(57)【要約】【課題】インバータ制御を低周波数の駆動で実現することができ、ノイズの低減とスイッチング損失に伴うエネルギー損失の低減を図る。【解決手段】半導体装置１は、コレクタ電極１１と、コレクタ電極１１上に直接又は他の層を介して積層され、コレクタ電極１１に通電する共通層を有するコレクタ層１２と、コレクタ層１２上に積層され、複数領域に分断されて、分断された各領域に受光部１３Ａを備えるベース層１３と、分断されたベース層１３上に個別に積層されたエミッタ層１４と、エミッタ層１４に通電する共通のエミッタ電極１５とを備えるフォトトランジスタアレイ１０と、エミッタ電極１５を透過して受光部１３Ａに光を入射する発光素子２１を複数領域毎に配置した発光素子アレイ２０と、発光素子２１を個別に制御する制御部３０とを備える。【選択図】図１
2018110139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通のコレクタ電極と、前記コレクタ電極上に直接又は他の層を介して積層され、前記コレクタ電極に通電する共通層を有するコレクタ層と、前記コレクタ層上に積層され、複数領域に分断されて、分断された各領域に受光部を備えるベース層と、分断された前記ベース層上に個別に積層されたエミッタ層と、前記エミッタ層に通電する共通のエミッタ電極とを備えるフォトトランジスタアレイと、
前記エミッタ電極を透過して前記受光部に光を入射する発光素子を前記複数領域毎に配置した発光素子アレイと、
前記発光素子を個別に制御する制御部とを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記エミッタ電極は、前記受光部に対応する開口部を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記コレクタ電極と前記コレクタ層との間には、多層の低抵抗接触層を有することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記発光素子アレイと前記フォトトランジスタアレイとの間には、前記発光素子が出射した光を前記受光部に集光するマイクロレンズアレイが配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記発光素子のそれぞれを、異なる発光開始タイミングで且つ同周期で点滅制御し、複数の前記発光素子を順次発光するに際して、第１番目の発光素子の点灯時間幅内で、順次点灯時間幅が短くなるように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記発光素子の発光開始順を随時変更することを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記複数領域は、格子状に形成されたメサ溝によって分断されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーデバイスに適した半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力の変換と制御の分野で用いられる半導体装置は、パワーデバイスと呼ばれており、整流ダイオード、パワートランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ））、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）などが一般に知られている。
【０００３】
モータなどの制御には、電源からの入力電力を所望の周波数の交流に変換して、その周波数を制御するインバータ方式が一般に採用されているが、インバータの制御は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどをスイッチング動作させるパルス幅変調（ＰＷＭ）やパルス周波数変調（ＰＦＭ）が主流である。
【０００４】
パルス幅変調（ＰＷＭ）やパルス周波数変調（ＰＦＭ）によってインバータ制御を行うためには、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング動作を高周波数で行うことが必要になる。このように、パワーデバイスを高周波数でスイッチング動作させると、出力側に高周波の大電流によって高周波数のノイズが発生することで制御信号にノイズがのり、安定した制御を行い難い問題がある。これに対しては、制御入力にフォトカプラや光ＦＥＴを通してノイズを低減することが一般になされているが（下記特許文献１参照）、高速制御を行うには多くのフォトカプラや光ＦＥＴを通して誘導ノイズを低減することが必要となり、構造が複雑化すると共に、高コストになる問題がある。
【０００５】
また、ＩＧＢＴは、ターンオン或いはターンオフ時の過渡状態で生じるスイッチング損失が問題になる。パルス幅変調（ＰＷＭ）やパルス周波数変調（ＰＦＭ）によってインバータ制御を行うと、ターンオンとターンオフの繰り返し回数が必然的に多くなるので、スイッチング損失の蓄積によるエネルギー損失が無視できない問題になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１１６６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、インバータ制御を低周波数の駆動で実現することができ、ノイズの低減とスイッチング損失に伴うエネルギー損失の低減を図ること、簡単な構造で低コストの半導体装置を得ること、などが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、本発明の半導体装置は、以下の構成を具備するものである。
