JP2005223220A - 高耐圧ワイドギャップ半導体装置及び電力装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バイポーラ半導体素子のドリフト層とアノード層との接合と、電界緩和層とを離隔して形成し、前記接合と電界緩和層との間の半導体領域に、アノード電極の端部を絶縁膜を介して対向させる。逆バイアス時には、絶縁膜を介して電極から前記接合と電界緩和層の間のドリフト層に与えられる電界効果により接合と電界緩和層は電気的に接続され、接合の端部の電界集中が緩和される。順バイアス時には、接合と電界緩和層を電気的にも離隔して順方向電流が接合のみを通って流れるようにする。
【選択図】図1
Description
ワイドギャップ半導体材料を用いたpinダイオード、バイポーラトランジスタ、GTOなどのバイポーラ半導体素子は、ショットキーダイオードやMOSFETなどのユニポーラ半導体素子に比べるとビルトイン電圧が高い。しかし少数キャリアの注入によるドリフト層の伝導度変調によりオン抵抗が大幅に小さくなるので損失が少ない。このため電力用途などの高電圧大電流を扱う用途では、損失を小さくするためバイポーラ半導体素子が多く用いられている。SiCのバイポーラ半導体素子をSiのバイポーラ半導体素子と比べると、例えば、SiCのpinダイオードは、10kVの高耐圧素子の場合、順方向電圧がSiのpinダイオードの約1/3であり、ターンオフ時の速度に相当する逆回復時間は約1/20以下と高速である。これらの点からSiCのpinダイオードの電力損失はSiの約1/5以下に低減され、省エネルギー化に大きく貢献できる。SiC−pinダイオード以外にも、SiC−npnトランジスタ、SiC−SIAFET、SiC−SIJFET、SiC−IGBTなどが開発されており、それぞれ電力損失低減効果が大きいことが報告されている(例えば非特許文献1)。また、ドリフト層としてpinダイオードとは反対極性のp型半導体層を用いたSiC−GTOなども開発されている(例えば非特許文献2)。
図7は非特許文献3に示されているプレーナ型の高耐圧pinダイオードの断面図である。図において、下面にアノード電極101を有するp+型SiC半導体の基板103(アノード領域)の上面に、p−型SiC半導体のエピタキシャル成長によりドリフト層105を形成している。ドリフト層105の中央部分にイオン打込みによりn+型SiC半導体のカソード領域109を形成している。カソード領域109の端部112にそれぞれ接するように、電界緩和層として働くn型SiC半導体のJTE(Junction Termination Extension)層107が設けられている。カソード領域109とドリフト層105との接合部が主接合110である。カソード領域109に接してカソード電極113が設けられ、残る表面には表面保護膜111が設けられている。JTE層107はカソード領域109よりも低不純物濃度にするのが望ましく、同濃度の場合は厚さをカソード領域109より厚くしている。
このpinダイオードに逆方向電圧を印加すると、JTE層107の接合端部106に電界が集中するが、JTE層107は主接合110の端部112に比べると低濃度もしくは厚くなされているので電界の集中が抑制され、電界の値を低くおさえることができる。これにより接合端部106の電界の値が絶縁破壊電界に達する印加電圧を高くすることができるので高耐圧にできる。
松波弘之編著、「半導体SiC技術と応用」、日刊工業新聞社、2003年3月31日、218−221頁 A.K.Agarwal et.al、Materials Science Forum, Volume 389−393、2002年、1349−1352頁 K.Chatty et.al、Materials Science Forum, Volume 338−342、2000年、1331−1334頁
発明者は以下の点に注目した。順方向電流はカソード領域109を流れるがその一部はJTE層107をも経てドリフト層105に流れる。このとき上記のように基板103とドリフト層105のベーサルプレーン転位を起点とする積層欠陥が生成され拡大するだけでなく、この結晶欠陥を源にしてカソード領域109及びJTE層107の下方のドリフト層105に積層欠陥が拡大し劣化が進行する。JTE層107の下方のドリフト層105内に拡大した積層欠陥は、カソード領域109と基板103との間のドリフト層105内にも進入してゆき、ドリフト層105全域に積層欠陥を拡大させるとともに積層欠陥の密度を増加させる。積層欠陥の密度が増大して順方向電圧が増大すると、ダイオード内部での発生熱が増大するので益々積層欠陥の成長が促進される。
SiC等のワイドギャップバイポーラ半導体の基板は通常その表面が結晶面に対して所定の角度を持つように形成される。この角度は当技術分野ではオフ角と呼ばれ通常15度以下である。オフ角を設けることにより、基板表面にドリフト層などをエピタキシャル成長で形成する場合、表面に局部的に基板とは異なる結晶面の領域が成長するのを防ぐことができ、成長層に発生する結晶欠陥を減らすことができる。しかしオフ角を有する基板を用いると、上記のベーサルプレーン転位と呼ばれる線欠陥は基板表面に対してオフ角と同じ角度をもってドリフト層等のエピタキシャル成長層内に形成されて伝搬する。またこれを基点に積層欠陥と呼ばれる面欠陥が発生する。従って、積層欠陥は素子表面と基板間を流れる電流を斜めに遮る2次元の面上に存在することになり順方向電圧劣化を大きくする。
