JP2012234848A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device including a field effect transistor and a regenerative element, in which switching loss is reduced by excellent recovery characteristics.SOLUTION: The semiconductor device includes a field effect transistor and a regenerative element. The field effect transistor includes a first semiconductor layer having a first conductivity type, a second semiconductor layer having a second conductivity type arranged on the surface of the first semiconductor layer, a third semiconductor layer having a first conductivity type arranged on the surface of the second semiconductor layer, a gate electrode arranged via an insulating film which is arranged contiguously to the first semiconductor layer, the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, a first metal layer, and a second metal layer. The regenerative element has an anode terminal to be connected electrically with the first metal layer, and a cathode terminal to be connected electrically with the second metal layer.

Description

本発明は、電界効果型トランジスタと回生素子とを含む半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a field effect transistor and a regenerative element.

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)は、代表的な電界効果型トランジスタとして知られ、例えばDC−DCコンバータ等のスイッチング電源装置におけるスイッチング素子に適用される。MOSFETは、第1導電型のドリフト領域と第2導電型のベース領域と第1導電型のソース領域とを備える。また、MOSFETは、ドリフト領域とベース領域とから形成され、回生素子として利用可能な寄生ダイオード(pnダイオード)を備える。しかしながら、寄生ダイオードは逆回復時間(trr)等のリカバリ特性が悪いため、寄生ダイオードを回生素子として使用した場合、MOSFETにおけるスイッチング損失が増大し、スイッチング電源装置の変換効率が低下してしまう。 A MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is known as a typical field effect transistor, and is applied to a switching element in a switching power supply device such as a DC-DC converter. The MOSFET includes a first conductivity type drift region, a second conductivity type base region, and a first conductivity type source region. The MOSFET includes a parasitic diode (pn diode) that is formed of a drift region and a base region and can be used as a regenerative element. However, since the parasitic diode has poor recovery characteristics such as reverse recovery time (trr), when the parasitic diode is used as a regenerative element, the switching loss in the MOSFET increases and the conversion efficiency of the switching power supply device decreases.

特許文献1は、寄生ダイオードのリカバリ特性を改善するために、プロトン照射によってMOSFETのドリフト領域内にライフタイムキラー領域が形成された半導体装置を開示する。また、特許文献2は、寄生ダイオードの動作を抑制するために、寄生ダイオードに流れる電流を阻止するショットキバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)が形成された半導体装置を開示する。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device in which a lifetime killer region is formed in a drift region of a MOSFET by proton irradiation in order to improve recovery characteristics of a parasitic diode. Patent Document 2 discloses a semiconductor device in which a Schottky Barrier Diode (SBD) that blocks a current flowing through the parasitic diode is formed in order to suppress the operation of the parasitic diode.

特開2000−269234号公報JP 2000-269234 A 特開2006−066770号公報JP 2006-0667770 A

特許文献1に示される半導体装置によれば、寄生ダイオードの逆回復時間が短くなる反面、ライフタイムキラー領域によってMOSFETのオン抵抗が増大してしまう。また、特許文献2に示される半導体装置によれば、寄生ダイオードに電流が流れにくく、比較的リカバリ特性の良いSBDに電流が流れるため、MOSFETのスイッチング損失が低減される。しかしながら、SBDに流れる電流が大きくなると寄生ダイオードが導通するため、スイッチング損失を十分に低減しているとは言えない。 According to the semiconductor device disclosed in Patent Document 1, the reverse recovery time of the parasitic diode is shortened, but the on-resistance of the MOSFET is increased by the lifetime killer region. Further, according to the semiconductor device disclosed in Patent Document 2, since current does not easily flow through the parasitic diode and current flows through the SBD having relatively good recovery characteristics, the switching loss of the MOSFET is reduced. However, when the current flowing through the SBD increases, the parasitic diode becomes conductive, so it cannot be said that the switching loss is sufficiently reduced.

本発明は、電界効果型トランジスタと回生素子とを含み、優れたリカバリ特性によりスイッチング損失が低減された半導体装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device that includes a field effect transistor and a regenerative element and has reduced switching loss due to excellent recovery characteristics.

