WO2014155551A1 - 半導体装置およびその製造方法、並びに、当該半導体装置を有する回路 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法、並びに、当該半導体装置を有する回路 Download PDF

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高濱　高
久本　大
泰之 沖野
直樹 手賀
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株式会社日立製作所
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    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/11—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors
    • H01L31/1105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors the device being a bipolar phototransistor

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device, a manufacturing method thereof, and a circuit having the semiconductor device.
  • the motor drive inverter is generally a three-phase output, and is a device that converts direct current into alternating current using two sets of switching elements for each phase.
  • switching elements gate turn-off thyristors and bipolar transistors were mainly used in the 20th century.
  • SiC silicon carbide
  • Patent Document 1 An inverter that uses a phototransistor as a switching element is described in Patent Document 1 as a device that avoids these problems and prevents an electric field from being applied to the gate insulating film.
  • Patent Document 2 a new switching element using light is described in Patent Document 2 as one corresponding to higher switching operation frequency.
  • the feature of the switching element disclosed in Patent Document 2 is that a deep acceptor level, a shallow donor level, and a shallow acceptor level are formed, and electrons are trapped from the shallow donor level to the deep acceptor level. The point is that electrons are excited to the conduction band by light.
  • This deep acceptor level formation method uses a crystal defect introduced when forming a shallow acceptor level.
  • the switching element according to Patent Document 2 forms a deep acceptor level by using a crystal defect introduced when forming a shallow acceptor level. It is not easy to control the amount.
  • crystal defects are introduced so as to slightly exceed the amount of shallow acceptor levels, and the amount of crystal defects and the amount of shallow acceptor levels are added. It must be controlled to form as many shallow donor levels as the combined quantity. It is not easy to optimize the three types of density of states, such as when the amount of shallow donor levels increases even slightly, it becomes impossible to switch off, and when the amount of shallow acceptor levels increases, it becomes impossible to switch on. There is no problem.
  • the present invention is characterized by providing a semiconductor device that switches an optical signal to an electrical signal at a faster response speed, a method for manufacturing the same, and a circuit having the semiconductor device.
  • a typical example of means for solving the problems according to the present invention is a semiconductor device, in which a first N-type semiconductor region, a P-type semiconductor region, and a second N-type semiconductor region are arranged in this order.
  • the P-type semiconductor region has a donor level of 0.5 eV or more from the lower end of the conduction band and half or less of the energy gap of the conduction band, and the density of the donor level is P-type in the P-type semiconductor region. It is characterized by being higher than the density of the acceptor level that forms.
  • the present invention it is possible to provide a semiconductor device capable of a faster response. Alternatively, it is possible to provide a circuit that is further reduced in size and noise.
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention. It is the cross-sectional schematic which shows the 2nd Example of this invention. It is the cross-sectional schematic which shows the 2nd Example of this invention. It is a circuit diagram which shows the 3rd Example of this invention.
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an energy band showing a state in which deep donor levels are formed in a P-type semiconductor. Part of the deep donor level 4 compensates for the shallow acceptor level. The remaining deep donor level 4 cannot be activated at room temperature. The N-type regions on both sides are electrically non-conductive in the intermediate P-type region. This is the OFF state of the switching element.
  • the use of the deep donor level 4 eliminates the need for doping of the shallow donor level, which was necessary for trapping electrons in the conventional deep acceptor level.
  • conduction electrons 6 are generated as indicated by 7 in the figure. Due to the generation of the conduction electrons 6, this region is changed to N-type. Electrons flow from the N-type semiconductor region into the vacant deep donor level 4 and are trapped, which are excited by light. These excitations occur continuously in the ON state of the switching element. At the same time, as indicated by 8 in the figure, the electrons trapped in the acceptor level 5 are excited to the deep donor level 4 and further excited to the conduction electrons 6. At this time, electrons in the upper part of the valence band are thermally excited to the shallow acceptor level 5 that has become vacant.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to the present invention.
  • the N-type SiC region 9 (first N-type semiconductor region) is doped with nitrogen or phosphorus in the order of 14 to the 15th power / cm 3 .
  • the N-type SiC region 11 (second N-type semiconductor region) is doped with nitrogen or phosphorus on the order of 19-20th order / cm 3 .
  • the P-type SiC region 10 (P-type semiconductor region) is doped with boron or aluminum in the order of 14 to 15th order / cm 3 , and as an example of a deep donor element, vanadium is doped in the order of 14th to 16th order / cm 3 . .
  • doping is performed throughout the P-type SiC region 10 so that the doping amount of vanadium is larger than that of boron or aluminum.