一方、オフ角を90度にした場合は線欠陥は基板表面に垂直な方向にエピタキシャル成長層内に形成されて伝搬する。またこれを基点に発生する積層欠陥と呼ばれる面欠陥は素子表面と基板間を流れる電流に平行に存在することになる。このため、電流を斜めに遮るオフ角を持った積層欠陥に比べると電流の流れを遮る程度が軽微である。しかし、電子や正孔は結晶内をブラウン運動をしながら流れているので、基板に垂直な積層欠陥でも電子と正孔の再結合が発生し順方向電圧の劣化を生じる。
本発明は、上記の点を解消し、高耐圧ワイドギャップ半導体素子の順方向電圧劣化を低減し長寿命で信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
本発明によると、電界緩和層を第1のpn接合から離隔して形成しているので、順方向電流は第1のpn接合のみを通って流れ、電界緩和層と第2のpn接合とを通って流れる電流はほとんどない。そのため順方向電流による積層欠陥は、第1のpn接合に対向する半導体領域内の順方向電流が流れる領域に形成され、電界緩和層に対向する半導体領域内には積層欠陥がほとんど発生しない。そのため第1のpn接合に対向する半導体領域内の積層欠陥の成長拡大が抑制され半導体素子の劣化が少ない。
また第1のpn接合を形成する半導体領域に電気的に接続される第1の電極を、前記第1のpn接合と前記電界緩和層との間の半導体領域に絶縁膜を介して対向するように構成しているので、前記第1の電極に逆電圧を印加したとき、電界効果により前記第1のpn接合の端部と電界緩和層との間の半導体領域に前記印加電圧の極性とは逆極性の電荷、すなわち電子又は正孔が集まる。その結果前記第1のpn接合と前記第2のpn接合とが電気的に接続された状態となり、高耐圧を実現できる。これにより高耐電圧特性を有しかつ長寿命のワイドギャップ半導体装置を実現できる。
本発明によると、電界緩和層を第1のpn接合から離隔して形成しているので、順方向電流は第1のpn接合のみを通って流れ、電界緩和層と第2のpn接合とを通って流れる電流はほとんどない。そのため順方向電流による積層欠陥は第1のpn接合に対向する半導体領域内の順方向電流が流れる領域に形成され、電界緩和層に対向する半導体領域内には積層欠陥がほとんど発生しない。そのため第1のpn接合に対向する半導体領域内の積層欠陥の成長拡大が抑制され半導体素子の劣化が少ない。
また第1のpn接合を形成する半導体領域に電気的に接続される電極を、前記第1のpn接合と前記電界緩和層との間の半導体領域に絶縁膜を介して対向するように構成しているので、前記電極に逆電圧を印加したとき、電界効果により前記第1のpn接合の端部と電界緩和層との間の半導体領域に前記印加電圧の極性とは逆極性の電荷、すなわち電子又は正孔が集まる。その結果前記第1のpn接合と前記第2のpn接合とが電気的に接続された状態となり、高耐圧が実現できる。第1のpn接合と第2のpn接合を含む半導体領域に空乏層が拡がるので、第1のpn接合の端部への電界集中が回避され、前記電界緩和層が前記第1のpn接合の端部に接している構成と同等の電界緩和効果が得られる。これにより高耐電圧特性を有しかつ長寿命のワイドギャップ半導体装置を実現できる。
本発明によれば、メサ型の半導体装置において、第1の電極が電気絶縁膜を介して第1のpn接合と電界緩和層との間の半導体層に与える電界効果により、半導体装置の逆バイアス時には第1pn接合と電界緩和層とを電気的に接続し、順バイアス時には両者を電気的に離隔する。これにより順方向電流が電界緩和層を経て流れないようにし、高耐圧特性を損ねることなく順方向電圧特性劣化を低減し、高耐圧と高信頼性を共に実現できる。
本発明の他の観点のワイドギャップ半導体装置は、第1の導電型の半導体層と第1のpn接合を形成する第2の導電型のプレーナ型の半導体層、前記第1の導電型の半導体層内に第1のpn接合から離隔して形成された第2の導電型の電界緩和層、前記第1のpn接合と前記電界緩和層との間の半導体層に電気絶縁膜を介して対向し、前記プレーナ型の半導体層に接続された第1の電極、及び前記第1の導電型の半導体層に接続された第2の電極を有する。
本発明によれば、プレーナ型の半導体装置において、第1の電極が電気絶縁膜を介して第1のpn接合と電界緩和層との間の半導体層に与える電界効果により、半導体装置の逆バイアス時には第1pn接合と電界緩和層とを電気的に接続し、順バイアス時には両者を電気的に離隔する。これにより順方向電流が電界緩和層を経て流れないようにし、高耐圧特性を損ねることなく順方向電圧特性劣化を低減し、高耐圧と高信頼性を共に実現できる。
