JPWO2007013377A1 - 半導体素子及び電気機器 - Google Patents
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- H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
- H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
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- H01L2224/4847—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
- H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge
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- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/485—Material
- H01L2224/48505—Material at the bonding interface
- H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
- H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/48617—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
- H01L2224/48624—Aluminium (Al) as principal constituent
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/485—Material
- H01L2224/48505—Material at the bonding interface
- H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
- H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/48663—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/48666—Titanium (Ti) as principal constituent
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/485—Material
- H01L2224/48505—Material at the bonding interface
- H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
- H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/48663—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/4868—Molybdenum (Mo) as principal constituent
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/485—Material
- H01L2224/48505—Material at the bonding interface
- H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
- H01L2224/487—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/48717—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
- H01L2224/48724—Aluminium (Al) as principal constituent
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- H01L2224/485—Material
- H01L2224/48505—Material at the bonding interface
- H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
- H01L2224/487—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/48763—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/48766—Titanium (Ti) as principal constituent
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/485—Material
- H01L2224/48505—Material at the bonding interface
- H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
- H01L2224/487—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/48763—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/4878—Molybdenum (Mo) as principal constituent
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- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
- H01L2224/4901—Structure
- H01L2224/4903—Connectors having different sizes, e.g. different diameters
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- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
- H01L2224/4905—Shape
- H01L2224/49051—Connectors having different shapes
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- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
- H01L2224/491—Disposition
- H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
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- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
- H01L2224/491—Disposition
- H01L2224/4912—Layout
- H01L2224/49175—Parallel arrangements
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- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
- H01L24/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
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- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0603—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
- H01L29/0607—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
- H01L29/0611—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices
- H01L29/0615—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]
- H01L29/0619—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE] with a supplementary region doped oppositely to or in rectifying contact with the semiconductor containing or contacting region, e.g. guard rings with PN or Schottky junction
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- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L29/1602—Diamond
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- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
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Abstract
Description
しかし、スイッチング素子21やダイオード22の応答速度が有限であるため、スイッチング素子21やダイオード22に対してオン状態からオフ状態に切り替える信号を与えても、すぐにはオフ状態とならない。このため、上アーム23Hと下アーム23Lとのオン、オフの切り替えを同時に行うと、上アーム23Hと下アーム23Lとが共にオン状態となり得る。このような状態は、高電位25とアース電位24とがショートした状態であり、インバータ回路に大電流が流れてしまう。また、この電流は損失電流となるため、スイッチング損失が増加し、電力利用効率を低下させる。そして、インバータ回路においては高速のスイッチングによる高効率インバータ制御を行うため、一回のスイッチング損失がスイッチング回数分積算されて、全体のスイッチング損失が大きくなる。そこで、従来においては、スイッチング素子21やダイオード22の応答速度を考慮してスイッチングのタイミングを決めている。換言すると、スイッチング素子21やダイオード22の応答速度の制約により、インバータ制御の周波数が決められている。しかし、さらに高速なスイッチングにより高効率インバータ制御をしようとする場合には、スイッチング素子21及びダイオード22のスイッチングをさらに高速化することが求められる。
