DE112011101875T5 - Halbleiteranordnung und Festkörperrelais, das diese verwendet - Google Patents

Halbleiteranordnung und Festkörperrelais, das diese verwendet Download PDF

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Abstract

Eine Halbleiteranordnung weist ein oder mehrere unipolare Verbindungshalbleiter-Elemente sowie Überbrückungs-Halbleiterelemente auf, die extern mit den entsprechenden Verbindungshalbleiter-Elementen parallel geschaltet sind. Eine Einschaltspannung der Überbrückungs-Halbleiterelemente ist kleiner als eine Einschaltspannung der Verbindungshalbleiter-Elemente in der Richtung von der Source zu dem Drain.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung und ein Festkörperrelais, das diese verwendet, und sie betrifft insbesondere eine Halbleiteranordnung, die einen Verbindungshalbleiter, wie etwa SiC, nutzt, und ein Festkörperrelais, das diese Halbleiteranordnung verwendet.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bekannt ist ein optisch gekoppeltes Festkörperrelais mit einem Lichtemissionselement, das entsprechend einem Eingangssignal Licht emittiert, und einem Lichtempfangselement, das ein optisches Signal von dem Lichtemissionselement empfängt, um eine elektromotorische Kraft zu erzeugen, mit der ein Ausgangs-MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) ein- und ausgeschaltet wird [siehe z. B. die japanische Patentanmeldung Nr. H08-204533 ( JP H08-204533A )]. Festkörperrelais sind bisher für verschiedene Zwecke verwendet worden, da sie einen geringen Einschaltwiderstand und ein kleines Volumen haben und ein sehr kleines analoges Signal steuern können.
  • 11 zeigt eine Konfiguration eines herkömmlichen Festkörperrelais. Wie in 11 gezeigt ist, weist das Festkörperrelais Folgendes auf: ein Lichtemissionselement 110, wie etwa eine LED, das in Reaktion auf ein Eingangssignal, das von Eingangsanschlüssen T1 und T2 eingegeben wird, ein optisches Signal erzeugt; eine fotoelektrische Umwandlungseinheit 120 mit einer Fotodiodenanordnung 121, die das optische Signal empfängt und eine elektromotorische Kraft erzeugt, und einer Lade- und Entladeschaltung 122, die die erzeugte elektromotorische Kraft lädt und entlädt; und ein Ausgangselement 130 (130a und 130b) mit zwei Ausgangs-MOSFETs 131a bzw. 131b, die jeweils entsprechend einer Spannung von der Lade- und Entladeschaltung 122 ein- oder ausgeschaltet werden.
  • Was die Ausgangs-MOSFETs 130a und 130b betrifft, so haben SiC-MOSFETs, die aus SiC bestehen, wegen ihrer hohen Stehspannung und ihres geringen Einschaltwiderstands Aufmerksamkeit erregt.
  • 12 zeigt die Konfiguration der einzelnen Ausgangs-MOSFETs 130a und 130b. Insbesondere ist eine epitaxial aufgewachste n-Schicht 2 auf einem n-SiC-Substrat 1 ausgebildet, ein p-Wannengebiet 3 ist auf der epitaxial aufgewachsten n-Schicht 2 ausgebildet, und eine Source 4, die aus einer n-Diffusionsschicht besteht, ist auf dem p-Wannengebiet 3 ausgebildet. Darüber hinaus ist eine Gate-Elektrode 7 über eine Gate-Isolierschicht 6, die aus einer Siliciumoxidschicht besteht, auf der Oberfläche des p-Wannengebiets 3 ausgebildet. Auf der Oberfläche des p-Wannengebiets 3 ist außerdem ein Kanalgebiet vorgesehen. Das Bezugssymbol 5 bezeichnet eine Source-Elektrode, und das Bezugssymbol 9 bezeichnet eine Drain-Elektrode. Darüber hinaus sind zwischen dem p-Wannengebiet 3 und der epitaxial aufgewachsten Schicht 2 Body-Dioden 132a und 132b ausgebildet. Das Bezugssymbol Rch bezeichnet den Kanalwiderstand, das Bezugssymbol Repi bezeichnet den Widerstand der Epitaxialschicht, und das Bezugssymbol Rsub bezeichnet den Substratwiderstand.
  • Wenn eine positive Spannung an einen Drain und eine negative Spannung an eine Source angelegt werden, wird der MOSFET über einen Kanal in Abhängigkeit davon ein- und ausgeschaltet, ob eine vorgegebene Spannung an der Gate-Elektrode 7 anliegt oder nicht. Wenn hingegen eine positive Spannung an die Source und eine negative Spannung an den Drain angelegt werden, wird eine Spannung in Vorwärtsrichtung an einen pn-Übergang der Body-Diode 132a (132b) angelegt, sodass ein Strom in der Vorwärtsrichtung der Body-Diode 132a (132b) fließt, unabhängig davon, ob die vorgegebene Spannung an der Gate-Elektrode 7 anliegt oder nicht.
