CN116157921A - 半导体装置 - Google Patents

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长濑拓生
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Abstract

构成电力变换部的上下臂电路的半导体元件具有作为控制电极的栅极电极和作为主电极的漏极电极及源极电极。栅极电极与漏极电极之间的寄生电容Cgd具有对应于漏极电极与源极电极之间的电压Vds而变化的特性。电压Vds为击穿电压BV的80％时的寄生电容Cgd的值即电容值C1大于电压Vds为击穿电压BV的20％～40％的范围中的寄生电容Cgd的任意的值即电容值C2。

Description

半导体装置
关联申请的相互参照
本申请基于2020年7月21日在日本提出申请的日本专利申请第2020－124638号为基础，这里通过参照而引用基础申请的整体内容。
技术领域
本说明书的公开涉及半导体装置。
背景技术
专利文献1公开了构成电力变换部的上下臂电路的半导体装置。现有技术文献的记载内容作为该说明书中的技术要素的说明而通过参照被引用。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017－59920号公报
发明内容
在专利文献1中，为了减小在关断(turn off)时产生的浪涌电压，除了半导体元件之外，需要外装的电容器及电容调整开关元件。电容器相对于半导体元件的控制电极与高电位侧的主电极之间的寄生电容并联地连接。电容调整开关元件连接在电容器与控制电极之间。在该结构下，例如，半导体装置的大型化、控制的复杂化成为问题。根据上述观点，或者根据没有言及的其他观点，对于半导体装置，要求进一步的改良。
本公开是鉴于这样的问题而做出的，目的在于提供能够以简单的结构减小浪涌电压并且减小关断损耗的半导体装置。
这里公开的半导体装置，是具备构成电力变换部的上下臂电路的半导体元件的半导体装置，半导体元件具有控制电极和作为主电极的高电位侧电极及低电位侧电极；控制电极与高电位侧电极之间的寄生电容具有对应于高电位侧电极与低电位侧电极的电位差而变化的特性；电位差为半导体元件的击穿电压的80％时的寄生电容的值即第1电容值大于电位差为击穿电压的20％以上40％以下的范围中的寄生电容的任意的值即第2电容值。
根据公开的半导体装置，控制电极与高电位电极之间的寄生电容当电位差为击穿电压的80％时表现出比电位差处于击穿电压的20％以上40％以下的范围时大的值。即，寄生电容的值在电位差较大的区域中变大，在电位差较小的区域中变小。由此，能够以简单的结构减小浪涌电压并且减小关断损耗。
这里公开的半导体装置，是具备构成电力变换部的上下臂电路的半导体元件的半导体装置，半导体元件具有：第1导电型的漏极区域；第1导电型的低浓度层，形成在漏极区域上，杂质浓度比漏极区域低；第1导电型的JFET部，形成在低浓度层上，在与半导体元件的板厚方向正交的第1方向上延伸设置，并且与板厚方向及第1方向正交的第2方向上的宽度比低浓度层窄；第1导电型的电流分散层，形成在JFET部上，在第2方向上宽度比JFET部宽；第2导电型区域，是形成在低浓度层上的第2导电型的半导体区域，在第2方向上夹着JFET部，并且将电流分散层包围地还配置在电流分散层上；第1导电型的源极区域，形成在第2导电型区域上，杂质浓度比低浓度层高；沟槽构造的栅极电极，将源极区域及第2导电型区域贯通而达到电流分散层；源极电极，与源极区域电连接；以及漏极电极，与漏极区域电连接；设半导体元件的击穿电压为BV，则JFET部的宽度为591.53×BV－0.997以上且278.52×BV－0.767以下。
根据公开的半导体装置，JFET部成为被第2导电型区域夹着的宽度窄的构造。如果将JFET部的宽度在上述的范围内设定，则在漏极电极与源极电极的电位差为击穿电压的40％以上80％以下的范围内，第2导电型区域中的夹着JFET部的两侧的部分完全耗尽。通过该耗尽，栅极电极与漏极电极之间的寄生电容急剧地增加。即，栅极电极与漏极电极之间的寄生电容在电位差为击穿电压的80％时表现出比电位差处于击穿电压的20％以上40％以下的范围时大的值。由此，能够以简单的结构减小浪涌电压并且减小关断损耗。
本说明书中公开的多个形态为了达成各自的目的而采用相互不同的技术手段。权利要求及其项目中记载的括号内的标号例示性地表示与后述实施方式的部分的对应关系，并不意欲限定技术范围。本说明书所公开的目的、特征及效果通过参照后续的详细说明及附图会更加明确。
附图说明
图1是表示应用了第1实施方式的半导体装置的电力变换装置的图。
图2是关于第1实施方式的半导体装置而表示半导体元件的Vds－Cgd特性的图。
