JP2006237125A - Method of operating bipolar type semiconductor device, and bipolar type semiconductor device - Google Patents

Method of operating bipolar type semiconductor device, and bipolar type semiconductor device Download PDF

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Yoshitaka Sugawara
良孝 菅原
Koji Nakayama
浩二 中山
Ryusuke Ishii
竜介 石井
Toshiyuki Mitsuyanagi
俊之 三柳
Shuichi Tsuchida
秀一 土田
Isao Kamata
功穂 鎌田
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Kansai Electric Power Co Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the increase of a created stacking fault area by continuing energizing in a bipolar type semiconductor device which performs electron and hole recombination in the time of energization inside a silicon carbide epitaxial film grown up from the front surface of a silicon carbide single crystal substrate. <P>SOLUTION: A conducting operation is performed while the above SiC bipolar type semiconductor device is maintained in a temperature environment at 350°C or more. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の内部で通電時に電子と正孔が再結合するバイポーラ型半導体装置の運転方法およびバイポーラ型半導体装置に関し、特に、通電作動による積層欠陥面積の拡大を抑制する技術の改良に関する。   The present invention relates to a method of operating a bipolar semiconductor device in which electrons and holes are recombined when energized inside a silicon carbide epitaxial film grown from the surface of a silicon carbide single crystal substrate, and in particular, energizing operation. The present invention relates to an improvement in technology for suppressing an increase in the stacking fault area due to the above.

炭化珪素(SiC)は、シリコン(Si)に比べて絶縁破壊電界強度が約10倍であり、この他熱伝導率、電子移動度、バンドギャップなどにおいても優れた物性値を有する半導体であることから、従来のSi系パワー半導体素子に比べて飛躍的な性能向上を実現する半導体材料として期待されている。   Silicon carbide (SiC) has a breakdown electric field strength of about 10 times that of silicon (Si), and also has excellent physical properties in terms of thermal conductivity, electron mobility, band gap, etc. Therefore, it is expected as a semiconductor material that realizes a dramatic performance improvement as compared with conventional Si-based power semiconductor elements.

最近では、直径3インチのまでの4H−SiC、6H−SiC単結晶基板が市販されるようになり、Siの性能限界を大幅に超える各種スイッチング素子の報告が相次いでなされるなど、高性能SiC素子の開発が進められている。   Recently, 4H-SiC and 6H-SiC single crystal substrates up to 3 inches in diameter have become commercially available, and various switching elements that greatly exceed the performance limit of Si have been reported one after another. Device development is ongoing.

半導体素子は、通電時に電子あるいは正孔のみが伝導に作用するユニポーラ素子と、電子と正孔の両者が伝導に作用するバイポーラ素子に大別される。ユニポーラ素子にはショットキーバリヤダイオード(SBD)、接合電界効果トランジスタ(J−FET)、金属/酸化膜/半導体電界効果トランジスタ(MOS−FET)などが属する。バイポーラ素子にはpnダイオード、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、サイリスタ、GTOサイリスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)などが属する。   Semiconductor elements are roughly classified into unipolar elements in which only electrons or holes act on conduction when energized, and bipolar elements in which both electrons and holes act on conduction. The unipolar element includes a Schottky barrier diode (SBD), a junction field effect transistor (J-FET), a metal / oxide film / semiconductor field effect transistor (MOS-FET), and the like. The bipolar element includes a pn diode, a bipolar junction transistor (BJT), a thyristor, a GTO thyristor, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), and the like.

SiC単結晶を用いてパワー半導体素子を作製する場合、SiC単結晶の拡散係数がきわめて小さいために不純物を深く拡散させることが困難であることから、SiC単結晶基板上に、基板と同一の結晶型で、所定の膜厚およびドーピング濃度を有する単結晶膜をエピタキシャル成長させることが多い(特許文献1)。具体的には、昇華法あるいは化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition:CVD)によって得られたバルク単結晶をスラ
イスした基板の表面に、CVD法によりエピタキシャル単結晶膜を成長させたSiC単結晶基板が使用されている。
When manufacturing a power semiconductor element using a SiC single crystal, it is difficult to diffuse impurities deeply because the diffusion coefficient of the SiC single crystal is extremely small. Therefore, the same crystal as the substrate is formed on the SiC single crystal substrate. In many cases, a single crystal film having a predetermined film thickness and doping concentration is epitaxially grown in a mold (Patent Document 1). Specifically, an SiC single crystal substrate obtained by growing an epitaxial single crystal film by a CVD method on the surface of a substrate obtained by slicing a bulk single crystal obtained by a sublimation method or chemical vapor deposition (CVD). Is used.

SiC単結晶には各種ポリタイプ(結晶多型)が存在するが、パワー半導体の開発では、絶縁破壊強度および移動度が高く、異方性が比較的小さい4H−SiCが主に使用されている。エピタキシャル成長を行う結晶面としては、(0001)Si面、(000−1)C面、(11−20)面、(1−100)面、(03−38)面などがあるが、(0001)Si面および(000−1)C面からエピタキシャル成長させる場合には、ステップフロー成長技術によりホモエピタキシャル成長させるために、これらの面を[11−2
0]方向あるいは[01−10]方向に数度傾けた結晶面が使用されることが多い。
国際公開WO03/038876号パンフレット ジャーナル オブ アプライド フィジックス(Journal of Applied Physics) ボリューム95 No.3 2004年 1485頁〜1488頁 ジャーナル オブ アプライド フィジックス(Journal of Applied Physics) ボリューム92 No.8 2004年 4699頁〜4704頁
There are various polytypes (crystal polymorphs) in SiC single crystals, but in the development of power semiconductors, 4H-SiC, which has high dielectric breakdown strength and mobility and relatively low anisotropy, is mainly used. . Crystal planes for epitaxial growth include (0001) Si plane, (000-1) C plane, (11-20) plane, (1-100) plane, (03-38) plane, etc. In the case of epitaxial growth from the Si plane and the (000-1) C plane, these planes are [11-2] for homoepitaxial growth by the step flow growth technique.
A crystal plane tilted several degrees in the [0] direction or [01-10] direction is often used.
International Publication WO03 / 038876 Pamphlet Journal of Applied Physics Volume 95 No. 3 2004, pages 1485 to 1488 Journal of Applied Physics Volume 92 No. 8 2004 4699-4704

上記したように、SiCを用いたパワー半導体素子は各種の優れた点を有しているが、
新品のSiCバイポーラ素子に通電を開始してから通電時間(積算使用時間)が増えるにしたがって、順方向電圧が増加するという問題点があった。順方向電圧の増加はSiCバイポーラ素子の信頼性を低下させ、SiCバイポーラ素子を組み込んだ電力制御装置の電力損失の増大を引き起こす。
As described above, the power semiconductor element using SiC has various excellent points.
There is a problem that the forward voltage increases as the energization time (integrated use time) increases after energization of a new SiC bipolar element. An increase in the forward voltage decreases the reliability of the SiC bipolar element, and causes an increase in power loss of a power control apparatus incorporating the SiC bipolar element.

この通電による順方向電圧の増加は、次の理由により引き起こされると考えられており、多数の報告がされている(上記の非特許文献1,2など)。図1は、SiC単結晶基板と、ステップフロー成長技術によりその表面から形成したエピタキシャル膜との界面近傍を示した断面図である。同図において5は結晶面((0001)Si面)、θはオフ角である。図示したように、SiC単結晶基板1には結晶欠陥の一種であるベーサルプレーン転位(basal plane dislocation)3が多数存在している。例えば、(0001)Si面
からオフ角が8°となるように傾けたSiC単結晶基板では、基板表面におけるベーサルプレーン転位密度は、結晶品質にもよるが典型的には102〜104個/cm2となる。
This increase in forward voltage due to energization is considered to be caused by the following reason, and many reports have been made (Non-Patent Documents 1 and 2 above). FIG. 1 is a cross-sectional view showing the vicinity of an interface between a SiC single crystal substrate and an epitaxial film formed from the surface by a step flow growth technique. In the figure, 5 is a crystal plane ((0001) Si plane), and θ is an off angle. As shown in the figure, the SiC single crystal substrate 1 has a large number of basal plane dislocations 3 which are a kind of crystal defects. For example, in a SiC single crystal substrate tilted so that the off-angle is 8 ° from the (0001) Si plane, the basal plane dislocation density on the substrate surface is typically 10 2 to 10 4, although it depends on the crystal quality. / Cm 2 .

