DE112014006788B4 - Halbleiterbauelement, Leistungsmodul und Leistungswandler - Google Patents

Halbleiterbauelement, Leistungsmodul und Leistungswandler Download PDF

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Abstract

Halbleiterbauelement, umfassend:ein Halbleitersubstrat, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche aufweist;einen Drift-Bereich (4), der auf einer Seite der ersten Hauptfläche im Halbleitersubstrat vorgesehen ist;eine erste Elektrode (1), die auf einer Seite der zweiten Hauptfläche vorgesehen ist;einen Body-Bereich (5), der im Drift-Bereich (4) vorgesehen ist;einen Graben (12), der in einem Abstand (W) vom Body-Bereich (5) im Drift-Bereich (4) vorgesehen ist und eine Seitenwand einer Isolierschicht (8) enthält; undeine zweite Elektrode (9; 9b), die im Graben (12) vorgesehen ist,dadurch gekennzeichnet, dassder Abstand (W) kleiner als 1 µm und kürzer als eine Tiefe (L) des Grabens (12) ist, undein Endabschnitt (14) in einer Längsrichtung des Grabens (12) mit dem Body-Bereich (5) in Kontakt ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsumwandlung unter Verwendung eines Halbleiterschaltelements, und betrifft insbesondere eine Verbesserung der Kurzschlussfestigkeit.
  • Stand der Technik
  • Zur Energieeinsparung von Leistungselektronikgeräten wurden verlustarme Halbleiterschaltelemente untersucht, die ein Halbleitermaterial mit großem Bandabstand wie z.B. Siliciumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder dergleichen verwenden. Die Durchschlagfeldstärke von SiC oder GaN ist etwa 10 Mal höher als die von Silicium (Si), und deshalb kann bei einem Schaltelement gleicher Durchschlagsfestigkeit die Schichtdicke einer Drift-Schicht auf ein Zehntel von der mit Si eingestellt werden. Indem die Drift-Schicht auf diese Weise dünner gemacht wird, kann der Widerstand der Drift-Schicht stark verringert werden, wodurch der ON-Widerstand des Gesamtelements reduziert werden kann.
  • In einem Leistungswandler eines Wechselrichters oder dergleichen wird ein Leistungshalbleiterschaltelement verwendet. Obwohl die Möglichkeit besteht, dass in einem Leistungswandler aufgrund einer Fehlfunktion oder Fehlverbindung ein Lastkurzschluss auftritt, überwacht ein Steuersystem normalerweise den Laststrom und schützt die Vorrichtung, indem es den Stromkreis im Falle eines Lastkurzschlusses unterbricht. Es ist jedoch eine Zeitdauer von mehreren Mikrosekunden erforderlich, bis das Steuersystem den Lastkurzschluss erkennt und die Schutzschaltung betätigt, weshalb das Halbleiterschaltelement während dieser Zeitdauer einer hohen Spannungs- und Strombelastung ausgesetzt ist.
  • Die Lastkurzschlussfestigkeit ist ein Index, der eine Zeitdauer angibt, während der das Halbleiterschaltelement der hohen Spannungs- und Strombelastung widersteht, bis die Schutzschaltung bei einem Lastkurzschluss betätigt wird, und allgemein wird gefordert, dass das Element nicht zerstört wird, selbst wenn der ON-Zustand bei einem Lastkurzschluss 10 Mikrosekunden lang anhält.
  • Eine Ursache für die Zerstörung eines Elements bei einem Lastkurzschluss ist, dass die Temperatur des Elements aufgrund des enormen Leistungsverlusts, der bei einem Lastkurzschluss auftritt, schnell ansteigt. Da im Falle eines Schaltelements, das Si verwendet, der Bandabstand des Si etwa 1,1 eV beträgt, wird das Si bei einer Temperatur größer oder gleich 200 °C in einen Eigenzustand versetzt, verliert seinen gleichrichtenden Charakter und wird thermisch instabil, wodurch das Element zerstört wird.
  • Obwohl bei einem Halbleiterschaltelement, das SiC oder GaN verwendet, die Schichtdicke der Drift-Schicht ein Zehntel von der mit Si ausmachen kann, wird dadurch eine Wärmekapazität des Elements verringert, weshalb die Wärmeerzeugung bei einem Lastkurzschluss 10 Mal so hoch ist wie bei Si und die Temperatur viel stärker steigt als bei einem Element, das Si verwendet. Bei einem Halbleiter mit großem Bandabstand aus SiC, GaN oder dergleichen ist eine Eigenleitungsdichte niedrig, und theoretisch wird er selbst bei einer hohen Temperatur von 1000 °C nicht in den Eigenzustand versetzt. Bei derart hohen Temperaturen wird jedoch die Zuverlässigkeit anderer Bestandteile des Elements als des Halbleiters, wie z.B. die Elektroden und die Isolierschicht, stark beeinträchtigt, weshalb es notwendig ist, ein anderes Design zur Wärmeabstrahlung oder Schadensbegrenzung vorzusehen als bei einem Element, das Si verwendet.
