CN101107293A - 高耐热合成高分子化合物以及高耐电压半导体装置 - Google Patents

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CN101107293A CNA2006800032379A CN200680003237A CN101107293A CN 101107293 A CN101107293 A CN 101107293A CN A2006800032379 A CNA2006800032379 A CN A2006800032379A CN 200680003237 A CN200680003237 A CN 200680003237A CN 101107293 A CN101107293 A CN 101107293A
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organosilicon polymer
macromolecular compound
poly
silsesquioxane
synthetic macromolecular
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CNA2006800032379A
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菅原良孝
东海林义和
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Adeka Corp
Kansai Electric Power Co Inc
Original Assignee
Kansai Electric Power Co Inc
Asahi Denka Kogyo KK
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Abstract

用合成高分子化合物覆盖宽隙半导体元件的外面。该合成高分子化合物具有三维立体结构，由通过加成反应生成的共价键将第三有机硅聚合物多个连接而构成，所述第三有机硅聚合物是至少一种第一有机硅聚合物和至少一种第二有机硅聚合物通过硅氧烷键(Si－O－Si键)连接而成的，并且，第一有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第二有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构。该合成高分子化合物中优选混合有热传导性高的绝缘性陶瓷微粒。

Description

高耐热合成高分子化合物以及高耐电压半导体装置
技术领域
本发明涉及耐热性高的合成高分子化合物和覆盖有该合成高分子化合物的高耐电压功率半导体装置，该半导体装置耐热性高、散热性好。
背景技术
对于处理较大功率的功率半导体装置，半导体装置因大功率通电时产生的热而温度变高，所以要求这种功率半导体装置具有高耐热性。现阶段的功率半导体装置基本是硅(Si)功率半导体装置，但Si功率半导体装置的耐热极限温度通常为150℃。现在正在进行将硅功率半导体装置的耐热极限温度提高到200℃左右的尝试。
另一方面，尝试使用碳化硅(以下记作SiC)等宽隙半导体材料构成功率半导体装置。SiC等宽隙半导体材料比Si的能隙大，具有优异的物理特性，例如绝缘破坏电场强度也大约1个数量级，所以适合用于高耐热且高耐电压的功率半导体装置。
作为使用SiC的现有的高耐热和高耐电压功率半导体装置的实例，下述非专利文献1中公开了如下所示的SiC二极管元件。该SiC二极管元件中，在SiC基板上通过利用外延生长技术得到的外延膜形成注入电荷的pn结。另外，通过台面型晶体管蚀刻法除去基板的端部区域的外延膜后，通过离子注入形成缓和电场的终端部。具体地说，通过深约1μm的台面型晶体管蚀刻处理除去厚0.7μm的p型外延层，形成厚0.4μm的二氧化硅等的无机物膜作为钝化膜。由此得到具有12kV～19kV的高耐电压的SiC二极管元件。
图6是使用现有的SiC二极管元件构成便于组装到各种仪器的SiC二极管装置时的外壳的剖面图。图中，SiC二极管元件90安装在下面具有阴极端子92的金属制支撑体93的上面。支撑体93的上面连接SiC二极管元件90的阴极电极97。支撑体93上还设置有阳极端子91。阳极端子91在通过绝缘物12保持绝缘状态下贯穿支撑体93。阳极端子91通过引线8连接在SiC二极管元件90的阳极电极96。支撑体93的上面设有金属制帽94，以覆盖二极管元件90。包含二极管元件90的空间95被帽94密封。空间95中填充有六氟化硫气。填充六氟化硫气的理由如下。即，未被钝化膜98覆盖的露出侧面90a和阳极电极96之间的沿面距离短，所以不能提高反向击穿电压。为了提高该反向击穿电压，在外壳内填充六氟化硫气作为绝缘用气体。使用氮气等惰性气体或氩气等稀有气体作为绝缘用气体的情况下，最大绝缘破坏电场低，所以在施加高电压时在气体中发生放电，引起SiC二极管元件90自身或二氧化硅等的钝化膜98被破坏。因此，为了提高耐电压，现状是填充在150～200℃左右的高温也极稳定的六氟化硫气来防止放电引起的绝缘破坏。
专利文献1：日本专利第3395456号公报
专利文献2：日本专利第3409507号公报
非专利文献1：“Proceedings of 2001 International Symposium onPower Semiconductor Devices & IC’S”中从第27页到第30页，2001年国际学会论文集
非专利文献2：《パワ一デバイス·パワ一ICハンドバツク》第289页和图9.102：电气学会编，コロナ公司发行(发行日1996年7月30日)
发明内容
发明所要解决的技术问题
现阶段，六氟化硫气作为绝缘用气体具有最为优异的绝缘性，但是由于其含有氟，所以从防止地球变暖的角度出发，有必要避免使用六氟化硫气。特别是为了得到高绝缘性，必须将填充到半导体装置内的六氟化硫气的压力设定在常温下2大气压左右。但是，使用中半导体装置的温度升高时，填充的六氟化硫气的压力增高到2大气压以上。因此，如果半导体装置的外壳不够坚固，则存在发生爆炸或漏气的危险性。宽隙半导体装置有时在近500℃的高温下运行。这种情况下，气体发生热膨胀，气压变得相当高，爆炸和漏气的危险性进一步增大，并且还存在六氟化硫气发生热分解而耐电压下降等问题。
为了通过六氟化硫气以外的物质保持半导体装置的高绝缘性，已知有通过绝缘性材料厚厚地覆盖半导体元件的方案。作为具有优异绝缘性的现有材料，已知硅橡胶和环氧树脂(参见非专利文献2)。硅橡胶是合成高分子化合物，包括具有硅氧烷键(Si-O-Si键)的线状结构的聚甲基苯基硅氧烷。通过这些合成高分子化合物覆盖物覆盖半导体元件(半导体芯片)整体时，在温度150℃以下时，能保持高绝缘性并且能提高耐电压。
上述的聚甲基苯基硅氧烷的耐热性没有这么高，但对于像硅功率半导体元件那样在接合温度为150℃以下的范围使用的半导体装置来说，其可以实现高耐电压。但是，如使用宽隙半导体材料SiC的半导体元件那样，在200℃以上的高温使用的情况下，耐热性上不充分。使用中SiC半导体元件的温度达到200℃以上时，聚甲基苯基硅氧烷覆盖物的柔软性变得不足，另外，在空气中，当温度达到230℃以上时，聚甲基苯基硅氧烷发生玻璃化，该覆盖物彻底变硬。因此，当SiC半导体元件的温度恢复到室温时，聚甲基苯基硅氧烷覆盖物的内部出现大量的裂纹。另外，由聚甲基苯基硅氧烷覆盖的元件在高温下于六氟化硫气等惰性气体中长期运行时，重量发生减少，在元件表面附近产生空隙或裂纹。据推测，这是因为聚甲基苯基硅氧烷的侧链的甲基或苯基发生分解蒸发的原因。如果产生空隙或裂纹，则对元件的表面保护不全面，漏电流增大。进而，在产生裂纹时，有时会损伤元件的钝化膜，其结果是，漏电流大幅增加，有时甚至损坏半导体元件。如上所述，聚甲基苯基硅氧烷的耐热性低，并且高温下不能承受高电场，存在耐电压性不好的缺点。