一方、ダイオードのスイッチングを高速化したものには、キャリアのライフタイム制御を施したファーストリカバリーダイオードがある。しかし、ファーストリカバリーダイオードは、数10kHz以上の高周波での動作が困難である。また、ファーストリカバリーダイオードはバイポーラデバイスであるため、マイノリティーキャリアの拡散によってオン抵抗は小さくなるが、マイノリティーキャリアのライフタイムが長いため、オンからオフへのスイッチングに時間がかかる。また、ダイオードのスイッチングをさらに高速化したものに、ショットキー電極を半導体にショットキー接合を形成するように設けたショットキーダイオードがある。ショットキーダイオードはユニポーラデバイスであり、マイノリティーキャリアの影響を受けないため、オンからオフへのスイッチングを高速に行うことができる。しかし、シリコンにより構成されたショットキーダイオードの場合には、100V程度の耐圧しかなく、600V以上の耐圧を必要とするパワーエレクトロニクス分野では利用できなかった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高速スイッチング動作とエネルギー損失低減との両立が図れ、かつ電気機器のインダクタンス負荷等による逆起電力に基づく電流集中耐性に優れ、かつワイヤボンディング時における電界効果トランジスタの絶縁膜の劣化を抑制可能な半導体素子及び電気機器を提供することを目的とする。
前記半導体層は、平面視において仮想の境界線により複数のセルに分割され、前記複数のセルに延在するように前記ドリフト領域及びドレイン電極が形成され、前記複数のセルは、その中に前記電界効果トランジスタが形成されたトランジスタセルと、その中に前記ショットキー電極が形成されたダイオードセルとで構成され、前記ダイオードセルの前記ショットキー電極の上方に前記ボンディングパッドが位置していてもよい。
前記交流駆動装置の一例は、前記インバータ電源回路により駆動される交流モータであり、この交流モータにより、例えばエアコンディショナーのコンプレッサが駆動される。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
2 半導体基板
3 半導体層(SiC層)
3a ドリフト領域
4 p型半導体領域(第2導電型領域)
4a p型半導体領域外周部
4b p型半導体領域中央部
5 ソース領域
6 ソース電極
7 ゲート絶縁膜
8 ゲート電極
9 ダイオード形成領域
9a,9b ショットキー電極
10 トランジスタ形成領域
11 ガードリング(耐圧部材)
12S ソース・ショットキー用パッド
12G ゲート用パッド
13S、13G ワイヤ
14 半導体素子端部
15 ドレイン電極端子
16 ソース電極端子
17 ゲート電極端子
18 封止樹脂
20 半導体素子
21 スイッチング素子
22 ダイオード
23 相スイッチング回路
23H 上アーム
23L 下アーム
24 アース電位配線(アース電位)
25 高電位配線(高電位)
26 アームの中点
27 モータ入力端子
28 三相モータ
40 層間絶縁膜
50 仮想の境界線
50a,50c 横境界ライン
50b,50d 縦境界ライン
50X X部分仮想線
50Y Y部分仮想線
51 ジグザグライン
70 ショットキーダイオード
80 ダイオードセル
90 電界効果トランジスタ(MOSFET)
100 トランジスタセル
200 セル
図1及び図2は、本発明の第1実施形態の半導体素子の構成を示す平面図である。図3は、図1の半導体素子の構成の一部を拡大した部分平面図である。図4は、図1の半導体素子の断面視における構造を示す部分断面図であって、図3に示すIV−IV線に沿って切断した断面図である。
次に、仮想の境界線50について説明する。図10は、仮想の境界線を説明するための概略図であって、(a)は仮想の境界線を特定する第1の手法を示す図、(b)は仮想の境界線を特定する第2の手法を示す図、(c)は仮想の境界線を特定する第3の手法を示す図、(d)は仮想の境界線を特定する第4の手法を示す図である。
ここで、ショットキー電極9aの面積は、p型半導体領域4の平面視における面積より大きいことが好ましい。これは、ショットキー電極9aとドリフト領域3aとの間のショットキー障壁はp型半導体領域4とドリフト領域3aとの間のp/n接合の障壁より小さいことから、半導体素子20にサージ電圧が印加された場合に、ショットキー電極9aによってそのサージ電圧が緩和されるので、そのような構成とすると、この効果がより大きくなるからである。
図1及び図2に示すように、半導体層3の上面には、さらにガードリング11が形成されている。ガードリング11は、トランジスタ形成領域10を半導体層3の端(チップの端)14との間に、平面視において矩形の環状に2重に形成されている。ここで、ガードリング11は、平面視において矩形の環状に形成されることに限定されず、セル形成領域201の外周を囲んでいればよい。また、ガードリング11は、2重に形成されることに限定されず、1重、3重など、何重に形成されていてもよい。ガードリング11は、ドリフト領域3aと反対の導電型のp型半導体領域で構成されている。
また、ソース・ショットキー用パッド12Sの一辺の長さは、ボンディングをするためには、ワイヤ13Sの径以上にすることが好ましい。本実施形態ではワイヤ13Sとして0.3mm径のものを用いたので、ソース・ショットキー用パッド12Sの一辺の長さを0.3mm以上にすればよい。ここで、ボンディングを容易にするためには、本実施形態のようにソース・ショットキー用パッド12Sの一辺の長さを0.6mm以上にすることが好ましい。なお、さらにボンディングを容易にするためには、ソース・ショットキー用パッド12Sの一辺の長さを0.9mm以上にすることがより好ましい。
次に、以上のように構成された半導体素子20の製造方法を、図1乃至図4を参照して説明する。なお、製造法自体は周知のプロセスで構成されるので、簡単に説明する。
次に、半導体素子20における電界効果トランジスタ90をトレンチ型で形成した場合と、プレーナ型で形成した場合との比較について説明する。
