TWI647854B - 金氧半場效電晶體(mosfet)以及電力轉換電路 - Google Patents

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Abstract

本發明的金氧半場效電晶體的，其包括：半導體基體，其具有n型柱形區域、p型柱形區域、基極區域、以及源極區域，且由n型柱形區域與p型柱形區域構成超級接面結構；溝槽，具有側壁與底部；閘極電極，藉由閘極絕緣膜形成在溝槽內；載流子補償電極，位於閘極電極與溝槽的底部之間；絕緣區域，將載流子補償電極與側壁以及底部分離；以及源極電極，在與源極區域電氣連接的同時也與載流子補償電極電氣連接。
根據本發明的金氧半場效電晶體，即便閘極周圍的電荷平衡存在變動，也能將關斷金氧半場效電晶體後的開關特性的變動减小至比以往更小的水平。

Description

金氧半場效電晶體(MOSFET)以及電力轉換電路
本發明涉及金氧半場效電晶體以及電力轉換電路。
以往，具備由n型柱形(Column)區域與p型柱形區域所構成超級結(Super junction)結構的半導體基體的金氧半場效電晶體被普遍認知(例如：參考專利文獻1)。
以往的金氧半場效電晶體800如第10圖所示，包括：半導體基體810，具有n型柱形區域814與p型柱形區域816、形成在n型柱形區域814與p型柱形區域816的表面的p型基極區域818、以及形成在p型基極區域818的表面的n型源極區域820，且由n型柱形區域814與p型柱形區域816構成超級接面結構；溝槽(Trench)822，從平面看在n型柱形區域814所在的區域內，被形成至比基極區域818的最深部更深的位置上，且被形成為使源極區域820的一部分外露在內周面上；以及閘極電極826，藉由形成在溝槽822的內周面上的閘極絕緣膜824被埋設在溝槽822的內部之後形成。
在以往的金氧半場效電晶體800中，n型柱形區域814以及p型柱形區域816被形成為：使n型柱形區域814的摻雜物總量與p型柱形區域816的摻雜物總量相等。即，n型柱形區域814以及p型柱形區域816處於電荷平衡(Charge balance)狀態。
在本說明書中，「超級接面結構」係指：從選定的截面看時n型柱形區域與p型柱形區域被交互重複地排列的結構。另外，在本說明書中，「摻 雜物總量」係指：金氧半場效電晶體中作為構成要素(n型柱形區域或p型柱形區域)的摻雜物的總量。
由於以往的金氧半場效電晶體800具有由n型柱形區域814與p型柱形區域816構成超級接面結構的半導體基體810，因此係一種具有低導通(ON)電阻、且高耐壓的開關元件。
〔先前技術文獻〕
專利文獻1：日本特表2012-64660號公報
專利文獻2：日本特表2015-133380號公報
雖然由於以往的金氧半場效電晶體800如上述般係一種具有低導通電阻、且高耐壓的開關元件，可考慮將其運用在電力轉換電路中。但是，當將以往的金氧半場效電晶體800運用於電力轉換電路後，就存在有在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下將金氧半場效電晶體關斷(Turn off)後，開關特性的變動就會變大的問題。(參考第3圖中的Id(p較多)與Id(n較多)、以及Vds(n較多)與Vds(p較多))。
因此，鑒於上述先前技術之缺點本發明之主要目的即在於提供一種：即便閘極周圍的電荷平衡存在變動，也能將金氧半場效電晶體關斷後的開關特性的變動减小至比以往更小的金氧半場效電晶體以及使用這種金氧半場效電晶體的電力轉換電路。
(1)本發明的金氧半場效電晶體，其包括：半導體基體，具有在交互排列狀態下形成的n型柱形區域以及p型柱形區域、位於n型柱形區域與p型柱 形區域的表面的p型基極區域、以及位於基極區域的表面的n型源極區域，且由n型柱形區域與p型柱形區域構成超級接面結構；溝槽，從平面看在n型柱形區域所在的區域內形成，且具有與n型柱形區域、基極區域以及源極區域相鄰接的側壁、以及與n型柱形區域相鄰接的底部；閘極電極，藉由閘極絕緣膜形成在溝槽內；載流子(Carrier)補償電極，位於閘極電極與溝槽的底部之間；溝槽內的絕緣區域，延展於閘極電極與載流子補償電極之間，且沿著溝槽的側壁與底部延展使載流子補償電極與側壁及底部分離；以及源極電極，位於半導體基體的第一主面側的表面上，且在與源極區域電氣連接的同時也與載流子補償電極電氣連接。
在本說明書中，所謂「載流子補償電極」係指一種電極，其發揮的作用是：即使在n型柱形區域與p型柱形區域中電荷平衡(載流子的平衡、即摻雜物的平衡、p型柱形區域的寬度與n型柱形區域的寬度之間的平衡等)存在變動的情况下，也能透過對其變動進行補償，從而减小半導體裝置在關斷後開關特性的變動。
(2)根據本發明的金氧半場效電晶體，理想的情况是：在將從閘極電極的最上部直到最下部為止的厚度定為a，從載流子補償電極的最上部直到最下部為止的厚度定為b時，滿足0.2aba。
在本說明書中，所謂「最上部」係指距離半導體基體的第一主面最近(最淺)的部分，所謂「最下部」係指距離半導體基體的第一主面最遠(最深)的部分。
(3)根據本發明的金氧半場效電晶體，理想的情况是：半導體基體進一步具有形成在與第一主面相反一側的第二主面側的表面的低電阻半導體層，在將從載流子補償電極的最上部直到最下部為止的厚度定為b，從閘極電極的最下部直到低電阻半導體層的最上部為止的深度定為c時，滿足10bc。
(4)根據本發明的金氧半場效電晶體，理想的情况是：與溝槽相鄰接的區域處的n型柱形區域的摻雜物濃度，與n型柱形區域的最下部處的n型柱形區域的摻雜物濃度相同。
(5)根據本發明的金氧半場效電晶體，理想的情况是：與溝槽相鄰接的區域處的n型柱形區域的摻雜物濃度比n型柱形區域的最下部處的n型柱形區域的摻雜物濃度低。
(6)根據本發明的金氧半場效電晶體，理想的情况是：載流子補償電極與n型柱形區域之間的絕緣區域的厚度比閘極絕緣膜的厚度更厚。
