半导体装置制造方法
【专利摘要】本发明得到一种半导体装置，其使宽带隙半导体元件的温度检测功能正常地运转，并且实现了成本降低以及组装性的提高。以从光纤(20)的入射面(30)入射宽带隙半导体元件形成部(1)的半导体激活部(12)发光时的出射光，经由光纤(20)从出射面(40)由光电二极管(3)接收所述出射光的方式，在宽带隙半导体元件形成部(1)的半导体激活部(12)和光电二极管(3)之间设置光纤(20)。具体地说，将光纤(21)的入射面(30)配置为与宽带隙半导体元件形成部(1)的侧面部相对，使宽带隙半导体元件发光时的出射光入射至该光纤(21)的入射面(30)。
【专利说明】半导体装置
[0001] 技术区域
[0002] 本发明涉及一种半导体装置，该半导体装置具有宽带隙半导体元件，并且能够检 测该宽带隙半导体元件的温度。
【背景技术】
[0003] 当前，关于功率半导体元件的工作温度的测定，通常是如下的半导体装置，S卩，在 具有功率半导体元件的半导体装置内部形成与功率半导体元件电气独立的多晶硅二极管 等温度检测元件，根据该温度检测元件的温度特性对功率半导体元件的温度进行检测。作 为这种半导体装置，例如存在专利文献1中公开的电流变换装置。
[0004] 专利文献1 :日本特开2006 - 271098号公报
[0005] 具有现有的功率半导体元件温度检测功能的单芯片化半导体装置如上所述，在半 导体装置内部与功率半导体元件一起形成温度检测元件，利用该温度检测元件的温度特性 而检测功率半导体元件的工作温度。因此，存在以下问题，即，对应于形成温度检测元件和 用于与外部进行信号接收/发送的焊盘部分，装置（芯片）的面积变大而导致成本提高，并 且，额外地需要针对所述焊盘部分的导线接合工序，对半导体装置的组装的限制变大。
[0006] 另外，存在下述问题，S卩，在功率半导体元件是由具有发光性的宽带隙半导体材料 构成的宽带隙半导体元件的情况下，在其工作时所期待的大于或等于200°C的高温工作时， 光电二极管等当前所使用的温度检测元件无法工作，不能使用。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于解决如上述的问题，得到一种使宽带隙半导体元件的温度检测 功能正常运转，并且，实现成本降低以及组装性的提高的半导体装置。
[0008] 本发明所涉及的技术方案1所述的半导体装置具有：半导体元件，其由具有发光 性的宽带隙半导体材料形成，在工作时发光；电流检测部，其对所述半导体元件的工作时流 动的电流作为工作电流进行检测；光纤，所述半导体元件的工作时的出射光入射至该光纤 中；以及光电二极管，其接收在所述光纤中传播而得到的所述出射光。
[0009] 发明的效果
[0010] 在技术方案1所述的本申请发明的半导体装置中，光电二极管产生与经由光纤接 收的出射光的发光强度相关联的输出电流。光电二极管的所述输出电流由所述出射光的发 光强度和在半导体元件工作时流动的电流（工作电流）决定。另外，所述发光强度对所述 出射光的波长具有依赖性，该波长对出射时的半导体元件的温度具有依赖性。
[0011] 因此，光电二极管的所述输出电流由工作时的半导体元件的温度和工作电流决 定，所以能够根据所述输出电流和所述检测电流求出工作时的半导体元件的温度。即，可以 将光电二极管作为温度检测部使用。
[0012] 此外，以接收在光纤中传播而得到的出射光的方式设置有光电二极管，因此没有 必要将光电二极管与半导体元件一体地设置，与此相对应，能够将形成半导体元件的半导 体元件形成部的形成面积缩小，因此能够实现成本消减以及组装性的提高。
[0013] 此外，在将宽带隙半导体元件形成部的形成面积形成为与现有技术相同的尺寸的 情况下，由于与现有技术相比能够获得更大的宽带隙半导体元件的有效面积，所以还能够 实现宽带隙半导体元件自身的特性提高。
[0014] 并且，没有必要将电气性较弱的温度检测部（光电二极管）与半导体元件一体地 形成，与此相对应，能够提高半导体装置的可靠性。
[0015] 此外，通过使光纤介于半导体元件和光电二极管之间，能够使得光电二极管附近 的温度低于半导体元件附近的温度。例如，即使在半导体元件大于或等于200°C的高温状态 时，通过使光纤介于之间而设定为光电二极管可工作的小于或等于150°C的温度环境，从而 根据在光电二极管中流动的所述输出电流，也能够检测大于或等于200°C的半导体元件的 高温状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是示意地表示本发明的实施方式1即半导体装置的概略结构的说明图。