この(0001)Si面と平行に延びるベーサルプレーン転位3はSiC単結晶基板1の表面上に現れ、ベーサルプレーン転位3のうち数%程度はエピタキシャル成長時にn型エピタキシャル膜2aおよびp型エピタキシャル膜(またはp型注入層)2bにベーサルプレーン転位3としてそのまま伝播し、残りはスレッディングエッジ転位4(threading edge dislocation)に変換されてn型エピタキシャル膜2aおよびp型エピタキシャル膜(またはp型注入層)2bに伝播する。   The basal plane dislocations 3 extending in parallel with the (0001) Si plane appear on the surface of the SiC single crystal substrate 1, and about several percent of the basal plane dislocations 3 are n-type epitaxial film 2a and p-type epitaxial film (or at the time of epitaxial growth). p-type implantation layer) 2b propagates as basal plane dislocation 3 as it is, and the rest is converted to threading edge dislocation 4 to n-type epitaxial film 2a and p-type epitaxial film (or p-type implantation layer) 2b. Propagate.

pnダイオードなどのバイポーラ素子では、n型エピタキシャル膜と、n型エピタキシャル膜とp型エピタキシャル膜との界面付近またはn型エピタキシャル膜とp型注入層との界面付近が通電時に電子と正孔が再結合する領域となるが、ベーサルプレーン転位3は、通電時に発生する電子と正孔の再結合エネルギーによって積層欠陥(stacking fault)へと変換される。この積層欠陥は図5(a)に示したように、三角形等の形状を有する面状の欠陥31として発生する。   In a bipolar device such as a pn diode, electrons and holes are regenerated when the n-type epitaxial film and the interface between the n-type epitaxial film and the p-type epitaxial film or the interface between the n-type epitaxial film and the p-type injection layer are energized. The basal plane dislocation 3 is converted into a stacking fault by the recombination energy of electrons and holes generated during energization. As shown in FIG. 5A, the stacking fault occurs as a planar defect 31 having a triangular shape or the like.

ベーサルプレーン転位は1/3[11−20]のバーガースベクトルを有しているが、1/3[10−10]と1/3[01−10]の2本のショックレー型部分転位(Shockley partial dislocation、ショックレー型不完全部分転位とも呼ばれている)に分解した状態で存在し、これらの部分転位に挟まれる微小領域は積層欠陥を形成する。この積層欠陥はショックレー型積層欠陥と呼ばれている。これらの部分転位のうち一方が電子と正孔との再結合エネルギーによって移動することで積層欠陥面積が拡大すると考えられている(上記の非特許文献1を参照)。   The basal plane dislocation has a Burgers vector of 1/3 [11-20], but two Shockley-type partial dislocations (Shockley 1/3 [10-10] and 1/3 [01-10]). partial dislocations (also called Shockley-type incomplete partial dislocations) are present in a decomposed state, and the microregions sandwiched between these partial dislocations form stacking faults. This stacking fault is called a Shockley-type stacking fault. It is considered that one of these partial dislocations moves due to the recombination energy between electrons and holes, thereby increasing the stacking fault area (see Non-Patent Document 1 above).

この面状の積層欠陥の面積は、通電時間の増加に伴って拡大する。積層欠陥の領域は、通電時に高抵抗領域として作用するため、積層欠陥の面積拡大に伴ってバイポーラ素子の順方向電圧が増加することになる。順方向電圧の増加はSiCバイポーラ素子の信頼性を低下させ、SiCバイポーラ素子を組み込んだ電力制御装置の電力損失の増大を引き起こすため、通電による順方向電圧の増加を抑制するという課題があった。   The area of the planar stacking fault increases as the energization time increases. Since the stacking fault region acts as a high-resistance region when energized, the forward voltage of the bipolar element increases as the stacking fault area increases. An increase in the forward voltage decreases the reliability of the SiC bipolar element and causes an increase in power loss of the power control device incorporating the SiC bipolar element, and thus there is a problem of suppressing an increase in the forward voltage due to energization.

本発明は、上記した従来技術における課題を解決するためになされたものであり、SiCバイポーラ型半導体装置において、通電を続けることにより引き起こされる積層欠陥面積の拡大を抑制することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and an object of the present invention is to suppress an increase in stacking fault area caused by continuing energization in a SiC bipolar semiconductor device.

従来では、pnダイオードなどのSiCバイポーラ素子は、例えば常温から350℃未満までの温度環境下で通電作動させることが通常であった。すなわち、電力制御等を行うための装置に組み込まれたSiCバイポーラ素子に対して、意図的にバイポーラ素子の環
境温度を制御し、高温下で作動させることによって通電劣化の要因となる積層欠陥面積の拡大を抑制させることはなかった。ところが、バイポーラ素子を350℃以上、特に400℃以上の温度環境下に維持しながら通電作動させたところ、通電を長時間続けても積層欠陥の面積がほとんど拡大しないことを見出し本発明を完成するに至った。
Conventionally, a SiC bipolar element such as a pn diode is usually energized in a temperature environment from room temperature to less than 350 ° C., for example. In other words, for SiC bipolar elements incorporated in devices for power control, etc., the environmental temperature of the bipolar elements is intentionally controlled and operated at high temperatures to reduce the stacking fault area that causes current deterioration. There was no suppression of expansion. However, when the energization operation was performed while maintaining the bipolar element in a temperature environment of 350 ° C. or higher, particularly 400 ° C. or higher, it was found that even if energization was continued for a long time, the area of stacking faults was hardly enlarged, and the present invention was completed. It came to.

本発明のバイポーラ型半導体装置の運転方法は、炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の内部で通電時に電子と正孔が再結合するバイポーラ型半導体装置の運転方法であって、
通電劣化の要因となる積層欠陥面積の拡大を防止するために、前記バイポーラ型半導体装置を350℃以上の温度に維持しながら通電作動させることを特徴とする。
An operation method of a bipolar semiconductor device of the present invention is an operation method of a bipolar semiconductor device in which electrons and holes recombine when energized inside a silicon carbide epitaxial film grown from the surface of a silicon carbide single crystal substrate. ,
In order to prevent an increase in the stacking fault area that causes energization degradation, the bipolar semiconductor device is energized while being maintained at a temperature of 350 ° C. or higher.

本発明のバイポーラ型半導体装置の運転方法は、前記バイポーラ型半導体装置を加熱するための温度制御装置を用いて、前記バイポーラ型半導体装置を350℃以上の温度に維持しながら通電作動させることを特徴とする。   The operation method of the bipolar semiconductor device according to the present invention is characterized in that the bipolar semiconductor device is energized while being maintained at a temperature of 350 ° C. or higher by using a temperature control device for heating the bipolar semiconductor device. And

本発明のバイポーラ型半導体装置の運転方法は、前記温度制御装置によって、前記バイポーラ型半導体装置が350℃以上の温度に達した後に通電を開始させることを特徴とする。   The operation method of the bipolar semiconductor device of the present invention is characterized in that energization is started after the bipolar semiconductor device reaches a temperature of 350 ° C. or higher by the temperature control device.

本発明のバイポーラ型半導体装置の運転方法は、前記温度制御装置によって、前記バイポーラ型半導体装置を350℃以上の温度に維持しながら通電を停止させることを特徴とする。   The operation method of the bipolar semiconductor device according to the present invention is characterized in that energization is stopped by the temperature control device while maintaining the bipolar semiconductor device at a temperature of 350 ° C. or higher.

本発明のバイポーラ型半導体装置の運転方法は、前記温度制御装置によって、前記バイポーラ型半導体装置が350℃未満の温度に低下した際に通電を停止させることを特徴とする。   The operation method of the bipolar semiconductor device of the present invention is characterized in that energization is stopped when the temperature of the bipolar semiconductor device is lowered to a temperature lower than 350 ° C. by the temperature control device.

本発明のバイポーラ型半導体装置の運転方法は、六方晶の炭化珪素単結晶基板の表面から六方晶の炭化珪素エピタキシャル膜を成長させた基板によって作製したバイポーラ型半導体装置を用いることを特徴とする。このようなバイポーラ型半導体装置として、具体的には、六方晶四回周期型の炭化珪素単結晶基板の表面から六方晶四回周期型の炭化珪素エピタキシャル膜を成長させた基板、六方晶六回周期型の炭化珪素単結晶基板の表面から六方晶六回周期型の炭化珪素エピタキシャル膜を成長させた基板、または六方晶二回周期型の炭化珪素単結晶基板の表面から六方晶二回周期型の炭化珪素エピタキシャル膜を成長させた基板によって作製したバイポーラ型半導体装置を挙げることができる。   The operation method of the bipolar semiconductor device of the present invention is characterized by using a bipolar semiconductor device manufactured by a substrate in which a hexagonal silicon carbide epitaxial film is grown from the surface of a hexagonal silicon carbide single crystal substrate. As such a bipolar semiconductor device, specifically, a hexagonal quadruple periodic silicon carbide epitaxial film grown from the surface of a hexagonal quadruple periodic silicon carbide single crystal substrate, a hexagonal crystal six times A substrate obtained by growing a hexagonal hexa-periodic silicon carbide epitaxial film from the surface of a periodic silicon carbide single crystal substrate, or a hexagonal bi-periodic type from the surface of a hexagonal double-period silicon carbide single crystal substrate A bipolar semiconductor device manufactured using a substrate on which a silicon carbide epitaxial film is grown can be given.

本発明のバイポーラ型半導体装置の運転方法は、菱面十五回周期型の炭化珪素単結晶基板の表面から菱面十五回周期型の炭化珪素エピタキシャル膜を成長させた基板によって作製したバイポーラ型半導体装置を用いることを特徴とする。   The operation method of the bipolar semiconductor device of the present invention is a bipolar type manufactured by a substrate in which a rhombohedral fifteen-period silicon carbide epitaxial film is grown from the surface of a rhombohedral fifteen-period silicon carbide single crystal substrate. A semiconductor device is used.

