JP2011014687A - 半導体装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイドギャップ半導体素子を動作させる半導体装置の動作方法であって、積層欠陥の発生による素子破壊を招くことなく簡単に実現できるとともに、定格電流に達するまでの時間を短縮できるものを提供すること。
【解決手段】ゼロから定格電流までの或る電流の値Ｉ１を設定して、上記通電電流がゼロからＩ１に達するまでの電流上昇率を一定値ｄＩ１／ｄｔとし、上記通電電流がＩ１から上記定格電流に達するまでの電流上昇率をｄＩｎ／ｄｔとする。上記ワイドギャップ半導体素子内の積層欠陥の発生による上記ワイドギャップ半導体素子の破壊を防止するように、上記ｄＩ１／ｄｔは、一定値で、かつ０．５秒＜（Ｉ１÷（ｄＩ１／ｄｔ））なる関係式を満たす。上記ｄＩｎ／ｄｔは、（ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩｎ／ｄｔ）なる関係式を満たす。
【選択図】図１

Description

この発明は半導体装置の動作方法に関し、より詳しくは、ワイドギャップ半導体からなるスイッチング素子の動作方法に関する。

一般的なＳｉインバータ（Ｓｉ材料からなるスイッチング素子を有するインバータ）では、制御を安定させるために、出力電流値を瞬時に定格電流値まで上げるのではなく、ゼロアンペア（０Ａ）から０．１秒程度かけて定格電流値まで増大させる制御が行われている。この制御は「ソフトスタート」と呼ばれている。

ＳｉＣインバータ（ＳｉＣ材料からなるスイッチング素子を有するインバータ）では、Ｓｉインバータにおけるのと同様のソフトスタートを行って定格電流に到達させようとすると、素子が破壊する事例があった。例えば、特許文献１（国際公開第２００５／０２０３２０号パンフレット）に記載されているように、ＳｉＣ半導体素子は、結晶面に依存したベイサルプレーン転位と呼ばれる結晶欠陥を有することがある。図１０（ａ）の断面図に示すように、このようなベイサルプレーン転位を有するＳｉＣ半導体素子に通電（アノードからカソードへ向かう向きＡ１に通電）すると、このベイサルプレーン転位が三角形または扇形状に広がって「積層欠陥」Ｘ１，Ｘ２，…を形成する（なお、図１０（ｂ）は素子の斜め上方から見たところを模式的に示している。）。積層欠陥Ｘ１，Ｘ２，…が生じた領域には電流が流れず、それ以外の領域にのみ電流が流れるため、素子のオン電圧が上昇して、素子破壊に至る場合がある。

同文献には、積層欠陥によるオン電圧上昇を防ぐために、次のことが記載されている。

ａ） ＳｉＣ半導体素子では、素子の温度を上昇させると、積層欠陥に起因する少数キャリヤのトラップ作用が低減し、積層欠陥によるオン電圧の上昇を抑制できる。具体的には少数キャリヤのトラップ作用は、ｐｎダイオード素子の温度を５０℃以上にすると低減し始め、２５０℃以上でほぼ消滅して、オン電圧が高くなるという現象は非常に小さくなる。その結果、電力損失の増大を防ぐことができるとともに、高い信頼性を実現できる。

ｂ） 一旦形成された積層欠陥は素子温度を下げても消滅することがないので、素子温度が低い状態で定格電流を通電すると、積層欠陥の作用により大きな電力損失を発生し、素子を破壊してしまうおそれがある。そこで、定格電流通電前にあらかじめ素子の温度を１２５℃以上に上昇させておく。この温度で定格電流通電を開始すれば、自己発熱で急速に温度が上昇し、短時間で２５０℃以上になる。そのため積層欠陥が存在したとしても、その影響を避けることができ、オン電圧が高くなることなく、素子に通電することができる。

ｃ） ワイドギャップバイポーラ半導体素子の構成要素の一部又は全部に通電した時の自己発熱を利用して温度を上昇させてもよい。加熱手段による加熱と自己発熱を併用してもよい。

国際公開第２００５／０２０３２０号パンフレット

しかしながら、同文献には、それ以上の具体的な動作方法については、記載されていない。

本発明者らは、優れた動作方法を実現するために、通電開始時にソフトスタートを行うことを前提として、電流上昇率を変えて実験・考察を行った。

具体的には、ＳｉＣインバータにおいて、通電開始時にソフトスタートを行うとともに、０Ａから定格電流Ｉｎまでの電流上昇率を変えて実験した。その結果、実際上、５０℃以上で定格電流通電を開始すれば素子は壊れないこと、また、素子が壊れない或る電流Ｉ１（０Ａ＜Ｉ１＜定格電流）に達した時に素子温度が５０℃以上になるような電流上昇率を選ぶことができることを確認した。

図３は、ＳｉＣバイポーラ半導体素子の通電開始時に、インバータ出力が２００ｋＶＡでソフトスタート時間をそれぞれ０．１秒、０．５秒、１．０秒に変えたときの素子温度上昇結果を示している。図中の×印、△印、○印がそれぞれソフトスタート時間０．１秒、０．５秒、１．０秒のときのデータ点を表している。それぞれのソフトスタート時間での４つのデータ点は、出力が上昇していく途中の５０ｋＶＡ、１００ｋＶＡ、１５０ｋＶＡ、２００ｋＶＡでの温度に相当する。図３の例では、ソフトスタート時間０．１秒、０．５秒、１．０秒で素子温度はそれぞれ５７℃、６５℃、７２℃に達している。この結果から、同じ出力において、ソフトスタート時間が長いほど、つまり電流上昇率が小さいほど、素子温度が上昇することが分かる。

