JP6237227B2

JP6237227B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP6237227B2
Application number: JP2013272486A
Authority: JP
Inventors: 平野　拓男; 拓男平野; 貴文種平; 瀬尾　宣英; 宣英瀬尾; 米盛　敬; 敬米盛
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: JP2015128082A

Description

本発明は、半導体装置、特に、トレンチゲート型のパワー半導体装置の技術分野に属する。

一般に、電気機器に電力を制御して供給する電力制御機器には、用途に応じて様々なパワー半導体装置が用いられている。具体的には、高電圧用途ではパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）が主に用いられ、大電流用途ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が主に用いられている。このパワー半導体装置は、その構造からプレーナ型とトレンチゲート型に分類される。近年、更なる低Ｏｎ抵抗化が要求されており、この要求に応えるために、構造上微細化によるＯｎ抵抗低減が可能なトレンチゲート型のパワー半導体装置が使用されている。

一方で、一般に、電車、電気自動車、ハイブリッド車等の電動車両は、駆動輪を回転駆動するために電動モータを備えると共に、該電動モータにバッテリに蓄えられた電力を制御して供給する電力制御機器としてインバータを備えている。このインバータには、通常、ＩＧＢＴ等のパワー半導体装置が用いられている。

ここで、電気自動車やハイブリッド車等の電気駆動自動車では、例えば、急加速時や段差乗り越え走行時に、電車等では想定されないような一時的な負荷の増大があり、このとき、インバータ内の半導体装置に大電力が供給される。この大電流が一瞬でもインバータの定格電流を超えると、半導体装置は発熱量が補償範囲を超えて熱破壊してしまうおそれがある。そのため、高々数パーセントのこのような利用シーンのために、インバータに大容量の半導体装置を用いなければならなかった。その結果、インバータが大型化し、車両重量が増大することで、燃費性能にも影響していた。

上述の課題に対処するために、例えば、特許文献１には、図７に示すように、トレンチゲート型のＩＧＢＴ３００において、半導体本体部３０１の複数のゲート電極３０２間に板状の放熱部材３０３が埋め込まれ、該放熱部材３０３とこの上端面に接合されたＮ型またはＰ型の熱電半導体層３０４等によりペルチェ素子３０５が構成され、放熱部材３０３を介して半導体本体部３０１の内部から積極的に冷却する技術が開示されている。

ところが、特許文献１の技術では、放熱部材３０３を別途設けるので、その分、デバイスサイズが大きくなる懸念があった。また、ゲート電極３０２間に放熱部材３０３を設けるので、ゲート電極３０２間の本来の電流経路を制限して放熱部材３０３の周囲が抵抗となり、Ｏｎ抵抗が増加する懸念があった。さらに、本構造の場合、電流密度が高いゲート電極３０２の側壁部が大きな発熱部となるが、この発熱部と放熱部材３０３との間が離れているので、この間で伝熱に時間的遅れが生じて冷却性能に影響していた。

特開２００７−２２７６１５号公報

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、デバイスサイズや低Ｏｎ抵抗を維持しながら冷却性能を向上させることができる半導体装置を提供するものである。

前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、
トレンチ構造のゲート電極が埋設された半導体本体を有する半導体装置であって、
前記ゲート電極の半導体本体の表面に露出する端部に接続され、前記半導体本体の内部で発生した熱を前記ゲート電極を介して吸熱する吸熱部が設けられており、
前記吸熱部には、Ｐ型及び／またはＮ型半導体で形成されたペルチェ素子が設けられ、
前記ペルチェ素子は、前記熱を吸収する吸熱面と、吸収した熱を放出する放熱面とを有し、
前記半導体装置は、前記ゲート電極を複数備え、
各ゲート電極の半導体本体の表面に露出する端部は、前記ペルチェ素子の吸熱面に直接接続されている
ことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、
前記半導体装置は、前記ペルチェ素子の放熱面に接続され、前記ペルチェ素子の外部に熱を放出する放熱部材を備える
ことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記請求項１または２に記載の発明において、
前記半導体本体は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタまたはパワーＭＯＳＦＥＴである
ことを特徴とする。