  • Bei einem Verbindungshalbleiter, wie etwa einem SiC-Halbleiter, besteht das Problem, dass durch den Strom, der in der Vorwärtsrichtung der Diode mit dem pn-Übergang fließt, eine Zunahme von Kristallfehlern bewirkt wird. Der Einschaltwiderstand umfasst den Epitaxialschicht-Widerstand Repi und den Substratwiderstand Rsub. Daher bewirkt bei dem SiC-Substrat der Strom, der in der Vorwärtsrichtung fließt, eine Zunahme von Kristallfehlern. Das hat einen Anstieg des Einschaltwiderstands des SiC-MOSFETs zur Folge, und dieses Problem sollte gelöst werden.
  • Ein Schaltelement wird in einer Stromumwandlungsvorrichtung verwendet, wie etwa einem Wechselrichter zum Umwandeln eines Gleichstroms (GS) in einen Wechselstrom (WS), einem Wandler zum Umwandeln eines WS in einen GS und dergleichen. Für das Schaltelement ist ein FET (Feldeffekttransistor) vorgeschlagen worden, der aus einem Verbindungshalbleiter, wie etwa einem SiC-Halbleiter, einem GaN-Halbleiter oder dergleichen, besteht. Die Verbindungshalbleiter sind für Hochtemperaturprozesse geeignet, da sie eine hohe Bandlückenenergie und Wärmebeständigkeit haben. Daher können durch Verwenden eines FETs, der aus einem solchen Verbindungshalbleiter-Material besteht, die Kosten für Kühlelemente gesenkt werden und es kann eine hohe Stehspannung erzielt werden [siehe z. B. japanische Patentanmeldung Nr. 2003-229566 ( JP 2003-229566A )]. In dieser angegebenen Quelle wird ein Substrat verwendet, auf dem ein Leistungs-FET, der als ein Schaltelement dient, und ein Schutzelement, wie etwa eine Schottky-Diode auf GaN-Basis oder dergleichen, integriert sind.
  • Außerdem ist ein FET vorgeschlagen worden, bei dem eine Verbindungshalbleiter-Schicht auf Nitridbasis auf einem Substrat ausgebildet ist. Der FET und eine Diode, die als ein Schutzelement für den FET dient, sind so integriert, dass sie parallel geschaltet sind [siehe z. B. japanische Patentanmeldung Nr. 2007-266475 ( JP 2007-266475A )]. Das dient zum Verringern des Stromverlusts durch Unterdrücken des Leckens, das von aneinander gereihten Versetzungen verursacht wird, die entstehen, wenn eine Verbindungshalbleiter-Schicht auf Nitridbasis hergestellt wird (Absatz 0044). Bei diesem Beispiel können durch Bereitstellen einer Diode für einen FET durch den Strom die aneinander gereihten Versetzungen vermieden werden, die senkrecht zu dem Substrat erzeugt werden.
  • Wie vorstehend dargelegt worden ist, kann ein SiC-MOSFET, der als ein Ausgangs-Schaltelement, d. h., als ein Ausgangselement des in JP H08-204553A beschriebenen Festkörperrelais, verwendet wird, einen weiteren Anstieg des Einschaltwiderstands durch die Zunahme von Kristallfehlern verursachen.
  • Darüber hinaus ist in JP 2003-229566A und JP 2007-266475A ein Beispiel beschrieben, bei dem ein Schutzelement mit einem Verbindungshalbleiter-Element auf Nitridbasis in einer Verbindungshalbleiter-Anordnung auf Nitridbasis parallel geschaltet ist. Dort sind jedoch die Alterungseffekte nicht erwähnt, die durch mehrfach wiederholtes Ein- und Ausschalten des Halbleiterelements verursacht werden. Und da das Halbleiterelement und das Schutzelement integriert sind, fließt der Strom auch in der Verbindungshalbleiter-Anordnung auf Nitridbasis.
  • Bei dieser Verbindungshalbleiter-Anordnung auf Nitridbasis wird der Stromfluss so gesteuert, dass die aneinander gereihten Versetzungen vermieden werden, die senkrecht zu dem Substrat erzeugt werden. Tatsächlich fließt jedoch der Strom in der epitaxial aufgewachsten Schicht, die einen hohen Widerstand hat. Außerdem ist es wegen des hohen Stromverbrauchs schwierig, den Stromverbrauch hinreichend zu senken.