环氧树脂也是同样，在高温下缺少柔软性，达到200℃以上时，发生玻璃化而变硬。因此，SiC半导体元件的温度从通电时的高温状态恢复到断电时的室温状态后，环氧树脂的内部出现大量的裂纹，不能承受高电场，耐电压性不好。
另外，硅橡胶和环氧树脂的热传导率低，所以即使由此覆盖半导体元件，也不能使从半导体元件产生的热充分逸散。热完全仅经由支撑体93逸散，所以半导体元件的温度达到高温时，有时发生热损坏。特别是半导体元件的接合部与支撑体93的距离比接触树脂或橡胶的元件表面与接合部的距离大的多的情况下，由半导体元件产生的热的逸散变差，元件的温度显著升高。支撑体的热传导率或热容量小的情况下，通过支撑体的热逸散也变差，所以这种问题变得更加严峻。
本发明的目的是提供一种适于覆盖半导体元件等的高耐热合成高分子化合物以及提供一种高耐热和高耐电压的半导体装置。
解决技术问题的方法
(1)本发明的高耐热合成高分子化合物具有三维立体结构，其由通过加成反应生成的共价键将第三有机硅聚合物多个连接而构成，所述第三有机硅聚合物是至少一种第一有机硅聚合物和至少一种第二有机硅聚合物通过硅氧烷键(Si-O-Si键)连接而成的。并且，第一有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第二有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构，第三有机硅聚合物具有2万～80万的分子量。
(2)本发明另一个角度的高耐热合成高分子化合物具有三维立体结构，并且还含有热传导性高的绝缘性陶瓷微粒，该高耐热合成高分子化合物由通过加成反应生成的共价键将第三有机硅聚合物多个连接而构成，所述第三有机硅聚合物是至少一种第一有机硅聚合物和至少一种第二有机硅聚合物通过硅氧烷键连接而成的。并且，第一有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第二有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构，第三有机硅聚合物具有2万～80万的分子量。
(3)本发明的半导体装置具有合成高分子化合物，所述合成高分子化合物覆盖半导体元件和用于将半导体元件电连接于外部器件的电连接部的至少一部分。合成高分子化合物具有三维立体结构，其由通过加成反应生成的共价键将第三有机硅聚合物多个连接而构成，所述第三有机硅聚合物是至少一种第一有机硅聚合物和至少一种第二有机硅聚合物通过硅氧烷键连接而成的。并且，第一有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第二有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构，第三有机硅聚合物具有2万～80万的分子量。
(4)本发明另一个角度的半导体装置具有合成高分子化合物，所述合成高分子化合物覆盖半导体元件和用于将半导体元件电连接于外部器件的电连接部的至少一部分。合成高分子化合物具有三维立体结构，并且还以15％以上的体积填充率含有热传导性高的绝缘性陶瓷微粒，该合成高分子化合物由通过加成反应生成的共价键将第三有机硅聚合物多个连接而构成，所述第三有机硅聚合物是至少一种第一有机硅聚合物和至少一种第二有机硅聚合物通过硅氧烷键连接而成的。并且，第一有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第二有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构，第三有机硅聚合物具有2万～80万的分子量。
(5)本发明再另一个角度的半导体装置具有安装在热传导性的基板上的至少一个半导体元件、用于将半导体元件电连接于外部器件的电连接部、覆盖半导体元件和电连接部的至少一部分的第1合成高分子化合物、与基板一同构成的收装由第1合成高分子化合物覆盖的半导体元件和电连接部的容器、填充到容器内的间隙的第2合成高分子化合物、连接于电连接部并被引出到容器之外的外部连接端子。并且，第1合成高分子化合物具有三维立体结构，并且还含有热传导性高的绝缘性陶瓷微粒，该第1合成高分子化合物由通过加成反应生成的共价键将第三有机硅聚合物多个连接而构成，所述第三有机硅聚合物是至少一种第一有机硅聚合物和至少一种第二有机硅聚合物通过硅氧烷键连接而成的。并且，第一有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第二有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构，第三有机硅聚合物具有2万～80万的分子量。另外，第2合成高分子化合物具有三维立体结构，并且还含有热传导性高的绝缘性陶瓷微粒，该第2合成高分子化合物由通过加成反应生成的共价键将第六有机硅聚合物连接而构成，所述第六有机硅聚合物是至少一种第四有机硅聚合物和至少一种第五有机硅聚合物通过硅氧烷键连接而成的。并且，第四有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第五有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构，第六有机硅聚合物具有2万～80万的分子量。
发明效果
上述(1)的本发明中，第一有机硅聚合物的耐热性优异，但固化后的柔软性非常缺乏，所以难以涂厚，并且缺乏耐电压性。另一方面，第二有机硅聚合物缺乏耐热性，但固化后的柔软性高，所以可以涂厚，并且耐电压性高。另外，第一有机硅聚合物和第二有机硅聚合物三维连接。所以，根据本发明，没有失去第二有机硅聚合物具备的柔软性，并且能保持第一有机硅聚合物优异的耐热性，所以，能够得到兼具高耐热和高耐电压这两种特性的合成高分子化合物。
根据上述(2)的本发明，由于混合了热传导性高的绝缘性陶瓷微粒，所以能够在无损耐电压性的情况下实现高热传导性。此处，热传导性高意味着具有至少高于环氧树脂和硅橡胶的热传导率。在无损于其他性能的前提下，该热传导率越高越好。
根据上述(3)的本发明，由于用上述那样的兼具高耐热和高耐电压这两种特性的合成高分子化合物来覆盖半导体元件和电连接部，所以能够得到高耐热和高耐电压的半导体装置。
上述(4)的本发明中，由于在合成高分子化合物混合了热传导性高的绝缘性陶瓷微粒，所以提高了合成高分子化合物的热传导性。因而，本发明中，半导体元件产生的热的逸散效果高。另外，绝缘性陶瓷微粒还具有填料的功能，所以能够提高合成高分子化合物的形状保持性，有助于提高耐电压性。另外，形状保持性是指保持高高隆起的形状的性质。因此，这种合成高分子化合物的散热性优异，形状保持性也优异。因而，通过用该合成高分子化合物覆盖半导体元件等，能够得到具有更高耐热性和更高耐电压的半导体装置。
根据上述(5)的本发明，由于用第1合成高分子化合物覆盖了半导体元件和电连接部，所以能够提高耐电压。另外，由于在收装半导体元件和电连接部的容器内填充了第2合成高分子化合物，所以能够防止受到来自外部的机械振动或冲击而损伤内部的半导体元件和电连接部。另外，第1合成高分子化合物和第2合成高分子化合物含有热传导率高的绝缘性陶瓷微粒，所以热传导性好，将从半导体元件产生的热传到容器后逸散到外部的效果高。
