半导体装置、驱动控制装置及驱动控制方法与流程

本申请案享有以日本专利申请案2015-180011号(申请日：2015年9月11日)为基础申请案的优先权。本申请案通过参照该基础申请案而包含基础申请案的全部内容。

技术领域

本发明的实施方式涉及一种半导体装置、驱动控制装置及驱动控制方法。

背景技术：

作为半导体装置的一例，周知的是具备氮化物半导体层的场效晶体管。该场效晶体管具备例如衬底、及至少2个氮化物半导体层。这些氮化物半导体层的带隙互不相同。其结果，在这些氮化物半导体层的界面形成有称为二维电子气的电流路径(通道)。

所述场效晶体管存在产生二维电子气的浓度降低而接通电阻增大的现象，即所谓电流崩塌现象的情况。可认为电流崩塌现象与衬底的电位及漏极电压相关。

衬底的电性连接目的地一般是在驱动所述场效晶体管之前设定。因此，在驱动所述场效晶体管时，衬底的电位不管漏极电压如何而始终固定。其结果，针对电流崩塌现象而衬底电位的最佳化并不充分。

技术实现要素：

本发明的实施方式提供能够针对电流崩塌现象而使衬底电位最佳化的半导体装置、驱动控制装置、及驱动控制方法。

实施方式的半导体装置具备场效晶体管、开关、及控制部。场效晶体管具有衬底、设置在衬底之上的氮化物半导体层、设置在氮化物半导体层之上的漏极电极及源极电极、以及隔在漏极电极与源极电极之间的栅极电极。开关能够将衬底的电位切换为多个电位。控制部根据漏极电极的输入而以成为多个电位中的任一电位的方式控制开关。

附图说明

图1是表示第一实施方式的半导体装置的概略性构成的电路图。

图2是表示图1所示的场效晶体管的概略性构造的剖视图。

图3是表示图1所示的控制部中所存储的数据的一例的图。

图4是表示输入电压与接通电阻的增加率的关系的一例的曲线图。

图5是表示第一实施方式的半导体装置的动作顺序的流程图。

图6是表示能够切换衬底的电位的开关的变化例的图。

图7是表示第二实施方式的半导体装置的概略性构成的电路图。

图8是表示第二实施方式的半导体装置的动作顺序的流程图。

具体实施方式

(第一实施方式)

图1是表示第一实施方式的半导体装置的概略性构成的电路图。另外，图1中除记载有本实施方式的半导体装置1以外，还记载有二极管D、线圈L、电容器C、电阻负载R，但这些是将本实施方式的半导体装置1应用在降压转换器时所使用的外部零件。

此外，图1记载的比较器70为用以检测该降压转换器的输出电压是否低于基准电压Vref的外部零件。此处，省略关于这些外部零件的详细说明，以下，对本实施方式的半导体装置1的构成进行说明。

如图1所示般，本实施方式的半导体装置1具备场效晶体管10、开关20、控制部30、PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)部40、及栅极驱动部50。首先，参照图2对场效晶体管10的构造进行说明。

图2表示场效晶体管10的概略性构造的剖视图。如图2所示般，场效晶体管10具有衬底11、第一氮化物半导体层12、第二氮化物半导体层13、漏极电极14、源极电极15、及栅极电极16。

衬底11包含矽板等导电性衬底。在衬底11之上设置有包含第一氮化物半导体层12与第二氮化物半导体层13的多个氮化物半导体层。在衬底11的背面，换言之在衬底11的与设置有第一氮化物半导体层12及第二氮化物半导体层13的面为相反侧的面连接有开关20。

