(57)【要約】【課題】製造歩留まりが高く、低コストのＳｉＣトランジスタ及び電力変換装置を提供する。【解決手段】マイクロパイプ欠陥３を不可避的に含む低品位のＳｉＣウエハを原材料とする第一導電型のＳｉＣ基板２と、ＳｉＣ基板の上に積層形成された第二導電型のベース層４と、ベース層の上に積層形成された第一導電型のエミッタ層５と、エミッタ層の一部を欠落させるか、又はエミッタ層の一部の導電型を反転させ、その欠落または反転させた部分にオーミック接合されたベース電極６と、エミッタ層にオーミック接合されたエミッタ電極７と、ＳｉＣ基板の裏面側にオーミック接合され、ＳｉＣ基板をコレクタとして機能させるコレクタ電極８とを有する。【選択図】　　図２
2004140302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低電圧電源回路に用いられるＳｉＣトランジスタであって、
マイクロパイプ欠陥を不可避的に含む低品位のＳｉＣウエハを原材料とする第一導電型のＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板の上に積層形成された第二導電型のベース層と、
前記ベース層の上に積層形成された第一導電型のエミッタ層と、
前記エミッタ層の一部を欠落させるか、又は前記エミッタ層の一部の導電型を反転させ、その欠落または反転させた部分にオーミック接合されたベース電極と、
前記エミッタ層にオーミック接合されたエミッタ電極と、
前記ＳｉＣ基板の裏面にオーミック接合され、前記ＳｉＣ基板をコレクタとして機能させるコレクタ電極と、
を具備することを特徴とするＳｉＣトランジスタ。
【請求項２】
前記ＳｉＣ基板は、単位面積当たりのマイクロパイプ欠陥密度が１０個／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１記載のＳｉＣトランジスタ。
【請求項３】
マイクロパイプ欠陥を含むＳｉＣ基板をコレクタとして有するＳｉＣトランジスタが変換素子として組み込まれた低電圧電源回路を具備することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記ＳｉＣトランジスタは、直流−直流間の電圧を変換するＤＣ−ＤＣ電圧変換素子として前記低電圧電源回路のなかに組み込まれていることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記ＳｉＣトランジスタは、交流−直流間の電圧を変換するＡＣ−ＤＣ電圧変換素子として前記低電圧電源回路のなかに組み込まれていることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳｉＣを基板とする低電圧用途のＳｉＣトランジスタ、及びそれを用いたＤＣ−ＤＣ電源、インバータ、コンバータ、充電器等の電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、インバータ、ＤＣ−ＤＣ電源、コンバータなどの電力変換装置にはバイポーラートランジスタ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子が用いられている。これらの半導体素子はシリコン（Ｓｉ）を主体とするために素子内部の使用限界温度が１５０℃以下と低く、スイッチング動作などによる電力変換装置への応用では素子内部の損失による素子内部の温度上昇を低減するために、素子外部に大型の冷却器を取り付けるか、または放熱面積をさらに大きくした大型の素子を用いる必要があった。
【０００３】
ところで、炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、高温下で安定であり、化学的にも安定であるばかりでなく、禁制帯幅が大きく、電子移動度がシリコン（Ｓｉ）に匹敵し、絶縁破壊電界強度がＳｉより１桁大きく、飽和ドリフト速度がＳｉの約２倍を示すので、半導体デバイス材料として注目されている材料である。このようにＳｉＣは半導体デバイス材料として多くの優れた特性を有するので、Ｓｉデバイスよりも過酷な環境（高温、高放射線照射）下で安定に動作する耐久性に優れた低損失・高パワーのＳｉＣデバイスの開発が需要家から期待されている。
【０００４】
ＳｉＣトランジスタは素子内部の使用限界温度が理論的には１５００℃程度と高く、これまでに種々の試作がなされている。例えば特許文献１には１０００℃程度までの高温域で使用可能なＳｉＣトランジスタが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特表２０００−５０７３９４号（第２頁、請求項１、図４（Ａ）、図４（Ｂ））
