半導体装置及びこれを用いた電気回路、電気回路の制御方法
【課題】消費電力を増大させずにオンチップでＨＥＭＴの動作状況をモニターする。
【解決手段】
この半導体装置１０においては、第１の半導体層である電子走行層１１上に、第２の半導体層である電子供給層１２が形成されている。これらの界面（ヘテロ接合界面）における電子走行層側に、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層１３が形成される。この半導体装置１０において、電子は、電子供給層１２の表面に形成された第１の主電極であるソース電極１４と、同様にこの表面に形成された第２の主電極であるドレイン電極１５との間を、この２ＤＥＧ層１３を通って流れる。ゲート電極１６とソース電極１４との間の電子供給層１２上に電位検出電極１７が設置される。この電位検出電極１７には、動作時にこの電位検出電極１７に流れる電流がドレイン電流と比べて無視できる程度となるような、充分に高い抵抗値をもつ抵抗１８が接続される。
【解決手段】
この半導体装置１０においては、第１の半導体層である電子走行層１１上に、第２の半導体層である電子供給層１２が形成されている。これらの界面（ヘテロ接合界面）における電子走行層側に、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層１３が形成される。この半導体装置１０において、電子は、電子供給層１２の表面に形成された第１の主電極であるソース電極１４と、同様にこの表面に形成された第２の主電極であるドレイン電極１５との間を、この２ＤＥＧ層１３を通って流れる。ゲート電極１６とソース電極１４との間の電子供給層１２上に電位検出電極１７が設置される。この電位検出電極１７には、動作時にこの電位検出電極１７に流れる電流がドレイン電流と比べて無視できる程度となるような、充分に高い抵抗値をもつ抵抗１８が接続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元電子ガスをチャンネルとして動作する半導体装置、及びこの半導体装置が用いられた電気回路、電気回路の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元電子ガス（２ＤＥＧ）をチャンネルとして動作する半導体装置として、例えばＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が知られている。ＨＥＭＴにおいては、電子走行層（例えばノンドープＧａＮ）と電子供給層（例えばＡｌＧａＮ）の界面における電子走行層側に２ＤＥＧが形成される。ソースとドレイン間における２ＤＥＧ中にチャンネルが形成され、このチャンネルがゲートによってオンオフされ、スイッチング動作する。
【０００３】
特に窒化物半導体であるＧａＮ系のＨＥＭＴは、ＧａＮの禁制帯幅が広く、かつ電子の飽和速度が高いために、大電力でのスイッチング動作に適している。従って、これを用いて大電力で動作するスイッチング回路等を構成することができる。例えば、４個のＨＥＭＴをスイッチング素子として用いてモーター駆動用のフルブリッジ回路（電気回路）を構成した例が図６である。この構成においては、ハイサイド側端子とローサイド側端子との間に、２つのスイッチング素子が直列に接続された構成をもつアームが左右に２組形成されている。各アームにおける２つのスイッチング素子の接続点がＡ、Ｂであり、Ａ、Ｂにモーターを駆動するコイルＬの両端子がそれぞれ接続される。このコイルＬに流れる電流の方向は、ハイサイド側のトランジスタ（Ｔｒ１、Ｔｒ２）とローサイド側のトランジスタ（Ｔｒ３、Ｔｒ４）のスイッチングによって制御される。例えば、Ｔｒ１、Ｔｒ４をオン、Ｔｒ２、Ｔｒ３をオフとした際には図中の破線で示された経路でコイルＬに電流が流れ、Ｔｒ１、Ｔｒ４をオフ、Ｔｒ２、Ｔｒ３をオンとした際には、これと逆方向に電流が流れる。このように、Ｔｒ１〜Ｔｒ４の各々においてオンオフを制御することにより、モーターの回転方向の制御、停止等の動作が行われる。Ｔｒ１〜Ｔｒ４として上記のＨＥＭＴを用いた場合には、特に高速で大電力の制御を行うことができる。
【０００４】
特に大電力でトランジスタが用いられる場合には、トランジスタの動作状況をモニターすることが安全上有効である。例えば、図６の回路においては、Ｔｒ１に流れる電流をモニターし、Ｔｒ４をオンする前に、この電流値によってこの動作を行うか否かの判定をすることが可能である。これにより、モーターの動作を安全に行うことができる。こうした電流検出型のＨＥＭＴについては、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の技術においては、ＨＥＭＴにおける複数組のソース電極、ゲート電極、ドレイン電極が配列して形成され、更にその外側に電流検出用の電極領域が形成されている。この電極領域は、擬似的なソース電極として機能し、ここに流れる電流によって、このＨＥＭＴにおけるドレイン電流をモニターすることができる。
【０００５】
こうした技術を用いて過電流を検出できるＨＥＭＴが得られ、これを用いて安全に動作する大電力のスイッチング回路を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１０８６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、電流検出用の素子を用いて電流を検出する場合、本来の動作電流に伴う消費電力以外に、この電流検出用の素子における消費電力が発生する。すなわち、消費電力を増大させずにオンチップでＨＥＭＴの動作状況をモニターすることは困難であった。
【０００８】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、第１の半導体層と、当該第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、当該第２の半導体層上に形成されたソース電極、ドレイン電極、ゲート電極とを具備し、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層のヘテロ接合界面の２次元電子ガス層を通って前記ソース電極と前記ドレイン電極の間で電子が流れ、当該電子が流れるチャンネルのオンオフが前記ゲート電極に印加された電圧で制御される半導体装置であって、前記ソース電極と前記ゲート電極との間のチャンネル上の前記第２の半導体層上に、電位検出電極が形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記電位検出電極には、１ＭΩ以上の抵抗値をもつ抵抗が接続されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記電位検出電極は、前記第２の半導体層とオーミック接触する材料で形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記電位検出電極は、前記第２の半導体層とショットキー接触する材料で形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層は窒化物半導体で構成されたことを特徴とする。
本発明の電気回路は、ハイサイド側端子とローサイド側端子の間に２つのスイッチング素子が直列接続されたアームを１組以上具備し、前記アームにおける２つのスイッチング素子の接続点に、コイルの両端子がそれぞれ接続された構成を具備する電気回路であって、前記アームにおいて、少なくともローサイド側に設置された前記スイッチング素子として、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置が用いられたことを特徴とする。
本発明の電気回路は、ハイサイド側端子とローサイド側端子の間に２つのスイッチング素子が直列接続されたアームを１組以上具備し、前記アームにおける２つのスイッチング素子の接続点に、コイルの両端子がそれぞれ接続された構成を具備する電気回路であって、前記アームに、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置が、当該半導体装置のドレイン電極が前記接続点と接続されるように設置されたことを特徴とする。
本発明の電気回路の制御方法は、前記半導体装置が用いられた電気回路の制御方法であって、前記半導体装置がオフ状態の際に、前記電位検出電極によって検出された電位が負であった場合に、前記ゲート電極に印加する電圧を制御し、前記半導体装置をオン状態とする第１のステップを具備することを特徴とする。
