JP6252585B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関する。
ＩＰＭ（Intelligent Power Module）は、一般に、パワー半導体素子と、制御回路や駆動回路や保護回路等とをモジュール化した半導体装置である。従来のＩＰＭのセンサ技術として、パワー半導体素子上にダイオードを形成したセンスダイオードがある。また、別のセンサ技術として、パワー半導体モジュール内にシャント抵抗及びサーミスタを設け、シャント抵抗を電流センサとして、サーミスタを温度センサとして用いることがある。パワー半導体素子が動作することにより、その損失に応じた熱が発生する。この熱によりパワー半導体素子が故障しないように、上記のセンサ技術によりパワー半導体素子の温度を検出し、ゲート電圧等の制御を行ってパワー半導体素子を保護している。
センスダイオードは、そのセンスダイオードの電流特性の温度依存性に基づいてパワー半導体素子の温度を検出している。従来からの半導体素子材料であるシリコンは、電流の温度依存性が大きいことから、シリコンよりなるセンスダイオードは、電流変化により温度を検出するのが容易である。一方、次世代半導体材料として注目されている炭化珪素（シリコンカーバイド；ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体素子は、シリコンに比べて電流特性の温度依存性が小さい。このため、センスダイオードを、このワイドバンドギャップ半導体素子と同じ材料によって作製した場合には、十分な精度が期待できない。また、ワイドバンドギャップ半導体素子の作製とは別工程によってシリコン半導体によりセンスダイオードを作製したのでは、製造工程の増大を招く。
シャント抵抗及びサーミスタは、一般にパワー半導体モジュール内の絶縁回路基板上に、パワー半導体素子とは別の位置で設けられている。そのため、シャント抵抗及びサーミスタを用いた場合、パワー半導体モジュールの外形サイズが大きくなる要因となり得た。また、シャント抵抗及びサーミスタがパワー半導体素子から離れているため、温度検出のための反応速度が必ずしも速くない。このため、保護回路や制御回路に用いられるセンサとしての要求特性に十分に応えるものではない場合があった。
また、半導体装置の温度測定方法に関し、半導体スイッチング素子であるＳｉＣ ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）のターンオフ特性時間としての蓄積時間ＴＳが、温度依存性が大きいことを利用して、ＳｉＣ ＧＴＯの接合温度を求める方法がある（特許文献１）。しかし、この方法はＧＴＯについてであって、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の他の半導体素子の温度測定には適用が困難であった。
また、炭化珪素半導体素子の温度を測定するためのダイオード（ＳＢＤ；ショットキーバリアダイオード）を備えた炭化珪素半導体装置に関し、ＳＢＤの電流−電圧特性を調べることにより、制御ＩＣがＭＯＳＦＥＴを停止させるべき設定温度に対応するアノード電圧を求める。そして、この求めたアノード電圧の設定により、ＭＯＳＦＥＴを過温度から保護する装置がある（特許文献２）。しかし、この装置はＳＢＤを有しない半導体装置には適用できなかった。
またＳｉＣ半導体装置に関し、半導体素子の底面に形成したバリアメタルの一部を用いて測温抵抗体を形成し、この測温抵抗体の抵抗値が温度に依存して変化することを利用して、ＳｉＣ半導体の温度を検出する装置がある（特許文献３）。しかし、測温抵抗体による測温では、特定の大きさの出力電圧を得るためには、測温抵抗体の長さを長くする必要があり、測温抵抗体が設けられる領域に制限があった。
更に、半導体基板の温度を計測する装置として、光源から光を半導体基板に当て、半導体基板からの散乱光を受光、分光した光スペクトルに基づいて半導体基板の温度を演算計測する装置がある（特許文献４）。しかし、この装置は、半導体装置の材料である半導体基板の温度計測装置であって、動作している半導体装置の温度を測定する装置ではなかった。
