【手続補正書】
【提出日】平成16年6月16日(2004.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と負荷とを接続する電路に設けられて前記電路の電流を制御する、発光性ワイドギャップ半導体材料で形成され、通電電流に応じて変化する放射光を発する半導体制御素子、
前記半導体制御素子の放射光を検出し検出信号を出力する受光素子、及び
前記受光素子の前記検出信号が入力され、前記検出信号に応じた制御信号を前記半導体制御素子のゲートに印加して前記半導体制御素子の通電電流を制御するゲート駆動回路
を有するパワー半導体素子回路。
【請求項２】
電源と負荷とを接続する電路に設けられて前記電路の電流を制御する、発光性ワイドギャップ半導体材料で形成され、通電電流に応じて変化する放射光を発する、シリコン基板上に設けた半導体制御素子、
前記半導体制御素子の放射光を検出し検出信号を出力する受光素子、及び
前記受光素子の前記検出信号が入力され、前記検出信号に応じた制御信号を前記半導体制御素子のゲートに印加して前記半導体制御素子の通電電流を制御するゲート駆動回路
を有するパワー半導体素子回路。
【請求項３】
電源と負荷とを接続する電路に設けられて前記電路の電流を制御する、ワイドギャップ半導体材料で形成された半導体層の少なくとも１つの層が再結合センターを有し通電電流に応じて変化する放射光を発する、半導体バイポーラ制御素子、
前記半導体バイポーラ制御素子の放射光を検出し検出信号を出力する受光素子、及び
前記受光素子の前記検出信号が入力され、前記検出信号に応じた制御信号を前記半導体制御素子のゲートに印加して前記半導体バイポーラ制御素子の通電電流を制御するゲート駆動回路
を有するパワー半導体素子回路。
【請求項４】
前記再結合センターを、前記少なくとも１つの層の一部分に有することを特徴とする請求項３記載のパワー半導体素子回路。
【請求項５】
前記電源が直流電源である請求項１、２又は３記載のパワー半導体素子回路。
【請求項６】
前記受光素子が前記半導体制御素子のパッケージに内蔵されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載のパワー半導体素子回路。
【請求項７】
前記半導体制御素子の放射光を前記受光素子に伝送する光ファイバを更に備える請求項１、２又は３記載のパワー半導体素子回路。
【請求項８】
前記ゲート駆動回路は、前記通電電流が所定値を超えたことを判定する判定制御回路を有し、前記判定制御回路の判定出力をゲートに印加して前記半導体制御素子を制御することを特徴とする請求項１、２又は３記載のパワー半導体素子回路。
【請求項９】
前記半導体制御素子は、ワイドギャップ半導体材料の炭化珪素により形成されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載のパワー半導体素子回路。
【請求項１０】
前記半導体制御素子は、炭化珪素を半導体材料とするｐ型層とｎ型層を有し、前記ｐ型層とｎ型層の内の少なくとも１つの層が所定数のアルミニウム原子と窒素原子を含むことを特徴とする請求項９記載のパワー半導体素子回路。
【請求項１１】
前記半導体制御素子は、発光性ワイドギャップ半導体材料で形成された絶縁ゲートバイポーラトランジスタである請求項１、２又は３記載のパワー半導体素子回路。
【請求項１２】
前記半導体制御素子は、発光性ワイドギャップ半導体材料で形成されたゲートターンオフサイリスタである請求項１、２又は３記載のパワー半導体素子回路。
【請求項１３】
前記半導体制御素子は、アノードゲート構造のゲートターンオフサイリスタである請求項１、２又は３記載のパワー半導体素子回路。
【請求項１４】
前記半導体制御素子は、ワイドギャップ半導体材料の窒化ガリウムにより形成されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載のパワー半導体素子回路。
【請求項１５】
前記半導体制御素子は、窒化ガリウムを半導体材料とするｐ型層とｎ型層を有し、前記ｎ型層が所定数のシリコン原子による再結合センターを有する請求項１４記載のパワー半導体素子回路。
【請求項１６】
前記再結合センターを、前記ｎ型層の一部分に有することを特徴とする請求項１５記載のパワー半導体素子回路。
【請求項１７】
直流電源の正及び負の端子間に接続された複数の、２つの半導体制御素子が直列接続された直列接続体、
前記直列接続体の接続点に接続された負荷、
前記半導体制御素子を制御する制御回路、及び
前記半導体制御素子にそれぞれ逆並列に接続されたフライホイールダイオード
を有するインバータ装置において、
前記直列接続体の２つの半導体制御素子の少なくとも一方が発光性ワイドギャップ半導体材料で形成され、通電電流に応じて変化する放射光を発する半導体制御素子、前記半導体制御素子の放射光を検出し検出信号を出力する受光素子、及び前記受光素子の前記検出信号が入力され、前記検出信号に応じた制御信号を前記半導体制御素子のゲートに印加して前記半導体制御素子の通電電流を制御するゲート駆動回路を有するパワー半導体素子回路  であることを特徴とするインバータ装置。