图3是表示关断时的开关波形的图。
图4是表示使比C1/C2相互不同的两个开关波形的图。
图5是表示比C1/C2与关断损耗Eoff的关系的图。
图6是表示半导体装置具备的半导体元件的构造的剖视图。
图7是用来说明关断动作和电容Cgd的变化的图。
图8是表示击穿电压BV与JFET部的宽度的关系的图。
图9是表示半导体元件的变形例的局部剖视图。
图10是表示第2实施方式的电力变换装置的图。
图11是表示输入电压高时的开关波形的图。
图12是表示输入电压低时的开关波形的图。
具体实施方式
以下，基于附图说明多个实施方式。在多个实施方式中，有对于在功能上及/或构造上对应的部分及/或建立关联的部分赋予相同标号的情况。关于对应的部分及/或建立关联的部分，能够参照其他实施方式的说明。
本实施方式的半导体装置例如应用于以旋转电机为驱动源的移动体的电力变换装置。移动体例如是电动汽车(EV)、混合动力汽车(HV)、燃料电池车(FCV)等电动车辆、无人机等飞行体、船舶、建设机械、农业机械。以下，对应用于车辆的例子进行说明。
(第1实施方式)
首先，基于图1对应用电力变换装置的车辆的驱动系统的概略结构进行说明。
<车辆的驱动系统>
如图1所示，车辆的驱动系统1具备直流电源2、电动发电机3和电力变换装置4。
直流电源2是由可充放电的二次电池构成的直流电压源。二次电池例如是锂离子电池、镍氢电池。电动发电机3是三相交流式的旋转电机。电动发电机3作为车辆的行驶驱动源即电动机发挥功能。电动发电机3在再生时作为发电机发挥功能。电力变换装置4在直流电源2与电动发电机3之间进行电力变换。
<电力变换装置的电路结构>
接着，基于图1对电力变换装置4的电路结构进行说明。如图1所示，电力变换装置4具备平滑电容器5和作为电力变换部(电力变换电路)的逆变器6。
平滑电容器5主要将从直流电源2供给的直流电压平滑化。平滑电容器5连接于作为高电位侧的电力线的P线7和作为低电位侧的电力线的N线8。P线7连接于直流电源2的正极，N线8连接于直流电源2的负极。平滑电容器5的正极在直流电源2与逆变器6之间连接于P线7。同样，负极在直流电源2与逆变器6之间连接于N线8。平滑电容器5与直流电源2并联地连接。
逆变器6是DC－AC变换部。逆变器6按照未图示的控制电路的开关控制，将直流电压变换为三相交流电压，向电动发电机3输出。由此，电动发电机3进行驱动以产生规定的转矩。在车辆的再生制动时，逆变器6将受到来自车轮的旋转力从而电动发电机3发出的三相交流电压按照控制电路的开关控制变换为直流电压，向P线7输出。这样，逆变器6在直流电源2与电动发电机3之间进行双向的电力变换。
逆变器6具备三相的上下臂电路9而构成。有将上下臂电路9称作腿的情况。上下臂电路9由具备至少一个半导体元件10的半导体装置11构成。上下臂电路9将作为半导体元件10的上臂侧的半导体元件10H及下臂侧的半导体元件10L以半导体元件10H为P线7侧而在P线7与N线8之间串联连接而成。半导体元件10H、10L的连接点经由输出线12而与电动发电机3的对应的相的绕组3a连接。P线7、N线8及输出线12各自的至少一部分例如由汇流条(busbar)等导电部件构成。
在本实施方式中，逆变器6由6个半导体元件10构成。逆变器6由3个半导体元件10H和3个半导体元件10L构成。一个半导体元件10构成逆变器6的6个臂中的一个。
半导体元件10在以硅(Si)、带隙比硅宽的宽带隙半导体等为材料的半导体衬底上作为开关元件而形成有MOSFET13。MOSFET13构成为，主电流在半导体衬底的板厚方向上流动。在半导体衬底的板面的各自上形成有主电极。作为宽带隙半导体，例如有碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)、金刚石。
在本实施方式中，半导体元件10在SiC衬底上形成有n沟道型的MOSFET13。半导体元件10具有作为控制电极的栅极电极13g和作为主电极的漏极电极13d及源极电极13s。漏极电极13d相当于高电位侧电极，源极电极13s相当于低电位侧电极。各个MOSFET13逆并联地连接着续流用的二极管14。二极管14既可以是MOSFET13的寄生二极管(体二极管)，也可以与寄生二极管不同地设置。二极管14的阳极与对应的MOSFET13的源极电极13s连接，阴极与漏极电极13d连接。
在上臂侧的半导体元件10H中，漏极电极13d与P线7连接。在下臂侧的半导体元件10L中，源极电极13s与N线8连接。并且，半导体元件10H的源极电极13s和半导体元件10L的漏极电极13d相互连接。
在本实施方式中，一个半导体装置11具备一个半导体元件10。即，电力变换装置4具备构成逆变器6的6个半导体装置11。代之，半导体装置11也可以具备相互串联连接而构成上下臂电路9的两个半导体元件10H、10L。半导体装置11也可以具备构成逆变器6的全部的半导体元件10。半导体装置11也可以具备相互并联连接而构成一个臂的多个半导体元件10。