共通のコレクタ電極と、前記コレクタ電極上に直接又は他の層を介して積層され、前記コレクタ電極に通電する共通層を有するコレクタ層と、前記コレクタ層上に積層され、複数領域に分断されて、分断された各領域に受光部を備えるベース層と、分断された前記ベース層上に個別に積層されたエミッタ層と、前記エミッタ層に通電する共通のエミッタ電極とを備えるフォトトランジスタアレイと、前記エミッタ電極を透過して前記受光部に光を入射する発光素子を前記複数領域毎に配置した発光素子アレイと、前記発光素子を個別に制御する制御部とを備えることを特徴とする半導体装置。
【発明の効果】
【０００９】
このような特徴を有する本発明の半導体装置は、インバータ制御を低周波数の駆動で実現することができ、ノイズの低減とスイッチング損失に伴うエネルギー損失の低減を図ることができる。また、簡単な構造で低コストの半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の全体構成を示した説明図である。
【図２】図１におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置の制御方式の一例を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１及び図２に示すように本発明の実施形態に係る半導体装置１は、フォトトランジスタアレイ１０、発光素子アレイ２０、制御部３０を備えている。
【００１２】
フォトトランジスタアレイ１０は、コレクタ電極１１、コレクタ層１２、ベース層１３、エミッタ層１４、エミッタ電極１５を備えている。コレクタ電極１１は、図示のＸ−Ｙ平面に沿って平面的に拡がる共通の電極であり、コレクタ電極１１上に、直接又は他の層を介してコレクタ層１２が積層されている。図示の例では、コレクタ電極１１とコレクタ層１２との間には、多層の低抵抗接触層１６を有し、コレクタ電極１１と低抵抗接触層１６とはハンダ層１７を介して接続されている。低抵抗接触層１６は、一例として、Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａ、Ａｌ層１６Ｂ、Ｎｉ層１６Ｃなどが適宜積層されている。
【００１３】
コレクタ層１２は、コレクタ電極１１に通電する共通層を有しており、その上部は、メサ溝１８によって分断されて、平面的に配置される複数領域が形成されている。ここでのコレクタ層１２は、ｎ+基板１２Ａ上にｎ-層１２Ｂを積層して構成される。
【００１４】
コレクタ層１２の上にはベース層１３が積層されている。ベース層１３は、コレクタ層１２の上部と同様にメサ溝１８によって、平面的な複数領域に分断されており、分断された複数領域の各領域は、受光部１３Ａを備えている。
【００１５】
分断されたベース層１３の上には、個別にエミッタ層１４が積層されている。このエミッタ層１４も、コレクタ層１２の上部及びベース層１３と同様に、メサ溝１８によって複数領域に分断されている。また、ベース層１３の受光部１３Ａを露出させるために、エミッタ層１４には、受光部１３Ａに対応して図示のＺ方向に沿った孔部が形成されている。
【００１６】
複数領域に分散されているエミッタ層１４にはそれぞれハンダバンプ１９が付けられており、そのハンダバンプ１９を介してエミッタ層１４にエミッタ電極１５が接続されている。エミッタ電極１５は、複数領域に分断されたエミッタ層１４の全てに通電する共通の電極である。
【００１７】
ここで、ベース層１３は、コレクタ層１２のｎ-層１２Ｂに接合するｐ層を形成しており、エミッタ層１４は、ベース層１３に接合するｎ+層を形成しているので、メサ溝１８によって分断された複数領域のそれぞれは、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタを構成している。
【００１８】
このように、フォトトランジスタアレイ１０は、メサ溝１８によって分断されることで電気的に独立したベース層１３とエミッタ層１４が、Ｘ−Ｙ平面に沿って複数配列されており、これらのベース層１３とエミッタ層１４に共通のコレクタ層１２が接合されている。
【００１９】
受光素子アレイ２０は、フォトトランジスタアレイ１０のベース層１３とエミッタ層１４に対向するように配置されている。受光素子アレイ２０は、複数の発光素子２１を備えており、この発光素子２１が分割されたベース層１３の複数領域毎に配置されている。発光素子２１から出射した光は、エミッタ電極１５を透過してベース層１３の受光部１３Ａに入射する。
【００２０】
図示の例では、エミッタ電極１５は、発光素子２１が出射する光を透過する開口１５Ａを備えている。また、発光素子アレイ２０とフォトトランジスタアレイ１０との間には、発光素子２１が出射した光を受光部１３Ａに集光するマイクロレンズアレイ２２が配置されている。マイクロレンズアレイ２２を設けることで、個々の発光素子２１が出射した光をクロストーク無く、対向する受光部１３Ａに照射することができる。
【００２１】