(7)本發明的電力轉換電路，其包括：反應器；向反應器提供電流的電源；對從電源提供至反應器的電流進行控制的上述(1)至(6)中任意一項所述之金氧半場效電晶體；以及對從電源提供至反應器的電流或對來自於反應器的電流進行整流運作的整流元件。
(8)根據本發明的電力轉換電路，理想的情况是：整流元件為快速恢復二極體(Fast recovery diode)。
(9)根據本發明的電力轉換電路，理想的情况是：整流元件為金氧半場效電晶體的內置二極體。
(10)根據本發明的電力轉換電路，理想的情况是：整流元件為碳化矽蕭特基勢壘二極體(Silicon carbide Schottky Barrier Diode)。
根據本發明的金氧半場效電晶體以及電力轉換電路，由於具備：位於閘極電極與溝槽的底部之間的，且與源極電極電氣連接的載流子補償電極；以及延展於閘極電極與載流子補償電極之間的，且沿著溝槽的側壁與底部延展從而使載流子補償電極以及側壁與底部分離，位於溝槽內的絕緣區域，因 此在關斷後，來自於汲極的位移電流就不容易流入閘極電極。這樣一來，閘極電極就不易受到閘極周圍的n型柱形區域電位變化的影響，其結果就是，即使在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下，也能將關斷後開關特性的變動减小至比以往更低的水平。
另外，根據本發明的金氧半場效電晶體以及電力轉換電路，由於具備上述構成的載流子補償電極以及絕緣區域，因此n型柱形區域(為空乏的n型柱形區域)與閘極電極之間的間隔就比以往的金氧半場效電晶體更長，回饋電容Crss(與閘極‧汲極間電容Cgd相等)就比以往的金氧半場效電晶體更小，其所帶來的結果就是，以此觀來看，即使在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下，也能將關斷後開關特性的變動减小至比以往更低的水平。
另外，根據本發明的金氧半場效電晶體，由於具備由n型柱形區域以及p型柱形區域構成超級接面結構的半導體基體，因此其與以往一樣，是一種具有低導通電阻、且高耐壓的開關元件。
另外，在專利文獻2中記載了一種半導體裝置(以往的另一種金氧半場效電晶體900)(參考第11圖)，其包括：位於閘極電極926與溝槽922的底部之間的場平板電極(Field plate electrode)924；以及延展於閘極電極926與場平板電極924之間的，且沿著溝槽922的側壁與底部延展從而使場平板電極924與側壁與底部分離，位於溝槽922內的絕緣區域930。
但是，在以往的金氧半場效電晶體900中，由於為了降低導通(ON)電阻，在n-型柱形區域914的閘極周圍形成比n-型柱形區域914中的其它區域的摻雜物濃度更高的n型半導體區域944，(1)空乏區難以擴散至n型半導體區域944，未空乏的n型半導體區域944(或者n-型柱形區域914)與閘極電極926之間的間隔就難以變長。這樣一來，由於回饋電容Crss就難以變小，所以閘極電極926就容易受到閘極周圍的n型半導體區域944電位變化的影響。而且，(2)由於閘極周圍 的n型半導體區域944的摻雜物濃度比p-型柱形區域916更高(由於局部n較多)，因此在關斷期間內開關特性的變動就容易變大(參考第3圖中的Id(n較多)以及Vds(n較多))。
所以，以往的金氧半場效電晶體900無法獲得即使在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下，也能將關斷後開關特性的變動减小至比以往更低的水平這一效果。
所以，以往的金氧半場效電晶體900中的場平板電極924無法在閘極周圍的電荷平衡存在變動時對其變動進行補償，從而也就無法發揮出將關斷後開關特性的變動减小至比以往更低的水平的作用。因此，其並非本發明中的載流子補償電極。
1、2‧‧‧電力轉換電路
10‧‧‧反應器
12‧‧‧第一端子
14‧‧‧第二端子
20‧‧‧電源
30、30a、30b、30c、30d‧‧‧整流元件
100、100A、100a、100b、100c、100d、102、104、700、800、900‧‧‧金氧半場效電晶體
110、710、810、910‧‧‧半導體基體
112、712、812、912‧‧‧低電阻半導體層
113、713、813、913‧‧‧緩衝層
114、714、814、914‧‧‧n型柱形區域
115、715‧‧‧n型半導體層
116、716、816、916‧‧‧p型柱形區域
118、718、818、918‧‧‧基極區域
120、720、820、920‧‧‧源極區域
122、722、822、922‧‧‧溝槽
124、724、824、924‧‧‧閘極絕緣膜
126、726、826、926‧‧‧閘極電極
128‧‧‧載流子補償電極
130、930‧‧‧絕緣區域
132、732、932‧‧‧層間絕緣膜
134、734、934‧‧‧源極電極
136、736、936‧‧‧汲極電極
138‧‧‧n-型半導體層
140‧‧‧p型半導體層
942‧‧‧場平板電極
944‧‧‧n型半導體區域
846、946‧‧‧p+型半導體層
第1圖係實施方式一涉及的電力轉換電路1的電路圖。
第2圖係實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100的截面圖。
第3圖係繪示使用了比較例一涉及的金氧半場效電晶體的電力轉換電路中，將金氧半場效電晶體關斷後汲極‧源極間電壓Vds、汲極電流Id以及閘極‧源極間電壓Vgs的時間推移模擬結果的圖表。第3圖中，p較多表示p型柱形區域的摻雜物總量比n型柱形區域的摻雜物總量高10%，n較多表示n型柱形區域的摻雜物總量比p型柱形區域的摻雜物總量高10%，Just表示n型柱形區域的摻雜物總量與p型柱形區域的摻雜物總量相等(在第4圖中亦如此)。另外，電源電壓為300V(在第4圖中亦如此)。
第4圖係繪示實施方式一涉及的電力轉換電路1中，將金氧半場效電晶體關斷後汲極‧源極間電壓Vds、汲極電流Id以及閘極‧源極間電壓Vgs的時間推移模擬結果的圖表。
