[发明专利]半导体元件和电气设备

说明书

技术领域

本发明涉及半导体元件，特别涉及对逆变(inverter)电路等进行控制的半导体功率开关元件。

背景技术

作为通常的半导体功率开关元件，例如可列举IGBT(Insulated GateBipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)等。并且，作为半导体功率开关元件的应用例，存在使用于电力电子控制的控制电路，例如可列举控制三相电动机的逆变电路。

图9是表示现有的逆变电路的概要的电路图。如图9所示，现有的逆变电路(此处为三相用)具有相数量(此处为三个)的由开关功能部分(以下称为上臂)23H和开关功能部分(以下称为下臂)23L串联连接而成的电路(以下称为相开关电路)23，各个上臂23H和下臂23L由相互并联连接的开关元件21和二极管22构成。开关元件21例如由使用硅的IGBT构成。并且，上臂23H连接于高电位配线25，下臂23L连接于接地电位配线24。各臂23的中点26与作为负载的三相交流电动机的输入端子(以下称为电动机输入端子)27连接。然后，通过对上臂23H和下臂23L的导通、断开的定时(timing)进行调整，能够控制中点26的电位。即，中点26以及输入端子27的电位，在下臂23L导通、上臂23H断开的情况下，与接地电位24相等。另一方面，中点26以及输入端子27的电位，在上臂23H导通、下臂23L断开的情况下，与高电位25相等。这样，通过将电动机输入端子27的电位切换为接地电位24和高电位25，能够控制三相电动机28。

但是，因为开关元件21、二极管22的响应速度有限，即使对开关元件21、二极管22提供从导通状态切换为断开状态的信号，也不能立刻变成断开状态。因此，当同时进行上臂23H和下臂23L的导通、断开切换时，上臂23H和下臂23L有可能均成为导通状态。这样的状态是高电位25与接地电位24短路的状态，在逆变电路中会流动大电流。此外，因为该电流为损失电流，所以开关损失增加，电力利用效率下降。并且，因为在逆变电路中进行利用高速的开关的高效率逆变控制，所以一次的开关损失被累积计算开关次数次，整体的开关损失变大。因此，在现有技术中，考虑开关元件21、二极管22的响应速度以决定开关的定时。换言之，根据开关元件21、二极管22的响应速度的制约，决定逆变控制的频率。但是，在希望利用更高速的开关进行高效率逆变控制时，要求开关元件21和二极管22的开关进一步高速化。

但是，在使用IGBT作为开关元件的情况下，因为该IGBT是双极型器件，少数载流子(minority carrier)的寿命(lifetime)较长，反向恢复需要耗费时间，所以不能高速地进行由导通向断开的切换。因此，考虑使用作为单极型器件的MOSFET(金属-氧化物-半导体-场效应晶体管)作为开关元件。单极型器件因为不受少数载流子的影响，能够高速地进行由导通向断开的切换。但是，由硅构成的MOSFET的每单位面积的导通电阻Ron(Ωcm²)较大，因发热而产生的导通损失增加。

另一方面，在使二极管的开关高速化的器件中，有实施了载流子的寿命控制的快速恢复二极管(fast recovery diode)。但是，快速恢复二极管在数10kHz以上的高频下难以动作。此外，因为快速恢复二极管是双极型器件，由于少数载流子的扩散使得导通电阻变小，但是因为少数载流子的寿命较长，所以从导通向断开的切换需要时间。此外，在使二极管的开关更高速化的器件中，有以在半导体上形成肖特基(Schottky)结的方式设置有肖特基电极的肖特基二极管。肖特基二极管是单极型器件，因为不受少数载流子的影响，所以能够高速地进行从导通向断开的切换。但是，在由硅构成的肖特基二极管的情况下，耐压仅为100V左右，不能在需要600V以上的耐压的电力电子领域中利用。

此外，因为对由硅构成的IGBT、二极管被实施载流子的寿命控制，所以不能集成为单芯片(one chip)。

因此，提出由宽禁带半导体构成在逆变电路等中使用的开关元件和二极管的方案。

例如，关于二极管，由宽禁带半导体构成的肖特基二极管的耐压在600V以上，与由硅构成的情况相比，导通电阻也充分地小，并且能够高速地进行从导通向断开的切换。

另一方面，关于开关元件，由宽禁带半导体构成的MOSFET与由硅构成的IGBT相比，每单位面积的导通电阻充分地小，能够确保耐压，并且能够高速地进行从导通向断开的切换。