  • Es ist ebenfalls schwierig, das Schutzelement zu integrieren, und daher muss in dem Substrat ein Kontaktgebiet mit einer großen Tiefe ausgebildet werden, oder die Anzahl der parasitären Elemente nimmt zu, wie es bei JP 2003-229566A und JP 2007-266475A der Fall ist. Darüber hinaus wird die Integration des Schutzelements von der Wärmeabgabe beeinflusst, die von dem elektrischen Feld in dem Schutzelement oder von dem Strom verursacht wird, der entsteht, wenn die Stromquelle eingeschaltet wird. Solche Kristallfehler können auch bei verschiedenen Verbindungshalbleiter-FETs zunehmen, wie etwa den FETs auf GaN-Basis und den SiC-MOSFETs.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • In Anbetracht des Vorstehenden stellt die vorliegende Erfindung eine Halbleiteranordnung mit einer hohen Zuverlässigkeit zur Verfügung, die den Anstieg des Einschaltwiderstands verringern kann.
  • Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleiteranordnung bereitgestellt, die ein oder mehrere unipolare Verbindungshalbleiter-Elemente und Überbrückungs-Halbleiterelemente aufweist, die extern mit den entsprechenden Verbindungshalbleiter-Elementen parallel geschaltet sind, wobei eine Einschaltspannung der Überbrückungs-Halbleiterelemente kleiner als eine Einschaltspannung der Verbindungshalbleiter-Elemente in der Richtung von einer Source zu einem Drain ist. Jedes der Überbrückungs-Halbleiterelemente kann von einer Siliciumdiode gebildet werden, und der Drain und die Source jedes der Verbindungshalbleiter-Elemente können mit einer Katode bzw. einer Anode der entsprechenden Siliciumdiode verbunden sein. Jedes der Überbrückungs-Halbleiterelemente kann aus einem Si-MOSFET bestehen, und der Drain und die Source jedes der Verbindungshalbleiter-Elemente können mit einer Katode bzw. einer Anode des entsprechenden Si-MOSFETs verbunden sein. Jedes der Überbrückungs-Halbleiterelemente kann von einer SiC-Schottky-Diode gebildet werden, und der Drain und die Source jedes der Verbindungshalbleiter-Elemente können mit einer Katode bzw. einer Anode der entsprechenden SiC-Schottky-Diode verbunden sein. Jedes der Verbindungshalbleiter-Elemente kann von einem SiC-FET oder einem GaN-FET gebildet werden.
  • Die Verbindungshalbleiter-Elemente können in Gegenreihenschaltung geschaltet sein, wobei sie ihre Sources gemeinsam haben.
  • Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Festkörperrelais zur Verfügung gestellt, das Folgendes aufweist: die Halbleiteranordnung; ein Lichtemissionselement, das so konfiguriert ist, dass es in Reaktion auf ein Eingangssignal Licht emittiert; eine Fotodiodenanordnung, die das Licht empfängt und einen Strom erzeugt; und eine Lade- und Entladeschaltung, die mit der fotoelektrischen Anordnung parallel geschaltet ist, wobei die Gates und Sources der Verbindungshalbleiter-Elemente, die in der Halbleiteranordnung enthalten sind, jeweils mit gegenüberliegenden Enden der Fotodiodenanordnung verbunden sind.
  • Gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung sind die Überbrückungs-Halbleiterelemente extern mit den entsprechenden Verbindungshalbleiter-Elementen parallel geschaltet. Darüber hinaus ist die Einschaltspannung der Überbrückungs-Halbleiterelemente kleiner als die Einschaltspannung der Verbindungshalbleiter-Elemente in der Richtung von der Source zu dem Drain. Daher werden die Überbrückungs-Halbleiterelemente eingeschaltet, bevor der Strom von der Source jedes der Verbindungshalbleiter-Elemente zu ihrem Drain fließt. Dadurch ist es möglich, eine durch das Einschalten der SiC-pn-Diode (Body-Diode) verursachte Zunahme von Kristallfehlern der epitaxial aufgewachsten Schicht (oder des Substrats) zu vermeiden, die auf der Oberfläche eines SiC-Wafers ausgebildet ist, wodurch ein Anstieg des Einschaltwiderstands der SiC-MOSFETs unterdrückt wird. Insbesondere ist es möglich, diese für Anordnungen mit einer hohen Schalthäufigkeit, wie etwa Festkörperrelais und dergleichen, zu verwenden, um eine Zunahme von Kristallfehlern zu vermeiden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Darstellung einer Äquivalenzschaltung, die ein Festkörperrelais gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine Darstellung einer Äquivalenzschaltung, die ein Ausgangselement zeigt, das in dem Festkörperrelais verwendet wird.
  • 3A zeigt ein Beispiel für einen Ausgangselement-Chip, der gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung extern mit einer Siliciumdiode verbunden ist, und 3B ist eine Darstellung der Äquivalenzschaltung von 3A.
  • 4 ist eine teilweise abgeschnittene perspektivische Darstellung, die das Festkörperrelais gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 5 ist eine schematische Schnittansicht, die das Festkörperrelais zeigt.
  • 6 ist eine Darstellung einer Äquivalenzschaltung, die eine Modifikation eines Ausgangselements zeigt, das in dem Festkörperrelais verwendet wird.
