JPWO2011021361A1 - 半導体素子、半導体装置および電力変換器 - Google Patents
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Abstract
Description
b1.3×d^a1.3≦N<b0×d^a0
b0=1.349×1021
a0=−1.824
b1.3=2.399×1020
a1.3=−1.774
の関係を満足する。
N≧b1×d^a1
b1=2.188×1020
a1=−1.683
の関係を満足する。
N≧b0.6×d^a0.6
b0.6=7.609×1020
a0.6=−1.881
の関係を満足する。
図5(a)および(b)を参照しながら、本発明の実施形態に係る半導体素子100について説明する。図5(a)は、本実施形態の半導体素子100の構成を模式的に示す断面図である。なお、図5(b)は、本実施形態の半導体素子100の回路略号を表している。図5(b)に記されているダイオード記号は、半導体素子100のチャネル領域を介して電流を流すダイオードを意味する。Gはゲート電極、Sはソース電極、Dはドレイン電極を示す。
・チャネルエピ層の厚さ:20〜70nm
・チャネルエピ層の濃度:1×1017〜4×1018cm-3
・ゲート絶縁膜の厚さ:60〜120nm
・p型ボディ領域(ウェル領域)の濃度:2×1018〜2×1019cm-3
・チャネルエピ層の厚さ:10〜70nm
・チャネルエピ層の濃度:1×1017〜1.5×1019cm-3
直線(i)に対応する式:
N=b0×d^a0
b0=1.349×1021
a0=−1.824
直線(ii)に対応する式:
N=b0.6×d^a0.6
b0.6=7.609×1020
a0.6=−1.881、
直線(iii)に対応する式:N=b1×d^a1
b1=2.188×1020
a1=−1.683、
直線(iv)に対応する式:
N=b1.3×d^a1.3
b1.3=2.399×1020
a1.3=−1.774、
直線(v)に対応する式:
N=b2×d^a2
b2=5.754×1020
a2=−2.380
である。
ここで、^は冪乗を示し、A^Bは、ABを意味する。
Vpn=|Vds|−I×(Rsub+Rd)
となる。経路90で示されるチャネルダイオードの|Vf0|が小さいほど、同じ|Vds|に対してIが大きくなるため、ボディダイオードのpn接合にかかる電圧Vpnは小さくなる。そのため、ボディダイオードのpn接合にかかる電圧Vpnが、本来ボディダイオードに電流が流れ始める2.7Vの電圧に到達しないので、ボディダイオードには電流が流れない。つまり、炭化珪素半導体のpn接合に順方向電流を流すことによる結晶欠陥増加の問題を回避することができる。
b1×d^a1≦N<b0×d^a0
b0=1.349×1021
a0=−1.824
b1=2.188×1020
a1=−1.683
以下、本発明による半導体素子の第2の実施の形態を説明する。
b1×d^a1≦N<b0×d^a0
b0=1.349×1021
a0=−1.824
b1=2.188×1020
図41を参照しながら、本発明の第3の実施形態に係るスイッチング素子400を説明する。図41は、本実施形態のスイッチング素子400の構成を模式的に示す断面図である。
図50を参照しながら、本発明による第4の実施形態に係るスイッチング素子800を説明する。図50は、本実施形態のスイッチング素子800の構成を模式的に示す断面図である。
20、120 第1の炭化珪素半導体層(ドリフト層)
22 JFET領域
30、130 ボディ領域(ウェル領域)
32、132 ボディコンタクト領域(コンタクト領域)
40、140 ソース領域
45、145 ソース電極
47 ソース配線(ソースパッド)
50、150 第2の炭化珪素半導体層またはチャネル層(チャネルエピ層)
55 チャネル領域
60、160 ゲート絶縁膜
64 多結晶シリコン膜
65、165 ゲート電極
67 層間絶縁膜
68 ビアホール
70、170 ドレイン電極
72 裏面電極
75 ドレイン領域
81 マスク
90 ダイオード電流
100 半導体素子
100’ 半導体素子
101 半導体素子
102 半導体素子
112 基板
180、181、182 ボディダイオード
200 電力変換回路(インバータ回路)
210 昇降圧コンバータ
220 昇圧コンバータ
500 負荷
1000 インバータ回路
1100 半導体素子
1110 半導体素子
1200 還流ダイオード素子
1500 負荷
2000 直流電源
2100 誘導性負荷
2200 コントローラ
Claims (24)
- 横型の金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタを含む半導体素子と、
前記半導体素子の電位を設定する電位設定部と、