本発明のバイポーラ型半導体装置は、炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の内部で通電時に電子と正孔が再結合するバイポーラ型半導体装置であって、
同一の炭化珪素単結晶基板に、バイポーラ素子と、該バイポーラ素子の温度を検知する温度検知素子と、が形成されていることを特徴とする。
The bipolar semiconductor device of the present invention is a bipolar semiconductor device in which electrons and holes are recombined when energized inside a silicon carbide epitaxial film grown from the surface of a silicon carbide single crystal substrate,
A bipolar element and a temperature detection element for detecting the temperature of the bipolar element are formed on the same silicon carbide single crystal substrate.

本発明のバイポーラ型半導体装置は、炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の内部で通電時に電子と正孔が再結合するバイポーラ型半導体装置であって、
同一の炭化珪素単結晶基板に、バイポーラ素子と、該バイポーラ素子を加熱するヒータ
と、該バイポーラ素子の温度を検知する温度検知素子と、が形成されていることを特徴とする。
The bipolar semiconductor device of the present invention is a bipolar semiconductor device in which electrons and holes are recombined when energized inside a silicon carbide epitaxial film grown from the surface of a silicon carbide single crystal substrate,
A bipolar element, a heater for heating the bipolar element, and a temperature detecting element for detecting the temperature of the bipolar element are formed on the same silicon carbide single crystal substrate.

本発明によれば、SiCバイポーラ型半導体装置に通電を続けることにより引き起こされる積層欠陥面積の拡大を大幅に抑制することができる。   According to the present invention, the expansion of the stacking fault area caused by energizing the SiC bipolar semiconductor device can be significantly suppressed.

以下、図面を参照しながら本発明について説明する。なお、格子方位および格子面について、個別方位は[]、個別面は()で示し、負の指数については結晶学上、”−”(バー)を数字の上に付けることになっているが、明細書作成の都合上、数字の前に負号を付けることにする。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. Regarding the lattice orientation and lattice plane, the individual orientation is indicated by [], the individual plane is indicated by (), and the negative exponent is crystallographically "-" (bar) is added on the number. In order to prepare the description, a negative sign is added before the number.

本発明では、従来から使用されているSiCバイポーラ素子が用いられる。電極などを形成する半導体基板として、SiCエピタキシャル単結晶膜を表面から成長させたSiC単結晶基板が使用される。   In the present invention, a conventionally used SiC bipolar element is used. As a semiconductor substrate for forming electrodes and the like, a SiC single crystal substrate obtained by growing a SiC epitaxial single crystal film from the surface is used.

SiC単結晶基板としては、昇華法あるいはCVD法によって得られたバルク結晶をスライスしたものを使用する。昇華法(改良レーリー法)による場合、例えば、坩堝にSiC粉末を入れて2200〜2400℃で加熱して気化し、種結晶の表面に典型的には0.8〜1mm/hの速度で堆積させてバルク成長させる。得られたインゴットを所定の厚さに、所望の結晶面が表出するようにスライスする。エピタキシャル膜へのベーサルプレーン転位の伝播を抑制するために、切り出したウエハの表面を、研磨砥粒を用いた研磨処理、水素エッチング、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)などにより処理して鏡面状に平滑化する。   As the SiC single crystal substrate, a slice obtained by slicing a bulk crystal obtained by a sublimation method or a CVD method is used. In the case of the sublimation method (modified Rayleigh method), for example, SiC powder is put into a crucible and heated at 2200 to 2400 ° C. to vaporize, and deposited on the surface of the seed crystal typically at a rate of 0.8 to 1 mm / h. Let it grow in bulk. The obtained ingot is sliced into a predetermined thickness so that a desired crystal plane appears. In order to suppress the propagation of basal plane dislocations to the epitaxial film, the surface of the cut wafer is processed into a mirror surface by polishing using abrasive grains, hydrogen etching, chemical mechanical polishing (CMP), or the like. To smooth.

このSiC単結晶基板の表面から、SiC単結晶エピタキシャル膜を成長させる。SiC単結晶には、結晶多型(ポリタイプ)が存在するが、例えば、4H−SiC、6H−SiC、2H−SiC、15R−SiCなどがSiC単結晶基板として用いられる。これらの中でも、4H−SiCは、絶縁破壊強度および移動度が高く、異方性が比較的小さい。エピタキシャル成長を行う結晶面としては、例えば(0001)Si面、(000−1)C面、(11−20)面、(01−10)面、(03−38)面などが挙げられる。   A SiC single crystal epitaxial film is grown from the surface of the SiC single crystal substrate. There are crystal polymorphisms (polytypes) in SiC single crystals. For example, 4H—SiC, 6H—SiC, 2H—SiC, 15R—SiC and the like are used as SiC single crystal substrates. Among these, 4H—SiC has high dielectric breakdown strength and mobility, and relatively low anisotropy. Examples of crystal planes for epitaxial growth include (0001) Si plane, (000-1) C plane, (11-20) plane, (01-10) plane, (03-38) plane, and the like.

(0001)Si面、(000−1)C面でエピタキシャル成長させる場合、[01−
10]方向、[11−20]方向、あるいは[01−10]方向と[11−20]方向との中間
方向のオフ方位に、例えば1〜12°のオフ角で傾斜させて切り出した基板を使用し、この結晶面からステップフロー成長技術によりSiCをエピタキシャル成長させる。
When epitaxial growth is performed on the (0001) Si face and the (000-1) C face, [01−
10] direction, [11-20] direction, or a substrate cut out by inclining at an off angle of, for example, 1 to 12 ° in the off direction in the intermediate direction between the [01-10] direction and the [11-20] direction. Then, SiC is epitaxially grown from this crystal plane by a step flow growth technique.

SiC単結晶膜のエピタキシャル成長はCVD法を用いて行われる。Cの原料ガスとしはプロパン等が用いられ、Siの原料ガスとしてはシラン等が用いられる。これらの原料ガスと、水素等のキャリアガスと、ドーパントガスとの混合ガスをSiC単結晶基板の表面に供給する。ドーパントガスとしては、n型エピタキシャル膜を成長させる場合には窒素等が用いられ、p型エピタキシャル膜を成長させる場合にはトリメチルアルミニウム等が用いられる。   The epitaxial growth of the SiC single crystal film is performed using a CVD method. Propane or the like is used as the C source gas, and silane or the like is used as the Si source gas. A mixed gas of these source gas, a carrier gas such as hydrogen, and a dopant gas is supplied to the surface of the SiC single crystal substrate. As the dopant gas, nitrogen or the like is used when growing an n-type epitaxial film, and trimethylaluminum or the like is used when growing a p-type epitaxial film.

これらのガス雰囲気下、例えば1500〜1600℃、40〜80Torrの条件で、2〜20μm/hの成長速度でSiCをエピタキシャル成長させる。これにより、SiC単結晶基板と同一の結晶型のSiCがステップフロー成長する。   Under these gas atmospheres, for example, SiC is epitaxially grown at a growth rate of 2 to 20 μm / h under conditions of 1500 to 1600 ° C. and 40 to 80 Torr. Thereby, step-flow growth of SiC having the same crystal type as the SiC single crystal substrate occurs.

エピタキシャル成長を行うための具体的な装置としては、縦型ホットウォール炉を用い
ることができる。縦型ホットウォール炉には、石英で形成された水冷2重円筒管が設置され、水冷2重円筒管の内部には、円筒状断熱材、グラファイトで形成されたホットウォール、およびSiC単結晶基板を縦方向に保持するための楔形サセプタが設置されている。水冷2重円筒管の外側周囲には、高周波加熱コイルが設置され、高周波加熱コイルによりホットウォールを高周波誘導加熱し、ホットウォールからの輻射熱により、楔形サセプタに保持されたSiC単結晶基板を加熱する。SiC単結晶基板を加熱しながら水冷2重円筒管の下方より反応ガスを供給することによって、SiC単結晶基板の表面にSiCがエピタキシャル成長する。
As a specific apparatus for performing epitaxial growth, a vertical hot wall furnace can be used. In the vertical hot wall furnace, a water-cooled double cylindrical tube made of quartz is installed. Inside the water-cooled double cylindrical tube, a cylindrical heat insulating material, a hot wall made of graphite, and a SiC single crystal substrate Is provided with a wedge-shaped susceptor for holding the device vertically. A high-frequency heating coil is installed around the outside of the water-cooled double cylindrical tube, the hot wall is induction-heated by the high-frequency heating coil, and the SiC single crystal substrate held by the wedge-shaped susceptor is heated by radiant heat from the hot wall. . SiC is epitaxially grown on the surface of the SiC single crystal substrate by supplying a reaction gas from below the water-cooled double cylindrical tube while heating the SiC single crystal substrate.