  • 7 ist eine Darstellung einer Äquivalenzschaltung, die ein Ausgangselement zeigt, das in einem Festkörperrelais gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 8 ist eine Darstellung einer Äquivalenzschaltung, die ein Ausgangselement zeigt, das in einem Festkörperrelais gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 9 ist eine grafische Darstellung, die das Messergebnis für die Beziehung zwischen einer Spannung und einem Leitungsstrom zeigt.
  • 10 ist eine grafische Darstellung, die das Messergebnis für die Beziehung zwischen einer Durchbruchspannung und einem Überkreuzungsstrom zeigt.
  • 11 ist eine Darstellung einer Äquivalenzschaltung, die ein herkömmliches Festkörperrelais zeigt.
  • 12 ist eine Schnittansicht, die einen SiC-MOSFET-Chip zeigt, der in dem herkömmlichen Festkörperrelais zum Einsatz kommt.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden. Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind.
  • Erste Ausführungsform
  • Ein Festkörperrelais gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist durch ein Ausgangselement gekennzeichnet, das von einem Verbindungshalbleiter-Element, z. B. einem SiC-MOSFET, gebildet wird, das extern mit einer Siliciumdiode verbunden ist, wobei die Siliciumdiode als ein Schutzelement für das Ausgangselement verwendet wird. Eine Halbleiteranordnung der vorliegenden Ausführungsform weist Folgendes auf: mindestens ein unipolares Verbindungshalbleiter-Element, das als das Ausgangselement dient; und Überbrückungs-Halbleiterelemente, die als die Schutzelemente dienen, wobei die Überbrückungs-Halbleiterelemente extern mit den entsprechenden Verbindungshalbleiter-Elementen parallel geschaltet sind. Dabei ist die Einschaltspannung der Überbrückungs-Halbleiterelemente kleiner als die Einschaltspannung der Verbindungshalbleiter-Elemente in der Richtung von der Source zu dem Drain.
  • Das Festkörperrelais der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: ein Lichtemissionselement, das in Reaktion auf ein Eingangssignal Licht emittiert; eine Fotodiodenanordnung, die das Licht empfängt und einen elektrischen Strom erzeugt; und eine Lade- und Entladeschaltung, die mit der Fotodiodenanordnung parallel geschaltet ist. Das Gate und die Source jedes der Verbindungshalbleiter-Elemente sind über die Lade- und Entladeschaltung mit gegenüberliegenden Enden der Fotodiodenanordnung verbunden.
  • 1 ist eine Darstellung einer Äquivalenzschaltung, die das Festkörperrelais zeigt, und 2 ist eine Darstellung einer Äquivalenzschaltung, die das Ausgangselement und das Schutzelement zeigt. 3A zeigt ein Beispiel für einen Ausgangselement-Chip, der gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung extern mit einer Siliciumdiode verbunden ist, und 3B ist eine Darstellung der Äquivalenzschaltung von 3A.
  • Drains D von SiC-MOSFETs 31a und 31b, die in den Ausgangselementen 30 (30a und 30b) enthalten sind, sind entsprechend mit Katoden K von Überbrückungs-Siliciumdioden 40a und 40b verbunden. Anoden A der Überbrückungs-Siliciumdioden 40a und 40b sind entsprechend mit Sources A der SiC-MOSFETs 31a und 31b in Gegenreihenschaltung verbunden. Darüber hinaus sind die Überbrückungs-Siliciumdioden 40a und 40b über Leitungen L entsprechend mit den SiC-MOSFETs 31a und 31b verbunden. In den 3A und 3B sind nur ein SiC-MOSFET 31a und eine Siliciumdiode 40a dargestellt, aber wie in 1 gezeigt ist, sind zwei derartige SiC-MOSFETs und zwei derartige Siliciumdioden angeordnet. Außerdem sind eingebaute SiC-Body-Dioden 32a und 32b entsprechend mit den SiC-MOSFETs 31a und 31b parallel geschaltet.
  • Wie in 1 gezeigt ist, weist das Festkörperrelais der vorliegenden Ausführungsform Folgendes auf: ein Lichtemissionselement 10; eine fotoelektrische Umwandlungsanordnung 20 und Ausgangselemente 30 (30a und 30b). Das Lichtemissionselement 10 weist eine LED mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss T1 und T2 auf. Die fotoelektrische Umwandlungsanordnung 20 weist Folgendes auf: eine Fotodiodenanordnung 21, die eine elektromagnetische Kraft entsprechend der Lichtemission des Lichtemissionselements 10 erzeugt, um eine dadurch erzeugte Spannung auszugeben; und eine Lade- und Entladeschaltung 22, die die von der Fotodiodenanordnung 21 ausgegebene Spannung lädt und entlädt. Die Ausgangselemente 30 werden durch Anlegen der Ausgangsspannung der Fotodiodenanordnung 21 an Gates ein- und ausgeschaltet.
