JP2014225589A - Semiconductor device and operation method of the same - Google Patents

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良孝 菅原
Yoshitaka Sugawara
良孝 菅原
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device of low loss and high reliability, and provide an operation method of the same.SOLUTION: In a wide gap semiconductor device, a vertical MOSFET part, a vertical BJT part and a lateral IGBT part are incorporated in a cell, and a MOS gate electrode and a base electrode are arranged to drive the lateral IGBT part in addition to the vertical BJT part independent of the vertical MOSFET part. An increase in current-carrying area in the cell caused by activation of the vertical BJT part in addition to the vertical MOSFET part and activation of the lateral IGBT part cause conductivity modulation based on implantation of a minority carrier to reduce internal resistance of the cell thereby to achieve low loss. In addition, by activating the vertical MOSFET part first and flowing a current by a majority carrier and raising a temperature to 50°C and over and subsequently activating the vertical BJT part and the lateral IGBT part and flowing a current by both of the majority carrier and the minority carrier thereby to inhibit an influence of deterioration in an ON-state voltage due to stacking fault and achieve high reliability.

Description

本発明は、半導体装置に係わり、特に高性能ワイドギャップ半導体装置とその動作方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a high-performance wide gap semiconductor device and an operation method thereof.

現在、高耐圧の大電力および中電力用途ではもっぱらシリコン(以下Si)を材料としたSi絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下Si−IGBTと記す)が、また小電力用途ではSiMOS電界効果トランジスタ(以下Si−MOSFETと記す)が主要半導体装置として種々の応用分野で多用されている。しかし近年、炭化珪素(以下SiCと記す)などのワイドギャップ半導体材料が高耐圧用途に適した半導体材料として注目されている。例えば、SiCは、Siに比べて絶縁破壊電界強度が約10倍高いという優れた特性を有しており、半導体スイッチング装置を構成した場合、高い逆電圧阻止特性と大幅に低いオン抵抗を実現できる(例えば非特許文献1)。従って、電力損失を大幅に低減でき、省エネルギー化に大きく貢献できると期待されている。
このため、SiCやガリウムナイトライド、ダイヤモンドなどによるワイドギャップ半導体スイッチング装置の開発が盛んに進められており、特にSiCに関しては、0.5kVから3kV級の中耐圧SiC−MOSFET(非特許文献2)や10kV級の高耐圧SiC−MOSFET(非特許文献3)等が開発され、その優れた特性が開示されており、Si―IGBTに代わる次期の主要パワー半導体装置として注目されている。
At present, Si insulated gate bipolar transistors (hereinafter referred to as Si-IGBT) exclusively made of silicon (hereinafter referred to as Si) are used for high voltage and high power and medium power applications, while SiMOS field effect transistors (hereinafter referred to as Si--) are used for small power applications. MOSFET) is widely used as a main semiconductor device in various fields of application. However, in recent years, wide gap semiconductor materials such as silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) have attracted attention as semiconductor materials suitable for high voltage applications. For example, SiC has an excellent characteristic that the dielectric breakdown electric field strength is about 10 times higher than that of Si. When a semiconductor switching device is configured, a high reverse voltage blocking characteristic and a significantly low on-resistance can be realized. (For example, Non-Patent Document 1). Therefore, it is expected that the power loss can be greatly reduced and can contribute greatly to energy saving.
For this reason, development of wide-gap semiconductor switching devices using SiC, gallium nitride, diamond, etc. has been actively promoted. In particular, with regard to SiC, a medium-voltage SiC-MOSFET of 0.5 kV to 3 kV class (Non-patent Document 2). 10kV class high voltage SiC-MOSFET (Non-patent Document 3) and the like have been developed, and their excellent characteristics are disclosed, and are attracting attention as the next major power semiconductor device replacing Si-IGBT.

例えば、図5に示す従来例1(非特許文献2)では4層6方晶形SiC(以下4H−SiCと記す)を用いて、耐圧が700VのSiC−MOSFETで2.7mΩcmの低オン抵抗が達成されている。また、図6に示す従来例2(非特許文献3)では4H−SiCを用いて、耐圧が10kVのSiC−MOSFETで111mΩcmの低オン抵抗が達成されている。
これらは、いづれも同耐圧のSi−MOSFETのオン抵抗の理論値の1/100以下の低い値であり、現在主流のパワー半導体素子であるSi−IGBTの理想値に比べても同耐圧の素子で1/10以下の低いオン抵抗である。また、スイッチング速度もSi−IGBTに比べて高速であり、Si−MOSFET並の高速を維持している。この結果、これらのSi半導体装置に比べて大幅な低損失化を実現できている。
For example, Conventional Example 1 (Non-Patent Document 2) shown in FIG. 5 uses a 4-layer hexagonal SiC (hereinafter referred to as 4H-SiC) and is a SiC-MOSFET having a withstand voltage of 700 V and a low on-resistance of 2.7 mΩcm 2. Has been achieved. In addition, in Conventional Example 2 (Non-Patent Document 3) shown in FIG. 6, a low on-resistance of 111 mΩcm 2 is achieved by using 4H—SiC and a SiC-MOSFET having a withstand voltage of 10 kV.
These are all low values of 1/100 or less of theoretical values of on-resistance of Si-MOSFETs having the same breakdown voltage, and elements having the same breakdown voltage compared to the ideal value of Si-IGBT, which is the mainstream power semiconductor element at present. The on-resistance is as low as 1/10 or less. Further, the switching speed is also higher than that of the Si-IGBT, and the same high speed as that of the Si-MOSFET is maintained. As a result, a significant reduction in loss can be realized as compared with these Si semiconductor devices.

菅原良孝、電気学会誌、第125巻、第1号、25−28頁、2005年Yoshitaka Sugawara, Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan, Vol. 125, No. 1, pp. 25-28, 2005 エス ハラダ (S.Harada)、他5名、ロー オンレジスタンス イン インバージョン チャネル IEMOSFET ホームド おん7 4H−SiC Cフェイス サブストレート(Row on−resistance in inversion channel IEMOSFET formed on 4H−SiC C−face substrate)、プロシーディングス オブ ザ エイトス インターナショナル シンポジューム オン パワー セミコンダクタ デバイシズ アンド ICs (Proceedings of the 18th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs),2006年6月、p.125−128S.Harada, 5 others, Low On Resistance in Inversion Channel IEMOSFET Home 7 4H-SiC C Face Substrate (Row on-resistance in inversion channel 4H-SiC C-face sub, Proceedings of the Eights International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (June 2006, Proceedings of the 18th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs), p. 125-128 セイ フング リュウ (Sei−Hyung Ryu),他5名、10kV 5A 4H−SiC パワー DMOSFET(10kV, 5A, 4H−SiC Power DMOSFET)、プロシーディングス オブ ザ エイチーンズ インターナショナル シンポジューム オン パワー セミコンダクタ デバイシズ アンド ICs (Proceedings of The 18th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs),2006年6月、p.265−268Sei-Hyung Ryu, 5 others, 10kV 5A 4H-SiC Power DMOSFET (10kV, 5A, 4H-SiC Power DMOSFET), Proceedings of the Aethins International Symposium on Power Semiconductors and ICs 18th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs), June 2006, p. 265-268

ところで、開示されている従来例1および2のSiC−MOSFETはSi−MOSFETの1/100以下の低オン抵抗が達成されているとはいえ、省エネの視点からは更に低オン抵抗が好ましく、特に大電流の用途では通電電流が著しく大きいため半導体装置の消費電力が大きくなるので、更なるオン抵抗の低減による大幅な低損失化が切望されている。SiC−MOSFETのオン抵抗においては、種々の内部抵抗、すなわちMOSチャネル部の抵抗と寄生接合FET(以下寄生JFETと記す)のチャネル部の抵抗、ドリフト層の抵抗が主要な割合を占める。中耐圧半導体装置では特に前2者が締める割合が大きく、高耐圧半導体装置では後2者の締める割合が特に大きい。これらの各内部抵抗を低減し半導体装置を低損失化をすることは解決すべき重要な第1の課題である。   By the way, although the disclosed SiC-MOSFETs of Conventional Examples 1 and 2 have achieved a low on-resistance of 1/100 or less of Si-MOSFET, a low on-resistance is more preferable from the viewpoint of energy saving. In a large current application, since the energization current is remarkably large, the power consumption of the semiconductor device is increased. Therefore, a significant reduction in loss by reducing the on-resistance is desired. In the on-resistance of the SiC-MOSFET, various internal resistances, that is, the resistance of the MOS channel portion, the resistance of the channel portion of the parasitic junction FET (hereinafter referred to as parasitic JFET), and the resistance of the drift layer occupy the main proportions. In the medium voltage semiconductor device, the ratio of the former two is particularly large, and in the high voltage semiconductor device, the ratio of the latter two is particularly large. Reducing the internal resistance and reducing the loss of the semiconductor device is an important first problem to be solved.

MOSFETはボディ領域とドリフト層で構成されるpn接合ダイオードを電気的に逆並列に内蔵している。MOSFETで構成するインバータ等の電力変換装置においては装置の小型化や低廉化を図るために、この内蔵pn接合ダイオードをフライホイーリングダイオードとして活用する動向にある。 The MOSFET incorporates a pn junction diode composed of a body region and a drift layer electrically in antiparallel. In power converters such as inverters composed of MOSFETs, there is a trend to use this built-in pn junction diode as a flywheeling diode in order to reduce the size and cost of the apparatus.

この内蔵pn接合ダイオードは電流を運ぶキャリアとして多数キャリアと少数キャリアの両方が関与するバイポーラ半導体素子である。ワイドギャップ半導体はSiに比べて未だ結晶品質が低く各種欠陥が多量に存在する。それらの欠陥のうちの積層欠陥は、注入された少数キャリアが結晶の格子点に衝突すると衝突エネルギーで格子点の原子が動かされるため、積層欠陥の大きさが拡大してしまうというワイドギャップ半導体特有の性質がある。この積層欠陥は少数キャリアをトラップし再結合させ通電にあまり寄与することなく消滅させてしまうので、内蔵pn接合ダイオードの内部抵抗の増大を招く上に、このダイオードが逆バイアス時のリーク電流の増大を招く。内蔵pn接合ダイオードの逆バイアス時はとりもなおさずSiC−MOSFETの順バイアス動作時なので、このリーク電流の増大は大きな障害となる。また、このようなワイドギャップ半導体装置の場合は、装置を稼働し通電している間に積層欠陥が益々拡大し、それに伴い内部抵抗が増大しリーク電流も増大してゆくので、信頼性が大きく損ねられてしまう。場合によっては損傷したり破壊に至ることもある。このような、内蔵しているバイポーラ半導体素子も使用するワイドギャップ半導体装置の高い信頼性の実現は解決すべき第2の問題である。 This built-in pn junction diode is a bipolar semiconductor device in which both majority carriers and minority carriers are involved as carriers for carrying current. Wide gap semiconductors still have lower crystal quality than Si and a large amount of various defects. Of these defects, stacking faults are unique to wide gap semiconductors, where when the injected minority carriers collide with the lattice points of the crystal, the atoms of the lattice points are moved by the collision energy, which increases the size of the stacking faults. There is a nature of. This stacking fault traps and recombines minority carriers and disappears without contributing much to energization. This causes an increase in the internal resistance of the built-in pn junction diode and an increase in leakage current when the diode is reverse biased. Invite. When the built-in pn junction diode is reverse-biased, the SiC-MOSFET is forward-biased, so this increase in leakage current is a major obstacle. In addition, in the case of such a wide gap semiconductor device, stacking faults increase more and more while the device is operating and energized, and as a result, the internal resistance increases and the leakage current also increases. It will be damaged. In some cases, it can be damaged or destroyed. The realization of high reliability of such a wide gap semiconductor device that also uses a built-in bipolar semiconductor element is a second problem to be solved.

本発明は、前記の従来技術の課題を解決し、オン抵抗がより低い低損失ワイドギャップ半導体装置を提供することを目的にする。またこの発明は、内蔵するpn接合ダイオードなどのバイポーラ半導体素子の劣化に起因してワイドギャップ半導体装置の信頼性が損ねられるのを抑制し、高い信頼性を達成できる半導体装置を提供することおよびその動作方法を提供することを目的にする。
An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art and to provide a low-loss wide-gap semiconductor device with lower on-resistance. The present invention also provides a semiconductor device capable of suppressing the loss of reliability of a wide gap semiconductor device due to deterioration of a bipolar semiconductor element such as a built-in pn junction diode and achieving high reliability, and its An object is to provide a method of operation.

以下では、理解を容易にするために、各半導体層や半導体領域が機能的にどの層や領域に相当するかを、一部括弧内に付記して説明する。 In the following, in order to facilitate understanding, the layers and regions that each semiconductor layer and semiconductor region are functionally correspond to are partially described in parentheses.

上記した課題を解決し本発明の目的を達成するため、この発明にかかるワイドギャップ半導体装置は、
セルに内蔵されるワイドギャップ半導体装置であり、
第1導電型の第1半導体層(SiC基板)と、
前記第1導電型の第1半導体層(SiC基板)のおもて面に設けられた第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)と
第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)のおもて面に選択的に設けられた二つの第2導電型の第1半導体領域と、
一方の第2導電型の第1半導体領域(ボディ領域)のおもて面に選択的に設けられた第1導電型の第3半導体領域(ソース領域)と、この領域に接して選択的に設けられた第2導電型の第2半導体領域(コンタクト領域)と
他方の第2導電型の第1半導体領域(ボディ領域兼ベース領域)のおもて面に選択的に設けられた第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域)と、この領域から隔離されて選択的に設けられた第2導電型の第3半導体領域(ベースコンタクト領域)と
前記第1導電型の第3半導体領域(ソース領域)と前記第2導電型の第2半導体領域(コンタクト領域)と前記第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域)に接する第1の主電極(ソース電極兼エミッタ電極)と、
前記二つの第2導電型の第1半導体領域(ボディ領域およびボディ領域兼ベース領域)に挟まれた前記第1導電型の第2半導体領域部分(寄生JFETのチャネル領域)の表面と、前記第1導電型の第3半導体領域(ソース領域)と前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)とに挟まれた第2導電型の第1半導体領域部分(第1のMOSFETのチャネル領域)および前記第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域)と前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)とに挟まれた第2導電型の第1半導体領域部分(第2のMOSFETのチャネル領域)の表面とに、絶縁膜(ゲート絶縁膜)を介し且つ両端が前記第1導電型の第3半導体領域(ソース領域)と前記第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域)の上に延在するように設けられた第1の制御電極(MOSゲート電極)と、
前記第2導電型の第3半導体領域の表面に接する第2の制御電極(ベース電極)と
前記第1導電型の第1半導体層の裏面に接する第2の主電極(ドレイン電極兼コレクタ電極)とを備えた半導体装置であり、
前記第1の主電極、前記第1導電型の第3半導体領域、前記第2導電型の第2半導体領域、前記第2導電型の第1半導体領域、前記第1導電型の第2半導体領域、前記第1導電型の第1半導体領域、前記第2の主電極、第1の制御電極とで第1の縦型MOSFET部を構成し、
前記第1の主電極、前記第1導電型の第4半導体領域、前記第2導電型の第1半導体領域、前記第1導電型の第2半導体領域、前記第1導電型の第1半導体領域、前記第2の主電極、前記第1の制御電極とで第2の縦型MOSFET部を構成し
第1の主電極、前記第1導電型の第4半導体領域、前記第2導電型の第3半導体領域、前記第2導電型の第1半導体領域、前記第1導電型の第2半導体領域、前記第1導電型の第1半導体領域、前記第2の主電極、前記第2の制御電極とで縦型バイポーラ接合トランジスタ(以下BJTと記す)部を構成し
前記第2の制御電極、前記第2導電型の第3半導体領域、前記他方の第2導電型の第1半導体領域、前記第1導電型の第2半導体領域、前記一方の第2導電型の第1半導体領域、前記第1導電型の第3半導体領域、前記第1の主電極、前記第1の制御電極とで横型IGBT部を構成することを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a wide gap semiconductor device according to the present invention includes:
A wide gap semiconductor device built in a cell,
A first semiconductor layer (SiC substrate) of a first conductivity type;
The first conductivity type second semiconductor layer (drift layer) and the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer) provided on the front surface of the first conductivity type first semiconductor layer (SiC substrate). Two first semiconductor regions of the second conductivity type selectively provided on the front surface;
A first conductivity type third semiconductor region (source region) selectively provided on the front surface of one second conductivity type first semiconductor region (body region), and selectively in contact with this region First conductivity selectively provided on the front surface of the provided second conductivity type second semiconductor region (contact region) and the other second conductivity type first semiconductor region (body region / base region). Type fourth semiconductor region (emitter region), a second conductivity type third semiconductor region (base contact region) selectively provided isolated from this region, and the first conductivity type third semiconductor region ( A first main electrode (source electrode / emitter electrode) in contact with the source region), the second conductivity type second semiconductor region (contact region), and the first conductivity type fourth semiconductor region (emitter region);
A surface of the first conductive type second semiconductor region portion (channel region of the parasitic JFET) sandwiched between the two second conductive type first semiconductor regions (body region and body region / base region); A second conductivity type first semiconductor region portion (a channel region of the first MOSFET) sandwiched between a first conductivity type third semiconductor region (source region) and the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer). ) And a first semiconductor region portion of the second conductivity type (second region) sandwiched between the fourth semiconductor region (emitter region) of the first conductivity type and the second semiconductor layer (drift layer) of the first conductivity type. A third semiconductor region (source region) of the first conductivity type and a fourth semiconductor region (emitter region of the first conductivity type) on both surfaces of the MOSFET channel region) with an insulating film (gate insulating film) interposed therebetween. ) To extend over First control electrode that is a (MOS gate electrode),
A second control electrode (base electrode) in contact with the surface of the second conductivity type third semiconductor region; and a second main electrode (drain electrode / collector electrode) in contact with the back surface of the first conductivity type first semiconductor layer. And a semiconductor device comprising
The first main electrode, the first conductive type third semiconductor region, the second conductive type second semiconductor region, the second conductive type first semiconductor region, and the first conductive type second semiconductor region. A first vertical MOSFET portion is constituted by the first semiconductor region of the first conductivity type, the second main electrode, and the first control electrode,
The first main electrode, the first conductive type fourth semiconductor region, the second conductive type first semiconductor region, the first conductive type second semiconductor region, and the first conductive type first semiconductor region. The second main electrode and the first control electrode constitute a second vertical MOSFET section. The first main electrode, the first conductive type fourth semiconductor region, and the second conductive type second 3 semiconductor regions, the first conductivity type first semiconductor region, the first conductivity type second semiconductor region, the first conductivity type first semiconductor region, the second main electrode, and the second control electrode. To form a vertical bipolar junction transistor (hereinafter referred to as BJT) portion, the second control electrode, the second conductive type third semiconductor region, the other second conductive type first semiconductor region, One conductivity type second semiconductor region, the one second conductivity type first semiconductor region, and the first conductivity type The third semiconductor region of said first main electrode, characterized in that it constitutes a lateral IGBT portion between the first control electrode.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、
前記第1導電型の第3半導体領域(ソース領域)と前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)とに挟まれた第2導電型の第1半導体領域部分および前記第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域)と前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)とに挟まれた第2導電型の第1半導体領域部分に、各々エピタキシャル成長で形成された第2導電型の第1半導体領域(ボディ領域)よりも低い不純物濃度の第2導電型の第4半導体領域(第1のMOSFETのチャネル領域)および第2導電型の第5半導体領域(第2のMOSFETのチャネル領域)が設けられ、
前記二つの第2導電型の第1半導体領域(ボディ領域)に挟まれた前記第1導電型の第2半導体領域部分(寄生JFETのチャネル領域)の表面付近には、前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)よりも不純物濃度が高く且つ前記第2導電型の第4半導体領域(第1のMOSFETのチャネル領域)および第2導電型の第5半導体領域(第2のMOSFETのチャネル領域)よりも厚い第1導電型の第5半導体領域が設けられていることを特徴とする。
The semiconductor device according to the present invention is the above-described invention,
The first conductivity type first semiconductor region portion and the first conductivity type sandwiched between the first conductivity type third semiconductor region (source region) and the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer). Second conductivity type formed by epitaxial growth in the second conductivity type first semiconductor region portion sandwiched between the fourth semiconductor region (emitter region) and the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer). Second conductivity type fourth semiconductor region (channel region of the first MOSFET) having a lower impurity concentration than the first type semiconductor region (body region) and second conductivity type fifth semiconductor region (of the second MOSFET) Channel region),
Near the surface of the second semiconductor region portion of the first conductivity type (the channel region of the parasitic JFET) sandwiched between the two first semiconductor regions (body regions) of the second second conductivity type, the first conductivity type The impurity concentration is higher than that of the second semiconductor layer (drift layer), and the second conductivity type fourth semiconductor region (channel region of the first MOSFET) and the second conductivity type fifth semiconductor region (of the second MOSFET). A fifth semiconductor region of the first conductivity type that is thicker than the channel region) is provided.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、
前記絶縁膜(ゲート絶縁膜)と、前記二つの第2導電型の第1半導体領域(ボディ領域)に挟まれた前記第1導電型の第2半導体領域部分(寄生JFETのチャネル領域)および前記第1導電型の第3半導体領域(ソース領域)と前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)とに挟まれた第2導電型の第1半導体領域部分および前記第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域)と前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)とに挟まれた第2導電型の第1半導体領域部分の表面との間に、
第2導電型の第6半導体領域(蓄積型MOSチャネル領域)を介在させ且つ両端が前記第1導電型の第3半導体領域(ソース領域)と前記第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域)の上に延在するように設けられたことを特徴とする。
The semiconductor device according to the present invention is the above-described invention,
The insulating film (gate insulating film), the second semiconductor region portion of the first conductivity type (channel region of the parasitic JFET) sandwiched between the two second semiconductor regions of the first conductivity type (body region), and the The first conductivity type first semiconductor region portion sandwiched between the first conductivity type third semiconductor region (source region) and the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer) and the first conductivity type Between the fourth semiconductor region (emitter region) and the surface of the second conductivity type first semiconductor region portion sandwiched between the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer),
A sixth semiconductor region of second conductivity type (storage type MOS channel region) is interposed, and both ends of the third semiconductor region (source region) of the first conductivity type and fourth semiconductor region of the first conductivity type (emitter region). It is provided so that it may extend above.

