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公開番号2025078735
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-20
出願番号2025033403,2024018290
出願日2025-03-04,2011-06-02
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 20250101AFI20250513BHJP()
要約【課題】電力変換効率の向上を実現するDCDCコンバータの提供を目的の一とする。
【解決手段】出力電力を制御するためのスイッチング素子として機能するトランジスタが
、通常のゲート電極に加えて、閾値電圧を制御するためのバックゲート電極を備える。そ
して、DCDCコンバータから出力される出力電力の大きさに従って、バックゲート電極
に与える電位の高さを制御するための、バックゲート制御回路を備える。バックゲート制
御回路により、バックゲート電極に与える電位を制御することで、出力電力が大きい場合
にはオン抵抗が下がるように閾値電圧を調整し、出力電力が小さい場合にはオフ電流が下
がるように閾値電圧を調整することができる。さらに、スイッチング素子として機能する
トランジスタが、オフ電流の極めて小さい絶縁ゲート電界効果型トランジスタである。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
トランジスタのゲートとしての機能を有する第１の導電膜と、
前記第１の導電膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記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膜と、
前記酸化物半導体膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記トランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有する第２の導電膜と、
前記酸化物半導体膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記トランジスタのソース又はドレインの他方としての機能を有する第３の導電膜と、を有し、
平面視において、前記第２の導電膜は、複数の第１の凸部を有する櫛歯状の形状を有し、
平面視において、前記第３の導電膜は、複数の第２の凸部を有する櫛歯状の形状を有し、
平面視において、前記第２の導電膜は、前記第３の導電膜に挟まれた領域を有し、
前記第２の導電膜と、前記第３の導電膜とは、前記複数の第１の凸部と前記複数の第２の凸部とが互いに噛み合うように配置され、
前記トランジスタのチャネル形成領域を含むチャネル長方向の断面視において、前記第２の導電膜は、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有する第１の端部と、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有し、かつ、前記第１の端部と対向する第２の端部と、を有し、
前記断面視において、前記第３の導電膜は、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有する第３の端部と、前記酸化物半導体膜と重なりを有し、前記第１の導電膜と重なりを有さず、かつ、前記第３の端部と対向する第４の端部と、を有する、
半導体装置。
続きを表示（約 2,400 文字）【請求項２】
トランジスタのゲートとしての機能を有する第１の導電膜と、
前記第１の導電膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記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膜と、
前記酸化物半導体膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記トランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有する第２の導電膜と、
前記酸化物半導体膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記トランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有する第３の導電膜と、を有し、
平面視において、前記第２の導電膜は、複数の第１の凸部を有する櫛歯状の形状を有し、
平面視において、前記第３の導電膜は、複数の第２の凸部を有する櫛歯状の形状を有し、
平面視において、前記第２の導電膜は、前記第３の導電膜に挟まれた領域を有し、
前記第２の導電膜と、前記第３の導電膜とは、前記複数の第１の凸部と前記複数の第２の凸部とが互いに噛み合うように配置され、
平面視において、前記第１の導電膜は、前記酸化物半導体膜と重なる領域と、前記酸化物半導体膜と重ならない領域と、を有し、
前記トランジスタのチャネル形成領域を含むチャネル長方向の断面視において、前記第２の導電膜は、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有する第１の端部と、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有し、かつ、前記第１の端部と対向する第２の端部と、を有し、