上述の各請求項に係る発明によれば、次の効果が得られる。

まず、請求項１に記載の発明によれば、ゲート電極を複数備え、各ゲート電極の半導体本体の表面に露出する端部は、ペルチェ素子の吸熱面に直接接続されている、すなわち、ゲート電極とペルチェ素子との間が離れていないので、この間で伝熱に時間的遅れが生じることがない。したがって、瞬間的に大電流が流れた際に急増する発熱を周囲の部材に影響する前に素早くペルチェ素子まで伝熱して冷却することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、ペルチェ素子の放熱面に接続され、ペルチェ素子の外部に熱を放出する放熱部材を備えるので、ペルチェ素子からの自然放熱に比べて、さらに冷却性能を向上させることができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、代表的なパワー半導体装置である絶縁ゲートバイポーラトランジスタまたはパワーＭＯＳＦＥＴにおいて、請求項１に係る発明と同様の効果を実現することができる。

本発明の第１実施例に係る半導体装置の構成を示す概略断面図である。図１の半導体装置における熱の流れを説明する拡大断面図である。本発明の第２実施例に係る半導体装置の構成を示す概略断面図である。車両の発進加速時における半導体装置内のペルチェ素子の制御方法を示すフローチャートである。車両の急速回生時における半導体装置内のペルチェ素子の制御方法を示すフローチャートである。車両の走行時における半導体装置の動作を説明するタイムチャートである。従来の半導体装置の構成を示す概略断面図である。

以下、本発明をｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴを備えた半導体装置に具体化した実施例を図１〜図６に従って説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（第１実施例）
図１に示すように、半導体装置１００は、炭化ケイ素からなる基板の片面にドレイン電極１１が設けられ、該ドレイン電極１１の表面には、ｎ型のドリフト層１２が設けられている。ドリフト層１２の表面には、チャネル領域形成層であるＰ型のボディ層１３が設けられている。ボディ層１３の表面の一部にＮ＋型のソース層１４が設けられている。ソース層１４とボディ層１３を貫いてドリフト層１２に達するようにトレンチ１５が複数設けられている。トレンチ１５の内壁面には、後述する所定材料からなるゲート絶縁膜１６が形成され、ゲート絶縁膜１６の上からトレンチ１５を埋めて、さらにトレンチ１５の外部へ突出するように、後述する所定材料から形成されたゲート電極１７が設けられている。すなわち、ゲート電極１７の下部はトレンチ１５内にゲート絶縁膜１６を介して埋設されている。ゲート絶縁膜１６のトレンチ１５の開口側端部と、ソース層１４の一部とを覆うように絶縁層１８が設けられている。ボディ層１３とソース層１４の露出表面と、絶縁層１８とを覆うようにソース電極１９が設けられている。ソース電極１９とドレイン電極１１には、ソース端子Ｓとドレイン端子Ｄがそれぞれ接続されている。ＭＯＳＦＥＴとして高速スイッチングを行う半導体本体部２０は、上述のドレイン電極１１、ドリフト層１２、ボディ層１３、ソース層１４、ゲート絶縁膜１６、ゲート電極１７、絶縁層１８およびソース電極１９を備えている。

本実施例の場合、ソース電極１９の表面には、トレンチ１５の外部に突出しているゲート電極１７の上部の端面が露出するように絶縁層２１が設けられている。絶縁層２１の表面には、ゲート電極１７の露出端面と接続するゲート層２２が設けられている。ゲート層２２には、ゲート端子Ｇが接続されている。ゲート層２２の表面には、絶縁性を有する伝熱層２３が設けられている。伝熱層２３の表面には、ペルチェ素子３０が設けられている。

ペルチェ素子３０は、導電体からなる複数の吸熱面部３１と、複数のＰ型およびＮ型半導体部３２ａ、３２ｂと、導電体からなる複数の放熱面部３３を有している。吸熱面部３１は、伝熱層２３に接するように設けられ、放熱面部３３は、半導体本体部２０と反対側に設けられた後述する放熱層３５に絶縁層３４を介して接するように設けられている。そして、一対のＰ型およびＮ型半導体部３２ａ、３２ｂは、その一端が同一の吸熱面部３１に接し、他端が隣接する異なる放熱面部３３にそれぞれ接するように設けられており、これによって、複数のＰ型半導体部３２ａとＮ型半導体部３２ｂが全体として直列に接続されている。この直列に接続された複数のＰ型およびＮ型半導体部３２ａ、３２ｂのうちの両端にあるＰ型半導体部３２ａとＮ型半導体部３２ｂにそれぞれ接する放熱面部３３は、外部直流電源Ｖの陽極と陰極に各々接続されている。外部直流電源Ｖは、外部からの制御信号に基づいて、ペルチェ素子３０への電力供給のＯＮ／ＯＦＦを切換可能に構成されている。なお、Ｐ型およびＮ型半導体部３２ａ、３２ｂの個数や大きさは、半導体装置１００のエネルギ損失から必要とされる単位面積当たりの吸熱能力に応じて決定すればよい。