  • In Patentliteratur 1 wird eine Struktur zur Erhöhung der Lastkurzschlussfestigkeit in einem Halbleiterschaltelement offenbart, das einen Halbleiter mit großem Bandabstand verwendet. Der in Patentliteratur 1 offenbarten Technologie gemäß wird ein Wärmeabstrahlungseffekt erhöht, indem eine Elektrode mit einer Dicke größer gleich 50 µm aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit der Oberfläche eines Elements in Kontakt gebracht wird, der Lastkurzschluss durch einen Stromerkennungstransistor erkannt wird, der mit dem Haupthalbleiterschaltelement parallel geschaltet ist, und die Gatespannung des Haupthalbleiterschaltelements bei einem Lastkurzschluss begrenzt wird.
  • Patentliteratur 2 offenbart eine Technologie zur Erhöhung einer Kurzschlussfestigkeit durch Begrenzen eines Abstands eines Wannenbereichs.
  • Liste der Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung JP 2006-319213A .
    • Patentliteratur 2: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung JP 2012-33731 A .
    DE 11 2012 002 956 T5 offenbart ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen im Oberbegriff der vorliegenden unabhängigen Ansprüche 1 und 7. Weitere herkömmliche Halbleiterbauelemente sind in CN 102201440 A , DE 101 62 242 A1 und DE 198 49 555 A1 beschrieben.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Wie oben beschrieben, besteht beim Betrieb eines Leistungswandlers eines Wechselrichters oder dergleichen unter Verwendung eines Halbleiterschaltelements die Möglichkeit, dass ein Element durch die bei einem Lastkurzschluss verursachte Wärmeerzeugung beschädigt wird. Insbesondere ist in einem Halbleiter mit großem Bandabstand wie SiC oder dergleichen eine Temperaturanstiegsbreite bei einem Lastkurzschluss groß, weshalb es notwendig ist, eine Lastkurzschlussfestigkeit eines Elements sicherzustellen, um eine Zerstörung eines Halbleiterschaltelements zu verhindern. Wenn bei einem Lastkurzschluss ein Verlust unterdrückt wird, indem der Sättigungsstrom in einem einzelnen Halbleiterschaltelement durch ein Verfahren des Verlängerns einer Kanallänge oder dergleichen reduziert wird, stehen der Sättigungsstrom und der ON-Widerstand in einem Konfliktverhältnis, und wenn der Sättigungsstrom abnimmt, nimmt der ON-Widerstand zu. Für die Verlustarmheit von Halbleiterschaltelementen liegt das Problem darin, den Sättigungsstrom zu reduzieren, ohne den On-Widerstand zu erhöhen.
  • Die in Patentliteratur 1 offenbarte Technologie beinhaltet die Bildung einer Elektrode mit großer Dicke wie z.B. 50 µm oder mehr, ferner wird die Zahl der Komponenten zur Strombegrenzung bei einem Lastkurzschluss erhöht, weshalb die Technologie im Hinblick auf die Kosten und die Zuverlässigkeit nachteilig ist.
  • Der in Patentliteratur 2 offenbarten Technologie gemäß erstreckt sich eine Verarmungsschicht selbst im Normalbetrieb von einem Wannenbereich zu einem Drift-Bereich, ein Weg des Stroms, der von einem Kanal zur Drift-Schicht fließt, wird durch die Verarmungsschicht, die sich vom gegenüberliegenden Wannenbereich aus erstreckt, begrenzt, und dadurch wird der ON-Widerstand im Normalbetrieb erhöht. Wenn zudem eine Verunreinigungskonzentration der Drift-Schicht gesenkt wird, um die Durchschlagsfestigkeit eines Elements zu gewährleisten, nimmt eine Ausdehnung der Verarmungsschicht in der Drift-Schicht zu, weshalb die Technologie zur Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit nachteilig ist.
  • In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements, eines Leistungsmoduls und eines Leistungswandlers, deren Sättigungsstrom verringert wird, ohne den ON-Widerstand zu erhöhen, die verlustarm sind und eine große Kurzschlussfestigkeit aufweisen.
  • Lösung der Aufgabe
  • Der vorliegenden Erfindung gemäß wird die obige Aufgabe durch Bereitstellung eines verengten Bereichs gelöst, in welchem ein Body-Bereich und eine Isolierschicht sich mit einem dazwischenliegenden Drift-Bereich gegenüberliegen.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung gemäß wird ein Halbleiterschaltelement bereitgestellt, das in der Lage ist, den Sättigungsstrom zu reduzieren, ohne den ON-Widerstand zu erhöhen, das verlustarm ist und eine große Kurzschlussfestigkeit aufweist. Dadurch kann die Zerstörung eines Leistungswandlers, der dieses Element verwendet, bei einem Lastkurzschluss unterdrückt werden, und es ein Leistungsmodul und ein Leistungswandler können bereitgestellt werden, die verlustarm sind und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Ansicht, die eine IGBT-Struktur eines Vergleichsbeispiels einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 2 ist eine Draufsicht eines n-Kanal-IGBT-Chips, der ein Halbleiterbauelement der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
    • 3 ist eine vergrößerte Draufsicht zur Erläuterung einer aktiven Einheitszelle.
    • 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A - A' von 3 zur Erläuterung der aktiven Einheitszelle.
    • 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht zur Erläuterung eines verengten Bereichs.
