JP5333893B2 - 複合半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源装置の過熱保護回路等に使用され、同一の半導体層上に、半導体素子領域と温度検出用のセンサ素子領域とが形成された複合半導体装置に関する。

スイッチング電源装置等に用いられる整流素子として機能するダイオードや、スイッチング素子として機能するトランジスタ等の半導体素子は、半導体素子自身の動作及び通電により発熱し、発熱による誤作動や素子破損を招き、電源装置の発煙、発火を引き起こす場合がある。そこで、これらを防止する手段として、ダイオードをセンサ素子として使用した保護回路を設けた電源装置が、特許文献１に開示されている。

図６は、特許文献１に開示される従来のフライバック型スイッチング電源装置の回路構成図である。
直流電源ＤＣから入力される直流電力を、スイッチング素子Ｑを図示しない制御回路によりオン／オフ制御させることで、トランスＴの一次巻線Ｐに印加する。
スイッチング素子Ｑがオンする間、トランスＴの一次巻線Ｐに磁気エネルギーが蓄えられ、スイッチング素子Ｑがオフする間、二次巻線Ｓから磁気エネルギーを放出する。
放出された磁気エネルギーは、ダイオードＤ１と平滑コンデンサＣとによって整流平滑化され、出力端子ＯＵＴを介して図示しない負荷に供給される。

従来のスイッチング電源装置のスイッチング動作時における発熱は、ダイオードＤ１において最も大きいため、従来のスイッチング電源装置では、センサ素子としてダイオードＤ２とダイオードＤ１とを一体化した複合部品を設置している。この複合部品は、トランスＴの二次巻線Ｓの一端と出力端子＋ＯＵＴとの間に接続され、ダイオードＤ２は、トランスＴの二次巻線Ｓの一端と過熱検出回路ＴＤＣとの間に接続される。ダイオードＤ１の発熱は、過熱検出回路ＴＤＣを介して制御回路にフィードバックされ、制御回路は、ダイオードＤ１の発熱を低減させるようにスイッチング素子Ｑを制御する。

ダイオードＤ２のように温度上昇を検出するセンサ素子は、ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）やＰＮ接合ダイオード等が一般的であり、温度検出の原理には、ＳＢＤの漏れ電流ＩＲ特性や、ＰＮ接合ダイオードの順方向電流特性などが多く利用されている。
図５は、ＳＢＤのＩＲ温度特性の図であり、モリブデンＭｏ及びパラジウムＰｄからなるショットキー電極を形成したときのＩＲを示し、ＳＢＤのＩＲが周囲温度に対して優れた線形性を有することを示す図である。

同一の半導体層上に、半導体素子であるＦＲＤ（Ｆａｓｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｉｏｄｅ）１１と、センサ素子であるＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）１２と、が並存するように形成された従来の複合半導体装置を図７に示す。
ＦＲＤ１１が、Ｎ型の第１半導体層１と、第１半導体層１上に島状に形成され、且つ、第１半導体層１とＰＮ接合が形成されるＰ型の第２半導体層２と、第１半導体層１と第２半導体層２との各表面上に形成された絶縁膜４と、第２半導体層２上における絶縁膜４の開口部に形成され第２半導体層２と電気的に接続される第３電極７と、第１半導体層１と電気的に接続される第４電極８と、で構成され、
ＳＢＤ１２が、第１半導体層１と、第１半導体層１上に島状に形成されたＰ型の第３半導体層３と、第１半導体層１と第３半導体層３との各表面上に形成された絶縁膜４と、第１半導体層１及び第３半導体層３上における絶縁膜４の開口部に形成され且つ第１半導体層１との間にショットキー接合が形成される第１電極５と、第１半導体層１と電気的に接続される第４電極８と、で構成されている。

従来の複合半導体装置において、ＦＲＤ１１の温度上昇は、主に第１半導体層１を介した熱伝導によって、ＳＢＤ１２に伝わり、ＳＢＤ１２の漏れ電流ＩＲが変化することによって検出される。このようにして、半導体素子の温度上昇が第１半導体層１を介して検出される複合半導体装置の例が、特許文献２で開示されている。