  • Hier sind die Ausgangselemente 30 zwei Ausgangselemente, d. h. die SiC-MOSFETs 31a und 31b, deren Kanal zwischen dem Drain und der Source ein- oder ausgeschaltet ist, die mit den SiC-Body-Dioden 32a und 32b, die als Schutzelemente dienen, entsprechend parallel geschaltet sind. Die SiC-Body-Dioden 32a und 32b sind eingebaute Dioden, die jeweils eine Diode mit einem pn-Übergang sind, die zwischen einem p-Wannengebiet 3 und einer epitaxial aufgewachsten Schicht 2 ausgebildet ist, wie in 3A gezeigt ist.
  • Wie auf der linken Seite von 3A gezeigt ist, haben die Ausgangselemente 30 (30a und 30b) jeweils die epitaxial aufgewachste n-Schicht 2, die auf einer ersten Oberfläche eines n-SiC-Substrats 1 ausgebildet ist. Das n-SiC-Substrat 1 hat durch die Epitaxie eine gewünschte Konzentration und hat ein p-Wannengebiet 3, das auf der epitaxial aufgewachsten n-Schicht 2 ausgebildet ist. Auf dem p-Wannengebiet 3 ist eine n-Source 4 ausgebildet, die als ein Störstellengebiet dient. Eine Gate-Elektrode 7 ist über eine Gate-Isolierschicht 6 auf einer oberen Schicht der Source 4 ausgebildet.
  • Diese Gate-Elektrode 7 erstreckt sich zwischen benachbarten p-Wannengebieten, um die Ausbildung des Kanals auf der Oberfläche des p-Wannengebiets 3 zu steuern. Eine Source-Elektrode 5 ist über eine Isolierschicht 8, z. B. eine Siliciumoxidschicht, auf einer oberen Schicht der Gate-Elektrode 7 ausgebildet. Die Isolierschicht 8 ist dazu vorgesehen, um das gesamte Substrat 1 außer dem Kontaktgebiet der Source 4 sowie die Gate-Elektrode 7 zu bedecken. Darüber hinaus ist auf einer Rückseite, d. h. einer zweiten Oberfläche des n-SiC-Substrats 1, eine Drain-Elektrode 9 ausgebildet. Das Bezugssymbol P bezeichnet eine Passivierungsschicht, die aus einer Polyimidschicht oder dergleichen besteht und die erste Oberfläche des Substrats 1 bedeckt.
  • Gates G der beiden SiC-MOSFETs 31a und 31b sind entsprechend mit einer Anode der Fotodiodenanordnung 21 verbunden, und deren Sources, die miteinander in Gegenreihenschaltung verbunden sind, sind mit einer Katode der Fotodiodenanordnung 21 verbunden. Darüber hinaus sind Drains der SiC-MOSFETs 31a und 31b entsprechend mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluss T3 und T4 verbunden.
  • 4 ist eine abgeschnittene perspektivische Darstellung, und 5 ist eine schematische Schnittansicht, und beide zeigen ein Beispiel für das Festkörperrelais gemäß der ersten Ausführungsform. Das Festkörperrelais weist einen Leiterrahmen 15 auf an den das Lichtemissionselement 10, die fotoelektrische Umwandlungsanordnung 20 und die Ausgangselemente 30 montiert sind. Das Lichtemissionselement 10 wird entsprechend einem Eingangssignal ein- und ausgeschaltet. Die fotoelektrische Umwandlungsanordnung 20 weist Folgendes auf: die Fotodiodenanordnung 21, die ein optisches Signal von dem Lichtemissionselement 10 empfängt, um durch fotoelektrische Umwandlung eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen; und die Lade- und Entladeschaltung 22, die einen von der Fotodiodenanordnung 21 erzeugten Strom lädt und entlädt. Die Ausgangselemente 30 enthalten entsprechend die SiC-MOSFETs 31a und 31b, die mit einer Ausgangsspannung von der fotoelektrischen Umwandlungsanordnung 20 versorgt werden (die Ausgangselemente 30 weisen weiterhin die SiC-Body-Dioden 32a und 32b auf).
  • Wenn eine Gate-Spannung des SiC-MOSFETs ein festgelegtes Spannungsniveau erreicht, geht der SiC-MOSFET in einen Leitungszustand über, um eine Last einzuschalten. Hier bezeichnen die Bezugssymbole T1 und T2 Eingangsanschlüsse, die Bezugssymbole T3 und T4 bezeichnen Ausgangsanschlüsse, und das Bezugssymbol 100 bezeichnet ein Harzgehäuse. Wie in 5 gezeigt ist, sind das Lichtemissionselement 10 und die fotoelektrische Umwandlungsanordnung 20 so montiert, dass sie so zueinander zeigen, dass Licht, das von dem Lichtemissionselement 10 emittiert wird, die Fotodiodenanordnung 21 erreicht.
