JP2007288172A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は高耐圧で低損失な逆阻止型半導体スイッチング素子を提供する。 The present invention provides a reverse blocking semiconductor switching element with high breakdown voltage and low loss.
SiC(炭化珪素)やGaN(窒化ガリウム)やダイヤモンドのようなバンドギャップ
が1.3eV 以上のワイドバンドギャップ半導体素子は高圧・低損失・高周波化が可能であり、更に高温でも動作が可能という特徴がある。このようなワイドバンドギャップ半導体とシリコン半導体を接触させた半導体装置として、特許文献1にはSi基板上にGaN系材料を形成して実現した縦型電界トランジスタが開示されている。
Wide bandgap semiconductor devices with a band gap of 1.3 eV or more, such as SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), and diamond, are capable of high pressure, low loss, and high frequency, and can operate at higher temperatures. There is. As a semiconductor device in which such a wide band gap semiconductor and a silicon semiconductor are brought into contact with each other,
一方、マトリックスコンバータなどの応用回路向けに、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の逆方向阻止電圧を向上した逆阻止IGBTがあり、特許文献2には特許文献2には{111}面を側壁とし、{100}面を底面とする溝を有するシリコン半導体を用いた逆阻止IGBTが開示されている。
On the other hand, there is a reverse blocking IGBT that improves the reverse blocking voltage of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) for an application circuit such as a matrix converter.
さらに、特許文献3にはワイドバンドギャップ半導体とシリコン半導体を接触させたヘテロ接合ダイオードを有する逆阻止型のスイッチング素子が開示されている。 Further, Patent Document 3 discloses a reverse blocking type switching element having a heterojunction diode in which a wide band gap semiconductor and a silicon semiconductor are in contact with each other.
上記従来技術において、特許文献1に記載のものはワイドバンドギャップ半導体とシリコン半導体を接触させる構造を開示しているものの、この接触面をダイオードとして動作させ、なおかつ、この接合の高耐圧化に関しては十分検討がなされてなかった。
In the above prior art, the one described in
特許文献2に記載のものはシリコン半導体基板の逆阻止用分離領域に溝形成後にポリシリコン層やエピタキシャルシリコンで埋める方法が記載されているが、ワイドバンドギャップ半導体の場合に好適な製造方法や半導体装置構造に関しては検討がなされてなかった。
The method described in
特許文献3に記載のものは半導体基体の深さ方向が短いため周辺構造の製造プロセスが簡略化できるとしているものの、ワイドバンドギャップ半導体での不純物拡散速度は遅いため、第1主面(表面)から第2主面(裏面)側に形成されたヘテロ接合ダイオードへ到達するように半導体基体の深さ方向に分離領域を形成しようとするとイオン打ち込みがエネルギーが高くなりすぎたり、不純物拡散時間が長くなりすぎるという問題がある。 Although the thing of patent document 3 says that the manufacturing process of a peripheral structure can be simplified because the depth direction of a semiconductor substrate is short, since the impurity diffusion rate in a wide band gap semiconductor is slow, the 1st main surface (surface) When an isolation region is formed in the depth direction of the semiconductor substrate so as to reach the heterojunction diode formed on the second main surface (back surface) side, the ion implantation becomes too high in energy or the impurity diffusion time is long. There is a problem of becoming too much.
本発明の目的は、ヘテロ接合を有する逆阻止機能とスイッチング機能を有する高耐圧な半導体装置を提供することであり、特に高耐圧で低損失なワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a high breakdown voltage semiconductor device having a reverse blocking function and a switching function having a heterojunction, and in particular, to provide a semiconductor device using a wide band gap semiconductor having a high breakdown voltage and low loss. It is.
本発明の半導体装置は、ヘテロ接合を有する逆阻止型スイッチング素子において、ヘテロ接合の高耐圧化のためにスイッチング素子の周辺部の側面にものヘテロ接合を形成した。 In the semiconductor device of the present invention, in a reverse blocking switching element having a heterojunction, a heterojunction is formed on the side surface of the peripheral portion of the switching element in order to increase the breakdown voltage of the heterojunction.
本発明によれば、逆阻止特性を有する高耐圧で低損失なワイドバンドギャップ半導体スイッチング素子を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a wide band gap semiconductor switching element having reverse blocking characteristics and high breakdown voltage and low loss.