第5圖係繪示實施例涉及的金氧半場效電晶體100A以及比較例二涉及的金氧半場效電晶體700的截面圖。第5(a)圖係實施例涉及的金氧半場效電晶體100A的截面圖，第5(b)圖係比較例二涉及的金氧半場效電晶體700的截面圖。另外，圖5僅為簡圖，其不能嚴謹地反映出用於圖6中模擬結果的構造的尺寸與形狀。
第6圖係實施例涉及的金氧半場效電晶體100A與比較例二涉及的金氧半場效電晶體700中，將金氧半場效電晶體關斷後的等勢線模擬結果示意圖。第6(a)圖係實施例涉及的金氧半場效電晶體100A中，將金氧半場效電晶體關斷後的等勢線模擬結果示意圖，第6(b)圖係比較例二涉及的金氧半場效電晶體700中，將金氧半場效電晶體關斷後的等勢線模擬結果示意圖。另外，第6(a)圖對應的係第5(a)圖中被虛線包圍的區域，第6(b)圖對應的係第5(b)圖中被虛線包圍的區域。第6圖中的粗黑實線表示n型柱形區域與p型柱形區域之間的交界線，細黑實線為每相隔3V劃出的等勢線，白實線則表示載流子為通常時的5%的區域與除此以外的區域之間的交界線。
第7圖係實施方式二涉及的金氧半場效電晶體102的截面圖。
第8圖係實施方式三涉及的電力轉換電路2的電路圖。
第9圖係變形例涉及的金氧半場效電晶體104的截面圖。
第10圖係以往的金氧半場效電晶體800的截面圖。其中，符號812表示低電阻半導體層，符號813表示緩衝層，符號846表示p+型半導體層。
第11圖係以往的金氧半場效電晶體900的截面圖。其中，符號910表示半導體基體，符號912表示低電阻半導體層，符號813表示緩衝層，符號918表示基極區域，符號920表示源極區域，符號924表示閘極絕緣膜，符號932表示 層間絕緣膜，符號934表示源極電極，符號936表示漏電極，符號946表示p+型半導體層。
以下，將依據所附圖式中所示的實施方式，對本發明的金氧半場效電晶體以及電力轉換電路進行說明。另外，各圖僅為簡圖，不一定嚴謹地反映實際尺寸。
實施方式一
1.實施方式一涉及的電力轉換電路1的構成以及運作
實施方式一涉及的電力轉換電路1為作為直流-直流(DC-DC)變頻器或逆變器等構成要素的斬波電路。實施方式一涉及的電力轉換電路1如第1圖所示，包括：反應器10；電源20；實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100；以及整流元件30。
反應器10為能將能量積蓄在由通過流通的電流形成的磁場中的被動元件。
電源20是對反應器10提供電流的直流電源。金氧半場效電晶體100對由電源20提供給反應器10的電流進行控制。具體來說，金氧半場效電晶體100在響應由驅動電路(未圖示)施加至金氧半場效電晶體100的閘極電極的時鐘信號後進行開關轉換，當其處於導通狀態，則會使反應器10與電源20的負極之間導通。金氧半場效電晶體100的具體結構將後述。
整流元件30是對從電源20提供給反應器10的電流進行整流運作的矽快速恢復二極體。具體來說，整流元件30是一個被進行壽命控制(Lifetime control)的pin二極體。
電源20的陽極(+)與反應器10的第一端子12以及整流元件30的陰電極電氣連接，電源20的負極(-)與金氧半場效電晶體100的源極電極電氣連接。金氧半場效電晶體100的汲極電極與反應器10的第二端子14以及整流元件30的陽電極電氣連接。
在這樣的電力轉換電路1中，當金氧半場效電晶體100處於導通狀態時，就會形成從電源20的正極(+)經由反應器10以及金氧半場效電晶體100直至負極(-)的電流路徑，且電流會流通該電流路徑。此時，反應器10處會積蓄電源20的電能。
並且，在將金氧半場效電晶體100關斷後，流通在從電源20的正極(+)經由反應器10以及金氧半場效電晶體100直至負極(-)的電流路徑上的電流會减少，且最終會變為0。另一方面，反應器10由於自感應作用，從而在阻礙電流變化的方向上產生電動勢(積蓄於反應器10的電能被釋放出)。因反應器10的電動勢產生的電流向著整流元件30流通，在整流元件30處流通正方向電流。
另外，金氧半場效電晶體100處流通的電流量與整流元件30處流通的電流量之和，與反應器10處流通的電流量相等。且由於金氧半場效電晶體100的開關轉換期間很短(保守計算最長也只有100nsec)，因此在其期間內反應器10處流通的電流幾乎不會發生變化。所以，金氧半場效電晶體100處流通的電流量與整流元件30處流通的電流量之和，在導通狀態、關斷期間、以及關閉狀態中的任何一個情况下都幾乎不會發生變化。
然而，在這樣的電力轉換電路1中，作為金氧半場效電晶體，在使用以往的金氧半場效電晶體800的情况下，當閘極周圍的電荷平衡存在變動，就會出現關斷後開關特性的變動變大的問題(參考第3圖)。
因此，在本發明中，作為金氧半場效電晶體使用的是下述實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100。
2.實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100的結構
實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100如第2圖所示包括：半導體基體110；溝槽122；閘極電極126；載流子補償電極128；絕緣區域130；層間絕緣膜132；源極電極134；以及漏電極136的溝槽閘極型金氧半場效電晶體。金氧半場效電晶體100的汲極‧源極間電壓為300V以上，例如：600V。
半導體基體110具有：形成在與第一主面相反一側的第二主面側的表面的n型低電阻半導體層112、形成在低電阻半導體層112上的比低電阻半導體層112摻雜物濃度更低的n型緩衝層113、由在緩衝層113上沿著水平方向交互地排列的n型柱形區域114以及p型柱形區域116、形成在n型柱形區域114以及p型柱形區域116的表面上的p型基極區域118、以及形成在基極區域118的表面的n型源極區域120，且由n型柱形區域114與p型柱形區域116構成了超級接面結構。另外，緩衝層113與n型柱形區域114被形成為一體，由緩衝層113與n型柱形區域114構成了n型半導體層115。