本発明の一態様によれば、電界効果型トランジスタと回生素子とを含み、
前記電界効果型トランジスタは、第1の導電型を有する第1の半導体層と、前記第1の半導体層の表面に配置された第2導電型を有する第2の半導体層と、前記第2の半導体層の表面に配置された前記第1導電型を有する第3の半導体層と、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とに隣接するように配置された絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記第2の半導体層に対向するように配置されたゲート電極と、前記第2の半導体層とショットキ接合を形成するとともに前記第3の半導体層とオーミック接合を形成する第1の金属層と、前記第1の半導体層とオーミック接合を形成する第2の金属層と、を備え、
前記ショットキ接合は、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層とが形成するpn接合に流れる電流を阻止する整流方向を有し、
前記回生素子は、前記第1の金属層と電気的に接続されるアノード端子と、前記第2の金属層と電気的に接続されるカソード端子と、を備えることを特徴とする。
According to one aspect of the present invention, a field effect transistor and a regenerative element are included,
The field effect transistor includes a first semiconductor layer having a first conductivity type, a second semiconductor layer having a second conductivity type disposed on a surface of the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer. A third semiconductor layer having the first conductivity type disposed on a surface of the semiconductor layer; and disposed adjacent to the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer. An insulating film; a gate electrode disposed to face the second semiconductor layer through the insulating film; and a Schottky junction with the second semiconductor layer and an ohmic contact with the third semiconductor layer A first metal layer that forms a junction; and a second metal layer that forms an ohmic junction with the first semiconductor layer;
The Schottky junction has a rectifying direction that blocks a current flowing through a pn junction formed by the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
The regenerative element includes an anode terminal electrically connected to the first metal layer and a cathode terminal electrically connected to the second metal layer.

本発明によれば、電界効果型トランジスタと回生素子とを含み、優れたリカバリ特性によりスイッチング損失が低減された半導体装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device including a field-effect transistor and a regenerative element and having reduced switching loss due to excellent recovery characteristics.

本発明の実施形態に係る半導体装置の平面図及び等価回路図である。It is the top view and equivalent circuit schematic of the semiconductor device which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置が備える電界効果型トランジスタの構造断面図である。It is a structure sectional view of a field effect transistor with which a semiconductor device concerning an embodiment of the present invention is provided. 比較例に係る半導体装置の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a semiconductor device according to a comparative example. 本発明の実施形態及び比較例に係る半導体装置のリカバリ特性を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the recovery characteristic of the semiconductor device which concerns on embodiment and comparative example of this invention. 本発明の実施形態の変形例に係る半導体装置が備える電界効果型トランジスタの構造断面図である。It is a structure sectional view of a field effect transistor with which a semiconductor device concerning a modification of an embodiment of the present invention is provided. 本発明の実施例に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the switching power supply device which concerns on the Example of this invention.

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the ratio of the thickness of each layer is different from the actual one. Accordingly, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の者に特定するものではない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention are materials, shapes, structures, arrangements, etc. of components. Is not specified to the following persons. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置の平面図(a)及び等価回路図(b)である。図2は、本発明の実施形態に係る半導体装置が備える電界効果型トランジスタの構造断面図である。本実施形態に係る半導体装置100は、電界効果型トランジスタ1と回生素子2とを備える。電界効果型トランジスタ1は、第1の半導体層11と第2の半導体層12と第3の半導体層13と絶縁膜15とゲート電極16と第1の金属層18と第2の金属層19とを備える。回生素子2は、アノード端子21とカソード端子22とを備える。 FIG. 1 is a plan view (a) and an equivalent circuit diagram (b) of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a structural cross-sectional view of a field effect transistor included in the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. The semiconductor device 100 according to the present embodiment includes a field effect transistor 1 and a regenerative element 2. The field effect transistor 1 includes a first semiconductor layer 11, a second semiconductor layer 12, a third semiconductor layer 13, an insulating film 15, a gate electrode 16, a first metal layer 18, and a second metal layer 19. Is provided. The regenerative element 2 includes an anode terminal 21 and a cathode terminal 22.

本実施形態に係る電界効果型トランジスタ1は、シリコン(Si)で構成される縦型のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect Transistor)である。なお、電界効果型トランジスタ1は、Si以外の例えばシリコンカーバイド(SiC)又は窒化ガリウム(GaN)等の材料で構成されても良い。
The field effect transistor 1 according to the present embodiment is a vertical MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor) made of silicon (Si).
Field-Effect Transistor). The field effect transistor 1 may be made of a material other than Si, such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).

第1の半導体層11は、MOSFETのドレイン層に相当し、N+型のドレイン領域11aと、ドレイン領域11aの表面上に形成され且つドレイン領域11aよりも低いN型不純物濃度を有するN−型のドリフト領域11bと、から構成される。 The first semiconductor layer 11 corresponds to the drain layer of the MOSFET, and is an N + type drain region 11a and an N− type impurity region formed on the surface of the drain region 11a and having an N type impurity concentration lower than that of the drain region 11a. And a drift region 11b.

