半导体装置的制造方法
【专利说明】半导体装置
[0001]本公开基于2012年8月30日提出的日本专利申请2012 — 190065号及2012年11月27日提出的日本专利申请2012 — 258499号主张优先权，这里引用其记载内容。
技术领域
[0002]本公开涉及提高了过电压耐量的半导体装置。
【背景技术】
[0003]不仅是线圈等电感元件，即使是电阻负载，因配线电感等的存在而具有感应性的情况也较多。在晶体管对这样的具有感应性的负载进行驱动的情况下，在关断(turn off)时产生逆电动势。在负载驱动电路、开关电源电路、倒相器(inverter)电路等中，为了防止逆电动势的发生，与晶体管或负载并联地设有续流用的二极管。但是，即使是该情况也发生伴随着开关的浪涌电压，所以需要保护晶体管不受浪涌电压影响的手段。
[0004]在专利文献I中，公开了一种在MOSFET的栅极漏极间连接齐纳二极管群、如果在漏极上被施加浪涌电压则齐纳二极管群击穿的保护电路。为了抑制因击穿带来的栅极电压的上升，在MOSFET的栅极源极间也连接着齐纳二极管群。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开2000 - 77537号公报
[0008]如果如上述的保护电路那样在栅极漏极间及栅极源极间连接齐纳二极管，则栅极被附加寄生电容而开关速度下降。具有AlGaN/GaN结的半导体器件(以下称作GaN — HEMT)与以往的Si器件相比导通电阻显著降低，电流切断特性良好，所以被期待作为下一代功率器件应用于上述各种电路。
[0009]但是，直流传递电导gm高的GaN — HEMT由于器件自身具有的栅电容较小(例如以往元件的1/4左右)，所以与以往的半导体元件相比更容易受到寄生电容的影响。GaN —HEMT由于栅极阈值低(例如2V左右)、栅极耐压也低(例如5V左右)，所以也难以采取提高栅极电压来改善开关速度那样的手段。
[0010]此外，以往的Si器件、例如MOS晶体管由于具有雪崩耐量，所以即使在漏极源极间施加超过耐压的电压，在达到某个一定的能量之前也不会发生故障。相对于此，GaN - HEMT由于没有雪崩耐量，所以即使超过耐压很小也不行。
【发明内容】
[0011]本公开是鉴于上述情况而做出的，其目的是提供一种能够将栅极的寄生电容抑制得较低而在保持着高速开关性能的状态下提高对于浪涌电压的耐量的半导体装置。
[0012]用于解决课题的手段
[0013]有关本公开的第I技术方案的半导体装置，具备对于根据在栅极端子与第I端子之间施加的栅极电压使第2端子与第I端子之间的导通状态变化的开关元件附加了电压检测电路、开关电路及控制电路的结构。这里，第I端子相当于源极或发射极，第2端子相当于漏极或集电极，开关元件是GaN - HEMT, MOSFET, IGBT等。
[0014]电压检测电路输出与施加在开关元件的第2端子与第I端子之间的电压对应的检测电压。开关电路串联设置于与开关元件的栅极端子相连的栅极驱动线，根据控制信号切换为高阻抗状态或低阻抗状态。当检测电压成为阈值电压以下，则控制电路输出将开关电路切换为低阻抗状态的控制信号。由此，驱动信号经由开关电路被提供给栅极端子，开关元件按照驱动信号进行0N/0FF动作。
[0015]另一方面，当通过浪涌电压的发生等而检测电压超过阈值电压，则控制电路输出将开关电路切换为高阻抗状态的控制信号。由此，开关元件的栅极端子被切断而成为高阻抗状态，这以后的栅极电压基于施加在第2端子与第I端子之间的电压和栅电容(例如栅极漏极间电容和栅极源极间电容)决定。当通过关断等而第2端子与第I端子之间的电压急剧上升，则栅极电压也上升，开关元件自接通。浪涌电压的能量通过自接通的开关元件排散，开关元件的第2端子与第I端子之间的电压被限制为元件耐压以下。
[0016]阈值电压被设定为，比当在开关元件的第2端子与第I端子之间施加了应进行开关元件的电压保护动作的范围的电压时电压检测电路输出的检测电压低。应进行电压保护动作的范围的电压包括至少超过开关元件的耐压的电压。进而，阈值电压被设定为，比当在开关元件的第2端子与第I端子之间施加了应不需要开关元件的电压保护动作的范围的电压时电压检测电路输出的检测电压高。应不需要电压保护动作的范围的电压是比开关元件的耐压低的电压，并且是完全不需要将开关元件保护的电压。
[0017]根据第I技术方案，由于没有向开关元件的栅极的寄生电容的追加(或较小)，所以能够以保持高速开关性能的状态提高对于加在第2端子与第I端子之间的浪涌电压的耐量。
[0018]有关本公开的第2技术方案的半导体装置，具备对根据在栅极端子与第I端子之间施加的栅极电压而使第2端子与第I端子之间的导通状态变化的开关元件附加了第I电压检测电路、第2电压检测电路、开关电路、单向性元件及控制电路的结构。这里，第I端子相当于源极或发射极，第2端子相当于漏极或集电极，开关元件是GaN - HEMT、MOSFET、IGBT等。
[0019]第1、第2电压检测电路分别输出与施加在开关元件的第2端子与第I端子之间的电压对应的检测电压。开关电路串联地设于与开关元件的栅极端子相连的栅极驱动线，根据控制信号切换为高阻抗状态或低阻抗状态。单向性元件连接在第2电压检测电路的输出端子与开关元件的栅极端子之间，从该输出端子朝向栅极端子流过电流。
[0020]控制电路具有阈值电压。阈值电压被设定为比在开关元件的第2端子与第I端子之间施加了应进行开关元件的电压保护动作的范围的电压时第I电压检测电路输出的第I检测电压低。应进行电压保护动作的范围的电压包括至少超过开关元件的耐压的电压。进而，阈值电压被设定为比当在开关元件的第2端子与第I端子之间施加了应不需要开关元件的电压保护动作的范围的电压时第I电压检测电路输出的第I检测电压高。应不需要电压保护动作的范围的电压是比开关元件的耐压低的电压，并且是完全不需要将开关元件保护的电压。