另外，本发明中，用合成高分子化合物覆盖半导体元件的上面和侧面。该合成高分子化合物具有三维立体结构，并且还含有热传导性高的绝缘性陶瓷微粒，该高耐热合成高分子化合物由通过加成反应生成的共价键将第三有机硅聚合物多个连接而构成，所述第三有机硅聚合物是至少一种第一有机硅聚合物和至少一种第二有机硅聚合物通过硅氧烷键连接而成的。并且，第一有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第二有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构，第三有机硅聚合物具有2万～80万的分子量。另外，第二有机硅聚合物的分子量比第一有机硅聚合物的分子量大。
该合成高分子化合物具有适当的粘性和固化后的高柔软性，所以能在半导体元件上厚厚地涂布成鼓状。其结果是，半导体装置具有高耐热性和高耐电压性。合成高分子化合物含有具有高热传导率的绝缘性陶瓷微粒，所以热传导性好，从半导体元件产生的热的逸散效果高。合成高分子化合物的散热性好，所以半导体元件内产生的热不仅可以从半导体元件的支撑体侧逸散，还可以从作为覆盖物的合成高分子化合物侧逸散。因此，能够抑制元件的温度过度上升，能够防止运行速度等元件性能的降低和元件的热损坏。另外，绝缘性陶瓷微粒还作为填料发挥作用，所以能形成更加高高隆起的鼓状的形状，并能提高保持该形状的形状保持性，能够有助于提高耐电压性。因而，通过用混合有绝缘性陶瓷微粒的合成高分子化合物覆盖半导体元件，能够得到散热性优异、形状保持性好、具有更高耐热性和更高耐电压性的半导体装置。
SiC等宽隙半导体在内部存在叠层缺陷时，存在发生通电时的接通电压增大的老化现象和通电时的接通电压对应元件的温度的升高程度增大的问题。本发明的合成高分子化合物中混合有绝缘性陶瓷微粒，所以从半导体元件产生的热的逸散效果高。
因此，能够抑制元件温度的升高，能够抑制接通电压的增大，所以能够实现高可靠性。
上述的合成高分子化合物与宽隙半导体的亲和性以及与作为钝化膜使用的二氧化硅或氮化硅等无机物膜的亲和性极为优异。因此，合成高分子化合物牢固地附着在半导体表面，能够维持半导体装置的高耐湿性，并且能保持高热传导性。因而，在高的温度下运行的情况下，能够实现特别高的可靠性和高耐电压性。
附图说明
[图1]本发明第1实施例的SiCpn二极管装置的剖面图。
[图2]本发明第2实施例的SiC-GTO闸流晶体管装置的剖面图。
[图3]本发明第2实施例的SiC-GTO闸流晶体管元件垂直于图2纸面的面的剖面图。
[图4]本发明第3实施例的光结合宽隙功率半导体装置的剖面图。
[图5]本发明第4实施例的SiC-GTO模件的剖面图。
[图6]现有SiC二极管装置的剖面图。
符号说明
8、34、36、61、63、64、73、76  引线
9、35、74  阳极端子
10、38、67  支撑体
11、39、77  阴极端子
13 SiCpn  二极管元件
16、42、81、130、131  覆盖物
20 GTO  闸流晶体管元件
37  栅极端子
51  GaNnpn双极(型)晶体管
52  SiC光电二极管
62  基极端子
65  发射极端子
68  集电极端子
101  铜基板
102  框架
105  盖
165  填充材料
具体实施方式
下面对本发明的高耐热合成高分子化合物和用该高耐热合成高分子化合物覆盖的本发明的高耐电压半导体装置的最佳实施方式进行说明。
本发明的新的合成高分子化合物含有至少一种第一有机硅聚合物和至少一种第二有机硅聚合物。第一有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，选自聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚甲基苯基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷以及聚丙基倍半硅氧烷。第二有机硅聚合物具有硅氧烷键形成的线状连接结构，选自聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷。并且，第一有机硅聚合物和第二有机硅聚合物通过硅氧烷键连接成线状，形成大型的第三有机硅聚合物。另外，多个第三有机硅聚合物通过加成反应生成的共价键立体连接，形成具有三维立体结构的合成高分子化合物。
另外，本发明的合成高分子化合物含有具有高热传导率的绝缘性陶瓷微粒。该具有高热传导率的绝缘性陶瓷是选自氮化铝(记作AlN)、氧化铍(记作BeO)、氧化铝(记作Al2O3)以及多晶态SiC组成的组的至少一种陶瓷。
作为本发明的合成高分子化合物，更优选例如将第一有机硅聚合物和第二有机硅聚合物通过硅氧烷键连接成线状，构成重均分子量(以下简记为分子量)为2万～80万的大型第三有机硅聚合物，而多个第三有机硅聚合物通过亚烷基连接。
具有通过硅氧烷键形成的交联结构的第一有机硅聚合物的耐热性优异，但粘度大，固化后非常缺乏柔软性，所以难以涂厚，缺乏耐电压性。但是，本发明中，第一有机硅聚合物和具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构的第二有机硅聚合物相互连接成线状，所以在不丧失第二有机硅聚合物具有的柔软性且保持第一有机硅聚合物的优异的耐热性的同时能够得到兼具高耐热和高耐电压这两种特性的合成高分子化合物。为了进一步提高耐热性，只需增大第一有机硅聚合物的分子量即可，但是，这种情况下粘度变大，固化后的柔软性也变低。另外，为了增高柔软性，只需增大第2有机聚合物的分子量即可，但是，这种情况下，耐热性变低。第一有机硅聚合物的分子量优选为200～20万，更优选为200～7万。第二有机硅聚合物的分子量优选为5千～20万。第一有机硅聚合物的分子量优选比第二有机硅聚合物的分子量小。
另外，本发明的合成高分子化合物含有的具有高热传导率的绝缘性陶瓷微粒优选形状上接近球状，尖锐的尖端部少，以避免局部的电场集中，以实现高耐电压。另外，绝缘性陶瓷微粒对合成高分子化合物的混合率(以下称填充率)优选在考虑了所需热传导率的基础上进行设定。填充率越小，热传导率增大的效果越缺乏，所以合成高分子化合物中绝缘性陶瓷微粒所占的体积填充率优选为15体积％～80体积％。粒径过大时，体积填充率下降。另一方面，即使粒径过小，但由于粒子彼此之间变得容易相互聚集，所以体积填充率仍会下降。因此，粒径优选在0.01μm～50μm的范围。为了使填充率大于50％以上，可以将粒径不同的粒子进行共混，这种情况下的粒径比优选在1∶1/10～1∶1/200的范围。填充的这些绝缘性陶瓷微粒对合成高分子化合物的结合没有影响，所以无损于耐热性，另一方面，填充的这些绝缘性陶瓷微粒虽然对粘性有影响，但在上述的填充率和粒径范围内，不会在实用上产生问题。
本发明的合成高分子化合物几乎所有的键都具有硅氧烷键，所以如上述那样，具有高绝缘性即具有高耐电压性能。另外，合成高分子化合物与宽隙半导体元件的作为钝化膜使用的二氧化硅或氮化硅等无机物膜的亲和性极为优异，所以其牢固地附着在钝化膜的表面。再者，合成高分子化合物与SiC和GaN等宽隙半导体自身的亲和性也极为优异，所以认为其具有牢固地附着在半导体元件表面的优异粘接性。
具有用该具有优异粘接性的合成高分子化合物覆盖的宽隙半导体元件的半导体装置具有高耐湿性，所以可以实现可靠性高的半导体装置。该合成高分子化合物与SiC和GaN等宽隙半导体的亲和性极为优异。因而，例如钝化膜存在针孔等缺陷部分而有宽隙半导体露出的情况下，合成高分子化合物起到直接保护宽隙半导体元件表面的钝化膜的作用，也可以实现高的可靠性。
第二有机硅聚合物具有与硅橡胶基本相同的分子结构。因而，正如硅橡胶以往得到的证实的那样，本发明的合成高分子化合物与钝化膜用无机物、各种金属(铜、铝、不锈钢等)、各种树脂(环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂等)以及各种玻璃等的粘接性极好，可牢固地附着于这些物质。因此，由该合成高分子化合物形成的表面保护膜牢固且无缝隙地密合于半导体元件的金属电极、电连接部、支撑体等，所以可以实现高耐湿性。因而，本发明可以实现具有高可靠性和高耐电压性能的半导体装置。