  • Nachstehend wird die Funktionsweise des wie vorstehend konfigurierten Festkörperrelais der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • Das Lichtemissionselement 10 emittiert Licht entsprechend einem Eingangssignal, das von dem ersten Anschluss T1 oder dem zweiten Anschluss T2 eingegeben wird, um ein optisches Signal zu erzeugen. Die Fotodiodenanordnung 21 empfängt das optische Signal von dem Lichtemissionselement 10 und erzeugt eine elektromagnetische Kraft an dessen gegenüberliegenden Enden, um eine so erzeugte Spannung auszugeben.
  • Die Lade- und Entladeschaltung 22 dient zum Laden und Entladen der von der fotoelektrischen Anordnung 21 ausgegebenen Spannung, um diese an die Gates der SiC-MOSFETs 31a und 31b anzulegen, die das Ausgangselement 30 (30a oder 30b) bilden. Wenn nun die Ausgangsspannung der fotoelektrischen Anordnung 21, die an die SiC-MOSFETs 31a und 31b angelegt wird, größer als eine Schwellenspannung Vth ist, wird ein Kanal zwischen dem Drain und der Source des SiC-MOSFETs 31a oder 31b eingeschaltet, und dadurch wird eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss T3 und T4 hergestellt und das Relais wird geschlossen.
  • Wenn hingegen kein Eingangssignal über den ersten und den zweiten Eingangsanschluss T1 und T2 eingegeben wird, wird keine Spannung von der fotoelektrischen Umwandlungsanordnung 20 ausgegeben, sodass der Kanal zwischen dem Drain und der Source des SiC-MOSFETs 31a oder 31b ausgeschaltet ist. Dadurch werden der erste und der zweite Ausgangsanschluss T3 und T4 getrennt und das Relais wird geöffnet.
  • Wie vorstehend dargelegt worden ist, sind die SiC-MOSFETs 31a und 31b, die als die Ausgangselemente 30 dienen, die in dem Festkörperrelais der ersten Ausführungsform verwendet werden, in Gegenreihenschaltung geschaltet. Außerdem sind die Siliciumdioden 40a und 40b jeweils extern über den Leiterrahmen 15 mit den SiC-MOSFETs 31a und 31b verbunden. Dadurch werden in dem Harzgehäuse 100 die Siliciumdioden 40a und 40b mit den SiC-MOSFETs 31a und 31b als Überbrückungselemente verbunden, und dabei werden die Operationen von parasitären Elementen, d. h. der SiC-Body-Dioden 32 (32a und 32b), unterdrückt.
  • Eine in Vorwärtsrichtung abfallende Spannung Vf (etwa 3 V) einer SiC-pn-Diode, die als die SiC-Body-Diode 32 dient, ist größer als eine in Vorwärtsrichtung abfallende Spannung Vf (etwa 0,6 V) der Siliciumdiode. Daher überbrückt, wenn eine positive Spannung an die Source und eine negative Spannung an den Drain angelegt werden, ein Strom, der durch die SiC-pn-Diode (die SiC-Body-Diode 32a oder 32b) fließen soll, wenn keine Siliciumdiode vorgesehen ist, diese und fließt zu der Siliciumdiode 40a oder 40b. Dadurch ist es möglich, die durch das Einschalten der SiC-pn-Diode verursachte Zunahme von Kristallfehlern in der epitaxial aufgewachsten Schicht (oder dem Substrat) zu vermeiden, die auf der Oberfläche eines SiC-Wafers ausgebildet ist, wodurch der Anstieg des Einschaltwiderstands der SiC-MOSFETs unterdrückt wird. In dieser Weise kann die Zuverlässigkeit des Ausgangskontakts des Relais auch dann aufrechterhalten werden, wenn das Relais immer wieder genutzt wird.
  • Die Ausgangselemente 30a und 30b können jeweils aus einem GaN-FET anstatt des SiC-FETs bestehen. Wenn in diesem Fall an den GaN-FET 31a eine Spannung angelegt wird, die gleich oder größer als seine Stehspannung ist, wird die Spannung auch an den GaN-FET 31b angelegt. Dabei wird, wenn die Siliciumdiode 40b nicht mit dem GaN-FET 31b verbunden ist, die Spannung in Vorwärtsrichtung zwischen dem Drain und der Source des GaN-FETs 31b angelegt. Der Abstand zwischen dem Drain und der Source ist zu klein, als dass leicht ein Kurzschluss entsteht. In den Ausgangselementen 30 der vorliegenden Ausführungsform sind die Siliciumdioden, die als die Schutzelemente dienen, jedoch entsprechend parallel geschaltet, sodass Ströme in den Siliciumdioden fließen. Dadurch ist es möglich, einen Source-Gate-Kurzschluss zu vermeiden.