本発明によれば、ワイドギャップ半導体装置に、高い順バイアス電圧が印加されたときには、電気絶縁膜を介して第1の電極が、第1のpn接合と第2のpn接合との間の第2の半導体領域に与える電界効果により、第1のpn接合と第2のpn接合を電気的に接続し、低い順バイアス電圧が印加されたときには、両者間は電気的に離隔する。これにより電界緩和層を経て電流が流れないようにする。その結果、高耐圧を保ちつつ、順方向電圧劣化、オンゲート電流特性及び可制御電流特性の劣化を低減し、高耐圧と高信頼性をともに実現できる。
本発明によれば、ワイドギャップ半導体装置の順バイアス電圧が高いときは、第1の電極が、電気絶縁膜を介して第1のpn接合と第2のpn接合との間の半導体領域に与える電界効果により、第1のpn接合と第2のpn接合とを電気的に接続し、順バイアス電圧が低いときには両者間を電気的に離隔して電界緩和層を経て電流が流れないようにする。これにより、高耐圧を保ちつつ順方向電圧劣化を低減して、電力損失の増大を抑制できるとともに高耐圧と高信頼性をともに有する半導体装置を実現できる。
本発明の電力装置は、バイポーラ半導体素子として動作するp型及びn型の導電型の半導体領域を有し前記半導体領域に電流路を形成する少なくとも2つの第1のpn接合、前記第1のpn接合の端部から離隔して前記第1のpn接合を形成する第1の半導体領域内に設けられ、前記第1の半導体領域と異なる導電型を有して第2のpn接合を形成する電界緩和層、前記第1のpn接合を形成する一方の第2の半導体領域に形成された、少なくとも1つの前記第2の半導体領域と異なる導電型の第3の半導体領域、前記第3の半導体領域に電気的に接続され、端部が前記第1のpn接合と前記第2のpn接合との間の半導体領域に、電気絶縁膜を介して対向する第1の電極、前記第1のpn接合を形成する他方の第4の半導体領域に電気的に接続された第2の電極、前記少なくとも2つの第1のpn接合の間の半導体領域に、絶縁膜を介して対向する第3の電極、及び前記第4の半導体領域に接続された第4の電極を有する、ワイドギャップ半導体装置を制御素子として備える。
本発明によれば、ワイドギャップ半導体装置の順バイアス電圧が高いときは、第1の電極が、電気絶縁膜を介して第1のpn接合と第2のpn接合との間の半導体領域に与える電界効果により、第1のpn接合と第2のpn接合とを電気的に接続し、順バイアス電圧が低いときには両者間を電気的に離隔して電界緩和層を経て電流が流れないようにする。これにより、高耐圧を保ちつつ順方向電圧劣化を低減して、電力損失の増大を抑制できるので、本発明のワイドギャップ半導体装置を備える電力装置では、電力損失を抑制でき高耐圧と高信頼性をともに実現できる。
図1は本発明の第1実施例の高耐圧ワイドギャップ半導体装置である、メサ構造のSiC−pin接合ダイオードの断面図である。図において、不純物濃度が1×1019cm−3、厚さが400μmのカソードとして働くn+型SiC半導体の基板11上に、不純物濃度が1×1014cm−3、厚さが75μmのn−型SiC半導体のドリフト層12をエピタキシャル成長技術で形成している。基板11の下面には、電気的接続状態を良好に保つためのオーミックコンタクト層10を介して、金や銅等によるカソード電極19(第2の電極)が設けられている。ドリフト層12の上に不純物濃度が1×1018cm−3、厚さが1.5μmのp+型SiC半導体のアノード層13と、不純物濃度が1×1019cm−3、厚さが0.2μmのp+型SiC半導体のコンタクト層14を順次エピタキシャル成長技術で形成している。ドリフト層12とアノード層13との間に接合2(第1のpn接合)が形成される。
アノード電極18は絶縁膜17の上にも形成され、その外周部又は端部はJTE層15の内側端から約10μmの位置までJTE層15の上に延在している。すなわちアノード電極18の両端部は絶縁膜17を介してJTE層15に重なって対向している。第1のpn接合である接合2はドリフト層12とアノード層13との間に形成される。このSiC−pin接合ダイオードをキャンタイプのパッケージに実装して絶縁樹脂で被覆し、不活性ガスを封入して半導体装置を構成する。
アノード電極18の両端部の、JTE層15と重なって対向する部分の長さを長くし過ぎると、アノード電極18の端部とJTE層15との間の電位差が大きくなり、絶縁膜17が絶縁破壊を起こすおそれがある。そこで、接合2がなだれ降伏を起こす電圧に近い電圧を前記アノード電極18に印加してもアノード電極18が接する絶縁膜17が絶縁破壊しないように、アノード電極18の長さを設定するのが望ましい。また別法としてアノード電極18の端部近傍の絶縁膜17の厚さを他の部分より厚くしてもよい。
本実施例のSiC−pin接合ダイオードにおいても順方向電流が流れると、接合2と基板11との間のドリフト層12内で積層欠陥が生じ、順方向電圧劣化が進行する。この順方向電圧劣化により前記のように順方向電圧が4.1Vから4.9Vに上昇したものである。しかし、アノード層13にJTE層15を接して形成した従来構造のpin接合ダイオードの場合では、100A/cm2の電流密度で1時間通電したところ、順方向電圧は4.1Vから約8.4Vになり、本実施例のpin接合ダイオードに比べてより順方向電圧劣化が激しいことを示している。
