KR101593904B1 - 반도체장치 - Google Patents

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요이치로 타루이
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

와이드 갭 반도체 소자의 온도 검출 기능을 정상으로 동작시키면서, 코스트다운 및 조립성의 향상을 도모한 반도체장치를 얻는다. 광 파이버(20)의 입사면(30)으로부터 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 반도체 능동부(12)의 발광시에 있어서 출사광이 입사하고, 광 파이버(20)를 거쳐 출사면(40)으로부터 상기 출사광이 포토 다이오드(3)에 수광되도록, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 반도체 능동부(12)와 포토 다이오드(3) 사이에 광 파이버(20)를 설치한다. 구체적으로는, 광 파이버(21)의 입사면(30)을 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 측면부에 대향하도록 배치하고, 와이드 갭 반도체 소자의 발광시에 있어서의 출사광을 입사하도록 하고 있다.

Description

반도체장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 와이드 갭 반도체 소자를 갖고, 해당 와이드 갭 반도체 소자의 온도 검출이 가능한 반도체장치에 관한 것이다.
종래, 파워 반도체 소자의 동작 온도의 측정은, 파워 반도체 소자를 갖는 반도체장치 내에 파워 반도체 소자와는 전기적으로 독립하여 폴리실리콘 다이오드 등의 온도 검지 소자를 만들어 넣고, 그 온도 검지 소자의 온도 특성에 의해 파워 반도체 소자의 온도를 검출하는 반도체장치가 일반적이었다. 이와 같은 반도체장치로서 예를 들면, 특허문헌 1에 개시된 전류 변환장치가 있다.
일본국 특개 2006-271098호 공보
종래의 파워 반도체 소자의 온도 검출 기능을 갖는 1칩화된 반도체장치는, 상기한 것과 같이, 반도체장치 내에 파워 반도체 소자와 함께 온도 검지 소자를 만들어 넣고, 그 온도 검지 소자의 온도 특성을 이용해서 파워 반도체 소자의 동작 온도를 검출하고 있었다. 이 때문에, 온도 검지 소자와 외부와의 신호 교환용의 패드 부분을 형성하는 만큼, 장치(칩) 면적이 커져 코스트 상승을 초래하고, 또한, 상기 패드 부분에 있어서 와이어본딩 공정을 여분으로 행할 필요가 있어, 반도체장치의 조립에 있어서의 제약이 커진다고 하는 문제점이 있었다.
또한, 파워 반도체 소자가 발광성을 갖는 와이드 갭 반도체 재료로 구성되어 있는 와이드 갭 반도체 소자의 경우, 그것의 동작시에 기대되고 있는 200℃ 이상의 고온 동작시에는, 포토다이오드 등의 종래 사용되고 있었던 온도 검지 소자가 동작하지 않아, 사용할 수 없다고 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하고, 와이드 갭 반도체 소자의 온도 검출 기능을 정상으로 동작시키면서, 코스트다운 및 조립성의 향상을 도모한 반도체장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 청구항 1 기재의 반도체장치는, 발광성을 갖는 와이드 갭 반도체 재료로 형성되고, 동작시에 발광하는 반도체 소자와, 상기 반도체 소자의 동작시에 흐르는 전류를 동작 전류로서 검출하는 전류 검출부와, 상기 반도체 소자의 동작시에 있어서의 출사광을 입사하는 광 파이버와, 상기 광 파이버를 전파해서 얻어지는 상기 출사광을 수광하는 포토 다이오드를 구비하고, 상기 전류 검출부는, 상기 광 파이버 및 상기 포토 다이오드와 독립하여 설치되어 있다.
청구항 1 기재의 본원 발명의 반도체장치에 있어서, 포토 다이오드는 광 파이버를 거쳐 수광한 출사광의 발광 강도에 관련된 출력 전류를 발생한다. 포토 다이오드의 상기 출력 전류는 상기 출사광의 발광 강도와 반도체 소자의 동작시에 흐르는 전류(동작 전류)에 의해 결정한다. 또한, 상기 발광 강도는 상기 출사광의 파장에 의존성을 갖고, 해당 파장은 출사시에 있어서의 반도체 소자의 온도에 의존성을 갖고 있다.
