[發明專利]半導體器件

有效

• 申請號: 200710141286.5
• 申請日: 2007-08-09
• 公開（公告）號: CN101123263A
• 公開（公告）日: 2008-02-13
• 發明（設計）人: 野崎義明
• 申請（專利權）人: 夏普株式會社
• 主分類號: H01L27/144
• 分類號: H01L27/144;H01L21/822
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司
• 代理人: 張鑫

本非臨時申請基于2006年8月10日提交到日本專利局的日本專利申請第2006-218180號，其全部內容通過引用結合于此。

技術領域

本發明涉及半導體器件，尤其涉及對利用諸如碳化硅(SiC)、GaN和金剛石之類的所謂的寬帶隙半導體形成的功率半導體器件的改進。

背景技術

圖10中的示意性框圖在概念上示出了電動機控制中使用的倒相器，它在日本專利特開第2006-073775號中公開，作為包括根據現有技術的功率半導體器件的功率模塊的一個示例。

如圖10所示，在用于控制電動機31等的半導體元件(功率元件)包含在IC或模塊中的情況下，技術上難以將包含由控制/邏輯系統的低壓電源32驅動的低壓半導體電路的控制電路33和以由高壓電源34提供的高壓HV的大電流工作的功率開關元件35H、35L集成在一個芯片中或安裝在同一封裝中。由此，幾乎沒有工業IC和模塊被廣泛使用。換言之，目前通過Si半導體技術形成的功率IC和模塊利用用于將低壓元件與高壓元件彼此電隔離的絕緣技術以相當復雜的工藝形成。

尤其是在稱為智能功率模塊(IPM)的半導體器件中，在倒相器中用于控制電動機31等的功率開關元件(例如，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET))的高側功率開關元件35H的柵極驅動電路36應在從接地電位浮起的高電位狀態下工作，并且因此需要浮動的高電位電源37。

這是因為在連接到負載的高側功率開關元件35H和低側功率開關元件35L之間的連接部分處的電位總是取決于這些功率開關元件的狀態而改變，并且需要參考變化的電位來提供用于高側功率開關元件35H的柵電位以控制開關。因此，需要電平移動技術，其中從控制電路33發出的基于接地電位的信號以高電位浮動狀態傳遞到柵極驅動電路36。

一般在常規的倒相器中用作驅動Si功率元件的電平移動電路的是如圖10所示的利用光電耦合器的方案。在該方案中，LED(發光二極管)39響應于從控制電路33發送的基于接地電位的信號發光，并且用光照射光電二極管38。然后，根據光電二極管38中由光照射引起的電位的信號來控制高側功率開關元件35H的柵極。以此方式使用光電耦合器允許信號以高電位浮動狀態發送到柵極驅動電路36。

然而，每一個高側功率開關元件都需要這種光電耦合器。在圖10中的三相輸出驅動電路中，例如，需要至少三個光電耦合器和三個高側柵極驅動電源。另一方面，用于低側功率開關元件35L的柵極驅動電路40是低壓電路，并且不需要如高側所需的這三個獨立的浮動電源。換言之，來自一個低側電源41的電壓由用于倒相器控制的驅動電路40提供給三個低側電源開關元件35L。

如上所述，如圖10所示的倒相器在高側需要三個功率開關元件35H、三個柵極驅動電路36、三個浮動電源37和三個電平移動電路(光電二極管38、LED39)，并且需要安裝它們的特定容量，從而不利地增加了包含它們的模塊的尺寸。

鑒于上述圖10所示的功率模塊中的問題，日本專利特開第2006-073775號提出一種通過利用寬帶隙半導體來形成功率開關元件和光接收元件兩者來改進光接收元件的耐熱性，以及通過在同一半導體芯片上形成功率開關元件和光接收元件來減小芯片面積的方法。

然而，在日本專利特開第2006-073775號中提出的方法中，必須使用用于發出具有小于藍光的波長的光的LED來驅動光接收元件，這導致模塊成本的增加。

更具體地，當用于產生驅動功率半導體器件的信號的光接收元件利用寬帶隙半導體襯底來形成時，需要應用具有比藍光的波長短的波長的光作為用于激發光接收元件的信號光，以激發寬帶隙半導體。可發出具有這一短波長的光的LED一般利用氮化物半導體來制造并因此很昂貴，導致模塊成本的增加。

此外，寬帶隙半導體元件易于含有很多缺陷，且難以控制用于控制極性的雜質擴散。因此，同樣難以制造具有高靈敏度以及關于諸如暗電流之類的噪聲的良好特性的高性能光接收元件。

發明內容

鑒于上述現有技術中的問題，本發明的一個目的是以低成本提供包括利用寬帶隙半導體形成的功率開關元件和用于控制它的高性能光接收元件的半導體器件。

根據本發明，一種半導體器件包括：利用硅襯底形成的光電二極管；設置在硅襯底上并具有比硅的帶隙大的帶隙的寬帶隙半導體層；以及利用寬帶隙半導體層形成的開關元件。開關元件電連接到光電二極管，以便由來自光電二極管的控制信號來進行導通/斷開控制。