ペルチェ素子３０の放熱面部３３には、ペルチェ素子３０の外部に熱を放出するための放熱層３５が設けられている。放熱層３５は、アルミ等の高熱伝導材で形成されており、半導体装置１００の一部として半導体本体部２０と一体的に形成されている。なお、放熱層３５は、半導体装置１００と別体で用意されたものを後で半導体装置１００に接合してもよい。このような別体の放熱層３５としては、周知の冷却手段を用いることができる。例えば、別体の空冷ファン等で冷却するためのヒートシンクや、その内部に、油、水、液体窒素等の冷媒が流れる流路を備え、該流路に別体のタンクに貯留された冷媒を別体のポンプにより供給する、または、流路を環状に設けてポンプにより循環させる冷却装置であってもよい。また、当該車両を構成する熱容量が比較的大きな部品を放熱層３５として用いてもよい。

なお、半導体装置１００のＯｎ抵抗は、ソース電極１９からドレイン電極１１までキャリアが移動する経路の抵抗の総和で決められる。特に、ドリフト層１２の抵抗とボディ層１３のチャネル抵抗がこれら電極間の抵抗の総和に占める比率が大きい。そのため、電極間に通電時にドリフト層１２の抵抗とボディ層１３のチャネル抵抗で発生するジュール熱が半導体装置１００全体の発熱量に占める比率が大きい。

ここで、従来の半導体装置は、ゲート絶縁膜とゲート電極として、下記の表１に示すような材料が主に用いられている。

本実施例は、従来よりも熱伝導率が高い材料を用いてゲート絶縁膜１６とゲート電極１７を形成している。そして、ゲート絶縁膜１６については、熱伝導率が高い材料のうち、バンドギャップがケイ素（Ｓｉ１．１２ｅＶ）、炭化ケイ素（４Ｈ−ＳｉＣ３．０６ｅＶ）等の半導体材料よりも十分に高く、従来よりも比誘電率が高くチャネル（反転層）の生じやすい材料が望ましい。なお、ゲート絶縁膜１６は、耐圧の観点から数百ｎｍ以上が望ましい。

具体的には、ゲート絶縁膜１６は、例えば、アルミナまたはサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、六方晶窒化硼素（ｈ−ＢＮ）、ダイアモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いて形成してもよい。また、ゲート電極１７は、例えば、アルミニウム、銅、多結晶炭化ケイ素（Poly−ＳiＣ）等を用いて形成してもよい。例示した材料について、各材料特性（熱伝導率、バンドギャップ、比誘電率）を下記の表２に示す。なお、表２におけるマーク※を付した数値は、『化学便覧応用化学編第６版』丸善（２００３年）に記載されたデータに基づく。

次に、上述のように構成された半導体装置１００の作用について、図２を参照しながら説明する。

ドレイン電極１１の電位がソース電極１９の電位より高く、ゲート電極１７の電位がソース電極１９の電位より高くなるようにゲート電圧を印加しゲート電圧が閾値電圧を超えると、図２（破線の囲みを参照）に示すように、トレンチ１５の側面を一部構成するボディ層１３の内表面部に電子が流れるチャネル１３ａ、１３ｂが形成される。この電子は、ソース層１４からチャネル１３ａ、１３ｂを介してドリフト層１２およびドレイン電極１１に流れ込み、半導体装置１００がオン状態になる。半導体装置１００がオン状態になると、ドリフト層１２とチャネル１３ａ、１３ｂでジュール熱が多く発生する。