発光素子アレイ２０は、基板２３を備えており、この基板２３に複数の発光素子２１が配置されている。また、基板２３には、制御部３０となるドライブＩＣが実装されている。制御部３０は、発光素子２１を選択的に発光させることで、フォトトランジスタアレイ１０を駆動制御するものである。
【００２２】
フォトトランジスタアレイ１０は、図２に示すように、格子状のメサ溝１８によって、Ｘ−Ｙ平面にてｎ×ｍ（図示の例では４×４＝１６）個に分断されたベース層１３とエミッタ層１４を備えている。図においては、１６個に分断されたベース層１３とエミッタ層１４をｎ１領域，ｎ２領域，…，ｎ１５領域，ｎ１６領域としている。
【００２３】
制御部３０は、例えば、ｎ１領域，ｎ２領域，…，ｎ１５領域，ｎ１６領域に対応する発光素子２１を図３に示すように個別に発光制御する。ここでは、制御部３０は、複数の発光素子２１のそれぞれを、異なる発光開始タイミングで且つ同周期で点滅制御し、複数の発光素子２１を順次発光するに際して、ｎ１領域に照射する第１番目の発光素子２１の点灯時間幅内で、順次点灯時間幅が短くなるように制御する。
【００２４】
具体的には、ｎ１領域，ｎ２領域，…，ｎ１５領域，ｎ１６領域の順に発光素子２１からの光が照射される。ｎ１領域に照射する第１番目の発光素子２１は、発光開始タイミングｔ１でＯＮとなり、点灯時間幅ｗ１後にＯＦＦになる。ｎ２領域に照射する第２番目の発光素子２１は、発光開始タイミングｔ２でＯＮとなり、点灯時間幅ｗ２後にＯＦＦになる。同様に、ｎ１５領域に照射する第１５番目の発光素子２１は、発光開始タイミングｔ１５でＯＮとなり、点灯時間幅ｗ１５後にＯＦＦになる。ｎ１６領域に照射する第１６番目の発光素子２１は、発光開始タイミングｔ１６でＯＮとなり、点灯時間幅ｗ１６後にＯＦＦになる。
【００２５】
ここで、発光開始タイミングｔ２，…，ｔ１６は、発光開始タイミングｔ１から（ｗ１）／２の時間内に設定されており、点灯時間幅ｗ１，ｗ２，…，ｗ１５，ｗ１６は、ｗ１＞ｗ２，…，ｗ１５＞ｗ１６になるように設定されている。また、各発光素子２１の点滅周期Ｔｓは、ｎ１領域に照射する発光素子２１がｔ１〜ｔ１７、ｎ２領域に照射する発光素子２１がｔ２〜ｔ１８、…、ｎ１５領域に照射する発光素子２１がｔ１５〜ｔ３１、ｎ１６領域に照射する発光素子２１がｔ１６〜ｔ３２であって、全て同じ周期になっている。
【００２６】
制御部３０がこのような発光制御を行うことで、コレクタ電極１１に電源を接続して、エミッタ電極１５から図３に示すような出力電流Ｉ0を得ることができる。すなわち、前述した発光開始タイミングｔ１，ｔ２，…，ｔ１５，ｔ１６と点灯時間幅ｗ１，ｗ２，…，ｗ１５，ｗ１６を適宜設定することで、出力電流Ｉ0から正弦波の交流電流を得ることができ、また、発光開始タイミングｔ１，ｔ２，…，ｔ１５，ｔ１６と点灯時間幅ｗ１，ｗ２，…，ｗ１５，ｗ１６を適宜制御することで、交流電流の周波数を任意に制御するインバータ制御を行うことができる。
【００２７】
この際、各発光素子２１の点滅周期Ｔｓ、即ち、ｎ１領域，ｎ２領域，…，ｎ１５領域，ｎ１６領域に分断された各バイポーラトランジスタの駆動周期は、得られる交流の周期に等しい低周波数であるから、ターンオンとターンオフに時間遅れが生じるバイポーラトランジスタであっても所望のインバータ制御を行うことが可能になる。また、ＰＷＭやＰＦＭのような高周波数のスイッチング動作を行わないので、スイッチング回数の減少によってスイッチング損失を低減することができる。
【００２８】
このような特徴の半導体装置１は、高周波数でのスイッチング動作を排除できるので、パワーデバイスとして使用する場合にも、出力側に大きなパワーの高周波数ノイズが発生するのを抑止することができ、これによって安定した制御を行うことができる。高速のスイッチング動作を行わないので、限られた個数の発光素子で駆動することができ、構造の複雑化や高コスト化を避けることができる。
【００２９】
なお、図２に示したｎ１領域，ｎ２領域，…，ｎ１５領域，ｎ１６領域の配置は、各領域の発光開始タイミングの順番を換えて任意に変更することが可能である。図２に示した例では、点灯時間幅が長い若い順番の領域（ｎ１領域，ｎ２領域，ｎ３領域，ｎ４領域など）を周囲に離して配置することで、発熱の影響を少なくしている。この各領域と共に発光素子の発光開始順を随時変更することで、半導体装置１の発熱が一部に偏るのを避けることができる。
【００３０】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る半導体装置１によると、低ノイズで省エネルギ動作が可能なパワーデバイスを実現することができる。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１：半導体装置，１０：フォトトランジスタアレイ，１１：コレクタ電極，
１２：コレクタ層，１２Ａ：ｎ+基板，１２Ｂ：ｎ-層，
１３：ベース層，１３Ａ：受光部，１４：エミッタ層，
１５：エミッタ電極，１５Ａ：開口，１６：低抵抗接触層，
１７：ハンダ層，１８：メサ溝，１９：ハンダバンプ，
２０：発光素子アレイ，２１：発光素子，２２：マイクロレンズアレイ，
２３：基板，３０：制御部
【図１】
2018110139.tif 000003
【図２】
2018110139.tif 000004
【図３】
2018110139.tif 000005