【請求項１８】
ワイドギャップ半導体素子を構成する複数のワイドギャップ半導体層の少なくとも１つの層にアクセプターとドナーの対からなる再結合センターを形成し、
前記再結合センターを形成したワイドギャップ半導体層で発生した光が外部へ放射されるように、前記再結合センターを形成したワイドギャップ半導体層の上の層に光放射窓を形成したことを特徴とする発光性ワイドギャップパワー半導体素子。
【請求項１９】
ワイドギャップ半導体素子を構成する複数のワイドギャップ半導体層の少なくとも１つの層にアルミニウムと窒素をドープしてキャリアの再結合センターを形成し、
前記再結合センターを形成したワイドギャップ半導体層で発生した光が外部へ放射されるように、前記再結合センターを形成したワイドギャップ半導体層の上の層に光放射窓を形成したことを特徴とする発光性ワイドギャップパワー半導体素子。
【請求項２０】
前記再結合センターを形成したワイドギャップ半導体層におけるアルミニウム原子及び窒素原子の濃度は、ともに１×１０１５〜１×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３の範囲にあることを特徴とする請求項１８又は１９記載の発光性ワイドギャップパワー半導体素子。
【請求項２１】
前記再結合センターを、ワイドギャップ半導体層の前記光放射窓に対向する部分のみに形成したことを特徴とする請求項１８又は１９記載のワイドギャップパワー半導体素子。
【請求項２２】
前記再結合センターを有するワイドギャップ半導体層がｐ型の場合は、アルミニウムを窒素より多くドープし、
前記再結合センターを有するワイドギャップ半導体がｎ型の場合は、窒素をアルミニウムより多くドープしたことを特徴とする請求項１８又は１９記載の発光性ワイドギャップパワー半導体素子。
【請求項２３】
前記再結合センターを有するｐ型のワイドギャップ半導体層に、アルミニウムを１×１０２１ａｔｏｍ／ｃｍ３の程度の濃度でドープし、窒素を１×１０１５〜１×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３の範囲の濃度でドープしたことを特徴とする請求項２２記載の発光性ワイドギャップパワー半導体素子。
【請求項２４】
前記再結合センターを有するｎ型のワイドギャップ半導体層に窒素を１×１０２１ａｔｏｍ／ｃｍ３程度の濃度でドープし、アルミニウムを１×１０１５〜１×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３の範囲の濃度でドープしたことを特徴とする請求項２２記載の発光性ワイドギャップパワー半導体素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
発光性のワイドギャップバイポーラ半導体制御素子について以下に詳細に説明する。
従来のＧＴＯなどのバイポーラ半導体制御素子では、オン電圧を低くして低損失にするために、接合を形成しているｐ型又はｎ型の半導体層内においてキャリアの再結合が出来るだけ生じないように構成している。すなわち各半導体層に再結合センターを出来るだけ含まないようにしている。これに対して、本発明の発光性ワイドギャップバイポーラ半導体制御素子では、前記従来のバイポーラ半導体制御素子とは逆に、バイポーラ半導体制御素子を形成する複数の半導体層の内の少なくとも一層にある程度の再結合センターが存在するように構成している。再結合センターは、少なくとも１つのＳｉＣ半導体層にアクセプターであるアルミニウムとドナーである窒素の原子をドープすることにより得られる。このようにすると、アルミニウム原子が作る不純物レベルに捕獲された正孔と、窒素原子が作る不純物レベルに捕獲された電子が再結合することにより光が発生する。半導体層に多数のアルミニウム原子と窒素原子をドープして多数の再結合センターを形成すると放射光の強さは大きくなる。しかし、再結合により、電子や正孔の流れが阻害されるのでバイポーラ制御素子のオン抵抗が高くなり従ってオン電圧も高くなる。その結果バイポーラ制御素子の電力損失が大きくなる。そこで、放射光の強さとオン抵抗の大きさを、実用性を考慮しつつ望ましい値に設定する必要がある。本実施例の発光性ワイドギャップバイポーラ半導体材料すなわちＳｉＣでは、アルミニウム原子及び窒素原子の数をそれぞれ１×１０１５〜１×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３の範囲にするのが望ましい。ＳｉＣの場合は、アルミニウムはｐ型不純物として働き、窒素はｎ型不純物として働く。そこで、再結合センターを有する半導体層がｐ型の場合は、アルミニウムを窒素より多くドープする必要がある。例えばアルミニウムを１×１０２１ａｔｏｍ／ｃｍ３程度まで増加させてもよい。また再結合センターを有する半導体層がｎ型の場合は、窒素をアルミニウムより多くドープする必要がある。例えば窒素を１×１０２１ａｔｏｍ／ｃｍ３程度まで増加させてもよい。