本発明の電気回路の制御方法は、前記第１のステップの後で、前記電位検出電極によって検出された電位の絶対値が予め設定された値よりも小さくなった場合に、前記半導体装置をオフ状態とする第２のステップを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は以上のように構成されているので、消費電力を増大させずにオンチップでＨＥＭＴの動作状況をモニターすることができる。これを用いて電気回路の最適な動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面図（ａ）及びその等価回路図（ｂ）である。
【図２】フルブリッジ型のモーター駆動用回路においてＡ点が負電位となった場合のＴｒ３の特性を示す図である。
【図３】通常のＭＯＳＦＥＴが用いられたモーター駆動用回路の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る半導体装置が用いられたモーター駆動用回路の構成（一部）を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る半導体装置が用いられたモーター駆動用回路の他の一例の構成（一部）を示す図である。
【図６】フルブリッジ型のモーター駆動用回路の一例の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の半導体装置は、特に大電力でのスイッチング素子として好ましく用いることができる。この半導体装置は、第１の半導体層上に第２の半導体層が形成され、これらのヘテロ接合界面に形成された２次元電子ガス（２ＤＥＧ）からなるチャンネルがゲート電極に印加された電圧によってオンオフ制御される、いわゆるＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。この際、その動作状況、すなわち主電極の電位等をモニターすることができる。
【００１３】
図１（ａ）は、この半導体装置の構造を示す断面図であり、図１（ｂ）は、この構造を示す等価回路図である。
【００１４】
図１（ａ）に示されるように、この半導体装置１０においては、第１の半導体層である電子走行層１１上に、第２の半導体層である電子供給層１２が形成されている。これらの界面（ヘテロ接合界面）における電子走行層側に、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層１３が形成される。この２ＤＥＧは、ヘテロ接合界面のバンド構造の不連続性や、特に電子走行層１１がＧａＮである場合にはピエゾ分極によって形成される。この半導体装置１０において、電子は、電子供給層１２の表面に形成された第１の主電極であるソース電極１４と、同様にこの表面に形成された第２の主電極であるドレイン電極１５との間を、この２ＤＥＧ層１３を通って流れる。ソース電極１４とドレイン電極１５の間の電子供給層１２表面には、ゲート電極１６が形成されている。ソース電極１４からドレイン電極１５の間の２ＤＥＧ層１３中に電子が流れるチャンネルが形成される。このチャンネルのオンオフが、ゲート電極１４によって制御されることによって、スイッチング動作が行われる。なお、図１では省略されているが、電子走行層１１は、基板上に形成されている。以上の構成は、従来より知られるＨＥＭＴと同様である。この半導体装置１０が使用される際には、ソース電極１４が接地側、ドレイン電極１５が正の高圧側とされ、ゲート電極１６に印加された電圧によってソース電極１４とドレイン電極１５の間のチャンネルの導通がオンオフされる。
【００１５】
この半導体装置１０においては、ゲート電極１６とソース電極１４との間の電子供給層１２上に電位検出電極１７が設置される。この電位検出電極１７には、動作時にこの電位検出電極１７に流れる電流がドレイン電流と比べて無視できる程度となるような、充分に高い抵抗値（例えば１ＭΩ以上）をもつ抵抗１８が接続される。
【００１６】
図１（ｂ）に示されるように、上記の構成においては、電位検出電極１７によって検出される電位は、ゲート電極１６直下からソース電極１４までの間のチャンネル電位が抵抗分割された電位に対応する。すなわち、この部分のチャンネル電位を、電位検出電極１７によって検出することができる。
【００１７】
電子走行層（第１の半導体層）１１は、ノンドープの単結晶ＧａＮ層であり、例えばシリコン基板上にエピタキシャル成長によって形成される。その厚さは例えば０．５〜１０μｍ程度である。基板上に直接成長させるのではなく、緩衝層を挟んで成長させてもよい。電子走行層１１は、例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって基板上に形成することができる。
【００１８】
電子供給層（第２の半導体層）１２は、例えば混晶ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１〜０．４）であり、その厚さは５〜５０ｎｍ程度である。ＡｌＧａＮの格子定数はＧａＮよりも小さく、電子濃度が高い。周知のように、この構造においては、ピエゾ分極と自発分極との相乗効果によって、電子走行層１１と電子供給層１２の界面における電子走行層１１側に電子が蓄積され、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層１３が形成される。この電子に対する散乱源となる不純物は電子走行層１１側にはないため、この電子の移動度を極めて高くすることができる。電子供給層１２も、例えばＭＯＣＶＤ法によって電子走行層１１上に形成することができる。このように、電子走行層１１、電子供給層１２が共に禁制帯幅の広い窒化物半導体で構成されることにより、この半導体装置１０は、大電力動作、すなわち、主電極となるソース電極１４とドレイン電極１５間に大電流を流す動作が可能となる。
【００１９】
ソース電極１４とドレイン電極１５は、電子供給層１２とオーミック接触する金属として、例えばＴｉ／Ａｌ等で構成される。これにより、電子は２ＤＥＧ層１３を介してソース電極１４とドレイン電極１５間を流れる。ゲート電極１６は、電子供給層１２とショットキー接触をし、電子供給層１２中に空乏層を形成する材料で構成される。特にこの半導体装置１０（ＨＥＭＴ）のゲート閾値を正の電圧としてノーマリーオフ動作させるためには、電子供給層１２とショットキー接触するｐ型金属酸化物半導体（例えばＮｉＯｘ）等を用いることが好ましい。この場合、ｐ型金属酸化物半導体と金属との積層構造を用いることもできる。なお、一般にショットキー接触とは、金属と半導体との接触形態の一種であり、電流が流れる際に整流特性をもたないオーミック接触と対照的な接触形態である。ここでは、ゲート電極１６（例えばｐ型金属酸化物半導体）と半導体（電子供給層１２）との接触、すなわち、半導体同士の接触においても、金属と半導体のショットキー接触と同様の効果を奏する場合には、広義にショットキー接触と呼称する。ここにいう同様の効果とは、ゲート電極１６にバイアスを印加しない場合において、電子供給層１２との界面に空乏層が形成されるという効果である。これにより、この半導体装置１０（ＨＥＭＴ）をノーマリーオフ型とすることができる。
【００２０】
電位検出電極１７としては、ソース電極１４，ドレイン電極１５と同様に、電子供給層１２とオーミック接触する金属等を用いて構成することができる。あるいは、ゲート電極１６と同様に、電子供給層１２とショットキー接触する材料を用いても構成できる。抵抗１８は、半導体層（電子走行層１１、電子供給層１２等）と別体で接続することができるが、半導体層上に絶縁層を介して抵抗１８を形成し、配線を介して接続した構成とすることもできる。
【００２１】
この半導体装置１０を動作させる際には、ソース電極１４が接地され、ドレイン電極１５に正の高電圧（例えば５００Ｖ）が印加される。こうした場合に、例えばこの半導体装置１０がノーマリーオフ型である場合には、ゲート電極１６に正の閾値以上の電圧を印加した場合に、ソース電極１４とドレイン電極１５間に動作電流（ドレイン電流）が流れる。すなわち、ゲート電圧を制御することによってドレイン電流のオンオフを制御することができる。この動作は従来より知られるＨＥＭＴと同様である。
【００２２】