このようにしてエピタキシャル膜を形成したSiC単結晶基板を用いて、バイポーラ素子を作製する。以下、図2を参照しながら、バイポーラ素子の一つであるpn(pin)ダイオードの製造方法の一例を説明する。改良レーリー法により成長させたインゴットを所定のオフ角でスライスし、表面を鏡面処理したn型の4H−SiC(キャリア密度8×1018cm-3、厚さ400μm)21の上に、CVD法によって窒素ドープn型SiC層(ドリフト層23:ドナー密度5×1014cm-3、膜厚40μm)とアルミニウムドープp型SiC層(p型接合層24:アクセプタ密度5×1017cm-3、膜厚1.5μm、およびp+型コンタクト層25:アクセプタ密度1×1018cm-3、膜厚0.5μm)を順次エピタキシャル成長させる。 A bipolar element is fabricated using the SiC single crystal substrate on which the epitaxial film is formed in this manner. Hereinafter, an example of a method for manufacturing a pn (pin) diode, which is one of bipolar elements, will be described with reference to FIG. An ingot grown by the modified Rayleigh method is sliced at a predetermined off angle, and the surface is mirror-finished on n-type 4H—SiC (carrier density 8 × 10 18 cm −3 , thickness 400 μm) 21, CVD method A nitrogen-doped n-type SiC layer (drift layer 23: donor density 5 × 10 14 cm −3 , film thickness 40 μm) and an aluminum-doped p-type SiC layer (p-type junction layer 24: acceptor density 5 × 10 17 cm −3) , 1.5 μm thick and p + -type contact layer 25: acceptor density 1 × 10 18 cm −3 , 0.5 μm thick) are epitaxially grown sequentially.

次に、反応性イオンエッチング(RIE)によりエピタキシャル膜の外周部を除去してメサ構造を形成する。メサ構造を形成するために、エピタキシャル膜の上にNi金属膜を蒸着する。蒸着には電子線加熱蒸着装置を使用する。電子線加熱蒸着装置は、電子線発生器と、Ni金属片を入れる坩堝と、エピタキシャル膜の表面を外側としてSiC単結晶基板を保持する基板ホルダとを備えている。坩堝の中に入れたNi金属片に対して10kV程度に加速された電子線を照射してNi金属片を溶融し、エピタキシャル膜の上に蒸着させる。   Next, the outer peripheral portion of the epitaxial film is removed by reactive ion etching (RIE) to form a mesa structure. In order to form a mesa structure, a Ni metal film is deposited on the epitaxial film. An electron beam heating vapor deposition apparatus is used for vapor deposition. The electron beam heating vapor deposition apparatus includes an electron beam generator, a crucible for storing a Ni metal piece, and a substrate holder for holding a SiC single crystal substrate with the surface of the epitaxial film as the outside. The Ni metal piece placed in the crucible is irradiated with an electron beam accelerated to about 10 kV to melt the Ni metal piece, and is deposited on the epitaxial film.

エピタキシャル膜の上に蒸着したNi金属膜の表面に、メサ構造をパターニングするためのフォトレジストをスピンコーターを用いて1μmの厚さとなるように塗布し、オーブン内でレジスト膜を加熱処理する。このレジスト膜に対してメサ構造のパターンに対応したマスクを介して紫外線を露光し、レジスト現像液を用いて現像する。現像によって基板表面に露出したNi金属膜を酸により除去し、次いで四フッ化炭素と酸素との混合ガスを用いたRIEにより、Ni金属膜が除去されて基板表面に露出したエピタキシャル膜をエッチングし、高さ幅が4μmのメサを形成する。   A photoresist for patterning the mesa structure is applied to the surface of the Ni metal film deposited on the epitaxial film so as to have a thickness of 1 μm using a spin coater, and the resist film is heat-treated in an oven. The resist film is exposed to ultraviolet rays through a mask corresponding to a mesa structure pattern and developed using a resist developer. The Ni metal film exposed on the substrate surface by development is removed with an acid, and then the epitaxial film exposed on the substrate surface after the Ni metal film is removed by RIE using a mixed gas of carbon tetrafluoride and oxygen is etched. A mesa having a height width of 4 μm is formed.

次に、メサ底部での電界集中を緩和するために、アルミイオンを注入してJTE(ジャンクション ターミネーション エクステンション)26を形成する。JTE26は、トータルドーズ量1.2×1013cm-2、幅250μm、深さ0.7μmである。30〜450keVの間で順次エネルギーを変更しながらイオン注入することによって、注入されたアルミイオンは深さ方向の濃度が一定になるような濃度分布を有している。イオン注入した後、アルゴンガス雰囲気下で熱処理を行うことによりアルミイオンを活性化する。 Next, in order to alleviate electric field concentration at the bottom of the mesa, aluminum ions are implanted to form a JTE (junction termination extension) 26. JTE26 has a total dose of 1.2 × 10 13 cm −2 , a width of 250 μm, and a depth of 0.7 μm. By implanting ions while sequentially changing energy between 30 to 450 keV, the implanted aluminum ions have a concentration distribution such that the concentration in the depth direction is constant. After the ion implantation, aluminum ions are activated by heat treatment in an argon gas atmosphere.

次に、素子表面を保護するための酸化膜27を形成する。熱酸化を行うために基板を熱酸化炉に入れ、乾燥した酸素ガスを流しながら基板を加熱して基板表面全体に厚さ40nmの熱酸化膜を形成する。その後、基板表面における電極を形成する部位などの所定部位を、フォトリソグラフィー技術によってパターニングし、フッ酸によりこれらの部位の熱酸化膜を除去してエピタキシャル膜を露出させる。   Next, an oxide film 27 for protecting the element surface is formed. In order to perform thermal oxidation, the substrate is placed in a thermal oxidation furnace, and the substrate is heated while flowing a dry oxygen gas to form a thermal oxide film having a thickness of 40 nm on the entire surface of the substrate. Thereafter, a predetermined portion such as a portion for forming an electrode on the substrate surface is patterned by a photolithography technique, and the thermal oxide film at these portions is removed by hydrofluoric acid to expose the epitaxial film.

次に、電子線加熱蒸着装置を用いてカソード電極28とアノード電極29を蒸着する。カソード電極28は、基板21の下面にNi(厚さ350nm)を蒸着して形成される。
アノード電極29は、p+型コンタクト層25の上面に、Al(厚さ100nm)の膜とTi(厚さ350nm)の膜とを順に蒸着して形成される。これらの電極は、蒸着後に熱処理を行いSiCとの合金を形成することによってオーミック電極とされる。
Next, the cathode electrode 28 and the anode electrode 29 are vapor-deposited using an electron beam heating vapor deposition apparatus. The cathode electrode 28 is formed by depositing Ni (thickness 350 nm) on the lower surface of the substrate 21.
The anode electrode 29 is formed by sequentially depositing an Al (thickness: 100 nm) film and a Ti (thickness: 350 nm) film on the upper surface of the p + -type contact layer 25. These electrodes are formed into ohmic electrodes by performing a heat treatment after vapor deposition to form an alloy with SiC.

本発明では、SiCバイポーラ素子を350℃以上、好ましくは400℃〜800℃、より好ましくは400℃〜600℃の温度環境下で通電作動させる。600℃を超えると電極を構成する金属材料によっては溶融するなど正常な作動を行うことができなくなる場合があり、800℃を超えるとバイポーラ素子の特性に影響する場合がある。SiCバイポーラ素子を上記の温度範囲に維持しながら通電作動させることによって、経時による積層欠陥面積の拡大を大幅に抑制することができる。すなわち、後述する実施例にも示したように、350℃近傍を境として経時による積層欠陥面積の拡大(順方向電圧の増加)が著しく減少する。   In the present invention, the SiC bipolar element is energized and operated in a temperature environment of 350 ° C. or higher, preferably 400 ° C. to 800 ° C., more preferably 400 ° C. to 600 ° C. If the temperature exceeds 600 ° C., the metal material constituting the electrode may not be able to perform a normal operation such as melting. If the temperature exceeds 800 ° C., the characteristics of the bipolar element may be affected. By energizing the SiC bipolar element while maintaining it in the above temperature range, it is possible to significantly suppress the stacking fault area from increasing over time. In other words, as shown in the examples described later, the increase in stacking fault area (increase in forward voltage) with time is remarkably reduced at around 350 ° C. as a boundary.

この現象は、次の理由により生じるものと考えられる。前述したように、pnダイオードなどのバイポーラ素子では、n型エピタキシャル膜と、n型エピタキシャル膜とp型エピタキシャルとの界面付近またはn型エピタキシャル膜とp型注入層との界面付近が通電時に電子と正孔が再結合する領域となり、SiC単結晶基板からエピタキシャル膜に伝播したベーサルプレーン転位がこの再結合エネルギーによって積層欠陥へと変換される。この積層欠陥が形成された領域は、通電時に高抵抗領域として作用するため、積層欠陥の面積拡大に伴ってバイポーラ素子の順方向電圧が増加することになる。   This phenomenon is considered to occur for the following reason. As described above, in a bipolar element such as a pn diode, an n-type epitaxial film and the vicinity of the interface between the n-type epitaxial film and the p-type epitaxial layer or the vicinity of the interface between the n-type epitaxial film and the p-type injection layer are electrically Holes are recombined and basal plane dislocations propagated from the SiC single crystal substrate to the epitaxial film are converted into stacking faults by this recombination energy. Since the region where the stacking fault is formed acts as a high-resistance region when energized, the forward voltage of the bipolar element increases as the stacking fault increases in area.