本発明の半導体回路では、第1接合と第2接合とを有する半導体スイッチング素子において、該半導体スイッチング素子の第1主端子と第2主端子との間の主電流経路のうち少なくとも1領域がワイドバンドギャップ半導体であって、前記第2接合の順方向電圧降下が前記第1接合の順方向電圧降下より低く、前記第2接合は前記スイッチング素子が順方向動作でオンした時に順バイアス状態にして、逆方向動作の時には逆バイアス状態となり、該逆バイアス状態の時には前記第2接合の周辺端部の空乏層が前記第1接合が形成される第1主面側に延びる手段を設けた。 In the semiconductor circuit of the present invention, in the semiconductor switching element having the first junction and the second junction, at least one region of the main current path between the first main terminal and the second main terminal of the semiconductor switching element is wide. A band gap semiconductor, wherein the forward voltage drop of the second junction is lower than the forward voltage drop of the first junction, and the second junction is in a forward bias state when the switching element is turned on in forward operation. In the reverse operation, a reverse bias state is provided, and in the reverse bias state, a depletion layer at the peripheral end of the second junction is provided to extend toward the first main surface where the first junction is formed.
図1は、本実施例の半導体装置である。本実施例の半導体装置は第1主面側にSiCのパワーMOSFETが形成され、第2主面側の多結晶シリコン半導体領域1とn型SiC半導体領域4との間にヘテロ接合ダイオードを形成された逆阻止型のSiCパワーMOSFETである。すなわち、電極層10がSiCパワーMOSFETのソース電極でn型SiC半導体領域4がドレイン領域になっているが、n型SiC半導体領域4はヘテロ接合ダイオードのカソード領域でもあり、シリコン半導体領域1はヘテロ接合ダイオードのアノード領域として働く。従って、電極層13は本半導体装置のアノード電極とも呼ぶことにする。
FIG. 1 shows a semiconductor device of this embodiment. In the semiconductor device of this embodiment, a SiC power MOSFET is formed on the first main surface side, and a heterojunction diode is formed between the polycrystalline
第1主面側にはn型のSiC半導体層にp型ボディ領域5a,ドレイン耐圧を確保するためのフローティングフィールドリング5b,5c,n型ソース領域8a,コンタクト用p型半導体領域6a,リーク電流低減用n型領域8b,ゲート絶縁膜15,ゲート電極層11,絶縁層12,ソース電極層10を形成してある。また、パワーMOSFETの周辺部には第1主面に対しほぼ垂直な方向に多結晶シリコン半導体領域30aが形成されていてn型SiC半導体層4との間にヘテロ接合ダイオードを形成されている。あるいは、より厳密には本半導体素子の高耐圧確保領域4の側面を囲むようにシリコン半導体領域30aを形成した。n型領域8a,8b,p型領域5a,6aは高エネルギーのイオン打ち込みで形成できるがエピタキシャル工程を利用して形成してもよい。特にゲート絶縁膜15直下のチャネル形成領域はエピタキシャル層を追加してしきい電圧を最適化しても構わない。
On the first main surface side, an n-type SiC semiconductor layer has a p-
本実施例の半導体装置ではp型SiC半導体層5aとn型SiC半導体層4で形成される第1の接合でパワーMOSFETの順方向動作におけるオフ状態の耐圧を確保し、多結晶シリコン半導体領域1とn型SiC半導体領域4で形成される第2の接合であるヘテロ接合で逆阻止耐圧を確保している。また、このヘテロ接合ダイオードはショットキダイオードと同様に順バイアスしたときには主に多数キャリアにより電流が流れ、少数キャリアの注入がほとんどない。このため、本半導体装置は高速スイッチングが可能な逆阻止型のSiCパワーMOSFETとなる。なお、本実施例ではスイッチング素子がパワーMOSFETの場合を示したが、JFETやMESFETやバイポーラトランジスタなどの他のスイッチング要素を内蔵させても構わない。また、スイッチング素子部はSiCではなく、GaNやダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体やGaAsなどでもヘテロ接合ダイオードを形成できる半導体なら他の半導体を使用しても構わない。