この際、電位検出電極１７の電位は、この動作時における電位検出電極１７直下のチャンネル電位を反映する。このため、この半導体装置１０がオフ時に高電位、オン時には低電位となる。あるいは、仮にドレイン電極１５側が負電位となった場合には、ここで検出されるチャンネル電位も負になり、その極性を検知することもできる。すなわち、この電位やその極性を測定することによって、この半導体装置１０の動作状況をモニターすることができる。この電位は通常は入力インピーダンスが高い電圧計で計測されるため、これによって余分な電流が流れる影響は小さい。このため、本来のスイッチング動作以外に消費される電力は小さくなる。あるいは、チャンネル抵抗よりも充分に高い抵抗値（例えば１ＭΩ以上）をもつ抵抗１８が接続されれば、この部分に流れる電流は無視できる程度となる。
【００２３】
電位検出電極１７の電位の絶対値ではなく、その極性（正負）のみを判定する構成としてもよい。後述するように、この場合においても、この半導体装置１０を用いた回路の動作においては、この極性の情報を用いた制御は極めて有効である。このように、電位検出電極１７の電位は必ずしも正確にチャンネル電位と等しい必要はない。この半導体装置１０がオンとされているか、オフとされているか、あるいは、ドレイン電極１５が負電位であるか否かの判定ができれば充分である。このため、電位検出電極１７を構成する材料と電子供給層１２とがオーミック接触する必要はなく、電位検出電極１７と電子供給層１２とがショットキー接触する構成としてもよい。電位検出電極１７と電子供給層１２とがオーミック接触する場合には、直下のチャンネル電位をより正確に測定することができる。これらがショットキー接触する場合には、電位検出電極１７に流れる電流をより小さくすることができる。前者の場合には電位検出電極１７を構成する材料をソース電極１４、ドレイン電極１５と同様にし、後者の場合には、この材料をゲート電極１６と同様にすればよい。
【００２４】
この際、電位検出電極１７にオン時のチャンネル抵抗よりも充分に高い抵抗値、例えば１ＭΩをもつ抵抗１８を接続することにより、電位検出電極１７を流れる電流を更に低減することができる。また、チャンネルに対するこの電位測定の影響も更に低減することができる。
【００２５】
また、特許文献１に記載の技術においては、通常の構成で形成されたＨＥＭＴの横に別途電流検出用の素子が形成された。これに対して、この半導体装置１０においては、電位検出電極１７がソース電極１４とゲート電極１６の間に挿入される。この際、電流を検出しないため、電位検出電極１７の大きさも例えばソース電極１４やドレイン電極１５等と比べて充分小さくすることができる。このため、特許文献１に記載の技術と比べて、所要面積の増大が少ない。すなわち、チップ面積を小さくすることができる。
【００２６】
例えば図６に示されたモーター駆動用の電気回路におけるスイッチング素子としてこの半導体装置１０が用いられた場合には、以下に示すように、特に顕著な効果が得られる。この際には、特に電位検出電極１７でチャンネル電位の極性を検出する動作が有効である。
【００２７】
図６の回路において、Ｔｒ１、Ｔｒ４をオン、Ｔｒ２、Ｔｒ３をオフとした場合には、図中の破線で示される経路で電流が流れる。すなわち、モーターのコイルＬを図中左側から右側に向かって電流が流れる。Ｔｒ１、Ｔｒ４をオフ、Ｔｒ２、Ｔｒ３をオンとした場合には、これと左右対称の経路で電流が流れ、コイルＬを図中右側から左側に向かって電流が流れる。ここで、例えばＴｒ１、Ｔｒ４をオン、Ｔｒ２、Ｔｒ３をオフとした状態から、Ｔｒ１をオフした場合（いわゆるデッドタイム期間中）には、コイルＬの逆起電力により、Ａ点の電位がＧＮＤに対して負電位となる。コイルに蓄えられたエネルギーがＴｒ３を介して放出される、すなわち、電流がＴｒ３を介して流れることによって、Ａ点は零電位となる。
【００２８】
図６の回路中におけるＴｒ３のドレイン−ソース間電圧ＶＤＳとドレイン電流ＩＤＳの関係を図２に示す。デッドタイム期間中のＶＤＳとＩＤＳの関係は、Ｔｒ３の閾値（Ｖｔｈ）である１〜３Ｖ程度オフセットされたｂの特性となる。このオフセット電圧の分だけ、消費電力が増大する。この状況を解消するためには、Ａ点が負電位となった場合に、Ｔｒ３をオンして、その特性を図２中のａのようにする必要がある。
【００２９】
この問題は、コイルＬを負荷としている限り、図６の回路におけるトランジスタが、通常のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＨＥＭＴのいずれである場合においても同様に発生する。しかしながら、通常のＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、大きな問題とはならない。図３は、図６の回路における各トランジスタとして通常のＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳ１〜ＭＯＳ４が用いられた場合の構成である。この場合の状況は、例えば特開２００６−１１５５５７号公報に記載されている。シリコンで構成された通常のＭＯＳＦＥＴ（ｎチャンネル）においては、ｐ型基板上にｎ型のドレイン領域とソース領域とが形成された構成をもつ。このため、ドレイン領域周辺においては、ｐ型基板とｎ型のドレイン領域とでダイオード（ボディダイオード）が自動的に形成されている。すなわち、実質的にはＭＯＳ１〜ＭＯＳ４のソースとドレインには図３に示されるようにボディダイオードが接続された構成とされる。このボディダイオードのＶＦ（順方向電圧）は通常０．６Ｖ程度である。
【００３０】
この場合、前記のようにＡ点が負電位となり、この電圧の絶対値がこのＶＦを越えた場合には、ＭＯＳ３がオフの状態であっても、このボディダイオードを介して電流が図中の点線で示されるように流れる。このため、仮にＡ点が大きな負電位となることがあったとしても、この電流によって自動的にこの負電位は解消され、大きな損失は生じない。
【００３１】
これに対して、化合物半導体で構成されたＨＥＭＴにおけるソース領域、ドレイン領域の構造は例えば図１に示された通りであり、ボディダイオードは形成されない。ここで、前記の通り、このオフセット電圧の絶対値はＨＥＭＴの閾値（ＶＴＨ）で決まり、１〜３Ｖ程度であり、前記のボディダイオードのＶＦよりも大きい。更に、例えばＶＴＨが１Ｖ程度と低い場合には、ＨＥＭＴ（Ｔｒ３）を確実にオフ動作させるためには、Ｔｒ３のオフ時においてゲートに負電位（例えば−５Ｖ程度）を印加する動作を行う場合もある。この場合には、結局、上記の電圧降下は合計で−６Ｖ程度となり、これによる損失は更に大きくなる。このため、ＭＯＳＦＥＴが用いられた場合と異なり、ＨＥＭＴが用いられた場合には、上記の問題が特に顕著となる。
【００３２】
ここで、Ｔｒ３として上記の半導体装置１０を用いた場合には、Ａ点の電位はドレイン電極１５の電位となる。Ｔｒ３がオフ状態の時にこの電位が負になれば、電位検出電極１７で検出される電位も負となる。すなわち、電位検出電極１７を用いて、ドレイン電極１５の電位が負になったことを検出できる。ドレイン電極１５の電位が負になったことが検出された場合、Ｔｒ３のゲート電圧を制御して、これをオンすれば、過渡的に図２中のｂの特性となった状態を、ａの特性とすることができる。すなわち、このオフセット電圧が解消され、余分な電力消費を抑制することが可能である。この際、Ａ点の電位が負になったことを確認するだけであるなら、電位検出電極１７で検出された電位の符号を認識するだけで充分である。
【００３３】
この目的のためには、電位検出電極１７は、図１に示されるように、ソース電極１４とゲート電極１６の間に設けることが特に好ましい。電位検出電極１７をゲート電極１６とドレイン電極１５の間に設けた場合においても、オン状態とオフ状態の検出は可能である。しかしながら、ゲート電極１６とドレイン電極１５の間のチャンネル電位は、ドレイン電圧（例えば５００Ｖ）に近い高電圧となるため、こうした大きな正電位と、小さな負電位を共に検出することは困難である。これに対して、電位検出電極１７をソース電極１４とゲート電極１６の間に設けた場合、この箇所のチャンネル電位は常にソース電位に近くなる。このため、この場合の電位検出電極１７は、小さな正電位と小さな負電位を検出することになるため、その検出を容易かつ正確に行うことができる。
【００３４】
具体的に上記の動作を行うための回路構成の一例を図４に示す。ここで、図４においては、図６におけるＴｒ１、Ｔｒ３、Ｌからなる箇所のみ示している。ここでは、ハイサイドのＴｒ１としては通常のＨＥＭＴを、ローサイドのＴｒ３として上記の半導体装置１０が用いられている。ここでは、電位検出電極１７から抵抗１８を介して出力された電位は、電圧検出回路２１で検出される。比較回路２２は、予め設定された基準値とこの電圧とを比較することにより、電位検出電極１７直下のチャンネル電位を判定する。制御部２３は、この判定結果を元に、Ｔｒ３（半導体装置１０）のゲートをゲート駆動手段２４で、Ｔｒ１のゲートをゲート駆動手段２５でそれぞれ制御する。