次に、以上のように構成された半導体素子20の作用効果について説明する。
さらに、サージ電流に関しては、ショットキーダイオード70と寄生ダイオード(PN接合ダイオード)とが並列に接続された構造となっているため、ある程度の電流値(順方向電圧Vfの低い領域に対応する電流値)まではショットキーダイオード70が高速で電流を流し、さらに大きな電流値(順方向電圧Vfの高い領域に対応する電流値)になると寄生ダイオードが電流を流すことになる。したがって、ショットキーダイオード70への電流集中による破壊も防止される。
次に、本実施形態における実施例を説明する。
本実施例として、本実施形態の半導体素子20を複数個作製し、ゲート絶縁膜7におけるリーク電流を測定したところ、5%の半導体素子20で1μAのリーク電流が確認され、歩留まりは95%であった。一方、比較例として、ダイオード形成領域9を配設せず、電界効果トランジスタ90の表面に直接ソース・ショットキー用パッド12Sを被覆してワイヤボンドした半導体素子を複数個作製し、ゲート絶縁膜7におけるリーク電流を測定したところ、30%の半導体素子で1μAのリーク電流が確認され、歩留まりは70%であった。すなわち、本実施形態の半導体素子20では、ダイオード形成領域9の表面を被覆するようにしてソース・ショットキー用パッド12Sが配設されており、ダイオード形成領域9にはゲート絶縁膜7が形成されていない。また、ソース・ショットキー用パッド12Sの下方に位置するショットキーダイオード70は、電界効果トランジスタ90よりも超音波に対する強度が大きい。このため、超音波を印加しながらワイヤ13Sをソース・ショットキー用パッド12Sに押し付けてボンディングしても、それによるゲート絶縁膜7の損傷が低減され、かつ電界効果トランジスタ90が破壊されることが抑制される。
本発明の第2実施形態は、第1実施形態の半導体素子20を用いたアームモジュール(半導体装置)を組み込んだインバータ回路を例示したものである。
図5は本発明の第2実施形態に係る半導体装置としてのアームモジュールの構成を模式的に示す平面図である。図5において図1乃至図4と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図6は本発明の第2実施形態に係るインバータ回路の構成を示す回路図である。図6において図9と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
このとき、トランジスタ形成領域10の平均化した単位面積換算のオン抵抗は、ダイオード形成領域9の単位面積換算のオン抵抗よりも約一桁大きい値となる。具体的には、トランジスタ形成領域10の平均化した単位面積換算のオン抵抗は、10mΩcm2となる。したがって、電界効果トランジスタ90がオンしたときの電流密度(以下、オン電流密度という)は、順方向電圧Vf上昇を2Vとして、200A/cm2と見積もれる。なお、電界効果トランジスタ90がオンしたときの電流(以下、オン電流という)は、ショットキーダイオード70を流れる電流の流れと逆方向である。
一方、上アーム23H及び下アーム23Lの連続動作試験中に、上アーム23H及び下アーム23Lは、発熱により動作が安定しない場合があった。これは、ショットキーダイオード70を流れる電流値が、上記許容電流値(20A/cm2)を超えてしまったためと推定される。したがって、許容電流値がショットキーダイオード70を流れる電流値よりも高くなるよう、ショットキー電極9aの面積の割合を設計することが好ましい。
前述のように、トランジスタ形成領域10の平均化した単位面積換算のオン抵抗は、10mΩcm2であるので、電界効果トランジスタ90のオン電流密度と同じ電流密度となる電流値を、オン電流と逆方向にショットキーダイオード70に流す場合には、半導体素子20の平面視における面積に対するショットキー電極9aの面積の割合を10%にすることが好適である。
また、半導体素子20の平面視における面積に対するショットキー電極9aの面積の割合を50%にした半導体素子20を作製し、この半導体素子20をアームモジュールとして用いた場合には、1%のスイッチング損失の低減が実現できる。
前述のように、トランジスタ形成領域10の平均化した単位面積換算のオン抵抗は、10mΩcm2であるが、将来、チャネル抵抗の低減等により、トランジスタ形成領域10の単位面積換算のオン抵抗を低減させることができると考えられる。その結果、トランジスタ形成領域10の単位面積換算のオン抵抗が、ダイオード形成領域9の単位面積換算のオン抵抗(1mΩcm2)に近づく。ここで、トランジスタ形成領域10のオン抵抗は、ショットキーダイオード形成領域9のオン抵抗よりも小さくなりえないが、両者のオン抵抗が同程度の値となる場合がある。この場合において、電界効果トランジスタ90に流れるオン電流の電流密度と、ショットキーダイオード70に流れるオン電流の電流密度とが同じであるとすると、半導体素子20の平面視における面積に対するショットキー電極9aの面積の割合を50%にすることが好適である。
ここで、半導体素子20の平面視における面積に対するショットキー電極9aの面積の割合を10%以上にした場合には、半導体素子20の発熱も抑制され、インバータ回路が安定動作した。
以上に述べたとおり、ショットキーダイオード70に流れる電流値と、電界効果トランジスタ90に流れる電流値とが同じ(ただし、流れる方向は逆)であるとすると、ダイオード形成領域9のオン抵抗がトランジスタ形成領域10のオン抵抗の10分の1である場合には半導体素子20の平面視における面積に対するショットキー電極9aの面積の割合を10%にすればよい。また、ダイオード形成領域9のオン抵抗がトランジスタ形成領域10のオン抵抗の3分の1である場合には半導体素子20の平面視における面積に対するショットキー電極9aの面積の割合を約30%にすればよい。