これらの上述した発明によれば、以下に記述するようにオン抵抗をより低くでき、通電時の消費電力の低い低損失半導体装置を提供できる。 According to these above-described inventions, it is possible to provide a low-loss semiconductor device with a lower on-resistance and lower power consumption when energized as described below.

本発明になるワイドギャップ半導体装置では、駆動状態すなわち、第1の主電極(ソース電極兼エミッタ電極)と第2の主電極(ドレイン電極兼コレクタ電極)間に
順バイアス電圧を印加し、更に第1の制御電極(MOSゲート電極)と第1の主電極間に閾値電圧以上の制御電圧を印加するとオンしオン電流が流れる。これは、セル内の第1の縦型MOSFET部と第2の縦型MOSFET部が駆動されることによる。この時、第2の制御電極(ベース電極)と第1の主電極(ソース電極兼エミッタ電極)の電位は公知の縦型MOSFETと同様に同電位にしてある。縦型MOSFETのオン電流が流れる通電路には、前記のように従来の縦型MOSFETと同じく前記の種々の内部抵抗、すなわちMOSチャネル部の抵抗と寄生JFETチャネル部の抵抗、ドリフト層の抵抗等が存在し、公知のMOSFETと同様に流れるオン電流を制限してしまう。特に、第2の制御電極(ベース電極)と第1の主電極(ソース電極兼エミッタ電極)の電位は同電位にしてあるので、第1の主電極に接続しているソース領域の電位とMOSチャネル部および寄生JFETチャネル部は若干の電圧降下があるが比較的近い電位であり、第2の制御電極(ベース電極)に接続しているベース領域兼ボディ領域の電位も比較的近い電位である。この結果、MOSチャネル部および寄生JFETチャネル部とベース領域兼ボディ領域との間の接合にはバンドギャップに対応したビルトイン電圧により空乏層が形成されている。そのためこの空乏層の幅の分だけチャネルが狭められているので、各々のチャネル抵抗が高くなっている。
In the wide gap semiconductor device according to the present invention, a forward bias voltage is applied between the driving state, that is, the first main electrode (source electrode / emitter electrode) and the second main electrode (drain electrode / collector electrode). When a control voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied between one control electrode (MOS gate electrode) and the first main electrode, it is turned on and an on-current flows. This is because the first vertical MOSFET portion and the second vertical MOSFET portion in the cell are driven. At this time, the potentials of the second control electrode (base electrode) and the first main electrode (source electrode / emitter electrode) are the same as in the known vertical MOSFET. As described above, in the current path through which the on-current of the vertical MOSFET flows, the various internal resistances described above, that is, the resistance of the MOS channel portion and the parasitic JFET channel portion, the resistance of the drift layer, etc. And limits the on-current that flows in the same manner as a known MOSFET. In particular, since the potential of the second control electrode (base electrode) and the first main electrode (source electrode / emitter electrode) are the same, the potential of the source region connected to the first main electrode and the MOS potential The channel portion and the parasitic JFET channel portion have a slight voltage drop but are relatively close potentials, and the potentials of the base region and body region connected to the second control electrode (base electrode) are also relatively close potentials. . As a result, a depletion layer is formed at the junction between the MOS channel portion and the parasitic JFET channel portion and the base region / body region by a built-in voltage corresponding to the band gap. Therefore, since the channel is narrowed by the width of the depletion layer, each channel resistance is increased.

本発明になるワイドギャップ半導体装置では、上記の縦型MOSFET部のオン状態において、前記縦型BJT部の前記第2の制御電極(ベース電極)と第1の主電極(ソース電極兼エミッタ電極)間にも順バイアス方向の電圧を印加できる。順バイアス方向の電圧とは、縦型バイポーラ接合トランジスタ部のエミッタ領域とベース領域とで構成される接合が所定の電圧以上に電圧印加されると順バイアスになる極性の電圧のことである。この結果、例えば寄生JFETのチャネルとベース領域兼ボディ領域間の接合の空乏層の幅を、順バイアス方向の電圧に応じて狭めてチャネルを広げることができる。この結果、第2の制御電極(ベース電極)の順バイアス方向の電圧を高くしてゆくことにより、オン抵抗をより低くでき、通電時の消費電力を低減できる。   In the wide gap semiconductor device according to the present invention, the second control electrode (base electrode) and the first main electrode (source electrode / emitter electrode) of the vertical BJT portion when the vertical MOSFET portion is on. A voltage in the forward bias direction can be applied between them. The voltage in the forward bias direction is a voltage having a polarity that becomes a forward bias when a voltage applied to a junction constituted by the emitter region and the base region of the vertical bipolar junction transistor portion exceeds a predetermined voltage. As a result, for example, the width of the depletion layer at the junction between the channel of the parasitic JFET and the base region / body region can be narrowed according to the voltage in the forward bias direction to widen the channel. As a result, by increasing the voltage in the forward bias direction of the second control electrode (base electrode), the on-resistance can be further lowered and the power consumption during energization can be reduced.

本発明になるワイドギャップ半導体装置では、前記縦型BJT部の前記第2の制御電極(ベース電極)と第1の主電極(ソース電極兼エミッタ電極)間の順バイアス方向の電圧を更に高くすることにより、第1の主電極に接続しているエミッタ領域と第2の制御電極に接続しているベース領域とで形成するエミッタ接合の電圧を高くすることができる。この電圧を、半導体装置を構成しているワイドギャップ半導体のビルトイン電圧以上(例えばSiCの場合は約2.7V以上)にすると、エミッタからベースにキャリアの注入が起こりベース電流が流れ、縦型BJT部がオンする。この結果、ベース領域兼ボディ領域下のドレイン領域にも、縦型BJT部の電流増幅率分だけベース電流を増幅した大きなコレクタ電流を流すことができる。   In the wide gap semiconductor device according to the present invention, the voltage in the forward bias direction between the second control electrode (base electrode) and the first main electrode (source electrode / emitter electrode) of the vertical BJT portion is further increased. Thus, the voltage of the emitter junction formed by the emitter region connected to the first main electrode and the base region connected to the second control electrode can be increased. If this voltage is made higher than the built-in voltage of the wide gap semiconductor constituting the semiconductor device (for example, about 2.7 V or more in the case of SiC), carriers are injected from the emitter to the base, and the base current flows, and the vertical BJT Department turns on. As a result, a large collector current obtained by amplifying the base current by the current amplification factor of the vertical BJT portion can also flow in the drain region under the base region / body region.

縦型MOSFET部のみがオンしている場合にはベース領域兼ボディ領域下のドリフト領域は電流が流れていない領域であるので、活用されていない領域に電流が流せることになり、ワイドギャップ半導体装置全体のオン抵抗を大幅に低減できる。この電流増幅率は容易に50〜200に高くできるので、半導体装置のオン抵抗低減効果は極めて著しいものである。また、この順バイアス方向の電圧を高くしてゆくことにより、ベース電流を大きくできるので更にコレクタ電流を大きくでき、本ワイドギャップ半導体装置のオン抵抗を更に大幅に低くできる。 When only the vertical MOSFET portion is on, the drift region under the base region / body region is a region in which no current flows, so that a current can flow in an unutilized region, and the wide gap semiconductor device The overall on-resistance can be greatly reduced. Since the current amplification factor can be easily increased to 50 to 200, the on-resistance reduction effect of the semiconductor device is extremely remarkable. Further, by increasing the voltage in the forward bias direction, the base current can be increased, so that the collector current can be further increased, and the on-resistance of the wide gap semiconductor device can be further greatly reduced.

ベース領域兼ボディ領域の不純物濃度を耐圧を維持できる範囲で低くしてベースからエミッタへのキャリアの注入を抑制する等の注入効率向上策を施すことにより、より一層のオン抵抗の低減ができ、通電時の消費電力をより低減できる。
また、エミッタとベースコンタクト間の隔離領域のワイドギャップ半導体表面におけるキャリア表面再結合の抑制策を施すことによっても、オン抵抗の更なる低減に効果が大きい。キャリア表面再結合の抑制策としては、例えばワイドギャップ半導体としてSiC結晶を用いる場合は、隔離領域表面のパッシベーション膜としてプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)で形成しNO(一酸化窒化)ガス中で窒化処理したSiO膜を用いてもよい。
By reducing the impurity concentration of the base region and body region within a range where the withstand voltage can be maintained and taking injection efficiency improvement measures such as suppressing the injection of carriers from the base to the emitter, the on-resistance can be further reduced. Power consumption during energization can be further reduced.
In addition, a measure for suppressing carrier surface recombination on the surface of the wide gap semiconductor in the isolation region between the emitter and the base contact is also effective in further reducing the on-resistance. As a measure for suppressing the carrier surface recombination, for example, when an SiC crystal is used as a wide gap semiconductor, it is formed by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) as a passivation film on the surface of the isolation region, and is nitrided in NO (Mononitriding Nitrogen) gas. An SiO 2 film may be used.

本発明になるワイドギャップ半導体装置では、前記第2の制御電極(ベース電極)と第1の主電極(ソース電極兼エミッタ電極)間の順バイアス方向の電圧を更に高くすることにより、横型IGBT部をオンさせることができる。この結果、横型IGBT部のコレクタとして機能する前記ベース領域兼ボディ領域から、前記寄生接合FETのチャネル領域や前記ドレイン領域に少数キャリアを注入させることができる。この結果、これらのチャネル領域やドレイン領域に伝導度変調を起すことができ、これらの領域の抵抗を低減できる。これにより、更に一段と本ワイドギャップ半導体装置のオン抵抗を低減でき、通電時の消費電力を更に一段と低減することができる。寄生接合FETのチャネル領域やドレイン領域における少数キャリアの長寿命策を施すことにより、更に一層のオン抵抗の低減ができる。例えば前記寄生接合FETのチャネル領域やドリフト層がn型のSiC結晶の場合は、炭素原子を1x1017原子/cm〜1x1021原子/cm注入することにより結晶内の炭素空孔を低減したドリフト層にすることが効果的で、従来は1μs以下の少数キャリアの寿命を2〜10μs以上に長くできワイドギャップ半導体装置のオン抵抗を一段と低減できる。 In the wide gap semiconductor device according to the present invention, by further increasing the voltage in the forward bias direction between the second control electrode (base electrode) and the first main electrode (source electrode / emitter electrode), a lateral IGBT unit is formed. Can be turned on. As a result, minority carriers can be injected from the base region / body region functioning as the collector of the lateral IGBT portion into the channel region and the drain region of the parasitic junction FET. As a result, conductivity modulation can be caused in these channel region and drain region, and the resistance of these regions can be reduced. As a result, the on-resistance of the wide gap semiconductor device can be further reduced, and the power consumption during energization can be further reduced. On-resistance can be further reduced by taking measures to increase the lifetime of minority carriers in the channel region and drain region of the parasitic junction FET. For example, when the channel region or drift layer of the parasitic junction FET is an n-type SiC crystal, carbon vacancies in the crystal are reduced by implanting carbon atoms at 1 × 10 17 atoms / cm 3 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 . It is effective to use a drift layer. Conventionally, the lifetime of minority carriers of 1 μs or less can be extended to 2 to 10 μs or more, and the on-resistance of the wide gap semiconductor device can be further reduced.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、
前記第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域)の幅が前記第1導電型の第3半導体領域(ソース領域)の幅よりも大きいことを特徴とする。
更に、前記第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域)の側面の結晶方位が{1−100}であることを特徴とする。
The semiconductor device according to the present invention is the above-described invention,
The width of the fourth semiconductor region (emitter region) of the first conductivity type is larger than the width of the third semiconductor region (source region) of the first conductivity type.
Furthermore, the crystal orientation of the side surface of the fourth semiconductor region (emitter region) of the first conductivity type is {1-100}.

縦型BJT部のエミッタ領域の幅は狭いほど電流増幅率が低くなる。これは、次のように理解される。エミッタ領域の底面はキャリアがベースに注入される面であり、エミッタ領域の側面はキャリアが電流増幅率に寄与しないで再結合する面である。エミッタ領域の幅が狭くなるとベース領域に接する底面の面積よりもエミッタ領域の側面の面積が相対的に大きくなる。一般にワイドギャップ半導体装置は底面の接合部よりも側面の表面部の方が、界面トラップ密度や界面順位密度が高いので、面積の大きい側面での表面再結合がより大きくなり電流増幅率が低くなるものである。
一方、縦型MOSFET部のソース領域は側面がMOSチャネル領域に接するのでキャリアが流れる側面が大きいほど効率が良く、セル内の占有面積を少なくする点からソース領域の幅は狭い方がよい。
従って、縦型BJT部のセル内のエミッタ領域の幅はソース領域の幅よりも大きくことにより、ワイドギャップ半導体装置のオン抵抗をより低くできる。
As the width of the emitter region of the vertical BJT portion becomes narrower, the current amplification factor becomes lower. This is understood as follows. The bottom surface of the emitter region is a surface where carriers are injected into the base, and the side surface of the emitter region is a surface where carriers recombine without contributing to the current amplification factor. When the width of the emitter region is narrowed, the area of the side surface of the emitter region is relatively larger than the area of the bottom surface in contact with the base region. In general, a wide-gap semiconductor device has a higher interface trap density and interface order density at the side surface than at the bottom junction, so that the surface recombination at the side with a larger area is larger and the current amplification factor is lower. Is.
On the other hand, since the side surface of the vertical MOSFET portion is in contact with the MOS channel region, the larger the side surface through which carriers flow, the better the efficiency and the smaller the source region width in terms of reducing the occupied area in the cell.
Therefore, the on-resistance of the wide gap semiconductor device can be further lowered by making the width of the emitter region in the cell of the vertical BJT portion larger than the width of the source region.

また、ワイドギャップ半導体装置では結晶方位で界面順位密度の多さが異なる。4H−SICでは結晶方位が{1−100}の場合、他の結晶方位に比べて界面順位密度の総合計が少ない。従って、縦型SiC−BJT部のエミッタ領域の側面の結晶方位を{1−100}にすることにより、側面での表面再結合を小さくして電流増幅率を大きくでき、ワイドギャップ半導体装置のオン抵抗をより低くできる。 Also, in the wide gap semiconductor device, the interface order density varies depending on the crystal orientation. In 4H-SIC, when the crystal orientation is {1-100}, the total number of interfacial order densities is small compared to other crystal orientations. Therefore, by setting the crystal orientation of the side surface of the emitter region of the vertical SiC-BJT portion to {1-100}, the surface recombination at the side surface can be reduced and the current amplification factor can be increased, and the wide gap semiconductor device can be turned on. Resistance can be lowered.