ドリフト層１２とチャネル１３ａ、１３ｂで発生した熱は、ゲート絶縁膜１６とゲート電極１７を介して上方のゲート層２２および伝熱層２３に伝えられる。そして、伝熱層２３は、ダイヤモンドライクカーボン等の高熱伝導材料で形成されているので、ドリフト層１２とチャネル１３ａ、１３ｂで発生した熱は、伝熱層２３で均一化された状態で上方のペルチェ素子３０の吸熱面部３１に伝えられる。

ここで、ペルチェ素子３０に外部直流電源Ｖにより直流を流した場合、吸熱面部３１に伝えられた熱は、ペルチェ効果によりＰ型およびＮ型半導体部３２ａ、３２ｂによって吸収されると共に、放熱面部３３へ放熱される。放熱面部３３へ放熱された熱は、これに接する放熱層３５に伝えられて、放熱層３５から半導体装置１００の外部に放出される。

一方で、ペルチェ素子３０に外部直流電源Ｖにより直流を流すのを止めた場合、吸熱面部３１に伝えられた熱は、ペルチェ効果が働かないので、Ｐ型およびＮ型半導体部３２ａ、３２ｂによって吸熱されない。したがって、ごく僅かな量の熱しかＰ型およびＮ型半導体部３２ａ、３２ｂを介して放熱面部３３に伝えられない。

（第２実施例）
図３に示すように、半導体装置２００は、上述の第１実施例の半導体装置１００と比較すると、ＭＯＳＦＥＴとしての半導体本体部２０とペルチェ素子３０の構成は共通するが、ゲート層２２と伝熱層２３が設けられていない点で異なる。なお、同様の構成や機能を有する部材については、同じ符号を付している。

本実施例の場合、ソース電極１９の表面には、トレンチ１５の外部に突出しているゲート電極１７の上部の端面が露出するように絶縁層２１が設けられている。絶縁層２１の表面とゲート電極１７の露出端面は、同面になるように形成されており、これらの表面には、ペルチェ素子３０が設けられている。ペルチェ素子３０の各吸熱面部３１は、各ゲート電極１７の露出端面に接するように設けられている。

この半導体装置２００の場合も、第１実施例の半導体装置１００と同様に、ドリフト層１２とチャネル１３ａ、１３ｂでジュール熱が発生する。この第２実施例の場合、ドリフト層１２とチャネル１３ａ、１３ｂで発生した熱は、ゲート電極１７の端部からこれに接するペルチェ素子３０の吸熱面部３１に直接伝えられる。その後のペルチェ素子３０による吸熱作用については、第１実施例の半導体装置１００と同様である。

次に、上述の実施例の半導体装置１００（または２００）を電気自動車に具体的に適用した場合について説明する。

まず、本実施例の半導体装置が適用される電気自動車の構成について簡単に説明する。この電気自動車は、駆動輪を回転駆動するために電動モータを備えると共に、該電動モータにバッテリに蓄えられた電力を制御して供給するインバータを備えている。このインバータには、高速スイッチングのために半導体装置１００が用いられている。また、この電動モータは、発電機としての機能も有するオルタネータであり、該オルタネータを介して減速時に発生する回生エネルギをバッテリに蓄電することができる。さらに、この電気自動車は、車両を統合的に制御する車両用コントローラを備えている。

この車両用コントローラは、インバータ内のペルチェ素子３０への外部直流電源Ｖによる電力供給のＯＮ／ＯＦＦを切り換え制御するためのペルチェ素子制御部を備えている。このペルチェ素子制御部は、温度センサから半導体本体部２０の温度（以下、「パワー素子温度」という）を示す信号と、アクセルペダルの操作量センサからアクセルペダルの操作角度（以下、「アクセル角」という。）を示す信号と、ブレーキペダルの操作量センサからブレーキペダルの操作角度（以下、「ブレーキ角」という。）を示す信号と、車速センサから車速を示す信号と、電流センサから半導体装置１００への入力電流（以下、「パワー素子電流」という）を示す信号と、がそれぞれ入力される。また、これらの入力信号に基づいて、ペルチェ素子制御部は、ペルチェ素子３０の通電のＯＮ／ＯＦＦ信号を外部直流電源Ｖに出力する。さらに、ペルチェ素子制御部は、ペルチェ素子３０の通電時間を計測する内部タイマを備えている。