そこで、本出願人は先の出願（特願２００９−０８５７５２号）で、ワイドギャップ半導体素子に関して、通電電流をゼロから定格電流まで上昇させるソフトスタート時間を０．５秒から１０秒までの範囲内に設定するとともに、通電開始時に０．５秒＜（Ｉ１÷（ｄＩ／ｄｔ））となるような電流上昇率ｄＩ／ｄｔでソフトスタートを行う動作方法を提案した。この動作方法は、ソフトスタート時間を０．５秒以上に設定するので、積層欠陥の発生による素子破壊を招くことがない。また、一般的なソフトスタートを行う制御回路を用いて、電流上昇率を可変して設定するだけで簡単に実現できる。

しかしながら、その提案された動作方法では、通常のＳｉインバータが０．１秒程度で定格電流まで達するのに比して、定格電流に達するまでの時間が長くかかる。素子破壊が避けられるのであれば、定格電流に達するまでの時間はできるだけ短いのが望ましい。

そこで、この発明の課題は、ワイドギャップ半導体素子を動作させる半導体装置の動作方法であって、積層欠陥の発生による素子破壊を招くことなく簡単に実現できるとともに、定格電流に達するまでの時間を短縮できるものを提供することにある。

上記課題を達成するため、この発明の半導体装置の動作方法は、
ワイドギャップ半導体素子の通電開始時に通電電流をゼロから定格電流まで上昇させる半導体装置の動作方法であって、
上記ゼロから定格電流までの或る電流の値Ｉ１を設定して、上記通電電流がゼロからＩ１に達するまでの電流上昇率をｄＩ１／ｄｔとし、上記通電電流がＩ１から上記定格電流に達するまでの電流上昇率をｄＩｎ／ｄｔとしたとき、
上記ｄＩ１／ｄｔは、一定値で、かつ、上記ワイドギャップ半導体素子内の積層欠陥の発生による上記ワイドギャップ半導体素子の破壊を防止するように、
０．５秒＜（Ｉ１÷（ｄＩ１／ｄｔ））
なる関係式を満たし、
上記ｄＩｎ／ｄｔは、
（ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩｎ／ｄｔ）
なる関係式を満たすことを特徴とする。

この発明は、素子が壊れない或る電流Ｉ１（０Ａ＜Ｉ１＜定格電流）に達した時に素子温度が５０℃以上になるような電流上昇率を選ぶことができる、という既述の我々の実験結果に基づいてなされた。

この発明の半導体装置の動作方法では、上記ゼロから定格電流までの或る電流の値Ｉ１を設定して、上記通電電流がゼロからＩ１に達するまでの電流上昇率をｄＩ１／ｄｔとする。ここで、上記ｄＩ１／ｄｔは、一定値で、かつ、上記ワイドギャップ半導体素子内の積層欠陥の発生による上記ワイドギャップ半導体素子の破壊を防止するように、
０．５秒＜（Ｉ１÷（ｄＩ１／ｄｔ））
なる関係式を満たす。したがって、積層欠陥の発生による素子破壊を招くことがない。

本明細書では、「素子破壊」については、通電開始時の素子の温度上昇（ΔＴとする。）が１０００℃を超えたとき、素子が破壊すると定義する。通電開始時の素子の温度上昇ΔＴが１０００℃以下であれば、素子は壊れないものとする。なお、通電開始時の電力損失をＰとすると、電力損失Ｐ＝（通電電流）×（積層欠陥の発生により増大したオン電圧）で表される。ワイドギャップ半導体結晶の熱容量をＺとすると、温度上昇ΔＴ＝Ｐ／Ｚで表される。

なお、上記ｄＩ１／ｄｔは、さらに
（Ｉ１÷（ｄＩ／ｄｔ））＜１０秒
なる関係式を満たすのが望ましい。この場合、ロゴスキーコイルを用いた通常の測定回路で上記電流上昇率を精度良く測定できる。したがって、通電の制御を容易に行うことができる。

また、この発明の半導体装置の動作方法では、上記通電電流がＩ１から上記定格電流に達するまでの電流上昇率をｄＩｎ／ｄｔとしたとき、上記ｄＩｎ／ｄｔは、
（ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩｎ／ｄｔ）
なる関係式を満たす。したがって、動作開始時点の電流上昇率ｄＩ１／ｄｔを定格電流到達まで維持する場合に比して、定格電流に達するまでの時間を短縮できる。

ここで、上記電流上昇率ｄＩｎ／ｄｔは、一定値であっても良いし、上記通電電流がＩ１から上記定格電流に達するまでに、例えば次第に上昇するように変化しても良い。

一実施形態の半導体装置の動作方法では、上記ｄＩｎ／ｄｔは一定値であることを特徴とする。

この一実施形態の半導体装置の動作方法は、一般的なソフトスタートを行う制御回路を用いて、電流上昇率を可変して設定するだけで簡単に実現できる。

また、一般的なインバータでは、電源スイッチがオンされるとスイッチング素子の通電開始前又はそれと同時に、素子冷却用のファンが運転開始される。しかし、短時間で素子温度Ｔを５０℃以上にする観点からは、冷却ファンを停止するのが望ましい。

そこで、一実施形態の半導体装置の動作方法では、
上記ワイドギャップ半導体素子を冷却するための冷却ファンを設け、
上記ワイドギャップ半導体素子に対する通電開始時点から上記ワイドギャップ半導体素子の温度が自己発熱により５０℃になるまで上記冷却ファンを停止し、上記ワイドギャップ半導体素子が自己発熱により５０℃に達した時に冷却ファンの運転を再開することを特徴とする。