[0017] 图2是表示在图1中示出的宽带隙半导体元件形成部的内部结构例的电路图。
[0018] 图3是表示流过宽带隙半导体元件的工作电流Iw和光电二极管输出电流Ip的关 系的曲线图。
[0019] 图4是表示半导体材料中的温度（K)和带隙能量的关系的曲线图。
[0020] 图5是表示接收的光的波长和光电二极管的受光灵敏度的关系的曲线图。
[0021] 图6是示意地表示本发明的实施方式2即半导体装置的平面结构的说明图。
[0022] 图7是示意地表示本发明的实施方式3即半导体装置的平面结构的说明图。
[0023] 图8是示意地表示具有现有温度检测功能的半导体装置的平面结构的说明图。
[0024] 标号的说明
[0025] 1、la?lc宽带隙半导体元件形成部，3光电二极管，20?22光纤，24切换开关。
【具体实施方式】 [0026](前提技术）
[0027] 图8是示意地表示具有现有温度检测功能的半导体装置的平面结构的说明图。如 该图所示，在衬底50上的大部分区域中形成IGBT的主电极（成为集电极电极）表面电 极51，在一部分上构成IGBT的绝缘栅极型晶体管的栅极电极53。而且，在其他部分上形 成电流传感部52 (电流传感主要部52M以及焊盘部52P)，在另一部分上形成温度传感部 54(温度传感主要部54M以及焊盘部54P)。此外，在电流传感主要部52M中例如形成传感 用IGBT(的主电极（集电极电极）），在温度传感主要部54M中例如形成光电二极管。
[0028] 如图8所示，对应于在衬底50上与IGBT(表面电极51，栅极电极53) -起设置温 度传感部54,而导致额外地增大半导体装置的电路形成面积。其结果，芯片面积（在衬底 50上能够形成的元件形成面积）变大，导致成本提高，并且，需要针对温度传感部54在焊盘 部54P额外地进行导线接合处理等，对组装的限制变大。
[0029] 另外，在IGBT由具有发光性的宽带隙半导体材料构成的情况下，可以预见到在工 作时是大于或等于200°C的高温工作。因此，存在下述问题，S卩，成为无法使用当前所使用的 光电二极管等温度检测元件的温度环境，而不能够将现有的温度检测元件用于宽带隙半导 体元件的温度检测。解决这种问题的就是下面所述的实施方式。
[0030] 〈实施方式1>
[0031] 图1是示意地表示本发明的实施方式1即半导体装置的概略剖面结构的说明图。
[0032] 如该图所示，在半导体衬底10上设置宽带隙半导体元件形成部1。宽带隙半导体 元件形成部1由基部13、半导体激活部12以及电极部11的层叠构造形成，能够从成为主电 极部的电极部11经由信号线15与外部进行信号的接收/发送。
[0033] 图2是表示宽带隙半导体元件形成部1的内部结构例的电路图。如该图所示，在宽 带隙半导体元件形成部1内具有由具有发光性的宽带隙半导体材料形成的主体IGBT101。 并且，相对于主体IGBT101并联地设置电流传感用IGBT102,主体IGBT101以及电流传感用 IGBT102的集电极共同地与外部端子P1连接，绝缘栅极共同地与外部端子P2连接。主体 IGBT101的发射极接地，电流传感用IGBT102的发射极经由电阻R1而接地。并且，能够通 过对电阻R1两端P11、P12的电压进行测定，从而基于主体IGBT101与电流传感用IGBT102 的尺寸比等，计算在主体IGBT101中流动的电流。如上所述，宽带隙半导体元件形成部1是 将宽带隙半导体元件即主体IGBT101和电流传感部即电流传感用IGBT102单芯片化而一体 地形成的。
[0034] 宽带隙半导体元件形成部1的半导体激活部12使用宽带隙半导体材料而形成，在 形成结的N型层和P型层中的某一方形成载流子的复合中心（存在对使电子和空穴复合而 消失的过程进行促进的杂质原子或者多个杂质原子的复合体的部位），由此能够得到如果 电流经过结而流动则发光的发光性宽带隙半导体元件（主体IGBT101)。以下，有时将通过 形成所述复合中心而进行的发光动作简称为"通过双极动作而发光"。并且，半导体激活部 12形成为柱状（圆柱状，棱柱状等），通过双极动作而发光时从其侧面照射出射光。
[0035] 返回图1，在宽带隙半导体元件形成部1的半导体激活部12和光电二极管3之间 设置有光纤20,使得从光纤20的入射面30入射半导体激活部12的发光时（主体IGBT101 的（双极）动作时）的出射光，光电二极管3经由光纤20从出射面40接收上述出射光。
[0036] 如上所述，以使入射面30位于宽带隙半导体元件形成部1 (半导体激活部12)的 侧面附近的方式设置光纤20,将半导体激活部12的发光时的出射光引导至光电二极管3。 然后，光电二极管3产生与经由光纤20而接收到的出射光的发光强度相关联的输出电流。