このペルチェ素子制御部は、電気自動車の利用シーンに応じてペルチェ素子３０への外部直流電源Ｖによる電力供給のＯＮ／ＯＦＦを切り換え制御する。ペルチェ素子３０に通電されている間は、このペルチェ素子３０によって発熱部である半導体本体部２０が冷却されるので、半導体装置１００全体が所望の温度以下に制御することができる。

ここで、上述の電気自動車において、一時的に電動モータへの負荷が増大してインバータ内の半導体装置１００に大電力が供給されることで半導体本体部２０での発熱量が急増する利用シーン、例えば、段差の乗り越え時、高速走行開始時等におけるペルチェ素子３０の制御方法について、図３のフローチャートの各ステップに従って、図５のタイムチャートを適宜参照しながら説明する。

まず、電動モータを停止状態から作動させた時点（始動スイッチがＯＮ時）では、ペルチェ素子３０への通電は行わない（ステップＳ１）。

次に、パワー素子温度が所定温度よりも高いか否かを判定する（ステップＳ２）。

このステップＳ２で、パワー素子温度が所定温度よりも高くない、すなわち、所定温度以下であると判定されると、次に、アクセル角が急変化である、すなわち、アクセル角の単位時間当たりの変化量が所定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。

このステップＳ３で、アクセル角が急変化ではないと判定すると、次に、アクセル角が所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。

このステップＳ４で、アクセル角が所定値より小さいと判定すると、次に、パワー素子電流の増加率が所定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ５）。

このステップＳ５で、パワー素子電流の増加率が所定値以下であると判定すると、パワー素子電流が所定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ６）。

このステップＳ６で、パワー素子電流が所定値以下であると判定すると、ステップＳ１へ戻る。

一方で、ステップＳ２〜Ｓ６において、いずれかの判定がＹＥＳになると、すなわち、パワー素子温度が所定温度よりも高い、アクセル角が急変化である、アクセル角が所定値以上である、パワー素子電流の増加率が所定値より大きい、または、パワー素子電流が所定値より大きいと判定されると、ペルチェ素子３０への通電を開始（ＯＮ）し、内部タイマによってペルチェ素子３０への通電時間を計測する（ステップＳ７）。例えば、図６に示すように、時刻ｔ１において自動車が段差を乗り越える際、ステップＳ３でアクセル角が急変化であると判定されると（図中矢印ａ参照）、ペルチェ素子３０への通電が開始される。また、時刻ｔ３において自動車が高速走行を開始し、ステップＳ４でアクセル角が所定値θ_ＯＮ以上であると判定されると（図中矢印ｃ参照）、ペルチェ素子３０への通電が開始される。

次に、パワー素子温度が正常に戻った、すなわち、所定の正常温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ８）。

このステップＳ８で、パワー素子温度が正常に戻ったと判定すると、次に、アクセル角の急変化がなくなったか、すなわち、アクセル角の単位時間当たりの変化量が所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ９）。

このステップＳ９で、アクセル角の急変化がなくなったと判定すると、次に、アクセル角が所定値以下か否かを判定する（ステップＳ１０）。

このステップＳ１０で、アクセル角が所定値以下であると判定すると、次に、パワー素子電流の増加率が所定値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１１）。

このステップＳ１１で、パワー素子電流の増加率が所定値よりも小さいと判定すると、次に、パワー素子電流が所定値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１２）。

このステップＳ１２で、図６（時刻ｔ２における矢印ｂを参照）に示すように、パワー素子電流が所定値Ｉ_ＯＮよりも小さいと判定すると、次に、ペルチェ素子３０に通電開始してから所定時間Δｔ（数秒間）経過したか否かを判定する（ステップＳ１３）。

このステップＳ１３で、ペルチェ素子３０に通電開始してから所定時間Δｔ経過したと判定すると、ステップＳ１へ戻り、ペルチェ素子３０への通電を遮断（ＯＦＦ）する。一方で、ペルチェ素子３０に通電開始してから所定時間Δｔ経過していないと判定すると、ステップＳ７へ戻り、ペルチェ素子３０へ通電を継続（ＯＮ）する。