この一実施形態の半導体装置の動作方法では、上記ワイドギャップ半導体素子に対する通電開始時点から上記ワイドギャップ半導体素子の温度が自己発熱により５０℃になるまで上記冷却ファンを停止するので、素子の熱が上記冷却ファンによる送風によって奪われることがない。したがって、素子の温度が速やかに５０℃に達する。したがって、積層欠陥の発生による素子破壊を確実に防止できる。上記ワイドギャップ半導体素子が自己発熱により５０℃に達した後は、通電電流が立ち上がって大きくなるので、自己発熱で急速に温度が上昇し、短時間で２５０℃以上になる。このため、上記ワイドギャップ半導体素子が自己発熱により５０℃に達した時に冷却ファンの運転を再開することによって、過度の温度上昇を抑制できる。

（ａ），（ｂ）はそれぞれ、この発明の一実施形態の動作方法をＳｉＣバイポーラ半導体素子に適用したときの電流上昇、温度上昇の様子を示す図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、この発明の別の実施形態の動作方法をＳｉＣバイポーラ半導体素子に適用したときの電流上昇、温度上昇の様子を示す図である。 実験的にソフトスタート時間を変えたときの素子温度上昇結果を示す図である。 ＳｉＣバイポーラトランジスタをスイッチング素子として有する三相インバータの回路構成を示す図である。 上記三相インバータにおけるＰＷＭ変調法による制御の仕方を説明する図である。 図１で説明した動作方法を適用すべきＳｉＣ−ｐｎダイオード素子を有するｐｎダイオード装置の構成を示す図である。 ＳｉＣバイポーラ半導体素子の一例としてのＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子の断面構造を示す図である。 図２で説明した動作方法を適用すべきワイドギャップ半導体素子を含むスイッチングモジュールの構成を示す図である。 上記スイッチングモジュールを上下アームとして有する三相インバータの回路構成を示す図である。 （ａ）はＳｉＣ半導体素子に通電したときに生ずる積層欠陥を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のものを斜め上方から見たところを模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、この発明の半導体装置の動作方法を実施の形態により詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１（ａ），（ｂ）中の一点鎖線Ｆ２、二点鎖線Ｆ３は、それぞれ、この発明の一実施形態の動作方法をワイドギャップ半導体素子としてのＳｉＣバイポーラ半導体素子に適用したときの電流上昇、温度上昇の様子を示している。

この動作方法では、図１（ａ）中の一点鎖線Ｆ２、二点鎖線Ｆ３に示すように、ゼロから定格電流Ｉｎまでの或る電流の値Ｉ１を予め設定して、通電電流ＩがゼロからＩ１に達するまでの電流上昇率をｄＩ１／ｄｔとする。このｄＩ１／ｄｔは、一定値とし、かつ
０．５秒＜（Ｉ１÷（ｄＩ１／ｄｔ））＜１０秒 …（１）
なる関係式を満たすように設定する。さらに、通電電流がＩ１から定格電流Ｉｎに達するまでの電流上昇率をｄＩｎ／ｄｔとしたとき、このｄＩｎ／ｄｔは、この例では一定値とし、かつ
（ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩｎ／ｄｔ） …（２）
なる関係式を満たすように設定する。

図３の実験結果に基づいて既に説明したように、同じ出力において、電流上昇率ｄＩ１／ｄｔが小さいほど、素子温度Ｔが上昇する。図１（ｂ）中の一点鎖線Ｆ２、二点鎖線Ｆ３で示す例では、通電開始（時刻ｔ＝０）後の時刻ｔ１で、素子温度Ｔが５０℃に達している。なお、この例では、室温を２５℃としている。

この一点鎖線Ｆ２、二点鎖線Ｆ３に示す動作方法では、通電電流ＩがゼロからＩ１に達するまでの電流上昇率ｄＩ１／ｄｔは、一定値で、かつ、関係式（１）に基づいて０．５秒＜（Ｉ１÷（ｄＩ１／ｄｔ））なる関係を満たすので、積層欠陥の発生による素子破壊を招くことがない。

しかも、この動作方法では、通電電流ＩがＩ１から定格電流Ｉｎに達するまでの電流上昇率ｄＩｎ／ｄｔは、関係式（２）に基づいて、（ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩｎ／ｄｔ）となるように設定している。したがって、定格電流Ｉｎに達するまでの時間を短縮できる。例えば、図１（ａ），（ｂ）中の実線Ｆ３に示すように、動作開始時点の電流上昇率ｄＩ１／ｄｔを定格電流到達まで維持する場合は、定格電流Ｉｎに達するまでの時間がｔ_４であるのに対して、二点鎖線Ｆ３、一点鎖線Ｆ２に示す例では、定格電流Ｉｎに達するまでの時間をｔ_２やｔ_３（ｔ_２，ｔ_３＜ｔ_４）に短縮できる。

また、この動作方法では、上記ｄＩ１／ｄｔは、関係式（１）に基づいて、さらに（Ｉ１÷（ｄＩ／ｄｔ））＜１０秒なる関係を満たすので、ロゴスキーコイルを用いた通常の測定回路で上記電流上昇率を精度良く測定できる。したがって、通電の制御を容易に行うことができる。

さらに、この動作方法は、一般的なソフトスタートを行う制御回路を用いて、電流上昇率を可変して設定するだけで実現できる。したがって、例えば階段状に電流を制御する場合に比して、簡単に実現できる。