本发明的合成高分子化合物大部分具有硅氧烷结构，所以对紫外线和可见光的透光性高。因而，能够目视观察将合成高分子化合物向半导体元件或电连接部涂布后的状况。例如，可以目视确认没有气泡或空隙等的存在下有效进行涂布作业。
使用了本发明的合成高分子化合物的宽隙发光功率半导体装置或宽隙光结合功率半导体装置中，能够同时满足高温下也能保护半导体元件的高温高耐电压性和高温下也能良好透光的高效率光结合性这两方面。
填充的绝缘性陶瓷微粒对上述的透光性和与半导体装置构成材料的粘接性有一些影响，但是，在上述的填充率和粒径范围内，不会在实用上产生问题。
下面，参照图1～图5对本发明的优选的实施例进行说明，各附图中，为了容易理解其构成，图中给出的各要素的尺寸与实际尺寸并不对应。各实施例中，“半导体装置”是指半导体元件收装在外壳内，半导体元件的各电极分别连接于向外部引出的电极端子而构成的装置。
第1实施例
图1是本发明第1实施例的高耐热和高耐电压半导体装置的剖面图。本实施例的半导体装置中，将耐电压8kV的高耐电压SiC(碳化硅)pn二极管元件13收装在外壳14中，由高耐热且高散热性的本发明的合成高分子化合物构成的覆盖物16覆盖SiCpn二极管元件13。
SiCpn二极管元件13具有如下结构。在厚约300μm的杂质浓度高的n型SiC的阴极区域1的上面形成了厚约90μm的杂质浓度低的n型SiC的偏移层2。在阴极区域1的下面形成了阴极电极7。在偏移层2的中央区域形成了形成主接合的p型SiC的阳极区域3。在阳极区域3形成了金属阳极电极6。在阳极区域3的周围形成了p型电场缓冲区域4。在含有阳极区域3和电场缓冲区域4的SiCpn二极管元件13的上面形成了二氧化硅层、氮化硅层、二氧化硅层依次叠层形成的3层结构的表面保护膜5。阳极电极6通过作为电连接部的金引线8连接于阳极端子9的上端9a。图1中，引线8仅给出了一根。但值得注意的是，引线8可以根据流过引线8的电流值并列地连接多根。
阴极电极7保持电连接安装于金属的支撑体10。支撑体10上连接阴极端子11。阳极端子9和阴极端子11连接于外部的装置等的配线。阳极端子9在通过高熔点的绝缘玻璃12保持绝缘的状态牢固地附着于支撑体10。支撑体10的上设有金属制帽14，覆盖SiCpn二极管元件13，由此将包含SiCpn二极管元件13的空间15密封。设置由本发明的合成高分子化合物构成的覆盖物16，覆盖SiCpn二极管元件13和引线8的一部分。覆盖物16由透明的合成高分子化合物形成，所述合成高分子化合物含有作为第一有机硅聚合物的聚苯基倍半硅氧烷和作为第二有机硅聚合物的聚二甲基硅氧烷。该合成高分子化合物内中混合有绝缘性陶瓷氮化铝(AlN)微粒。空间15内封入了氮气。
下面说明本实施例的SiCpn二极管的半导体装置的制作方法的一个例子。
如图1所示，首先，将预先制作的SiCpn二极管元件13用含金硅的高温焊料焊在支撑体10的上面的规定位置。接着，使用引线接合装置，将直径80μm的多个金引线8的两端分别连接于阳极电极6和阳极端子9的上端9a。
其后，涂布混合有AlN微粒的合成高分子化合物成山状，全面覆盖SiCpn二极管元件13并覆盖引线8和阳极电极6的连接部附近，形成覆盖物16。作为涂布方法，适合采用从具有规定的直径的孔的喷嘴将规定量的合成高分子化合物挤出的方法。合成高分子化合物于涂布后在200℃左右的温度保持规定的时间后，在具有某种程度的柔软性的状态下发生固化。通过事先调整合成高分子化合物分子量来适当调整合成高分子化合物的粘度，由此可以将合成高分子化合物像图1的覆盖物16所示那样涂布成隆起的鼓状，通过合成高分子化合物能够以300μm以上的厚度无空隙地覆盖SiCpn二极管元件13的整体。本实施例中，覆盖物16的最厚部分为约1.2mm。合成高分子化合物的粘度过高时，难以成型为图1所示的所需鼓状，并且有时在SiCpn二极管元件13和覆盖物16之间出现空隙。相反，合成高分子化合物的粘度过低时，合成高分子化合物没有隆起成鼓状，所以不能使覆盖物16的厚度达到300μm以上的所需的厚度。
为了使合成高分子化合物具有上述那样的适当的粘度，本实施例中，使用分子量约15000的聚苯基倍半硅氧烷作为第一有机硅聚合物，使用分子量约90000的聚二甲基硅氧烷作为第二有机硅聚合物，第一有机聚合物和第二有机硅聚合物通过硅氧烷键交替连接成线状，构成分子量约32万的大型第三有机硅聚合物。并且，多个第三有机硅聚合物通过加成反应生成的亚烷基相连接，形成具有三维立体结构的合成高分子化合物。
另外，该合成高分子化合物中混合有绝缘性陶瓷微粒，以提供高热传导性即高热传导率。具体地说在合成高分子化合物中，以约45体积％的体积填充率混合了粒径为约2μm的AlN微粒。其结果是，没有损害耐电压性能，并可实现约4.7W/mK的高热传导率。增大体积填充率时，粘度变高，所以体积填充率优选在20体积％～80体积％的范围内结合所需的热传导率和所需的粘度进行设定。
用合成高分子化合物覆盖SiCpn二极管元件13，使合成高分子化合物热固化，然后在氮环境中将金属帽14熔接安装于支撑体10，然后使氮气充满内部空间15，制成SiCpn二极管。
在本实施例的SiCpn二极管元件13的阳极端子9与阴极端子11之间施加电压(反向电压)，使阴极端子11的电位变高，测定反向击穿电压，其值为约8.5kV。即使在Si的半导体装置不能运行的350℃的高温，也能维持上述的反向击穿电压。本实施例的SiCpn二极管13在250℃的高温环境中以250A/cm2的电流密度流过电流时的顺向电压为4.31V。另外，施加反向的电压8kV时的漏电流密度为3×10-5A/cm2以下，作为运行速度的标准的反向恢复时间为45纳秒。与合成高分子化合物中没有混合AlN微粒的情况相比，顺向电压增大了约4％，漏电流流密度和反向恢复时间减少了约10％。据推测，这是因为合成高分子化合物中混合的AlN微粒使合成高分子化合物的热传导率增加，SiCpn二极管元件13的热经合成高分子化合物良好地逸散到内部空间15，抑制了SiCpn二极管元件13的温度升高。直接测定SiCpn二极管元件13的温度是不可能的，但如上述那样，根据顺向电压的上升、漏电流密度和反向恢复时间的减少，可推测SiCpn二极管元件13的温度的下降。
在该条件下实施500小时连续通电试验。尽管推定元件的接合温度为330℃以上，试验结束后，覆盖物16上也没有出现裂纹或变形。另外，也没有出现混浊等透明度变差的现象。从这点也可推测混合在合成高分子化合物中的AlN微粒提高了散热性，由此抑制了元件温度过度地升高。500小时连续通电试验结束后，在300℃的高温环境中，施加8kV的反向电压，测定漏电流，此时的电流密度为4×10-5A/cm2，该值与通电试验前的差小。通电时顺向电压在通电试验前后基本没有变化，也为4.33V。上述各试验后，将半导体装置分解，目视进行观察。结果证明，含有聚苯基倍半硅氧烷作为第一有机硅聚合物且含有聚二甲基硅氧烷作为第二有机硅聚合物的合成高分子化合物构成的覆盖物16不仅牢固地附着于SiCpn二极管元件13的电场缓冲区域4的表面保护膜5之上，还牢固地附着于在SiCpn二极管元件13的侧面露出的SiC层。
根据本发明的第1实施例，用以规定的比例含有上述第1有机聚合物和上述第2有机聚合物且含有绝缘性陶瓷微粒的合成高分子化合物覆盖SiCpn二极管元件13的周围，由此可以在高温实现与将SiCpn二极管元件13置于六氟化硫气的环境的情况下同等的高绝缘性。也就是说，不使用对全球变暖有不良影响的有害物质六氟化硫气即可实现具有高耐热性和高绝缘性的SiCpn二极管。
第2实施例