第2の半導体層12は、MOSFETのベース層に相当し、第1の半導体層11の表面上に形成されたP型の第1のベース領域12aと、第1のベース領域12aの表面上に形成され且つ第1のベース領域12aよりも低いP型不純物濃度を有するP−型の第2のベース領域12bと、から構成される。本実施形態における第1のベース領域12aは、ドリフト領域11bに隣接するように形成され、ドリフト領域11bとの間にpn接合(第1の寄生ダイオードD1)を形成する。 The second semiconductor layer 12 corresponds to the base layer of the MOSFET. The P-type first base region 12a formed on the surface of the first semiconductor layer 11 and the surface of the first base region 12a. And a P-type second base region 12b formed and having a P-type impurity concentration lower than that of the first base region 12a. The first base region 12a in the present embodiment is formed adjacent to the drift region 11b, and forms a pn junction (first parasitic diode D1) with the drift region 11b.

第3の半導体層13は、MOSFETのソース層に相当し、第2の半導体層12の表面領域において複数の島状に形成されたN型の第1のソース領域13aと、第1のソース領域13aの表面領域において島状に形成され且つ第1のソース領域13aよりも高いN型不純物濃度を有するN+型の第2のソース領域13bと、から構成される。複数の第1のソース領域13aのそれぞれは、第2のベース領域12bによって包囲される。また、第1のソース領域13aは、第2のベース領域12bに隣接するように形成され、第2のベース領域12bとの間にpn接合(第2の寄生ダイオードD2)を形成する。 The third semiconductor layer 13 corresponds to the source layer of the MOSFET, and an N-type first source region 13 a formed in a plurality of island shapes in the surface region of the second semiconductor layer 12, and the first source region The N + type second source region 13b is formed in an island shape in the surface region 13a and has an N type impurity concentration higher than that of the first source region 13a. Each of the plurality of first source regions 13a is surrounded by the second base region 12b. The first source region 13a is formed adjacent to the second base region 12b, and forms a pn junction (second parasitic diode D2) with the second base region 12b.

第1の半導体層11と第2の半導体層12と第3の半導体層13とは、一方及び他方の主面を有する半導体基板を構成する。半導体基板の一方の主面には、第2のベース領域12bと第1のソース領域13aと第2のソース領域13bとが露出し、半導体基板の他方の主面にはドレイン領域11aが露出する。 The first semiconductor layer 11, the second semiconductor layer 12, and the third semiconductor layer 13 constitute a semiconductor substrate having one and the other main surfaces. The second base region 12b, the first source region 13a, and the second source region 13b are exposed on one main surface of the semiconductor substrate, and the drain region 11a is exposed on the other main surface of the semiconductor substrate. .

電界効果型トランジスタ1は、トレンチゲート型のMOSFETであって、半導体基板の一方の主面側から第3の半導体層13と第2の半導体層12とを貫通して第1の半導体層11に到達するトレンチ14を備える。トレンチ14の底面及び側面は、第1の半導体層11と第2の半導体層12と第3の半導体層13とに隣接する絶縁膜15で覆われる。絶縁膜15は、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)又は酸化アルミニウム(Al)等からなる。また、トレンチ14の内部には、絶縁膜15を介して第1の半導体層11と第2の半導体層12と第3の半導体層13とに対向するゲート電極16が形成される。なお、ゲート電極16は、少なくとも第2の半導体層12と対向するように形成され、ポリシリコン(多結晶シリコン)又はアルミニウム(Al)等の材料からなる。 The field effect transistor 1 is a trench gate type MOSFET, and penetrates the third semiconductor layer 13 and the second semiconductor layer 12 from one main surface side of the semiconductor substrate to form the first semiconductor layer 11. A reaching trench 14 is provided. The bottom and side surfaces of the trench 14 are covered with an insulating film 15 adjacent to the first semiconductor layer 11, the second semiconductor layer 12, and the third semiconductor layer 13. The insulating film 15 is made of silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or the like. A gate electrode 16 is formed inside the trench 14 so as to face the first semiconductor layer 11, the second semiconductor layer 12, and the third semiconductor layer 13 with an insulating film 15 interposed therebetween. The gate electrode 16 is formed so as to face at least the second semiconductor layer 12 and is made of a material such as polysilicon (polycrystalline silicon) or aluminum (Al).