さらに、従来の複合半導体装置において、半導体素子の発熱に対してより良好な保護機能を付加し、信頼性を向上するため、第１半導体層１上に複数のセンサ素子が配置された複合半導体装置の例が、特許文献３で開示されている。

再表ＷＯ２００４／０１７５０７ 特開２００６−３２４４１２ 特公平６−９３４８５

このような温度検出用のセンサ素子は、半導体素子の温度上昇を検出し、発熱による誤作動や素子破損から半導体素子を保護するため、高い温度検出精度と安定性とが要求される。しかしながら、図５に示すように、ＳＢＤの漏れ電流ＩＲの温度特性は優れた線形性を有するが、高温領域において温度特性の線形性が劣化する場合があるため、高温領域における温度検出精度が不安定になるという欠点があった。

そこで、本発明の目的は、同一の半導体層上に、半導体素子と、半導体素子の温度検出用のセンサ素子と、が並存するように形成され、幅広い温度領域において精度良く半導体素子の温度を検出でき、電源装置の過熱保護回路に用いることができる複合半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項１に係る本発明の複合半導体装置は、パワー半導体素子として機能する半導体素子領域と、前記半導体素子領域の温度上昇を検出するセンサとして機能する複数のセンサ素子領域と、を半導体基体に備えた複合半導体装置において、
前記複数のセンサ素子領域は、前記半導体基体とショットキー接合を形成する第１電極を有する第１センサ素子と、前記第１電極と離間し、前記半導体基体とショットキー接合を形成し、周囲温度に対する漏れ電流が前記第１電極と異なる第２電極を有する第２センサ素子と、からなることを特徴とする。

さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項２に係る本発明の複合半導体装置は、第１電極はＭｏから構成され、第２電極はＰｄから構成されていることを特徴とする。
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項３に係る本発明の複合半導体装置は、低温領域と高温領域とでセンサ素子を切り替えて温度検出することを特徴とする。

各請求項の発明によれば、幅広い温度領域において、精度良く半導体素子の温度を検出できる。

次に、図１〜３を参照して本発明の実施形態に係わる複合半導体装置の一例を説明する。

図１は本発明の第１実施例の複合半導体装置を示す断面図である。図１において、複合半導体装置は、同一の半導体層上に、半導体素子であるＦＲＤ（Ｆａｓｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｉｏｄｅ）１１と、センサ素子である複数のＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）１２ａ、１２ｂと、が並存するように形成された複合半導体装置であって、
ＦＲＤ１１が、２４０μｍ程度の厚みを有するＮ型の第１半導体層１と、第１半導体層１上に島状に形成され、且つ、第１半導体層１とＰＮ接合が形成されるＰ型の第２半導体層２と、第１半導体層１と第２半導体層２との各表面上に形成された絶縁膜４と、第２半導体層２上における絶縁膜４の開口部に形成され第２半導体層２と電気的に接続される５〜８μｍ程度の厚みを有する第３電極７と、第１半導体層１上に形成され第１半導体層１と電気的に接続される第４電極８と、で構成され、
ＳＢＤ１２ａが、第１半導体層１と、第１半導体層１上に島状に形成されたＰ型の第３半導体層３と、第１半導体層１と第３半導体３との各表面上に形成された絶縁膜４と、第１半導体層１及び第３半導体層３上における絶縁膜４の開口部に形成され、且つ、第１半導体層１との間にショットキー接合が形成される第１電極５と、第１半導体層１と電気的に接続される第４電極８と、で構成され、
ＳＢＤ１２ｂが、第１半導体層１と、第１半導体層１上に島状に形成されたＰ型の第３半導体層３と、第１半導体層１と第３半導体層３の各表面上に形成された絶縁膜４と、第１半導体層１上における絶縁膜４の開口部に形成され、且つ、第１半導体層１との間にショットキー接合が形成される第２電極６と、第１半導体層１と電気的に接続される第４電極８と、で構成され、
ＳＢＤ１２ａ、１２ｂを構成する第１電極５及び第２電極６は、互いに離間して形成され、第１電極５はモリブデンＭｏからなり、第２電極６はパラジウムＰｄからなるように形成される。
なお、第１電極５と第２電極６とは第１半導体層１とショットキー接合を形成する材料で構成されているが、第１電極５と第２電極６とは周囲温度に対する漏れ電流が互いに異なるようにバリアハイトΦＢが異なる材料から選択されている。ちなみに第１電極５及び第２電極６はモリブデンＭｏ、パラジウムＰｄ、バナジウムＶ、クロムＣｒ、アルミニウムＡｌ、プラチナＰｔのうちいずれかから選択される。