【００３５】
この電気回路における制御方法の一例を説明する。Ｔｒ３がオフ時に上記の通りにチャンネル電位が負となった場合（Ａ点の電位が負であった場合）には、比較回路２２が電圧検出回路２１からの出力と基準値との比較を行い、この出力が基準値よりも小さい場合には、この出力が負であると認識する。制御部２３はこの結果を受け、ゲート駆動手段２４を制御し、Ｔｒ３（半導体装置１０）のゲートをオンする（強制オンステップ：第１のステップ）。これによって、Ａ点の電位は上昇して零に近づくため、電圧検出回路２１で検出される電圧も上昇して零に近づく。制御部２３は、比較回路２２の判定結果によってチャンネル電位が零に近く（あるいはこの電位の絶対値が予め設定された値以下に）なった場合には、再びゲート駆動手段２４を制御し、Ｔｒ３（半導体装置１０）のゲートをオフする（強制オフステップ：第２のステップ）。上記の動作においては、図３の構成においてＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを介して行われる動作を、ＨＥＭＴが用いられた場合に制御部２３等を用いて行っている。Ｔｒ３がオフとされたら、制御部２３は、ゲート駆動手段２５を制御し、ハイサイドのＴｒ１のゲートをオンし、図６中の破線で示された電流をコイルＬ（モーター）に流すことができる（第３のステップ）。なお、電位検出電極１７で検出された電位の極性のみによって上記の動作を行わせることも可能である。この場合には、例えば、負電位が検出された場合には強制オンステップを予め設定された所定の時間のみ行わせる設定とすることができる。
【００３６】
このように、従来のＭＯＳＦＥＴに対して高速性、電流駆動能力に優れた半導体装置（ＨＥＭＴ）１０を、モーター駆動用のフルブリッジ回路におけるローサイドのトランジスタ（スイッチング素子）として用いることができる。この際に、Ａ点の負電位を検出することによって同期整流制御を行い、余分な電力消費を抑制し、低損失の動作を行うことができる。従って、高速性、電流駆動能力が高いスイッチング回路を低消費電力で駆動することができる。
【００３７】
また、上記の半導体装置１０が用いられる電気回路の他の一例を、図５に示す。ここでも、図６におけるＴｒ１、Ｔｒ３、Ｌに関連した箇所のみ示している。ここでは、ハイサイドのＴｒ１、ローサイドのＴｒ３共に通常のＨＥＭＴが用いられる。Ａ点をドレイン側として前記の半導体装置１０が接続され、この半導体装置１０に対して、前記と同様の構成で電圧検出回路２１、比較回路２２、制御部２３、ゲート制御手段２４、２５が接続される。また、半導体装置１０のゲートには、これをオンとすべく正の一定電圧が直流電源２６によって印加され、ソースには高抵抗値をもつ抵抗２７が接続される。
【００３８】
図４の電気回路においては、半導体装置１０は、スイッチング動作を行うと共に、Ａ点の電位を検出するという２つの役割を果たしていた。これに対し、図５の電気回路においては、スイッチング動作は従来のＨＥＭＴであるＴｒ３が行い、この半導体装置１０は、Ａ点の電位を検出する目的にのみ用いられる。このため、半導体装置１０のドレイン電流をＴｒ３等と比べて無視できる程度に小さくすることができ、小型化したものを用いることができる。また、抵抗２７の抵抗値を充分高くしておくことにより、このドレイン電流は更に低減することができる。このため、Ａ点から半導体装置１０に流れる電流を無視できる程度に小さくすることができ、電位検出の際にロスする電流を、図４の場合よりも更に小さくすることができる。また、スイッチング動作専用に用いられるＴｒ３と、電位検出専用に用いられる半導体装置１０を分離するために、各々をその目的に応じて最適に設計できる。このため、より好ましいスイッチング動作を行うと共に、電位検出能力を高めることにより、適切に同期整流制御を行い、余分な電力消費を抑制し、低損失の動作を行うことができる。
【００３９】
なお、上記の半導体装置においては、電子走行層としてＧａＮ、電子供給層としてＡｌＧａＮに代表される窒化物半導体を用いた例につき記載したが、２次元電子ガスが用いられる半導体装置であれば、同様の効果を奏することは明らかである。すなわち、上記の材料以外においても本願発明が適用できることは明らかである。また、窒化物半導体として、Ｇａ、Ａｌと同じＩＩＩＢ族元素であるインジウム（Ｉｎ）、ホウ素（Ｂ）を含んだＡｌｘＭｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１、ここで、ＭはＩｎ、Ｂのうちの１種を少なくとも含む）を用いることもできる。
【００４０】
また、上記の例では、この半導体装置が使用される電気回路として、モーター駆動用のフルブリッジ回路について説明したが、例えばそのドレイン側の電圧が過渡的に負になることがある電気回路においては、同様に上記の制御方法は有効である。すなわち、上記の半導体装置や電気回路の制御方法は、上記の例以外においても有効であることは明らかである。例えば、アームが一組以上ある電気回路であれば、上記と同様の問題が発生しうるため、上記の半導体装置や電気回路の制御方法が有効であることは明らかである。
【符号の説明】
【００４１】
１０ 半導体装置（ＨＥＭＴ）
１１ 電子走行層（第１の半導体層）
１２ 電子供給層（第２の半導体層）
１３ ２次元電子ガス（２ＤＥＧ：２ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ）層
１４ ソース電極
１５ ドレイン電極
１６ ゲート電極
１７ 電位検出電極
１８、２７ 抵抗
２１ 電圧検出回路
２２ 比較回路
２３ 制御部
２４、２５ ゲート駆動手段
２６ 直流電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元電子ガスをチャンネルとして動作する半導体装置、及びこの半導体装置が用いられた電気回路、電気回路の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元電子ガス（２ＤＥＧ）をチャンネルとして動作する半導体装置として、例えばＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が知られている。ＨＥＭＴにおいては、電子走行層（例えばノンドープＧａＮ）と電子供給層（例えばＡｌＧａＮ）の界面における電子走行層側に２ＤＥＧが形成される。ソースとドレイン間における２ＤＥＧ中にチャンネルが形成され、このチャンネルがゲートによってオンオフされ、スイッチング動作する。
【０００３】
特に窒化物半導体であるＧａＮ系のＨＥＭＴは、ＧａＮの禁制帯幅が広く、かつ電子の飽和速度が高いために、大電力でのスイッチング動作に適している。従って、これを用いて大電力で動作するスイッチング回路等を構成することができる。例えば、４個のＨＥＭＴをスイッチング素子として用いてモーター駆動用のフルブリッジ回路（電気回路）を構成した例が図６である。この構成においては、ハイサイド側端子とローサイド側端子との間に、２つのスイッチング素子が直列に接続された構成をもつアームが左右に２組形成されている。各アームにおける２つのスイッチング素子の接続点がＡ、Ｂであり、Ａ、Ｂにモーターを駆動するコイルＬの両端子がそれぞれ接続される。このコイルＬに流れる電流の方向は、ハイサイド側のトランジスタ（Ｔｒ１、Ｔｒ２）とローサイド側のトランジスタ（Ｔｒ３、Ｔｒ４）のスイッチングによって制御される。例えば、Ｔｒ１、Ｔｒ４をオン、Ｔｒ２、Ｔｒ３をオフとした際には図中の破線で示された経路でコイルＬに電流が流れ、Ｔｒ１、Ｔｒ４をオフ、Ｔｒ２、Ｔｒ３をオンとした際には、これと逆方向に電流が流れる。このように、Ｔｒ１〜Ｔｒ４の各々においてオンオフを制御することにより、モーターの回転方向の制御、停止等の動作が行われる。Ｔｒ１〜Ｔｒ４として上記のＨＥＭＴを用いた場合には、特に高速で大電力の制御を行うことができる。
【０００４】