例えば、図４に示すように、ＳｉＣバイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２，…，Ｑ６をスイッチング素子として有する三相インバータを動作させるものとする。この三相インバータは、概略、トランジスタＱ１とＱ４とをＵ相のための上下アームとして直列接続し、トランジスタＱ３とＱ６とをＶ相のための上下アームとして直列接続し、トランジスタＱ５とＱ２とをＷ相のための上下アームとして直列接続し、そして、これらの３組の上下アームを並列に直流電源（ＶＳ１とＶＳ２との直列）に接続して構成されている。トランジスタＱ１，Ｑ２，…，Ｑ６には、それぞれフライホイールダイオードＤ１，Ｄ２，…，Ｄ６が逆並列接続されている。この三相インバータでは、各相の上下アームを交互にオンオフ（例えばＱ１とＱ４とを交互にオンオフし、Ｑ３とＱ６とを交互にオンオフするなど）して、直流電圧Ｅｄ（電圧Ｅｄ／２とＥｄ／２との直列）を任意の電圧に変換する。これにより、各相の上下アームの出力ノードＵ，Ｖ，ＷからＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電圧ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗが負荷Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３へ印加される。例えば、出力ノードＵから出力された電圧ｖ_Ｕによって負荷Ｚ１へ電流ｉ_Ｕが流れ、負荷Ｚ１に電圧ｖ_ＵＮが降下する。

各相の上下アーム（Ｑ１，Ｑ４），（Ｑ３，Ｑ６），（Ｑ５，Ｑ２）は、図５に示すように、ＰＷＭ（パルス幅変調）法によって制御される。なお、図５中のａ相、ｂ相は、図４中のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかに該当する。このＰＷＭ法の例では、三角波である搬送波（三角搬送波）と、例えば出力しようとする正弦波であるａ相変調波とを比較して、ａ相の上下アームをオンオフ（ｏｎ，ｏｆｆ）するためのパルス列波形であるａ相ノッチ波を作成する。このａ相ノッチ波は、ａ相の上下アームの制御端子（図４の例ではトランジスタのベース端子）に印加される。ここで、ａ相変調波の波高値（振幅）をゼロから次第に大きくすれば、ａ相の出力電流をゼロから定格電流まで上昇させることができる。ｂ相についても同様である。

具体的には、各相の変調波を次の（数１）のように設定する。

なお、（数１）中の「定格運転時の変調波の波高値」とは、出力電流が定格電流になるときの変調波の波高値を意味している。

また、運転時間（ｔ）が次の（数２）の関係を満たした時点で、ソフトスタート終了となる。

図６は、上述の動作方法を適用すべきＳｉＣ−ｐｎダイオード素子を有するｐｎダイオード装置の構成を示している。この例では、耐電圧７．０ｋＶ、定格電流２００ＡのＳｉＣｐｎダイオード装置１９ａを示している。

図６においてＳｉＣのｐｎダイオード素子１３は４層６方晶形の素子であり、厚さ３００μｍの高不純物濃度のｎ型ＳｉＣのカソード領域１の上に厚さ約８０μｍの低不純物濃度のｎ型ＳｉＣのドリフト層２が形成されている。カソード領域１の下面にはカソード金属電極７が形成されている。ドリフト層２の中央領域に、ドリフト層２との主接合を構成するｐ型ＳｉＣのアノード領域３が形成されている。アノード領域３の周辺にはｐ型ＳｉＣの電界緩和領域４が形成されている。アノード領域３にはアノード金属電極６が形成されている。アノード金属電極６を除く素子の表面には表面保護膜５が形成されている。

アノード金属電極６は金のリード線８により電気接続手段である金属のリードピン９の接続端９ａに接続されている。カソード金属電極７は金属の支持体１０の上面に電気的接続を保つように接着されている。支持体１０の下面中央部には、電気接続手段の金属のリードピン１１が接続されている。このＳｉＣ−ｐｎダイオード装置１９はリードピン９と１１により外部配線に接続される。リードピン９は支持体１０を貫通し、貫通部は高融点ガラス１２で密封・固着されている。ｐｎダイオード素子１３及びリードピン９の接続端９ａを含む支持体１０の上面は金属のキャップ１４で覆われ、その内部の空間４４には窒素ガスが封入されている。

ＳｉＣ−ｐｎダイオード素子１３のカソード金属電極７は金シリコンの高温半田を用いて支持体１０に半田付けされている。金のリード線８は、リードボンディング装置を用いてアノード電極６と金属のリードピン９の端部９ａとの間を接続する。図６ではリード線８は１本のみ図示されているが、実際の素子ではリード線８は流れる電流値に応じて複数のものを並列に接続している。上記のように構成された支持体１０に窒素ガス中で金属キャップ１４を取り付け、周囲を溶接して密閉しパッケージを形成する。これによりキャップ１４内の空間４４に窒素ガスが封入される。

このＳｉＣ−ｐｎダイオード装置１９ａは、支持体１０の下部外面にヒートシンク８８を有している。ヒートシンク８８の近傍には送風冷却用のファン９８が設けられている。キャップ１４の上部外面には温度センサ１８が設けられ、その検出出力は温度制御部１４０に入力される。温度制御部１４０は温度センサ１８の検出出力に基づいてファン９８の動作を制御する。