を備える半導体装置であって、
前記金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタは、
第1導電型または第2導電型の第1の炭化珪素半導体層と、
前記第1の炭化珪素半導体層内または前記第1の炭化珪素半導体層上に位置する第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域内に位置する第1導電型のソース領域と、
前記ソース領域から離間して配置された第1導電型のドレイン領域と、
前記第1の炭化珪素半導体層上でかつ前記ボディ領域および前記ソース領域の少なくとも一部に接して形成された第2の炭化珪素半導体層と、
前記第2の炭化珪素半導体層上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、
前記ソース領域に接触するソース電極と、
前記ドレイン領域に接触するドレイン電極と
を備え、
前記ソース電極の電位を基準とする前記ドレイン電極の電位をVds、
前記ソース電極の電位を基準とする前記ゲート電極の電位をVgs、
前記金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタのゲート閾値電圧をVth、
前記ドレイン電極から前記ソース電極へ流れる電流の向きを順方向、
前記ソース電極から前記ドレイン電極へ流れる電流の向きを逆方向と定義し、
前記電位設定部は、
トランジスタ動作ONモードにおいて、前記ソース電極の電位を基準とする前記ゲート電極の電位Vgsをゲート閾値電圧Vth以上に上昇させることにより、前記第2の炭化珪素半導体層を介して前記ドレイン電極と前記ソース電極との間を導通させ、
トランジスタ動作OFFモードにおいて、前記ソース電極の電位を基準とする前記ゲート電極の電位Vgsを0ボルト以上ゲート閾値電圧Vth未満にすることにより、前記金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタを、前記ソース電極から前記第2の炭化珪素半導体層を介して前記ドレイン電極へ前記逆方向に電流を流すダイオードとして機能させる、半導体装置。 - 前記ダイオードの立ち上がり電圧の絶対値は前記ボディ領域と前記第1の炭化珪素半導体層とにより構成されるボディダイオードの立ち上がり電圧の絶対値よりも小さい、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ダイオードの立ち上がり電圧の絶対値と前記ボディダイオードの立ち上がり電圧との差が、0.7ボルト以上である、請求項2に記載の半導体素子。
- 前記ダイオードの立ち上がり電圧の絶対値は、室温において1.3ボルト未満である請求項2に記載の半導体装置。
- 前記ダイオードの立ち上がり電圧の絶対値は、室温において1.0ボルト未満である請求項2に記載の半導体装置。
- 前記ダイオードの立ち上がり電圧の絶対値は、室温において0.6ボルト未満である請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第2の炭化珪素半導体層は、前記ドレイン領域の少なくとも一部に接している請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2の炭化珪素半導体層は、前記ドレイン領域に接していない請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ドレイン領域よりも第1導電型不純物濃度が低いLDD(Lightly Doped Drain)領域が、前記ドレイン領域と前記ソース領域との間において、前記ドレイン領域に接して形成されている請求項1に記載の半導体装置。
- 前記LDD領域は、第1導電型を有する前記第1の炭化珪素半導体層の一部である請求項9に記載の半導体装置。
- 前記LDD領域は、第2導電型を有する前記第1の炭化珪素半導体層に形成された第1導電型領域である請求項9に記載の半導体装置。
- 前記第1の炭化珪素半導体層が第2導電型を有する場合、前記第1の炭化珪素半導体層の一部が前記第2導電型のボディ領域として機能する、請求項1に記載の半導体装置。
- 横型の金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタを含む半導体素子であって、
前記金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタは、
第1導電型または第2導電型の第1の炭化珪素半導体層と、
前記第1の炭化珪素半導体層内または前記第1の炭化珪素半導体層上に位置する第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域内に位置する第1導電型のソース領域と、