図2は本発明の第2実施例の半導体装置であるプレーナ構造のSiC−pin接合ダイオードの断面図である。図において、不純物濃度が1×1019cm−3、厚さが400μmの、カソードとして働くn+型SiCの基板21上に、不純物濃度が5×1014cm−3、厚さが50μmのn型SiCのドリフト層22をエピタキシャル成長技術で形成している。ドリフト層22の中央領域には、不純物濃度が1×1018cm−3、厚さが0.5μmのp+型SiCのアノード層23と、不純物濃度が1×1019cm−3、厚さが0.2μmのp+型SiCのコンタクト層24を順次イオン打ち込み技術で形成している。アノード層23とドリフト層22の間に接合20(第1のpn接合)が形成される。アノード層23の両端部からそれぞれ約5μm離隔して、不純物濃度が8×1017cm−3、厚さが0.8μm、左右方向の長さが約25μmのp−型SiCのJTE層25をそれぞれ設けている。JTE層25をアノード層23の両端部から離す前記約5μmの距離は、約22μmでも特に問題はなかった。これにより峡間部22aが形成される。各JTE層25に連結して、不純物濃度が2.0×1016cm−3、厚さが0.7μm、左右方向の長さが約75μmの、電界緩和層として働くp−型SiCのRESURF(Reduced surface field)層26をイオン打ち込み技術で形成している。JTE層25及びRESURF層26と、ドリフト層22との間に接合20a(第2のpn接合)が形成される。RESURF層26から離れた両端部に、n+型SiCのチャネルストッパー層27をイオン打ち込み技術で形成している。コンタクト層24にオーミックコンタクト層28aを介してアノード電極28(第1の電極)が接続されている。図1に示す前記第1実施例と同様に、オーミックコンタクト層28aの両端部と、絶縁膜29との間には隙間が設けられている。その隙間に、アノード電極28の下面に突出した凸部28bが入り込んでオーミックコンタクト層28aと絶縁膜29を隔離している。前記アノード電極28の凸部28bの代わりに、前記隙間にストッパー(図示省略)を設けてもよい。素子の表面は、アノード電極28が接続される部分を除いて、厚さ約0.3μmの酸化膜の絶縁膜29で被覆している。アノード電極28は絶縁膜29の上にも形成されており、その両端は、絶縁膜29を介してJTE層25に約5μm重なって対向するようになされている。カソード基板21の下面にはオーミックコンタクト層30a(第2の電極)を介してカソード電極30が設けられている。
アノード電極28とカソード電極30間に逆電圧を印加し耐圧を測定したところ約4100Vであった。この耐圧はアノード層23にJTE層25が接している従来構造の同サイズのSiC−pin接合ダイオードの耐圧とほぼ同じである。これは以下の理由による。すなわち前記第1実施例と同様に、本実施例のSiC−pin接合ダイオードを逆バイアスしたとき、アノード電極28が、アノード層23とJTE層25の間の峡間部22aの表面近傍に絶縁膜29を介して与える電界効果により、峡間部22aのドリフト層22の表面近傍に「+」で示す正孔が誘起される。このためn型SiCのドリフト層22の表面近傍が部分的にp型SiCに反転し、アノード層23に接するようにJTE層25を形成した場合と実質的に同等になる。峡間部22aの表面から離れた部分では空乏化する。比較のためにアノード電極28の両端部をJTE層25の上方にまで延ばさない構成のSiC−pinダイオードを試作して試験したところ、耐圧が2600Vであり、前記の約4100Vより約1500V低かった。
本実施例のSiC−pin接合ダイオードでは、順バイアス時にはアノード電極28がドリフト層22に対して高電位になるので、アノード電極28が絶縁膜29を介してドリフト層22に与える電界効果により、峡間部22aに電子が引き寄せられて集まる(図示省略)。その結果アノード層23とJTE層25は電気的に完全に分離される。順方向電流はアノード層23を経て、アノード層23が接するドリフト層22の領域を通って流れ、アノード層23から電気的に分離されたJTE層25及びRESURF層26には電流が流れない。そのため積層欠陥は主としてアノード層23と基板21との間のドリフト層22内に発生し、JTE層25及びRESURF層26と、基板21との間のドリフト層22内には積層欠陥がほとんど発生しない。従って1時間通電後の順方向電圧は上記の0.6V程度の比較的少ない増加にとどまっている。
本実施例のSiC−pin接合ダイオードと比較するために、従来構造の、アノード層23にJTE層25を接して形成したSiC−pin接合ダイオードに順方向に100A/cm2の電流密度で1時間通電したところ、順方向電圧は4.6Vから約10.6Vに大きく増大した。これはJTE層25がイオン打ち込みで形成されているためにドリフト層22との接合部に欠陥が多く存在し、この欠陥から通電時に積層欠陥が生長し、接合20aと基板21との間のドリフト層22に拡大するのみならず、アノード層23と基板21との間のドリフト層22にも浸入して欠陥密度が増大し順方向電圧劣化が進行したことによる。順方向電圧劣化の進行により順方向電圧が増大すると、pin接合ダイオード内部での発熱が増大し積層欠陥の成長が更に促進される。