ｐｎダイオード素子１３に通電すると、その電流に応じてｐｎダイオード素子１３は発熱する。この発熱を「自己発熱」という。本実施例ではｐｎダイオード素子１３の温度を前記自己発熱により上昇させる。そのために比較的小型の、たとえばアルミニウム製のヒートシンク８８を設けている。ヒートシンク８８が大きくて放熱される熱量が多すぎると、ｐｎダイオード素子１３の温度が上昇しないので、ｐｎダイオード素子１３の発熱量とヒートシンクの放熱量のバランスを考慮してむしろ小型のヒートシンク８８を設けるのが望ましい。ｐｎダイオード素子１３の温度が所望値を超えるときは、温度センサ１８の検出出力に基づいてファン９８を動作させてヒートシンクを強制冷却する。強制冷却をする際のヒートシンク８８と空気との間の熱抵抗が約１℃／Ｗになるように、ヒートシンク８８の構造を設定すれば良い。

上記ＳｉＣ−ｐｎダイオード装置１９ａの動作例を次に説明する。

この例では、ゼロから定格電流Ｉｎ(この例では２００Ａ)までの或る電流Ｉ１を１００Ａとする。ゼロからＩ１までの電流上昇率をｄＩ１／ｄｔ＝１００Ａ／秒に設定する。Ｉ１からＩｎまでの電流上昇率をｄＩｎ／ｄｔ＝２００Ａ／秒に設定する。このとき、ゼロからＩ１に達するまでの時間は、Ｉ１÷（ｄＩ／ｄｔ）＝１．０秒となる。従って、この設定は上述の関係式（１）を満たしている。また、この設定は、上述の関係式（２）、つまり（ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩｎ／ｄｔ）なる関係を満たしている。

この設定でソフトスタートを行い、ＳｉＣ−ｐｎダイオード装置１９ａに繰り返し周波数５ｋＨｚ、電流密度が３６０Ａ／ｃｍ^２となる２００Ａの電流を流す。この時のオン電圧は２．３Ｖ、逆回復電荷は１０．４μＣであった。また定常損失は約２６０Ｗ、スイッチング損失は約３１Ｗであった。ファン９９を駆動してヒートシンク８８に、空気とヒートシンク８８間の熱抵抗が約１℃／Ｗになるように風を送った時、ｐｎダイオード素子１３の接合温度を約３５０℃にすることができた。

耐電圧７．０ｋＶを有する一般的なＳｉ−ｐｎダイオードの場合、接合温度１２５℃で１５０Ａの電流（電流密度は約５０Ａ／ｃｍ^２）の通電時のオン電圧は３．４Ｖであり、逆回復電荷は約１１３μＣであった。一般的なＳｉ−ｐｎダイオードに比べて、上記ＳｉＣ−ｐｎダイオード装置１９ａの定常損失はほぼ９０％である。また、逆回復電荷は上記ＳｉＣ−ｐｎダイオード装置１９ａの方が約１桁小さいので、スイッチング損失も約１桁小さくなる。ＳｉＣ−ｐｎダイオード装置１９ａのトータル損失はＳｉ−ｐｎダイオードの４９％程度になり大幅に低減できる。ＳｉＣ−ｐｎダイオード装置１９ａでは、接合温度が３５０℃の時のオン抵抗は、接合温度が１２５℃の時のＳｉ−ｐｎダイオードのオン抵抗よりも小さく、この結果トータル損失が小さい。しかも半導体の性質を失ういわば金属状態になるまでには、約１．６４ｅＶのエネルギーギャップを残している。この１．６４ｅＶのＳｉＣのエネルギーギャップはＳｉのエネルギーギャップよりも大きいので、温度に対する高い信頼性を確保できる。

上記ＳｉＣ−ｐｎダイオード装置１９ａの可制御電流は２００Ａであった。ｎ型ＳｉＣのドリフト層２の厚さが８０μｍであるので、７ｋＶの逆電圧印加時の空乏層の厚さ７０μｍに対して約１０μｍのマージンを持っており、７ｋＶの耐電圧に対しては高い信頼性を有している。

上述の動作例では、ｐｎダイオード素子１３は室温（約２５℃）で動作を開始し、０Ａから１秒でＩ１＝１００Ａに達し、その時点で素子温度Ｔは５０℃を超えた。そして、通電開始（０Ａ）から１．５秒で定格電流２００Ａに達した。これによりｐｎダイオード素子１３の温度が十分高くない状態で通電を開始する場合であっても、積層欠陥に起因するオン電圧の上昇とそれによる定常損失の大幅な増加を避けることができる。従って、積層欠陥の発生による素子破壊を確実に防止できる。しかも、（ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩｎ／ｄｔ）に設定しているので、動作開始時点の電流上昇率ｄＩ１／ｄｔを定格電流到達まで維持する場合に比して、定格電流に達するまでの時間を短縮できる。

また、上述の動作方法は、一般的なソフトスタートを行う制御回路を用いて、電流上昇率を可変して設定するだけで実現できる。したがって、例えば階段状に電流を制御する場合に比して、簡単に実現できる。また、通電開始前にヒータなどの加熱手段によって素子を予め加熱しておく方法に比して、加熱手段を必要としないので構造が簡単になり、半導体装置を小型にすることができる。

（第２実施形態）
図２（ａ），（ｂ）はそれぞれ、この発明の別の実施形態の動作方法をワイドギャップ半導体素子としてのＳｉＣバイポーラ半導体素子に適用したときの電流上昇、温度上昇の様子を示している。