  • Wie vorstehend dargelegt worden ist, sind die Schutzelemente 40a und 40b entsprechend mit den SiC-MOSFETs 31a und 31b verbunden. Dadurch kann die durch das wiederholte Einschalten der Body-Dioden verursachte Zunahme von Kristallfehlern vermieden werden und die Zuverlässigkeit der Ausgangselemente kann verbessert werden. Außer diesen vorteilhaften Wirkungen hat das Festkörperrelais die folgenden Eigenschaften:
    • 1) Da die extern geschalteten Siliciumdioden als die Schutzelemente verwendet werden, kann eine sehr zuverlässige Halbleiteranordnung mit einer einfachen Konfiguration problemlos hergestellt werden. Und da die optische Kopplung genutzt wird, können der Eingang und der Ausgang vollständig voneinander getrennt sein.
    • 2) Da der Leistungs-SiC-MOSFET als der Lastschalter verwendet wird, kommt es nicht zum Rattern oder zu mechanischen Geräuschen. Da der Lastschalter ein hohes Richtvermögen im eingeschalteten Zustand hat, kann ein analoges Signal gesteuert werden.
    • 3) Da die Ausgangsschaltungen durch Schalten von FETs in Gegenreihenschaltung konfiguriert sind, sind sie für WS- und GS-Elemente verfügbar.
  • Bei der ersten Ausführungsform werden die beiden in Gegenreihenschaltung geschalteten SiC-MOSFETs 31a und 31b verwendet. Wie in 6 gezeigt ist, kann alternativ auch ein einzelner SiC-MOSFET 31 verwendet werden, der als das Ausgangselement 30 dient, mit dem eine Siliciumdiode 40 parallel geschaltet ist.
  • Zweite Ausführungsform
  • Wie in 7 gezeigt ist, wird in einer Halbleiteranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform ein Überbrückungs-Halbleiterelement, das als ein Schutzelement dient, so von einem Si-MOSFET 51 gebildet, dass der Drain und die Source des Si-MOSFETs 51 mit dem Drain bzw. der Source des SiC-MOSFETs 31 verbunden sind.
  • Bei einer Body-Diode 52, die mit dem Si-MOSFET 51 versehen ist, ist eine in Vorwärtsrichtung abfallende Spannung Vf (etwa 0,6 V) kleiner als eine in Vorwärtsrichtung abfallende Spannung Vf (etwa 3 V) einer SiC-pn-Diode (Body-Diode) 32, die in der Richtung von der Source zu dem Drain in der vorstehenden Konfiguration parallel geschaltet ist. Daher überbrückt beim Anlegen einer positiven Spannung an die Source und einer negativen Spannung an den Drain ein Strom, der durch die SiC-pn-Diode (Body-Diode) 32 fließen soll, wenn keine Body-Diode 52 vorgesehen ist, diese und fließt zu der Body-Diode 52 des Si-MOSFETs 51.
  • Dadurch ist es möglich, die durch das Einschalten der SiC-pn-Diode (Body-Diode) verursachte Zunahme von Kristallfehlern in der epitaxial aufgewachsten Schicht und dem Substrat zu vermeiden, wodurch der Anstieg des Einschaltwiderstands des SiC-MOSFETs unterdrückt wird.
  • Dritte Ausführungsform
  • Wie in 8 gezeigt ist, ist in einer Halbleiteranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform ein Überbrückungs-Halbleiterelement, das als ein Schutzelement dient, eine SiC-Schottky-Diode 60, die so konfiguriert ist, dass eine Katode der SiC-Schottky-Diode 60 mit dem Drain des SiC-MOSFETs 31 verbunden ist und ihre Anode mit der Source des SiC-MOSFETs 31 verbunden ist.
  • 9 ist eine grafische Darstellung, die das Messergebnis für die Beziehung zwischen einer Spannung und einem Leitungsstrom in der SiC-Schottky-Diode 60 und der SiC-pn-Diode (Body-Diode) 32 zeigt, die in der Richtung von der Source zu dem Drain parallel geschaltet sind. Wenn, wie in 9 gezeigt ist, der Leitungsstrom gleich oder kleiner als ein Überkreuzungsstrom Icross ist, ist die in Vorwärtsrichtung abfallende Spannung Vf (Kurve b) der SiC-Schottky-Diode 60 kleiner als die in Vorwärtsrichtung abfallende Spannung Vf (Kurve a) der SiC-pn-Diode (Body-Diode) 32. Daher überbrückt beim Anlegen einer positiven Spannung an die Source und einer negativen Spannung an den Drain ein Strom, der durch die SiC-pn-Diode (Body-Diode) 32 fließen soll, wenn keine SiC-Schottky-Diode 60 vorgesehen ist, diese und fließt zu der SiC-Schottky-Diode 60 in dem Fall, dass der Leitungsstrom gleich oder kleiner als der Überkreuzungsstrom Icross ist.
  • 10 ist eine grafische Darstellung, die das Messergebnis für die Beziehung zwischen einer Durchbruchspannung und einem Überkreuzungsstrom Icross zeigt. Wenn, wie in 10 gezeigt ist, eine gleichgroße Spannung angelegt wird, entstehen ein Bereich R1, in dem der Leitungsstrom der SiC-pn-Diode größer wird, und ein Bereich R2, in dem der Leitungsstrom der SiC-Schottky-Diode ebenfalls größer wird.