  • a deep donor element is an element that forms an energy level at a deep position of 0.5 eV or more from the lower end of the conduction band and half or less of the energy gap of the conduction band.
  • Doping is performed throughout the P-type SiC region 10 so that the doping amount of the deep donor element is larger than that of boron or aluminum.
  • the density of the donor level is higher than the density of the acceptor level forming the P-type in the region. This is because the electrons of the deep donor element fall into a shallow acceptor level formed by boron or aluminum, and the deep donor level becomes an acceptor level. Therefore, in order to ensure the amount of deep donor levels, the doping amount of the deep donor element must be larger than the doping amount of boron or aluminum.
  • the N-type SiC region 11 and the N-type SiC region 9 are non-conductive by the P-type SiC region 10.
  • the deep donor element exists as a deep level at a position near 0.5 eV to 1.6 eV from the lower part of the conduction band, it is inactive in a temperature region of 300 ° C. or lower using the semiconductor device according to the present invention, This is because there are no conduction electrons throughout the P-type SiC region 10.
  • the wiring In order to actually obtain a conduction / cutoff response by light, the wiring must be drawn from the N-type SiC region 9 and the N-type SiC region 11. At this time, since the N-type SiC region 11 has a high donor concentration, it can make ohmic contact with the wiring. However, since the N-type SiC region 9 has a low donor concentration, it is difficult to make ohmic contact with the wiring. is there. Therefore, an N-type SiC region 13 (third N-type semiconductor region) is provided under the N-type SiC region 9 as shown in FIG. The N-type SiC region 13 is doped with nitrogen or phosphorus on the order of 18-20th order / cm 3 . Since the N-type SiC region 13 has a high donor concentration, it becomes possible to make ohmic contact with the wiring.
  • selenium or chromium is also present in SiC as a deep donor level in the vicinity of 0.8 eV from the bottom of the conduction band. Therefore, by doping so that the doping amount of selenium or chromium is larger than that of boron or aluminum throughout the P-type SiC region 10, photoexcited electrons behave as majority carriers like vanadium described above. By light irradiation / blocking, the N-type SiC region 9 and the N-type SiC region 11 perform conduction / cut-off response at high speed.
  • FIG. 7 shows an example in which wiring is drawn out from the N-type SiC region 13 and the N-type SiC region 11.
  • the metal wiring 18 is drawn from the N-type SiC region 11 and the metal wiring 19 is drawn from the N-type SiC region 13.
  • These metal wirings are oxidation-resistant metals such as nickel or gold, and a wiring such as copper is connected thereon.
  • the insulating film 20 is made of SiO2 or the like so as not to block light that should reach the P-type SiC region 10.
  • the P-type semiconductor region that was non-conductive at the time of OFF changes to N-type by generated electrons due to light irradiation. This is the ON operation.
  • the current flowing through the switching element is a drifted majority carrier. Since the diffusion current due to minority carriers is not used, the photoelectric conversion switching element according to the present invention can respond at high speed. For this reason, it is possible to use at a higher frequency than the conventional phototransistor.
  • FIG. 4 and 5 are schematic cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
  • the N-type SiC region 9 is doped with nitrogen or phosphorus as a donor in the order of 14 to the 15th power / cm 3 .
  • the process of forming the P-type SiC region 10 is shown in FIG.
  • the mask 14 is formed.
  • the mask 14 is formed of a photoresist, but may be formed of not only a photoresist but also SiO 2 or silicon.
  • boron or aluminum which is an acceptor, is doped in the order of 14 to 15th order / cm 3 and vanadium, selenium, or chromium, which is a donor, is doped in the order of 14 to 16th order / cm 3 ion implantation through the mask 14. .
  • This can be expressed by the order of 9 to the 11th power / cm 2 in terms of the dose of the ion implantation method.
  • the region covered with the mask 14 is not doped with acceptor boron or aluminum, nor is donor vanadium, selenium or chromium. It is a feature of the ion implantation method that ions can be selectively and precisely doped only in a specific region without a mask. In the method of doping using a gas containing a doping species while being heated with a laser or a heater, it is not easy to control the amount of dopant at a low concentration of 14 to 16th order / cm 3 , but selectively. It is difficult to dope.
  • vanadium, selenium, or chromium is larger than that of boron or aluminum throughout the P-type SiC region 10, but vanadium, selenium, or chromium is in the order of the 18th power / cm 3. If the doping is excessive, there is a concern that the breakdown voltage of the P-type SiC region 10 is deteriorated or leakage current is generated. Conversely, when the doping amount of vanadium or selenium is small, there arises a problem that the region 10 cannot be switched to N-type by light irradiation.