図3は本発明の第3実施例の高耐圧ワイドギャップ半導体装置である、メサ構造のSiC−GTOの断面図である。図において、下面にカソード電極31(第2の電極)を有する、n+型SiCのエミッタ領域を構成する基板32の上面に、p型SiCのバッファー領域33が形成されている。バッファー領域33の上に、p−型SiCのベース領域34が形成され、ベース領域34の中央領域にメサ型のn型SiCのベース層35が形成されている。ベース領域34とベース層35との間に接合30(第1のpn接合)が形成される。ベース層35には、4つのゲート電極40が設けられている。4つのゲート電極40は、図示しない部分で1つに接続されている。各ゲート電極40の間にp型SiCのエミッタ層36が形成されている。
n+型SiCの基板32は不純物濃度が1×1019cm−3、厚さが300μmである。バッファー層33は不純物濃度が3×1017cm−3、厚さが2.5μmである。ベース領域34は不純物濃度が5×1013cm−3、厚さ150μmである。ベース層35は不純物濃度が1×1018cm−3、厚さが1.8μmである。エミッタ層36は不純物濃度が1×1019cm−3、厚さが1.5μmである。ベース層35とエミッタ層36はいづれもエピタキシャル成長技術で形成している。ベース層35の端部はメサ状に整形されており、メサの高さは約3.7μmである。メサを囲む低部にはベース層35の端部から約4.0μm離れて不純物濃度が3.5×1017cm−3、厚さが0.7μm、長さが約250μmのn型SiCの電界緩和層であるJTE層38がイオン打ち込み技術で形成されている。JTE層38とベース領域34との間に接合30a(第2のpn接合)が形成される。メサを囲む低部の面、メサの斜面及びメサの上面のエミッタ層36の上面中央部分を除く面は、厚さ約0.6μmの表面保護用酸化膜である絶縁膜39で被覆している。各エミッタ層36に電気的に接続されたアノード電極37(第1の電極)が前記絶縁膜39の上に設けられている。アノード電極37の端部は、メサの斜面及びJTE層38のメサの斜面側の端部の約15μmの領域に絶縁膜39を介して対向するように延長されている。各JTE層38から離れた両端部に、p+型SiCのチャネルストッパー層27が形成されている。
本実施例のSiC−GTOにおいて、ゲート電極40をアノード電極37に接続して、アノード電極37とカソード電極31間に順方向の電圧を印加し耐圧を測定したところ、約13100Vであった。この耐圧はJTE層38をベース層35の端部に接するように構成した従来の構造のSiC−GTOの耐圧とほぼ同じであった。本実施例のGTOでは上記のようにアノード電極37とカソード電極31間に順方向の電圧を印加し、順バイアス電圧が所定のしきい値を超えるときアノード電極37の両端部から絶縁膜39を介して与えられる電界効果により、ベース層35の端部とJTE層38との間のp−型SiCのベース領域34aに「−」で表示するように電子が誘起される。そのため絶縁膜39に近い表面近傍がn型SiCに反転し、n型SiCのベース層35とn−型SiCのJTE層38が、反転したn型SiCの領域で結合されたと同等の状態になる。絶縁膜39から遠い部分は空乏化する。そのためベース層35の端部での電界集中が緩和されて高い耐圧が得られる。
本実施例のGTOと比較するため、ベース層35とJTE層38との位置関係は本実施例と同じで、アノード電極37の端部が図3の点線37aの位置までしかないものを試作し、順方向の耐圧を測定したところ、7400Vであった。この耐圧は本実施例のGTOの耐圧13100Vより5700V低かった。この比較から、本実施例のGTOでアノード電極37をJTE層38に対向する位置まで延長することにより耐圧を大幅に高くできることが確認された。
図3に示すようにベース層35とJTE層38との間にすき間を設けずに、両者を接して形成したSiC−GTO(従来のSiC−GTO)について図3を借りて説明すると、順方向電流はベース層35及びJTE層38と、基板32との間のベース領域34のほぼ全域を流れる。JTE層38はイオン打ち込み法で形成されるのでベース領域34との接合部30aには多くの欠陥を有する。このように欠陥の多い接合部30aを電流が流れると前記欠陥から積層欠陥が発生し、ベース層35と基板32で挟まれた部分のベース領域34にも拡大し侵入する。その結果ベース領域34の広範囲に順方向電圧劣化現象が生じて順方向電圧が上昇する。
この従来のGTOを試作して、電流密度100A/cm2の順方向電流を20時間流す試験をした。その結果、通電直後4.6Vであった順方向電圧が20時間後には11.4Vに増大した。これは、接合30aに多くの欠陥を有するJTE層38の下部に生じた積層欠陥と、ベース領域35の下部に生じた積層欠陥とが相互に侵入し合って欠陥密度が増大し、順方向電圧劣化が進行したことによる。積層欠陥の密度が高くなると順方向電圧劣化が増大し、SiC−GTO内部での発熱が増加して積層欠陥の成長が更に促進される。
