JP6683510B2 - 半導体装置、メンテナンス装置、及びメンテナンス方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置、メンテナンス装置、及びメンテナンス方法に関する。

近年、シリコンカーバイド化合物半導体（ＳｉＣ）素子、窒化ガリウム化合物半導体（ＧａＮ）素子等の次世代半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールの開発が進められている。ＳｉＣ素子及びＧａＮ素子は、従来のシリコン半導体（Ｓｉ）素子に対して絶縁破壊電界強度が高いことから高耐圧であり、また不純物濃度をより高く、活性層をより薄くすることができることから高効率且つ高速動作が可能な小型のパワー半導体モジュール（半導体装置とも呼ぶ）を実現することができる。

変流器（ＣＴ）、ホール素子、シャント抵抗、磁気抵抗素子、ＤＥＳＡＴダイオード、サーミスタ等の半導体素子の動作状態をセンシングするセンサを設ける或いは半導体素子内に組み込んで保護機能を搭載することで、パワー半導体モジュールをインテリジェント化することができる。例えば、特許文献１には、保護機能を搭載してインテリジェント化されたインバータ回路であり、保護機能により過電流を検出すると半導体素子をオフするとともに駆動回路と回路のＧＮＤとを短絡することで、回転中のモータからこれを構成するコイルに蓄積されたエネルギーにより生じる回生電流が流れ込んで、オフした半導体素子が誤動作しないよう保護するインバータ回路が開示されている。

また、特許文献２には、複数の開閉素子、多チャンネルＡＤ変換器、及び直並列変換器を含んでインテリジェント化された電子制御装置であり、マイクロプロセッサにより、複数の開閉素子の動作状態の異常判定信号等に応動してそれらを開閉制御し、多チャンネルＡＤ変換器及び直並列変換器を介して通電電流を読み出し、複数の開閉素子を駆動する制御信号の種別に依らず閉駆動時に読み出すよう読出タイミングが調整される電子制御装置が開示されている。直並列変換器により電子制御装置とマイクロプロセッサ間の配線数を削減することを可能としている。
特許文献１ 特開２０１０−２３９７６０号公報
特許文献２ 特開２０１１−２３９５５０号公報

しかしながら、発明者により、ＳｉＣ、ＧａＮ等のポリタイプ結晶構造を有する基板に形成されるＳｉＣ素子、ＧａＮ素子等は繰り返し使用することで電気的特性が変動する可能性があることが見出された。このような特性変動は、例えば数１００時間、或いは数１０００時間といった長時間の駆動により緩やかに発現するものであり、また必ずしも半導体素子の誤動作をもたらすものではないため、上記のような保護機能により変動を抑制して半導体素子を保護することはできない。また、このような特性変動を有する半導体素子を、初期不良としてスクリーニングすることも難しい。

本発明の第１の態様においては、ポリタイプ結晶構造を有する基板に形成される半導体素子と、前記半導体素子のゲート電圧のオーバーシュート時間を含むパラメータを測定する測定部と、を備える半導体装置が提供される。

本発明の第２の態様においては、半導体素子を備える半導体装置をメンテナンスするためのメンテナンス装置であって、半導体素子の特性変動の指標となるパラメータを測定する測定部と、測定されたパラメータを用いて半導体素子の寿命を予測する予測部とを備えるメンテナンス装置が提供される。

本発明の第３の態様においては、半導体素子を備える半導体装置のメンテナンス方法であって、半導体素子の特性変動の指標となるパラメータを測定する測定段階と、測定されたパラメータを用いて半導体素子の寿命を予測する予測段階とを備えるメンテナンス方法が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る半導体装置の構成を示す。 半導体素子に入力されるゲート電圧の過渡特性の一例を示す。 測定部の構成の一例を示す。 半導体装置の稼働時間に対する半導体素子の閾値電圧の変動の一例を示す。 閾値電圧の変動による半導体素子の寿命予測と寿命調整の一例を示す。 半導体装置の稼働時間に対する半導体素子のオン電圧の変動の一例を示す。 半導体装置を遠隔監視するメンテナンス装置の構成を示す。 変形例１に係る半導体装置及びメンテナンス装置の構成を示す。 変形例１に係るメンテナンス装置を用いた半導体装置のメンテナンス方法の手順を示す。 変形例２に係る半導体装置の構成を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る半導体装置１００の構成を示す。半導体装置１００は、半導体素子の特性変動の指標となるパラメータを測定し、その結果に基づいて半導体素子の寿命を予測し、特性変動を制御することで半導体素子を保護する又は目標寿命を尽くすよう調整することを目的とする。半導体装置１００は、半導体素子１０、調整部１２、測定部２０、及び予測部３０を備える。

なお、半導体素子１０、その他の構成各部は、外部からスイッチング信号を入力するためのスイッチング端子１９Ｇ、電流を通電するためのドレイン端子１９Ｄ及びソース端子１９Ｓ、並びに外部に信号を出力するための出力端子１９Ｏの間に接続されている。