一方で、ステップＳ８〜Ｓ１２において、いずれかの判定がＮＯになると、すなわち、パワー素子温度が正常に戻っていない、アクセル角の急変化がある、アクセル角が所定値より大きい、パワー素子電流の増加率が所定値より大きい、または、パワー素子電流が所定値より大きいと、次に、ペルチェ素子３０への通電開始から一定時間経過したか否かを判定する（ステップＳ１４）。

このステップＳ１４で、ペルチェ素子３０への通電開始から一定時間経過していないと判定すると、ステップＳ７に戻ってペルチェ素子３０に通電を継続（ＯＮ）する。一方で、ペルチェ素子３０への通電開始から一定時間経過したと判定すると、次に、フェールセーフ制御を実行する（ステップＳ１５）。このフェールセーフ制御として、例えば、バッテリからインバータに流れる電流を制限することでパワー素子電流を制限して発熱を減少させてもよい。

このステップＳ１５を実行後、パワー素子温度が正常値に戻ったか否かを判定し（ステップＳ１６）、正常値に戻っていないと判定すると、ステップＳ１５へ戻り、フェールセーフ制御を実行する。一方で、正常値に戻ったと判定すると、ステップＳ１へ戻り、ペルチェ素子３０への通電を遮断（ＯＦＦ）する。

なお、上述のフローは、電動モータの停止時（始動スイッチがＯＦＦ時）に実行を終了する。

ここでさらに、上述の電気自動車において、一時的に電動モータによる発電量が増大してインバータ内の半導体装置１００に大電力が供給されることで半導体本体部２０での発熱量が急増する利用シーン、例えば、高速走行終了時および急回生時のペルチェ素子３０の制御方法について、図４のフローチャートの各ステップに従って、図５のタイムチャートを適宜参照しながら説明する。

まず、電動モータを停止状態から作動させた時点（始動スイッチがＯＮ時）では、ペルチェ素子３０への通電は行わない（ステップＳ２１）。

次に、パワー素子温度が所定温度よりも高いか否かを判定する（ステップＳ２２）。

このステップＳ２２で、パワー素子温度が所定温度よりも高くない、すなわち、所定温度以下であると判定されると、次に、ブレーキ角が急変化である、すなわち、ブレーキ角の単位時間当たりの変化量が所定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２３）。

このステップＳ２３で、ブレーキ角が急変化ではないと判定すると、次に、車速が急変化である、すなわち、車両の加速度が所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２４）。

このステップＳ２４で、車速が急変化であると判定すると、次に、パワー素子電流の増加率が所定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２５）。

このステップＳ２５で、パワー素子電流の増加率が所定値以下であると判定すると、パワー素子電流が所定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２６）。

このステップＳ２６で、パワー素子電流が所定値以下であると判定すると、ステップＳ２１へ戻る。

一方で、ステップＳ２２〜Ｓ２６において、いずれかの判定がＹＥＳになると、すなわち、パワー素子温度が所定温度よりも高い、図６（時刻ｔ５における矢印ｅを参照）に示すように、ブレーキ角が急変化である、車速が急変化である、パワー素子電流の増加率が所定値より大きい、または、パワー素子電流が所定値より大きいと判定されると、ペルチェ素子３０への通電を開始（ＯＮ）し、内部タイマによってペルチェ素子３０への通電時間を計測する（ステップＳ２７）。

次に、パワー素子温度が正常に戻った、すなわち、所定の正常温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ２８）。

このステップＳ２８で、パワー素子温度が正常に戻ったと判定すると、次に、ブレーキ角の急変化がなくなったか、すなわち、ブレーキ角の単位時間当たりの変化量が所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２９）。

このステップＳ２９で、ブレーキ角の急変化がなくなったと判定すると、次に、車速の急変化が無くなったか否かを判定する（ステップＳ３０）。

このステップＳ３０で、車速の急変化が無くなったと判定すると、次に、パワー素子電流の増加率が所定値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３１）。

このステップＳ３１で、パワー素子電流の増加率が所定値よりも小さいと判定すると、次に、パワー素子電流が所定値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３２）。

このステップＳ３２で、図６（時刻ｔ４の矢印ｄ、時刻ｔ６の矢印ｆを参照）に示すように、パワー素子電流（絶対値）が所定値Ｉ_ＯＮよりも小さいと判定すると、次に、ペルチェ素子３０に通電開始してから所定時間Δｔ（数秒間）経過したか否かを判定する（ステップＳ３３）。