以上の検討結果を総括すると、第1実施形態の半導体素子20においては、本来のスイッチング素子としての機能を十分に果たすようにするため、半導体素子20の平面視における面積に対する全てのトランジスタセル100の平面視における面積の割合が50%以上でかつ99%以下であることが好ましい。さらに、半導体素子20の安定動作のためには、半導体素子20の平面視における面積に対する全てのトランジスタセル100の平面視における面積の割合が70%以上でかつ90%以下であることが、より好ましい。
図7は、本発明の第3実施形態の半導体素子の構成を示す平面図である。図8は、図7の半導体素子の構成の一部を拡大した部分平面図である。図7及び図8において図1乃至図3と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
ショットキー電極9bは、トランジスタ形成領域10の内部に計9箇所配設されている。なお、ショットキー電極9bの配設される数はこれに限定されない。すなわち、ショットキー電極9bを複数個のセル200に渡って配設したり、ショットキー電極9bの全体又は一部を一体化して形成したりして、その個数が変更されてもかまわない。このような構成としても、上記の第1実施形態と同様の効果を奏する。また、このような構成とすると、構成部品点数が少なくなり、半導体素子20の製造が容易になり、歩留まりが向上する。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
成ではショットキー電極の配設された領域の面積が半導体素子全体の面積に対して占める割合が小さいため、ショットキー電極に電流が集中して半導体素子が破壊されることを突き止めた。
[0017]
また、高電圧で大電流をスイッチングする半導体素子をボンディングする場合、大電流に耐えられるようにするため、0.3mm径以上の太いワイヤをワイヤボンドして電極端子などと結線する。この場合、超音波を印加しながらワイヤを半導体素子上に配置されたボンディングパッドに押し付けてワイヤボンドするが、ボンディングパッドの下に電界効果トランジスタが配置されていると超音波の印加によって電界効果トランジスタが破壊されるおそれがある。そして、本件発明者らは、超音波を印加することにより電界効果トランジスタにおける絶縁膜が耐圧劣化することを発見した。
[0018]
そこで、本発明の半導体素子は、半導体層と、該半導体層に該半導体層の上面を含むように形成された第1導電型の第1のソース/ドレイン領域と、前記半導体層に前記上面及び前記第1のソース/ドレイン領域を含むように形成された第2導電型領域と、前記半導体層に前記上面及び前記第2導電型領域を含むように形成された第1導電型のドリフト領域と、少なくとも前記第1のソース/ドレイン領域の前記上面に接するように設けられた第1のソース/ドレイン電極と、ゲート絶縁膜を介して少なくとも前記第2導電型領域の前記上面に対向するように設けられたゲート電極と、前記ドリフト領域にオーミックに接続された第2のソース/ドレイン電極と、を有する電界効果トランジスタと、前記ドリフト領域の前記上面に該上面とショットキー接合を形成するように設けられたショットキー電極と、前記第1のソース/ドレイン電極、ゲート電極、及びショットキー電極が設けられた前記半導体層の上面を覆う層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上に配設され、前記第1のソース/ドレイン電極、ゲート電極、及びショットキー電極の少なくともいずれかと電気的に接続された複数のボンディングパッドと、を備え、前記半導体層は、平面視において仮想の境界線により複数のセルに分割され、前記複数のセルに延在するように前記ドリフト領域及び第2のソース/ドレイン電極が形成され、前記複数のセルは、その中に前記電界効果トランジスタが形成されたトランジスタセルと、その中に前記ショットキー電極が形成されたダイオードセルとで構成され、前記ダイオードセルの前記ショットキー電極の上方に前記ボンディングパッドが位置している。
[0019]
このような構成とすると、ボンディングパッドにワイヤをボンディングする際に、超音波を印加しながらワイヤをボンディングパッドに押し付けてワイヤボンドしても、ボンディングパッドの下方にはショットキー電極が配設されたダイオードセルが配置されているので、トランジスタセルに形成された電界効果トランジスタの破壊やゲート絶縁膜の耐圧劣化を低減することができる。また、電界効果トランジスタに存在するp/n障壁に比べて小さいエネルギー障壁を有するショットキー接合が半導体素子中に存在するので、半導体素子にサージ電圧が印加された場合に、ショットキー接合部分に優先的にリーク電流が流れ、それにより、サージ電圧が緩和され、半導体素子の破壊が抑制される。また、電界効果トランジスタの寄生ダイオードをオンからオフへとスイッチングした場合に、電界効果トランジスタの寄生ダイオードに由来する少数キャリアがショットキー電極により吸収され、高速のスイッチングが行えるようになる。
このような構成とすると、ショットキー電極を配設する領域の面積を十分広く取ることができるようになるため、ショットキー電極への電流の集中が防止され、半導体素子の破壊が抑制される。
[0020]
前記第1のソース/ドレイン電極が、前記第1のソース/ドレイン領域及び第2導電型領域の前記上面に接するように設けられていてもよい。
[0021]
前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型であってもよい。
[0022]
前記半導体層がワイドバンドギャップ半導体で構成されていてもよい。
[0023]
[0024]
平面視において、複数の前記トランジスタセルの間に1以上の前記ダイオードセルが島状に配置され、この島状に配置された1以上のダイオードセルの上方に前記ボンディングパッドが位置していていてもよい。