In the semiconductor device of the present embodiment, the first junction formed by the p-type
多結晶シリコン半導体領域30aは、例えば、銅かニッケルをマスクにして90%SF6 ,10%O2 のガス条件で磁気強化型誘導結合プラズマエッチング(Magnetically Enhanced Inductively Coupled Plasma Etching)を行い、第1主面に対し、ほぼ垂直な方向に形成した溝20を形成し、図2に示したように第1主面から形成多結晶シリコン層30を堆積し、これをパターニングする事により形成できる。シリコン半導体領域30aはシリコン半導体領域1とシリコン半導体領域30aとの距離を空乏層が接続できる寸法にしたフローティングフィールドリングになっていて、アノード側半導体層1の周辺で電界集中による降伏現象が生じる前に空乏層が30aに到達し、アノード側半導体層1の周辺で電界集中が緩和される。更に、電圧が印加されるとシリコン半導体領域30aからフローティングフィールドリングとして配置されたp型SiC半導体領域5e,5dに順次空乏層が広がり、ヘテロ接合ダイオードの周辺部で電界が集中することによる耐圧劣化を防止し高耐圧化した。また、本実施例ではn型SiC半導体領域8bを設けて、第1主面の表面をリーク電流が流れないようにしてあるが、n型SiC半導体領域4の不純物濃度が高い場合には不要である。本実施例では第1主面にもフローティングフィールドリング5e,5dも設けた場合を示したが、半導体層30aを設けるだけで、必要な耐圧が得られることもある。なお、溝20を形成した後に必要ならばリーク電流抑制や空乏層の広がりを具合を調整するために溝内部に斜めイオン打ち込みにより不純物を打ち込んでも構わない。また、この溝内部の一部、例えば側壁には自然酸化膜のような薄い酸化膜が形成されてもシリコン半導体領域30aに沿って空乏層が広がるようにシリコン半導体領域30aの電位が変わりうるならば構わない。
The polycrystalline
本半導体装置では、溝20を形成し、この中に多結晶シリコンを形成することによりシリコン半導体領域30aを実現しているため、ゲート絶縁膜15界面やSiCの主要半導体領域の不純物プロファイルに悪影響を与えるような高温長時間の熱工程を使用しなくてもよいという利点がある。
In this semiconductor device, since the
なお、溝20を形成した後に溝側面にp型不純物を斜めイオン打ち込みによりシリコン半導体領域30aの代わりにp型SiC半導体領域を形成し、その後溝20を絶縁物で埋めた構造にしても構わない。ただし、この場合には溝側面に形成したp型不純物を活性化させるための熱処理が十分に行えないこともあるが、第1主面側にフローティングフィールドリング5e,5dを設けてあるため、フローティングフィールドリング5e,5dとの相乗効果により周辺部における電界集中が回避でき高耐圧化が図れる。
In addition, after forming the
なお、第1主面側に形成する高耐圧化手段は本実施例のようなフローティングフィールドリングの他にフィールドプレートや低濃度p型半導体領域を使用したエクステンション領域や拡散層ではなく、シリコン半導体領域をフローティングフィールドリングと同様にリング状に配置してワイドバンドギャップ半導体領域4と接触させて実現するフローティングのショットキダイオードでも構わない。
Note that the high breakdown voltage means formed on the first main surface side is not a floating field ring as in this embodiment, but an extension region or diffusion layer using a field plate or a low-concentration p-type semiconductor region, but a silicon semiconductor region. As in the floating field ring, a floating Schottky diode that is realized by being arranged in a ring shape and in contact with the wide band
また、本半導体装置では本半導体素子のオン抵抗が高くならないようにn型SiCシリコン半導体領域4の寸法Xは必要な耐圧を確保できる厚さは確保するものの、第2主面からのエッチングによりできるだけ薄くした後に、第2主面から多結晶シリコンを堆積させてn型SiC半導体層4との間にヘテロ接合を形成する。また、半導体領域の厚さ寸法Yは寸法Xに比べ十分厚くなるようにシリコン半導体領域1は厚く積み、ウエハが割れにくく、ハンドリングが楽になるようにする。具体的には、寸法Yは寸法Xの少なくとも2倍以上、できれば3倍以上にすることが望ましい。
Further, in this semiconductor device, the dimension X of the n-type SiC
ここで、シリコン半導体領域1,30aはSiC半導体領域4との間にリーク電流が小さいヘテロ接合ダイオードができるならば、多結晶シリコン層でも単結晶シリコン層でも構わない。また不純物のタイプも順方向電圧の値とリーク電流の大きさによりn型でもp型でも自由に選択して構わない。ただし、シリコン半導体領域1の抵抗は寄生オン抵抗として逆阻止スイッチング素子に加算されるため、不純物濃度を高くして低抵抗化することが望ましい。