本发明的第2实施例的半导体装置是耐电压5kV的SiC-GTO闸流晶体管(Gate Turn off Thyristor)装置。图2是其剖面图。图3是说明将图2中GTO闸流晶体管元件20以垂直于纸面的面切断形成的一个单元(cell)的剖面图。实际的元件中，图3所示的单元在图的左右方向多个连接起来。图2和图3中，在厚约320μm的杂质浓度高的n型SiC的阴极区域21的上面设置有厚约3μm的p型SiC的缓冲层22。阴极区域21的下面设置有阴极电极32。缓冲层22之上设置有厚约60μm的杂质浓度低的p型SiC的偏移层23。偏移层23的中央部依次形成有厚约2μm的n型基极区域24和p型阳极区域25。n型基极区域24的周围形成有n型电场缓冲区域26。GTO闸流晶体管元件20的表面上形成有由二氧化硅层、氮化硅层、二氧化硅层形成的3层结构的表面保护膜27。p型阳极区域25形成有阳极电极28。在阳极电极28上的左侧的区域形成有第2层的阳极电极29，在右侧的区域隔着绝缘膜30形成有栅电极31。如图3所示，n型基极区域24形成有第1层的栅电极33，栅电极33通过连接部(未图示)连接于栅电极31。
阳极电极29通过金引线34连接于阳极端子35的上端35a。栅电极31通过金引线36连接于栅极端子37的上端37a。引线34、36、阳极端子35以及栅极端子37是电连接部。阴极电极32安装于具有阴极端子39的金属支撑体38。阳极端子35和栅极端子37分别通过高熔点绝缘玻璃40和41保持与支撑体38之间的绝缘，同时被贯穿支撑体38固定。
以250μm以上的厚度涂布高分子化合物，形成覆盖物42，覆盖全部GTO闸流晶体管元件20并覆盖引线34以及36与GTO闸流晶体管元件20的连接部附近。合成高分子化合物的粘度过高时，难以形成实施例那样的所需鼓状，并且，涂布时有时可在SiC-GTO闸流晶体管元件20与覆盖物42之间出现间隙。相反，粘度过低时，不能隆起成鼓状，而不能使覆盖物42的厚度达到250μm以上所需的厚度。为了得到适合形成鼓状的粘度，本实施例中，使用分子量约3500的聚甲基苯基倍半硅氧烷作为第一有机硅聚合物，使用分子量约1万的聚甲基苯基硅氧烷作为第二有机硅聚合物，第一有机聚合物和第二有机硅聚合物通过硅氧烷键交替连接成线状，构成分子量约4万的大型第三有机硅聚合物。并且，多个第三有机硅聚合物通过加成反应生成的亚烷基相连接，形成具有三维立体结构的合成高分子化合物。另外，该合成高分子化合物中混合有绝缘性陶瓷微粒，以实现规定的高热传导率。具体地说，以约6∶4的比例将粒径为约3μm的AlN微粒和粒径约0.1μm的AlN超微粒以约49体积％的体积填充率填充到在合成高分子化合物中。如此构成的高分子化合物不会损害耐电压性能，并可实现约11W/mK的高热传导率。
如上述那样用合成高分子化合物覆盖GTO闸流晶体管元件20，使合成高分子化合物固化后，在氮环境中，将金属帽43熔接安装于支撑体38。由此，制成内部空间44封入有氮气的SiC-GTO闸流晶体管装置。
另外，GTO闸流晶体管元件20使用金硅的高温焊料焊接安装在支撑体38。引线34、36是直径为80μm的金线，使用引线接合装置将引线34、36分别安装在阳极电极29与阳极端子35之间以及栅电极31与栅极端子37之间。图2中，引线34、36各自给出了一根。但值得注意的是，引线34、36可以各自根据流过引线34、36的电流值并列地连接多根。
本实施例的SiC-GTO闸流晶体管装置中，顺向施加5kV电压，使阳极端子35的电位比阴极端子39更高，使栅极端子37的电位与阳极端子35的电位相同时，维持在没有电流流过的断开状态，得到5kV的耐电压。
接着，在该断开状态，使栅极端子37的电位低于阳极端子35的电位，从阳极端子35向栅极端子37流通栅电流时，SiC-GTO闸流晶体管装置变成接通状态，电流在阳极端子35和阴极端子39之间流动。另外，在接通状态下，使栅极端子37的电位高于阳极端子35的电位时，在阳极端子35与阴极端子39之间流动的电流转移到在栅极端子37和阴极端子39之间流动，变成断开状态。此时的阳极端子35和阴极端子39之间的电压是反向击穿电压。
具体地说，在阴极端子39施加负电压，在栅极端子37施加基于阳极端子35的内建电压以上的高的电压时，SiC-GTO闸流晶体管元件20变为接通状态。此时，电子被从阴极区域22注入偏移层23内，所以发生传导度异常，接通电阻大幅下降。在SiC-GTO闸流晶体管元件20的接通状态下，使栅极端子37的电位高于阳极端子35的电位时，流过阳极端子35和阴极端子39之间的电流的一部分从栅极端子37被引出，可以使GTO闸流晶体管元件20处于断开状态。
本实施例的SiC-GTO闸流晶体管装置的反向击穿电压为约5.8kV，即使在250℃的高温环境中，也可维持该反向击穿电压，反向电压为5kV时的漏电流密度为5×10-4A/cm2以下，为良好。因此，本实施例中可以得到对Si的GTO闸流晶体管来说是困难的高耐热性和高耐电压性。
另外，对本实施例的SiC-GTO闸流晶体管装置进行下述的第1和第2运行试验，证实本实施例的其他效果。
第1运行试验中，以210A/cm2的高电流密度在本实施例的SiC-GTO闸流晶体管元件20中流通电流，以2kHz的频率使该电流进行接通-断开运行下，在150℃的高温环境中进行250小时的连续运行。但是，没有发生导致实用上出现特别问题的事项。据推测，此时的SiC-GTO闸流晶体管元件20的接合温度为约308℃。以往的硅的GTO闸流晶体管中，接合温度为150℃以上时是不能运行的。另外，对于5kV级的硅的GTO闸流晶体管，难以制成电流密度为210A/cm2。
第2运行试验中，一边以上述的电流密度流通电流，一边在气温80℃、湿度85％的高温高湿度的环境中，进行500小时的连续运行。上述第1和第2运行试验结束后，将该SiC-GTO闸流晶体管装置分解进行研究。合成高分子化合物覆盖物42上没有发生变形、裂纹、混浊等。
上述第1运行试验刚开始后，SiC-GTO闸流晶体管的顺向电压为4.2V。通常，SiC-GTO闸流晶体管等宽隙双极半导体在内部存在叠层缺陷的情况下发生通电时的顺向电压增大的老化现象，产生元件温度越高通电时顺向电压越大的问题。但是，本实施例中，通过混合绝缘性陶瓷微粒，提高了在半导体元件产生的热的逸散效果，所以能够抑制元件温度的上升，其结果是能够抑制上述的老化现象。也就是说，第1和第2运行试验结束后，以与上述第1运行试验相同的条件测定顺向电压，其增大的程度为0.3V以下。第1和第2的运行试验结束后，施加反向电压5kV时，250℃下漏电流密度为6×10-4A/cm2以下，该电流密度值发生了一点变化。室温下的接通时间为约0.42微秒，断开时间为约1.1微秒。该转换时间在上述第1和第2运行试验前后也没有大的变化。另一方面，在合成高分子化合物中没有混合AlN微粒的情况下，顺向电压增加1.5V以上，接通时间也减少了约12％。
另外，本实施例的SiC-GTO闸流晶体管元件20的接通时间和断开时间是耐压6kV的现有的硅的GTO闸流晶体管的约20分之一。
对由在GTO闸流晶体管元件20涂布的本实施例的合成高分子化合物形成的覆盖物42向GTO闸流晶体管元件20等的附着状态进行研究。覆盖物42牢固地附着在GTO闸流晶体管元件20在电场缓冲区域26上的保护膜27与SiC的侧面的露出面。
第3实施例
参照图4的剖面图说明本发明的第3实施例的半导体装置即光结合宽隙功率半导体装置。本实施例中，使用耐电压3kV/电流容量200A的GaN(氮化镓)-npn双极(型)晶体管51作为具有发光功能的功率半导体元件。使用SiC-光电二极管52作为受光元件。SiC光电二极管52对向GaN-npn双极(型)晶体管51设置在同一外壳内。