特に大電力でトランジスタが用いられる場合には、トランジスタの動作状況をモニターすることが安全上有効である。例えば、図６の回路においては、Ｔｒ１に流れる電流をモニターし、Ｔｒ４をオンする前に、この電流値によってこの動作を行うか否かの判定をすることが可能である。これにより、モーターの動作を安全に行うことができる。こうした電流検出型のＨＥＭＴについては、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の技術においては、ＨＥＭＴにおける複数組のソース電極、ゲート電極、ドレイン電極が配列して形成され、更にその外側に電流検出用の電極領域が形成されている。この電極領域は、擬似的なソース電極として機能し、ここに流れる電流によって、このＨＥＭＴにおけるドレイン電流をモニターすることができる。
【０００５】
こうした技術を用いて過電流を検出できるＨＥＭＴが得られ、これを用いて安全に動作する大電力のスイッチング回路を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１０８６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、電流検出用の素子を用いて電流を検出する場合、本来の動作電流に伴う消費電力以外に、この電流検出用の素子における消費電力が発生する。すなわち、消費電力を増大させずにオンチップでＨＥＭＴの動作状況をモニターすることは困難であった。
【０００８】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、第１の半導体層と、当該第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、当該第２の半導体層上に形成されたソース電極、ドレイン電極、ゲート電極とを具備し、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層のヘテロ接合界面の２次元電子ガス層を通って前記ソース電極と前記ドレイン電極の間で電子が流れ、当該電子が流れるチャンネルのオンオフが前記ゲート電極に印加された電圧で制御される半導体装置であって、前記ソース電極と前記ゲート電極との間のチャンネル上の前記第２の半導体層上に、電位検出電極が形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記電位検出電極には、１ＭΩ以上の抵抗値をもつ抵抗が接続されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記電位検出電極は、前記第２の半導体層とオーミック接触する材料で形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記電位検出電極は、前記第２の半導体層とショットキー接触する材料で形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層は窒化物半導体で構成されたことを特徴とする。
本発明の電気回路は、ハイサイド側端子とローサイド側端子の間に２つのスイッチング素子が直列接続されたアームを１組以上具備し、前記アームにおける２つのスイッチング素子の接続点に、コイルの両端子がそれぞれ接続された構成を具備する電気回路であって、前記アームにおいて、少なくともローサイド側に設置された前記スイッチング素子として、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置が用いられたことを特徴とする。
本発明の電気回路は、ハイサイド側端子とローサイド側端子の間に２つのスイッチング素子が直列接続されたアームを１組以上具備し、前記アームにおける２つのスイッチング素子の接続点に、コイルの両端子がそれぞれ接続された構成を具備する電気回路であって、前記アームに、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置が、当該半導体装置のドレイン電極が前記接続点と接続されるように設置されたことを特徴とする。
本発明の電気回路の制御方法は、前記半導体装置が用いられた電気回路の制御方法であって、前記半導体装置がオフ状態の際に、前記電位検出電極によって検出された電位が負であった場合に、前記ゲート電極に印加する電圧を制御し、前記半導体装置をオン状態とする第１のステップを具備することを特徴とする。
本発明の電気回路の制御方法は、前記第１のステップの後で、前記電位検出電極によって検出された電位の絶対値が予め設定された値よりも小さくなった場合に、前記半導体装置をオフ状態とする第２のステップを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は以上のように構成されているので、消費電力を増大させずにオンチップでＨＥＭＴの動作状況をモニターすることができる。これを用いて電気回路の最適な動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面図（ａ）及びその等価回路図（ｂ）である。
【図２】フルブリッジ型のモーター駆動用回路においてＡ点が負電位となった場合のＴｒ３の特性を示す図である。
【図３】通常のＭＯＳＦＥＴが用いられたモーター駆動用回路の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る半導体装置が用いられたモーター駆動用回路の構成（一部）を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る半導体装置が用いられたモーター駆動用回路の他の一例の構成（一部）を示す図である。
【図６】フルブリッジ型のモーター駆動用回路の一例の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の半導体装置は、特に大電力でのスイッチング素子として好ましく用いることができる。この半導体装置は、第１の半導体層上に第２の半導体層が形成され、これらのヘテロ接合界面に形成された２次元電子ガス（２ＤＥＧ）からなるチャンネルがゲート電極に印加された電圧によってオンオフ制御される、いわゆるＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。この際、その動作状況、すなわち主電極の電位等をモニターすることができる。
【００１３】
図１（ａ）は、この半導体装置の構造を示す断面図であり、図１（ｂ）は、この構造を示す等価回路図である。
【００１４】
図１（ａ）に示されるように、この半導体装置１０においては、第１の半導体層である電子走行層１１上に、第２の半導体層である電子供給層１２が形成されている。これらの界面（ヘテロ接合界面）における電子走行層側に、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層１３が形成される。この２ＤＥＧは、ヘテロ接合界面のバンド構造の不連続性や、特に電子走行層１１がＧａＮである場合にはピエゾ分極によって形成される。この半導体装置１０において、電子は、電子供給層１２の表面に形成された第１の主電極であるソース電極１４と、同様にこの表面に形成された第２の主電極であるドレイン電極１５との間を、この２ＤＥＧ層１３を通って流れる。ソース電極１４とドレイン電極１５の間の電子供給層１２表面には、ゲート電極１６が形成されている。ソース電極１４からドレイン電極１５の間の２ＤＥＧ層１３中に電子が流れるチャンネルが形成される。このチャンネルのオンオフが、ゲート電極１４によって制御されることによって、スイッチング動作が行われる。なお、図１では省略されているが、電子走行層１１は、基板上に形成されている。以上の構成は、従来より知られるＨＥＭＴと同様である。この半導体装置１０が使用される際には、ソース電極１４が接地側、ドレイン電極１５が正の高圧側とされ、ゲート電極１６に印加された電圧によってソース電極１４とドレイン電極１５の間のチャンネルの導通がオンオフされる。
【００１５】
この半導体装置１０においては、ゲート電極１６とソース電極１４との間の電子供給層１２上に電位検出電極１７が設置される。この電位検出電極１７には、動作時にこの電位検出電極１７に流れる電流がドレイン電流と比べて無視できる程度となるような、充分に高い抵抗値（例えば１ＭΩ以上）をもつ抵抗１８が接続される。
【００１６】
図１（ｂ）に示されるように、上記の構成においては、電位検出電極１７によって検出される電位は、ゲート電極１６直下からソース電極１４までの間のチャンネル電位が抵抗分割された電位に対応する。すなわち、この部分のチャンネル電位を、電位検出電極１７によって検出することができる。
【００１７】