雖然n型柱形區域114的摻雜物總量與p型柱形區域116的摻雜物總量相等，但也可比p型柱形區域116的摻雜物總量更少，或是比p型柱形區域116的摻雜物總量更多。
n型柱形區域114與p型柱形區域116的摻雜物濃度均不受深度的影響而保持固定。也就是說，與溝槽122相鄰接的區域處的n型柱形區域114的摻雜物濃度與n型柱形區域114的最下部處的n型柱形區域114的摻雜物濃度相同，與基極區域118相鄰接的區域處的p型柱形區域116的摻雜物濃度與p型柱形區域116的最下部處的p型柱形區域116的摻雜物濃度相同。在p型柱形區域116中，p型柱形區域116的寬度隨著從第二主面側向第一主面側而逐漸變寬，在n型柱形區域114中，n型柱形區域114的寬度隨著從第二主面側向第一主面側而逐漸變窄。
n型柱形區域114、p型柱形區域116、源極區域120、溝槽122以及閘極電極126從平面看均被形成為呈條紋(Stripe)狀。
低電阻半導體層112的厚度例如在100μm~400μm範圍內，低電阻半導體層112的摻雜物濃度例如在1×1019cm-3~1×1020cm-3範圍內。n型半導體層115的厚度例如在5μm~120μm範圍內，n型半導體層115的摻雜物濃度例如在5×1013cm-3~1×1016cm-3範圍內。p型柱形區域116的摻雜物濃度例如在5×1013cm-3~1×1016cm-3範圍內。基極區域118的最下部的深度位置例如在0.5μm~4.0μm範圍內，基極區域118的摻雜物濃度例如在5×1016cm-3~1×1018cm-3範圍內。源極區域120的最深部的深度位置例如在0.1μm~0.4μm範圍內，源極區域120的摻雜物濃度例如在5×1019cm-3~2×1020cm-3範圍內。
溝槽122被形成在從平面看n型柱形區域114所在的區域內，且其具有與n型柱形區域114、基極區域118與源極區域120相鄰接的側壁、以及與n型柱形區域114相鄰接的底部。溝槽122的深度在2.0μm~8.0μm範圍內，例如為5μm。
閘極電極126藉由閘極絕緣膜124後形成在溝槽122內。具體來說，其是藉由形成在溝槽122的側壁上的閘極絕緣膜124後，在溝槽122內形成為與基極區域118相向。閘極絕緣膜124由透過熱氧化法形成的厚度例如為100nm的二氧化矽膜所構成。閘極電極126由透過化學氣相沉積(CVD)法以及離子注入法形成的低電阻多晶矽所構成。
載流子補償電極128位於閘極電極126與溝槽122的底部之間。載流子補償電極128的寬度比閘極電極126的寬度更窄。
絕緣區域130在溝槽122內延展於閘極電極126與載流子補償電極128之間，且沿著溝槽122的側壁與底部延展從而使載流子補償電極128與側壁以 及底部分離。載流子補償電極128與n型柱形區域114之間的絕緣區域130的厚度比閘極絕緣膜124的厚度更厚。
層間絕緣膜132被形成為覆蓋源極區域120的一部分、閘極絕緣膜124以及閘極電極126。層間絕緣膜132由通過化學氣相沉積(CVD)法形成的厚度例如為1000nm的磷矽酸鹽玻璃(PSG)膜構成。
源極電極134位於半導體基體110的第一主面側的表面上的覆蓋基極區域118、源極區域120的一部分、以及層間絕緣膜132的位置上，且在與源極區域120電氣連接的同時也與載流子補償電極128電氣連接。源極電極134由透過濺射法形成的厚度例如為4μm的鋁系金屬(例如Al-Cu系合金)所構成。
汲極電極136形成在低電阻半導體層112的表面上。汲極電極136通過Ti-Ni-Au等多層金屬膜形成。多層金屬膜的整體厚度例如為0.5μm。
實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100在將從閘極電極126的最上部直到最下部為止的厚度定為a，從載流子補償電極128的最上部直到最下部為止的厚度定為b時，滿足0.2aba。
實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100在將從載流子補償電極128的最上部直到最下部為止的厚度定為b，從閘極電極126的最下部直到低電阻半導體層112的最上部為止的深度定為c時，滿足10bc。
3.關斷金氧半場效電晶體後的金氧半場效電晶體100的運作及波形
為了對實施方式一涉及的金氧半場效電晶體進行說明，首先對比較例一涉及的金氧半場效電晶體進行說明。比較例一涉及的金氧半場效電晶體與以往的金氧半場效電晶體800具有同樣的構成。
在實施方式一涉及的電力轉換裝置1中，在使用比較例一涉及的金氧半場效電晶體來代替金氧半場效電晶體100的情况下，比較例一涉及的金氧半場效電晶體的運作如下。
(1)汲極電流Id
在n型柱形區域的摻雜物總量與p型柱形區域的摻雜物總量相等的情况下(以下簡稱為在等量(Just)的情况下)，從汲極電流Id開始减少直至汲極電流Id最初變為0的期間內，運作為短暫地出現汲極電流Id暫時上升的期間(運作為汲極電流Id的波形中短暫地出現科布(Cobb)波形，參考第6圖中的Id(Just))。從汲極電流Id開始减少直至汲極電流Id最初變為0的期間約為0.02μsec(20nsec)。
在電荷平衡存在變動使n型柱形區域的摻雜物總量比p型柱形區域的摻雜物總量更大的情况下(以下簡稱為n較多)，從汲極電流Id開始减少直至汲極電流Id最初變為0的期間內，運作為短暫地出現汲極電流Id暫時上升的期間(運作為汲極電流Id的波形中出現大的科布波形，參考第3圖中的Id(n較多))。在該科布波形中，汲極電流Id的電流值會增加至比等量的情况下更高的程度，且汲極電流Id變為0為止的期間也比等量的情况大幅延長(相對于等量的情况下的約為0.02μsec(20nsec)，n較多的情况下約為0.04μsec(40nsec))。
另外，在p型柱形區域的摻雜物總量比n型柱形區域的摻雜物總量更大的情况下(以下簡稱為p較多)，則運作為汲極電流Id單調地减少(運作為汲極電流Id的波形中不出現科布波形，參考第3圖中的Id(p較多))。