前記断面視において、前記第３の導電膜は、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有する第３の端部と、前記酸化物半導体膜と重なりを有し、前記第１の導電膜と重なりを有さず、かつ、前記第３の端部と対向する第４の端部と、を有する、
半導体装置。
【請求項３】
トランジスタのゲートとしての機能を有する第１の導電膜と、
前記第１の導電膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記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膜と、
前記酸化物半導体膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記トランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有する第２の導電膜と、
前記酸化物半導体膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記トランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有する第３の導電膜と、を有し、
平面視において、前記第２の導電膜は、複数の第１の凸部を有する櫛歯状の形状を有し、
平面視において、前記第３の導電膜は、複数の第２の凸部を有する櫛歯状の形状を有し、
平面視において、前記第２の導電膜は、前記第３の導電膜に挟まれた領域を有し、
前記第２の導電膜と、前記第３の導電膜とは、前記複数の第１の凸部と前記複数の第２の凸部とが互いに噛み合うように配置され、
平面視において、前記第３の導電膜は、前記第１の導電膜の周縁と重なりを有し、
前記トランジスタのチャネル形成領域を含むチャネル長方向の断面視において、前記第２の導電膜は、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有する第１の端部と、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有し、かつ、前記第１の端部と対向する第２の端部と、を有し、
前記断面視において、前記第３の導電膜は、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有する第３の端部と、前記酸化物半導体膜と重なりを有し、前記第１の導電膜と重なりを有さず、かつ、前記第３の端部と対向する第４の端部と、を有する、
半導体装置。
【請求項４】
トランジスタのゲートとしての機能を有する第１の導電膜と、
前記第１の導電膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記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膜と、
前記酸化物半導体膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記トランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有する第２の導電膜と、
前記酸化物半導体膜の上方に配置される領域を有し、かつ、前記トランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有する第３の導電膜と、を有し、
平面視において、前記第２の導電膜は、複数の第１の凸部を有する櫛歯状の形状を有し、
平面視において、前記第３の導電膜は、複数の第２の凸部を有する櫛歯状の形状を有し、
平面視において、前記第２の導電膜は、前記第３の導電膜に挟まれた領域を有し、
前記第２の導電膜と、前記第３の導電膜とは、前記複数の第１の凸部と前記複数の第２の凸部とが互いに噛み合うように配置され、
平面視において、前記第１の導電膜は、前記酸化物半導体膜と重なる領域と、前記酸化物半導体膜と重ならない領域と、を有し、
平面視において、前記第３の導電膜は、前記第１の導電膜の周縁と重なりを有し、
前記トランジスタのチャネル形成領域を含むチャネル長方向の断面視において、前記第２の導電膜は、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有する第１の端部と、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有し、かつ、前記第１の端部と対向する第２の端部と、を有し、
前記断面視において、前記第３の導電膜は、前記酸化物半導体膜を介して前記第１の導電膜と重なりを有する第３の端部と、前記酸化物半導体膜と重なりを有し、前記第１の導電膜と重なりを有さず、かつ、前記第３の端部と対向する第４の端部と、を有する、
半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
平面視において、前記第２の端部と前記第３の端部とは、前記トランジスタのチャネル形成領域を挟んで互いに対向している、
半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の半導体膜を用いたＤＣＤＣコンバータ、電源回路及び半導体装置に関す
る。
続きを表示（約 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、ポリシリコンや微結晶シリコンによって得られる高い移動度と、アモルファスシリ
コンによって得られる均一な素子特性とを兼ね備えた新たな半導体材料として、酸化物半
