[發(fā)明專(zhuān)利]半導(dǎo)體元件和電氣設(shè)備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200680027400.5
• 申請(qǐng)日: 2006-07-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101233616A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 北畠真;楠本修;內(nèi)田正雄;山下賢哉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社
• 主分類(lèi)號(hào): H01L27/04
• 分類(lèi)號(hào): H01L27/04;H01L27/06;H01L21/3205;H01L29/12;H01L21/822;H01L29/47;H01L21/8234;H01L29/78;H01L23/52;H01L29/872
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 龍淳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元件，特別涉及對(duì)逆變(inverter)電路等進(jìn)行控制的半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)元件。

背景技術(shù)

作為通常的半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)元件，例如可列舉IGBT(Insulated?GateBipolar?Transistor：絕緣柵雙極型晶體管)等。并且，作為半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)元件的應(yīng)用例，存在使用于電力電子控制的控制電路，例如可列舉控制三相電動(dòng)機(jī)的逆變電路。

圖9是表示現(xiàn)有的逆變電路的概要的電路圖。如圖9所示，現(xiàn)有的逆變電路(此處為三相用)具有相數(shù)量(此處為三個(gè))的由開(kāi)關(guān)功能部分(以下稱(chēng)為上臂)23H和開(kāi)關(guān)功能部分(以下稱(chēng)為下臂)23L串聯(lián)連接而成的電路(以下稱(chēng)為相開(kāi)關(guān)電路)23，各個(gè)上臂23H和下臂23L由相互并聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)元件21和二極管22構(gòu)成。開(kāi)關(guān)元件21例如由使用硅的IGBT構(gòu)成。并且，上臂23H連接于高電位配線(xiàn)25，下臂23L連接于接地電位配線(xiàn)24。各臂23的中點(diǎn)26與作為負(fù)載的三相交流電動(dòng)機(jī)的輸入端子(以下稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)輸入端子)27連接。然后，通過(guò)對(duì)上臂23H和下臂23L的導(dǎo)通、斷開(kāi)的定時(shí)(timing)進(jìn)行調(diào)整，能夠控制中點(diǎn)26的電位。即，中點(diǎn)26以及輸入端子27的電位，在下臂23L導(dǎo)通、上臂23H斷開(kāi)的情況下，與接地電位24相等。另一方面，中點(diǎn)26以及輸入端子27的電位，在上臂23H導(dǎo)通、下臂23L斷開(kāi)的情況下，與高電位25相等。這樣，通過(guò)將電動(dòng)機(jī)輸入端子27的電位切換為接地電位24和高電位25，能夠控制三相電動(dòng)機(jī)28。

但是，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)元件21、二極管22的響應(yīng)速度有限，即使對(duì)開(kāi)關(guān)元件21、二極管22提供從導(dǎo)通狀態(tài)切換為斷開(kāi)狀態(tài)的信號(hào)，也不能立刻變成斷開(kāi)狀態(tài)。因此，當(dāng)同時(shí)進(jìn)行上臂23H和下臂23L的導(dǎo)通、斷開(kāi)切換時(shí)，上臂23H和下臂23L有可能均成為導(dǎo)通狀態(tài)。這樣的狀態(tài)是高電位25與接地電位24短路的狀態(tài)，在逆變電路中會(huì)流動(dòng)大電流。此外，因?yàn)樵撾娏鳛閾p失電流，所以開(kāi)關(guān)損失增加，電力利用效率下降。并且，因?yàn)樵谀孀冸娐分羞M(jìn)行利用高速的開(kāi)關(guān)的高效率逆變控制，所以一次的開(kāi)關(guān)損失被累積計(jì)算開(kāi)關(guān)次數(shù)次，整體的開(kāi)關(guān)損失變大。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，考慮開(kāi)關(guān)元件21、二極管22的響應(yīng)速度以決定開(kāi)關(guān)的定時(shí)。換言之，根據(jù)開(kāi)關(guān)元件21、二極管22的響應(yīng)速度的制約，決定逆變控制的頻率。但是，在希望利用更高速的開(kāi)關(guān)進(jìn)行高效率逆變控制時(shí)，要求開(kāi)關(guān)元件21和二極管22的開(kāi)關(guān)進(jìn)一步高速化。

但是，在使用IGBT作為開(kāi)關(guān)元件的情況下，因?yàn)樵揑GBT是雙極型器件，少數(shù)載流子(minority?carrier)的壽命(lifetime)較長(zhǎng)，反向恢復(fù)需要耗費(fèi)時(shí)間，所以不能高速地進(jìn)行由導(dǎo)通向斷開(kāi)的切換。因此，考慮使用作為單極型器件的MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體-場(chǎng)效應(yīng)晶體管)作為開(kāi)關(guān)元件。單極型器件因?yàn)椴皇苌贁?shù)載流子的影響，能夠高速地進(jìn)行由導(dǎo)通向斷開(kāi)的切換。但是，由硅構(gòu)成的MOSFET的每單位面積的導(dǎo)通電阻Ron(Ωcm²)較大，因發(fā)熱而產(chǎn)生的導(dǎo)通損失增加。

另一方面，在使二極管的開(kāi)關(guān)高速化的器件中，有實(shí)施了載流子的壽命控制的快速恢復(fù)二極管(fast?recovery?diode)。但是，快速恢復(fù)二極管在數(shù)10kHz以上的高頻下難以動(dòng)作。此外，因?yàn)榭焖倩謴?fù)二極管是雙極型器件，由于少數(shù)載流子的擴(kuò)散使得導(dǎo)通電阻變小，但是因?yàn)樯贁?shù)載流子的壽命較長(zhǎng)，所以從導(dǎo)通向斷開(kāi)的切換需要時(shí)間。此外，在使二極管的開(kāi)關(guān)更高速化的器件中，有以在半導(dǎo)體上形成肖特基(Schottky)結(jié)的方式設(shè)置有肖特基電極的肖特基二極管。肖特基二極管是單極型器件，因?yàn)椴皇苌贁?shù)載流子的影響，所以能夠高速地進(jìn)行從導(dǎo)通向斷開(kāi)的切換。但是，在由硅構(gòu)成的肖特基二極管的情況下，耐壓僅為100V左右，不能在需要600V以上的耐壓的電力電子領(lǐng)域中利用。

此外，因?yàn)閷?duì)由硅構(gòu)成的IGBT、二極管被實(shí)施載流子的壽命控制，所以不能集成為單芯片(one?chip)。

因此，提出由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成在逆變電路等中使用的開(kāi)關(guān)元件和二極管的方案。

例如，關(guān)于二極管，由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成的肖特基二極管的耐壓在600V以上，與由硅構(gòu)成的情況相比，導(dǎo)通電阻也充分地小，并且能夠高速地進(jìn)行從導(dǎo)通向斷開(kāi)的切換。

另一方面，關(guān)于開(kāi)關(guān)元件，由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成的MOSFET與由硅構(gòu)成的IGBT相比，每單位面積的導(dǎo)通電阻充分地小，能夠確保耐壓，并且能夠高速地進(jìn)行從導(dǎo)通向斷開(kāi)的切換。