しかし、350℃以上の条件下では、SiC単結晶が安定化され、これによってベーサルプレーン転位の積層欠陥への変換および積層欠陥の拡大が大幅に抑制されるものと考えられる。積層欠陥は、エピタキシャル膜をX線トポグラフ像、フォトルミネッセンス像、エレクトロルミネッセンス像、またはカソードルミネッセンス像として観察することにより確認できる。結晶型として4H−SiCを用いて複数のpnダイオードを作製し、室温から450℃までの各温度環境下においてこれらのpnダイオードに対して通電作動を続けた後、エピタキシャル膜のフォトルミネッセンス像を観察したところ、図5(a)〜図5(e)の概念図に示したように、室温から350℃未満までの温度環境下で通電作動させたものでは、三角形状の積層欠陥31が多数発生していた(図5(a)、図5(b))。これに対して、350℃の温度環境下で通電作動させたものでは、積層欠陥の発生が大幅に減少し、400℃以上の温度環境下で通電作動させたものでは、積層欠陥の発生がほとんど見られなかった(図5(c)〜図5(e))。   However, it is considered that the SiC single crystal is stabilized under the condition of 350 ° C. or higher, thereby significantly suppressing the conversion of basal plane dislocations into stacking faults and the expansion of stacking faults. The stacking fault can be confirmed by observing the epitaxial film as an X-ray topographic image, a photoluminescence image, an electroluminescence image, or a cathodoluminescence image. Fabricate multiple pn diodes using 4H-SiC as crystal type, and continue to energize these pn diodes in each temperature environment from room temperature to 450 ° C, then observe photoluminescence image of epitaxial film As a result, as shown in the conceptual diagrams of FIGS. 5 (a) to 5 (e), a large number of triangular stacking faults 31 are generated when the energized operation is performed in a temperature environment from room temperature to less than 350 ° C. (FIGS. 5A and 5B). On the other hand, in the case where the energization operation was performed in a temperature environment of 350 ° C., the occurrence of stacking faults was greatly reduced. It was not seen (FIG.5 (c)-FIG.5 (e)).

このように、SiCバイポーラ素子を350℃以上で通電作動させることによって、経時による積層欠陥面積の拡大を著しく減少させることができるが、この現象はエピタキシャル成長を行う結晶面には依存しないと考えられ、例えば(0001)Si面、(000−1)C面、(11−20)面、(01−10)面、(03−38)面などをエピタキシャル成長を行う結晶面としても上記の効果を得ることができる。特に、積層欠陥の面と、通電経路の方向とが成す角度が大きい場合、例えば積層欠陥の面が通電経路を垂直に遮断するような場合に、積層欠陥が通電劣化に大きく影響するので、このような場合に通電劣化が著しく抑制されると考えられる。   Thus, by energizing the SiC bipolar element at 350 ° C. or more, the expansion of the stacking fault area over time can be remarkably reduced, but this phenomenon is considered not to depend on the crystal plane on which the epitaxial growth is performed, For example, the above effect can be obtained even when the (0001) Si plane, the (000-1) C plane, the (11-20) plane, the (01-10) plane, the (03-38) plane, etc. are used as crystal planes for epitaxial growth. Can do. In particular, when the angle between the plane of the stacking fault and the direction of the energization path is large, for example, when the plane of the stacking fault interrupts the energization path perpendicularly, the stacking fault greatly affects the deterioration of the energization. In such a case, it is considered that the energization deterioration is remarkably suppressed.

一方、SiC単結晶には複数の結晶型が存在するが、上記の現象は、350℃以上の条件下ではSiC単結晶が安定化することに起因していると考えられ、この点から4H−SiC(六方晶四回周期型)の他に、6H−SiC(六方晶六回周期型)、2H−SiC(六方晶二回周期型)、15R−SiC(菱面十五回周期型)を用いた場合にも、同様に通電劣化を著しく抑制できる。   On the other hand, there are a plurality of crystal types in SiC single crystal, but the above phenomenon is considered to be caused by stabilization of the SiC single crystal under the condition of 350 ° C. or higher. In addition to SiC (hexagonal four-period type), 6H-SiC (hexagonal six-period type), 2H-SiC (hexagonal double-period type), 15R-SiC (rhombic fifteen-period type) Similarly, the deterioration of energization can be remarkably suppressed when used.

また、炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の内部で通
電時に電子と正孔が再結合するSiCバイポーラ半導体素子であれば、pnダイオード以外の他のバイポーラ素子であっても、上記の温度環境下で通電作動させることにより炭化珪素エピタキシャル膜が安定化して積層欠陥面積の拡大が抑制される。このようなSiCバイポーラ半導体素子としては、例えば、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)などが挙げられる。図6(a)〜図6(c)に、サイリスタ(図6(a)、符号41)、GTOサイリスタ(図6(b)、符号42)、IGBT(図6(c)、符号43)の概略断面図を示した。同図において、51はn型層、52はp型層、53はカソード電極、54はアノード電極、55はゲート電極、56はエミッタ電極、57はコレクタ電極、58は酸化膜である。
In addition, any other bipolar element other than a pn diode can be used as long as it is a SiC bipolar semiconductor element in which electrons and holes recombine when energized inside a silicon carbide epitaxial film grown from the surface of a silicon carbide single crystal substrate. By conducting the energization operation in the above temperature environment, the silicon carbide epitaxial film is stabilized and expansion of the stacking fault area is suppressed. Examples of such SiC bipolar semiconductor elements include thyristors, gate turn-off thyristors (GTO), insulated gate bipolar transistors (IGBT), and bipolar junction transistors (BJT). 6 (a) to 6 (c), thyristors (FIG. 6 (a), reference numeral 41), GTO thyristors (FIG. 6 (b), reference numeral 42), and IGBTs (FIG. 6 (c), reference numeral 43). A schematic cross-sectional view is shown. In the figure, 51 is an n-type layer, 52 is a p-type layer, 53 is a cathode electrode, 54 is an anode electrode, 55 is a gate electrode, 56 is an emitter electrode, 57 is a collector electrode, and 58 is an oxide film.

SiCバイポーラ素子は、家電分野、産業分野、電気自動車などの車両分野、送電などの電力系統の分野等において、例えばインバータなどの電力制御装置等に組み込まれて使用されるが、電力制御装置等に実際に組み込まれたSiCバイポーラ素子に対して本発明を適用する際には、SiCバイポーラ素子を加熱し、所定の温度に制御するための温度制御装置を設けて、SiCバイポーラ素子を常に所定の加熱温度に維持した状態で作動させることが望ましい。   SiC bipolar devices are used in power control devices such as inverters in the fields of home appliances, industry, vehicles such as electric vehicles, and power systems such as power transmission. When the present invention is applied to an actually incorporated SiC bipolar element, a temperature control device for heating the SiC bipolar element and controlling it to a predetermined temperature is provided so that the SiC bipolar element is always heated to a predetermined temperature. It is desirable to operate while maintaining the temperature.

この温度制御装置は、SiCバイポーラ素子を加熱する加熱手段を少なくとも備えている。このような加熱手段としては、SiCバイポーラ素子のパッケージに内蔵されたヒータ、SiCバイポーラ素子を作製したSiC単結晶基板と同一のSiC単結晶基板に形成されたヒータ等を挙げることができる。   This temperature control device includes at least heating means for heating the SiC bipolar element. Examples of such heating means include a heater built in a package of the SiC bipolar element, a heater formed on the same SiC single crystal substrate as the SiC single crystal substrate on which the SiC bipolar element is manufactured, and the like.

また、温度制御装置は、SiCバイポーラ素子の温度を計測する温度検知手段を備えていてもよい。このような温度検知手段としては、ヒータに内蔵された温度センサ、SiCバイポーラ素子のパッケージに内蔵された温度センサ、SiCバイポーラ素子を作製したSiC単結晶基板と同一のSiC単結晶基板に形成された温度検知素子等を挙げることができる。   Further, the temperature control device may include a temperature detection unit that measures the temperature of the SiC bipolar element. As such temperature detection means, the temperature sensor built in the heater, the temperature sensor built in the package of the SiC bipolar device, and the same SiC single crystal substrate as the SiC single crystal substrate on which the SiC bipolar device was fabricated were formed. A temperature detection element etc. can be mentioned.