    • 6 ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Abstand W zwischen einem Body-Bereich und einer Gate-Isolierschicht im verengten Bereich und einem Sättigungsstrom zeigt.
    • 7 ist eine grafische Darstellung, die eine Strom-Spannungs-Charakteristik eines n-Kanal-IGBT bei einer Änderung des Abstands W zwischen dem Body-Bereich und der Gate-Isolierschicht im verengten Bereich zeigt.
    • 8 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer Querschnittsstruktur eines n-Kanal-IGBT gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 9 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines verengten Bereichs eines n-Kanal-IGBT gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 10 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer Querschnittsstruktur eines n-Kanal-IGBT gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 11 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Leistungswandlers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 12 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Leistungswandlers gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 13 ist eine grafische Darstellung, die eine Schaltungskonfiguration eines Dreiphasenmotorsystems gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 14 ist eine grafische Darstellung, die ein Motorantriebssystem eines Schienenfahrzeugs gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen (Ausführungsbeispielen):
  • Erste Ausführungsform
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. 2 ist eine Draufsicht eines n-Kanal-Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT)-Chips, der ein Halbleiterbauelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Ein Randbereich des Halbleiterchips ist mit einem Abschluss 101 versehen, der einen Endabschnitt des Chips umgibt, und fast der ganze Bereich auf seiner Innenseite ist in einen aktiven Bereich 102 und einen Gate-Pad-Bereich 103 unterteilt. Im aktiven Bereich 102 sind aktive Einheitszellen 104 des Transistors verteilt. Obwohl die aktiven Einheitszellen 104 im gesamten aktiven Bereich 102 verteilt sind, sind sie zur besseren Veranschaulichung nur im zentralen Teil von 2 dargestellt. 3 ist eine vergrößerte Draufsicht zur Erläuterung einer aktiven Einheitszelle 104. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A - A' von 3 zur Erläuterung der aktiven Einheitszelle 104.
  • Wie in 4 zu sehen, ist im Halbleiterbauelement der vorliegenden Ausführungsform in einem SiC-Substrat ein Stickstoff, Phosphor oder dergleichen enthaltender n--Typ-Drift-Bereich 4 auf einer ersten Hauptflächenseite des SiC-Substrats gebildet, und an einem unteren Teil davon, das heißt, auf der zweiten Hauptflächenseite des SIC-Substrats, ist ein Stickstoff, Phosphor oder dergleichen enthaltender n-Typ-Pufferbereich 3 ist gebildet. Hier sind „-“ und „+“ Zeichen, die eine relative Verunreinigungskonzentration leitfähigen Typs eines n-Typs oder eines p-Typs beschreiben, und die Verunreinigungskonzentration nimmt zum Beispiel im Falle eines n-Typs in der Reihenfolge „n“, „n“, „n+“ und „n++“ zu. Obwohl der Pufferbereich 3 nicht unbedingt erforderlich ist, ist der Pufferbereich 3 vorgesehen, um die Durchschlagsfestigkeit zu erhöhen und einen Leitungsverlust zu unterdrücken. An einem Unterteil des Pufferbereichs 3 ist ein p+-Typ-Kollektorbereich 2 gebildet, der Aluminium, Bor oder dergleichen enthält, und eine Kollektorelektrode 1 ist an einem Unterteil davon vorgesehen.
  • Ein p-Typ-Body-Bereich 5, der Aluminium, Bor oder dergleichen enthält, ist im Drift-Bereich 4 gebildet, und ein n+-Typ-Emitterbereich 6, der Stickstoff, Phosphor oder dergleichen enthält, sowie ein p+-Typ-Emitterbereich 7, der Aluminium, Bor oder dergleichen enthält, sind im Body-Bereich 5 gebildet. Eine Gate-Isolierschicht 8 ist gebildet, um einen Teil des n+-Typ-Emitterbereichs 6, des Body-Bereichs 5 und des Drift-Bereichs 4 zu bedecken, und eine Gateelektrode 9 ist vorgesehen, um die Gate-Isolierschicht 8 zu bedecken. Eine Emitterelektrode 10 ist gebildet, um einen restlichen Teil des n+-Typ-Emitterbereichs 6 und des p+-Typ-Emitterbereichs 7 zu bedecken, und eine Isolierzwischenschicht 11 ist gebildet, um die Gateelektrode 9 und die Emitterelektrode 10 zu isolieren.