電子走行層（第１の半導体層）１１は、ノンドープの単結晶ＧａＮ層であり、例えばシリコン基板上にエピタキシャル成長によって形成される。その厚さは例えば０．５〜１０μｍ程度である。基板上に直接成長させるのではなく、緩衝層を挟んで成長させてもよい。電子走行層１１は、例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって基板上に形成することができる。
【００１８】
電子供給層（第２の半導体層）１２は、例えば混晶ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１〜０．４）であり、その厚さは５〜５０ｎｍ程度である。ＡｌＧａＮの格子定数はＧａＮよりも小さく、電子濃度が高い。周知のように、この構造においては、ピエゾ分極と自発分極との相乗効果によって、電子走行層１１と電子供給層１２の界面における電子走行層１１側に電子が蓄積され、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層１３が形成される。この電子に対する散乱源となる不純物は電子走行層１１側にはないため、この電子の移動度を極めて高くすることができる。電子供給層１２も、例えばＭＯＣＶＤ法によって電子走行層１１上に形成することができる。このように、電子走行層１１、電子供給層１２が共に禁制帯幅の広い窒化物半導体で構成されることにより、この半導体装置１０は、大電力動作、すなわち、主電極となるソース電極１４とドレイン電極１５間に大電流を流す動作が可能となる。
【００１９】
ソース電極１４とドレイン電極１５は、電子供給層１２とオーミック接触する金属として、例えばＴｉ／Ａｌ等で構成される。これにより、電子は２ＤＥＧ層１３を介してソース電極１４とドレイン電極１５間を流れる。ゲート電極１６は、電子供給層１２とショットキー接触をし、電子供給層１２中に空乏層を形成する材料で構成される。特にこの半導体装置１０（ＨＥＭＴ）のゲート閾値を正の電圧としてノーマリーオフ動作させるためには、電子供給層１２とショットキー接触するｐ型金属酸化物半導体（例えばＮｉＯｘ）等を用いることが好ましい。この場合、ｐ型金属酸化物半導体と金属との積層構造を用いることもできる。なお、一般にショットキー接触とは、金属と半導体との接触形態の一種であり、電流が流れる際に整流特性をもたないオーミック接触と対照的な接触形態である。ここでは、ゲート電極１６（例えばｐ型金属酸化物半導体）と半導体（電子供給層１２）との接触、すなわち、半導体同士の接触においても、金属と半導体のショットキー接触と同様の効果を奏する場合には、広義にショットキー接触と呼称する。ここにいう同様の効果とは、ゲート電極１６にバイアスを印加しない場合において、電子供給層１２との界面に空乏層が形成されるという効果である。これにより、この半導体装置１０（ＨＥＭＴ）をノーマリーオフ型とすることができる。
【００２０】
電位検出電極１７としては、ソース電極１４，ドレイン電極１５と同様に、電子供給層１２とオーミック接触する金属等を用いて構成することができる。あるいは、ゲート電極１６と同様に、電子供給層１２とショットキー接触する材料を用いても構成できる。抵抗１８は、半導体層（電子走行層１１、電子供給層１２等）と別体で接続することができるが、半導体層上に絶縁層を介して抵抗１８を形成し、配線を介して接続した構成とすることもできる。
【００２１】
この半導体装置１０を動作させる際には、ソース電極１４が接地され、ドレイン電極１５に正の高電圧（例えば５００Ｖ）が印加される。こうした場合に、例えばこの半導体装置１０がノーマリーオフ型である場合には、ゲート電極１６に正の閾値以上の電圧を印加した場合に、ソース電極１４とドレイン電極１５間に動作電流（ドレイン電流）が流れる。すなわち、ゲート電圧を制御することによってドレイン電流のオンオフを制御することができる。この動作は従来より知られるＨＥＭＴと同様である。
【００２２】
この際、電位検出電極１７の電位は、この動作時における電位検出電極１７直下のチャンネル電位を反映する。このため、この半導体装置１０がオフ時に高電位、オン時には低電位となる。あるいは、仮にドレイン電極１５側が負電位となった場合には、ここで検出されるチャンネル電位も負になり、その極性を検知することもできる。すなわち、この電位やその極性を測定することによって、この半導体装置１０の動作状況をモニターすることができる。この電位は通常は入力インピーダンスが高い電圧計で計測されるため、これによって余分な電流が流れる影響は小さい。このため、本来のスイッチング動作以外に消費される電力は小さくなる。あるいは、チャンネル抵抗よりも充分に高い抵抗値（例えば１ＭΩ以上）をもつ抵抗１８が接続されれば、この部分に流れる電流は無視できる程度となる。
【００２３】
電位検出電極１７の電位の絶対値ではなく、その極性（正負）のみを判定する構成としてもよい。後述するように、この場合においても、この半導体装置１０を用いた回路の動作においては、この極性の情報を用いた制御は極めて有効である。このように、電位検出電極１７の電位は必ずしも正確にチャンネル電位と等しい必要はない。この半導体装置１０がオンとされているか、オフとされているか、あるいは、ドレイン電極１５が負電位であるか否かの判定ができれば充分である。このため、電位検出電極１７を構成する材料と電子供給層１２とがオーミック接触する必要はなく、電位検出電極１７と電子供給層１２とがショットキー接触する構成としてもよい。電位検出電極１７と電子供給層１２とがオーミック接触する場合には、直下のチャンネル電位をより正確に測定することができる。これらがショットキー接触する場合には、電位検出電極１７に流れる電流をより小さくすることができる。前者の場合には電位検出電極１７を構成する材料をソース電極１４、ドレイン電極１５と同様にし、後者の場合には、この材料をゲート電極１６と同様にすればよい。
【００２４】
この際、電位検出電極１７にオン時のチャンネル抵抗よりも充分に高い抵抗値、例えば１ＭΩをもつ抵抗１８を接続することにより、電位検出電極１７を流れる電流を更に低減することができる。また、チャンネルに対するこの電位測定の影響も更に低減することができる。
【００２５】
また、特許文献１に記載の技術においては、通常の構成で形成されたＨＥＭＴの横に別途電流検出用の素子が形成された。これに対して、この半導体装置１０においては、電位検出電極１７がソース電極１４とゲート電極１６の間に挿入される。この際、電流を検出しないため、電位検出電極１７の大きさも例えばソース電極１４やドレイン電極１５等と比べて充分小さくすることができる。このため、特許文献１に記載の技術と比べて、所要面積の増大が少ない。すなわち、チップ面積を小さくすることができる。
【００２６】
例えば図６に示されたモーター駆動用の電気回路におけるスイッチング素子としてこの半導体装置１０が用いられた場合には、以下に示すように、特に顕著な効果が得られる。この際には、特に電位検出電極１７でチャンネル電位の極性を検出する動作が有効である。
【００２７】
図６の回路において、Ｔｒ１、Ｔｒ４をオン、Ｔｒ２、Ｔｒ３をオフとした場合には、図中の破線で示される経路で電流が流れる。すなわち、モーターのコイルＬを図中左側から右側に向かって電流が流れる。Ｔｒ１、Ｔｒ４をオフ、Ｔｒ２、Ｔｒ３をオンとした場合には、これと左右対称の経路で電流が流れ、コイルＬを図中右側から左側に向かって電流が流れる。ここで、例えばＴｒ１、Ｔｒ４をオン、Ｔｒ２、Ｔｒ３をオフとした状態から、Ｔｒ１をオフした場合（いわゆるデッドタイム期間中）には、コイルＬの逆起電力により、Ａ点の電位がＧＮＤに対して負電位となる。コイルに蓄えられたエネルギーがＴｒ３を介して放出される、すなわち、電流がＴｒ３を介して流れることによって、Ａ点は零電位となる。
【００２８】
図６の回路中におけるＴｒ３のドレイン−ソース間電圧ＶＤＳとドレイン電流ＩＤＳの関係を図２に示す。デッドタイム期間中のＶＤＳとＩＤＳの関係は、Ｔｒ３の閾値（Ｖｔｈ）である１〜３Ｖ程度オフセットされたｂの特性となる。このオフセット電圧の分だけ、消費電力が増大する。この状況を解消するためには、Ａ点が負電位となった場合に、Ｔｒ３をオンして、その特性を図２中のａのようにする必要がある。
【００２９】