第1の金属層18は、第2の半導体層12とショットキ接合(第3の寄生ダイオードD3)を形成するとともに第3の半導体層13とオーミック接合を形成する。詳細には、第1の金属層18は、半導体基板の一方の主面上に形成され、第2のベース領域12bにショットキ接続され、第1のソース領域13aと第2のソース領域13bとにオーミック接続される。第1の金属層18とゲート電極16とは、層間絶縁膜17により電気的に絶縁される。第1の金属層18は、電界効果型トランジスタ1におけるソース電極であり、Alまたはチタン(Ti)等の金属からなる。層間絶縁膜17は、SiO、SiN又はAl等からなる。 The first metal layer 18 forms a Schottky junction (third parasitic diode D3) with the second semiconductor layer 12, and forms an ohmic junction with the third semiconductor layer 13. Specifically, the first metal layer 18 is formed on one main surface of the semiconductor substrate, is Schottky connected to the second base region 12b, and is connected to the first source region 13a and the second source region 13b. Ohmic connected. The first metal layer 18 and the gate electrode 16 are electrically insulated by the interlayer insulating film 17. The first metal layer 18 is a source electrode in the field effect transistor 1 and is made of a metal such as Al or titanium (Ti). The interlayer insulating film 17 is made of SiO x , SiN, Al 2 O 3 or the like.

第2の金属層19は、第1の半導体層11とオーミック接合を形成する。詳細には、第2の金属層19は、半導体基板の他方の主面上に形成され、ドレイン領域11aにオーミック接続される。第2の金属層19は、電界効果型トランジスタ1におけるドレイン電極であり、金(Au)、ニッケル(Ni)またはAl等の金属からなる。 The second metal layer 19 forms an ohmic junction with the first semiconductor layer 11. Specifically, the second metal layer 19 is formed on the other main surface of the semiconductor substrate and is ohmically connected to the drain region 11a. The second metal layer 19 is a drain electrode in the field effect transistor 1 and is made of a metal such as gold (Au), nickel (Ni), or Al.

ここで、本実施形態に係る電界効果型トランジスタ1が有する3つの寄生ダイオードについて説明する。第1の寄生ダイオードD1は、第2の半導体層12をアノードとし、第1の半導体層11をカソードとするダイオードであって、電界効果型トランジスタ1のオフ時に第1の半導体層11から第2の半導体層12に向かって流れる電流を阻止する。第2の寄生ダイオードD2は、第2の半導体層12をアノードとし、第3の半導体層13をカソードとするダイオードであって、電界効果型トランジスタ1のオフ時に第3の半導体層13から第2の半導体層12に向かって流れる電流を阻止する。第3の寄生ダイオードD3は、第2の半導体層12をアノードとし、第1の金属層18をカソードとするSBD(Schottky Barrier Diode)であって、電界効果型トランジスタ1のオフ時に第1の金属層18から第2の半導体層12に向かって流れる電流を阻止する。即ち、第2及び第3の寄生ダイオードD2,D3の整流方向は、第1の寄生ダイオードD1の整流方向と反対向きである。そのため、電界効果型トランジスタ1は、そのオフ時に第1の金属層18と第2の金属層19との間に流れる電流は、第1乃至第3の寄生ダイオードにより阻止される。 Here, three parasitic diodes included in the field effect transistor 1 according to the present embodiment will be described. The first parasitic diode D1 is a diode having the second semiconductor layer 12 as an anode and the first semiconductor layer 11 as a cathode. The first parasitic diode D1 is a second diode from the first semiconductor layer 11 when the field effect transistor 1 is turned off. Current flowing toward the semiconductor layer 12 is blocked. The second parasitic diode D2 is a diode having the second semiconductor layer 12 as an anode and the third semiconductor layer 13 as a cathode, and is connected to the second semiconductor layer 13 from the third semiconductor layer 13 when the field effect transistor 1 is turned off. Current flowing toward the semiconductor layer 12 is blocked. The third parasitic diode D3 is an SBD (Schottky Barrier Diode) having the second semiconductor layer 12 as an anode and the first metal layer 18 as a cathode, and the first metal when the field effect transistor 1 is turned off. The current flowing from the layer 18 toward the second semiconductor layer 12 is blocked. That is, the rectification direction of the second and third parasitic diodes D2 and D3 is opposite to the rectification direction of the first parasitic diode D1. Therefore, in the field effect transistor 1, current flowing between the first metal layer 18 and the second metal layer 19 when the transistor 1 is turned off is blocked by the first to third parasitic diodes.

本実施形態に係る回生素子2は、Siから構成される周知のFRD(Fast Recovery Diode)であり、例えばFMD−G26Sを適用することができる。なお、回生素子2としてMPS(Merged PiN Schottky)ダイオード、SBD又はpnダイオードを適用しても良い。また、回生素子2は、Si以外のSiC又はGaN等の材料で構成されても良く、電界効果型トランジスタ1と異なる材料で構成されても良い。 The regenerative element 2 according to the present embodiment is a well-known FRD (Fast Recovery Diode) made of Si, and for example, FMD-G26S can be applied. Note that an MPS (Merged PiN Schottky) diode, SBD, or pn diode may be applied as the regenerative element 2. Further, the regenerative element 2 may be made of a material such as SiC or GaN other than Si, or may be made of a material different from that of the field effect transistor 1.