半導体素子１０は、本実施形態の半導体装置１００に組み込まれるスイッチング素子であり、一例として、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板等のポリタイプ結晶構造を有する基板に形成された金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を採用する。なお、半導体素子１０として、ＭＯＳＦＥＴに限らず、化合物半導体から構成され得る素子、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を採用してもよい。半導体素子１０は、ゲート電極（単にゲートとも呼ぶ）Ｇ、ドレイン電極（単にドレインとも呼ぶ）Ｄ、及びソース電極（単にソースとも呼ぶ）Ｓを有し、それぞれ後述する調整部１２、ドレイン端子１９Ｄ、及びソース端子１９Ｓに接続されている。

調整部１２は、半導体素子１０のゲートＧに抵抗値の異なる抵抗素子を切り換え接続するユニットであり、複数の抵抗素子１２Ｒ及び複数のスイッチ１２Ｓを有する。

複数の抵抗素子１２Ｒは、例えば０．０１〜１０Ωの範囲内で互いに異なる抵抗値を有する素子であり、それぞれの一端が半導体素子１０のゲートＧに接続される。

複数のスイッチ１２Ｓは、後述する予測部３０から入力される予測結果により制御されて開閉する素子であり、それぞれの一端が複数の抵抗素子１２Ｒにそれぞれ接続され、それぞれの他端がスイッチング端子１９Ｇに接続される。

それにより、複数の抵抗素子１２Ｒがスイッチング端子１９ＧとゲートＧとの間に並列される。調整部１２は、複数のスイッチ１２Ｓによりいずれかの抵抗値を有する抵抗素子１２Ｒをスイッチング端子１９ＧとゲートＧとの間にゲート抵抗Ｒｇとして接続することで、ゲート抵抗の抵抗値を変更可能とする。または、１つの抵抗素子１２Ｒと可変パルス電流源とを組み合わせてゲートＧへ流れるゲート電流を変化させることで、等価的にゲート抵抗の抵抗値を変更可能となるようにしてもよい。ここでゲート電流とは、半導体素子１０をスイッチングさせるためにスイッチング端子１９Ｇに入力するスイッチング信号である。なお、ゲート抵抗の抵抗値と半導体素子１０の性能との関係及び調性部１２が果たす機能については後述する。

測定部２０は、半導体素子１０の特性変動の指標となるパラメータを測定するユニットであり、第１測定部２１及び第２測定部２２を有する。なお、パラメータとして、ゲート電圧のオーバーシュート時間及びその累計、閾値電圧及びその変動、オン電圧及びオン抵抗等を選択することができる。

第１測定部２１は、半導体素子１０のゲート電圧のオーバーシュート時間を測定し、その結果を後述する予測部３０に送信する。第１測定部２１は、半導体素子１０のゲートＧに接続し、ゲート電圧を検出してその過渡特性を分析することでオーバーシュート時間を算出する。さらに、第１測定部２１は、測定対象期間内においてオーバーシュート時間を積算することで、半導体素子１０のスイッチングに応じた累計のオーバーシュート時間を測定する。ここで、測定対象期間は、例えば、半導体装置１００を外部システムに組み込んで実稼働を開始した後の期間としてよい。

なお、第１測定部２１は、さらに半導体装置１００の稼働時間を測定し、その結果を予測部３０に出力してもよい。

第２測定部２２は、半導体素子１０の閾値電圧及びオン電圧を測定し、それらの結果を後述する予測部３０に送信する。なお、第２測定部２２の構成及び半導体素子１０の閾値電圧及びオン電圧を測定方法については後述する。

予測部３０は、測定部２０に接続して、これから入力される半導体素子１０に係る各種パラメータを用いて半導体素子１０の寿命を予測するユニットである。本実施形態では、半導体素子１０に係るパラメータとして、ゲート電圧のオーバーシュート時間（及びその累計）、閾値電圧Ｖ_ｔｈ及びオン電圧Ｖ_ＯＮを利用する。なお、半導体素子１０の寿命を予測する方法については後述する。

図２に、半導体素子１０のゲートＧに入力されるゲート電圧の過渡特性の一例を示す。ゲート電圧は、半導体素子１０のドレイン−ソース間の接続を開閉制御するためのスイッチング信号であり、半導体装置１００を組み込んだ外部システムからスイッチング端子１９Ｇ及び調整部１２を介して半導体素子１０のゲートＧに入力される。ゲート電圧は、半導体装置１００内のインピーダンスだけでなく外部システム内のインピーダンスも受けて、過渡的に時間変化する。ゲート電圧は、一例として半導体素子１０のドレイン−ソース間の接続を開くターンオフ信号であり、ターンオン電圧から急激に立下り、閾電圧を越え、アンダーシュートを伴ってターンオン電圧より低いターンオフ電圧に飽和する。

