(第1実施形態)
以下、図面を参照して、本発明における半導体装置の第1実施形態を説明する。
図1は、第1実施形態の半導体装置を説明する回路図である。図2は、第1実施形態の別の半導体装置を説明する回路図である。図3は、図1の回路図の一例として具体化した半導体チップの実装図である。図4は、図3の実装図に用いられている還流ダイオードの断面構造図である。図5は、図3の実装に用いられている半導体スナバの斜視図である。図6は、図3の実装に用いられている半導体スナバの断面構造図の一例である。
(半導体装置の回路構成)
図1に示すように、第1実施形態の半導体装置10は、ユニポーラ動作もしくはユニポーラ動作と同等の動作をするユニポーラ型の還流ダイオード100と、少なくともキャパシタ210と抵抗220とを含みスナバ回路を有する半導体チップで形成された半導体スナバ(スナバ回路素子)200とを備えている。第1実施形態の半導体装置10では、キャパシタ210と抵抗220とが、それぞれアノード端子300並びにカソード端子400に接続されている。これにより、還流ダイオード100と半導体スナバ200とが並列接続される。なお、図1においては、半導体スナバ200の構成として、アノード端子300側にキャパシタ210が、カソード端子側に抵抗220が接続するような場合を示しているが、図2に示すように、アノード端子300側に抵抗220が、カソード端子側にキャパシタ210が接続しても良い。また、キャパシタ210と抵抗220は少なくとも直列接続していれば、複数の部位に分割されて形成されていても良いし、例えば交互に形成されていても良い。
第1実施形態では、一例として、還流ダイオード100と半導体スナバ200を別の半導体チップとして形成した場合について説明する。
(半導体装置の実装構造)
図3は、図1で示した炭化珪素ショットキーバリアダイオード等の還流ダイオード100と、シリコン半導体RCスナバ等の半導体スナバ200とを備える半導体装置10について具体的な装置として実施形態を示した実装図である。
図3に示すように、半導体装置10は、セラミック板などで形成された絶縁性を有し、かつ、支持体としての機能を有する絶縁基板500と、例えば銅やアルミなどの金属材料からなるアノード側金属膜310とカソード側金属膜410とを備えている。
カソード側金属膜410上には、還流ダイオード100と半導体スナバ200のそれぞれの半導体チップのカソード端子400が例えば半田やろう材等の接合材料を介して接するように配置されている。そして、還流ダイオード100と半導体スナバ200のそれぞれの半導体チップのアノード端子300は、アルミワイヤやアルミリボンなどの金属配線320、330を介して、共にアノード側金属膜310に接続された構成となっている。
(還流ダイオードの構造)
還流ダイオード100に関しては、炭化珪素を半導体基体材料としたショットキーバリアダイオードの場合について説明する。第1実施形態では、アノード端子300とカソード端子400が互いに対面するように電極形成された、いわゆる縦型のショットキーバリアダイオードを一例として説明する。
図4に、還流ダイオード100の断面構造図の一例を示す。
図4に示すように、還流ダイオード100は、炭化珪素のポリタイプが4HタイプのN+型である基板領域1上にN−型のドリフト領域2が形成された基板材料で構成されている。基板領域1としては、抵抗率が数mから数10mΩcm、厚さが数10μm〜数100μm程度の一般的な低抵抗基板を用いることができる。なお、素子構造や所要の耐圧により、抵抗率や厚みが上述した範囲外となってももちろん良いが、一般に抵抗率及び厚みが小さいほうが導通時の損失を低減できるため、可能な限り小さいほうが望ましい。ドリフト領域2としては、N型の不純物密度が1015cm-3〜1018cm-3、厚みが0.1μm〜数10μmのものを用いることができる。なお、ドリフト領域2に関しても、素子構造や所要の耐圧により、不純物密度や厚みが上述した範囲外となってももちろん良い。本実施形態では、不純物密度が1016cm-3、厚みが5μmで耐圧が600Vクラスのものを用いた場合で説明する。
なお、第1実施形態では、半導体基体が、基板領域1とドリフト領域2の二層からなる基板の場合について説明するが、抵抗率の大きさは上記の一例にはよらないが基板領域1のみで形成された基板を使用してもかまわないし、反対に多層の基板を使用してもかまわない。また、本実施形態では一例として耐圧が600Vクラスの場合で説明しているが、耐圧クラスは限定されない。また、本実施形態においては、基板材料を炭化珪素材料で形成した場合を説明しているがシリコンなど他の半導体材料で構成されていてもかまわない。
ドリフト領域2の基板領域1との接合面に対向する主面に接するように表面電極3が形成されている。さらには表面電極3に対向し、かつ基板領域1と接するように裏面電極4が形成されている。表面電極3は、ドリフト領域2との間にショットキー障壁を形成する金属材料を少なくとも含む単層もしくは多層の金属材料から構成されており、例えば、ショットキー障壁を形成する金属材料としては、チタン、ニッケル、モリブデン、金、白金などの材料を用いることができる。また、表面電極3はアノード端子300として外部電極との接続をするために、最表面にアルミ、銅、金、ニッケル、銀などの金属材料を用いて多層の構造としても良い。一方、裏面電極4は、基板領域1とオーミック接続するような電極材料から構成されている。オーミック接続する電極材料として、ニッケルシリサイドやチタン材料などを挙げることができる。裏面電極4は、カソード端子400として外部電極と接続をする。このように、図4に示す還流ダイオード100は、表面電極3がアノード電極、裏面電極4がカソード電極としたダイオードとして機能する。
(半導体スナバの構造)
半導体スナバ200の構成としては、キャパシタ210と抵抗220が直列接続したいわゆるRCスナバの構成とした場合について説明する。また、半導体スナバ200は、シリコンを半導体基体材料とし、かつ、アノード端子300とカソード端子400が互いに対面するように電極形成された縦型の半導体チップからなる場合について説明する。
図5に、半導体スナバの斜投影図を示す。図6に、図5のL−L線に沿った半導体スナバの断面構造図を示す。
図5に示すように、シリコンのN+型である低抵抗基板領域11上の所定の位置に、例えばシリコン酸化膜などの誘電材料からなる誘電領域12と、絶縁物質からなる絶縁層16が形成されている。誘電領域12および絶縁層16上に例えば多結晶シリコンからなる導電層17が形成されている。
第1実施形態では、導電層17は抵抗220として機能し、誘電領域12はキャパシタ210として機能する。本実施形態においては、低抵抗基板領域11の導電型をN型としているがP型でももちろん良い。また、誘電領域12については、必要な耐圧並びに必要なキャパシタ210の容量Cの大きさに応じて、厚みや面積を決めることができる。耐圧については、誘電領域12の破壊防止のため、還流ダイオード100よりも高いことが望ましい。また、キャパシタ210の容量については、還流ダイオード100が遮断状態時(高電圧印加時)に生じる空乏層のキャパシタ容量に対して、100分の1程度から100倍ぐらいの範囲で選ぶことができるが、十分なスナバ機能を発揮し、かつ損失の増加を極力抑え、必要となるチップ面積を考慮すると、後述する計算結果が示すように、概ね10分の1程度から10倍程度の範囲が望ましい。本実施形態においては、例えば還流ダイオード100よりも耐圧が高くなるように厚みは1μmとし、キャパシタ210の容量Cが還流ダイオード100の遮断状態時に形成される空乏容量と同程度としたものを用いた場合で説明する。なお、誘電領域12は、シリコン酸化膜以外の材料でも、所定の耐圧を有し、かつキャパシタ210として機能する誘電材料であればどのような材料でも良いが絶縁破壊電界と比誘電率との積の値がシリコン酸化膜の値よりも大きい材料であれば、さらによい。そのような材料を用いた場合には、誘電領域12の絶縁耐圧を維持しつつ、少ない面積で必要な静電容量を得ることができる。例えば、一般的なシリコン酸化膜の物性値として、絶縁破壊電界を1×109V/mとし、比誘電率を3.9とした場合、シリコン酸化膜の厚みが1μmの場合の1cm2当たりの静電容量は約3.4nF程度になる。それに対して、シリコン酸化膜の代わりにSi3N4を用いた場合、絶縁破壊電界を1×109V/mとし、比誘電率を7.5とした場合、厚みが1μmで同等の耐圧を確保することができる。このとき、Si3N4を用いた場合の1cm2当たりの静電容量は6.6nF程度になる。このように、Si3N4を用いた方が静電容量が約2倍程度大きくなり、誘電領域の絶縁耐圧を維持しつつ、より大きな静電容量を得ることができる。したがって面積効率が向上し、ウエハコストを低減することができる。この効果は誘電材料の絶縁破壊電界と比誘電率との積で比較することができ、シリコン酸化膜の値と、Si3N4の値を比較すると約2倍程度になっている。さらに、誘電領域の材料がBaTiO3のような強誘電体であれば、その値がシリコン酸化膜の約13倍となり、より少ない面積にすることができる。他にも強誘電体膜としては、Pb(Zr,Ti)O3やSrBi2Ta2O9やTi4Ti3O12があるが、絶縁破壊電界と比誘電率の積がシリコン酸化膜の値よりも大きければ、いずれでもよい。また、誘電領域は単一の誘電材料とは限らず複数の誘電材料を積層したものを用いても良い。例えば、Si3N4をシリコン酸化膜で挟んだONO構造では、Si3N4のリーク電流をシリコン酸化膜により最小限にすることができる。
なお、絶縁層16を構成する絶縁物質の種類、および厚さについては、絶縁層16が形成する容量が、誘電領域12の容量に対して十分小さくなる物質、膜厚であれば、いずれの物質や膜厚を用いても良い。
また、絶縁層16の耐圧については、誘電領域12と同様、絶縁層16の破壊防止のため、還流ダイオード100よりも高いことが望ましい。
還流ダイオード100として、ショットキーバリアダイオードを用いた場合に、ユニポーラ動作によって電流・電圧の振動現象が発生する。これに対して、従来ではバイポーラ動作のダイオードの振動低減用のスナバ回路として用いられるメイン電流が流れる経路にフィルムコンデンサやメタルクラッド抵抗など外付けのディスクリート部品を配線する技術を用いていた。第1実施形態においては、小容量で小サイズのキャパシタ210と抵抗220を有する半導体スナバ200を還流ダイオード100に並列接続することで、容易にかつ効果的に振動現象を抑制できる。また、効果的にスナバ機能を発揮する設計式として、C=1/(2πfR)が一般的に知られており(fは振動現象の周波数)、本実施形態においては、その式を満たすように、小容量の半導体スナバ200を用いたキャパシタ210と抵抗220を容易に設定することができる。
さらに、絶縁層16と対向する導電層17の表層の一部に接するように表面電極13が形成されている。また、低抵抗基板領域11に接するように裏面電極14が形成されている。表面電極13はアノード端子300として外部電極と接続するように、金属材料で形成されており、最表面にアルミ、銅、金、ニッケル、銀などの金属材料を用いた単層、多層の構造としても良い。同様に、裏面電極14についても、カソード端子400として外部電極と接続するように、例えば金属材料で形成されており、最表面にアルミ、銅、金、ニッケル、銀などの金属材料を用いた単層、多層の構造としても良い。このように、図5及び図6に示す半導体スナバ200は、表面電極13が図4に示す還流ダイオード100のアノード電極に、裏面電極14が図4に示す還流ダイオード100のカソード電極に、接続する半導体RCスナバとして機能する。
なお、図5及び図6に示した半導体スナバ200においては、導電層17上に形成された表面電極13の位置が、基板領域11の垂直方向において、誘電領域12と導電層17が接触する領域から基板領域11の水平方向にずれるように配置されている。還流ダイオード100からの振動電流が、このような構造を有する半導体スナバ200に流れた場合、裏面電極14から低抵抗基板領域11・誘電領域12を経て導電層17に流れ込む電流、もしくは表面電極13から導電層17を経て誘電領域12へと流れ込む電流は、いずれも導電層17の膜厚方向以外の方向、すなわち導電層17の層方向へ流れることになる。従って、抵抗220の抵抗値の一部は、導電層17の膜厚方向の抵抗値だけではなく、層方向の抵抗値で構成されるようになる。
(動作)
次に、本実施形態の動作について詳しく説明する。本実施形態の半導体装置10は、図7および図8に示すような電力エネルギーの変換手段の1つとして、一般的に使用されるコンバータ(図7)やインバータ(図8)等の電力変換装置において、電源電圧(+V)(例えば本実施形態では400V)に対して逆バイアス接続になるように接続され、電流を還流する受動素子A、Bとして使用される。本実施形態の半導体装置10の動作モードは、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子Dのスイッチング動作に連動して、電流を遮断する遮断状態から電流を還流する導通状態へ、そして導通状態から遮断状態へと動作する。電力変換装置においては、電流を還流する受動素子に対しても、スイッチング素子と同様に、低損失でかつ誤動作等が起こりにくい安定動作が求められる。本実施形態においては、図7のコンバータ回路を一例として半導体装置の動作を説明する。なお、図7中のスイッチング素子Dは例えばIGBTで構成されている場合で説明する。
まず、スイッチング素子Dがオンし、スイッチング素子Dに電流が流れている状態においては、受動素子Aは逆バイアス状態となり遮断状態になる。図4に示す還流ダイオード100(ここでは、ショットキーバリアダイオード)においては、アノード端子300とカソード端子400間に逆バイアス電圧が印加されるため、ドリフト領域2中には表面電極3とのショットキー接合部から伸びた空乏層が生じ遮断状態が維持される。また、図5、図6に示す半導体スナバ200においては、キャパシタ210として機能する誘電領域12が高電圧により充電された状態になっており、遮断状態を維持する。このように、遮断状態においては、受動素子がショットキーバリアダイオードのみで構成されている従来技術と同様の機能を有する。
次に、スイッチング素子Dがオフし、スイッチング素子Dがオフ状態に移行するのに連動して、本実施形態による半導体装置10である受動素子Aは順バイアス状態となり導通状態に移行する。図4に示す還流ダイオード100のドリフト領域2中に広がっていた空乏層が後退し、表面電極3とドリフト領域2との間に形成されているショットキー接合部にショットキー障壁の高さに応じた順バイアス電圧が印加されると、還流ダイオード100は導通状態となる。このとき、還流ダイオード100に流れる電流は、ドリフト領域2中をほぼ裏面電極4側から供給される電子電流のみで構成されており、ユニポーラ動作をする。また、図5及び図6に示す半導体スナバ200においても、還流ダイオード100と同様に、高電圧の逆バイアス状態から低電圧の順バイアス状態に移行するため、誘電領域12に充電されていた電荷は放電され、過渡電流が流れる。しかしながら本実施形態では、誘電領域12のキャパシタ容量が還流ダイオード100の遮断時に形成される空乏容量と同程度と非常に小容量であるため、放電によって流れる過渡電流の大きさは、並列する還流ダイオード100に流れる順バイアス電流に比べて非常に小さく、動作にはほとんど影響しない。そして、半導体スナバ200は、バイアス電圧の変化に伴う過渡電流が流れた後は、順バイアス状態と定常状態に移行するため遮断状態となり、還流ダイオード100のみが導通状態となる。このとき本実施形態においては、還流ダイオード100が炭化珪素材料の半導体基体からなるショットキーバリアダイオードで構成されているため、一般的なシリコン材料からなるPN接合ダイオードに比べて、ドリフト領域2の抵抗をより低抵抗で形成することができ、導通損失を低減することができる。
次に、スイッチング素子Dがターンオンし、スイッチング素子Dがオン状態に移行するのに連動して、受動素子Aは逆バイアス状態となり遮断状態に移行する。図4に示すように、ショットキーバリアダイオードからなる流ダイオード100においては、裏面電極4側からドリフト領域2中に供給されていた電子電流は順バイアス電圧の低下と共に減少する。そして、順バイアス電圧がショットキー接合部のショットキー障壁高さに応じた電圧以下になり、さらには、ショットキー接合部に逆バイアス電圧が印加されはじめると、ドリフト領域2中には表面電極3とのショットキー接合部から伸びた空乏層が広がり遮断状態へと移行する。
この導通状態から遮断状態に移行する際に、還流ダイオード100の素子内部に蓄積されていた過剰キャリアが消滅する過程において、過渡的に発生する電流が逆回復電流である。この逆回復電流は、受動素子A並びにスイッチング素子Dに過渡電流として流れ、それぞれの素子において損失(ここでは逆回復損失と呼ぶ)が発生する。このことから、還流ダイオード100で発生する逆回復電流は極力小さいほうが良い。
本実施形態では、還流ダイオード100を炭化珪素からなる半導体材料で形成したユニポーラ動作のショットキーバリアダイオードで形成しており、一般的なシリコンで形成されたPN接合ダイオードに比べるとこの逆回復電流は格段に小さい。つまり、逆回復損失を大幅に低減することができる。
この逆回復損失の違いは、両者の遮断・導通のメカニズムの違いで説明することができる。
まず、一般的なシリコンで形成されたPN接合ダイオードは、順バイアス導通時には少数キャリア注入によるドリフト領域の伝導度変調効果があるため、導通損失を極力低減しつつ耐圧を確保するため、ドリフト領域の厚みを小さく、かつ、不純物濃度を低く形成するのが一般的である。そして、600VクラスのPN接合ダイオードを実現しようとすると、低不純物濃度の実現性の制限から、ドリフト領域の不純物密度が1014cm-3程度とした場合、厚みが50μm程度と比較的ドリフト領域の厚い基板を使用する必要がある。導通時にはバイポーラ動作の伝導度変調効果によって、流れる電流の大きさに応じて、少数キャリアと多数キャリアがほぼ同等の濃度になるようにドリフト領域に注入されるため、低抵抗を得ることができる。例えば数100A/cm2程度の順バイアス電流が流れた場合、多数キャリア(電子)及び少数キャリア(ホール)の濃度が共に1017cm-3台となる程度までキャリアが注入され、それらが過剰キャリアとなって動作する。
一方、ショットキーバリアダイオードについては、導通時に流れる電流が多数キャリアである電子のみで構成されるため、遮断状態に移行する際に発生する過剰なキャリアの量自体が、ほぼ還流ダイオード100に空乏層が形成される際に空乏層中から排出されるキャリアの量のみしか発生しない。つまり、600Vクラスとして不純物密度が1016cm-3、厚みが5μmのドリフト領域2が全域空乏化した場合にも、上記PN接合ダイオードと単純に比較して、キャリア密度が10分の1、キャリアの分布しているドリフト領域の厚みが10分の1となるため、トータルで100分の1程度の過剰キャリアしか発生しない。このことから、還流ダイオード100をユニポーラ動作をする素子で形成することで、逆回復電流を大幅に低減し、その結果、逆回復損失を大幅に低減することができる。