この動作方法では、ＳｉＣバイポーラ半導体素子を冷却するための冷却ファン（図８中に符号９８で示す。）を設けておく。そして、図２（ａ）中に実線Ｆ５（＝Ｆ４）で示すように、第１実施形態と同様に、ゼロから定格電流Ｉｎまでの或る電流の値Ｉ１を予め設定して、通電電流ＩがゼロからＩ１に達する時（ｔ＝ｔ２）までの電流上昇率をｄＩ１／ｄｔとする。この値ｄＩ１／ｄｔは、一定値とし、かつ
０．５秒＜（Ｉ１÷（ｄＩ１／ｄｔ））＜１０秒 …（１）
なる関係式を満たすように設定する。さらに、通電電流がＩ１から定格電流Ｉｎに達するまでの電流上昇率をｄＩｎ／ｄｔとしたとき、このｄＩｎ／ｄｔは、この例では一定値とし、かつ
（ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩｎ／ｄｔ） …（２）
なる関係式を満たすように設定する。しかも、ＳｉＣバイポーラ半導体素子に対する通電開始時点（ｔ＝０）から上記素子の温度が自己発熱により５０℃になるまで冷却ファン９８を停止し、上記素子が自己発熱により５０℃に達した時（ｔ＝ｔｘ）に冷却ファン９８の運転を再開する。

これにより、通電開始時点（ｔ＝０）から上記素子の温度が自己発熱により５０℃になるまで、素子の熱が冷却ファン９８による送風によって奪われることがない。したがって、素子の温度が速やかに５０℃に達する。例えば、最初から冷却ファン９８を運転し続ける場合は、図２（ｂ）中に実線Ｆ４で示すように、素子温度が５０℃に達するのに時間ｔ２かかるものとする。これに対して、同じ通電電流で、この実施形態の動作方法のように冷却ファン９８を一時的に停止した場合は、図２（ｂ）中に１点鎖線Ｆ５で示すように、素子温度が５０℃に達するのに時間ｔｘ（＜ｔ２）で済んでいる。したがって、積層欠陥の発生による素子破壊を確実に防止できる。また、上記素子が自己発熱により５０℃に達した後は、通電電流Ｉが立ち上がって大きくなるので、自己発熱で急速に温度が上昇し、短時間で２５０℃以上になる。このため、上記素子が自己発熱により５０℃に達した時に冷却ファン９８の運転を再開することによって、過度の温度上昇を抑制できる。

図８は、上述の動作方法を適用すべきワイドギャップ半導体素子を含むスイッチングモジュールの構成を示している。図９は、上記スイッチングモジュール（符号１００ａ，１００ｂで示す。）を上下アーム（スイッチング部）として有する三相インバータ装置９０の回路構成を示している。

図９において、インバータ装置９０は直流電源９１の直流を三相の交流に変換して負荷９２に供給する電力変換装置である。インバータ装置９０はよく知られた回路であり、直流電源９１の正極と負極との間に、２つのスイッチングモジュール１００ａ、１００ｂの直列接続体が３つ並列に接続されている。スイッチングモジュール１００ａと１００ｂの、３つの直列接続体のそれぞれの接続点１０１、１０２、１０３は負荷９２に接続されている。各スイッチングモジュール１００ａ、１００ｂには、よく知られているので詳細な構成を省略した制御回路９３が設けられている。各制御回路９３は図示を省略した制御装置により制御される。

上記スイッチングモジュール１００ａと１００ｂは同一の構成を有するので、スイッチングモジュール１００ａについて、次に詳細に説明する。

図８に示すように、このスイッチングモジュール１００ａでは、ワイドギャップ半導体素子として、図６中に示したＳｉＣ−ｐｎダイオード素子１３と、スイッチング素子としての耐電圧５ｋＶ、定格電流２００ＡのＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０との両方が、１つのパッケージ中に収容され、金属の支持体１２５の上に設けられている。

ｐｎダイオード素子１３は実質的に図６に示すものと同じ構成を有するが、図６のものでは９５μｍであるドリフト層２の厚さを５０μｍに減らして、耐電圧を５ｋＶとしている。ｐｎダイオード素子１３は、厚さが約５００μｍの窒化アルミニウムの絶縁板１２６を介して支持体１２５との間に絶縁を保ちつつ取り付けられている。絶縁板１２６の両面にはそれぞれ金属膜（斜線で示す。）が設けられている。ｐｎダイオード素子１３のアノード電極６は金のリード線８で支持体１２５に接続されている。ｐｎダイオード素子１３のカソード電極７は絶縁板１２６の上面の金属膜に半田付けされ、この金属膜はリード線７ａでアノード端子１１０に接続されている。

図７は、図８におけるＧＴＯサイリスタ素子２０を紙面に垂直な面で切断したセルの一つの断面構造を示している。図８では図７に示すセルが図の紙面に垂直な方向に複数個連結されている。

図７中に示すように、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子２０は、厚さ約３２０μｍの高不純物濃度のｎ型ＳｉＣのカソード領域２１の上面に、厚さ約３μｍのｐ型ＳｉＣのバッファー層２２を設けている。カソード領域２１の下面にカソード電極３２が設けられている。バッファー層２２の上に厚さ約６０μｍの低不純物濃度のｐ型ＳｉＣのベース層２３を設けている。ベース層２３の中央部にそれぞれの厚さが約２μｍのｎ型ＳｉＣのベース領域２４とｐ型ＳｉＣのアノード領域２５が順次形成されている。アノード領域２５上にはアノード電極２８が形成されている。図８中に示すように、ベース領域２４の周囲にはｎ型ＳｉＣの電界緩和領域２６が形成されている。以上のように構成したＧＴＯサイリスタ素子２０の表面には二酸化シリコン層、窒化シリコン層及び二酸化シリコン層の３層構造の表面保護膜２７が形成されている。このアノード電極２８の上の左側の領域には２層目のアノード電極２９が形成され、右側の領域には絶縁膜３０を介してゲート電極３１が形成されている。図７に示すように、ｎ型のベース領域２４には１層目のゲート電極３３が形成され、ゲート電極３３は図示していない接続部で図８に示すゲート電極３１に接続されている。