このステップＳ３３で、ペルチェ素子３０に通電開始してから所定時間Δｔ経過したと判定すると、ステップＳ２１へ戻り、ペルチェ素子３０への通電を遮断（ＯＦＦ）する。一方で、ペルチェ素子３０に通電開始してから所定時間Δｔ経過していないと判定すると、ステップＳ２７へ戻り、ペルチェ素子３０へ通電を継続（ＯＮ）する。

一方で、ステップＳ２８〜Ｓ３２において、いずれかの判定がＮＯになると、すなわち、パワー素子温度が正常に戻っていない、ブレーキ角の急変化がある、車速の急変化がある、パワー素子電流の増加率が所定値より大きい、または、パワー素子電流が所定値より大きいと、次に、ペルチェ素子への通電開始から一定時間経過したか否かを判定する（ステップＳ３４）。

このステップＳ３４で、ペルチェ素子３０への通電開始から一定時間経過していないと判定すると、ステップＳ２７に戻ってペルチェ素子３０に通電を継続（ＯＮ）する。一方で、ペルチェ素子３０への通電開始から一定時間経過したと判定すると、次に、フェールセーフ制御を実行する（ステップＳ３５）。このフェールセーフ制御として、例えば、電動モータからインバータに流れる電流を制限することでパワー素子電流を制限して発熱を減少させてもよい。

このステップＳ３５を実行後、パワー素子温度が正常値に戻ったか否かを判定し（ステップＳ３６）、正常値に戻っていないと判定すると、ステップＳ３５へ戻り、フェールセーフ制御を実行する。一方で、正常値に戻ったと判定すると、ステップＳ２１へ戻り、ペルチェ素子３０への通電を遮断（ＯＦＦ）する。

以上により、これら実施例によれば、ゲート電極１７の半導体本体部２０の表面に露出する端部に接続され、半導体本体部２０の内部で発生した熱をゲート電極１７を介して吸熱するペルチェ素子３０が設けられている。そのため、半導体本体部２０の内部の発熱部、特に電流密度が高いゲート電極１７の側壁部を直接冷却することができるので、この発熱部とゲート電極１７の間で伝熱に時間的遅れが生じず、従来よりもさらに冷却性能を向上させることができる。また、ゲート電極１７自体が伝熱部材を兼ねているので、別体の伝熱部材を設ける必要が無く、デバイスサイズが大きくなるおそれがない。さらに、新たに抵抗となる別体の伝熱部材を設ける必要が無いので、Ｏｎ抵抗は増加する懸念がない。したがって、デバイスサイズやＯｎ抵抗を維持しながら冷却性能を向上させることができる。

また、これら実施例によれば、Ｐ型及び／またはＮ型半導体部３２ａ、３２ｂで形成されたペルチェ素子３０が設けられるので、このペルチェ素子３０は、半導体装置１００（２００）の一部として半導体本体部２０に対して積層して形成することができる。したがって、一体的に冷却機能が設けられた小型の半導体装置１００（２００）を実現することができる。

また、第２実施例によれば、ゲート電極１７を複数備え、各ゲート電極１７の半導体本体部２０の表面に露出する端部は、ペルチェ素子３０の吸熱面部３１に直接接続されている、すなわち、ゲート電極１７とペルチェ素子３０との間が離れていないので、この間で伝熱に時間的遅れが生じることがない。したがって、瞬間的に大電流が流れた際に急増する発熱を周囲の部材に影響する前に素早くペルチェ素子３０まで伝熱して冷却することができる。

