DE112018007243T5 - Halbleiterelement, halbleitereinheit, leistungswandlervorrichtung und verfahren zur herstellung eines halbleiterelements - Google Patents

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Abstract

Das Ziel besteht darin, eine Technik anzugeben, die in der Lage ist, eine Korrosion einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode zu unterbinden. Ein Halbleiterelement (101) weist Folgendes auf: ein Halbleitersubstrat (1), eine Al-Elektrode (2), ein Polyimid-Element (3), das selektiv auf der Al-Elektrode (2) angeordnet ist, sowie eine Ni-Elektrode (4). Das Polyimid-Element (3) weist einen hervorstehenden Bereich (3a), der in einer Ebenenrichtung einer oberen Oberfläche der Al-Elektrode (2) hervorsteht, auf einem unteren Bereich, der sich in einer Querschnittsansicht in Kontakt mit der Al-Elektrode (2) befindet, in einer Draufsicht in zumindest einem Teil eines peripheren Bereichs des Polyimid-Elements (3) auf. Die Ni-Elektrode (4) ist auf der Al-Elektrode (2) und dem hervorstehenden Bereich (3a) angeordnet.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterelement, eine Halbleitereinheit, eine Leistungswandlervorrichtung sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein Halbleiterelement, das zum Beispiel Silicium (Si) oder Siliciumcarbid (SiC) als ein Basismaterial verwendet, wird häufig in einer Halbleitereinheit genutzt, die bei einem Leistungsmodul eingesetzt wird. Bei einer Erhöhung einer Kapazität des Stroms, der in einem Leistungsmodul fließt, ist ein Betrieb des Leistungsmoduls bei einer Temperatur von über 175 °C erforderlich. Dementsprechend ist es gewünscht, dass die Elektrodenstruktur des Halbleiterelements, das in dem Leistungsmodul verwendet wird, so abgeändert wird, dass sie eine hohe thermische Beständigkeit aufweist.
  • Unter dem Gesichtspunkt einer hohen thermischen Beständigkeit wird üblicherweise ein Leistungsmodul vorgeschlagen, bei dem eine Kühlvorrichtung über ein isolierendes Substrat an das Halbleiterelement gebondet ist. Unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung einer Verformung einer Elektrode des Halbleiterelements aufgrund von thermischen Spannungen wird dagegen eine Struktur zur Reduzierung von thermischen Spannungen vorgeschlagen. Das Patentdokument 1 schlägt zum Beispiel ein Halbleiterelement vor, bei dem eine Puffer-Isolierschicht auf einer Zwischenisolierschicht und einem leitenden Körperbereich als ein Spannungsrelaxationselement angeordnet ist.
  • DOKUMENT ZUM STAND DER TECHNIK
  • Patentdokument
  • Patentdokument 1: Internationale Veröffentlichung WO 2010/125 639 A
  • KURZBESCHREIBUNG
  • Mit der Erfindung zu lösendes Problem
  • Selbst eine Technik, wie vorstehend beschrieben, weist ein Problem dahingehend auf, dass dann, wenn ein Halbleiterelement, das eine hauptsächlich aus Aluminium (Al) bestehende Verdrahtungselektrode aufweist, bei einer Temperatur von über 175 °C betrieben wird, eine Änderung der Form der Verdrahtungselektrode auftritt und die Zuverlässigkeit des Halbleiterelements reduziert wird. Dementsprechend wird eine Konfiguration in Betracht gezogen, bei der das Material der Verdrahtungselektrode, die hauptsächlich aus Al besteht, in einen laminierten Körper aus Nickel (Ni), bei dem es sich um ein Material mit einem hohen Schmelzpunkt handelt, und Al abgeändert wird.
  • Bei dieser Konfiguration wird eine Ni-Schicht in einem Öffnungsbereich einer Polyimid-Schicht gebildet, die auf einer Al-Verdrahtungselektrode ausgebildet ist, um eine Kriechentladung nach einer Bildung der Al-Verdrahtungselektrode zu verhindern. Die Haftkraft zwischen der Ni-Schicht und der Polyimid-Schicht ist jedoch relativ gering, somit entstehen Hohlräume an einer Grenze zwischen diesen, und die Al-Verdrahtungselektrode und eine Elektrode aus der Ni-Schicht werden in einigen Fällen durch die Hohlräume lokal erodiert.
  • Die vorliegende Erfindung wurde daher konzipiert, um Probleme zu lösen, wie sie vorstehend beschrieben sind, und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Technik anzugeben, die in der Lage ist, eine Korrosion einer ersten Elektrode, wie beispielsweise der Al-Verdrahtungselektrode, und einer zweiten Elektrode, wie beispielsweise der Ni-Elektrode, zu unterbinden.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Ein Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine Basis, die einen Halbleiter aufweist; eine erste Elektrode, die auf der Basis angeordnet ist; sowie ein organisches Harzelement, das selektiv auf der ersten Elektrode angeordnet ist, wobei das organische Harzelement einen hervorstehenden Bereich aufweist, der in einer Ebenenrichtung einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode hervorsteht und der einen unteren Bereich, der sich in einer Querschnittsansicht in Kontakt mit der ersten Elektrode befindet, in einer Draufsicht in zumindest einem Teil eines peripheren Bereichs des organischen Harzelements aufweist, wobei das Halbleiterelement ferner eine zweite Elektrode aufweist, die auf der ersten Elektrode und dem hervorstehenden Bereich angeordnet ist.
  • Effekte der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das organische Harzelement einen hervorstehenden Bereich auf, der in einer Ebenenrichtung einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode hervorsteht und der einen unteren Bereich, der sich in einer Querschnittsansicht in Kontakt mit der ersten Elektrode befindet, in einer Draufsicht in zumindest einem Teil eines peripheren Bereichs des organischen Harzelements aufweist, und eine zweite Elektrode ist auf der ersten Elektrode und dem hervorstehenden Bereich angeordnet. Gemäß einer derartigen Konfiguration kann eine Korrosion der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode unterbunden werden.
  • Diese und weitere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch deutlicher ersichtlich.
  • Figurenliste
  • In den Figuren zeigen:
    • 1 eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines ersten entsprechenden Halbleiterelements darstellt;
    • 2 eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Halbleiterelements gemäß einer Ausführungsform 1 darstellt;
    • 3 eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines zweiten entsprechenden Halbleiterelements darstellt;
    • 4 eine Draufsicht, die das zweite entsprechende Halbleiterelement vor einem Wärmezyklus-Test darstellt;
    • 5 eine Draufsicht, die das zweite entsprechende Halbleiterelement nach dem Wärmezyklus-Test darstellt;
    • 6 eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration des zweiten entsprechenden Halbleiterelements darstellt;
    • 7 eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Halbleiterelements gemäß einer Ausführungsform 2 darstellt;
    • 8 eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration des Halbleiterelements gemäß Ausführungsform 2 darstellt;
    • 9 eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration des Halbleiterelements gemäß Ausführungsform 2 darstellt;
    • 10 eine Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Krümmungsradius eines Eckenbereichs und dem Auftreten eines Risses nach dem Wärmezyklus-Test darstellt;
    • 11 eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Halbleiterelements gemäß einer Ausführungsform 3 darstellt;
    • 12 eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Halbleiterelements gemäß einer Ausführungsform 4 darstellt;
    • 13 ein Blockschaubild, das eine Konfiguration einer Leistungswandlervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 5 darstellt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsform 1
  • Bevor ein Halbleiterelement gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, wird ein derartiges Halbleiterelement generell beschrieben, auf das hier Bezug genommen wird (auf das im Folgenden als ein „erstes entsprechendes Halbleiterelement“ Bezug genommen wird).
  • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration des ersten entsprechenden Halbleiterelements darstellt. Das erste Halbleiterelement in 1 weist Folgendes auf: ein Halbleitersubstrat 1, eine Al-Elektrode 2, ein Polyimid-Element 3 sowie eine Ni-Elektrode 4. Wie in 1 dargestellt, befindet sich eine seitliche Oberfläche des Polymid-Elements 3 vertikal zu einer oberen Oberfläche der Al-Elektrode 2.
  • Bei einer derartigen Konfiguration ist die Haftkraft zwischen dem Polyimid-Element 3 und der Ni-Elektrode 4 relativ gering. Wenn ein Zuverlässigkeitstest oder dergleichen an dem Halbleiterelement durchgeführt wird, bei dem das Polyimid-Element 3 und die Ni-Elektrode 4 fest aneinander angebracht sind, entstehen dementsprechend Hohlräume an einer Grenze zwischen dem Polyimid-Element 3 und der Ni-Elektrode 4, und die Al-Elektrode 2 und die Ni-Elektrode 4 erodieren in einigen Fällen lokal durch die Hohlräume. Im Gegensatz dazu kann eine derartige Entstehung von Hohlräumen gemäß einem Halbleiterelement bei Ausführungsform 1 unterbunden werden.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht einer Konfiguration eines Halbleiterelements 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1. In den folgenden Zeichnungen sind den gleichen oder ähnlichen Bestandteilen oder Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie jene vorstehend beschriebenen zugewiesen, und im Folgenden sind vor allem die sich unterscheidenden Komponenten beschrieben.
  • Das Halbleiterelement 101 in 2 weist das Halbleitersubstrat 1, die Al-Elektrode 2, das Polyimid-Element 3 sowie die Ni-Elektrode 4 auf.
  • Bei dem Halbleitersubstrat 1 handelt es sich um eine Basis, die einen Halbleiter aufweist. Die Basis, die den Halbleiter aufweist, ist jedoch nicht auf das Halbleitersubstrat 1 beschränkt, es kann zum Beispiel auch eine Halbleiter-Basis eingesetzt werden. Das Basissubstrat des Halbleitersubstrats 1 kann zum Beispiel Silicium (Si) oder Siliciumcarbid (SiC) aufweisen. Ein Halbleiter mit einer großen Bandlücke, wie beispielsweise SiC, weist eine größere Bandlücke als Si auf, so dass es unter dem Gesichtspunkt einer Erhöhung der Isolationsdurchschlag-Feldstärke des Halbleiterelements 101 und eines Betriebs des Halbleiterelements 101 bei einer hohen Temperatur gleich oder höher als 175 °C vorteilhaft ist, diesen bei dem Halbleitersubstrat 1 einzusetzen. Im Folgenden ist ein Beispiel eines Falls beschrieben, in dem es sich bei dem Halbleitersubstrat 1 um ein SiC-Substrat handelt.
  • Bei der Al-Elektrode 2 handelt es sich um eine erste Elektrode, die auf dem Halbleitersubstrat 1 angeordnet ist. Die erste Elektrode ist jedoch nicht auf eine Elektrode beschränkt, die Aluminium (A1) aufweist, es kann auch irgendeine beliebige Metallschicht, die zum Beispiel aus Al, Kupfer (Cu), AlSi, Nickel (Ni) oder Gold (Au) besteht, oder eine Kombination derselben eingesetzt werden.
  • Bei dem Polyimid-Element 3 handelt es sich um ein organisches Harzelement, das selektiv auf der Al-Elektrode 2 angeordnet ist. Das organische Harz-Element ist jedoch nicht auf Polyimid beschränkt, es kann zum Beispiel auch ein Epoxid-Element und ein Acryl-Element eingesetzt werden.
  • Das Polyimid-Element 3 kann in einer Draufsicht die Gestalt einer Insel, eine ringförmige Gestalt oder eine andere Gestalt aufweisen. Wie in 2 dargestellt, weist das Polyimid-Element 3 einen hervorstehenden Bereich 3a auf, der in einer Ebenenrichtung (einer lateralen Richtung) der oberen Oberfläche der Al-Elektrode 3 hervorsteht und der einen unteren Bereich, der sich in einer Querschnittsansicht in Kontakt mit der Al-Elektrode 2 befindet, in einer Draufsicht in zumindest einem Teil eines peripheren Bereichs des Polyimid-Elements 3 aufweist.
  • Eine obere Oberfläche des hervorstehenden Bereichs 3a ist in Bezug auf die obere Oberfläche der Al-Elektrode 2 geneigt und weist eine schürzenförmige Gestalt auf. In dem Polyimid-Element 3, das den hervorstehenden Bereich 3a mit der in 2 dargestellten Gestalt aufweist, kann durch einen Nass-Ätzprozess eine Struktur gebildet werden, indem zum Beispiel ein Resist, in dem durch einen Photolithograhie-Prozess eine Struktur gebildet wird, als Maske verwendet wird.
  • Bei der Ni-Elektrode 4 handelt es sich um die zweite Elektrode, die in einer Querschnittsansicht auf der Al-Elektrode 2 und dem hervorstehenden Bereich 3a angeordnet ist. Die zweite Elektrode ist jedoch nicht auf eine Elektrode beschränkt, die Ni aufweist, es kann auch irgendeine beliebige Metallschicht, die zum Beispiel aus Ni, Cu, Ag (Silber) oder Au besteht, oder eine Kombination derselben eingesetzt werden.
  • Bei dem Halbleiterelement 101 bei der vorstehend beschriebenen vorliegenden Ausführungsform 1 ist die Ni-Elektrode 4 in einer Querschnittsansicht auf der Al-Elektrode 2 und dem hervorstehenden Bereich 3a angeordnet. Gemäß einer derartigen Konfiguration kann zum Beispiel ein Bereich vergrößert werden, in dem das Polyimid-Element 3 und die Ni-Elektrode 4 benachbart zueinander sind, so dass dadurch die Haftkraft zwischen dem Polyimid-Element 3 und der Ni-Elektrode 4 erhöht wird. Dementsprechend kann das Entstehen der Hohlräume zwischen dem Polyimid-Element 3 und der Ni-Elektrode 4 unterbunden werden, und im Ergebnis kann eine lokale Korrosion der Al-Elektrode 2 und der Ni-Elektrode unterbunden werden.
  • Wenn die Dicke der Ni-Elektrode 4, die nicht auf dem hervorstehenden Bereich 3a angeordnet ist, sondern auf der Al-Elektrode 2 angeordnet ist, geringer als 10 nm ist, findet eine wechselseitige Diffusion zwischen der Ni-Elektrode 4 und der Al-Elektrode 2 als der Basis statt, und in einigen Fällen verschwindet die Ni-Elektrode 4. Wenn die Dicke der Ni-Elektrode 4 größer als 100 µm ist, nimmt ein Verziehen oder Verwerfen eines Wafers, wie beispielsweise des Halbleitersubstrats 1, aufgrund von Schichtspannungen der Ni-Elektrode 4 zu, und zum Beispiel nimmt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Absplitterns oder Abplatzens bei einem nachfolgenden Chip-Vereinzelungsprozess zu. Somit ist die Dicke der Ni-Elektrode 4, die auf der Al-Elektrode 2 angeordnet ist, bevorzugt gleich oder größer als 10 nm und gleich oder geringer als 100 µm.