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＳｉＣトランジスタにおいては、ウエハ製造過程でＳｉＣウエハ内部に発生したマイクロパイプと称される構造欠陥が性能に重大な影響を及ぼす、すなわちマイクロパイプ欠陥の存在下ではベース／コレクタ間にリーク電流が流れ、絶縁破壊に至るという致命的な問題がある。このようなマイクロパイプ欠陥は現状では発生原因が特定できておらず、その根本的な対策法も確立されていない。
【０００７】
このため、ウエハ検査でマイクロパイプ欠陥が存在する部位を検出し、その検出部位を避けるようにしてＳｉＣウエハからトランジスタ用基板を切り取る必要がある。しかし、このようにすると所定チップ面積のトランジスタを製作するためには少量のみが製品に用いられ、大部分が廃棄されるので、材料の歩留まりが非常に低く、最終製品は極めてコスト高になる。ちなみに２インチ径ＳｉＣウエハの場合では、マイクロパイプ欠陥の発生密度は数１０個以上／ｃｍ２（ウエハ製造時データ）とかなり大きいと言われている。
【０００８】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、歩留まりが高く、低コストのＳｉＣトランジスタ及び電力変換装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
マイクロパイプ欠陥に起因するリーク電流は、ＳｉＣ適用の主ターゲットとして開発が進められている高電圧用途のトランジスタでは致命的な問題であり、現状ではマイクロパイプ欠陥の発生原因が特定できておらず、その根本的な対策法も見つかっていない。しかし、本発明者が鋭意研究したところ、マイクロパイプ欠陥で発生するリーク電流は３００Ｖ以下の低電圧領域ではトランジスタの正常な動作にほとんど影響を及ぼさないという知見を得た。本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、その内容を以下に述べる。
【００１０】
本発明に係るＳｉＣトランジスタは、マイクロパイプ欠陥を不可避的に含む低品位のＳｉＣウエハを原材料とする第一導電型のＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板の上に積層形成された第二導電型のベース層と、前記ベース層の上に積層形成された第一導電型のエミッタ層と、前記エミッタ層の一部を欠落させるか、又は前記エミッタ層の一部の導電型を反転させ、その欠落または反転させた部分にオーミック接合されたベース電極と、前記エミッタ層にオーミック接合されたエミッタ電極と、前記ＳｉＣ基板の裏面側にオーミック接合され、前記ＳｉＣ基板をコレクタとして機能させるコレクタ電極と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
ＳｉＣ基板は、高温下で安定であり、化学的にも安定であるので、１５０℃を超える高温に曝される場合や多量の放射線が照射される場合などの過酷な環境下であっても安定に動作することができる。このためＳｉＣ基板を用いたトランジスタは耐久性に優れたものとなり、例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの低電圧電源回路の素子として好適である。
【００１２】
また、ＳｉＣ基板は、禁制帯幅が大きく、電子移動度がシリコン（Ｓｉ）に匹敵し、絶縁破壊電界強度がＳｉより１桁大きく、飽和ドリフト速度がＳｉの約２倍を示すので、ＳｉＣトランジスタはＳｉトランジスタよりも低損失・高パワーとなる。
【００１３】
ＳｉＣウエハは、昇華再結晶法、化学気相成長法（ＣＶＤ）、分視線エビタキシー法（ＭＢＥ）、光励起エピタキシャル成長法などを用いて製造される。
【００１４】
なお、ＳｉＣ基板は、マイクロパイプ欠陥を不可避的に含む低品位のＳｉＣウエハ、例えば、単位面積当たりのマイクロパイプ欠陥密度が１０個／ｃｍ２以上（製造時）のＳｉＣウエハから切り取ったものを用いことができる。
【００１５】
このようなマイクロパイプ欠陥を含むＳｉＣ基板をコレクタとして有するＳｉＣトランジスタを変換素子として低電圧電源回路に組み込むことにより、従来品より低価格の電力変換装置を提供することができる。なお、ＤＣ−ＤＣ電圧変換素子としてＳｉＣトランジスタを低電圧電源回路のなかに組み込むと、ＤＣ／ＤＣコンバータが提供される。また、ＡＣ−ＤＣ電圧変換素子としてＳｉＣトランジスタを低電圧電源回路のなかに組み込むと、インバータが提供される。
【００１６】
マイクロパイプ欠陥をもつＳｉＣ基板を定格交流入力電圧１００Ｖを直流出力電圧５Ｖに変換する定格電力５０ＷＤＣ電源に適用した場合に、存在するリーク電流による損失（漏れ電流損失）が変換効率に及ぼす影響は０．１％未満と僅かである。
【００１７】
条件：入力ＡＣ１００Ｖ→ＤＣ５Ｖ、５０ＷのＤＣ電源
効率低下＜０．１％