  • the order of ion implantation may be boron or aluminum first, vanadium, selenium or chromium first.
  • the N-type SiC region 11 is also formed by doping nitrogen or phosphorus by an ion implantation method.
  • the mask 16 is formed of a photoresist, but may be formed of not only a photoresist but also SiO 2 or silicon. Nitrogen or phosphorus is doped through the mask 16 by the 19-20th order / cm 3 method. The region covered with the mask 16 is not doped with nitrogen or phosphorus.
  • the ion implantation shown in FIG. 4 is performed before the ion implantation shown in FIG. 5, but this order may be reversed. That is, after the ion implantation shown in FIG. 5 is performed, the ion implantation shown in FIG. 4 may be performed.
  • heat treatment when doping is performed by an ion implantation method, heat treatment must be performed at about 1700 to 1800 ° C. after doping. This heat treatment may be performed every time the desired element such as boron, aluminum, vanadium, selenium, chromium, nitrogen or phosphorus is ion-implanted, but after all the desired elements have been ion-implanted. Also good.
  • a level can be formed with high accuracy by ion-implanting a necessary dopant, and a desired switching element can be easily manufactured. Is possible.
  • FIG. 6 is a circuit diagram as an example of the device of the present invention.
  • 18 in the figure corresponds to the metal wiring 18 connected to the N-type SiC region 11 in FIG. 19 in the figure corresponds to the metal wiring 19 connected to the N-type SiC region 13 in FIG.
  • the metal wiring 18 and the metal wiring 19 are oxidation-resistant metals such as nickel or gold. That is, the metal wiring 18 of one switching element shown in FIG. 7 and the metal wiring 19 of another switching element are connected. At this time, the positive electrode of the DC power supply is connected to the metal wiring 19 of the switching element to which the metal wiring 18 is connected.
  • the metal wiring 18 of the other switching element is grounded or the negative electrode of the DC power supply is connected. Further, a diode D is connected in parallel with the switching element.