  • Eine Grabenstruktur 12 ist in einem mittleren Bereich gebildet, in welchem sich Body-Bereiche 5, die im Drift-Bereich 4 benachbart zueinander sind, einander gegenüberliegen, und ein verengter Bereich 13 ist vorgesehen, in welchem sich der Body-Bereich 5 und die Gate-Isolierschicht 8 einander mit dem dazwischen liegenden Drift-Bereich gegenüberliegen. Hier stellen eine Seitenwand und eine Bodenfläche der Grabenstruktur 12 eine Grenze zwischen der Gate-Isolierschicht 8 und der Drift-Schicht 4 dar. Das heißt, die Seitenwand der Grabenstruktur 12 beinhaltet die Gate-Isolierschicht 8. Wenn eine Elementstruktur von einer Oberseite aus gesehen wird, wie in 3 gezeigt, sind entlang einer Längsrichtung der Grabenstruktur 12 die Drift-Schicht 4, der Body-Bereich 5 und der Emitter-Bereich 6 vorhanden. Deshalb ist der Body-Bereich 5 in der Querrichtung der Grabenstruktur 12 in einem Abstand von der Grabenstruktur 12 vorhanden. Ferner ist es wünschenswert, dass ein Endabschnitt 14 in der Längsrichtung der Grabenstruktur 12 mit dem Body-Bereich 5 in Kontakt ist, wie in 3 gezeigt. Dadurch werden die Gate-Isolierschicht 8 und der Body-Bereich 5 am Endabschnitt 14 in der Längsrichtung der Grabenstruktur 12 miteinander in Kontakt gebracht, Strom kann daran gehindert werden, am Endabschnitt 14 in der Längsrichtung zu fließen, und eine den Sättigungsstrom unterdrückende Wirkung, die weiter unten beschrieben wird, kann verbessert werden. Auch wenn der vorliegenden Ausführungsform gemäß der Body-Bereich 5 kontinuierlich bis zu einem Teil davon gebildet ist, der mit dem Endabschnitt 14 in der Längsrichtung der Grabenstruktur 12 in Kontakt ist, kann eine den Sättigungsstrom unterdrückende Wirkung auch verbessert werden, indem eine Verunreinigungskonzentration in der Nachbarschaft des Endabschnitts 14 über die des Body-Bereichs 5 hinaus erhöht wird.
  • Die Kollektorelektrode 1 kann durch ein Sputterverfahren oder ein Metallaufdampfungsverfahren oder dergleichen unter Verwendung eines Metalls wie zum Beispiel Aluminium, Nickel oder Gold oder dergleichen gebildet werden. Der Kollektor 2, der Pufferbereich 3 und der Drift-Bereich 4 können zum Beispiel durch epitaktisches Züchten des Kollektorbereichs 2, des Pufferbereichs 3 und des Drift-Bereichs 4 in dieser Reihenfolge auf einem massiven n-Typ- oder p-Typ-Substrat und anschließendes Polieren des massiven Substrats, oder durch epitaktisches Züchten des Drift-Bereichs 4, des Pufferbereichs 3 und des Kollektorbereichs 2 in dieser Reihenfolge auf einem massiven n-Typ- oder p-Typ-Substrat und anschließendes Polieren des massiven Substrats gebildet werden.
  • Eine Verunreinigungskonzentration des Kollektorbereichs 2 ist zum Beispiel größer oder gleich 1 × 1018 cm-3. Eine Verunreinigungskonzentration des Pufferbereichs 3 ist zum Beispiel ein Wert, der kleiner ist als die Verunreinigungskonzentration des Kollektorbereichs 2. Eine Verunreinigungskonzentration des Drift-Bereichs 4 ist zum Beispiel kleiner als 5 × 1015 cm-3. Der Body-Bereich 5 kann zum Beispiel durch Implantieren einer Verunreinigung oder epitaktisches Züchten in der Drift-Schicht oder dergleichen gebildet werden. Der Emitterbereich 6 ist ein Bereich, der zum Beispiel durch Implantieren einer Verunreinigung gebildet wird, um eine hohe Konzentration von 1 × 1019 cm-3 oder mehr zu erhalten. Die Grabenstruktur 12 kann zum Beispiel durch Trockenätzen oder dergleichen gebildet werden. Die Gate-Isolierschicht 8 kann zum Beispiel durch Trockenätzen zur Bildung der Grabenstruktur 12 und anschließende Feuchtoxidation, Trockenoxidation oder CVD (chemische Gasphasenabscheidung) einer Siliciumoxiddünnschicht (Si02-Dünnschicht) gebildet werden.
  • Die Gateelektrode 9 ist ein Elektrodenbereich, der durch Bilden der Gate-Isolierschicht 8 und durch anschließende CVD von Polysilicium oder durch CVD von amorphem Silicium direkt darauf und anschließendes Denaturieren des amorphen Siliciums zu Polysilicium durch Wärmebehandlung gebildet wird. Die Isolierzwischenschicht 11 kann durch CVD oder dergleichen der Siliciumoxid-Dünnschicht (Si02-Dünnschicht) gebildet werden, und die Emitterelektrode 10 kann durch Sputtern oder ein Metallaufdampfungsverfahren oder dergleichen unter Verwendung eines Metalls aus Aluminium, Titan, Nickel oder dergleichen gebildet werden.
  • 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Nachbarschaft des verengten Bereichs 13. Der vorliegenden Ausführungsform gemäß ist eine Länge L der Gate-Isolierschicht 8, die dem Body-Bereich 5 im verengten Bereich 13 gegenüberliegt, länger als der Abstand W des Body-Bereichs 5 und der Gate-Isolierschicht 8 im verengten Bereich. Der vorliegenden Ausführungsform gemäß entspricht die Länge L der dem Body-Bereich 5 gegenüberliegenden Gate-Isolierschicht einer Tiefe der Grabenstruktur 12. Die Länge L der Gate-Isolierschicht ist zum Beispiel 0,65 µm, und der Abstand W ist zum Beispiel 0,5 µm.
