[發(fā)明專利]半導(dǎo)體元件、半導(dǎo)體裝置及電力變換器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310093194.X
• 申請(qǐng)日: 2010-04-28
• 公開（公告）號(hào): CN103219382A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 安達(dá)和廣;楠本修;內(nèi)田正雄;橋本浩一;風(fēng)間俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01L29/78
• 分類號(hào): H01L29/78;H01L29/24;H01L29/06;H01L21/336
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 汪惠民

本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年4月28日、申請(qǐng)?zhí)枮?01080018113.4、發(fā)明名稱為“半導(dǎo)體元件、半導(dǎo)體裝置及電力變換器”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元件。特別涉及使用于高耐壓、大電流場(chǎng)合的碳化硅半導(dǎo)體元件(功率半導(dǎo)體器件)。另外，本發(fā)明涉及具備碳化硅半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體裝置及電力變換器。

背景技術(shù)

碳化硅(silicon?carbide：SiC)是與硅(Si)相比帶隙大的高硬度的半導(dǎo)體材料，被應(yīng)用于功率器件、耐環(huán)境元件、高溫動(dòng)作元件、高頻元件等各種半導(dǎo)體裝置。其中，在半導(dǎo)體元件或整流元件等功率器件中的應(yīng)用備受關(guān)注。使用了SiC的功率器件與Si功率器件相比，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠大幅度降低功率損耗等。另外，SiC功率器件能靈活應(yīng)用這種特性，較之Si功率器件能夠?qū)崿F(xiàn)更小型的半導(dǎo)體裝置。

使用了SiC的功率器件之中的代表性半導(dǎo)體元件是金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal-Insulator-Semiconductor?Field-Effect?Transistor：MISFET)。下面，有時(shí)將SiC的MISFET僅稱為“SiC-FET”。金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor?Field-Effect?Transistor：MOSFET)是MISFET的一種。當(dāng)SiC的pn結(jié)中流動(dòng)正向電流時(shí)，存在著因基板底面錯(cuò)位導(dǎo)致層疊缺陷增大這一SiC固有的問題。在將SiC-FET作為開關(guān)元件，例如使用在對(duì)電動(dòng)機(jī)等負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的電力變換器等中的情況下，會(huì)產(chǎn)生上述問題。在作為進(jìn)行同步整流型控制的電力變換器的開關(guān)元件而使用SiC-FET的情況下，如后面的詳細(xì)說明那樣，需要在SiC-FET處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)流動(dòng)“回流電流”。作為該回流電流的路徑，有時(shí)使用SiC-FET內(nèi)在的pn結(jié)。這種pn結(jié)存在于構(gòu)成SiC-FET的半導(dǎo)體元件的內(nèi)部，由于作為二極管發(fā)揮作用，因此稱為“體二極管(body?diode)”。當(dāng)將SiC-FET內(nèi)在的pn結(jié)二極管(體二極管)作為回流二極管使用時(shí)，在作為pn結(jié)的體二極管中沿正向流動(dòng)電流。當(dāng)該電流流經(jīng)SiC的pn結(jié)時(shí)，認(rèn)為因體二極管的雙極性動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致SiC-FET的結(jié)晶劣化(例如專利文獻(xiàn)1、非專利文獻(xiàn)1、2)。

當(dāng)SiC-FET的結(jié)晶劣化時(shí)，體二極管的ON電壓有可能上升。另外，當(dāng)將體二極管作為回流二極管使用時(shí)，因pn結(jié)二極管的雙極性動(dòng)作導(dǎo)致二極管從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)時(shí)，流動(dòng)反向恢復(fù)電流。反向恢復(fù)電流產(chǎn)生恢復(fù)損耗，導(dǎo)致開關(guān)速度下降。

為了解決通過將體二極管作為回流二極管使用而產(chǎn)生的這種問題，提出將作為電子元件的回流二極管元件與SiC-FET反向并聯(lián)連接使得在回流二極管元件中流動(dòng)回流電流的方案(例如專利文獻(xiàn)2)。

圖1表示具有回流二極管元件的典型的逆變器電路1000的構(gòu)成。

逆變器電路1000是用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)等的負(fù)載1500的電路，具備由SiC-FET構(gòu)成的多個(gè)半導(dǎo)體元件1100。在逆變器電路1000中，與半導(dǎo)體元件1100反向并聯(lián)地連接著回流二極管元件1200。通過半導(dǎo)體元件1100流動(dòng)導(dǎo)通電流(I_F)，通過回流二極管元件1200流動(dòng)回流電流(I_R)。由串聯(lián)連接的兩個(gè)半導(dǎo)體元件1100構(gòu)成了一個(gè)組，相對(duì)于直流電源2000并聯(lián)設(shè)置三個(gè)組。各半導(dǎo)體元件1100的柵極電位由控制器控制。

圖2(a)示出半導(dǎo)體元件(SiC-FET)1100的構(gòu)成。半導(dǎo)體元件1100由碳化硅(SiC)半導(dǎo)體構(gòu)成，具有在n⁺基板(SiC基板)110上層疊了n^-漂移(drift)層120的構(gòu)造。在n^-漂移層120的上部形成了p體區(qū)域130，在p體區(qū)域130的上部形成了p體接觸區(qū)域132和n⁺源極區(qū)域140。并且，在p體接觸區(qū)域132及n⁺源極區(qū)域140上形成了源極電極145。

在n^-漂移層120、p體區(qū)域130及n⁺源極區(qū)域140的表面形成了溝道外延層150。此外，在溝道外延層150上形成了柵極絕緣膜160及柵極電極165。在溝道外延層150中的與p體區(qū)域130的上表面相接的部分形成溝道區(qū)域。在n⁺基板110的背面形成了漏極電極170。

半導(dǎo)體元件1100中內(nèi)置有體二極管180。即，通過p體區(qū)域130與n^-漂移層120之間的pn結(jié)形成了體二極管180。