  • Ausführungsform 2
  • Bevor ein Halbleiterelement gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, wird ein derartiges Halbleiterelement generell beschrieben, auf das hier Bezug genommen wird (auf das im Folgenden als ein „zweites entsprechendes Halbleiterelement“ Bezug genommen wird).
  • 3 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration des zweiten entsprechenden Halbleiterelements darstellt. Das zweite Halbleiterelement in 3 weist Polyimid-Elemente 3b und 3c auf, die über die Al-Elektrode 2 auf dem Halbleitersubstrat 1 angeordnet sind. Das Polyimid-Element 3c weist eine ringförmige Gestalt mit einem Öffnungsbereich auf, der einen Bereich der oberen Oberfläche der Al-Elektrode 2 freilegt, und das Polyimid-Element 3b und die Ni-Elektrode 4 befinden sich in dem Öffnungsbereich.
  • Das Polyimid-Element 3b weist vier Eckenbereiche als Bereiche mit einer konvexen Gestalt auf, die sich in einer Draufsicht von einem peripheren Bereich des Polyimid-Elements 3b nach außen erstreckt. Die sich nach außen erstreckende konvexe Gestalt ist so angeordnet, dass eine Mehrzahl von Elektrodenbereichen unterteilt wird, die auf einer Oberfläche einer Einheit angeordnet sind, wie zum Beispiel eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET).
  • Bei dem zweiten entsprechenden Halbleiterelement ist ein vorderer Bereich von jedem der vier Eckenbereiche des Polyimid-Elements 3b relativ spitz, und ein Krümmungsradius jedes vorderen Bereichs ist geringer als 200 µm. In einer Querschnittsansicht befindet sich der bei der Ausführungsform 1 beschriebene hervorstehende Bereich 3a in dem peripheren Bereich des Polyimid-Elements 3b, der in einer Draufsicht die vier Eckenbereiche aufweist.
  • 4 ist eine Darstellung, die das Bild einer mit einem optischen Mikroskop betrachteten oberen Oberfläche des zweiten entsprechenden Halbleiterelements vor einem Wärmezyklustest darstellt, und 5 ist eine Darstellung, die das Bild einer mit einem optischen Mikroskop betrachteten oberen Oberfläche des zweiten entsprechenden Halbleiterelements nach dem Wärmezyklustest darstellt. In dem Wärmezyklustest wird eine Temperaturänderung zwischen -55 °C und 175 °C inklusive wiederholt. Wie in 4 und 5 dargestellt, tritt in der Ni-Elektrode 4 in der Nähe des Eckenbereichs des Polyimid-Elements 3b nach dem Wärmezyklustest ein Riss 41 auf, der vor dem Wärmezyklustest in der Ni-Elektrode 4 nicht vorhanden war.
  • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Konfiguration des zweiten entsprechenden Halbleiterelements entlang einer Linie A-B in 3 darstellt. In dieser schematischen Querschnittsansicht ist der hervorstehende Bereich 3a des Polyimid-Elements 3b auf der Al-Elektrode 2 angeordnet, und die Ni-Elektrode 4 bedeckt die Al-Elektrode 2 und den hervorstehenden Bereich 3a.
  • Hierbei weisen das Polyimid und das Ni eine thermische Leitfähigkeit von 0,16 W/mK bzw. 4,4 W/mK auf. In der Ni-Elektrode 4 entstehen bei dem Wärmezyklustest benachbart zu dem Polyimid-Element 3b thermische Spannungen, die durch einen Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Polyimid-Elements 3b, das den hervorstehenden Bereich 3a aufweist, und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ni-Elektrode 4 verursacht werden.
  • Insbesondere dehnt sich das gesamte zweite entsprechende Halbleiterelement bei einer hohen Temperatur aus, und anschließend kühlt sich die Ni-Elektrode 4, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, zum Zeitpunkt eines schnellen Abkühlens früher ab, und das Polyimid-Element 4b, das eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist, schrumpft später.
  • Das heißt, sowohl das Polyimid-Element 3b als auch die Ni-Elektrode 4 dehnen sich bei der hohen Temperatur aus, die Ni-Elektrode 4, die einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, ist jedoch in einer Ebenenrichtung (einer lateralen Richtung) durch das Polyimid-Element 3b, das einen hohen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, einer Zugspannung ausgesetzt.
  • Die Ni-Elektrode 4, welche die hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, verliert zum Zeitpunkt des Abkühlens früher Wärme, so dass die Temperatur der Ni-Elektrode 4 niedriger als jene des Polyimid-Elements 3b wird und die Ni-Elektrode 4 schneller als das Polyimid-Element 3b schrumpft, das die geringe thermische Leitfähigkeit aufweist.
  • Dabei ist die Ni-Elektrode 4 durch das Polyimid-Element 3b, in dem die Ausdehnung weiter besteht, einer Zugspannung ausgesetzt. Das Auftreten der vorstehend beschriebenen Spannungen wiederholt sich bei dem Wärmezyklustest, in der Ni-Elektrode 4 entsteht der Riss 41. Im Gegensatz dazu kann gemäß dem im Folgenden beschriebenen Halbleiterelement bei der vorliegenden Ausführungsform 2 das Auftreten von Rissen unterbunden werden.
  • 7 ist eine Draufsicht auf eine Konfiguration des Halbleiterelements 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 2. Das Halbleiterelement 101 weist die Polyimid-Elemente 3b und 3c auf, die über die Al-Elektrode 2 als Polyimid-Element 3 auf dem Halbleitersubstrat 1 angeordnet sind. Bei dem Halbleiterelement 101 in 7 ist der vordere Bereich von jedem der vier Eckenbereiche des Polyimid-Elements 3b relativ flach und weist einen Krümmungsradius gleich oder größer als 200 µm auf.
  • 8 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Konfiguration des Halbleiterelements 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 2 entlang einer Linie A-B in 7, und 9 ist eine Darstellung, in der ein Bereich von 8 vergrößert ist. Wie in 8 und 9 dargestellt, weist der hervorstehende Bereich 3a des Polyimid-Elements 3b eine Gestalt auf, die in einer Richtung aus der Ebene heraus (einer vertikalen Richtung) dünner und in der Ebenenrichtung (der lateralen Richtung) breiter als die Gestalt des hervorstehenden Bereichs 3a in 6 ist.
  • In 6 und 9 sind Umriss-Pfeile gezeigt, die jeweils die Richtung der Zugspannung anzeigen, der die Ni-Elektrode 4 durch das Polyimid-Element 3b in dem Wärmezyklustest ausgesetzt ist. In der folgenden Beschreibung wird auf das Verhältnis einer Dicke h2 zu einer Dicke h1, die in 6 und 9 dargestellt sind, als ein „Dickenverhältnis“ Bezug genommen. Bei der Dicke h1 handelt es sich um die Dicke der Ni-Elektrode 4, die auf der Al-Elektrode 2 angeordnet ist, und bei der Dicke h2 handelt es sich um eine minimale Dicke der Ni-Elektrode 4, die auf dem hervorstehenden Bereich 3a angeordnet ist.