上記構成のＧＴＯサイリスタ素子２０に、照射エネルギーが約４ＭｅＶの電子線を約７×１０^１２／ｃｍ^２の電子密度で照射し、７００℃の温度で８時間アニールする。

図８中に示すように、ＧＴＯサイリスタ素子２０のカソード電極３２は、下面にカソード端子１１１を有する支持体１２５に、金シリコンの高温半田を用いて取り付けられている。ＧＴＯサイリスタ素子２０のアノード電極２９は、リード線３４によりアノード端子１１０に接続されており、ゲート電極３１はリード線３６によりゲート端子１１２に接続されている。リード線３４、３６はそれぞれ１本ずつ図示されているが、実際には複数の金線（直径８０μｍ）が用いられている。上記の各接続によってｐｎダイオード素子１３は、ＧＴＯサイリスタ素子２０に逆並列に接続される。支持体１２５にはｐｎダイオード素子１３、ＧＴＯサイリスタ素子２０、及びアノード端子１１０とゲート端子１１２の各リード線との接続部を覆うようにキャップ１１９が設けられ、内部に窒素ガスを封入した状態で支持体１２５に溶接されている。アノード端子１１０及びゲート端子１１２は、それぞれ高融点絶縁ガラス１２で支持体１２５との間の絶縁を保ちつつ支持体１２５を貫通して固定されている。

このスイッチングモジュール１００ａは、支持体１２５の下部外面にヒートシンク８８を有している。ヒートシンク８８の近傍には送風冷却用のファン９８が設けられている。キャップ１１９の上部外面には温度センサ１８が設けられ、その検出出力は温度制御部１４０に入力される。温度制御部１４０は温度センサ１８の検出出力に基づいてファン９８の動作を制御する。

上記インバータ装置９０の動作例を次に説明する。

この例では、第１実施形態と同様に、ゼロから定格電流Ｉｎ(この例では２００Ａ)までの或る電流Ｉ１を１００Ａとする。ゼロからＩ１までの電流上昇率をｄＩ１／ｄｔ＝１００Ａ／秒に設定する。Ｉ１からＩｎまでの電流上昇率をｄＩｎ／ｄｔ＝２００Ａ／秒に設定する。このとき、ゼロからＩ１に達するまでの時間は、Ｉ１÷（ｄＩ／ｄｔ）＝１．０秒となる。従って、この設定は上述の関係式（１）を満たしている。また、この設定は、上述の関係式（２）、つまり（ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩｎ／ｄｔ）なる関係を満たしている。

ここで、図２（ａ）中に実線Ｆ５で示すように、冷却ファン９８を停止している状態でスイッチングモジュール１００ａ，１００ｂの通電電流Ｉを一定の電流上昇率ｄＩ１／ｄｔでゼロから上昇させたとき、図２（ｂ）中に一点鎖線Ｆ５で示すように、素子温度が５０℃に到達する時間ｔｘを予め実験等により求めておく。この例では、５０℃に到達する時間ｔｘは１．０秒であった。そして、その時間ｔｘを表すデータを温度制御部１４０に入力しておく。

スイッチングモジュール１００ａ、１００ｂの通電開始時に、既述のように通電電流Ｉを一定の電流上昇率ｄＩ１／ｄｔでゼロから上昇させてゆく。ここで、通電開始（ｔ＝０）から時間ｔｘ（＝１．０秒）で、素子温度が５０℃に到達する。この例では、スイッチングモジュール１００ａ、１００ｂに対する通電開始（ｔ＝０）から時間ｔｘ（＝１．０秒）だけ冷却ファン９８を停止し、時間ｔｘを経過した時に冷却ファン９８の運転を再開する。

ソフトスタートを行って通電を開始した後、直流電源９１の直流電圧を３ｋＶ、スイッチングモジュール１００ａ、１００ｂのスイッチング周波数を２ｋＨｚとしてインバータ９０を動作させる。この動作で２００Ａの交流出力電流を負荷９２に供給している時、各スイッチングモジュール１００ａ、１００ｂで発生する損失は４．２ｋＷであり、比較的低い値であった。インバータ装置９０の効率は約９８．６％であり、比較的高効率が実現できた。上記インバータ装置９０を構成する各スイッチングモジュール１００ａ、１００ｂの可制御電流は２００Ａ、可制御電流密度は２５０Ａ／ｃｍ^２であり大きな値が得られた。各スイッチングモジュール１００ａ、１００ｂを２００℃以上の高温で稼働させるので、積層欠陥の影響に起因するオン電圧の上昇はほとんど起こらず、オン電圧の上昇による損失の増大が避けられるとともに高い信頼性が得られることが確認できた。これにより、可制御電流が２００Ａ程度と大きく、低損失かつ信頼性の高いスイッチングモジュール１００ａ、１００ｂを実現できた。

上述の動作例では、スイッチングモジュール１００ａ、１００ｂは室温で動作を開始し、通電開始（０Ａ）から１．０秒で素子温度は５０℃を超え、通電開始から１．５秒間で定格電流２００Ａに達した。運転開始時点で冷却ファンを停止し、５０℃を超えたところで冷却ファンの運転を再開した。これによりスイッチングモジュール１００ａ、１００ｂの温度が十分高くない場合に、積層欠陥に起因するオン電圧の上昇とそれによる定常損失の大幅な増加を避けることができる。従って、積層欠陥の発生による素子破壊を確実に防止できる。しかも、（ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩｎ／ｄｔ）に設定しているので、動作開始時点の電流上昇率ｄＩ１／ｄｔを定格電流到達まで維持する場合に比して、定格電流に達するまでの時間を短縮できる。