따라서, 포토 다이오드의 상기 출력 전류는 동작시에 있어서의 반도체 소자의 온도와 동작 전류에 의해 결정되기 때문에, 동작시에 있어서의 반도체 소자의 온도를 상기 출력 전류와 상기 검출 전류로부터 구할 수 있다. 즉, 포토 다이오드를 온도 검출부로서 사용할 수 있다.
더구나, 광 파이버를 전파해서 얻어지는 출사광을 수광하는 형태로 포토 다이오드를 설치하고 있기 때문에, 포토 다이오드를 반도체 소자와 일체로 설치할 필요성이 없는 만큼, 반도체 소자를 형성하는 반도체 소자 형성부의 형성 면적을 작게 할 수 있기 때문에 코스트 삭감 및 조립성의 향상을 도모할 수 있다.
더구나, 와이드 갭 반도체 소자 형성부의 형성 면적을 종래와 같은 사이즈로 형성한 경우, 와이드 갭 반도체 소자의 유효 면적을 종래에 비해 크게 채용할 수 있기 때문에, 와이드 갭 반도체 소자 자체의 특성 향상을 도모할 수도 있다.
더구나, 전기적으로 약한 온도 검출부(포토 다이오드)를 반도체 소자와 일체로 형성할 필요가 없는 만큼, 반도체장치의 신뢰성을 높일 수 있다.
더구나, 반도체 소자와 포토 다이오드 사이에 광 파이버를 개재시킴으로써, 포토 다이오드 근방에 있어서의 온도를 반도체 소자 근방에 있어서의 온도보다도 낮게 할 수 있다. 예를 들면, 반도체 소자가 200℃ 이상의 고온 상태시에 있어서도 광 파이버를 개재시켜 포토 다이오드가 동작가능한 150℃ 이하의 온도 환경하로 설정함으로써, 포토 다이오드를 흐르는 상기 출력 전류에 의해, 200℃ 이상의 반도체 소자의 고온 상태도 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1인 반도체장치의 개략 구성을 모식적으로 나타낸 설명도다.
도 2는 도 1에서 나타낸 와이드 갭 반도체 소자 형성부의 내부 구성예를 나타낸 회로도다.
도 3은 와이드 갭 반도체 소자에 흐르는 동작 전류 Iw와 포토 다이오드 출력 전류 Ip의 관계를 나타낸 그래프다.
도 4는 반도체 재료에 있어서의 온도(K)와 밴드갭 에너지의 관계를 나타낸 그래프다.
도 5는 수광하는 빛의 파장과 포토 다이오드의 수광 감도의 관계를 나타낸 그래프다.
도 6은 본 발명의 실시형태 2인 반도체장치의 평면 구성을 모식적으로 나타낸 설명도다.
도 7은 본 발명의 실시형태 3인 반도체장치의 평면 구성을 모식적으로 나타낸 설명도다.
도 8은 종래의 온도 검출 기능을 갖는 반도체장치의 평면 구성을 모식적으로 나타낸 설명도다.
(전제기술)
도 8은 종래의 온도 검출 기능을 갖는 반도체장치의 평면 구성을 모식적으로 나타낸 설명도다. 동 도면에 나타낸 것과 같이, 기판(50) 위의 대부분의 영역에 IGBT의 주전극(콜렉터 전극이 된다)인 표면 전극(51)이 형성되고, 일부에 IGBT의 절연 게이트형 트랜지스터의 게이트 전극(53)이 구성된다. 그리고, 다른 일부에 전류 센스부(52)(전류 센스 주요부(52M) 및 패드부(52P)가 형성되고, 또 다른 일부에 온도 센스부(54)(온도 센스 주요부(54M) 및 패드부(54P))가 형성된다. 이때, 전류 센스 주요부(52M)에는 예를 들면, 센스용 IGBT(의 주전극(콜렉터 전극))이 형성되고, 온도 센스 주요부(54M)에는 예를 들면 포토 다이오드가 형성된다.
도 8에 나타낸 것과 같이, 기판(50) 위에 IGBT(표면 전극(51), 게이트 전극(53))과 함께 온도 센스부(54)를 설치하는 만큼, 반도체장치의 회로 형성 면적을 여분으로 크게 하게 된다. 그 결과, 칩 면적(기판(50) 위에 형성가능한 소자 형성 면적)이 커져, 코스트 상승을 초래하고, 더구나, 온도 센스부(54)에 대해 패드부(54P)에 와이어본딩 처리 등을 여분으로 행할 필요가 있어 조립에 있어서의 제약이 커진다.