第一氮化物半导体层12包含例如氮化镓(GaN)。在第一氮化物半导体层12之上设置有第二氮化物半导体层13。

第二氮化物半导体层13包含例如带隙较第一氮化物半导体层12大的氮化铝镓(AlGaN)。在第一氮化物半导体层12与第二氮化物半导体层13的界面产生二维电子气。

漏极电极14、源极电极15、及栅极电极16设置在第二氮化物半导体层13之上。在第二氮化物半导体层13之上，栅极电极16隔在漏极电极14与源极电极15之间。

其次，返回至图1对开关20进行说明。开关20能够将衬底11的电位切换为多个电位。在本实施方式中，开关20能够切换为：第一状态，是使衬底11与源极电极15电性连接；第二状态，是使衬底11与漏极电极14电性连接；第三状态，是使衬底11与栅极电极16电性连接；及第四状态，是使衬底11在电性上成为开路。即，在第一状态下，衬底11的电位与源极电极15的电位相同，在第二状态下，衬底11的电位与漏极电极14的电位相同，在第三状态下，衬底11的电位与栅极电极16的电位相同，在第四状态下，衬底11的电位与漂浮电位相同。

另外，在本实施方式中，场效晶体管10为常接通型的场效晶体管，因此在所述第三状态下，衬底11的电位成为负电位。

控制部30与开关20一同构成场效晶体管10的驱动控制装置。控制部30存储将用以设定衬底11的电位的开关20的状态与输入至漏极电极14的输入电压Vin建立关联的数据。

图3是表示控制部30中所存储的数据的一例的图。此外，图4是表示输入电压与接通电阻的增加率的关系的一例的曲线图。

图4中，横轴表示输入至漏极电极16的电压，换言之为漏极-源极间电压，纵轴表示接通电阻(Ron)的增加率。此外，实线A表示将衬底11电性连接在漏极电极14的第二状态下的接通电阻的增加率，虚线B表示将衬底11电性连接在源极电极15的第一状态下的接通电阻的增加率。

根据图4，在输入电压为100V的情况下，第二状态的接通电阻的增加率小于第一状态的接通电阻的增加率。另一方面，在输入电压为150V的情况下，第一接通电阻的增加率小于第二状态的接通电阻的增加率。因此，在输入电压为100V的情况下，较理想的是开关20为将衬底11连接在漏极电极14的状态，在输入电压为150V的情况下，较理想的是开关20为将衬底11连接在源极电极15的状态。

由此，在图3所示的数据100中表示有对应于输入电压的值而最佳的开关20的状态，换言之针对电流崩塌现象而最佳化的衬底11的电位。如此，控制部30从数据100选择对应于输入电压的值而最佳的衬底11的电位。

另外，在图4所示的曲线图中，在横轴为输入至漏极电极14的输入电流的情况，输入电流与接通电阻的关系也和输入电压与接通电阻的关系相同。由此，在数据100中也可与开关20的状态建立关联而表示有输入电流的值。即便在该情况下，控制部30也 可根据输入电流的值而选择最佳的衬底11的电位。

此外，控制部30是也由PWM部40根据预先存储的特定程序而进行控制。此处，再次返回至图1对PWM部40进行说明。PWM部40产生PWM信号并输出至栅极驱动部50。栅极驱动部50根据从PWM部40输入的PWM信号而驱动场效晶体管10的栅极。另外，在本实施方式中，PWM部40与栅极驱动部50设置在半导体装置1的内部，但这些也可设置在半导体装置1的外部。

以下，对本实施方式的半导体装置1的动作进行说明。图5是表示本实施方式的半导体装置1的动作顺序的流程图。此处，对选择衬底11的电位的动作进行说明。

当半导体装置1的漏极电极14的电位从0V上升至输入电压Vin的值时，控制部30从数据100选择与该输入电压Vin的值对应的开关20的状态(步骤S11)。

继而，控制部30以成为在步骤S11所选择的状态的方式控制开关20(步骤S12)。在步骤S12中，例如在开关20包含分别对应于衬底11的4个状态(第一状态～第四状态)而设置的4个晶体管的情况下，控制部30使与所选择的状态对应的晶体管接通，且使其余晶体管断开。

根据以上说明的本实施方式的半导体装置1，控制部30根据数据100而控制能够切换衬底11的电位的开关20。数据100是在每一输入电压表示有用以使衬底11的电位为针对电流崩塌现象而最佳的电位的开关20的状态。藉此，能够根据输入电压而使衬底11的电位最佳化。