ゲート電圧の過渡特性において、ゲートＧに接続するゲート抵抗Ｒｇの抵抗値に対して、特にゲート電圧の立ち上がり又は立下りの傾き、ゲート電圧のオーバーシュート又はアンダーシュート（特に断らない限り、基準電圧を一時的に越える変化を伴うという意図で、オーバーシュートと称する）の程度が変動する。ゲート電圧が基準電圧を上回る又は下回る時間をオーバーシュート時間と呼ぶ。基準電圧は、半導体素子１０の定格電圧より一意に定められる電圧であり、例えば−１０Ｖである。

ゲート電圧は、ゲート抵抗の大きな抵抗値Ｒｇ１（例えば６．８Ω）に対して、緩やかな立下り及び短いオーバーシュート時間（例えばｄＴ１＝５０〜１００ナノ秒）を呈する。緩やかな立下りは半導体素子１０の遅いスイッチング速度をもたらし、短いオーバーシュート時間は後述するように半導体素子１０の長い耐用時間をもたらす。ただし、大きな抵抗値のゲート抵抗は、半導体素子１０の性能低下（すなわち、低効率）をもたらす。一方、ゲート電圧は、ゲート抵抗の小さな抵抗値Ｒｇ２（例えば４．７Ω）に対して、急な立下り及び長いオーバーシュート時間（例えばｄＴ２＝１５０〜５００ナノ秒）を呈する。急な立下りは半導体素子１０の速いスイッチング速度をもたらし、長いオーバーシュート時間は後述するように半導体素子１０の短い耐用時間をもたらす。ただし、小さい抵抗値のゲート抵抗により、半導体素子１０の性能改善（すなわち、高効率）が図られる。

なお、ゲート電圧として、アンダーシュートを伴うオフ信号について説明したが、半導体素子１０のドレイン−ソース間の接続を閉じるオン信号であり、オフ電圧から急激に立ち上がり、閾電圧を越え、オーバーシュートを伴ってオフ電圧より高いオン電圧に飽和するゲート電圧においても、ゲート抵抗の抵抗値に対して同様の振る舞いを呈するとともに、半導体素子１０の性能変化をもたらす。

従って、調整部１２によりゲート抵抗Ｒｇの抵抗値を変更する、例えば、より小さな抵抗値に変更することにより半導体素子１０の効率を改善するとともにスイッチング速度を上げることができ、より大きな抵抗値に変更することにより半導体素子１０の耐用時間を延ばす、すなわち延命することができる。

図３に、第２測定部２２の構成を示す。第２測定部２２は、ＤＥＳＡＴダイオード２２ａ、電流源２２ｂ、及び比較器２２ｃを有する。

ＤＥＳＡＴダイオード（単にダイオードとも呼ぶ）２２ａは、例えば複数のダイオードを直列して構成され、カソード及びアノードをそれぞれ半導体素子１０のドレインＤ及び比較器２２ｃに接続する。ＤＥＳＡＴダイオード２２ａは、直列された複数のダイオードのそれぞれの降下電圧の和に等しい降下電圧Ｖｆを有する。

電流源２２ｂは、ダイオード２２ａのアノードに接続され、定電流Ｉ_{ｄｅｓａｔ}を、ダイオード２２ａを介して半導体素子１０のドレインＤに流し入れる。

比較器２２ｃは、ダイオード２２ａのアノード電位（ＤＥＳＡＴ電位とも呼ぶ）Ｖ_{ｄｅｓａｔ}をリファレンスＶ_ｒｅｆと比較し、その結果ＯＵＴを出力する。ＤＥＳＡＴ電位Ｖ_{ｄｅｓａｔ}は、半導体素子１０のドレイン電圧Ｖ_Ｄ（ドレイン−ソース間電圧Ｖ_ＤＳに相当する）とダイオード２２ａの降下電圧Ｖｆの和に等しい。

従って、第２測定部２２は、例えばリファレンスＶ_ｒｅｆを変化させつつ比較器２２ｃの出力ＯＵＴを監視することで、出力ＯＵＴが変化したときのリファレンスＶ_ｒｅｆよりドレイン電圧Ｖ_Ｄ＝Ｖ_ｒｅｆ−Ｖｆを得ることができる。

なお、ＤＥＳＡＴ電位Ｖ_{ｄｅｓａｔ}を更に別の比較器で増幅し、リファレンスＶ_ｒｅｆと比較器２２ｃで比較し、その出力ＯＵＴが変化したときのリファレンスＶ_ｒｅｆよりドレイン電圧Ｖ_Ｄを得る構成としてもよい。

第２測定部２２は、次のように半導体素子１０の閾値電圧Ｖ_ｔｈを測定する。第２測定部２２は、半導体素子１０のドレインＤ及びソースＳの間に例えば２０Ｖの電圧（すなわち、ドレイン−ソース間電圧Ｖ_ＤＳ）を印加し、電流源２２ｂからダイオード２２ａを介して例えば１８ｍＡの電流（すなわち、ドレイン電流Ｉ_Ｄ）を半導体素子１０のドレインＤに流し込む。この状態において、第２測定部２２は、半導体素子１０のゲートＧに徐々に増大する電圧（すなわち、ゲート電圧）を印加しつつドレイン電圧Ｖ_Ｄを測定する。なお、ゲート電圧は、第１測定部２１により検出される。このとき、閾値電圧Ｖ_ｔｈに等しいゲート電圧にて、ドレイン電圧Ｖ_Ｄが降下する。第２測定部２２は、ドレイン電圧Ｖ_Ｄの降下を検知しながらゲート電圧を検出することで、半導体素子１０の閾値電圧Ｖ_ｔｈを得る。