Here, as long as a heterojunction diode having a small leakage current can be formed between the
図3は、本実施例の半導体装置である。本実施例では図1のシリコン半導体領域30aと同じ目的で形成したシリコン半導体領域31aを図4に示すようにパワーMOSFETのゲート電極層31と同一工程で形成される多結晶シリコン層31を使用して形成する場合の実施例である。なお、シリコン半導体層31aとゲート電極層11は同一工程で形成される多結晶シリコン半導体層31を用いるとはいえ、不純物のタイプや濃度は別々設定しても構わないが、両方とも同一タイプで高濃度に不純物をドーピングした多結晶シリコン層にしても構わない。
FIG. 3 shows the semiconductor device of this example. In this embodiment, a
図5は、本実施例の半導体装置である。本実施例の半導体装置ではシリコン半導体領域30aをシリコン半導体領域1と接するようにした場合の実施例である。なお、シリコン半導体領域30aとシリコン半導体領域1のオーミックコンタクトが取れない場合でも、この二つの領域は第2主面側のヘテロ接合から延びる空乏層で繋がり、さらに第2主面側から表面側、更に高電圧が印加されると主表面側に形成したフローティングフィールドリング5e,5dに順次空乏層が広がりヘテロ接合周辺部における電界集中が回避される。このため実施例1と同様にヘテロ接合ダイオードの高耐圧化が図れる。
FIG. 5 shows the semiconductor device of this example. In the semiconductor device of this embodiment, the
図6は、本実施例の半導体装置である。本実施例は、溝20は半導体裏面から形成し、図5のシリコン半導体領域30aもシリコン半導体領域1と同一工程で実現する場合の実施例である。本実施例では第1主面に形成されたp型拡散領域5fとシリコン半導体領域1との間に隙間がある場合を示したが、ヘテロ接合ダイオードに逆電圧が印加されたときに降伏することなく空乏層が繋がる距離にすることによりp型拡散領域5fは、フローティングフィールドリングとして働きヘテロ接合ダイオードの高耐圧化が図れる。また、この隙間がなく、p型拡散領域5fとシリコン半導体領域1が接触する場合でもp型拡散領域5f,5eはフローティングフィールドリングとして働くため、実施例2と同様な理由によりヘテロ接合ダイオードの高耐圧化が図れる。なお、本実施例でp型拡散領域5f,5eがなく、また、溝20を浅く形成し、図5のシリコン半導体領域30aに相当する縦方向の寸法が短い場合でもヘテロ接合ダイオードの周辺の電界は緩和されるため、高耐圧化に効果がある。
FIG. 6 shows the semiconductor device of this example. In this embodiment, the
図7は、本実施例の半導体装置である。本実施例は実施例3においてp型拡散領域5fとシリコン半導体領域1が接触する場合の実施例である。本実施例の場合にもシリコン半導体領域1と接するSiC領域4領域に形成される空乏層がp型拡散領域5fにも繋がり、フローティングフィールドリング5e,5dへと順次空乏層が広がることにより、ヘテロダイオード終端での電界が緩和され高耐圧化が図れる。
FIG. 7 shows the semiconductor device of this example. This embodiment is an embodiment where the p-type diffusion region 5f and the
図8は、本実施例の半導体装置である。本実施例の半導体素子では半導体ウエハをダイシングした後にバックエッチし、その後にシリコン半導体領域1を形成した場合の実施例である。
FIG. 8 shows a semiconductor device of this example. In the semiconductor element of this embodiment, the semiconductor wafer is diced and then back-etched, and then the
この場合、シリコン半導体領域1は半導体チップの側壁に堆積されるため図5と同様の形状が得られる。なお、本実施例ではチップダイシングの場所が多少ずれても耐圧が確保できるように図5に示したフローティングフィールドリング5fを半導体チップの周辺まで延ばして形成しておき、シリコン半導体領域1と接するようにしてある。
In this case, since the
図9は、本実施例の半導体装置である。本実施例の半導体素子ではp型SiC半導体領域60を有するSiC基板を使用し、第1主面側の溝20の中にシリコン半導体領域30aを形成し、第2主面側の溝21の中にはシリコン半導体領域32aも形成してある。第2主面側の溝21にも磁気強化型誘導結合プラズマエッチングを使用し、高速に溝を形成することができる。
FIG. 9 shows a semiconductor device of this example. In the semiconductor device of the present embodiment, a SiC substrate having a p-type