回生素子2は、第1の寄生ダイオードD1に比べ短いtrr(逆回復時間)及び低いVf(順方向電圧)等の特性を有する半導体素子が用いられる。回生素子2の整流方向は、第2及び第3の寄生ダイオードD2,D3の整流方向と反対向きである。 The regenerative element 2 is a semiconductor element having characteristics such as a shorter trr (reverse recovery time) and lower Vf (forward voltage) than the first parasitic diode D1. The rectification direction of the regenerative element 2 is opposite to the rectification direction of the second and third parasitic diodes D2 and D3.

図1(a)に示すように、半導体装置100は、第1のリードフレームL1、第2のリードフレームL2、及び第3のリードフレームL3と、第2のリードフレームL2上に配置された電界効果型トランジスタ1及び回生素子2と、各半導体素子とリードとを接続する第1のワイヤW1、第2のワイヤW2、及び第3のワイヤW3と、これらを封止するモールドパッケージMPと、から構成される。また、電界効果型トランジスタ1は、ゲート電極16と電気的に接続される第1のパッドP1と、第1の金属層18と電気的に接続される第2のパッドP2と、を備え、回生素子2は、アノード端子22と電気的に接続される第3のパッドP3を備える。 As shown in FIG. 1A, the semiconductor device 100 includes an electric field disposed on the first lead frame L1, the second lead frame L2, the third lead frame L3, and the second lead frame L2. The effect transistor 1 and the regenerative element 2, the first wire W1, the second wire W2, and the third wire W3 that connect each semiconductor element and the lead, and the mold package MP that seals them. Composed. Further, the field effect transistor 1 includes a first pad P1 electrically connected to the gate electrode 16 and a second pad P2 electrically connected to the first metal layer 18, and regeneratively. The element 2 includes a third pad P3 that is electrically connected to the anode terminal 22.

第1のリードフレームL1は、第1のワイヤW1を介して第1のパッドP1と電気的に接続され、半導体装置100のゲート端子を構成する。第2のリードフレームL2は、電界効果型トランジスタ1及び回生素子2を機械的に支持するとともに、はんだ等の導電性接着層(図示せず)を介して電界効果型トランジスタ1の第2の金属層19及び回生素子2のカソード端子21に電気的に接続され、半導体装置100のドレイン端子を構成する。第3のリードフレームL3は、第2のワイヤW2を介して第2のパッドP2と電気的に接続されるとともに、第3のワイヤW3を介して第3のパッドP3と電気的に接続され、半導体装置100のソース端子を構成する。第1乃至第3のリードフレームは、銅(Cu)等の金属からなり、第1乃至第3のワイヤは、それぞれAl、Au又はCu等からなる。回生素子2は、第1の寄生ダイオードD1と同一の整流方向を有し、電界効果型トランジスタ1に対して並列接続される。 The first lead frame L1 is electrically connected to the first pad P1 via the first wire W1, and constitutes a gate terminal of the semiconductor device 100. The second lead frame L2 mechanically supports the field effect transistor 1 and the regenerative element 2 and also has a second metal of the field effect transistor 1 through a conductive adhesive layer (not shown) such as solder. It is electrically connected to the layer 19 and the cathode terminal 21 of the regenerative element 2 and constitutes the drain terminal of the semiconductor device 100. The third lead frame L3 is electrically connected to the second pad P2 via the second wire W2, and is electrically connected to the third pad P3 via the third wire W3. A source terminal of the semiconductor device 100 is configured. The first to third lead frames are made of metal such as copper (Cu), and the first to third wires are made of Al, Au, Cu, or the like. The regenerative element 2 has the same rectification direction as the first parasitic diode D1, and is connected in parallel to the field effect transistor 1.

本実施形態に係る半導体装置100の効果について説明する。半導体装置100の特性上の利点を説明するために、図1及び図3に示した構造の半導体装置を用いて行った実験の結果を示す。図3は、Siからなる従来の電界効果型トランジスタ201(例えば2SK2701)とSiからなるFRD202(例えばFMD−G26S)とを並列接続した、比較例に係る半導体装置300の等価回路図である。電界効果型トランジスタ201は、ドリフト領域とベース領域とから形成され、且つ、寄生ダイオードD1と略同一のリカバリ特性を有する寄生ダイオードD201を有する。 The effect of the semiconductor device 100 according to the present embodiment will be described. In order to explain the advantages of the characteristics of the semiconductor device 100, results of experiments conducted using the semiconductor device having the structure shown in FIGS. 1 and 3 are shown. FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a semiconductor device 300 according to a comparative example in which a conventional field effect transistor 201 (for example, 2SK2701) made of Si and an FRD 202 (for example, FMD-G26S) made of Si are connected in parallel. The field effect transistor 201 includes a parasitic diode D201 that is formed of a drift region and a base region and has substantially the same recovery characteristics as the parasitic diode D1.