なお、第２測定部２２は、閾値電圧Ｖ_ｔｈに代えて又はこれとともに、例えば、半導体装置１００を外部システムに組み込んだ初期の閾値電圧Ｖ_ｔｈからの変動を算出し、出力してもよい。

第２測定部２２は、次のように半導体素子１０のオン電圧Ｖ_ＯＮを測定する。第２測定部２２は、半導体素子１０のゲートＧに例えば２０Ｖの電圧（すなわち、ゲート電圧）を印加し、電流源２２ｂからダイオード２２ａを介して例えば１８Ａの電流（すなわち、ドレイン電流Ｉ_Ｄ）を半導体素子１０のドレインＤに流し込む。第２測定部２２は、この状態において、ドレイン電圧Ｖ_Ｄを検出することで半導体素子１０のオン電圧Ｖ_ＯＮを得る。なお、半導体素子１０のオン抵抗は、得られたオン電圧Ｖ_ＯＮをドレイン電流Ｉ_Ｄにより除算することにより得られる。

なお、半導体素子１０の閾値電圧Ｖ_ｔｈ及びオン電圧Ｖ_ＯＮを測定する際のゲート電圧Ｖ_Ｇ、ドレイン電流Ｉ_Ｄ、及びドレイン−ソース間電圧Ｖ_ＤＳに対する条件は、半導体装置１００の実稼働時におけるそれらと異なる。そのため、半導体装置１００が組み込まれた外部システムの停止時、メンテナンス時等の非稼働時にテスト期間を設け、その期間内に閾値電圧Ｖ_ｔｈ、オン電圧Ｖ_ＯＮ等の半導体素子１０の各種パラメータを測定することとする。

図４は、半導体装置１００の稼働時間に対する半導体素子１０の閾値電圧Ｖ_ｔｈの変動の一例を示す。ここで、閾値電圧Ｖ_ｔｈは、小さい（例えば４．７Ω）及び大きい（例えば６．８Ω）ゲート抵抗Ｒｇのそれぞれに対して測定されている。閾値電圧Ｖ_ｔｈは稼働時間に対して増大し、その増大の程度は小さいゲート抵抗に対して急であり、大きなゲート抵抗に対して緩やかであることがわかる。

ＳｉＣ、ＧａＮ等のポリタイプ結晶構造を有する基板に形成されるＳｉＣ素子、ＧａＮ素子等は、繰り返し使用されることで、特にオーバーシュートにより基準電圧を超えるゲート電圧Ｖ_Ｇが素子にストレスを与え、これが蓄積されることで、閾値電圧Ｖ_ｔｈが変動する。閾値電圧Ｖ_ｔｈの増大は例えば半導体素子１０のＯＮタイミングの遅延をもたらし、半導体装置１００の定格性能を損なう原因となる。

先述の通り、小さいゲート抵抗は長いオーバーシュート時間をもたらし、大きいゲート抵抗は短いオーバーシュート時間をもたらす。従って、閾値電圧Ｖ_ｔｈの変動をゲート電圧Ｖ_Ｇのオーバーシュート時間によりスケールすることができると期待される。そこで、閾値電圧Ｖ_ｔｈについて、その増大の許容範囲を定め、閾値電圧Ｖ_ｔｈが許容範囲外となるまでの増大により半導体素子１０の耐用を定め、その耐用時間（すなわち、寿命）を予測部３０によりゲート電圧Ｖ_Ｇのオーバーシュート時間の測定結果より予測する。

図５は、予測部３０による閾値電圧Ｖ_ｔｈの変動による半導体素子１０の寿命予測と寿命調整の一例を示す。ここでは、一例として、半導体素子１０の耐用限界を閾値電圧Ｖ_ｔｈの５％増大と定め、閾値電圧Ｖ_ｔｈの増大がこの限界に達すると予測される設計時間Ｔ_４を半導体素子１０の目標寿命と定める。図中、原点と、設計時間Ｔ_４にて閾値電圧Ｖ_ｔｈの５％増大を示す点と、を結ぶ一点鎖線を目標寿命曲線Ｌ０と呼ぶ。なお、設計時間Ｔ_４は、例えば、図４に示した閾値電圧Ｖ_ｔｈの変動の一例より４００００時間又は１００００時間のオーダーである。