本実施形態においては、受動素子Aがショットキーバリアダイオードのみで構成されている場合では本質的に解決できなかったユニポーラ動作ならではの逆回復動作時の電流・電圧の振動現象を抑制する機能を有する。
この振動現象自体は、還流ダイオードが組み込まれたインバータ等の電力変換装置の回路中に生じる寄生インダクタンスLsと、還流ダイオードの逆回復動作時の逆回復電流Irの遮断速度(dIr/dt)の相互作用によってサージ電圧Vsが生じ、これを起点として発生することが一般的に知られている。この電流・電圧の振動現象は、サージ電圧による素子の破壊、振動動作中の損失の増大、周辺の回路の誤動作などを引き起こすことから、安定動作の阻害要因となるため、抑制することが求められる。このため、振動現象を低減するためには、逆回復動作時の電流の遮断速度(dIr/dt)を緩和することと、さらには振動している電流をいち早く減衰し振動を収束させる機構が必要となる。
しかしながら、従来のユニポーラ動作をするショットキーバリアダイオードのみでは、逆回復電流Irの成分が多数キャリアで構成されているため、過剰キャリアによる逆回復電流Irは大きく減るものの、空乏層の形成速度でほぼ決まる逆回復時間tがほとんど制御できないことから、電流・電圧に振動現象が生じやすく、その振動も容易に減衰しない。その理由として大きく2つ挙げられる。
第1の理由は、ショットキーバリアダイオードでは、遮断状態から導通状態に注入される過剰キャリアの量が、遮断時にドリフト領域中に形成される空乏領域を補充する多数キャリアのみで構成されている点である。つまり、ショットキーバリアダイオードの逆回復電流の遮断速度(dIr/dt)はほとんど空乏領域の形成速度にのみ依存し、かつ、少数キャリアがほとんど存在しないためPN接合ダイオードのようなライフタイム制御法をそのまま用いることはできない。このため、ショットキーバリアダイオードのみを用いる場合、スイッチング素子のスイッチング速度を向上し過渡損失を低減しようとすると、より激しい振動現象が発生することから、過渡損失の低減と振動現象の抑制にはトレードオフの関係があった。
第2の理由は、ショットキーバリアダイオードは導通時にほぼ多数キャリアのみで動作するため、導通時も遮断直前においても、素子内部の抵抗はドリフト領域の厚み並びに不純物濃度に準じた抵抗で変わらない点である。上述したように、PN接合ダイオードは、導通時は伝導度変調効果によって低抵抗になるものの、伝導度変調が解除される逆回復動作時にはドリフト領域は高抵抗となり、逆回復電流Irを抵抗制限する機構を有している。それに対して、ショットキーバリアダイオードは、それ自体の抵抗成分としては導通時も遮断直前においても低抵抗であり、逆回復電流Irを抵抗制限する機構を有していない。そのため、電流・電圧に振動現象が生じやすく、その振動も容易に減衰しないのである。さらに、半導体材料として炭化珪素などワイドバンドギャップ半導体を用いていることで、素子自体の抵抗が小さいため導通損失を低減できる反面、振動現象がより起きやすくなっている。このことから、ショットキーバリアダイオードのみを用いる場合、導通時の損失と振動現象の抑制機構にトレードオフの関係がある。
これに対して、本実施形態においては、還流ダイオード100と半導体スナバ200を並列接続する簡便な構成により、過渡損失並びに導通損失を低減しつつ、かつ、振動現象を抑制することができる。
すなわち、第1実施形態においては、還流ダイオード100において、順バイアス電流が減少し、順バイアス電流がゼロになると、ドリフト領域2中に逆バイアス電圧による空乏層が形成され、過剰キャリアで構成される逆回復電流が流れ始める。その逆バイアス電圧が印加されるのとほぼ同時に、半導体スナバ200中の誘電領域12からなるキャパシタ210にも同等の逆バイアス電圧が印加され、半導体スナバ200中にも相応の過渡電流が流れ始める。この半導体スナバ200に流れる過渡電流は、誘電領域12からなるキャパシタ210の大きさと導電層17の抵抗220の抵抗値Rの大きさで決まり、自由に設計することができる。この並列に接続された半導体スナバ200の効果は3つある。
第1の効果は、半導体スナバ200は電圧の過渡変動がないと動作しないため、スイッチング素子Dのスイッチング速度には影響を与えず、スイッチング速度に依存する損失は従来と同様に低く抑えることができることである。つまり、還流ダイオード100に流れる順バイアス電流の遮断速度を高速に設定することができるため、メイン電流の遮断に伴う損失を低減できる。
第2の効果は、還流ダイオード100が逆回復動作に入ったときに、還流ダイオード100に並列接続された半導体スナバ200のキャパシタ成分並びに抵抗成分が作動し、逆回復電流の遮断速度(dIr/dt)を緩和することができ、サージ電圧そのものを低減できることである。
第3の効果は、半導体スナバ200に流れた電流を導電層17の抵抗220で電力消費するため、寄生インダクタンスLsで生じたエネルギーを吸収し、振動現象を素早く収束することができることである。
このように、第1実施形態による半導体装置10では、還流ダイオード100が有する過渡損失ならびに導通損失を低減する性能を有すると同時に、ユニポーラ動作ならではの本質的な振動現象を、半導体スナバ200を用いることで解決することができる。
一般に、RCスナバ構成は回路として見れば従来から知られた回路であるが、スナバ回路を半導体基体上に形成する半導体スナバ200は、ユニポーラ動作もしくはユニポーラ動作と同等の動作を有する還流ダイオード100と組み合わせることで、初めてスナバ回路として十分な機能を果たすことができる。つまり、インバータ等の電力変換装置に一般的に用いられてきたシリコンからなるPN接合ダイオードにおいては、電力容量の制限で半導体チップ上のスナバ回路は事実上困難であり、ディスクリート部品であるフィルムコンデンサなどからなるキャパシタとメタルクラッド抵抗などからなる抵抗を電力変換装置の半導体パッケージの内側もしくは外側のメイン電流が流れる経路に配置する必要があるためである。その理由として、スナバ回路が十分機能を果たすためには、逆回復電流の遮断速度(dIr/dt)を緩和するために、ダイオードに流れる逆回復電流と同程度の過渡電流が流れるような容量を持つキャパシタが必要であること、かつ、振動現象を減衰するために、そのキャパシタに流れる電流を電力消費可能な電力容量を有する抵抗が必要であること、が挙げられる。上述したように、PN接合ダイオードは還流する電流の大きさによって、逆回復電流の大きさが変化し、上記一例ではユニポーラ動作のショットキーバリアダイオードに比べて100倍もの逆回復電流が発生する。ダイオードに流れる電流密度がさらに大きくなる場合や、耐圧クラスが大きくなるほど、導通時に注入される過剰キャリアはさらに増大し、逆回復電流も大きくなる。そのため、キャパシタを半導体チップ上に形成しようとすると、厚みは必要耐圧で制限されることから、単純に計算して面積を100倍にする必要がある。また、抵抗220に関しても消費すべき電力が100倍となるため体積を100倍にする必要があり、結果としてチップサイズが100倍必要となる。このことから、従来の技術の延長では電力変換装置におけるスナバ回路を半導体チップで形成するという発想は事実上困難であった。
これに対して、本実施形態では、還流ダイオード100に流れる過渡電流が高々ドリフト領域2に空乏層が形成される際に発生するキャリアのみからなる過渡電流であることに着目し、その空乏層の容量に相応な小さな容量のキャパシタ210と、発生した小さな過渡電流を消費する小さな抵抗220を有する半導体スナバ200を並列接続している。さらに、本実施形態の構成により、過渡損失と導通損失を低減する性能と振動現象を抑制する上で、従来技術にはない新たな効果を得ることができる。
第1の効果は、ユニポーラ動作をする還流ダイオード100に所定のキャパシタ容量及び抵抗値を有する半導体スナバ200を一旦並列接続すると、その還流ダイオード100が動作する全電流範囲、全温度範囲において、スナバ機能が有効に働くということである。上述したように、ショットキーバリアダイオードの逆回復電流は、逆バイアス電圧によって空乏層が生じた際に発生する過剰キャリアのみで構成されているため、還流動作時に流れていた電流の大きさによらず、毎度ほぼ一定の逆回復電流が流れるためである。また同様の理由で、還流ダイオード100の動作温度にもほとんど影響を受けず、ほぼ一定の逆回復電流が流れるためである。このため、全ての電流範囲、温度範囲において、過渡損失を低減し、かつ振動現象を抑制して、振動現象の収縮時間を短縮することができる。これらは、一般的なPN接合ダイオードとの組み合わせでは得られない効果である。
第2の効果は、スナバ回路を半導体スナバ200で形成することで、図3に示すように還流ダイオード100の直近に低インダクタンスで実装することができ、さらに過渡損失を低減しかつ振動現象を抑制できる点である。これは、還流ダイオード100にスナバ回路を並列接続する際に生じる寄生インダクタンスが小さいほど、スナバ回路に流れる過渡電流が流れやすく、還流ダイオードに流れる逆回復電流の遮断速度(dIr/dt)を緩和しやすくなることと、スナバ回路中のキャパシタに印加される電圧に重畳される寄生インダクタンスで発生する逆起電力が小さいため、キャパシタの耐圧範囲でスイッチング時間を速くできることによる。このことから、本実施形態においては、従来のディスクリート部品であるフィルムコンデンサなどからなるキャパシタとメタルクラッド抵抗などからなる抵抗とを用いるスナバ回路の場合に比べて、寄生インダクタンスを低減することで、スイッチング時間を短縮し過渡損失を低減できるとともに、逆回復電流の遮断速度(dIr/dt)を適切に緩和し振動現象を抑制することができる。
また、スナバ回路を還流ダイオード100の直近に実装することは、不要なノイズ放射を低減することにもなる。例えば従来のディスクリート部品であるフィルムコンデンサなどからなるキャパシタとメタルクラッド抵抗などからなる抵抗とを用いるスナバ回路の場合では、還流ダイオード100で発生した振動電流はこれらの部品を通り、還流ダイオード100に戻る経路を通る。その際に抵抗により振動電流が抑制されていくが、それまでの間にこの電流経路が作る面が一種のループアンテナとして働き、ノイズを放射する。スナバ回路を半導体スナバ200で形成した場合には、還流ダイオード100の直近に実装していることから、振動電流の電流経路が作る面の大きさがディスクリート部品を用いた場合よりも格段に小さくなり、振動電流によるノイズ放射が低減される。これにより、ノイズによる制御回路等の誤動作を防ぐことができる。
さらに、本実施形態の構成では、ダイオードに流れる電流経路で発生する損失に比べて、スナバ回路では大幅に小さい損失しか発生しないため、従来ダイオードに流れる経路にしか設置できなかったスナバ回路を熱的な容量の小さいゲート駆動回路に設置することができるためである。このように例えばスナバ回路をゲート駆動回路に組み込むことで、電力変換装置として容易に小型化、低コスト化することができる。
さらに、本実施形態においては、スナバ回路を半導体スナバ200で形成することで、還流ダイオード100と同様の実装工程を用いて電力変換装置を構成することができるため、簡便でかつ容易に振動現象を抑制することができるとともに、従来技術のスナバ回路に比べて必要な体積も大幅に低減できる。
また、半導体スナバ200の抵抗220を半導体基体で形成し図3に示すような半導体パッケージに直接実装することができるため、高い放熱性を得ることができる。そのため、外付けの抵抗等に比べて、より高密度の抵抗設計が可能となる。つまり、破壊に対する耐性が高くより小型化が実現可能である。
また、上述したように、還流ダイオード100を炭化珪素からなるショットキーバリアダイオードで構成することで、本発明の効果を最大限に引き出すことができる。つまり、所定の耐圧を得るために、ワイドバンドギャップにより空乏層の厚みを小さくできるほど、還流ダイオード100自体の抵抗が小さく低導通損失を低減できるのであるが、その反面、逆回復電流の遮断速度(dIr/dt)が高くなり、かつ振動エネルギーが消費されないため、振動現象がより顕著となる性質を有しているからである。例えば、還流ダイオード100としてシリコンからなるショットキーバリアダイオードを用いた場合には、本発明の効果として一定レベルの効果は得られるものの、ドリフト領域2の不純物濃度や厚みの制限により、炭化珪素材料に比べてダイオード自体に大きな抵抗成分を有するため、ダイオード自体で振動エネルギーを消費し減衰しやすい。このことから、還流ダイオード100が炭化珪素などのワイドバンドギャップ半導体で構成することで、より顕著に導通損失の低減と振動現象の緩和を両立することができる。
なお、本実施形態においては、還流ダイオード100の半導体材料を炭化珪素とした場合で説明しているが、窒化ガリウムやダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体を用いても同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態においては、抵抗220の一部が、導電層17の膜厚方向の抵抗成分ではなく、層方向の抵抗成分で構成されている。ここで、半導体スナバ200の抵抗220に導電層17の層方向における抵抗成分を利用する利点としては、導電層17の膜厚を変えることなく抵抗220を制御できる点が挙げられる。
具体的には、抵抗220を大きくするために導電層17の膜厚を厚く形成しようとした場合、堆積時間の増大に伴い、プロセスコストが増加するが、層方向の抵抗成分を利用して抵抗220を大きくしようとする場合においては、層方向の距離のみで容易に制御が可能であるため、導電層17の膜厚を厚く形成する必要がない。そのため、プロセスコストの低減を図ることができるという効果がある。
(変形例)
以上、本実施形態の一例として図1〜図8を用いて説明してきたが、半導体スナバ200としては、図1で示す単純なRCスナバ回路以外にも、例えば図9に示すように、抵抗220に並列に接続するようにダイオード230を有する構成であっても良い。これは、キャパシタ210と抵抗220を少なくとも有するように構成された半導体スナバ200であれば、上記と同様の効果を得ることができるためである。
また、実装形態の一例として示した図3のセラミック基板を用いた半導体パッケージ以外にも、例えば図10に示すように、金属基材420を支持基材及びカソード端子とし、アノード端子340とモールド樹脂510からなるような所謂モールドパッケージ型の実装形態を用いても良し、他の実装形態をとっていても良い。また、本実施形態においては、還流ダイオード100と半導体スナバ200がそれぞれ1チップずつの場合を示しているが、一方もしくは両方が複数のチップで構成されていてももちろん良い。また、図3及び図10はカソード端子側の裏面電極4及び14のみを半田等で実装し、アノード端子側は金属配線320、330を配線する場合を一例として挙げているが、カソード端子及びアノード端子の両面を半田等で実装する方式としても良い。両面を半田等で実装することで冷却性能が向上するため、還流ダイオード100の放熱性及び半導体スナバ200の抵抗220の放熱性が増すため、より高密度に実装することができる。
また、本実施形態を説明するに当たって、半導体スナバ200の構造の一例として図5及び図6を用いて説明していたが、図11〜図26に示すように、キャパシタ210(図11〜図14)並びに導電層17による抵抗220(図15〜図26)を別の構成で形成していてももちろん良い。
図11、図12は、図5、図6で示したシリコン酸化膜からなる誘電領域12の代わりに、例えばP型の反対導電型領域15を形成した場合を示している。上記図5、図6の場合には、還流ダイオード100が逆回復動作する際に印加される電圧を、誘電領域12のキャパシタ210に充電することで振動現象を抑制していたのに対し、図11、図12においては、P型の反対導電型領域15とN−型の基板領域11との間に形成される空乏層をキャパシタ210として使用する。空乏層をキャパシタ210の成分として用いる利点としては、シリコン酸化膜等の誘電領域12に比べると、過渡電流による劣化が比較的少ない点である。つまり、長期信頼性の点で有利である。また、N−型の基板領域11に空乏層を形成する他の構成として、図13、図14に示すように、基板領域11上に、基板領域11とショットキー接合を形成する金属材料からなるショットキー電極37を形成する方法も用いることができる。ショットキー接合以外にもヘテロ接合など、逆バイアス電圧が印加されると空乏層が形成される構成であれば、どのような構成でも同様の効果を得ることができる。
なお、図11〜図14の構成では、順バイアス時に順方向電流が流れることが懸念されるが、図11〜図14の基板領域11の抵抗値は還流ダイオード100のドリフト領域2の抵抗に比べて小さいことから、電流の大部分は低抵抗の還流ダイオード100に流れるため順バイアス時の導通損失にはほとんど影響しない。
なお、キャパシタ210の構成方法は、図5、図6、図11〜図14で説明したキャパシタ210の構成のみにとどまらず、これらの構成を組み合わせて構成してもかまわない。
いずれにしても、キャパシタ210の成分を抵抗220と直列接続するように形成されていれば、どのような領域で構成しても良い。
なお、導電層17は多結晶シリコン以外でも、どのような材料を用いても良く、シリコンよりも高い絶縁破壊電界を持つ材料などで構成しても良い。高い絶縁破壊電界を有する材料を用いると、逆回復時に導電層17の層方向の両端にサージ電圧が印加された場合における、導電層17の絶縁破壊をより効果的に回避することができる。
図15、図16は、図5、図6で説明した導電層17の層方向へ電流が流れる領域の断面積を狭く形成した半導体スナバ200を示している。この場合、断面積を狭くした分、同じ抵抗220を設計するにおいても、層方向の長さを短く設定することができる。
図17、図18は、図5、図6、図15、図16で説明した導電層17の層方向へ電流が流れる領域を絶縁層16の側壁部に沿うように形成した半導体スナバ200を示している。この場合、図5、図6、図15、図16と異なり、導電層17において電流が層方向に流れる領域は、低抵抗基板領域11に対して垂直方向になるため、層方向へ電流が流れる領域を形成しても、半導体スナバの面積は増大しないという利点がある。
なお、図17、図18においては、表面電極13は、導電層17の層方向の断面と接触するように形成されているが、図19、図20に示す半導体スナバ200のように、導電層17を絶縁層16の上部へも形成し、表面電極13を導電層17の表面で形成するようにしても良い。
図19、図20は、絶縁層16に複数形成した溝部35の側壁および底部に沿うように導電層17を形成し、図19および図20中に示すように導電層17を流れる電流経路が、溝部35の両側壁および底部に沿うように形成した半導体スナバ200を示している。このような構成にすると、図17、図18で説明した絶縁層16の側壁のみに導電層17を形成した場合よりも、側壁を形成する溝部35の深さを浅くすることができる。具体的には、同じ抵抗220を得るためには、溝部35がひとつの場合では図17、図18で説明した場合の1/2倍、溝部35がふたつの場合では、図17、図18で説明した場合の1/4にすることができる。このような場合、溝部を形成するのに必要な絶縁層16の厚さを薄くすることができるので、絶縁層16を形成する際の堆積時間を短縮することができ、プロセスを容易にすることができる。