以上のように、この本発明になるワイドギャップ半導体装置により第1の課題を効果的に解決し、オン抵抗がより低く、従って通電時の消費電力のより低い低損失のワイドギャップ半導体装置を実現できる   As described above, the wide gap semiconductor device according to the present invention effectively solves the first problem and realizes a low-loss wide gap semiconductor device with lower on-resistance and hence lower power consumption when energized. it can

また、上述した課題を解決し本発明の目的を達成するため、この発明にかかるワイドギャップ半導体装置は、
少なくとも前記第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域)が、より広いエネルギーギャップを有するワイドギャップ半導体で構成されていることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a wide gap semiconductor device according to the present invention includes:
At least the fourth semiconductor region (emitter region) of the first conductivity type is formed of a wide gap semiconductor having a wider energy gap.

縦型BJT部の第2の制御電極(ベース電極)と第1の主電極(ソース電極兼エミッタ電極)間の順バイアス方向の電圧を前記エミッタ接合のビルトイン電圧以上にすると、エミッタからベースに一方の極性のキャリア(例えばnpnトランジスタの場合は電子)の注入が起こるととに、ベースからエミッタへ他方の極性のキャリア(例えばnpnトランジスタの場合は正孔)の注入も起こる。このうち、トランジスタ動作に係わり電流増幅率の向上に寄与するのは前者のキャリア注入であり、後者のキャリア注入は寄与しない。   When the voltage in the forward bias direction between the second control electrode (base electrode) and the first main electrode (source electrode / emitter electrode) of the vertical BJT section is made higher than the built-in voltage of the emitter junction, When carriers of one polarity (for example, electrons in the case of an npn transistor) are injected, carriers of the other polarity (for example, holes in the case of an npn transistor) are also injected from the base to the emitter. Among these, the former carrier injection contributes to the improvement of the current amplification factor in connection with the transistor operation, and the latter carrier injection does not contribute.

前記第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域)を構成するワイドギャップ半導体のエネルギーギャップを、ベース領域を構成するワイドギャップ半導体のエネルギーギャップよりも広くしてヘテロ接合を形成すると、両者のエネルギーギャップの差により、電流増幅率の向上に寄与するエミッタからベースへのキャリア注入は促進できるが、寄与しないベースからエミッタへのキャリア注入を抑制できる。これにより、縦型BJT部の注入効率(npnトランジスタの場合はベース電流に占める電子電流の割合)をより高くできるので、電流増幅率をより高くできる。この結果、縦型BJT部をオンさせた際に、ワイドギャップ半導体装置のオン抵抗をより低くでき、通電時の消費電力をより低減できる。 If the energy gap of the wide gap semiconductor constituting the fourth semiconductor region (emitter region) of the first conductivity type is made wider than the energy gap of the wide gap semiconductor constituting the base region to form the heterojunction, Due to the difference in the gap, carrier injection from the emitter to the base contributing to the improvement of the current amplification factor can be promoted, but carrier injection from the base to the emitter which does not contribute can be suppressed. As a result, the injection efficiency of the vertical BJT portion (the ratio of the electron current to the base current in the case of an npn transistor) can be further increased, so that the current amplification factor can be further increased. As a result, when the vertical BJT portion is turned on, the on-resistance of the wide gap semiconductor device can be further reduced, and the power consumption during energization can be further reduced.

また、上記のヘテロ接合にすることにより、エミッタからベースへの注入効率を通常の接合の場合と同程度に維持したままで、ベース領域の不純物濃度を増大できる。この結果、ベース抵抗を低減できるので最大動作周波数を高くできるとともに、ベース領域のパンチスルーも抑制できるので高耐圧にできる。
以上のように、この本発明になるワイドギャップ半導体装置により第1の課題をより効果的に解決し、オン抵抗がより低く従って通電時の消費電力のより低い低損失のワイドギャップ半導体装置を実現できる
Further, by using the heterojunction described above, the impurity concentration in the base region can be increased while maintaining the efficiency of injection from the emitter to the base at the same level as in the case of a normal junction. As a result, since the base resistance can be reduced, the maximum operating frequency can be increased, and punch-through in the base region can be suppressed, so that a high breakdown voltage can be achieved.
As described above, the first problem is more effectively solved by the wide gap semiconductor device according to the present invention, and a low-loss wide gap semiconductor device with lower ON resistance and lower power consumption when energized is realized. it can

また、上述した課題を解決し本発明の目的を達成するため、この発明にかかるワイドギャップ半導体装置は、
前記のように縦型MOSFET部と縦型BJT部および横型IGBT部を内蔵した構成にしており、縦型MOSFET部とは独立に縦型BJT部および横型IGBT部を稼働できることを特徴とする。
従って、この発明にかかるワイドギャップ半導体装置では、まず縦型MOSFET部を稼働して多数キャリアによる電流を流した後に、縦型BJT部を稼働して少数キャリアと多数キャリアの両方による電流を流し、更に横型IGBT部も稼働し少数キャリアと多数キャリアの両方による電流を重畳して流すことを可能にする。これにより、下記の本発明になる動作方法を適用することができ、高い信頼性をもつ半導体装置を実現できる。
In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a wide gap semiconductor device according to the present invention includes:
As described above, the vertical MOSFET section, the vertical BJT section, and the horizontal IGBT section are built in, and the vertical BJT section and the horizontal IGBT section can be operated independently of the vertical MOSFET section.
Therefore, in the wide gap semiconductor device according to the present invention, first, the vertical MOSFET portion is operated to flow a current due to majority carriers, then the vertical BJT portion is operated to flow a current due to both minority carriers and majority carriers, Further, the lateral IGBT unit is also operated, and it is possible to superimpose currents from both minority carriers and majority carriers. As a result, the following operation method according to the present invention can be applied, and a highly reliable semiconductor device can be realized.

上述した課題を解決し本発明の目的を達成するため、この発明にかかるワイドギャップ半導体装置の動作方法は、
前記の構成のワイドギャップ半導体装置において、少なくとも稼働する時には、ワイドギャップ半導体装置に内蔵する縦型MOSFET部を動作させて多数キャリアによる順方向電流を流し、この電流によりワイドギャップ半導体装置を50℃以上に昇温させた後に、内蔵するバイポーラ半導体素子部を動作させることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, an operation method of a wide gap semiconductor device according to the present invention includes:
In the wide gap semiconductor device having the above-described configuration, at least when operating, the vertical MOSFET portion built in the wide gap semiconductor device is operated to flow a forward current due to majority carriers, and this current causes the wide gap semiconductor device to be 50 ° C. or higher. The internal bipolar semiconductor element portion is operated after the temperature is raised to.

また、前記の構成のワイドギャップ半導体装置において、少なくとも稼働する時には、前記第1の縦型MOSFET部と第2の縦型MOFET部を動作させて多数キャリアによる順方向電流を流し、この電流によりワイドギャップ半導体装置を50℃以上に昇温させた後に、前記縦型バイポーラ接合トランジスタ部と横型IGBT部とフライホイーリングダイオードとして用いられる内蔵pn接合ダイオードの、一部または全部を動作させることを特徴とする。 In the wide gap semiconductor device having the above-described configuration, at least when operating, the first vertical MOSFET portion and the second vertical MOFET portion are operated to pass a forward current due to majority carriers, and this current causes the wide gap to be widened. After raising the temperature of the gap semiconductor device to 50 ° C. or more, a part or all of the vertical bipolar junction transistor part, the lateral IGBT part, and the built-in pn junction diode used as a flywheeling diode are operated. To do.

ワイドギャップ半導体装置は、前記のように少数キャリアを注入して通電すると、積層欠陥が拡大しオン電圧劣化が発生する。ワイドギャップ半導体装置を例えばインバータ装置等に適用し、ワイドギャップ半導体装置の縦型MOSFET部の内蔵pn接合ダイオードをフライホイーリングダイオードとして使用する場合は、前記のように内蔵pn接合ダイオードにオン電圧劣化が発生する。また、前記のワイドギャップ半導体装置は前記の縦型BJT部の稼働時に、ベース電流を通電するとエミッタからベースへの少数キャリアの注入とベースからエミッタへの少数キャリアの注入が起こる。このため、エミッタ領域とベース兼ボディ領域の各々でも積層欠陥が拡大しオン電圧劣化が発生する。
前記の横型IGBT部の稼働時には、エミッタとして機能する前記ベース領域兼ボディ領域から、前記寄生接合FETのチャネル領域や前記ドレイン領域に少数キャリアが注入する。このため、寄生接合FETのチャネル領域やドレイン領域の各々で積層欠陥が拡大しオン電圧劣化が発生する。
In the wide gap semiconductor device, when minority carriers are injected and energized as described above, stacking faults increase and on-voltage degradation occurs. When the wide gap semiconductor device is applied to, for example, an inverter device and the built-in pn junction diode of the vertical MOSFET portion of the wide gap semiconductor device is used as a flywheeling diode, the on-voltage degradation occurs in the built-in pn junction diode as described above. Will occur. In the wide gap semiconductor device, when a base current is applied during operation of the vertical BJT portion, minority carrier injection from the emitter to the base and minority carrier injection from the base to the emitter occur. For this reason, stacking faults are enlarged in each of the emitter region and the base / body region, and on-voltage degradation occurs.
During operation of the lateral IGBT portion, minority carriers are injected from the base region / body region functioning as an emitter into the channel region and the drain region of the parasitic junction FET. For this reason, stacking faults expand in each of the channel region and the drain region of the parasitic junction FET, and on-voltage degradation occurs.

これらのオン電圧劣化はワイドギャップ半導体装置を稼働し続けると劣化が促進され続けるので、信頼性が大きく損ねられてしまう。
特に、40℃以下の温度でワイドギャップ半導体装置を稼働し通電する際には、低温なので積層欠陥による少数キャリア消滅現象が大きくオン電圧が大きくなるので、通電時の消費電力が大きくなり発熱が大きくなる。この結果、積層欠陥の拡大が促進された場合は、過度の急激な発熱で装置が損傷する場合がある。40℃以下での再稼働を繰り返すと拡大された積層欠陥により益々発熱の度合いが大きくなり装置が破壊する場合もある。
These on-voltage degradations continue to be promoted when the wide gap semiconductor device continues to operate, and reliability is greatly impaired.
In particular, when a wide gap semiconductor device is operated and energized at a temperature of 40 ° C. or lower, the low-temperature low temperature causes a large number of minority carrier annihilation due to stacking faults, resulting in an increase in on-voltage. Become. As a result, when the expansion of stacking faults is promoted, the device may be damaged by excessively rapid heat generation. When re-operation at 40 ° C. or lower is repeated, the degree of heat generation is increased due to the expanded stacking faults, and the device may be destroyed.

本発明になるワイドギャップ半導体装置の動作方法では、少なくともワイドギャップ半導体装置を稼動する時には、まずワイドギャップ半導体装置に内蔵する縦型MOFET部を動作させて多数キャリアによる順方向電流を流し、この電流によりワイドギャップ半導体装置を50℃以上に昇温させた後に、内蔵する縦型BJT部を動作させる。例えば、前記第1の縦型MOFET部と第2の縦型MOFET部のみを動作させて多数キャリアによる順方向電流を流し、この電流によりワイドギャップ半導体装置を50℃以上に昇温させる。その後、前記縦型BJT部や横型IGBT部や内蔵pn接合ダイオードの一つ又は全部を動作させる。これにより、稼働前にすでに積層欠陥が存在し且つ増大し続けてきたとしても、上記の昇温により積層欠陥の少数キャリア消滅現象を抑制できるので、稼働後のワイドギャップ半導体装置のオン電圧劣化に起因する過度の急激な発熱による半導体装置の損傷を抑制できる。再稼働時の昇温温度は高いほどオン電圧劣化の加速や破壊の抑制効果は大きい。例えば、SiCの場合は、50℃〜250℃の範囲では温度が高いほど積層欠陥の少数キャリア消滅現象の抑制効果が大きくオン電圧の劣化を抑制でき、より低いオン電圧で再稼働できる。250℃以上ではオン電圧劣化の発生前のワイドギャップ半導体装置の初期状態のオン電圧とほぼ同じオン電圧で再稼働できる。 In the operation method of the wide gap semiconductor device according to the present invention, at least when operating the wide gap semiconductor device, first, the vertical MOFET portion built in the wide gap semiconductor device is operated to flow a forward current due to majority carriers. After the temperature of the wide gap semiconductor device is raised to 50 ° C. or higher, the built-in vertical BJT unit is operated. For example, only the first vertical MOFET portion and the second vertical MOFET portion are operated to pass a forward current due to majority carriers, and the wide gap semiconductor device is heated to 50 ° C. or more by this current. Thereafter, one or all of the vertical BJT portion, the horizontal IGBT portion, and the built-in pn junction diode are operated. As a result, even if stacking faults already exist and continue to increase prior to operation, the above-described temperature rise can suppress the minority carrier disappearance phenomenon of stacking faults, thereby reducing the on-voltage degradation of the wide gap semiconductor device after operation. Damage to the semiconductor device due to excessive rapid heat generation can be suppressed. The higher the temperature rise during re-operation, the greater the effect of accelerating on-voltage degradation and suppressing breakdown. For example, in the case of SiC, the higher the temperature is in the range of 50 ° C. to 250 ° C., the greater the effect of suppressing the minority carrier annihilation phenomenon of the stacking faults, and the deterioration of the on-voltage can be suppressed. Above 250 ° C., operation can be resumed at substantially the same on-voltage as the initial on-voltage of the wide gap semiconductor device before the on-voltage degradation occurs.

このように、本発明の動作方法により第2の課題を効果的に解決し、高い信頼性をもつワイドギャップ半導体装置とその駆動方法を実現できる。
Thus, the second problem can be effectively solved by the operation method of the present invention, and a wide-gap semiconductor device having high reliability and a driving method thereof can be realized.

以上のように、本発明により、ワイドギャップ半導体装置の第2の制御電極に電圧印加でき内蔵バイポーラ素子部を稼働できるようになり、オン抵抗をより低くでき、従って通電時の消費電力をより低くできる。また、この発明により、多数キャリアの通電により昇温した後にワイドギャップ半導体装置を稼働できるようになり、積層欠陥の拡大に起因してワイドギャップ半導体装置の信頼性が損ねられるのを抑制でき、高い信頼性を達成できる。
As described above, according to the present invention, a voltage can be applied to the second control electrode of the wide gap semiconductor device, and the built-in bipolar element section can be operated, the on-resistance can be further lowered, and therefore the power consumption during energization is further reduced. it can. In addition, according to the present invention, the wide gap semiconductor device can be operated after the temperature is raised by energization of majority carriers, and it is possible to suppress deterioration of the reliability of the wide gap semiconductor device due to the expansion of stacking faults. Reliability can be achieved.

実施の形態1にかかる半導体装置のセル断面図Cell sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態2にかかる半導体装置のセル断面図Cell sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment. 実施の形態3にかかる半導体装置のセル断面図Cell sectional view of a semiconductor device according to the third exemplary embodiment. 実施の形態4にかかる半導体装置のセル断面図Cell sectional view of a semiconductor device according to the fourth exemplary embodiment. 従来例1の中耐圧SiC−MOSFETのセル断面図。FIG. 6 is a cell cross-sectional view of a medium voltage SiC-MOSFET of Conventional Example 1. 従来例2の高耐圧SiC−MOSFETのセル断面図。The cell sectional view of the high voltage SiC-MOSFET of the conventional example 2.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nまたはpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。図面中の層や領域を示す番号と矢印は同じ基本機能を有する層や領域の場合は原則として各々代表して1個に記し他は省略してあるが、この同じ層や領域がその基本機能の他に別の機能も併せて有する場合は、前者の番号にa、後者の番号にbを記して区別している。なお、SiC半導体は深さ方向に直行する方向の不純物拡散がSi半導体に比べて少ないので、各図においては各半導体領域を矩形状に図示する。
Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n or p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region where it is not attached. In the drawings, the numbers and arrows indicating the layers and regions have the same basic function. In principle, the numbers and arrows are representative of each layer and the region, and the others are omitted. In the case of having other functions together, the former number is distinguished by a and the latter number by b. Since the SiC semiconductor has less impurity diffusion in the direction perpendicular to the depth direction than the Si semiconductor, each semiconductor region is shown in a rectangular shape in each drawing.

実施の形態1Embodiment 1

図1は、実施の形態1にかかるワイドギャップ半導体装置を模式的に示すセル断面図である。各領域の幅や厚さは必ずしも実際の寸法に比例して示されてはいない。本半導体装置は4H−SiC基板を用いて作製された例えば縦型SiC−MOSFET部と縦型SiC−BJT部および横型SiC−IGBT部から構成される設計耐圧2kV級のワイドギャップ半導体装置100である。図1には、半導体装置100の活性領域中の一つのセル部のみを示す。ワイドギャップ半導体装置100は、例えば活性領域を囲むように耐圧構造部(不図示)を備えている。活性領域とは、半導体装置のオン時に電流が流れる領域であり複数のセルを内蔵している。また、耐圧構造部とは、半導体装置の表面の電界強度を緩和し、所望の耐圧を実現する構造部である。   FIG. 1 is a cell cross-sectional view schematically showing the wide gap semiconductor device according to the first embodiment. The width and thickness of each region are not necessarily shown in proportion to the actual dimensions. This semiconductor device is a wide-gap semiconductor device 100 having a design withstand voltage of 2 kV and made of, for example, a vertical SiC-MOSFET portion, a vertical SiC-BJT portion, and a horizontal SiC-IGBT portion, which is manufactured using a 4H-SiC substrate. . FIG. 1 shows only one cell portion in the active region of the semiconductor device 100. The wide gap semiconductor device 100 includes a breakdown voltage structure (not shown) so as to surround the active region, for example. The active region is a region through which a current flows when the semiconductor device is turned on and incorporates a plurality of cells. The breakdown voltage structure portion is a structure portion that relaxes the electric field strength on the surface of the semiconductor device and realizes a desired breakdown voltage.

ワイドギャップ半導体装置100のチップサイズは6.3mmx6.3mmであり、活性領域は5.6mmx5.6mmであり、活性領域を囲んでいる耐圧構造部の幅は0.35mmである。活性領域中の半導体装置セルはストライブ状である。セルの幅は、最小のパターン幅を1.0ミクロンメートル(以下μm)とするデザインルールを用いて14μmにしてもよい。 The chip size of the wide gap semiconductor device 100 is 6.3 mm × 6.3 mm, the active region is 5.6 mm × 5.6 mm, and the width of the breakdown voltage structure part surrounding the active region is 0.35 mm. The semiconductor device cell in the active region is striped. The cell width may be 14 μm using a design rule that sets the minimum pattern width to 1.0 micrometer (hereinafter referred to as μm).