予測部３０は、まず、測定部２０から、ゲート電圧Ｖ_Ｇのオーバーシュート時間の測定結果及び半導体装置１００の稼働時間の測定結果を受信する。なお、予測部３０は、これらの測定結果を、半導体装置１００の稼働時に定期的に受信してもよいし、メンテナンス時等の非稼働時に適宜受信してもよい。次に、予測部３０は、受信した累計のオーバーシュート時間の測定結果から閾値電圧Ｖ_ｔｈの変動を、それらの相間関係を利用して予測する。累計のオーバーシュート時間ｔと閾値電圧Ｖ_ｔｈの変動との相間関係は、予め、例えば試験用の半導体装置１００を用いて試験することで得ることができ、例えば一次関数を用いてΔＶ_ｔｈ＝ａ＋ｂｔと与えることができる。次に、予測部３０は、予測した閾値電圧Ｖ_ｔｈの変動を目標寿命曲線Ｌ０と比較する。

例えば、図５に点Ｐ１〜Ｐ３を用いて示すように、予測された閾値電圧Ｖ_ｔｈの変動が目標寿命曲線Ｌ０上またはこの近傍に位置する場合、予測部３０は、半導体素子１０の寿命τ_０を目標寿命Ｔ_４に等しい又はほぼ等しいと予測し、この予測結果を調整部１２に送信する。最後に、調整部１２は、受信した寿命の予測結果から、半導体装置１００は定格に従って使用されていると判断して、現行のゲート抵抗Ｒｇの抵抗値を維持する。

また、例えば図５に点Ｐ４を用いて示すように、予測された閾値電圧Ｖ_ｔｈの変動が目標寿命曲線Ｌ０より高い位置にある場合、予測部３０は、半導体素子１０の寿命τ_１を目標寿命Ｔ_４より短いと評価し、目標寿命曲線Ｌ０からの予測された変動のずれより寿命τ_１を具体的に予測し、この予測結果を調整部１２に送信する。最後に、調整部１２は、受信した寿命の予測結果から、半導体装置１００は定格より厳しい条件で使用されていると判断して、ゲート抵抗Ｒｇの抵抗値を大きな値に変更する。それにより、ゲート電圧Ｖ_Ｇの変化速度を調整する、すなわちオーバーシュート時間を短くして、閾値電圧の変動を抑制することで半導体素子１０を延命することができる。なお、残りの寿命が目標寿命Ｔ_４と現在の稼働時間Ｔ_１との差にほぼ等しくなるように、調整部１２により、適当な抵抗値にゲート抵抗を変更してもよい。

なお、予測部３０は、予測した半導体素子１０の寿命が目標寿命にほぼ等しい又は超えている場合、或いは測定部２０から受信した累計のオーバーシュート時間の測定結果が目標寿命に相当するオーバーシュート時間にほぼ等しい又は超えている場合、半導体素子１０に係るパラメータがアラートレベルに達したとして、アラート信号を出力端子１９Ｏから外部システム等に出力してもよい。このとき、外部からの設定等により、調整部１２は、予測部３０による寿命予測に従ってゲート抵抗の抵抗値を変更しないで、高速スイッチング、高効率を優先して半導体装置１００を稼働しつづけてもよい。

また、例えば図５に点Ｐ５を用いて示すように、予測された閾値電圧Ｖ_ｔｈの変動が目標寿命曲線Ｌ０より低い位置にある場合、予測部３０は、半導体素子１０の寿命τ_２を目標寿命Ｔ_４より長いと評価し、目標寿命曲線Ｌ０からの予測された変動のずれより寿命τ_２を具体的に予測し、この予測結果を調整部１２に送信する。最後に、調整部１２は、受信した寿命の予測結果から、半導体装置１００は定格より緩い条件で使用されていると判断して、ゲート抵抗Ｒｇの抵抗値を小さい値に変更する。それにより、ゲート電圧Ｖ_Ｇの立下り時間を短くして、スイッチング速度を上げるとともに効率を改善することができる。なお、許容される範囲で閾値電圧の変動を助長し、半導体素子１０を寿命を短くする、例えば、残りの寿命が目標寿命Ｔ_４と現在の稼働時間Ｔ_２との差にほぼ等しくなるように、調整部１２により、適当な抵抗値にゲート抵抗を変更してもよい。

このように、半導体素子１０のスイッチング速度、効率等、定格性能を可能な限り引き出しつつ半導体素子１０の劣化を抑えて延命することができる。

なお、予測部３０は、半導体装置１００の非稼働時に測定部２０により半導体素子１０の閾値電圧Ｖ_ｔｈを測定し、その結果を用いて半導体素子１０の寿命を直接的に予測し、その結果に基づいて寿命を調整してもよい。寿命予測及び寿命調整の詳細は、先述の通りである。

また、予測部３０は、半導体装置１００の非稼働時に測定部２０により半導体素子１０のオン電圧Ｖ_ＯＮを測定し、その結果が許容範囲を超えた場合、半導体素子１０に係るパラメータがアラートレベルに達したとして、アラート信号を出力端子１９Ｏから外部システム等出力してもよい。