本実施例では半導体の厚さ寸法Yを厚いままでも寸法Xを耐圧確保に必要な最少寸法、例えば、10kV以下なら数十μm程度以下にすることにより、オン抵抗を低減する場合の実施例である。本実施例では第2主面から深い溝21を形成し、この溝の中に多結晶シリコンを堆積させてシリコン半導体層32aを形成した。ワイドバンドギャップ半導体では低抵抗の半導体領域を形成することが難しいが、本実施例では低抵抗なシリコン半導体層32aを使用するため第2主面の基板側抵抗を低くできる。また、半導体領域の厚さYは比較的厚くできるため、割れにくくなるためハンドリングが楽になる。p型SiC半導体領域60は本半導体装置が逆耐圧を持たせるために必要である。
In this embodiment, the on-resistance is reduced by reducing the dimension X to the minimum dimension necessary for securing the withstand voltage, for example, about several tens of μm or less if it is 10 kV or less even when the semiconductor thickness Y is kept thick. is there. In this embodiment, a
ここで、p型SiC半導体領域60を基板として、その上にn型SiC半導体領域4をエピタキシャル成長で形成しても構わないが、SiC基板としてn型SiC半導体領域4を用い、p型SiC半導体領域60はイオン打ち込みやp型不純物を高濃度に含んだ拡散源からの拡散工程により安価に形成しても構わない。または、p型SiC半導体領域60は絶縁層にしても構わない。
Here, although the p-type
図10は、本実施例の半導体装置である。本実施例の半導体素子ではn型SiC半導体領域4とn型SiC半導体領域2との間にこれら二つの半導体領域より十分低抵抗な高濃度n型SiC半導体領域3を設けた場合の実施例である。具体的には抵抗率が1桁以上低いことが望ましいが抵抗率が半分以下でも効果がある。この高濃度n型SiC半導体領域3を設けることにより、オン抵抗の増加を抑えつつ、同時に半導体領域Yの寸法を長くできるため、ウエハが割れにくくなりハンドリングが楽になる。
FIG. 10 shows the semiconductor device of this example. In the semiconductor device of the present embodiment, the high-concentration n-type SiC semiconductor region 3 having a sufficiently lower resistance than these two semiconductor regions is provided between the n-type
本実施例の半導体素子ではパワーMOSFETの耐圧確保にn型SiC半導体領域4の厚さXと第2主面側のヘテロ接合ダイオードの耐圧に必要なn型SiC半導体領域4の厚さZをできるだけ薄くし、半導体厚さYをハンドリングに問題とならない程度に厚くした。本実施例では寸法Yは寸法Xと寸法Zの合計より十分長くなる場合に有効である。すなわち、例えば、半導体チップ完成時に寸法X,Yは10μmから20μm程度、寸法Yは80μm〜600μmとなるような場合に有効である。
In the semiconductor device of this embodiment, the thickness X of the n-type
半導体層32bと半導体層32cは電極13の周りを囲むように形成した第2主面側のフローティングフィールドリングで半導体層32aと同時に形成するが、各々は電気的には分離して形成してある。このような溝内に形成されたフローティングフィールドリングで第2主面のヘテロダイオードの耐圧を確保しても構わない。
The
なお上記高濃度n型SiC半導体領域3は半導体領域2,4より抵抗率が1桁以上の半導体以外の材料、たとえば金属層でも構わない。
The high-concentration n-type SiC semiconductor region 3 may be made of a material other than a semiconductor, such as a metal layer, whose resistivity is one digit or more than that of the
図11は、本実施例の半導体装置である。本実施例ではヘテロ接合ダイオードのアノード電極も第1主面側から取り出した場合の実施例である。本実施例ではヘテロ接合ダイオードの面積を広く取りオン抵抗を下げられるように溝22を形成し、シリコン半導体領域33aを形成した。実施例2と同様に本実施例でもゲート電極層11とシリコン半導体領域33aを同一工程で形成した多結晶シリコン層を使用することもできる。本構造は公知の素子分離領域を追加することにより集積回路にも使用できる。
FIG. 11 shows the semiconductor device of this example. In this embodiment, the anode electrode of the heterojunction diode is also taken out from the first main surface side. In this embodiment, the