电力变换装置4也可以具备构成逆变器6的MOSFET13的驱动电路。驱动电路基于控制电路的驱动指令，向对应的MOSFET13的栅极供给驱动电压。驱动电路通过驱动电压的施加，使对应的MOSFET驱动、即导通(on)驱动、截止(off)驱动。有将驱动电路称作驱动器的情况。
电力变换装置4也可以具备MOSFET13的控制电路。控制电路生成用来使MOSFET13动作的驱动指令，向驱动电路输出。控制电路基于从未图示的上位ECU输入的转矩请求、由各种传感器检测到的信号，生成驱动指令。
作为各种传感器，例如有电流传感器、旋转角传感器、电压传感器。电流传感器检测流过各相的绕组3a的相电流。旋转角传感器检测电动发电机3的转子的旋转角。电压传感器检测平滑电容器5的两端电压。控制电路作为驱动指令而输出例如PWM信号。控制电路例如具备微机(微型计算机)而构成。ECU是Electronic Control Unit的简称。PWM是PulseWidth Modulation的简称。
<元件特性>
接着，基于图2～图5对本实施方式的半导体装置11具备的半导体元件10(MOSFET13)的特性进行说明。图2表示Vds－Cgd特性。图3表示关断时的开关波形。图4表示比C1/C2与开关波形的关系。图5表示比C1/C2与关断损耗Eoff的关系。
图中所示的Vds是漏极－源极间的电压。电压Vds相当于高电位电极与低电位电极之间的电位差。Cgd是栅极－漏极间的电容(寄生电容)。有将电容Cgd称作反馈电容的情况。Id是漏极电流。ΔV是浪涌电压。图2、图3及图5表示模拟结果。图3将模拟结果简化表示。在图3中，例如BV80％表示击穿电压BV的80％的值。图4将比C1/C2设置两个水平而表示了各水平的关断时的开关波形。在图4中，调整了栅极电阻的值以使浪涌电压ΔV相互相等。
在本实施方式中，半导体元件10的MOSFET13(SiC－MOSFET)如图2所示，具有电容Cgd对应于电压Vds而变化的特性。电容值C1比电容值C2大。电容Cgd具有在电压Vds为规定的电压Vip时急剧地变化的特性。例如，如果电压Vds上升而达到电压Vip，则电容Cgd急剧地增加。有将电压Vip称作拐点电压的情况。通过上述特性，能够减小在关断时产生的浪涌电压。
在图3中，实线表示本实施方式的开关波形。虚线表示参考例的开关波形。在参考例中，半导体元件的MOSFET具有电容Cgd不对应于电压Vds变化而大致为一定的特性、即电容值C1、C2相等的特性。
在关断时，浪涌电压ΔV叠加于电压Vds。增加了浪涌电压ΔV的量之后的电压Vds被施加于半导体元件(MOSFET)。浪涌电压ΔV是开关速度di/dt与主电路的寄生电感Ls的相乘值。开关速度di/dt是每单位时间的电流Id的变化量，有称作电流斜率的情况。在由虚线表示的参考例的结构中，如果为了减小开关损耗(关断损耗)而增大开关速度di/dt，则浪涌电压ΔV也增加。
如实线所示，在本实施方式的半导体元件10(MOSFET13)中，如果在时刻t1电压Vds达到电压Vip，则通过上述的特性，电容Cgd急剧地增加。由此，开关速度di/dt相比于比较例变小。由于电流Id平缓地变化，所以相比于比较例，能够减小浪涌电压ΔV。因而，能够抑制叠加了浪涌电压ΔV后的电压Vds超过元件耐压。
对于关断损耗，电压Vds的上升波形的贡献率较大。如果电压Vds的上升变得平缓，则关断损耗增加。如图3所示，本实施方式的电压Vds的上升波形与电容Cgd不变化的参考例是同等的。与电压Vds的上升也较平缓的结构相比，能够减小关断损耗。因而，能够减小开关速度di/dt而减小浪涌电压ΔV，并且减小关断损耗。
接着，对电压Vip以及成为电容值C1、C2的电压Vds进行说明。
电压Vip优选的是设为电压BV的80％以下。如果元件特性、例如给开关速度di/dt带来影响的栅极阈值电压、栅极输入电容因工艺偏差(制造偏差)而波动，则浪涌电压ΔV也波动。如果电压Vip超过电压BV的80％，则通过上述的浪涌电压ΔV的波动，叠加了浪涌电压ΔV的电压Vds有可能超过电压BV。
如果将电压Vip设为电压BV的80％以下，则在浪涌电压ΔV波动的情况下，也能够抑制叠加了浪涌电压ΔV的电压Vds超过电压BV。关于该效果，通过模拟进行了确认。
这样，在本实施方式中，在电压Vds的值为电压BV的80％以下时，电容Cgd急剧地变化。电容值C1是电压Vds等于电压BV的80％的值时的电容Cgd的值，表示比电容值C2大的值。电容值C1相当于第1电容值。