또한, IGBT가 발광성을 갖는 와이드 갭 반도체 재료로 구성되어 있는 경우, 동작시에 200℃ 이상의 고온 동작이 예상된다. 이 때문에, 종래 이용되고 있었던 포토 다이오드 등의 온도 검지 소자가 사용불가능한 온도 환경으로 되어 버려, 종래의 온도 검지 소자를 와이드 갭 반도체 소자의 온도 검출용으로 사용할 수 없다고 하는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점의 해소를 도모한 것이 이하에서 서술하는 실시형태이다.
<실시형태 1>
도 1은 본 발명의 실시형태 1인 반도체장치의 개략 단면 구성을 모식적으로 나타낸 설명도다.
동 도면에 나타낸 것과 같이, 반도체 기판(10) 위에 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)가 설치된다. 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)는, 기저부(13), 반도체 능동부(12) 및 전극부(11)의 적층구조로 형성되고, 주전극부가 되는 전극부(11)로부터 신호선(15)을 거쳐 외부와 신호의 교환이 가능해진다.
도 2는 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 내부 구성예를 나타낸 회로도다. 동 도면에 나타낸 것과 같이, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1) 내부에 발광성을 갖는 와이드 갭 반도체 재료로 형성된 본체 IGBT(101)을 갖는다. 더구나, 본체 IGBT(101)에 대해 병렬로 전류 센스용 IGBT(102)이 설치되고, 본체 IGBT(101) 및 전류 센스용 IGBT(102)의 콜렉터가 공통적으로 외부 단자 P1에 접속되고, 절연 게이트가 공통으로 외부 단자 P2에 접속된다. 본체 IGBT(101)의 에미터는 접지되고, 전류 센스용 IGBT(102)의 에미터는 저항 R1을 거쳐 접지된다. 그리고, 저항 R1의 양단 P11, P12의 전압을 측정함으로써, 본체 IGBT(101)과 전류 센스용 IGBT(102)의 사이즈 비 등에 근거하여 본체 IGBT(101)을 흐르는 전류를 산출할 수 있다. 이와 같이, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)는 와이드 갭 반도체 소자인 본체 IGBT(101)과 전류 센스부인 전류 센스용 IGBT(102)가 1칩화되어 일체로 형성되어 있다.
와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 반도체 능동부(12)가 와이드 갭 반도체 재료를 사용해서 형성되고, 접합을 형성하고 있는 N형 층과 P형 층의 어느 한쪽에 캐리어의 재결합 센터(전자와 정공이 재결합해서 소멸하는 과정을 촉진시키는 불순물원 자나 복수 불순물 원자의 복합체가 존재하는 장소)를 형성함으로써, 접합을 통해 전류를 흘리면 빛을 발생하는 발광성 와이드 갭 반도체 소자(본체 IGBT(101))를 얻을 수 있다. 이하, 전술한 재결합 센터를 형성하는 것에 의한 발광 동작을 간단히 「바이폴라 동작에 의한 발광」으로 부르는 경우가 있다. 그리고, 반도체 능동부(12)는 기둥형(원주형, 각기둥형 등)으로 형성되고, 그것의 측면으로부터 바이폴라 동작에 의한 발광시에 출사광이 조사된다.
도 1로 되돌아가, 광 파이버(20)의 입사면(30)으로부터 반도체 능동부(12)의 발광시(본체 IGBT(101)의 (바이폴라) 동작시)에 있어서의 출사광이 입사하고, 광 파이버(20)를 거쳐 출사면(40)으로부터 상기 출사광이 포토 다이오드(3)에 수광되도록, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 반도체 능동부(12)와 포토 다이오드(3) 사이에 광 파이버(20)를 설치한다.
이와 같이, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)(반도체 능동부(12))의 측면 근방에 입사면(30)이 위치하도록 광 파이버(20)를 설치하여, 반도체 능동부(12)의 발광시에 있어서의 출사광을 포토 다이오드(3)까지 유도하고 있다. 그리고, 포토 다이오드(3)는 광 파이버(20)를 거쳐 수광한 출사광의 발광 강도에 관련된 출력 전류를 발생한다.
이때, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 측면에 광 파이버(20)를 설치함으로써, 주로 전극부(11)에서 생기는 모듈 조립시의 와이어 본드나 땜납 접합 등의 영향을 받지 않고, 광 파이버(20)의 입사면(30)으로부터 출사광을 입사할 수 있다.