  • Im Falle eines Lastkurzschlusses wird eine Stromquellenspannung zwischen einen Kollektor und einen Emitter eines Elements angelegt, und normalerweise wird der Strom, der dabei fließt, durch eine Sättigungsstromcharakteristik eines Kanalabschnitts bestimmt. Der vorliegenden Ausführungsform gemäß kann ein Strom, der bei einem Lastkurzschluss in einem Element fließt, begrenzt werden, indem der Weg des Stroms, der durch den Kanal mit dem verengten Bereich 13 vom Emitterbereich 6 zum Drift-Bereich 4 fließt, eingeschränkt wird. Der Weg des Stroms, der vom Kanal zum Drift-Bereich 4 fließt, erweitert sich im Drift-Bereich 4 in einem Winkel von etwa 45°, und deshalb kann der Weg des in den Drift-Bereich 4 fließenden Stroms eingeschränkt werden, indem die Länge L größer als der Abstand W gemacht wird. Ferner sind der vorliegenden Ausführungsform gemäß die Grabenstruktur 12 und der Body-Bereich 5 im Endabschnitt 14 in der Längsrichtung der Grabenstruktur 12 miteinander in Kontakt, wie oben beschrieben, wodurch andere Stromwege als der verengte Bereich 13 eingeschränkt und die den Sättigungsstrom unterdrückende Wirkung zusätzlich erhöht werden kann.
  • Im Normalbetrieb erstreckt sich eine Verarmungsschicht im verengten Bereich 13 vom Body-Bereich 5 zum Drift-Bereich 4, und dadurch wird der in den verengten Bereich 13 fließende Strom unterdrückt. Wenn dagegen eine Spannung an die Gateelektrode angelegt wird, wird in einem Bereich im Drift-Bereich 4, der mit der Gate-Isolierschicht 8 in Kontakt ist, eine Anreicherungsschicht mit hoher Elektronenkonzentration gebildet, und deshalb fließt der Strom, der vom Emitterbereich 6 durch den Kanal zum Drift-Bereich 4 fließt, durch die Anreicherungsschicht zum Drift-Bereich 4, nachdem er durch den Kanal geflossen ist. Die Anreicherungsschicht weist eine hohe Elektronenkonzentration auf, und daher fließt der Strom in den verengten Bereich 13, fast ohne unterdrückt zu werden, und eine Zunahme im ON-Widerstand kann verhindert werden.
  • 6 und 7 zeigen ein Ergebnis eines Computerexperiments, das den IGBT der vorliegenden Ausführungsform modelliert. 6 zeigt eine Beziehung zwischen dem Abstand W und einer Sättigungsstromdichte. In diesem Computerexperiment wurde die Sättigungsstromdichte für einen Fall berechnet, in welchem die Länge L 0,65 µm ist, die Gatespannung 15 V ist und die Kollektorspannung die Hälfte der Durchschlagsfestigkeit entspricht. Wie in 6 gezeigt, nimmt die Sättigungsstromdichte nur geringfügig ab, wenn die Größe des Abstands W im Mikrometerbereich liegt, selbst wenn der Abstand W reduziert wird. Wenn der Abstand W dagegen kleiner als 1 µm ist, nimmt die Sättigungsstromdichte einer Abnahme des Abstands W entsprechend ab, und wenn der Abstand W in der Nähe von 0,65 µm liegt, nimmt die Sättigungsstromdichte schnell ab. Auf diese Weise wird eine die Sättigungsstromdichte reduzierende Wirkung erreicht, indem der Abstand W, der die Breite des verengten Bereichs ist, kleiner als 1 µm gemacht wird, das heißt, indem der Abstand W kleiner als ein Submikrometer gemacht wird. Ferner kann der Strom, der bei einem Lastkurzschluss im Element fließt, ausreichend unterdrückt werden, indem die Länge L länger als der Abstand W gemacht wird. 7 zeigt eine Beziehung einer Spannung zwischen Kollektor und Emitter und einer Kollektorstromdichte. Die Berechnungsergebnisse werden jeweils durch eine Strichpunktlinie im Falle eines Abstands W von 1,0 µm, durch eine gestrichelte Linie im Falle eines Abstands W von 0,5 µm und durch eine durchgezogene Linie im Falle einer IGBT-Struktur ohne verengten Bereich gezeigt, wie in 1 als Vergleichsbeispiel dargestellt, wobei die Länge L auf 0,65 µm eingestellt ist und ON-Spannung jeweils 3,6 Volt ist, wenn die Kollektorstromdichte 100 A/cm2 beträgt.
  • Wie oben beschrieben, weist das Halbleiterbauelement der vorliegenden Ausführungsform einen verengten Bereich auf, in welchem der Body-Bereich und die Isolierschicht sich mit dem dazwischen liegenden Drift-Bereich gegenüber liegen, wodurch es in der Lage ist, den Sättigungsstrom ausreichend zu reduzieren und eine Zunahme in der ON-Spannung zu unterdrücken. Ferner ist die vorliegende Erfindung eine Erfindung, die die Isoliergatestruktur der Elementoberfläche betrifft, und daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen IGBT beschränkt, sondern ist auch auf ein Halbleiterschaltelement anwendbar, das die Isoliergatestruktur eines Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder dergleichen aufweist. Bei Anwendung auf ein MOSFET entfällt der p+-Typ-Kollektorbereich 2 der vorliegenden Erfindung. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf eine n-Typ-Kanalstruktur, sondern auch auf eine p-Typ-Kanalstruktur anwendbar. Als Halbleitermaterial für das Halbleiterbauelement sind neben dem SiC in dieser Ausführungsform auch Si oder GaN möglich.