上記の温度制御装置は、SiCバイポーラ素子の通電作動を制御する運転制御装置と連結され、所定の温度にて通電が行われるように、例えば以下のような制御が行われる。
(1) ヒータによってSiCバイポーラ素子を加熱し、SiCバイポーラ素子が所定の温度(例えば350℃以上)に達したことを温度センサによって検知した後に、運転制御装置によってSiCバイポーラ素子の通電作動を開始させる。
(2) ヒータによってSiCバイポーラ素子を加熱しながら通電を行い、SiCバイポーラ素子を所定の温度以上(例えば350℃以上)に維持しながら、運転制御装置によってSiCバイポーラ素子の通電作動を停止させる。
(3) ヒータによってSiCバイポーラ素子を加熱しながら通電を行い、SiCバイポーラ素子を所定の温度以上(例えば350℃以上)に維持しながら運転している最中に、ヒータの断線等によりSiCバイポーラ素子の温度が所定の温度よりも低下した場合、運転制御装置は、温度検知素子からの信号に基づいてSiCバイポーラ素子の通電作動を緊急停止させる。図10にこのような制御の一例を示した。正常時における運転シーケンスでは、図10(a)のようにSiCバイポーラ素子が所定温度に達した後に通電電流が流れ、SiCバイポーラ素子を所定温度に維持しながら通電を継続するとともに、所定温度に維持した状態で通電を停止するように通電と温度が制御される。しかし、図10(b)のように、通電中にヒータが断線する等によってSiCバイポーラ素子の温度が低下して所定温度を下回ると、温度検知素子がこれを検知して、運転制御装置はその検知結果に基づいて通電を緊急停止させる。
Said temperature control apparatus is connected with the operation control apparatus which controls the electricity supply operation | movement of a SiC bipolar element, for example, the following control is performed so that electricity supply may be performed at predetermined temperature.
(1) The SiC bipolar element is heated by a heater, and after the temperature sensor detects that the SiC bipolar element has reached a predetermined temperature (for example, 350 ° C. or higher), the operation control device starts energizing the SiC bipolar element. .
(2) Energization is performed while heating the SiC bipolar element with a heater, and the operation control device stops the energization operation of the SiC bipolar element while maintaining the SiC bipolar element at a predetermined temperature or higher (for example, 350 ° C. or higher).
(3) While the SiC bipolar element is energized while being heated by the heater, and the SiC bipolar element is being operated while maintaining the SiC bipolar element at a predetermined temperature or higher (eg, 350 ° C. or higher), the SiC bipolar element is disconnected due to disconnection of the heater or the like. When the temperature of the temperature drops below a predetermined temperature, the operation control device urgently stops the energization operation of the SiC bipolar element based on a signal from the temperature detection element. FIG. 10 shows an example of such control. In the normal operation sequence, as shown in FIG. 10A, an energization current flows after the SiC bipolar element reaches a predetermined temperature, and the energization is continued while maintaining the SiC bipolar element at the predetermined temperature, and is also maintained at the predetermined temperature. The energization and temperature are controlled so that the energization is stopped in this state. However, as shown in FIG. 10 (b), when the temperature of the SiC bipolar element decreases and falls below a predetermined temperature due to disconnection of the heater during energization, the temperature detection element detects this, and the operation control device Based on the detection result, energization is urgently stopped.

このように、温度制御装置を設置してSiCバイポーラ素子を350℃以上の温度環境
下で適切に通電作動させることで、積層欠陥面積の拡大を有効に抑制することができる。
図7〜図9は、上記のような温度制御装置を設けた具体例を示した図である。図7では、パッケージ内にヒータ66および温度センサ65を備えた温度制御装置62を、SiCバイポーラ素子63への電極64を通じた通電を制御する運転制御装置61に連結し、SiCバイポーラ素子63に対する通電と温度の制御を行うように構成されている。
Thus, by installing a temperature control device and appropriately energizing the SiC bipolar element in a temperature environment of 350 ° C. or higher, it is possible to effectively suppress an increase in stacking fault area.
7 to 9 are diagrams showing specific examples provided with the temperature control device as described above. In FIG. 7, a temperature control device 62 including a heater 66 and a temperature sensor 65 in a package is connected to an operation control device 61 that controls energization through the electrode 64 to the SiC bipolar element 63, thereby energizing the SiC bipolar element 63. And is configured to control the temperature.

図8では、エピタキシャル膜72が形成されたSiC単結晶基板71に、pnダイオード73と、温度検知素子74の両方を作製し、この温度検知素子74によりpnダイオード73の温度を計測するように構成されている。   In FIG. 8, both the pn diode 73 and the temperature detection element 74 are fabricated on the SiC single crystal substrate 71 on which the epitaxial film 72 is formed, and the temperature of the pn diode 73 is measured by the temperature detection element 74. Has been.

図9では、同一のSiC単結晶基板に、pnダイオード81と、ヒータ82と、温度検知素子83を作製し、ヒータ82によりpnダイオード81を加熱するとともに、温度検知素子83によりpnダイオード81の温度を計測してpnダイオード81に対する温度制御を行うように構成されている。   In FIG. 9, a pn diode 81, a heater 82, and a temperature detection element 83 are manufactured on the same SiC single crystal substrate, the pn diode 81 is heated by the heater 82, and the temperature of the pn diode 81 is increased by the temperature detection element 83. And the temperature control for the pn diode 81 is performed.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形、変更が可能である。
実施例
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
図2に示したpnダイオードを試験用に作製した。改良レーリー法により成長させたインゴットをオフ方向[11−20]、オフ角度8°でスライスし、表面を鏡面処理したn型の4H−SiC(0001)基板(キャリア密度8×1018cm-3、厚さ400μm)の上に、CVD法によって窒素ドープn型SiC層(ドナー密度5×1014cm-3、膜厚40μm)とアルミニウムドープp型SiC層(p型接合層:アクセプタ密度5×1017cm-3、膜厚1.5μm、およびp+型コンタクト層:アクセプタ密度1×1018cm-3、膜厚0.5μm)を順次エピタキシャル成長させた。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.
Examples Hereinafter, the present invention will be described by way of examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[Example 1]
The pn diode shown in FIG. 2 was fabricated for testing. An n-type 4H—SiC (0001) substrate (carrier density 8 × 10 18 cm −3 ) obtained by slicing an ingot grown by the modified Rayleigh method at an off direction [11-20] and an off angle of 8 ° and mirror-treating the surface. And a nitrogen-doped n-type SiC layer (donor density 5 × 10 14 cm −3 , film thickness 40 μm) and an aluminum-doped p-type SiC layer (p-type junction layer: acceptor density 5 ×). 10 17 cm −3 , film thickness 1.5 μm, and p + type contact layer: acceptor density 1 × 10 18 cm −3 , film thickness 0.5 μm) were sequentially epitaxially grown.

次に、反応性イオンエッチング(RIE)によりエピタキシャル膜の外周部を除去して高さ幅4μmのメサ構造を形成した。メサ底部での電界集中を緩和するために、メサ底部にアルミイオンを注入してトータルドーズ量1.2×1013cm-2、幅250μm、深さ0.7μmのJTEを形成した。イオン注入後、アルゴンガス雰囲気下で熱処理を行いアルミイオンを活性化した。その後、素子表面に保護用の熱酸化膜を形成した。 Next, the outer peripheral portion of the epitaxial film was removed by reactive ion etching (RIE) to form a mesa structure having a height width of 4 μm. In order to alleviate electric field concentration at the mesa bottom, aluminum ions were implanted into the mesa bottom to form a JTE having a total dose of 1.2 × 10 13 cm −2 , a width of 250 μm, and a depth of 0.7 μm. After ion implantation, heat treatment was performed in an argon gas atmosphere to activate aluminum ions. Thereafter, a protective thermal oxide film was formed on the element surface.

得られた基板の表裏面に、電子線加熱蒸着装置を用いてカソード電極とアノード電極を蒸着した。カソード電極は、基板の下面にNi(厚さ350nm)を蒸着して形成し、アノード電極は、p+型コンタクト層の上面に、Al(厚さ100nm)とTi(厚さ350nm)の膜を順に蒸着して形成した。これらの電極を蒸着した後、カソード電極は1050℃、90sec、アノード電極は900℃、180secで熱処理を行い、SiCとの合金を形成することによってオーミック電極とした。   A cathode electrode and an anode electrode were deposited on the front and back surfaces of the obtained substrate using an electron beam heating deposition apparatus. The cathode electrode is formed by depositing Ni (thickness 350 nm) on the lower surface of the substrate, and the anode electrode is formed by sequentially depositing Al (thickness 100 nm) and Ti (thickness 350 nm) films on the upper surface of the p + type contact layer. It was formed by vapor deposition. After vapor-depositing these electrodes, heat treatment was performed at 1050 ° C. and 90 sec for the cathode electrode and 900 ° C. and 180 sec for the anode electrode to form an alloy with SiC to obtain an ohmic electrode.

