为了得到可控制电流较大且损失较低的功率半导体装置，使用加热器等加热装置令使用宽间隙半导体的双极半导体元件的温度上升。该温度是比这样的温度高的温度，在所述这样的温度下，随所述宽间隙双极半导体元件的温度上升而降低的内嵌电压的降低数量所对应的所述宽间隙双极半导体元件的恒定损失的减少数量变得比随所述温度的上升而增加的导通电阻的增加数量所对应的所述恒定损失的增加数量大。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及可控制电流(通电时可以进行开/关控制的最大电流)较大的功率半导体装置及使用该功率半导体装置的电力变换装置。
技术介绍
在处理高电压、大电流的电力装置中使用的功率半导体装置，要求电力损耗小、可控制电流大而且可靠性高。作为可控制电流大而且电力容量大的现有的功率半导体装置，可以列举使用硅(Si)的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和自激型闸流管。所谓自激型闸流管是能够通过栅极控制信号进行开/关控制的闸流管。公知的有栅极可关断闸流管(GTO闸流管)和静电感应闸流管、MOS闸流管等。另外，作为其他的功率半导体装置，公知的有具有pn结的二极管，亦即pn结二极管和MPS(Merged pin/Schottky)二极管、SRD(Soft and RecoveryDiode)。近年来，作为代替Si的半导体材料，碳化硅(SiC)等宽间隙半导体材料较为受人注目。SiC与Si相比，具有绝缘破坏电场强度特别大、在150℃及以上的高温下可以工作、同时能隙大等优良的物理特性。因此，作为适合于低损失耐高电压的功率半导体装置的材料，使用SiC的功率半导体装置的开发正在推进。作为用宽间隙半导体材料构成的自激型闸流管，在2001年的IEEEELECTRON DEVICE LETTERS，Vol，22，No.3，从127页到129页公开了SiC-GTO闸流管。在SiC-GTO闸流管中，因为栅极控制信号只要选择流过电流(开)或者关断电流(关)一者就可以进行电流值的控制，所以可控制电流比IGBT大。SiC-GTO闸流管的开关速度非常快，处于和Si的IGBT同等的水平，因此开关损失和Si的IGBT同程度小。非专利文献12001 IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，Vol，22，No.3，p.127-p.129非专利文献2Proceedings of the 14thInternational Symposium on PowerSemiconductor Devices & Ics 2002年的p.40-p.41在IGBT等晶体管中，通电电流随着栅极控制信号的电平而变化，通电电流值由栅极控制信号的电平制约。但是，通电电流最终因为饱和，因而可控制电流小。闸流管等一旦导通后，因为通电电流不受栅极控制信号制约，所以可以使可控制电流变大。以下把栅极控制信号只选择通过电流还是关断电流其中的一者而不能进行电流值的控制称为“栅极控制信号不制约通电电流”。所谓“栅极控制信号制约通电电流”指栅极控制信号能够进行电流值的控制。关于电力损失，IGBT等晶体管比闸流管小。一般，半导体装置的总电力损失(以下称为总损失)用下面的公式(1)表示。总损失＝(恒定损失)+(开关损失)＝{(内嵌电压(built-in voltage))+(导通电阻)×(通电电流)}×(通电电流)+(开关损失)…(1)Si的IGBT与Si的自激型闸流管相比，导通电阻稍微大一些。因此，恒定损失稍微大一些。但是，因为开关速度非常快，所以开关损失非常小，结果，总损失较小。SiC等宽间隙双极半导体装置的导通电阻比Si双极半导体装置小。但是SiC比Si能隙大。因此，SiC的半导体装置的内嵌电压与Si的半导体装置的内嵌电压相比非常大，大到从2.2倍到6.1倍。因此，由于SiC的半导体装置叵定损失非常大，因而总损失比Si的半导体装置大。如上所述，在现有技术中实现低损失而且可控制电流大的SiC的功率半导体装置很困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低损失、可控制电流大、而且可靠性高的半导体装置及其制造方法以及电力变换装置。本专利技术的半导体装置，具有使用宽间隙半导体的、在正向特性上具有内嵌电压的宽间隙双极半导体元件；以及容纳上述宽间隙双极半导体元件、具有用于把上述宽间隙双极半导体元件连接到外部装置上的电气连接部件的半导体封装。所述半导体封装具有用于把上述宽间隙双极半导体元件保持到比常温高的规定温度的发热部件。在以下的说明中简单地记为“温度”的，只要不特别指明，都指半导体装置的结温。本专利技术的半导体装置具有使用宽间隙半导体的宽间隙双极发光半导体元件；面对上述宽间隙双极发光半导体元件进行设置使其接收上述宽间隙双极发光半导体元件发出的光的宽间隙光电二极管。上述宽间隙双极发光半导体元件以及宽间隙光电二极管被容纳在具有用于把上述宽间隙双极发光半导体元件以及宽间隙光电二极管连接到外部装置上的电气连接部件的封装内。在所述封装内具有用于把上述封装保持在比常温高的规定温度的发热部件。本专利技术的半导体装置的制造方法具有在高杂质浓度的第一导电型SiC的阴极区域上形成低杂质浓度的第二导电型SiC的漂移层的工序；和在上述漂移层上形成第一导电型SiC的基极区域的工序。上述制造方法进而具有在上述基极区域上形成上述第二导电型SiC的阳极区域的工序；以及在上述阴极区域、漂移区域、基极区域和阳极区域上用规定的电子密度照射规定照射能的电子束的工序。本专利技术的半导体装置的制造方法具有在高杂质浓度的第一导电型的SiC的阴极区域上形成低杂质浓度的第一导电型的SiC漂移层的工序；和在上述漂移层上形成第二导电型的SiC的阳极区域的工序。