図12は、本実施例の半導体装置を使用した本発明の半導体回路である。本実施例ではヘテロ接合ダイオードを用いた本発明の逆阻止スイッチング素子を電流形インバータに使用した例である。電流型インバータでは電流平滑リアクトル140により、インバータ回路に流れる全電流がほぼ一定となり、この電流は各スイッチング素子のオン・オフ状態に応じて異なった逆阻止スイッチング素子に電流が流れる。これにより、モータ等の負荷130への電流を制御する。本実施例では、127,128,129は3相モータのコイルである。本実施例の半導体装置を使用するとスイッチング素子部はワイドバンドギャップ半導体を使用しているため高圧で低損失となり、またヘテロ接合ダイオード部ではシリコン半導体層の不純物濃度や不純物の型(n型またはp型)を最適化することにより、順方向電圧が低く、リーク電流が小さい少数キャリアの蓄積がない高速スイッチング可能なダイオードが実現できる。このため、電流形インバータのような電流形電力変換回路を高周波駆動可能で損失も低減できるという効果がある。
FIG. 12 shows a semiconductor circuit of the present invention using the semiconductor device of this embodiment. In this embodiment, the reverse blocking switching element of the present invention using a heterojunction diode is used for a current source inverter. In the current type inverter, the current smoothing
図12は、本実施例の半導体装置を用いた本発明の半導体回路である。 FIG. 12 shows a semiconductor circuit of the present invention using the semiconductor device of this embodiment.
本実施例の半導体装置を用いた本発明の半導体回路である。本実施例では主に昇降機などに使用されるマトリックスコンバータ回路で使用される逆阻止スイッチを用いた双方向スイッチである。このように本発明の逆阻止スイッチを逆方向に並列接続すると双方向スイッチが実現できる。このような双方向スイッチをマトリックスコンバータ回路に使用すると実施例10同様な理由により、高周波化や低損失化が可能なマトリックスコンバータを実現できる。 This is a semiconductor circuit of the present invention using the semiconductor device of this example. This embodiment is a bidirectional switch using a reverse blocking switch used in a matrix converter circuit mainly used in an elevator or the like. Thus, when the reverse blocking switch of the present invention is connected in parallel in the reverse direction, a bidirectional switch can be realized. When such a bidirectional switch is used in a matrix converter circuit, a matrix converter capable of achieving high frequency and low loss can be realized for the same reason as in the tenth embodiment.
以上、パワー半導体素子はn型であるとして説明したが、p型のパワー半導体素子の場合には、回路の極性や不純物層の極性を逆にすることにより同様な構成が実現でき、同様の効果が得られることはいうまでもない。 As described above, the power semiconductor element is described as being n-type. However, in the case of a p-type power semiconductor element, a similar configuration can be realized by reversing the polarity of the circuit and the polarity of the impurity layer. Needless to say, is obtained.
また、スイッチング素子を構成する半導体領域にはSiCを使用した場合で説明したがGaNやダイヤモンドのような他のワイドバンドギャップ半導体やGaAsを使用しても構わない。また、ヘテロ接合を構成するバンドギャップが小さい半導体としてシリコンを使用した場合で説明したが、ヘテロ接合が構成できるなら他の半導体を使用しても構わない。 Further, although the case where SiC is used for the semiconductor region constituting the switching element has been described, other wide band gap semiconductors such as GaN and diamond or GaAs may be used. Moreover, although the case where silicon was used as the semiconductor having a small band gap constituting the heterojunction has been described, other semiconductors may be used as long as the heterojunction can be constituted.