  • Dadurch ist es möglich, die durch das Einschalten der SiC-pn-Diode (Body-Diode) verursachte Zunahme von Kristallfehlern in der epitaxial aufgewachsten Schicht (oder dem Substrat) zu vermeiden, wodurch der Anstieg des Einschaltwiderstands des SiC-MOSFETs unterdrückt wird. Darüber hinaus ist die Wärmebeständigkeit von SiC größer als bei der ersten und der zweiten Ausführungsform, bei denen die Si-Diode bzw. der SiC-MOSFET verwendet wird.
  • In der ersten bis dritten Ausführungsform werden SiC-MOSFETs verwendet, aber es können auch andere Verbindungshalbleiter-FETs verwendet werden, wie etwa Verbindungshalbleiter-FETs auf GaN-Basis und dergleichen. Daher kann ein Gate-Durchbruch auch bei einem GaN-FET vermieden werden. Im Allgemeinen werden Maßnahmen zur Steuerung der Stehspannung zwischen dem Gate und dem Drain getroffen. Da jedoch die Stehspannung zwischen dem Gate und der Source niedriger ist, gibt es Nachteile beim Anlegen einer Spannung zwischen dem Gate und der Source. Daher kann gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Gate-Durchbruch vermieden werden.
  • Wenn in dem Fall, dass die Verbindungshalbleiter-Elemente in Gegenreihenschaltung geschaltet sind, wobei sie ihre Sources gemeinsam haben, kurzzeitig eine Spannung angelegt wird, die größer als die Stehspannung eines ersten MOSFETs auf GaN-Basis ist, kann die Spannung auch an einen zweiten MOSFET auf GaN-Basis angelegt werden. Wenn dabei keine Diode, die als das Schutzelement dient, vorgesehen ist, kann die Spannung größer als die Stehspannung zwischen der Source und dem Gate werden. Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich, durch Verwenden eines extern geschalteten Überbrückungs-Schutzelements den Gate-Durchbruch zu vermeiden.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können für Verbindungshalbleiter-FETs, wie etwa Schottky-Gate-FETs und dergleichen, verwendet werden und sind nicht auf die SiC-MOSFETs, GaN-MOSFETs oder dergleichen beschränkt.
  • Die Erfindung ist anhand der Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden, aber Fachleuten dürfte klar sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 08-204533 A [0002]
    • JP 2003-229566 A [0008, 0011, 0013]
    • JP 2007-266475 A [0009, 0011, 0013]
    • JP 08-204553 A [0010]

Claims (7)

  1. Halbleiteranordnung mit: einem oder mehreren unipolaren Verbindungshalbleiter-Elementen und Überbrückungs-Halbleiterelementen, die extern mit den entsprechenden Verbindungshalbleiter-Elementen parallel geschaltet sind, wobei eine Einschaltspannung der Überbrückungs-Halbleiterelemente kleiner als eine Einschaltspannung der Verbindungshalbleiter-Elemente in einer Richtung von einer Source zu einem Drain ist.
  2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, wobei jedes der Überbrückungs-Halbleiterelemente von einer Siliciumdiode gebildet wird und der Drain und die Source jedes der Verbindungshalbleiter-Elemente mit einer Katode bzw. einer Anode der entsprechenden Siliciumdiode verbunden sind.
  3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 wobei jedes der Überbrückungs-Halbleiterelemente von einem Si-MOSFET gebildet wird und ein Drain und eine Source jedes der Verbindungshalbleiter-Elemente mit einer Katode bzw. einer Anode des entsprechenden Si-MOSFETs verbunden sind.
  4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, wobei jedes der Überbrückungs-Halbleiterelemente von einer SiC-Schottky-Diode gebildet wird und ein Drain und eine Source jedes der Verbindungshalbleiter-Elemente mit einer Katode bzw. einer Anode der entsprechenden SiC-Schottky-Diode verbunden sind.
  5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jedes der Verbindungshalbleiter-Elemente jeweils von einem SiC-FET oder einem GaN-FET gebildet wird.
  6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verbindungshalbleiter-Elemente in Gegenreihenschaltung geschaltet sind, wobei sie ihre Sources gemeinsam haben.
  7. Festkörperrelais mit: der Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6; einem Lichtemissionselement, das so konfiguriert ist, dass es in Reaktion auf ein Eingangssignal Licht emittiert; einer Fotodiodenanordnung, die das Licht empfängt und einen Strom erzeugt; und einer Lade- und Entladeschaltung, die mit der fotoelektrischen Anordnung parallel geschaltet ist, wobei die Gates und Sources der Verbindungshalbleiter-Elemente, die in der Halbleiteranordnung enthalten sind, jeweils mit gegenüberliegenden Enden der Fotodiodenanordnung verbunden sind.
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