  • Zweite Ausführungsform
  • 8 zeigt eine Querschnittsstruktur eines n-Kanal-IGBT gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ferner zeigt 9 eine vergrößerte Ansicht einer Nachbarschaft des verengten Bereichs 13 der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 9 gezeigt, ist der vorliegenden Ausführungsform gemäß die Länge L der Gate-Isolierschicht des verengten Bereichs 13 im Gegensatz zur ersten Ausführungsform kürzer als die Länge des Body-Bereichs des verengten Bereichs 13, das heißt, als eine Tiefe D des Body-Bereichs 5. Der Rest entspricht der ersten Ausführungsform, und eine Erläuterung davon wird deshalb ausgelassen.
  • Wie in der vorliegenden Ausführungsform liegt ein Endabschnitt der Gate-Isolierschicht 8 in einem Bereich, der zwischen Body-Bereichen 5 liegt, wodurch ein elektrisches Feld, das in einem OFF-Betrieb in der Gate-Isolierschicht 8 erzeugt wird, abgeschwächt wird und die Zuverlässigkeit der Gate-Isolierschicht 8 erhöht werden kann.
  • Dritte Ausführungsform
  • 10 zeigt eine Querschnittsstruktur eines n-Kanal-IGBT gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der dritten Ausführungsform gemäß ist der n--Typ-Drift-Bereich 4, der Stickstoff, Phosphor oder dergleichen enthält, auf einem SiC-Substrat gebildet, und der n-Typ-Pufferbereich 3, der Stickstoff, Phosphor oder dergleichen enthält, ist auf auf einem unteren Teil davon gebildet. Der p+-Typ-Kollektorbereich 2, der Aluminium, Bor oder dergleichen enthält, ist an einem unteren Teil des Pufferbereichs gebildet, und die Kollektorelektrode 1 ist an einem unteren Teil davon vorgesehen. Der p-Typ-Body-Bereich 5, der Aluminium, Bor oder dergleichen enthält, ist im Drift-Bereich 4 gebildet, und der n+-Typ-Emitterbereich 6, der Stickstoff, Phosphor oder dergleichen enthält, sowie der p+ -Typ-Emitterbereich 7, der Aluminium, Bor oder dergleichen enthält, sind im Body-Bereich 5 gebildet. Der verengte Bereich 13, in welchem der Body-Bereich 5 und die Gate-Isolierschicht 8 sich mit dem dazwischen liegenden Drift-Bereich 4 einander gegenüber liegen, wird hergestellt, indem die Grabenstruktur 12 in einem Bereich gebildet wird, wo die Body-Bereiche 5 einander im Drift-Bereich 4 gegenüberliegen. Ferner ist die Gate-Isolierschicht 8 gebildet, um einen Teil des Emitterbereichs 6, des Body-Bereichs 5 und des Drift-Bereichs 4 zu bedecken. Eine erste Gateelektrode 9a ist vorgesehen, um die Gate-Isolierschicht 8 zu bedecken, und eine zweite Gate-Elektrode 9b ist vorgesehen, um die Gate-Isolierschicht 8 des verengten Bereichs 13 zu bedecken. Die erste Gate-Elektrode 9a und die zweite Gate-Elektrode 9b können zum Beispiel wie in der ersten Ausführungsform hergestellt werden, indem eine Schicht aus Polysilicium oder dergleichen gebildet wird, und die Schicht durch Trockenätzen strukturiert wird.
  • Ferner wird die Emitterelektrode 10 gebildet, um einen restlichen Teil des n+-Typ-Emitterbereichs 6 und des p+-Typ-Emitterbereichs 7 zu bedecken, und eine Isolierzwischenschicht 11 wird gebildet, um die erste Gateelektrode 9a, die zweite Gateelektrode 9b und die Emitterelektrode 10 voneinander zu isolieren.
  • Die Schaltgeschwindigkeit einer Inversionsschicht kann erhöht werden, indem eine Gate-Kapazität durch Zweiteilen der Gate-Elektrode reduziert wird, die Inversionsschicht durch eine Gateelektrode gesteuert wird und die Anreicherungsschicht durch die andere Gateelektrode gesteuert wird, wie in der vorliegenden Ausführungsform.
  • Die Gateelektrodenstruktur gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist auch auf andere Halbleiterschaltelemente mit einer MOSFET-Isoliergatestruktur oder dergleichen anwendbar, und ist nicht nur auf eine n-Typ-Kanalstruktur, sondern auch auf eine p-Typ-Kanalstruktur anwendbar. Als Halbleitermaterial sind neben SiC, das in dieser Ausführungsform veranschaulicht ist, zum Beispiel auch Si, GaN oder dergleichen möglich.
  • Vierte Ausführungsform
  • Die vorliegende Ausführungsform ist ein Leistungswandler mit einem Halbleiterbauelement gemäß der dritten Ausführungsform, wie in 11 gezeigt, wobei eine Gatespannung 111 stets an die zweite Gateelektrode 9b angelegt wird, um die Steuerung der Anreicherungsschicht durchzuführen, und ein Ausgang einer Gate-Treiberschaltung 110 verbunden wird, um das Schalten des Elements durchzuführen.