1 Si半導体領域
2 n型SiC半導体領域
3 高濃度n型SiC半導体領域
4 n型SiC半導体領域
5a〜5e,6a〜6b,60 p型SiC半導体領域
8 n型SiC半導体領域
10 ソース電極層
11 ゲート電極層
12,40 絶縁層
13 アノード電極
15 ゲート絶縁層
20,21,22 溝
30a,31a,32a〜32c Si半導体領域
110,111,150,152 逆阻止スイッチング素子
112 グランド端子
113 高圧端子
118 高圧電源
119,120 電源
123,124,125,126 スイッチ
140 電流平滑リアクトル
152,153 双方向スイッチの端子
Claims (16)
該半導体スイッチング素子の第1主端子と第2主端子との間の主電流経路のうち少なくとも1領域がワイドバンドギャップ半導体であって、
前記第2接合の順方向電圧降下が前記第1接合の順方向電圧降下より低く、
前記第2接合は前記スイッチング素子が順方向動作でオンした時に順バイアス状態にして、逆方向バイアス状態の時には電流遮断状態となり、前記逆バイアス状態の時には前記第2接合の周辺端部の空乏層が前記第1接合が形成される第1主面側に延びる手段を設けたことを特徴とする半導体スイッチング素子。 In a semiconductor switching element having a first junction and a second junction,
At least one region of the main current path between the first main terminal and the second main terminal of the semiconductor switching element is a wide band gap semiconductor,
The forward voltage drop of the second junction is lower than the forward voltage drop of the first junction;
The second junction is in a forward bias state when the switching element is turned on in a forward operation, and is in a current blocking state in the reverse bias state, and a depletion layer at a peripheral end of the second junction in the reverse bias state. The semiconductor switching element is characterized by comprising means extending toward the first main surface where the first junction is formed.
前記第2接合はヘテロ接合で、該ヘテロ接合を構成する半導体の一方はシリコン半導体であり、
前記第1接合の少なくとも一方はワイドギャップ半導体であることを特徴とする半導体スイッチング素子。 In claim 1,
The second junction is a heterojunction, and one of the semiconductors constituting the heterojunction is a silicon semiconductor;
At least one of said 1st junction is a wide gap semiconductor, The semiconductor switching element characterized by the above-mentioned.
前記第2接合の周辺端部の空乏層が前記第1接合が形成される第1主面側に延びる手段として、前記第2接合の周辺端部近傍でなおかつ第1主面側にシリコン半導体領域を設けたことを特徴とする半導体スイッチング素子。 In claim 1,
As a means for the depletion layer at the peripheral edge of the second junction to extend to the first main surface side where the first junction is formed, a silicon semiconductor region in the vicinity of the peripheral edge of the second junction and on the first main surface side A semiconductor switching element comprising:
前記へテロ接合ダイオードはバンドギャップが広いほうの第1半導体の第1半導体領域とバンドギャップが狭いほうの第2半導体の第2半導体領域で構成し、
前記第2半導体の第2半導体領域の周辺部の空乏層を前記第1半導体の第1半導体領域の側面に沿って延ばす手段を設けたことを特徴とする半導体スイッチング素子。 In a semiconductor layer device having a switching element on the first terminal side and a heterojunction diode element blocking reverse current on the second terminal side,
The heterojunction diode includes a first semiconductor region of a first semiconductor having a wider band gap and a second semiconductor region of a second semiconductor having a narrow band gap,
A semiconductor switching element comprising means for extending a depletion layer in a peripheral portion of the second semiconductor region of the second semiconductor along a side surface of the first semiconductor region of the first semiconductor.
前記へテロ接合ダイオードはバンドギャップが広いほうの第1半導体の第1半導体領域とバンドギャップが狭いほうの第2半導体の第2半導体領域で構成し、
前記第2半導体の第2半導体領域の周辺部の空乏層を第1主面に対し、垂直方向に延ばす手段を設けたことを特徴とする半導体スイッチング素子。 In a semiconductor layer device having a switching element on the first terminal side and a heterojunction diode element blocking reverse current on the second terminal side,
The heterojunction diode includes a first semiconductor region of a first semiconductor having a wider band gap and a second semiconductor region of a second semiconductor having a narrow band gap,
A semiconductor switching element comprising means for extending a depletion layer in a peripheral portion of the second semiconductor region of the second semiconductor in a direction perpendicular to the first main surface.