このように従来のSiC−GTOはベース領域34内で積層欠陥が成長拡大するため、これによる電子と正孔の再結合が増加する。そのためSiC−GTOをターンオンさせるために必要なオンゲート電流も増大するという現象も発生した。
本発明のSiC−GTOでは積層欠陥の成長拡大が抑制されるので可制御電流が使用時間とともに低くなってゆくという劣化現象を抑えることができる。また、オンゲート電流が増加するという劣化現象を抑えることができる。
図4は本発明の第4実施例の高耐圧ワイドギャップ半導体装置である、SiC−MOSFETの断面図である。図において、不純物濃度が1×1019cm−3、厚さが350μmのn+型SiCの、カソードとなる基板41上に、不純物濃度が9×1014cm−3、厚さが40μmのn−型SiCのドリフト層42をエピタキシャル成長技術で形成している。ドリフト層42の上面をメサ型に加工し、前記メサに不純物濃度が1×1018cm−3、厚さが1.5μmのp型SiCの4つのボディ層51、52、53、54がイオン打ち込み技術で形成されている。ボディ層51、52、53、54と、ドリフト層42との間に接合75a、75b(第1のpn接合)が形成される。ボディ層51には不純物濃度が1×1019cm−3、厚さが0.6μmのn+型SiCの2つのソース層61、62がイオン打ち込み技術で形成されている。同様にして、ボディ層52には2つのソース層63、64が形成されている。ボディ層53、54にはそれぞれソース層65、66が形成されている。ソース層65、66のそれぞれ約半分の面には、それぞれの第1の電極であるソース電極73、74が接している。ソース層61と62にまたがってそれぞれ約半分の面に接するように、ソース電極71が設けられており、ソース層63と64にまたがってそれぞれ約半分の面に接するように、ソース電極72が設けられている。ソース電極71〜74とボディ層51〜54との接続部を除くドリフト層42の面上に、薄い酸化膜によるゲート絶縁膜91、92、93が設けられている。ソース電極71〜74は1つのソース端子80に接続されている。絶縁膜91の上には、両端部がそれぞれソース層61、66に対向するゲート電極81が設けられている。絶縁膜92の上には、両端部がそれぞれソース層62、63に対向するゲート電極82が設けられている。絶縁膜93の上には、両端部がそれぞれソース層64、65に対向するゲート電極83が設けられている。ゲート電極81、82、83は1つのゲート端子90に接続されている。メサの高さは約2μmである。メサの周囲の低部にはボディ層53、54からそれぞれ約6μm離して不純物濃度が3.5×1017cm−3、厚さが0.7μm、左右方向の長さが約90μmのp−型SiCの電界緩和層であるJTE層48a、48bをそれぞれイオン打ち込み技術で形成している。JTE層48a、48bをボディ層53、54から離す前記6μmの距離は、約0.3μmでも特に問題はなかった。JTE層48a、48bと、ドリフト層42との間に接合85(第2のpn接合)が形成される。更にJTE層48a、48bからそれぞれ約25μm離れて不純物濃度が8×1018cm−3のn+型SiCのチャネルストッパー層49a、49bをイオン打ち込み技術で形成している。JTE層48a、48bの上面を含むメサの周囲の低部、メサ側面59a及びメサ上面の一部はそれぞれ厚さがゲート絶縁膜91〜93よりはるかに厚い、約0.25μmの酸化膜を含む絶縁膜50a、50bで被覆してある。ソース電極73、74の端部はそれぞれ絶縁膜50a、50bを介してJTE層48a、48bの端から約15μmの範囲に対向するように延長されている。カソード基板41の下面にはドレイン電極79が設けられている。
この半導体装置のソース端子80とドレイン端子79間に順方向の電圧を印加して耐圧を測定したところ約3650Vであった。この耐圧はボディ層53、54にそれぞれJTE層48a、48bを接して形成した従来構造のSiC−MOSFETの耐圧とほぼ同じであった。本実施例のSiC−MOSFETに順方向の電圧を印加したとき、ソース電極73、74はドリフト層42に対して低電位になる。そのため絶縁膜50a、50bを介してソース電極73、74からボディ層53とJTE層48aの間のドリフト層部分42a、及びボディ層54とJTE層48bの間のドリフト層部分42bに与えられる電界効果によりドリフト層部分42a、42bに「+」で表示した多数の正孔が誘起される。この正孔によりn−型SiCのドリフト層部分42a、42bの絶縁膜50a、50bに近い表面近傍がp型SiCに反転し、ボディ層53とJTE層48a、及びボディ層54とJTE層48bがそれぞれ電気的に接続されたと同等の状態になる。前記表面から遠い部分は空乏化する。その結果ドリフト層部分42a、42bへの電界集中が緩和されて高い耐圧が得られることになる。
図5に示すインバータが動作しているとき、前記制御回路の制御により、それぞれ所定のタイミングでスイッチング素子98a〜98fが既知のオンオフ動作をする。その結果フライホイールダイオードとしてのダイオード99にそれぞれのタイミングで順方向電流が流れる。ダイオード99を順方向に流れる電流は、図4のSiC−MOSFETにおいては、ソース電極71〜74、ボディ層51〜54、接合75a、75b及びドレイン電極79で形成される内部ダイオードを通って、ソース端子80からドレイン電極79に向けて流れる。