图4所示的GaN-npn双极(型)晶体管51中，在厚约300μm的杂质浓度高的n型GaN集电极区域53的上面形成有厚约1.7μm的p型GaN基极区域54，在其上形成有厚约3μm的杂质浓度高的n型发射极区域55。在GaN集电极区域53的下面设置有集电极66。GaN基极区域54的周围的集电极区域53内形成有n型电场缓冲区域56。GaN基极区域54的右端部设置有金属的基电极58。n型发射极区域55之上设置有具有发光窗60的金属发射电极59。GaN集电极区域53和电场缓冲区域56之上形成有由氮化硅层和二氧化硅层构成的2层结构的表面保护膜57。
基电极58通过金引线61连接于基极端子62。发射电极59通过2根金引线63、64连接于发射极端子65。集电极66安装于具有集电极端子68的金属支撑体67。
SiC光电二极管52隔着氮化铝等的绝缘板71粘接于帽70的内侧面，其受光部80对向GaN-npn双极(型)晶体管51的发光窗60，接受光50。SiC光电二极管52的阳极电极72通过金引线73连接于金属阳极端子74。阴极电极75通过金引线76连接于阴极端子77。阳极端子74和阴极端子77连接于各自的外部配线。阳极端子74和阴极端子77通过高熔点绝缘玻璃78、79牢固地固定于帽70的贯通孔。
设置合成高分子化合物覆盖物81，覆盖GaN-npn双极(型)晶体管51、SiC光电二极管52、引线61、63、64、73、76、基极端子62的端部以及发射极端子65的端部。合成高分子化合物含有聚乙基倍半硅氧烷作为第一有机硅聚合物，含有聚二甲基硅氧烷作为第二有机硅聚合物。引线61、63、64、73、76、发射极端子65、基极端子62、集电极端子68、阳极端子74以及阴极端子77是电连接部。根据分别流通引线61、63、64、73、76的电流值，引线61、63、64、73、76分别可使多根线并联使用。
合成高分子化合物的粘度过高时，难以将覆盖物81形成为本实施例那样所需的形状，并且涂布时有时在GaN-npn双极(型)晶体管51和覆盖物81之间出现间隙。相反，粘度过低时，SiC光电二极管52和GaN-npn双极(型)晶体管51的引线露出部变多，引线间发生放电，耐电压性能下降。为了使合成高分子化合物的粘度合适，本实施例中，使用分子量约1500的聚乙基倍半硅氧烷作为第一有机硅聚合物，使用分子量约55000的聚二甲基硅氧烷作为第二有机硅聚合物，并将第一有机硅聚合物和第二有机硅聚合物通过硅氧烷键交替连接成线状，构成分子量约17万的大型第三有机硅聚合物。并且，多个第三有机硅聚合物通过加成反应生成的亚烷基连接构成具有三维立体结构的合成高分子化合物。另外，该合成高分子化合物中混合了细线性陶瓷微粒，以提高热传导率。具体地说，将粒径约1.5μm的氧化铍(BeO)微粒以约47体积％的体积填充率混合到合成高分子化合物中。由此，本实施例可不损害耐电压性能，并实现约6.5W/mK的高热传导率。BeO近透明，透光性好，所以不会影响光50的透过。
下面说明第3实施例的光结合宽隙功率半导体装置的制作方法的一个例子。
使用金硅的高熔点焊料将预先制作的GaN-npn双极(型)晶体管51焊接在支撑体67的规定位置，通过直径80μm的金引线63、64将发射电极59和发射极端子65连接。将基电极58和基极端子62通过金引线61连接。厚厚地涂布作为覆盖物81原料的固化前的合成高分子化合物，包裹GaN-nIm双极(型)晶体管元件51。
使用金硅的高熔点焊料，隔着氮化铝绝缘板71将预先制作的SiC光电二极管52焊接在金属帽70的内侧面。接着，使用引线接合装置，通过直径80μm的金引线73将阳极电极72和阳极端子74连接。另外，将阴极电极75通过金引线76连接于阴极端子77。接着，厚厚地涂布作为覆盖物81原料的固化前的合成高分子化合物，包裹SiC光电二极管52并包裹引线73、76与SiC光电二极管52的连接部附近。最后，将金属帽70和支撑体67组合，在氮气环境中熔接，使SiC光电二极管52的受光部80对向GaN-npn双极(型)晶体管51的发光窗60，并且使包裹两者的各合成高分子化合物相接触。其后，将装置加热到规定的温度，使由合成高分子化合物构成的覆盖物81固化到具有某种程度的柔软性的状态，完成本实施例的光结合宽隙功率半导体装置的制作。
下面给出第3实施例的光结合宽隙功率半导体装置的运行的一个例子。首先，使GaN～npn双极(型)晶体管51的集电极端子68的电位高于发射极端子65的电位，形成顺向偏压状态。然后，使基极端子62的电位与发射极端子65的电位相同。由此，维持在没有电流流通的断开状态。耐电压为3kV，能够实现高耐电压。将阳极端子74的电位低于阴极端子77的电位，SiC光电二极管52处于反向偏压状态。
如下进行接通/断开的驱动。首先，使基极端子62的电位高于发射极端子65的电位，将基极电流从基极端子62流向发射极端子65。由此，电子从发射电极59注入，GaN-nPn双极(型)晶体管51变成接通状态，产生波长在约387～565nm之间的光50。该光50在SiC光电二极管52被接受，对应光量的光电流在阳极端子74和阴极端子77之间流通。
GaN-npn双极(型)晶体管51处于接通状态时，如果使基极端子62的电位与发射极端子65的电位相同或更低，则电子的注入停止，在集电极66和发射电极59之间流动的电流被阻断，发光停止。SiC光电二极管52变得无光，所以光电流消失，变成断开状态。
本实施例的GaN-npn双极(型)晶体管51的耐电压约3.5kV，在250℃的高温也能维持该耐电压。3kV下的漏电流密度为2×10-4A/cm2以下，为良好。另外，GaN-npn双极(型)晶体管51与SiC光电二极管52之间的绝缘耐压为5kV以上，5kV下的漏电流为1×10-5A/cm2以下。温度250℃下连续1000小时实施加电压试验后，漏电流的增加也只是测定误差范围内的微小的值。尽管具有3kV以上的高耐电压，但仍能流通150A/cm2的高电流密度的电流。另外，在200℃的高温环境中连续通电500小时后，在由合成高分子化合物形成的覆盖物81中也没有出现变形、裂纹、混浊等。另外，在温度80℃、湿度85％的高温高湿度环境中，即使通电200小时后，在由合成高分子化合物形成的覆盖物81中也没有出现变形、裂纹、混浊等。
在温度200℃、电流密度150A/cm2下通电时，顺向电压为5.2V，试验前后的变化值小，在测定误差范围内。在上述试验后，施加3kV的导电压时的漏电流密度在250℃下为2×10-4A/cm2以下，与试验前相比，该值基本上没有变化。接通时间为0.1微秒，断开时间为0.13微秒，均为高速，该切换时间在试验前后也未见变化。据认为，这是因为混合在合成高分子化合物的BeO微粒提高了散热性，由此抑制了元件温度的上升，所以老化现象减少。合成高分子化合物没有混合BeO微粒的情况下，在顺向电压、漏电流密度和断开时间方面均有变化。
另外，将覆盖物81断裂观察时，本实施例的覆盖物81还牢固地固定于GaN-npn双极(型)晶体管51侧面露出的GaN。
第4实施例
本发明的第4实施例的高耐热半导体装置是浇注型SiC-GTO模件。该装置中，在一个外壳内组入了1臂(ア一ム)的SiC-GTO元件和SiC二极管元件。图5是其主要部分的剖面图。SiC-GTO元件20是第2实施例记载的耐电压5kV的元件。除了耐压设计在5kV这点之外，SiCpn二极管元件13与第1实施例记载的元件具有同样的结构。
图5中，隔着规定的距离将例如氮化铝制的两个绝缘基板116、118分别用高温焊料115、117焊接在实施了镀镍的热传导性优异的铜基板101的面上。
绝缘基板116上以实施了镀镍的铜箔的图案形成内部配线120、121、122。内部配线121之上通过高温焊料焊接有SiC-GTO元件20的阴极电极32。SiC-GTO元件20的阳极电极29通过作为电连接部的引线34连接于内部配线120。另外，SiC-GTO元件20的栅电极31通过作为电连接部的引线36连接于内部配线122。