즉, 광 파이버(20)의 입사면(30)을 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 측면부에 대향하도록 배치함으로써, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 전극부(11)에 주로 형성되는, 와이드 갭 반도체 소자의 표면 전극에 의한 차광의 영향, 와이어 배선, 다이렉트 리드 배선 등의 영향을 받지 않고 광 파이버(20)의 입사면(30)으로부터 와이드 갭 반도체 소자의 발광시에 있어서의 출사광을 입사할 수 있다. 이 때문에, 포토 다이오드(3)측에서 정밀도가 좋게 고감도로 포토 다이오드 출력 전류 Ip의 계측이 가능해진다.
또한, 와이드 갭 반도체 소자로부터의 출사광을 집광하고나서 광 파이버(20)에 도입하도록 구성하면, 보다 정밀도를 높이는 것이 가능하다.
그리고, 최종적으로, 도 1에서 나타낸 상태에서 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1), 광 파이버(20) 및 포토 다이오드(3)를 광 투과성을 갖는 겔에 의해 봉지해서 패키지화함으로써, 실시형태 1의 반도체장치가 완성된다.
도 3은 와이드 갭 반도체 소자인 본체 IGBT(101)에 흐르는 동작 전류 Iw와 포토 다이오드(3)에 있어서의 포토 다이오드 출력 전류 Ip의 관계를 나타낸 그래프다. 동 도면에 있어서, 온도 관계선 L25는 본체 IGBT(101)의 동작 온도가 25℃인 경우, 온도 관계선 L150은 동작 온도가 150℃인 경우를 나타내고 있다.
상기한 것과 같이, 반도체 능동부(12)가 바이폴라 동작에 의한 발광하면, 이 출사광을 광 파이버(20)를 통해 포토 다이오드(3)로 유도하여, 포토 다이오드 출력 전류 Ip을 포토 다이오드(3)로부터 발생시킬 수 있다.
한편, 상기 출사광의 발광 강도는 와이드 갭 반도체 소자에 흐르는 동작 전류 Iw에 비례한다. 또한, 포토 다이오드 출력 전류 Ip은 상기 출사광의 발광 강도에 비례하고, 또한 파장 의존성을 갖고 있다.
예를 들면, 와이드 갭 반도체 재료로서 SiC을 사용한 경우, 밴드갭이 4H-SiC에서는 3.26eV(온도 300K)이고, 발광 파장은 약 380nm이 된다.
도 4는 반도체 재료에 있어서의 온도(K)와 밴드갭 에너지의 관계를 나타낸 그래프다. 동 도면에 있어서, 에너지 곡선 L11, L12 및 L13은 Ge, Si 및 GaAs의 밴드갭 에너지를 나타내고 있다.
동 도면에 나타낸 것과 같이, 반도체 재료의 밴드갭은 온도 의존성을 갖고 있어, 0(K)에서의 밴드갭을 Eg(0)라고 하면 T(K)에서의 밴드갭 에너지는 이하의 식(1)로 표시되고, 밴드갭 에너지 Eg(T)은 온도 상승(T의 상승)에 따라 작아진다.
Eg(T)=Eg(0)-αT2/(T+β) …(1)
이때, 식 (1)의 Eg(0), α 및 β은 이하의 표 1에서 나타낸 값이 된다.
재료 Eg(0) α
(×10-4)		 β
GaAs 1.519 5.405 204
Si 1.170 4.75 636
Ge 0.7437 4.774 235
식 (1)로부터 명백한 것과 같이, 본체 IGBT(101) 등의 와이드 갭 반도체 소자의 동작시에 있어서 온도가 상승하면 밴드갭 에너지는 작아지고, 발광 파장이 길어진다.
도 5는 수광하는 빛의 파장과 포토 다이오드(3)의 수광 감도의 관계를 나타낸 그래프다. 동 도면에 있어서, 수광 감도 곡선 L1, L2 및 L3은 Si, InGaAs 및 Ge의 경우를 나타내고 있다.