なお、図19および図20においては、平坦なN+型の低抵抗基板領域11上に絶縁層16を形成し、絶縁層16の任意の位置に溝部35を形成しているが、図21に示すように、低抵抗基板領域11の所定位置に絶縁層16を埋め込み、その絶縁層16上に溝部35を形成してもかまわない。
図22、図23は、図5、図6、図15、図16で説明した導電層17の層方向へ電流が流れる領域の一部が、絶縁層16を介して、低抵抗基板領域11の垂直方向へ多層に形成されている半導体スナバ200を示している。尚、導電層17の各層の端部同士は、垂直方向に細く延びる導電層17によって接続されている。このような構成にすると、図5、図6で説明した場合よりも、層方向へ電流が流れる領域が形成される低抵抗基板領域11の面積を削減することができる。すなわち、低抵抗基板領域11の面積を縮小することができ、基板コストを削減することができる。具体的には、同じ抵抗220を得るために必要な層方向へ電流が流れる領域が形成される低抵抗基板領域11の面積は、二層の場合だと図5、図6で説明した場合における面積の約1/2倍、三層の場合だと、図5、図6で説明した場合の1/3にすることができる。
なお、図22、図23においては、導電層17が五層の場合を示しているが、図24に示す半導体スナバ200のように二層の場合でも良い。少なくとも絶縁膜を介して二層以上になっている導電層17が形成されていれば、層方向へ電流が流れる領域が形成される低抵抗基板領域11の面積削減の効果を得ることができる。
図25、図26は、絶縁層16上において、層方向へ電流が流れる電流経路の一部が蛇行するように形成されている半導体スナバ200を示している。
このような構成にした場合、図15、図16で説明した構造に対して、さらに層方向へ電流が流れる領域が形成される低抵抗基板領域11の面積を削減することができることに加えて、層方向へ電流が流れる電流経路を、低抵抗基板領域11の水平方向へ広範囲に形成することが可能なので、放熱効率の向上するという効果も併せ持っている。
図27、図28は、図15および図16で説明した導電層17上へ、導電層17を構成する多結晶シリコンより熱伝導率が高い放熱材料であるダイヤモンドからなる放熱領域36を形成した半導体スナバ200を示している。
このような構成にした場合、半導体スナバに振動電流が流れる際に、抵抗220、すなわち導電層17で発生する熱エネルギーをより効率よく放熱することができる。
より具体的に説明するために、導電層17に電流Iが流れた場合を想定する。
導電層17においては、導電層17の抵抗220に電流Iの二乗との積に相当する熱エネルギーが発生する。ここで、導電層17と接した放熱領域36は多結晶シリコンよりも熱伝導率が高いダイヤモンドからなるため、導電層17で発生した熱エネルギーは、導電層17から放熱領域36へと拡がる。すなわち、図27、図28の構造において、放熱領域36はヒートスプレッダとして機能する効果がある。
なお、放熱領域36を構成する熱伝導材料は、ダイヤモンド以外にも、炭化珪素や窒化アルミニウム、銀、銅、アルミニウムなどの多結晶シリコンより熱伝導率が高い熱伝導材料であればいずれを用いてもかまわないが、図27、図28に示す構成においては、導電層17に電流が流れる際に、導電層17により形成される抵抗220の値が設計値に対して変化しないように、放熱領域36には殆ど電流が流れないようになっていることが好ましい。
また、放熱領域36の表面積は、放熱領域36と導電層17とが接する領域の面積よりも大きい方が、ヒートスプレッダとしての機能をより効果的に用いることができる。
図29および図30は、図27および図28で説明した放熱領域36と導電層17との間に絶縁層16が挟まれている半導体スナバ200を示している。
このような構成にした場合、図27および図28で説明した効果に加えて、放熱領域36と導電層17とは絶縁層16によって絶縁されているため、導電層17に電流が流れる際に、放熱領域36には殆ど電流が流れない。そのため、設計精度の高い抵抗220を有する半導体スナバを実現することができる。
以上、本実施形態においては、半導体スナバ200の支持基体としてシリコンからなる半導体材料を用いた場合を一例としてあげたが、例えば窒化シリコンや窒化アルミやアルミナなどの絶縁基板材料を基板領域としていてももちろん良い。図31は一例として窒化シリコンからなる絶縁基板18上に誘電領域12および絶縁層16、導電層17を形成した場合を示している。このように、基板材料がシリコン等の半導体基体からならなくても、図3に示すようにチップ材料として半導体チップと同等に扱えて実装できる構成であればどのような構成でも良い。また、図31においては、絶縁基板18と誘電領域12とが接する場合を示しているが、それらの間に金属膜や半田等の接合材料が形成されていても良い。
また、スナバ回路を半導体チップ上に形成した場合を説明してきたが、本発明の最低限度の特徴を得るためには、スナバ回路の形成場所は特に限定されない。例えば図7に示すような電力変換装置において、ユニポーラ動作もしくはユニポーラ動作と同等の動作をする還流ダイオードと並列接続されるように、少なくともキャパシタ容量並びに抵抗からなるスナバ装置とが構成されていれば、スナバ装置の形状・構成・接続方法はどのようなものでも良い。
例えば、還流ダイオード100に対して外付けのキャパシタ210と抵抗220で構成されたスナバ回路を形成していても良いし、例えば図7に示すような回路構成にて、スイッチング素子Dの駆動端子につながっているゲート駆動回路中にスナバ回路を形成しても良い。
また、図32および図33はスナバ回路に用いるキャパシタ210の容量Cの大きさによって、振動現象の抑制効果との関係とキャパシタ210に流れる過渡電流による損失の増加しろとの関係について回路シミュレータを用いて計算した結果である。スナバ回路の振動低減は、回路中の寄生インダクタンスLsと還流ダイオード100のキャパシタ容量C0と還流ダイオード100に並列接続されたスナバ回路のキャパシタ210の容量Cと抵抗220の抵抗値Rとで構成された簡単な回路で計算できる。本計算では、スナバ回路中の寄生インダクタンスをLs=99nH、抵抗220の抵抗値=40Ωに固定して、C/C0の大きさによって、振動現象の減衰時間やスナバ回路で発生する過渡損失の増加しろの変化を検証した。なお、還流ダイオードのキャパシタ容量C0は例えば150pFとした。まず、C/C0が大きくなるほど、振動現象の減衰時間は小さくなる。図33の左側の軸は、スナバ回路がない場合において電圧もしくは電流振動が1/10に減衰するまでの時間をt0とし、スナバ回路を追加した際にスナバ回路がない場合と同等の振動となるまでの時間をtとした場合の振動現象収束時間比t/t0を示している。図32から、C/C0の値が0.1前後から振動現象の減衰効果が顕著になっている。一方、C/C0が10を超える辺りから振動現象の収束時間比の値が飽和傾向になる。また、図33の右軸に示すように、スナバ回路に形成するキャパシタ210の容量Cによって、過渡動作時にはキャパシタ210の容量Cの大きさに比例する過渡電流による損失Eが発生するため、キャパシタ210の容量Cの大きさは極力小さいほうが望ましい。なお、E0は還流ダイオードに流れる過渡電流で発生する損失である。
このことから、本実施形態で用いるスナバ回路のキャパシタ容量Cの大きさは還流ダイオード100の遮断状態におけるキャパシタ容量C0の大きさに比べて、1/10倍以上10倍以下の範囲で容量を選択することで、損失の増加を抑えつつ、より顕著に振動現象を低減することができる。この効果は、上記実施形態で説明したどの実施例においても得ることができる。
(第2実施形態)
図34〜図36及び図4、図5、図6を用いて、本発明における半導体装置10の第2実施形態を説明する。本実施形態においては、第1実施形態と同様の動作をする部分の説明は省略し、異なる特徴ついて詳しく説明する。
図34は、図1に対応する第2実施形態を説明する回路図である。図35は、図3に対応する図34の回路図の一例として具体化した半導体チップの実装図である。図36は、図35の実装図に用いられているスイッチング素子の断面構造図である。
(半導体装置の回路構成)
図34に示すように、本実施形態における半導体装置10は、第1実施形態で説明したユニポーラ動作もしくはユニポーラ動作と同等の動作をする還流ダイオード100と、キャパシタ210と抵抗220を含むように構成された半導体スナバ200と、スイッチング素子600とを備えている。還流ダイオード100と、半導体スナバ200と、スイッチング素子600は、それぞれエミッタ端子301並びにコレクタ端子401に接続するように、並列接続されている。
本実施形態では、還流ダイオード100と半導体スナバ200とスイッチング素子600とが別の半導体チップとして形成した場合について説明する。半導体スナバ200の構成並びに還流ダイオード100の構成は、第1実施形態と同じ構成とした場合について説明する。スイッチング素子600に関しては、シリコンを半導体基体材料としたIGBTを使用した場合について説明する。なお、本実施形態では、エミッタ端子301とコレクタ端子401が互いに対面するように電極形成された、いわゆる縦型のIGBTを一例として説明する。
(半導体装置の実装構造)
図35は、図34で示した還流ダイオード100と、半導体スナバ200と、スイッチング素子600とを有する半導体装置10についての具体的な実装図である。
図35においては、図3と同様に半導体パッケージの一例としてセラミック基板を用いた場合について説明する。カソード側金属膜410上には、還流ダイオード100、半導体スナバ200、さらにはスイッチング素子600のそれぞれの半導体チップのコレクタ端子401側が、半田やろう材等の接合材料を介して接するように配置されている。そして、還流ダイオード100、半導体スナバ200及びスイッチング素子600のそれぞれの半導体チップのエミッタ端子301側は、アルミワイヤやアルミリボンなどの金属配線320、330、350を介して、共にアノード側金属膜310に接続された構成となっている。さらに、本実施形態においては、スイッチング素子600のゲート端子から金属配線710を介して、ゲート側金属膜700に接続された構成となっている。
スイッチング素子600、還流ダイオード100および半導体スナバ200を構成するそれぞれの半導体チップを示したのが、それぞれ図36、図4、図5、図6に示す斜投影図及び断面構造図である。
(スイッチング素子の構造)
図36に示すように、スイッチング素子600は、IGBTの構成を有する。シリコンを材料としたP+型の基板領域21上に、N型のバッファ領域22を介して、N−型のドリフト領域23が形成された基板材料を用いたスイッチング素子600で説明する。基板領域21としては、抵抗率が数mΩcmから数10mΩcm、厚さが数μm〜数100μm程度のものを用いることができる。ドリフト領域23としては、N型の不純物密度が1013cm-3〜1016cm-3、厚みが数10μm〜数100μmのものを用いることができる。なお、素子構造や所要の耐圧により、抵抗率や不純物密度および厚みが前記範囲外となってももちろん良いが、一般に抵抗率及び厚みは小さいほうが導通時の損失を低減できるため、可能な限り抵抗が小さくなるようにするのが望ましい。本実施形態では、不純物密度が1014cm-3、厚みが50μmで耐圧が600Vクラスのものを用いた場合で説明する。バッファ領域22はドリフト領域23に高電界が印加された際に、基板領域21とパンチスルーするのを防止するために形成される。本実施形態では、基板領域21を支持基材とした場合を説明しているが、バッファ領域22やドリフト領域23を支持基材としても良い。バッファ領域22は基板領域と21とドリフト領域23とがパンチスルーしない構造であれば、特になくても良い。
ドリフト領域23中の表層部にP型のウェル領域24が、さらに、ウェル領域24中の表層部にN+型エミッタ領域25が形成されている。そして、ドリフト領域23、ウェル領域24及びエミッタ領域25の表層部に接するように、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜26を介して、N型の多結晶シリコンからなるゲート電極27が配設されている。さらに、エミッタ領域25並びにウェル領域24に接するようにアルミ材料からなるエミッタ電極28が形成されている。エミッタ電極28とゲート電極27との間には互いに接しないように、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜29が形成されている。また、基板領域21にオーミック接続するようにコレクタ電極30が形成されている。このように、本説明で用いるIGBTはゲート電極27が半導体基体に対して平面上に形成されている所謂プレーナ型をしている。
(還流ダイオードの構造)
図4に一例として示した還流ダイオード(ここではショットキーバリアダイオード)の構成は第1実施形態で説明したものと同様とする。
(半導体スナバの構造)
図5、図6に示す半導体スナバ200については、基本的な構成は第1実施形態と同様とするものの、スナバ機能を効果的に発揮するためには、新たに並列接続されたスイッチング素子600を考慮したキャパシタ210の設定と基板領域11による抵抗220の設定が望ましい。ただし後述するように、還流ダイオード100に逆回復電流が流れる場合においては、並列されたスイッチング素子600は必ず遮断状態にあるため、半導体スナバ200のキャパシタ210及び抵抗220の設定は、第1実施形態で説明した場合と同じように、還流ダイオード100とスイッチング素子の遮断時の空乏容量に応じた設定で対応可能である。つまり、基板領域11は必要な抵抗値の大きさに応じて、基板の抵抗率や厚みとすることができ、抵抗率が数mΩcm〜数100Ωcm、厚さが数10μm〜数100μm程度のものを用いることで対応可能である。また、キャパシタ210の容量Cについても、必要耐圧を最低限満たすようにして、必要な容量Cが得られるように、誘電領域12の厚みや面積を変えることで対応可能である。本実施形態においては、還流ダイオード100並びにスイッチング素子600が遮断状態時(高電圧印加時)にそれぞれ充電される空乏容量の和に対して、100分の1程度から100倍ぐらいの範囲で選ぶことができるが、十分なスナバ機能を発揮し、かつ損失の増加を極力抑え、必要となるチップ面積を考慮すると、後述する計算結果が示すように、概ね10分の1程度から10倍程度の範囲が望ましい。本実施形態においては、還流ダイオード100及びスイッチング素子600の耐圧よりも高くなるように、厚みは1μmとし、キャパシタ210の容量Cが還流ダイオード100及びスイッチング素子600の遮断状態時に形成される空乏容量の和と同程度としたものを用いた場合で説明する。
スイッチング素子600が並列に接続された本実施形態においても、還流ダイオード100としてショットキーバリアダイオードを用いた場合に、ユニポーラ動作によって電流・電圧の振動現象が発生する。従来では、バイポーラ動作のダイオードの振動低減用のスナバ回路として用いられるメイン電流が流れる経路にフィルムコンデンサやメタルクラッド抵抗など外付けのディスクリート部品を配線する技術が用いていた。本実施形態では、小容量で小サイズのキャパシタ210と抵抗220を有する半導体スナバ200を還流ダイオード100に並列接続することで、容易にかつ効果的に振動現象を抑制できる。また、効果的にスナバ機能を発揮する設計式として、C=1/(2πfR)が一般的に知られており(fは振動現象の周波数)、本実施形態においては、その式を満たすように、小容量の半導体スナバ200を用いたキャパシタ210と抵抗220を容易に設定することができる。
(動作)
次に、本実施形態の動作について詳しく説明する。
本実施形態で説明する半導体装置10の構成は、電力エネルギーの変換手段の1つとして一般的な図37に示すような3相交流モータを動かす所謂インバータや、図38に示すような所謂Hブリッジなどの電力変換装置に用いることができる。図37に示すインバータにおいては、電源電圧(+V)(例えば本実施形態では400V)に対して、上アームを形成する並列接続されたスイッチング素子Eと受動素子Bと、下アームを形成する並列接続されたスイッチング素子Gと受動素子Fとを、逆バイアス接続になるように直列に接続して使用される。この接続が3相分接続され、3相インバータを構成する。本発明の半導体装置10の動作モードは、上アームもしくは下アームのどちらかのスイッチング素子がスイッチング動作した場合に、スイッチング動作していないアームのスイッチング素子及び受動素子が連動して、電流を遮断する遮断状態から電流を還流する導通状態へ、そして導通状態から遮断状態へと動作する。ここでは、図37中の3相のうちの1相の動作を用いて半導体装置10の動作を説明することとし、さらに、一例として下アームのスイッチング素子Gがスイッチング動作をし、上アームのスイッチング素子Eと受動素子Bとが還流動作をする場合について説明する。
まず、スイッチング素子Gがオンし、スイッチング素子Gに電流が流れている状態においては、上アームのスイッチング素子Eと受動素子Bは逆バイアス状態となり遮断状態になる。
まず、下アームの導通状態にあるスイッチング素子Gに並列に接続されている受動素子Fにおいては、還流ダイオード100及び半導体スナバ200は遮断状態を維持する。すなわち、還流ダイオード100であるショットキーバリアダイオード(図4)については、その両端に印加されている電圧がスイッチング素子Gのオン電圧程度と低いものの逆バイアス電圧が印加されるためである。また、図5、図6に示す半導体スナバ200においては、キャパシタ210として機能する誘電領域12が電圧が変化するときのみ動作するため、スイッチング素子Gのオン電圧程度の電圧が定常状態で印加された状態では遮断状態となる。
一方、上アームのスイッチング素子Eと受動素子Bについても、電源電圧程度の逆バイアス電圧が共に印加されているため、遮断状態を維持する。すなわち、図36に示すスイッチング素子600であるIGBTについては、エミッタ端子301とコレクタ端子401間に逆バイアス電圧が印加されるため、ドリフト領域23中にはウェル領域24とのPN接合部から伸びた空乏層が形成され遮断状態が維持されるためである。また、図4に示す還流ダイオード100であるショットキーバリアダイオードにおいては、表面電極3と裏面電極4間に逆バイアス電圧が印加されるため、ドリフト領域2中には表面電極3とのショットキー接合部から伸びた空乏層が生じ遮断状態が維持される。また、図5、図6に示す半導体スナバ200においても、キャパシタ210として機能する誘電領域12が高電圧により充電された状態になり、遮断状態を維持する。
このように、下アームのスイッチング素子Gが導通状態の時には、上下アーム共に受動素子がショットキーバリアダイオードのみで構成されている従来技術と同様の機能を有する。
次に、下アームのスイッチング素子Gがターンオフして遮断状態に移行する場合について説明する。
図37に示すようなモータ用インバータ回路(L負荷回路)では、スイッチング素子Gがターンオフする際には、電圧上昇と電流遮断の位相がずれるため、導通時の電流をほぼ維持した状態で、まずスイッチング素子Gの電圧上昇が起こる。