まず、図1を用いてワイドギャップ半導体装置100の構成を説明する。
ワイドギャップ半導体装置100のコレクタ電極101に接してn基板102が設けられている。n基板102のおもて面には、nドリフト層(第1半導体層)103が形成されている。nドリフト層103の不純物濃度と厚さは、例えば、6×1015cm−3および16μmであってもよい。また、少数キャリアの寿命を長くするために炭素原子を7x1018原子/cm注入したドリフト層であってもよい。
First, the configuration of the wide gap semiconductor device 100 will be described with reference to FIG.
An n + substrate 102 is provided in contact with the collector electrode 101 of the wide gap semiconductor device 100. An n drift layer (first semiconductor layer) 103 is formed on the front surface of the n + substrate 102. The impurity concentration and thickness of the n drift layer 103 may be, for example, 6 × 10 15 cm −3 and 16 μm. Alternatively, a drift layer in which carbon atoms are implanted at 7 × 10 18 atoms / cm 3 in order to increase the lifetime of minority carriers may be used.

ドリフト層103の表面には、pボディ領域(第1半導体領域)104aと104bが選択的に設けられている。これらのpボディ領域の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ1×1018cm−3および0.3μmであってもよい。pボディ領域104aと104bは、例えばアルミニュームのイオン注入によって形成された層である。pボディ領域104aおよび104bとn基板102間のnドリフト層103の厚さは約15.7μmである。 On the surface of the n drift layer 103, p body regions (first semiconductor regions) 104a and 104b are selectively provided. The impurity concentration and thickness of these p body regions may be, for example, 1 × 10 18 cm −3 and 0.3 μm, respectively. The p body regions 104a and 104b are layers formed by, for example, aluminum ion implantation. The thickness of the n drift layer 103 between the p body regions 104a and 104b and the n + substrate 102 is about 15.7 μm.

pボディ領域104aおよび104bの表面層には、nソース領域(第2半導体領域)105aおよび105bとpチャネル領域106aおよび106bやp+コンタク領域107が選択的に設けられている。nソース領域105aの一方の端部はpチャネル領域106aに接しており、他方の端部はp+コンタク領域107に接している。 On the surface layers of p body regions 104a and 104b, n + source regions (second semiconductor regions) 105a and 105b, p channel regions 106a and 106b, and p + contact region 107 are selectively provided. One end of n + source region 105 a is in contact with p channel region 106 a, and the other end is in contact with p + contact region 107.

チャネル領域106aおよび106bの不純物濃度と厚さはそれぞれ5×1015cm−3および0.3μmであってもよい。またチャネルの幅は1.0μmであってもよい。
ソース領域105a及び105bの不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ1×1019cm−3および0.3μmであってもよい。p+コンタク領域107の不純物濃度および厚さは、例えば1×1019cm−3および0.4μmであってもよい。nソース領域105aの幅は例えば2.5μmであってもよい。
The impurity concentration and thickness of the p - channel regions 106a and 106b may be 5 × 10 15 cm −3 and 0.3 μm, respectively. The channel width may be 1.0 μm.
The impurity concentration and thickness of the n + source regions 105a and 105b may be, for example, 1 × 10 19 cm −3 and 0.3 μm, respectively. The impurity concentration and thickness of the p + contact region 107 may be, for example, 1 × 10 19 cm −3 and 0.4 μm. The width of the n + source region 105a may be 2.5 μm, for example.

チャネル領域106aと106bの間およびpボディ領域104aと104bの間にはn領域108が設けられている。n領域108は2重の窒素イオン注入層で形成されており、表面から0.2μmの厚さまでは不純物濃度は例えば1×1017cm−3、また0.2μmからドリフト層103までは2×1016cm−3であってもよい。また、少数キャリアの寿命を長くするために、炭素原子を8x1018原子/cm注入したn領域であってもよい。 An n region 108 is provided between p channel regions 106 a and 106 b and between p body regions 104 a and 104 b. The n region 108 is formed of a double nitrogen ion implantation layer, and the impurity concentration is, for example, 1 × 10 17 cm −3 when the thickness is 0.2 μm from the surface, and 2 from 0.2 μm to the drift layer 103. It may be × 10 16 cm -3 . Further, in order to increase the lifetime of minority carriers, an n region in which carbon atoms are implanted at 8 × 10 18 atoms / cm 3 may be used.

チャネル領域106aと106bの表面およびn領域108の表面には、ゲート絶縁膜110を介してゲート電極(制御電極)111が設けられ、その両端は各々nソース領域105aおよび105b上に延在している。ゲート絶縁膜110の厚さは約650オングストロームであってもよい。ソース電極(入力電極)113は、nソース領域105aと105bに接するとともにpコンタクト領域107にも接している。ソース電極113はゲート電極111から層間絶縁膜112により絶縁されている。 A gate electrode (control electrode) 111 is provided on the surface of p channel regions 106a and 106b and the surface of n region 108 via a gate insulating film 110, and both ends thereof are on n + source regions 105a and 105b, respectively. It is extended. The thickness of the gate insulating layer 110 may be about 650 angstroms. The source electrode (input electrode) 113 is in contact with the n + source regions 105 a and 105 b and is also in contact with the p + contact region 107. The source electrode 113 is insulated from the gate electrode 111 by the interlayer insulating film 112.

ソース領域105aおよび105bとpチャネル領域106aおよび106b、更にn領域108、nドリフト層103、n基板102でもって縦型SiC−MOSFET部を構成している。 The n + source regions 105a and 105b, the p channel regions 106a and 106b, the n region 108, the n drift layer 103, and the n + substrate 102 constitute a vertical SiC-MOSFET portion.

また、nソース領域兼エミッタ領域105bとpボディ領域兼ベース領域104bとnドリフト層103でもって縦型SiC−BJT部を構成しており、各々がnエミッタ、pベース、nコレクタとしても機能する。ベース電極114はpベースコンタクト領域109に接するとともにこれを介してpベース104bに接続している。
ソース領域兼エミッタ領域105bは、セルの幅をデザインルール逸脱しない範囲で最少幅に抑えるとともに電流増幅率を高くするためにnソース領域105aの幅よりも広くし3.5μmにしてもよい。
Further, the n + source region / emitter region 105b, the p body region / base region 104b, and the n drift layer 103 constitute a vertical SiC-BJT portion, each of which includes an n + emitter, a p base, and an n collector. Also works. The base electrode 114 is in contact with the p + base contact region 109 and is connected to the p base 104b through this.
The n + source / emitter region 105b is made wider than the n + source region 105a to 3.5 μm in order to keep the cell width to the minimum without departing from the design rule and to increase the current amplification factor. Good.

また、エミッタ領域の側面では界面順位密度は高く且つ4H−SiCの結晶方位で異なる。4H−SICの場合は結晶方位が{1−100}の場合、他の結晶方位に比べて界面順位密度の総合計が少ないので電流増幅率を大きくできる、その結果ワイドギャップ半導体装置のオン抵抗をより低くできる。このため本実施の形態では、エミッタ領域の側面の結晶方位を{1−100}としている。 Further, the interfacial order density is high on the side surface of the emitter region and is different depending on the crystal orientation of 4H—SiC. In the case of 4H-SIC, when the crystal orientation is {1-100}, the total number of interface order density is small compared to other crystal orientations, so that the current amplification factor can be increased. As a result, the on-resistance of the wide gap semiconductor device can be increased. Can be lower. Therefore, in this embodiment, the crystal orientation of the side surface of the emitter region is set to {1-100}.

ベースコンタクト領域109の不純物濃度および厚さは、例えば1×1019cm−3および0.1μmであってもよい。
また、エミッタ電極としても機能するソース電極113とベース電極114とは絶縁領域115により絶縁されている。
なお、pボディ領域兼ベース領域104b、n領域108(およびnドリフト層103)、pチャネル領域106a(およびpボディ領域104a)、nソース領域105aでもって横型SiC-IGBTを構成しており、各々がpコレクタ、nベース、pベース、nエミッタとして機能する。
The impurity concentration and thickness of the p + base contact region 109 may be, for example, 1 × 10 19 cm −3 and 0.1 μm.
In addition, the source electrode 113 that also functions as an emitter electrode and the base electrode 114 are insulated by an insulating region 115.
The p body region / base region 104b, the n region 108 (and the n drift layer 103), the p channel region 106a (and the p body region 104a), and the n + source region 105a constitute a lateral SiC-IGBT. Each of them functions as a p collector, an n base, a p base, and an n emitter.

つぎに、ワイドギャップ半導体装置100の製作方法を、図1に示すセル部に注目して主な製作フローを中心に説明する。ホトエッチング工程やアニーリング行程等は大部分を割愛する。また図示していない耐圧構造部や半導体装置の保護膜の製作フローも説明を割愛する。   Next, a manufacturing method of the wide gap semiconductor device 100 will be described with a focus on the main manufacturing flow focusing on the cell portion shown in FIG. Most of the photo-etching process and annealing process are omitted. In addition, the description of the flow of manufacturing the breakdown voltage structure not shown and the protective film of the semiconductor device is omitted.

まず、30μm厚のオフアングル4H−SiCn基板に厚さ16μmのnドリフト層103をエピタキシャル成長で形成する。ついで少なくとも活性領域のnドリフト層103全面に、少数キャリアの寿命を長くするための炭素のイオン注入と活性化アニールをおこなってもよい。更に、0.3μm厚のpボディ領域104aおよび104bを選択的にアルミニュームのイオン注入により形成し、更に最終的にpチャネル領域となる厚さ0.3μmのp層をエピタキシャル成長で形成する。 First, an n drift layer 103 having a thickness of 16 μm is formed by epitaxial growth on an off-angle 4H-SiCn + substrate having a thickness of 30 μm. Then, carbon ion implantation and activation annealing may be performed on at least the entire surface of the n drift layer 103 in the active region to increase the minority carrier lifetime. Further, p body regions 104a and 104b having a thickness of 0.3 μm are selectively formed by ion implantation of aluminum, and a p layer having a thickness of 0.3 μm which finally becomes a p channel region is formed by epitaxial growth. .

ついで選択的に窒素のイオン注入により厚さ0.3μmのnソース領域105aおよび105bを形成し、更にアルミニュームのイオン注入により厚さ0.4μmのpコンタクト領域107と109を形成する。つぎに、窒素の2重のイオン注入によりn領域108を形成する。 Then, n + source regions 105a and 105b having a thickness of 0.3 μm are selectively formed by ion implantation of nitrogen, and ap + contact regions 107 and 109 having a thickness of 0.4 μm are further formed by ion implantation of aluminum. Next, the n region 108 is formed by double ion implantation of nitrogen.

つぎに、ゲート酸化膜110を形成し、更に多結晶Siのゲート電極111を形成し、所定の幅になるようにホトエッチング加工する。ついで、nエミッタ105bのpチャネル領域106bとは反対側の前記p層エピタキシャル成長層上のゲート酸化膜をエッチングで除去し、ついで0.3μmの深さまでSiCのリセスエッチングを行う。この結果、厚さ0.1μmのpベースコンタクト領域109が形成される。リセスエッチングはnエミッタ105bの露出面の結晶方位が{1−100}になるように実施しても良い。
つぎにリセスエッチング部に露出した表面におけるキャリア表面再結合を抑制するために表面処理を行い、セル全面に層間絶縁膜112を形成する。
なお、ゲート酸化膜110および多結晶Siのゲート電極111の形成とそのホトエッチング加工は、SiCのリセスエッチングおよびキャリア表面再結合抑制用表面処理後に行い、その後に層間絶縁膜112の形成を行ってもよい。
Next, a gate oxide film 110 is formed, a polycrystalline Si gate electrode 111 is formed, and photo-etching is performed so as to have a predetermined width. Next, the gate oxide film on the p layer epitaxial growth layer opposite to the p channel region 106b of the n + emitter 105b is removed by etching, and then SiC recess etching is performed to a depth of 0.3 μm. As a result, a p + base contact region 109 having a thickness of 0.1 μm is formed. The recess etching may be performed so that the crystal orientation of the exposed surface of the n + emitter 105b is {1-100}.
Next, surface treatment is performed to suppress carrier surface recombination on the surface exposed to the recess etching portion, and an interlayer insulating film 112 is formed on the entire surface of the cell.
The formation and photoetching of the gate oxide film 110 and the polycrystalline Si gate electrode 111 are performed after the SiC recess etching and the surface treatment for suppressing carrier surface recombination, and then the interlayer insulating film 112 is formed. Also good.

つぎに、nソース領域105aと105b、pコンタクト領域107と電極113が接触する部分およびpベースコンタクト領域109とベース電極114が接触する部分の層間絶縁膜112やゲート酸化膜110を除去し、電極膜を形成する。この際、各接触する部分では良好なオーミックコンタクトを実現できるように周知の電極形成方法を適用している。ついで、電極膜をホトエッチング加工してソース電極113とベース電極114を形成し、更に公知の手法でコレクタ電極101を形成し、図1のセル部を作製する。 Next, the interlayer insulating film 112 and the gate oxide film 110 at the portions where the n + source regions 105a and 105b, the p + contact region 107 and the electrode 113 are in contact, and the portion where the p + base contact region 109 and the base electrode 114 are in contact are removed. Then, an electrode film is formed. At this time, a well-known electrode forming method is applied so that a good ohmic contact can be realized at each contacting portion. Next, the electrode film is subjected to photo-etching to form the source electrode 113 and the base electrode 114, and further, the collector electrode 101 is formed by a known method, and the cell portion of FIG. 1 is manufactured.

つぎに、本実施の形態になるワイドギャップ半導体装置100の特性について説明する。
前記のワイドギャップ半導体装置100は、公知の技術によりTO型の高耐圧パッケージを用いてダイボンデングとワイヤボンデングを施し、更に保護用の高耐熱レジン(ナノテクレジン)でチップとワイヤを完全に被覆して半導体装置に仕上げたのち動作試験に供する。
Next, characteristics of the wide gap semiconductor device 100 according to the present embodiment will be described.
The wide gap semiconductor device 100 is obtained by performing die bonding and wire bonding using a TO-type high voltage package by a known technique, and further completely covering the chip and the wire with a protective high heat resistance resin (nanotech resin). After finishing the semiconductor device, it is used for the operation test.

ソース兼エミッタ電極113とベース電極114を同電位にし且つMOSゲート電極111に電圧を印加しない状態で、ソース兼エミッタ電極113とドレイン兼コレクタ電極101間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は約2.3kVである。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で3×10−3A/cm以下、250℃の高温でも5×10−2A/cm以下と良好である。 When a forward voltage is applied between the source / emitter electrode 113 and the drain / collector electrode 101 in a state where the source / emitter electrode 113 and the base electrode 114 are at the same potential and no voltage is applied to the MOS gate electrode 111, a leakage current flows. Shows a good forward blocking characteristic, and the breakdown voltage at room temperature, that is, the voltage indicating avalanche breakdown is about 2.3 kV. Moreover, the leakage current before avalanche breakdown is 3 × 10 −3 A / cm 2 or less at room temperature and 5 × 10 −2 A / cm 2 or less even at a high temperature of 250 ° C.

ソース兼エミッタ電極113とベース電極114を電気的に接続して同電位にした状態で、ドレイン兼コレクタ電極101とソース兼エミッタ電極113間に順方向電圧Vsdを印加し、MOSゲート電極111に閾値電圧以上のMOSゲート電圧を印加するとオン電流が流れる。順方向電圧Vsdを5V、MOSゲート電圧を18V印加した場合のオン電流密度Jsdは221A/cmと良好である。この状態では、セル内の二つの縦型MOSFET部のみが動作している。 A forward voltage Vsd is applied between the drain / collector electrode 101 and the source / emitter electrode 113 while the source / emitter electrode 113 and the base electrode 114 are electrically connected to have the same potential, and the MOS gate electrode 111 has a threshold value. When a MOS gate voltage higher than the voltage is applied, an on-current flows. When the forward voltage Vsd is 5 V and the MOS gate voltage is 18 V, the on-current density Jsd is as good as 221 A / cm 2 . In this state, only two vertical MOSFET sections in the cell are operating.

つぎに、ベース電極114とソース兼エミッタ電極113間に、ベース電極114の電位が高くなるようにベース電圧Vbeを印加する。この場合は、Vbeの増加に伴いJsdが更に増加してゆく。例えば、Vsdが5Vの時、Vbeが1.0VではJsdは240A/cm、Vbeが2.0VではJsdは264A/cm、Vbeが2.5VではJsdは282A/cmである。Vbeの増加にともないJsdは増加してゆく。これは前記のように、MOS反転チャネルおよび寄生JFETのチャネルとp−チャネル領域106aおよび106bとの間、更に寄生JFETのチャネルとベース領域兼ボディ領域104aおよび104bとの間の接合の空乏層の幅を、Vbeの増加に応じて狭めることによりチャネルの幅を拡げてゆくためオン抵抗が低減することによると考察される。 Next, a base voltage Vbe is applied between the base electrode 114 and the source / emitter electrode 113 so that the potential of the base electrode 114 becomes high. In this case, Jsd further increases as Vbe increases. For example, when Vsd is 5V, JSD the Vbe is 1.0V is JSD In 240A / cm 2, Vbe is 2.0V is JSD In 264A / cm 2, Vbe is 2.5V is 282A / cm 2. As Vbe increases, Jsd increases. As described above, this is because the depletion layer at the junction between the MOS inversion channel and the channel of the parasitic JFET and the p-channel regions 106a and 106b, and between the channel of the parasitic JFET and the base region / body regions 104a and 104b. It is considered that the on-resistance decreases because the width of the channel is increased by narrowing the width in accordance with the increase of Vbe.