特開２００７−９３３３５号公報 国際公開２０１２／０８６０９９号公報 特開２０１３−２６５６３号公報 特開２０１０−２５７５６号公報
本発明は、ＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体素子を有する半導体装置において、当該半導体素子の保護や制御のための要求特性に十分に応えるセンサを備える半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、ワイドバンドギャップ半導体素子と、該ワイドバンドギャップ半導体素子の側方に近接配置され、該ワイドバンドギャップ半導体素子が通電されたときの発光を受光する受光素子と、を備え、前記受光素子により前記ワイドバンドギャップ半導体素子の側面から発光される光の強度を検出し、該光の強度により該ワイドバンドギャップ半導体素子に流れる電流値を得て、該電流値から該ワイドバンドギャップ半導体素子の温度を検出することを特徴とする。
本発明の半導体装置によれば、ワイドバンドギャップ半導体素子が通電されたときの発光を受光する受光素子を備え、この受光素子によりワイドバンドギャップ半導体素子から発光される光の強度を検出する。そして、その光の強度によりワイドバンドギャップ半導体素子に流れる電流値を得ることができる。このため、ワイドバンドギャップ半導体素子に流れる電流や、ワイドバンドギャップ半導体素子の温度等を、反応速度よく検出でき、また、小型化にも有利である。
図１は、本発明の一実施形態の半導体装置の模式的な断面図である。 図２は、パワー半導体チップとしてのショットキーバリアダイオードの正面図である。 図３は、パワー半導体チップとしてのＭＯＳＦＥＴの正面図である。 図４は、ＭＯＳＦＥＴの模式的な断面図である。 図５は、ＭＯＳＦＥＴの回路図である。 図６は、ＭＯＳＦＥＴから放射される光を撮像し、ディスプレー上に表示した中間調画像の写真である。
以下、本発明の半導体装置の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の半導体装置１としてのパワー半導体モジュールの模式的な断面図である。図１の半導体装置１は、絶縁回路基板２上にパワー半導体チップ３がはんだ４により接合されている。絶縁回路基板２は、絶縁基板２ａの一方の面に、導電層２ｂが選択的に形成され、これにより半導体装置１と電気的に接続する回路パターンが形成されている。他方の面に導電層２ｃが形成されてなる。
パワー半導体チップ３は、ワイドバンドギャップ半導体よりなり、具体的には例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）又はガリウムナイトライド（ＧａＮ）よりなる。パワー半導体チップ３は、絶縁回路基板２と対向する面に電極を備え、その電極がはんだ４を介して導電層２ｂと電気的に接続している。また、パワー半導体チップ３は、絶縁回路基板２と対向する面とは反対側の面にも電極を備え、その電極がボンディングワイヤ５を介して導電層２ｂや他の素子等と電気的に接続している。もっともボンディングワイヤ５は必須ではなく、導電材料よりなるピンや平板などによって電気的に接続することもできる。
半導体装置１は、パワー半導体チップ３を保護、制御するための回路を有する制御基板等を有することができるが、図１では図示を省略している。また、半導体装置１は、パワー半導体チップ３がケース６内に収容され、このケース６内は、耐電圧を高めるために、ゲルによって充填され得る。
ケース６内において、パワー半導体チップ３の近傍に、受光素子７が設けられている。この受光素子７は、パワー半導体チップ３から発光される光を受光するためのものである。