[0021]当第I检测电压成为阈值电压以下，则控制电路输出将开关电路切换为低阻抗状态的控制信号。由此，驱动信号经过开关电路被提供给栅极端子，开关元件按照驱动信号进行ON/OFF动作。另一方面，当通过浪涌电压的发生等而第I检测电压超过阈值电压，则控制电路输出将开关电路切换为高阻抗状态的控制信号。由此，开关元件的栅极端子被切断而成为高阻抗状态。
[0022]被切断后的栅极电压朝向由施加在第2端子与第I端子之间的电压和栅电容(例如栅极漏极间电容和栅极源极间电容)决定的电位开始上升。与此并行，第2电压检测电路输出的第2检测电压将开关元件可靠地导向自接通。
[0023]第2电压检测电路的分压比设定为，使得当在开关元件的第2端子与第I端子之间施加了应进行电压保护动作的范围的电压时，第2检测电压变得比将开关元件的栅极阈值电压与单向性元件的通电电压相加得到的电压高。进而，第2电压检测电路的分压比设定为，使得当第I检测电压为控制电路的阈值电压以下时，第2检测电压变得比将开关元件的栅极阈值电压与单向性元件的通电电压相加得到的电压低。
[0024]根据该设定，当开关元件的第2端子与第I端子之间的电压急剧上升时，最初第I检测电压超过阈值电压而开关电路成为高阻抗状态。然后，通过第2检测电压，经由单向性元件将栅极电压抬起到栅极阈值电压以上，开关元件自接通。根据该顺序，当开关电路为低阻抗状态时，第2检测电压不会使开关元件导通。
[0025]当开关元件自接通，则浪涌电压的能量经开关元件排散，开关元件的第2端子与第I端子之间的电压被限制为元件耐压以下且与第2检测电压对应的电压。在浪涌电压的能量被释放的期间中，第2端子和第I端子之间的电压在不上升的状态下平衡。
[0026]当能量的释放结束，则第2端子与第I端子之间的电压开始下降，第I检测电压和第2检测电压也开始下降。此时，最初第2检测电压变得比将开关元件的栅极阈值电压与单向性元件的通电电压相加得到的电压低，第2检测电压变得无法将栅极接通驱动。但是，只要开关电路保持高阻抗状态，开关元件就持续导通。然后，当第I检测电压下降为控制电路的阈值电压以下，则开关电路成为低阻抗状态，恢复为遵循驱动信号的开关动作。
[0027]根据第2技术方案，由于没有向开关元件的栅极的寄生电容的追加(或较小)，所以能够以保持高速开关性能的状态提高对于加在第2端子与第I端子之间的浪涌电压的耐量。此外，当对开关元件施加了应进行电压保护动作的范围的电压时，能够使开关元件可靠地自接通。
[0028]有关本公开的第3技术方案的半导体装置，具备与有关第2技术方案的半导体装置类似的结构，但不同点在于:仅具备I个电压检测电路，其输出电压对开关电路的阻抗状态的切换和开关元件的自接通这两者起作用。在输出第I检测电压的电压检测电路的输出端子与开关元件的栅极端子之间，连接着从该输出端子朝向栅极端子流过电流的单向性元件。控制电路具有的阈值电压除了第2技术方案的半导体装置具有的条件以外，还设定为比将开关元件的栅极阈值电压与单向性元件的通电电压相加得到的电压低。
[0029]根据该结构，当通过浪涌电压的发生等而第I检测电压超过阈值电压，则控制电路将开关电路切换为高阻抗状态。由此，开关元件的栅极端子被切断而成为高阻抗状态。被切断后的栅极电压朝向由施加在第2端子与第I端子之间的电压和栅电容(例如栅极漏极间电容和栅极源极间电容)决定的电位开始上升。与此并行，电压检测电路输出的第I检测电压将开关元件可靠地导向自接通。
[0030]当开关元件的第2端子与第I端子之间的电压急剧上升时，最初开关电路成为高阻抗状态。然后，通过第I检测电压而单向性元件通电，栅极电压被抬起为栅极阈值电压以上，开关元件可靠地自接通。根据该顺序，当开关电路为低阻抗状态时，第I检测电压不会使开关元件导通。自接通后的作用与第2技术方案所记载的半导体装置是同样的。根据第3技术方案，能够得到与第2技术方案同样的效果。此外，由于只要具备I个电压检测电路就可以，所以能够使结构更简单化。
【附图说明】
[0031]关于本公开的上述目的及其他目的、特征及优点，参照附图并通过下述详细的记述会变得更明确。
[0032]图1是第I实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0033]图2是第I实施方式的波形图。
[0034]图3是第2实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0035]图4是第3实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0036]图5是第4实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0037]图6是第5实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0038]图7是第6实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0039]图8是第7实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0040]图9是第8实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0041]图10是第9实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0042]图11是第10实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0043]图12是第10实施方式的实测的波形图。