[0025]
前記複数のボンディングパッドは、ワイヤによって互いに接続されていてもよい。
[0026]
前記ボンディングパッドは辺の長さが0.3mm以上である四角形の形状を有していてもよい。
[0027]
前記半導体素子の平面視における面積に対する全ての前記トランジスタセルの平面視における面積の割合が50%以上でかつ99%以下であることが好ましい。
[0028]
前記半導体素子の平面視における面積に対する前記ショットキー電極の面積の割合が
1%以上でかつ50%以下であることが好ましい。
[0029]
前記ダイオードセルにおける前記ショットキー電極の面積が前記トランジスタセルにおける前記第2導電型領域の平面視における面積より大きいことが好ましい。
[0030]
また、本発明は、交流駆動装置のインバータ電源回路を構成する半導体素子として用いることができ、例えば、前記半導体素子がアームモジュールとして組み込まれている電気機器に適用することができる。
[0031]
このような電気機器によれば、半導体素子の導通損失は電流に電圧を乗じた値(電流×電圧)に対応することから、従来のPN接合ダイオードの順方向電圧に比べてショットキーダイオードの順方向電圧を低く保つことができる。したがって、電気機器のインバータ電源回路においてアームモジュールとして組み込まれている半導体素子の導通損失が、PN接合ダイオードを採用した既存のものに比較して改善する。
[0032]
さらに、電気機器のインバータ電源回路においてアームモジュールとして組み込まれている半導体素子のオン状態からオフ状態への切り替え速度が速くなり、スイッチング損失が低減される。
[0033]
前記交流駆動装置内のインダクタンス負荷によって発生する逆起電力に基づいて、前記電界効果トランジスタの寄生ダイオード及び前記ドリフト領域と該ドリフト領域の上面とショットキー接合を形成するショットキー電極とによって構成されたショットキーダイオードに印加される電圧は、前記ショットキーダイオードの順方向の立ち上がり電圧よりも大きく、かつ前記寄生ダイオードの順方向の立ち上がり電圧より小さくして構成されても良い。
前記交流駆動装置の一例は、前記インバータ電源回路により駆動される交流モータであり、この交流モータにより、例えばエアコンディショナーのコンプレッサが駆動される。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
発明の効果
[0034]
本発明によれば、高速スイッチング動作とエネルギー損失低減の両立が図れ、かつ電気機器のインダクタンス負荷等による逆起電力に基づく電流集中耐性に優れ、
成ではショットキー電極の配設された領域の面積が半導体素子全体の面積に対して占める割合が小さいため、ショットキー電極に電流が集中して半導体素子が破壊されることを突き止めた。
[0017]
また、高電圧で大電流をスイッチングする半導体素子をボンディングする場合、大電流に耐えられるようにするため、0.3mm径以上の太いワイヤをワイヤボンドして電極端子などと結線する。この場合、超音波を印加しながらワイヤを半導体素子上に配置されたボンディングパッドに押し付けてワイヤボンドするが、ボンディングパッドの下に電界効果トランジスタが配置されていると超音波の印加によって電界効果トランジスタが破壊されるおそれがある。そして、本件発明者らは、超音波を印加することにより電界効果トランジスタにおける絶縁膜が耐圧劣化することを発見した。
[0018]
そこで、本発明の半導体素子は、半導体層と、該半導体層に該半導体層の上面を含むように形成された第1導電型の第1のソース/ドレイン領域と、前記半導体層に前記上面及び前記第1のソース/ドレイン領域を含むように形成された第2導電型領域と、前記半導体層に前記上面及び前記第2導電型領域を含むように形成された第1導電型のドリフト領域と、少なくとも前記第1のソース/ドレイン領域の前記上面に接するように設けられた第1のソース/ドレイン電極と、ゲート絶縁膜を介して少なくとも前記第2導電型領域の前記上面に対向するように設けられたゲート電極と、前記ドリフト領域にオーミックに接続された第2のソース/ドレイン電極と、を有する電界効果トランジスタと、前記ドリフト領域の前記上面に該上面とショットキー接合を形成するように設けられたショットキー電極と、前記第1のソース/ドレイン電極、ゲート電極、及びショットキー電極が設けられた前記半導体層の上面を覆う層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上に配設され、前記第1のソース/ドレイン電極、ゲート電極、及びショットキー電極の少なくともいずれかと電気的に接続された複数のボンディングパッドと、を備え、前記半導体層は、平面視において仮想の境界線により複数のセルに分割され、前記複数のセルに延在するように前記ドリフト領域及び第2のソース/ドレイン電極が形成され、前記複数のセルは、その中に前記電界効果トランジスタが形成されたトランジスタセルと、その中に前記ショットキー電極が形成されたダイオードセルとで構成され、前記ダイオードセルの前記ショットキー電極の上方に前記ボンディングパッドが位置している。
[0019]
このような構成とすると、ボンディングパッドにワイヤをボンディングする際に、超音波を印加しながらワイヤをボンディングパッドに押し付けてワイヤボンドしても、ボンディングパッドの下方にはショットキー電極が配設されたダイオードセルが配置されているので、トランジスタセルに形成された電界効果トランジスタの破壊やゲート絶縁膜の耐圧劣化を低減することができる。また、電界効果トランジスタに存在するp/n障壁に比べて小さいエネルギー障壁を有するショットキー接合が半導体素子中に存在するので、半導体素子にサージ電圧が印加された場合に、ショットキー接合部分に優先的にリーク電流が流れ、それにより、サージ電圧が緩和され、半導体素子の破壊が抑制される。また、電界効果トランジスタの寄生ダイオードをオンからオフへとスイッチングした場合に、電界効果トランジスタの寄生ダイオードに由来する少数キャリアがショットキー電極により吸収され、高速のスイッチングが行えるようになる。