ＳｉＣやＧａＮのようなバンドギャップがＳｉよりも大きい、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体チップ３は、バンドギャップが大きいことにより、通電時には、バンドギャップに応じた光を発光する。この光の強度は、パワー半導体チップ３に通電される電流の大きさと線形の関係にある。そこで、本実施形態の半導体装置１は、パワー半導体チップ３の近傍に設けられた受光素子７により、パワー半導体チップ３から発光される光の強度を検出している。そして、検出された光の強度によりパワー半導体チップに流れる電流値を得ることができるようにしている。なお、この受光素子７は、パワー半導体チップ３の材料のバンドギャップによる特定のスペクトル光を検出することができる受光素子であれば、特に限定されない。
図２を用いて、パワー半導体チップ３がＳｉＣよりなるショットキーバリアダイオード１３である例について説明する。パワー半導体チップ３としての図２に示したショットキーバリアダイオード１３は、絶縁回路基板２としての例えばＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板に対向する面に第１の電極１３１を備え、第１の電極１３１とは反対側の面に第２の電極１３２を備えている。この例では、ショットキーバリアダイオード１３に通電した場合に、光は、図中矢印で示すようにショットキーバリアダイオード１３の側面から放射され、電極１３１、１３２のある面からは放射されない。したがって、受光素子７は、ショットキーバリアダイオード１３の側方に近接配置される。
受光素子７は、絶縁回路基板２の導電層２ｂと電気的に接続して、導電層２ｂ上に設けることができる。また、絶縁回路基板２よりも上方に設けられた、図示しない制御基板等と電気的に接続して、この制御基板等から吊り下げされて中空に位置するように設けられてもよい。なお、ショットキーバリアダイオード１３がケース６内でゲルにより封止された場合であっても、このゲルが光を透過させるものであれば、受光素子７はショットキーバリアダイオード１３からの光を受光することができる。また、光ファイバなどの光導波路の入射部をショットキーバリアダイオード１３の側方に近接配置させ、この光導波路を通じてショットキーバリアダイオード１３からの光を、別の場所に設けられた受光素子７に案内することも可能である。
受光素子７を用いたショットキーバリアダイオード１３の通電時における、当該ショットキーバリアダイオード１３の電流値や温度の検出及び制御について説明する。
ショットキーバリアダイオード１３に流れる電流の大きさと、ショットキーバリアダイオード１３から放射される光の強度とは、前述したように線形の関係にある。そこで、あらかじめショットキーバリアダイオード１３から放射される光の強度と、ショットキーバリアダイオード１３に流れる電流の大きさとの関係をデータ化しておく。このデータを参照することにより、受光素子７を含む制御（保護）回路は、受光素子７から受光した光の強度によって、通電時のショットキーバリアダイオード１３に流れている電流値を得ることができる。
また、上記で得られた電流値と、ショットキーバリアダイオード１３の電極間に加えられる電圧と、通電の積算時間とにより、ショットキーバリアダイオード１３の発熱量を計算できる。そして、絶縁回路基板２の放熱能やゲルの熱伝導特性等も関係して定まるショットキーバリアダイオード１３の温度特性と、上記で得られた発熱量とにより、ショットキーバリアダイオード１３の温度を検出することができる。
このように本発明では、ショットキーバリアダイオード１３の通電時の光を受光し、その光の強度を求め、この光の強度に基づいてこのショットキーバリアダイオード１３に流れる電流値が得られる。そして、この電流値からショットキーバリアダイオード１３の温度を検出することができる。本発明では、センスダイオードのように半導体素子上にセンサを形成しないことから、半導体素子の電流密度を犠牲にすることがない。また、かかる温度の検出は、反応速度が速いのでサーミスタなどを用いるよりも有利である。また、受光素子は中空に配置することができるので、パワー半導体モジュールの小型化に有利である。
さらに、ショットキーバリアダイオード１３が、動作温度の上限値に達した場合には、ショットキーバリアダイオード１３の動作を止めるか、又はショットキーバリアダイオード１３に加える電圧を下げる等の制御を行って、ショットキーバリアダイオード１３を保護することができる。