この問題は、コイルＬを負荷としている限り、図６の回路におけるトランジスタが、通常のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＨＥＭＴのいずれである場合においても同様に発生する。しかしながら、通常のＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、大きな問題とはならない。図３は、図６の回路における各トランジスタとして通常のＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳ１〜ＭＯＳ４が用いられた場合の構成である。この場合の状況は、例えば特開２００６−１１５５５７号公報に記載されている。シリコンで構成された通常のＭＯＳＦＥＴ（ｎチャンネル）においては、ｐ型基板上にｎ型のドレイン領域とソース領域とが形成された構成をもつ。このため、ドレイン領域周辺においては、ｐ型基板とｎ型のドレイン領域とでダイオード（ボディダイオード）が自動的に形成されている。すなわち、実質的にはＭＯＳ１〜ＭＯＳ４のソースとドレインには図３に示されるようにボディダイオードが接続された構成とされる。このボディダイオードのＶＦ（順方向電圧）は通常０．６Ｖ程度である。
【００３０】
この場合、前記のようにＡ点が負電位となり、この電圧の絶対値がこのＶＦを越えた場合には、ＭＯＳ３がオフの状態であっても、このボディダイオードを介して電流が図中の点線で示されるように流れる。このため、仮にＡ点が大きな負電位となることがあったとしても、この電流によって自動的にこの負電位は解消され、大きな損失は生じない。
【００３１】
これに対して、化合物半導体で構成されたＨＥＭＴにおけるソース領域、ドレイン領域の構造は例えば図１に示された通りであり、ボディダイオードは形成されない。ここで、前記の通り、このオフセット電圧の絶対値はＨＥＭＴの閾値（ＶＴＨ）で決まり、１〜３Ｖ程度であり、前記のボディダイオードのＶＦよりも大きい。更に、例えばＶＴＨが１Ｖ程度と低い場合には、ＨＥＭＴ（Ｔｒ３）を確実にオフ動作させるためには、Ｔｒ３のオフ時においてゲートに負電位（例えば−５Ｖ程度）を印加する動作を行う場合もある。この場合には、結局、上記の電圧降下は合計で−６Ｖ程度となり、これによる損失は更に大きくなる。このため、ＭＯＳＦＥＴが用いられた場合と異なり、ＨＥＭＴが用いられた場合には、上記の問題が特に顕著となる。
【００３２】
ここで、Ｔｒ３として上記の半導体装置１０を用いた場合には、Ａ点の電位はドレイン電極１５の電位となる。Ｔｒ３がオフ状態の時にこの電位が負になれば、電位検出電極１７で検出される電位も負となる。すなわち、電位検出電極１７を用いて、ドレイン電極１５の電位が負になったことを検出できる。ドレイン電極１５の電位が負になったことが検出された場合、Ｔｒ３のゲート電圧を制御して、これをオンすれば、過渡的に図２中のｂの特性となった状態を、ａの特性とすることができる。すなわち、このオフセット電圧が解消され、余分な電力消費を抑制することが可能である。この際、Ａ点の電位が負になったことを確認するだけであるなら、電位検出電極１７で検出された電位の符号を認識するだけで充分である。
【００３３】
この目的のためには、電位検出電極１７は、図１に示されるように、ソース電極１４とゲート電極１６の間に設けることが特に好ましい。電位検出電極１７をゲート電極１６とドレイン電極１５の間に設けた場合においても、オン状態とオフ状態の検出は可能である。しかしながら、ゲート電極１６とドレイン電極１５の間のチャンネル電位は、ドレイン電圧（例えば５００Ｖ）に近い高電圧となるため、こうした大きな正電位と、小さな負電位を共に検出することは困難である。これに対して、電位検出電極１７をソース電極１４とゲート電極１６の間に設けた場合、この箇所のチャンネル電位は常にソース電位に近くなる。このため、この場合の電位検出電極１７は、小さな正電位と小さな負電位を検出することになるため、その検出を容易かつ正確に行うことができる。
【００３４】
具体的に上記の動作を行うための回路構成の一例を図４に示す。ここで、図４においては、図６におけるＴｒ１、Ｔｒ３、Ｌからなる箇所のみ示している。ここでは、ハイサイドのＴｒ１としては通常のＨＥＭＴを、ローサイドのＴｒ３として上記の半導体装置１０が用いられている。ここでは、電位検出電極１７から抵抗１８を介して出力された電位は、電圧検出回路２１で検出される。比較回路２２は、予め設定された基準値とこの電圧とを比較することにより、電位検出電極１７直下のチャンネル電位を判定する。制御部２３は、この判定結果を元に、Ｔｒ３（半導体装置１０）のゲートをゲート駆動手段２４で、Ｔｒ１のゲートをゲート駆動手段２５でそれぞれ制御する。
【００３５】
この電気回路における制御方法の一例を説明する。Ｔｒ３がオフ時に上記の通りにチャンネル電位が負となった場合（Ａ点の電位が負であった場合）には、比較回路２２が電圧検出回路２１からの出力と基準値との比較を行い、この出力が基準値よりも小さい場合には、この出力が負であると認識する。制御部２３はこの結果を受け、ゲート駆動手段２４を制御し、Ｔｒ３（半導体装置１０）のゲートをオンする（強制オンステップ：第１のステップ）。これによって、Ａ点の電位は上昇して零に近づくため、電圧検出回路２１で検出される電圧も上昇して零に近づく。制御部２３は、比較回路２２の判定結果によってチャンネル電位が零に近く（あるいはこの電位の絶対値が予め設定された値以下に）なった場合には、再びゲート駆動手段２４を制御し、Ｔｒ３（半導体装置１０）のゲートをオフする（強制オフステップ：第２のステップ）。上記の動作においては、図３の構成においてＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを介して行われる動作を、ＨＥＭＴが用いられた場合に制御部２３等を用いて行っている。Ｔｒ３がオフとされたら、制御部２３は、ゲート駆動手段２５を制御し、ハイサイドのＴｒ１のゲートをオンし、図６中の破線で示された電流をコイルＬ（モーター）に流すことができる（第３のステップ）。なお、電位検出電極１７で検出された電位の極性のみによって上記の動作を行わせることも可能である。この場合には、例えば、負電位が検出された場合には強制オンステップを予め設定された所定の時間のみ行わせる設定とすることができる。
【００３６】
このように、従来のＭＯＳＦＥＴに対して高速性、電流駆動能力に優れた半導体装置（ＨＥＭＴ）１０を、モーター駆動用のフルブリッジ回路におけるローサイドのトランジスタ（スイッチング素子）として用いることができる。この際に、Ａ点の負電位を検出することによって同期整流制御を行い、余分な電力消費を抑制し、低損失の動作を行うことができる。従って、高速性、電流駆動能力が高いスイッチング回路を低消費電力で駆動することができる。
【００３７】
また、上記の半導体装置１０が用いられる電気回路の他の一例を、図５に示す。ここでも、図６におけるＴｒ１、Ｔｒ３、Ｌに関連した箇所のみ示している。ここでは、ハイサイドのＴｒ１、ローサイドのＴｒ３共に通常のＨＥＭＴが用いられる。Ａ点をドレイン側として前記の半導体装置１０が接続され、この半導体装置１０に対して、前記と同様の構成で電圧検出回路２１、比較回路２２、制御部２３、ゲート制御手段２４、２５が接続される。また、半導体装置１０のゲートには、これをオンとすべく正の一定電圧が直流電源２６によって印加され、ソースには高抵抗値をもつ抵抗２７が接続される。
【００３８】
図４の電気回路においては、半導体装置１０は、スイッチング動作を行うと共に、Ａ点の電位を検出するという２つの役割を果たしていた。これに対し、図５の電気回路においては、スイッチング動作は従来のＨＥＭＴであるＴｒ３が行い、この半導体装置１０は、Ａ点の電位を検出する目的にのみ用いられる。このため、半導体装置１０のドレイン電流をＴｒ３等と比べて無視できる程度に小さくすることができ、小型化したものを用いることができる。また、抵抗２７の抵抗値を充分高くしておくことにより、このドレイン電流は更に低減することができる。このため、Ａ点から半導体装置１０に流れる電流を無視できる程度に小さくすることができ、電位検出の際にロスする電流を、図４の場合よりも更に小さくすることができる。また、スイッチング動作専用に用いられるＴｒ３と、電位検出専用に用いられる半導体装置１０を分離するために、各々をその目的に応じて最適に設計できる。このため、より好ましいスイッチング動作を行うと共に、電位検出能力を高めることにより、適切に同期整流制御を行い、余分な電力消費を抑制し、低損失の動作を行うことができる。
【００３９】
なお、上記の半導体装置においては、電子走行層としてＧａＮ、電子供給層としてＡｌＧａＮに代表される窒化物半導体を用いた例につき記載したが、２次元電子ガスが用いられる半導体装置であれば、同様の効果を奏することは明らかである。すなわち、上記の材料以外においても本願発明が適用できることは明らかである。また、窒化物半導体として、Ｇａ、Ａｌと同じＩＩＩＢ族元素であるインジウム（Ｉｎ）、ホウ素（Ｂ）を含んだＡｌｘＭｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１、ここで、ＭはＩｎ、Ｂのうちの１種を少なくとも含む）を用いることもできる。