(2)汲極‧源極間電壓Vds
n較多的情况下，汲極‧源極間電壓Vds相比等量的情况更緩慢地上升至約350V，然後，在緩慢地减少後穩定在電源電壓(300V)的水平上運作。從汲極‧源極間電壓Vds開始上升直至穩定運行所需的時間也比等量的情况更長，約為0.05μsec(50nsec))(參考第3圖中的Vds(n較多))。
p較多的情况下，汲極‧源極間電壓Vds在相比等量的情况更急劇地上升至約370V後，穩定在電源電壓(300V)的水平上運作(參考第3圖中的Vds(p較多))。從汲極‧源極間電壓Vds開始上升直至穩定運行所需的時間約為0.02μsec(20nsec))。
(3)閘極‧源極間電壓Vgs
n較多的情况下，閘極‧源極間電壓Vgs運作為在米勒(Mirror)效應期間結束後短暫地出現暫時上升的期間(參考第3圖中的Vgs(n較多))。另一方面，在等量以及p較多的情况下，閘極‧源極間電壓Vgs則運作為幾乎無變化地單調地减少(參考第3圖中的Vgs(p較多)以及Vgs(Just))。
從上述(1)~(3)從可以明白，在比較例一涉及的金氧半場效電晶體中，在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下(等量變為n較多或p較多的情况下)，就會導致關斷後開關特性，特別是汲極電流Id以及汲極‧源極間電壓Vds的變動加大。在電荷平衡偏向於n較多的情况下，開關特性的變動就會變得特別大。
相對於此，在實施方式一涉及的電力轉換電路1中，實施方式一涉及的金氧半場效電晶體則會如以下般運作。
(1)汲極電流Id
在等量、n較多以及p較多，即所有的情况下，關斷期間變短，且在任何一種情况下均會運作為相似的波形(參考第4圖中各Id)。特別是，在n較多的情况下，會運作為：汲極電流Id的波形中出現科布波形就會變小，且接近於等量與p較多的情况下的波形。
(2)汲極‧源極間電壓Vds
在等量、n較多以及p較多，即所有的情况下，關斷期間變短(0.03μsec(30nsec)程度以下)，且在任何一種情况下均會運作為相似的波形(參考 第4圖中各Vds)。雖然在p較多的情况下會產生振鈴，但使能通過設置吸收電路(Snubber circuit)等將振鈴消除的構造來减小振鈴。
(3)閘極‧源極間電壓Vgs
在等量、n較多以及p較多，即所有的情况下，均運作為閘極‧源極間電壓Vgs的波形幾乎沒有差別(參考第4圖中各Vgs)。在實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100中，米勒效應期間變得較比較例一涉及的金氧半場效電晶體更短。
從上述(1)~(3)從可理解的是，在實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100中，即便是在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下(等量變為n較多或p較多的情况下)，也能將關斷後開關特性的變動减小至比以往更低的水平。
接下來，將從電位的觀點對金氧半場效電晶體關斷後的金氧半場效電晶體的運作進行說明。實施例涉及的金氧半場效電晶體100A除了在與源極電極接觸的部分深挖至源極區域的最下部的深度位置這一點以外，與實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100具有同樣的結構(參考第5(a)圖)，而比較例二涉及的金氧半場效電晶體700除了在與源極電極接觸的部分深挖至源極區域的最下部的深度位置這一點以外，與以往的金氧半場效電晶體800具有同樣的結構(參考第5(b)圖)。
在比較例二涉及的金氧半場效電晶體700中，在關斷金氧半場效電晶體後，由於等勢線同樣會進入到閘極電極726與n型柱形區域714之間的絕緣膜中，導致直到閘極電極726附近的區域都處於高電位狀態下，這樣一來，閘極電極726的電位就處於容易升高的狀態下(參考第6(b)圖)。因此，在閘極周圍的電荷平衡存在變動，關斷後開關特性就容易發生變動。
相對於此，在實施例涉及的金氧半場效電晶體100A中，雖然等勢線同樣會進入到載流子補償電極128與n型柱形區域114之間的絕緣區域130中， 但由於距離閘極電極126較遠，且載流子補償電極128位於進入到絕緣區域130的等勢線與閘極電極126之間，因此閘極電極126就會處於電位很難上升的狀態下(參考第6(a)圖)。這樣一來，即便是在閘極周圍的電荷平衡存在變動，關斷後開關特性也不易發生變動。
4.實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100以及電力轉換電路1的效果
根據實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100以及電力轉換電路1，由於具備：位於閘極電極126與溝槽122的底部之間的，且與源極電極134電氣連接的載流子補償電極128；以及延展於閘極電極126與載流子補償電極128之間的，且沿著溝槽122的側壁與底部延展從而使載流子補償電極128與側壁以及底部分離，位於溝槽122內的絕緣區域130，因此在關斷後，由於來自於汲極的位移電流就會經由載流子補償電極128流向源極電極134，所以變位電流就不容易流入閘極電極126。這樣一來，閘極電極126就不易受到閘極周圍的n型柱形區域114電位變化的影響，其結果就是，即使在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下，也能將關斷後開關特性的變動减小至比以往更低的水平。