まず、下アームのターンオフするスイッチング素子Gに並列に接続されている受動素子Fについては、還流ダイオード100及び半導体スナバ200共に、スイッチング素子Gの電圧上昇に伴って、オン電圧程度の低い逆バイアス電圧から電源電圧程度の高電圧の逆バイアス電圧へと変化するため、その電圧変化の速度に応じた過渡電流が流れる。すなわち、図4に示す還流ダイオード100においては、電圧の上昇に伴ってドリフト領域2中に表面電極3側から空乏層が広がる際に、電子が裏面電極4側に過渡電流として流れる。また、図5、図6に示す半導体スナバ200においては、キャパシタ容量として働く誘電領域12が印加電圧に応じて充電されるため過渡電流が流れる。このとき、半導体スナバ200の誘電領域12のキャパシタ容量の充電作用によって、スイッチング素子Gのコレクタ/エミッタ間に生じる過渡的な電圧上昇を緩和し、回路中に含まれる寄生インダクタンスによるサージ電圧の発生を抑制することができる。つまり、本実施形態においては、スイッチング素子600とも並列接続することで、スイッチング素子600自体がターンオフ動作をする際にも、素子破壊や他の周辺回路への誤動作等を引き起こすサージ電圧を低減し、より安定動作を実現することができる。
そして、スイッチング素子Gの電圧上昇後、電流は所定の速度で遮断する。このとき、本実施形態で一例として挙げたIGBTでは、導通時に基板領域21から注入されたホール電流の影響で電流の遮断速度は制限され損失は生じるものの、電流遮断による振動現象は起こりにくく、結果として安定動作に寄与している。そして、スイッチング素子600の電流が遮断した後は、下アームのスイッチング素子G及び受動素子Fは定常オフ状態となり、遮断状態を維持する。
一方、上アームのスイッチング素子Eと並列に接続されている受動素子Bは、下アームのスイッチング素子Gのターンオフ動作に連動して、順バイアス状態となり導通状態に移行する。図4に示す還流ダイオード100のドリフト領域2中に広がっていた空乏層が後退し、表面電極3とドリフト領域2との間に形成されているショットキー接合部にショットキー障壁高さに応じた順バイアス電圧が印加されると、還流ダイオード100は導通状態となる。このとき、還流ダイオード100に流れる電流は、ドリフト領域2中をほぼ裏面電極4側から供給される電子電流のみで構成されており、ユニポーラ動作をする。
また、図5、図6に示す半導体スナバ200においても、還流ダイオード100と同様に、高電圧の逆バイアス状態から低電圧の順バイアス状態に移行するため、誘電領域12に充電されていた電荷は放電され、過渡電流が流れる。しかしながら本実施形態では、誘電領域12のキャパシタ210の容量Cが還流ダイオード100及びスイッチング素子600の遮断時に形成される空乏容量と同程度と非常に小容量である。これにより、放電によって流れる過渡電流の大きさは、並列する還流ダイオード100に流れる順バイアス電流に比べて非常に小さく、動作にはほとんど影響しない。また、並列接続されているスイッチング素子Eについても、コレクタ/エミッタ間の電圧は逆バイアス電圧状態から順バイアス状態に移行するものの、ゲート信号はオフ状態を維持するように制御されることと、基板領域21とバッファ領域22との間のPN接合が逆バイアス状態となるためオフ状態を維持する。ただし、コレクタ/エミッタ間の電圧状態が変位するため、スイッチング素子600中のドリフト領域23中に生じていた空乏層の容量変化に伴うキャパシタ210としての放電による過渡電流は流れるが、半導体スナバ200と同様に、並列する還流ダイオード100に流れる順バイアス電流に比べて非常に小さく、動作にはほとんど影響しない。そして、半導体スナバ200およびスイッチング素子600は、バイアス電圧の変化に伴う過渡電流が流れた後は、順バイアス状態と定常状態に移行するため遮断状態となり、還流ダイオード100のみが導通状態となる。
本実施形態においては、還流ダイオード100が炭化珪素材料の半導体基体からなるショットキーバリアダイオードで構成されているため、一般的なシリコン材料からなるPN接合ダイオードに比べて、ドリフト領域2の抵抗を低抵抗で形成することができるため、順バイアス導通時の導通損失を低減することができる。
次に、下アームのスイッチング素子Gがターンオンし、再びスイッチング素子Gがオン状態に移行する動作について説明する。
図37に示すようなモータ用インバータ回路(L負荷回路)では、スイッチング素子Gがターンオンする際には、電流上昇と電圧低下の位相がずれる。このため、比較的高い電圧が印加された状態で、スイッチング素子Gに電流が流れ始める。下アームのターンオフするスイッチング素子Gに並列に接続されている受動素子Fについては、還流ダイオード100及び半導体スナバ200共に、スイッチング素子Gに電流が流れ、コレクタ/エミッタ間の電圧が低下するのに伴って、電源電圧程度の高電圧の逆バイアス電圧からオン電圧程度の低い逆バイアス電圧へと変化するため、その電圧変化の速度に応じた過渡電流が流れる。このとき、図4に示す還流ダイオード100においては、電圧の減少に伴ってドリフト領域2中に広がっていた空乏層は表面電極3側に徐々に狭まり、裏面電極4側からドリフト領域2中に電子が過渡電流として流れる。また、図5、図6に示す半導体スナバ200においては、キャパシタ容量として働く誘電領域12が印加電圧の減少と共に放電されるため過渡電流が流れる。
この過渡電流は、並列するスイッチング素子600に流れるターンオン電流と比べるとほとんど影響がない大きさである。このように、下アームの半導体スナバ200及び還流ダイオード100は過渡電流が流れた後は定常状態に移行し電流は遮断されるため、スイッチング素子600のみが導通状態となる。
一方、上アームのスイッチング素子Eと並列に接続されている受動素子Bは、下アームのスイッチング素子Gのターンオン動作に連動して、逆バイアス状態となり遮断状態に移行する。図4に示すように、ショットキーバリアダイオードにおいては、裏面電極4側からドリフト領域2中に供給されていた電子電流は順バイアス電圧の低下と共に減少する。そして、順バイアス電圧がショットキー接合部のショットキー障壁高さに応じた電圧以下になり、さらには、ショットキー接合部に逆バイアス電圧が印加されはじめると、ドリフト領域2中には表面電極3とのショットキー接合部から伸びた空乏層が広がり遮断状態へと移行する。
この導通状態から遮断状態に移行する際に、還流ダイオードの素子内部に蓄積されていた過剰キャリアが消滅する過程において、過渡的に発生する電流が逆回復電流である。この逆回復電流は、受動素子B並びに下アームのスイッチング素子Gに過渡電流として流れ、それぞれの素子において損失(ここでは逆回復損失と呼ぶ)が発生する。このことから、還流ダイオードで発生する逆回復電流は極力小さいほうが良い。
本実施形態では、還流ダイオード100を炭化珪素からなる半導体材料で形成したユニポーラ動作のショットキーバリアダイオードで形成しており、一般的なシリコンで形成されたPN接合ダイオードに比べると、この逆回復電流は格段に小さい。つまり、逆回復損失を大幅に低減することができる。
さらに、本実施形態においては、従来技術である受動素子がショットキーバリアダイオードのみで構成されている場合では本質的に解決できなかったユニポーラ動作ならではの逆回復動作時の電流・電圧の振動現象を抑制する機能を有する。すなわち、本実施形態においては、還流ダイオード100において、順バイアス電流が減少し、順バイアス電流がゼロになると、ドリフト領域2中に逆バイアス電圧による空乏層が形成され、過剰キャリアで構成される逆回復電流が流れ始める。その逆バイアス電圧が印加されるのとほぼ同時に、スイッチング素子600および半導体スナバ200中の誘電領域12からなるキャパシタ210にも同等の逆バイアス電圧が印加され、スイッチング素子600及び半導体スナバ200中にも相応の過渡電流が流れ始める。この半導体スナバ200に流れる過渡電流は、誘電領域12からなるキャパシタ210の大きさと基板領域11の抵抗220成分の大きさで決まり、自由に設計することができる。この並列に接続された半導体スナバ200の効果は3つある。
第1の効果は、半導体スナバ200は電圧の過渡変動がないと動作しないため、下アームのスイッチング素子Gのスイッチング速度には影響を与えず、スイッチング速度に依存する損失は従来と同様に低く抑えることができることである。つまり、還流ダイオード100に流れる順バイアス電流の遮断速度を高速に設定することができるため、メイン電流の遮断に伴う損失を低減できる。
第2の効果は、還流ダイオード100が逆回復動作に入ったときに、還流ダイオード100に並列接続された半導体スナバ200のキャパシタ210並びに抵抗220が作動し、逆回復電流の遮断速度(dIr/dt)を緩和することができ、サージ電圧そのものを低減できることである。
第3の効果は、半導体スナバ200に流れた電流を基板領域11の抵抗成分で電力消費するため、寄生インダクタンスLsで生じたエネルギーを吸収し、振動現象を素早く収束することができることである。
このように、本発明においては、還流ダイオード100が有する過渡損失ならびに導通損失を低減する性能を有すると同時に、ユニポーラ動作ならではの本質的な振動現象を半導体スナバ200を用いることで解決することができる。
本発明においては、還流ダイオード100及びスイッチング素子600に流れる過渡電流が高々ドリフト領域2及び23に空乏層が形成される際に発生するキャリアのみからなる過渡電流であることに着目し、スナバ回路を小容量の半導体スナバ200で形成しているところが従来技術と異なる点である。さらに、本発明の構成により、過渡損失と導通損失を低減する性能と振動現象を抑制する上で、従来技術にはない新たな効果を得ることができる。
第1の効果は、ユニポーラ動作をする還流ダイオード100及びスイッチング素子600に所定のキャパシタ容量及び抵抗値をもつ半導体スナバ200を一旦並列接続すると、その還流ダイオードが動作する全電流範囲、全温度範囲において、スナバ機能が有効に働くということである。上述したように、ショットキーバリアダイオードの逆回復時に発生する逆回復電流は、逆バイアス電圧によって還流ダイオード100及びスイッチング素子600に空乏層が生じた際に発生する過剰キャリアのみで構成されているため、還流動作時に流れていた電流の大きさによらず、毎度ほぼ一定の逆回復電流が流れるためである。また同様の理由で、還流ダイオードの動作温度にもほとんど影響を受けず、ほぼ一定の逆回復電流が流れるためである。このため、全ての電流範囲、温度範囲において、過渡損失を低減し、かつ振動現象を抑制することができる。これらは、一般的なPN接合ダイオードとの組み合わせでは得られない効果である。
第2の効果は、図35に示すようにスナバ回路を半導体スナバ200で形成することで、還流ダイオード100及びスイッチング素子600の直近に低インダクタンスで実装することができ、さらに過渡損失を低減しかつ振動現象を抑制できる点である。これは、還流ダイオード100及びスイッチング素子600にスナバ回路を並列接続する際に生じる寄生インダクタンスが小さいほど、スナバ回路に流れる過渡電流が流れやすく、還流ダイオード100に流れる逆回復電流の遮断速度(dIr/dt)を緩和しやすくなることと、スナバ回路中のキャパシタに印加される電圧に重畳される寄生インダクタンスで発生する逆起電力が小さいため、キャパシタの耐圧範囲でスイッチング時間を速くできることによる。このことから、本実施形態においては、従来のディスクリート部品であるフィルムコンデンサなどからなるキャパシタとメタルクラッド抵抗などからなる抵抗とを用いるスナバ回路の場合に比べて、寄生インダクタンスを低減することで、スイッチング時間を短縮し過渡損失を低減できるとともに、逆回復電流の遮断速度(dIr/dt)を適切に緩和し振動現象を抑制することができる。
また、スナバ回路を還流ダイオード100の直近に実装することは、不要なノイズ放射を低減することにもなる。例えば従来のディスクリート部品であるフィルムコンデンサなどからなるキャパシタ210とメタルクラッド抵抗などからなる抵抗220とを用いるスナバ回路の場合では、還流ダイオード100で発生した振動電流はこれらの部品を通り、還流ダイオード100に戻る経路を通る。その際に抵抗220により振動電流が抑制されていくが、それまでの間にこの電流経路が作る面が一種のループアンテナとして働き、ノイズを放射する。スナバ回路を半導体スナバ200で形成した場合には、還流ダイオード100の直近に実装していることから、振動電流の電流経路が作る面の大きさがディスクリート部品を用いた場合よりも格段に小さくなり、振動電流によるノイズ放射が低減される。これにより、ノイズによる制御回路等の誤動作を防ぐことができる。
さらに、本実施形態の構成では、還流ダイオード100に流れる電流経路で発生する損失に比べて、半導体スナバ200では大幅に小さい損失しか発生しない。このため、従来ダイオードに流れる経路にしか設置できなかった半導体スナバ200を熱的な容量の小さいゲート駆動回路に設置することができる。このように、半導体スナバ200をゲート駆動回路に組み込むことで、電力変換装置として容易に小型化、低コスト化することができる。
さらに、本実施形態においては、スナバ回路を半導体スナバ200で形成することで、還流ダイオード100及びスイッチング素子600と同様の実装工程を用いて電力変換装置を構成することができるため、簡便でかつ容易に振動現象を抑制することができるとともに、従来技術のスナバ回路に比べて必要な体積も大幅に低減できる。
また、第1実施形態のように、半導体スナバ200の抵抗成分を半導体基体で形成し図3に示すような半導体パッケージに直接実装することができるため、高い放熱性を得ることができる。そのため、外付けの抵抗等に比べて、より高密度の抵抗設計が可能となる。つまり、破壊に対する耐性が高くより小型化が実現可能である。
また、第1実施形態で例示したように、還流ダイオード100を炭化珪素からなるショットキーバリアダイオードで構成することで、本発明の効果を最大限に引き出すことができる。つまり、所定の耐圧を得るために、ワイドバンドギャップにより空乏層の厚みを小さくできるほど、還流ダイオード100自体の抵抗が小さく低導通損失を低減できるのであるが、その反面、逆回復電流の遮断速度(dIr/dt)が高くなり、かつ振動エネルギーが消費されないため、振動現象がより顕著となる性質を有しているからである。このことから、還流ダイオード100が炭化珪素などのワイドバンドギャップ半導体で構成することで、より顕著に導通損失の低減と振動現象の緩和を両立することができる。
なお、本実施形態においては、還流ダイオード100の半導体材料を炭化珪素とした場合で説明しているが、窒化ガリウムやダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体を用いても同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態においても、半導体スナバ200の構成を、第1実施形態で説明した図9に対応する抵抗220に並列に接続するようにダイオード230を有する構成であっても良い。これは、キャパシタ210と抵抗220を少なくとも有するように構成された半導体スナバ200であれば、上記と同様の効果を得ることができるためである。
また、実装形態についても、第1実施形態と同様に、図10に対応する所謂モールドパッケージ型の実装形態を用いても良し、他の実装形態をとっていても良い。また、本実施形態においては、還流ダイオード100と半導体スナバ200及びスイッチング素子600とがそれぞれ1チップずつの場合を示しているが、一方もしくは両方が複数のチップで構成されていてももちろん良い。また、第1の実施形態で上述したように、コレクタ端子及びエミッタ端子の両面を半田等で実装する方式としても良い。両面を半田等で実装することで冷却性能が向上するため、還流ダイオード100の放熱性及び半導体スナバ200の抵抗220の放熱性が増すため、より高密度に実装することができる。
また、第2実施形態においても、上述した第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
(変形例)
また、本実施形態を説明するに当たって、半導体スナバ200の構造の一例として図5、図6を用いて説明していたが、第1実施形態と同様に、図11〜図26に示すように、キャパシタ210(図11〜図14)並びに導電層17による抵抗220(図15〜図26)を別の構成で形成していてももちろん良い。
また、本実施形態においても、半導体スナバ200の支持基体としてシリコンからなる半導体材料を用いた場合を一例としてあげたが、図31に示すように、窒化シリコンや窒化アルミやアルミナなどの絶縁基板材料を基板領域としていてももちろん良い。
以上、本実施形態では、スナバ回路を半導体チップ上に形成した場合を説明してきたが、本発明の最低限度の特徴を得るためには、スナバ回路の形成場所は特に限定されない。例えば図37に示すような電力変換装置において、ユニポーラ動作もしくはユニポーラ動作と同等の動作をする還流ダイオードおよびスイッチング素子と並列接続されるように、少なくともキャパシタ容量並びに抵抗からなるスナバ装置とが構成されていれば、スナバ装置の形状・構成・接続方法はどのようなものでも良い。
還流ダイオード100及びスイッチング素子600に対して外付けのキャパシタ210と抵抗220で構成されたスナバ回路を形成していても良いし、例えば図37に示すような回路構成にて、スイッチング素子Gの駆動端子につながっているゲート駆動回路中にスナバ回路を形成しても良い。
(第3実施形態)
第3実施形態においては、第2実施形態で説明した還流ダイオード100と半導体スナバ200とスイッチング素子600とが並列接続された構成において、還流ダイオード100及びスイッチング素子600がそれぞれショットキーバリアダイオード及びIGBT以外の素子で構成された場合について説明する。図39は図4に対応する還流ダイオード100の断面構造図である。図40は図36に対応するスイッチング素子600の断面構造図である。本実施形態においても、第1の実施形態もしくは第2実施形態と同様の動作をする部分の説明は省略し、異なる特徴について詳しく説明する。
(還流ダイオードの構造)
図39に示すように、還流ダイオード100は、炭化珪素のポリタイプが4HタイプのN+型である基板領域41上にN−型のドリフト領域42が形成された基板材料で構成されている。基板領域41としては、抵抗率が数mΩcm〜数10mΩcm、厚さが数10μm〜数100μm程度のものを用いることができる。ドリフト領域42としては、N型の不純物密度が1015cm-3〜1018cm-3、厚みが数μm〜数10μmのものを用いることができる。なお、素子構造や所要の耐圧により、抵抗率や不純物密度および厚みが前記範囲外となってももちろん良いが、一般に抵抗率及び厚みは小さいほうが導通時の損失を低減できるため、可能な限り抵抗が小さくなるようにするのが望ましい。本実施形態では不純物密度が1016cm-3、厚みが5μmで耐圧が600Vクラスのものを用いた場合で説明する。なお、本実施形態では、半導体基体が、基板領域41とドリフト領域42の二層からなる基板の場合について説明するが、抵抗率の大きさは上記の一例にはよらない基板領域41のみで形成された基板を使用してもかまわないし、反対に多層の基板を使用してもかまわない。また、本実施形態では一例として耐圧が600Vクラスの場合で説明しているが、耐圧クラスは限定されない。
