[发明专利]半导体装置及制造方法、使用该半导体装置的电力变换装置

说明书

本申请是申请日为2003年8月22日，申请号为2004800011119，发明名称为“半导体装置及制造方法、使用该半导体装置的电力变换装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及可控制电流(通电时可以进行开/关控制的最大电流)较大的功率半导体装置及使用该功率半导体装置的电力变换装置。

背景技术

在处理高电压、大电流的电力装置中使用的功率半导体装置，要求电力损耗小、可控制电流大而且可靠性高。作为可控制电流大而且电力容量大的现有的功率半导体装置，可以列举使用硅(Si)的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和自激型闸流管。所谓自激型闸流管是能够通过栅极控制信号进行开/关控制的闸流管。公知的有栅极可关断闸流管(GTO闸流管)和静电感应闸流管、MOS闸流管等。另外，作为其他的功率半导体装置，公知的有具有pn结的二极管，亦即pn结二极管和MPS(Merged pin/Schottky)二极管、SRD(Soft and Recovery Diode)。

近年来，作为代替Si的半导体材料，碳化硅(SiC)等宽间隙半导体材料较为受人注目。SiC与Si相比，具有绝缘破坏电场强度特别大、在150℃及以上的高温下可以工作、同时能隙大等优良的物理特性。因此，作为适合于低损失耐高电压的功率半导体装置的材料，使用SiC的功率半导体装置的开发正在推进。作为用宽间隙半导体材料构成的自激型闸流管，在2001年的IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，Vol，22，No.3，从127页到129页公开了SiC-GTO闸流管。在SiC-GTO闸流管中，因为栅极控制信号只要选择流过电流(开)或者关断电流(关)一者就可以进行电流值的控制，所以可控制电流比IGBT大。SiC-GTO闸流管的开关速度非常快，处于和Si的IGBT同等的水平，因此开关损失和Si的IGBT同程度小。

非专利文献1：2001 IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，Vol，22，No.3，p.127-p.129

非专利文献2：Proceedings of the 14^th International Symposium on Power SemiconductorDevices & Ics 2002年的p.40-p.41

在IGBT等晶体管中，通电电流随着栅极控制信号的电平而变化，通电电流值由栅极控制信号的电平制约。但是，通电电流最终因为饱和，因而可控制电流小。闸流管等一旦导通后，因为通电电流不受栅极控制信号制约，所以可以使可控制电流变大。以下把栅极控制信号只选择通过电流还是关断电流其中的一者而不能进行电流值的控制称为“栅极控制信号不制约通电电流”。所谓“栅极控制信号制约通电电流”指栅极控制信号能够进行电流值的控制。

关于电力损失，IGBT等晶体管比闸流管小。一般，半导体装置的总电力损失(以下称为总损失)用下面的公式(1)表示。

总损失＝(恒定损失)+(开关损失)

＝{(内嵌电压(built-in voltage))+(导通电阻)×(通电电流)}×(通电电流)+(开关损失)…(1)

Si的IGBT与Si的自激型闸流管相比，导通电阻稍微大一些。因此，恒定损失稍微大一些。但是，因为开关速度非常快，所以开关损失非常小，结果，总损失较小。SiC等宽间隙双极半导体装置的导通电阻比Si双极半导体装置小。但是SiC比Si能隙大。因此，SiC的半导体装置的内嵌电压与Si的半导体装置的内嵌电压相比非常大，大到从2.2倍到6.1倍。因此，由于SiC的半导体装置恒定损失非常大，因而总损失比Si的半导体装置大。如上所述，在现有技术中实现低损失而且可控制电流大的SiC的功率半导体装置很困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低损失、可控制电流大、而且可靠性高的半导体装置及其制造方法以及电力变换装置。