図６は、半導体装置１００の稼働時間に対する半導体素子１０のオン電圧Ｖ_ＯＮの変動の一例を示す。オン電圧Ｖ_ＯＮは、半導体素子１０のボディダイオード通電により生じる光によりその内部に欠陥が生じることで増大することが経験的に知られている。これは、ボディダオードとは、半導体素子の構造上内部に寄生して形成されるダイオードのことである。このボディダイオードに電流が流れ続けると、ＳｉＣウェハ、あるいはＳｉＣエピタキシャル層、又はその両方に基底面転位を起点として積層欠陥が成長するためである。オン電圧Ｖ_ＯＮは、稼働時間に対して不連続に増大する。詳細には、半導体装置１００の実稼働開始後、稼働時間１（任意単位）程度で約１％増大し、稼働時間５から１０の間にさらに約５％増大し、稼働時間１０から３５の間、ほぼ一定し、稼働時間３５から４０の間にさらに約１０％増大する。オン抵抗Ｖ_ＯＮの増大は、損失の増大をもたらす。そこで、オン電圧Ｖ_ＯＮについて許容範囲を定め、測定結果がこれを超えた場合に予測部３０によりアラート信号を出力することとする。

半導体装置１００は、ネットワーク２２０を介してモニタリング装置に接続し、そのモニタリング装置により半導体素子１０の特性変動を監視してもよい。

図７に、複数の半導体装置１００を遠隔監視するメンテナンス装置２００の構成を示す。メンテナンス装置２００は、本実施形態に係る複数の半導体装置１００及びモニタリング装置２１０を備える。複数の半導体装置１００及びモニタリング装置２１０は、相互に通信可能にネットワーク２２０に接続されている。

複数の半導体装置１００は、複数の外部システム（不図示）にそれぞれ組み込まれている。複数の半導体装置１００は、出力端子１９Ｏを介してネットワーク２２０に接続し、予測部３０による寿命予測の結果、測定部２０による特性変動の指標となるパラメータの測定結果等をモニタリング装置２１０に送信する。

モニタリング装置２１０は、コンピュータ、マイクロコントローラ等を含む情報処理装置であり、例えば監視用プログラムを実行することによりモニタリング機能を発現する。モニタリング装置２１０は、複数の半導体装置１００から半導体素子１０の寿命予測の結果、特性変動の指標となるパラメータの測定結果等を受信し、モニタに一括表示する。

なお、モニタリング装置２１０は、複数の半導体装置１００から受信した半導体素子１０の寿命予測の結果、特性変動の指標となるパラメータの測定結果等に基づいて、寿命調整するためのゲート抵抗Ｒｇの抵抗値の設定信号を生成し、複数の半導体装置１００に送信してもよい。複数の半導体装置１００は、モニタリング装置２１０から受信する設定信号に従って、調整部１２によりゲート抵抗の抵抗値を変更する。

なお、先述の半導体素子１０の特性変動の指標となるパラメータを測定する測定部２０及び測定部２０による各種パラメータの測定結果を用いて半導体素子１０の寿命を予測する予測部３０を組み込んだ、半導体装置１００と独立に構成されるメンテナンス装置を用いて、半導体装置１００が備える半導体素子１０のパラメータを測定し、その結果に基づいて半導体素子の寿命を予測し、特性変動を制御してもよい。

図８は、変形例１に係る半導体装置１１０及びメンテナンス装置１２０の構成を示す。ここで、先述の半導体装置１００における構成各部と同一又は対応する構成については同一の符号を付し、その詳細説明を省略することとする。

半導体装置１１０は、半導体素子１０及び調整部１２を備える。半導体素子１０及び調整部１２は、外部からスイッチング信号を入力するためのスイッチング端子１９Ｇ、電流を通電するためのドレイン端子１９Ｄ及びソース端子１９Ｓ、半導体素子１０のゲートＧからゲート電圧を外部に出力するための出力端子１９Ｏ、並びに外部から設定信号を調整部１２に入力するための入力端子１９Ｉの間に接続されている。

メンテナンス装置１２０は、半導体素子１０を備える半導体装置１１０に着脱可能に接続して、これをメンテナンスするための装置であり、測定部２０、予測部３０、及び設定部４０を備える。

測定部２０は、先述の半導体装置１００が備えるそれと同様に構成されている。ただし、第１測定部２１は、半導体装置１１０の出力端子１９Ｏに接続され、これを介して半導体素子１０のゲート電圧が入力される。また、第２測定部２２は、半導体装置１１０のドレイン端子１９Ｄに接続され、これを介して半導体素子１０のドレイン電圧が入力される。

予測部３０は、先述の半導体装置１００が備えるそれと同様に構成されている。ただし、半導体素子１０の寿命の予測結果を設定部４０に出力する。

設定部４０は、予測部３０により予測された寿命が目標寿命よりも短い場合に、半導体素子１０のゲート電圧の変化速度の設定値を変更する。ここで、設定値として、例えばゲート抵抗Ｒｇの抵抗値を用いることができる。設定部４０は、変更した設定値を入力端子１９Ｉを介して半導体装置１１０の調整部１２に送信する。それにより、調整部１２は、ゲート抵抗Ｒｇの抵抗値を設定値に変更する。ここで、調整部１２が１つの抵抗素子と可変パルス電流源で構成されている場合は、設定値であるゲート抵抗Ｒｇの値となるように、可変パルス電流源の電流値を変更し、ゲート電流を変更することで等価的にゲート抵抗Ｒｇの抵抗値を設定値に変更する。