前記第1端子は半導体第1主面側に形成し、
前記第2端子は半導体第2主面側に形成し、
前記第2半導体の第2領域周辺部の空乏層が第1主面に対し垂直方向に延ばす手段として、前記第2半導体の第2領域周辺部で前記第1主面と前記第2主面の間に第2半導体の第3半導体領域を設けたことを特徴とする半導体スイッチング素子。 In claim 5,
The first terminal is formed on the semiconductor first main surface side,
The second terminal is formed on the semiconductor second main surface side,
As a means for extending a depletion layer in the periphery of the second region of the second semiconductor in a direction perpendicular to the first main surface, the first main surface and the second main surface in the periphery of the second region of the second semiconductor. A semiconductor switching element, wherein a third semiconductor region of a second semiconductor is provided therebetween.
前記第2半導体の第2半導体領域の周辺部の空乏層を第1主面に対し、垂直方向に延ばす手段として前記第1半導体の第1半導体領域の側面に前記第1半導体の第1半導体領域とは逆の導電型の第1半導体の第5半導体領域を設け、
第1主面には第2主面から延びてきた空乏層の電界集中を緩和させるためのフローティングフィールドリングやフィールドプレートや低濃度エクステンション領域などの高耐圧確保領域を設けたことを特徴とする半導体スイッチ素子。 In claim 5,
As a means for extending a depletion layer in a peripheral portion of the second semiconductor region of the second semiconductor in a direction perpendicular to the first main surface, the first semiconductor region of the first semiconductor on the side surface of the first semiconductor region of the first semiconductor A fifth semiconductor region of a first semiconductor having a conductivity type opposite to that of the first semiconductor,
A semiconductor comprising a floating field ring for relaxing electric field concentration of a depletion layer extending from the second main surface and a high breakdown voltage securing region such as a field plate and a low concentration extension region on the first main surface Switch element.
前記第2半導体の第2半導体領域は第2主面に設けた溝の中に形成し、
前記第2半導体の第2半導体領域を形成してない第2主面側には前記第1半導体の第1半導体領域と逆極性の第1半導体の第4半導体領域を設けたことを特徴とする半導体スイッチ素子。 In claim 5,
A second semiconductor region of the second semiconductor is formed in a groove provided in a second main surface;
A fourth semiconductor region of a first semiconductor having a polarity opposite to that of the first semiconductor region of the first semiconductor is provided on a second main surface side where the second semiconductor region of the second semiconductor is not formed. Semiconductor switch element.
前記へテロ接合ダイオードはバンドギャップが広いほうの第1半導体の第1半導体領域とバンドギャップが狭いほうの第2半導体の第2半導体領域で構成し、
前記第2半導体の第2半導体領域を第1主面に対し垂直方向に設けたことを特徴とする半導体スイッチング素子。 In a semiconductor layer device having a switching element on the first terminal side and a heterojunction diode element blocking reverse current on the second terminal side,
The heterojunction diode includes a first semiconductor region of a first semiconductor having a wider band gap and a second semiconductor region of a second semiconductor having a narrow band gap,
A semiconductor switching element, wherein the second semiconductor region of the second semiconductor is provided in a direction perpendicular to the first main surface.
前記第1端子を第1主面に設け、前記第2端子を第2主面に設け
前記へテロ接合ダイオードはバンドギャップが広いほうの第1半導体の第1半導体領域とバンドギャップが狭いほうの第2半導体の第2半導体領域で構成し、
前記第1半導体の第1半導体領域と隣接し、前記第1半導体の第1半導体領域より抵抗率が1桁以上低い低抵抗領域を介して前記第1端子側のスイッチング要素と接したことを特徴とするスイッチング素子。 In a semiconductor layer device having a switching element on the first terminal side and a heterojunction diode element blocking reverse current on the second terminal side,
The first terminal is provided on the first main surface, and the second terminal is provided on the second main surface. The heterojunction diode has a narrower band gap and a first semiconductor region of the first semiconductor having a wider band gap. A second semiconductor region of the second semiconductor,
It is adjacent to the first semiconductor region of the first semiconductor and is in contact with the switching element on the first terminal side through a low resistance region whose resistivity is one digit or more lower than that of the first semiconductor region of the first semiconductor. Switching element.
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