更に、Vbeが3.0VになるとJsdは329A/cmであり急増し、Vbeが4.0VではJsdは406A/cm、Vbeが5VではJsdは、475A/cmに更に増加する。これは前記のように、Vbeが約2.7V以上ではエミッタ105bからベースにキャリアの注入が起こりベース電流が流れて縦型SiC-BJT部がオンする結果、ベース領域兼ボディ領域104b下のドリフト領域103に縦型SiC-BJT部の電流増幅率分だけベース電流を増幅した大きなコレクタ電流が流れたことによると考察される。エミッタ領域の幅をソース領域の幅よりも大きくし且つエミッタ領域の側面の結晶方位を{1−100}にしたことも電流増幅率を高くするのに寄与している。
また、Vbeが4.0V以上ではやはり前記のように、横型IGBT部がオンしてコレクタとして機能する前記ベース領域兼ボディ領域104bから、寄生接合FETのチャネル領域やドリフト領域103に少数キャリアである正孔が注入され、これらのチャネル領域やドリフト領域に伝導度変調を生じさせたためにこれらの領域の抵抗が低減しJsdを更に増加させているものと考察される。炭素注入により少数キャリアの寿命を長くしたことも伝導度変調を更に促進させJsdを更に増加させることに寄与している。
Furthermore, JSD if Vbe is 3.0V surged was 329A / cm 2, Jsd the Vbe is JSD at 4.0V is 406A / cm 2, Vbe is 5V further increased to 475A / cm 2. As described above, when Vbe is about 2.7 V or more, carriers are injected from the emitter 105b to the base, the base current flows, and the vertical SiC-BJT portion is turned on. As a result, the drift below the base region / body region 104b occurs. It is considered that a large collector current obtained by amplifying the base current by the current amplification factor of the vertical SiC-BJT portion flows in the region 103. Making the width of the emitter region larger than the width of the source region and setting the crystal orientation of the side surface of the emitter region to {1-100} also contributes to increasing the current amplification factor.
When Vbe is 4.0 V or more, as described above, minority carriers are present in the channel region and the drift region 103 of the parasitic junction FET from the base region / body region 104b that functions as a collector with the lateral IGBT portion turned on. It is considered that holes are injected and conductivity modulation occurs in these channel regions and drift regions, so that the resistance of these regions is reduced and Jsd is further increased. Increasing the lifetime of minority carriers by carbon implantation contributes to further promoting conductivity modulation and further increasing Jsd.

上記の考察は、本実施形態の構造の2次元シミュレーションにより、各Vbeでのキャリア分布を解析することによっても裏付けることができる。 The above consideration can also be supported by analyzing the carrier distribution at each Vbe by a two-dimensional simulation of the structure of the present embodiment.

本実施の形態になるワイドギャップ半導体装置では、Jsd150A/cmをパルス幅500μsで繰り返し印加するオン・オフパルス試験を10時間実施した後にワイドギャップ半導体装置が40℃以下冷えた後に、再度オン・オフ試験を10時間実施する試験を25回繰り返すと、オン電圧劣化が観察され、Jsd150A/cmにおいてオン電圧が5V程度であったのが12V以上に増大するワイドギャップ半導体装置も発生する。この場合は7Vものオン電圧劣化が発生している。50回のオン・オフパルス試験を実施すると、オン・オフパルス試験開始時に破損する半導体装置が少なからずの頻度で発生する。また、本実施の形態のワイドギャップ半導体装置を用いてインバータを構成し、且つ縦型MOFET部に内蔵されているpn接合ダイオードをフライホイーリングダイオードとして使用すると、上記のようなJsd150A/cmで10時間50回合計50回の稼働試験をおこなうと、稼働試験開始時に破損する半導体装置が少なからずの頻度で発生する。 In the wide gap semiconductor device according to the present embodiment, after the on / off pulse test in which Jsd 150 A / cm 2 is repeatedly applied with a pulse width of 500 μs is performed for 10 hours, the wide gap semiconductor device is cooled to 40 ° C. or less and then turned on / off again. When the test for 10 hours is repeated 25 times, the on-voltage degradation is observed, and a wide gap semiconductor device is generated in which the on-voltage is about 5V at Jsd150A / cm 2 but increases to 12V or more. In this case, an on-voltage deterioration of 7V occurs. When the on / off pulse test is performed 50 times, a semiconductor device that is damaged at the start of the on / off pulse test occurs at a certain frequency. Further, when the wide gap semiconductor device of the present embodiment is used to form an inverter and a pn junction diode built in the vertical MOFET portion is used as a flywheeling diode, the above Jsd is 150 A / cm 2 . When the operation test is performed 50 times in total for 10 hours, a semiconductor device that is damaged at the start of the operation test occurs at a certain frequency.

これらのワイドギャップ半導体装置は前記の本発明になる動作方法を適用すると、25回実施後のJsd150A/cmでのオン電圧の劣化は3V以下に抑制できる。また、50回のオン・オフパルス試験でもオン・オフパルス試験開始時に破損する半導体装置は発生しない。
すなわち、本実施の形態のワイドギャップ半導体装置を本実施の形態の動作方法で稼動する時には、まずベース電極114を主電極113と同電位にし且つMOSゲート電圧を12Vにしてワイドギャップ半導体装置に内蔵する縦型MOSFET部を動作させて多数キャリアによる順方向電流を流す。この電流によりワイドギャップ半導体装置を約80℃に昇温させた後に、ベース電極114に電圧印加してVbeを約5Vにして内蔵する縦型SiC-BJT部等を動作させる。これにより、稼働前にすでに積層欠陥が存在し且つ増大し続けてきたとしても、上記の昇温により積層欠陥の少数キャリア消滅現象を抑制できるので、稼働時にワイドギャップ半導体装置のオン電圧劣化に起因して過度の急激な発熱が生じることによる半導体装置の損傷を抑制できる。
When these wide-gap semiconductor devices are applied with the operation method according to the present invention, the deterioration of the on-voltage at Jsd150A / cm 2 after 25 times can be suppressed to 3V or less. In addition, a semiconductor device that is damaged at the start of the on / off pulse test does not occur even in the 50 on / off pulse tests.
That is, when the wide gap semiconductor device of the present embodiment is operated by the operation method of the present embodiment, first, the base electrode 114 is set to the same potential as the main electrode 113 and the MOS gate voltage is set to 12V and built in the wide gap semiconductor device. The forward MOSFET current is caused to flow by operating the vertical MOSFET section. After the temperature of the wide gap semiconductor device is raised to about 80 ° C. by this current, a voltage is applied to the base electrode 114 and Vbe is set to about 5 V to operate the built-in vertical SiC-BJT unit and the like. As a result, even if stacking faults already exist and continue to increase prior to operation, the above-described temperature rise can suppress the minority carrier disappearance phenomenon of stacking faults. Thus, damage to the semiconductor device due to excessive rapid heat generation can be suppressed.

また、前記の本発明になる動作方法を適用すると、本実施の形態のワイドギャップ半導体装置を用いてインバータを構成し、10時間50回合計500時間の稼働試験をおこなっても途中の稼働試験開始時に破損する半導体装置は発生しなかった。
なお、再稼働時の昇温温度は50℃〜250℃の範囲では高いほどオン電圧劣化の加速や損傷の抑制効果は大きい。
In addition, when the operation method according to the present invention is applied, an inverter is configured using the wide gap semiconductor device of the present embodiment, and an operation test is started in the middle even if an operation test is performed for 10 hours and 50 times for a total of 500 hours. No semiconductor device was occasionally damaged.
It should be noted that the higher the temperature rise temperature at the time of reactivation, the greater the effect of accelerating on-voltage degradation and suppressing damage as the temperature rises.

以上に説明したように、実施の形態1にかかる半導体装置によればベース電圧を独立に増大できることにより縦型BJT部や横型IGBTも駆動でき、縦型MOSFET部のみがオンしている場合には活用されていないベース領域兼ボディ領域下のドリフト領域にも電流を流すことができたり伝導度変調を起すことができるようになり、同一耐圧で比較すると、同一順方向電圧Vsdにおけるオン電流密度を大幅に増大でき、オン抵抗のより低い低消費電力の半導体装置を実現できる。
また、実施の形態1にかかる半導体装置とその動作方法によれば、稼働前に比較的低電流でMOSFET部を動作させ多数キャリア電流で昇温してから縦型SiC−BJT部や横型SiC-IGBT部、またフライホイーリングダイオード用内蔵pn接合ダイオード部等を駆動させることができるので、ワイドギャップで構成したバイポーラ半導体素子部に特有のオン電圧の劣化の悪影響を抑制でき、高い信頼性のワイドギャップ半導体装置とその動作方法を実現できる。
As described above, according to the semiconductor device according to the first embodiment, the base voltage can be independently increased, so that the vertical BJT part and the lateral IGBT can be driven, and only the vertical MOSFET part is turned on. A current can also flow through the drift region under the base region / body region that is not utilized, or conductivity modulation can be caused. When compared with the same breakdown voltage, the on-current density at the same forward voltage Vsd is A semiconductor device that can be significantly increased and has low on-resistance and low power consumption can be realized.
Further, according to the semiconductor device and the operation method thereof according to the first embodiment, the vertical SiC-BJT unit and the horizontal SiC- are operated after the MOSFET unit is operated with a relatively low current before operation and the temperature is increased with majority carrier current. The IGBT part and the built-in pn junction diode part for the flywheeling diode can be driven, so that the adverse effect of the on-voltage degradation peculiar to the bipolar semiconductor element part constituted by the wide gap can be suppressed, and the high reliability wide A gap semiconductor device and its operation method can be realized.

実施の形態2Embodiment 2

図2は、実施の形態2にかかるワイドギャップ半導体装置を模式的に示すセル断面図である。上記の実施の形態1の半導体装置に比べて、第1の縦型SiC−MOSFET部も縦型SiC−BJT部として兼用している点、また、実施の形態1における第1の縦型SiC−MOSFET部のベース領域兼ボディ領域204aをコレクタとし、縦型SiC−BJT部のn+エミッタ205bをエミッタとする横型IGBT部が更に新たに設けられている点、ベースコンタクト207aおよび207bとエミッタ205aおよび205bの間の隔離領域216aおよび216bをトレンチ溝状にしている点を除けば、その他はほぼ同じ構造である。
また、製作プロセスも隔離領域216aと216bを形成するために公知のドライエッチングでトレンチ溝を形成した後にSiO等の絶縁物で埋めるプロセスが施されている点、実施の形態1における第1の縦型SiC−MOSFET部のソース電極の一部を公知のホトエッチング技術を用いて分離して新たなベース電極214aを形成するプロセスが施されている点を除けばほぼ同じである。
FIG. 2 is a cell cross-sectional view schematically showing the wide gap semiconductor device according to the second embodiment. Compared to the semiconductor device of the first embodiment, the first vertical SiC-MOSFET part is also used as the vertical SiC-BJT part, and the first vertical SiC- A base IGBT 207a and 207b and emitters 205a and 205b are newly provided in that a lateral IGBT portion having the base region / body region 204a of the MOSFET portion as a collector and the n + emitter 205b of the vertical SiC-BJT portion as an emitter is further provided. Except for the fact that the isolation regions 216a and 216b between them are in the shape of trench grooves, the other structures are substantially the same.
In addition, the manufacturing process includes a process of forming a trench groove by known dry etching to form the isolation regions 216a and 216b, and then filling with an insulator such as SiO 2 . It is almost the same except that a part of the source electrode of the vertical SiC-MOSFET portion is separated using a known photoetching technique to form a new base electrode 214a.

次に、本実施の形態2にかかるワイドギャップ半導体装置の特性を説明する。
ソース兼エミッタ電極213とベース電極214aおよび214bを同電位にし且つMOSゲート電圧を印加しない状態でソース兼エミッタ電極213とドレイン兼コレクタ電極201間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は約2.2kVである。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で3.2×10−3A/cm以下、250℃の高温でも5.4×10−2A/cm以下と良好である。
Next, characteristics of the wide gap semiconductor device according to the second embodiment will be described.
When a forward voltage is applied between the source / emitter electrode 213 and the drain / collector electrode 201 in a state where the source / emitter electrode 213 and the base electrodes 214a and 214b are at the same potential and no MOS gate voltage is applied, a leakage current flows. The forward blocking characteristic is shown, and the breakdown voltage at room temperature, that is, the voltage indicating avalanche breakdown is about 2.2 kV. Moreover, the leakage current before avalanche breakdown is as good as 3.2 × 10 −3 A / cm 2 or less at room temperature and 5.4 × 10 −2 A / cm 2 or less even at a high temperature of 250 ° C.

ソース兼エミッタ電極213とベース電極214を電気的に接続して同電位にし、ドレイン兼コレクタ電極201とソース兼エミッタ電極213間に順方向電圧Vsdを印加し、ゲート電極211に閾値電圧以上のMOSゲート電圧を印加するとオン電流が流れる。順方向電圧Vsdを5V、MOSゲート電圧を18V印加した場合のオン電流密度Jsdは204A/cmと良好である。この状態では、セル内の二つの縦型MOSFET部のみが動作している。 The source / emitter electrode 213 and the base electrode 214 are electrically connected to have the same potential, a forward voltage Vsd is applied between the drain / collector electrode 201 and the source / emitter electrode 213, and a MOS having a threshold voltage or higher is applied to the gate electrode 211. An on-current flows when a gate voltage is applied. When the forward voltage Vsd is 5 V and the MOS gate voltage is 18 V, the on-current density Jsd is as good as 204 A / cm 2 . In this state, only two vertical MOSFET sections in the cell are operating.

つぎに、ベース電極214aおよび214bとソース兼エミッタ電極213間に、ベース電極の電位が高くなるようにベース電圧Vbeを印加する。Vsdが5V、MOSゲート電圧が18Vの時、Vbeが1.0VではJsdは224A/cm、Vbeが2.0VではJsdは244A/cm、Vbeが2.5VではJsdは260A/cmである。Vbeの増加にともないJsdは増加してゆく。これは前記のように、MOS反転チャネルおよび寄生JFETのチャネルとp−チャネル領域206aおよび206bとの間、更に寄生JFETのチャネルとベース領域兼ボディ領域204aおよび204bとの間の接合の空乏層の幅を、Vbeの増加に応じて狭めることによりチャネルの幅を拡げてゆくためオン抵抗が低減することによると考察される。 Next, a base voltage Vbe is applied between the base electrodes 214a and 214b and the source / emitter electrode 213 so that the potential of the base electrode becomes high. When Vsd is 5V, MOS gate voltage of 18V, Vbe in the 1.0 V JSD is 224A / cm 2, the Vbe is 2.0 V JSD is 244A / cm 2, Vbe is JSD at 2.5V is 260A / cm 2 It is. As Vbe increases, Jsd increases. As described above, this is because the depletion layer at the junction between the MOS inversion channel and the channel of the parasitic JFET and the p-channel regions 206a and 206b, and between the channel of the parasitic JFET and the base region / body regions 204a and 204b. It is considered that the on-resistance decreases because the width of the channel is increased by narrowing the width in accordance with the increase of Vbe.

更に、Vbeが3VになるとJsdは461A/cmであり急増し、Vbeが4VではJsdは548A/cm、Vbeが5VではJsdは、618A/cmに更に増加する。これは前記のように、Vbeが約2.7V以上ではエミッタ領域205aおよび205bからベース領域兼ボディ領域204aおよび204bにキャリアの注入が起こりベース電流が流れて縦型SiC−BJT部がオンする結果、ベース領域兼ボディ領域204aおよび204b下のドリフト領域203に縦型SiC−BJT部の電流増幅率分だけベース電流を増幅した大きなコレクタ電流が流れたことによると考察される。エミッタ領域の幅をソース領域の幅よりも大きくし且つエミッタ領域の側面の結晶方位を{1−100}にし電流増幅率を高くしたこともJsdを大幅に増加するのに寄与している。
また、Vbeが4V以上ではやはり前記のように横型IGBT部がオンして、コレクタとして機能する前記ベース領域兼ボディ領域204aおよび204bから寄生接合FETのチャネル領域やドリフト領域203に少数キャリアである正孔が注入され、これらのチャネル領域やドリフト領域に伝導度変調を生じさせたためにこれらの領域の抵抗を低減しJsdを更に増加させているものと考察される。炭素注入により少数キャリアの寿命を長くしたことも伝導度変調を更に促進させJsdを更に増加させることに寄与している。
Further, when Vbe becomes 3 V, Jsd is 461 A / cm 2 , and increases rapidly. When Vbe is 4 V, Jsd increases to 548 A / cm 2 , and when Vbe is 5 V, Jsd further increases to 618 A / cm 2 . As described above, when Vbe is about 2.7 V or more, carriers are injected from the emitter regions 205a and 205b into the base region / body regions 204a and 204b, the base current flows, and the vertical SiC-BJT portion is turned on. It is considered that a large collector current obtained by amplifying the base current by the current amplification factor of the vertical SiC-BJT portion flows in the drift region 203 below the base region / body regions 204a and 204b. The fact that the width of the emitter region is made larger than the width of the source region and the crystal orientation of the side surface of the emitter region is set to {1-100} to increase the current amplification factor also contributes to a significant increase in Jsd.
Further, when Vbe is 4 V or more, the lateral IGBT portion is turned on as described above, and the minority carriers from the base region / body regions 204a and 204b functioning as collectors to the channel region of the parasitic junction FET and the drift region 203 are positive. It is considered that holes are injected and conductivity modulation occurs in these channel regions and drift regions, so that the resistance of these regions is reduced and Jsd is further increased. Increasing the lifetime of minority carriers by carbon implantation contributes to further promoting conductivity modulation and further increasing Jsd.

このように、本実施の形態2の場合は、実施の形態1に比べてセル内の縦型SiC−BJT部と横型IGBT部を2倍にし、実施例1では順バイアス時にあまり活用されていなかった第1の縦型SiC−MOSFET部の下のドリフト層も含めてドリフト層のほぼ全面を電流が流れるように有効活用したことにより、Jsdを更に大幅に増大でき、更に大幅に低オン抵抗で低消費電力のワイドギャップ半導体装置を実現できる。 As described above, in the case of the second embodiment, the vertical SiC-BJT portion and the horizontal IGBT portion in the cell are doubled as compared with the first embodiment. In addition, Jsd can be further greatly increased and the on-resistance can be further greatly reduced by effectively utilizing current so that almost the entire drift layer including the drift layer under the first vertical SiC-MOSFET portion flows. A wide gap semiconductor device with low power consumption can be realized.

本実施の形態になるワイドギャップ半導体装置では、前述のJsd150A/cm、パルス幅500μsのパルス電流で10時間50回合計500時間の稼働試験をおこなうと、途中の稼働試験開始時に破損する半導体装置が少なからずの頻度で発生する。
また、10時間25回合計250時間の稼働試験でも、1回目の試験開始前にJsd150A/cmにおけるオン電圧が約5V程度であったものが12V以上となり、オン電圧劣化が7Vにおよぶワイドギャップ半導体装置も発生した。
In the wide gap semiconductor device according to the present embodiment, if an operation test is performed for 10 hours and 50 times for a total of 500 hours with the above-described pulse current of Jsd150 A / cm 2 and a pulse width of 500 μs, the semiconductor device is damaged at the start of an intermediate operation test. Occurs at a certain frequency.
Also, in the operation test of 25 hours for 10 hours and 250 hours in total, the on-voltage at Jsd150A / cm 2 was about 5V before the start of the first test was over 12V, and the wide gap with on-voltage degradation reaching 7V Semiconductor devices were also generated.