図5に示すインバータを構成した本実施例のSiC−MOSFETにおいて、電流密度のピーク値が100A/cm2になる状態で100時間動作させたところ、動作開始直後の順方向電圧4.4Vが、100時間通電後には4.9Vに増加し、わずかに順方向電圧劣化が生じた。この順方向電圧劣化は、インバータの動作時にフライホイールダイオードとして働くpinダイオード99、すなわち、図4の内部ダイオードを流れる電流によりドリフト層42内の内部ダイオードに積層欠陥が生じたことによる。
以上のように、本実施例によれば、SiC−MOSFETの順バイアス電圧が大きいときには表面保護膜である絶縁膜50a、50bを介してソース電極73、74が与える電界効果によりボディ層53、54とJTE層48a、48bを電気的に接続するが、順バイアス電圧が小さいときには両者を電気的に分離してJTE層48a、48bを経由して電流が流れないようにしている。これにより、高耐圧を維持しつつインバータ動作時のフライホイールダイオードの順方向電圧の劣化を低減して素子の損失の増大を抑制でき、高信頼性と高耐圧を同時に実現することができる。
本発明はSiC以外のGaNやダイヤモンド等の他のワイドギャップ半導体で構成したバイポーラ半導体装置動作部分を含むワイドギャップ半導体装置や高耐圧ワイドギャップ半導体発光ダイオードや高耐圧ワイドギャップ半導体レーザ等にも適用できる。前記第4実施例では、本発明のワイドギャップ半導体装置であるSiC−MOSFETを、インバータに適用した例を示したが、本発明のワイドギャップ半導体装置は、スイッチング電源装置、大電力高周波発振装置、電力増幅装置などの電力装置等にも適用可能である。
また第3及び第4実施例では言及しなかったが、各実施例において必要に応じて第1の電極とアノード層との間にp+コンタクト層やオーミックコンタクト層を設けても良い。更にオーミックコンタクト層が表面保護用酸化膜とワイドギャップ半導体の界面に侵入していかないように、オーミックコンタクト層と表面保護用酸化膜の間にスペース部分を設けたり、スペース部分にアノード電極が直接接触する部分やオーミックコンタクト層形成材料の浸入を阻止するストッパー材を設けても良い。
13、23 アノード層
12、22、42、105 ドリフト層
12a、22a 峡間部
42a、42b ドリフト層部分
41 ドレイン層
17、29、39、91、92、93、50a、50b 絶縁膜
8、10、14、24、28a、30a コンタクト層
40、81、82、83 ゲート電極
71、72、73、74 ソース電極
61、62、63、64、65、66 ソース層
52、53、54 ボディ層
11、21、3241、103 基板
19、30、31、113 カソード電極
18、28、37、101 アノード電極
33 バッファー領域
34、34a ベース領域
35 ベース層
36 エミッタ層
16、27、49a、49b チャネルストッパー層
15、17、25、38、48a、48b、107 JTE層
110 主接合
26 RESURF層
109 カソード領域
Claims (11)
- バイポーラ半導体素子として動作するp型及びn型の導電型の半導体領域を有し、前記半導体領域に電流路を形成する第1のpn接合、
前記第1のpn接合の端部から離隔して前記半導体領域の一方の半導体領域内に設けられ、前記一方の半導体領域内で周囲の半導体領域の導電型とは異なる導電型を有し、前記周囲の半導体領域との間に第2のpn接合を形成する電界緩和層、
前記第1のpn接合を形成する他方の半導体領域に電気的に接続されるとともに、前記第1のpn接合と前記第2のpn接合との間の半導体領域に、電気絶縁膜を介して対向する前記バイポーラ半導体素子の電流通路となる第1の電極、及び
前記一方の半導体領域に接続された第2の電極
を少なくとも有するワイドギャップ半導体装置。 - バイポーラ半導体素子として動作するp型及びn型の導電型の半導体領域を有し、前記半導体領域に電流路を形成する第1のpn接合、
前記第1のpn接合の端部から離隔して前記半導体領域の一方の半導体領域内に設けられ、前記一方の半導体領域内で周囲の半導体領域の導電型とは異なる導電型を有し、前記周囲の半導体領域との間に第2のpn接合を形成する電界緩和層、
前記第1のpn接合を形成する他方の半導体領域に電気的に接続されるとともに、前記第1のpn接合と前記第2のpn接合との間の半導体領域に、電気絶縁膜を介して対向する前記バイポーラ半導体素子の電流通路となる第1の電極、及び
前記一方の半導体領域に接続された第2の電極を少なくとも有し、
前記第1のpn接合を含む半導体領域に空乏層が生じるように前記第1の電極と前記半導体領域間に電圧を印加したとき、前記第1の電極が、前記電気絶縁膜を介して前記第1のpn接合と第2のpn接合との間の前記半導体領域に与える電界効果により、前記第1のpn接合と第2のpn接合とを電気的接続状態にすることを特徴とするワイドギャップ半導体装置。 - 第1の導電型の半導体層と第1のpn接合を形成する第2の導電型の半導体層がメサ型であり、