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら本発明の種々の好ましい実施の形態について説明する。
【００１９】
（実施例１）
先ず、図１を参照して実施例１の電力変換装置について説明する。
【００２０】
実施例１の電力変換装置２０は入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換する降圧型同期整流ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の電圧変換回路には第１のＳｉＣトランジスタＱ１（１３）、第１のダイオードＤ１、インダクタＬが設けられている。このうち第１のＳｉＣトランジスタＱ１と第１のダイオードＤ１とは入力側に並列に接続されている。第１のダイオードＤ１は、出力電圧が過大になったときに第１のＳｉＣトランジスタＱ１の損傷を防止する保護素子として機能する。インダクタＬは第１のＳｉＣトランジスタＱ１／第１ダイオードＤ１に対して出力側に直列に接続されている。なお、本実施例のダイオードＤ１，Ｄ２には市販の汎用品を用いた。
【００２１】
平滑コンデンサＣがインダクタＬと出力端子との間に挿入されている。この平滑コンデンサＣは電圧変換回路の直流出力電圧を平滑化する機能を有する。
【００２２】
制御回路が第１のＳｉＣトランジスタＱ１（第１のダイオードＤ１）とインダクタＬとの間に挿入されている。この制御回路は、並列接続された第２のＳｉＣトランジスタＱ２（１３）および第２のダイオードＤ２からなり、平滑コンデンサＣの平滑動作をオンまたはオフする機能を有する。
【００２３】
第１及び第２のＳｉＣトランジスタ１３は、図２に示す構造を有するバイポーラトランジスタであり、ｎ＋＋ＳｉＣ基板２の上に、ｐＳｉベース層４、ｎＳｉエミッタ層５が順次積層されている。
【００２４】
ＳｉＣ基板２は４層構造の４Ｈ型炭化ケイ素ウエハから切り取られたものからなり、マイクロパイプ欠陥３の密度が約３０個／ｃｍ２（製造時）である。マイクロパイプ欠陥３の数とサイズはウエハ製造方法ごとにまちまちである。ウエハ板厚を一方側から他方側へ貫通する特大サイズのマイクロパイプ欠陥３が発生することも稀にある。本発明は低品位ＳｉＣ基板を低電圧電源回路に利用するためにマイクロパイプ欠陥３の存在を許容するものではあるが、このような特大サイズのマイクロパイプ欠陥３が存在する場合は、その部位はできるだけ避けて用いることが望ましい。
【００２５】
なお、ＳｉＣトランジスタ１３のベース電極６は接地され、エミッタ電極７は出力端子側に、コレクタ電極８は入力端子側にそれぞれ接続されている。ベース電極６は、エミッタ層５をパターンエッチングしてベース層６が露出した部分に形成されている。
【００２６】
本実施例では入力電圧Ｖｉｎを３００ボルト以下としている。
【００２７】
次に、本実施例のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作の概要について説明する。
【００２８】
入力電圧Ｖｉｎはスイッチング素子としての第１トランジスタＱ１を介してインダクタＬと平滑コンデンサＣの直列回路に印加される。第１トランジスタＱ１をＯＦＦし、第２トランジスタＱ２をＯＮすると、インダクタＬに蓄積されたエネルギによってさらに平滑コンデンサＣは充電される。平滑コンデンサＣでは直流電圧を平滑化して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。このように第１、第２のトランジスタＱ１，Ｑ２のオン／オフ動作を同期して行なうことによって入力電圧Ｖｉｎを降圧した出力電圧Ｖｏｕｔが出力電圧として出力される。
【００２９】
一方、出力電圧Ｖｏｕｔが定電圧値より高くなろうとすると、第１トランジスタＱ１をオフし、第２トランジスタＱ２をオンとした時、電流は平滑コンデンサＣ、インダクタＬ、第２トランジスタＱ２、平滑コンデンサＣの順に流れ、平滑コンデンサＣを放電させる。また、第１トランジスタＱ１をオンし、第２トランジスタＱ２をオフとすると、インダクタＬに蓄積されたエネルギは第１トランジスタＱ１を介して入力電源に帰還される。さらに、第１、第２のトランジスタＱ１，Ｑ２の切換時において、両トランジスタＱ１，Ｑ２がオフの間は、ダイオードＤ１あるいはＤ２を介して電流が流れる。
【００３０】
以上のように実施例１の電力変換装置としての降圧型同期整流ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は動作するが、入力電圧Ｖｉｎが３００Ｖ以下の低電圧電源回路であるので、第１、第２のＳｉＣトランジスタＱ１，Ｑ２が支障なくスイッチング動作する。
【００３１】