ドリフト領域42の基板領域41との接合面に対向する主面に接するように、炭化珪素よりもバンドギャップの小さい多結晶シリコンからなるヘテロ半導体領域43が堆積されている。ドリフト領域42とヘテロ半導体領域43の接合部は、炭化珪素と多結晶シリコンのバンドギャップが異なる材料によるヘテロ接合ダイオードが形成されており、その接合界面にはエネルギー障壁が存在している。ヘテロ接合ダイオードは、ヘテロ半導体領域43の不純物密度を変えることで、ヘテロ接合部のエネルギー障壁の高さを制御することができるため、必要な耐圧に応じて、最適な障壁高さを得ることができる。ここでは、一例としてP型で不純物密度が1019cm-3、厚みが0.5μmとした場合で説明する。
本実施形態においてはヘテロ半導体領域43に接するように表面電極44が形成されている。また、基板領域41に接するように裏面電極45が形成されている。表面電極44はアノード端子300として外部電極との接続をするために、最表面にアルミ、銅、金、ニッケル、銀などの金属材料を用いて多層の構造としても良い。一方、裏面電極44は基板領域41とオーミック接続するような電極材料から構成されている。オーミック接続する電極材料の一例としてはニッケルシリサイドやチタン材料などが挙げられ、裏面電極45はカソード端子402として外部電極と接続をする。このように、図39に示す還流ダイオード100は、表面電極44がアノード電極、裏面電極45がカソード電極とした縦型のダイオードとして機能する。
(スイッチング素子の構造)
図40に示すように、スイッチング素子600は、炭化珪素からなるMOSFETを一例として示している。図40中、炭化珪素のポリタイプが4HタイプのN+型である基板領域51上にN−型のドリフト領域52が形成された基板材料で構成されている。基板領域51としては、抵抗率が数mΩcm〜数10mΩcm、厚さが数μm〜数100μm程度のものを用いることができる。ドリフト領域52としては、N型の不純物密度が1014cm-3〜1017cm-3、厚みが数μm〜数10μmのものを用いることができる。なお、素子構造や所要の耐圧により、抵抗率や不純物密度および厚みが前記範囲外となってももちろん良いが、一般に抵抗率及び厚みは小さいほうが導通時の損失を低減できるため、可能な限り抵抗が小さくなるようにするのが望ましい。本実施形態では、不純物密度が2×1016cm-3、厚みが5μmで耐圧が600Vクラスのものを用いた場合で説明する。本実施形態では基板領域51を支持基材とした場合を説明しているが、ドリフト領域52を支持基材としても良い。
ドリフト領域52中の表層部にP型のウェル領域53が、さらにウェル領域53中の表層部にN+型ソース領域54が形成されている。そして、ドリフト領域52、ウェル領域53及びソース領域54の表層部に接するように、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜55を介して、N型の多結晶シリコンからなるゲート電極56が配設されている。さらに、ソース領域54並びにウェル領域53に接するようにアルミ材料からなるソース電極57が形成されている。ソース電極57とゲート電極56との間には互いに接しないように、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜58が形成されている。また、基板領域51にオーミック接続するようにドレイン電極59が形成されている。このように、本説明で用いるMOSFETはゲート電極56が半導体基体に対して平面上に形成されている所謂プレーナ型をしている。
第3実施形態においても、図39で示した還流ダイオード100と図40で示したスイッチング素子600とを、図5、図6で示した半導体スナバ200と共に並列接続して使用している。ここで、スナバ機能を効果的に発揮するためには、還流ダイオード100とスイッチング素子600の遮断状態におけるキャパシタ容量を考慮した誘電領域12によるキャパシタ210の設定と、導電層17による抵抗220の設定をすることが望ましい。第1実施形態及び第2実施形態と同様に、本実施形態においては、還流ダイオード100及びスイッチング素子600の耐圧よりも高くなるように厚みは1μmとし、キャパシタ210の容量が還流ダイオード100及びスイッチング素子600の遮断状態時に形成される空乏容量の和と同程度としたものを用いた場合で説明する。
(動作)
次に、本実施形態の動作について、第2実施形態と同様に、図37に示すインバータの動作に対応させて詳しく説明する。
まず、図37中のスイッチング素子Gがオンし、スイッチング素子Gに電流が流れている状態においては、上アームのスイッチング素子Eと受動素子Bは逆バイアス状態となり遮断状態になる。
まず、下アームの導通状態にあるスイッチング素子Gは、炭化珪素材料からなるMOSFETで構成されているため、第2実施形態で説明したIGBTに比べて、低オン抵抗で導通することができる。これは、炭化珪素材料のバンドギャップがシリコン材料に比べて約3倍大きく、最大絶縁電界が約1桁大きいため、ドリフト領域52に厚みを小さくかつ不純物濃度大きくすることができるためである。このため、IGBTのようなバイポーラ型の動作とせずとも、ドリフト領域52の抵抗を低くすることができる。
また、下アームの導通状態にあるスイッチング素子Gに並列に接続されている受動素子Fにおいては、還流ダイオード100及び半導体スナバ200は遮断状態を維持する。すなわち、還流ダイオード100であるヘテロ接合ダイオード(図39)については、その両端に印加されている電圧がスイッチング素子Gのオン電圧程度と低いものの逆バイアス電圧が印加されるためである。また、図5、図6に示す半導体スナバ200においては、キャパシタ210として機能する誘電領域12が、電圧が変化するときのみ動作するため、スイッチング素子Gのオン電圧程度の電圧が定常状態で印加された状態では遮断状態となる。
一方、上アームのスイッチング素子Eと受動素子Bについても、電源電圧程度の逆バイアス電圧が共に印加されているため、遮断状態を維持する。すなわち、図40に示すスイッチング素子600であるMOSFETについては、ソース端子302とドレイン端子403間に逆バイアス電圧が印加されるため、ドリフト領域52中にはウェル領域53とのPN接合部から伸びた空乏層が形成され遮断状態が維持されるためである。また、図39に示す還流ダイオード100であるヘテロ接合ダイオードにおいては、表面電極44と裏面電極45間に逆バイアス電圧が印加されるため、ドリフト領域42中にはヘテロ半導体領域43とのヘテロ接合部から伸びた空乏層が生じ遮断状態が維持される。また、図5、図6に示す半導体スナバ200においても、キャパシタ210として機能する誘電領域12が高電圧により充電された状態になり、遮断状態を維持する。
このように、下アームのスイッチング素子Gが導通状態の時には、上下アームの両受動素子は第2実施形態と同様の機能を有する。
次に、下アームのスイッチング素子Gがターンオフして遮断状態に移行する場合について説明する。
図37に示すようなモータ用インバータ回路(L負荷回路)では、スイッチング素子Gがターンオフする際には、電圧上昇と電流遮断の位相がずれるため、導通時の電流をほぼ維持した状態で、まずスイッチング素子Gの電圧上昇が起こる。
まず、下アームのターンオフするスイッチング素子Gに並列に接続されている受動素子Fについては、還流ダイオード100及び半導体スナバ200共に、スイッチング素子Gの電圧上昇に伴って、オン電圧程度の低い逆バイアス電圧から電源電圧程度の高電圧の逆バイアス電圧へと変化するため、その電圧変化の速度に応じた過渡電流が流れる。すなわち、図39に示す還流ダイオード100においては、電圧の上昇に伴ってドリフト領域42中にヘテロ半導体領域43側から空乏層が広がる際に、電子が裏面電極45側に過渡電流として流れ、図5、図6に示す半導体スナバ200においては、キャパシタ容量として働く誘電領域12が印加電圧に応じて充電されるため過渡電流が流れる。この、半導体スナバ200の誘電領域12のキャパシタ容量の充電作用によって、スイッチング素子Gのコレクタ/エミッタ間に生じる過渡的な電圧上昇を緩和し、回路中に含まれる寄生インダクタンスによるサージ電圧の発生を抑制することができる。つまり、本実施形態においては、スイッチング素子600とも並列接続することで、スイッチング素子600自体がターンオフ動作をする際にも、素子破壊や他の周辺回路への誤動作等を引き起こすサージ電圧を低減することができる。
そして、本実施形態で一例として挙げた炭化珪素からなるMOSFETでは、電圧上昇後、電流は急峻に遮断する。これは、第2実施形態で説明したIGBTとは異なり、導通時にユニポーラ動作をしているため、電圧の上昇によって空乏層から吐き出された電子電流が空乏層の伸びの速さに応じて遮断されるためである。つまり、スイッチング素子600が炭化珪素からなるMOSFETになることによって、導通時においては低オン抵抗を実現できるものの、スイッチング素子の遮断性能の早さによって、スイッチング素子600自体のターンオフ時に振動現象が生じやすく、さらに抵抗が小さいため振動現象の減衰がなかなか生じないという問題が生じてしまうのであるが、本実施形態においては、並列に半導体スナバ200が形成されているため、効果的に振動現象を緩和することができる。
すなわち、本実施形態においては、スイッチング素子600の電流が遮断された際に、回路中の寄生インダクタンスと共振し電流及び電圧に振動現象が始まるものの、半導体スナバ200中の誘電領域12からなるキャパシタ210にも同等の電圧が印加され相応の過渡電流が流れ始める。すると、キャパシタ210及び抵抗220によって電流振動の傾き(dI/dt)を緩和し、基板領域11の抵抗220の抵抗値で寄生インダクタンスLsで生じたエネルギーを消費するため、振動現象を素早く収束することができる。このことから、本実施形態のように、スイッチング素子600がユニポーラ型で高速遮断性能を有している場合にも、本発明は振動現象を抑制することができる。また、スイッチング素子600がより導通損失が小さいワイドギャップ半導体からなり、振動現象にとっては減衰しにくい構成であっても、導通損失を悪化させることなく、容易に振動現象を減衰することができる。このように、本発明においては、スイッチング素子600においても導通損失と過渡損失を高い次元で両立できるような構成、すなわち高速動作が可能なユニポーラ型であることや低オン抵抗が実現できるワイドバンドギャップ半導体の構成と組み合わせることで、さらに高い効果を引き出すことができる。
そして、スイッチング素子Gの電流が遮断した後は、下アームのスイッチング素子G及び受動素子Fは定常オフ状態となり、遮断状態を維持する。
一方、上アームのスイッチング素子Eと並列に接続されている受動素子Bは、下アームのスイッチング素子Gのターンオフ動作に連動して、順バイアス状態となり導通状態に移行する。図39に示す還流ダイオード100のドリフト領域42中に広がっていた空乏層が後退し、ヘテロ半導体領域43とドリフト領域42との間に形成されているヘテロ接合部にヘテロ障壁高さに応じた順バイアス電圧が印加されると、還流ダイオード100は導通状態となる。ヘテロ接合ダイオードはヘテロ接合部からドリフト領域42側並びにヘテロ半導体領域43側にそれぞれ広がる内蔵電位の和によって決まる電圧降下で順方向電流が流れるものの、価電子帯側の正孔に対するヘテロ障壁が大きいため、電流はドリフト領域42中をほぼ裏面電極45側から供給される電子電流のみで構成されており、ユニポーラ動作をする。このとき、第2実施形態で説明したショットキーバリアダイオードでは、ショットキー障壁高さが表面電極13のショットキーメタル固有の仕事関数差で一義的に決まる為、所定の耐圧を得るために、ドリフト領域23の不純物濃度や厚みが制限されるのに対して、本実施形態においては、ヘテロ障壁をヘテロ半導体領域43の不純物濃度を制御することによって変えることができるため、ドリフト領域42の抵抗をより低抵抗にすることができる。つまり、導通時の損失をより低減することができる。
また、図5、図6に示す半導体スナバ200においては、還流ダイオード100が逆バイアス状態から順バイアス状態に移行する際に、誘電領域12に充電されていた電荷が過渡電流として放電される。本実施形態では、誘電領域12のキャパシタ210としての容量が還流ダイオード100及びスイッチング素子600に形成されていた空乏容量と同程度と小容量であるため、放電によって流れる過渡電流は流れるものの、並列する還流ダイオード100に流れる順バイアス電流と比べるとほとんど影響がない大きさである。半導体スナバ200は、過渡電流が流れた後は定常状態に移行し電流は遮断される。また、並列接続されているスイッチング素子Eについても、ドレイン/ソース間の電圧は逆バイアス電圧状態から順バイアス状態に移行するものの、ゲート信号はオフ状態を維持するように制御されることと、ウェル領域53とドリフト領域52との間のPN接合が順バイアス状態となるものの内蔵電位が2V〜3Vと大きいことからオフ状態を維持する。ただし、ドレイン/ソース間の電圧状態が変位するため、スイッチング素子600中のドリフト領域52中に生じていた空乏層の容量変化に伴うキャパシタ210としての放電による過渡電流は流れるが、半導体スナバ200と同様に、並列する還流ダイオード100に流れる順バイアス電流と比べるとほとんど影響がない大きさである。このように、上アームの半導体スナバ200及びスイッチング素子Eは過渡電流が流れた後は定常状態に移行し電流は遮断されるため、還流ダイオード100のみが導通状態となる。
次に、下アームのスイッチング素子Gがターンオンし、再びスイッチング素子Gがオン状態に移行する動作について説明する。
図37に示すようなモータ用インバータ回路(L負荷回路)では、スイッチング素子Gがターンオンする際には、電流上昇と電圧低下の位相がずれるため、比較的高い電圧が印加された状態で、スイッチング素子Gに電流が流れ始める。下アームのターンオンするスイッチング素子Gに並列に接続されている受動素子Fについては、還流ダイオード100及び半導体スナバ200共に、スイッチング素子Gに電流が流れ、ドレイン/ソース間の電圧が低下するのに伴って、電源電圧程度の高電圧の逆バイアス電圧からオン電圧程度の低い逆バイアス電圧へと変化するため、その電圧変化の速度に応じた過渡電流が流れる。このとき、図39に示す還流ダイオード100においては、電圧の減少に伴ってドリフト領域42中に広がっていた空乏層はヘテロ半導体領域43側に徐々に狭まり、裏面電極45側からドリフト領域42中に電子が過渡電流として流れる。また、図5、図6に示す半導体スナバ200においては、キャパシタ容量として働く誘電領域12が印加電圧の減少と共に放電されるため過渡電流が流れる。この過渡電流は、並列するスイッチング素子600に流れるターンオン電流と比べるとほとんど影響がない大きさである。このように、下アームの半導体スナバ200及び還流ダイオード100は過渡電流が流れた後は定常状態に移行し電流は遮断されるため、スイッチング素子Gのみが導通状態となる。
一方、上アームのスイッチング素子Eと並列に接続されている受動素子Bは、下アームのスイッチング素子Gのターンオン動作に連動して、逆バイアス状態となり遮断状態に移行する。図39に示す還流ダイオード100であるヘテロ接合ダイオードにおいては、裏面電極45側からドリフト領域42中に供給されていた電子電流は順バイアス電圧の低下と共に減少する。そして、順バイアス電圧が、ヘテロ接合部のヘテロ障壁高さに応じた電圧以下になり、さらにヘテロ接合部に逆バイアス電圧が印加されると、ドリフト領域42中にはヘテロ半導体領域43とのヘテロ接合部から伸びた空乏層が生じ遮断状態へと移行する。
本実施形態では、第1実施形態及び第2実施形態で説明したショットキーバリアダイオードと同様に、ユニポーラ動作を有しているため、一般的なシリコンで形成されたPN接合ダイオードに比べるとこの逆回復電流は格段に小さい。つまり、逆回復損失を大幅に低減することができる。
さらに、本実施形態においては、ショットキーバリアダイオードよりも導通損失を低減可能なヘテロ接合ダイオードに半導体スナバ200を組み合わせることによって、導通損失と過渡損失を高い次元で両立することができる。すなわち、本実施形態においては、還流ダイオード100が逆回復動作する場合に、ドリフト領域42中に逆バイアス電圧が印加され過剰キャリアで構成される逆回復電流が流れ始めるのとほぼ同時に、スイッチング素子600及び半導体スナバ200中の誘電領域12からなるキャパシタ210にも同等の逆バイアス電圧が印加され、スイッチング素子600及び半導体スナバ200中にも相応の過渡電流が流れ始める。本実施形態においては、キャパシタ210の大きさを、還流ダイオード100及びスイッチング素子600に流れる過渡電流とほぼ同等となるような容量で設定しているため、下アームのスイッチング素子Gのスイッチング速度をほぼ変えることなく、逆回復電流の遮断速度(dI/dt)を緩和することができる。さらに、半導体スナバ200に流れる電流を基板領域11の抵抗220成分で消費するため、寄生インダクタンスLsで生じたエネルギーを吸収し、振動現象を素早く収束することができる。つまり、還流ダイオード100がヘテロ接合ダイオードとなり導通損失が小さくなっても、第2実施形態で説明したショットキーバリアダイオードを用いた場合と同様に、ユニポーラ動作ならではの本質的な振動現象を半導体スナバ200で解決することができる。
このことから、低オン抵抗が実現できるヘテロ接合ダイオードと組み合わせることで、さらに高い効果を引き出すことができる。
また、本発明の構成のようにスイッチング素子600もユニポーラ型とすることで、還流ダイオード100が逆回復動作をする場合に加えて、スイッチング素子600がターンオフする場合においても、全電流範囲、全温度範囲においてスナバ機能が有効に働く。
また、半導体スナバ200を還流ダイオード100等の半導体チップに近接したゲート駆動回路に形成した場合は、還流ダイオード100の直近に低インダクタンスで実装することができる。
また、第3実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。
(変形例)
このようにスイッチング素子600はMOSFET以外にも例えば図41及び図42に示すような他のユニポーラ素子を用いても同様の効果を得ることができる。
図41に示すスイッチング素子600には、炭化珪素のポリタイプが4HタイプのN+型である基板領域61上にN−型のドリフト領域62が形成されている。ドリフト領域62と基板領域61との接合面に対向する主面に接するように、N型の多結晶シリコンからなるヘテロ半導体領域63が形成されている。つまり、ドリフト領域62とヘテロ半導体領域63の接合部は、炭化珪素と多結晶シリコンのバンドギャップが異なる材料によるヘテロ接合からなっており、その接合界面にはエネルギー障壁が存在している。ヘテロ半導体領域63とドリフト領域62との接合面に接するように、シリコン酸化膜から成るゲート絶縁膜64が形成されている。また、ゲート絶縁膜64上にはゲート電極65が、ヘテロ半導体領域63のドリフト領域62との接合面に対向する対面にはソース電極66が、基板領域1にはドレイン電極68が接続するように形成されている。なお、ゲート電極65とソース電極66を絶縁するように、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜67が形成されている。