前記第1の導電型の半導体層内に第1のpn接合から離隔して形成された第2の導電型の電界緩和層、
前記第1のpn接合と前記電界緩和層との間の半導体層に電気絶縁膜を介して対向し、前記メサ型の半導体層に接続された第1の電極、及び
前記第1の導電型の半導体層に接続された第2の電極
を有する請求項1又は2記載のワイドギャップ半導体装置。 - 第1の導電型の半導体層と第1のpn接合を形成する第2の導電型の半導体層がプレーナ型であり、
前記第1の導電型の半導体層内に第1のpn接合から離隔して形成された第2の導電型の電界緩和層、
前記第1のpn接合と前記電界緩和層との間の半導体層に電気絶縁膜を介して対向し、前記プレーナ型の半導体層に接続された第1の電極、及び
前記第1の導電型の半導体層に接続された第2の電極
を有する請求項1又は2記載のワイドギャップ半導体装置。 - バイポーラ半導体素子として動作するp型及びn型の導電型の半導体領域を有し、前記半導体領域に電流路を形成する第1のpn接合、
前記第1のpn接合の端部から離隔して前記第1のpn接合を形成する第2の半導体領域内に設けられ、前記第2の半導体領域と異なる導電型を有して第2のpn接合を形成する電界緩和層、
前記第1のpn接合を形成する第1の半導体領域上に形成された、少なくとも1つの前記第1の半導体領域と異なる導電型の第3の半導体領域、
前記第3の半導体領域に電気的に接続され、端部が前記第1のpn接合と前記第2のpn接合との間の第2の半導体領域に、電気絶縁膜を介して対向する第1の電極、
前記第1のpn接合を形成する前記第1の半導体領域に電気的に接続された第2の電極、
前記第2の半導体領域の、前記第1のpn接合を有する面の対向面に設けた、前記第2の半導体領域と異なる導電型の第4の半導体領域、及び
前記第4の半導体領域に設けた第3の電極
を有するワイドギャップ半導体装置。 - バイポーラ半導体素子として動作するp型、及びn型の導電型の半導体領域を有し、前記半導体領域に電流路を形成する少なくとも2つの第1のpn接合、
前記第1のpn接合の端部から離隔して前記第1のpn接合を形成する第1の半導体領域内に設けられ、前記第1の半導体領域と異なる導電型を有して第2のpn接合を形成する電界緩和層、
前記第1のpn接合を形成する一方の第2の半導体領域に形成された、少なくとも1つの前記第2の半導体領域と異なる導電型の第3の半導体領域、
前記第3の半導体領域に電気的に接続され、端部が前記第1のpn接合と前記第2のpn接合との間の半導体領域に、電気絶縁膜を介して対向する第1の電極、
前記第1のpn接合を形成する他方の第4の半導体領域に電気的に接続された第2の電極、
前記少なくとも2つの第1のpn接合の間の半導体領域に、絶縁膜を介して対向する第3の電極、及び
前記第4の半導体領域に接続された第4の電極
を有するワイドギャップ半導体装置。 - 前記第1の電極と、前記第1の電極に電気的に接続される半導体領域との間に設けたオーミックコンタクト層を更に有し、
前記絶縁膜を、前記オーミックコンタクト層の端部に対して所定の隙間を保って前記半導体領域の面に設けたことを特徴とする、請求項1から6のいずれかに記載のワイドギャップ半導体装置。 - 前記第1の電極は、前記隙間に入り込むように形成された凸部を有することを特徴とする請求項7記載のワイドギャップ半導体装置。
- 前記第1のpn接合と前記第2のpn接合との間の半導体領域に電気絶縁膜を介して対向する前記第1の電極は、前記第2のpn接合を形成する電界緩和層に電気絶縁膜を介して所定の距離だけ重なるように延在していることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載のワイドギャップ半導体装置。
- 前記隙間に、オーミックコンタクト層の金属材料と反応しにくい物質の挿入物を設けたことを特徴とする請求項7記載のワイドギャップ半導体装置。
- バイポーラ半導体素子として動作するp型、及びn型の導電型の半導体領域を有し、前記半導体領域に電流路を形成する少なくとも2つの第1のpn接合、
前記第1のpn接合の端部から離隔して前記第1のpn接合を形成する第1の半導体領域内に設けられ、前記第1の半導体領域と異なる導電型を有して第2のpn接合を形成する電界緩和層、
前記第1のpn接合を形成する一方の第2の半導体領域に形成された、少なくとも1つの前記第2の半導体領域と異なる導電型の第3の半導体領域、
前記第3の半導体領域に電気的に接続され、端部が前記第1のpn接合と前記第2のpn接合との間の半導体領域に、電気絶縁膜を介して対向する第1の電極、
前記第1のpn接合を形成する他方の第4の半導体領域に電気的に接続された第2の電極、
前記少なくとも2つの第1のpn接合の間の半導体領域に、絶縁膜を介して対向する第3の電極、及び
前記第4の半導体領域に接続された第4の電極
を有するワイドギャップ半導体装置
を制御素子として備える電力装置。
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