このような構成とすると、ショットキー電極を配設する領域の面積を十分広く取ることができるようになるため、ショットキー電極への電流の集中が防止され、半導体素子の破壊が抑制される。
[0020]
前記第1のソース/ドレイン電極が、前記第1のソース/ドレイン領域及び第2導電型領域の前記上面に接するように設けられていてもよい。
[0021]
前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型であってもよい。
[0022]
前記半導体層がワイドバンドギャップ半導体で構成されていてもよい。
[0023]
[0024]
平面視において、複数の前記トランジスタセルの間に1以上の前記ダイオードセルが島状に配置され、この島状に配置された1以上のダイオードセルの上方に前記ボンディングパッドが位置していていてもよい。
[0025]
前記複数のボンディングパッドは、ワイヤによって互いに接続されていてもよい。
[0026]
前記ボンディングパッドは辺の長さが0.3mm以上である四角形の形状を有していてもよい。
[0027]
前記半導体素子の平面視における面積に対する全ての前記トランジスタセルの平面視における面積の割合が50%以上でかつ99%以下であることが好ましい。
[0028]
前記半導体素子の平面視における面積に対する前記ショットキー電極の面積の割合が
1%以上でかつ50%以下であることが好ましい。
[0029]
前記ダイオードセルにおける前記ショットキー電極の面積が前記トランジスタセルにおける前記第2導電型領域の平面視における面積より大きいことが好ましい。
[0030]
また、本発明は、交流駆動装置のインバータ電源回路を構成する半導体素子として用いることができ、例えば、前記半導体素子がアームモジュールとして組み込まれている電気機器に適用することができる。
[0031]
このような電気機器によれば、半導体素子の導通損失は電流に電圧を乗じた値(電流×電圧)に対応することから、従来のPN接合ダイオードの順方向電圧に比べてショットキーダイオードの順方向電圧を低く保つことができる。したがって、電気機器のインバータ電源回路においてアームモジュールとして組み込まれている半導体素子の導通損失が、PN接合ダイオードを採用した既存のものに比較して改善する。
[0032]
さらに、電気機器のインバータ電源回路においてアームモジュールとして組み込まれている半導体素子のオン状態からオフ状態への切り替え速度が速くなり、スイッチング損失が低減される。
[0033]
前記交流駆動装置内のインダクタンス負荷によって発生する逆起電力に基づいて、前記電界効果トランジスタの寄生ダイオード及び前記ドリフト領域と該ドリフト領域の上面とショットキー接合を形成するショットキー電極とによって構成されたショットキーダイオードに印加される電圧は、前記ショットキーダイオードの順方向の立ち上がり電圧よりも大きく、かつ前記寄生ダイオードの順方向の立ち上がり電圧より小さくして構成されても良い。
前記交流駆動装置の一例は、前記インバータ電源回路により駆動される交流モータであり、この交流モータにより、例えばエアコンディショナーのコンプレッサが駆動される。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
発明の効果
[0034]
本発明によれば、高速スイッチング動作とエネルギー損失低減の両立が図れ、かつ電気機器のインダクタンス負荷等による逆起電力に基づく電流集中耐性に優れ、
図1及び図2は、本発明の第1実施形態の半導体素子の構成を示す平面図である。図3は、図1の半導体素子の構成の一部を拡大した部分平面図である。図4は、図1の半導体素子の断面視における構造を示す部分断面図であって、図3に示すIV−IV線に沿って切断した断面図である。
本実施例として、本実施形態の半導体素子20を複数個作製し、ゲート絶縁膜7におけるリーク電流を測定したところ、5%の半導体素子20で1μAのリーク電流が確認され、歩留まりは95%であった。一方、比較例として、ダイオード形成領域9を配設せず、電界効果トランジスタ90の表面に直接ソース・ショットキー用パッド12Sを被覆してワイヤボンドした半導体素子を複数個作製し、ゲート絶縁膜7におけるリーク電流を測定したところ、30%の半導体素子で1μAのリーク電流が確認され、歩留まりは70%であった。すなわち、本実施形態の半導体素子20では、ダイオード形成領域9の表面を被覆するようにしてソース・ショットキー用パッド12Sが配設されており、ダイオード形成領域9にはゲート絶縁膜7が形成されていない。また、ソース・ショットキー用パッド12Sの下方に位置するショットキーダイオード70は、電界効果トランジスタ90よりも超音波に対する強度が大きい。このため、超音波を印加しながらワイヤ13Sをソース・ショットキー用パッド12Sに押し付けてボンディングしても、それによるゲート絶縁膜7の損傷が低減され、かつ電界効果トランジスタ90が破壊されることが抑制される。
本発明の第2実施形態は、第1実施形態の半導体素子20を用いたアームモジュール(半導体装置)を組み込んだインバータ回路を例示したものである。