次に、図41のスイッチング素子の動作について説明する。図41のスイッチング素子においても、MOSFETと同様に、ソース電極66を接地しドレイン電極68に正電位が印加されるようにして使用する。
まず、ゲート電極65を例えば接地電位もしくは負電位とした場合、遮断状態を保持する。すなわち、ヘテロ半導体領域63とドリフト領域62とのヘテロ接合界面には、伝導電子に対するエネルギー障壁が形成されているためである。
次に、遮断状態から導通状態へと切り替えるためゲート電極65に正電位を印加した場合、ゲート絶縁膜64を介してゲート電界が及ぶヘテロ半導体領域63並びにドリフト領域62の表層部には電子の蓄積層が形成される。すると、ヘテロ半導体領域63並びにドリフト領域62の表層部においては自由電子が存在可能なポテンシャルとなり、ドリフト領域62側に伸びていたエネルギー障壁が急峻になり、エネルギー障壁厚みが小さくなる。その結果、電子電流が導通する。このとき、図41に示すスイッチング素子においては、電流の導通・遮断を制御する所謂チャネル部分の長さが、ヘテロ障壁によって形成されるエネルギー障壁の厚み程度であり、MOSFETにおいて耐圧保持に必要な所定のチャネル長に比べて小さいため、より低抵抗で導通することができる。このため、上述したように、半導体スナバ200によって導通損失と過渡損失をさらに高いレベルで両立することができる。
次に、本実施形態において、導通状態から遮断状態に移行すべく、再びゲート電極65を接地電位とすると、ヘテロ半導体領域63並びにドリフト領域62のヘテロ接合界面に形成されていた伝導電子の蓄積状態が解除され、エネルギー障壁中のトンネリングが止まる。そして、ヘテロ半導体領域63からドリフト領域62への伝導電子の流れが止まり、さらにドリフト領域62中にあった伝導電子は基板領域61に流れ枯渇すると、ドリフト領域62側にはヘテロ接合部から空乏層が広がり遮断状態となる。
また、図41のスイッチング素子においては、ソース電極66を接地し、ドレイン電極68に負電位が印加された逆方向導通(還流動作)も可能である。
ソース電極66並びにゲート電極65を接地電位とし、ドレイン電極67に所定の正電位が印加されると、伝導電子に対するエネルギー障壁は消滅し、ドリフト領域62側からヘテロ半導体領域63側に伝導電子が流れ、逆導通状態となる。このとき、正孔の注入はなく伝導電子のみで導通するため、逆導通状態から遮断状態に移行する際の逆回復電流による損失も小さい。なお、上述したゲート電極65を接地にせずに制御電極として使用する場合も可能である。このように、図41のスイッチング素子600においては、ユニポーラ型の還流ダイオードとしても使用ができる。これにより、還流ダイオード100を図41のスイッチング素子600で共用することができる。すなわち、図41に示すスイッチング素子600では還流ダイオード100を別チップで形成する以外にも、還流ダイオード100とスイッチング素子600を1チップ化して、半導体パッケージを小型化することができる。このことにより、配線等に生じる寄生インダクタンスをさらに低減することができるため、半導体スナバ200による振動現象をさらに低減することができる。また、配線長が短くなることは、振動電流により配線から発する放射ノイズを低減させる効果もある。また、チップサイズの低減によってコストが低減されると共に、還流ダイオード100とスイッチング素子600とのキャパシタ容量の和が小さくなるため、半導体スナバ200に必要なキャパシタ容量Cも小さくすることができる。つまり、小型で低コストで振動現象を抑制することができる。
以上、図41においては、ヘテロ半導体領域63に用いる材料として多結晶シリコンを用いた例で説明したが、炭化珪素とヘテロ接合を形成する材料であれば単結晶シリコン、アモルファスシリコン等他のシリコン材料やゲルマニウムやシリコンゲルマン等他の半導体材料や6H、3C等炭化珪素の他のポリタイプなど、どの材料でもかまわない。また、ドリフト領域62としてN型の炭化珪素を、ヘテロ半導体領域63としてP型の多結晶シリコンを用いて説明しているが、それぞれN型の炭化珪素とP型の多結晶シリコン、P型の炭化珪素とP型の多結晶シリコン、P型の炭化珪素とN型の多結晶シリコンの如何なる組み合わせでもよい。
次に、図42は、スイッチング素子としてJFETと呼ばれる接合型のFETを用いた場合について説明する。
図42に示すスイッチング素子600では、炭化珪素のポリタイプが4HタイプのN+型である基板領域71上にN−型のドリフト領域72が形成されている。N+型のソース領域73とP型のゲート領域74がドリフト領域72に形成されており、ゲート領域74はゲート電極75に接続されている。ソース領域73はソース電極76に接続されている。基板領域71はドレイン電極78に接続されている。なお、符号77は層間絶縁膜である。
図42のJFETはMOSFETと同様に、ユニポーラ動作をするため、MOSFETで得られる効果と同様の効果を得ることができる。さらに、JFETにおいては、MOSFETにおいては必須のゲート絶縁膜が不要のため、信頼性の確保という観点では、200℃を超えるような高い温度でのオペレーションが比較的容易である。このことから、JFETを用いることで、本発明の特徴である使用温度領域によらず振動現象を抑制できる効果をより強みとして活かせることができる。なお、高温用途においては、半導体スナバ200においても、図11〜図14などキャパシタ容量としてシリコン酸化膜を用いない空乏容量を用いる構成のほうが、信頼性を確保しつつ、効果を発揮することができる。
このように、スイッチング素子600についてMOSFET以外のスイッチング素子を用いた場合の効果について説明してきたが、還流ダイオード100についても、ユニポーラ動作もしくはユニポーラ動作と同等の動作をするダイオードであれば同様の効果を得ることができる。
図43に示すようなPN接合ダイオードの構造であっても、導通時にP型領域から注入される小数キャリアからなる過剰キャリアを、金や白金を用いた重金属拡散、電子線を用いた電子線照射、プロトン等を用いたイオン照射などの方策により、過剰キャリアの主成分である少数キャリアのライフタイムを制御することによって、ほとんどユニポーラ動作と同等の動作をする場合においても適用可能であり、本発明の実施例として説明してきた効果を同じように得ることができる。
図43に示すPN接合ダイオードがソフトリカバリダイオードで構成されている場合について説明する。図43に示すように、還流ダイオード100は、シリコンからなるN+型の基板領域81上にN−型のドリフト領域82が形成された基板材料で構成されている。基板領域81としては、抵抗率が数mΩcm〜数10mΩcm、厚さが数10μm〜数100μm程度のものを用いることができる。ドリフト領域82としては、N型の不純物密度が1013cm-3〜1017cm-3、厚みが数μm〜数100μmのものを用いることができる。本実施形態では、不純物密度が1014cm-3、厚みが50μmで耐圧が600Vクラスのものを用いた場合で説明する。なお、本実施形態では、半導体基体が、基板領域81とドリフト領域82の二層からなる基板の場合について説明するが、抵抗率の大きさは上記の一例にはよらない基板領域81のみで形成された基板を使用してもかまわないし、反対に多層の基板を使用してもかまわない。また、本実施形態では一例として耐圧が600Vクラスの場合で説明しているが、耐圧クラスは限定されない。
ドリフト領域82の基板領域81との接合面に対向する主面に接するようにP型の反対導電型領域83が形成され、反対導電型領域83に接続するように表面電極84が、基板領域81と接するように裏面電極85が形成されている。なお、図43で示した還流ダイオードはPN接合のみで形成されているが、一部がショットキーダイオードとして働くように構成されていても良いし、他の構成含んでいても良い。
図43に示すPN接合ダイオードがソフトリカバリダイオードとして働くようにするひとつの手法として、導通時にドリフト領域82中に注入される少数キャリアのライフタイムを制御する方法がある。ドリフト領域82中にイオン照射などを用いて、反対導電型領域83に近い側と基板領域81に近い側とで少数キャリアのライフタイム時間が異なるように制御して、逆回復時に流れる少数キャリアによる過渡電流は小さくしつつ、基板領域81側に滞留していた少数キャリアの減少時間を緩和し、大電流時の逆回復動作においては振動現象が起こらないようにすることができる。
しかしながら、少数キャリアのライフタイムを制御したPN接合ダイオードにおいては、少数キャリアのライフタイムは電流の大きさによらず短くなることから、電流が小さいときには、逆回復時において瞬時に少数キャリアが消滅してしまい、ほとんどユニポーラ動作と同じ動作をすることになる。この場合は、図43に示すダイオードに流れる過渡電流は図4などで説明したユニポーラ型のダイオードと同じように空乏層が広がる際の多数キャリアの移動による電流が流れるため、半導体スナバ200が無い状態だと振動現象が生じる。しかし、本実施形態のように、半導体スナバ200を並列接続することでの低電流時においての振動現象を緩和することができる。つまり、ソフトリカバリダイオードと半導体スナバとの組み合わせによって、大電流時も小電流時も振動現象を緩和することができる。なお、ここではソフトリカバリダイオードを一例として本発明の実施形態の効果を説明してきたが、大電流時に逆回復特性がソフト化されていないファストリカバリダイオードを用いた場合にも、ユニポーラ動作と同等の動作をする電流領域があれば、少なくとも低電流時の振動現象を抑制する効果を得ることができる。また、炭化珪素からなるPN接合ダイオードなど、シリコン材料に比べて熱処理による結晶の回復が起こりにくい材料においては、イオン注入によってP型領域を形成した場合など、少数キャリアのライフタイムが元々小さいダイオードにおいても、上記で説明したように、振動現象を抑制する効果を得ることができる。また、いずれの構造においても、少なくとも電流が流れず少数キャリアが注入されない条件でPN接合ダイオードを逆回復動作させる場合にも本発明の効果を得ることができる。
このように、少なくともユニポーラ動作と同等の動作を一部でも有するダイオードであれば逆回復動作時に振動現象を低減するという本発明の効果を得ることができる。
なお、図43に示した還流ダイオード100は第1実施形態で示したスイッチング素子が並列接続されていない場合でも同様の効果を発揮するため、還流ダイオード100と半導体スナバ200のみの並列接続としても良い。
さらに、第3実施形態においては、第2実施形態で説明した還流ダイオード100とスイッチング素子600が共に異なる組み合わせで説明してきたが、還流ダイオード100とスイッチング素子600の組み合わせはどれを組み合わせても良い。すなわち、還流ダイオード100は第2実施形態で説明したショットキーバリアダイオードを用いて、スイッチング素子600は第3に実施形態で説明したMOSFETを組み合わせても良い。また、還流ダイオード100とスイッチング素子600とを同一チップ上に形成していても良い。
以上、本実施形態では、スナバ回路を半導体チップ上に形成した場合を説明してきたが、本発明の最低限度の特徴を得るためには、スナバ回路の形成場所は特に限定されない。図37に示すような電力変換装置において、ユニポーラ動作もしくはユニポーラ動作と同等の動作をする還流ダイオードおよびスイッチング素子と並列接続されるように、少なくともキャパシタ容量並びに抵抗からなるスナバ装置とが構成されていれば、スナバ装置の形状・構成・接続方法はどのようなものでも良い。
還流ダイオード100及びスイッチング素子600に対して外付けのキャパシタ210と抵抗220で構成されたスナバ回路を形成していても良いし、図37に示すような回路構成にて、スイッチング素子Gの駆動端子につながっているゲート駆動回路中にスナバ回路を形成しても良い。
また、スイッチング素子600および還流ダイオード100の各組み合わせによる効果は上述した場合と同じ効果を得ることができる。いずれの場合においても、本発明の特徴は、上述したように、還流ダイオード100及び並列接続したスイッチング素子600に流れる過渡電流が高々ドリフト領域に空乏層が形成される際に発生するキャリアのみであることに着目し、その空乏容量に相応な小さなキャパシタ210成分と、発生した小さな過渡電流を消費する小さな抵抗220を並列接続することで、過渡損失と導通損失を低減する性能と振動現象を抑制できる点である。
(第4実施形態)
本実施形態においては、第1実施形態の図1に示した回路図において、還流ダイオード100と半導体スナバ200が1つのチップ上に形成された場合について例示する。
図44は、図3に対応する半導体チップの実装図である。図45は、図44の実装図に用いられている半導体チップの断面構造図である。つまり、図45に示す断面構造図においては還流ダイオード100と半導体スナバ200とが形成されている。第4実施形態においては、第1実施形態と同様の動作をする部分の説明は省略し、異なる特徴ついて詳しく説明する。
(半導体装置の実装構造)
図44に示すように、カソード側金属膜410上には、半導体スナバ内蔵還流ダイオード800のカソード端子400側が例えば半田やろう材等の接合材料を介して接するように配置されている。そして、半導体スナバ内蔵還流ダイオード800の半導体チップのアノード端子300側は、例えばアルミワイヤやアルミリボンなどの金属配線320を介して、共にアノード側金属膜310に接続された構成となっている。
(半導体スナバ内蔵還流ダイオードの構造)
半導体スナバ内蔵還流ダイオード800を構成する半導体チップの断面構造を示したのが、それぞれ図45に示す断面構造図である。
図45に示すように、半導体スナバ内蔵還流ダイオード800は、右側の破線によって囲まれた還流ダイオード100の部分と、左側の破線によって囲まれた箇所の半導体スナバ200の部分で構成されている。
まず、還流ダイオード100の部分は、炭化珪素のポリタイプが4HタイプのN+型である基板領域1上にN−型のドリフト領域2が形成された基板材料で構成されている。基板領域1としては、抵抗率が数mΩcm〜数10mΩcm、厚さが数10μm〜数100μm程度のものを用いることができる。ドリフト領域2としては、N型の不純物密度が1015cm-3〜1018cm-3、厚みが数μm〜数10μmのものを用いることができる。本実施形態では、不純物密度が1016cm-3、厚みが5μmで耐圧が600Vクラスのものを用いた場合で説明する。なお、本実施形態においても、半導体基体が、基板領域1とドリフト領域2の二層からなる基板の場合について説明するが、抵抗率の大きさは上記の一例にはよらない基板領域1のみで形成された基板を使用しても良く、反対に多層の基板を使用しても良い。また、本実施形態では一例として耐圧が600Vクラスの場合で説明しているが、耐圧クラスは限定されない。
図45中の右側の破線によって囲まれた還流ダイオード100の部分には、ドリフト領域2の基板領域1との接合面に対向する主面に接するように表面電極3が形成されている。さらには表面電極3に対向し、かつ基板領域1と接するように裏面電極4が形成されている。表面電極3は、ドリフト領域2との間にショットキー障壁を形成する金属材料を少なくとも含む単層もしくは多層の金属材料から構成されている。ショットキー障壁を形成する金属材料としては、チタン、ニッケル、モリブデン、金、白金などを用いることができる。また、表面電極3はアノード端子300として外部電極との接続をするために、最表面にアルミ、銅、金、ニッケル、銀などの金属材料を用いて多層の構造としても良い。一方、裏面電極4は基板領域1とオーミック接続するような電極材料から構成されている。オーミック接続する電極材料の一例としてはニッケルシリサイドやチタン材料などが挙げることができる。裏面電極4はカソード端子400として外部電極と接続される。このように、図45に示す還流ダイオード100は、表面電極3がアノード電極、裏面電極4がカソード電極としたダイオードとして機能する。さらに、図45においては、ドリフト領域2と表面電極3との接合面の端部に、ドリフト領域2と表面電極3とそれぞれ接するように、シリコン酸化膜からなるフィールド絶縁膜5が形成されている。フィールド絶縁膜5は、還流ダイオード100を半導体チップとして製造する際に、チップ外周部のショットキー接合部における電界集中を緩和するために、一般的に用いられる構造である。本実施形態においては、図45に一例としてフィールド絶縁膜5の端部の形状として、表面電極3と接する部分が直角の場合を示しているが(図45θ参照)、端部が鋭角形状になっていてももちろん良い。また、フィールド絶縁膜5が形成される外周端部の構成として、図46に示すように、ドリフト領域2中の表面電極3とフィールド絶縁膜5とが接する部分に、P型の電界緩和領域7を形成しても良い。さらに、図46の構成に加えて、電界緩和領域7の外周を囲むように、1本もしくは複数のガードリングが形成されていても良い。
次に、図45中の左側の破線によって囲まれた箇所の半導体スナバ200の部分について構成を説明する。
還流ダイオード100の外周端部の電界緩和に用いられているフィールド絶縁膜5の所定領域上に、絶縁物質からなる絶縁層16が形成されている。フィールド絶縁膜5の上面および絶縁層16の側面に多結晶シリコンからなる導電層17が形成されている。さらに、絶縁層16と対向する導電層17の表層の一部に接するように表面電極3が形成され、還流ダイオード100のアノード端子300と同電位となっている。つまり、本実施形態における半導体スナバ200は、導電層17は、抵抗220として機能し、フィールド絶縁膜5はキャパシタ210として機能する。