另外，根據實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100以及電力轉換電路1，由於具備上述構成的載流子補償電極128以及絕緣區域130，因此n型柱形區域114(為空乏的n型柱形區域)與閘極電極126之間的間隔就比以往的金氧半場效電晶體800更長，回饋電容Crss就比以往的金氧半場效電晶體800更小，因此閘極電極126就不易受到閘極周圍的n型柱形區域114電位變化的影響，其所帶來的結果就是，以此觀來看，即使在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下，也能將關斷後開關特性的變動减小至比以往更低的水平。
另外，根據實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100，由於包括具有由n型柱形區域114與p型柱形區域116構成的超級接面結構117的半導體基體110，因此其與以往一樣，是一種具有低導通電阻、且高耐壓的開關元件。
另外，根據實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100，由於在將從閘極電極126的最上部直到最下部為止的厚度定為a，從載流子補償電極128的最上部直到最下部為止的厚度定為b時，滿足0.2aba，因此在形成載流子補償電極128時就不需要形成很深的溝槽，所以其是一種能滿足電子器件低成本以及小型化的需求的金氧半場效電晶體。
另外，根據實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100，由於在將從載流子補償電極128的最上部直到最下部為止的厚度定為b，從閘極電極126的最下部直到低電阻半導體層112的最上部為止的深度定為c時，滿足10bc，因此其是一種高耐壓的金氧半場效電晶體。在這樣的高耐壓的金氧半場效電晶體中，即使在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下，也同樣能將關斷後開關特性的變動减小至比以往更低的水平。
另外，根據實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100，由於在將從載流子補償電極128的最上部直到最下部為止的厚度定為b，從閘極電極126的最下部直到低電阻半導體層112的最上部為止的深度定為c時，滿足10bc，因此閘極電極126就會位於距離漏電極136較遠的位置上，從而閘極周圍的n型柱形區域114的電位就很難上升。其結果就是，即使在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下，也能進一步地减小關斷後開關特性的變動。
另外，根據實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100，由於與溝槽122相鄰接的區域處的n型柱形區域114的摻雜物濃度與n型柱形區域114的最下部處的n型柱形區域114的摻雜物濃度相同，因此在半導體裝置的製造過程中，就能在不改變導入摻雜物時的濃度的情况下容易地形成n型柱形區域114。
另外，根據實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100，由於載流子補償電極128與n型柱形區域114之間的絕緣區域130的厚度比閘極絕緣膜124的厚度更厚，因此就能在使閘極電極126作為金氧半場效電晶體發揮功能的同時，充分地保持作為源極電位的載流子補償電極128與作為電位接近汲極電位的n型柱形區域114之間的耐壓。
另外，根據實施方式一涉及的電力轉換電路1，由於整流元件30為快速恢復二極體，因此其關斷期間短，因而能减小因反向恢復電流所帶來的損耗。
實施方式二
實施方式二涉及的金氧半場效電晶體102基本上與實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100具有同樣的結構，但其與實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100的不同點在於：與溝槽相鄰接的區域處的n型柱形區域的摻雜物濃度比n型柱形區域的最下部處的n型柱形區域的摻雜物濃度更低。即，在實施方式二涉及的金氧半場效電晶體102的半導體基體110中，如第7圖所示，n型柱形區域114在與溝槽122相鄰接的區域上具有摻雜物濃度比n型柱形區域114的最下部處的摻雜物濃度更低的區域(n-型半導體區域138)。
在實施方式二中，也可以是：n型柱形區域114中僅在與溝槽122相鄰接的區域上具有摻雜物濃度比n型柱形區域114的最下部處的摻雜物濃度更低的區域，或是：除了與溝槽122相鄰接的區域以外的區域上也具有摻雜物濃度比n型柱形區域114的最下部處的摻雜物濃度更低的區域(例如，n型柱形區域114也可被構成為摻雜物濃度隨著靠近第一主面側(源極電極134側)而逐漸降低)。
像這樣，實施方式二涉及的金氧半場效電晶體102雖然在：與溝槽相鄰接的區域處的n型柱形區域的摻雜物濃度比n型柱形區域的最下部處的n型柱形區域的摻雜物濃度更低這一點上不同於實施方式一涉及的金氧半場效電 晶體100，但其與實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100一樣，由於具備：位於閘極電極126與溝槽122的底部之間的，且與源極電極134電氣連接的載流子補償電極128；以及延展於閘極電極126與載流子補償電極128之間的，且沿著溝槽122的側壁與底部延展從而使載流子補償電極128與側壁以及底部分離的，位於溝槽122內的絕緣區域130，因此在關斷後，由於來自于汲極的位移電流就會經由載流子補償電極128流向源極電極134，所以變位電流就不容易流入閘極電極126。這樣一來，閘極電極126就不易受到閘極周圍的n型柱形區域114電位變化的影響，其結果就是，即使在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下，也能將關斷後開關特性的變動减小至比以往更低的水平。