  • Bei einer Konfiguration, bei der das Dickenverhältnis so groß ist, wie es in 6 der Fall ist, konzentrieren sich die Spannungen auf der Oberfläche der Ni-Elektrode 4. Wenn das Dickenverhältnis der Ni-Elektrode 4 groß wird, konzentriert sich auf diese Weise die Zugspannung durch das Polyimid-Element 3b auf die Ni-Elektrode 4 an einer Position in der Ni-Elektrode, an der das Dickenverhältnis am größten ist, und die Ni-Elektrode 4 kann der Spannung nicht standhalten, und der Riss 41 entsteht zum Beispiel an dieser Position.
  • Bei einer Konfiguration, bei der das Dickenverhältnis klein ist und eine Änderung der Dicke der Ni-Elektrode 4 so gering ist, wie es in 9 der Fall ist, verteilt sich im Gegensatz dazu die Zugspannung durch das Polyimid-Element 3b auf die Ni-Elektrode 4, die durch einen Unterschied zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten von Polyimid und Ni entsteht, das heißt, die Spannung an der Oberfläche der Ni-Elektrode 4, und wird reduziert.
  • Durch den Test, der von den Erfindern durchgeführt worden ist, ist der Sachverhalt klar erkennbar, dass das Entstehen des Risses 41 signifikant unterbunden wird, wenn das Dickenverhältnis gleich oder größer als 0,4 ist. Insbesondere wird der Riss 41 in einem Fall unterbunden, in dem die Dicke der Ni-Elektrode 4 auf der Al-Elektrode 2 gleich 5 µm ist, wenn die minimale Dicke der Ni-Elektrode 4 auf dem hervorstehenden Bereich 3a gleich oder größer als 2 µm ist, und in einem Fall, in dem die Dicke der Ni-Elektrode 4 auf der Al-Elektrode 2 gleich 10 µm ist, wird der Riss 41 unterbunden, wenn die Dicke der Ni-Elektrode 4 auf dem hervorstehenden Bereich 3a gleich oder größer als 4 µm ist.
  • Als Nächstes wird der Zusammenhang zwischen dem Krümmungsradius des Eckenbereichs des Polyimid-Elements 3b in einer Draufsicht und dem Entstehen von Rissen nach dem Wärmezyklustest untersucht. 10 ist eine Darstellung, die ein Resultat der Untersuchung zeigt. In 10 wird eine Ermittlung eines Risses x dem Halbleiterelement zugewiesen, bei dem der Riss entstanden ist, und eine Ermittlung eines Risses ◯ wird dem Halbleiterelement zugewiesen, bei dem kein Riss entstanden ist. Wie in 10 dargestellt, wird die Ermittlung eines Risses o zugewiesen, wenn der Krümmungsradius gleich oder größer als 200 µm ist. Es wird in Betracht gezogen, dass der Grund dafür darin liegt, dass die Konzentration der Spannungen reduziert wird, die in dem Eckenbereich des Polyimid-Elements 3b auftreten.
  • Es wird außerdem in Betracht gezogen, dass dann, wenn der Krümmungsradius groß ist, eine Variation der Dicke der Ni-Elektrode 4, die auf dem hervorstehenden Bereich 3a eines Eckenbereichs des Polyimid-Elements 3b angeordnet ist, und darüber hinaus das Dickenverhältnis reduziert werden und im Ergebnis die Konzentration der Spannungen reduziert wird.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterelements 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 2 in Kürze beispielhaft aufgezeigt. Zunächst wird eine Oberfläche einer Einheit auf einer ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 1 gebildet. Bei der Oberfläche der Einheit handelt es sich zum Beispiel um eine Oberfläche auf der Source-Seite eines MOSFET. Bei diesem Prozess wird die Al-Elektrode 2 in 8, welche die Verdrahtungselektrode bildet, auf der ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 1 gebildet.
  • Die Al-Elektrode 2 besteht aus Al, einer Al-Legierung oder einem laminierten Körper aus denselben. In der Al-Elektrode 2 wird durch einen Ätzprozess eine Struktur gebildet, indem zum Beispiel ein Resist, in dem mittels eines Photolithographie-Prozesses eine Struktur gebildet wird, als eine Maske verwendet wird. Als Nächstes wird eine Polyimid-Schicht gebildet, die zu den Polyimid-Elementen 3b und 3c werden soll, um zum Beispiel eine Kriechentladung zu verhindern. Die Polyimid-Schicht wird zum Beispiel mittels eines Aufschleuder-Verfahrens gebildet, und die Dicke der Polyimid-Schicht liegt in einem Bereich von 3 µm bis 100 µm.
  • Als Nächstes wird das Resist, in dem mittels eines Photolithographie-Prozesses eine Struktur gebildet wird, auf der Polyimid-Schicht gebildet. Dann wird ein Ätzprozess unter Verwendung einer Resist-Struktur als einer Maske durchgeführt, so dass dadurch die Polyimid-Elemente 3b und 3c gebildet werden. Als Nächstes wird die Ni-Elektrode 4 auf der Al-Elektrode 2 gebildet, die durch einen Öffnungsbereich in dem Polyimid-Element 3c freiliegt. Die Ni-Elektrode 4 wird zum Beispiel mittels eines stromlosen Plattierungsprozesses gebildet. Eine die Ni-Elektrode 4 bedeckende Au-Schicht kann gebildet werden, um eine Oxidation der Ni-Elektrode 4 zu verhindern.
  • Die Mehrzahl von Halbleiterelementen 101 wird üblicherweise in demselben Halbleiterwafer hergestellt. Somit ist 7 zum Beispiel eine Darstellung, die den Fokus auf eines der Mehrzahl von Halbleiterelementen 101 richtet, die parallel hergestellt werden. Der Halbleiterwafer wird als ein Halbleitersubstrat oder eine Halbleiterbasis für die Mehrzahl von Halbleiterelementen 101 verwendet. Unmittelbar nach der Beendigung der Herstellung der Halbleiterelemente 101 wird die Mehrzahl der Halbleiterelemente 101 über die Halbleiterbasis miteinander verbunden, so dass die Halbleiterelemente 101 jeweils durch einen Chip-Vereinzelungsprozess abgetrennt werden.
  • Gemäß dem vorstehend beschriebenen Halbleiterelement 101 bei der vorliegenden Ausführungsform 2 ist ein Krümmungsradius eines Bereichs, in dem der hervorstehende Bereich 3a ausgebildet ist, gleich oder größer als 200 µm, und das Dickenverhältnis ist gleich oder größer als 0,4. Gemäß einer derartigen Konfiguration kann zum Beispiel das Entstehen von Rissen in dem Eckenbereich unterbunden werden.
  • Ausführungsform 3
  • 11 ist eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer Halbleitereinheit 102 gemäß einer Ausführungsform 3 darstellt. Die Halbleitereinheit 102 in 11 weist Folgendes auf: das Halbleiterelement 101, ein Substrat-Bonding-Material 15, bei dem es sich um ein erstes Bonding-Material handelt, ein isolierendes Substrat 14, ein Bonding-Material 12, bei dem es sich um ein zweites Bonding-Material handelt, ein Kühlelement 11, eine Pufferplatte 21, ein Bonding-Material 20, bei dem es sich um ein drittes Bonding-Material handelt, eine Kupferplatte 22 sowie eine Verdrahtung 23.