도 5의 수광 감도 곡선 L1에 나타낸 것과 같이, 포토 다이오드(3)로서 Si의 포토 다이오드를 사용한 경우, 파장 400nm 부근에서는 파장이 긴 쪽이 수광 감도는 높아진다. 따라서, 동일한 발광 강도(와이드 갭 반도체 소자에 흐르는 동작 전류 Iw가 동일)인 경우에도 와이드 갭 반도체 소자의 온도가 높은 쪽이 발광 파장이 길고, 포토 다이오드 출력 전류 Ip가 커진다.
즉, 포토 다이오드 출력 전류 Ip은, 반도체 능동부(12)로부터의 상기 출사광의 발광 강도와 와이드 갭 반도체 소자의 동작시에 흐르는 동작 전류 Iw에 의해 결정한다. 또한, 상기 발광 강도는 상기 출사광의 파장에 의존성을 갖고, 해당 파장은 동작시에 있어서의 반도체 소자의 온도에 의존성을 갖고 있다.
전술한 성질을 이용함으로써 와이드 갭 반도체 소자를 흐르는 동작 전류 Iw를 도 2에 나타낸 전류 센스용 IGBT(102) 등의 전류 센스부에 의해 모니터하는 동시에, 포토 다이오드 출력 전류 Ip을 측정함으로써, 와이드 갭 반도체 소자의 온도를 검출하는 것이 가능해진다.
즉, 포토 다이오드 출력 전류 Ip은 와이드 갭 반도체 소자의 동작 온도와 동작 전류 Iw에 의해 결정되기 때문에, 동작시에 있어서의 와이드 갭 반도체 소자의 온도를 포토 다이오드 출력 전류 Ip과 동작 전류 Iw로부터 구할 수 있다.
이때, 와이드 갭 반도체 재료로서는, 예를 들면, SiC, GaN 등이 생각되고, 와이드 갭 반도체 소자로서는, JBS((Junction Barrier Schottky) 구조 채용의 쇼트키 배리어 다이오드), PN (접합에 의한) 다이오드, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), 및 바이폴라 트랜지스터 등이 생각된다. 실시형태 1의 반도체장치는 전술한 와이드 갭 반도체 재료 혹은 와이드 갭 반도체 소자 종별의 와이드 갭 반도체 소자의 동작 온도를 측정할 수 있다.
더구나, 광 파이버(20)를 전파해서 얻어지는 출사광을 수광하는 포토 다이오드(3)를 온도 검출부로서 설치하고 있기 때문에, 포토 다이오드(3)를 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1) 내부에 본체 IGBT(101) 등과 일체로 설치할 필요성이 없는 만큼, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 형성 면적을 작게 할 수 있어, 코스트 삭감을 도모할 수 있다.
또한, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 형성 면적을 종래와 같은 사이즈로 형성한 경우, 온도 검출부의 형성이 불필요하게 되는 만큼, 와이드 갭 반도체 소자의 유효 면적을 종래에 비해 크게 채용할 수 있기 때문에, 와이드 갭 반도체 소자의 특성 향상을 도모할 수 있다.
더구나, 전기적으로 약한 포토 다이오드(3) 등의 온도 검출부를 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1) 내부에 본체 IGBT(101) 등과 일체로 형성하지 않는 만큼, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)의 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 와이드 갭 반도체 소자의 발광시에 있어서의 출사광을 광 파이버(20)를 거쳐 포토 다이오드(3)에 유도하면 와이드 갭 반도체 소자와는 비교적 떨어진 위치에 포토 다이오드(3)를 설치할 수 있다.
따라서, 와이드 갭 반도체 소자가 200℃ 이상의 고온의 동작 온도가 되어도, 광 파이버(20)의 길이를 조정하여, 반도체 능동부(12), 포토 다이오드(3) 사이의 거리를 포토 다이오드(3)가 동작가능한 온도(예를 들면, 150℃ 이하)로 저하하는 거리로 설정할 수 있다. 그 결과, 와이드 갭 반도체 소자를 200℃ 이상의 고온에서 동작시켜도, 150℃ 이하에서 동작하는 포토 다이오드(3)를 사용해서 포토 다이오드 출력 전류 Ip을 측정할 수 있다.
한편, 종래의 반도체장치는, 도 8에 나타낸 것과 같이, 와이드 갭 반도체 칩(기판(50))의 내부에 온도 검지 소자(온도 센스부(54))를 설치하고 있었기 때문에, 와이드 갭 반도체 소자가 200℃ 이상에서 동작하고 있는 경우, 온도 검지 소자의 온도 환경도 필연적으로 200℃ 이상으로 되어, 온도를 검출하는 것은 불가능하였다.