フィールド絶縁膜5は、必要な耐圧並びに必要なキャパシタ210の容量の大きさに応じて、厚みや面積を決めることができる。耐圧については、半導体スナバ200の機能としてだけではなく、還流ダイオード100の電界緩和という機能を満たすために、フィールド絶縁膜5の破壊防止のため、還流ダイオード100で形成されるショットキーバリアダイオードよりも高いことが望ましい。また、キャパシタ210の容量については、還流ダイオード100が、遮断状態時(高電圧印加時)に充電される空乏容量に対して、100分の1程度から100倍ぐらいの範囲で選ぶことができるが、十分なスナバ機能を発揮し、かつ損失の増加を極力抑え、必要となるチップ面積を考慮すると、後述する計算結果が示すように、概ね10分の1程度から10倍程度の範囲が望ましい。本実施形態においては、還流ダイオード100のショットキーバリアダイオードよりも耐圧が高くなるように厚みは1μmとし、キャパシタ210の容量が還流ダイオード100の遮断状態時に形成される空乏容量と同程度としたものを用いた場合で説明する。なお、フィールド絶縁膜5は、シリコン酸化膜以外の材料でも、所定の耐圧を有し、かつ電界緩和機能とキャパシタ210として機能する誘電材料であればどのような材料でも良い。更に、フィールド絶縁膜5は、絶縁破壊電界と比誘電率との積の値がシリコン酸化膜の値よりも大きい材料であれば、より良い。そのような材料を用いた場合には、誘電領域12の絶縁耐圧を維持しつつ、少ない面積で必要な静電容量を得ることができる。一般的なシリコン酸化膜の物性値として、絶縁破壊電界を1×109V/mとし、比誘電率を3.9とした場合、シリコン酸化膜の厚みが1μmの場合の単位面積当たりの静電容量は約3.4μF程度になる。それに対して、シリコン酸化膜の代わりにSi3N4を用いた場合、絶縁破壊電界を1×109V/mとし、比誘電率を7.5とした場合、厚みが1μmで同等の耐圧を確保することができる。このとき、Si3N4を用いた場合の単位面積当たりの静電容量は6.6pF程度になる。このように、Si3N4を用いた方が静電容量が約2倍程度大きくなり、誘電領域の絶縁耐圧を維持しつつ、より大きな静電容量を得ることができる。したがって面積効率が向上し、ウエハコストを低減することができる。この効果は誘電材料の絶縁破壊電界と比誘電率との積で比較することができ、シリコン酸化膜の値と、Si3N4の値を比較すると約2倍程度になっている。さらに、誘電領域の材料がBaTiO3のような強誘電体であれば、その値がシリコン酸化膜の約13倍となりより少ない面積にすることができる。また、誘電領域は単一の誘電材料とは限らず複数の誘電材料を積層したものを用いても良い。Si3N4をシリコン酸化膜で挟んだONO構造では、Si3N4のリーク電流をシリコン酸化膜により最小限にすることができる。
なお、絶縁層16を構成する絶縁物質の種類、および厚さについては、絶縁層16が形成する容量が、フィールド絶縁膜5のスナバのキャパシタとして機能する領域の容量に対して十分小さくなる物質、膜厚であれば、いずれの物質や膜厚を用いても良い。
また、導電層17の抵抗220の抵抗値Rの大きさとしては、効果的にスナバ機能を発揮する一般的な設計式C=1/(2πfR)を満たすように設定するのが望ましい。
なお、図45に示した半導体スナバ200においては、導電層17上に形成された表面電極3の位置が、基板領域1の垂直方向において、フィールド絶縁膜5と導電層17が接触する領域から基板領域1の水平方向にずれるように配置されている。還流ダイオード100からの振動電流が、このような構造を有する半導体スナバに流れた場合、裏面電極4からフィールド絶縁膜5を経て導電層17に流れ込む電流、もしくは表面電極3から導電層17を経てフィールド絶縁膜5へと流れ込む電流は、いずれも導電層17の膜厚方向以外の方向、すなわち導電層17の層方向へ流れることになる。従って、抵抗220の一部は、導電層17の膜厚方向の抵抗成分ではなく、層方向の抵抗成分で構成されるようになる。
本実施形態では、第1実施形態及び第2実施形態で説明したショットキーバリアダイオードと同様に、ユニポーラ動作を有しているため、一般的なシリコンで形成されたPN接合ダイオードに比べるとこの逆回復電流は格段に小さい。つまり、逆回復損失を大幅に低減することができる。
また、本実施形態においては、第1実施形態に対応する還流ダイオード100と半導体スナバ200のみが並列接続している場合で例示してきたが、第2実施形態及び第3実施形態で示したようなスイッチング素子600が並列接続されるような回路においても同様に本発明の効果を発揮することができる。
さらに、本実施形態においては、還流ダイオード100と半導体スナバ200が支持基体としての基板領域1及びドリフト領域2を共用し、かつ、電極材として表面電極3及び裏面電極4を共用している。さらに、還流ダイオード100の電解緩和機能として働くフィールド絶縁膜5もキャパシタ210の機能として共用することができる。つまり、これらの部分については、同一プロセスで形成することができるため、製造プロセスを簡易化することができる。また、1チップ化することによって、実装面積(敷地面積)を減らすことができるため、半導体パッケージを小型化することができる。また、還流ダイオード100及び半導体スナバ200の表面電極3が共通の電極となり、第1の実施形態では金属配線320、330で接続されていたのに比べて、配線等に生じる寄生インダクタンスをさらに低減することができるため、還流ダイオード100における振動現象をさらに低減することができる。また、配線長がより短くなることは、振動電流により配線から発する放射ノイズをさらに低減させる効果もある。さらに、本実施形態をL負荷回路に用いた場合には、還流ダイオード100と半導体スナバ200とを1チップ化した新たな効果を生むことができる。すなわち、第1の実施形態から第3の実施形態を通して説明してきたように、還流ダイオード100が遮断時及び導通時には半導体スナバ200は動作せずに過渡時のみ動作をし、還流ダイオード100の空乏容量並びに半導体スナバ200のキャパシタ容量Cに起因して発生する過渡電流を消費するべく抵抗220成分で発熱する。一方、還流ダイオード100においては、ターンオンおよびターンオフの過渡動作時においては、電流と電圧の位相ずれの影響であまり発熱しない。つまり、還流ダイオード100が最も発熱するのが定常の導通時となる。つまり、還流ダイオード100と半導体スナバ200とスイッチング回路の一連の動作の中で、発熱するタイミングが異なる。このため、1チップ化することによって、例えば還流ダイオード100の部分が導通時に発熱している際には半導体スナバ200の部分は遮断状態にあり発熱していないため、チップ全体としての温度上昇は別チップの場合と比べて低く抑えることができる。つまり、1チップ化することによって、還流ダイオード100の導通性能も向上することができる。
以上のように、本実施形態では、振動現象をさらに抑制し過渡性能を向上する効果と導通性能をともに向上すると同時に、小型でかつ低コストで実現することができる。
また、第4実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。
(変形例)
なお、図45、図46においては、表面電極3が半導体スナバ200と還流ダイオード100とで別々に形成されているが、図47に示すように表面電極3が一体化されていてもかまわない。
また、図45、図46においては、半導体スナバ200として図17、図18で説明した構造を有するものを内蔵した場合を示しているが、図48〜図50に示すように図19、図20や図22、図23または図25、図26に示した構造を有する半導体スナバ200を内蔵した場合においても、第1〜第3実施形態で得られる効果に加えて、1チップ化した場合における効果を得ることができる。
以上、図45〜図50では還流ダイオード100がショットキーバリアダイオードの場合を説明してきたが、例えば第3の実施形態で説明したヘテロ接合ダイオードの場合でも同様に容易に実現することができる。図51は図45に対応する断面図である。
図51中、基板領域41、ドリフト領域42、ヘテロ半導体領域43、表面電極44及び裏面電極45からなるヘテロ接合ダイオードに加えて、フィールド絶縁膜46がドリフト領域42とヘテロ半導体領域43との接合面の端部に、ドリフト領域42とヘテロ半導体領域43とそれぞれ接するように形成されている。さらに、フィールド絶縁膜46の所定領域上に、絶縁物質からなる絶縁層16が形成されている。フィールド絶縁膜46の上面および絶縁層16の側面に多結晶シリコンからなる導電層17が形成されている。さらに、絶縁層16と対向する導電層17の表層の一部に接するように表面電極3が形成され、還流ダイオード100のアノード端子300と同電位となっている。図51においても図45と同様に、フィールド絶縁膜46の端部の形状は鋭角形状でも良いし、図46のようにP型の電界緩和領域が形成されていても良い。また、電界緩和領域の外周を囲むように、1本もしくは複数のガードリングが形成されていても良い。
また、図51に示す半導体スナバ内蔵還流ダイオード800の動作においては、第3実施形態で説明した固有の効果と、本実施形態で説明した1チップ化した際の効果を実現することができる。さらに、図51の特徴としては、導電層17を還流ダイオード100のヘテロ半導体領域43と同一材料で形成している点にある。このような構成することによって、還流ダイオード100としてヘテロ接合ダイオードを用いた場合の効果に加え、製造工程をさらに簡略化し、低コストで実現することができる。
他にも図52、図53に示すような構成で、還流ダイオード100と半導体スナバ200とを1チップ化することができる。
図52は、図45に対して、還流ダイオード100としてショットキーバリアダイオードの代わりに図43で示したユニポーラ動作と同等の動作を有するPN接合ダイオードを構成した点が異なっている。本実施形態においても、図45と同様に、1チップ化が容易に実現でき、振動現象をさらに抑制し過渡性能を向上する効果と導通性能をともに向上すると同時に、小型でかつ低コストで実現することができる。
図53は図52に対して、半導体スナバ200のキャパシタ容量C成分の一部を反対導電型領域89とドリフト領域82との間に形成されるPN接合で構成している点が異なっている。本実施形態は、基板領域81とドリフト領域82からなる半導体基材を用いて、還流ダイオード100として働く反対導電型領域83と半導体スナバ200として働く反対導電型領域89とを同時に、不純物導入と不純物の活性化によって形成することで容易に実現できる。このような構成にすることによって、還流ダイオード100と半導体スナバ200とを同一プロセスで形成可能なため、製造工程を簡略化でき製造コストを低減することができる。なお、本実施形態では半導体スナバ200のキャパシタ容量成分の構成として、反対導電型領域89と低濃度ドリフト領域88との間に形成されるPN接合の空乏容量と、フィールド絶縁膜86による容量とが直列に接続した容量の場合を例示しているが、PN接合容量のみの構成としても良い。
なお、図51〜図53においても、表面電極が半導体スナバ200と還流ダイオード100とで別々に形成されているが、図47に示すように表面電極3が一体化されていてもかまわない。
また、図51〜図53においても、半導体スナバ200として図17、図18で説明した構造を有するものを内蔵した場合を示しているが、図19、図20、図22、図23または図25、図26に示した構造を有する半導体スナバ200を内蔵していても、もちろんかまわない。
さらに、第1実施形態において図27、図28で説明したように、第4実施形態においても、熱電材料から構成される放熱領域36を導電層17上に形成しても良い。
図54、図55は、図50で説明した導電層17に直接ダイヤモンドからなる放熱領域36を形成したものである。
半導体スナバ200における表面電極3は紙面奥行方向にてアノード端子300と接続されている。
この様な構成にすると、第1実施形態において説明した放熱領域36の効果と、還流ダイオード100と半導体スナバ200とを1チップ化したことによる効果の両方を得ることができる。
なお、図54、図55においては放熱領域36が、導電層17に直接するように形成されている場合を例にしているが、第1実施形態において図29、図30で説明したように絶縁層16を介して、導電層17と接するように放熱領域36を形成してもかまわない。
(第5実施形態)
本実施形態においては、第2実施形態の図34に示した回路図において、スイッチング素子600と半導体スナバ200が1つのチップ上に形成された場合について例示する。
図56は図35に対応する半導体チップの実装図である。図57は図36の実装図に用いられている半導体チップの断面構造図である。つまり、図57に示す断面構造図においてはスイッチング素子600と半導体スナバ200とが形成されている。本実施形態においては、第2実施形態と同様の動作をする部分の説明は省略し、異なる特徴ついて詳しく説明する。
(半導体装置の実装構造)
図56に示すように、カソード側金属膜410上には、半導体スナバ内蔵スイッチング素子900のコレクタ端子401側が、還流ダイオード100のカソード端子と共に、例えば半田やろう材等の接合材料を介して接するように配置されている。そして、半導体スナバ内蔵スイッチング素子900の半導体チップのエミッタ端子301側は、還流ダイオード100のアノード端子と共に、例えばアルミワイヤやアルミリボンなどの金属配線350を介して、共にアノード側金属膜310に接続された構成となっている。
(半導体スナバ内蔵スイッチング素子の構造)
また半導体スナバ内蔵スイッチング素子900を構成する半導体チップの断面構造を示したのが図57に示す断面構造図である。
図57に示すように、半導体スナバ内蔵スイッチング素子900は、右側の破線によって囲まれた箇所のスイッチング素子600の部分と、左側の破線によって囲まれた箇所の半導体スナバ200の部分で構成されている。
まず、スイッチング素子600の部分は、一般的なIGBTの構成を示している。シリコンを材料としたP+型の基板領域21上に、N型のバッファ領域22を介して、N−型のドリフト領域23が形成された基板材料で構成されている。ドリフト領域23中の表層部にP型のウェル領域24が、さらにウェル領域24中の表層部にN+型エミッタ領域25が形成されている。そして、ドリフト領域23、ウェル領域24及びエミッタ領域25の表層部に接するように、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜26を介して、例えばN型の多結晶シリコンからなるゲート電極27が配設されている。さらに、エミッタ領域25並びにウェル領域24に接するように例えばアルミ材料からなるエミッタ電極28が形成されている。また、基板領域21にオーミック接続するようにコレクタ電極30が形成されている。このように、本説明で用いるIGBTはゲート電極27が半導体基体に対して平面上に形成されている所謂プレーナ型をしている。
さらに、図57においては、ドリフト領域23もしくはウェル領域24の表層部に接するように、シリコン酸化膜からなるフィールド絶縁膜31が形成されている。フィールド絶縁膜31は、スイッチング素子600を半導体チップとして製造する際に、チップ外周部のPN接合部における電界集中を緩和するために、一般的に用いられる構造である。本実施形態においては、図57には、フィールド絶縁膜31の端部の形状として、表面電極3と接する部分が直角の場合を示しているが、端部が鋭角形状になっていてももちろん良い。また、フィールド絶縁膜31が形成される外周端部の構成として、ウェル領域24の外周を囲むように、1本もしくは複数のガードリングが形成されていても良い。
次に、図57中の左側の破線によって囲まれた箇所の半導体スナバ200の部分について構成を説明する。スイッチング素子600の外周端部の電界緩和に用いられているフィールド絶縁膜31の所定領域上に、スイッチング素子600のゲート絶縁膜26や層間絶縁膜(図示なし)などを形成する際に形成される絶縁膜32を介して、もしくはフィールド絶縁膜31に直接するように、絶縁物質からなる絶縁層16が形成されている。
フィールド絶縁膜31の所定領域には、スイッチング素子600のゲート絶縁膜26や層間絶縁膜(図示なし)などを形成する際に、絶縁膜32が形成される。絶縁層16の所定領域には、絶縁膜32を介して、多結晶シリコンからなる導電層17が形成されている。なお、本実施形態においては絶縁膜32が形成された場合について例示しているが、絶縁膜32を介さずフィールド絶縁膜31上に絶縁層16や導電層17が形成されていてももちろん良い。そして、導電層17に接するように表面電極3が形成され、スイッチング素子600のエミッタ端子301と同電位となっている。つまり、本実施形態における半導体スナバ200は、導電層17は抵抗220として機能し、フィールド絶縁膜31及び絶縁膜32はキャパシタ210として機能する。
フィールド絶縁膜31については、必要な耐圧並びに必要なキャパシタ210の容量の大きさに応じて、厚みや面積を決めることができる。耐圧については、半導体スナバ200の機能としてだけではなく、スイッチング素子600の電界緩和という機能を満たすためのフィールド絶縁膜31の破壊防止のため、スイッチング素子600の耐圧よりも高いことが望ましい。また、キャパシタ210の容量については、同一チップ上のスイッチング素子600とともに並列に接続される還流ダイオード100がそれぞれ遮断状態時(高電圧印加時)に充電される空乏容量に対して、100分の1程度から100倍ぐらいの範囲で選ぶことができるが、十分なスナバ機能を発揮し、かつ損失の増加を極力抑え、必要となるチップ面積を考慮すると、後述する計算結果が示すように、概ね10分の1程度から10倍程度の範囲が望ましい。
本実施形態においては、例えばスイッチング素子600の耐圧よりも高くなるように例えば厚みは1μmとし、キャパシタ210の容量がスイッチング素子600と還流ダイオード100の遮断状態時に形成される空乏容量の和と同程度としたものを用いた場合で説明する。なお、フィールド絶縁膜31は、シリコン酸化膜以外の材料でも、所定の耐圧を有し、かつ電界緩和機能とキャパシタ210として機能する誘電材料であればどのような材料でも良い。
また、導電層17の抵抗220の大きさとしては、効果的にスナバ機能を発揮する一般的な設計式C=1/(2πfR)を満たすように設定するのが望ましい。
なお、図57に示した半導体スナバにおいては、導電層17上に形成された表面電極3の位置が、基板領域21の垂直方向において、フィールド絶縁膜31と導電層17が接触する領域から基板領域1の水平方向にずれるように配置されている。スイッチング素子600からの振動電流が、このような構造を有する半導体スナバに流れた場合、コレクタ電極30からフィールド絶縁膜31を経て導電層17に流れ込む電流、もしくはエミッタ電極28から導電層17を経てフィールド絶縁膜31へと流れ込む電流は、いずれも導電層17の膜厚方向以外の方向、すなわち導電層17の層方向へ流れることになる。従って、抵抗220の一部は、導電層17の膜厚方向の抵抗成分ではなく、層方向の抵抗成分で構成されるようになる。
本実施形態では、第1実施形態及び第2実施形態で説明したショットキーバリアダイオードと同様に、ユニポーラ動作を有しているため、一般的なシリコンで形成されたPN接合ダイオードに比べるとこの逆回復電流は格段に小さい。つまり、逆回復損失を大幅に低減することができる。
さらに、本実施形態においては、スイッチング素子600と半導体スナバ200が支持基体としての基板領域21及びバッファ領域22及びドリフト領域23を共用し、かつ、電極材としてエミッタ電極28及びコレクタ電極30を共用している。さらに、スイッチング素子600の電界緩和機能として働くフィールド絶縁膜31もキャパシタ210の機能として共用することができる。さらに、スイッチング素子600のゲート電極27として働く多結晶シリコン膜を抵抗220として導電層17と同様に作成することができる。つまり、これらの部分については、同一プロセスで形成することができるため、製造プロセスを簡易化することができる。また、1チップ化することによって、実装面積(敷地面積)を減らすことができるため、半導体パッケージを小型化することができる。また、スイッチング素子600及び半導体スナバ200のエミッタ電極28が共通の電極となり、第2実施形態では金属配線350、330で接続されていたのに比べて、配線等に生じる寄生インダクタンスをさらに低減することができるため、並列接続している還流ダイオード100の逆回復時における振動現象をさらに低減することができる。さらに、本実施形態を例えば図37に示すようなインバータ回路に用いた場合には、スイッチング素子600と半導体スナバ200とを1チップ化した新たな効果を生むことができる。すなわち、第2の実施形態から第3の実施形態を通して説明してきたように、還流ダイオード100が逆回復動作をする場合においては、半導体スナバ200は振動現象を緩和するべく、還流ダイオード100、スイッチング素子600の空乏容量並びに半導体スナバ200のキャパシタ容量Cに起因して発生する過渡電流を消費し抵抗220で発熱する。一方、還流ダイオード100が逆回復動作をする場合においては、それに並列接続されているスイッチング素子600は導通状態にないため、ほとんど発熱していない。このことから、1チップ化することによって、逆回復時に半導体スナバ200の部分が発熱している際にはスイッチング素子600の部分は遮断状態にあり発熱していないため、チップ全体としての温度上昇は別チップの場合と比べて低く抑えることができる。つまり、1チップ化することによって、発熱による導電層17の高集積化が期待できる。