従って、本発明の実施形態に係わる複合半導体装置は、同一の半導体層上にセンサ素子として複数のＳＢＤ１２ａ、１２ｂを構成する第１電極５及び第２電極６が互いに離間して形成され、さらに第１電極５及び第２電極６の材質が互いに異なるように選択され形成されている点で、従来の複合半導体装置と相違し、この他は従来の複合半導体装置と同一に構成されている。

ＳＢＤの漏れ電流ＩＲの温度特性は、図５に示すように、ショットキー電極の材料に依存し、同一の周囲温度に対するＩＲの値はショットキー電極の材料に応じて異なる。例えば、Ｍｏ、Ｐｄはともに温度が高くなるほどＩＲは大きくなるという線形性を有するが、Ｍｏは比較的低い温度領域においてＰｄよりもＩＲは大きい。又、比較的高い温度領域において、Ｍｏの線形性は崩れるが、Ｐｄの線形性は良好である。

第１実施例によれば、ＭｏからなるＳＢＤ１２ａとＰｄからなるＳＢＤ１２ｂとは互いにＩＲの温度特性が異なる材料で形成されているため、高温領域においては、ＳＢＤ１２ａのＩＲの温度特性の線形性が劣化するが、ＳＢＤ１２ｂから検出するように切り替えることで、ＳＢＤ１２ｂのＩＲの温度特性から精度良くＦＲＤの温度を推定できる。又、低温領域においてはＳＢＤ１２ｂのＩＲが小さくなるが、ＳＢＤ１２ａから検出するように切り替えることで、比較的大きなＩＲが流れるので、精度良く温度を推定できる。このようにＦＲＤ１１の温度に応じてＳＢＤ１２ａ、１２ｂを切り替えて温度検出させることで、幅広い温度領域において、精度良くＦＲＤ１１の温度を検出できる。

なお、第１電極５及び第２電極６の端部直下の第１半導体層１上に島状に形成されたＰ型の第３半導体層３は、第３半導体層３で挟まれた第１電極５及び第２電極６直下の第１半導体層１の部分を完全に空乏化させるために配設するように図示しているが、第３半導体層３は配設しなくても良い。

図２は本発明の第２実施例の複合半導体装置を示す断面図である。図２において、複合半導体装置は、絶縁膜４上において、第１半導体層１及び絶縁膜４よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性材料からなる伝熱板９が配設されている。伝熱板９は、絶縁膜４上において、第１電極５及び第２電極６及び第３電極７のうち少なくとも１つの電極の端部に機械的に接触し、その電極の端部から他の電極側に向かって配設されている。従って伝熱板９は、第１電極５から第３電極７までの距離または／且つ第２電極６から第３電極７までの距離を縮めるように配設されている。

第２実施例によれば、第１電極５と第３電極７との間及び第２電極６と第３電極７との間の絶縁膜４が、製造上の加工性が良く、第１半導体層１よりも薄く且つ第１半導体層１とほぼ等しい熱伝導率を有している。従って、伝熱板９を配設することで、ＦＲＤ１１の温度上昇が、絶縁膜４から第１電極５又は第２電極６へとすばやく良好に検出されるため、従来のように第１半導体層１を介してＳＢＤ１２ａ、１２ｂで検出される場合に比べ、高い応答速度で温度上昇を検出できる。