이와 같이, 와이드 갭 반도체 소자와 포토 다이오드(3) 사이에 광 파이버(20)를 개재시킴으로써, 포토 다이오드(3) 근방에 있어서의 온도를 와이드 갭 반도체 소자 근방에 있어서의 온도보다도 낮게 할 수 있기 때문에, 포토 다이오드(3)에서 검출가능한 포토 다이오드 출력 전류 Ip에 의해, 200℃ 이상의 와이드 갭 반도체 소자의 고온 상태시에도 그것의 동작 온도를 검출할 수 있다.
<실시형태 2>
도 6은 본 발명의 실시형태 2인 반도체장치의 평면 구성을 모식적으로 나타낸 설명도다. 동 도면에 나타낸 것과 같이, 각각이 도 2에서 나타낸 본체 IGBT(101) 및 전류 센스용 IGBT(102) 등을 갖는 복수의 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)가 형성되어 있고, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)는 각각의 본체 IGBT(101) 등에 의한 바이폴라 동작에 의한 발광에 의해, 도 1에서 도시한 것과 같이 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c) 각각의 반도체 능동부(12)의 측면으로부터 복수의(3개의) 출사광을 조사한다.
그리고, 실시형태 2의 광 파이버(21)는, 3개로 분기된 분기 부분(21a∼21c)과 분기 부분(21a∼21c)에 공통으로 접속된 통합 부분(21x)으로 구성되고, 분기 부분(21a∼21c)의 입사면(31a∼31c)으로부터 입사한 빛(와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)로부터의 출사광)을 통합 부분(21x)의 출사면(41)으로부터 공통으로 포토 다이오드(3)에 출력하도록 구성된다. 즉, 분기 부분(21a∼21c)과 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)가 대응하고, 분기 부분(21a∼21c)의 입사면(31a∼31c)은 각각 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c) 중 대응하는 와이드 갭 반도체 소자 형성부의 발광시(본체 IGBT(101)의 동작시)에 있어서의 출사광이 입사되도록 설치된다. 한편, 통합 부분(21x)의 출사면(41)은 광 파이버(21)(분기 부분(21a∼21c)+통합 부분(21x))를 거친 출사광이 포토 다이오드(3)에서 수광되도록 설치된다.
이와 같이, 실시형태 2의 반도체장치는, 1개의 포토 다이오드(3)를 사용해서 3개의 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)의 동작시에 있어서의 온도 검출이 가능해서, 코스트를 억제할 수 있고, 실시형태 1과 마찬가지로, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c), 광 파이버(21) 및 포토 다이오드(3)를 겔 봉지해서 모듈화한 반도체장치 전체의 소형화를 도모할 수 있다. 그리고, 이하와 같이, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)의 동작시에 있어서 어느 한개의 온도 이상을 검출하는 온도 이상 검출처리를 실행할 수 있다. 즉, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)의 동작시에 있어서 온도가 어떤 온도 이상으로 된 것을 검출하고, 보호를 하기 위해 다음과 같은 온도 이상 검출처리를 행할 수 있다.
와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c) 각각에 흐르는 동작 전류 Iw의 합계값으로부터 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c) 전체가 실온에서 동작하고 있었던 경우의 포토 다이오드(3)에 의한 포토 다이오드 출력 전류 Ip을 미리 구할 수 있다.
여기에서, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c) 각각이 실온으로부터 온도 상승하는 것에 의한 포토 다이오드 출력 전류 Ip의 증가분을 ΔI1, ΔI2, ΔI3로 한다. 예를 들면, 복수의 와이드 갭 반도체 소자(본체 IGBT(101)) 중에서, 1개라도 어떤 온도, 예를 들면, 200℃ 이상으로 된 경우에 이상으로 판정하고 싶은 경우에, ΔI1만이 온도 상승하여 증가하고, 그 이외는 모두 실온에서 동작하고 있는 것으로 하여 포토 다이오드 출력 전류 Ip의 증가 전류 총합 ΔIall(ΔI1+ΔI2+ΔI3)가 미리 설정한 상한 임계값인 Δα 이상으로 되면 이상으로 판단하도록 설정할 수 있다.