また、第5実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。
(変形例)
なお、図57においては、エミッタ電極28が半導体スナバ200とスイッチング素子600とで別々に形成されているが、図58に示すようにエミッタ電極28が一体化されていてもかまわない。
また、図57においては、半導体スナバ200として図17、図18で説明した構造を有するものを内蔵した場合を示しているが、図59、図60、図61に示すように図19〜図31に示した構造を有する半導体スナバ200を内蔵した場合においても、第1実施形態で得られる効果に加えて、1チップ化した場合における効果を得ることができる。以上のように、本実施形態では、振動現象をさらに抑制し過渡性能を向上する効果と導通性能をともに向上すると同時に、小型でかつ低コストで実現することができる。
以上、図56、図57ではスイッチング素子600がIGBTの場合を説明してきたが、第2実施形態および第3実施形態で説明したさまざまなスイッチング素子600と1チップ化した場合でも同様に容易に実現することができる。図62〜図64はその一例である。
図62は、図57のスイッチング素子600としてIGBTを用いる代わりに、MOSFETを用いた場合を示している。なお、図62のMOSFETは、炭化珪素の半導体基体からなる場合を示している。N+型である基板領域51上にN−型のドリフト領域52が形成された基板材料を用いており、ドリフト領域52中の表層部にP型のウェル領域53が、さらにウェル領域53中の表層部にN+型ソース領域54が形成されている。そして、ドリフト領域52、ウェル領域53及びソース領域54の表層部に接するように、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜55を介して、N型の多結晶シリコンからなるゲート電極56が配設されている。さらに、ソース領域54並びにウェル領域53に接するようにソース電極57が形成され、基板領域51にオーミック接続するようにドレイン電極59が形成されている。
さらに、図62においては、ドリフト領域52もしくはウェル領域53の表層部に接するように、シリコン酸化膜からなるフィールド絶縁膜31が形成されている。フィールド絶縁膜31は、スイッチング素子600を半導体チップとして製造する際に、チップ外周部のPN接合部における電界集中を緩和するために、一般的に用いられる構造である。本実施形態においては、図62にフィールド絶縁膜31の端部の形状として、表面電極3と接する部分が直角の場合を示しているが、端部が鋭角形状になっていてももちろん良い。また、フィールド絶縁膜31が形成される外周端部の構成として、ウェル領域53の外周を囲むように、1本もしくは複数のガードリングが形成されていても良い。
次に、図62中の左側の破線によって囲まれた箇所の半導体スナバ200の部分について構成を説明する。スイッチング素子600の外周端部の電界緩和に用いられているフィールド絶縁膜31の所定領域上に、スイッチング素子600のゲート絶縁膜55を形成する際に形成される絶縁膜32や層間絶縁膜(図示なし)などを介して、もしくはフィールド絶縁膜31に、直接、絶縁物質からなる絶縁層16が形成されている。
フィールド絶縁膜31の所定領域には、スイッチング素子600のゲート絶縁膜55や層間絶縁膜(図示なし)などを形成する際に形成される絶縁膜32を介して、絶縁層16の所定領域には直接して、多結晶シリコンからなる導電層17が形成されている。なお、本実施形態においては絶縁膜32が形成された場合について例示しているが、絶縁膜32を介さずフィールド絶縁膜31上に導電層17が形成されていてももちろん良い。そして、導電層17に接するようにソース電極57が形成され、スイッチング素子600のソース端子302と同電位となっている。つまり、本実施形態における半導体スナバ200は、導電層17は抵抗220として機能し、フィールド絶縁膜31及び絶縁膜32はキャパシタ210として機能する。導電層17は、必要な抵抗値の大きさに応じて、不純物濃度や厚みを変えることができる。
フィールド絶縁膜31については、必要な耐圧並びに必要なキャパシタ210の容量の大きさに応じて、厚みや面積を決めることができる。耐圧については、半導体スナバ200の機能としてだけではなく、スイッチング素子600の電界緩和という機能を満たすためのフィールド絶縁膜31の破壊防止のため、スイッチング素子600の耐圧よりも高いことが望ましい。また、キャパシタ210の容量については、同一チップ上のスイッチング素子600とともに並列に接続される還流ダイオード100がそれぞれ遮断状態時(高電圧印加時)に充電される空乏容量に対して、100分の1程度から100倍ぐらいの範囲で選ぶことができるが、十分なスナバ機能を発揮し、かつ損失の増加を極力抑え、必要となるチップ面積を考慮すると、後述する計算結果が示すように、概ね10分の1程度から10倍程度の範囲が望ましい。
本実施形態においては、例えばスイッチング素子600の耐圧よりも高くなるように例えば厚みは1μmとし、キャパシタ210の容量がスイッチング素子600と還流ダイオード100の遮断状態時に形成される空乏容量の和と同程度としたものを用いた場合で説明する。なお、フィールド絶縁膜31は、シリコン酸化膜以外の材料でも、所定の耐圧を有し、かつ電界緩和機能とキャパシタ210として機能する誘電材料であればどのような材料でも良い。
また、導電層17の抵抗220の大きさとしては、効果的にスナバ機能を発揮する一般的な設計式C=1/(2πfR)を満たすように設定するのが望ましい。
なお、図62に示した半導体スナバにおいては、導電層17上に形成された表面電極3の位置が、基板領域51の垂直方向において、フィールド絶縁膜31と導電層17が接触する領域から基板領域51の水平方向にずれるように配置されている。スイッチング素子600からの振動電流が、このような構造を有する半導体スナバに流れた場合、ドレイン電極59からフィールド絶縁膜31を経て導電層17に流れ込む電流、もしくはソース電極57から導電層17を経てフィールド絶縁膜31へと流れ込む電流は、いずれも導電層17の膜厚方向以外の方向、すなわち導電層17の層方向へ流れることになる。従って、抵抗220の一部は、導電層17の膜厚方向の抵抗成分ではなく、層方向の抵抗成分で構成されるようになる。
半導体スナバ200の抵抗220に導電層17の層方向における抵抗成分を利用する利点としては、導電層17の膜厚を変えることなく抵抗220を制御できる点が挙げられる。
具体的には、抵抗220を大きくするために導電層17の膜厚を厚く形成しようとした場合、堆積時間の増大に伴い、プロセスコストが増加するが、層方向の抵抗成分を利用して抵抗220を大きくしようとする場合においては、層方向の距離のみで容易に制御が可能であるため、導電層17の膜厚を厚く形成する必要がない。そのため、プロセスコストの低減を図ることができるという効果がある。
図62の動作については、第3実施形態で説明した固有の効果と、本実施形態で説明した1チップ化した際の効果を実現することができる。さらに、図62の特徴としては、図57と同様に、導電層17をスイッチング素子600のゲート電極56と同一材料で形成している点にある。このような構成することによって、スイッチング素子600としてMOSFETを用いた場合の効果に加え、製造工程をさらに簡略化し、低コストで実現することができる。
図63は、図57のスイッチング素子600としてIGBTを用いる代わりに、図41で示したヘテロ接合部を絶縁ゲート電極で駆動するトランジスタを用いた場合を示している。
図63に示すように、炭化珪素のポリタイプが4HタイプのN+型である基板領域61上にN−型のドリフト領域62が形成されている。ドリフト領域62の基板領域61との接合面に対向する主面に接するように、N型の多結晶シリコンからなるヘテロ半導体領域63が形成されている。そして、ヘテロ半導体領域63とドリフト領域62との接合面に共に接するように、シリコン酸化膜から成るゲート絶縁膜64が形成されている。また、ゲート絶縁膜64上にはゲート電極65が、ヘテロ半導体領域63のドリフト領域62との接合面に対向する対面にはソース電極66が、基板領域1にはドレイン電極68が接続するように形成されている。
さらに、図63においては、ドリフト領域62の表層部に接するように、シリコン酸化膜からなるフィールド絶縁膜31が形成されている。フィールド絶縁膜31は、スイッチング素子600を半導体チップとして製造する際に、チップ外周部の電界集中を緩和するために用いられる構造である。本実施形態においては、図63に一例としてフィールド絶縁膜31の端部の形状として、表面電極と接する部分が直角の場合を示しているが、端部が鋭角形状になっていてももちろん良い。また、フィールド絶縁膜31が形成される外周端部の構成として、ウェル領域等を形成したり、その外周を囲むように、1本もしくは複数のガードリングが形成されていても良い。
次に、図63中の左側の破線によって囲まれた箇所の半導体スナバ200の部分について構成を説明する。スイッチング素子600の外周端部の電界緩和に用いられているフィールド絶縁膜31の所定領域上に、絶縁物質からなる絶縁層16が形成されている。フィールド絶縁膜31および絶縁層16の所定領域には、多結晶シリコンからなる導電層17が形成されている。そして、導電層17に接するようにソース電極66が形成され、スイッチング素子600のソース端子302と同電位となっている。つまり、本実施形態における半導体スナバ200は、導電層17は抵抗220として機能し、フィールド絶縁膜31はキャパシタ210として機能する。
なお、図63に示した半導体スナバにおいては、導電層17上に形成されたソース電極66の位置が、基板領域61の垂直方向において、フィールド絶縁膜31と導電層17が接触する領域から基板領域61の水平方向にずれるように配置されている。スイッチング素子600からの振動電流が、このような構造を有する半導体スナバに流れた場合、ソース電極66からフィールド絶縁膜31を経て導電層17に流れ込む電流、もしくはドレイン電極68から導電層17を経てフィールド絶縁膜31へと流れ込む電流は、いずれも導電層17の膜厚方向以外の方向、すなわち導電層17の層方向へ流れることになる。従って、抵抗220の一部は、導電層17の膜厚方向の抵抗成分ではなく、層方向の抵抗成分で構成されるようになる。
半導体スナバ200の抵抗220に導電層17の層方向における抵抗成分を利用する利点としては、導電層17の膜厚を変えることなく抵抗220を制御できる点が挙げられる。
具体的には、抵抗220を大きくするために導電層17の膜厚を厚く形成しようとした場合、堆積時間の増大に伴い、プロセスコストが増加するが、層方向の抵抗成分を利用して抵抗220を大きくしようとする場合においては、層方向の距離のみで容易に制御が可能であるため、導電層17の膜厚を厚く形成する必要がない。そのため、プロセスコストの低減を図ることができるという効果がある。
図63の動作については、第3実施形態で説明した固有の効果と、本実施形態で説明した1チップ化した際の効果を実現することができる。さらに、図63の特徴としては、導電層17をスイッチング素子600のヘテロ半導体領域63と同一材料で形成している点にある。また、図57のスイッチング素子600の場合と同じように、導電層17をスイッチング素子600のゲート電極65と同一材料でも形成できる。
さらに、第3実施形態で説明したように、本実施形態においては、スイッチング素子600をユニポーラ型の還流ダイオードとしても使用ができるため、還流ダイオード100についても図63で示した半導体装置10で共用することができる。すなわち、本実施形態においては、還流ダイオード100を別チップで形成する以外にも、還流ダイオード100とスイッチング素子600と半導体スナバ200とを1チップ化して、半導体パッケージを小型化することができる。このことにより、配線等に生じる寄生インダクタンスをさらに低減することができるため、半導体スナバ200による振動現象をさらに低減することができる。また、配線長がより短くなることは、振動電流により配線から発する放射ノイズをさらに低減させる効果もある。また、チップサイズの低減によってコストが低減されると共に、還流ダイオード100とスイッチング素子600とのキャパシタ容量の和が小さくなるため、半導体スナバ200に必要なキャパシタ容量Cも小さくすることができる。つまり、小型且つ低コストで振動現象を抑制することができる。
図64は、図57のスイッチング素子600としてIGBTを用いる代わりに、図42で示したJFETを用いた場合を示している。図64中、例えば炭化珪素のポリタイプが4HタイプのN+型である基板領域71上にN−型のドリフト領域72が形成され、N+型のソース領域73とP型のゲート領域74が形成されており、ゲート領域74はゲート電極75に接続されており、ソース領域73はソース電極76に接続されており、基板領域71はドレイン電極78に接続されている。
さらに、図64においては、ドリフト領域72の表層部に接するように、例えばシリコン酸化膜からなるフィールド絶縁膜31が形成されている。フィールド絶縁膜31は、スイッチング素子600を半導体チップとして製造する際に、例えばチップ外周部のヘテロ接合部における電界集中を緩和するために用いられる構造である。本実施形態においては、図64に一例としてフィールド絶縁膜31の端部の形状として直角の場合を示しているが、端部が鋭角形状になっていてももちろん良い。また、フィールド絶縁膜31が形成される外周端部の構成として、ゲート領域74の外周を囲むように、1本もしくは複数のガードリングが形成されていても良い。
次に図64中の左側破線の左側に形成される半導体スナバ200の部分について構成を説明する。上記スイッチング素子600の外周端部の電界緩和に用いられているフィールド絶縁膜31の所定領域上に、例えばスイッチング素子600の絶縁膜77を形成する際に形成される絶縁膜32や層間絶縁膜(図示なし)などを介して、多結晶シリコンからなる導電層17が形成されている。なお、本実施形態においては絶縁膜32が形成された場合について例示しているが、絶縁膜32を介さずフィールド絶縁膜31上に導電層17が形成されていてももちろん良い。そして、導電層17に接するようにソース電極76が形成され、スイッチング素子600のソース端子302と同電位となっている。つまり、本実施形態における半導体スナバ200は、導電層17は抵抗220として機能し、フィールド絶縁膜31及び絶縁膜32はキャパシタ210として機能する。導電層17は必要な抵抗値の大きさに応じて、不純物濃度や厚みを変えることができる。
図64の動作については、第3の実施形態で説明した固有の効果と、本実施形態で説明した1チップ化した際の効果を実現することができる。このような構成することによって、製造工程をさらに簡略化し、低コストで実現することができる。
以上、スイッチング素子600と半導体スナバ200とを1チップ化する一例を説明してきたが、1チップ化する際に、半導体スナバ200の抵抗成分としては、多結晶シリコンからなる導電層17以外にも、半導体基体中の基板領域やドリフト領域を用いてもよい。また、半導体スナバ200のキャパシタ210の容量としても、シリコン酸化膜からなるフィールド絶縁膜31以外にも、PN接合やヘテロ接合などの逆バイアス時に空乏層を形成する構成とし、空乏容量を用いても良い。また、例えばショットキーバリアダイオードを内蔵するMOSFETなどのように、スイッチング素子600中に還流ダイオード100を内蔵する構成とし、半導体スナバ200と共に1チップ化してもよい。いずれの構成においても、本発明の特徴である振動現象をさらに抑制し、過渡性能と導通性能をともに向上すると同時に、小型でかつ低コストで実現することができる。
なお、図62〜図64においても、表面電極3が半導体スナバ200とスイッチング素子600とで別々に形成されているが、図58に示すように表面電極が一体化されていてもかまわない。
また、図62〜図64においても、半導体スナバ200として図17、図18で説明した構造を有するものを内蔵した場合を示しているが、図19〜図31に示した構造を有する半導体スナバ200を内蔵していても、もちろんかまわない。
以上、第1〜第5実施形態を通して、本発明の具体的な構成及び効果を説明してきたが、半導体スナバ200は、少なくとも還流ダイオード100と並列接続されていれば、同一実装基板上に実装されていなくても発振現象を低減する効果を得ることができる。
また、全ての実施形態において、還流ダイオード100、スイッチング素子600、半導体スナバ200の材料として、シリコン材料、炭化珪素材料などを一例として説明してきたが、振動現象の低減効果が得られれば、基板材料はシリコンゲルマン、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどその他の半導体材料でもかまわない。また、炭化珪素のポリタイプとして4Hタイプを用いて説明したが、6H、3C等その他のポリタイプでも構わない。また、スイッチング素子600および還流ダイオード100のドリフト領域としてN型の場合で説明してきたが、P型で構成されていてももちろん良い。
また、本発明の半導体装置を適用可能な電力変換装置として、DC/DCコンバータや3相交流インバータなどを一例として説明してきたが、図38に示すような一般にHブリッジなどと呼ばれる電力変換装置に用いても良い。いずれにしても、直流電圧を交流電圧に変換するインバータや、交流電圧を直流電圧に変換する整流器や、直流電圧を電圧を変えて出力するDC/DCコンバータなどのように、あらゆるタイプの電力変換装置に適用することができる。そして、本発明の構成を用いる電力変換装置であれば、大電流領域及びゼロ電領域のいずれの領域においても、さらには、低温および高温時のいずれにおいても、振動現象を低減することができる。このため、導通損失及び過渡損失を低減し高密度化ができると共に、振動現象が低減し安定的に動作させることができるので、装置の基本性能を両立して向上させることができる。
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものであり、本発明の主旨を逸脱しない範囲での変形を含むことは言うまでもない。