前記ソース領域から離間して配置された第1導電型のドレイン領域と、
前記第1の炭化珪素半導体層上でかつ前記ボディ領域および前記ソース領域の少なくとも一部に接して形成された第2の炭化珪素半導体層と、
前記第2の炭化珪素半導体層上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、
前記ソース領域に接触するソース電極と、
前記ドレイン領域に接触するドレイン電極と
を備え、
前記ソース電極の電位を基準とする前記ドレイン電極の電位をVds、
前記ソース電極の電位を基準とする前記ゲート電極の電位をVgs、
前記金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタのゲート閾値電圧をVth、
前記ドレイン電極から前記ソース電極へ流れる電流の向きを順方向、
前記ソース電極から前記ドレイン電極へ流れる電流の向きを逆方向と定義すると、
Vgs≧Vthの場合、
前記金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタは、前記第2の炭化珪素半導体層を介して前記ドレイン電極と前記ソース電極との間を導通し、
0ボルト≦Vgs<Vthの場合、
前記金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタは、前記順方向に電流を流さず、Vds<0ボルトのとき、前記ソース電極から前記第2の炭化珪素半導体層を介して前記ドレイン電極へ前記逆方向に電流を流すダイオードとして機能し、
前記ダイオードの立ち上がり電圧の絶対値は、前記ボディ領域と前記第1の炭化珪素半導体層とにより構成されるボディダイオードの立ち上がり電圧の絶対値よりも小さい、半導体素子。 - 横型の金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタを含む半導体素子であって、
前記金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタは、
第1導電型または第2導電型の第1の炭化珪素半導体層と、
前記第1の炭化珪素半導体層内または前記第1の炭化珪素半導体層上に位置する第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域内に位置する第1導電型のソース領域と、
前記ソース領域から離間して配置された第1導電型のドレイン領域と、
前記第1の炭化珪素半導体層上でかつ前記ボディ領域および前記ソース領域の少なくとも一部に接して形成された第2の炭化珪素半導体層と、
前記第2の炭化珪素半導体層上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、
前記ソース領域に接触するソース電極と、
前記ドレイン領域に接触するドレイン電極と
を備え、
前記第2の炭化珪素半導体層は、第1導電型不純物がドープされた少なくとも1つの不純物ドープ層を含み、前記第2の炭化珪素半導体層における不純物濃度の平均をN(cm-3)、厚さをd(nm)とすると、Nおよびdが、
b1.3×d^a1.3≦N<b0×d^a0
b0=1.349×1021
a0=−1.824
b1.3=2.399×1020
a1.3=−1.774
の関係を満足する、半導体素子。 - さらに、
N≧b1×d^a1
b1=2.188×1020
a1=−1.683
の関係を満足する、請求項14に記載の半導体素子。 - さらに、
N≧b0.6×d^a0.6
b0.6=7.609×1020
a0.6=−1.881
の関係を満足する、請求項14に記載の半導体素子。 - dが5nm以上200nm以下である、請求項14に記載の半導体素子。
- dが10nm以上100nm以下である、請求項14に記載の半導体素子。
- dが20nm以上75nm以下である、請求項14に記載の半導体素子。
- 前記第2の炭化珪素半導体層は、前記第1の炭化珪素半導体層上にエピタキシャル成長した層である請求項14に記載の半導体素子。
- 前記第2の炭化珪素半導体層は、前記第1の炭化珪素半導体層にイオン注入を行うことにより形成された層である請求項14に記載の半導体素子。
- 請求項13から21の何れかに記載の半導体素子と、
電源電圧の少なくとも一部を前記半導体素子のソース電極とドレイン電極との間に印加する第1配線と、
前記半導体素子のスイッチングを制御するコントローラからの電圧を前記半導体素子のゲート電極に印加する第2配線と、
を備え、
負荷に供給する電力を出力する電力変換器。 - 電源と電気的に接続される端子をさらに備える、請求項1に記載の半導体装置。
- 誘導性負荷と電気的に接続される端子をさらに備える、請求項23に記載の半導体装置。
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