단, 실시형태 2의 반도체장치는, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c) 중 2개 이상의 와이드 갭 반도체 소자가 동시에 온도 상승하면, 양쪽이 모두 200℃ 이상에 이르지 않더라도, 증가 전류 총합 ΔIall이 Δα을 초과할 가능성이 있기 때문에, 과잉 검지를 수반하는 문제를 갖고 있다.
이와 같이, 실시형태 2의 반도체장치는, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)에 있어서 복수(3개)의 와이드 갭 반도체 소자를 동작 상태시로 하여 복수의 출사광을 출력시키고, 통합 부분(21x)의 출사면(41)으로부터 출사되는 복수의 출사광 전체를 1개의 포토 다이오드(3)에서 수광함으로써, 1개의 포토 다이오드(3)를 사용해서 복수의 와이드 갭 반도체 소자 중 어느 한 개의 고온 이상 상태를 검출할 수 있다.
더구나, 실시형태 2의 반도체장치는, 복수의 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)에 대해, 1개의 포토 다이오드(3)를 설치하는 구성으로 함으로써, 소자수를 적게 하여 코스트를 억제하고, 반도체장치 전체의 소형화를 도모할 수 있다.
<실시형태 3>
도 7은 본 발명의 실시형태 3인 반도체장치의 평면 구성을 모식적으로 나타낸 설명도다. 동 도면에 나타낸 것과 같이, 실시형태 2와 마찬가지로, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1)로서 복수의(3개의) 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)를 갖고 있고, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)는 각각 도 1에서 도시한 것과 같이 반도체 능동부(12)의 측면으로부터 발광한다.
그리고, 실시형태 3의 광 파이버(22)는, 3개로 분기된 분기 부분(22a∼22c)과 분기 부분(22a∼22c)에 공통으로 접속된 통합 부분(22x)으로 구성되고, 분기 부분(22a∼22c)과 통합 부분(22x) 사이에 광로 스위치인 전환 스위치(24)가 설치된다.
전환 스위치(24)는, 기계 타입, 전자 타입, 전광(全光: all-optical) 타입 등의 광스위치로서 구성되고, 제어회로(26)의 제어신호 S26에 근거하여, 분기 부분(22a∼22c) 중 어느 한 개를 선택 광로로 하여, 선택 광로, 통합 부분(22x) 사이를 광전파 가능하게 결합하는 광로 전환 동작을 행한다.
실시형태 2의 광 파이버(21)와 마찬가지로, 광 파이버(22)의 분기 부분(22a∼22c)과 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)가 대응하고, 광 파이버(22)의 분기 부분(22a∼22c)의 입사면(32a∼32c)은 각각 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c) 중 대응하는 와이드 갭 반도체 소자 형성부의 발광시에 있어서의 출사광이 입사되도록 설치된다. 한편, 통합 부분(22x)의 출사면(42)은 광 파이버(22)(선택 광로+통합 부분(22x))를 거친 출사광이 포토 다이오드(3)에서 수광되도록 설치된다.
이때, 전환 스위치(24)의 광로 전환 동작에 의해, 분기 부분(22a∼22c) 중 선택 광로에 입사된 출사광이 통합 부분(22x)을 전파해서 출사면(42)으로부터 포토 다이오드(3)로 출력된다.
이와 같이, 실시형태 3의 반도체장치는, 1개의 포토 다이오드(3)를 사용해서 3개의 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)의 발광시(동작시)에 있어서 1개의 와이드 갭 반도체 소자 형성부에 있어서의 선택적인 온도 검출이 가능하게 구성된다. 이 때문에, 실시형태 2와 마찬가지로, 코스트를 억제할 수 있고, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c), 광 파이버(22) 및 포토 다이오드(3)를 겔 봉지해서 모듈화한 반도체장치 전체의 소형화를 도모할 수 있다.
이하, 실시형태 3의 반도체장치에 의한, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)의 동작시에 있어서의 온도 측정을 선택적으로 행하는 선택적 온도 검출처리에 대해 설명한다.
예를 들면, 와이드 갭 반도체 소자 형성부 1b의 온도 측정을 행하는 경우, 제어신호 S26에 근거한 전환 스위치(24)의 광로 전환 동작에 의해, 분기 부분 22b를 선택 광로로 해서, 분기 부분 22b, 통합 부분(22x)의 광전파만을 유효하게 한다.
