[發明專利]半導體裝置及制造方法、使用該半導體裝置的電力變換裝置

無效

• 申請號: 200810092129.4
• 申請日: 2004-08-19
• 公開（公告）號: CN101271871A
• 公開（公告）日: 2008-09-24
• 發明（設計）人: 菅原良孝
• 申請（專利權）人: 關西電力株式會社
• 主分類號: H01L23/34
• 分類號: H01L23/34;H01L29/744;H01L29/861;H01L29/30
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 李家麟;劉宗杰

本申請是申請日為2003年8月22日，申請號為2004800011119，發明名稱為“半導體裝置及制造方法、使用該半導體裝置的電力變換裝置”的發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及可控制電流(通電時可以進行開/關控制的最大電流)較大的功率半導體裝置及使用該功率半導體裝置的電力變換裝置。

背景技術

在處理高電壓、大電流的電力裝置中使用的功率半導體裝置，要求電力損耗小、可控制電流大而且可靠性高。作為可控制電流大而且電力容量大的現有的功率半導體裝置，可以列舉使用硅(Si)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和自激型閘流管。所謂自激型閘流管是能夠通過柵極控制信號進行開/關控制的閘流管。公知的有柵極可關斷閘流管(GTO閘流管)和靜電感應閘流管、MOS閘流管等。另外，作為其他的功率半導體裝置，公知的有具有pn結的二極管，亦即pn結二極管和MPS(Merged?pin/Schottky)二極管、SRD(Soft?and?Recovery?Diode)。

近年來，作為代替Si的半導體材料，碳化硅(SiC)等寬間隙半導體材料較為受人注目。SiC與Si相比，具有絕緣破壞電場強度特別大、在150℃及以上的高溫下可以工作、同時能隙大等優良的物理特性。因此，作為適合于低損失耐高電壓的功率半導體裝置的材料，使用SiC的功率半導體裝置的開發正在推進。作為用寬間隙半導體材料構成的自激型閘流管，在2001年的IEEE?ELECTRON?DEVICE?LETTERS，Vol，22，No.3，從127頁到129頁公開了SiC-GTO閘流管。在SiC-GTO閘流管中，因為柵極控制信號只要選擇流過電流(開)或者關斷電流(關)一者就可以進行電流值的控制，所以可控制電流比IGBT大。SiC-GTO閘流管的開關速度非常快，處于和Si的IGBT同等的水平，因此開關損失和Si的IGBT同程度小。

非專利文獻1：2001?IEEE?ELECTRON?DEVICE?LETTERS，Vol，22，No.3，p.127-p.129

非專利文獻2：Proceedings?of?the?14^th?International?Symposium?on?Power?SemiconductorDevices?&?Ics?2002年的p.40-p.41

在IGBT等晶體管中，通電電流隨著柵極控制信號的電平而變化，通電電流值由柵極控制信號的電平制約。但是，通電電流最終因為飽和，因而可控制電流小。閘流管等一旦導通后，因為通電電流不受柵極控制信號制約，所以可以使可控制電流變大。以下把柵極控制信號只選擇通過電流還是關斷電流其中的一者而不能進行電流值的控制稱為“柵極控制信號不制約通電電流”。所謂“柵極控制信號制約通電電流”指柵極控制信號能夠進行電流值的控制。

關于電力損失，IGBT等晶體管比閘流管小。一般，半導體裝置的總電力損失(以下稱為總損失)用下面的公式(1)表示。

總損失＝(恒定損失)+(開關損失)

＝{(內嵌電壓(built-in?voltage))+(導通電阻)×(通電電流)}×(通電電流)+(開關損失)…(1)

Si的IGBT與Si的自激型閘流管相比，導通電阻稍微大一些。因此，恒定損失稍微大一些。但是，因為開關速度非常快，所以開關損失非常小，結果，總損失較小。SiC等寬間隙雙極半導體裝置的導通電阻比Si雙極半導體裝置小。但是SiC比Si能隙大。因此，SiC的半導體裝置的內嵌電壓與Si的半導體裝置的內嵌電壓相比非常大，大到從2.2倍到6.1倍。因此，由于SiC的半導體裝置恒定損失非常大，因而總損失比Si的半導體裝置大。如上所述，在現有技術中實現低損失而且可控制電流大的SiC的功率半導體裝置很困難。

發明內容

本發明的目的在于提供一種低損失、可控制電流大、而且可靠性高的半導體裝置及其制造方法以及電力變換裝置。