绝缘基板118上以铜箔的图案形成内部配线125、126。通过高温焊料焊SiCpn二极管元件13的阴极电极7粘接于内部配线126。SiCpn二极管元件13的阳极电极6通过作为电连接部的引线8连接于内部配线125。
涂布第1合成高分子化合物，覆盖SiC-GTO元件20、引线34、36、内部配线120、122的大部分，形成覆盖物130。同样地涂布第1合成高分子化合物，以覆盖SiCpn二极管元件13、引线8、内部配线125、126的大部分，形成覆盖物131。第1合成高分子化合物与第2实施例同样含有聚甲基苯基倍半硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷作为主要成分。另外，聚甲基苯基倍半硅氧烷的分子量为约5000，聚甲基苯基硅氧烷的分子量为约7万。将该覆盖物130、131固化后，在铜基板101安装框架102和盖105，构成外壳(容器或封装)。框架102是环氧树脂等的硬质树脂制的结实的器件。盖105是与框架102同样的环氧树脂制的结实的器件，并且安装在框架102的上部。该环氧树脂由于使用聚咪唑作为固化剂，所以具有高耐热性。
向铜基板101安装框架102和盖105的方法采用螺纹等或粘接剂进行安装。框架102和盖105例如由使用咪唑作为固化剂的环氧树脂形成，该环氧树脂的玻璃化转变温度为约325℃。盖105上设有端子板107。端子板107上装有带母螺纹的阳极端子110、阴极端子111以及栅极端子112和预备端子113。连接SiC-GTO元件20的阳极电极29的内部配线120经铝等连接线141以及通过盖105和端子板107之间的导体(图中不可见)连接于阳极端子110。连接SiC-GTO元件20的阴极电极32的内部配线121通过导体(未图示)连接于阴极端子111。连接SiC-GTO元件20的栅电极31的内部配线122经铝等连接线142和导体(图中不可见)连接于栅极端子112。
连接SiCpn二极管元件13的阳极电极6内部配线125经铝连接线143和导体(图中不可见)连接于阴极端子111。连接SiCpn二极管元件13的阴极电极7的内部配线126经铝等连接线144和导体(图中不可见)连接于阳极端子110。
由铜基板101、框架102和盖105形成的外壳内的间隙填充有凝胶状的由第2合成高分子化合物构成的填充材料165。填充材料165与覆盖物130、131同样，是含有聚甲基苯基倍半硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷为主成分的合成高分子化合物。另外，聚甲基苯基倍半硅氧烷的分子量为约1500，聚甲基苯基硅氧烷的分子量为约5万5千。另外，第2合成高分子化合物的粘度低至15000cp左右。另外，覆盖物130、131的粘度为46000cp。其结果是，填充材料165在固化后即使在高温下也极为柔软，所以其可以具有缓冲剂的功能，防止内部的元件因从外部施加到模件160的机械振动或冲击而发生振动。另外，在由环氧树脂构成的封装的框架102和盖105、由第1合成高分子化合物构成的覆盖物130、131和由第2合成高分子化合物构成的填充材料165中各自含有粒径不同的AlN微粒作为绝缘性陶瓷微粒。也就是说，框架102和盖105中以约46体积％的体积填充率混合了粒径约1μm的AlN微粒。而覆盖物130、131和填充材料165中以约58体积％的体积填充率混合了粒径约0.5μm的AlN超微粒。由此，本实施例中，可以不损害耐电压性，并且能实现约19.5W/mK的高热传导率，大幅提高散热性。
通过上述的构成，可得到下述的模件160，其中，SiC-GTO元件20和SiCpn二极管元件13在外壳内反向并联连接，并具有导出到外部的阳极端子110、阴极端子111和栅极端子112。
本实施例的SiC-GTO模件160的反向击穿电压为约5.7kV，即使在Si的GTO的模件不能运行的250℃高温下，也能维持上述的反向击穿电压。逆电压5kV下的漏电流密度为2×10-4/cm2以下，为良好。另外，在1 80℃的高温空气环境中，在本实施例的SiC-GTO模件160中通电对于3kV以上的高耐压Si二极管来说是难以通电的200A/cm2的高电流密度的电流，使其工作200小时，在覆盖物130、131、165中没有发生裂纹或变形等异常。温度250℃、以电流密度200A/cm2通电时的顺向电压为4.3V，工作200小时前后的变化在测定误差的范围内，基本上没有变化。
另外，工作后的逆电压5kV下的漏电流密度在温度250℃也为3×10-4A/cm2以下，基本上没有变化。另外，工作200小时后，逆电压5kV下的漏电流密度在温度250℃也为3×10-4A/cm2以下，前后基本没有变化。其原因是，由含有聚甲基苯基倍半硅氧烷作为第一有机硅聚合物且含有聚甲基苯基硅氧烷作为第二有机硅聚合物的合成高分子化合物形成的覆盖物130、131不仅牢固地粘接在SiC-GTO元件或二极管元件各自的钝化膜上，还牢固地粘接在SiC露出的元件侧面。SiC-GTO元件20的接通时间为0.4毫秒，断开时间为0.7毫秒。该断开时间为耐电压6kV的硅GTO元件的1/20以下，所以运行速度快。该接通-断开时间上也没有出现随时间的变化。据推测，这是因为混合在合成高分子化合物的AlN微粒提高了散热性，因而抑制了元件温度的升高，并且减少了老化。在合成高分子化合物没有混合AlN微粒的情况下，顺向电压、漏电流密度以及断开时间上有变化。
上面说明了第1～第4的4个实施例，但本发明还包括更多的应用范围和衍生结构。
本发明还可以应用与例如宽隙半导体元件中的MOSFET、接合FET、SIT、IGBT、MOS闸流晶体管等。另外，本发明还可应用于高频高功率MESFET、横向MOSFET、接合FET、HEMT的肖特基二极管、JBS(Juncti On Barrier controlled Schottky)二极管等。
上述各实施例中，对使用SiC或GaN的元件以及受光元件的情况进行了描述，但本发明还可有效应用于使用其他宽隙半导体材料的元件，特别是使用金刚石或镓磷宽隙半导体材料的元件。
另外，本发明当然还可应用于使各个半导体区域的极性反转的结构即将n型反转成p型、将p型反转成n型的结构的半导体装置。
第一有机硅聚合物可以从由聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚甲基苯基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷以及聚丙基倍半硅氧烷中任意选择使用。并且可以使用这些之中的两种以上。
第二有机硅聚合物可以从由聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、以及聚苯基甲基硅氧烷中任意选择使用。并且可以使用这些之中的两种以上。
第1到第3实施例中，分别对使用金属帽14、43、70的TO型半导体装置进行了说明，但本发明也可应用于使用高耐热树脂帽而不是金属帽的半导体装置。另外，本发明的半导体装置的构成也可以是TO型以外的构成，例如柱型、平型、使用高耐热树脂的SIP型、Si的功率模件中普通的模制型的构成。第3实施例中举例说明了光结合半导体装置，但本发明还可同样地应用于仅具有发光半导体元件的半导体装置或仅具有受光半导体元件的半导体装置。
第4实施例的模制型模件的由合成高分子化合物形成的封装还可以由耐热性高的其他环氧树脂或凯夫拉尔树脂(ケブラ一树脂(商标))等构成。另外，作为第1和/或第2合成高分子化合物中含有的第一有机硅聚合物，还可以使用聚甲基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷或聚丙基倍半硅氧烷代替聚甲基苯基倍半硅氧烷，或使用这些聚硅氧烷中的两种以上，作为第二有机硅聚合物，还可以使用聚二苯基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷或聚二甲基硅氧烷代替聚甲基苯基硅氧烷，或使用这些聚硅氧烷中的两种以上。另外，作为第1和/或第2合成高分子化合物，还可以仅含第2有机硅聚合物而不含第一有机硅聚合物。