  • Das Halbleiterelement 101 ist über das Bonding-Material 20 an die eine Oberfläche der Pufferplatte 21 gebondet. Die Pufferplatte 21 weist zum Beispiel eine Kupferplatte sowie Invar auf. Die andere Oberfläche der Pufferplatte 21 ist mit der Verdrahtung 23 verbunden. Dementsprechend ist die Verdrahtung 23 mit dem Halbleiterelement 101 elektrisch verbunden. Die Verdrahtung weist Al oder Cu auf und besteht zum Beispiel aus Al, einer AI-Legierung, Cu, einer Cu-Legierung sowie einem Verbundmaterial aus denselben. Die Pufferplatte 21 ist über die Verdrahtung 23 mit der Kupferplatte 22 elektrisch verbunden.
  • Bei dem isolierenden Substrat 14 handelt es sich zum Beispiel um eine isolierende Keramik als eine isolierende Platte, und es weist die eine Oberfläche auf, auf der eine leitfähige Platte 13a angeordnet ist, bei der es sich um eine erste leitfähige Platte handelt, und weist die andere Oberfläche auf, auf der eine leitfähige Platte 13b angeordnet ist, bei der es sich um eine zweite leitfähige Platte handelt. Mit anderen Worten, es befindet sich das isolierende Substrat 14 sandwichartig zwischen der leitfähigen Platte 13a und der leitfähigen Platte 13b. Die leitfähige Platte 13a, die leitfähige Platte 13b und das isolierende Substrat 14 werden zum Beispiel unter Verwendung eines Hartlotmaterials vorab miteinander integriert.
  • Die leitfähige Platte 13a befindet sich in Kontakt mit dem Substrat-Bonding-Material 15. Somit ist das Halbleiterelement 101 über das Substrat-Bonding-Material 15 auf der leitfähigen Platte 13a auf dem isolierenden Substrat 14 angeordnet und ist indirekt an die leitfähige Platte 13a gebondet. Bei einer Konfiguration jedoch, bei der das Halbleiterelement 101 und das isolierende Substrat 14 durch ein direktes Bonding gebondet werden, wie beispielsweise durch ein Cu-Festkörper-Diffusions-Bonding oder ein Ultraschall-Bonding, fungiert eine Grenzschicht zwischen dem Halbleiterelement 101 und dem isolierenden Substrat 14 als das erste Bonding-Material, so dass das Substrat-Bonding-Material 15 weggelassen werden kann.
  • Die leitfähige Platte 13b liegt dem Kühlelement 11 gegenüber und ist über das Bonding-Material 12 an das Kühlelement 11 gebondet. Dementsprechend ist das Kühlelement 11 über das Bonding-Material 12 an die leitfähige Platte 14b auf dem isolierenden Substrat 14 gebondet.
  • Das Halbleiterelement 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 3 weist Folgendes auf: die Al-Elektrode 2, das Polyimid-Element 3, die Ni-Elektrode 4 sowie eine Halbleiterbasis 16. Das Halbleiterelement 101 weist ferner eine nicht gezeigte rückseitige externe Ausgangselektrode auf einer Oberfläche auf, die einer Oberfläche (einer unteren Seite in der Zeichnung) gegenüberliegt, an der die Al-Elektrode 2 ausgebildet ist. Die Halbleiterbasis 16 weist eine Konfiguration ähnlich wie jene des bei den Ausführungsformen 1 und 2 beschriebenen Halbleitersubstrats 1 auf, und das Halbleiterelement 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 3 weist eine Konfiguration ähnlich wie jene des bei den Ausführungsformen 1 und 2 beschriebenen Halbleiterelements 101 auf.
  • Bei einem Basismaterial der Halbleiterbasis 16 kann es sich zum Beispiel um Si oder SiC handeln. Der Halbleiter mit einer großen Bandlücke, wie beispielsweise SiC, weist eine größere Bandlücke als Si auf, so dass es unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung einer Isolationsdurchschlag-Feldstärke des Halbleiterelements 101 und eines Betriebs des Halbleiterelements 101 bei einer hohen Temperatur gleich oder höher als 175 °C vorteilhaft ist, diesen für die Halbleiterbasis 16 einzusetzen. Im Folgenden ist ein Beispiel eines Falls beschrieben, in dem es sich bei der Halbleiterbasis 16 um eine SiC-Basis handelt.
  • Bei der Al-Elektrode 2 handelt es sich um eine Verdrahtungselektrode, die auf der Halbleiterbasis 16 angeordnet ist. Die Verdrahtungselektrode ist jedoch nicht auf eine Elektrode beschränkt, die Al aufweist, es kann auch irgendeine beliebige Metallschicht, die zum Beispiel aus Al, Cu, AlSi, Ni oder Au besteht, oder eine Kombination derselben eingesetzt werden. Bei der vorstehenden nicht gezeigten rückseitigen externen Ausgangselektrode kann es sich um irgendeine beliebige Metallschicht handeln, die zum Beispiel aus Al, AlSi, Ni oder Au besteht, oder es kann auch eine Kombination derselben eingesetzt werden.
  • Für das Substrat-Bonding-Material 15 kann auch ein bei einer niedrigen Temperatur gesintertes Material aus Silber-Nanopartikeln, ein Flüssigphasendiffusions-Bonding-Material, wie beispielsweise Cu-Sn oder Ag-Sn, oder ein Bonding-Material eingesetzt werden, bei dem es sich um einen guten elektrischen oder thermischen Leiter handelt, wie beispielsweise ein Lot.
  • Für die leitfähigen Platten 13a und 13b kann ein guter elektrischer oder thermischer Leiter eingesetzt werden, wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder eine Legierung aus diesen Materialien. Wenn für die leitfähigen Platten 13a und 13b Kupfer eingesetzt wird, liegt die Dicke derselben zum Beispiel in einem Bereich von 0,2 mm bis 1,0 mm, und der lineare Ausdehnungskoeffizient derselben ist gleich 17 ppm.
  • Für das isolierende Substrat 14 kann eine Keramik eingesetzt werden, bei der es sich unter einem elektrischen Gesichtspunkt um einen isolierenden Körper handelt und die ein guter thermischer Leiter ist, wie beispielsweise Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid. Wenn für das isolierende Substrat 14 Siliciumnitrid eingesetzt wird, liegt die Dicke desselben in einem Bereich von 0,1 mm bis 1,00 mm, und der lineare Ausdehnungskoeffizient desselben ist zum Beispiel gleich 2,5 ppm. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des isolierenden Substrats 14 in seiner Gesamtheit, das die vorstehend beschriebenen leitfähigen Platten 13a und 13b kombiniert, kann zum Beispiel mit 5,7 ppm bis 8,9 ppm abgeschätzt werden.
  • Für das Bonding-Material 12 kann ein bei einer niedrigen Temperatur gesintertes Material aus Silber-Nanopartikeln, ein Flüssigphasendiffusions-Bonding-Material, wie beispielsweise Cu-Sn oder Ag-Sn, oder ein Bonding-Material eingesetzt werden, bei dem es sich zum Beispiel um einen guten thermischen Leiter handelt, wie beispielsweise ein Lot. Wenn das Bonding durch einen Lötprozess durchgeführt wird, ist es bevorzugt, auf eine Fließspannung oder Streckspannung eines Lotmaterials zu achten, und es ist zum Beispiel ein Hochintensitätslot bevorzugt, wie beispielswiese Sn-Cu-Sb.
