電位的開關(guān)20的狀態(tài)。藉此，能夠根據(jù)輸入電壓而使襯底11的電位最佳化。

另外，通過開關(guān)20而能夠切換的襯底11的狀態(tài)并不限定于所述4個(gè)狀態(tài)。圖6是表示能夠切換襯底11的電位的開關(guān)的變化例的圖。

圖6所示的開關(guān)20a不僅能夠切換為所述第一狀態(tài)至第四狀態(tài)，也能夠切換為將襯底11連接在恒定電壓源Vdd的第五狀態(tài)。根據(jù)該開關(guān)20a，于在襯底11的電位成為與恒定電壓源Vdd同電位時(shí)存在接通電阻成為最小的輸入電壓的情況下，通過控制部30控制開關(guān)20a而能夠針對(duì)電流崩塌現(xiàn)象而使襯底11的電位最佳化。

(第二實(shí)施方式)

圖7是表示第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的概略性構(gòu)成的電路圖。圖7中也記載有包含矽半導(dǎo)體的N型MOS(metal oxide semiconductor，金氧半導(dǎo)體)晶體管Q、線圈L、電容器C、及電阻負(fù)載R，但這些為將本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置2應(yīng)用在降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)所使用的外部零件。

此外，與第一實(shí)施方式相同，圖7中記載的比較器70也為用以檢測(cè)該降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是否低于基準(zhǔn)電壓Vref的外部零件。此處，省略關(guān)于這些外部零件的詳細(xì)說 明，以下，關(guān)于本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置2的構(gòu)成，以與第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置1不同的點(diǎn)為中心進(jìn)行說明。

如圖7所示般，本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置2在具備電流感測(cè)器60的點(diǎn)與第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置1不同。電流感測(cè)器60根據(jù)控制部30的控制而測(cè)量輸入至漏極電極14的輸入電流。

以下，對(duì)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置2的動(dòng)作進(jìn)行說明。圖8是表示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置2的動(dòng)作順序的流程圖。此處，與第一實(shí)施方式相同，對(duì)選擇襯底11的電位的動(dòng)作進(jìn)行說明。

當(dāng)半導(dǎo)體裝置1的漏極電極14的電位從0V上升至輸入電壓Vin的值時(shí)，控制部30以將襯底11電性連接在源極電極15的方式控制開關(guān)20，其后，電流感測(cè)器60測(cè)量輸入電流(步驟S21)。

繼而，控制部30以將襯底11電性連接在漏極電極14的方式控制開關(guān)20，其后，電流感測(cè)器60測(cè)量輸入電流(步驟S22)。

然后，控制部30以將襯底11電性連接在柵極電極16的方式控制開關(guān)20，其后，電流感測(cè)器60測(cè)量輸入電流(步驟S23)。

繼而，控制部30以將襯底11電性連接在柵極電極16的方式控制開關(guān)20，其后，電流感測(cè)器60測(cè)量輸入電流(步驟S23)。

其次，控制部30以使襯底11在電性上成為開路的方式控制開關(guān)20，其后，電流感測(cè)器60測(cè)量輸入電流(步驟S24)。

在所述步驟S21～S24中，控制部30以源極電極15的電位、漏極電極14的電位、柵極電極16的電位及漂浮電位的順序設(shè)定襯底11的電位，但該順序并未特別限定，能夠適當(dāng)變更。

此外，在所述的步驟S21～S24中，電流感測(cè)器60的測(cè)量值存儲(chǔ)在控制部30?？刂撇?0選擇所存儲(chǔ)的測(cè)量值中成為最小測(cè)量值的開關(guān)20的狀態(tài)(步驟S25)。

在場(chǎng)效晶體管10中顯示有如下現(xiàn)象，即在步驟S21～S24的輸入電壓相同的情況下，輸入電流越小則接通電阻越小。即，輸入電流最小的開關(guān)20的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于針對(duì)電流崩塌現(xiàn)象而最佳的襯底11的電位。由此，控制部30以成為在步驟S25所選擇的狀態(tài)的方式控制開關(guān)20(步驟S26)。

根據(jù)以上說明的本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置2，控制部30根據(jù)電流感測(cè)器60的測(cè)量值而控制能夠切換襯底11的電位的開關(guān)20。電流感測(cè)器60針對(duì)襯底11所能獲得的所有電位而測(cè)量輸入電流，控制部30選擇電流感測(cè)器60的測(cè)量值中成為最小測(cè)量值的開 關(guān)20的狀態(tài)。所選擇的狀態(tài)如所述般對(duì)應(yīng)于針對(duì)電流崩塌現(xiàn)象而最佳的襯底11的電位。藉此，能夠根據(jù)輸入電壓而使襯底11的電位最佳化。

尤其，在本實(shí)施方式中，當(dāng)將輸入電壓Vin施加至電場(chǎng)晶體管10的漏極電極16時(shí)，每次均針對(duì)襯底11所能獲得的所有電位而測(cè)量輸入電流，并根據(jù)該測(cè)量結(jié)果而選擇針對(duì)電流崩塌現(xiàn)象而最佳的襯底11的電位。因此，例如在輸入電壓Vin變動(dòng)的情況下，能夠快速地選擇最佳的襯底11的電位。

對(duì)本發(fā)明的若干實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但這些實(shí)施方式是作為例而提示者，并未意圖限定發(fā)明的范圍。這些新穎的實(shí)施方式能夠以其他各種形態(tài)實(shí)施，且可在不脫離發(fā)明主旨的范圍進(jìn)行各種省略、替換、變更。這些實(shí)施方式或其變形包含在發(fā)明的范圍及主旨中，并且包含在申請(qǐng)專利范圍中所記載的發(fā)明及其均等的范圍。