図4は、本発明の実施形態及び比較例に係る半導体装置のリカバリ特性を示す波形図である。リカバリ特性の測定として、それぞれの半導体装置が備える回生素子を順方向バイアスし約7.5Aの電流を流した状態から、約100Vの逆方向バイアスを印加した時のアノード・カソード間に流れる電流(A)と印加される電圧(V)とを測定した。 FIG. 4 is a waveform diagram showing recovery characteristics of the semiconductor device according to the embodiment and the comparative example of the present invention. As a measurement of the recovery characteristics, the current flowing between the anode and the cathode when a reverse bias of about 100 V is applied from a state in which a regenerative element included in each semiconductor device is forward-biased and a current of about 7.5 A flows. A) and the applied voltage (V) were measured.

リカバリ特性を測定した結果、図1に示す半導体装置100の逆回復時間(trr)は約50nsであった(図4(a))。この特性は、回生素子2単体による逆回復時間と略等しく、電界効果型トランジスタ1の寄生ダイオードがキャンセルされているため、回生素子2の特性が支配的になっていることに起因する。一方、図3に示す半導体装置300の逆回復時間は約400nsであった(図4(b))。この特性は、電界効果型トランジスタ201即ち寄生ダイオードD201単体による逆回復時間と略等しく、電界効果型トランジスタ201のリカバリ特性が支配的になっていることに起因する。従って、本実施形態に係る半導体装置100は、優れたリカバリ特性を有し、逆回復時間が短くなることにより、スイッチング損失が低減されるとともに、ノイズ発生を抑制することができる。また、半導体装置100に流れるリカバリ電流のピーク値は、半導体装置300のリカバリ電流の約1/6程度に低減されるため、半導体装置100は回生動作時の損失及びノイズ発生を低減することができる。 As a result of measuring the recovery characteristics, the reverse recovery time (trr) of the semiconductor device 100 shown in FIG. 1 was about 50 ns (FIG. 4A). This characteristic is substantially equal to the reverse recovery time of the regenerative element 2 alone, and is caused by the characteristic of the regenerative element 2 being dominant because the parasitic diode of the field effect transistor 1 is canceled. On the other hand, the reverse recovery time of the semiconductor device 300 shown in FIG. 3 was about 400 ns (FIG. 4B). This characteristic is substantially equal to the reverse recovery time of the field effect transistor 201, that is, the parasitic diode D201 alone, and is caused by the fact that the recovery characteristic of the field effect transistor 201 is dominant. Therefore, the semiconductor device 100 according to the present embodiment has excellent recovery characteristics, and the reverse recovery time is shortened, whereby switching loss is reduced and noise generation can be suppressed. Further, since the peak value of the recovery current flowing through the semiconductor device 100 is reduced to about 1/6 of the recovery current of the semiconductor device 300, the semiconductor device 100 can reduce loss and noise generation during the regenerative operation. .

また、寄生ダイオードD201に電流が流れないように、電界効果型トランジスタ201のドレイン電極に寄生ダイオードD201の逆阻止ダイオードを外付けすることで、半導体装置300のリカバリ特性を改善することができる。しかしながら、半導体装置300を構成する部品点数が増加し、リードフレーム形状が複雑になり且つワイヤ本数が増加してしまう。本発明の実施形態に係る半導体装置100は、これらの部品点数増加などを伴わず小型且つ安価なパッケージ構造により、優れたリカバリ特性を有する半導体装置を提供することができる。 Further, the recovery characteristic of the semiconductor device 300 can be improved by externally attaching a reverse blocking diode of the parasitic diode D201 to the drain electrode of the field effect transistor 201 so that no current flows through the parasitic diode D201. However, the number of parts constituting the semiconductor device 300 increases, the lead frame shape becomes complicated, and the number of wires increases. The semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention can provide a semiconductor device having excellent recovery characteristics by a small and inexpensive package structure without increasing the number of parts.

図5は、本発明の実施形態の変形例に係る半導体装置が備える電界効果型トランジスタの構造断面図である。本変形例に係る電界効果型トランジスタ101は、第1の半導体層111と第2の半導体層112と第3の半導体層113と絶縁膜115とゲート電極116と第1の金属層118と第2の金属層119とを備える。 FIG. 5 is a structural cross-sectional view of a field effect transistor included in a semiconductor device according to a modification of the embodiment of the present invention. The field effect transistor 101 according to this modification includes a first semiconductor layer 111, a second semiconductor layer 112, a third semiconductor layer 113, an insulating film 115, a gate electrode 116, a first metal layer 118, and a second semiconductor layer 111. Metal layer 119.

