[發明專利]半導體裝置

有效

• 申請號: 201310173163.5
• 申請日: 2013-05-10
• 公開（公告）號: CN103426911A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 小山弘美;椎木崇;福知輝洋;百田圣自;松井俊之
• 申請（專利權）人: 富士電機株式會社
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/861;H01L29/78;H01L29/739
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司 11286
• 代理人: 金光軍;常桂珍

技術領域

本發明涉及裝載于電源模塊等的電源裝置等的半導體裝置，尤其涉及具有要求高反向恢復容量的連結式二極管（junction?diode）結構的半導體裝置。

背景技術

近年來，對應節能的要求，在電力轉換裝置等中所使用的電源模塊的應用范圍正在擴大。例如圖9所示，這些電源模塊的構成具備轉換部（Converter）100、制動部（Brake）200、逆變部（Inverter）300，在逆變部300中具有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT，Insulated?Gate?Bipolar?Transistor)301和續流二極管（FWD，Free?Wheeling?Diode）反并聯連接的結構。

通常，在逆變部300中所使用的所述FWD?302具有從正向通電狀態恢復為反向截止狀態的反向恢復模式。在該反向恢復模式的過渡期，FWD?302被施加高電壓和大電流。當對于該高電壓和大電流的FWD的容量（即，反向恢復容量）較低時，在反向恢復電流的集中部位上容易引起元件的損壞。因此，為了防止元件損壞，要求FWD?302具有高反向恢復容量。

利用圖8所示的現有的FWD的半導體基板的主要部分剖視圖，并通過內部載流子的活動來說明FWD的結構和在所述反向恢復模式中的引起損壞的過程。作為一般的FWD的結構，使用n型硅半導體基板（以下，記載為“n型漂移層101”），并在一側的主表面層上選擇性地設置p型陽極擴散區域102。在該p型陽極擴散區域102的中央表面上歐姆接觸由Al-Si等的合金構成的陽極電極103。在n型漂移層101的內表面，形成具有可進行歐姆接觸的表面雜質濃度的n型陰極擴散層104，并形成接觸于該n型陰極擴散層104的表面的由Ti/Ni/Au等的層壓金屬膜構成的陰極電極105。

而且，為了確保耐壓以及耐壓的可靠性，在包圍所述FWD的p型陽極擴散區域102的耐壓區域106的表面層上，將絕緣膜109和保護環結構106-1、場電極（field?plate）結構106-2、降低表面電場（RESURF，Reduced?Surface?Field）結構（未圖示）等的電場緩和結構分別設置成環狀。由于在該耐壓區域106的內側的p型陽極擴散區域102的中央表面中，陽極電極103所接觸的區域流經主電流，因此稱為活性區域107。該活性區域的p型陽極擴散區域102的周邊部108則經由PSG等的絕緣膜被所述陽極電極覆蓋。

包含這種FWD?302和所述IGBT?301的反并聯結構的電源模塊的負載通常為以電機作為代表的電感，如所述圖9所示，對應于根據各IGBT?301的柵極控制的開/關（ON/OFF），在FWD?302中也會流有回流電流。作為初期狀態，FWD?302處于截止狀態，且處于反向偏置狀態。

當流有回流電流時，首先，具有如上所述的構成的FWD?302變為正向偏置。變為正向偏置的FWD如圖8所示，當p型陽極擴散區域102內的空穴的電位超過pn結的擴散電位（內部電位）時，空穴作為少數載流子從p型陽極擴散區域102注入到n^-層（相同于n型漂移層101）。其結果，在n型漂移層101中發生對應于大量注入的空穴載流子的濃度的電導率調制而使電子載流子（多數載流子）濃度增加，因此如同從眾所周知的二極管的正向I-V曲線可看到的那樣，表現出電阻急劇減小而使正向電流急劇增加的正向特性。

然后，當FWD?302變為反向偏置時，經過殘留于n型漂移層101的少數載流子（空穴）的、與多數載流子（電子）的再結合以及朝陽極（負極）側的清除過程，n型漂移層101中的耗盡層變寬。當耗盡層變寬時變成電壓截止狀態。該過程稱為反向恢復。該反向恢復時的所述的載流子清除過程在宏觀上稱為反向恢復電流，其是與反向偏置無關地過渡性地流有電流的狀態。對于該反向恢復電流而言，從正向轉移到反向時的電流降低率越大，峰值電流值越大（也稱為“硬恢復（Hard?Recovery）”）。

少數載流子（空穴）從作為反向偏置時的負極側的陽極電極103被引出（或者被清除）時，將會集中于p型陽極擴散區域102的周邊部108的端部的曲率部130。其原因在于，在該曲率部130中，因反向偏置而產生的電場的等電位線局部密集，電場容易變高，因此電流密度和電場強度這兩個都變高（尤其，在從所述正向轉移到反向時的電流降低率較大時）。