  • FIG. 6 shows a state in which these two switching elements are connected in series and three diodes connected in parallel are connected in parallel. That is, the circuit according to the present embodiment includes at least two semiconductor devices described in the above embodiments, and one of the two semiconductor devices includes one first N-type semiconductor region and the other second semiconductor device. And a means for irradiating light to each of the P-type semiconductor regions of the two semiconductor devices.
  • An arrow 12 in FIG. 6 corresponds to the light 12 in FIG.
  • the light 12 is applied to the P-type region 10 of the switching element as pulsed light by connecting an optical cable that transmits an optical signal such as an optical fiber.
  • An alternating current is output to U, V, and W in response to the irradiation pulse light controlled to the order of several hundred kHz. That is, the circuit of FIG. 6 becomes an inverter that converts direct current into alternating current by controlled irradiation light.
  • an inverter is used to pass a current through a coil such as a motor.
  • a counter electromotive force is generated in the coil, which may destroy the switching element.
  • the diode D functions to release an excessive current.
  • the part expressed as a DC power supply is not limited to a power supply, but may be an output part of a converter that converts AC to DC.

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Abstract

　光信号をより速い応答速度で電気信号へとスイッチングする素子および製造方法を提供する目的で、第１のＮ型半導体領域９と、Ｐ型半導体領域１０と、第２のＮ型半導体領域１１がこの順で接する半導体装置において、Ｐ型半導体領域に、伝導帯の下端から0.5eV以上、かつ、前記伝導帯のエネルギーギャップの半分以下のドナー準位を設け、ドナー準位の密度を、前記Ｐ型半導体領域にＰ型を形成しているアクセプター準位の密度よりも高い構成とする。

Description

半導体装置およびその製造方法、並びに、当該半導体装置を有する回路
　本発明は、半導体装置およびその製造方法、並びに、当該半導体装置を有する回路に関する。
　ハイブリッドカーや電車などの交通機関から、洗濯機や冷蔵庫などの家電品にいたるまで、モーター駆動品の省エネルギー運転を可能とするインバータの利用分野は拡大し続けている。モーター駆動用インバータは、一般に三相出力であり、各相２組ずつスイッチング素子を用いて直流を交流に変換する装置である。これらのスイチング素子として、２０世紀には、ゲートターンオフサイリスタやバイポーラトランジスタが主として使われていた。２１世紀になると、よりオン抵抗が低く、高速駆動が可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴの使用がほとんどとなった。近年、エネルギー損失が少なく、かつ耐高電圧材料として、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）が注目され、ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴのインバータへの利用検討も開始されている。
　スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いてインバータ動作させた場合、ハイサイドＭＯＳＦＥＴのソース側負荷電圧変動に伴うVth変動という課題がある。本課題に対応するため、ハイサイドＭＯＳＦＥＴゲートドライバーは、ＭＯＳＦＥＴ本来の閾値よりも高い電圧を印加するなど複雑なシステム設計を必要としている。また、高い電圧をＭＯＳＦＥＴのゲートに印加しなければならないため、ゲート絶縁膜の長期信頼性確保という課題のハードルは高くなっている。さらに、ゲート絶縁膜の破壊あるいは経時劣化は、ゲートドライバーへの高電圧漏洩による制御回路破壊のみならず、負荷の故障を引き起こす懸念もある。
　これらの課題を回避し、ゲート絶縁膜に電界が印加されない装置として、スイッチング素子にフォトトランジスタを使用するインバータが、特許文献１に記載されている。
　以下に、特許文献１に示されたフォトトランジスタのＯＮ状態を、ＮＰＮフォトトランジスタ構造を例にとって述べる。ベースコレクター間のＰＮ接合領域にバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光を照射すると、電子・正孔対が発生する。この発生した正孔がベースに注入されることで、ベースエミッター接合は順バイアスされる。この結果、通常のＮＰＮトランジスタのように、エミッタから電子がベースに拡散する。ベース中では少数キャリアである電子は、ベース中を拡散し続け、ベースコレクターＰＮ接合部で順バイアスされコレクターへ流れ込む。このエミッタからコレクターへの電子の流れが、フォトトランジスタのＯＮ電流である。
　他方、バンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光が照射していないときが、ＯＦＦ状態である。
　また、スイッチング動作高周波化に対応するものとして、光による新たなスイッチング素子が、特許文献２に記載されている。特許文献２に示されたスイッチング素子の特徴は、深いアクセプター準位と浅いドナー準位と浅いアクセプター準位を形成し、浅いドナー準位から深いアクセプター準位に電子をトラップさせ、そのトラップされた電子を光によって伝導帯に励起する点にある。この深いアクセプター準位形成方法は、浅いアクセプター準位を形成する際に導入される結晶欠陥を利用するというものである。
　特許文献１や２に記載のインバータのように、光によるスイッチングを行うことで、ゲート絶縁膜の破壊や信頼性低下といった課題はなくなる。さらに、ゲート電極に電圧を印加する必要がないので、ハイサイドＭＯＳＦＥＴのVth変動問題もなくなるというメリットがある。
特開２００４－３５０３６０号公報 特表２００９－５４２００４号公報
　特許文献１に係るフォトトランジスタのＯＮ動作においては、流速の小さい拡散電流を利用している。すなわち、応答速度が遅い少数キャリアを使用している。このため、特許文献１に示されたフォトトランジスタは、低周波用途でしか使用できない。一方、インバータは、スイッチング周波数を上げることでより小型化が可能になり、ノイズ対策が容易になる。このため、インバータのスイッチング動作周波数は、高周波化の傾向がある。この傾向に沿うことができない特許文献１のフォトトランジスタをスイッチング素子に用いたインバータでは、高周波用途での利用が容易ではないという課題がある。
　また、特許文献２に係るスイッチング素子は、浅いアクセプター準位を形成する際に導入される結晶欠陥を利用して深いアクセプター準位を形成しているが、現在の量産技術においても、結晶欠陥の量を制御することは容易ではない。その上、特許文献２に記載の光スイッチング素子を実現するには、浅いアクセプター準位の量を僅かに超えるように結晶欠陥を導入し、その結晶欠陥の量と浅いアクセプター準位の量を足し合わせた量とほぼ同数の浅いドナー準位を形成するように制御しなければならない。浅いドナー準位の量がわずかでも多くなると、スイッチＯＦＦができなくなり、浅いアクセプター準位の量が多くなると、スイッチＯＮができなくなるといった具合に、３種類の状態密度を最適化することは容易ではないという課題がある。
　以上を踏まえ、本発明は、光信号をより速い応答速度で電気信号へとスイッチングする半導体装置およびその製造方法、並びに、当該半導体装置を有する回路を提供することを特徴とする。
　本発明による課題を解決する手段のうち代表的なものを例示すれば、半導体装置であって、第１のＮ型半導体領域と、Ｐ型半導体領域と、第２のＮ型半導体領域がこの順で接し、Ｐ型半導体領域に、伝導帯の下端から0.5eV以上、かつ、伝導帯のエネルギーギャップの半分以下のドナー準位を有し、ドナー準位の密度は、Ｐ型半導体領域にＰ型を形成しているアクセプター準位の密度よりも高いことを特徴とする。
　本発明によれば、より高速レスポンス可能な半導体装置を提供することが可能となる。または、より小型化・低ノイズ化した回路を提供することが可能となる。
本発明を表したエネルギーバンドの概略図である。 本発明の第１の実施例を示す断面概略図である。 本発明の第１の実施例を示す断面概略図である。 本発明の第２の実施例を示す断面概略図である。 本発明の第２の実施例を示す断面概略図である。 本発明の第３の実施例を示す回路図である。 本発明の第１の実施例を示す断面概略図である。