電界効果型トランジスタ101は、プレーナ型のMOSFETであって、第1の半導体層111と第2の半導体層112と第3の半導体層113とを有する半導体基板の一方の主面上に形成されたゲート絶縁膜115と、ゲート絶縁膜115上に形成されたゲート電極116と、を備える。ゲート絶縁膜115及びゲート電極116は、第1の半導体層111と第2の半導体層112と第3の半導体層113とに対向するように形成される。また、第3の半導体層113は、N+型のソース領域のみで構成されるが、図1に示す電界効果型トランジスタ1と同様に第1及び第2のソース領域から構成されても良い。 The field effect transistor 101 is a planar MOSFET, and is formed on one main surface of a semiconductor substrate having a first semiconductor layer 111, a second semiconductor layer 112, and a third semiconductor layer 113. A gate insulating film 115 and a gate electrode 116 formed on the gate insulating film 115 are provided. The gate insulating film 115 and the gate electrode 116 are formed so as to face the first semiconductor layer 111, the second semiconductor layer 112, and the third semiconductor layer 113. The third semiconductor layer 113 includes only the N + type source region, but may include the first and second source regions in the same manner as the field effect transistor 1 illustrated in FIG.

本変形例に係る電界効果型トランジスタ101は、第1のベース領域112aとドリフト領域111bとからなる第1の寄生ダイオードと、第2のベース領域112bとソース領域113とからなる第2の寄生ダイオードと、第2のベース領域112bと第1の金属層118とからなる第3の寄生ダイオードと、を備える。また、電界効果型トランジスタ1のそれらと同様、第2及び第3の寄生ダイオードの整流方向は、第1の寄生ダイオードの整流方向と反対向きである。 The field effect transistor 101 according to this modification includes a first parasitic diode composed of a first base region 112a and a drift region 111b, and a second parasitic diode composed of a second base region 112b and a source region 113. And a third parasitic diode composed of the second base region 112b and the first metal layer 118. Further, like those of the field effect transistor 1, the rectification direction of the second and third parasitic diodes is opposite to the rectification direction of the first parasitic diode.

本変形例に係る電界効果型トランジスタ101によれば、本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタ1と同様の効果を得ることができる。 According to the field effect transistor 101 according to this modification, it is possible to obtain the same effect as that of the field effect transistor 1 according to the embodiment of the present invention.

図6は、本発明の実施例に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。スイッチング電源装置は、本発明の実施形態に係る半導体装置100と、リアクトルLと、コンデンサCと、を備える。ハーフブリッジ回路を構成する2つの半導体装置100が直流電源Vddとグランドとの間に直列に接続され、接続点とグランドとの間にリアクトルLとコンデンサCとの直列回路が接続され、コンデンサCと並列に負荷Rが接続される。本実施例に係るスイッチング装置は、同期整流方式のDC−DCコンバータであるが、半導体装置100は、例えば周知のフルブリッジ回路、三相交流回路、昇圧チョッパ回路、フライバック回路等に適用することができる。また、半導体装置100は、上記の変形例に係る電界効果型トランジスタ101を用いた半導体装置でも良い。 FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of the switching power supply device according to the embodiment of the present invention. The switching power supply device includes a semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention, a reactor L, and a capacitor C. Two semiconductor devices 100 constituting a half-bridge circuit are connected in series between the DC power supply Vdd and the ground, and a series circuit of a reactor L and a capacitor C is connected between the connection point and the ground. A load R is connected in parallel. Although the switching device according to the present embodiment is a synchronous rectification type DC-DC converter, the semiconductor device 100 is applied to, for example, a well-known full bridge circuit, a three-phase AC circuit, a boost chopper circuit, a flyback circuit, or the like. Can do. Further, the semiconductor device 100 may be a semiconductor device using the field effect transistor 101 according to the above modification.

本実施例に係るスイッチング電源装置によれば、スイッチング素子として用いられる半導体装置100におけるスイッチング損失が小さいため、スイッチング電源装置の電力変換効率が改善される。 According to the switching power supply according to the present embodiment, since the switching loss in the semiconductor device 100 used as a switching element is small, the power conversion efficiency of the switching power supply is improved.

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については、本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。 The configurations, shapes, sizes, and arrangement relationships described in the above embodiments are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood and implemented. Therefore, the present invention is not limited to the described embodiments, and can be variously modified without departing from the scope of the technical idea shown in the claims.