另外，根據實施方式二涉及的金氧半場效電晶體102，由於與溝槽相鄰接的區域處的n型柱形區域的摻雜物濃度比n型柱形區域的最下部處的n型柱形區域的摻雜物濃度更低，因此閘極周圍的n型柱形區域114就更加容易空乏，由於n型柱形區域114(未空乏的n型柱形區域)與閘極電極126之間的間隔就容易變的更長，且回饋電容Crss就會變的更小，因此閘極電極126就更加不易受到n型柱形區域114電位變化的影響，其結果就是，即便閘極周圍的電荷平衡存在變動，也能進一步减小關斷後的開關特性的變動。
另外，實施方式二涉及的金氧半場效電晶體102除了在與溝槽相鄰接的區域處的n型柱形區域的摻雜物濃度比n型柱形區域的最下部處的n型柱形區域的摻雜物濃度更低這一點以外與實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100具有同樣的結構，因此也同樣具有實施方式一涉及的金氧半場效電晶體100所具有的相關效果。
實施方式三
實施方式三涉及的電力轉換電路2基本上與實施方式一涉及的電力轉換電路1具有同樣的結構，但是其與實施方式一涉及的電力轉換電路1的不 同點在於：其為全橋式電路。即，在實施方式三涉及的電力轉換電路2中，如第8圖所示，其具備四個金氧半場效電晶體100(100a、100b、100c、100d)來作為金氧半場效電晶體，且其還具備各個金氧半場效電晶體的內置二極體來作為整流元件。
雖然實施方式三涉及的電力轉換電路2在其為全橋式電路這一點上不同於實施方式一涉及的電力轉換電路1，但其與實施方式一涉及的電力轉換電路1一樣，由於金氧半場效電晶體100(100a、100b、100c、100d)具備：位於閘極電極126與溝槽122的底部之間的，且與源極電極134電氣連接的載流子補償電極128；以及延展於閘極電極126與載流子補償電極128之間的，且沿溝槽122的側壁與底部延展從而使載流子補償電極128與側壁以及底部分離，位於溝槽122內的絕緣區域130，因此在關斷後，由於來自汲極的位移電流就會經由載流子補償電極128流向源極電極134，所以變位電流就不容易流入閘極電極126。這樣一來，閘極電極126就不易受到閘極周圍的n型柱形區域114電位變化的影響，其結果就是，即使在閘極周圍的電荷平衡存在變動的情况下，也能將關斷後開關特性的變動减小至比以往更低的水平。
另外，根據實施方式三涉及的電力轉換電路2，由於整流元件為金氧半場效電晶體的內置二極體，因此就無需再另行準備整流元件。
另外，根據實施方式三涉及的電力轉換電路2，由於金氧半場效電晶體100(100a~100d)具備：位於閘極電極126與溝槽122的底部之間的，且與源極電極134電氣連接的載流子補償電極128；以及延展於閘極電極126與載流子補償電極128之間的，且沿溝槽122的側壁以及底部延展從而使載流子補償電極128與側壁以及底部分離的，位於溝槽122內的絕緣區域130，因此在關斷金氧半場效電晶體後，(1)由於來自於汲極的位移電流就會經由載流子補償電極128流向源極電極134，所以變位電流就不容易流入閘極電極126。(2)由於n型柱形區域114 中未空乏的n型柱形區域與閘極電極126之間的間隔就變的更長，所以回饋電容Crss就會變的更小，因此，即便在關斷金氧半場效電晶體後n型柱形區域114(n型柱形區域114中未空乏的區域)的電位伴隨汲極電壓的上升而上升，閘極電極126也不易受到n型柱形區域114電位變化的影響。這樣一來，就不易發生被稱為誤開啟(Falls turn-on)的現象。
另外，被稱為誤開啟的現象具體係指：在連接有兩個以上的金氧半場效電晶體的電路中，在任意一方的金氧半場效電晶體開始時，由於電位的變化而導致另一方的金氧半場效電晶體也錯誤開啟的現象。
並且，實施方式三涉及的電力轉換電路2除了在其為全橋式電路這一點以外與實施方式一涉及的電力轉換電路1具有同樣的結構，因此也同樣具有實施方式一涉及的電力轉換電路1所具有的相關效果。
以上，基於上述實施方式對本發明進行了說明，本發明不僅限於上述實施方式。本發明能在不脫離本發明主旨的範圍內在各種各樣的形態下實施，例如，可為以下的變形。
(1)上述各實施方式中記載的構成要素的數量、材質、形狀、位置、大小等僅為示例，因此能在不有損本發明效果的範圍內進行變更。
(2)在上述各實施方式中，雖然在溝槽內具備載流子補償電極，但本發明不僅限於此。也可採用溝槽的最下部周圍形成p型半導體區域來代替在溝槽內具備載流子補償電極(參考第9圖中的符號140)。通過這樣的構成，由於能將n型柱形區域內的高電位區域設置在距離閘極電極126較遠的位置上(換言之，由於能使等勢線的分布與第6(a)圖近似)，因此n型柱形區域114(未空乏的n型柱形區域)與閘極電極126之間的間隔就變的比以往的金氧半場效電晶體800更長，且回饋電容Crss也變的比以往的金氧半場效電晶體800更小，其結果就是，有此觀點 來說，即便閘極周圍的電荷平衡存在變動，也同樣能將關斷後的開關特性的變動减小至比以往更低的水平。
另外，在採用溝槽的最下部周圍形成p型半導體區域140的情况下，在活性區域周圍區域中的溝槽122的末端部(條紋的末端部)附近，p型半導體區域140需要與基極區域118電氣連接(例如，p型半導體區域140藉由沿溝槽122的末端部側壁形成的p型半導體區域與基極區域118電氣連接)。這是基於如下理由，即：假設在活性區域周圍區域中的溝槽122的末端部附近，p型半導體區域140未與基極區域118電氣連接(p型半導體區域140為浮置擴散層(Floating diffusion layer))，在一次關斷後，空乏區就會向p型半導體區域140內部與p型半導體區域140周圍的n型柱形區域114擴散，且維持擴散後的狀態。當該空乏區限制的時間遠長於其壽命(Life time)，就會因空乏區內部熱激發產生的電子電洞對而逐漸縮小。然而，在通常情况下，按照金氧半場效電晶體被驅動的頻率來說，從一次關斷到下一次開啟的時間短於上述空乏區縮小的時間，因此上述空乏區會因n型柱形區域114變窄導致n型柱形區域114內的電子電流導通流路變細，且產生導通電阻上升的現象。