図３を用いて、パワー半導体チップ３がＳｉＣよりなるＭＯＳＦＥＴ２３である場合について説明する。パワー半導体チップ３として図３に示したＭＯＳＦＥＴ２３は、絶縁回路基板２に対向する面にドレイン電極２３１を備え、ドレイン電極２３１とは反対側の面にソース電極２３２及びゲート電極２３３とを備えている。つまり、図３に示したＭＯＳＦＥＴ２３は、縦型の半導体素子である。ＭＯＳＦＥＴ２３の模式的な断面図を図４に示し、ＭＯＳＦＥＴ２３の回路図を図５に示す。ＭＯＳＦＥＴ２３は、ソース電極２３２とドレイン電極２３１との間に必然的にボディダイオード２３４（寄生ダイオード）が形成されている。
ＳｉＣよりなるＭＯＳＦＥＴ２３のボディダイオード２３４に電流が流れるときは、ＳｉＣのバンドギャップに応じて発光する。この光を受光素子７で受光する。
図３に示したＭＯＳＦＥＴ２３に通電した場合に、光は、図中矢印で示すようにＭＯＳＦＥＴ２３の側面から放射される。そこで、受光素子７は、ＭＯＳＦＥＴ２３の側方に近接配置される。
受光素子７は、絶縁回路基板２の導電層２ｂと電気的に接続して、導電層２ｂ上に設けることができる。また、絶縁回路基板２よりも上方に設けられた、図示しない制御基板等と電気的に接続して、この制御基板等から吊り下げされて中空に位置するように設けられてもよい。なお、ＭＯＳＦＥＴ２３がケース６内でゲルにより封止された場合であっても、このゲルが光を透過させるものであれば、受光素子７はＭＯＳＦＥＴ２３からの光を受光することができる。また、光ファイバなどの光導波路の入射部をＭＯＳＦＥＴ２３の側方に近接配置させ、この光導波路を通じてＭＯＳＦＥＴ２３からの光を、別の場所に設けられた受光素子７に案内することも可能である。
受光素子７を用いたＭＯＳＦＥＴ２３の通電時における当該ＭＯＳＦＥＴ２３の電流値や温度の検出及び制御について説明する。
ＭＯＳＦＥＴ２３のボディダイオード２３４に流れる電流の大きさと、ＭＯＳＦＥＴ２３から放射される光の強度とは、線形の関係にある。
図６（ａ）〜（ｆ）にＭＯＳＦＥＴ２３から放射される光を撮像し、ディスプレー上に表示した中間調画像の写真を示す。なお、図６（ａ）〜（ｃ）は周囲を遮光している場合の写真である。そして、図６（ａ）はボディダイオード２３４に流れる電流値が１Ａの場合、図６（ｂ）は電流値が０．１７Ａの場合、図６（ｃ）は電流値が０Ａの場合を示している。図６（ｄ）〜（ｆ）は周囲を遮光していない場合の写真である。そして、図６（ｄ）はボディダイオード２３４に流れる電流値が８Ａの場合、図６（ｅ）は電流値が４Ａの場合、図６（ｆ）は電流値が１Ａの場合を示している。図６（ａ）と図６（ｆ）とは、遮光の有無の相違であって、ボディダイオード２３４に流れる電流値は同じである。図６から電流値が０Ａの場合（図６（ｃ））は発光しておらず、電流値が大きいほど強く発光していることが分かる。
そこで、あらかじめＭＯＳＦＥＴ２３から放射される光の強度と、ＭＯＳＦＥＴ２３のボディダイオード２３４に流れる電流の大きさとの関係をデータ化しておく。このデータを参照することにより、受光素子７を含む制御（保護）回路は、受光素子７から受光した光の強度によって、通電時のＭＯＳＦＥＴ２３のボディダイオード２３４に流れている電流値を得ることができる。
また、上記で得られた電流値と、ＭＯＳＦＥＴ２３のボディダイオード２３４の電極間の加えられる電圧と、通電の積算時間とにより、ＭＯＳＦＥＴ２３の発熱量が計算できる。そして、絶縁回路基板の放熱能やゲルの熱伝導特性等も関係して定まるＭＯＳＦＥＴ２３の温度特性と、上記で得られた発熱量とにより、ＭＯＳＦＥＴ２３の温度を検出することができる。
なお、ＭＯＳＦＥＴ２３のボディダイオード２３４に電流が流れていることは好ましくない場合がある。そこで、受光素子７により光を検出したら、検出したことをアラーム信号とすることにより、直ちにＭＯＳＦＥＴ２３のゲート電圧をゼロにしてＭＯＳＦＥＴ２３の動作を停止させる制御を行うことができる。
また、ＭＯＳＦＥＴ２３が、動作温度の上限値（例えば１５０℃）に達した場合には、ゲート電圧をゼロにしてＭＯＳＦＥＴ２３の動作を止めるか、又はゲート電圧を下げる等の制御を行って、ＭＯＳＦＥＴ２３を保護することもできる。