  • Das Kühlelement 11 ist zum Beispiel aus einem Metallmaterial mit einer guten thermischen Leitfähigkeit gebildet, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium.
  • Bei einer derartigen Konfiguration ist der thermische Widerstand von dem Halbleiterelement 101 zu dem Kühlelement 11 gering. Dementsprechend wird die Wärme von dem Halbleiterelement 101 mit einer ausgezeichneten thermischen Leitfähigkeit auf das Kühlelement 11 übertragen.
  • Thermische Spannungen, die durch den Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterelements 101 und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlelements 11 verursacht werden, werden größtenteils durch eine plastische Verformung des Halbleiterelements 11 aufgenommen oder absorbiert. Somit ist die Zuverlässigkeit des Bondings zwischen dem isolierenden Substrat 14 und dem Kühlelement 11 ausreichend sichergestellt.
  • In Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlelements 11, bei dem es sich um einen guten thermischen Leiter handelt, und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des isolierenden Substrats 14 und des Halbleiterelements 101 tritt bei dem Wärmezyklustest im Allgemeinen eine Biegung in der Halbleitereinheit 102 auf. Somit nehmen die Spannungen, die in dem Substrat-Bonding-Material 15 entstehen, mit einer Vergrößerung dieser Biegung zu.
  • Bei einem Modulaufbau mit direkter Kühlung, der bei der vorliegenden Ausführungsform 3 verwendet wird, ist das Bonding-Material 12, bei dem zum Beispiel das Lot eingesetzt wird, direkt mit dem Kühlelement 11 verbunden. Das Kühlelement 11 ist an das isolierende Substrat 14 gebondet, an dem das Halbleiterelement 101 über das Bonding-Material 12 durch Substrat-Bonding angebracht ist. Somit tritt leicht die Biegung auf, die durch den Unterschied zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlelements 11 und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des isolierenden Substrats 14 und des Halbleiterelements 101 verursacht wird.
  • Somit ist eine (nicht gezeigte) Basisplatte, die ein Kupfermaterial aufweist, bevorzugt über ein Fett an das Kühlelement 11 gebondet. In diesem Fall ist das isolierende Substrat 14, an welches das Halbleiterelement 101 durch Substrat-Bonding angebracht ist, zum Beispiel über ein Bonding-Material, für das ein Lot eingesetzt wird, an die Basisplatte gebondet.
  • Dementsprechend wird die Biegung, die durch den Unterschied zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlelements 11 und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des isolierenden Substrats 14 und des Halbleiterelements 101 verursacht wird, durch das Fett und die Basisplatte reduziert, so dass dadurch die Biegung im Vergleich zu dem Fall des Modulaufbaus mit einer direkten Kühlung reduziert wird. Das heißt, die in dem Substrat-Bonding-Material 15 entstehenden Spannungen werden reduziert.
  • Ausführungsform 4
  • 12 ist eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau der Halbleitereinheit 102 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 4 darstellt. Bei der Halbleitereinheit 102 in 12 ist die Kupferplatte 22 mittels eines Bonding-Materials 24 anstelle der Verdrahtung 23 in der Halbleitereinheit 102 gemäß Ausführungsform 3 an die Pufferplatte 21 gebondet. Das heißt, die Pufferplatte 21 weist die eine Oberfläche auf, die über das Bonding-Material 20 an das Halbleiterelement 101 gebondet ist, und weist die andere Oberfläche auf, die mittels des Bonding-Materials 24 mit der Kupferplatte 22 verbunden ist, bei der es sich um die Metallplatte handelt. Die Kupferplatte 22 ist mit dem Halbleiterelement 101 elektrisch verbunden. Die sonstige Konfiguration der Halbleitereinheit 102 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 4 ist ähnlich wie bei der Halbleitereinheit 102 gemäß Ausführungsform 3.
  • Bei der vorstehenden Konfiguration kann für das Bonding-Material 24, das die Pufferplatte 21 und die Kupferplatte 22 aneinander bondet, zum Beispiel ein bei einer niedrigen Temperatur gesintertes Material aus Silber-Nanopartikeln, ein Pastenmaterial aus Silber, ein Flüssigphasendiffusions-Bonding-Material, wie beispielsweise Cu-Sn oder Ag-Sn, oder ein Bonding-Material eingesetzt werden, bei dem es sich um einen guten thermischen Leiter handelt, wie beispielsweise ein Lot. Wenn das Bonding durch Löten durchgeführt wird, ist es bevorzugt, auf eine Fließspannung oder Streckspannung eines Lotmaterials zu achten, und zum Beispiel ist ein Hochintensitätslot bevorzugt, wie beispielsweise Sn-Cu-Sb.
  • Das Halbleiterelement 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 4 ist der Halbleitereinheit 101 gemäß Ausführungsform 3 ähnlich. Das Halbleiterelement 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 4 ist über das Substrat-Bonding-Material 15 an die eine Oberfläche des isolierenden Substrats 14 gebondet. Die andere Oberfläche des isolierenden Substrats 14 ist über das Bonding-Material 12 an das Kühlelement 11 gebondet.
  • Bei dem isolierenden Substrat 14 handelt es sich zum Beispiel um eine isolierende Keramik als eine isolierende Platte, und es weist die eine Oberfläche auf, auf der eine leitfähige Platte 13a angeordnet ist, bei der es sich um eine erste leitfähige Platte handelt, und weist die andere Oberfläche auf, auf der eine leitfähige Platte 13b angeordnet ist, bei der es sich um eine zweite leitfähige Platte handelt.
  • Mit anderen Worten, es befindet sich das isolierende Substrat 14 sandwichartig zwischen der leitfähigen Platte 13a und der leitfähigen Platte 13b. Die leitfähige Platte 13a, die leitfähige Platte 13b und das isolierende Substrat 14 werden zum Beispiel unter Verwendung eines Hartlotmaterials vorab miteinander integriert.
  • Ausführungsform 5
  • Bei einer Leistungswandlervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Leistungswandlervorrichtung, die eine Hauptwandlerschaltung mit einem Siliciumcarbid-Halbleiterelement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 4 aufweist. Wenngleich das vorstehend beschriebene Halbleiterelement nicht auf eine spezielle Leistungswandlervorrichtung beschränkt ist, ist im Folgenden als Ausführungsform 5 ein Fall beschrieben, bei dem das Halbleiterelement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 4 bei einem Dreiphasen-Wechselrichter eingesetzt wird.
  • 13 ist ein Blockschaubild, das eine Konfiguration eines Leistungswandlersystems darstellt, bei dem die Leistungswandlervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform 5 eingesetzt wird.