电容Cgd较小的电压Vds的区域优选的是电压BV的20％以上、40％以下的范围。如果在BV的20％～40％的范围中电容Cgd取较小的值，则电压Vds的上升变得陡峭，能够减小关断损耗。关于该效果，通过模拟进行了确认。电容值C2是在电压Vds为电压BV的20％～40％的范围中电容Cgd能够取的任意的值。在该电压区域中，电容Cgd不较大地变化而大致呈现一定的值。电压BV的20％～40％的范围中的电容Cgd的最大值是与电容值C1相比充分小的值。电容值C2相当于第2电容值。
接着，对电容值C1相对于电容值C2的比C1/C2进行说明。
在图4中，关于比C1/C2，实线比虚线大。在浪涌电压ΔV相互相等的结构下，比C1/C2越大，关断时的电压Vds的上升越陡峭。即，比C1/C2越大，越能够减小关断损耗。该效果根据图5所示的模拟结果也是显而易见的。特别是，如果将比C1/C2设为2以上，则能够有效地减小关断损耗Eoff。在比C1/C2的值为2以上时，与比C1/C2小于2相比，与比C1/C2的变化对应的关断损耗的变化小。由此，优选的是将比C1/C2设为2以上。
<半导体装置的构造>
接着，基于图6～图8，对具有上述特性的半导体装置11(半导体元件10)的构造进行说明。图6是本实施方式的半导体装置11的剖视图。在图6中表示了单元区域的一部分。图7是用来说明关断动作和电容Cgd的变化的图。图8是表示电压BV与JFET部的宽度的关系的图。图8表示TEG的结果即实测结果。
以下，将半导体元件10(半导体衬底)的板厚方向设为Z方向。将与Z方向正交且沟槽的延伸设置方向设为Y方向。将与Z方向及Y方向的两个方向正交的方向设为X方向。只要没有特别声明，就将Z方向上的平面视图简单表示为平面视图。有将与Z方向及JFET部的延伸设置方向正交的方向的长度称作宽度的情况。此外，n导电型相当于第1导电型，p导电型相当于第2导电型。
如图6所示，半导体装置11具备半导体元件10。半导体元件10在以SiC为材料的半导体衬底20上形成有纵型构造的MOSFET13。纵型构造是在作为半导体衬底20的板厚方向的Z方向上流过主电流的构造。MOSFET13形成在半导体衬底20的单元区域。有将单元区域称作主区域、有源区域的情况。有将半导体衬底20称作半导体芯片的情况。
半导体衬底20具有SiC衬底21、低浓度层22、JFET部23、深层24、电流分散层25、连结层26、基极(base)区域27、源极区域28和基极接触区域29。半导体衬底20在SiC衬底21上通过外延生长、杂质的离子注入等形成有以SiC为材料的各半导体层、半导体区域。有将半导体层、半导体区域称作扩散层的情况。半导体衬底20，作为主面(板面)而具有一面20a以及与一面20a在Z方向上相反的面即背面20b。
SiC衬底21形成半导体衬底20的一面20a。SiC衬底21以SiC为材料，是杂质浓度比低浓度层22、JFET部23及电流分散层25高的n导电型(n+)的衬底。SiC衬底21作为MOSFET13的漏极区域发挥功能。
低浓度层22在SiC衬底21中形成在与形成一面20a的面相反的面上。低浓度层22以SiC为材料，是杂质浓度比SiC衬底21、JFET部23及电流分散层25低的n导电型(n－)的半导体层。
JFET部23在低浓度层22中形成在与SiC衬底21侧的面相反的面上。JFET部23以SiC为材料，是杂质浓度比SiC衬底21低且比低浓度层22高的n导电型(n)的半导体层。JFET部23沿着与Z方向正交的一个方向延伸设置，在平面视图中呈短条状(换言之线状)。
在本实施方式中，JFET部23在与沟槽30的延伸设置方向相同方向即Y方向上延伸设置。JFET部23在与延伸设置方向正交的方向(X方向)上宽度比低浓度层22、电流分散层25窄。由此，Y方向相当于第1方向，X方向相当于第2方向。
深层24如JFET部23同样，在低浓度层22中形成在与SiC衬底21侧的面相反的面上。深层24是以SiC为材料的p导电型(p)的半导体层。深层24与JFET部23在相同方向上延伸设置。深层24在与JFET部23的延伸设置方向及Z方向正交的方向上形成在JFET部23的两侧。深层24通过形成在JFET部23的周围而呈短条状。
在本实施方式中，深层24也在Y方向上延伸设置。深层24在X方向上夹着JFET部23。位于JFET部23的两侧的深层24各自的宽度比JFET部23宽。
电流分散层25是使得经由沟道区域流动的电流能够在X方向(宽度方向)上扩散的层。电流分散层25在JFET部23及深层24中形成在与低浓度层22侧的面相反的面上。电流分散层25以SiC为材料，是杂质浓度比SiC衬底21低且比低浓度层22高的n导电型(n)的半导体层。
电流分散层25从位于JFET部23两侧的深层24的一个的正上方跨JFET部23而形成到深层24的另一个的正上方。电流分散层25的宽度比JFET部23大。电流分散层25经由JFET部23及低浓度层22而与SiC衬底21相连。电流分散层25与低浓度层22及JFET部23一起作为漂移层发挥功能。