  • Dem Leistungswandler gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Element geschaltet, indem in Betrieb durch die zweite Gateelektrode 9b stets eine Anreicherungsschicht erzeugt wird und durch die erste Gateelektrode 9a eine Inversionsschicht wiederholt erzeugt und aufgehoben wird, wodurch es möglich ist, eine Zunahme der Gatekapazität zu unterdrücken und die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen.
  • Fünfte Ausführungsform
  • Wie in 12 gezeigt, sind dem Leistungswandler der vorliegenden Ausführungsform gemäß die erste Gateelektrode 9a und die zweite Gateelektrode 9b über einen Widerstand 112 und einen Induktor 113 verbunden, und der Ausgang der Gate-Treiberschaltung 110 ist mit der ersten Gateelektrode 9a verbunden.
  • Dem Leistungswandler der vorliegenden Ausführungsform gemäß ist ein Leistungsmodul mit einem Gateanschluss versehen, der zu einem Stück zusammengefasst ist, und der Ausgang der Gate-Treiberschaltung 110 ist mit dem Gateanschluss verbunden. Dadurch wird ein Gate-Steuersignal von der Gate-Treiberschaltung 110 an der ersten Gateelektrode 9a eingegeben. Ferner ist die zweite Gateelektrode 9b über den Widerstand 112 und den Induktor 113 mit dem Gateanschluss verbunden, und das durch den Widerstand 112 und den Induktor 113 verzögerte Gate-Steuersignal wird an der zweiten Gateelektrode 9b eingegeben. In einem Anfangszustand ist eine Gatespannung eingestellt, die an die zweite Gateelektrode 9b angelegt wird, und wenn ein Element betrieben wird, kann die zweite Gateelektrode 9b stets in einem ON-Zustand gehalten werden, indem das Gate-Steuersignal schneller als die Verzögerung durch den Widerstand 112 und den Induktor 113 geschaltet wird. Daher können mithilfe des einzelnen Gateanschlusses des Leistungsmoduls verschiedene Steuersignale an der ersten Gateelektrode 9a und an der zweiten Gateelektrode 9b eingegeben werden, wodurch es möglich ist, eine Erhöhung der Gate-Kapazität zu unterdrücken und die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen.
  • Ferner können der Widerstand 112 und der Induktor 113 mit dem Halbleiterschaltelement im Leistungsmodul integriert sein, weshalb es möglich ist, die Gate-Treiberschaltung 110, die außen angeordnet ist, zu vereinfachen. Dadurch kann der Leistungswandler zu geringen Kosten hergestellt werden.
  • Sechste Ausführungsform
  • Eine sechste Ausführungsform ist ein Dreiphasenmotorsystem, auf welches das Halbleiterschaltelement, das Leistungsmodul oder der Leistungswandler gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
  • 13 zeigt eine Schaltungskonfiguration des Dreiphasenmotorsystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Dem Dreiphasenmotorsystem der vorliegenden Ausführungsform gemäß wird elektrische Energie aus einer Gleichstromquelle durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, und die Drehzahl des Dreiphasenmotors 206 wird geregelt. In jeder Phase eines U-Anschlusses 205, eines V-Anschlusses 206 und eines W-Anschlusses 207 sind der obere Arm 201a und der untere Arm 201b jeweils in Reihe geschaltet, und drei der in Reihe geschalteten Schaltungen sind parallel geschaltet. Jeder Arm 201 ist aus einem Halbleiterschaltelement 202 wie zum Beispiel einen IGBT oder dergleichen und einer Freilaufdiode 203 konfiguriert.
  • Durch Anwendung des Halbleiterschaltelements, des Leistungsmoduls und des Leistungswandlers der ersten bis fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf den oberen Arm 201a und den unteren Arm 201b von 13 ist es möglich, bei Auftritt eines Lastkurzschlusses, der zum Beispiel auf eine rauschbedingte Fehlfunktion oder Fehlverbindung zurückzuführen ist, die durch den Lastkurzschluss verursachte Wärmeerzeugung eines Elements zu unterdrücken. Dadurch kann die wärmebedingte Zerstörung des Elements verhindert werden, bis während des Lastkurzschlusses eine Schutzschaltung betätigt wird, und die Zuverlässigkeit des Leistungswandlers kann erhöht werden.
  • Siebte Ausführungsform
  • Ein Leistungswandler, auf welchen ein Halbleiterschaltelement mit erhöhter Kurzschlussfestigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt wird, ist zum Beispiel auf ein Schienenfahrzeug anwendbar. 14 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels eines Dreiphasenmotorsystems, das auf das Schienenfahrzeug angewandt ist. Ein Hochspannungswechselstrom von zum Beispiel 25 kV oder 15 kV fließt in einer Fahrleitung 301, und das Schienenfahrzeug wird über einen Stromabnehmer 302 mit einem elektrischen Strom versorgt. Der Hochspannungswechselstrom, der dem Schienenfahrzeug zugeführt wird, wird durch einen isolierenden Haupttransformator 303 auf einen Wechselstrom von zum Beispiel 3,3 kV heruntertransformiert und dann durch einen Wandler 305 in einen Gleichstrom von 3,3 kV gleichgerichtet. Dann wird der Gleichstrom durch einen Wechselrichter 307 in Wechselstrom umgewandelt, der gewünschte Dreiphasenwechselstrom wird über einen Kondensator 306 an den Dreiphasenmotor 206 ausgegeben, und der Dreiphasenmotor 206 wird betrieben.