　図１は、Ｐ型半導体中に深いドナー準位を形成した様子を表したエネルギーバンド概略図である。深いドナー準位４の一部は、浅いアクセプター準位を補償する。残った深いドナー準位４は、室温では、活性化できない。両側のＮ型領域は、中間にあるＰ型領域で電気的に非導通となる。これが、スイッチング素子のＯＦＦ状態である。深いドナー準位４を用いることで、従来の深いアクセプター準位に電子をトラップさせるのに必要だった浅いドナー準位のドーピングが不要になる。
　このＰ型半導体領域に、エネルギーギャップの半分以上のエネルギーを持った光を照射すると、図中７で示したように、伝導電子６が発生する。この伝導電子６の発生により、本領域はＮ型に変化する。そして、空席となった深いドナー準位４にＮ型半導体領域から電子が流れ込みトラップされ、それが光によって励起される。これらの励起が連続的に生じるのがスイッチング素子のＯＮ状態である。このとき同時に、図中８で示したように、アクセプター準位５にトラップされていた電子が、深いドナー準位４へ励起され、さらにその電子が伝導電子６へと励起される。このとき、価電子帯上部の電子は、空席となった浅いアクセプター準位５へと熱的に励起される。
　以上のＯＮ・ＯＦＦを実施するには、深いドナー準位と浅いアクセプター準位の低い濃度領域での制御が必要である。これらは深いドナーを形成する金属元素と浅いアクセプターを形成する１３族元素をイオン注入法で高精度に制御することで実現できる。
　図２は、本発明に係る半導体装置の断面概略図である。Ｎ型ＳｉＣ領域９（第１のＮ型半導体領域）には、窒素あるいは燐を14～15乗オーダー個/ｃｍ３ドーピングしている。Ｎ型ＳｉＣ領域１１（第２のＮ型半導体領域）には、窒素あるいは燐を19～20乗オーダー個/ｃｍ３ドーピングしている。Ｐ型ＳｉＣ領域１０（Ｐ型半導体領域）には、ホウ素あるいはアルミニウムを14～15乗オーダー個/ｃｍ３、深いドナー元素の一例として、バナジウムを14～16乗オーダー個/ｃｍ３ドーピングしている。その上で、Ｐ型ＳｉＣ領域１０内全般にわたり、ホウ素あるいはアルミニウムよりもバナジウムのドーピング量の方が多くなるようにドーピングしている。
　ここで、深いドナー元素と呼んでいるのは、伝導帯の下端から0.5eV以上で、かつ、伝導帯のエネルギーギャップの半分以下の深い位置にエネルギー準位を形成する元素のことである。Ｐ型ＳｉＣ領域１０内全般にわたり、ホウ素あるいはアルミニウムよりも、深いドナー元素のドーピング量の方が多量になるようにドーピングしている。この結果、Ｐ型ＳｉＣ領域１０において、ドナー準位の密度は、当該領域にＰ型を形成しているアクセプター準位の密度よりも高い。これは、深いドナー元素の電子がホウ素あるいはアルミニウムが作る浅いアクセプター準位に落ちてしまい、深いドナー準位はアクセプター準位になってしまうからである。したがって、深いドナー準位の量を確保するためには、深いドナー元素のドーピング量の方が、ホウ素あるいはアルミニウムのドーピング量よりも多量でなければならない。
　光（あるいは電磁波）を遮断した状態では、Ｐ型ＳｉＣ領域１０によって、Ｎ型ＳｉＣ領域１１とＮ型ＳｉＣ領域９とは非導通となっている。その理由は、深いドナー元素は伝導帯下部から0.5eV～1.6eV付近の位置に深い準位として存在するので、本発明に係る半導体装置を使用する300℃以下の温度領域では不活性であり、Ｐ型ＳｉＣ領域１０全般にわたり、伝導電子が存在しないからである。
　図２中矢印１２で示したように、1μｍよりも短い波長の光を照射すると、Ｐ型ＳｉＣ領域１０中の深いドナー元素による深い準位から電子が伝導帯へと励起され、Ｐ型ＳｉＣ領域１０は、Ｎ型ＳｉＣ領域１０へと切り替わる。空席となった深いドナー準位にＮ型半導体領域９から電子が流れ込みトラップされ、それが光によって励起される。これらの励起が連続的に生じ、Ｎ型ＳｉＣ領域９とＮ型ＳｉＣ領域１１とは、電気的に導通した状態となる。もしも、照射光の波長が600nmよりも短い場合、上記励起過程とともに、上記以外の励起過程も生じる。すなわち、ホウ素あるいはアルミニウムによって供給された浅いアクセプター準位にトラップされていた電子が、深いドナー準位へ励起され、深いドナー準位から伝導帯へ電子が励起される。ホウ素あるいはアルミニウムによって供給された浅いアクセプター準位へは、本発明に係る半導体装置を使用する温度領域で、価電子帯から容易に電子が熱励起される。これらの過程が瞬時に連続的に発生する。これらの過程により、Ｎ型ＳｉＣ領域１１とＮ型ＳｉＣ領域９とを非導通にしていたＰ型ＳｉＣ領域１０は、Ｎ型ＳｉＣ領域１０へと切り替わる。このとき、Ｎ型ＳｉＣ領域９とＮ型ＳｉＣ領域１１とは、電気的に導通した状態となる。本導通状態に至る過程において、Ｐ型ＳｉＣ領域１０中で電子が少数キャリアとして振舞うことはなく、受光励起により即、電子はＮ型ＳｉＣ領域１０中の多数キャリアとなる。逆に光を遮断すると即座に電子の励起は停止し、領域１０はＰ型ＳｉＣ領域へ戻る。したがって、Ｎ型ＳｉＣ領域９とＮ型ＳｉＣ領域１１の光による導通・遮断応答速度は高い。
　実際に光による導通・遮断応答を得るには、Ｎ型ＳｉＣ領域９とＮ型ＳｉＣ領域１１から配線を引き出さなくてはならない。このとき、Ｎ型ＳｉＣ領域１１はドナー濃度が高いため、配線とオーミックコンタクトをとることが可能であるが、Ｎ型ＳｉＣ領域９はドナー濃度が低いため、配線とオーミックコンタクトをとることが困難である。このため、図３に示したようにＮ型ＳｉＣ領域９の下にＮ型ＳｉＣ領域１３（第３のＮ型半導体領域）を設ける。Ｎ型ＳｉＣ領域１３には、窒素あるいは燐を18～20乗オーダー個/ｃｍ３ドーピングしている。Ｎ型ＳｉＣ領域１３はドナー濃度が高いため、配線とオーミックコンタクトをとることが可能となる。