このようにして得られたpnダイオードを用いて、以下の通電試験を行った。高融点半田を用いてpnダイオードのカソード電極を銅板上に貼り付け、超音波ボンディング装置を用いてアノード電極にアルミワイヤをボンディングした。銅板とアルミワイヤに電流源(TAKASAGO GP350−10R)と電圧計(YOKOGAWA HR2300)を電気的に接続し、通電試験を行った。通電試験は、pnダイオードを350℃の温度環境下においた状態を維持しながら、順方向に100A/cm2(シリコン系パワーダイオ
ードの定格電流密度)の直流電流を60分間流すことにより行った。通電試験後のフォトルミネッセンス像を観察した結果を図5に示した。
[実施例2]
実施例1で作製したものと同様のpnダイオードを用いて、pnダイオードを400℃の温度環境下においた状態を維持しながら通電を行った以外は実施例1と同様にして通電試験を行った。通電試験後のフォトルミネッセンス像を観察した結果を図5に示した。
[実施例3]
実施例1で作製したものと同様のpnダイオードを用いて、pnダイオードを450℃の温度環境下においた状態を維持しながら通電を行った以外は実施例1と同様にして通電試験を行った。通電試験後のフォトルミネッセンス像を観察した結果を図5に示した。
[比較例1]
実施例1で作製したものと同様のpnダイオードを用いて、pnダイオードを室温(25℃)の温度環境下においた状態を維持しながら通電を行った以外は実施例1と同様にして通電試験を行った。通電試験後のフォトルミネッセンス像を観察した結果を図5に示した。
[比較例2]
実施例1で作製したものと同様のpnダイオードを用いて、pnダイオードを300℃の温度環境下においた状態を維持しながら通電を行った以外は実施例1と同様にして通電試験を行った。通電試験後のフォトルミネッセンス像を観察した結果を図5に示した。
[実施例4]
実施例1で作製したものと同様のpnダイオードを用いて、pnダイオードを350℃の温度環境下においた状態を維持しながら通電を行い、実施例1と同様の通電試験を行った。通電試験前後の順方向電圧Vfを測定し、これらの差ΔVfを通電劣化の指標とした。通電試験の結果を図3に示した。
[実施例5]
実施例1で作製したものと同様のpnダイオードを用いて、pnダイオードを400℃の温度環境下においた状態を維持しながら通電を行い、実施例1と同様の通電試験を行った。通電試験前後の順方向電圧Vfを測定し、これらの差ΔVfを通電劣化の指標とした。通電試験の結果を図3に示した。
[実施例6]
実施例1で作製したものと同様のpnダイオードを用いて、pnダイオードを450℃の温度環境下においた状態を維持しながら通電を行い、実施例1と同様の通電試験を行った。通電試験前後の順方向電圧Vfを測定し、これらの差ΔVfを通電劣化の指標とした。通電試験の結果を図3に示した。
[比較例3]
実施例1で作製したものと同様のpnダイオードを用いて、pnダイオードを室温(25℃)の温度環境下においた状態を維持しながら通電を行い、実施例1と同様の通電試験を行った。通電試験前後の順方向電圧Vfを測定し、これらの差ΔVfを通電劣化の指標とした。通電試験の結果を図3に示した。
[比較例4]
実施例1で作製したものと同様のpnダイオードを用いて、pnダイオードを300℃の温度環境下においた状態を維持しながら通電を行い、実施例1と同様の通電試験を行った。通電試験前後の順方向電圧Vfを測定し、これらの差ΔVfを通電劣化の指標とした。通電試験の結果を図3に示した。
[実施例7]
実施例1で作製したものと同様のpnダイオードを多数作製し、pnダイオードを400℃の温度環境下においた状態を維持しながら通電を行い、実施例1と同様の通電試験を行った。通電試験前後の順方向電圧Vfを測定し、これらの差ΔVfの分布を得た。その結果を図4に示した。
[比較例5]
実施例1で作製したものと同様のpnダイオードを多数作製し、pnダイオードを室温(25℃)の温度環境下においた状態を維持しながら通電を行い、実施例1と同様の通電
試験を行った。通電試験前後の順方向電圧Vfを測定し、これらの差ΔVfの分布を得た。その結果を図4に示した。
Using the pn diode thus obtained, the following energization test was performed. A cathode electrode of a pn diode was pasted on a copper plate using a high melting point solder, and an aluminum wire was bonded to the anode electrode using an ultrasonic bonding apparatus. A current source (TAKASAGO GP350-10R) and a voltmeter (YOKOGAWA HR2300) were electrically connected to the copper plate and the aluminum wire, and an energization test was performed. The energization test was performed by flowing a direct current of 100 A / cm 2 (rated current density of the silicon-based power diode) in the forward direction for 60 minutes while maintaining the pn diode in a temperature environment of 350 ° C. The result of observing the photoluminescence image after the energization test is shown in FIG.
[Example 2]
An energization test was performed in the same manner as in Example 1 except that the pn diode similar to that manufactured in Example 1 was used and energization was performed while maintaining the pn diode in a temperature environment of 400 ° C. . The result of observing the photoluminescence image after the energization test is shown in FIG.
[Example 3]
An energization test was performed in the same manner as in Example 1 except that the pn diode similar to that manufactured in Example 1 was used and energization was performed while maintaining the pn diode in a temperature environment of 450 ° C. . The result of observing the photoluminescence image after the energization test is shown in FIG.
[Comparative Example 1]
Using a pn diode similar to that manufactured in Example 1 and conducting energization while maintaining the pn diode in a room temperature (25 ° C.) temperature environment, the energization test was performed in the same manner as in Example 1. Went. The result of observing the photoluminescence image after the energization test is shown in FIG.
[Comparative Example 2]
An energization test was performed in the same manner as in Example 1 except that the pn diode similar to that manufactured in Example 1 was used and energization was performed while maintaining the pn diode in a temperature environment of 300 ° C. . The result of observing the photoluminescence image after the energization test is shown in FIG.
[Example 4]
Using a pn diode similar to that manufactured in Example 1, energization was performed while maintaining the pn diode in a temperature environment of 350 ° C., and an energization test similar to that in Example 1 was performed. The forward voltage Vf before and after the energization test was measured, and the difference ΔVf was used as an index of energization deterioration. The results of the energization test are shown in FIG.
[Example 5]
Using a pn diode similar to that manufactured in Example 1, energization was performed while maintaining the pn diode in a temperature environment of 400 ° C., and an energization test similar to that in Example 1 was performed. The forward voltage Vf before and after the energization test was measured, and the difference ΔVf was used as an index of energization deterioration. The results of the energization test are shown in FIG.
[Example 6]
Using a pn diode similar to that manufactured in Example 1, energization was performed while maintaining the pn diode in a temperature environment of 450 ° C., and an energization test similar to that in Example 1 was performed. The forward voltage Vf before and after the energization test was measured, and the difference ΔVf was used as an index of energization deterioration. The results of the energization test are shown in FIG.
[Comparative Example 3]
Using a pn diode similar to that manufactured in Example 1, energization was performed while maintaining the pn diode in a room temperature (25 ° C.) temperature environment, and the same energization test as in Example 1 was performed. . The forward voltage Vf before and after the energization test was measured, and the difference ΔVf was used as an index of energization deterioration. The results of the energization test are shown in FIG.
[Comparative Example 4]
Using a pn diode similar to that manufactured in Example 1, energization was performed while maintaining the pn diode in a temperature environment of 300 ° C., and an energization test similar to that in Example 1 was performed. The forward voltage Vf before and after the energization test was measured, and the difference ΔVf was used as an index of energization deterioration. The results of the energization test are shown in FIG.
[Example 7]
A number of pn diodes similar to those manufactured in Example 1 were manufactured, and energization was performed while maintaining the pn diodes in a temperature environment of 400 ° C., and an energization test similar to that of Example 1 was performed. The forward voltage Vf before and after the energization test was measured, and the distribution of these differences ΔVf was obtained. The results are shown in FIG.
[Comparative Example 5]
A large number of pn diodes similar to those manufactured in Example 1 were manufactured, and energization was performed while maintaining the pn diodes in a room temperature (25 ° C.) temperature environment, and the same energization test as in Example 1 was performed. It was. The forward voltage Vf before and after the energization test was measured, and the distribution of these differences ΔVf was obtained. The results are shown in FIG.