このように本実施例では従来は廃棄されていた低品位のＳｉＣ基板を有効利用することができ、従来品に比べて製造コストが大幅に低減される。このような低品位ＳｉＣトランジスタは、例えばハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のような低電圧電源回路に好適に用いられる。
【００３２】
（実施例２）
次に、図３を参照して実施例２の電力変換装置について説明する。
【００３３】
実施例２の電力変換装置３０は直流入力電圧を交流出力電圧に変換する自励式電圧形三相インバータである。三相インバータ３０は、６個のＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６と６個のダイオードＤ１〜Ｄ６とを備えている。各ＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６には対応するダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ並列に接続されている。ダイオードＤ１〜Ｄ６は、ＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６を保護するとともに、正常な電源装置から故障した電源装置へ電流が流れ込まないように逆流を阻止するための保護素子である。
【００３４】
これら６組のＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６のうち２組ずつが組み合わされ、３つの直列回路が形成されている。３つの直列回路の両側は入力端子にそれぞれ並列に接続されている。なお、入力端子は図示しない大容量コンデンサを介して直流電源（図示せず）に接続されている。
【００３５】
本実施例では入力電圧Ｖｉｎを３００ボルト以下としている。
【００３６】
一方、３つの直列回路の中点Ｕ，Ｖ，Ｗは電動機側の出力端子にそれぞれ接続され、これにより三相のハーフブリッジ回路が負荷となる電動機との間に形成されている。
【００３７】
さらに、オン・オフ制御回路（図示せず）がＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６にそれぞれ接続されている。このオン・オフ制御回路はＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６の各々の動作を個別にオン・オフ制御するものである。
【００３８】
本実施例のＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６に用いた基板２は、６層構造の６Ｈ型炭化ケイ素ウエハから切り取られたものからなり、マイクロパイプ欠陥３の密度が約４０個／ｃｍ２（製造時）である。
【００３９】
このようなインバータ３０においては、６組のＳｉＣトランジスタＱ１〜Ｑ６／ダイオードＤ１〜Ｄ６をＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、各相のハーフブリッジは１８０°導通して切り替わり、１サイクルに６個の動作モードを生じる。電位の基準点を直流電源の中点０ＤＣにとると、出力端子の電位ｖＵ，ｖＶ，ｖＷは、プラス側のトランジスタ（Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５）がオンのときはＶｄとなり、マイナス側のトランジスタ（Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６）がオンのときはゼロとなる。ちなみに相電圧は直流電源の中点０ＤＣに対して±Ｅｄ／２の振幅をもつ１８０°幅の方形波となる。また、線間電圧は±Ｅｄの振幅をもつ１２０°幅の方形波となるが、負荷電圧は階段状の６ステップ波形となる。
【００４０】
【発明の効果】
上記のように実用上障害はなく、その高温限界使用性能により冷却器を無くしたり、従来では使用できない高温度環境での使用を実現できる。これらを低品位で低コストの欠陥のあるＳｉＣウエハを用いて実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を示す回路図。
【図２】本発明の電力変換装置に用いられるバイポーラトランジスタを示す概略断面図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置（インバータ）を示す回路図。
【符号の説明】
２…ＳｉＣ基板（コレクタ）、
３…マイクロパイプ欠陥、
４…ベース層、
５…エミッタ層、
６…ベース電極、
７…エミッタ電極、
８…コレクタ電極、
１０，２０，３０…電力変換装置、
１３，Ｑ１〜Ｑ６…ＳｉＣトランジスタ、
Ｄ１〜Ｄ６…ダイオード。
【図１】
2004140302.tif 000003
【図２】
2004140302.tif 000004
【図３】
2004140302.tif 000005