另外，通过开关20而能够切换的衬底11的状态并不限定于所述4个状态。图6是表示能够切换衬底11的电位的开关的变化例的图。

图6所示的开关20a不仅能够切换为所述第一状态至第四状态，也能够切换为将衬底11连接在恒定电压源Vdd的第五状态。根据该开关20a，于在衬底11的电位成为与恒定电压源Vdd同电位时存在接通电阻成为最小的输入电压的情况下，通过控制部30控制开关20a而能够针对电流崩塌现象而使衬底11的电位最佳化。

(第二实施方式)

图7是表示第二实施方式的半导体装置的概略性构成的电路图。图7中也记载有包含矽半导体的N型MOS(metal oxide semiconductor，金氧半导体)晶体管Q、线圈L、电容器C、及电阻负载R，但这些为将本实施方式的半导体装置2应用在降压转换器时所使用的外部零件。

此外，与第一实施方式相同，图7中记载的比较器70也为用以检测该降压转换器的输出电压是否低于基准电压Vref的外部零件。此处，省略关于这些外部零件的详细说 明，以下，关于本实施方式的半导体装置2的构成，以与第一实施方式的半导体装置1不同的点为中心进行说明。

如图7所示般，本实施方式的半导体装置2在具备电流感测器60的点与第一实施方式的半导体装置1不同。电流感测器60根据控制部30的控制而测量输入至漏极电极14的输入电流。

以下，对本实施方式的半导体装置2的动作进行说明。图8是表示本实施方式的半导体装置2的动作顺序的流程图。此处，与第一实施方式相同，对选择衬底11的电位的动作进行说明。

当半导体装置1的漏极电极14的电位从0V上升至输入电压Vin的值时，控制部30以将衬底11电性连接在源极电极15的方式控制开关20，其后，电流感测器60测量输入电流(步骤S21)。

继而，控制部30以将衬底11电性连接在漏极电极14的方式控制开关20，其后，电流感测器60测量输入电流(步骤S22)。

然后，控制部30以将衬底11电性连接在栅极电极16的方式控制开关20，其后，电流感测器60测量输入电流(步骤S23)。

继而，控制部30以将衬底11电性连接在栅极电极16的方式控制开关20，其后，电流感测器60测量输入电流(步骤S23)。

其次，控制部30以使衬底11在电性上成为开路的方式控制开关20，其后，电流感测器60测量输入电流(步骤S24)。

在所述步骤S21～S24中，控制部30以源极电极15的电位、漏极电极14的电位、栅极电极16的电位及漂浮电位的顺序设定衬底11的电位，但该顺序并未特别限定，能够适当变更。

此外，在所述的步骤S21～S24中，电流感测器60的测量值存储在控制部30。控制部30选择所存储的测量值中成为最小测量值的开关20的状态(步骤S25)。

在场效晶体管10中显示有如下现象，即在步骤S21～S24的输入电压相同的情况下，输入电流越小则接通电阻越小。即，输入电流最小的开关20的状态对应于针对电流崩塌现象而最佳的衬底11的电位。由此，控制部30以成为在步骤S25所选择的状态的方式控制开关20(步骤S26)。

根据以上说明的本实施方式的半导体装置2，控制部30根据电流感测器60的测量值而控制能够切换衬底11的电位的开关20。电流感测器60针对衬底11所能获得的所有电位而测量输入电流，控制部30选择电流感测器60的测量值中成为最小测量值的开 关20的状态。所选择的状态如所述般对应于针对电流崩塌现象而最佳的衬底11的电位。藉此，能够根据输入电压而使衬底11的电位最佳化。

尤其，在本实施方式中，当将输入电压Vin施加至电场晶体管10的漏极电极16时，每次均针对衬底11所能获得的所有电位而测量输入电流，并根据该测量结果而选择针对电流崩塌现象而最佳的衬底11的电位。因此，例如在输入电压Vin变动的情况下，能够快速地选择最佳的衬底11的电位。

对本发明的若干实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例而提示者，并未意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其他各种形态实施，且可在不脱离发明主旨的范围进行各种省略、替换、变更。这些实施方式或其变形包含在发明的范围及主旨中，并且包含在申请专利范围中所记载的发明及其均等的范围。