導体と呼ばれる、半導体特性を示す金属酸化物に注目が集まっている。金属酸化物は様々
な用途に用いられており、例えば、よく知られた金属酸化物である酸化インジウムは、液
晶表示装置などで透明電極材料として用いられている。半導体特性を示す金属酸化物とし
ては、例えば、酸化タングステン、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛などがあり、この
ような半導体特性を示す金属酸化物をチャネル形成領域に用いるトランジスタが、既に知
られている（特許文献１及び特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００７－１２３８６１号公報
特開２００７－９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＤＣＤＣコンバータは、入力電圧の値に係わらず、一定の出力電圧を得ること
ができる定電圧回路であり、整流回路などと共に電源回路に用いられている。特に、スイ
ッチング方式のＤＣＤＣコンバータを用いた電源回路は、スイッチング電源またはスイッ
チングレギュレータと呼ばれている。
【０００５】
スイッチング方式のＤＣＤＣコンバータは、スイッチング素子により入力電圧からパルス
状の波形を有する電圧を形成し、当該電圧をコイルや容量素子などにおいて平滑化或いは
保持することで、所望の大きさの出力電圧を得るものである。スイッチング方式の場合、
抵抗による電圧降下を利用するリニア方式の場合よりも、ＤＣＤＣコンバータにおける電
力の内部損失を理論的に小さくすることができるため、電力変換効率が高く、電力損失に
伴う発熱量を小さく抑えることができる。そのため、マイクロプロセッサなどの大きな出
力電圧を必要とする半導体装置では、スイッチング方式のＤＣＤＣコンバータを用いた電
源回路が多用されている。
【０００６】
しかし、スイッチング方式のＤＣＤＣコンバータは、リニア方式のものより高い電力変換
効率が得られるが、半導体装置の低消費電力化を図るためにはさらなる電力変換効率の向
上が要求される。特に、一次電池、二次電池などの各種電池や、キャパシタなどに蓄積さ
れた電力を用いる携帯型電子機器の場合、電池またはキャパシタなどから出力される電圧
を最適な大きさに変換するためには、ＤＣＤＣコンバータを用いる必要がある。ＤＣＤＣ
コンバータの電力変換効率を向上させることは、半導体装置の消費電力を小さく抑え、延
いては上記半導体装置を用いた携帯型電子機器の連続使用時間を長く確保することに繋が
る。
【０００７】
上述の課題に鑑み、本発明は、電力変換効率の向上を実現するＤＣＤＣコンバータ、及び
上記ＤＣＤＣコンバータを用いた電源回路の提供を目的の一とする。或いは、本発明は、
ＤＣＤＣコンバータを用いた半導体装置の、消費電力の低減を目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、ＤＣＤＣコンバータの電力変換効率が、出力電力を制御するためのスイッ
チング素子として機能するトランジスタの、オン抵抗またはオフ電流に左右されることに
着目した。そして、ＤＣＤＣコンバータの出力電力が小さい場合には、トランジスタのオ
ン抵抗による電力損失よりも、トランジスタのオフ電流による電力損失の方が、電力変換
効率の低減に繋がると考えた。また、ＤＣＤＣコンバータの出力電力が大きい場合には、
トランジスタのオフ電流による電力損失よりも、トランジスタのオン抵抗による電力損失
の方が、電力変換効率の低減に繋がると考えた。
【０００９】
そこで、本発明の一態様に係るＤＣＤＣコンバータは、スイッチング素子として機能する
トランジスタが、通常のゲート電極に加えて、チャネル形成領域を間に挟んで上記ゲート
電極と向かい合い、閾値電圧を制御するためのバックゲート電極を備えるものとする。そ
して、ＤＣＤＣコンバータから出力される出力電力の大きさに従って、バックゲート電極
に与える電位の高さを制御するための、バックゲート制御回路を備える。バックゲート制
御回路により、バックゲート電極に与える電位を制御することで、出力電力が大きい場合
（所定の値を超えた場合）にはオン抵抗が下がるように閾値電圧を調整し、出力電力が小
さい場合（所定の値以下の場合）にはオフ電流が下がるように閾値電圧を調整することが
できる。
【００１０】
さらに、本発明の一態様に係るＤＣＤＣコンバータでは、スイッチング素子として機能す
るトランジスタが、オフ電流の極めて小さい絶縁ゲート電界効果型トランジスタ（以下、
単にトランジスタとする）であることを特徴とするものである。上記トランジスタは、シ
リコン半導体よりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低い半導
体材料を、チャネル形成領域に含むことを特徴とする。上述したような特性を有する半導
体材料をチャネル形成領域に含むことで、オフ電流が極めて低く、なおかつ高耐圧である
トランジスタを実現することができる。このような半導体材料としては、例えば、シリコ
ンの約３倍の大きなバンドギャップを有する酸化物半導体が挙げられる。上記構成を有す
るトランジスタをスイッチング素子として用いることで、出力電力が大きい場合は高電圧
の印加によるスイッチング素子の劣化を防ぐことができ、出力電力が小さい場合はオフ電
流を著しく低く抑えることができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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