しかし、これらのワイドギャップ半導体装置に前記の本発明になる動作方法を適用すると、10時間25回合計250時間の稼働試験後では上記のJsd150A/cmにおけるオン電圧は6V以下であり、オン電圧劣化は1V以下に抑制できた。また、10時間50回合計500時間の稼働試験をおこなっても、途中の稼働試験開始時に破損する半導体装置は発生しなかった。 However, when the operation method according to the present invention is applied to these wide gap semiconductor devices, the ON voltage at the above Jsd150A / cm 2 is 6 V or less after the operation test of 25 hours for 10 hours and 25 hours in total. The deterioration could be suppressed to 1V or less. In addition, even if the operation test was performed 50 times for 10 hours and a total of 500 hours, no semiconductor device was damaged at the start of the intermediate operation test.

以上に説明したように、実施の形態2にかかる半導体装置によれば高い信頼性のワイドギャップ半導体装置とその動作方法を実現できるとともに、実施の形態1にかかる半導体装置に比べて縦型BJT部や横型IGBT部を2倍にできるので、同一順方向電圧Vsdにおけるオン電流密度を更に大幅に増大でき、オン抵抗の更に低い低消費電力のワイドギャップ半導体装置を実現できる。
As described above, according to the semiconductor device according to the second embodiment, a highly reliable wide-gap semiconductor device and its operation method can be realized, and the vertical BJT section as compared with the semiconductor device according to the first embodiment. And the lateral IGBT portion can be doubled, so that the on-current density at the same forward voltage Vsd can be further greatly increased, and a wide-gap semiconductor device with lower on-resistance and lower power consumption can be realized.

実施の形態3Embodiment 3

図3は、実施の形態3に係る設計耐圧4.5kVのワイドギャップ半導体装置を模式的に示すセル断面図である。
ワイドギャップ半導体装置300ではコレクタ電極301に接してn4H−SiC基板302が設けられている。n4H−SiC基板302のおもて面には、4H−SiCからなるnドリフト層303が形成されている。nドリフト層303の不純物濃度と厚さは、例えば、1×1015cm−3でおよび46μmであってもよい。また、少数キャリアの寿命を長くするために炭素原子を3x1019原子/cm注入したドリフト層であってもよい。
FIG. 3 is a cell cross-sectional view schematically showing a wide gap semiconductor device having a design withstand voltage of 4.5 kV according to the third embodiment.
In the wide gap semiconductor device 300, an n + 4H—SiC substrate 302 is provided in contact with the collector electrode 301. An n drift layer 303 made of 4H—SiC is formed on the front surface of the n + 4H—SiC substrate 302. The impurity concentration and thickness of the n drift layer 303 may be 1 × 10 15 cm −3 and 46 μm, for example. Alternatively, a drift layer in which carbon atoms are implanted at 3 × 10 19 atoms / cm 3 in order to increase the lifetime of minority carriers may be used.

ドリフト層303のおもて面には、4H−SiCからなるpボディ領域304aと304bが選択的に設けられている。pボディ領域304aおよび304bの厚さは0.3μmであってもよく、この場合はpボディ領域304aおよび304bとn基板302間のnドリフト層303の厚さは約45.7μmとなる。pボディ領域304bにはp+コンタク領域309が選択的に設けられている。 On the front surface of the n drift layer 303, p body regions 304a and 304b made of 4H—SiC are selectively provided. The thickness of p body regions 304a and 304b may be 0.3 μm. In this case, the thickness of n drift layer 303 between p body regions 304a and 304b and n + substrate 302 is about 45.7 μm. . A p + contact region 309 is selectively provided in the p body region 304b.

pボディ領域のおもて面には、nソース領域305aとnソース領域兼エミッタ領域305bとpチャネル領域306aおよび306bやp+コンタク領域307が、またnドリフト層303のおもて面にはn領域308が選択的に設けられており、これらは全てAlGaNで構成されている。nソース領域305aおよび305bの一方の端部は各々pチャネル領域306aおよび306bに接しており、nソース領域305aの他方の端部はp+コンタク領域307に接している。各pチャネル領域306aおよび306bはn領域308に接している。 On the front surface of the p body region, an n + source region 305 a, an n + source region / emitter region 305 b, p channel regions 306 a and 306 b, a p + contact region 307, and an n drift layer 303 front surface An n region 308 is selectively provided on the surface, and these are all made of AlGaN. One end of n + source regions 305a and 305b is in contact with p channel regions 306a and 306b, respectively, and the other end of n + source region 305a is in contact with p + contact region 307. Each p channel region 306 a and 306 b is in contact with n region 308.

チャネル領域306aおよび306bの不純物濃度と厚さはそれぞれ5×1015cm−3および0.3μmであってもよい。またチャネルの幅は1.0μmであってもよい。
ソース領域305a及び305bの不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ1×1019cm−3および0.3μmであってもよい。p+コンタク領域307の不純物濃度および厚さは、例えば1×1019cm−3および0.3μmであってもよい。n領域308の不純物濃度および厚さは8×1016cm−3および0.3μmであってもよく、その幅は4μmであってもよい。その他の各領域(nソース領域、pチャネル領域、p+コンタクト領域)の水平方向の幅は実施の形態1と同じである。
The impurity concentration and thickness of the p - channel regions 306a and 306b may be 5 × 10 15 cm −3 and 0.3 μm, respectively. The channel width may be 1.0 μm.
The impurity concentration and thickness of the n + source regions 305a and 305b may be, for example, 1 × 10 19 cm −3 and 0.3 μm, respectively. The impurity concentration and thickness of the p + contact region 307 may be, for example, 1 × 10 19 cm −3 and 0.3 μm. The impurity concentration and thickness of the n region 308 may be 8 × 10 16 cm −3 and 0.3 μm, and the width may be 4 μm. The horizontal widths of the other regions (n + source region, p channel region, p + contact region) are the same as those in the first embodiment.

チャネル領域306aと306bのおもて面およびn領域308のおもて面には、ゲート絶縁膜310を介してゲート電極(制御電極)311が設けられ、その両端は各々nソース領域305aおよび305b上に延在している。ゲート絶縁膜310の厚さは約650オングストロームであってもよい。ソース電極(入力電極)313は、nソース領域305aと305bに接するとともにpコンタクト領域307にも接している。ソース電極313はゲート電極311から層間絶縁膜312により絶縁されている。 A gate electrode (control electrode) 311 is provided on the front surface of the p channel regions 306a and 306b and the front surface of the n region 308 via a gate insulating film 310, and both ends thereof are n + source. It extends over regions 305a and 305b. The thickness of the gate insulating film 310 may be about 650 angstroms. The source electrode (input electrode) 313 is in contact with the n + source regions 305 a and 305 b and also in contact with the p + contact region 307. The source electrode 313 is insulated from the gate electrode 311 by the interlayer insulating film 312.

ソース領域305aおよび305bとpチャネル領域306aおよび306b、更にn領域308、nドリフト層303、n基板302でもって縦型MOSFET部を構成している。
また、nソース領域305bとpボディ領域304bとnドリフト層303でもって縦型BJT部を構成しており、各々がnエミッタ、pベース、nコレクタとしても機能する。ベース電極314はpベースコンタクト領域309に接するとともにこれを介してpベース領域304bに接続している。pベースコンタクト領域309の不純物濃度および厚さは、例えば1×1019cm−3および0.1μmであってもよい。
また、ソース電極兼エミッタ電極313とベース電極314とは絶縁領域315により絶縁されている。また、pボディ領域304b、n領域308およびnドリフト層303、pチャネル領域306aおよびpボディ領域304a、nソース領域305aでもって横型IGBT部を構成しており、各々がpコレクタ、nベース、pベース、nエミッタとして機能する。
The n + source regions 305a and 305b, the p channel regions 306a and 306b, the n region 308, the n drift layer 303, and the n + substrate 302 constitute a vertical MOSFET portion.
Further, the n + source region 305b, the p body region 304b, and the n drift layer 303 constitute a vertical BJT portion, and each also functions as an n + emitter, a p base, and an n collector. The base electrode 314 is in contact with the p + base contact region 309 and is connected to the p base region 304b through this. The impurity concentration and thickness of the p + base contact region 309 may be, for example, 1 × 10 19 cm −3 and 0.1 μm.
The source / emitter electrode 313 and the base electrode 314 are insulated by an insulating region 315. Further, the p body region 304b, the n region 308 and the n drift layer 303, the p channel region 306a and the p body region 304a, and the n + source region 305a constitute a lateral IGBT portion, and each includes a p collector, Functions as n-base, p-base, and n-emitter.

AlGaN層は縦型BJT部のエミッタ注入効率を高くし電流増幅率を高くするために用いたものである。すなわち、AlGaNのエミッタ領域とSiCのベース領域との間の接合をヘテロ接合にし、エネルギーギャップの小さいSiCベース領域からエネルギーギャップの大きいAlGaNエミッタ領域への正孔の注入を抑えて、ベース電流に占める電子電流の比率を高くして注入効率を高くしたものである。
ベース領域からエミッタ領域への正孔の注入を抑え注入効率を高くするには、AlGaNのエネルギーギャップは大きいほどよい。AlGaNのエネルギーギャップはGaとAlの組成比で変えることができ、Aiの比率を高くするほど大きくできる。しかし、過度にAiの比率を高くすると、SiCの結晶との格子間格差が大きくなり、接合部の結晶品質が悪くなり接合でのキャリアの再結合などが大きくなるので注入効率が小さくなってしまう。Ga対Alの比率は95%対5%から65%対35%の間にするのが好ましく、本実施の形態では80%対20%にしている。なお、AlGaN領域とSiC領域の結晶の格子間格差に起因する悪影響を抑制するために、両領域の間に薄いGaN層などのSiCとの結晶の格子間格差が小さい層をバッファー層(図示せず)として介在させる等の公知の手法を用いている。
The AlGaN layer is used to increase the emitter injection efficiency of the vertical BJT part and increase the current amplification factor. That is, the junction between the AlGaN emitter region and the SiC base region is made a heterojunction, and the injection of holes from the SiC base region having a small energy gap to the AlGaN emitter region having a large energy gap is suppressed to occupy the base current. The injection efficiency is increased by increasing the ratio of the electron current.
In order to suppress the injection of holes from the base region to the emitter region and increase the injection efficiency, the larger the energy gap of AlGaN, the better. The energy gap of AlGaN can be changed by the composition ratio of Ga and Al, and can be increased as the ratio of Ai is increased. However, if the ratio of Ai is excessively increased, the interstitial disparity with the SiC crystal increases, the crystal quality of the junction deteriorates, and recombination of carriers at the junction increases, so that the injection efficiency decreases. . The ratio of Ga to Al is preferably between 95% to 5% and 65% to 35%, and in this embodiment is 80% to 20%. In order to suppress the adverse effect caused by the interstitial gap between the crystals in the AlGaN region and the SiC region, a buffer layer (not shown) has a small crystal interstitial gap with SiC, such as a thin GaN layer, between the two regions. Or the like is used.

また、ヘテロ接合にすることにより上記のようにエミッタ注入効率を高くできるので、ベース領域の不純物濃度をある程度増大しても通常の接合の場合よりも高い注入効率にできる。この結果、ベース抵抗をある程度低減できるので最大動作周波数を高くできるとともに、ベース領域のパンチスルーも抑制できるので高耐圧にできる。従って本実施の形態では、pボディ領域304aと304bの不純物濃度を3×1018cm−3と高くしてある。 Moreover, since the emitter injection efficiency can be increased by using a heterojunction as described above, even if the impurity concentration in the base region is increased to some extent, the injection efficiency can be higher than in the case of a normal junction. As a result, since the base resistance can be reduced to some extent, the maximum operating frequency can be increased, and punch-through in the base region can be suppressed, so that a high breakdown voltage can be achieved. Therefore, in the present embodiment, the impurity concentration of p body regions 304a and 304b is increased to 3 × 10 18 cm −3 .

本ワイドギャップ半導体装置300の製造プロセスは、実施の形態1の製作プロセスにおいて、nドリフト層303をエピタキシャル成長しついでpボディ領域304aおよび304bを選択的にアルミニュームのイオン注入により形成した後、最終的にpチャネル領域となる厚さ0.3μmのpAlGaNの層をエピタキシャル成長(上記のバッファー層のエピタキシャル成長も含む)で形成する点、主電極313およびベース電極314の形成に当たって、電極313とn型AlGaN領域およびp型AlGaN領域との電気的接続を良好にするために各々の領域に公知のAlGaN用オーミックコンタクト膜を介在させる点を除けばほぼ同じである。pAlGaNの層には実施の形態1の製作プロセスと同様に選択的なイオン注入により、nソース305a、nエミッタ兼ソース305b、n領域308およびpコンタクト領域307が形成される。 In the manufacturing process of the wide gap semiconductor device 300, the n drift layer 303 is epitaxially grown and the p body regions 304a and 304b are selectively formed by ion implantation of aluminum in the manufacturing process of the first embodiment. the p - thickness 0.3μm to be a channel region p - points forming an AlGaN layer epitaxial growth (including epitaxial growth of the buffer layer), in forming the main electrode 313 and base electrode 314, the electrode 313 and the n This is substantially the same except that a well-known AlGaN ohmic contact film is interposed in each region in order to improve electrical connection between the p-type AlGaN region and the p-type AlGaN region. In the p AlGaN layer, an n + source 305a, an n + emitter / source 305b, an n region 308, and a p + contact region 307 are formed by selective ion implantation as in the manufacturing process of the first embodiment. .

次に、本実施の形態3にかかるワイドギャップ半導体装置300の特性を説明する。
MOSゲート電圧を印加しない状態でソース電極兼エミッタ電極314とドレイン電極兼コレクタ電極301間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は約5.1kVであった。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で2×10−3A/cm以下、250℃の高温でも7×10−2A/cm以下と良好であった。
Next, characteristics of the wide gap semiconductor device 300 according to the third embodiment will be described.
When a forward voltage is applied between the source / emitter electrode 314 and the drain / collector electrode 301 in a state where no MOS gate voltage is applied, a leakage current flows, but a good forward blocking characteristic is exhibited, and a breakdown voltage at room temperature, ie, avalanche breakdown Was about 5.1 kV. The leakage current before avalanche breakdown was as good as 2 × 10 −3 A / cm 2 or less at room temperature and 7 × 10 −2 A / cm 2 or less even at a high temperature of 250 ° C.

ゲート電極311に閾値電圧以上のゲート電圧を印加し、ついでドレイン電極兼コレクタ電極301とソース電極兼エミッタ電極313間に順方向電圧Vsdを印加し、ゲート電極211に閾値電圧以上のゲート電圧20Vを印加するとオン電流が流れる。順方向電圧Vsdが5Vでのオン電流密度Jsdは74A/cmと4.5kV級素子としては良好である。この状態では、セル内の二つの縦型MOSFET部のみが動作している。 A gate voltage higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 311, then a forward voltage Vsd is applied between the drain / collector electrode 301 and the source / emitter electrode 313, and a gate voltage 20 V higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 211. When applied, an on-current flows. The on-current density Jsd at a forward voltage Vsd of 5 V is 74 A / cm 2, which is good for a 4.5 kV class device. In this state, only two vertical MOSFET sections in the cell are operating.

つぎに、ベース電極314とソース兼エミッタ電極313間に、ベース電極314の電位が高くなるようにベース電圧Vbeを印加する。Vsdが5Vの時、Vbeが1.0VではJsdは81A/cm、Vbeが2.0VではJsdは88A/cm、Vbeが2.5VではJsdは94A/cmである。Vbeの増加にともないJsdは増加してゆく。これは前記のように、MOS反転チャネルおよび寄生JFETのチャネルとpチャネル領域306aおよび306bの間の接合の空乏層の幅、更に寄生JFETのチャネルとベース領域兼ボディ領域304aと304b間の接合の空乏層の幅を、Vbeの増加に応じて狭めることによりチャネルの幅を拡げてゆくためオン抵抗が低減することによると考察される。 Next, a base voltage Vbe is applied between the base electrode 314 and the source / emitter electrode 313 so that the potential of the base electrode 314 becomes high. When Vsd is 5V, JSD the Vbe is 1.0V is JSD In 81A / cm 2, Vbe is 2.0V is JSD In 88A / cm 2, Vbe is 2.5V is 94A / cm 2. As Vbe increases, Jsd increases. As described above, this is because the width of the depletion layer at the junction between the MOS inversion channel and the channel of the parasitic JFET and the p - channel regions 306a and 306b, and the junction between the channel of the parasitic JFET and the base region / body regions 304a and 304b. It is considered that the on-resistance is reduced because the width of the channel is increased by narrowing the width of the depletion layer according to the increase of Vbe.

更に、Vbeが3.0VになるとJsdは208A/cmであり急増し、Vbeが4.0VではJsdは257A/cm、Vbeが5.0VではJsdは301A/cmに更に増加する。これは前記のように、Vbeが約2.7V以上ではエミッタ領域305aおよび305bからベース領域兼ボディ領域304aおよび304bにキャリアの注入が起こりベース電流が流れて縦型BJT部がオンする結果、ベース領域兼ボディ領域304aおよび304b下のドリフト領域303に縦型BJT部の電流増幅率分だけベース電流を増幅した大きなコレクタ電流が流れたことによると考察される。エミッタ領域の幅をソース領域の幅よりも大きくしたことも電流増幅率を高くするのに寄与している。
また、Vbeが4.0V以上ではやはり前記のように、横型IGBT部がオンしてコレクタとして機能するベース領域兼ボディ領域304bから、ドリフト領域303に少数キャリアである正孔が注入されて拡散し、ドリフト領域やn領域308に伝導度変調を生じさせたためにこれらの領域の抵抗が低減することによると考察される。炭素注入により少数キャリアの寿命を長くしたことも伝導度変調を更に促進させるのに寄与している。
Further, when Vbe reaches 3.0 V, Jsd increases rapidly to 208 A / cm 2. When Vbe is 4.0 V, Jsd increases to 257 A / cm 2 , and when Vbe reaches 5.0 V, Jsd further increases to 301 A / cm 2 . As described above, when Vbe is about 2.7 V or more, carriers are injected from the emitter regions 305a and 305b into the base region / body regions 304a and 304b, the base current flows, and the vertical BJT portion is turned on. It is considered that a large collector current obtained by amplifying the base current by the current amplification factor of the vertical BJT portion flows in the drift region 303 below the region / body regions 304a and 304b. Making the width of the emitter region larger than the width of the source region also contributes to increasing the current amplification factor.
Also, when Vbe is 4.0 V or more, as described above, holes, which are minority carriers, are injected into the drift region 303 and diffused from the base region / body region 304b that functions as a collector when the lateral IGBT portion is turned on. It is considered that the conductivity of the drift region and the n region 308 is modulated and the resistance of these regions is reduced. Increasing the minority carrier lifetime by carbon implantation also contributes to further promoting conductivity modulation.

