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公開番号2025118882
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-13
出願番号2025081852,2024044288
出願日2025-05-15,2011-01-21
発明の名称半導体装置
出願人株式会社半導体エネルギー研究所
代理人
主分類H10D 30/67 20250101AFI20250805BHJP()
要約【課題】消費電力の増加を招くことなくオフの状態を実現することのできる半導体装置を
提供する。
【解決手段】ゲートに電圧が印加されていない状態でオン状態であるパワー素子と、パワ
ー素子のゲートに第1の電圧を印加するためのスイッチング用の電界効果トランジスタと
、パワー素子のゲートに第1の電圧より低い電圧を印加するためのスイッチング用の電界
効果トランジスタと、を有し、上記スイッチング用の電界効果トランジスタはオフ電流が
小さい半導体装置である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、第１の導電層乃至第４の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の下方に位置する領域を有し、
前記第２の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第３の導電層は、前記第１の導電層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第４の導電層は、前記トランジスタのゲート電極としての機能を有し、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、かつ、開口部を有し、
平面視において、前記第２の導電層のうち前記酸化物半導体層と接する領域は、前記第４の導電層の前記開口部と重なる領域を有する、
半導体装置。
続きを表示（約 2,900 文字）【請求項２】
トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、第１の導電層乃至第４の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の下方に位置する領域を有し、
前記第２の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第３の導電層は、前記第１の導電層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第４の導電層は、前記トランジスタのゲート電極としての機能を有し、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、かつ、開口部を有し、
平面視において、前記第２の導電層は、前記第４の導電層と重なりを有し、
平面視において、前記第２の導電層のうち前記酸化物半導体層と接する領域は、前記第４の導電層の前記開口部と重なる領域を有する、
半導体装置。
【請求項３】
トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、第１の導電層乃至第４の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の下方に位置する領域を有し、
前記第２の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第３の導電層は、前記第１の導電層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第４の導電層は、前記トランジスタのゲート電極としての機能を有し、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、かつ、開口部を有し、
平面視において、前記第３の導電層は、前記第４の導電層と重なりを有さず、
平面視において、前記第２の導電層のうち前記酸化物半導体層と接する領域は、前記第４の導電層の前記開口部と重なる領域を有する、
半導体装置。
【請求項４】
トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、第１の導電層乃至第４の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の下方に位置する領域を有し、
前記第２の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第３の導電層は、前記第１の導電層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第４の導電層は、前記トランジスタのゲート電極としての機能を有し、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、かつ、開口部を有し、
平面視において、前記第２の導電層は、前記第４の導電層と重なりを有し、
平面視において、前記第３の導電層は、前記第４の導電層と重なりを有さず、
平面視において、前記第２の導電層のうち前記酸化物半導体層と接する領域は、前記第４の導電層の前記開口部と重なる領域を有する、
半導体装置。
【請求項５】
トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、第１の導電層乃至第４の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の下方に位置する領域を有し、
前記第２の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第３の導電層は、前記第１の導電層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第４の導電層は、前記トランジスタのゲート電極としての機能を有し、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、かつ、開口部を有し、
平面視において、前記第２の導電層は、前記第４の導電層と重なりを有し、
前記酸化物半導体層のうち、平面視において前記第２の導電層と重なる領域の下面全体は、絶縁性を有する表面に接しており、
平面視において、前記第２の導電層のうち前記酸化物半導体層と接する領域は、前記第４の導電層の前記開口部と重なる領域を有する、
半導体装置。
【請求項６】
トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、第１の導電層乃至第４の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の下方に位置する領域を有し、
前記第２の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第３の導電層は、前記第１の導電層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第４の導電層は、前記トランジスタのゲート電極としての機能を有し、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、かつ、開口部を有し、
平面視において、前記第３の導電層は、前記第４の導電層と重なりを有さず、
前記酸化物半導体層のうち、平面視において前記第２の導電層と重なる領域の下面全体は、絶縁性を有する表面に接しており、