ゲート電圧を下げる制御は、例えば、次のように行うこともできる。受光素子７における光強度Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、……Ｌｎと、ボディダイオード２３４に流れる電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、……Ｉｎとの関係についてデータをあらかじめ取っておく。また、ボディダイオード２３４に流れる電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、……Ｉｎと、ＭＯＳＦＥＴ２３の温度特性とのデータもあらかじめ取っておく。ＭＯＳＦＥＴ２３の動作中に、受光素子からの光強度とそのときのボディダイオード２３４に流れる電流と、積算時間により求められるＭＯＳＦＥＴ２３の温度が例えば１５０℃に達したときには、ゲート電圧を下げる。そして、下げたゲート電圧におけるボディダイオード２３４に流れる電流値とＭＯＳＦＥＴ２３の温度特性との関係から、改めてＭＯＳＦＥＴ２３の温度を算出する。この温度が１５０℃を超えないようにゲート電圧を制御する。
このように、ＭＯＳＦＥＴ２３の通電時の光を受光し、その光の強度を求め、この光の強度に基づいてこのＭＯＳＦＥＴ２３のボディダイオード２３４に流れる電流値を得て、この電流値からＭＯＳＦＥＴ２３の温度を検出することができる。センスダイオードのように半導体素子上にセンサを形成しないことから、半導体素子の電流密度を犠牲にすることがない。また、かかる温度の検出は、反応速度が速いのでサーミスタよりも有利である。また、受光素子は中空に配置することができるので、パワー半導体モジュールの小型化に有利である。
上述したＳｉＣよりなるショットキーバリアダイオード１３とＳｉＣよりなるＭＯＳＦＥＴ２３とを組み合わせてなるパワー半導体モジュールがある。このようなパワー半導体モジュールにおいては、ショットキーバリアダイオード１３及びＭＯＳＦＥＴ２３から選ばれる少なくとも一方のパワー半導体チップ、好ましくは両方のパワー半導体チップの側方に、受光素子７を近接配置して、これらのパワー半導体チップの電流値や温度を検出することができる。
以上、図面を用いて本発明の半導体装置の実施形態について説明したが、本発明の半導体装置は、実施形態及び図面の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。例えば実施形態においてはＳｉＣ半導体の場合について述べたが、パワー半導体チップ３がＧａＮ半導体の場合についても同様に適用することができる。
１ 半導体装置
２ 絶縁回路基板
３ パワー半導体チップ
４ はんだ
５ ボンディングワイヤ
６ ケース
７ 受光素子
１３ ショットキーバリアダイオード
２３ ＭＯＳＦＥＴ

Claims (4)

  1. ワイドバンドギャップ半導体素子と、
    該ワイドバンドギャップ半導体素子の側方に近接配置され、該ワイドバンドギャップ半導体素子が通電されたときの発光を受光する受光素子と、
    を備え、
    前記受光素子により前記ワイドバンドギャップ半導体素子の側面から発光される光の強度を検出し、該光の強度により該ワイドバンドギャップ半導体素子に流れる電流値を得て、
    該電流値から該ワイドバンドギャップ半導体素子の温度を検出する半導体装置。
  2. 前記ワイドバンドギャップ半導体素子の検出された温度により、該ワイドバンドギャップ半導体素子のゲート電圧を下げる制御を行う請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記ワイドバンドギャップ半導体素子が、ＭＯＳＦＥＴ又はショットキーバリアダイオードを含む請求項１又は２記載の半導体装置。
  4. 前記ワイドバンドギャップ半導体素子が、シリコンカーバイド又はガリウムナイトライドよりなる請求項３記載の半導体装置。
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