なお、メンテナンス装置１２０は、ネットワークを介して半導体装置１１０に接続されることとしてもよい。

図９に、変形例１に係るメンテナンス装置１２０を用いた半導体装置１１０のメンテナンス方法の手順を示す。

ステップＳ１では、測定部２０により、半導体素子１０の特性変動の指標となるパラメータを測定する。パラメータとして、ゲート電圧のオーバーシュート時間及びその累計、閾値電圧及びその変動、オン電圧及びオン抵抗等を選択することができる。

ステップＳ２では、予測部３０により、測定部２０により測定されたパラメータを用いて半導体素子１０の寿命を予測する。例えば、予測部３０は、ゲート電圧のオーバーシュート時間の累計より、半導体素子１０の寿命を予測する。寿命予測の詳細は、先述の通りである。

ステップＳ３では、設定部４０により、半導体素子１０のゲート電圧の変化速度の設定値を変更する。設定部４０は、予測部３０により予測された半導体素子１０の寿命が予め設定された目標寿命より短い場合、設定値として、ゲート抵抗Ｒｇの抵抗値を大きな値に変更する。それにより、調整部１２によりゲート抵抗Ｒｇが大きな設定値に変更され、オーバーシュート時間が短くなり、閾値電圧の変動が抑制されることで半導体素子１０が延命される。

なお、設定部４０は、半導体素子１０の寿命がおよそ目標寿命で尽きるように、設定値としてのゲート抵抗Ｒｇの抵抗値を変更してもよい。また、予測部３０により予測された半導体素子１０の寿命が予め設定された目標寿命より長い場合、設定値としてのゲート抵抗Ｒｇの抵抗値を小さい値に変更してもよい。それにより、調整部１２によりゲート抵抗Ｒｇが小さい設定値に変更され、ゲート電圧Ｖ_Ｇの立下り時間が短くなり、スイッチング速度が上げるとともに効率が改善される。または、可変パルス電流源の電流値を小さい値に変更し、ゲート電流を少なくすることで等価的にゲート抵抗Ｒｇの抵抗値を小さい設定値に変更してもよい。

なお、本実施形態の半導体装置１００は、例えば、パワーコンディショナ（ＰＣＳ）、インバータ、スマートグリッド等の電力装置である外部システムに組み込むことができる。

図１０は、変形例２に係る半導体装置１１１の回路構成を示す。半導体装置１１１は、半導体装置１００と同様に、半導体素子１０、調整部１２、測定部２０、及び予測部３０を備える。半導体装置１１１の基本的な構成は先述の半導体装置１００と同様であるため、半導体装置１００と同様又は対応する構成については詳細説明を省略する。

調整部１２は、半導体素子１０のゲートＧに接続される抵抗素子の抵抗値を、これに流れるゲート電流を調整することで等価的に変更するユニットであり、１つの抵抗素子１２Ｒ並びに２つの可変パルス電流源１２Ｔ及び１２Ｕを有する。

抵抗素子１２Ｒは、例えば０．０１〜１０Ωの範囲内で抵抗値を有する素子であり、一端が半導体素子１０のゲートＧに接続される。

可変パルス電流源１２Ｔ及び１２Ｕは、予測部３０から入力される予測結果により制御されて所定のゲート電流を通電させるユニットである。可変パルス電流源１２Ｔの一端は高電位側ＶＨに接続され、他端がスイッチング端子１９Ｇに接続される。また、可変パルス電流源１２Ｕの一端はスイッチング端子１９Ｇに接続され、他端がソース端子１９Ｓに接続される。それにより、可変パルス電流源１２Ｔ及び１２Ｕは、スイッチング端子１９Ｇを間に挟み、高電位側ＶＨとソース端子１９Ｓ（すなわち低電位側ＶＬ）の間に並列される。

調整部１２は、可変パルス電流源１２Ｔ又は１２Ｕにより、所定のゲート電流を抵抗素子１２Ｒに通電又は逆方向に通電させることで、等価的にゲート抵抗の抵抗値を変更可能とする。なお、ゲート抵抗の抵抗値と半導体素子１０の性能との関係及び調性部１２が果たす機能については前述したものと同様である。

スイッチング素子をターンオンする際、ゲート電圧はターンオフ電圧からターンオン電圧となる。このとき可変パルス電流源１２Ｕにパルス電流を通電させると、ゲートＧに流れ込む電流が可変パルス電流源１２Ｕの通電期間のみ小さくなるため、等価的にゲート抵抗が大きくなる。また、スイッチング素子をターンオフする際は、可変パルス電流源１２Ｔにパルス電流を通電させることで、ゲートＧから引き出される電流が通電期間のみ小さくなるため、等価的にゲート抵抗が大きくなる。ここでは、等価的にゲート抵抗を大きくするための動作を説明したが、ゲート抵抗を等価的に小さくする動作に関しては、動作させる可変パルス電流源を上記と逆にすることで実現可能である。