　上述のバナジウムと同様に、セレン、あるいはクロムもＳｉＣ中で、伝導帯下部から0.8eV付近に深いドナー準位として存在する。したがって、Ｐ型ＳｉＣ領域１０内全般にわたり、ホウ素あるいはアルミニウムよりもセレンあるいはクロムのドーピング量の方が多くなるようにドーピングすることで、上述バナジウムのように、光励起された電子が多数キャリアとして振る舞い、光照射・遮断によって、Ｎ型ＳｉＣ領域９とＮ型ＳｉＣ領域１１は高速で導通・遮断応答する。
　Ｎ型ＳｉＣ領域１３とＮ型ＳｉＣ領域１１から配線を引き出したひとつの例を図７に示す。Ｎ型ＳｉＣ領域１１から金属配線１８を引き出し、Ｎ型ＳｉＣ領域１３から金属配線１９を引き出した様子を示している。これらの金属配線は、ニッケルあるいは金など耐酸化性金属であり、この上に銅などの配線を接続する。絶縁膜２０は、Ｐ型ＳｉＣ領域１０に届くべき光を遮蔽しないようにＳｉＯ２などを用いる。
　このように、本実施例に係る発明によれば、ＯＦＦ時非導通だったＰ型半導体領域は、光照射により、発生した電子でＮ型に変化する。これがＯＮ動作である。このときスイッチング素子を流れる電流はドリフトされた多数キャリアである。少数キャリアによる拡散電流を利用していないので、本発明による光電変換スイッチング素子は高速レスポンス可能となる。このため、従来のフォトトランジスタよりも高周波での利用が可能となる。
　図４および５は、本発明に係る半導体装置の製造方法を表わす断面概略図である。前記実施例で述べたものと同様に、Ｎ型ＳｉＣ領域９には、ドナーである窒素あるいは燐を14～15乗オーダー個/ｃｍ３ドーピングしている。これに対し、Ｐ型ＳｉＣ領域１０を形成する工程を、図４に図示している。図４の工程では、まず、マスク１４を形成する。このマスク１４は、フォトレジストで形成するが、フォトレジストだけでなくＳｉＯ２やシリコンで形成しても良い。次に、本マスク１４越しに、アクセプターであるホウ素あるいはアルミニムを14～15乗オーダー個/ｃｍ３、ドナーであるバナジウムあるいはセレンあるいはクロムを14～16乗オーダー個/ｃｍ３イオン注入法でドーピングする。これは、イオン注入法のドーズ量で表現すると9～11乗オーダー個/ｃｍ２となる。
　マスク１４で覆われた領域には、アクセプターであるホウ素あるいはアルミニムも、ドナーであるバナジウムあるいはセレンあるいはクロムもドーピングされない。マスクのない特定の領域だけに選択的かつ高精度濃度にイオンをドーピングできることが、イオン注入法の特徴である。ドーピング種を含んだガスを用いてレーザーやヒーターで加熱しながらドーピングする方法では、14～16乗オーダー個/ｃｍ３という低い濃度でのドーパントの量を制御することが容易ではなく、選択的にドーピングするのは困難である。
　Ｐ型ＳｉＣ領域１０内全般にわたり、ホウ素あるいはアルミニウムよりも、バナジウムあるいはセレンあるいはクロムのドーピング量の方が多くなるようにドーピングする必要があるが、バナジウムあるいはセレンあるいはクロムを18乗オーダー個/ｃｍ３と過剰にドーピングすると、Ｐ型ＳｉＣ領域１０の絶縁耐圧劣化あるいは漏洩電流発生が懸念される。逆に、バナジウムあるいはセレンのドーピング量が少ないと、光照射によって領域１０をＮ型にスイッチングできないという問題が生じる。イオン注入法でドーピングすることによってのみ、14～16乗オーダー個/ｃｍ3という低い濃度でのドーパントの量を制御することが可能となる。このとき、イオン注入の順番は、ホウ素あるいはアルミニムが先でも、バナジウムあるいはセレンあるいはクロムが先でも構わない。
　次に、図５に示したように、Ｎ型ＳｉＣ領域１１も窒素あるいは燐をイオン注入法でドーピングして形成する。マスク１６は、フォトレジストで形成するが、フォトレジストだけでなくＳｉＯ２やシリコンで形成しても良い。本マスク１６越しに、窒素あるいは燐を19～20乗オーダー個/ｃｍ3法でドーピングする。マスク１６で覆われた領域には、窒素あるいは燐はドーピングされない。
　本実施例に係る半導体装置の製造方法においては、図５で示したイオン注入を実施する前に、図４で示したイオン注入を実施したが、この順番は逆でもかまわない。すなわち、図５で示したイオン注入を実施した後、図４で示したイオン注入を実施しても良い。
　ドーピング種を含んだガスを用いてレーザーやヒーターで加熱しながらドーピングする方法とは異なり、イオン注入法でドーピングした場合は、ドーピング後に1700～1800℃程度で加熱処理しなければならない。この加熱処理は、ホウ素あるいはアルミニム、バナジウムあるいはセレンあるいはクロム、窒素あるいは燐といった所望の元素をイオン注入するたびごとに実施しても良いが、所望の元素すべてのイオン注入が済んだ後に実施してもよい。
　このように、上述の実施例にて説明した半導体装置の製造方法において、必要なドーパントをイオン注入することで、高精度で準位の形成が可能となり、容易に所望のスイッチング素子を製造することが可能となる。