  • Das in 13 dargestellte Leistungswandlersystem besteht aus einer Stromquelle 100, einer Leistungswandlervorrichtung 200 und einer Last 300. Die Stromquelle 100, bei der es sich um eine Gleichstromquelle handelt, führt der Leistungswandlervorrichtung 200 einen Gleichstrom zu. Die Stromquelle 100 kann aus verschiedenen Arten von Stromquellen bestehen, so dass sie zum Beispiel aus einem Gleichstromsystem, einer Solarbatterie oder einer Speicherbatterie bestehen kann oder aus einer Gleichrichterschaltung bestehen kann, die mit einem Wechselstromsystem oder einem Wechselstrom-/Gleichstrom-Wandler verbunden ist. Die Stromquelle 100 kann außerdem aus einem Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandler bestehen, der einen Gleichstrom, der aus dem Gleichstromsystem abgegeben wird, in einen vorgegebenen Strom umwandeln kann.
  • Die Leistungswandlervorrichtung 200, bei der es sich um einen Dreiphasen-Wechselrichter handelt, der zwischen die Stromquelle 100 und die Last 300 geschaltet ist, wandelt den von der Stromquelle 100 zugeführten Gleichstrom in einen Wechselstrom um, um den Wechselstrom der Last 300 zuzuführen. Wie in 13 dargestellt, weist die Leistungswandlervorrichtung 200 Folgendes auf: eine Hauptwandlerschaltung 201, die den eingegebenen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt und den Wechselstrom ausgibt, eine Treiberschaltung 202, die ein Treibersignal zum Treiben jedes Schaltelements in der Hauptwandlerschaltung 201 ausgibt, sowie eine Steuerschaltung 203, die ein Steuersignal zum Steuern der Treiberschaltung 202 an die Treiberschaltung 202 ausgibt.
  • Bei der Last 300 handelt es sich um einen Dreiphasen-Elektromotor, der durch den von der Leistungswandlervorrichtung 200 zugeführten Wechselstrom angetrieben wird. Die Last 300 dient nicht einem speziellen Verwendungszweck, sondern ist ein Elektromotor, der an verschiedenen Arten von elektrischen Vorrichtungen montiert ist, so dass sie zum Beispiel als Elektromotor für ein Hybrid-Fahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Schienenfahrzeug, einen Fahrstuhl oder eine Klimaanlage verwendet wird.
  • Im Folgenden wird die Leistungswandlervorrichtung 200 im Detail beschrieben. Die Hauptwandlerschaltung 201 weist ein Schaltelement und eine Reflux-Diode auf (nicht gezeigt), und wenn ein Schalten des Schaltelements durchgeführt wird, so wird der von der Stromquelle 100 zugeführte Gleichstrom in einen Wechselstrom umgewandelt und dann der Last 300 zugeführt. Hierbei kann es sich bei der Gate-Spannung, mit der das Schaltelement ausgeschaltet wird, um die gleiche Spannung wie die Source-Spannung handeln, oder sie kann im Vergleich zu der Source-Spannung auch auf einer Minus-Seite vorgegeben sein.
  • Die Hauptwandlerschaltung 201 weist verschiedene Arten von speziellen Schaltungskonfigurationen auf, und bei der Hauptwandlerschaltung 201 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 5 handelt es sich um eine Dreiphasen-Vollbrückenschaltung mit zwei Stufen, und die Dreiphasen-Vollbrückenschaltung kann aus sechs Schaltelementen und sechs Reflux-Dioden bestehen, die jeweils antiparallel zu den Schaltelementen geschaltet sind.
  • Das Siliciumcarbid-Halbleiterelement gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 4 wird bei jedem Schaltelement der Hauptwandlerschaltung 201 eingesetzt. Das heißt, die Hauptwandlerschaltung 201 weist eine Halbleitereinheit auf, die das Siliciumcarbid-Halbleiterelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
  • Jeweils zwei Schaltelemente von den sechs Schaltelementen sind in Reihe miteinander geschaltet, so dass sie obere und untere Zweige bilden, und jeder von den oberen und unteren Zweigen bildet jeweils eine Phase (U-Phase, V-Phase und W-Phase) der Vollbrückenschaltung. Ein Ausgangsanschluss von jedem der oberen und unteren Arme, das heißt, drei Ausgangsanschlüsse der Hauptwandlerschaltung 201, sind mit der Last 300 verbunden.
  • Die Treiberschaltung 202 erzeugt das Treibersignal zum Treiben des Schaltelements der Hauptwandlerschaltung 201 und führt das Treibersignal einer Steuerelektrode des Schaltelements der Hauptwandlerschaltung 201 zu.
  • Insbesondere gibt die Treiberschaltung 202 das Treibersignal zum Schalten des Schaltelements in einen EIN-Zustand und das Treibersignal zum Schalten des Schaltelements in einen AUS-Zustand gemäß dem Steuersignal von der im Folgenden beschriebenen Steuerschaltung 203 an die Steuerelektrode jedes Schaltelements aus.
  • Bei dem Treibersignal handelt es sich um ein Spannungssignal (ein EIN-Signal), das gleich einer Schwellenspannung des Schaltelements oder höher als diese ist, wenn das Schaltelement im Ein-Zustand gehalten wird, und bei dem Treibersignal handelt es sich um ein Spannungssignal (ein AUS-Signal), das gleich der Schwellenspannung des Schaltelements oder geringer als diese ist, wenn das Schaltelement im AUS-Zustand gehalten wird.
  • Die Steuerschaltung 203 steuert das Schaltelement der Hauptwandlerschaltung 201 so, dass der Last 300 ein gewünschter Strom zugeführt wird. Insbesondere berechnet die Steuerschaltung 203 einen Zeitpunkt, zu dem jedes Schaltelement der Hauptwandlerschaltung 201 in den EIN-Zustand gelangen soll (EIN-Zeitpunkt), basierend auf dem elektrischen Strom, welcher der Last 300 zugeführt werden muss. Die Steuerschaltung 203 kann die Hauptwandlerschaltung 201 zum Beispiel steuern, indem eine Pulsbreitenmodulations(PWM)-Steuerung durchgeführt wird, um den EIN-Zeitpunkt des Schaltelements gemäß der Spannung zu modulieren, die ausgegeben werden muss.
  • Dann gibt die Steuerschaltung 203 jedes Mal eine Steueranweisung (ein Steuersignal) an die Treiberschaltung 202 aus, so dass die Treiberschaltung 202 das EIN-Signal an das Schaltelement ausgibt, das in den Ein-Zustand gelangen soll, und das AUS-Signal an das Schaltelement ausgibt, das in den AUS-Zustand gelangen soll. Die Treiberschaltung 202 gibt das Ein-Signal oder das AUS-Signal gemäß dem Steuersignal als das Treibersignal an die Steuerelektrode jedes Schaltelements aus.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Leistungswandlervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform 5 wird ein Siliciumcarbid-Halbleiterelement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 4 als Schaltelement in der Hauptwandlerschaltung 201 eingesetzt, so dass eine Leistungswandlervorrichtung erzielt werden kann, bei der eine Korrosionsbeständigkeit erhöht ist.
  • Obwohl bei der vorstehend beschriebenen vorliegenden Ausführungsform 5 ein Beispiel beschrieben ist, bei dem das Halbleiterelement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 4 bei einem Dreiphasen-Wechselrichter mit zwei Stufen eingesetzt wird, ist die vorliegende Ausführungsform 5 nicht auf diesen beschränkt, sondern kann bei verschiedenen Leistungswandlervorrichtungen eingesetzt werden. Obwohl es sich bei der Leistungswandlervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform 5 um eine Leistungswandlervorrichtung mit zwei Stufen handelt, kann auch eine Leistungswandlervorrichtung mit drei oder mehr Stufen eingesetzt werden.