なお、抵抗素子１２Ｒを省略し、可変パルス電流源１２Ｔ及び１２Ｕのみで調整部１２を構成してもよい。

従って、変形例２においても、調整部１２によりゲート抵抗の抵抗値を等価的に変更する。例えば、ゲート抵抗に通電するゲート電流を大きくし、より小さな抵抗値に等価的に変更することにより半導体素子１０の効率を改善し、スイッチング速度を上げることができる。また、より小さな電流値に変更し、より大きな抵抗値に変更することにより半導体素子１０の耐用時間を延ばす、すなわち延命することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０…半導体素子、１２…調整部、１２Ｒ…抵抗素子、１２Ｓ…スイッチ、１２Ｔ，１２Ｕ…可変パルス電流源、１９Ｄ…ドレイン端子、１９Ｇ…スイッチング端子、１９Ｉ…入力端子、１９Ｏ…出力端子、１９Ｓ…ソース端子、２０…測定部、２１…第１測定部、２２…第２測定部、２２ａ…ＤＥＳＡＴダイオード（ダイオード）、２２ｂ…電流源、２２ｃ…比較器、３０…予測部、４０…設定部、１００，１１０，１１１…半導体装置、１２０…メンテナンス装置、２００…メンテナンス装置、２１０…モニタリング装置、２２０…ネットワーク。

Claims (18)

1. ポリタイプ結晶構造を有する基板に形成される半導体素子と、
   前記半導体素子のゲート電圧のオーバーシュート時間を含むパラメータを測定する測定部と、
   前記パラメータとしての前記オーバーシュート時間を用いて前記半導体素子の寿命を予測する予測部と、
   を備える半導体装置。
2. 前記基板は、ＳｉＣ基板またはＧａＮ基板である請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記測定部は、測定対象期間内における前記半導体素子のスイッチングに応じた累計のオーバーシュート時間を測定する請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記測定部は、前記パラメータの少なくとも一つとして、前記半導体素子の閾値電圧の変動を測定する請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記測定部は、前記パラメータの少なくとも一つとして、前記半導体素子のオン電圧およびオン抵抗の少なくとも一方を測定する請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記測定部は、当該半導体装置のテスト期間において、前記パラメータを測定する請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記予測部は、前記パラメータが許容範囲外となるまでの期間を予測する請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記予測部により予測された寿命が目標寿命よりも短い場合に、前記半導体素子のゲート電圧の変化速度を調整する調整部を更に備える請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 前記調整部は、外部からスイッチング信号を入力するスイッチング端子と前記半導体素子のゲートの間に接続するゲート抵抗の抵抗値、又は可変パルス電流源によるゲート電流値を変更する請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記予測部は、前記パラメータがアラートレベルに達したことに応じてアラート信号を出力する請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
11. 請求項１から１０の何れか一項に記載の半導体装置と、
    前記半導体装置とネットワークを介して接続されるモニタリング装置と、
    を備えるメンテナンス装置。
12. 半導体素子を備える半導体装置をメンテナンスするためのメンテナンス装置であって、
    前記半導体素子の特性変動の指標となる、前記半導体素子のゲート電圧のオーバーシュート時間を含むパラメータを測定する測定部と、
    測定された前記パラメータとしての前記オーバーシュート時間を用いて前記半導体素子の寿命を予測する予測部と
    を備えるメンテナンス装置。
13. 前記予測部により予測された寿命が目標寿命よりも短い場合に、前記半導体装置における、前記半導体素子のゲート電圧の変化速度の設定値を変更する設定部を更に備える請求項１２に記載のメンテナンス装置。
14. 前記設定部は、前記半導体装置が外部からスイッチング信号を入力するスイッチング端子と前記半導体素子のゲートとの間に接続するゲート抵抗の抵抗値、又は可変パルス電流源によるゲート電流値を定める前記設定値を変更する請求項１３に記載のメンテナンス装置。
15. 前記メンテナンス装置は、ネットワークを介して前記半導体装置に接続される請求項１２から１４のいずれか一項に記載のメンテナンス装置。
16. 半導体素子を備える半導体装置のメンテナンス方法であって、
    前記半導体素子の特性変動の指標となる、前記半導体素子のゲート電圧のオーバーシュート時間を含むパラメータを測定する測定段階と、
    測定された前記パラメータとしての前記オーバーシュート時間を用いて前記半導体素子の寿命を予測する予測段階と
    を備えるメンテナンス方法。
17. 前記予測段階において予測された寿命が目標寿命よりも短い場合に、前記半導体装置における、前記半導体素子のゲート電圧の変化速度の設定値を変更する設定段階を更に備える請求項１６に記載のメンテナンス方法。
18. 前記設定段階は、前記半導体装置が外部からスイッチング信号を入力するスイッチング端子と前記半導体素子のゲートの間に接続するゲート抵抗の抵抗値、又は可変パルス電流源によるゲート電流値を定める前記設定値を変更する請求項１７に記載のメンテナンス方法。

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