[0037] 此时，通过在宽带隙半导体元件形成部1的侧面设置光纤20,从而能够从光纤20 的入射面30射入出射光，而不会受到主要在电极部11产生的模块组装时的导线接合或焊 料接合等的影响。
[0038] S卩，通过将光纤20的入射面30以与宽带隙半导体元件形成部1的侧面部相对的 方式配置，从而能够从光纤20的入射面30射入宽带隙半导体元件的发光时的出射光，而不 会受到主要在宽带隙半导体元件形成部1的电极部11形成的下述影响，即，由宽带隙半导 体元件的表面电极导致的遮光的影响，导线配线、直接引线配线等的影响。因此，能够在光 电二极管3侧以高精度、高灵敏度测量光电二极管输出电流Ip。
[0039] 另外，如果构成为将来自宽带隙半导体元件的出射光聚光后向光纤20导入，则能 够进一步提1?精度。
[0040] 并且，最终，通过以图1所示的状态利用具有透光性的凝胶将宽带隙半导体元件 形成部1、光纤20、以及光电二极管3封装而形成封装体，从而完成实施方式1的半导体装 置。
[0041] 图3是表示流过宽带隙半导体元件即主体IGBT101的工作电流Iw与光电二极管3 的光电二极管输出电流Ip的关系的曲线图。在该图中，温度关系线L25表示主体IGBT101 的工作温度为25°C的情况，温度关系线L150表示工作温度为150°C的情况。
[0042] 如上所述，如果半导体激活部12通过双极动作而发光，则该出射光经过光纤20而 引导至光电二极管3,而能够从光电二极管3产生光电二极管输出电流Ip。
[0043] 另一方面，上述出射光的发光强度与流过宽带隙半导体元件的工作电流Iw成正 t匕。另外，光电二极管输出电流Ip与上述出射光的发光强度成正比，并且具有波长依赖性。
[0044] 例如，在作为宽带隙半导体材料使用了 SiC的情况下，带隙在4H_SiC中为 3. 26eV (温度300K)，发光波长约为380nm。
[0045] 图4是表示半导体材料中的温度（K)与带隙能量的关系的曲线图。在该图中，能 量曲线Lll、L12以及L13表示Ge、Si、以及GaAs的带隙能量。
[0046] 如该图所示，半导体材料的带隙具有温度依赖性，如果将0(K)下的带隙能量设为 Eg(0)，则Τ(Κ)下的带隙能量以下式⑴表示，带隙能量Eg⑴随着温度上升（Τ的上升） 而变小。
[0047] Eg (T) = Eg (0) - a TV (T+ β )…（1)
[0048] 此外，式（1)的Eg(0)、α以及β为在下面的表1中示出的值。
[0049] 【表1】
[0050]
【权利要求】
1. 一种半导体装置，具有： 半导体元件，其由具有发光性的宽带隙半导体材料形成，在工作时发光； 电流检测部，其对所述半导体元件的工作时流动的电流作为工作电流进行检测； 光纤，所述半导体元件的工作时的出射光入射至该光纤中；以及 光电二极管，其接收在所述光纤中传播而得到的所述出射光。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述半导体元件以及所述电流检测部作为一体地单芯片化的半导体元件形成部而形 成，从所述半导体元件形成部的侧面部出射所述半导体元件的所述出射光， 将所述光纤的入射面配置为与所述半导体元件形成部的所述侧面部相对。
3. 根据权利要求2所述的半导体装置， 所述半导体元件形成部包含各自具有所述半导体元件以及所述电流检测部的多个半 导体元件形成部， 所述光纤由各自具有入射面的多个分支部分和具有出射面并与所述多个分支部分共 同连接的汇合部分构成，所述多个分支部分各自的入射面设置为被入射在所述多个半导体 元件形成部中相应的半导体元件形成部的发光时的出射光，所述汇合部分的所述出射面设 置为由所述光电二极管接收所述出射光。
4. 根据权利要求3所述的半导体装置，还具有光路开关，该光路开关设置在所述多个 分支部分和所述汇合部分之间，将由所述多个分支部分中的一个分支部分即选择光路和所 述汇合部分形成的光路设为有效。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置， 具有发光性的所述宽带隙半导体材料包含SiC以及GaN中的至少一个， 所述半导体元件包含肖特基势垒二极管、PN二极管、IGBT、以及双极晶体管中的至少一 个元件。
【文档编号】H03K17/08GK104283533SQ201410325571
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2013年7月9日
【发明者】鹿口直斗, 樽井阳一郎 申请人:三菱电机株式会社