连结层26在深层24中形成在与低浓度层22侧的面相反的面上。连结层26是以SiC为材料的p导电型(p)的半导体层。连结层26在X方向上形成在电流分散层25的两侧。连结层26的宽度比深层24窄。
基极区域27在电流分散层25及连结层26中形成在与深层24侧的面相反的面上。基极区域27是以SiC为材料的p导电型的半导体区域。基极区域27经由连结层26而与深层24相连。
源极区域28在基极区域27中形成在与电流分散层25侧的面相反的面上。源极区域28以SiC为材料，是杂质浓度比低浓度层22、JFET部23及电流分散层25高的n导电型(n+)的半导体区域。源极区域28在平面视图下形成在与电流分散层25重叠的位置。
基极接触区域29在基极区域27中形成在与电流分散层25侧的面相反的面上。基极接触区域29以SiC为材料，是杂质浓度比基极区域27高的p导电型(p+)的半导体区域。基极接触区域29在平面视图中形成在与连结层26重叠的位置。基极接触区域29、基极区域27、连结层26及深层24相当于第2导电型区域。
在上述结构的半导体衬底20中形成有沟槽30。沟槽30具有规定的深度而从背面20b侧形成。沟槽30将源极区域28及基极区域27贯通而达到电流分散层25。基极区域27及源极区域28以与沟槽30的侧面相接的方式形成。沟槽30在Y方向上延伸设置。虽然省略图示，但在半导体衬底20中形成有多条沟槽30。多条沟槽30在X方向上以等间隔配置，在平面视图中呈条状。
在沟槽30的壁面形成有栅极绝缘膜31。并且，以将沟槽30填埋的方式，在栅极绝缘膜31的表面形成有栅极电极32。栅极电极32将源极区域28及基极区域27贯通而达到电流分散层25。
在半导体衬底20的背面20b上形成有源极电极33。源极电极33形成在单元区域。源极电极33与源极区域28及基极接触区域29电连接。源极电极33通过层间绝缘膜34相对于栅极电极32电分离。在半导体衬底20的背面20b上，还形成有作为信号电极的未图示的焊盘。焊盘例如包括栅极电极32用的焊盘。
在半导体衬底20的一面20a上形成有漏极电极35。漏极电极35形成在一面20a的大致整个区域。漏极电极35与SiC衬底21电连接。
这样，在半导体衬底20中，形成了纵型构造的n沟道型MOSFET。通过将MOSFET配置多个单元，在半导体衬底20中形成单元区域。在半导体衬底20中，以在平面视图中将单元区域包围的方式形成有保护环等未图示的外周耐压部。
本实施方式的半导体元件10(半导体装置11)在将源极电压设为0V、将漏极电压设为例如1～1.5V的状态下，例如通过施加20V的栅极电压而进行导通动作。通过栅极电压的施加，在MOSFET中，在与栅极绝缘膜31相接的部分的基极区域27中形成沟道区域，在漏极电极35与源极电极33之间流过电流。
半导体元件10通过对栅极电极32施加阈值电压以下的栅极电压而进行截止动作。在本实施方式中，JFET部23成为被深层24夹着的宽度窄的构造，在关断时，JFET部23作为耗尽层调整层发挥功能，深层24作为电位调整层发挥功能。
以下，对关断动作和电容Cgd的变化进行说明。在图7中，将电压Vds分为3个区间。第2电压区间VS2与第1电压区间VS1相比电压大，第3电压区间VS3与第2电压区间VS2相比电压大。
在第1电压区间VS1中，在Vds＝0V即全导通(full on)的状态下，没有耗尽层向扩散层的扩展。因此，电容Cgd成为与栅极绝缘膜31同等的电容值，表示较大的电容值。
如果截止开始而电压Vds上升，则耗尽层扩展到电流分散层25与基极区域27之间。相对于栅极绝缘膜31的电容串联地附加耗尽层的电容，所以电容Cgd的值急剧地减小。
在第2电压区间VS2中，电压Vds相对于第1电压区间VS1进一步上升。如果电压Vds上升到电压BV的20％以下的规定值、例如电压BV的不到20％，则从深层24侧向JFET部23延伸的耗尽层延伸得比JFET部23的宽度长，JFET部23夹断。通过延伸到JFET部23的耗尽层，作用于栅极绝缘膜31的电压Vds被屏蔽。由于形成了被深层24夹着的宽度窄的JFET部23，所以能够提高屏蔽效果。通过屏蔽效果，即使在第2电压区间VS2中电压Vds上升，电容Cgd的值也维持较低的状态。
在第3电压区间VS3中，电压Vds相对于第2电压区间VS2进一步上升。如果电压Vds上升到拐点电压Vip，则深层24完全耗尽，不再有屏蔽效果。由此，栅极绝缘膜31的电位上升，电容Cgd急剧地增加。通过将拐点电压Vip设为电压BV的80％以下，能够如上述那样有效地抑制关断时的浪涌电压ΔV。
接着，对JFET部23的宽度进行说明。在数式中，变量x表示电压BV(V)，y表示JFET部23的宽度(μm)。
从实测的结果明确可知，当拐点电压Vip为电压BV的80％时，电压BV与JFET部23的宽度的关系能够用下式近似。