  • Das vorstehend beschriebene Halbleiterelement kann bei einem einphasigen Wechselrichter eingesetzt werden, wenn der elektrische Strom einer einphasigen Last zugeführt wird. Das vorstehend beschriebene Halbleiterelement kann bei einem Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandler oder einem Wechselstrom-/Gleichstrom-Wandler eingesetzt werden, wenn der elektrische Strom zum Beispiel einer Gleichstrom-Last zugeführt wird.
  • Die Last in der Leistungswandlervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform 5 ist nicht auf den Elektromotor beschränkt, wie vorstehend beschrieben, sondern bei der Last kann es sich zum Beispiel auch um eine elektrische Entladungsvorrichtung oder eine Laserstrahl-Vorrichtung handeln. Die Leistungswandlervorrichtung kann zum Beispiel auch als Stromversorgungseinheit für ein Induktionskochfeld oder ein kontaktloses Leistungszufuhrsystem verwendet werden und kann außerdem als ein Leistungskonditionierer für ein Solarenergiesystem oder ein Stromspeichersystem verwendet werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können die jeweiligen Ausführungsformen beliebig kombiniert werden, oder jede Ausführungsform kann innerhalb des Umfangs der Erfindung in einer geeigneten Weise variiert oder dabei Merkmale weggelassen werden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben ist, ist die vorstehende Beschreibung in sämtlichen Aspekten nur illustrativ und schränkt die Erfindung nicht ein. Daher versteht es sich, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen konzipiert werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbleitersubstrat
    2
    Al-Elektrode
    3, 3b, 3c
    Polyimid-Element
    3a
    hervorstehender Bereich
    4
    Ni-Elektrode
    11
    Kühlelement
    12, 20
    Bonding-Material
    13a, 13b
    leitfähige Platte
    14
    isolierendes Substrat
    15
    Substrat-Bonding-Material
    16
    Halbleiterbasis
    21
    Pufferplatte
    22
    Kupferplatte
    23
    Verdrahtung
    101
    Halbleiterelement
    102
    Halbleitereinheit
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2010/125639 A [0004]

Claims (13)

  1. Halbleiterelement, das Folgendes aufweist: - eine Basis, die einen Halbleiter aufweist; - eine erste Elektrode, die auf der Basis angeordnet ist; und - ein organisches Harzelement, das selektiv auf der ersten Elektrode angeordnet ist, - wobei das organische Harzelement einen hervorstehenden Bereich, der in einer Ebenenrichtung einer oberen Oberfläche der ersten Elektrode hervorsteht, auf einem unteren Bereich, der sich in einer Querschnittsansicht in Kontakt mit der ersten Elektrode befindet, in der Draufsicht in zumindest einem Teil eines peripheren Bereichs des organischen Harzelements aufweist und - wobei das Halbleiterelement ferner Folgendes aufweist: eine zweite Elektrode, die auf der ersten Elektrode und dem hervorstehenden Bereich angeordnet ist.
  2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, wobei zumindest der Teil des peripheren Bereichs des organischen Harzelements einen Bereich mit einer konvexen Gestalt aufweist, der sich in der Draufsicht von dem peripheren Bereich des organischen Harzelements nach außen erstreckt.
  3. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine obere Oberfläche des hervorstehenden Bereichs in Bezug auf eine obere Oberfläche der ersten Elektrode geneigt ist.
  4. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, - wobei die erste Elektrode Al aufweist, - wobei die zweite Elektrode Ni aufweist, - wobei das organische Harzelement ein Polyimid-Element aufweist und - wobei zumindest der Teil des peripheren Bereichs des organischen Harzelements in der Draufsicht in dem peripheren Bereich des organischen Harzelements einen Bereich mit einem Krümmungsradius aufweist, der gleich oder größer als 200 µm ist.
  5. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, - wobei die erste Elektrode Al aufweist, - wobei die zweite Elektrode Ni aufweist, - wobei das organische Harzelement ein Polyimid-Element aufweist und - wobei das Verhältnis der minimalen Dicke der zweiten Elektrode, die auf dem hervorstehenden Bereich angeordnet ist, zu der Dicke der zweiten Elektrode, die auf der ersten Elektrode angeordnet ist, gleich oder größer als 0,4 ist.
  6. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, - wobei die erste Elektrode Al aufweist, - wobei die zweite Elektrode Ni aufweist, - wobei das organische Harzelement ein Polyimid-Element aufweist und - wobei die Dicke der zweiten Elektrode, die auf der ersten Elektrode angeordnet ist, gleich oder größer als 10 nm und gleich oder geringer als 100 µm ist.
  7. Halbleitereinheit, die folgendes aufweist: - ein Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6; - ein isolierendes Substrat, das die eine Oberfläche aufweist, auf der eine erste leitfähige Platte angeordnet ist, die über ein erstes Bonding-Material an das Halbleiterelement gebondet ist, und die andere Oberfläche aufweist, auf der eine zweite leitfähige Platte angeordnet ist; - eine Verdrahtung, die mit dem Halbleiterelement elektrisch verbunden ist; und - ein Kühlelement, das über ein zweites Bonding-Material an die zweite leitfähige Platte gebondet ist.
  8. Halbleitereinheit nach Anspruch 7, die ferner Folgendes aufweist: eine Pufferplatte, welche die eine Oberfläche aufweist, die über ein drittes Bonding-Material an das Halbleiterelement gebondet ist, und die andere Oberfläche aufweist, die mit der Verdrahtung verbunden ist.
  9. Halbleitereinheit nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Verdrahtung Al oder Cu aufweist.
  10. Halbleitereinheit, die Folgendes aufweist: - ein Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6; - ein isolierendes Substrat, das die eine Oberfläche aufweist, auf der eine erste leitfähige Platte angeordnet ist, die über ein erstes Bonding-Material an das Halbleiterelement gebondet ist, und die andere Oberfläche aufweist, auf der eine zweite leitfähige Platte angeordnet ist; - eine Metallplatte, die mit dem Halbleiterelement elektrisch verbunden ist; und - ein Kühlelement, das über ein zweites Bonding-Material an die zweite leitfähige Platte gebondet ist.
  11. Halbleitereinheit nach Anspruch 10, die ferner Folgendes aufweist: - eine Pufferplatte, welche die eine Oberfläche aufweist, die über ein drittes Bonding-Material an das Halbleiterelement gebondet ist, und die andere Oberfläche aufweist, die mit der Metallplatte verbunden ist.
  12. Leistungswandlervorrichtung, die Folgendes aufweist: - eine Hauptwandlerschaltung, welche die Halbleitereinheit aufweist, die ein Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist und einen elektrischen Strom umwandelt, der in die Hauptwandlerschaltung eingegeben wird, und einen umgewandelten elektrischen Strom abgibt; - eine Treiberschaltung, die ein Steuersignal zum Steuern der Halbleitereinheit an die Halbleitereinheit ausgibt; und - eine Steuerschaltung, die ein Steuersignal zum Steuern der Treiberschaltung an die Treiberschaltung ausgibt.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das organische Harzelement gebildet wird, indem ein Ätzprozess durchgeführt wird, bei dem ein Resist, in dem durch einen Photoltihographie-Prozess eine Struktur gebildet wird, als eine Maske verwendet wird.
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