図1は、SiC単結晶基板と、ステップフロー成長技術によりその表面から形成したエピタキシャル膜との界面近傍を示した断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the vicinity of an interface between a SiC single crystal substrate and an epitaxial film formed from the surface by a step flow growth technique. 図2は、表面にエピタキシャル膜を形成したSiC単結晶基板を用いて作製したpnダイオードの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a pn diode fabricated using a SiC single crystal substrate having an epitaxial film formed on the surface. 図3は、実施例および比較例における通電試験の結果を示したグラフであり、通電作動時のpnダイオードの温度とΔVfの関係を示している。FIG. 3 is a graph showing the results of energization tests in Examples and Comparative Examples, and shows the relationship between the temperature of the pn diode and ΔVf during energization operation. 図4は、室温(上側)と400℃(下側)において、試作した多数のpnダイオードに対して通電試験を行って得られたΔVfの分布を示したグラフである。FIG. 4 is a graph showing the distribution of ΔVf obtained by conducting an energization test on a number of prototyped pn diodes at room temperature (upper side) and 400 ° C. (lower side). 図5は、室温から450℃までの各温度においてpnダイオードに対して通電を続けたSiCエピタキシャル膜のフォトルミネッセンス像の概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram of a photoluminescence image of the SiC epitaxial film in which the pn diode is continuously energized at each temperature from room temperature to 450 ° C. 図6は、各種のSiCバイポーラ素子の概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of various SiC bipolar elements. 図7は、SiCバイポーラ素子の温度を制御する温度制御装置を設けた一例を説明する図である。FIG. 7 is a diagram for explaining an example in which a temperature control device for controlling the temperature of the SiC bipolar element is provided. 図8は、SiCバイポーラ素子の温度を制御する温度制御装置を設けた一例を説明する図である。FIG. 8 is a diagram for explaining an example in which a temperature control device for controlling the temperature of the SiC bipolar element is provided. 図9は、SiCバイポーラ素子の温度を制御する温度制御装置を設けた一例を説明する図である。FIG. 9 is a diagram for explaining an example in which a temperature control device for controlling the temperature of the SiC bipolar element is provided. 図10は、SiCバイポーラ素子が所定温度を下回った際に通電を緊急停止する場合における運転シーケンスを示した図であり、図10(a)は正常時、図10(b)は異常時における運転シーケンスを示す。FIG. 10 is a diagram illustrating an operation sequence in the case where the energization is urgently stopped when the SiC bipolar element falls below a predetermined temperature. FIG. 10 (a) is a normal operation, and FIG. 10 (b) is an operation in an abnormal state. Indicates the sequence.

符号の説明Explanation of symbols

1 SiC単結晶基板
2a n型エピタキシャル膜
2b p型エピタキシャル膜(またはp型注入層)
3 ベーサルプレーン転位
4 スレッディングエッジ転位
5 結晶面
21 基板
23 ドリフト層
24 p型接合層
25 p+型コンタクト層
26 JTE
27 酸化膜
28 カソード電極
29 アノード電極
31 積層欠陥
41 サイリスタ
42 GTOサイリスタ
43 IGBT
51 n型層
52 p型層
53 カソード電極
54 アノード電極
55 ゲート電極
56 エミッタ電極
57 コレクタ電極
58 酸化膜
61 運転制御装置
62 温度制御装置
63 SiCバイポーラ素子
64 電極
65 温度センサ
66 ヒータ
71 SiC単結晶基板
72 エピタキシャル膜
73 pnダイオード
74 温度検知素子
81 pnダイオード
82 ヒータ
83 温度検知素子
θ オフ角
1 SiC single crystal substrate 2a n-type epitaxial film 2b p-type epitaxial film (or p-type implantation layer)
3 Basal plane dislocation 4 Threading edge dislocation 5 Crystal plane 21 Substrate 23 Drift layer 24 p-type junction layer 25 p + type contact layer 26 JTE
27 Oxide film 28 Cathode electrode 29 Anode electrode 31 Stacking fault 41 Thyristor 42 GTO thyristor 43 IGBT
51 n-type layer 52 p-type layer 53 cathode electrode 54 anode electrode 55 gate electrode 56 emitter electrode 57 collector electrode 58 oxide film 61 operation control device 62 temperature control device 63 SiC bipolar element 64 electrode 65 temperature sensor 66 heater 71 SiC single crystal substrate 72 Epitaxial film 73 pn diode 74 temperature detection element 81 pn diode 82 heater 83 temperature detection element θ off angle

Claims (10)

炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の内部で通電時に電子と正孔が再結合するバイポーラ型半導体装置の運転方法であって、
通電劣化の要因となる積層欠陥面積の拡大を防止するために、前記バイポーラ型半導体装置を350℃以上の温度に維持しながら通電作動させることを特徴とするバイポーラ型半導体装置の運転方法。
A method for operating a bipolar semiconductor device in which electrons and holes recombine when energized inside a silicon carbide epitaxial film grown from the surface of a silicon carbide single crystal substrate,
A method for operating a bipolar semiconductor device, wherein the bipolar semiconductor device is energized while being maintained at a temperature of 350 ° C. or higher in order to prevent an increase in the stacking fault area that causes energization deterioration.
前記バイポーラ型半導体装置を加熱するための温度制御装置を用いて、前記バイポーラ型半導体装置を350℃以上の温度に維持しながら通電作動させることを特徴とする請求項1に記載のバイポーラ型半導体装置の運転方法。   2. The bipolar semiconductor device according to claim 1, wherein the bipolar semiconductor device is energized while maintaining the temperature at 350 ° C. or higher using a temperature control device for heating the bipolar semiconductor device. 3. Driving method. 前記温度制御装置によって、前記バイポーラ型半導体装置が350℃以上の温度に達した後に通電を開始させることを特徴とする請求項2に記載のバイポーラ型半導体装置の運転方法。   3. The method of operating a bipolar semiconductor device according to claim 2, wherein the temperature control device starts energization after the bipolar semiconductor device reaches a temperature of 350 [deg.] C. or higher. 前記温度制御装置によって、前記バイポーラ型半導体装置を350℃以上の温度に維持しながら通電を停止させることを特徴とする請求項2または3に記載のバイポーラ型半導体装置の運転方法。   4. The method of operating a bipolar semiconductor device according to claim 2, wherein the temperature control device stops energization while maintaining the bipolar semiconductor device at a temperature of 350 [deg.] C. or higher. 前記温度制御装置によって、前記バイポーラ型半導体装置が350℃未満の温度に低下した際に通電を停止させることを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載のバイポーラ型半導体装置の運転方法。   5. The operation method of a bipolar semiconductor device according to claim 2, wherein energization is stopped when the temperature of the bipolar semiconductor device is lowered to a temperature lower than 350 ° C. by the temperature control device. 六方晶の炭化珪素単結晶基板の表面から六方晶の炭化珪素エピタキシャル膜を成長させた基板によって作製したバイポーラ型半導体装置を用いることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のバイポーラ型半導体装置の運転方法。   The bipolar semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein a bipolar semiconductor device manufactured using a substrate in which a hexagonal silicon carbide epitaxial film is grown from the surface of a hexagonal silicon carbide single crystal substrate is used. A method for operating a semiconductor device. 六方晶四回周期型の炭化珪素単結晶基板の表面から六方晶四回周期型の炭化珪素エピタキシャル膜を成長させた基板、六方晶六回周期型の炭化珪素単結晶基板の表面から六方晶六回周期型の炭化珪素エピタキシャル膜を成長させた基板、または六方晶二回周期型の炭化珪素単結晶基板の表面から六方晶二回周期型の炭化珪素エピタキシャル膜を成長させた基板によって作製したバイポーラ型半導体装置を用いることを特徴する請求項6に記載のバイポーラ型半導体装置の運転方法。   A substrate in which a hexagonal quadruple periodic silicon carbide epitaxial film is grown from the surface of a hexagonal tetraperiodic silicon carbide single crystal substrate, and a hexagonal hexagonal hexagonal crystal from the surface of a hexagonal hexaperiodic silicon carbide single crystal substrate. Bipolar fabricated with a substrate on which a periodic silicon carbide epitaxial film is grown or a substrate on which a hexagonal double periodic silicon carbide epitaxial film is grown from the surface of a hexagonal double periodic silicon carbide single crystal substrate The bipolar semiconductor device operating method according to claim 6, wherein a bipolar semiconductor device is used. 菱面十五回周期型の炭化珪素単結晶基板の表面から菱面十五回周期型の炭化珪素エピタキシャル膜を成長させた基板によって作製したバイポーラ型半導体装置を用いることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のバイポーラ型半導体装置の運転方法。   2. A bipolar semiconductor device manufactured by using a substrate obtained by growing a rhombus 15-cycle periodic silicon carbide epitaxial film from the surface of a rhombus 15-cycle silicon carbide single crystal substrate. A method for operating the bipolar semiconductor device according to any one of? 炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の内部で通電時に電子と正孔が再結合するバイポーラ型半導体装置であって、
同一の炭化珪素単結晶基板に、バイポーラ素子と、該バイポーラ素子の温度を検知する温度検知素子と、が形成されていることを特徴とするバイポーラ型半導体装置。
A bipolar semiconductor device in which electrons and holes are recombined when energized inside a silicon carbide epitaxial film grown from the surface of a silicon carbide single crystal substrate,
A bipolar semiconductor device, wherein a bipolar element and a temperature detecting element for detecting the temperature of the bipolar element are formed on the same silicon carbide single crystal substrate.
炭化珪素単結晶基板の表面から成長させた炭化珪素エピタキシャル膜の内部で通電時に電子と正孔が再結合するバイポーラ型半導体装置であって、
同一の炭化珪素単結晶基板に、バイポーラ素子と、該バイポーラ素子を加熱するヒータと、該バイポーラ素子の温度を検知する温度検知素子と、が形成されていることを特徴とするバイポーラ型半導体装置。
A bipolar semiconductor device in which electrons and holes are recombined when energized inside a silicon carbide epitaxial film grown from the surface of a silicon carbide single crystal substrate,
2. A bipolar semiconductor device comprising: a bipolar element, a heater for heating the bipolar element, and a temperature detecting element for detecting the temperature of the bipolar element formed on the same silicon carbide single crystal substrate.
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