[发明专利]半导体元件、半导体装置及电力变换器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体元件。特别涉及使用于高耐压、大电流场合的碳化硅半导体元件(功率半导体器件)。另外，本发明涉及具备碳化硅半导体元件的半导体装置及电力变换器。

背景技术

碳化硅(silicon carbide：SiC)是与硅(Si)相比带隙大的高硬度的半导体材料，被应用于功率器件、耐环境元件、高温动作元件、高频元件等各种半导体装置。其中，在半导体元件或整流元件等功率器件中的应用备受关注。使用了SiC的功率器件与Si功率器件相比，其优点在于能够大幅度降低功率损耗等。另外，SiC功率器件能灵活应用这种特性，较之Si功率器件能够实现更小型的半导体装置。

使用了SiC的功率器件之中的代表性半导体元件是金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor：MISFET)。下面，有时将SiC的MISFET仅称为“SiC-FET”。金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：MOSFET)是MISFET的一种。当SiC的pn结中流动正向电流时，存在着因基板底面错位导致层叠缺陷增大这一SiC固有的问题。在将SiC-FET作为开关元件，例如使用在对电动机等负载进行驱动控制的电力变换器等中的情况下，会产生上述问题。在作为进行同步整流型控制的电力变换器的开关元件而使用SiC-FET的情况下，如后面的详细说明那样，需要在SiC-FET处于截止状态时流动“回流电流”。作为该回流电流的路径，有时使用SiC-FET内在的pn结。这种pn结存在于构成SiC-FET的半导体元件的内部，由于作为二极管发挥作用，因此称为“体二极管(body diode)”。当将SiC-FET内在的pn结二极管(体二极管)作为回流二极管使用时，在作为pn结的体二极管中沿正向流动电流。当该电流流经SiC的pn结时，认为因体二极管的双极性动作会导致SiC-FET的结晶劣化(例如专利文献1、非专利文献1、2)。

当SiC-FET的结晶劣化时，体二极管的ON电压有可能上升。另外，当将体二极管作为回流二极管使用时，因pn结二极管的双极性动作导致二极管从导通状态转变为截止状态时，流动反向恢复电流。反向恢复电流产生恢复损耗，导致开关速度下降。

为了解决通过将体二极管作为回流二极管使用而产生的这种问题，提出将作为电子元件的回流二极管元件与SiC-FET反向并联连接使得在回流二极管元件中流动回流电流的方案(例如专利文献2)。

图1表示具有回流二极管元件的典型的逆变器电路1000的构成。

逆变器电路1000是用于驱动电动机等的负载1500的电路，具备由SiC-FET构成的多个半导体元件1100。在逆变器电路1000中，与半导体元件1100反向并联地连接着回流二极管元件1200。通过半导体元件1100流动导通电流(I_F)，通过回流二极管元件1200流动回流电流(I_R)。由串联连接的两个半导体元件1100构成了一个组，相对于直流电源2000并联设置三个组。各半导体元件1100的栅极电位由控制器控制。

图2(a)示出半导体元件(SiC-FET)1100的构成。半导体元件1100由碳化硅(SiC)半导体构成，具有在n⁺基板(SiC基板)110上层叠了n^-漂移(drift)层120的构造。在n^-漂移层120的上部形成了p体区域130，在p体区域130的上部形成了p体接触区域132和n⁺源极区域140。并且，在p体接触区域132及n⁺源极区域140上形成了源极电极145。

在n^-漂移层120、p体区域130及n⁺源极区域140的表面形成了沟道外延层150。此外，在沟道外延层150上形成了栅极绝缘膜160及栅极电极165。在沟道外延层150中的与p体区域130的上表面相接的部分形成沟道区域。在n⁺基板110的背面形成了漏极电极170。

半导体元件1100中内置有体二极管180。即，通过p体区域130与n^-漂移层120之间的pn结形成了体二极管180。

由于SiC是宽带隙半导体，因此体二极管180在室温下的上升电压Vf在3V附近(约2.7V)，比较高，损耗大。