相對於此，在活性區域周圍區域中的溝槽122的末端部附近，p型半導體區域140與基極區域118電氣連接的情况下，在關斷金氧半場效電晶體後，在源極電極134與基極區域118歐姆接觸的界面處生成的電洞會藉由基極區域118與溝槽122的末端部附近流入至p型半導體區域140，並使空乏區瞬間縮小。因此，上述空乏區不會讓n型柱形區域114變得狹窄，所以n型柱形區域114內的電子電流的導通流路就不會變細，其結果就是，能防止出現導通電阻上升的現象。
(3)在上述各實施方式中，雖然p型柱形區域116的寬度隨著從第二主面側向第一主面逐漸變寬，n型柱形區域114的寬度隨著從第二主面側向第一主面逐漸變窄，但本發明不僅限於此。也可是n型柱形區域114與p型柱形區域116的寬度不受深度影響而保持固定。
(4)在上述各實施方式中，雖然p型柱形區域116的摻雜物濃度不受深度影響而保持固定，但本發明不僅限於此。也可是p型柱形區域116的摻雜物濃度隨著從第二主面側向第一主面逐漸變高。透這樣的構造，就能獲得增大L負載累積崩潰耐量的效果。
(5)在上述各實施方式中，雖然n型柱形區域114、p型柱形區域116、溝槽122、以及閘極電極126從平面看形成為條紋狀，但本發明不限於此。也可為：型柱形區域114、p型柱形區域116、溝槽122、以及閘極電極126從平面看形成為圓形(立體地看為柱形)、四角形的框狀、圓形的框狀或格子狀等形狀。
(6)在上述各實施方式中，雖然使用的是直流電源作為電源，但本發明不限於此。也可為使用交流電源來作為電源。
(7)在上述實施方式一至二中，雖然係使用斬波電路來作為電力轉換電路，且在上述實施方式三中，係使用全橋電路來作為電力轉換電路，但本發明不限於此。也可使用半橋電路、三相交流變換器、非絕緣全橋電路、非絕緣半橋電路、推挽電路(Push-pull circuit)、震盪線圈變換器(RCC)、正向變換器(Forward Converter)、或逆向變換器(Flyback converter)等其它類型的電路。
(8)在上述實施方式一以及二中，雖然係使用pin二極體來作為整流元件，且在實施方式三中，係使用金氧半場效電晶體的內置二極體來作為整流元件，但本發明不限于此。也可以使用接面位障蕭基二極體(JBS)、PIN蕭特基合併二極體(MPS)等其它快速回復二極體、或碳化矽蕭特基勢壘二極體等其它類型的二極體來作為整流元件。
(9)在上述實施方式三中，雖然只使用了金氧半場效電晶體的內置二極體作為整流元件，但本發明不限於此。也可在內置二極體的恢復損耗過大時，另外將整流元件與金氧半場效電晶體並聯。

Claims (9)

  1. 一種金氧半場效電晶體，其包括：半導體基體，具有在交互排列狀態下形成的n型柱形區域以及p型柱形區域、位於該n型柱形區域及該p型柱形區域的表面的p型基極區域、以及位於於該基極區域的表面的n型源極區域，且由該n型柱形區域以及該p型柱形區域構成超級接面結構；溝槽，從平面看形成在該n型柱形區域所在的區域內，且具有與該n型柱形區域、該基極區域與該源極區域相鄰接的側壁、以及與該n型柱形區域相鄰接的底部；閘極電極，藉由閘極絕緣膜形成在該溝槽內；載流子補償電極，位於該閘極電極與該溝槽的所述底部之間；該溝槽內的絕緣區域，延展於該閘極電極與該載流子補償電極之間，且沿著該溝槽的該側壁與該底部延展從而將該載流子補償電極與該側壁以及所述底部分離；以及源極電極，位於該半導體基體的第一主面側的表面上，且在與該源極區域電氣連接時也與該載流子補償電極電氣連接，其中，該半導體基體進一步具有形成在與該第一主面相反側的第二主面側的表面的低電阻半導體層，在將從該載流子補償電極的最上部直到最下部為止的厚度定為b，從該閘極電極的最下部直到該低電阻半導體層的最上部為止的深度定為c時，滿足10b
    Figure TWI647854B_C0001
    c。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體，其中：在將從該閘極電極的最上部直到最下部為止的厚度定為a，從該載流子補償電極的最上部直到最下部為止的厚度定為b時，滿足0.2a
    Figure TWI647854B_C0002
    b
    Figure TWI647854B_C0003
    a。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體，其中：與該溝槽相鄰接的區域處的該n型柱形區域的摻雜物濃度，與該n型柱形區域的最下部處的該n型柱形區域的摻雜物濃度相同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體，其中：與該溝槽相鄰接的區域處的該n型柱形區域的摻雜物濃度比該n型柱形區域的最下部處的該n型柱形區域的摻雜物濃度低。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體，其中：該載流子補償電極與該n型柱形區域之間的該絕緣區域的厚度比該閘極絕緣膜的厚度更厚。
  6. 一種電力轉換電路，其包括：反應器；向該反應器提供電流的電源；對從該電源提供至該反應器的電流進行控制的申請專利範圍第1項至第5項中任意一項所述之金氧半場效電晶體；以及對從該電源提供至該反應器的電流或對來自於該反應器的電流進行整流運作的整流元件。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電力轉換電路，其中該整流元件為快速恢復二極體。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電力轉換電路，其中該整流元件為該金氧半場效電晶體的內置二極體。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之電力轉換電路，其中該整流元件為碳化矽蕭特基勢壘二極體。
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