y＝591.53x－0.997
通过将JFET部23的宽度设为591.53×BV－0.997以上，能够将拐点电压Vip设为电压BV的80％以下。即，能够使电压Vds为电压BV的80％时的电容Cgd成为较大的值(电容值C1)。
此外，明确可知，当拐点电压Vip为电压BV的40％时，电压BV与JFET部23的宽度的关系能够用下式近似。
y＝278.52x－0.767
通过将JFET部23的宽度设为278.52×BV－0.767以下，能够使拐点电压Vip成为电压BV的40％以上。即，能够使电压Vds为电压BV的20％～40％时的电容Cgd成为较小的值(电容值C2)。
本实施方式的半导体装置11(半导体元件10)通过上述的元件构造，能够以简单的结构减小浪涌电压ΔV并且减小关断损耗(开关损耗)。
<第1实施方式的总结>
根据本实施方式的半导体装置11，半导体元件10(MOSFET13)具有电容Cgd的值对应于电压Vds而变化的特性。具体而言，电压Vds为电压BV的80％时的电容Cgd的值C1大于电压Vds处于电压BV的20％～40％的范围时的电容Cgd的任意的值C2。换言之，电容Cgd急剧地变化的拐点电压Vip处于电压BV的40％以上、80％以下的范围内。
在电压Vds较大的区域中，电容Cgd的值变大，由此开关速度di/dt变小。因而，能够减小浪涌电压ΔV。在电压Vds较小的区域中，电容Cgd的值变小，由此电压Vds的上升波形变得陡峭。因而，能够减小关断损耗。即使不将电容器元件、电容调整用开关元件外装于半导体元件10，也通过元件特性而在关断时电容Cgd的值变化。因此，能够以简单的结构减小浪涌电压，并且减小关断损耗。
电容值C1是比电容值C2大的值即可。即，比C1/C2至少比1大即可。在本实施方式中，比C1/C2是2以上。如果将比C1/C2设为2以上，则如上述那样能够有效地减小关断损耗。
在本实施方式中，半导体元件10具有被深层24(第2导电型区域)夹着的宽度窄的JFET部23。并且，JFET部23的宽度被设为591.53×BV－0.997以上。由此，在电压Vds的值为电压BV的80％以下时，发生深层24的完全耗尽，电容Cgd急剧地增加。因而，能够使电压Vds为电压BV的80％时的电容Cgd的值C1成为较大的值。即，能够减小关断时的浪涌电压ΔV。
JFET部23的宽度越宽，拐点电压Vip越低。在本实施方式中，JFET部23的宽度被设为278.52×BV－0.767以下。由此，在电压Vds的值为电压BV的40％以上时，发生深层24的完全耗尽，电容Cgd急剧地增加。因而，在电压Vds为电压BV的20％～40％时，通过上述的屏蔽效果，能够使电容Cgd的任意的值C2成为比电容值C1小的值。即，能够降低关断损耗。
半导体衬底20的构成材料没有特别限定。例如，也可以是Si。如上述那样，在本实施方式中使用SiC。SiC等宽带隙半导体与硅半导体相比绝缘击穿电场强度高约1位数。由此，相对于硅半导体，能够将击穿电压和载流子量分别提高约1位数。由于载流子量的增加降低导通时的电阻值(导通电阻)，所以能够实现高耐压且导通损耗小的半导体装置。
此外，在无法利用硅半导体的高电压区域中，宽带隙半导体能够实现具有高速开关特性的单极器件构造。但是，高速开关在减小开关损耗的另一方面，容易产生浪涌电压。因此，通过应用本实施方式所示的结构，能够进一步提高效果。
<变形例>
表示了JFET部23的延伸设置方向是与沟槽30(栅极电极32)同方向的例子，但并不限定于此。也可以如图9所示的变形例那样，将JFET部23的延伸设置方向设为与沟槽30的延伸设置方向正交的方向。在图9中，沟槽30在Y方向上延伸设置，JFET部23在X方向上延伸设置。这样的结构也能够得到与上述结构同样的效果，即能够用简单的结构减小浪涌电压，并且减小关断损耗。
(第2实施方式)
本实施方式是以在先实施方式为基础形态的变形例，能够援用在先实施方式的记载。在先实施方式中，电力变换装置4作为电力变换部而具备逆变器6。也可以代之而做成还追加了具有升压功能的变换器(converter)的结构。
图10表示本实施方式的电力变换装置4的电路结构。在图10中，为了方便，将电动发电机3简化而图示。电力变换装置4除了平滑电容器5及逆变器6以外还具备作为电力变换部的变换器15、和滤波电容器17。
变换器15是将直流电压变换为不同值的直流电压的DC－DC变换部。变换器15设在直流电源2与平滑电容器5之间。变换器15是至少具有至少将从直流电源2供给的直流电压升压的功能的升压电路。变换器15也可以具有使用平滑电容器5的电荷将直流电源2充电的降压功能。