このように、本実施の形態3の場合は、実施の形態1に比べてセル内の縦型BJT部のエミッタ接合をヘテロ接合にしたことにより、Jsdを更に大幅に増大でき、更に大幅に低オン抵抗で低消費電力のワイドギャップ半導体装置を実現できた。
また、エミッタ接合をヘテロ接合にしたことにより上記のようにベース領域の不純物濃度を増加でき、4.5kV級の高耐圧を達成しやすくできるとともに、通常の接合でエミッタ接合を形成した場合に比べて350kHz以上の高い最大動作周波数を達成できた。
As described above, in the case of the third embodiment, the Jsd can be further greatly increased and significantly reduced by making the emitter junction of the vertical BJT portion in the cell a heterojunction as compared with the first embodiment. A wide gap semiconductor device with low on-resistance and low power consumption has been realized.
In addition, since the emitter junction is a heterojunction, the impurity concentration in the base region can be increased as described above, and a high breakdown voltage of 4.5 kV class can be easily achieved, as compared with the case where the emitter junction is formed by a normal junction. A maximum operating frequency of 350 kHz or higher was achieved.

本実施の形態になるワイドギャップ半導体装置では、前述のJsd150A/cm、パルス幅500μsのパルス電流で10時間50回合計500時間の稼働試験をおこなうと、途中の稼働試験開始時に破損する半導体装置が少なからずの頻度で発生する。
また、10時間25回合計250時間の稼働試験でも、1回目の試験開始前にJsd100A/cmにおけるオン電圧が約5V程度であったものが15V以上となり、オン電圧劣化が10Vにおよぶワイドギャップ半導体装置も発生した。
In the wide gap semiconductor device according to the present embodiment, if an operation test is performed for 10 hours and 50 times for a total of 500 hours with the above-described pulse current of Jsd150 A / cm 2 and a pulse width of 500 μs, the semiconductor device is damaged at the start of an intermediate operation test. Occurs at a certain frequency.
In addition, even in the operation test of 25 hours for 10 hours and 250 hours in total, the on-voltage at Jsd100A / cm 2 was about 5V before the start of the first test was 15V or more, and the on-voltage degradation was wide as 10V. Semiconductor devices were also generated.

しかし、これらのワイドギャップ半導体装置に前記の本発明になる動作方法を適用すると、10時間25回合計250時間の稼働試験後では上記のJsd100A/cmにおけるオン電圧は6.5V以下であり、オン電圧劣化は1.5V以下に抑制できた。また、10時間50回合計500時間の稼働試験をおこなっても、途中の稼働試験開始時に破損する半導体装置は発生しなかった。 However, when the operation method according to the present invention is applied to these wide gap semiconductor devices, the on-state voltage at the above Jsd100 A / cm 2 is 6.5 V or less after the operation test of 25 times for 10 hours and 25 hours in total. The on-voltage degradation could be suppressed to 1.5V or less. In addition, even if the operation test was performed 50 times for 10 hours and a total of 500 hours, no semiconductor device was damaged at the start of the intermediate operation test.

以上に説明したように、実施の形態3にかかる半導体装置によれば、高い信頼性のワイドギャップ半導体装置とその動作方法を実現できるとともに、実施の形態1にかかる半導体装置に比べてエミッタ接合をヘテロ接合にしたことにより縦型BJT部の電流増幅率を増大でき、オン抵抗のより一段と低い低消費電力のワイドギャップ半導体装置を実現できる。
As described above, according to the semiconductor device according to the third embodiment, a highly reliable wide gap semiconductor device and its operation method can be realized, and an emitter junction can be provided as compared with the semiconductor device according to the first embodiment. By using a heterojunction, the current amplification factor of the vertical BJT portion can be increased, and a wide-gap semiconductor device with lower power consumption and lower power consumption can be realized.

実施の形態4Embodiment 4

図4は、実施の形態4に係る設計耐圧10kVのワイドギャップ半導体装置を模式的に示すセル断面図である。
ワイドギャップ半導体装置400のコレクタ電極401に接してn4H−SiC基板402が設けられている。n4H−SiC基板402のおもて面には、4H−SiCからなるnドリフト層403が形成されている。nドリフト層403の不純物濃度と厚さは、例えば、6×1014cm−3および120μmであってもよい。また、少数キャリアの寿命を長くするために炭素原子を2x1020原子/cm注入したドリフト層であってもよい。
FIG. 4 is a cell cross-sectional view schematically showing a wide gap semiconductor device having a design withstand voltage of 10 kV according to the fourth embodiment.
An n + 4H—SiC substrate 402 is provided in contact with the collector electrode 401 of the wide gap semiconductor device 400. An n drift layer 403 made of 4H—SiC is formed on the front surface of the n + 4H—SiC substrate 402. The impurity concentration and thickness of the n drift layer 403 may be, for example, 6 × 10 14 cm −3 and 120 μm. Alternatively, a drift layer in which carbon atoms are implanted at 2 × 10 20 atoms / cm 3 in order to increase the lifetime of minority carriers may be used.

ドリフト層403の表面には、pボディ領域404aと404bが選択的に設けられている。これらのpボディ領域の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ8×1017cm−3および0.6μmであってもよい。pボディ領域404aと404bは、例えばアルミニュームのイオン注入によって形成された層である。 P body regions 404 a and 404 b are selectively provided on the surface of n drift layer 403. The impurity concentration and thickness of these p body regions may be, for example, 8 × 10 17 cm −3 and 0.6 μm, respectively. The p body regions 404a and 404b are layers formed by, for example, aluminum ion implantation.

pボディ領域404aおよび404bのおもて面層には、nソース領域405aおよび405bとp+コンタク領域407が選択的に設けられている。 On the front surface layer of p body regions 404a and 404b, n + source regions 405a and 405b and a p + contact region 407 are selectively provided.

ソース領域405a及び405bの不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ1×1019cm−3および0.3μmであってもよい。この場合は、nソース領域405a及び405bとnドリフト層403の間のpボディ領域404aと404bの厚さは0.3μmとなる。
コンタク領域407の不純物濃度および厚さは、例えば1×1019cm−3および0.4μmであってもよい。nソース領域405aおよびp+コンタクト領域407の水平方向の幅は例えば各々2.5μmおよび1μmであってもよい。nソース領域405a及び405bとnドリフト層403の間隔は1μmであってもよい。また、pボディ領域404aと404bの間隔は5μmであってもよい。
The impurity concentration and thickness of the n + source regions 405a and 405b may be, for example, 1 × 10 19 cm −3 and 0.3 μm, respectively. In this case, the thicknesses of the p body regions 404a and 404b between the n + source regions 405a and 405b and the n drift layer 403 are 0.3 μm.
The impurity concentration and thickness of the p + contact region 407 may be, for example, 1 × 10 19 cm −3 and 0.4 μm. The horizontal widths of the n + source region 405a and the p + contact region 407 may be, for example, 2.5 μm and 1 μm, respectively. The interval between the n + source regions 405a and 405b and the n drift layer 403 may be 1 μm. The interval between p body regions 404a and 404b may be 5 μm.

ソース領域405aと405bの間のpボディ領域404aおよび404bとnドリフト層403とのおもて面上にはnチャネル領域406が設けられ、その両端は各々nソース領域405aおよび405b上に延在している。 nチャネル領域406の不純物濃度と厚さはそれぞれ2×1015cm−3および0.3μmであってもよい。nチャネル領域406の上にはゲート絶縁膜410を介してゲート電極411が設けられている。
ゲート絶縁膜410の厚さは約650オングストロームであってもよい。ソース電極兼エミッタ電極413は、nソース領域405aと405bに接するとともにpコンタクト領域407にも接している。ソース電極兼エミッタ電極413はゲート電極411と層間絶縁膜412により絶縁されている。
On the front surfaces of p body regions 404a and 404b and n drift layer 403 between n + source regions 405a and 405b, an n channel region 406 is provided, and both ends thereof are n + source region 405a and It extends over 405b. The impurity concentration and thickness of the n channel region 406 may be 2 × 10 15 cm −3 and 0.3 μm, respectively. A gate electrode 411 is provided on the n channel region 406 with a gate insulating film 410 interposed therebetween.
The thickness of the gate insulating film 410 may be about 650 angstroms. The source / emitter electrode 413 is in contact with the n + source regions 405 a and 405 b and also in contact with the p + contact region 407. The source / emitter electrode 413 is insulated from the gate electrode 411 and the interlayer insulating film 412.

ソース領域405aおよび405bとnチャネル領域406、更にnドリフト層403、n基板402でもって蓄積型縦型SiC−MOSFET部を構成している。従って、縦型SiC−MOSFET部がオフ状態では、ゲート電極411下の且つpボディ領域404aおよび404b上のnチャネル領域406は完全に空乏化しピンチオフしていることが肝要である。 The n + source regions 405 a and 405 b, the n channel region 406, the n drift layer 403, and the n + substrate 402 constitute an accumulation type vertical SiC-MOSFET portion. Therefore, when the vertical SiC-MOSFET portion is in the OFF state, it is important that the n channel region 406 under the gate electrode 411 and over the p body regions 404a and 404b is completely depleted and pinched off.

また、nソース領域405bとpボディ領域404bとnドリフト層403でもって縦型SiC-BJT部を構成しており、各々がnエミッタ、pベース、nコレクタとしても機能する。ベース電極414はpベースコンタクト領域409に接するとともにこれを介してpベース404bに接続している。pベースコンタクト領域409の不純物濃度および厚さは、例えば1×1019cm−3および0.1μmであってもよい。
また、エミッタ電極としても機能するソース電極413とベース電極414とは絶縁領域415により絶縁されている。
なお、pボディ領域404b、nドリフト層403、pボディ領域404a、nソース領域405aでもって横型SiC-IGBTを構成しており、各々がpコレクタ、nベース、pベース、nエミッタとして機能する。
Further, the n + source region 405b, the p body region 404b, and the n drift layer 403 constitute a vertical SiC-BJT portion, and each also functions as an n + emitter, a p base, and an n collector. The base electrode 414 is in contact with the p + base contact region 409 and is connected to the p base 404b through this. The impurity concentration and thickness of the p + base contact region 409 may be, for example, 1 × 10 19 cm −3 and 0.1 μm.
In addition, the source electrode 413 and the base electrode 414 that also function as an emitter electrode are insulated by an insulating region 415.
The p body region 404b, the n drift layer 403, the p body region 404a, and the n + source region 405a constitute a lateral SiC-IGBT, and each functions as a p collector, n base, p base, and n emitter. To do.

次に、本実施の形態4にかかる半導体装置の特性を説明する。
実施の形態1と同じ条件で順阻止特性を測定すると、室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は約10.7kVである。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で4.5×10−3A/cm以下、250℃の高温でも7×10−2A/cm以下と良好である。
Next, characteristics of the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described.
When the forward blocking characteristic is measured under the same conditions as in the first embodiment, the breakdown voltage at room temperature, that is, the voltage indicating avalanche breakdown is about 10.7 kV. The leakage current before avalanche breakdown is as good as 4.5 × 10 −3 A / cm 2 or less at room temperature and 7 × 10 −2 A / cm 2 or less even at a high temperature of 250 ° C.

ソース兼エミッタ電極413とベース電極414を電気的に接続して同電位にし
ドレイン兼コレクタ電極411とソース兼エミッタ電極413間に順方向電圧Vsdを印加し、ゲート電極411に閾値電圧以上のゲート電圧20Vを印加するとオン電流が流れる。順方向電圧Vsdが5Vでのオン電流密度Jsdは35A/cmであり10kV級の高耐圧半導体装置としては良好である。この状態では、セル内の二つの縦型SiC−MOSFET部のみが動作している。
The source / emitter electrode 413 and the base electrode 414 are electrically connected to have the same potential, a forward voltage Vsd is applied between the drain / collector electrode 411 and the source / emitter electrode 413, and a gate voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 411. When 20V is applied, an on-current flows. When the forward voltage Vsd is 5 V, the on-current density Jsd is 35 A / cm 2 , which is favorable as a 10 kV class high voltage semiconductor device. In this state, only the two vertical SiC-MOSFET sections in the cell are operating.

この状態で、ベース電極414とソース兼エミッタ電極413間に、ベース電極414の電位が高くなるようにベース電圧Vbeを印加する。Vsdが5Vの時、Vbeが1.0VではJsdは39A/cm、Vbeが2.0VではJsdは42A/cm、Vbeが2.5VではJsdは45A/cmである。Vbeの増加によりJsdは、増加してゆく。これは前記のように、MOS蓄積チャネルおよび寄生JFETのチャネルとベース領域兼ボディ領域404aと404b間の接合の空乏層の幅を、Vbeの増加に応じて狭めることによりチャネルの幅を拡げてゆくためオン抵抗が低減することによると考察される。 In this state, a base voltage Vbe is applied between the base electrode 414 and the source / emitter electrode 413 so that the potential of the base electrode 414 becomes high. When Vsd is 5 V, Jsd is 39 A / cm 2 when Vbe is 1.0 V, Jsd is 42 A / cm 2 when Vbe is 2.0 V, and Jsd is 45 A / cm 2 when Vbe is 2.5 V. Jsd increases as Vbe increases. As described above, the width of the channel is increased by narrowing the width of the depletion layer at the junction between the MOS accumulation channel and the channel of the parasitic JFET and the base region / body regions 404a and 404b according to the increase of Vbe. Therefore, it is considered that the on-resistance is reduced.

更に、Vbeが3.0VになるとJsdは52A/cmに増加し、Vbeが4.0VではJsdは64A/cm、Vbeが5VではJsdは、74A/cmに更に増加する。これは前記のように、Vbeが約2.7V以上ではエミッタ領域405aおよび405bからベース領域兼ボディ領域404aおよび404bにキャリアの注入が起こりベース電流が流れて縦型SiC-BJT部がオンする結果、ベース領域兼ボディ領域404aおよび404b下のドリフト領域403に縦型BJTの電流増幅率分だけベース電流を増幅した大きなコレクタ電流が流れたことによると考察される。また、Vbeが4.0V以上ではやはり前記のように、横型SiC−IGBT部がオンしてコレクタとして機能する前記ベース領域兼ボディ領域404aおよび404bから、寄生接合FETのチャネル領域やドリフト領域403に少数キャリアである正孔が注入され、これらのチャネル領域やドリフト領域に伝導度変調を生じさせたためにこれらの領域の抵抗が低減することによると考察される。 Further, when Vbe reaches 3.0 V, Jsd increases to 52 A / cm 2. When Vbe is 4.0 V, Jsd increases to 64 A / cm 2 , and when Vbe is 5 V, Jsd further increases to 74 A / cm 2 . As described above, when Vbe is about 2.7 V or more, carriers are injected from the emitter regions 405a and 405b into the base region / body regions 404a and 404b, the base current flows, and the vertical SiC-BJT part is turned on. It is considered that a large collector current obtained by amplifying the base current by the current amplification factor of the vertical BJT flows in the drift region 403 below the base region / body regions 404a and 404b. When Vbe is 4.0 V or more, as described above, the lateral SiC-IGBT portion is turned on and the base region / body regions 404a and 404b functioning as collectors are transferred to the channel region and the drift region 403 of the parasitic junction FET. It is considered that minority carrier holes are injected and conductivity modulation occurs in these channel regions and drift regions, so that the resistance of these regions decreases.

また、本実施の形態4は、上記のようにオン抵抗を大幅に低減できるとともに、実施の形態1に比べてチャネル幅のバラツキを大幅に低減できる。これは本実施の形態の蓄積型MOSFET構造が、前記pボディ領域404a(および404b)に対するnソース領域405a(および405b)のホトエッチング行程の位置合わせを正確にできるためである。蓄積チャネル幅のバラツキを少なくできる結果、バラツキによりチャネルが短くなり、そのためリーク電流が増大したり耐圧が低下したりするのを防ぐことができる。 In addition, the fourth embodiment can significantly reduce the on-resistance as described above, and can greatly reduce the variation in channel width as compared with the first embodiment. This is because the storage MOSFET structure of this embodiment can accurately align the photoetching process of the n + source region 405a (and 405b) with respect to the p body region 404a (and 404b). As a result of reducing the variation in the accumulation channel width, the channel is shortened due to the variation, and therefore, it is possible to prevent the leakage current from increasing or the breakdown voltage from being lowered.

本実施の形態になるワイドギャップ半導体装置では、前記と同様のJsd50A/cm、パルス幅500μsのパルス電流で10時間50回合計500時間の稼働試験をおこなうと、途中の稼働試験開始時に破損する半導体装置が少なからずの頻度で発生する。
また、10時間25回合計250時間の稼働試験でも、1回目の試験開始前にJsd50A/cmにおけるオン電圧が約5V程度であったものが14V以上となり、オン電圧劣化が9Vにおよぶワイドギャップ半導体装置も発生した。
In the wide gap semiconductor device according to the present embodiment, if an operation test is performed for 10 hours and 50 times for a total of 500 hours with a pulse current of Jsd 50 A / cm 2 and a pulse width of 500 μs similar to the above, it is damaged at the start of an intermediate operation test. Semiconductor devices occur at a certain frequency.
Also, in the operation test of 25 hours for 10 hours and 250 hours in total, the on-voltage at Jsd50A / cm 2 was about 5V before the start of the first test was 14V or more, and the on-voltage degradation was 9V. Semiconductor devices were also generated.

しかし、これらのワイドギャップ半導体装置に前記の本発明になる動作方法を適用すると、10時間25回合計250時間の稼働試験後では上記のJsd50A/cmにおけるオン電圧は6V以下であり、オン電圧劣化は1V以下に抑制できた。また、10時間50回合計500時間の稼働試験をおこなっても、途中の稼働試験開始時に破損する半導体装置は発生しなかった。
また、前記の本発明になる動作方法を適用すると、本実施の形態のワイドギャップ半導体装置を用いてインバータを構成し、10時間50回合計500時間の稼働試験をおこなっても途中の稼働試験開始時に破損する半導体装置は発生しなかった。
However, when the operation method according to the present invention is applied to these wide gap semiconductor devices, the on-voltage at the above Jsd50 A / cm 2 is 6 V or less after the operation test of 25 times for 10 hours and a total of 250 hours. The deterioration could be suppressed to 1V or less. In addition, even if the operation test was performed 50 times for 10 hours and a total of 500 hours, no semiconductor device was damaged at the start of the intermediate operation test.
In addition, when the operation method according to the present invention is applied, an inverter is configured using the wide gap semiconductor device of the present embodiment, and an operation test is started in the middle even if an operation test is performed for 10 hours and 50 times for a total of 500 hours. No semiconductor device was occasionally damaged.