[0044]图13是第11实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0045]图14是第12实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0046]图15是第13实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0047]图16是第14实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0048]图17是第15实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0049]图18是第16实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0050]图19是第16实施方式的波形图。
[0051]图20是对第16实施方式的开关元件的栅极附加的输入电容的等价电路。
[0052]图21是第17实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0053]图22是第18实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0054]图23是第19实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0055]图24是第20实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0056]图25是第21实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0057]图26是第22实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0058]图27是第23实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0059]图28是第24实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0060]图29是第25实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0061]图30是第26实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0062]图31是第27实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0063]图32是第28实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0064]图33是第29实施方式的负载驱动装置的结构图。
[0065]图34是对第29实施方式的开关元件的栅极附加的输入电容的等价电路。
[0066]图35是第30实施方式的负载驱动装置的结构图。
【具体实施方式】
[0067]在各实施方式中对于与前面记载的实施方式的结构实质上相同的部分赋予相同的标号而省略说明。此外，第2以后的各实施方式除了基于该各实施方式所特有的结构的作用、效果以外，基本上起到与第I实施方式同样的作用、效果。
[0068](第I实施方式)
[0069]以下，参照图1及图2对第I实施方式进行说明。负载驱动装置I (相当于半导体装置)例如被用在搭载于车辆的电子控制装置中，通过按照从外部电路(未图示)输入的驱动信号进行ON/OFF动作，在接受电池电压VB的供给的作为感应性负载的线圈2中流过电流。负载驱动装置I由元件模块3和驱动IC4构成。
[0070]元件模块3将N沟道型的FET 5和电压检测电路6模块化到I个封装中而构成。FET 5是根据施加在栅极端子G与源极端子S (相当于第I端子)之间的栅极电压VGS而使漏极端子D (相当于第2端子)与源极端子S之间的导通状态变化的MOSFET、GaN 一 HEMT等开关元件。也可以代替FET而是IGBT。在FET 5上，寄生或并联地形成有二极管5a。
[0071]电压检测电路6由夹着输出端子nl串联连接在FET 5的漏极与源极之间的电容器C1、C2(相当于第I电路、第2电路)构成。这些电容器C1、C2输出将施加在FET 5的漏极源极间的电压分压的检测电压并作为C缓冲器(snubber)发挥作用。电容器Cl的电容值比电容器C2的电容值小，例如设定为Cl:C2 = 1:(5?500)左右的比。
[0072]驱动IC4具备驱动电路7、开关电路8及控制电路9。驱动电路7按照从微型计算机等外部电路输入的驱动信号，输出针对FET 5的栅极驱动信号(以下简称作驱动信号)。开关电路8由在与FET 5的栅极相连的栅极驱动线10上串联设置的N沟道型的MOSFET 11构成。在MOSFET 11，形成有在经栅极驱动线10达到FET 5的栅极的朝向上成为正向的寄生的二极管11a。
[0073]控制电路9由夹着输出端子n2倒相连接在电源12的端子间的P沟道型的MOSFET13和N沟道型的MOSFET 14构成。在MOSFET 13、14，分别形成有寄生的二极管13a、14a。MOSFET 13、14的元件尺寸只要是足以驱动MOSFET 11的元件尺寸就可以，较小的元件尺寸就足够。
[0074]MOSFET 13、14的栅极连接在电压检测电路6的输出端子nl。输出端子n2连接在MOSFET 11的栅极而提供控制信号。电源12供给的直流电压Vc只要是对于输出使MOSFET11导通(on)/截止(off)的控制信号而言所需要的电压