また、上述の動作方法は、第１実施形態と同様に、一般的なソフトスタートを行う制御回路を用いて、電流上昇率を可変して設定するだけで実現できる。したがって、階段状に電流を制御する場合に比して、簡単に実現できる。また、通電開始前にヒータなどの加熱手段によって素子を予め加熱しておく方法に比して、加熱手段を必要としないので構造が簡単になり、半導体装置を小型にすることができる。

以上、本発明の２つの実施形態について説明したが、本発明はさらに多くの適用範囲あるいは派生構造をカバーするものである。

上述の各実施形態では、通電電流がＩ１から定格電流Ｉｎに達するまでの電流上昇率ｄＩｎ／ｄｔを一定値としたが、これに限られるものではない。例えば、通電電流がＩ１に達してから定格電流Ｉｎに達するまでの期間を、さらに電流上昇率ｄＩ２／ｄｔの期間と電流上昇率ｄＩ３／ｄｔの期間とに２分割して、
（ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩ２／ｄｔ）＜（ｄＩ３／ｄｔ） …（３）
なる関係式を満たすように設定しても良い。さらに、通電電流がＩ１に達してから定格電流Ｉｎに達するまでの期間を、さらに多数に分割して、通電電流がＩ１に達した時点から電流上昇率を順次（例えば指数関数的に）増加させても良い。

例えば本発明の動作方法の適用対象となるワイドギャップ半導体素子としてのサイリスタは、ゲート信号によりオンオフの制御ができる自励式サイリスタであれば良く、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯサイリスタ）、静電誘導サイリスタ、ＭＯＳサイリスタ、双方向ＧＴＯサイリスタ、逆導通サイリスタ、ＭＯＳゲートＧＴＯサイリスタ等でもよい。本発明の動作方法の適用対象となるワイドギャップ半導体素子は、ｐｎ接合を有するｐｎダイオードやマージドダイオードなど複合ダイオードでも良い。

また、上述の各実施形態では、本発明の動作方法の適用対象となるワイドギャップ半導体素子はＳｉＣ材料からなるものとしたが、本発明はダイヤモンド、ガリウムリン、ボロンナイトライド、ＧａＮなどの他のワイドギャップ半導体材料からなる半導体素子にも有効に適用できる。

また、上述の各実施形態で述べたワイドギャップ半導体素子において、ｎ型領域をｐ型領域に、ｐ型領域をｎ型領域にそれぞれ置き換えた逆極性の半導体素子に対しても本発明の動作方法を適用できる。

また、上述の各実施形態では、本発明の動作方法の適用対象となるワイドギャップ半導体素子は、金属キャップを用いたＴＯ型のパッケージを備えているが、金属キャップの代わりに高耐熱樹脂のキャップを用いてもよい。また各半導体装置の構成はＴＯ型でなく、スタッド型や平型、高耐熱樹脂を用いたＳＩＰ（シングルインライン）型など、Ｓｉのパワーモジュールで一般に用いられるモールド型の構成でもよい。キャリヤ寿命の制御法としては電子線の照射以外にγ線の照射やプロトンヘリウムイオンなど荷電粒子を照射してもよい。各実施形態では、ワイドギャップ半導体素子を有する三相インバータ装置を示したが、マトリックスインバータやＤＣ−ＤＣコンバータなどの他の電力変換装置でもよい。またインバータやコンバータ以外にスイッチング電源や整流装置、レギュレータ、高周波発振装置などの他の電力変換装置にも本発明の動作方法を適用できる。

１３ ＳｉＣ−ｐｎダイオード素子
２０ ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子
９０ 三相インバータ装置
１００ａ，１００ｂ スイッチングモジュール

Claims (3)

1. ワイドギャップ半導体素子の通電開始時に通電電流をゼロから定格電流まで上昇させる半導体装置の動作方法であって、
   上記ゼロから定格電流までの或る電流の値Ｉ１を設定して、上記通電電流がゼロからＩ１に達するまでの電流上昇率をｄＩ１／ｄｔとし、上記通電電流がＩ１から上記定格電流に達するまでの電流上昇率をｄＩｎ／ｄｔとしたとき、
   上記ワイドギャップ半導体素子内の積層欠陥の発生による上記ワイドギャップ半導体素子の破壊を防止するように、上記ｄＩ１／ｄｔは、一定値で、かつ
   ０．５秒＜（Ｉ１÷（ｄＩ１／ｄｔ））
   なる関係式を満たし、
   上記ｄＩｎ／ｄｔは、
   （ｄＩ１／ｄｔ）＜（ｄＩｎ／ｄｔ）
   なる関係式を満たすことを特徴とする半導体装置の動作方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の動作方法において、
   上記ｄＩｎ／ｄｔは一定値であることを特徴とする半導体装置の動作方法。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置の動作方法において、
   上記ワイドギャップ半導体素子を冷却するための冷却ファンを設け、
   上記ワイドギャップ半導体素子に対する通電開始時点から上記ワイドギャップ半導体素子の温度が自己発熱により５０℃になるまで上記冷却ファンを停止し、上記ワイドギャップ半導体素子が自己発熱により５０℃に達した時に冷却ファンの運転を再開することを特徴とする半導体装置の動作方法。

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