以上に説明したように、実施の形態4にかかる半導体装置によれば、実施の形態1にかかる半導体装置と同様にオン抵抗のより低い低消費電力で且つ高い信頼性のワイドギャップ半導体装置とその動作方法を実現できるとともに、実施の形態1にかかる半導体装置に比べてチャネル幅のバラツキを少なくでき、リーク電流の増大や耐圧の低下のより少ないワイドギャップ半導体装置を実現できる。
As described above, according to the semiconductor device according to the fourth embodiment, as in the semiconductor device according to the first embodiment, a wide-gap semiconductor device with low on-resistance and low power consumption and high reliability, and its In addition to realizing the operation method, it is possible to realize a wide-gap semiconductor device in which variation in channel width can be reduced as compared with the semiconductor device according to the first embodiment, and leakage current is increased and breakdown voltage is reduced.

以上、第1から第4の実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく各種の変形応用が容易に出来ることは当業者には自明である。例えば、セル形状も言及したストライブ形状以外にメッシュ形状等の種々の形状が採用できることは当然である。また、n型ワイドギャップ半導体装置に言及したが、極性の異なるp型ワイドギャップ半導体装置にも同様に展開できることは自明である。更に、縦型MOSFET部を単純なDMOSFET構造にしたり、トレンチゲート形MOSFET構造にしたりする等の他のMOSFET構造に変形応用できることも当業者には自明である。また、SiC半導体装置について言及したが、GaNやダイヤモンドといった他のワイドギャップ半導体を用いたワイドギャップ半導体装置にも応用展開できるとともに、GaNとAlGaNで構成するヘテロ接合型BJT部等の他のヘテロ接合型BJT部を用いたワイドギャップ半導体装置にも応用展開できるものである。
Although the present invention has been described based on the first to fourth embodiments, the present invention is not limited to these, and it is obvious to those skilled in the art that various modifications can be easily made. For example, various shapes such as a mesh shape can be adopted in addition to the stripe shape that also refers to the cell shape. In addition, although the n-type wide gap semiconductor device has been described, it is obvious that it can be similarly applied to p-type wide gap semiconductor devices having different polarities. Furthermore, it is obvious to those skilled in the art that the vertical MOSFET portion can be modified and applied to other MOSFET structures such as a simple DMOSFET structure or a trench gate type MOSFET structure. Also, the SiC semiconductor device has been mentioned, but it can be applied to wide gap semiconductor devices using other wide gap semiconductors such as GaN and diamond, and other heterojunctions such as heterojunction type BJT parts composed of GaN and AlGaN. The present invention can be applied to a wide gap semiconductor device using a type BJT section.

本発明は民生用や産業用の各種の電圧クラスのインバータや電力変換装置に広く利用でき、低消費電力の大幅な低減や信頼性の向上ができる。特に低消費電力の大幅な低減は省エネルギー化に寄与するだけでなく、同一出力のインバータや電力変換装置の場合、必要とする半導体装置を冷却する装置を小型化でき、省資源化にも寄与できる。
特に、定常運転中の特殊事態に瞬時に大きな電力を出力して対応する必要があるような種々の用途において大きな利用インパクトを持つ。例えば、電気自動車や電車や電動船などのモバイル機器のインバータを本発明のワイドギャップ半導体装置で構成し、定常運転中はMOSFET部のみで稼働し低消費電力を享受する一方、衝突を回避したりするような特殊時にはベース電圧を高くしてバイポーラ素子部も駆動して短時間大出力を出して対応するような用途である。この場合に、大出力時のバイポーラ動作に伴うオフ時の残存キャリアに起因するスイッチング損失の増加や積層欠陥に起因する信頼性の低下を抑制できる。
The present invention can be widely used in inverters and power converters of various voltage classes for consumer and industrial use, and can greatly reduce low power consumption and improve reliability. In particular, a significant reduction in low power consumption not only contributes to energy savings, but in the case of inverters and power converters with the same output, it is possible to reduce the size of the device that cools the required semiconductor devices, which can also contribute to resource savings. .
In particular, it has a large use impact in various applications where it is necessary to output a large amount of electric power instantly and respond to special situations during steady operation. For example, an inverter of a mobile device such as an electric car, a train or an electric ship is configured with the wide gap semiconductor device of the present invention, and during normal operation, it operates only with the MOSFET part and enjoys low power consumption, while avoiding a collision. In such a special case, the base voltage is increased to drive the bipolar element portion to produce a large output for a short time. In this case, it is possible to suppress an increase in switching loss caused by residual carriers at the time of off and a decrease in reliability caused by stacking faults due to the bipolar operation at the time of high output.

101,201,301、401 :ドレイン電極兼
コレクタ電極
102,202,302、402 :n4H−SiC基板
103,203,303、403 :nドリフト層
104a、204a、304a、404a :pボディ領域
104b、204b、304b、404b :pボディ領域兼
ベース領域
105a,205a,305a、405a :nソース領域
105b,205b,305b、405b :nソース領域兼
エミッタ領域
106a,206a,306a、406a :pチャネル領域
106b,206b,306b、406b :pチャネル領域
107,207a,207b、307、407:pコンタクト領域
108,208,308 :n領域
109,309,409 :ベースコンタクト領域
110,210、310、410 :ゲート絶縁膜
111、211,311、411 :ゲート電極
112,212,312、412 :層間絶縁膜
113,213,313、413 :ソース電極兼
エミッタ電極
114,214a、214b、314、414:ベース電極
115,215a,215b,315、415:絶縁領域
216a、216b :絶縁分離領域
101, 201, 301, 401: Drain and collector electrodes 102, 202, 302, 402: n + 4H—SiC substrates 103, 203, 303, 403: n drift layers 104a, 204a, 304a, 404a: p body regions 104b, 204b, 304b, 404b: p body region / base regions 105a, 205a, 305a, 405a: n + source regions 105b, 205b, 305b, 405b: n + source region / emitter regions 106a, 206a, 306a, 406a: p - channel region 106b, 206b, 306b, 406b: p - channel region 107,207a, 207b, 307,407: p + contact region 108, 208, 308: n - region
109, 309, 409: base contact regions 110, 210, 310, 410: gate insulating films 111, 211, 311, 411: gate electrodes 112, 212, 312, 412: interlayer insulating films 113, 213, 313, 413: sources Electrode and emitter electrodes 114, 214a, 214b, 314, 414: base electrodes 115, 215a, 215b, 315, 415: insulating regions 216a, 216b: insulating isolation regions

Claims (8)

セルに内蔵されるワイドギャップ半導体装置が、
第1導電型の第1半導体層と、前記第1導電型の第1半導体層のおもて面に設けられた第1導電型の第2半導体層と第1導電型の第2半導体層のおもて面に選択的に設けられた二つの第2導電型の第1半導体領域と、
一方の第2導電型の第1半導体領域のおもて面に選択的に設けられた第1導電型の第3半導体領域と、この領域に接して選択的に設けられた第2導電型の第2半導体領域と
他方の第2導電型の第1半導体領域のおもて面に選択的に設けられた第1導電型の第4半導体領域と、この領域から隔離されて選択的に設けられた第2導電型の第3半導体領域と
前記第1導電型の第3半導体領域と前記第2導電型の第2半導体領域と前記第1導電型の第4半導体領域に接する第1の主電極と、
前記二つの第2導電型の第1半導体領域に挟まれた前記第1導電型の第2半導体領域部分の表面と、前記第1導電型の第3半導体領域と前記第1導電型の第2半導体層とに挟まれた前記第2導電型の第1半導体領域部分の表面および前記第1導電型の第4半導体領域と前記第1導電型の第2半導体層とに挟まれた前記第2導電型の第1半導体領域部分の表面とに、絶縁膜を介し且つ両端が前記第1導電型の第3半導体領域と前記第1導電型の第4半導体領域の上に延在するように設けられた第1の制御電極と、
前記第2導電型の第3半導体領域の表面に接する第2の制御電極と
前記第1導電型の第1半導体層の裏面に接する第2の主電極とを備えた半導体装置であり、
前記第1の主電極、前記第1導電型の第3半導体領域、前記第2導電型の第2半導体領域、前記一方の第2導電型の第1半導体領域、前記第1導電型の第2半導体領域、前記第1導電型の第1半導体領域、前記第2の主電極、第1の制御電極とで第1の縦型MOSFET部を構成し、
前記第1の主電極、前記第1導電型の第4半導体領域、前記他方の第2導電型の第1半導体領域、前記第1導電型の第2半導体領域、前記第1導電型の第1半導体領域、前記第2の主電極、前記第1の制御電極とで第2の縦型MOSFET部を構成し
第1の主電極、前記第1導電型の第4半導体領域、前記第2導電型の第3半導体領域、前記他方の第2導電型の第1半導体領域、前記第1導電型の第2半導体領域、前記第1導電型の第1半導体領域、前記第2の主電極、前記第2の制御電極とで縦型バイポーラ接合トランジスタ部を構成し
前記第2の制御電極、前記第2導電型の第3半導体領域、前記他方の第2導電型の第1半導体領域、前記第1導電型の第2半導体領域、前記一方の第2導電型の第1半導体領域、前記第1導電型の第3半導体領域、前記第1の主電極、前記第1の制御電極とで横型IGBT部を構成することを特徴とするワイドギャップ半導体装置。
A wide gap semiconductor device built in the cell
A first conductivity type first semiconductor layer; a first conductivity type second semiconductor layer provided on a front surface of the first conductivity type first semiconductor layer; and a first conductivity type second semiconductor layer. Two first semiconductor regions of the second conductivity type selectively provided on the front surface;
A first conductivity type third semiconductor region selectively provided on the front surface of one second conductivity type first semiconductor region, and a second conductivity type selectively provided in contact with the region. A first conductive type fourth semiconductor region selectively provided on the front surface of the second semiconductor region and the other second conductive type first semiconductor region, and selectively provided separately from this region; And a first main electrode in contact with the third semiconductor region of the second conductivity type, the third semiconductor region of the first conductivity type, the second semiconductor region of the second conductivity type, and the fourth semiconductor region of the first conductivity type. When,
A surface of the second semiconductor region of the first conductivity type sandwiched between the two first semiconductor regions of the second conductivity type, a third semiconductor region of the first conductivity type, and a second of the first conductivity type. The surface of the second conductive type first semiconductor region sandwiched between the semiconductor layers and the second conductive layer sandwiched between the first conductive type fourth semiconductor region and the first conductive type second semiconductor layer. Provided on the surface of the first semiconductor region portion of the conductive type so that both ends thereof extend on the third semiconductor region of the first conductive type and the fourth semiconductor region of the first conductive type via an insulating film. A first control electrode formed;
A semiconductor device comprising: a second control electrode in contact with a surface of the second conductive type third semiconductor region; and a second main electrode in contact with a back surface of the first conductive type first semiconductor layer;
The first main electrode; the first conductive type third semiconductor region; the second conductive type second semiconductor region; the one second conductive type first semiconductor region; the first conductive type second semiconductor region. The semiconductor region, the first conductive type first semiconductor region, the second main electrode, and the first control electrode constitute a first vertical MOSFET portion,
The first main electrode, the first conductive type fourth semiconductor region, the other second conductive type first semiconductor region, the first conductive type second semiconductor region, and the first conductive type first semiconductor region. The semiconductor region, the second main electrode, and the first control electrode constitute a second vertical MOSFET section. The first main electrode, the first conductivity type fourth semiconductor region, and the second conductivity type The third semiconductor region, the second semiconductor layer of the second conductivity type, the second semiconductor region of the first conductivity type, the first semiconductor region of the first conductivity type, the second main electrode, the second main electrode, A vertical bipolar junction transistor portion is configured with two control electrodes, the second control electrode, the second conductive type third semiconductor region, the other second conductive type first semiconductor region, and the first conductive type. Type second semiconductor region, said one second conductivity type first semiconductor region, said first conductivity type third semiconductor region Conductor region, a wide-gap semiconductor device characterized in that it constitutes a lateral IGBT portion between the first main electrode, the first control electrode.
請求項1のワイドギャップ半導体装置において、
前記前記第1導電型の第3半導体領域と前記第1導電型の第2半導体層とに挟まれた前記一方の第2導電型の第1半導体領域部分および前記第1導電型の第4半導体領域と前記第1導電型の第2半導体層とに挟まれた前記他方の第2導電型の第1半導体領域部分に、各々エピタキシャル成長で形成された第2導電型の第1半導体領域よりも低い不純物濃度の第2導電型の第4半導体領域および第2導電型の第5半導体領域が設けられ、
前記二つの第2導電型の第1半導体領域に挟まれた前記第1導電型の第2半導体領域部分の表面付近には、前記第1導電型の第2半導体領域よりも不純物濃度が高く且つ前記第2導電型の第4半導体領域および第2導電型の第5半導体領域よりも厚い第1導電型の第5半導体領域が設けられていることを特徴とするワイドギャップ半導体装置。

The wide gap semiconductor device according to claim 1,
The one second conductive type first semiconductor region portion and the first conductive type fourth semiconductor sandwiched between the first conductive type third semiconductor region and the first conductive type second semiconductor layer. Lower than the first semiconductor region of the second conductivity type formed by epitaxial growth in the second semiconductor layer portion of the other second conductivity type sandwiched between the region and the second semiconductor layer of the first conductivity type. A second conductivity type fourth semiconductor region and a second conductivity type fifth semiconductor region having an impurity concentration are provided;
In the vicinity of the surface of the first conductive type second semiconductor region sandwiched between the two second conductive type first semiconductor regions, the impurity concentration is higher than that of the first conductive type second semiconductor region and A wide-gap semiconductor device, wherein a fifth semiconductor region of a first conductivity type that is thicker than the fourth semiconductor region of the second conductivity type and a fifth semiconductor region of a second conductivity type is provided.

請求項1のワイドギャップ半導体装置において、
前記絶縁膜と、前記二つの第2導電型の第1半導体領域に挟まれた前記第1導電型の第2半導体領域部分および前記第1導電型の第3半導体領域と前記第1導電型の第2半導体層とに挟まれた第2導電型の第1半導体領域部分および前記第1導電型の第4半導体領域と前記第1導電型の第2半導体層とに挟まれた第2導電型の第1半導体領域部分の表面との間に、
第2導電型の第6半導体領域を介在させ且つ両端が前記第1導電型の第3半導体領域と前記第1導電型の第4半導体領域の上に延在するように設けられたことを特徴とするワイドギャップ半導体装置。
The wide gap semiconductor device according to claim 1,
The insulating film, the second semiconductor region portion of the first conductivity type sandwiched between the two first semiconductor regions of the second conductivity type, the third semiconductor region of the first conductivity type, and the first conductivity type The second conductivity type first semiconductor region portion sandwiched between the second semiconductor layers and the second conductivity type sandwiched between the first conductivity type fourth semiconductor region and the first conductivity type second semiconductor layer. Between the surface of the first semiconductor region portion of
A sixth semiconductor region of the second conductivity type is interposed, and both ends are provided to extend on the third semiconductor region of the first conductivity type and the fourth semiconductor region of the first conductivity type. Wide gap semiconductor device.
請求項1から3のワイドギャップ半導体装置において、
前記第1導電型の第4半導体領域の幅が前記第1導電型の第3半導体領域の幅よりも大きいことを特徴とするワイドギャップ半導体装置。
In the wide gap semiconductor device according to claims 1 to 3,
A wide gap semiconductor device, wherein a width of the fourth semiconductor region of the first conductivity type is larger than a width of the third semiconductor region of the first conductivity type.
請求項1から3のワイドギャップ半導体装置において、
前記第1導電型の第4半導体領域の側面の結晶方位が{1−100}であることを特徴とするワイドギャップ半導体装置。
In the wide gap semiconductor device according to claims 1 to 3,
A wide gap semiconductor device, wherein a crystal orientation of a side surface of the fourth semiconductor region of the first conductivity type is {1-100}.
請求項1および請求項2のワイドギャップ半導体装置において、
少なくとも前記前記第1導電型の第4半導体領域が、より広いエネルギーギャップを有するワイドギャップ半導体で構成されていることを特徴とするワイドギャップ半導体装置。
In the wide gap semiconductor device according to claim 1 and claim 2,
At least the fourth semiconductor region of the first conductivity type is formed of a wide gap semiconductor having a wider energy gap.
少なくとも稼働する時には、ワイドギャップ半導体装置に内蔵するユニポーラ半導体素子を動作させて多数キャリアによる順方向電流を流し、この電流によりワイドギャップ半導体装置を50℃以上に昇温させた後に、内蔵するバイポーラ半導体素子部を動作させることを特徴とする請求項1〜6のワイドギャップ半導体装置の動作方法。   At least when operating, the unipolar semiconductor element incorporated in the wide gap semiconductor device is operated to pass a forward current due to majority carriers, the temperature of the wide gap semiconductor device is raised to 50 ° C. or more by this current, and then the built-in bipolar semiconductor The operation method of the wide gap semiconductor device according to claim 1, wherein the element portion is operated. 前記ワイドギャップ半導体装置の内蔵するバイポーラ半導体素子部にフライホイーリングダイオードとして用いられるpn接合ダイオードを含むことを特徴とする請求項7の半導体装置の動作方法。
8. The method of operating a semiconductor device according to claim 7, wherein a pn junction diode used as a flywheeling diode is included in the bipolar semiconductor element portion incorporated in the wide gap semiconductor device.
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JP2017135174A (en) * 2016-01-26 2017-08-03 豊田合成株式会社 Semiconductor device, power conversion device, and method for manufacturing semiconductor device
CN113257916A (en) * 2021-03-29 2021-08-13 重庆中科渝芯电子有限公司 Planar field effect transistor of integrated rectifier and manufacturing method thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104732006A (en) * 2014-12-31 2015-06-24 国家电网公司 IGBT module steady state temperature calculating method
JP2017135174A (en) * 2016-01-26 2017-08-03 豊田合成株式会社 Semiconductor device, power conversion device, and method for manufacturing semiconductor device
CN113257916A (en) * 2021-03-29 2021-08-13 重庆中科渝芯电子有限公司 Planar field effect transistor of integrated rectifier and manufacturing method thereof

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