また、第１実施例によれば、ゲート電極１７を複数備え、各ゲート電極１７の半導体本体部２０の表面に露出する端部は、各ゲート電極１７を介して伝わる熱を均一化して伝達する伝熱層２３を介してペルチェ素子３０の吸熱面部３１に接続されているので、各ゲート電極１７の端部から伝熱層２３に伝えられた局所的な熱が伝熱層２３を伝わる間に均熱化され、ペルチェ素子３０の吸熱面部３１には平均化された状態で熱が伝わる。したがって、伝熱層２３を介さずにペルチェ素子３０の吸熱面部３１に局所的に熱が伝えられる場合に比べて、各ペルチェ素子３０による伝達可能な熱量が多くなり、半導体装置２００全体として冷却性能が向上する。また、各ゲート電極１７を介して伝わる熱量に偏りがある場合にも、伝熱層２３を介して各ペルチェ素子３０まで熱が伝わることで各ペルチェ素子３０に吸熱される熱量が平均化される。したがって、各ゲート電極１７を伝わる熱量のうちで最大の熱量を吸熱可能な最大定格を有する、高価でサイズが大きなペルチェ素子３０を選択しなくてもよい。さらに、各ゲート電極１７の端部の直上に各ペルチェ素子３０を必ずしも設けなくてよいので、ゲート電極１７に対するペルチェ素子３０の相対的な位置やペルチェ素子３０を設ける個数を比較的自由に設定することができる。

また、これら実施例によれば、ペルチェ素子３０の放熱面部３３に接続され、ペルチェ素子３０の外部に熱を放出する放熱層３５を備えるので、ペルチェ素子３０からの自然放熱に比べて、さらに冷却性能を向上させることができる。

なお、本発明は例示された実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良および設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

例えば、本実施例では、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴで説明したが、Ｐチャネル型であってもよい。また、ＭＯＳＦＥＴに限らず、トレンチ構造を有するＩＧＢＴであってもよい。

また、本実施例では、ペルチェ素子３０を半導体本体部２０と一体的に形成したが、別体の部材として予め用意して後に接合してもよい。また、ペルチェ素子３０を用いてゲート電極１７から吸熱したが、これに限るものではなく、例えば、液体窒素、油、水等の公知の冷媒を用いて伝熱層２３または絶縁層２１を直接冷却してもよい。また、ゲート電極１７が半導体装置の外部まで延びたヒートシンク状の構成にして自然放熱または別体の空冷ファンを用いて強制空冷してもよい。

また、本実施例として電気自動車のインバータに適用したパワー半導体装置について説明してきたが、モータ駆動が可能なハイブリッド車のインバータ、さらには、大電力の高速スイッチングが必要とされる電力制御装置一般において、同様に本発明を適用することができ、同様の作用効果が得られる。例えば、太陽光発電のＤＣ／ＡＣ、風力発電のＤＣ／ＤＣ等の急激な電流変動がある電力変換装置において、特に利用価値が高い。

以上のように、本発明によれば、半導体装置において、デバイスサイズやＯｎ抵抗を維持しながら冷却性能を向上させることができるので、この種の半導体装置を適用したインバータを搭載した自動車（ＥＶ、ＨＥＶ等）だけではなく、発電・送配電システム（スマートグリッド等）、自動車以外の輸送機器（鉄道、船舶、航空機）、産業機器（ＦＡ機器、エレベータ等）、ＩＴ関連機器（パソコン、携帯電話等）、民生・家電機器（エアコン、ＦＰＤ、ＡＶ機器等）等の製造技術分野においても好適に利用される可能性がある。

１００、２００半導体装置
１６ゲート絶縁膜
１７ゲート電極
２０半導体本体部（半導体本体）
２３伝熱層（絶縁均熱部材）
３０ペルチェ素子（吸熱部）
３１吸熱面部（吸熱面）
３３放熱面部（放熱面）
３５放熱層（放熱部材）

Claims

トレンチ構造のゲート電極が埋設された半導体本体を有する半導体装置であって、
前記ゲート電極の半導体本体の表面に露出する端部に接続され、前記半導体本体の内部で発生した熱を前記ゲート電極を介して吸熱する吸熱部が設けられており、
前記吸熱部には、Ｐ型及び／またはＮ型半導体で形成されたペルチェ素子が設けられ、
前記ペルチェ素子は、前記熱を吸収する吸熱面と、吸収した熱を放出する放熱面とを有し、
前記半導体装置は、前記ゲート電極を複数備え、
各ゲート電極の半導体本体の表面に露出する端部は、前記ペルチェ素子の吸熱面に直接接続されている
ことを特徴とする半導体装置。
前記半導体装置は、前記ペルチェ素子の放熱面に接続され、前記ペルチェ素子の外部に熱を放出する放熱部材を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記半導体本体は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタまたはパワーＭＯＳＦＥＴである
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。