【００４０】
また、上記の例では、この半導体装置が使用される電気回路として、モーター駆動用のフルブリッジ回路について説明したが、例えばそのドレイン側の電圧が過渡的に負になることがある電気回路においては、同様に上記の制御方法は有効である。すなわち、上記の半導体装置や電気回路の制御方法は、上記の例以外においても有効であることは明らかである。例えば、アームが一組以上ある電気回路であれば、上記と同様の問題が発生しうるため、上記の半導体装置や電気回路の制御方法が有効であることは明らかである。
【符号の説明】
【００４１】
１０ 半導体装置（ＨＥＭＴ）
１１ 電子走行層（第１の半導体層）
１２ 電子供給層（第２の半導体層）
１３ ２次元電子ガス（２ＤＥＧ：２ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ）層
１４ ソース電極
１５ ドレイン電極
１６ ゲート電極
１７ 電位検出電極
１８、２７ 抵抗
２１ 電圧検出回路
２２ 比較回路
２３ 制御部
２４、２５ ゲート駆動手段
２６ 直流電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層と、当該第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、当該第２の半導体層上に形成されたソース電極、ドレイン電極、ゲート電極とを具備し、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層のヘテロ接合界面の２次元電子ガス層を通って前記ソース電極と前記ドレイン電極の間で電子が流れ、当該電子が流れるチャンネルのオンオフが前記ゲート電極に印加された電圧で制御される半導体装置であって、
前記ソース電極と前記ゲート電極との間のチャンネル上の前記第２の半導体層上に、電位検出電極が形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記電位検出電極には、１ＭΩ以上の抵抗値をもつ抵抗が接続されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電位検出電極は、前記第２の半導体層とオーミック接触する材料で形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記電位検出電極は、前記第２の半導体層とショットキー接触する材料で形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層は窒化物半導体で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
ハイサイド側端子とローサイド側端子の間に２つのスイッチング素子が直列接続されたアームを１組以上具備し、前記アームにおける２つのスイッチング素子の接続点に、コイルの両端子がそれぞれ接続された構成を具備する電気回路であって、
前記アームにおいて、少なくともローサイド側に設置された前記スイッチング素子として、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置が用いられたことを特徴とする電気回路。
【請求項７】
ハイサイド側端子とローサイド側端子の間に２つのスイッチング素子が直列接続されたアームを１組以上具備し、前記アームにおける２つのスイッチング素子の接続点に、コイルの両端子がそれぞれ接続された構成を具備する電気回路であって、
前記アームに、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置が、当該半導体装置のドレイン電極が前記接続点と接続されるように設置されたことを特徴とする電気回路。
【請求項８】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置が用いられた電気回路の制御方法であって、
前記半導体装置がオフ状態の際に、前記電位検出電極によって検出された電位が負であった場合に、前記ゲート電極に印加する電圧を制御し、前記半導体装置をオン状態とする第１のステップを具備することを特徴とする、電気回路の制御方法。
【請求項９】
前記第１のステップの後で、
前記電位検出電極によって検出された電位の絶対値が予め設定された値よりも小さくなった場合に、前記半導体装置をオフ状態とする第２のステップを具備することを特徴とする請求項８に記載の、電気回路の制御方法。
【請求項１】
第１の半導体層と、当該第１の半導体層上に形成された第２の半導体層と、当該第２の半導体層上に形成されたソース電極、ドレイン電極、ゲート電極とを具備し、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層のヘテロ接合界面の２次元電子ガス層を通って前記ソース電極と前記ドレイン電極の間で電子が流れ、当該電子が流れるチャンネルのオンオフが前記ゲート電極に印加された電圧で制御される半導体装置であって、
前記ソース電極と前記ゲート電極との間のチャンネル上の前記第２の半導体層上に、電位検出電極が形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記電位検出電極には、１ＭΩ以上の抵抗値をもつ抵抗が接続されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電位検出電極は、前記第２の半導体層とオーミック接触する材料で形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記電位検出電極は、前記第２の半導体層とショットキー接触する材料で形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層は窒化物半導体で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
ハイサイド側端子とローサイド側端子の間に２つのスイッチング素子が直列接続されたアームを１組以上具備し、前記アームにおける２つのスイッチング素子の接続点に、コイルの両端子がそれぞれ接続された構成を具備する電気回路であって、
前記アームにおいて、少なくともローサイド側に設置された前記スイッチング素子として、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置が用いられたことを特徴とする電気回路。
【請求項７】
ハイサイド側端子とローサイド側端子の間に２つのスイッチング素子が直列接続されたアームを１組以上具備し、前記アームにおける２つのスイッチング素子の接続点に、コイルの両端子がそれぞれ接続された構成を具備する電気回路であって、
前記アームに、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置が、当該半導体装置のドレイン電極が前記接続点と接続されるように設置されたことを特徴とする電気回路。
【請求項８】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置が用いられた電気回路の制御方法であって、
前記半導体装置がオフ状態の際に、前記電位検出電極によって検出された電位が負であった場合に、前記ゲート電極に印加する電圧を制御し、前記半導体装置をオン状態とする第１のステップを具備することを特徴とする、電気回路の制御方法。
【請求項９】
前記第１のステップの後で、
前記電位検出電極によって検出された電位の絶対値が予め設定された値よりも小さくなった場合に、前記半導体装置をオフ状態とする第２のステップを具備することを特徴とする請求項８に記載の、電気回路の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−５４４４０（Ｐ２０１２−５４４４０Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９６４６１（Ｐ２０１０−１９６４６１）
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
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