上述制造方法进而具有在上述阳极区域上设置阳极电极的工序；在上述阴极区域上设置阴极电极的工序；以及在上述阳极电极和阴极电极之间在规定的时间流过规定的正向电流，并在上述漂移层及阳极区域生成叠层缺陷的工序。本专利技术的电力变换装置具有使用宽间隙半导体的GTO闸流管元件以及与上述GTO闸流管元件反并联连接的、使用宽间隙半导体的二极管元件。上述GTO闸流管元件以及上述二极管元件被容纳在一个封装内，该封装反并联连接上述GTO闸流管元件以及上述二极管元件，具有用于把上述反并联连接的GTO闸流管元件和二极管元件连接到外部装置的电气连接部件。在上述封装中设置有开关电路，该开关电路为在直流电源的正极和负极之间并联连接了3个至少串联连接了两个开关模块的串联连接体，所述开关模块具有把所述封装内的上述GTO闸流管元件以及二极管元件保持在比常温高的规定温度的发热部件。在所述各开关模块的每一个上设置控制电路，它用上述发热部件加热各开关模块，在各开关模块达到规定的温度后进行控制使上述开关电路动作。下面说明本专利技术的宽间隙双极半导体装置。以下把栅极控制信号只选择流过或切断电流而不能进行电流值的控制称为“栅极控制信号不制约通电电流”。所谓“栅极控制信号制约通电电流”是指栅极控制信号能够进行电流值的控制。在以下的说明中，为容易理解本专利技术的半导体装置的特征，随时与属于现有技术的Si半导体装置等对比进行说明。首先，关于可控制电流进行说明。在使用宽间隙半导体的本专利技术的pn结二极管或自激型闸流管等宽间隙双极半导体装置中，不能用栅极控制信号制约通电电流。因此，本专利技术的这些宽间隙双极半导体装置与IGBT等的、用栅极控制信号制约通电电流的双极半导体装置或宽间隙半导体相比，可控制电流大。特别是在超过现有的Si的双极半导体装置的动作界限结温(从125℃到150℃左右)的高温中，本专利技术的宽间隙双极半导体装置的可控制电流也较大。下面说明总损失。一般地，当温度上升时，半导体装置的内嵌电压降低，而导通电阻增大。如现有的Si的pn结二极管和自激型闸本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种半导体装置，其特征在于，具有：使用宽间隙半导体的、在正向特性上具有内嵌电压的宽间隙双极半导体元件；容纳所述宽间隙双极半导体元件，并具有用于把所述宽间隙双极半导体元件连接到外部装置上的电气连接部件的半导体封装；和把 所述半导体封装内的所述宽间隙双极半导体元件保持在比常温高的规定温度的发热部件。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-8-22 299219/20031.一种半导体装置，其特征在于，具有使用宽间隙半导体的、在正向特性上具有内嵌电压的宽间隙双极半导体元件；容纳所述宽间隙双极半导体元件，并具有用于把所述宽间隙双极半导体元件连接到外部装置上的电气连接部件的半导体封装；和把所述半导体封装内的所述宽间隙双极半导体元件保持在比常温高的规定温度的发热部件。2.权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述规定的温度是比这样一个温度高的温度，在所述这样一个温度下，随所述宽间隙双极半导体元件的温度上升而降低的内嵌电压的降低数量所对应的所述宽间隙双极半导体元件的恒定损失的减少数量变得比随所述温度的上升而增加的导通电阻的增加数量所对应的所述恒定损失的增加数量大。3.权利要求1或者2所述的半导体装置，其特征在于，所述宽间隙双极半导体元件预先用γ射线、电子束以及带电粒子束中至少一个照射，并进行调整使载流子的寿命处于规定的范围内。4.权利要求1或者2所述的半导体装置，其特征在于，所述宽间隙双极半导体元件，通过照射能从0.1MeV到20MeV、作为照射量的每单位面积的电子数从5×1011/cm2到5×1014/cm2的各范围内的电子束的照射，从而预先进行调整，以便使载流子的寿命处于规定的范围内。5.权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述发热部件在所述宽间隙双极半导体元件的动作开始前，预先把宽间隙双极半导体元件加热到比50℃高的规定温度。6.权利要求1、2或者5所述的半导体装置，其特征在于，所述规定的温度大于等于125℃。7.权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述发热部件是设置为用于给所述宽间隙双极半导体元件供热的电气加热器。8.权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述发热部件是通过控制所述宽间隙双极半导体元件通电时所产生的热的散热，从而使所述宽间隙双极半导体元件的温度上升到大于等于125℃的散热器。9.权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述发热部件是一个散热器，它通过控制所述宽间隙双极半导体元件通电时所产生的热的散发，从而使所述宽间隙双极半导体元件的温度上升到这样一个温度，在所述这样一个温度下，所述宽间隙双极半导体元件随温度上升而降低的内嵌电压的降低数量所对应的所述宽间隙双极半导体元件的恒定损失的减少数量变得比随所述温度的上升而增加的导通电阻的增加数量所对应的所述恒定损失的增加数量大。10.权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体封装具...
【专利技术属性】
技术研发人员：菅原良孝，
申请(专利权)人：关西电力株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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