平面視において、前記第２の導電層のうち前記酸化物半導体層と接する領域は、前記第４の導電層の前記開口部と重なる領域を有する、
半導体装置。
【請求項７】
トランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、第１の導電層乃至第４の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の下方に位置する領域を有し、
前記第２の導電層は、前記酸化物半導体層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第３の導電層は、前記第１の導電層と電気的に接続され、かつ、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、
前記第４の導電層は、前記トランジスタのゲート電極としての機能を有し、前記酸化物半導体層の上方に位置する領域を有し、かつ、開口部を有し、
平面視において、前記第２の導電層は、前記第４の導電層と重なりを有し、
平面視において、前記第３の導電層は、前記第４の導電層と重なりを有さず、
前記酸化物半導体層のうち、平面視において前記第２の導電層と重なる領域の下面全体は、絶縁性を有する表面に接しており、
平面視において、前記第２の導電層のうち前記酸化物半導体層と接する領域は、前記第４の導電層の前記開口部と重なる領域を有する、
半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一において、
前記酸化物半導体層は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。または半導体装置の駆動方法に関する。または半導体装
置を具備する電子機器に関する。
続きを表示（約 2,600 文字）【０００２】
また、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指す。例えば、パワーデバイス、当該パワーデバイスを有する表示装置及び集積回
路等は半導体装置に含まれる。
【背景技術】
【０００３】
パワーデバイスとして用いられる半導体装置には、シリコン系の材料を用いて作製される
パワーデバイスが広く流通している。シリコンを用いたパワーデバイスはバンドギャップ
が小さいため、高温での動作範囲に限界がある。このため、近年ではバンドギャップが広
いＳｉＣやＧａＮを用いたパワーデバイスの開発がされている（例えば特許文献１を参照
）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２００９－１０１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＧａＮを用いたパワーデバイスとしてＨＦＥＴ（ヘテロ接合電界効果トランジスタ）があ
る。ＨＦＥＴは、ＳｉＣ基板上に、緩衝層であるＡｌＮ層、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層が積
層され、ＡｌＧａＮ層上にソース電極、ゲート電極、及びドレイン電極が設けられた構造
を有する。また、ＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層のバンドギャップの違いにより、ＧａＮ層及
びＡｌＧａＮ層の界面に高濃度の二次元電子ガス層が形成される。二次元電子ガス層の伝
導帯はフェルミ準位よりエネルギー準位が低くなるため、ＨＦＥＴでは二次元電子ガス層
がチャネルとなり、ゲートに電圧を印加しない状態であっても電流が流れるノーマリーオ
ン状態となり、駆動回路や保護回路が複雑になるため問題となっている。パワーデバイス
をノーマリーオフ化させるために単純に電子濃度を減少させると、今度は素子の抵抗が増
加するため、ノーマリーオフ化と低抵抗化の両立は非常に困難である。またデバイス構造
を工夫してノーマリーオフ化を実現しようとする試みもなされているが、デバイスの構造
が複雑化して製造コストが増大するといった問題がある。
【０００６】
そこで本発明の一形態は、消費電力の増加を招くことなく、オフの状態を実現することの
できる半導体装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一形態は、ゲートに電圧が印加されていない状態でオン状態であるパワー素子と
、パワー素子のゲートに第１の電圧を印加するためのスイッチング用の電界効果トランジ
スタと、パワー素子のゲートに第１の電圧より低い電圧を印加するためのスイッチング用
の電界効果トランジスタと、を有し、上記スイッチング用の電界効果トランジスタはオフ
電流が小さい半導体装置である。また、上記スイッチング用の電界効果トランジスタは、
チャネル領域がｉ型化または実質的にｉ型化された酸化物半導体層で形成される半導体装
置である。スイッチング用の電界効果トランジスタにより、パワー素子のゲートに高電位
または低電位を印加して、パワー素子のオン状態及びオフ状態を得る。
【０００８】
本発明の一形態は、第１のゲート及び第２のゲートを有し、チャネル領域がｎ型である酸
化物半導体層で形成されるパワーＭＯＳＦＥＴと、パワーＭＯＳＦＥＴの第１のゲート及
び第２のゲートに正電圧を印加するためのスイッチング用の電界効果トランジスタと、パ
ワーＭＯＳＦＥＴの第１のゲート及び第２のゲートに負電圧を印加するためのスイッチン
グ用の電界効果トランジスタとを有し、パワーＭＯＳＦＥＴの第１のゲート及び第２のゲ
ートのノードはスイッチング用の電界効果トランジスタに接続し、上記スイッチング用の
電界効果トランジスタのチャネル領域がｉ型化または実質的にｉ型化された酸化物半導体
層で形成される半導体装置である。スイッチング用の電界効果トランジスタにより、パワ
ーＭＯＳＦＥＴの第１のゲート及び第２のゲートに高電位または低電位を印加して、パワ
ーＭＯＳＦＥＴのオン状態及びオフ状態を得る。
【０００９】
また、本発明の一形態は、高電圧発生源に接続する第１の電界効果トランジスタと、第１
の電界効果トランジスタに接続する第２の電界効果トランジスタと、第２の電界効果トラ
ンジスタに接続し、且つ低電圧発生源に接続する第３の電界効果トランジスタと、第２の
電界効果トランジスタ及び第３の電界効果トランジスタに接続する容量素子と、第１の電
界効果トランジスタ及び第２の電界効果トランジスタに接続するパワーＭＯＳＦＥＴとを
有し、パワーＭＯＳＦＥＴは、第１のゲート及び第２のゲートと、第１のゲートに接する
第１の絶縁層と、第２のゲートに接する第２の絶縁層と、第１の絶縁層及び第２の絶縁層
の間に形成される酸化物半導体層と、酸化物半導体層に接するソース領域及びドレイン領
域として機能する第１の端子及び第２の端子を有し、第１のゲート及び第２のゲートのノ
ードは、第１の電界効果トランジスタ及び第２の電界効果トランジスタに接続し、第１の
電界効果トランジスタ乃至第３の電界効果トランジスタのチャネル形成領域は、ｉ型化さ
れた酸化物半導体層で形成され、パワーＭＯＳＦＥＴの前記酸化物半導体層は、ｎ型であ
る半導体装置である。
【００１０】
パワーＭＯＳＦＥＴの酸化物半導体層のキャリア濃度は１×１０
１６
ｃｍ
－３
以上１×１
０
２０
ｃｍ
－３
以下、好ましくは１×１０
１７
ｃｍ
－３
以上１×１０
２０
ｃｍ
－３
以下で
ある。
（【００１１】以降は省略されています）

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