在本实施方式中，逆变器6是与在先实施方式同样的结构。构成逆变器6的各相的上下臂电路9由两个半导体装置11(半导体元件10)构成。P线7具有VH线7H和VL线7L。构成逆变器6的上下臂电路9连接在VH线7H与N线8之间。变换器15与电抗器16及逆变器6同样，具有串联连接着两个半导体装置11(半导体元件10)而成的上下臂电路9。
这样构成的变换器15能够升降压。变换器15的上下臂电路9连接在VH线7H与N线8之间。电抗器16的一端与VL线7L连接，另一端与上下臂电路9的两个半导体元件10的连接点连接。
滤波电容器17连接在VL线7L与N线8之间。滤波电容器17与直流电源2并联地连接。滤波电容器17例如将来自直流电源2的电源噪声除去。滤波电容器17由于配置在比平滑电容器5靠低电压侧，所以也被称作低压侧电容器。
<第2实施方式的总结>
本实施方式的电力变换装置4，当对电动发电机3要求大输出时，通过变换器15的升压动作能够提高逆变器6的输入电压。电力变换装置4，当对电动发电机3要求小输出时，使变换器15的升压动作停止。这样，通过在发生频度高的小输出时使变换器15的动作停止，作为系统整体，能够在对应于大输出的同时改善燃耗。
此外，在本实施方式中，在逆变器6的上下臂电路9中，使用在先实施方式中记载的结构的半导体装置11(半导体元件10)。例如，在逆变器6的输入电压为600V的情况下，如图11所示，在关断时电压Vds电压上升，当到达拐点电压Vip，则电容Cgd从电容值C2增加到电容值C1。通过该电容变化，开关速度di/dt下降。因而，与在先实施方式同样，能够减小浪涌电压ΔV。
例如，在逆变器6的输入电压为300V的情况下，如图12所示，即使在关断时电压Vds上升，也不达到拐点电压Vip，所以电容Cgd不会急剧地增加。由此，能够将开关速度di/dt维持为较高的状态。因而，能够减少在运转时发生频度高的输入电压较低的状态下的关断损耗。
如以上这样，通过将具有在先实施方式所示的特性的半导体元件10(半导体装置11)应用于具备升压功能的电力变换装置4的逆变器6，能够在对应大输出的同时进一步改善燃耗。另外，在图11中，作为输入电压较高的例子而表示了600V的例子，但并不限定于此。在图12中，作为输入电压较低的例子而表示了300V的例子，但并不限定于此。变换器15的输出电压并不限定于300V和600V。能够多级地切换。
变换器15的结构并不限定于上述的例子。例如在仅具备升压功能的情况下，也可以在上下臂电路9的上臂侧使用二极管元件。表示了单相变换器的例子，但也可以采用多相变换器。
也可以将变换器15的上下臂电路9用与在先实施方式所示的半导体元件10(MOSFET13)不同的半导体元件(开关元件)构成。在本实施方式中，变换器15的上下臂电路9由在先实施方式所示的半导体元件10(半导体装置11)构成。变换器15的半导体元件10也对应于电压Vds而电容Cgd变化。因而，除了上述效果以外，关于变换器15，也能够以简单的结构减小浪涌电压并且减小关断损耗。
(其他实施方式)
本说明书及附图等中的公开不受例示的实施方式限制。公开包含例示的实施方式和基于它们的由本领域技术人员做出的变形形态。例如，公开并不限定于在实施方式中表示的零件及/或要素的组合。公开可以通过多种多样的组合来实施。公开可以具有能够对实施方式追加的追加部分。公开包含将实施方式的零件及/或要素省略的形态。公开包含一个实施方式与其他实施方式之间的零件及/或要素的替换或组合。公开的技术范围不受实施方式的记载限定。公开的若干技术范围由权利要求的记载表示，应理解的是还包含与权利要求的记载等价的意义及范围内的全部变更。
说明书及附图等中的公开不由权利要求的记载限定。说明书及附图等中的公开包含权利要求所记载的技术思想，还涉及比权利要求所记载的技术思想更多样的广泛的技术思想。由此，能够不受权利要求的记载约束而从说明书及附图等的公开中提取多种多样的技术思想。
在空间上相对的用语“内”、“外”、“里”、“下”、“低”、“上”、“高”等在这里为了使说明图示那样的一个要素或特征相对于其他要素或特征的关系的记载变得容易而使用。在空间上相对的用语能够意味着除了附图中描绘的朝向以外还包含使用或操作中的装置的不同朝向。例如，如果将图中的装置倒转，则作为其他要素或特征的“下”或“正下”说明的要素被朝向其他要素或特征的“上”。因而，用语“下”能够包含上和下两者的朝向。该装置也可以朝向其他方向(也可以旋转到90度或其他朝向)，对于在本说明书中使用的在空间上相对的记述符与此对应而解释。
车辆的驱动系统1并不限定于上述结构。例如，表示了具备一个电动发电机3的例子，但并不限定于此。也可以具备多个电动发电机。表示了电力变换装置4作为电力变换部而具备逆变器6的例子，但并不限定于此。例如，也可以做成具备多个逆变器的结构。也可以仅具备变换器15。
表示了将半导体装置11(半导体元件10)用于逆变器6、变换器15的例子，但并不限定于此。能够应用于构成电力变换部(电力变换电路)的上下臂电路的至少一个臂。