  • Indem das Halbleiterschaltelement, das Leistungsmodul oder der Leistungswandler der ersten bis fünften Ausführungsform auf den Wandler 305 oder auf den Wechselrichter 307 angewandt wird, aus denen das Dreiphasenmotorsystem des Schienenfahrzeugs konfiguriert ist, kann ein Schienenfahrzeug mit niedrigem Stromverbrauch und hoher Zuverlässigkeit bereitgestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1:
    Kollektorelektrode
    2:
    p+-Typ-Kollektorbereich
    3:
    n-Typ-Pufferbereich
    4:
    n--Typ-Drift-Bereich
    5:
    p-Typ-Body-Bereich
    6:
    n+-Typ-Emitter-Bereich
    7:
    p+-Typ-Emitter-Bereich
    8:
    Gate-Isolierschicht
    9:
    Gateelektrode
    10:
    Emitterelektrode
    11:
    Isolierzwischenschicht
    12:
    Grabenstruktur
    13:
    verengter Bereich
    14:
    Endabschnitt in Längsrichtung der Grabenstruktur

Claims (11)

  1. Halbleiterbauelement, umfassend: ein Halbleitersubstrat, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche aufweist; einen Drift-Bereich (4), der auf einer Seite der ersten Hauptfläche im Halbleitersubstrat vorgesehen ist; eine erste Elektrode (1), die auf einer Seite der zweiten Hauptfläche vorgesehen ist; einen Body-Bereich (5), der im Drift-Bereich (4) vorgesehen ist; einen Graben (12), der in einem Abstand (W) vom Body-Bereich (5) im Drift-Bereich (4) vorgesehen ist und eine Seitenwand einer Isolierschicht (8) enthält; und eine zweite Elektrode (9; 9b), die im Graben (12) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (W) kleiner als 1 µm und kürzer als eine Tiefe (L) des Grabens (12) ist, und ein Endabschnitt (14) in einer Längsrichtung des Grabens (12) mit dem Body-Bereich (5) in Kontakt ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei eine Tiefe (D) des Body-Bereichs (5) größer als eine Tiefe (L) des Grabens (12) ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, außerdem umfassend einen Kollektorbereich (2), der auf der Seite der zweiten Hauptfläche vorgesehen ist und einen anderen Leitungstyp als der Drift-Bereich (4) aufweist, wobei der Kollektorbereich (2) mit der ersten Elektrode (1) verbunden ist.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat Siliciumcarbid enthält.
  5. Leistungsmodul, umfassend: das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode (9) mit einem Anschluss verbunden ist, der über einen Induktor (112, 113) mit einem Ausgang einer Gate-Treiberschaltung (110) verbunden ist.
  6. Leistungswandler, umfassend: das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode (9b) über einen Induktor (112, 113) mit einem Ausgang einer Gate-Treiberschaltung (110) verbunden ist.
  7. Halbleiterbauelement, umfassend: ein Halbleitersubstrat, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche aufweist; einen ersten Halbleiterbereich (4), der auf einer Seite der ersten Hauptfläche im Halbleitersubstrat vorgesehen ist und einen ersten Leitungstyp aufweist; eine erste Elektrode (1), die auf einer Seite der zweiten Hauptfläche vorgesehen ist; einen zweiten Halbleiterbereich (7), der im ersten Halbleiterbereich (4) vorgesehen ist und einen zweiten Leitungstyp aufweist, der anders als der erste Leitungstyp ist; einen Graben (12), der im ersten Halbleiterbereich (4) vorgesehen ist und eine Seitenwand aus einer Isolierschicht (8) enthält; und eine zweite Elektrode (9; 9b), die im Graben (12) vorgesehen ist, wobei der zweite Halbleiterbereich (7) in einer Querrichtung des Grabens (12) in Abstand (W) vom Graben (12) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endabschnitt (14) in Längsrichtung des Grabens (12) mit einem dritten Halbleiterbereich (5) in Kontakt ist, der den zweiten Leitungstyp aufweist.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, außerdem umfassend einen vierten Halbleiterbereich (2), der auf der Seite der zweiten Hauptfläche vorgesehen ist und den zweiten Leitungstyp aufweist, wobei der vierte Halbleiterbereich (2) mit der ersten Elektrode (1) verbunden ist.
  9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, wobei das Halbleitersubstrat Siliciumcarbid enthält.
  10. Leistungsmodul, umfassend: das Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, wobei die zweite Elektrode (9) mit einem Anschluss verbunden ist, der über einen Induktor (112, 113) mit einem Ausgang einer Gate-Treiberschaltung (110) verbunden ist.
  11. Leistungswandler, umfassend das Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, wobei die zweite Elektrode (9b) über einen Induktor (112, 113) mit einem Ausgang einer Gate-Treiberschaltung (110) verbunden ist.
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