이하, 실시형태 1의 반도체장치와 마찬가지로, 와이드 갭 반도체 소자 형성부 1b의 동작 전류 Iw와 와이드 갭 반도체 소자 형성부 1b의 동작시에 있어서의 포토 다이오드 출력 전류 Ip로부터, 와이드 갭 반도체 소자 형성부 1b의 동작 온도를 구할 수 있다.
따라서, 실시형태 3의 반도체 장치에서는, 전환 스위치(24)의 광로 전환 동작에 의해 분기 부분(22a∼22c) 중 1개의 분기 부분만 선택 광로로서 선택적으로 유효로 할 수 있기 때문에, 와이드 갭 반도체 소자 형성부(1a∼1c)가 동시에 동작하고 있는 경우에도, 실시형태 2의 결점이었던 과잉 검출의 문제도 생기는 일은 없다.
이와 같이, 실시형태 3의 반도체장치는 광로 스위치인 전환 스위치(24)에 의해 분기 부분(22a∼22c)에 있어서의 선택 광로를 전환함으로써, 1개의 포토 다이오드(3)에 의해 복수의(3개) 와이드 갭 반도체 소자 각각의 동작 온도의 검출을 선택적으로 행할 수 있다.
(기타)
도 7에서 나타낸 제어회로(26)는, 예를 들면, 소프트웨어에 근거하여 CPU를 이용한 프로그램 처리에 의해 실행할 수 있다.
또한, 동작 전류 Iw와 포토 다이오드 출력 전류 Ip에 의해 와이드 갭 반도체 소자의 동작 온도를 구하는 동작 온도 산출수단은, 예를 들면, 소프트웨어에 근거하여 CPU를 이용한 프로그램 처리에 의해 실행할 수 있다.
이때, 본 발명은, 그 발명의 범위 내에 있어서, 각 실시형태를 자유롭게 조합하거나, 각 실시형태를 적절히, 변형, 생략하는 것이 가능하다.
1, 1a∼1c 와이드 갭 반도체 소자 형성부, 3 포토 다이오드, 20∼22 광 파이버, 24전환 스위치.

Claims (5)

  1. 발광성을 갖는 와이드 갭 반도체 재료로 형성되고, 동작시에 발광하는 반도체 소자와,
    상기 반도체 소자의 동작시에 흐르는 전류를 동작 전류로서 검출하는 전류 검출부와,
    상기 반도체 소자의 동작시에 있어서의 출사광을 입사하는 광 파이버와,
    상기 광 파이버를 전파해서 얻어지는 상기 출사광을 수광하는 포토 다이오드를 구비하고,
    상기 전류 검출부는, 상기 광 파이버 및 상기 포토 다이오드와 독립하여 설치되어 있는, 반도체장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 소자 및 상기 전류 검출부는 일체로 1칩화된 반도체 소자 형성부로서 형성되고, 상기 반도체 소자 형성부의 측면부로부터 상기 반도체 소자의 상기 출사광이 출사되고, 상기 광 파이버의 입사면을 상기 반도체 소자 형성부의 상기 측면부에 대향하도록 배치한 것을 특징으로 하는, 반도체장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 반도체 소자 형성부는 각각이 상기 반도체 소자 및 상기 전류 검출부를 갖는 복수의 반도체 소자 형성부를 포함하고,
    상기 광 파이버는, 각각이 입사면을 갖는 복수의 분기 부분과 출사면을 갖고 상기 복수의 분기 부분에 공통으로 접속되는 통합 부분으로 구성되고, 상기 복수의 분기 부분 각각의 입사면은 상기 복수의 반도체 소자 형성부 중 대응하는 반도체 소자 형성부의 발광시에 있어서의 출사광이 입사되도록 설치되고, 상기 통합 부분의 상기 출사면은 상기 출사광이 상기 포토 다이오드에서 수광되도록 설치되는, 반도체장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 복수의 분기 부분과 상기 통합 부분 사이에 설치되고, 상기 복수의 분기 부분 중 1개의 분기 부분인 선택 광로와 상기 통합 부분에 의해 형성되는 광로를 유효하게 하는 광로 스위치를 더 구비한, 반도체장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    발광성을 갖는 와이드 갭 반도체 재료는 SiC 및 GaN 중 적어도 1개를 포함하고,
    상기 반도체 소자는, 쇼트키 배리어 다이오드, PN 다이오드, IGBT, 및 바이폴라 트랜지스터 중 적어도 1개의 소자를 포함하는, 반도체장치.
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