図5は本発明の第2実施形態に係る半導体装置としてのアームモジュールの構成を模式的に示す平面図である。図5において図1乃至図4と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図6は本発明の第2実施形態に係るインバータ回路の構成を示す回路図である。図6において図9と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図7は、本発明の第3実施形態の半導体素子の構成を示す平面図である。図8は、図7の半導体素子の構成の一部を拡大した部分平面図である。図7及び図8において図1乃至図3と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
2 半導体基板
3 半導体層(SiC層)
3a ドリフト領域
4 p型半導体領域(第2導電型領域)
4a p型半導体領域外周部
4b p型半導体領域中央部
5 ソース領域
6 ソース電極
7 ゲート絶縁膜
8 ゲート電極
9 ダイオード形成領域
9a,9b ショットキー電極
10 トランジスタ形成領域
11 ガードリング(耐圧部材)
12S ソース・ショットキー用パッド
12G ゲート用パッド
13S、13G ワイヤ
14 半導体素子端部
15 ドレイン電極端子
16 ソース電極端子
17 ゲート電極端子
18 封止樹脂
20 半導体素子
21 スイッチング素子
22 ダイオード
23 相スイッチング回路
23H 上アーム
23L 下アーム
24 アース電位配線(アース電位)
25 高電位配線(高電位)
26 アームの中点
27 モータ入力端子
28 三相モータ
40 層間絶縁膜
50 仮想の境界線
50a,50c 横境界ライン
50b,50d 縦境界ライン
50X X部分仮想線
50Y Y部分仮想線
51 ジグザグライン
70 ショットキーダイオード
80 ダイオードセル
90 電界効果トランジスタ(MOSFET)
100 トランジスタセル
200 セル
Claims (14)
- 半導体層と、該半導体層に該半導体層の上面を含むように形成された第1導電型の第1のソース/ドレイン領域と、前記半導体層に前記上面及び前記第1のソース/ドレイン領域を含むように形成された第2導電型領域と、前記半導体層に前記上面及び前記第2導電型領域を含むように形成された第1導電型のドリフト領域と、少なくとも前記第1のソース/ドレイン領域の前記上面に接するように設けられた第1のソース/ドレイン電極と、ゲート絶縁膜を介して少なくとも前記第2導電型領域の前記上面に対向するように設けられたゲート電極と、前記ドリフト領域にオーミックに接続された第2のソース/ドレイン電極と、を有する電界効果トランジスタと、
前記ドリフト領域の前記上面に該上面とショットキー接合を形成するように設けられたショットキー電極と、
前記第1のソース/ドレイン電極、ゲート電極、及びショットキー電極が設けられた前記半導体層の上面を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上に配設され、前記第1のソース/ドレイン電極、ゲート電極、及びショットキー電極の少なくともいずれかと電気的に接続された複数のボンディングパッドと、を備え、
前記複数のボンディングパッドの少なくともいずれかが前記ショットキー電極の上方に位置するように配設されている、半導体素子。 - 前記ソース電極が、前記ソース領域及び第2導電型領域の前記上面に接するように設けられている、請求項1に記載の半導体素子。
- 前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型である、請求項1に記載の半導体素子。
- 前記半導体層がワイドバンドギャップ半導体で構成されている、請求項1に記載の半導体素子。
- 前記半導体層は、平面視において仮想の境界線により複数のセルに分割され、
前記複数のセルに延在するように前記ドリフト領域及びドレイン電極が形成され、
前記複数のセルは、その中に前記電界効果トランジスタが形成されたトランジスタセルと、その中に前記ショットキー電極が形成されたダイオードセルとで構成され、
前記ダイオードセルの前記ショットキー電極の上方に前記ボンディングパッドが位置している、請求項1に記載の半導体素子。 - 平面視において、複数の前記トランジスタセルの間に1以上の前記ダイオードセルが島状に配置され、この島状に配置された1以上のダイオードセルの上方に前記ボンディングパッドが位置している、請求項5に記載の半導体素子。
- 前記複数のボンディングパッドは、ワイヤによって互いに接続されている、請求項6に記載の半導体素子。
- 前記ボンディングパッドは辺の長さが0.3mm以上である四角形の形状を有している、請求項1に記載の半導体素子。
- 前記半導体素子の平面視における面積に対する全ての前記トランジスタセルの平面視における面積の割合が50%以上でかつ99%以下である、請求項5に記載の半導体素子。
- 前記半導体素子の平面視における面積に対する前記ショットキー電極の面積の割合が1%以上でかつ50%以下である、請求項5に記載の半導体素子。
- 前記ダイオードセルにおける前記ショットキー電極の面積が前記トランジスタセルにおける前記第2導電型領域の平面視における面積より大きい、請求項5に記載の半導体素子。
- 交流駆動装置と、該交流駆動装置のインバータ電源回路を構成する請求項1乃至11の何れかに記載の半導体素子と、を備え、
前記半導体素子がアームモジュールとして組み込まれている、電気機器。 - 前記交流駆動装置内のインダクタンス負荷によって発生する逆起電力に基づいて前記電界効果トランジスタの寄生ダイオード及び前記ショットキーダイオードに印加される電圧は、前記ショットキーダイオードの順方向の立ち上がり電圧より大きく、かつ前記寄生ダイオードの順方向の立ち上がり電圧より小さくして構成される、請求項12記載の電気機器。
- 前記交流駆動装置は、前記インバータ電源回路により駆動される交流モータである、請求項12記載の電気機器。
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