另外，作为绝缘性陶瓷微粒，除了AlN和BeO以外，还可以使用Al2O3、多晶态SiC、金刚石、氮化硼等热传导率高的其他绝缘性陶瓷微粒，并可得到同样的效果。
产业实用性
本发明可以提供高耐热且高耐电压的宽隙半导体装置，所以产业上的利用价值大。

Claims (17)

1.一种高耐热合成高分子化合物，其特征在于，其具有三维立体结构，由通过加成反应生成的共价键将第三有机硅聚合物多个连接而构成，所述第三有机硅聚合物是至少一种第一有机硅聚合物和至少一种第二有机硅聚合物通过硅氧烷键连接而成的，并且，第一有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第二有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构，第三有机硅聚合物具有2万～80万的分子量。
2.根据权利要求1所述的高耐热合成高分子化合物，其中，还含有热传导性高的绝缘性陶瓷微粒。
3.根据权利要求2所述的高耐热合成高分子化合物，其中，以20％～80％的体积填充率含有绝缘性陶瓷微粒。
4.根据权利要求1所述的高耐热合成高分子化合物，其中，第一有机硅聚合物是选自聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚甲基苯基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷以及聚丙基倍半硅氧烷中的至少一种，第二有机硅聚合物是选自聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的高耐热合成高分子化合物，其中，第一有机硅聚合物的分子量比第二有机硅聚合物的分子量小。
6.根据权利要求2所述的高耐热合成高分子化合物，其中，绝缘性陶瓷是选自氮化铝、氧化铍、氧化铝和多晶态SiC中的至少一种。
7.一种半导体装置，其具有覆盖半导体元件和用于将半导体元件电连接于外部器件的电连接部的至少一部分的合成高分子化合物，其特征在于，所述合成高分子化合物具有三维立体结构，其由通过加成反应生成的共价键将第三有机硅聚合物多个连接而构成，所述第三有机硅聚合物是至少一种第一有机硅聚合物和至少一种第二有机硅聚合物通过硅氧烷键连接而成的，并且，第一有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第二有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构，第三有机硅聚合物具有2万～80万的分子量。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其中，所述合成高分子化合物以15％以上的体积填充率含有热传导性高的绝缘性陶瓷微粒。
9.根据权利要求7所述的半导体装置，其中，所述合成高分子化合物以20％～80％的体积填充率含有热传导性高的绝缘性陶瓷微粒。
10.根据权利要求8或9所述的半导体装置，其中，所述绝缘性陶瓷是选自氮化铝、氧化铍、氧化铝和多晶态SiC中的至少一种绝缘性陶瓷。
11.根据权利要求7所述的半导体装置，其中，所述半导体元件是宽隙半导体元件，是使用了碳化硅的SiC半导体元件和使用了氮化嫁的GaN半导体元件中的任意一个，第一有机硅聚合物是选自聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚甲基苯基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷以及聚丙基倍半硅氧烷中的至少一种，第二有机硅聚合物是选自聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷中的至少一种。
12.根据权利要求7所述的半导体装置，其中，半导体元件是宽隙半导体受光元件和宽隙半导体发光元件中的任意一个或者两者的组合，第一有机硅聚合物是选自聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚甲基苯基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷以及聚丙基倍半硅氧烷中的至少一种，第二有机硅聚合物是选自由聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷中的至少一种。
13.根据权利要求11或12所述的半导体装置，其中，第一有机硅聚合物的分子量比第二有机硅聚合物的分子量小。
14.一种半导体装置，其中，具有安装在热传导性的基板上的至少一个半导体元件、用于将半导体元件电连接于外部器件的电连接部、覆盖半导体元件和电连接部的至少一部分的第1合成高分子化合物、与基板一同构成的收装由第1合成高分子化合物覆盖的半导体元件和电连接部的容器、填充到容器内的间隙的第2合成高分子化合物、连接于电连接部并被引出到容器之外的外部连接端子；并且，第1合成高分子化合物具有三维立体结构，并且还含有热传导性高的绝缘性陶瓷微粒，该第1合成高分子化合物由通过加成反应生成的共价键将第三有机硅聚合物多个连接而构成，所述第三有机硅聚合物是至少一种第一有机硅聚合物和至少一种第二有机硅聚合物通过硅氧烷键连接而成的，并且，第一有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第二有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构，第三有机硅聚合物具有2万～80万的分子量，第2合成高分子化合物具有三维立体结构，并且还含有热传导性高的绝缘性陶瓷微粒，该第2合成高分子化合物由通过加成反应生成的共价键将第六有机硅聚合物连接而构成，所述第六有机硅聚合物是至少一种第四有机硅聚合物和至少一种第五有机硅聚合物通过硅氧烷键连接而成的，第四有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的交联结构，第五有机硅聚合物具有通过硅氧烷键形成的线状连接结构，第六有机硅聚合物具有2万～80万的分子量。
15.根据权利要求14所述的半导体装置，其中，第2合成高分子化合物具有比第1合成高分子化合物高的柔软性。
16.根据权利要求14所述的半导体装置，其中，半导体元件是宽隙半导体元件，是使用了碳化硅的SiC半导体元件和使用了氮化嫁的GaN半导体元件中的任意一个，第一有机硅聚合物和第四有机硅聚合物是选自聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚甲基苯基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷以及聚丙基倍半硅氧烷中的至少一种，第二有机硅聚合物和第五有机聚合物是选自由聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷和聚甲基苯基硅氧烷中的至少一种。
17.根据权利要求14所述的半导体装置，其中，半导体元件是SiC-GTO元件和SiC二极管元件，两元件在容器内通过电连接部反向并联连接。
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