図３は本発明の第３実施例の複合半導体装置を示す断面図である。図３において、複合半導体装置は、第１電極５及び第２電極６上に、第１半導体層１及び絶縁膜４よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性材料からなる伝熱板９ａ、９ｂが配設されている。伝熱板９ａ、９ｂは夫々、第１電極５及び第２電極６と機械的に接触し、平面的に見て、第３電極７と重なる領域を有するように第１電極５へと延伸して形成されている。

第３実施例によれば、断面的に見て、伝熱板９ａ、９ｂの延伸された一部と第１電極５との間の絶縁膜４が第１半導体層１よりも薄く、且つ、伝熱板９ａ、９ｂは第１半導体層１よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性材料から形成されている。従って、ＦＲＤ１１の温度上昇が、絶縁膜４及び伝熱板９ａ、９ｂを介して第１電極５及び第２電極６へとすばやく良好に検出されるため、従来のように第１半導体層１を介してＳＢＤ１２ａ、１２ｂで検出される場合に比べ、高い応答速度で温度上昇を検出できる。

本発明の複合半導体装置を構成する半導体素子領域は、ＦＲＤに限定されず、その他のダイオードや、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等のトランジスタで構成されてもよい。さらに、伝熱板９、９ａ、９ｂは、導電性材料に限定されず、第１半導体層１よりも高い熱伝導性を有する材料に置き換えることができる。さらに、伝熱板９ａ、９ｂは、第３電極７と接触し、第１電極５及び第２電極６へと延伸して形成されても良い。又、第２半導体層２と第３電極７との間にモリブデンＭｏ、パラジウムＰｄ、バナジウムＶ、プラチナＰｔ等から構成されるバリアメタル膜を介在させても良い。

また、本発明の実施形態に係る複合半導体装置は、図６に示すフライバック型スイッチング電源装置に限定されず、以下に示すような回路に適用することができる。なお、ダイオードＤ３は、センサ素子であって、ダイオードＤ２とはＩＲの温度特性が異なるＳＢＤである。
即ち、図４（ａ）に示すフォワード型におけるトランスＴの二次巻線Ｓと並列に接続しても良い。あるいは、図４（ｂ）に示すプッシュプル型におけるトランスＴの二次巻線Ｓ１の一端と出力端子との間、および二次巻線Ｓ２の一端と出力端子との間に接続しても良い。あるいは、図４（ｃ）に示す降圧チョッパ型におけるスイッチング素子Ｑを介して直流電源ＤＣと並列に接続しても良い。このように様々なスイッチング電源における、発熱の大きい半導体素子と本発明の実施形態に係る複合半導体装置とを置き換えることで、応答の速い過熱保護が実現できる。

本発明の第１実施例の複合半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第２実施例の複合半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第３実施例の複合半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の複合半導体装置を適用したスイッチング電源装置の構成を示す回路構成図である。 ＳＢＤの漏れ電流ＩＲの温度特性を示す図である。 従来のスイッチング電源装置の構成を示す回路構成図である。 従来の複合半導体装置の構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 第１半導体層
２ 第２半導体層
３ 第３半導体層
４ 絶縁膜
５ 第１電極
６ 第２電極
７ 第３電極
８ 第４電極
９、９ａ、９ｂ 伝熱板
１１ ＦＲＤ
１２、１２ａ、１２ｂ ＳＢＤ

Claims (3)

1. パワー半導体素子として機能する半導体素子領域と、前記半導体素子領域の温度上昇を検出するセンサとして機能する複数のセンサ素子領域と、を半導体基体に備えた複合半導体装置において、
   前記複数のセンサ素子領域は、前記半導体基体とショットキー接合を形成する第１電極を有する第１センサ素子と、前記第１電極と離間し、前記半導体基体とショットキー接合を形成し、周囲温度に対する漏れ電流が前記第１電極と異なる第２電極を有する第２センサ素子と、からなることを特徴とする複合半導体装置。
2. 第１電極はＭｏから構成され、第２電極はＰｄから構成されていることを特徴とする請求項１の複合半導体装置。
3. 低温領域と高温領域とでセンサ素子を切り替えて温度検出することを特徴とする請求項１又は２の複合半導体装置。

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