1、101 電界効果型トランジスタ
2 回生素子
11 第1の半導体層
11a ドレイン領域
11b ドリフト領域
12 第2の半導体層
12a 第1のベース領域
12b 第2のベース領域
13 第3の半導体層
13a 第1のソース領域
13b 第2のソース領域
14 トレンチ
15 ゲート絶縁膜
16 ゲート電極
17 層間絶縁膜
18 第1の金属層
19 第2の金属層
21 カソード端子
22 アノード端子
D1 第1の寄生ダイオード
D2 第2の寄生ダイオード
D3 第3の寄生ダイオード
100 半導体装置
1, 101 Field effect transistor 2 Regenerative element 11 First semiconductor layer 11a Drain region 11b Drift region 12 Second semiconductor layer 12a First base region 12b Second base region 13 Third semiconductor layer 13a First Source region 13b Second source region 14 Trench 15 Gate insulating film 16 Gate electrode 17 Interlayer insulating film 18 First metal layer 19 Second metal layer 21 Cathode terminal 22 Anode terminal D1 First parasitic diode D2 Second parasitic Diode D3 Third parasitic diode 100 Semiconductor device

Claims (4)

電界効果型トランジスタと回生素子とを含み、
前記電界効果型トランジスタは、第1の導電型を有する第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の表面に配置された第2導電型を有する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の表面に配置された前記第1導電型を有する第3の半導体層と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とに隣接するように配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜を介して前記第2の半導体層に対向するように配置されたゲート電極と、
前記第2の半導体層とショットキ接合を形成するとともに前記第3の半導体層とオーミック接合を形成する第1の金属層と、
前記第1の半導体層とオーミック接合を形成する第2の金属層と、を備え、
前記ショットキ接合は、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層とが形成するpn接合に流れる電流を阻止する整流方向を有し、
前記回生素子は、前記第1の金属層と電気的に接続されるアノード端子と、
前記第2の金属層と電気的に接続されるカソード端子と、を備えることを特徴とする半導体装置。
Including a field effect transistor and a regenerative element,
The field effect transistor includes: a first semiconductor layer having a first conductivity type;
A second semiconductor layer having a second conductivity type disposed on a surface of the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer having the first conductivity type disposed on a surface of the second semiconductor layer;
An insulating film disposed adjacent to the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer;
A gate electrode disposed to face the second semiconductor layer with the insulating film interposed therebetween;
A first metal layer forming a Schottky junction with the second semiconductor layer and forming an ohmic junction with the third semiconductor layer;
A second metal layer forming an ohmic junction with the first semiconductor layer,
The Schottky junction has a rectifying direction that blocks a current flowing through a pn junction formed by the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
The regenerative element includes an anode terminal electrically connected to the first metal layer;
A semiconductor device comprising: a cathode terminal electrically connected to the second metal layer.
電界効果型トランジスタと回生素子とを含み、
前記電界効果型トランジスタは、第1の導電型を有する第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の表面において互いに離間するように配置された第2導電型を有する複数の第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の表面に配置された前記第1導電型を有する第3の半導体層と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とに隣接するように配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜を介して前記第2の半導体層に対向するように配置されたゲート電極と、
前記第2の半導体層とショットキ接合を形成するとともに前記第3の半導体層とオーミック接合を形成する第1の金属層と、
前記第1の半導体層とオーミック接合を形成する第2の金属層と、を備え、
前記ショットキ接合は、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層とが形成するpn接合に流れる電流を阻止する整流方向を有し、
前記回生素子は、前記第1の金属層と電気的に接続されるアノード端子と、
前記第2の金属層と電気的に接続されるカソード端子と、を備えることを特徴とする半導体装置。
Including a field effect transistor and a regenerative element,
The field effect transistor includes: a first semiconductor layer having a first conductivity type;
A plurality of second semiconductor layers having a second conductivity type disposed so as to be spaced apart from each other on a surface of the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer having the first conductivity type disposed on a surface of the second semiconductor layer;
An insulating film disposed adjacent to the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer;
A gate electrode disposed to face the second semiconductor layer with the insulating film interposed therebetween;
A first metal layer forming a Schottky junction with the second semiconductor layer and forming an ohmic junction with the third semiconductor layer;
A second metal layer forming an ohmic junction with the first semiconductor layer,
The Schottky junction has a rectifying direction that blocks a current flowing through a pn junction formed by the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
The regenerative element includes an anode terminal electrically connected to the first metal layer;
A semiconductor device comprising: a cathode terminal electrically connected to the second metal layer.
前記回生素子の逆回復時間は、前記pn接合の逆回復時間よりも短いことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein a reverse recovery time of the regenerative element is shorter than a reverse recovery time of the pn junction. 前記第3の半導体層と前記第2の半導体層とを貫通して前記第1の半導体層に到達するトレンチを備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。

4. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a trench that penetrates through the third semiconductor layer and the second semiconductor layer to reach the first semiconductor layer. 5. .

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