　図６は本発明装置の一例としての回路図である。本図中１８は、図７におけるＮ型ＳｉＣ領域１１に接続した金属配線１８に対応している。本図中１９は、図７におけるＮ型ＳｉＣ領域１３に接続した金属配線１９に対応している。金属配線１８ならびに金属配線１９は、ニッケルあるいは金など耐酸化性金属である。すなわち、図７に示したひとつのスイッチング素子の金属配線１８と、別のスイッチング素子の金属配線１９とを接続する。このとき金属配線１８を接続したスイッチング素子の金属配線１９に直流電源の正極を接続する。もう一方のスイッチング素子の金属配線１８を接地、あるいは直流電源の負極を接続する。さらに、スイッチング素子に並列にダイオードＤを繋ぐ。スイッチング素子の金属配線１８にダイオードＤのアノードを繋ぎ、金属配線１９にダイオードＤのカソードを繋ぐ。これら2つのスイッチング素子を直列に繋ぎ、ダイオードを並列に繋いだものを３つ並列に繋いだ状態を表したものが図６である。すなわち、本実施例に係る回路は、以上の実施例にて説明した半導体装置を少なくとも２つ有し、２つの前記半導体装置のうち、一方の第１のＮ型半導体領域と、他方の第２のＮ型半導体領域とを接続し、２つの前記半導体装置のそれぞれの前記Ｐ型半導体領域に、光を照射する手段を有することを特徴とする。
　図６中の矢印１２は、図２における光１２に相当する。光１２は、光ファイバーなどの光信号を伝送する光ケーブルを接続することによって、パルス光としてスイッチング素子のＰ型領域１０に照射される。そして、数百kHzオーダーにコントロールされた照射パルス光に対応して、Ｕ、Ｖ、Ｗに交流電流が出力される。すなわち、図６の回路は、コントロールされた照射パルス光によって直流を交流に変換するインバータとなる。なお、インバータは多くの場合、モーターなどのコイルに電流を流すために使われる。ここで、スイッチＯＦＦの際にコイルに逆起電力が生じて、スイッチング素子を破壊する可能性がある。これを防ぐために、ダイオードＤが過大な電流を逃がす働きをしている。
　本図において、直流電源と表現した部分は、電源に限らず、交流を直流に変換したコンバータの出力部であっても良い。
　このように、以上の実施例にて説明した半導体装置を回路のスイッチング素子に応用することで、高周波での利用を可能にし、小型化・低ノイズ化を促進する効果がある。
１　　伝導帯下端
２　　価電子帯上端
３　　真性フェルミ準位
４　　深いドナー準位
５　　浅いアクセプター準位
６　　伝導電子
７　　励起
８　　励起
９　　Ｎ型ＳｉＣ領域
１０　Ｐ型ＳｉＣ領域
１１　Ｎ型ＳｉＣ領域
１２　光
１３　Ｎ型ＳｉＣ領域
１４　マスク
１５　電界加速イオン
１６　マスク
１７　電界加速イオン
１８　金属配線
１９　金属配線
２０　絶縁膜。

Claims (6)

  1. 　第１のＮ型半導体領域と、Ｐ型半導体領域と、第２のＮ型半導体領域がこの順で接し、
    　前記Ｐ型半導体領域に、伝導帯の下端から0.5eV以上、かつ、前記伝導帯のエネルギーギャップの半分以下のドナー準位を有し、
    　前記ドナー準位の密度は、前記Ｐ型半導体領域にＰ型を形成しているアクセプター準位の密度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記ドナー準位を形成する元素は、バナジウム、クロム、またはセレンであることを特徴とする半導体装置。
  3. 　請求項１または２において、
    　前記第１のＮ型半導体領域、前記Ｐ型半導体領域、および前記第２のＮ型半導体領域は、それぞれ不純物をドーピングした炭化珪素であることを特徴とする半導体装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか１つにおいて、
    　前記第１のＮ型半導体領域のうち、前記Ｐ型半導体領域とは接しない側に接する第３のＮ型半導体領域をさらに有し、
    　前記第２のＮ型半導体領域のドナー濃度は、前記第１のＮ型半導体領域のドナー濃度より高く、
    　前記第３のＮ型半導体領域のドナー濃度は、前記第１のＮ型半導体領域のドナー濃度より高いことを特徴とする半導体装置。
  5. 　請求項１から４のいずれか１つにおいて、
    　前記半導体装置を２つ有し、
    　２つの前記半導体装置のうち、一方の前記第１のＮ型半導体領域と、他方の前記第２のＮ型半導体領域とを接続し、
    　２つの前記半導体装置のそれぞれの前記Ｐ型半導体領域に、光を照射する手段を有することを特徴とする回路。
  6. 　第１のＮ型半導体領域と、Ｐ型半導体領域と、第２のＮ型半導体領域がこの順で接した半導体装置の製造方法であって、
    　前記Ｐ型半導体領域にアクセプター準位を形成する第１の元素をイオン注入法によりドーピングする第１の工程と、
    　前記Ｐ型半導体領域に伝導帯の下端から0.5eV以上、かつ、前記伝導帯のエネルギーギャップの半分以下のドナー準位を形成する第２の元素をイオン注入法によりドーピングする第２の工程と、を有し、
    　前記ドナー準位の密度は、前記アクセプター準位の密度よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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