表示了半导体装置11仅具备一个半导体元件10的例子，但并不限定于此。也可以具备构成一相的上下臂电路9的多个半导体元件10。也可以具备构成多相的上下臂电路9的多个半导体元件10。

Claims (9)

1.一种半导体装置，具备构成电力变换部(6、15)的上下臂电路(9)的半导体元件(10)，其特征在于，
上述半导体元件具有控制电极(13g)和作为主电极的高电位侧电极(13d)及低电位侧电极(13s)；
上述控制电极与上述高电位侧电极之间的寄生电容具有对应于上述高电位侧电极与上述低电位侧电极的电位差而变化的特性；
上述电位差为上述半导体元件的击穿电压的80％时的上述寄生电容的值即第1电容值大于上述电位差为上述击穿电压的20％以上且40％以下的范围中的上述寄生电容的任意的值即第2电容值。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
上述第1电容值相对于上述第2电容值的比是2以上。
3.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
上述半导体元件具有：
第1导电型的漏极区域(21)；
第1导电型的低浓度层(22)，形成在上述漏极区域上，杂质浓度比上述漏极区域低；
第1导电型的JFET部(23)，形成在上述低浓度层上，在与上述半导体元件的板厚方向正交的第1方向上延伸设置，并且与上述板厚方向及上述第1方向正交的第2方向上的宽度比上述低浓度层窄；
第1导电型的电流分散层(25)，形成在上述JFET部上，在上述第2方向上宽度比上述JFET部宽，
第2导电型区域(24、26、27、29)，是形成在上述低浓度层上的第2导电型的半导体区域，在上述第2方向上夹着上述JFET部，并且将上述电流分散层包围地还配置在上述电流分散层上；
第1导电型的源极区域(28)，形成在上述第2导电型区域上，杂质浓度比上述低浓度层高；
沟槽构造的栅极电极(32)，是上述控制电极，将上述源极区域及上述第2导电型区域贯通而达到上述电流分散层；
源极电极(33)，是上述主电极，与上述源极区域电连接；以及
漏极电极(35)，是上述主电极，与上述漏极区域电连接；
设击穿电压为BV，则上述JFET部的宽度为591.53×BV－0.997以上。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，
上述JFET部的宽度为278.52×BV－0.767以下。
5.一种半导体装置，具备构成电力变换部(6、15)的上下臂电路(9)的半导体元件(10)，其特征在于，
上述半导体元件具有：
第1导电型的漏极区域(21)；
第1导电型的低浓度层(22)，形成在上述漏极区域上，杂质浓度比上述漏极区域低；
第1导电型的JFET部(23)，形成在上述低浓度层上，在与上述半导体元件的板厚方向正交的第1方向上延伸设置，并且与上述板厚方向及上述第1方向正交的第2方向上的宽度比上述低浓度层窄；
第1导电型的电流分散层(25)，形成在上述JFET部上，在上述第2方向上宽度比上述JFET部宽；
第2导电型区域(24、26、27、29)，是形成在上述低浓度层上的第2导电型的半导体区域，在上述第2方向上夹着上述JFET部，并且将上述电流分散层包围地还配置在上述电流分散层上；
第1导电型的源极区域(28)，形成在上述第2导电型区域上，杂质浓度比上述低浓度层高；
沟槽构造的栅极电极(32)，将上述源极区域及上述第2导电型区域贯通而达到上述电流分散层；
源极电极(33)，与上述源极区域电连接；以及
漏极电极(35)，与上述漏极区域电连接；
设上述半导体元件的击穿电压为BV，则上述JFET部的宽度为591.53×BV－0.997以上且278.52×BV－0.767以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
上述电力变换部包括逆变器。
7.如权利要求1～6中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
上述电力变换部包括构成为能够将从直流电源(2)供给的直流电压升压的变换器。
8.如权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
上述逆变器将升压电路(15)输出的直流电压变换为交流电压。
9.如权利要求1～8中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
上述半导体元件构成在使用带隙比硅宽的宽带隙半导体的衬底(20)中。
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